这项镜头贴膜技术背后，藏着让VR变轻巧的秘密

文章来源:量子位

不知道你发现没有,越来越多的人开始买VR了。

但6年前被称作VR元年时,它留下的却是“重得像挂了4台手机在脸上,连20分钟视频都看不下去”的印象。

6年来,是年轻人接受了这个新世代设备?

不,是VR被一项趋势性技术带来了颠覆性体验变革。

这项技术你也正听得越来越多:“煎饼”——Pancake技术。

它不仅频繁出现在苹果等一众巨头的最新产品预告中,成为前沿技术的代名词,也一度登上VR光学论文研究的热点话题。

Pancake魔力所在,解决的正是VR的“轻”挑战。

为什么VR“突然”就轻了?

VR的重量减轻,并非一蹴而就的过程。

事实上,在2022年再次进入大众视野前,主宰VR重量的显示硬件,已经经历了数轮迭代。

显示硬件分为屏幕和光学镜头(光机)两部分。受限于VR设备体积,屏幕无法做得太大,于是改善VR视觉效果的“重任”就放在了光学镜头上。

光学镜头负责将屏幕显示的画面放大,以达到在VR眼镜中“身临其境”的效果。

最早VR设备普遍采用非球面透镜的方案,减轻了球面透镜(凸透镜、凹透镜等)产生的球面像差问题,即靠近边缘的平行光经过折射后,与光轴相交的点偏离焦点,出现画面模糊的情况。

△图源维基百科

但非球面透镜太重了。最早的VR盒子用上它的时候,轻则七八百克,重则上千克,纵使画面清晰一些,戴上后也只会成为“颈椎杀手”。

直到菲涅尔透镜的出现,给光学镜片来了一次重量“大卸货”,才让VR眼镜开始走向更轻薄的路线。它把一个透镜中不改变光路的部分全部挖掉,剩余的部分继续用于成像,一举成为目前主流的光学镜片方案。

△图源维基百科

但菲涅尔透镜同样存在问题:镜头各处曲率不变,焦距无法进一步被压缩,整体仍然较重;同时由于曲面不连续,成像精度受限。

要想进一步提升成像质量、同时减轻镜片重量,必须另辟新路。这种情况下,Pancake折叠光路设计逐渐进入VR光学研究人员的视野。

之所以被称为“折叠光路”、“Pancake”,除了它能实现光路折叠,压缩VR设备体积以外,还因为它与Pancake煎饼有相似之处,即镜片更轻薄。

毫无疑问,Pancake光学方案正在成为全VR行业的趋势性技术,其中就包括最新发布的PICO 4 VR一体机。

发布一个月以来,PICO 4以轻薄性和性价比获得了不少好评,背后同样离不开对Pancake的软硬件一体吃透。

以PICO 4上的Pancake光学方案为例,与应用菲涅尔透镜的PICO Neo3相比,不仅前端主体重量降低了26.2%,厚度也减少了38.8%。

△Pancake光学方案vs菲涅尔透镜方案

Pancake光学方案实现折叠光路的原理,主要基于4种组件:线性偏振片(LP)、四分之一相位延迟片(QWP)、半反半透镜(BS)和反射偏振片(RP或PBS)。

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

其中,四分之一相位延迟片又叫四分之一波片,用于将圆偏振光通过四分之一相位延迟,变成线偏振光;反射偏振片用于透过和反射不同的线偏振光;半反半透镜又称分束镜,用于将入射光分成相等的两部分,50%反射,50%透射;线性偏振片则能起到一个过滤的作用,保证只有特定取向的偏振光才能穿透并进入到人眼中。

从图中来看,Pancake光学方案实现折叠光路的关键,在于利用偏振分光膜和分束器对不同偏振光的“选择性透射”原理,实现光路的折叠与压缩。

听起来似乎并不复杂,回溯时间线也会发现,最早从2016年开始,就已经有Pancake光学方案的技术布局了。

为什么直到2022年,这项技术才逐渐成为行业的新趋势?

事实上,要想做好Pancake方案并不容易。从技术和生产两方面来看,主要难点就至少有四个:

其一,容易产生寄生反射(Parasitic reflectio,透明物体底部表面产生的不必要的反射)。多余的光线在透镜中反复折返,可能会产生鬼影或眩光,进而降低图像质量。

其二,光损高导致亮度低。由于光线每次经过半透半反膜,会损失50%的光强,因此Pancake理论最高光学效率在25%,这样对显示器和工艺精度的要求更高。

其三,视场角(FOV)较小。Pancake方案随着镜片增多,理论上能实现的视场角更加有限,这也与设备轻薄相悖。

其四,成本高、良率提升难。据中信证券调研,光学膜是Pancake方案的核心成本项目,合计占比在70%左右,其中尤以反射式偏振膜成本占比最高。

为了解决这些研发难题,目前有几种不同的Pancake折叠光路设计的技术实现,包括单片(1p)、两片(2p)和多片式。

虽然核心都是基于偏振光的原理、用上面4种组件打出“组合拳”,但这几种方案的优缺点并不一样。

目前,最主流的Pancake方案是双片式。在清晰度较高、厚度较薄的情况下,也能将成本控制在一个较低的范围内。

但作为VR赛道中的实力玩家,PICO 4这次交出的Pancake技术答卷却有点与众不同。

不止是“非主流”Pancake光学技术

这种不同,首先体现在Pancake光学方案的路线选择上。

与大多数采用双片式方案的设备不同,PICO 4这次选择了单片式Pancake光学方案,基于单个镜片+贴膜的方式实现折叠光路。

如下图,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,分别贴在单个镜片和屏幕上:

其中,屏幕上贴着的偏振片和四分之一波片分别用于将入射光转变成线偏振光和圆偏振光;

镜片上贴着的四分之一波片、反射偏振片和偏振片,则分别用于产生不同的偏振光、透射或反射不同的偏振光、过滤杂光确保线偏振光出射等。

相比双片式和多片式等方案,单片式更容易在重影、光损和视场角等Pancake光学方案的“天然瓶颈”中取得突破。

然而与之相对,面对双片和多片式在清晰度和总厚度方面取得的优势,单片式Pancake光学方案也必须想办法做出改变。

从整体方案来看,PICO 4采用了“扬长”“补短”两种方式,去进一步扩大单片式Pancake光学方案带来的优势,并想办法改善了厚度等问题。

一方面是扬长,尽可能将单片式Pancake光学方案的自身优势发挥出来,包括更大的视场角(105°)、更高的MTF值等。

△PICO 4(左)比PICO Neo3(右)视场角更大

MTF(模量传递函数),用于评估镜头明锐度的数值,能反映光学镜头的解析力。与分辨率不同,明锐度反映的是图像的亮暗细节、微小色彩变化和鲜明反差度等。

提升MTF值的关键,在于高精密度的贴膜。这其中最难控制良率、成本最高的一环,又要属反射偏振片的贴膜。原理上来看,偏振光在反射偏振片处产生反射时,膜材有任何一点瑕疵都会被放大。

这种情况下,只有在贴合时实现更小的波度(waviness,用于衡量物体表面粗糙程度)、更平整的表面,才能确保Pancake光学方案的视觉效果得到进一步提升。

PICO 4对于Pancake光学方案的设计进行了改良,包括优化材料叠层结构、改进贴合工艺、完善检测流程等,最终比Neo3提升了85.7%的光学镜头解析力。

另一方面是补短,即如何基于这些年的技术积淀,围绕单片式Pancake光学方案改善视觉效果、降低VR设备主体的厚度。

视觉效果上,主要实现了更大甜蜜点设计和亮度均一性优化等。

更大的甜蜜点(Eye box)设计即改进VR光学设计,增加人眼接收到的清晰3D图像体积成像。

这样,即便头显的位置因为人身体的运动造成位移,只要甜蜜点足够大,人眼所看到的画面就可以清晰不模糊。

此外还有针对亮度均一性的优化,确保人眼接收到的成像质量更高……

△PICO 4(左)亮度均一性与PICO Neo3(右)对比

厚度降低上,则主要采用了电池仓后置的前后平衡设计、缩紧整体设备结构的设计等。

具体来说,则是将VR设备核心的电池部分放到后脑勺佩戴,并进一步降低对颈椎的压力。

除了延续PICO Neo3的前后平衡设计,PICO 4在重量上进行了更细节的优化,前端重量从395g降低到295g,后端重量基本不变,对下班回家玩VR的打工人更友好了。

事实上,如果回溯PICO在Pancake光学方案上的布局,会发现无论是Pancake折叠光路设计本身,还是前后平衡设计等方案,也并非今年“一蹴而就”的技术。

早在2020年,PICO就推出了PICO X1 Glasses VR,而前后平衡设计更是在PICO Neo2就有的方案,而Meta在Quest 2上还是电池仓前置设计,直到新发布的Quest Pro,才采用前后平衡设计。

这背后除了PICO自身的技术积淀,一方面离不开背后的技术洞察力和内容生态实力,包括基于当前大火的居家健身场景,迅速在短时间将VR健身应用数量扩展到50余个,以及在工艺制造上,迅速研发出将某项技术快速落地量产的能力。

像Pancake这样几年前就出现的光学技术,PICO正是从一开始就把握住了这个方向,通过不断降低量产难度、提升工艺水平,才让这项技术最终得以落地,并在PICO 4上给用户带来更好的体验。

另一方面则是对技术的预判能力。当前已成为业界普遍路线的VR一体机技术,在当年VR盒子乃至PC VR盛行时还未见端倪,PICO却相信VR一体机将成为未来VR产品形态主流趋势,在业内率先发布了VR一体机形态产品。

如今,面对PICO 4上已经搭载的Pancake方案,PICO仍不准备停下自己的脚步。

据PICO介绍,他们接下来计划继续提升Pancake的光学效率、开发更精良的贴膜技术,以及研究多片式Pancake光学方案等,希望能做出更好用的VR眼镜。

总之目标也很明确,让更多人用得上、用得好,用得开心。

VR新趋势下,如何选择产品?

毫无疑问,新技术带来新体验,VR产品也开始成为越来越多人新奇科技体验的首选。

随着Pancake技术趋于成熟,从坚持VR赛道的Meta和PICO,到内容生态巨头索尼,再到互联网科技大厂苹果谷歌,全都在押宝Pancake光学方案,如今各家纸面实力似乎也都很强。

但问题是,在一个技术创新和产品迭代都处于“混战”的时期,选择什么样的VR产品,对个人消费选择来说最有谱?

或许标准答案还很难给,但至少可以从三个维度参考:

一是技术。

二是内容生态。

三是用户使用量。

首先得有技术上的保障,这其中又细分为两个层面。

第一层保障是技术力本身。

今年也是VR前沿技术爆发式落地的一年。除了硬件光学上的Pancake技术,还有交互感知上最新的手势识别、面部追踪、眼球追踪等技术,乃至与外界交互时的彩色透视技术等。这些是否应用到最新产品上,都是决定产品是否有技术保障力的关键。

然而相比第一层前沿技术本身,更重要的第二层保障在于将技术推向平民化、大众化的能力。

换而言之,便是降低技术使用门槛、实现大规模量产的能力,而这也是决定用户是否购买一款电子消费产品的关键所在。

例如Meta最新的Quest Pro虽然一经发布就吸引了不少目光,上述Pancake技术、手势识别和面部追踪等能力一样不少,从技术力来说确实“够硬”。

BUT,看到1500美元(超过10000元人民币)这个价格,你还会心动吗?

此外内容生态,也是重要一环。

对于VR产品而言,持续、吸引人的内容同样是具备关键竞争力的体现。

这方面国内外的思路又略有差异,国外的VR应用除了娱乐外,更大的目标方向集中在办公场景上,例如小扎天天宣传的在元宇宙里“开会办公”,甚至大有取代一系列现有移动平台的架势,本质上是基于国外远程办公的趋势去布局应用的结果。

相比之下,国内大部分用户目前购买VR还是出于休闲娱乐的考虑,这其中不仅有视频内容上的需求,如看电影、蹲点虚拟主播的直播、甚至在VR中看真人线上演唱会、乃至于“沉浸式”体验世界杯等。

此外,运动健身也是国内用户的新需求,包括室内瑜伽和“虚拟教练”等;更进一步地,还有用户开发出了用VR进行内容创作的“新技能”,前段时间在社交媒体上爆火的《你的名字》3D场景绘画,就是基于VR创作的。

除了对国内外市场差异化需求的把握,处于发展初期阶段的VR生态,也更看重品牌对生态的扶持和带动能力。

在用户数量明显不能够形成对开发者自然吸引力的情况下,品牌是否可以在自制内容、扶持计划、大IP合作等方面持续发力,先对用户进行生态进行“补贴”,吸引开发者一起把生态的蛋糕做大,也成为一个重要因素。

这些动作都需要有着长期投入的决心和行动,从这个角度看,相比于当下很多只能all in在硬件上的“VR小厂”或“VR创企”,Meta和PICO这类VR头部品牌,显然更具备跨越VR生态竞争这道高门槛的实力。

最后,还需要关注用户层面的数据:直观的出货量、销量、使用时长、体验反馈等等。

道理也很简单,大众电子消费品,特别还是前沿技术落地进程中的电子消费品,怕就怕小众。

一方面,卖得好卖得多的产品,销量本身就是认可,例如根据IDC 最新报告显示,2021年全年全球AR/VR头显出货量达1123万台,同比增长92.1%,其中VR头显出货量达1095万台,就已经突破了年出货量一千万台的行业重要拐点。

另一方面,硬件有了量上的积累,软件和内容生态上才会得到持续的作用力,接着才会源源不断提供更多更丰富的体验和内容,就像苹果手机和iOS生态一样。

最后,作为前沿技术落地的电子消费品,越多人用就会提供更多维度和更大数据上的反馈,迭代也才有基础性保障——而且出货量大的玩家,也不容易中道崩殂,长尾服务上有保障。

回顾当年智能手机混战,最终留下来的仍然是服务体验优化、内容生态稳固的公司。即使期间出过一些昙花一现的品牌,在没有持续技术投入和生态构建的情况下,最终销声匿迹,对用户而言得不偿失。

对于VR而言同样如此。

作为一个大众级电子消费产品,虽然当前阶段尚属“小众”,但随着越多人用,内容供应也会变得越来越多,体验优化也会在跟进中越变越好,会逐步成为主流和大众。

你同意吗?体验过最新“煎饼”加持的VR产品了吗?

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