VR领域的神奇“松饼”——Pancake光学方案

要说今年在消费端电子市场最火爆的的产品，那一定是Apple在今年WWDC 2023上所推出的Apple Vision Pro。虽说2023年才刚刚过去了一半，但是基本上也可以确实，今年的消费端市场上，大概率不会也不会出现第二个产品，其热度可以超过Apple Vision Pro了。而随着Apple Vision Pro的出现，其采用的先进光路解决方案——Pancake又一次进入了大众的视野。可以想象随着Meta、Apple、Pico等等头部公司纷纷推出基于Pancke的VR设备，未来的VR市场之上，Pancake一定会是未来一段时间内大热的光路方案，这篇文章就让笔者带大家了解一下，究竟什么是Pancake超短焦光学方案。

在Pancake光学方案之前，VR头显的光学方案主要经历了非球面透镜和菲涅尔透镜两个阶段，这两种方案的具体原理本篇文章暂不涉及，但是这两种方案都有其十分致命的缺点，那就是整体光路结构十分巨大，且沉重。早期的非球面透镜VR方案，轻则七八百克，重则上千克，对于一个需要长时间戴在头上的设备，如此沉重的重量对于用户来说，无疑是巨大的负担，无形之中也制约了VR设备的发展和普及。直到菲涅尔透镜方案的出现，VR设备才迎来的第一次减重，从以公斤计算，终于下降到几百克，还能勉强长时间使用的重量，其厚度也有一定缩减。但我们都知道人眼有其最近的聚焦距离，如果设备越来越薄，VR屏幕离人眼过近，将极大增加视疲劳甚至根本无法对焦，难道对于VR头显来说，轻薄注定无法实现吗？当然不是，为了解决设备轻薄和人眼近距离对焦困难，这两个看似矛盾的问题，Pancake方案应运而生。

所谓Pancake从名字上来看也能略知一二，其结构就像松饼（pancake）一样高度集成在一起，有效降低了结构大小和重量，有效减轻了VR头显佩戴的负担，同时还能最大限度延长光路，让眼睛可以正常对焦，那么它是怎么做到的呢？

对于VR头显来说，为了在有限的距离内最大化一片光源的面积，可以采用两种方法：使用放大镜或利用两面镜子进行反射。后者相比前者具有更短的路径，即使在获得相同光面积的情况下。理解了这个原理，我们可以更好地理解Pancake成像原理。在Pancake光学模组之中，光路将被最大程度得被折叠。Pancake光学方案实现折叠光路的原理主要依赖于四种组件：线性偏振片（LP）、四分之一相位延迟片（QWP）、半反半透镜（BS）和反射偏振片（RP或PBS）。

利用反射偏光片对于不同偏振光选择性反射和投射的特性，配合 1/4 相位延时片调整偏振光形态，实现光线在半透半反镜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。以实际光路为例，则是圆偏振光在通过 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。

使用Pancake的方案优势很明显，除了最最关键的压缩光路体积，让VR头显设备更小更轻之外，还能够改善视野边缘模糊、画面畸变、边缘眩光等问题，带给用户更出色的视觉效果，并且对于近视用户来说，Pancake的方案也有更大的趋光调节能力，可以适配更多的近视度数。

既然Pancake方案这么优秀，听上去光路也不算复杂，而且回顾历史，最早的Pancake方案早在2016年就已经被提出了，那么为什么直到去年（2022年）开始，Pancake方案才被逐渐使用，并且快速成为主流呢？因为，其实想要做好这个方案其实并不容易，而且Pancake也并不是一个十全十美的解决VR头显解决方案。

首当其冲便是pancake采用的光路折叠的光路设计，由于光线需要在其中反复偏折透射，就很容易出现寄生反射（即，透明物体底部表面产生的不必要的反射）。这些多余的光线也会在光路中被反复折射，最终会影像图像质量产生鬼影或眩光。

第二，便是亮度衰减问题，光线多次穿过半透半反，每一次亮度都会衰减50%，因此Pancake方案的极限光学效率只有25%，也就是说，大量的光线会在反复的偏折中被消耗。正是因为这种缺点的存在，采用Pancake方案的VR头显对于显示屏亮度的要求就十分苛刻。

第三，Pancake方案所获得的视场（FOV）有限，最大视场角一般是95-100°，这对于追求沉浸感的VR设备来说还稍显狭窄，就算是近期Apple所推出的Vision Pro据体验反馈来看，也会有明显的视场不足的问题。

第四，这种方案的成本相对高昂，且对于制造来说，产品的良率很难保证。据中信证券调研，光学膜是Pancake方案的核心成本项目，合计占比在70%左右，其中尤以反射式偏振膜成本占比最高。

正是因为存在这些缺点，早在2016年就已经出现的VR光学解决方案直到2022年才开始全面进入市场。加上各个VR大厂纷纷对Pancake方案抛出橄榄枝，这就让其逐渐变成了未来的主流VR头显光学方案。目前，最主流的Pancake方案是双片式。在清晰度较高、厚度较薄的情况下，也能将成本控制在一个较低的范围内。笔者相信对于未来的VR行业来说，Pancake方案依旧是一个偏向过渡的产品形态，但就目前而言，它就是现在体验和成本平衡最好的一个VR头显光学方案。

毫无疑问，Pancake是VR设备迭代的重要一步，同时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；不仅如此，由于Pancake方案对于屏幕亮度的要求很高，也带动了Mini led/Micro oled 光源配套升级。相信在未来，VR设备越来越大众化，特别是一些产品号召力很强的头部企业入局，未来的VR领域一定的迎来重大发展，产业趋势已高度确定，并且带动相关行业配套行业的发展。