93913Pro产业智库丨2022年度XR关键词「Pancake」：光学进步掀起轻薄革命
导语：
2022年，外界口中那个难跨寒冬的VR行业迎来了高光时刻。
11月初，国家首次发布有关VR的行业文件《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022—2026年）》报告，该报告指出到2026年我国虚拟现实产业规模将超过3500亿元，这无疑为整个VR行业的后期蓄力奠定了基础。
也是在今年，除了芯片型号、屏幕分辨率等常规指标外，市场对VR产品的评判又多了一个新维度——是否采用Pancake光学方案。
过去，似乎VR厂商很少把光学方案当做宣传点或者评价标准，在公众视野中的存在感极低，但从今年开始，采用Pancake产品明显变多，比如MeganeX、GXR、arpara AIO、YVR，以及备受瞩目的PICO 4、Quest Pro。于是，Pancake也由此成了行业热词，一度被认为即将引发一场VR行业的光学革命。
左： Pancake光学系统，右：菲涅尔光学系统，图源：网络
然而，不论对于VR产品用户还是泛科技爱好者而言，VR光学都是一个陌生的词汇。此次，93913Pro产业智库与VR行业的终端厂商、光学器件供应商，以及行业协会代表进行了深入访谈，将为大家一一解答VR光学有多重要，Pancake又是什么，以及它们对整个VR行业的发展有什么影响。
Pancake何以出圈？
光学方案之于VR设备的重要程度就好比大屏之于智能手机，其核心功能都在于为用户提供高清、逼真的显示画面。不同的是，VR设备的显示方案相较于智能手机有更大的难度，不止要考虑二维层面的分辨率、对比度等基础问题，更要考虑三维层面的光学系统问题。
因为对于佩戴VR设备的用户而言，单纯把显示屏放在眼前无疑会对人体造成强烈的压迫感，也无法聚焦画面，更不用提所谓的沉浸感。因此，VR光学方案要解决的问题就是，通过光学系统放大屏幕画面，同时将画面拉远到人眼能够适应的距离。
任何光学方案的核心都是用以放大画面的透镜，而与透镜配套的光学方案则会直接影响VR设备的形态、重量、体积等方面。之所以此时Pancake的出圈，与彼时非球面、菲涅尔透镜的低调形成鲜明对比，其关键在于小型化。
NOLO CTO张佳宁告诉93913：“光学模块对于VR设备而言一直都是非常重要的存在，但Pancake能受到更多关注的原因在于，这项技术帮助VR产品做到了前所未有的轻薄化，而更轻薄的VR产品就意味着更舒适的用户体验，这是VR行业目前十分看重的一点。”
VR头显是一种由头部、颈部承压的可穿戴设备。为了能让用户延长佩戴时间，并在更多场景下接纳VR形式，VR设备的小型化、轻便化就成了行业必然的诉求，而Pancake目前来看似乎就是针对这一诉求的标准答案。
据智东西9月报道，2019年上市的3Glasses X1（Pancake）裸机重量仅有 150g，较2017年的 3Glasses D3（菲涅尔透镜），在重量上减轻了一半；2020年上市的创维 S6（Pancake），较该品牌2019年发布的创维V90（菲涅尔透镜），不仅在设备厚度方面减少了50%以上，还展示出了更高的分辨率；PICO于2021年发布的 Pico VR Glasses（Pancake），重量为119克，较Neo 3（菲涅尔透镜）也减重了一半以上。
张佳宁表示，用户面对动辄三五百克重的菲涅尔头显，一般只能坚持戴一两个小时，这个数据在娱乐场景下都并不理想，更不要说在办公、生产场景下的表现了。因此，基于小型化的产品逻辑，Pancake就成为了当下更适配于VR产品的光学方案。
在行业共同诉求之外，VR巨头也对Pancake概念的传播起到了不小作用。
在今年6月Meta举行的Inside the Lab活动中，Pancake成为扎克伯格的此次演讲中的重点之一，Pancake光学方案不仅将应用在Quest Pro等后续量产机型上，也成为Oculus此次发布的几款概念机的主流光学方案。
采用Pancake光学的概念机Mirror Lake，图源：Meta
作为拥抱Pancake光学的另一个巨头，PICO表示，相较于菲涅尔透镜，Pancake光学方案一方面可以大幅压缩屏幕到人眼的距离，甚至达到菲涅尔方案的1/2到1/3，在轻薄性方面极为突出；另一方面，在屏幕分辨率保持一致的情况下，Pancake光学方案相比于菲涅尔方案在清晰度上也有质的提升。
世界VR/AR协会中国区主席牛一鸣补充道：“其实不论是Pancake还是菲涅尔，这些光学方案在VR设备中都不是独立存在的技术单元，要同时考虑屏幕、电池等诸多软硬件技术单元才能设计出完整的解决方案。Pancake此时此刻的高存在感更像是版本造英雄，很大程度上得益于行业对这个概念的认同。”
然而，Pancake并不是完美无缺的，耐德佳（AR/VR光学模组供应商）CMO焦亚超坦言：“它在带来轻便性的同时，也把光学镜片的价格提到了前所未有的高度，所以短时间内Pancake在规模上很难取得压倒性优势。”
PICO认为，Pancake光学方案面临的问题还有工艺问题，毕竟只做一两片Pancake镜片并不是什么难题，但是要想批量生产，Pancake镜片在贴膜精度、质量管理、一致性等方面，都会比传统的光学方案有更高要求，这必然会对供应商施加压力。
效率和成本之间的取舍是商业永恒的难题，但VR光学方案之所以需要迭代，既是因为大家一直没有找到能够兼顾设备性能和舒适度的方案，也是因为时代不断对VR产品提出更高要求。
VR光学的三个时代
VR光学从非球面透镜走向菲涅尔，再到现在大热的Pancake，其实是一个逐步提升的过程，但成本、工艺压力都更小的非球面与菲涅尔又是如何成为过去式的呢？
业内一般把VR光学的演变划分为三个时代：非球面、菲涅尔、Pancake。我们先从最早应用于VR产品，却也最快被替代的非球面透镜说起。
非球面透镜的应用其实基于一个非常朴素的原理，就是通过透镜镜片把VR眼镜屏幕的画面放大，让光路顺着光源平直进入人眼。一个0.5英寸的屏幕画面，通过非球面透镜可将屏幕投射的画面放大2.5倍以上，也能满足90度到130度范围的视场角。
然而，视野轴距和设备重量是非球面透镜的致命缺点。早期配备非球面透镜的VR设备，大都呈大长方形，属于货真价实的长焦、长轴头显，这些设备佩戴之后从贴眼处算起，至少要延伸8~10厘米才能够实现比较理想的画面呈现。
焦亚超告诉93913：“其实，非球面光学出现以及普及的时间特别短，一两年间它就被菲涅尔给全面替代了。”
非球面透镜较多采用玻璃材质，经常需要多镜片组合，且面临制作工艺复杂、轻便性差的问题，因此行业很有动力寻求更便宜、更轻便的替代品。于是，菲涅尔迎来了进入VR行业的契机，菲涅尔透镜的材质多是树脂、塑料，在成本、重量方面都有极大的优势，直到现在菲涅尔仍是VR行业的主流光学方案。
如果说非球面透镜的光学思路与望远镜类似，是把远端的画面在眼前放大，那么菲涅尔透镜则借鉴了完全不同的参照物——用于海上照明灯塔。与非球面透镜的差异在于，菲涅尔透镜不是直接通过普通凸面透镜把画面放大，而是利用梯形结构，以更小的镜片体积达到把平行光传递到远处。相应地，这也加大了制作工艺的复杂程度，对供应商提出了更高的要求。
菲涅尔透镜较非球面透镜最大的进步在于大幅缩短了焦距，其镜片通过梯形结构形成了若干棱齿，而这些棱齿的作用在于通过折射缩短光传播的路径，使得菲涅尔透镜能够以更轻薄的形式呈现VR画面。虽然菲涅尔透镜已经占据主流多年，但也正是因为梯形结构性成果的棱齿，导致菲涅尔镜片边缘部分容易出现“鬼影”，这一缺陷至今还未完全克服。
其实业内不乏消除鬼影的解决方案，但这些方案都并不便宜，会让菲涅尔透镜失去原有的性价比优势，而对于商业组织而言在效率和成本的天平面前，大家都不约而同地偏向于后者。
Pancake光学最早出现于上世纪60年代，曾小范围应用于投影仪、相机。Pancake采取了折叠光路的思路，这是它与采用了平行光路的非球面、菲涅尔光学系统最大的不同。
上：Pancake光学，下：菲涅尔光学
平行光路就好比一把展开的折扇，光会平行划过整个扇面；而折叠光路更像是一把收叠好的折扇，光走过的路线被曲折地收纳进了褶皱，这就意味着两者走过的光路的长度相同，但折叠光路设备的焦距与体积却大幅缩小了。
众所周知，成本高是Pancake光学方案的一大缺点，其镜片成本是菲涅尔透镜的5倍以上。另外，pancake光路经过折叠后，必然会面临光能损失。
Pancake的光路折叠原理虽然大幅缩减了VR头显的体积和重量，但正是因为折叠这一特质导致光线每经过一次折射就会损失50%左右的亮度，而巨大的光损则意味着采用Pancake光学方案的VR设备得配备更高亮度的屏幕，并且要承受更高的能耗。
目前，非球面透镜和菲涅尔透镜的透光率都能达到90%，甚至95%以上，而Pancake镜片的透光率如果能达到25%便已经是行业天花板。
所以，VR硬件厂商为了弥补Pancake的光损缺陷，不得不选用更高流明的显示面板。流明简单来说指光在单位面积内表现出的亮度，菲涅尔透镜做到3000流明便足够了，但要做Pancake透镜的话就不得不把流明提高到16000。
VR显示面板，图源：网络
因此，Pancake虽然在小型化方面较菲涅尔更进了一步，焦亚超还是认为，如果Pancake的成本不压低到菲涅尔的水平，那么菲涅尔VR设备是不会退场的。
其实，不论是非球面、菲涅尔，还是Pancake都并非新技术，被VR行业采用与否的关键在于工艺制程成熟的时机。
如果用发展的眼光看VR光学的变迁，菲涅尔透镜占据主流很多年，已经形成了一套相当成熟的光学方案，虽然在减少畸变、鬼影方面，菲涅尔还有一定改善空间，但总体看来成长性有限。可也不得不承认，对于主打性价比的VR头显而言，菲涅尔绝对是一个不错的选择。
而Pancake光学方案则是集成长性与不确定为一体的存在，业内还没有形成固定的标准制程，业内人士随口就能讲出四五种解决方案。单片或双片甚至三片的，曲面或平面的，贴膜或不贴膜，这些选项可以带来无数排列集合，其他硬件单元的配套也各有不同。
这一现象一方面意味着，目前Pancake方案和其配套并不成熟，另一方面也意味着Pancake还有很多潜力可挖掘、可探索，发展空间要比菲涅尔大得多。
产业链中的“危”与“机”
VR光学不断进步在反映在产业链上，则是供应商竞争的不断加剧，以及行业资源的不断整合。
VR光学模组主要由光学屏幕、镜片、结构设计三部分组成。屏幕作为VR设备的一个重要成像元器件，分辨率，以及对比度是评判其品质的重要标准。目前LCD、Micro-OLED这两种屏被业内讨论得最多，Mini-Led屏也作为一个概念性产品颇受关注。在不考虑成本的情况下，Micro-OLED屏是VR头显最理想的适配方案，但若是回归商业逻辑，Micro-OLED也是另一个高不可攀的存在。
当业内在讨论屏幕分辨率的时候，PPI（Pixel Per Inch）是举足轻重的一个参考维度，PPI与画面的细腻程度相关，具体说来就是每一英尺的面积能容纳多少颗像素。在这一指标面前，Micro-OLED屏幕占压倒性优势，LCD屏幕的PPI一般在1200~1500，而Micro-OLED屏幕的PPI一般在3700以上。而这一差距也直接体现在两者的分辨率上。在屏幕尺寸相同的情况下，Micro-OLED屏幕的分辨率明显更为卓越，以2.1寸的屏幕为例，LCD目前能达到的分辨率是2.2K×2.2K，Micro-OLED的分辨率能高达惊人的6K×6K。
对比度主要体现在画面色彩的鲜明程度，通俗来讲就是黑有多黑、白有多白。在对比度方面，Micro-OLED较LCD的优势也很明显，LCD屏的对比度一般在100:1~500:1的范围内，而Micro-OLED屏幕已经能达到百万比1的程度了。从黑到白的颜色渐变，LCD屏幕能分1000级左右，而Micro-OLED能够达到10万级，因此OLD屏幕的色彩还原度远超LCD。
焦亚超表示，Mirco-OLED的确是好东西，但可惜的是它实在比LCD屏贵太多了，所以目前Mirco-OLED很难在VR行业里实现大规模应用。但值得庆幸的是，三星、京东方等硬件厂商已经开始借鉴LED技术去升级LCD屏，在很大程度上提升了LCD屏的分辨率和对比度，这也是为什么现在LCD屏仍然是VR行业主流。
至于Mini-LED屏幕，从理论上讲它的分辨率和对比度都可以与Micro-OLED比肩，还在成本上更具优势，但这一切都还停留在概念阶段。
焦亚超直言：“随着光学方案几次变迁，VR光学模组的组装也越来越难了，目前主要体现在菲涅尔到Pancake的过渡。”
在五年之前菲涅尔透镜的供应商满地开花，尤其是在深圳，当时的成本甚至能压到10块钱。随着行业资源的不断整合，准入门槛也随之提升，生意最终集中到了头部玩家，于是围绕菲涅尔透镜的供应链进入成熟期。然而，最近终端VR厂商对Pancake的热情打破了这一格局。
虽然Pancake的高成本可能让多数中小厂商望而生畏，但焦亚超表示，短时间内如果没有出现比Pancake更好的光学方案，VR产业链一定会倾全力把成本打下来，这就和座机、手机价格不断变便宜的道理一样。
然而在成本以外，Pancake还给供应商带来了新的难题。首先镜片的数量增多了，虽然也有如PICO这样的厂商采用了一片式的Pancake方案，但是采用两片式、三片式Pancake方案的厂商仍有很多，于是制作人员操作的复杂程度直线上升。
另外，Pancake镜片上配套的偏振膜不但对平整度和放置角度要求极高，同时还面临美国3M公司的“卡脖子”威胁，想要拿货的供应商不得不出一笔不菲的授权费。
更值得注意的是，短时间内国内厂商很难拿出这种偏振膜的国产替代方案。某业内人士透露，日本一些材料学公司在5年前便开始了3M偏振膜替代品研发，投入了将近5000万美金，至今无果。
尤其在中国VR设备出货量不大的情况下，国内厂商面对3M 更缺乏议价权，如果未来Pancake全面替代了菲涅尔，材料垄断对中国VR行业而言是巨大的威胁。
VR产业链作为一个跨国际、多层次的网络，任何玩家都不能抛开宏观语境叙事，而处在这张网络上的厂商正在为各自的利益而战国内玩家们的立场尤其微妙，既有分蛋糕的喜悦，也有争蛋糕的焦虑。
若以传统的眼光看待VR产业链，VR产业的上游主要由硬件供应商、软件制作方构成，可以把它们理解为汽车行业中的二级供应商；VR产业中游的主要角色是系统集成商，类似于VR界的“富士康”，是类似于汽车行业一级供应商的存在，直接为下游提供服务；VR产业下游则是VR终端品牌厂商。
虽然VR产业中囊括了一众企业，但处于不同环节的供应商在产业链中的议价权也不尽相同。其中，上游硬件部分主要包括以高通、海思为代表的芯片供应商，以歌尔股份、舜宇光学为代表的声光学元器件供应商，以京东方、TCL为代表的屏幕供应商，以意法半导体、韦尔股份为代表的传感器供应商，软件、内容渠道的主要供应方有谷歌、微软、Steam、PICO等；中游系统集成的主要玩家有歌尔股份、立讯精密、和硕；下游VR品牌方则以Meta、PICO、NOLO、Sony为代表。
与手机产业类似，芯片在VR产业中也有着举足轻重的地位，成本占到VR设备的四分之一左右，是高议价权的代表，屏幕供应商的地位紧随其后，而VR产业中包括光学元器件在内的其他壳料、元器件供应商则面对着相对激烈的竞争。
然而，在现实中VR产业上中下游的划分并非像行业图谱那般泾渭分明，近几年VR产业各环节的边界有明显模糊化的趋势。VR行业之所以出现这一趋势，既有产业链资源整合的内因，也有外部宏观环境的影响。
从内部看来，VR供应链边界的模糊化首先体现在跨游供货，也就是跨游扩大业务范围，比如一些中游的供应商已经进军上游，另一些下游的VR终端厂商也开始着手中上游的设计、整合环节。焦亚超告诉93913，耐德佳作为AR/VR光学模组的供应方本属于产业中游，但由于光学元器件厂商在设计产品时必须从整机角度考虑，再加上耐德佳具备VR光学模组自主研发和制造的能力，于是在向下游厂商供货的同时，也会为上游厂商提供服务，比如为高通为测试其芯片性能往往会制作XR参考样机，耐德佳会为其提供XR光学解决方案。
从外部看来，全球手机销量下行已成既定趋势，据IDC数据，连续增长多年智能手机销量在2020年迎来了-12.5%的负增长率，即使全球智能手机销量在2021年反弹至5.7%，也可以预见手机是常规规模高增长的时代已一去不复返了。因此，在为智能手机供货以外，手机产业链的供货商还需要主要别的出路，而VR产业则是那个新增长极，这也意味着VR产业链上老玩家不得不和新涌入的重新分一分蛋糕，产业格局必然会被搅乱。
焦亚超表示：“这样的混乱未必是一件坏事，一方面这给了中小厂商弯道超车的机会，另一方面竞争与淘汰也势必催生出更好的产品。”
张佳宁则认为：“不同供应商拓宽业务边界都有各自的立场，但这大概率是阶段性的现象，当VR产品更成熟、出货量更大时，明确的分工将再度成为共赢的选择。”
Pancake不是终点
Pancake虽好，但即使其成本、工艺难题得到解决，也不会成为VR光学的最终答案。
牛一鸣坦言，现在我们看到的Pancake光学还不能称之为一个成熟的断代，而是一个过渡性的产物。目前我们看到的这种折叠反射的光学方案，它对于成像效果、分辨率、能耗等方面都是有妥协的。Pancake虽然在一定程度上提升了画面的对比度、清晰度，以及细腻程度，但在得到这些好处的同时，也增加了光学畸变的概率。
除了Pancake以外，其实业内不乏更前沿的光学技术，虽然它们距离商业化的距离更远，但对于VR产业而言，这些储备技术为VR产品的进化方向提供了无限可能。
1. 液晶偏振全息LCPHs
采用 LCPHs 技术的超薄眼镜原型，图源：Meta
2021年7月，Facebook在一份名为《Toward Lighter,Thinner AR/VR System》的报告中提出液晶偏振全息LCPHs技术方向。液晶偏振全息技术是全息技术与液晶光子学技术的融合，这两项技术由来已久，并且都到了非常成熟的应用阶段。
偏振全息元件（PHs:Polarization Holograms）能在薄封装中提供多功能光学响应，且能自由选择角度和光谱带框，是透镜、光栅、波导、透镜阵列、漫射器和消色差或彩色光学器件的理想材料。对于VR光学系统而言，PHs极高的偏振灵敏度尤其能为光学方案的设计增加自由度，且能实现比Pancake方案更极致的小型化。
2. 复眼透镜
复眼透镜，图源：网络
顾名思义，复眼透镜的设计取材于昆虫复眼，即通过一系列小型透镜组合模仿蜻蜓、蜜蜂的视野，并由此获得高效的光能利用率。全球AR/VR协会曾在NASA接触过一个应用了复眼透镜的VR原型机，这项技术在全球范围内都是极为前沿的存在。牛一鸣表示在高光能利用率之外复眼透镜还有一个绝对优势，由于直接模仿昆虫复眼结构，所以应用了这种透镜的VR设备在视场角方面基本没有限制，能够轻松做到180度以上。
3. 超表面
超表面透镜，图源：网络
Metasurface在光学里是超表面的意思，这一技术路径瞄准了透镜面型的进化。在非球面透镜出现之前，体积更大的球面透镜也曾在光学设备中有一席之地，但因为球形透镜会带来严重的畸变，于是改良后的非球面透镜面世，一般呈半球形。往后，透镜面型进一步演化出了自由曲面透镜，这意味着透镜的面形可以不规则、不对称，光学元件的设计和研发人员有了更大的发挥空间，菲涅尔透镜正是自由曲面透镜的一种。
据纳米光子实验室官网，超表面是一种由二维周期性亚波长结构阵列组成的人工材料，具有高度灵活的光响应能力，通过设计合适的亚波长结构，能对实现对入射光的相位，振幅，偏振态进行任意控制。焦亚超补充道，超表面的出现意味着我们掌握了给更多控制光学系统的变量，可以从前所未有的维度上做调整，但超表面还停留在理论基础上，因为这项技术要求精度极高，要在10纳米以下，市面上还没有厂商能够做得出来。
在交流的最后，几位资深从业者坦言，VR行业的发展的确并非顺风顺水，但这是新事物的必经之路，手机、电脑、汽车也有着同样曲折的发展历程，对于VR人来说只要大方向是对的，便值得坚持。
焦亚超坦言道：“我们不能因为一年的销量漂亮就盲目扩张，也不能因为一年的销量惨淡就不干了，在资本和舆论风向以外，产业内的人更关注VR相关的技术有没有实实在在地进步，往提升人机交互的信仰靠拢。”
2021年全球VR设备出货量破千万，这无疑是一个积极的信号。张佳宁认为，VR产品已经到了在C端大规模普及的阶段了，越来越逼近爆发点，相比五年前，无论交互技术、光学方案，还是算力、网速等方面的硬问题已经都有了解决方案，可以说VR行业所依赖的基础设施已经有了质的改善。
从第一款VR头盔——达摩克利斯之剑（1968）的诞生，到上世纪90年代、千禧年初，以及近十年的这三波浪潮，VR行业已经历了无数次的风口与寒冬。与过去的大风大浪相比，当下Pancake这个概念的兴起也许不算什么，但其现实意义在于实质性地推动了VR设备小型化发展的齿轮。也许小型化也不能解决VR产品所有的问题，但要知道智能手机也是从板砖逐渐进化到现在的成熟形态。只要有足够的耐心，好事总会发生，不妨让子弹再飞一会儿。
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