前言
2021年全球VR头显出货量超1000万台，VR产业正式进入消费级市场，VR光学作为VR头显的关键且核心部件之一，随着VR产业的快速发展和渗透，预计2030年可达500亿元的市场规模，复合年化增速达69%。
VR光学经历了非球面透镜、菲涅尔透镜和Pancake方案三个阶段，目前菲涅尔透镜以低成本和可控的成像质量，成为当前多数VR头显选择的方案。但随着VR在消费级市场逐步渗透和起量，C端消费者对VR的轻薄、以及成像质量、佩戴体验提出了更高的要求，折叠光路原理的Pancake的方案以轻薄、优秀的成像质量以及逐步成熟的量产工艺，逐渐成为消费级VR光学的发展和进化方向，特别是以Meta、苹果、PICO、华为等为代表的头部企业已经推出和即将推出Pancake方案的头显，我们判断Pancake方案未来3-5年将成为多数消费级VR升级的首选光学方案。
Pancake光学的关键工艺在于光学膜，包括光学膜的性能和贴合工艺，特别是反射式偏振膜和1/4相位延时片，膜材成本高且被海外光学膜巨头垄断，是当前VR光学发展的一大桎梏。
Pancake光学基于当前的技术进一步进化方向，包括可变焦、单片式等。此外，以偏振折叠光路为核心原理，产业界逐步探索通过与液晶、全息元件、光波导等结合方式，逐步将折叠光路方案推进成类眼镜的液晶偏振全息方案和全息波导方案等，这些前沿的光学方案有望大幅度压缩光学模组的厚度和重量，实现和当前眼镜一样的形态。
以追求特定场景的光学方案，包括追求超大视场角的异构微透镜阵列光学，以优化VR传感器布局的多叠折返式自由曲面光学有望探索出差异化的VR光学道路，特别是基于微纳工艺的超表面/超透镜的新兴光学方案，其卓越的光学性能，未来有望成为产业和资本的追逐赛道。
一、VR光学概述
（一）VR光学原理
VR光学成像是利用光学透镜的折射原理，改变光的方向，让贴近人眼的屏幕聚焦，同时放大屏幕图像尺寸，让用户获得更大视角的画面。VR光学解决两大问题：近眼聚焦以及扩大视场。
视力正常人眼的焦距为25厘米左右，当一个物体靠近人眼小于25厘米时，晶状体的屈光不够，无法把像成在视网膜上，形成清晰图像，这个距离叫明视距离。如图一所示，靠近人眼（<25cm）的物体A没有经过透镜，在人眼内无法形成聚焦成像在视网膜上，而显得模糊不清。在人眼和物体间插入透镜B，利用透镜折射原理，改变了光线入射角度，物体A成像落在视网膜上，形成清晰的图像。
VR光学是通过在人眼和屏幕A之间插入光学透镜B，利用光学透镜的折射原理，让靠近人眼的屏幕A 图像实现聚焦，形成清晰的图像，同时，人眼看到的画面变成图像A1，成像比屏幕A大了数倍，形成了巨幕影院般的沉浸效果。
（二）VR光学参数与指标
1、视场角（FOV）
视场角简称为FOV（Field of View），是指显示设备所形成像中，人眼可观察到部分的边缘与人眼瞳孔中心连线的夹角，包括水平视场角（A）、垂直视场角（B）、 对角线视场角（C）。未加特殊说明时指左右两个边缘与单个观察点的夹角，即水平视场角，通俗表述，视场角就是水平、垂直或对角方向上对虚像最大的可视范围，视场角是判断沉浸感的重要参数，视场角越大，沉浸感越强。
正常人单眼的水平视角最大可达160°，双眼的水平视角最大可达200度°，人两眼重合视域约为120°，在这双眼重合的120°内人眼可以感知物体的3D状态，人眼最佳的注视区域约为90°。在VR光学中，90°视场角被认为是VR沉浸体验的及格线，120°视场角被普遍认为是达到部分沉浸式体验的标准，180°视场角则是VR达到完全沉浸的标准。
2、出瞳距离Eyerelief
出瞳距离是指能够看清整个视场时眼睛与光学镜片间的距离，通常人眼和眼镜的出瞳距离为12mm，目前VR光学的出瞳距离大概为8mm到15mm之间。
出瞳距离小，则有利于提高光学的视场角，但是眼睛和光学系统时间会空间小，不利于佩戴近视眼镜的用户。出瞳距离大，会提高整个光学系统的厚度，让VR变得更厚更笨重。
3、眼动范围Eyebox
眼动范围Eyebox指的是近眼显示光学模组与眼球之间的一块锥形区域，也是显示内容最清晰的区域。在该系统中，如果接收眼与输出区域的中心对齐，则将获得完美的图像。当眼睛向侧面或上下移动时，在每个方向上的某个点处，图像将变差，直到无法接受为止。超出该区域的范围可能会呈现图像扭曲、显色错误，甚至不显示内容等问题。
Eyebox通常以毫米来表示，在VR中由于屏幕和光学模组成圆形，所以Eyebox呈圆形，一般都是以直径来表示，AR的Eyebox通常为矩形，通常以长和宽大小来表示。由于人的瞳孔直径大约4mm，所以Eyebox最低不能小于4mm。由于VR的佩戴使用时还存在上下滑动，以及两只眼镜的间距不一样的情况，因此Eyebox需要做的比瞳孔直径更大，才能保证在使用中能够持续的聚焦。目前VR头显的普遍Eyebox都大于10mm。
Eyebox与FOV相互制约，想要获得大的动眼框，就要牺牲视场角大小，反之亦然。
4、畸变
畸变是指图像扭曲变形，光学设计中的一个缺陷本身是直线的图像，通过透镜看到的却是弯曲的线，给人以中间凸出（桶形畸变）或是凹陷（枕形畸变），这也属于像差的一种，是由于入瞳（也就是人眼）处于光学系统中的前后位置不同造成的。畸变是和光学镜头固有特性有关的，无法被完全消除，只能改善，并且随着FOV的增大，边缘图像畸变会更加明显。
畸变一般以百分比为单位，如果一个像素被放置在距离100个像素点的位置（这个单位可以是毫米，英尺，或度数），而看上去（透过镜片）却是距离为110，那么它的畸变就是10%（（110-100）/100=10%）。
5、TTL（Total Track Length）镜头总长/光机模组厚度
镜头总长分为光学总长和机构总长：光学总长是指由镜头中镜片的第一面到像面的距离，机构总长是指由镜筒端面到像面的距离。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者光机模组厚度，VR光机模组中，屏幕和透镜通常需要一定的距离，这个距离通常称为物距，因此，VR光机的TTL通常是由物距加上透镜组成，透镜的厚度不代表TTL厚度。
6、瞳距IPD
瞳距全称瞳孔距离，简称为IPD，英文名全称Interpupillary。Distance是指两眼瞳孔中心点之间的距离，即左右眼瞳距中心点之间的距离。
每个人的瞳距都是不一样，就像人的体型一样有高矮胖瘦，一般范围是57-72mm。目前VR头显的光学为双目显示，如果人眼、透镜和屏幕中心不一致，会导致人的两只眼睛无法落在Eyebox上，导致图像变形或者模糊，同时也会造成人眼的生理不适甚至损伤视力等情况。理想的状态是人眼、光学透镜和屏幕处于处于同一中轴线上，由于每个人的瞳距不一样，因此，VR头显需要支持瞳距调节功能，以适应不同用户。
目前，大部分VR头显都支持瞳距IPD调节，IPD调节又分为无极调节和有极调节，无极调节是指VR的光学模组可以在规定的范围内随意调节，有极调节一般则是按照大多数人的瞳距分为三档，用户可以选择最适合自己的那一档。
（三）VR光学分类
VR光学按照光路设计可以分成，垂直光路方案、折叠光路方案，复合光路以及特定光路方案四种方案。
垂直光路方案一般采用单透镜设计，利用光的折射原理，包括非球面透镜、菲涅尔透镜；折叠光路方案基本采用多透镜组合，利用光的折射、反射和偏振原理，让光路多次折返以达到所需的出射角；复合光路方案又称复眼光学，采用多透镜阵列，利用光的反射、折射等原理融合成像。特定光路采用超表面/超透镜光学元件，利用亚波长微纳结构，实现对光路的特定调制。
（四）VR光学发展历程
VR光学的发展经历了从非球面透镜、菲涅尔透镜和当今折叠光路三个阶段，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、超透镜方案等。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，更小的畸变。
（五）VR光学的市场规模
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。
目前产业链单片非球面透镜的价格约为5-10元，单片菲涅尔透镜的价格约为15-20元，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，VR整机（双目）的光学成本为120元，全球VR光学的年市场规模达500亿元人民币。
二、非球面透镜光学方案
球面透镜是指从透镜的中心到边缘具有恒定的曲率，而非球面透镜则是从中心到边缘之曲率连续发生变化。早期VR设备广泛采用非球面镜片，因为它们拥有较短的焦距，意味着与其他镜片相比拥有更高的放大率和更广的视野。
（一）非球面透镜光学原理
非球面透镜是基于传统的球面透镜优化而来，非球面透镜优点是减少球差，当镜头无法将所有入射光畸变聚焦在同一点上时，就会发生球差，球差会导致成像模糊，特别是边缘成像模糊。即使将其加工到理论极限，标准的球面透镜也永远无法达到非球面镜提供的精确聚焦水平，非球面不规则表面形状的本质就是使其能够更精确地同时操纵多种波长的光，从而获得更清晰的图像，特别是边缘的成像质量。
非球面透镜又分成单非球面镜片和双非球面镜片，单非球面镜片，是指单面非球面；双非球面镜片则双面均为非球面。双非球面镜成像效果比单非球面镜好，特别是透镜边缘位置的表现效果差异非常大。
（二）非球面透镜生产工艺和流程
1、模压成型
模压成型是将玻璃材料加热至高温而变得具有可塑性，通过非球面模具来成型，然后逐步冷却至室温，适合于批量大、品质高、热稳定性高的场合。
2、精密抛光成型
精密抛光成型是指由利用精密切割和抛光设备，由计算机进行控制，自动调整和生产出设计所需的非球面透镜。精密抛光成型一般适用于一次生产单片非球面透镜的场合，需要专业的设备，是样品制作和小批量试样的首要选择。
3、混合成型
混合成型以球面透镜为基底，通过非球面模具在球面透镜表面压铸并采用紫外光固化上一层高分子聚合物的非球面体，一般采用消色差球面透镜为基底，表面压铸一层非球面，用以实现同时消除色差和球差，适合于宽光谱、批量大、品质高的场合。
4、注塑成型
注塑成型是将熔融的塑料注射入非球面模具中。塑料非球面透镜最大的特点是成本低、重量轻、易成型，广泛应用于光学品质适中、热稳定性不敏感、抗压力不大的场合，目前VR使用的非球面透镜基本采用注塑成型工艺，注塑材料一般为PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，又称亚克力或有机玻璃）或PC聚碳酸酯，当前使用注塑成型工艺的VR用非球面透镜的成本约为5-8元。
（三）非球面透镜方案核心厂商和产品
VR用非球面透镜生产制造工艺成熟，基本上都是由光学生产厂商设计、自己加工或委托加工。歌尔股份、欧菲光、双莹光电、舜宇光学等均具有自主的设计和加工能力，且产品应用在相关的VR头显中。
早期VR盒子大部分使用非球面透镜，例如三星Gear VR、以及暴风盒子以及当前千幻魔镜生产销售的VR盒子等，除了VR盒子外，目前仅有爱奇艺奇遇Dream、PSVR等少数的VR头显使用了非球面透镜，其余大部分在售的VR头显则采用了菲涅尔透镜或Pancake光学方案。
三、菲涅尔透镜光学方案
菲涅尔透镜是由法国物理学家奥古斯汀。菲涅尔（Augustin.Fresnel）发明的，他在1822年最初使用这种透镜设计用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统——灯塔透镜。菲涅尔透镜实际上是普通凸透镜连续的曲面被截为一段一段曲率不变的不连续曲面，因为曲面被划分得很细，故看上去像一圈一圈的纹路。菲涅尔透镜可以被视作一系列的棱镜按照环形排列，其中边缘较为尖锐，而中心则是较为平滑的凸面。
目前，市场上大部分VR头显都采用菲涅尔透镜方案，如Meta Quest 2、PICO neo 3、Nolo Sonic、惠普Reverb G2等等。
（一）菲涅尔透镜光学原理
VR光学使用普通的凸透镜，包括非球面透镜等，会出现边角变暗，这是因为光的折射只发生在介质的交界面，凸透镜片较厚，光在玻璃中直线传播的部分会使得光线衰减。
菲涅尔透镜去掉直线传播的部分，只保留发生折射的曲面，省下大量材料同时达到相同的聚光效果，也就是说菲涅尔透镜少了镜头曲面下额外部分，保留了用来折射光线的镜头曲面。菲涅尔透镜看上去像一片有无数多个同心圆纹路（即菲涅尔带）的玻璃，却能达到凸透镜的效果，如果投射光源是平行光，汇聚投射后能够保持图像各处亮度的一致。
菲涅尔透镜削减透镜厚度（以及重量与体积），但是付出的代价是成像质量会下降，容易出现伪影、在高对比度的画面中产生“上帝光（god rays）”的视觉假象，以及畸变，包括桶形畸变或枕形畸变的问题。
VR菲涅尔透镜光学方案目前解决畸变的方法除了提高光学设计精度以外，还通过图像预畸变的办法抵消光学畸变。通过图像算法，以透镜失真的相反方向预先扭曲图像，再通过光学畸变后，负负得正，就能获得的近乎没有畸变的图像。例如，如果透镜将产生要枕形失真，你必须使用桶形失真对图像进行预变形，反之亦然。
VR菲涅尔透镜又分为传统菲涅尔透镜和复合菲涅尔透镜，传统的VR菲涅尔透镜由基面和菲涅尔面构成，菲涅尔面由上百条环带构成同心圆形状，基面则是光滑的表面，而复合菲涅尔透镜在基面采用了微小的结构，使光线更容易聚焦。
（二）菲涅尔透镜生产工艺和流程
菲涅尔透镜的生产涉及光学设计模拟、超精密制造技术、聚合物材料和精密成型技术包括超精密度电脑数控机床工艺、电铸模具工艺和注塑工艺等，其生产工艺和非球面透镜类似，但是对精度和材料要求更高。
当前，VR光学所使用的菲涅尔透镜大部分都采用注塑工艺生产，能够实现大规模的量产和降低成本。注塑工艺通常都是由专门的三轴菲涅尔透镜模具机床采用金刚石刀具雕刻模具，模具可达纳米级的精度，注塑材料一般选择PMMA （聚甲基丙烯酸甲酯，又称亚克力或有机玻璃）或PC聚碳酸酯，目前单片VR菲涅尔透镜的成本约为15-20元。
（三）菲涅尔透镜方案核心厂商以及产品
目前，市场上主流的VR代工厂商以及光学厂商，包括歌尔股份、舜宇智能、欧菲光、趣立科技以及双莹光电等均能提供菲涅尔透镜方案，菲涅尔透镜生产工艺成熟且成本较低，单片价格约为15-20元，菲涅尔透镜方案是目前VR最主流的光学方案，当前市场销量靠前的VR头显，例如Meta quest 2、PICO neo 3、NOLO sonic等均采用了菲涅尔透镜。
四、折叠光路Pancake光学方案
Pancake光学方案又名折叠光路方案，属于VR短焦光学方案中的一种。 Pancake方案压缩了VR光学总长（TTL），使得VR眼镜厚度大幅降低，是当前VR头显轻量化的最佳选择，目前Pancake方案工艺成熟，成本可控，可以实现大规模的量产。
（一）Pancake光学方案发展历程
2016年，国内厂商多哚（Dlodlo）推出首款基于Pancake方案的VR头显，2019年3Glasses发布Pancake方案的VR眼镜产品X1，随后2019年9月份华为发布的VR Glass也采用了Pancake光学方案，2020年PICO也展示了Pancake方案的PICO VR Glass， 随后创维、松下、华硕、HTC等也发布了相关的产品。
2022年下半年，Meta代号为projecet cambira的Pancake方案头显将正式发布上市，同时苹果即将发布的MR头显也将采用Pancake方案，此外PICO、创维、大朋等国内各大VR整机厂商都即将推出Pancake方案的头显，并且价格定位在中高端。
（二）Pancake的光学原理
Pancake方案采用折叠光路设计，可以细分为单片式、两片式和多片式折返方案，基于Pancake方案的VR眼镜，图像源进入半反半透功能的镜片BS（分束镜）之后，光线在镜片、相位延迟片以及反射式偏振膜之间多次折返，最终从反射式偏振膜射出进入人眼。
1、半透半反镜BS
又名分束镜，简称BS，英文全称beam splitter，它能方便的把入射光分离成反射光和透射光两部分。中性分束镜，它把一束光分成光谱成分相同的两束光，在一定的波长区域内，对各波长具有相同的透射率和反射率比，因而反射光和透射光呈中性。透射和反射比为50/50的中性分束镜最为常用。在Pancake的光学方案中，半透半返镜主要用来做二次反射光线使用。
分束镜也可以用部分反射膜（partial reflector）替代，部分反射膜的作用是既可以透过一部分光线，又可以反射一部分光线，最典型的就是半反半透，一半反射一半透射。部分反射膜可以是金属膜，可以是介质膜，也可以是两者的混合膜层，半透半返膜不改变光的偏振特性。Pancake方案中，光经过半透半返镜后理论上会损失掉50%的光。
2、偏振光片（偏光片）
偏振光片又称偏光片，英文名Polarizer，是一种能让自然光变为偏振光的化合物薄膜。
光是一种电磁波，电磁波是横波，振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振。偏振光是指光矢量的振动方向不变，或具有某种规则地变化的光波。自然光是由无数方向横振动合成的复杂混合光波，自然光经过反射、折射、双折射及选择性吸收作用可以转变为偏振光，偏光片的功能则是让自然光变成偏振光。
按照其性质，偏振光又可分为线偏振光（平面偏振光）、圆偏振光和椭圆偏振光、部分偏振光几种。在Pancake光学方案中，主要运用了线偏振光和圆偏振光。
线偏振光是指只沿一个固定的方向振动的光，将自然光转化为线偏振光的膜为线偏振片，英文名为Line Polarizer，简称LP。
圆偏振光是指偏振面相对于传播方向随时间以圆频率w旋转的光，圆偏振光一般是在线偏振光的基础上通过1/4相位延时片获得，圆偏振光英文名为Circular Polarizer，简称CP。
圆偏振光按光矢量方向可分为左旋圆偏振光（LCP）和右旋圆偏振光（RCP）。
线偏振光分为S偏振光和P偏振光，简称P光和S光。当光线以非垂直角度穿透光学元件时，反射和透射特性均依赖于偏振现象，入射光和反射光决定了一个平面，这种情况下，可以基于这个平面建立其坐标系，一般以Z轴为光的传播方向，垂直于Z轴的平面为XY平面。偏振方向平行于这个平面，是P光，偏振垂直于这平面是S光。p光和S光是相对于特定坐标系而言的，XY偏振坐标系是根据需要任选。
3、反射式偏振膜RP
反射式偏振膜简称RP，英文全称为Reflective polarizer。反射偏振片是偏振光片的一种。偏振光片又称偏光片，英文名Polarizer，是一种人工膜片。
反射式偏振膜能够选择性的反射偏振光的一种偏光膜。反射式偏振膜可以设置成反射S偏振光，透射P偏振光，或者是反射P偏振光，透射S偏振光。 Pancake光学方案正是利用了反射偏振膜选择性反射和透射偏振光的原理，通过1/4相位延时片，改变偏振光的状态，实现了光第一次到达反射偏振膜时被反射，第二次到达反射偏振膜时则透射入眼（通常设置成反射P光，透射S光） 。
圆偏振光根据光的旋转方向又分为左旋圆偏振光和右旋偏振光，光矢量顺时针旋转的称右旋圆偏振光，逆时针旋转的成为左旋圆偏振光。
圆偏振光由线偏振光通过1/4相位延时片产生，此外，圆偏振光如果遇到反射，会改变旋转方向，例如左选圆偏振光反射后会变为右旋圆偏振光。
4、1/4相位延时片QWP
1/4相位延时片简称QWP，英文名为quarter-wave plate，又名1/4相位波片，QWP通常由塑料薄膜制成，透光性高，在正确的方向时，线偏振光以45°角通过QWP时会变成圆偏振光，将相位延迟1/4波长（向左或右方向均是如此），同理，当圆偏振光通过1/4相位延时片也会变成线偏振光。当同一个方向的光两次通过QWP时，作用相当于一个半波片（1/2波片），光线会线性旋转90°，而从镜面反射的光线会转换圆偏振光的方向（左右旋转换）。
在Pancake光学方案中，QWP主要用来改变偏振光的形态，使光线可以顺利的被反射偏振模反射或透射。
5、Pancake方案光路具体工作原理
Pancake光学方案虽然由一片式、两片式或者多片式，膜可以贴在不同的镜面上，甚至反射式偏振膜和1/4相位延时片可以相互叠加贴合。但是其光路的设置和各种光学膜的位置次序是固定的。由显示屏幕开始往眼镜方向，依次为半透半反镜、1/4相位延时片和反射式偏振膜。
如图所示，显示屏发出的左旋圆偏振光，通过BS分束镜（半透半反膜），经过1/4相位延时片，左旋圆偏振光变为振动方向垂直的S线偏振光，被反射式偏振膜反射，接着第二次经过1/4相位延时片，S线偏振光变为左旋圆偏振光，被BS分束镜（半透半反膜）反射后，左旋圆偏振光变为右旋圆偏振光，第三次经过1/4相位延时片，右旋偏振光变成与振动方向平行于入射面的P线偏振光，P线偏振光透过反射式偏振膜最终到达人眼。
①显示屏幕发出的右旋圆偏振光RCP（Right Cricular Polarized）经过BS分束镜（半透半反膜）后，偏振态不改变，但光损失50%；
②右旋圆偏振光RCP经过QWP 1/4相位延时片后，变成P线偏振光；
③P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；
④P线偏正光第二次经过1/4相位延时片，变回右旋圆偏振光RCP；
⑤右旋圆偏振光RCP被BS分束镜（半透半反膜）反射，变成左旋圆偏振光LCP（Left Cricular Polarized）；
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；
⑦S线偏振光到达反射式偏振膜并透射，进入人眼。
Pancake光学模组的入射光必须是圆偏振光，目前Pancake光学模组搭配使用的屏幕为LCD屏和OLED屏。LCD屏幕发出的为线偏振光，需要在屏幕上增加一块1/4相位延时片将其转化为圆偏振光。
OLED屏幕是自发光原理，其光线是非偏振光，需要在屏幕上增加偏振膜LC（起偏器）先转化为偏振光，再贴上1/4相位延时片转化为圆偏振光。
（三）Pancake光学方案优缺点
1、Pancake方案的优点
轻薄：Pancake光学的核心思路是压缩屏幕与透镜之间的距离，通过多片光学镜片让光路多次折返，扩大光路总长，使其可以达到合焦的同时扩大视场角，从而缩小整个光学模组总长。与非球面透镜和菲涅尔透镜方案相比，其TTL能大幅降低的原因是压缩了屏幕与透镜之间的距离。目前非球面透镜和菲涅尔透镜的TTL约为40-50mm，Pancake光学方案TTL基本为18-25mm左右。
成像质量好：Pancake光学方案中，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、细腻度。
支持屈光度调节：由于Pancake光学方案是组合透镜（单片式除外），因此可以通过控制其中的一片透镜进行屈光度调节，目前普遍Pancake模组的调节范围在0-700°之间，对于需要佩戴眼镜的用户而言，可以调整到适合自己的度数，摘掉眼镜佩戴。而对于单透镜的菲涅尔和非球面方案，如果不增加透镜则无法实现屈光度调节。
2、Pancake方案面临的挑战
伪影：伪影是指图像失真，包括图像形状以及色彩等。Pancake方案中，光线在透镜中折返，由于光的双折射现象，容易产生伪影。双折射现象与透镜的材料有关，塑料材料通常具有较大的双折射。Pancake光学方案可以通过增加透镜或改变透镜的形状、改善透镜材料，优化光路来降低其双折射现象来抑制伪影。
光损高：由于采用折叠光路设计，光每次经过半透半返镜会损失50%，Pancake方案理论上最高光效为25%，由于反射偏振膜也会损失约10%左右，总体而言，Pancake光学模组的光学利用率只有10%-20%，对显示屏幕的亮度有较高要求。
FOV视场角较小：Pancake光学方案由于压缩了TTL总长，同时采用了更小的显示屏幕，目前采用Fast LCD屏幕基本上单眼为2.5寸以下，而如果采用MicroLED屏幕，尺寸基本在1.3寸以下，较小的屏幕需要更长的光路来扩大视场角，由于Pancake压缩了TTL总长，同时也压缩了透镜的直径，造成FOV较小，当前量产的方案真是FOV基本都处于60°到90°之间，比菲涅尔要小。
成本高：Pancake光学方案中最核心的是光学膜，对1/4相位延长片、反射偏振片等光学膜材料和贴膜工艺要求高，全球只有3M、旭化成等少数企业的产品能够达到Pancake设计要求，目前，一组透镜（单目）的光学膜成本接近100元人民币，同时对贴膜或者镀膜的形状精度和平滑度要求很高，目前依赖人工贴膜，效率较低。此外，由于伪影需要增加透镜或者改变透镜的材料和形状来改善，也会增加材料成本。
（四）Pancake方案的进化方向--可变焦
Pancake基于多透镜折叠光路的设计，组合透镜容易实现焦距的调节，可以通过调节焦距适配近视用户。另一优点则是可以通过动态变焦，缓解VR/AR存在的视觉辐揍调节冲突顽疾，改善眩晕问题。
视觉辐揍调节冲突，简称VAC（vergence-accommodation conflict）是VR眩晕的主要原因之一。辐揍，人在观看物体时，双眼眼球通过向内转动或向外转动，调整两个物象的位置，进而使大脑能够将两个物象综合成一个物象。调焦，就是眼睛根据物体远近自动调节焦距，从而使物体影像清晰地落在视网膜上，让我们能够看清这个世界。
在现实世界中，人为了看清目标，首先要调节两个眼球，将两眼移动至目标的方向，为了看清目标，还需要将眼球调节至正确的焦距。人类眼睛长期训练和进化，眼睛的方向和焦距可以同步调节。通过辐揍和调焦的同步协作，具备双眼单视功能之后，我们就能够正确判断物体的距离、大小、位置以及方向，进而判断我们与客观环境之间的位置关系。
VR通过左右屏显示同一物体不同角度拍摄的画面，利用双眼看到的图像偏移来呈现立体的感觉。但是屏幕发出的光线并没有深度信息，眼睛的焦点就定在屏幕上，因而眼睛的焦点调节与这种纵深感是不匹配的，从而产生视觉辐揍调节冲突，引发视觉疲劳，甚至是现眩晕、头疼、呕吐等感觉。
解决视觉辐揍调节冲突的路径有两种，第一种就是在显示屏幕中加入深度位置信息，使人眼在看到图像时能够自由调节焦距。另一种则是通过VR光学可变焦设计，根据显示屏的内容和眼睛观看的位置，实时改变焦平面，让二维屏幕产生三维景深，从而实现辐揍和调焦协调。
VR光学目前可变焦设计目前存在机械变焦和电子变焦两种方式。机械变焦通过移动透镜的位置实现变焦，例如Meta Half Dome 2原型机，在折叠光路模组中，加入了移动式机械变焦系统，其移动式机械变焦系统采用了采用音圈致动器和弯曲铰链阵列，配合眼动追踪，可实现无极的可变焦调节。
电子变焦采用液晶透镜（LC）来代替移动式机械零件，液晶是一种双折射材料，对于不同的光偏振具有不同的折射率。通过对液晶层施加不同的电压分布，使液晶在三度（xyz）的取向发生改变。晶体的取向和分布发生了改变，就改变了光通过透镜的路径，导致折射率的改变，通过调整折射率的进而调节图像的焦距。发生这种调整只需要100毫秒到300毫秒，而人眼聚焦所需时间则为300毫秒，两者大致相当。
电子变焦相对于机械变焦，简化了折叠光路系统的机械结构和压缩了光学模组的体积，拥有更快的变焦速度和更多的变焦范围，是目前VR变焦技术的主流技术方向。
以色列DeepOptics公司开发LC控制透镜已有约十年时间，并已开始销售具有电动控制焦点的老花眼镜Omnifocals以及偏光太阳镜，此外公司已与AR阵列光波导厂商Lumus合作开发可动态聚焦的AR光学系统。
Meta Half Dome 3原型机抛弃了Half Dome 2的机械变焦系统，采用了可变焦液晶透镜系统，其包含6层非球面液晶透镜（PBP透镜或GP透镜结构），每一层透镜都足够薄、具有衍射特性。此外，每一层液晶透镜中都放置了可切换的半波片，整个结构可看作是双透镜复合结构，称为PBPL（也被称为Berry相位透镜或几何相位透镜（GPL）），可模拟64种不同的焦距/屈光度，其技术来源于收购的企业lmagine Optix公司。
目前，除了Meta外，苹果、Magic Leap、Valve、谷歌等都对可变焦液晶有相关的研究和专利布局。
（三）Pancake光学方案生产工艺和流程
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、检验和封装六个流程。
Pancake光学的关键工艺是贴膜，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，高质量的达标的反射式片正膜和1/4相位延时片以海外为主，包括3M、旭化成等，成本高昂，一组透镜的贴膜材料成本达到70-100元。
根据光学设计方案，贴膜的方式主要包括曲面贴膜和平面贴膜两种，平面贴膜技术难度较低，但是会牺牲部分光学性能和成像质量。曲面贴膜工艺通过事先制备好的平面膜层， 然后通过热弯成型技术使其成为特定的二维曲面，贴于透镜表面，曲面贴膜可以带来更大的FOV和更优质的成像质量，但是曲面贴膜工艺难度较大，容易边缘褶皱和翘起，良率低，由于工艺要求高，膜供应商3M等开始推出了贴膜交付方案。
（四）Pancake光学方案核心厂商
当前拥有Pancake专利或者模组厂商分几种类型，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。
六、VR光学前沿技术与方案
（一）多叠折返式自由曲面光学
2020年，法国VR初创企业发布了一款VR一体机R-1，其采用独特的自由曲面棱镜光学方案，Lynx称为四叠折射反射自由曲面棱镜。
1、多叠折返式自由曲面光学原理
LYNX的叠返式自由曲面光学方案在棱镜上切割了类四叶草的四个自由曲面组合，显示器将图像分割成四个独立的画面，每个画面在自由曲面棱镜中做两次折返，此光路与折叠光路Pancake类似，但他不依赖于偏振光，而是在透镜中做全内反射，最后四个曲面成像组合成像，严格意义上来说属于复眼光学。除了四个自由曲面外，叠反式自由曲面光学方案也可以做成3个或者多个自由曲面的组合。
2、多叠折返式自由曲面光学优点
轻薄：叠返式自由曲面光学的显示器与曲面棱镜靠的更近，TTL约为40-50mm，要比传统的非球面透镜、菲涅尔透镜方案稍薄，但要比折叠光路Pancake方案要厚。
有利于眼动追踪等元器件布置：多叠折返式自由曲面光学结构另外一个优势则是可以在透镜的中心位置隐藏其他元件，例如眼动追踪元器件。当前大多数带有眼动追踪功能的头显都将摄像头与眼睛成直角放置（避免用户看到摄像头），但叠反式曲自由曲面棱镜方案可以为眼动追踪摄像头提供理想的中心位置，从而实现更高的精度。
3、多叠折返式自由曲面光学不足
畸变较大，加工精度要求高：多叠折返式自由曲面光学方案每个自由曲面反射的图像畸变较大，需要对对初始图像进行预畸变以抵消透镜引起的形状和颜色失真。同时，四个曲面成像中间难免会出现拼接缝隙以及图像变形，对棱镜的加工精度以及图像的预畸变算法提出了很高的要求。
视场角较小：视场角FOV约为90°，不具备优势，如果要增大视场角，则要增大自由曲面的厚度，这又容易造成整个光学模组厚重。
（二）异构微透镜阵列光学
2020年，英特尔实验室中的 一个研究项目开发了一种能够实现短焦和超大视场角的方法，命名为ThinVR光学方案，也叫异构微透镜阵列光学方案。
1、异构微透镜阵列光学原理
当前大视场角VR头显通常采用两个形成角度的屏幕，同时需要配备更大口径的透镜，造成模组体积增大，边缘部分也存在图像扭曲，为了维持高分辨率，焦距也需要变长，意味着透镜和屏幕之间的距离变长，最后整个光学模组变得体积庞大和笨重。
异构微透镜阵列光学方案的核心是采用定制化的异构微透镜阵列，取代非球面和菲涅尔等传统的光学透镜，并将它们放置在弯曲显示器（柔性显示屏）的前面，每一个微透镜对屏幕的部分区域成像，最终多个微透镜成像融合形成完整的画面，通过这种异构小透镜和曲面显示器的组合，ThinVR方案能够实现短焦和180°超大视场角。
2、异构微透镜阵列光学优点
小TTL实现大视场角：英特尔实验室的ThinVR光学方案所采用的异构透镜模组由大约50个曲面的微型透镜组成，透镜围绕中心点做弧形排列，采用弧形可以更贴合人脸，符合人体工学。ThinVR光学方案屏幕与透镜之间的距离压缩至11mm，Eyerelief的距离为22mm，TTL控制在了33mm，单眼的视场角能够达到131°，双目可达180°，基本实现了全视场角覆盖。
3、异构微透镜阵列光学不足与挑战
异构微透镜阵列光学方案基于阵列微透镜的设计，每一个微透镜边缘都存在伪影和畸变，由于微透镜加工精度不够，微透镜之间的缝隙中的几何形状不精确，容易导致图像在每个小透镜之间的边界上扭曲和破裂，会造成入眼的合成画面存在伪影和畸变，这十分依赖于精确的光学设计和加工工艺，以及显示屏的的图像反畸变优化算法。
此外，异构微透镜阵列光学的球面阵列形状，需要使用柔性显示屏，弯曲成于镜面想匹配的弧度，这也会增加硬件成本和增加加工组装难度。
（二）液晶偏振全息光学方案（LCPHs）
2020年，Meta Reality实验室提出了一种结合了全息光学元件和液晶偏振光学的全新VR光学技术，Meta将其命名为LCPHs显示技术（Liquid-Crystal Polarization Holograms），这一方法可用于开发类太阳镜式VR光学显示模组。
1、液晶偏振全息光学原理
液晶偏振全息光学核心是LCPHs，LCPHs技术是液晶（Liquid Crystal：LC）和全息偏振元件（Polarization Holograms：PHs）的结合，LCPHs是一种化合物薄膜。
液晶（Liquid Crystal：LC）是一种介于固体和液体之间的特殊物质，它是一种有机化合物，常态下呈液态，但是它的分子排列却和固体晶体一样非常规则，液晶具有光电效应，在电场作用下，偶极子会按电场方向取向，导致分子原有的排列方式发生变化，当液晶分子有序排列时表现出光学各向异性，光通过液晶时，会产生偏振面旋转，双折射等效应，液晶显示屏（LCD）是液晶最为成功的运用之一。
偏振全息元件（Polarization Holograms；PHs）又称为几何相位全息元件或环形衍射波片，其依赖于两个或多个相干光束产生的偏振干涉。与HOEs类似，PHs在一个薄封装中提供多功能光学响应，以及选择性的角度和光谱带宽，PHs可以具备镜子、透镜、光栅、波导、透镜阵列、漫射器和消色差或彩色光学器件的光学功能。PHs的偏振灵敏度为光学系统的设计增加了独特的自由度，这对于AR/VR和其他众多应用而言都是一个重要的优点。
LCPHs结合了全息元件和液晶光子学的优点，通过偏振全息技术对液晶进行适当的对准，LCPHs可以表现出不同的光学响应，可以实现透射、反射、衍射等多个光学调制功能，即可作为镜子、透镜、光栅、波导、透镜阵列、散射器和消色差等光学器件使用。
液晶偏振全息VR光学模组的光路和Pancake光学方案类似，通过液晶LC以像素级精度调制偏振态和传播方向、调制后的光进入PHs，从波长、传播方向、相位三个维度，按照衍射原理调整，光在LCPHs中以偏振态做折返，在极小的TTL中完成聚焦。
2、液晶偏振全息光学方案优点
轻薄：以很轻薄的模组结构实现光路调制（Meta可以做到9mm），同时实现较大的FOV（可达90°）；可变焦：利用液晶LC的光电功能，配合眼动追踪，可分像素渲染，解决多焦面显示问题，缓解视觉辐揍冲突，降低眩晕感；光效高：可以达到95%。
3、液晶偏振全息光学方案不足与挑战
材料成本较高，液晶材料分子双折射效应需要提升，否者不能提供良好的光焦度；生产工艺难度高，装配LC组件于PHs组件需要像素级校准；PHs原件对波长参数敏感，系统彩色显示需要精细调节；对算力要求高，需要计算全息。
4、LCPHs薄膜的生产和制造工艺
液晶偏振全息光学方案当前最大障碍是开发一种高产量制造工艺，以合理的成本批量生产LCPHs薄膜。LCPHs薄膜的制备需要六个步骤：1）玻璃清洁；2）光控取向材料喷涂；3）光控取向材质图形化；4）活性液晶PM喷涂；5）活性液晶PM固化；6）封装。
活性液晶和光控取向材质图形化决定LCPH量产规模的两个因素。活性液晶是现成的技术，不过为了满足AR/VR光学和显示系统的需求，LCPHs的活性液晶材料需要满足以下三个特征：1）可见范围内，无色且低吸收率；2）紫外线固化后，活性液晶原材质的收缩率和表面粗糙度都足够低；3）在环境压力和曝光情况下，依然稳定。
总体而言，现有的液晶制造工具和材质即可制造LCPHs，LCPHs的制造工艺通常没有LCD制造工艺或超表面/超透镜的纳米制造工艺复杂，未来有望实现大规模低成本量产。
（四）超表面/超透镜光学
超表面是指一种厚度小于波长的人工层状材料，可以通过亚波长的微结构来实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控，是一种结合了光学与纳米科技的新兴技术。
1、超表面/超透镜光学原理
光是一种电磁波，在传统的理论中，小于波长的器件对于电磁波的传播产生的影响有限。因此在传统的电磁波和光学设计中，器件往往是和电磁波的波长接近（例如天线）或者大于波长（例如光学设计中的透镜）。单个小于电磁波波长尺度的器件对于电磁波传播作用的很有限，但是如果把大量小于电磁波波长的器件按照一定规律排布起来，则可以以较小的尺寸实现传统电磁波器件的同样功能，甚至实现传统电磁波设计无法实现的特性。
超材料就是指使用大量亚波长尺寸元件按照一定规律排布实现特定电磁特性的设计方法，其中包括把这些亚波长器件按照特定规律在一维，二维或三维空间中排布；而超表面则是超材料中的一种运用，特指把这些亚波长尺寸器件在二维空间中排布实现特定的电磁特性，超表面可视为超材料的二维对应。
2、超表面/超透镜的优点
轻薄化：轻薄化是VR光学的核心进化方向，传统的VR光学设计需要用到一片或者多片光学透镜，为了达到光学设计所需的折射率，需要把透镜和模组做到足够大的尺寸，而超表面透镜通过在玻璃晶元上使用半导体光刻技术来实现大规模亚波长尺度器件阵列可以大大缩小透镜的尺寸，达到光学设计所要求的各项参数性能，包括折射率、透光效率等，相同光学性能的条件下，理论上超表面的厚度能够做到比普通透镜薄10万倍。
改善光学性能：蓝光波长穿过镜片的速度要比红光波长慢，无法做到同时抵达眼睛引发的后果是色差，为了解决色差的问题，传统的成像系统将多个不同厚度和材质的曲面透镜叠加在一起。再薄、再紧凑则会导致图像失真和不清晰，超表面能利用纳米结构聚光进而达到避免色差出现的平面，且能形成特定的重复模式模拟折射光线的复杂曲率，使其没有传统透镜笨重，并能在减少畸变的情况下改善聚焦光线的能力。
3、超表面/超透镜的不足与挑战
超表面当前最大的缺陷是层间串扰导致成像质量难以控制，需要引入全息术来解决光波的调控能力，全息技术又对算力提出了高要求，此外，不同深度的图像不随全息图平铺的位置而变化，会导致三维图像出现被割裂等问题。
超表面需采用要求很高的工艺制造而成，通常采用微纳技术、类半导体工艺，这些工艺通常涉及透明电介质的沉积，然后再进行光刻、沉积、蚀刻等步骤，难度大成本高。
目前，超表面研究领域的领军人物，哈佛大学教授Federico Capasso提出了一种使用成熟的DUV技术实现的大规模超表面透镜，可以在平面玻璃晶圆上实现传统需要凸透镜才能实现的功能，从而大大减小光学设计所需要的尺寸，厚度和重量。
（五）其他前沿VR光学方案
1、英伟达全息波导VR光学
2022年，英伟达和美国斯坦福大学联合发布了论文展示了其采用全息光波导的超薄VR光学方案，可以将VR眼镜的厚度缩短至2.5毫米。
英伟达全息光波导VR方案由三大核心部分组成：全息显示屏、几何相位透镜和光波导。此方案巧妙的运用了光波导和纯相位空间光调制器（Phase-Only SLM），利用了偏振光调制和转换原理，采用折叠光路的方式，光路原理上和Pancake类似。
英伟达全息VR光学模组原型厚度仅2.5毫米左右，原型机的FOV为22.8°，不含SLM的重量为60g。全息显示方案的显示特性主要由SLM和目镜决定，比如SLM体积越大则FOV越大，SLM分辨率越小则眼动范围越大，GP透镜焦距越短则适眼距越短。
英伟达全息波导方案具备动态Eyebox可调，可利用眼球追踪模块改变输入光束的角度实现动态变焦，并可以将Eyebox提升至8毫米，此外可通过使用更大面积的SLM和GP透镜，将单目FOV提升至120°，此外可通过堆叠两个相同的GP透镜和一个圆偏振器将焦距减半。
2、EM3光学成像系统NEO-M
2021年11月，北京意链科技（EM3）公开了一款代号为ETHER的超薄VR眼镜原型机，整机厚度仅6.8mm，重量不到35g。
Ether眼镜采用了名为NEO-M的光学成像系统，其核心是用一组衍射透镜取代了传统VR眼镜中厚重的透镜组，可以在极短的焦距内，对所有可见光进行汇聚以实现清晰成像，可大幅缩减光学模组厚度。此光学成像系统Micro-oled微显示器驱动，支持全彩显示，Fov90度，可以物理调节瞳距（IPD），理论上可以将FOV进一步提升至110°，此外，NEO-M光学支持1200度以内近视进行屈光纠正。
NEO-M还有望利用在相机镜头、显微镜、夜视仪等任何需要使用透镜组的地方，可大幅产品尺寸，并解决困扰手机厂商多年的相机镜头凸起问题。
五、VR光学方案总结
VR光学作为VR头显重要的组成部分，其核心是追求更小的体积、更大的FOV、更优的成像质量以及更低的成本。
目前，菲涅尔透镜以低成本和可控的成像质量，成为当前多数VR头显选择的方案。
但随着VR在消费级市场逐步渗透和起量，C端消费者对VR的轻薄、以及成像质量、佩戴体验提出了更高的要求，Pancake的方案以轻薄、优秀的成像质量以及逐步成熟的量产工艺，逐渐成为消费级VR光学的发展和进化方向，特别是以Meta、苹果、PICO、 华为等为代表的头部企业已经推出和即将推出Pancake方案的头显，我们判断Pancake方案未来3-5年将成为多数消费级VR升级的首选光学方案。此外，Pancake方案会基于当前的技术进一步进化，包括可变焦、单透镜等，以及通过与全息元件、光波导等结合方式，逐步将折叠光路方案进化成类眼镜的液晶偏振全息方案和全息波导方案等。
来源：维深信息wellsenn XR
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