這項(xiàng)鏡頭貼膜技術(shù)背后，藏著讓VR變輕巧的秘密

蕭簫 發(fā)自 凹非寺
量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

不知道你發(fā)現(xiàn)沒有，越來越多的人開始買VR了。

但6年前被稱作VR元年時(shí)，它留下的卻是“重得像掛了4臺(tái)手機(jī)在臉上，連20分鐘視頻都看不下去”的印象。

6年來，是年輕人接受了這個(gè)新世代設(shè)備？

不，是VR被一項(xiàng)趨勢(shì)性技術(shù)帶來了顛覆性體驗(yàn)變革。

這項(xiàng)技術(shù)你也正聽得越來越多：“煎餅”——Pancake技術(shù)。

它不僅頻繁出現(xiàn)在蘋果等一眾巨頭的最新產(chǎn)品預(yù)告中，成為前沿技術(shù)的代名詞，也一度登上VR光學(xué)論文研究的熱點(diǎn)話題。

Pancake魔力所在，解決的正是VR的“輕”挑戰(zhàn)。

為什么VR“突然”就輕了？

VR的重量減輕，并非一蹴而就的過程。

事實(shí)上，在2022年再次進(jìn)入大眾視野前，主宰VR重量的顯示硬件，已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)輪迭代。

顯示硬件分為屏幕和光學(xué)鏡頭（光機(jī)）兩部分。受限于VR設(shè)備體積，屏幕無法做得太大，于是改善VR視覺效果的“重任”就放在了光學(xué)鏡頭上。

光學(xué)鏡頭負(fù)責(zé)將屏幕顯示的畫面放大，以達(dá)到在VR眼鏡中“身臨其境”的效果。

最早VR設(shè)備普遍采用非球面透鏡的方案，減輕了球面透鏡（凸透鏡、凹透鏡等）產(chǎn)生的球面像差問題，即靠近邊緣的平行光經(jīng)過折射后，與光軸相交的點(diǎn)偏離焦點(diǎn)，出現(xiàn)畫面模糊的情況。

△圖源維基百科

但非球面透鏡太重了。最早的VR盒子用上它的時(shí)候，輕則七八百克，重則上千克，縱使畫面清晰一些，戴上后也只會(huì)成為“頸椎殺手”。

直到菲涅爾透鏡的出現(xiàn)，給光學(xué)鏡片來了一次重量“大卸貨”，才讓VR眼鏡開始走向更輕薄的路線。它把一個(gè)透鏡中不改變光路的部分全部挖掉，剩余的部分繼續(xù)用于成像，一舉成為目前主流的光學(xué)鏡片方案。

△圖源維基百科

但菲涅爾透鏡同樣存在問題：鏡頭各處曲率不變，焦距無法進(jìn)一步被壓縮，整體仍然較重；同時(shí)由于曲面不連續(xù)，成像精度受限。

要想進(jìn)一步提升成像質(zhì)量、同時(shí)減輕鏡片重量，必須另辟新路。這種情況下，Pancake折疊光路設(shè)計(jì)逐漸進(jìn)入VR光學(xué)研究人員的視野。

之所以被稱為“折疊光路”、“Pancake”，除了它能實(shí)現(xiàn)光路折疊，壓縮VR設(shè)備體積以外，還因?yàn)樗cPancake煎餅有相似之處，即鏡片更輕薄。

毫無疑問，Pancake光學(xué)方案正在成為全VR行業(yè)的趨勢(shì)性技術(shù)，其中就包括最新發(fā)布的PICO 4 VR一體機(jī)。

發(fā)布一個(gè)月以來，PICO 4以輕薄性和性價(jià)比獲得了不少好評(píng)，背后同樣離不開對(duì)Pancake的軟硬件一體吃透。

以PICO 4上的Pancake光學(xué)方案為例，與應(yīng)用菲涅爾透鏡的PICO Neo3相比，不僅前端主體重量降低了26.2%，厚度也減少了38.8%。

△Pancake光學(xué)方案vs菲涅爾透鏡方案

Pancake光學(xué)方案實(shí)現(xiàn)折疊光路的原理，主要基于4種組件：線性偏振片（LP）、四分之一相位延遲片（QWP）、半反半透鏡（BS）和反射偏振片（RP或PBS）。

△圖源《Holographic pancake optics for thin and lightweight optical see-through augmented reality》

其中，四分之一相位延遲片又叫四分之一波片，用于將圓偏振光通過四分之一相位延遲，變成線偏振光；反射偏振片用于透過和反射不同的線偏振光；半反半透鏡又稱分束鏡，用于將入射光分成相等的兩部分，50%反射，50%透射；線性偏振片則能起到一個(gè)過濾的作用，保證只有特定取向的偏振光才能穿透并進(jìn)入到人眼中。

從圖中來看，Pancake光學(xué)方案實(shí)現(xiàn)折疊光路的關(guān)鍵，在于利用偏振分光膜和分束器對(duì)不同偏振光的“選擇性透射”原理，實(shí)現(xiàn)光路的折疊與壓縮。

聽起來似乎并不復(fù)雜，回溯時(shí)間線也會(huì)發(fā)現(xiàn)，最早從2016年開始，就已經(jīng)有Pancake光學(xué)方案的技術(shù)布局了。

為什么直到2022年，這項(xiàng)技術(shù)才逐漸成為行業(yè)的新趨勢(shì)？

事實(shí)上，要想做好Pancake方案并不容易。從技術(shù)和生產(chǎn)兩方面來看，主要難點(diǎn)就至少有四個(gè)：

其一，容易產(chǎn)生寄生反射（Parasitic reflectio，透明物體底部表面產(chǎn)生的不必要的反射）。多余的光線在透鏡中反復(fù)折返，可能會(huì)產(chǎn)生鬼影或眩光，進(jìn)而降低圖像質(zhì)量。

其二，光損高導(dǎo)致亮度低。由于光線每次經(jīng)過半透半反膜，會(huì)損失50%的光強(qiáng)，因此Pancake理論最高光學(xué)效率在25%，這樣對(duì)顯示器和工藝精度的要求更高。

其三，視場(chǎng)角（FOV）較小。Pancake方案隨著鏡片增多，理論上能實(shí)現(xiàn)的視場(chǎng)角更加有限，這也與設(shè)備輕薄相悖。

其四，成本高、良率提升難。據(jù)中信證券調(diào)研，光學(xué)膜是Pancake方案的核心成本項(xiàng)目，合計(jì)占比在70%左右，其中尤以反射式偏振膜成本占比最高。

為了解決這些研發(fā)難題，目前有幾種不同的Pancake折疊光路設(shè)計(jì)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，包括單片（1p）、兩片（2p）和多片式。

雖然核心都是基于偏振光的原理、用上面4種組件打出“組合拳”，但這幾種方案的優(yōu)缺點(diǎn)并不一樣。

目前，最主流的Pancake方案是雙片式。在清晰度較高、厚度較薄的情況下，也能將成本控制在一個(gè)較低的范圍內(nèi)。

但作為VR賽道中的實(shí)力玩家，PICO 4這次交出的Pancake技術(shù)答卷卻有點(diǎn)與眾不同。

不止是“非主流”Pancake光學(xué)技術(shù)

這種不同，首先體現(xiàn)在Pancake光學(xué)方案的路線選擇上。

與大多數(shù)采用雙片式方案的設(shè)備不同，PICO 4這次選擇了單片式Pancake光學(xué)方案，基于單個(gè)鏡片+貼膜的方式實(shí)現(xiàn)折疊光路。

如下圖，灰色的膜代表偏振片，粉色的膜代表四分之一波片，橙色的膜代表反射偏振片，分別貼在單個(gè)鏡片和屏幕上：

其中，屏幕上貼著的偏振片和四分之一波片分別用于將入射光轉(zhuǎn)變成線偏振光和圓偏振光；

鏡片上貼著的四分之一波片、反射偏振片和偏振片，則分別用于產(chǎn)生不同的偏振光、透射或反射不同的偏振光、過濾雜光確保線偏振光出射等。

相比雙片式和多片式等方案，單片式更容易在重影、光損和視場(chǎng)角等Pancake光學(xué)方案的“天然瓶頸”中取得突破。

然而與之相對(duì)，面對(duì)雙片和多片式在清晰度和總厚度方面取得的優(yōu)勢(shì)，單片式Pancake光學(xué)方案也必須想辦法做出改變。

從整體方案來看，PICO 4采用了“揚(yáng)長”“補(bǔ)短”兩種方式，去進(jìn)一步擴(kuò)大單片式Pancake光學(xué)方案帶來的優(yōu)勢(shì)，并想辦法改善了厚度等問題。

一方面是揚(yáng)長，盡可能將單片式Pancake光學(xué)方案的自身優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來，包括更大的視場(chǎng)角（105°）、更高的MTF值等。

△PICO 4（左）比PICO Neo3（右）視場(chǎng)角更大

MTF（模量傳遞函數(shù)），用于評(píng)估鏡頭明銳度的數(shù)值，能反映光學(xué)鏡頭的解析力。與分辨率不同，明銳度反映的是圖像的亮暗細(xì)節(jié)、微小色彩變化和鮮明反差度等。

提升MTF值的關(guān)鍵，在于高精密度的貼膜。這其中最難控制良率、成本最高的一環(huán)，又要屬反射偏振片的貼膜。原理上來看，偏振光在反射偏振片處產(chǎn)生反射時(shí)，膜材有任何一點(diǎn)瑕疵都會(huì)被放大。

這種情況下，只有在貼合時(shí)實(shí)現(xiàn)更小的波度（waviness，用于衡量物體表面粗糙程度）、更平整的表面，才能確保Pancake光學(xué)方案的視覺效果得到進(jìn)一步提升。

PICO 4對(duì)于Pancake光學(xué)方案的設(shè)計(jì)進(jìn)行了改良，包括優(yōu)化材料疊層結(jié)構(gòu)、改進(jìn)貼合工藝、完善檢測(cè)流程等，最終比Neo3提升了85.7%的光學(xué)鏡頭解析力。

另一方面是補(bǔ)短，即如何基于這些年的技術(shù)積淀，圍繞單片式Pancake光學(xué)方案改善視覺效果、降低VR設(shè)備主體的厚度。

視覺效果上，主要實(shí)現(xiàn)了更大甜蜜點(diǎn)設(shè)計(jì)和亮度均一性優(yōu)化等。

更大的甜蜜點(diǎn)（Eye box）設(shè)計(jì)即改進(jìn)VR光學(xué)設(shè)計(jì)，增加人眼接收到的清晰3D圖像體積成像。

這樣，即便頭顯的位置因?yàn)槿松眢w的運(yùn)動(dòng)造成位移，只要甜蜜點(diǎn)足夠大，人眼所看到的畫面就可以清晰不模糊。

此外還有針對(duì)亮度均一性的優(yōu)化，確保人眼接收到的成像質(zhì)量更高……

△PICO 4（左）亮度均一性與PICO Neo3（右）對(duì)比

厚度降低上，則主要采用了電池倉后置的前后平衡設(shè)計(jì)、縮緊整體設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等。

具體來說，則是將VR設(shè)備核心的電池部分放到后腦勺佩戴，并進(jìn)一步降低對(duì)頸椎的壓力。

除了延續(xù)PICO Neo3的前后平衡設(shè)計(jì)，PICO 4在重量上進(jìn)行了更細(xì)節(jié)的優(yōu)化，前端重量從395g降低到295g，后端重量基本不變，對(duì)下班回家玩VR的打工人更友好了。

事實(shí)上，如果回溯PICO在Pancake光學(xué)方案上的布局，會(huì)發(fā)現(xiàn)無論是Pancake折疊光路設(shè)計(jì)本身，還是前后平衡設(shè)計(jì)等方案，也并非今年“一蹴而就”的技術(shù)。

早在2020年，PICO就推出了PICO X1 Glasses VR，而前后平衡設(shè)計(jì)更是在PICO Neo2就有的方案，而Meta在Quest 2上還是電池倉前置設(shè)計(jì)，直到新發(fā)布的Quest Pro，才采用前后平衡設(shè)計(jì)。

這背后除了PICO自身的技術(shù)積淀，一方面離不開背后的技術(shù)洞察力和內(nèi)容生態(tài)實(shí)力，包括基于當(dāng)前大火的居家健身場(chǎng)景，迅速在短時(shí)間將VR健身應(yīng)用數(shù)量擴(kuò)展到50余個(gè)，以及在工藝制造上，迅速研發(fā)出將某項(xiàng)技術(shù)快速落地量產(chǎn)的能力。

像Pancake這樣幾年前就出現(xiàn)的光學(xué)技術(shù)，PICO正是從一開始就把握住了這個(gè)方向，通過不斷降低量產(chǎn)難度、提升工藝水平，才讓這項(xiàng)技術(shù)最終得以落地，并在PICO 4上給用戶帶來更好的體驗(yàn)。

另一方面則是對(duì)技術(shù)的預(yù)判能力。當(dāng)前已成為業(yè)界普遍路線的VR一體機(jī)技術(shù)，在當(dāng)年VR盒子乃至PC VR盛行時(shí)還未見端倪，PICO卻相信VR一體機(jī)將成為未來VR產(chǎn)品形態(tài)主流趨勢(shì)，在業(yè)內(nèi)率先發(fā)布了VR一體機(jī)形態(tài)產(chǎn)品。

如今，面對(duì)PICO 4上已經(jīng)搭載的Pancake方案，PICO仍不準(zhǔn)備停下自己的腳步。

據(jù)PICO介紹，他們接下來計(jì)劃繼續(xù)提升Pancake的光學(xué)效率、開發(fā)更精良的貼膜技術(shù)，以及研究多片式Pancake光學(xué)方案等，希望能做出更好用的VR眼鏡。

總之目標(biāo)也很明確，讓更多人用得上、用得好，用得開心。

VR新趨勢(shì)下，如何選擇產(chǎn)品？

毫無疑問，新技術(shù)帶來新體驗(yàn)，VR產(chǎn)品也開始成為越來越多人新奇科技體驗(yàn)的首選。

隨著Pancake技術(shù)趨于成熟，從堅(jiān)持VR賽道的Meta和PICO，到內(nèi)容生態(tài)巨頭索尼，再到互聯(lián)網(wǎng)科技大廠蘋果谷歌，全都在押寶Pancake光學(xué)方案，如今各家紙面實(shí)力似乎也都很強(qiáng)。

但問題是，在一個(gè)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品迭代都處于“混戰(zhàn)”的時(shí)期，選擇什么樣的VR產(chǎn)品，對(duì)個(gè)人消費(fèi)選擇來說最有譜？

或許標(biāo)準(zhǔn)答案還很難給，但至少可以從三個(gè)維度參考：

一是技術(shù)。

二是內(nèi)容生態(tài)。

三是用戶使用量。

首先得有技術(shù)上的保障，這其中又細(xì)分為兩個(gè)層面。

第一層保障是技術(shù)力本身。

今年也是VR前沿技術(shù)爆發(fā)式落地的一年。除了硬件光學(xué)上的Pancake技術(shù)，還有交互感知上最新的手勢(shì)識(shí)別、面部追蹤、眼球追蹤等技術(shù)，乃至與外界交互時(shí)的彩色透視技術(shù)等。這些是否應(yīng)用到最新產(chǎn)品上，都是決定產(chǎn)品是否有技術(shù)保障力的關(guān)鍵。

然而相比第一層前沿技術(shù)本身，更重要的第二層保障在于將技術(shù)推向平民化、大眾化的能力。

換而言之，便是降低技術(shù)使用門檻、實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)的能力，而這也是決定用戶是否購買一款電子消費(fèi)產(chǎn)品的關(guān)鍵所在。

例如Meta最新的Quest Pro雖然一經(jīng)發(fā)布就吸引了不少目光，上述Pancake技術(shù)、手勢(shì)識(shí)別和面部追蹤等能力一樣不少，從技術(shù)力來說確實(shí)“夠硬”。

BUT，看到1500美元（超過10000元人民幣）這個(gè)價(jià)格，你還會(huì)心動(dòng)嗎？

此外內(nèi)容生態(tài)，也是重要一環(huán)。

對(duì)于VR產(chǎn)品而言，持續(xù)、吸引人的內(nèi)容同樣是具備關(guān)鍵競(jìng)爭(zhēng)力的體現(xiàn)。

這方面國內(nèi)外的思路又略有差異，國外的VR應(yīng)用除了娛樂外，更大的目標(biāo)方向集中在辦公場(chǎng)景上，例如小扎天天宣傳的在元宇宙里“開會(huì)辦公”，甚至大有取代一系列現(xiàn)有移動(dòng)平臺(tái)的架勢(shì)，本質(zhì)上是基于國外遠(yuǎn)程辦公的趨勢(shì)去布局應(yīng)用的結(jié)果。

相比之下，國內(nèi)大部分用戶目前購買VR還是出于休閑娛樂的考慮，這其中不僅有視頻內(nèi)容上的需求，如看電影、蹲點(diǎn)虛擬主播的直播、甚至在VR中看真人線上演唱會(huì)、乃至于“沉浸式”體驗(yàn)世界杯等。

此外，運(yùn)動(dòng)健身也是國內(nèi)用戶的新需求，包括室內(nèi)瑜伽和“虛擬教練”等；更進(jìn)一步地，還有用戶開發(fā)出了用VR進(jìn)行內(nèi)容創(chuàng)作的“新技能”，前段時(shí)間在社交媒體上爆火的《你的名字》3D場(chǎng)景繪畫，就是基于VR創(chuàng)作的。

除了對(duì)國內(nèi)外市場(chǎng)差異化需求的把握，處于發(fā)展初期階段的VR生態(tài)，也更看重品牌對(duì)生態(tài)的扶持和帶動(dòng)能力。

在用戶數(shù)量明顯不能夠形成對(duì)開發(fā)者自然吸引力的情況下，品牌是否可以在自制內(nèi)容、扶持計(jì)劃、大IP合作等方面持續(xù)發(fā)力，先對(duì)用戶進(jìn)行生態(tài)進(jìn)行“補(bǔ)貼”，吸引開發(fā)者一起把生態(tài)的蛋糕做大，也成為一個(gè)重要因素。

這些動(dòng)作都需要有著長期投入的決心和行動(dòng)，從這個(gè)角度看，相比于當(dāng)下很多只能all in在硬件上的“VR小廠”或“VR創(chuàng)企”，Meta和PICO這類VR頭部品牌，顯然更具備跨越VR生態(tài)競(jìng)爭(zhēng)這道高門檻的實(shí)力。

最后，還需要關(guān)注用戶層面的數(shù)據(jù)：直觀的出貨量、銷量、使用時(shí)長、體驗(yàn)反饋等等。

道理也很簡單，大眾電子消費(fèi)品，特別還是前沿技術(shù)落地進(jìn)程中的電子消費(fèi)品，怕就怕小眾。

一方面，賣得好賣得多的產(chǎn)品，銷量本身就是認(rèn)可，例如根據(jù)IDC 最新報(bào)告顯示，2021年全年全球AR/VR頭顯出貨量達(dá)1123萬臺(tái)，同比增長92.1%，其中VR頭顯出貨量達(dá)1095萬臺(tái)，就已經(jīng)突破了年出貨量一千萬臺(tái)的行業(yè)重要拐點(diǎn)。

另一方面，硬件有了量上的積累，軟件和內(nèi)容生態(tài)上才會(huì)得到持續(xù)的作用力，接著才會(huì)源源不斷提供更多更豐富的體驗(yàn)和內(nèi)容，就像蘋果手機(jī)和iOS生態(tài)一樣。

最后，作為前沿技術(shù)落地的電子消費(fèi)品，越多人用就會(huì)提供更多維度和更大數(shù)據(jù)上的反饋，迭代也才有基礎(chǔ)性保障——而且出貨量大的玩家，也不容易中道崩殂，長尾服務(wù)上有保障。

回顧當(dāng)年智能手機(jī)混戰(zhàn)，最終留下來的仍然是服務(wù)體驗(yàn)優(yōu)化、內(nèi)容生態(tài)穩(wěn)固的公司。即使期間出過一些曇花一現(xiàn)的品牌，在沒有持續(xù)技術(shù)投入和生態(tài)構(gòu)建的情況下，最終銷聲匿跡，對(duì)用戶而言得不償失。

對(duì)于VR而言同樣如此。

作為一個(gè)大眾級(jí)電子消費(fèi)產(chǎn)品，雖然當(dāng)前階段尚屬“小眾”，但隨著越多人用，內(nèi)容供應(yīng)也會(huì)變得越來越多，體驗(yàn)優(yōu)化也會(huì)在跟進(jìn)中越變?cè)胶?，?huì)逐步成為主流和大眾。

你同意嗎？體驗(yàn)過最新“煎餅”加持的VR產(chǎn)品了嗎？