中国VR光学模组行业概览：塑造未来视觉交互的关键（摘要版）

摘要 VR光学模组的演进 相较LCD，Micro-OLED各类参数有较大提升，尤其是亮度在LCD的十倍左右，弥补了Pancake光学效率低的缺陷 Pancake光学方案通过多片光学镜片让光路多次折返从而缩短整个光学模组总长，但光在经过镜片膜时会造成光损，如屏幕光经过BS半透半反镜时光损失50%，总体而言Pancake光学模组光学利用率仅有10%-20%，Pancake对显示屏幕亮度要求较高。 光学模组作为VR头显的重要组成部分，其镜头总长TTL、视场角FOV以及成像质量是决定VR头显沉浸体验及视觉感受的关键因素。早期的VR盒子大部分使用非球面透镜光学方案，而后菲涅尔光学方案通过更精密技术去除传统非球面透镜冗余结构，使整体变得更加轻薄进而取代非球面透镜光学方案成为市场主流。近年来，随着VR在消费级市场逐步渗透和起量，C端消费者对VR的轻薄、成像质量、佩戴体验提出了更高的需求。Pancake以更轻薄、更优成像质量以及支持屈光调节等优势被消费级VR市场认可。目前随着Pancake工艺的逐渐成熟，以及Meta、苹果、Pico和华为等头部VR企业推出Pancake方案头显，Pancake已成为2022-2023年新出VR设备的主流光学方案。 Micro-OLED结合了OLED技术和CMOS技术，以单硅晶代替传统玻璃基板，可在维持相同分辨率的情况下显示更小的OLED，因而有更高像素密度（PPI），同时亮度也是LCD的十倍左右，弥补了Pancake光学效率低的缺陷，预计Pancake和Micro OLED将成为主流组合。 VR光学膜无论是膜的制作还是贴合工艺均为中国产商的薄弱环节，是造成Pancake光学方案成本高昂的原因 Pancake光学模组生产主要包括光学设计、透镜加工、透镜贴膜、组装、检验和封装六个主要流程，其中最核心的工艺是贴膜，反射偏振膜和1/4相位延时片的质量、以及贴膜的工艺是成像质量的关键因素。目前VR光学膜无论是成产制作还是贴合工艺 均为中国产商的薄弱环节，以偏振膜为例，主要原材料PVA膜、TAC膜均被国外垄断，而曲面贴合工艺也仅有 3M 和旭化等国际企业能完成交付方案，是造成Pancake光学方案成本高昂的原因，一组透镜的贴膜材料成本达到了70-100元。 目前中国已有多家企业具备Pancake光学模组供应能力，他们主要包括光学设计厂商、屏幕厂商、以及ODM/OEM厂商等 目前中国已有多家企业具备Pancake光学模组供应能力，他们主要包括光学设计厂商如舜宇光学、欧菲光、惠牛、耐德佳和多普广电、鸿蚁光电，屏幕厂商视涯技术，以及ODM/OEM厂商歌尔股份等。并且部分Pancake光学厂商已于VR整机厂合作推出了VR整机产品，如华为VR Glass、Pico4的Pancake模组由歌尔股份提供、YVR2由欧菲光提供等。 VR光学模组——技术与演进（1/4） VR光学方案的发展主要体现在VR光学参数及指标的优化，视场角（FOV）、出瞳距离、眼动范围Eyebox、畸变、TTL和瞳距IPD是决定VR视觉体验的六个关键参数 VR光学重要参数及描述 VR光学方案的发展主要体现在VR光学参数及指标的优化，VR光学方案经历了从非球面透镜、涅菲尔透镜和折叠光路三个阶段以及目前较为前沿的VR光学技术包括异构微透镜方案以及液晶偏振全息方案、透镜方案等。VR光学方案的发展和演进方向主要包括：更大的视场角、更短的光学镜头总长以及更小的畸变。 VR光学参数及指标 描述 视场角（FOV） 视场角指的是指设备成像中人眼可观察到部分的边缘与瞳孔中心连线。包括水平视角A、垂直线视场角B、对角线视场角C，视场角是影响VR沉浸体验的关键因素，视场角越大，沉浸感越强。正常人双眼水平视角最大可达200度，在VR光学中，90度视场角被认为是VR沉浸体验的及格线，180度视场角则是达到完全沉浸标准。 A C B 出瞳距离 出瞳距离是指能够看清整个视场时人眼与光学镜片之间的距离，出瞳距离小，则有利于提高光学的视场角，但会对眼镜佩戴者造成不便（通常人眼与眼镜片的距离为12mm，而出瞳距离大，则让整个光学模组变厚，VR终端变重，目前VR光学的出瞳距离大概为8mm到15mm之间。 出瞳距离 眼动范围Eyebox 眼动范围指的是近眼显示光学模组与眼球之间的一块组锥型区域，也是显示内容最清晰的区域，当瞳孔与输出区域的中心对齐，则将获得完美的图像，反之则会出现图像扭曲、显色错误等问题。人眼瞳孔直径通常为4mm，因此Eyebox需要做的比瞳孔大，才能在佩戴VR时的滑动或不同人眼间距不同情况下保证聚集，目前VR头显的Eyebox通常为10mm。 眼动范围 畸变 畸变指的是光学设计的缺陷导致的图像扭曲变形，直线图像通过透镜看到的却显示中间凸出（桶形畸变）或凹陷（枕形畸变）。畸变时和光学镜头固有特性有关，无法被消除，只能改善，并且随着FOV增大，边缘的图像畸变会更加明显。 标准 桶形畸变 枕形畸变 TTL（TotalTrackLength）镜头总长/光机模组厚度 镜头总长分为光学镜头总长（镜头中镜片的第一面到像面的距离）和机构总长（由镜筒面到像面的距离）。在VR光学中，TTL表示屏幕到人眼的最后一片光学透镜的距离，通常也叫光机模组总长或光机模组厚度，TTL是影响VR整机厚重程度的关键因素。 TTL 瞳距IPD 瞳距指人两眼瞳孔中心点之间的距离，每个人瞳距都不一样，因此会造成人眼、透镜和屏幕中心不一致（理想状态下人眼、透镜和屏幕处于同一中轴线上），两眼无法落在Eyebox上，进而导致图像变形或模糊等。目前大部分VR头显都支持瞳距调节。 正常情况 理想情况 瞳距 瞳距 VR光学模组——技术与演进（2/4） 相较于菲涅尔，Pancake光学方案的优点除了轻薄外，成像质量好，以及支持屈光调节，缺点是屏幕发出的光经过多轮反射、透射最终射入人眼的全过程中光损较高 Pancake光学方案的原理及特征 在此处键入公式。非球面透镜光学方案与菲涅尔透镜光学方案都属于垂直光路，菲涅尔透镜在原来非球面透镜的基础上，切割掉了镜头曲面下额外的部分，仅保留了用于折射光线的镜头曲面，从外表上看菲涅尔透镜如同一片有无数多个同心圆纹路（即菲涅尔带）的玻璃，在保持光路折射效果相同的情况下节省了大量材料以及释放重量。 ¼相位延时膜 显示屏 Pancake光学方案又称为折叠光路方案，由于光的折射或透射对光的形态有不同要求，Pancake光学方案将（1）能使射入光分离成反射光和透射光的半透半反镜、（2）能选择性反射偏振光的反射式偏振模、以及（3）能完成圆偏振光和线偏振光相互转化的1/4相位延时片QWP贴在不同的镜面上，从而完成将从屏幕发出的光经过多轮反射、透射最终射入人眼的全过程。 ⑦S ⑥LCP RCP P ③P ①RCP 1.显示屏幕发出的右旋圆偏振光RCP经过BS半透半反膜后，偏正态不变，但光损失50%；2.右旋圆偏振光RCP经过QWP1/4相位延时片后，变成P线偏振光；3.P线偏振光到达反射式偏振膜反射，反射式偏振膜反射P线偏振光；4.P线偏振光第二次经过1/4相位延时片，变回右旋圆偏振光；5.右旋圆偏振光RCP被BS半透半反膜反射，变成左旋圆偏振光LCP；6.左旋圆偏振光LCP第三次经过1/4相位延时片，变成S线偏振光；7.S线偏振光到达反射式偏振模并透射，进入人眼。 RCP 反射式偏振模 BS半透半反膜 非球面透镜 菲涅尔透镜 折叠光路Pancake 70°-100° 多叠折返式自由曲面80°-100° 异构微透镜阵列 液晶偏振全息 超表面超透镜 早期VR设备普遍采用的是非球面透镜方案，例如三星GearVR、暴风盒子等，但由于非球面透镜相对较重影响体验，目前仅有爱奇艺奇遇Dream、PS VR等少数VR头显还使用非球面透镜。菲涅尔光学方案由于去掉了透镜中心材料降低了光学模组的整体重量与体积，现如今成为VR主流光学方案，例如Meta Quest2、Piconeo3、Nolo sonic等均采用了菲涅尔透镜。菲涅尔透镜削减了透镜厚度，付出的代价是成像质量的下降，容易出现伪影、在高对比度的画面中产生“上帝光（godrays）”的视觉假象，以及畸变等问题。 常规FOV 90°-180° 90°-120° 150°-180° 60°-100° 80°-150° 常规TTL 40-50mm 40-50mm 18-25mm 40-50mm 20-30mm 5-10mm 1-2mm 成像质量 边缘成像好 容易产生伪音和畸变 边缘成像质量好但容易产生伪影轻薄 容易产生畸变 视场角超大但容易产生伪影和畸变轻薄 FOC和Eyebox 色差小 优点 成本便宜 较轻薄便宜 15-20元 有利于眼动元器件布置50-100元 超薄 超薄 成像质量好120-180元 超大视场角/ 可实施变焦/ 光路可定制/ Pancake光学方案的优点除了轻薄外，还包括（1）成像质量好，Pancake通过透镜组合，可以提高透镜边缘成像质量，降低图像畸变，提高成像的对比度、清晰度和细腻度；（2）支持屈光调节，由于Pancake光学方案是组合透镜（单片式除外），因此可以控制其中一片透镜进行屈光条件，对近视用户友好。 量产价格 5-10元 发展阶段 淡出市场 主流选择 即将大规模应用 小众市场 研究阶段 研究阶段 研究阶段/ 代表产品 VR盒子PS VR等 Meta Quest2 Pico neo3等 华为VR Glass苹果MR等 Lynx / / / VR光学模组——技术与演进（3/4） 相较LCD，Micro-OLED各类参数有较大提升，尤其是亮度在LCD的十倍左右，弥补了Pancake光学效率低的缺陷，预计Pancake和Micro-OLED将成为主流组合。 各类VR/AR光学方案对屏幕亮度需求及LCD和Micro-OLED参数对比 Pancake光学方案通过多片光学镜片让光路多次折返从而缩短整个光学模组总长，但光在经过镜片膜时会造成光损，如屏幕光经过BS半透半反镜时光损失50%，经过反射偏振模时也会损失10%左右，总体而言Pancake光学模组光学利用率仅有10%-20%，相较菲涅尔的80%光学利用率，Pancake对显示屏幕亮度要求较高。 VR AR XR显示入眼亮度需求（nit） 屏幕亮度需求（nit） 菲涅尔 Pancake AR棱镜 AR BB AR自由曲面 AR阵列光波导 AR衍射光波导 光学效率 80% 15% 15% 20% 35% 8% 0.3% 在XR设备中，亮度一般用尼特（nit）衡量，屏幕发出的光经过光学模组调制后形成画面进入人眼，因此屏幕的亮度并不代表人眼真实看到的入眼亮度，而入眼亮度需求根据XR设备使用环境不同而有所区别，人的瞳孔会根据周围环境光的强度自适应调节大小。 全黑环境 150 188 1000 1000 750 429 1875 50000 室内环境 400 / / 2667 2000 1143 5000 133333 相较于AR设备，人眼在VR设备里式全黑环境，因此屏幕亮度需求会比AR设备低。屏幕亮度需求=入眼亮度需求÷光学效率，由于Pancake的光学效率低于菲涅尔，因此对屏幕亮度需求会高很多。 室外环境 1000 / / 6667 500 2857 12500 333333 强光环境 3000 / / 20000 15000 8571 37500 1000000 VR使用的屏幕发展经历了OLED、Fast-LCD和硅基OLED三个阶段，代表着消费者对更高分辨率、更快响应速度、更高对比度以及更高亮度的追求。相较于OLED，LCD的各类参数已有较大提升，PPI在