VR光学方案工作原理对比及行业概况

时间:2023-02-18 16:24:24 作者:网友整理

根据IDC统计，2022年全球VR/AR总投资规模接近146.7亿美元，并有望在2026年增至747.3亿美元，五年CAGR将达38.5%。2022年中国市场支出规模约21.3亿美元并将在2026年提升至130.8亿美元，CAGR预计可达43.8%，增速位列全球第一，其中VR仍为主要领域，占比约为70%以上。

VR光学方案技术变革

VR光学方案技术主要经历了非球面透镜、菲涅尔透镜和Pancake方案三个阶段。

目前VR设备主要采用菲涅尔透镜以及Pancake短焦光学方案。

菲涅尔透镜是主流光学方案，成像清晰，视场角大，量产难度低，成本低，在国内外技术都已经非常成熟，供货稳定。

不过虽然菲涅尔透镜在普通透镜上做出了改进，大大缩短了角度，但其仍然是基于传统光学原理通过透镜成像。

即便透镜本身可以做到很薄，但是由于光学特性导致在透镜和显示模组之间必须有保留一个用于确保对焦的空间，因此VR头显的体积仍然很大，容易产生畸变。

相较于传统菲涅尔透镜方案，Pancake短焦光学方案的视场角相对较小，设备轻量化、便携性优势显著。

菲涅尔透镜与与Pancake工作原理对比：

Pancake行业概览

短焦光学主要包括自由曲面和基于反射偏振的折叠光路（Pancake）两种方案，其中Pancake的量产潜力最大，也是目前VR产品中使用较多的短焦光学方案。

Pancake技术原理是，图像源进入半反半透功能的镜片之后，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。通过此种光学方案，能极大缩小产品的体积。

相较于目前在VR上运用较多的菲涅尔透镜方案，Pancake方案基于折叠光路的原理，能极大地压缩VR眼镜的体积，镜片厚度也明显降低。

以YVR2眼镜为例，整个光机的厚度仅有20mm，相对传统菲涅尔镜片的光机厚度，减少了50%左右，整机厚度则压缩至42mm。

Pancake光学方案在清晰度上也带来更好体验，其光学解析能力相对于菲涅尔光学提升了50%。YVR2光学镜组透过率达到了19%，据悉，目前业内平均水平约为13-16%。

根据内置透镜数量，Pancake又可以进一步细分为两片式和多片是折返方案，由于两片式生产工艺较为简单，成本相对可控，且成像质量也较高，因此目前大多数VR头显采用的短焦光学方案均为两片式。

Pancake光学模组

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。

当前产品和工艺被海外光学膜巨头垄断，因此产品和贴膜是目前国内VR光学发展的关键点。

反射偏振膜和1/4相位延时片的质量是成像质量的关键因素，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。

Pancake光学模组工序：

在Pancake方案趋势下，显示是迭代较大的环节，且在VR硬件中价值占比较高。

其次分别是镜头、交互模组，同样属于Pancake方案中同时具备迭代+增量的环节，交互模组中眼动追踪、视觉算法、陀螺仪等趋势的变化值得重点关注。Soc、摄像头等同样是属于增量带来的景气度提升。

目前，国内布局光学器件的企业主要有歌尔股份、舜宇光学科技、蓝特光学、水晶光电、联创电子、兆威机电等，国外厂商主要有苹果、美光、3M、德州仪器。

舜宇光学有精密加工超薄工艺的VR镜片，镜头焦距为39.4mm，视场角96度，镜片直径为52mm。另外，公司在VR镜头领域也有布局，目前是OculusVR镜头的核心供应商。

蓝特光学已成功研制出中大尺寸超薄晶圆加工技术，成为全球少数几家具备折射率2.0、12英寸的玻璃晶圆量产能力的企业（用于AR领域）。

兆威机电等对VR/AR眼镜（VR头显）电机齿轮箱做了升级设计，通过微型对焦电机的往复直线运动进行动态变焦的行星齿轮箱来控制镜片到屏幕的距离，以提高VR/AR产品轻薄化。

水晶光电入股以色列AR眼镜开发商Lumus，在AR眼镜的方案技术上布局反射光波导、衍射光波导和Birdbath是三条技术路径。在每条技术路径上，都能提供核心的元器件、成像模组和全套解决方案。公司光器件产品可以用于VR设备中。

联创电子在AR/VR产业领域拥有成熟的关键的核心技术如几何光波导，超薄镜头等。目前与清华大学联合建立了院士工作站，主要做三维成像研究。另外，公司为国际知名公司MagicLeap研制的相关镜头产品一直在出货，且与Facebook有全景镜头的合作。

国内厂商在VR光学方案布局多以传统透镜为主，相比之下，苹果、3M等国外厂商在短焦方案方面走在较前列。

在Meta较早的pancake技术专利中，可以看见一个显示组件包括具有四分之一波片和部分反射表面的第一透镜、具有反射偏振器的第二透镜和显示器，实现头显的轻薄化。

2022年2月，3M和硕联合开发的短焦光学VR一体机VX6采用的是3M透镜组件，内置3M独有的反射偏振片HARP。

2022年4月，苹果专利提出AR/VR光学发明ASTF角度选择透射滤波器。5月，申请折叠光学系统专利。

苹果同样在探索使用三个菲涅尔透镜堆叠，形成轻薄透镜组的方案。改进光学透镜后的VR产品将实现轻薄化，头显重量或由原来的500g降低至200-300g。

目前全球 VR头显设备主要品牌包括 Meta Oculus、DPVR、Sony、Pico 和 HTC 等，2022 年 Oculus 出货量占比高达 80%，DPVR、Pico 等份额约为 4%

根据VR陀螺测算，2022年上半年全球VR头显出货量约684万台，其中Quest2上半年累计销量约590万台，仍呈现一家独大局面。上半年国内VR头显出货量为60.58万台，其中Pico销量约37万台。

以Meta、苹果、Pico、华为、创维等代表的头部企业已经推出和即将推出Pancake方案的头显。

下半年国内VR品牌厂商将陆续发布Pancake方案VR终端，供应链国产化份额增长空间巨大。头部先行布局玩家有望率先享受行业红利与革新升级！

当前虽然VR头显设备已经尽可能做到了轻量化，但目前采用菲涅尔透镜方案的VR设备中，重量最轻的Oculus Quest 2也依然超过了500g，性能更强的HTC ViveFocus 3重量接近800g，在长时间的佩戴和使用过程中可能会导致不适。

Pancake方案配备了具备半反半透光学性能的镜片组，让光线可以在两片或多片镜片之间反复传导，减少透镜组的厚度，同时镜片组无需和显示面板保持一定距离，能够降低VR头显的厚度，采用Pancake光学方案后头显重量可以降至200g以内，体积也有望缩减至传统终端的三分之一，进一步提升佩戴时的舒适感。

天风证券认为，行业对游戏最有望率先推动 VR 普及已形成一定共识，社交、直播、视频等分支功能也有一定认可度。

国内 VR 生态仍处于硬件补贴走量+应用扩容创新的起步阶段。预计在互联网大厂引领的内容平台下，未来 1-2 年内有望实现加速，更早达成应用生态的正循环。从上游产业链景气度来看，显示、镜头、交互则是几个 Pancake 方案下重要迭代 + 增量的版块；在整体出货量趋势下，结构件以及代工企业值得重点关注。