VR行业专题1：Pancake光学落地加速，把握硬件创新机遇

行业爆发临近，23年或为VR产业发展的关键一年。VRAR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。我们认为，随着各大头部厂商重磅机型的陆续发布和内容生态的加码建设，VR行业有望在23年迎来重要拐点，市场需求和商业模式加速验证，产业发展呈现拐点向上的增长态势。 Pancake有望成为未来VR光学主流方案。光学方案是实现VR硬件轻薄化的重要助力，技术路径沿着传统透镜—菲涅尔透镜—折叠光路方向升级。VR光学设计在技术迭代中追求沉浸感、成像质量、体积/重量、成本四方面的不断优化。Pancake方案通过让光路在镜片间多次折返，实现屏幕与镜头之间成像工作距离的变相缩短，整个光学模组长度也随之显著缩小。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。进一步，Pancake方案为多透镜组合，支持屈光度调节，并有望搭配眼动追踪、可变焦显示等技术有效解决VR头显的VAC问题。 Pancake方案落地推广带来的投资机会主要体现在VR光学膜弹性增长和显示方案配套升级两方面。1）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。根据我们测算，预计2026年Pancake光学膜市场规模有望达到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。2）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。 投资建议：受益Pancake方案在VR头显的应用加速，建议关注国产偏光片龙头企业三利谱，VR代工龙头与Pancake模组量产先行者歌尔股份，本土Pancake VR品牌稀缺上市标的创维数字，XR眼镜模组测试设备供应商杰普特，miniled背光老将隆利科技。 风险提示：宏观经济波动风险；行业发展不及预期风险；技术创新风险 1.VR光学原理与核心追求 从成像原理说起—— 光学成像系统一般按照几何光学原理设计，基于透镜把被摄物体通过光线的折射聚焦在成像平面上。物距(u)、像距(v)、焦距(f)是成像系统的基本概念，其关系严格遵循高斯成像公式：+= 11𝑢𝑣 1𝑓 当物距在无穷远和两倍焦距之间时，像距在焦距和两倍焦距之间，成倒立缩小的实像。 当物距小于两倍焦距大于焦距时，像距大于两倍焦距，成倒立放大的实像。 当物距等于焦距时，像距无穷大，光线通过透镜成为平行光线，不成像。 当物距小于焦距时，像距为负，在物体的同侧成正立放大的虚像。 因此，对于人眼成像而言，晶状体调整能力有限，焦距不能无限变短，近眼无法有效成像，需要借助额外的光学系统改变光线入射角度。 图1：凸透镜成像原理 VR光学系统包括显示器和光学元件两部分，通过在人眼前增加透镜改变光路变相增加物距实现近眼成像。VR头显通常由两个微型显示器为左右眼提供两个单独图像，并通过立体视觉产生3D感知。由头显光源产生的光线在进入人眼前需经过光学元件的放大和调整，改变入射角度，才能让原本处于人眼焦距范围内的图像源成功在视网膜成像。 图2：VR光学系统构成与原理 平衡取舍，VR光学设计在技术迭代中追求沉浸感、成像质量、体积/重量、成本四方面的不断优化。光学系统是VR头显硬件主要创新升级部分，对于设备能否满足各类应用场景需求具有关键影响。长期以来，VR光学基于屏幕显示器和光学元件的配套升级，不断在权衡取舍中实现更大视场角，更佳成像质量，更小体积，并伴随着工艺成熟和良率提升，推进成本端下降。 图3：VR光学成像核心追求 2.Pancake为VR光学确定性较高的升级方向 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：短焦距与轻薄化存在天然设计冲突 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。 图4：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：当前主流选择，但轻薄化程度有限 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。 图5：菲涅尔透镜制作过程 图6：菲涅尔透镜剖面与光路示意图 折叠光路（Pancake）：主要优势在于超短焦和屈光度可调节 Pancake是VR光学轻薄化的重大突破，基于光路折叠极大幅度压缩模组体积。 我们从以下五个基础问题出发对Pancake方案进行粗浅剖析，以期对Pancake产业发展和市场机会分析提供些许支撑。 #问题1：Pancake工作原理？ 偏振成就光路折叠。Pancake光学方案设计以偏振光原理为基础，利用反射偏光片(Reflectingpolarizer)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-mirror lens)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。 图7：Pancake方案工作原理 Pancake折返方案可以继续细分为两片式和多片式。目前市场上以两片式为主，生产工艺与成本相对更为可控。 #问题2：Pancake如何实现屈光度调节？ 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。 图8：内调屈光度原理 图9：外调屈光度原理 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。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。 图10：Meta的Half Dome 1, 2, and 3原型机变焦显示原型 #问题3：Pancake带来的意义与价值？ 光学模组体积大幅缩小，头显轻薄化实现重大突破。Pancake光学方案通过让光路在镜片间多次折返，实现屏幕与镜头之间成像工作距离的变相缩短，整个光学模组长度也随之显著缩小， 头显轻薄化设计实现了里程碑式突破 。以创维PANCAKE1为例，采用Pancake光学模组厚度仅为17mm，相对传统菲涅尔透镜光学模组厚度39mm，缩小了50%以上，主机对比传统VR头显主机体积减小了四分之三以上，主机重量也仅189g。 图11：Pancake光学模组体积大幅减小 #问题4：Pancake主要难点？ 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。 图12：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。 表1：Pancake光学对关键膜材的要求和主要供应商关键膜材Pancake方案要求反射偏光片 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。 #问题5：Pancake当前仍然存在的局限？ Pancake方案并非十全十美，目前仍然存在光效和鬼影等问题： 1）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。 图13：Pancake方案光效较低 2）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。 图14：Pancake方案鬼影问题较为严重 3.Pancake方案落地加速，带来产业链新增机遇 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。 图15：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