发布时间： 2022-10-09 11:36:23来源：智东西（整理自安信证券、德邦证券报告）、科创板日报
Pancake技术，VR设备的拯救者。
VR/AR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。
日前Pico 4重磅发布，Meta也预计年内发布AR/VR新品，Apple预计23H1发布XR新品，22年AR/VR新品数量已超过20款，行业迎来新一轮产品迭代。此次由Pico引领，2022H2及2023H1国内外VR主流厂商均有新品发布计划，随着Pancake光学方案、硅基OLED显示方案等核心技术的迭代和应用，VR头显有望打开消费市场，市场迎来加速成长期。
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。
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。
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 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。
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。
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。
VR光学作为VR头显的核心零部件之一，其市场规模取决于VR的出货量规模以及光学模组的价格，根据Wellsenn XR的统计，2021年全球VR出货量为1024万台，预计2030年全球VR出货量达到4亿台规模。目前，单个Pancake光学模组的价格约为150-200元(不含屏幕)，预计2030年Pancake以及其他更为前沿的VR光学方案占比提高。
相对优越的光学性能，Pancake未来有望成为产业和资本追逐的潜力赛道。当前，拥有Pancake专利或者模组厂商包括原光学厂商、屏幕厂商、整机厂商以及ODM/OEM厂商等。
光学厂商，早期在光学设计、加工有长期的经验积累和优秀的研发设计团队，例如舜宇光学、欧菲光、多哚、惠牛、耐德佳、水晶光电、双莹光电、多普光电、鸿蚁光电等。
屏幕厂商，这类厂商生产微型高分辨率的屏幕，例如美国硅基OLED厂商kopin，中国硅基OLED厂商视涯，TCL华星光电等，都有拥有Pancake的相关专利或模组。
整机厂商，包括Meta、Pico、华为以及苹果，企业实力雄厚，研发投入大，关键技术自研预研，也拥有Pancake的相关专利和技术。
ODM/OEM厂商，例如歌尔股份、立讯精密旗下立景等企业，基于整机方案设计和生产制造能力，从整机往上游核心零部件延申，也拥有相关的Pancake专利和成品模组。
最后一种则是手握Pancake核心材料的公司美国3M，其反射偏振模是目前Pancake模组厂商难以绕开的关键材料，其也联合华硕推出了基于Pancake方案的VR参考设计。
目前看来，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。
