VR領(lǐng)域的神奇“松餅”——Pancake光學(xué)方案

要說(shuō)今年在消費(fèi)端電子市場(chǎng)最火爆的的產(chǎn)品，那一定是Apple在今年WWDC 2023上所推出的Apple Vision Pro。雖說(shuō)2023年才剛剛過(guò)去了一半，但是基本上也可以確實(shí)，今年的消費(fèi)端市場(chǎng)上，大概率不會(huì)也不會(huì)出現(xiàn)第二個(gè)產(chǎn)品，其熱度可以超過(guò)Apple Vision Pro了。而隨著Apple Vision Pro的出現(xiàn)，其采用的先進(jìn)光路解決方案——Pancake又一次進(jìn)入了大眾的視野。可以想象隨著Meta、Apple、Pico等等頭部公司紛紛推出基于Pancke的VR設(shè)備，未來(lái)的VR市場(chǎng)之上，Pancake一定會(huì)是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)大熱的光路方案，這篇文章就讓筆者帶大家了解一下，究竟什么是Pancake超短焦光學(xué)方案。

在Pancake光學(xué)方案之前，VR頭顯的光學(xué)方案主要經(jīng)歷了非球面透鏡和菲涅爾透鏡兩個(gè)階段，這兩種方案的具體原理本篇文章暫不涉及，但是這兩種方案都有其十分致命的缺點(diǎn)，那就是整體光路結(jié)構(gòu)十分巨大，且沉重。早期的非球面透鏡VR方案，輕則七八百克，重則上千克，對(duì)于一個(gè)需要長(zhǎng)時(shí)間戴在頭上的設(shè)備，如此沉重的重量對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是巨大的負(fù)擔(dān)，無(wú)形之中也制約了VR設(shè)備的發(fā)展和普及。直到菲涅爾透鏡方案的出現(xiàn)，VR設(shè)備才迎來(lái)的第一次減重，從以公斤計(jì)算，終于下降到幾百克，還能勉強(qiáng)長(zhǎng)時(shí)間使用的重量，其厚度也有一定縮減。但我們都知道人眼有其最近的聚焦距離，如果設(shè)備越來(lái)越薄，VR屏幕離人眼過(guò)近，將極大增加視疲勞甚至根本無(wú)法對(duì)焦，難道對(duì)于VR頭顯來(lái)說(shuō)，輕薄注定無(wú)法實(shí)現(xiàn)嗎？當(dāng)然不是，為了解決設(shè)備輕薄和人眼近距離對(duì)焦困難，這兩個(gè)看似矛盾的問(wèn)題，Pancake方案應(yīng)運(yùn)而生。

所謂Pancake從名字上來(lái)看也能略知一二，其結(jié)構(gòu)就像松餅（pancake）一樣高度集成在一起，有效降低了結(jié)構(gòu)大小和重量，有效減輕了VR頭顯佩戴的負(fù)擔(dān)，同時(shí)還能最大限度延長(zhǎng)光路，讓眼睛可以正常對(duì)焦，那么它是怎么做到的呢？

對(duì)于VR頭顯來(lái)說(shuō)，為了在有限的距離內(nèi)最大化一片光源的面積，可以采用兩種方法：使用放大鏡或利用兩面鏡子進(jìn)行反射。后者相比前者具有更短的路徑，即使在獲得相同光面積的情況下。理解了這個(gè)原理，我們可以更好地理解Pancake成像原理。在Pancake光學(xué)模組之中，光路將被最大程度得被折疊。Pancake光學(xué)方案實(shí)現(xiàn)折疊光路的原理主要依賴(lài)于四種組件：線(xiàn)性偏振片（LP）、四分之一相位延遲片（QWP）、半反半透鏡（BS）和反射偏振片（RP或PBS）。

利用反射偏光片對(duì)于不同偏振光選擇性反射和投射的特性，配合 1/4 相位延時(shí)片調(diào)整偏振光形態(tài)，實(shí)現(xiàn)光線(xiàn)在半透半反鏡和反射偏光片之間的來(lái)回反射，并最終從反射偏光片透射出去。以實(shí)際光路為例，則是圓偏振光在通過(guò) 1/4 相位延時(shí)片后變?yōu)榫€(xiàn)偏振光到達(dá)反射偏光片并被反射，接著第二次通過(guò) 1/4 相位延時(shí)片變回圓偏振光被半透半反鏡反射并第三次通過(guò) 1/4 相位延時(shí)片，再次變?yōu)榫€(xiàn)偏振光，因?yàn)楸敬蜗啾鹊谝淮喂饩€(xiàn)旋轉(zhuǎn) 90°，得以通過(guò)反射偏光片完成成像。

使用Pancake的方案優(yōu)勢(shì)很明顯，除了最最關(guān)鍵的壓縮光路體積，讓VR頭顯設(shè)備更小更輕之外，還能夠改善視野邊緣模糊、畫(huà)面畸變、邊緣眩光等問(wèn)題，帶給用戶(hù)更出色的視覺(jué)效果，并且對(duì)于近視用戶(hù)來(lái)說(shuō)，Pancake的方案也有更大的趨光調(diào)節(jié)能力，可以適配更多的近視度數(shù)。

既然Pancake方案這么優(yōu)秀，聽(tīng)上去光路也不算復(fù)雜，而且回顧歷史，最早的Pancake方案早在2016年就已經(jīng)被提出了，那么為什么直到去年（2022年）開(kāi)始，Pancake方案才被逐漸使用，并且快速成為主流呢？因?yàn)?，其?shí)想要做好這個(gè)方案其實(shí)并不容易，而且Pancake也并不是一個(gè)十全十美的解決VR頭顯解決方案。

首當(dāng)其沖便是pancake采用的光路折疊的光路設(shè)計(jì)，由于光線(xiàn)需要在其中反復(fù)偏折透射，就很容易出現(xiàn)寄生反射（即，透明物體底部表面產(chǎn)生的不必要的反射）。這些多余的光線(xiàn)也會(huì)在光路中被反復(fù)折射，最終會(huì)影像圖像質(zhì)量產(chǎn)生鬼影或眩光。

第二，便是亮度衰減問(wèn)題，光線(xiàn)多次穿過(guò)半透半反，每一次亮度都會(huì)衰減50%，因此Pancake方案的極限光學(xué)效率只有25%，也就是說(shuō)，大量的光線(xiàn)會(huì)在反復(fù)的偏折中被消耗。正是因?yàn)檫@種缺點(diǎn)的存在，采用Pancake方案的VR頭顯對(duì)于顯示屏亮度的要求就十分苛刻。

第三，Pancake方案所獲得的視場(chǎng)（FOV）有限，最大視場(chǎng)角一般是95-100°，這對(duì)于追求沉浸感的VR設(shè)備來(lái)說(shuō)還稍顯狹窄，就算是近期Apple所推出的Vision Pro據(jù)體驗(yàn)反饋來(lái)看，也會(huì)有明顯的視場(chǎng)不足的問(wèn)題。

第四，這種方案的成本相對(duì)高昂，且對(duì)于制造來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品的良率很難保證。據(jù)中信證券調(diào)研，光學(xué)膜是Pancake方案的核心成本項(xiàng)目，合計(jì)占比在70%左右，其中尤以反射式偏振膜成本占比最高。

正是因?yàn)榇嬖谶@些缺點(diǎn)，早在2016年就已經(jīng)出現(xiàn)的VR光學(xué)解決方案直到2022年才開(kāi)始全面進(jìn)入市場(chǎng)。加上各個(gè)VR大廠紛紛對(duì)Pancake方案拋出橄欖枝，這就讓其逐漸變成了未來(lái)的主流VR頭顯光學(xué)方案。目前，最主流的Pancake方案是雙片式。在清晰度較高、厚度較薄的情況下，也能將成本控制在一個(gè)較低的范圍內(nèi)。筆者相信對(duì)于未來(lái)的VR行業(yè)來(lái)說(shuō)，Pancake方案依舊是一個(gè)偏向過(guò)渡的產(chǎn)品形態(tài)，但就目前而言，它就是現(xiàn)在體驗(yàn)和成本平衡最好的一個(gè)VR頭顯光學(xué)方案。

毫無(wú)疑問(wèn)，Pancake是VR設(shè)備迭代的重要一步，同時(shí)Pancake 方案在 VR 領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)增量光學(xué)膜市場(chǎng)機(jī)會(huì)，根據(jù)測(cè)算，假設(shè)2026 年全球 VR 頭顯出貨量 3473 萬(wàn)臺(tái)，Pancake 滲透率 80%，單目光學(xué)膜成本100 元，對(duì)應(yīng)市場(chǎng)規(guī)模約為 56 億元；不僅如此，由于Pancake方案對(duì)于屏幕亮度的要求很高，也帶動(dòng)了Mini led/Micro oled 光源配套升級(jí)。相信在未來(lái)，VR設(shè)備越來(lái)越大眾化，特別是一些產(chǎn)品號(hào)召力很強(qiáng)的頭部企業(yè)入局，未來(lái)的VR領(lǐng)域一定的迎來(lái)重大發(fā)展，產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)已高度確定，并且?guī)?dòng)相關(guān)行業(yè)配套行業(yè)的發(fā)展。