Pancake技术，VR设备的拯救者。
编辑 | 智东西内参
VRAR 是消费电子产业下一阶段确定性较高的创新方向。2021 年全球 VR 出货量迈过 1000 万台生态繁荣门槛，行业进入“硬件迭代升级—内容生态繁荣—用户数量/渗透率持续增加”的良性循环上升通道。Wellsenn XR 预计全球 VR 光学市场规模将于 2023 年达到 22 亿元，2030 年有望达到 500 亿元。
VR 光学方案主要经历了非球面透镜、菲涅尔透镜、Pancake 方案三个阶段，当前 VR设备光学方案仍以菲涅尔透镜为主，Pancake 方案开始逐步渗透。Pancake 方案的落地不仅是光学系统自身的重大创新，同时也为 VR 头显整机设计预留空间，预计将是未来几年 VR 头显主流的光学方案选择。
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来源 安信证券 德邦证券
原标题：
《VR 设备轻薄化趋势明确，Pancake 有望成为主流光学方案》
《VR 行业专题 1：Pancake 光学落地加速，把握硬件创新机遇》
作者：马良 陈海进
01.
Pancake
VR设备拯救者
1、Pancake下一阶段 VR 光学主要升级方向
VR 光学发展大致经过传统透镜—菲涅尔透镜—折叠光路（Pancake）三个阶段，体积重量不断减小。目前菲涅尔透镜是市场主流方案，Pancake 因为在轻薄化方面的重大突破，有望成为下一阶段 VR 光学主要升级方向。
传统透镜在 VR 应用以非球面透镜为主，体积/重量较大，应用逐渐减少。基于凸透镜基本原理，如果想使其焦距变短，满足近眼成像模组体积缩小的需求，主要有两种路径：1）增加透镜厚度：通过增加透镜中央与边缘厚度差，增强透镜对光线的折射能力；2）多组透镜叠加：缩短整体透镜模组焦距。但是，无论采用哪种方式，短焦距与轻薄化的设计诉求在传统透镜上必然存在严重冲突，这也限制了传统透镜在 VR 头显上的进一步应用深化。
▲非球面透镜可有效解决球差问题，在早期 vr 头显应用较多
菲涅尔透镜本质是扁平版凸透镜，因体积较小且工艺成熟被目前市场上多数 VR 头显采用。光传播的方向在介质中不会改变（除非是散射光），而是在介质的表面偏离。因此，透镜中心的大部分材料只会增加系统内的重量和吸收量。基于此原理，菲涅尔透镜在传统透镜的基础上去掉直线传播的部分，而保留发生折射的曲面，从而达到省下大量材料同时又达到相同的聚光效果。
Pancake 方案进一步压缩了模组厚度，提升了用户的舒适度和沉浸感。折叠光路 Pancake方案利用半透半反偏振膜的透镜系统折叠光学路径，光线在镜片、相位延迟片以及反射式偏振片之间多次折返，最终从反射式偏振片射出进入人眼。
2、Pancake原理与优缺点
Pancake 光学方案设计以偏振光原理为基础，利用反射偏光片(Reflecting polarizer)对于不同偏振光选择性反射和投射的特性，配合 1/4 相位延时片(Quarter waveplate)调整偏振光形态，实现光线在半透半反镜(Half-mirrorlens)和反射偏光片之间的来回反射，并最终从反射偏光片透射出去。
以下图为例，圆偏振光在通过 1/4 相位延时片后变为线偏振光到达反射偏光片并被反射，接着第二次通过 1/4 相位延时片变回圆偏振光被半透半反镜反射并第三次通过 1/4 相位延时片，再次变为线偏振光，因为本次相比第一次光线旋转 90°，得以通过反射偏光片完成成像。
▲Pancake 方案工作原理
Pancake 方案为组合透镜，通常可通过控制其中一片透镜位置进行屈光度调节。对于近视用户而言，过往佩戴 VR 头显进行屈光调节更多采用的是更换镜片的方式，试戴过程麻烦且调档选择较为有限。而当光学方案升级到 Pancake 技术时，屈光度调节方式有了更多更便利的选择。因为 Pancake 方案一般为多组透镜的组合，可以通过移动其中一组镜片调整整个光学模组的折射率，从而满足调焦需求，这种方式对于传统单片非球面透镜和菲涅尔透镜方案就无法实现。当然，VR 头显也可通过移动屏幕来调整屈光度，但是外调焦方式会改变整个模组总长，头显设计时需要预留体积空间，轻薄性较差。
▲内调屈光度原理
进一步，可变焦显示不仅能满足近视用户需求，更是解决 VAC 问题的有效方案。目前 Pancake 与机械式可变焦技术已经逐渐走向成熟，Pancake+可变焦+眼球追踪有望成为未来 VR 新头显的主流装机趋势。相较于人眼自然成像，VR 头显屏幕发出的光线没有深度信息，光学模组焦距固定。
▲Meta 的 Half Dome 1, 2, and 3 原型机变焦显示原型
当设备使用时候，人眼焦点调节与成像纵深感不匹配，由此产生视觉辐辏调节冲突（VAC 现象），使得用户在佩戴VR 头显一段时间后会感到头晕或疲劳。可变焦显示技术（机械式）通过电机+齿轮传统系统对透镜位置进行移动，并与眼动追踪技术相结合，基于眼部细微特征变化校订模组焦距，模拟人眼自然成像，从而解决 VAC 眩晕问题。
▲Pancake 光学模组体积大幅减小
Pancake 模组生产技术难度主要集中在膜材料质量、贴膜工艺和组装调整三方面。相比传统非球面透镜和菲涅尔透镜，Pancake 模组功能优势在于光路折叠，光学膜在成像中起到了至关重要的作用，因此膜材料的质量和贴膜工艺相对应构成了技术核心。同时，Pancake 方案光路设计复杂，组装和对齐调整要求很高，细微差异便会导致光学模组整体的光路变化。
▲Pancake 模组加工流程及关键难点环节
膜材：高质量达标反射偏振片与 1/4 相位延时片以海外供应为主。反射偏振片和1/4 相位延迟片工作的准确性与稳定性对于 pancake 光学成像质量构成关键影响，膜材质量的标准和对应要求较高，目前供应商以海外厂商 3M、旭化成等为主。
贴膜工艺：曲面贴膜难度较大。光学贴膜的方式可以分为平面贴膜和曲面贴膜。平面贴膜技术难度较低，但会牺牲部分光学性能和成像质量。曲面贴膜可以带来更大的 FOV 和更优质的成像质量，但是工艺难度较大，容易边缘褶皱和翘起。
组装调整：Pancake 光路精度高敏感，对位要求严苛。Pancake 折返方案包括两片式和多片式，进行屏幕、透镜等组装时需要严格按照既定光路设计完成，否则细微角度差异就会对最终成像效果产生很大影响，高精度 AA 设备在 Pancake 组装过程中起到关键的效率和良率提升作用。
Pancake 方案并非十全十美，目前仍然存在光效和鬼影等问题：
光效较低，通常仅约 10%。受光学原理限制，光线在 Pancake 模组中每次经过偏振/半反射环节，光效损失 50%。以两片式 Pancake 简易模组为例，光线从屏幕发出后至少经过一次圆偏振镜，两次半透半反镜，光效折损已到 12.5%，考虑光线传播中不可避免的其他损失，通常 Pancake 模组光效仅约 10%。因此，Pancake 光学方案通常对屏幕亮度要求更高，光学与显示方案需配套迭代。
鬼影问题远比常规透镜方案严重。在光学成像系统中，由杂散光（透镜界面多次反射、透镜缺陷散射、物理结构散射等因素造成）在画面中的某个位置形成的“像”被称为“鬼像”(ghost)。鬼影现象会直接导致图像质量的降低，主要是对比度以及 MTF 等。Pancake 方案因为光线多次折返，鬼影问题相比常规非球面/菲涅尔方案更为严重，一般通过改善透镜材料、形状等方式优化。
▲Pancake 方案鬼影问题较为严重
根据 Wellsenn XR 预测，2023 年全球 VR 光学市场规模将达到 22 亿元，2030 年有望达到500 亿元。VR 光学模组是 VR 头显的核心元件，其市场规模取决于 VR 设备的出货量和光学模组价格。目前 Pancake 光学膜组的成本高、良率低、产量低，单个 Pancake 模组价格约为 150-200 元。随着未来方案的成熟和产量的提升，Pancake 光学模组的成本有望逐渐下降，VR 终端价格下沉进一步激发消费者购买欲，加速 VR 普及。
目前 HTC Flow 系列、Pico VR Glasses、3Glasses X 系列、创维 S6 及 Pancake 1、arpara、Huawei、Shiftall 等头显设备均已采用 Pancake 方案，Pico 4、Meta Cambria、苹果 MR 等新品亦蓄势待发。Pancake 光学方案能极大地提升用户的沉浸感和舒适感，未来 Pancake方案有望为更多 VR 厂商采用，预计市场规模将持续扩大。
3、Pancake 与菲涅尔透镜方案实例比较
3Glasses X1 VS 3Glasses D3：2019 年 4 月，3Glasses 发布了采用 Pancake 光学方案的 VR 头显 3Glasses X1。在整机设计上，3Glasses X1 VR 裸机重量小于 150g，机身尺寸为 165*62*24mm。相较于 3Glasses在 2017 年发布的采用菲涅尔透镜的 VR 头显 3Glasses D3，3Glasses X1 的厚度缩减了56mm，重量减轻了一半，整体上更加轻薄。
在显示配置上，X1 单眼分辨率为 1200*1200，视场角为 105 度，支持 0~600°的屈光度调节。由此可见，3Glasses X1 拥有比 D3 更大的视场角，且支持屈光度调节，但在采用同款 Fast-LCD 显示屏的情况下，其分辨率略低于3Glasses D3。
▲3Glasses X1
▲3Glasses D3
▲3Glasses X1 VS 3Glasses D3
创维 S6 VS 创维 V901 VS 创维 PANCAKE1：2020 年创维发布了采用 Pancake 光学方案的 VR 分体式眼镜创维 S6。在整机方面，创维将S6 整机眼镜重量降至 130g，机身厚度仅 58mm。在显示方面，S6 单眼分辨率为 1600*1600，视场角为 94°,支持 0~800°的屈光度调节。
相较于 2019 年 4 月创维发布的采用菲涅尔透镜的VR头显创维V901,创维S6显著缩小了机身尺寸及降低了重量，但在采用同款Fast-LCD屏幕的情况下，其单眼分辨率及视场角略低于 V901。2022 年 7 月 25 日，创维发布了超短焦 Pancake 光学方案新品 VR 一体机 PANCAKE 1，PANCAKE 1 镜片体积仅为传统菲涅尔镜片的 1/4，厚度减少 50%以上，相较于前两款产品有着更高的分辨率。
▲创维 S6
▲创维 V901
▲创维 S6 VS 创维 V901 VS 创维 PANCAKE1
Pico VR Glasses VS Pico Neo3：2020 年 1 月 Pico 发布了采用 Pancake 光学方案的 Pico VR Glasses，使用双 2.1 英寸TFT-LCD 显示屏，单眼分辨率达 1600*1600。此款产品搭配 3DoF 控制器，其视场角为 90度，并支持 0-800 度屈光度调节。
作为短焦产品，其机身尺寸为 160*79*26mm，重量仅为119 克。相较于 2021 年 4 月 Pico 发布的采用菲涅尔透镜的VR 头显 Pico Neo3，Pico VRGlasses 支持屈光度调节，且机身尺寸更小、重量更轻，但其分辨率及视场角略低于 PicoNeo3。
▲Pico VR Glass
▲Pico Neo3
▲Pico VR Glass VS Pico Neo3
下列VR设备光学方案对比情况显示，采取Pancake光学方案的VR设备普遍具有机身轻薄、支持屈光度调节的优点，但是目前由于技术原因，视场角表现较弱，方案潜力尚未被完全发掘。
▲VR 设备光学方案对比
从上述案例对比来看，相较于菲涅尔透镜，Pancake 光学方案在缩小机身尺寸、降低 VR 设备重量以及屈光度调节方面有着较大优势，但在显示方面仍然与工艺成熟的菲涅尔透镜有一定差距，受光损高、透镜直径被压缩等因素影响，目前分辨率和视场角表现还未达到理想水平。预计短期内，菲涅尔透镜仍会被部分 VR 厂商采用，但 Pancake 光学方案的优势愈发凸显，越来越多的 VR 厂商将其应用于新品中，Pancake 方案有望在中长期内实现大规模商用。
02.
Pancake落地加速
带来产业链新机遇
VR 光学重要创新，Pancake 推动 VR 行业发展进入新阶段。VR 头显硬件创新主要体现在光学方案、交互方式、整体设计三方面，Pancake 是光学方案中的重大升级。预计随着 Pancake 方案的逐步推广应用，VR 头显在重量体积和佩戴舒适性上将迎来较大幅度提升，同时 Pancake 模组体积的减少为头显整体设计提供了更多的空间预留，协同推进行业发展进入新的阶段。
▲Pancake 为 VR 行业硬件迭代重要一步
光学膜卡位 Pancake 方案价值高地，产业链核心供应商新增从 0 到 1 弹性机会。
Pancake 方案在 VR 领域的应用带来增量光学膜市场机会，根据测算，假设2026 年全球 VR 头显出货量 3473 万台，Pancake 渗透率 80%，单目光学膜成本100 元，对应市场规模约为 56 亿元。考虑到目前 Pancake 光学膜达标供应商较少，对于单家企业来说从 0 到 1 弹性增长机会较大。此外，随着面板产业转移，我国偏光片市场需求不断增加，但是供给端高度依赖进口，国产化率提升同样是本土偏光片企业的发展良机。
▲Pancake 光学膜市场空间测算(亿元)
Pancake 方案对屏幕亮度要求较高，Mini led/Micro oled 光源配套升级，渗透率 有望加速提升。VR 显示方案主要在像素密度、响应速度、亮度、功耗、对比度、成本等性能方面不断优化。Mini led/Micro oled 相比传统 Fast-Lcd 方案整体性能表现更优，在 Pancake 方案的配套升级需求下，渗透率有望加速提升。
短期内 Mini led 方案依据成本优势落地更快，中长期随着技术的持续创新发展和终端规模上量，Micro oled 具备成本竞争力的时候，有望凭借高分辨率、高刷新率等全方位优势快速大面积铺广。
智东西认为，Pancake方案，可以极大改善目前VR头显的“短板”。展望未来，Oculus、Pico、奇遇等头部厂商的下一代新品、以及苹果MR都或将搭载Pancake光学模组，产业趋势已高度确定。
原标题：《VR界火爆的Pancake技术是个啥？搞定眩晕笨重两大痛点，苹果也会用【附下载】| 智东西内参》