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Pancake技術，VR設備的拯救者。
VRAR 是消費電子產業下一階段確定性較高的創新方向。2021 年全球 VR 出貨量邁過 1000 萬臺生態繁榮門檻，行業進入“硬件迭代升級—內容生態繁榮—用戶數量/滲透率持續增加”的良性循環上升通道。Wellsenn XR 預計全球 VR 光學市場規模將于 2023 年達到 22 億元，2030 年有望達到 500 億元。
VR 光學方案主要經歷了非球面透鏡、菲涅爾透鏡、Pancake 方案三個階段，當前 VR設備光學方案仍以菲涅爾透鏡為主，Pancake 方案開始逐步滲透。Pancake 方案的落地不僅是光學系統自身的重大創新，同時也為 VR 頭顯整機設計預留空間，預計將是未來幾年 VR 頭顯主流的光學方案選擇。
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 有望成為主流光學方案》《VR 行業專題 1：Pancake 光學落地加速，把握硬件創新機遇》，解析Pancake技術及該技術對VR產業鏈的影響。??
01.
Pancake
VR設備拯救者
1、Pancake下一階段 VR 光學主要升級方向
VR 光學發展大致經過傳統透鏡—菲涅爾透鏡—折疊光路（Pancake）三個階段，體積重量不斷減小。目前菲涅爾透鏡是市場主流方案，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：通過增加透鏡中央與邊緣厚度差，增強透鏡對光線的折射能力；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 頭顯上的進一步應用深化。
▲非球面透鏡可有效解決球差問題，在早期 vr 頭顯應用較多
菲涅爾透鏡本質是扁平版凸透鏡，因體積較小且工藝成熟被目前市場上多數?VR?頭顯采用。光傳播的方向在介質中不會改變（除非是散射光），而是在介質的表面偏離。因此，透鏡中心的大部分材料只會增加系統內的重量和吸收量。基于此原理，菲涅爾透鏡在傳統透鏡的基礎上去掉直線傳播的部分，而保留發生折射的曲面，從而達到省下大量材料同時又達到相同的聚光效果。
Pancake?方案進一步壓縮了模組厚度，提升了用戶的舒適度和沉浸感。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路徑，光線在鏡片、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入人眼。
2、Pancake原理與優缺點
Pancake 光學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 相位延時片(Quarter waveplate)調整偏振光形態，實現光線在半透半反鏡(Half-mirrorlens)和反射偏光片之間的來回反射，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 1/4 相位延時片后變為線偏振光到達反射偏光片并被反射，接著第二次通過 1/4 相位延時片變回圓偏振光被半透半反鏡反射并第三次通過 1/4 相位延時片，再次變為線偏振光，因為本次相比第一次光線旋轉 90°，得以通過反射偏光片完成成像。
▲Pancake 方案工作原理
Pancake 方案為組合透鏡，通常可通過控制其中一片透鏡位置進行屈光度調節。對于近視用戶而言，過往佩戴 VR 頭顯進行屈光調節更多采用的是更換鏡片的方式，試戴過程麻煩且調檔選擇較為有限。而當光學方案升級到 Pancake 技術時，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，可以通過移動其中一組鏡片調整整個光學模組的折射率，從而滿足調焦需求，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法實現。當然，VR 頭顯也可通過移動屏幕來調整屈光度，但是外調焦方式會改變整個模組總長，頭顯設計時需要預留體積空間，輕薄性較差。
▲內調屈光度原理
進一步，可變焦顯示不僅能滿足近視用戶需求，更是解決?VAC?問題的有效方案。目前 Pancake 與機械式可變焦技術已經逐漸走向成熟，Pancake+可變焦+眼球追蹤有望成為未來 VR 新頭顯的主流裝機趨勢。相較于人眼自然成像，VR 頭顯屏幕發出的光線沒有深度信息，光學模組焦距固定。
▲Meta 的 Half Dome 1, 2, and 3 原型機變焦顯示原型
當設備使用時候，人眼焦點調節與成像縱深感不匹配，由此產生視覺輻輳調節沖突（VAC 現象），使得用戶在佩戴VR 頭顯一段時間后會感到頭暈或疲勞。可變焦顯示技術（機械式）通過電機+齒輪傳統系統對透鏡位置進行移動，并與眼動追蹤技術相結合，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 眩暈問題。
▲Pancake 光學模組體積大幅減小
Pancake?模組生產技術難度主要集中在膜材料質量、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 模組功能優勢在于光路折疊，光學膜在成像中起到了至關重要的作用，因此膜材料的質量和貼膜工藝相對應構成了技術核心。同時，Pancake 方案光路設計復雜，組裝和對齊調整要求很高，細微差異便會導致光學模組整體的光路變化。
▲Pancake 模組加工流程及關鍵難點環節
膜材：高質量達標反射偏振片與?1/4?相位延時片以海外供應為主。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 光學成像質量構成關鍵影響，膜材質量的標準和對應要求較高，目前供應商以海外廠商 3M、旭化成等為主。
貼膜工藝：曲面貼膜難度較大。光學貼膜的方式可以分為平面貼膜和曲面貼膜。平面貼膜技術難度較低，但會犧牲部分光學性能和成像質量。曲面貼膜可以帶來更大的 FOV 和更優質的成像質量，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，進行屏幕、透鏡等組裝時需要嚴格按照既定光路設計完成，否則細微角度差異就會對最終成像效果產生很大影響，高精度 AA 設備在 Pancake 組裝過程中起到關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題：
光效較低，通常僅約?10%。受光學原理限制，光線在 Pancake 模組中每次經過偏振/半反射環節，光效損失 50%。以兩片式 Pancake 簡易模組為例，光線從屏幕發出后至少經過一次圓偏振鏡，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 光學方案通常對屏幕亮度要求更高，光學與顯示方案需配套迭代。
鬼影問題遠比常規透鏡方案嚴重。在光學成像系統中，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）在畫面中的某個位置形成的“像”被稱為“鬼像”(ghost)。鬼影現象會直接導致圖像質量的降低，主要是對比度以及 MTF 等。Pancake 方案因為光線多次折返，鬼影問題相比常規非球面/菲涅爾方案更為嚴重，一般通過改善透鏡材料、形狀等方式優化。
▲Pancake 方案鬼影問題較為嚴重
根據 Wellsenn XR 預測，2023 年全球 VR 光學市場規模將達到 22 億元，2030 年有望達到500 億元。VR 光學模組是 VR 頭顯的核心元件，其市場規模取決于 VR 設備的出貨量和光學模組價格。目前 Pancake 光學膜組的成本高、良率低、產量低，單個 Pancake 模組價格約為 150-200 元。隨著未來方案的成熟和產量的提升，Pancake 光學模組的成本有望逐漸下降，VR 終端價格下沉進一步激發消費者購買欲，加速 VR 普及。
目前 HTC Flow 系列、Pico VR Glasses、3Glasses X 系列、創維 S6 及 Pancake 1、arpara、Huawei、Shiftall 等頭顯設備均已采用 Pancake 方案，Pico 4、Meta Cambria、蘋果 MR 等新品亦蓄勢待發。Pancake 光學方案能極大地提升用戶的沉浸感和舒適感，未來 Pancake方案有望為更多 VR 廠商采用，預計市場規模將持續擴大。
3、Pancake 與菲涅爾透鏡方案實例比較
3Glasses X1 VS 3Glasses D3：2019 年 4 月，3Glasses 發布了采用 Pancake 光學方案的 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，視場角為 105 度，支持 0~600°的屈光度調節。由此可見，3Glasses X1 擁有比 D3 更大的視場角，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
創維?S6 VS?創維?V901 VS?創維?PANCAKE1：2020 年創維發布了采用 Pancake 光學方案的 VR 分體式眼鏡創維 S6。在整機方面，創維將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，視場角為 94°,支持 0~800°的屈光度調節。
相較于 2019 年 4 月創維發布的采用菲涅爾透鏡的VR頭顯創維V901,創維S6顯著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角略低于 V901。2022 年 7 月 25 日，創維發布了超短焦 Pancake 光學方案新品 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，相較于前兩款產品有著更高的分辨率。
▲創維 S6
▲創維 V901
▲創維 S6 VS 創維 V901 VS 創維 PANCAKE1
Pico VR Glasses VS Pico Neo3：2020 年 1 月 Pico 發布了采用 Pancake 光學方案的 Pico VR Glasses，使用雙 2.1 英寸TFT-LCD 顯示屏，單眼分辨率達 1600*1600。此款產品搭配 3DoF 控制器，其視場角為 90度，并支持 0-800 度屈光度調節。
作為短焦產品，其機身尺寸為 160*79*26mm，重量僅為119 克。相較于 2021 年 4 月 Pico 發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，但其分辨率及視場角略低于 PicoNeo3。
▲Pico VR Glass
▲Pico Neo3
▲Pico VR Glass VS Pico Neo3
下列VR設備光學方案對比情況顯示，采取Pancake光學方案的VR設備普遍具有機身輕薄、支持屈光度調節的優點，但是目前由于技術原因，視場角表現較弱，方案潛力尚未被完全發掘。
▲VR 設備光學方案對比 從上述案例對比來看，相較于菲涅爾透鏡，Pancake 光學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較大優勢，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，目前分辨率和視場角表現還未達到理想水平。預計短期內，菲涅爾透鏡仍會被部分 VR 廠商采用，但 Pancake 光學方案的優勢愈發凸顯，越來越多的 VR 廠商將其應用于新品中，Pancake 方案有望在中長期內實現大規模商用。
02.
Pancake落地加速
帶來產業鏈新機遇
VR?光學重要創新，Pancake?推動?VR?行業發展進入新階段。VR 頭顯硬件創新主要體現在光學方案、交互方式、整體設計三方面，Pancake 是光學方案中的重大升級。預計隨著 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較大幅度提升，同時 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，協同推進行業發展進入新的階段。
▲Pancake 為 VR 行業硬件迭代重要一步
光學膜卡位?Pancake?方案價值高地，產業鏈核心供應商新增從?0?到?1?彈性機會。
Pancake 方案在 VR 領域的應用帶來增量光學膜市場機會，根據測算，假設2026 年全球 VR 頭顯出貨量 3473 萬臺，Pancake 滲透率 80%，單目光學膜成本100 元，對應市場規模約為 56 億元。考慮到目前 Pancake 光學膜達標供應商較少，對于單家企業來說從 0 到 1 彈性增長機會較大。此外，隨著面板產業轉移，我國偏光片市場需求不斷增加，但是供給端高度依賴進口，國產化率提升同樣是本土偏光片企業的發展良機。
▲Pancake 光學膜市場空間測算(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化。Mini led/Micro oled 相比傳統 Fast-Lcd 方案整體性能表現更優，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 方案依據成本優勢落地更快，中長期隨著技術的持續創新發展和終端規模上量，Micro oled 具備成本競爭力的時候，有望憑借高分辨率、高刷新率等全方位優勢快速大面積鋪廣。
Pancake方案，可以極大改善目前VR頭顯的“短板”。展望未來，Oculus、Pico、奇遇等頭部廠商的下一代新品、以及蘋果MR都或將搭載Pancake光學模組，產業趨勢已高度確定。
編輯：黃飛
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工商網監
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