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          讓VR變輕巧的Pancake技術解析
          發布時間:2022-11-01    來源:量子位   閱讀次數:895 分享到:

          不知道你發現沒有,越來越多的人開始買VR了。

          但6年前被稱作VR元年時,它留下的卻是“重得像掛了4臺手機在臉上,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新世代設備?

          不,是VR被一項趨勢性技術帶來了顛覆性體驗變革。

          這項技術你也正聽得越來越多:“煎餅”——Pancake技術。

          它不僅頻繁出現在蘋果等一眾巨頭的最新產品預告中,成為前沿技術的代名詞,也一度登上VR光學論文研究的熱點話題。

          Pancake魔力所在,解決的正是VR的“輕”挑戰。

          為什么VR“突然”就輕了?

          VR的重量減輕,并非一蹴而就的過程。

          事實上,在2022年再次進入大眾視野前,主宰VR重量的顯示硬件,已經經歷了數輪迭代。

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

          光學鏡頭負責將屏幕顯示的畫面放大,以達到在VR眼鏡中“身臨其境”的效果。

          最早VR設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)產生的球面像差問題,即靠近邊緣的平行光經過折射后,與光軸相交的點偏離焦點,出現畫面模糊的情況。

          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,戴上后也只會成為“頸椎殺手”。

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

          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,焦距無法進一步被壓縮,整體仍然較重;同時由于曲面不連續,成像精度受限。

          要想進一步提升成像質量、同時減輕鏡片重量,必須另辟新路。這種情況下,Pancake折疊光路設計逐漸進入VR光學研究人員的視野。

          之所以被稱為“折疊光路”、“Pancake”,除了它能實現光路折疊,壓縮VR設備體積以外,還因為它與Pancake煎餅有相似之處,即鏡片更輕薄。

          毫無疑問,Pancake光學方案正在成為全VR行業的趨勢性技術,其中就包括最新發布的PICO?4?VR一體機。

          發布一個月以來,PICO?4以輕薄性和性價比獲得了不少好評,背后同樣離不開對Pancake的軟硬件一體吃透。

          以PICO?4上的Pancake光學方案為例,與應用菲涅爾透鏡的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光學方案vs菲涅爾透鏡方案

          Pancake光學方案實現折疊光路的原理,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過濾的作用,保證只有特定取向的偏振光才能穿透并進入到人眼中。

          從圖中來看,Pancake光學方案實現折疊光路的關鍵,在于利用偏振分光膜和分束器對不同偏振光的“選擇性透射”原理,實現光路的折疊與壓縮。

          聽起來似乎并不復雜,回溯時間線也會發現,最早從2016年開始,就已經有Pancake光學方案的技術布局了。

          為什么直到2022年,這項技術才逐漸成為行業的新趨勢?

          事實上,要想做好Pancake方案并不容易。從技術和生產兩方面來看,主要難點就至少有四個:

          其一,容易產生寄生反射(Parasitic?reflectio,透明物體底部表面產生的不必要的反射)。多余的光線在透鏡中反復折返,可能會產生鬼影或眩光,進而降低圖像質量。

          其二,光損高導致亮度低。由于光線每次經過半透半反膜,會損失50%的光強,因此Pancake理論最高光學效率在25%,這樣對顯示器和工藝精度的要求更高。

          其三,視場角(FOV)較小。Pancake方案隨著鏡片增多,理論上能實現的視場角更加有限,這也與設備輕薄相悖。

          其四,成本高、良率提升難。據中信證券調研,光學膜是Pancake方案的核心成本項目,合計占比在70%左右,其中尤以反射式偏振膜成本占比最高。

          為了解決這些研發難題,目前有幾種不同的Pancake折疊光路設計的技術實現,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”,但這幾種方案的優缺點并不一樣。

          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較低的范圍內。

          但作為VR賽道中的實力玩家,PICO?4這次交出的Pancake技術答卷卻有點與眾不同。

          不止是“非主流”Pancake光學技術

          這種不同,首先體現在Pancake光學方案的路線選擇上。

          與大多數采用雙片式方案的設備不同,PICO?4這次選擇了單片式Pancake光學方案,基于單個鏡片+貼膜的方式實現折疊光路。

          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、光損和視場角等Pancake光學方案的“天然瓶頸”中取得突破。

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

          從整體方案來看,PICO?4采用了“揚長”“補短”兩種方式,去進一步擴大單片式Pancake光學方案帶來的優勢,并想辦法改善了厚度等問題。

          一方面是揚長,盡可能將單片式Pancake光學方案的自身優勢發揮出來,包括更大的視場角(105°)、更高的MTF值等。

          PICO?4(左)比PICO?Neo3(右)視場角更大

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

          提升MTF值的關鍵,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,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生反射時,膜材有任何一點瑕疵都會被放大。

          這種情況下,只有在貼合時實現更小的波度(waviness,用于衡量物體表面粗糙程度)、更平整的表面,才能確保Pancake光學方案的視覺效果得到進一步提升。

          PICO?4對于Pancake光學方案的設計進行了改良,包括優化材料疊層結構、改進貼合工藝、完善檢測流程等,最終比Neo3提升了85.7%的光學鏡頭解析力。

          另一方面是補短,即如何基于這些年的技術積淀,圍繞單片式Pancake光學方案改善視覺效果、降低VR設備主體的厚度。

          視覺效果上,主要實現了更大甜蜜點設計和亮度均一性優化等。

          更大的甜蜜點(Eye?box)設計即改進VR光學設計,增加人眼接收到的清晰3D圖像體積成像。

          這樣,即便頭顯的位置因為人身體的運動造成位移,只要甜蜜點足夠大,人眼所看到的畫面就可以清晰不模糊。

          此外還有針對亮度均一性的優化,確保人眼接收到的成像質量更高……

          PICO?4(左)亮度均一性與PICO?Neo3(右)對比

          厚度降低上,則主要采用了電池倉后置的前后平衡設計、縮緊整體設備結構的設計等。

          具體來說,則是將VR設備核心的電池部分放到后腦勺佩戴,并進一步降低對頸椎的壓力。

          除了延續PICO?Neo3的前后平衡設計,PICO?4在重量上進行了更細節的優化,前端重量從395g降低到295g,后端重量基本不變,對下班回家玩VR的打工人更友好了。

          事實上,如果回溯PICO在Pancake光學方案上的布局,會發現無論是Pancake折疊光路設計本身,還是前后平衡設計等方案,也并非今年“一蹴而就”的技術。

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

          這背后除了PICO自身的技術積淀,一方面離不開背后的技術洞察力和內容生態實力,包括基于當前大火的居家健身場景,迅速在短時間將VR健身應用數量擴展到50余個,以及在工藝制造上,迅速研發出將某項技術快速落地量產的能力。

          像Pancake這樣幾年前就出現的光學技術,PICO正是從一開始就把握住了這個方向,通過不斷降低量產難度、提升工藝水平,才讓這項技術最終得以落地,并在PICO?4上給用戶帶來更好的體驗。

          另一方面則是對技術的預判能力。當前已成為業界普遍路線的VR一體機技術,在當年VR盒子乃至PC?VR盛行時還未見端倪,PICO卻相信VR一體機將成為未來VR產品形態主流趨勢,在業內率先發布了VR一體機形態產品。

          如今,面對PICO?4上已經搭載的Pancake方案,PICO仍不準備停下自己的腳步。

          據PICO介紹,他們接下來計劃繼續提升Pancake的光學效率、開發更精良的貼膜技術,以及研究多片式Pancake光學方案等,希望能做出更好用的VR眼鏡。

          總之目標也很明確,讓更多人用得上、用得好,用得開心。

          VR新趨勢下,如何選擇產品?

          毫無疑問,新技術帶來新體驗,VR產品也開始成為越來越多人新奇科技體驗的首選。

          隨著Pancake技術趨于成熟,從堅持VR賽道的Meta和PICO,到內容生態巨頭索尼,再到互聯網科技大廠蘋果谷歌,全都在押寶Pancake光學方案,如今各家紙面實力似乎也都很強。

          但問題是,在一個技術創新和產品迭代都處于“混戰”的時期,選擇什么樣的VR產品,對個人消費選擇來說最有譜?

          或許標準答案還很難給,但至少可以從三個維度參考:

          一是技術。

          二是內容生態。

          三是用戶使用量。

          首先得有技術上的保障,這其中又細分為兩個層面。

          第一層保障是技術力本身。

          今年也是VR前沿技術爆發式落地的一年。除了硬件光學上的Pancake技術,還有交互感知上最新的手勢識別、面部追蹤、眼球追蹤等技術,乃至與外界交互時的彩色透視技術等。這些是否應用到最新產品上,都是決定產品是否有技術保障力的關鍵。

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

          換而言之,便是降低技術使用門檻、實現大規模量產的能力,而這也是決定用戶是否購買一款電子消費產品的關鍵所在。

          例如Meta最新的Quest?Pro雖然一經發布就吸引了不少目光,上述Pancake技術、手勢識別和面部追蹤等能力一樣不少,從技術力來說確實“夠硬”。

          BUT,看到1500美元(超過10000元人民幣)這個價格,你還會心動嗎?

          此外內容生態,也是重要一環。

          對于VR產品而言,持續、吸引人的內容同樣是具備關鍵競爭力的體現。

          這方面國內外的思路又略有差異,國外的VR應用除了娛樂外,更大的目標方向集中在辦公場景上,例如小扎天天宣傳的在元宇宙里“開會辦公”,甚至大有取代一系列現有移動平臺的架勢,本質上是基于國外遠程辦公的趨勢去布局應用的結果。

          相比之下,國內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容上的需求,如看電影、蹲點虛擬主播的直播、甚至在VR中看真人線上演唱會、乃至于“沉浸式”體驗世界杯等。

          此外,運動健身也是國內用戶的新需求,包括室內瑜伽和“虛擬教練”等;更進一步地,還有用戶開發出了用VR進行內容創作的“新技能”,前段時間在社交媒體上爆火的《你的名字》3D場景繪畫,就是基于VR創作的。

          除了對國內外市場差異化需求的把握,處于發展初期階段的VR生態,也更看重品牌對生態的扶持和帶動能力。

          在用戶數量明顯不能夠形成對開發者自然吸引力的情況下,品牌是否可以在自制內容、扶持計劃、大IP合作等方面持續發力,先對用戶進行生態進行“補貼”,吸引開發者一起把生態的蛋糕做大,也成為一個重要因素。

          這些動作都需要有著長期投入的決心和行動,從這個角度看,相比于當下很多只能all?in在硬件上的“VR小廠”或“VR創企”,Meta和PICO這類VR頭部品牌,顯然更具備跨越VR生態競爭這道高門檻的實力。

          最后,還需要關注用戶層面的數據:直觀的出貨量、銷量、使用時長、體驗反饋等等。

          道理也很簡單,大眾電子消費品,特別還是前沿技術落地進程中的電子消費品,怕就怕小眾。

          一方面,賣得好賣得多的產品,銷量本身就是認可,例如根據IDC?最新報告顯示,2021年全年全球AR/VR頭顯出貨量達1123萬臺,同比增長92.1%,其中VR頭顯出貨量達1095萬臺,就已經突破了年出貨量一千萬臺的行業重要拐點。

          另一方面,硬件有了量上的積累,軟件和內容生態上才會得到持續的作用力,接著才會源源不斷提供更多更豐富的體驗和內容,就像蘋果手機和iOS生態一樣。

          最后,作為前沿技術落地的電子消費品,越多人用就會提供更多維度和更大數據上的反饋,迭代也才有基礎性保障——而且出貨量大的玩家,也不容易中道崩殂,長尾服務上有保障。

          回顧當年智能手機混戰,最終留下來的仍然是服務體驗優化、內容生態穩固的公司。即使期間出過一些曇花一現的品牌,在沒有持續技術投入和生態構建的情況下,最終銷聲匿跡,對用戶而言得不償失。

          對于VR而言同樣如此。

          作為一個大眾級電子消費產品,雖然當前階段尚屬“小眾”,但隨著越多人用,內容供應也會變得越來越多,體驗優化也會在跟進中越變越好,會逐步成為主流和大眾。

          你同意嗎?體驗過最新“煎餅”加持的VR產品了嗎?

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