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从机器视觉角度看VR界爆火的Pancake技术
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2022-09-27 11:27:37来源: 中国机器视觉网

▲Pancake技术,VR设备的拯救者。

VR/AR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。

日前Pico 4重磅发布,Meta也预计年内发布AR/VR新品,Apple预计23H1发布XR新品,22年AR/VR新品数量已超过20款,行业迎来新一轮产品迭代。此次由Pico引领,2022H2及2023H1国内外VR主流厂商均有新品发布计划,随着Pancake光学方案、硅基OLED显示方案等核心技术的迭代和应用,VR头显有望打开消费市场,市场迎来加速成长期。

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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。

01.Pancake,VR设备拯救者

▲ 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。

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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。

▲ 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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

▲ Pancake 与菲涅尔透镜方案实例比较

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综合3Glasses X1/3Glasses D3、创维S6/创维V901/创维 PANCAKE1、Pico  VR Glasses/Pico Neo3、Oculus等各项性能对比来看,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。

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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。

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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。

03.这些厂商正在角逐

VR光学作为VR头显的核心零部件之一,其市场规模取决于VR的出货量规模以及光学模组的价格,根据Wellsenn XR的统计,2021年全球VR出货量为1024万台,预计2030年全球VR出货量达到4亿台规模。目前,单个Pancake光学模组的价格约为150-200元(不含屏幕),预计2030年Pancake以及其他更为前沿的VR光学方案占比提高。

相对优越的光学性能,Pancake未来有望成为产业和资本追逐的潜力赛道。当前,拥有Pancake专利或者模组厂商包括原光学厂商、屏幕厂商、整机厂商以及ODM/OEM厂商等。

光学厂商,早期在光学设计、加工有长期的经验积累和优秀的研发设计团队,例如舜宇光学、欧菲光、多哚、惠牛、耐德佳、水晶光电、双莹光电、多普光电、鸿蚁光电等。

屏幕厂商,这类厂商生产微型高分辨率的屏幕,例如美国硅基OLED厂商kopin,中国硅基OLED厂商视涯,TCL华星光电等,都有拥有Pancake的相关专利或模组。

整机厂商,包括Meta、Pico、华为以及苹果,企业实力雄厚,研发投入大,关键技术自研预研,也拥有Pancake的相关专利和技术。

ODM/OEM厂商,例如歌尔股份、立讯精密旗下立景等企业,基于整机方案设计和生产制造能力,从整机往上游核心零部件延申,也拥有相关的Pancake专利和成品模组。

最后一种则是手握Pancake核心材料的公司美国3M,其反射偏振模是目前Pancake模组厂商难以绕开的关键材料,其也联合华硕推出了基于Pancake方案的VR参考设计。

目前看来,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。

文章来源:网络