一文看懂VR中Pancake显示技术与未来方向

Pancake方案以偏振光原理为基础，采用反射偏光片配合1/4相位延时片和分束镜实现光线的多次折返，受到众多科技公司的青睐，逐渐成为VR光学方案的发展方向。

Pancake技术概览

Pancake方案工作原理示意图

Pancake光学方案是基于反射偏振的折叠光路，方案设计以偏振光原理为基础，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。

- Pancake方案核心部件 -

1、偏光片

让自然光变为具有某种规则地变化光波的偏振光的化合物薄膜。其中线偏振光是指只沿一个固定方向震动的光，圆偏正光是指偏振面相对于传播方向随时间以圆频率W旋转的光。

2、半透半反/分束镜

把入射光分离成反射光和透射光两部分。在Pancake方案中，分束镜主要用来做二次反射光线使用。分束镜可以用部分反射膜替代。

3、1/4相位延时片

通常由塑料薄膜制成，透光性高，在正确的方向时，线偏振光以45度通过则变成圆偏正光，相位延迟1/4波长；圆偏正光通过则变成线偏振光。

4、反射偏光片/反射式偏振膜

选择性反射偏振光的一种偏光膜。Pancake方案利用了反射偏振膜的选择性反射和投射偏正光的特点，实现了光第一次到达反射偏振膜时被反射，第二次到达反射偏振膜时投射入眼。

- 采用Pancake方案的公司与产品 -

华为

• HUAWEI VR Glass6，2020

3Glasses

• 3Glasses X1S，2020

创维

• 创维S6 Pro，2021

• PANCAKE1，2022

HTC

• VIVE Flow， 2021

Arpara

• Arpara 5K VR头显，2021

• Arpara AIO 5K VR，2021

• Gaming Kit，2022

PICO

• PICO 4，2022

Meta

• Meta Quest Pro，2022

Shiftall

• MeganeX，2022

苹果

• MR头戴设备，2023（待上市）

Pancake方案具备模组轻薄化、可调节屈光度等优点，大幅提升了用户的体验感和舒适度；同时，光线多次折返中 “鬼影”和高光损的问题不可避免，需要从材料和配套显示方案上帮助优化成像。

Pancake方案优点

1、超短焦光学折叠光路

实现更短的光路设计

关键分析：Pancake光学方案通过折叠光路的设计有效压缩了屏幕与透镜的距离，进一步缩小了光学模组总长度，模组厚度相对传统菲涅尔方案减少了一半，头显重量减轻50%以上，从佩戴上提升了VR产品使用的舒适度，是未来VR设备向消费市场渗透的进程中满足消费者高要求不可缺少的新技术。

2、组合透镜中镜片可移动，

实现从内部调节屈光度并减弱VAC影响

关键分析：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，解决了近视用户佩戴的不便。相比移动屏幕来调整屈光度的外调焦方式，内调屈光度可以缩短模组总长，减少头显体积。

这种可变焦显示还能通过基于眼部细微特征变化校订模组焦距，模拟人眼自然成像，是VAC（视觉辐辏调节冲突）的有效解决方案。

Pancake方案缺点

1、折叠光路方案相较垂直光路

方案鬼影问题严重

关键分析：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“鬼影”(ghost)，会直接导致图像质量的降低。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，可以通过改善透镜材料、形状等方式优化。

2、Pancake方案光效较低，

对屏幕亮度要求更高

关键分析：受光学原理限制，光线每次经过半透半反/分束镜时光效损失50%。以单片式Pancake 简易模组为例，光效折损已到25%，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 20%。因此，Pancake 光学方案通常对屏幕亮度要求更高，需要搭配Micro LED和Micro OLED等新型显示器。

Pancake模组加工

Pancake模组加工关键难点环节包括镀膜/贴膜和组装调整；高质量膜材和贴膜工艺能够实现更稳定的光的偏振态传输，目前供应商以海外厂商为主，单组透镜贴膜材料的成本高达近100元。

- Pancake模组加工流程 -

- Pancake模组加工技术壁垒 -

1、膜材

• 反射偏振片和1/4 相位延迟片的准确性与稳定性对成像质量构成关键影响，膜材质量的对应要求较高。目前单组透镜贴膜材料的成本高达近100 元，供应商以海外厂商3M、旭化成等为主，国内厂商布局较少。

2、贴膜工艺

• 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。

3、组装调整

• Pancake光路精度高敏感，进行屏幕、透镜等组装时 需要严格按照既定光路设计完成 ，细微角度差异将严重影响成像效果。

• 高精度 AA 设备 在效率和良率提升上起关键作用。

Pancake方案

所需光学膜材及要求

1、偏光板

• 偏振度>99%

• 透过率>43%

• 线偏振光稳定产生

2、反射偏振片

• 高偏振对比度

• 低吸收

• 低散射

• 精准选择偏振态

3、¼相位延时片

• 任何入射波长，相位延迟均为1/4波长

• 色散现象随入射波长变化而变化

4、减反射/增透膜

• 界面防反射涂层

• 降低杂散光

• 高光效

Pancake技术未来发展方向：融合变焦显示

为优化视觉辐辏调节冲突在VR设备使用过程中造成的眩晕感，未来Pancake产品将结合技术逐渐成熟的变焦显示技术，进一步提升佩戴舒适度；机械式可变焦技术成熟度高，将被VR厂商大规模采用。

视觉辐辏调节冲突（VAC）产生原因

视觉辐辏调节冲突：物体时，眼睛需要根据距离来调节晶状体厚度并旋转眼球使视网膜上的物体镜像清晰。当佩戴虚拟现实头显设备，观众与屏幕之间的固定距离使得焦距无法改变，辐辏和调焦的位置发生分离，因此眼睛的视觉会辐辏失调，导致眩晕疲劳，显著降低用户的视觉体验舒适度。

文章来源：万物智能视

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