解析Pancake技术及该技术对VR产业链的影响

Pancake技术，VR设备的拯救者。

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。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。

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。

本期的内参，我们推荐安信证券和德邦证券的报告《VR 设备轻薄化趋势明确，Pancake 有望成为主流光学方案》《VR 行业专题 1：Pancake 光学落地加速，把握硬件创新机遇》，解析Pancake技术及该技术对VR产业链的影响。  

01.

Pancake

VR设备拯救者

1、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。

▲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。

2、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。

▲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。

▲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。

▲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。

▲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。

▲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。

▲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。

3、Pancake 与菲涅尔透镜方案实例比较

3Glasses X1 VS 3Glasses D3：2019 年 4 月，3Glasses 发布了采用 Pancake 光学方案的 VR 头显 3Glasses X1。在整机设计上，3Glasses X1 VR 裸机重量小于 150g，机身尺寸为 165*62*24mm。相较于 3Glasses在 2017 年发布的采用菲涅尔透镜的 VR 头显 3Glasses D3，3Glasses X1 的厚度缩减了56mm，重量减轻了一半，整体上更加轻薄。

在显示配置上，X1 单眼分辨率为 1200*1200，视场角为 105 度，支持 0~600°的屈光度调节。由此可见，3Glasses X1 拥有比 D3 更大的视场角，且支持屈光度调节，但在采用同款 Fast-LCD 显示屏的情况下，其分辨率略低于3Glasses D3。

▲3Glasses X1

▲3Glasses D3

▲3Glasses X1 VS 3Glasses D3

创维 S6 VS 创维 V901 VS 创维 PANCAKE1：2020 年创维发布了采用 Pancake 光学方案的 VR 分体式眼镜创维 S6。在整机方面，创维将S6 整机眼镜重量降至 130g，机身厚度仅 58mm。在显示方面，S6 单眼分辨率为 1600*1600，视场角为 94°,支持 0~800°的屈光度调节。

相较于 2019 年 4 月创维发布的采用菲涅尔透镜的VR头显创维V901,创维S6显著缩小了机身尺寸及降低了重量，但在采用同款Fast-LCD屏幕的情况下，其单眼分辨率及视场角略低于 V901。2022 年 7 月 25 日，创维发布了超短焦 Pancake 光学方案新品 VR 一体机 PANCAKE 1，PANCAKE 1 镜片体积仅为传统菲涅尔镜片的 1/4，厚度减少 50%以上，相较于前两款产品有着更高的分辨率。

▲创维 S6

▲创维 V901

▲创维 S6 VS 创维 V901 VS 创维 PANCAKE1

Pico VR Glasses VS Pico Neo3：2020 年 1 月 Pico 发布了采用 Pancake 光学方案的 Pico VR Glasses，使用双 2.1 英寸TFT-LCD 显示屏，单眼分辨率达 1600*1600。此款产品搭配 3DoF 控制器，其视场角为 90度，并支持 0-800 度屈光度调节。

作为短焦产品，其机身尺寸为 160*79*26mm，重量仅为119 克。相较于 2021 年 4 月 Pico 发布的采用菲涅尔透镜的VR 头显 Pico Neo3，Pico VRGlasses 支持屈光度调节，且机身尺寸更小、重量更轻，但其分辨率及视场角略低于 PicoNeo3。

▲Pico VR Glass

▲Pico Neo3

▲Pico VR Glass VS Pico Neo3

下列VR设备光学方案对比情况显示，采取Pancake光学方案的VR设备普遍具有机身轻薄、支持屈光度调节的优点，但是目前由于技术原因，视场角表现较弱，方案潜力尚未被完全发掘。

▲VR 设备光学方案对比 从上述案例对比来看，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。

▲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。

▲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。

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。

编辑：黄飞