解析Pancake技術(shù)及該技術(shù)對VR產(chǎn)業(yè)鏈的影響

Pancake技術(shù)，VR設備的拯救者。

VRAR 是消費電子產(chǎn)業(yè)下一階段確定性較高的創(chuàng )新方向。2021 年全球 VR 出貨量邁過(guò) 1000 萬(wàn)臺生態(tài)繁榮門(mén)檻，行業(yè)進(jìn)入“硬件迭代升級—內容生態(tài)繁榮—用戶(hù)數量/滲透率持續增加”的良性循環(huán)上升通道。Wellsenn XR 預計全球 VR 光學(xué)市場(chǎng)規模將于 2023 年達到 22 億元，2030 年有望達到 500 億元。

VR 光學(xué)方案主要經(jīng)歷了非球面透鏡、菲涅爾透鏡、Pancake 方案三個(gè)階段，當前 VR設備光學(xué)方案仍以菲涅爾透鏡為主，Pancake 方案開(kāi)始逐步滲透。Pancake 方案的落地不僅是光學(xué)系統自身的重大創(chuàng )新，同時(shí)也為 VR 頭顯整機設計預留空間，預計將是未來(lái)幾年 VR 頭顯主流的光學(xué)方案選擇。

本期的內參，我們推薦安信證券和德邦證券的報告《VR 設備輕薄化趨勢明確，Pancake 有望成為主流光學(xué)方案》《VR 行業(yè)專(zhuān)題 1：Pancake 光學(xué)落地加速，把握硬件創(chuàng )新機遇》，解析Pancake技術(shù)及該技術(shù)對VR產(chǎn)業(yè)鏈的影響。??

01.

Pancake

VR設備拯救者

1、Pancake下一階段 VR 光學(xué)主要升級方向

VR 光學(xué)發(fā)展大致經(jīng)過(guò)傳統透鏡—菲涅爾透鏡—折疊光路（Pancake）三個(gè)階段，體積重量不斷減小。目前菲涅爾透鏡是市場(chǎng)主流方案，Pancake 因為在輕薄化方面的重大突破，有望成為下一階段 VR 光學(xué)主要升級方向。

傳統透鏡在?VR?應用以非球面透鏡為主，體積/重量較大，應用逐漸減少。基于凸透鏡基本原理，如果想使其焦距變短，滿(mǎn)足近眼成像模組體積縮小的需求，主要有兩種路徑：1）增加透鏡厚度：通過(guò)增加透鏡中央與邊緣厚度差，增強透鏡對光線(xiàn)的折射能力；2）多組透鏡疊加：縮短整體透鏡模組焦距。但是，無(wú)論采用哪種方式，短焦距與輕薄化的設計訴求在傳統透鏡上必然存在嚴重沖突，這也限制了傳統透鏡在 VR 頭顯上的進(jìn)一步應用深化。

▲非球面透鏡可有效解決球差問(wèn)題，在早期 vr 頭顯應用較多

菲涅爾透鏡本質(zhì)是扁平版凸透鏡，因體積較小且工藝成熟被目前市場(chǎng)上多數?VR?頭顯采用。光傳播的方向在介質(zhì)中不會(huì )改變（除非是散射光），而是在介質(zhì)的表面偏離。因此，透鏡中心的大部分材料只會(huì )增加系統內的重量和吸收量?；诖嗽?，菲涅爾透鏡在傳統透鏡的基礎上去掉直線(xiàn)傳播的部分，而保留發(fā)生折射的曲面，從而達到省下大量材料同時(shí)又達到相同的聚光效果。

Pancake?方案進(jìn)一步壓縮了模組厚度，提升了用戶(hù)的舒適度和沉浸感。折疊光路 Pancake方案利用半透半反偏振膜的透鏡系統折疊光學(xué)路徑，光線(xiàn)在鏡片、相位延遲片以及反射式偏振片之間多次折返，最終從反射式偏振片射出進(jìn)入人眼。

2、Pancake原理與優(yōu)缺點(diǎn)

Pancake 光學(xué)方案設計以偏振光原理為基礎，利用反射偏光片(Reflecting polarizer)對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(Quarter waveplate)調整偏振光形態(tài)，實(shí)現光線(xiàn)在半透半反鏡(Half-mirrorlens)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。

以下圖為例，圓偏振光在通過(guò) 1/4 相位延時(shí)片后變?yōu)榫€(xiàn)偏振光到達反射偏光片并被反射，接著(zhù)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，因為本次相比第一次光線(xiàn)旋轉 90°，得以通過(guò)反射偏光片完成成像。

▲Pancake 方案工作原理

Pancake 方案為組合透鏡，通?？赏ㄟ^(guò)控制其中一片透鏡位置進(jìn)行屈光度調節。對于近視用戶(hù)而言，過(guò)往佩戴 VR 頭顯進(jìn)行屈光調節更多采用的是更換鏡片的方式，試戴過(guò)程麻煩且調檔選擇較為有限。而當光學(xué)方案升級到 Pancake 技術(shù)時(shí)，屈光度調節方式有了更多更便利的選擇。因為 Pancake 方案一般為多組透鏡的組合，可以通過(guò)移動(dòng)其中一組鏡片調整整個(gè)光學(xué)模組的折射率，從而滿(mǎn)足調焦需求，這種方式對于傳統單片非球面透鏡和菲涅爾透鏡方案就無(wú)法實(shí)現。當然，VR 頭顯也可通過(guò)移動(dòng)屏幕來(lái)調整屈光度，但是外調焦方式會(huì )改變整個(gè)模組總長(cháng)，頭顯設計時(shí)需要預留體積空間，輕薄性較差。

▲內調屈光度原理

進(jìn)一步，可變焦顯示不僅能滿(mǎn)足近視用戶(hù)需求，更是解決?VAC?問(wèn)題的有效方案。目前 Pancake 與機械式可變焦技術(shù)已經(jīng)逐漸走向成熟，Pancake+可變焦+眼球追蹤有望成為未來(lái) VR 新頭顯的主流裝機趨勢。相較于人眼自然成像，VR 頭顯屏幕發(fā)出的光線(xiàn)沒(méi)有深度信息，光學(xué)模組焦距固定。

▲Meta 的 Half Dome 1, 2, and 3 原型機變焦顯示原型

當設備使用時(shí)候，人眼焦點(diǎn)調節與成像縱深感不匹配，由此產(chǎn)生視覺(jué)輻輳調節沖突（VAC 現象），使得用戶(hù)在佩戴VR 頭顯一段時(shí)間后會(huì )感到頭暈或疲勞?？勺兘癸@示技術(shù)（機械式）通過(guò)電機+齒輪傳統系統對透鏡位置進(jìn)行移動(dòng)，并與眼動(dòng)追蹤技術(shù)相結合，基于眼部細微特征變化校訂模組焦距，模擬人眼自然成像，從而解決 VAC 眩暈問(wèn)題。

▲Pancake 光學(xué)模組體積大幅減小

Pancake?模組生產(chǎn)技術(shù)難度主要集中在膜材料質(zhì)量、貼膜工藝和組裝調整三方面。相比傳統非球面透鏡和菲涅爾透鏡，Pancake 模組功能優(yōu)勢在于光路折疊，光學(xué)膜在成像中起到了至關(guān)重要的作用，因此膜材料的質(zhì)量和貼膜工藝相對應構成了技術(shù)核心。同時(shí)，Pancake 方案光路設計復雜，組裝和對齊調整要求很高，細微差異便會(huì )導致光學(xué)模組整體的光路變化。

▲Pancake 模組加工流程及關(guān)鍵難點(diǎn)環(huán)節

膜材：高質(zhì)量達標反射偏振片與?1/4?相位延時(shí)片以海外供應為主。反射偏振片和1/4 相位延遲片工作的準確性與穩定性對于 pancake 光學(xué)成像質(zhì)量構成關(guān)鍵影響，膜材質(zhì)量的標準和對應要求較高，目前供應商以海外廠(chǎng)商 3M、旭化成等為主。

貼膜工藝：曲面貼膜難度較大。光學(xué)貼膜的方式可以分為平面貼膜和曲面貼膜。平面貼膜技術(shù)難度較低，但會(huì )犧牲部分光學(xué)性能和成像質(zhì)量。曲面貼膜可以帶來(lái)更大的 FOV 和更優(yōu)質(zhì)的成像質(zhì)量，但是工藝難度較大，容易邊緣褶皺和翹起。

組裝調整：Pancake 光路精度高敏感，對位要求嚴苛。Pancake 折返方案包括兩片式和多片式，進(jìn)行屏幕、透鏡等組裝時(shí)需要嚴格按照既定光路設計完成，否則細微角度差異就會(huì )對最終成像效果產(chǎn)生很大影響，高精度 AA 設備在 Pancake 組裝過(guò)程中起到關(guān)鍵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問(wèn)題：

光效較低，通常僅約?10%。受光學(xué)原理限制，光線(xiàn)在 Pancake 模組中每次經(jīng)過(guò)偏振/半反射環(huán)節，光效損失 50%。以?xún)善?Pancake 簡(jiǎn)易模組為例，光線(xiàn)從屏幕發(fā)出后至少經(jīng)過(guò)一次圓偏振鏡，兩次半透半反鏡，光效折損已到 12.5%，考慮光線(xiàn)傳播中不可避免的其他損失，通常 Pancake 模組光效僅約 10%。因此，Pancake 光學(xué)方案通常對屏幕亮度要求更高，光學(xué)與顯示方案需配套迭代。

鬼影問(wèn)題遠比常規透鏡方案嚴重。在光學(xué)成像系統中，由雜散光（透鏡界面多次反射、透鏡缺陷散射、物理結構散射等因素造成）在畫(huà)面中的某個(gè)位置形成的“像”被稱(chēng)為“鬼像”(ghost)。鬼影現象會(huì )直接導致圖像質(zhì)量的降低，主要是對比度以及 MTF 等。Pancake 方案因為光線(xiàn)多次折返，鬼影問(wèn)題相比常規非球面/菲涅爾方案更為嚴重，一般通過(guò)改善透鏡材料、形狀等方式優(yōu)化。

▲Pancake 方案鬼影問(wèn)題較為嚴重

根據 Wellsenn XR 預測，2023 年全球 VR 光學(xué)市場(chǎng)規模將達到 22 億元，2030 年有望達到500 億元。VR 光學(xué)模組是 VR 頭顯的核心元件，其市場(chǎng)規模取決于 VR 設備的出貨量和光學(xué)模組價(jià)格。目前 Pancake 光學(xué)膜組的成本高、良率低、產(chǎn)量低，單個(gè) Pancake 模組價(jià)格約為 150-200 元。隨著(zhù)未來(lái)方案的成熟和產(chǎn)量的提升，Pancake 光學(xué)模組的成本有望逐漸下降，VR 終端價(jià)格下沉進(jìn)一步激發(fā)消費者購買(mǎi)欲，加速 VR 普及。

目前 HTC Flow 系列、Pico VR Glasses、3Glasses X 系列、創(chuàng )維 S6 及 Pancake 1、arpara、Huawei、Shiftall 等頭顯設備均已采用 Pancake 方案，Pico 4、Meta Cambria、蘋(píng)果 MR 等新品亦蓄勢待發(fā)。Pancake 光學(xué)方案能極大地提升用戶(hù)的沉浸感和舒適感，未來(lái) Pancake方案有望為更多 VR 廠(chǎng)商采用，預計市場(chǎng)規模將持續擴大。

3、Pancake 與菲涅爾透鏡方案實(shí)例比較

3Glasses X1 VS 3Glasses D3：2019 年 4 月，3Glasses 發(fā)布了采用 Pancake 光學(xué)方案的 VR 頭顯 3Glasses X1。在整機設計上，3Glasses X1 VR 裸機重量小于 150g，機身尺寸為 165*62*24mm。相較于 3Glasses在 2017 年發(fā)布的采用菲涅爾透鏡的 VR 頭顯 3Glasses D3，3Glasses X1 的厚度縮減了56mm，重量減輕了一半，整體上更加輕薄。

在顯示配置上，X1 單眼分辨率為 1200*1200，視場(chǎng)角為 105 度，支持 0~600°的屈光度調節。由此可見(jiàn)，3Glasses X1 擁有比 D3 更大的視場(chǎng)角，且支持屈光度調節，但在采用同款 Fast-LCD 顯示屏的情況下，其分辨率略低于3Glasses D3。

▲3Glasses X1

▲3Glasses D3

▲3Glasses X1 VS 3Glasses D3

創(chuàng )維?S6 VS?創(chuàng )維?V901 VS?創(chuàng )維?PANCAKE1：2020 年創(chuàng )維發(fā)布了采用 Pancake 光學(xué)方案的 VR 分體式眼鏡創(chuàng )維 S6。在整機方面，創(chuàng )維將S6 整機眼鏡重量降至 130g，機身厚度僅 58mm。在顯示方面，S6 單眼分辨率為 1600*1600，視場(chǎng)角為 94°,支持 0~800°的屈光度調節。

相較于 2019 年 4 月創(chuàng )維發(fā)布的采用菲涅爾透鏡的VR頭顯創(chuàng )維V901,創(chuàng )維S6顯著(zhù)縮小了機身尺寸及降低了重量，但在采用同款Fast-LCD屏幕的情況下，其單眼分辨率及視場(chǎng)角略低于 V901。2022 年 7 月 25 日，創(chuàng )維發(fā)布了超短焦 Pancake 光學(xué)方案新品 VR 一體機 PANCAKE 1，PANCAKE 1 鏡片體積僅為傳統菲涅爾鏡片的 1/4，厚度減少 50%以上，相較于前兩款產(chǎn)品有著(zhù)更高的分辨率。

▲創(chuàng )維 S6

▲創(chuàng )維 V901

▲創(chuàng )維 S6 VS 創(chuàng )維 V901 VS 創(chuàng )維 PANCAKE1

Pico VR Glasses VS Pico Neo3：2020 年 1 月 Pico 發(fā)布了采用 Pancake 光學(xué)方案的 Pico VR Glasses，使用雙 2.1 英寸TFT-LCD 顯示屏，單眼分辨率達 1600*1600。此款產(chǎn)品搭配 3DoF 控制器，其視場(chǎng)角為 90度，并支持 0-800 度屈光度調節。

作為短焦產(chǎn)品，其機身尺寸為 160*79*26mm，重量?jì)H為119 克。相較于 2021 年 4 月 Pico 發(fā)布的采用菲涅爾透鏡的VR 頭顯 Pico Neo3，Pico VRGlasses 支持屈光度調節，且機身尺寸更小、重量更輕，但其分辨率及視場(chǎng)角略低于 PicoNeo3。

▲Pico VR Glass

▲Pico Neo3

▲Pico VR Glass VS Pico Neo3

下列VR設備光學(xué)方案對比情況顯示，采取Pancake光學(xué)方案的VR設備普遍具有機身輕薄、支持屈光度調節的優(yōu)點(diǎn)，但是目前由于技術(shù)原因，視場(chǎng)角表現較弱，方案潛力尚未被完全發(fā)掘。

▲VR 設備光學(xué)方案對比 從上述案例對比來(lái)看，相較于菲涅爾透鏡，Pancake 光學(xué)方案在縮小機身尺寸、降低 VR 設備重量以及屈光度調節方面有著(zhù)較大優(yōu)勢，但在顯示方面仍然與工藝成熟的菲涅爾透鏡有一定差距，受光損高、透鏡直徑被壓縮等因素影響，目前分辨率和視場(chǎng)角表現還未達到理想水平。預計短期內，菲涅爾透鏡仍會(huì )被部分 VR 廠(chǎng)商采用，但 Pancake 光學(xué)方案的優(yōu)勢愈發(fā)凸顯，越來(lái)越多的 VR 廠(chǎng)商將其應用于新品中，Pancake 方案有望在中長(cháng)期內實(shí)現大規模商用。

02.

Pancake落地加速

帶來(lái)產(chǎn)業(yè)鏈新機遇

VR?光學(xué)重要創(chuàng )新，Pancake?推動(dòng)?VR?行業(yè)發(fā)展進(jìn)入新階段。VR 頭顯硬件創(chuàng )新主要體現在光學(xué)方案、交互方式、整體設計三方面，Pancake 是光學(xué)方案中的重大升級。預計隨著(zhù) Pancake 方案的逐步推廣應用，VR 頭顯在重量體積和佩戴舒適性上將迎來(lái)較大幅度提升，同時(shí) Pancake 模組體積的減少為頭顯整體設計提供了更多的空間預留，協(xié)同推進(jìn)行業(yè)發(fā)展進(jìn)入新的階段。

▲Pancake 為 VR 行業(yè)硬件迭代重要一步

光學(xué)膜卡位?Pancake?方案價(jià)值高地，產(chǎn)業(yè)鏈核心供應商新增從?0?到?1?彈性機會(huì )。

Pancake 方案在 VR 領(lǐng)域的應用帶來(lái)增量光學(xué)膜市場(chǎng)機會(huì )，根據測算，假設2026 年全球 VR 頭顯出貨量 3473 萬(wàn)臺，Pancake 滲透率 80%，單目光學(xué)膜成本100 元，對應市場(chǎng)規模約為 56 億元?？紤]到目前 Pancake 光學(xué)膜達標供應商較少，對于單家企業(yè)來(lái)說(shuō)從 0 到 1 彈性增長(cháng)機會(huì )較大。此外，隨著(zhù)面板產(chǎn)業(yè)轉移，我國偏光片市場(chǎng)需求不斷增加，但是供給端高度依賴(lài)進(jìn)口，國產(chǎn)化率提升同樣是本土偏光片企業(yè)的發(fā)展良機。

▲Pancake 光學(xué)膜市場(chǎng)空間測算(億元)

Pancake?方案對屏幕亮度要求較高，Mini led/Micro oled?光源配套升級，滲透率?有望加速提升。VR 顯示方案主要在像素密度、響應速度、亮度、功耗、對比度、成本等性能方面不斷優(yōu)化。Mini led/Micro oled 相比傳統 Fast-Lcd 方案整體性能表現更優(yōu)，在 Pancake 方案的配套升級需求下，滲透率有望加速提升。

短期內 Mini led 方案依據成本優(yōu)勢落地更快，中長(cháng)期隨著(zhù)技術(shù)的持續創(chuàng )新發(fā)展和終端規模上量，Micro oled 具備成本競爭力的時(shí)候，有望憑借高分辨率、高刷新率等全方位優(yōu)勢快速大面積鋪廣。

Pancake方案，可以極大改善目前VR頭顯的“短板”。展望未來(lái)，Oculus、Pico、奇遇等頭部廠(chǎng)商的下一代新品、以及蘋(píng)果MR都或將搭載Pancake光學(xué)模組，產(chǎn)業(yè)趨勢已高度確定。

編輯：黃飛

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