VR 光学按照光路设计可以分成垂直光路、折叠光路，复合光路以及特定光路四种方案。垂直光路方案包括非球面透镜和菲涅尔透镜，一般采用单透镜设计，利用光的折射原理；折叠光路方案利用光的折射、反射和偏振原理，通过折叠式光学元件实现更短的光路；复合光路方案利用光的反射、折射等原理融合成像，可实现动态变焦；特定光路所采用的元件超表面/超透镜，是由亚波长尺度单元构成的二维平面结构，能够实现对光路的任意调控。三大主流方案各具优势，Pancake 方案在轻薄化、成像质量、屈光调节等方面表现更佳。综合来看，非球面透镜具有成本低的优势，但模组较为厚重，菲涅尔透镜普及后基本被弃用；菲涅尔透镜是介于非球面透镜和 Pancake 方案之间的折中方案；Pancake 折叠光路是近两年高端 VR/MR 头显的标配，苹果 VisionPro 的采用也进一步论证了该技术的产业方向。
VR 光学方案介绍
通过光源在透镜内部多次传导，Pancake 光学将光学总长压缩到了极致从而让 VR 产品达到极致的轻薄，大大提升终产品的美学设计和佩戴舒适性，同时还能改善边缘模糊边缘眩光、增加屈光度等。在光学传递过程中，通常使用的内部镜片越多，MTF 值越高，头显清晰度也就越高，常规方案采用二片或三片式，成像质量与花费成本随镜片数量上升而上涨。
1962 年 Pancake 折叠光路设计被发明，由于有效焦距（EFL）和光学总长（TTL)的降低，Pancake 折叠光路也被称之为超短焦。使用偏振折叠机制，可以在紧凑的器件内，实现光源的传输和虚像放大。具体来看，在经典的 Pancake 光学设计中，来自显示器的光首先通过一个圆形偏振器（假设为 RCP）和一个半反半透镜，然后通过一个 1/4 相位片（QWP）传输，该 QWP 将光的偏振改变为 P 偏振。经过 QWP 之后是配置为反射 P 偏振光的偏振分光棱镜（PBS），然后光再次穿过 QWP，成为右圆偏振光（RCP）。在它从半反半透镜反射后，成为左圆偏振光（LCP）。LCP 光将通过 QWP 和 PBS，线性偏振器（LP）的透射轴与 PBS 的透射轴对齐，发射出S 偏振光，最终进入人眼。
2015 年，国内虚拟现实公司多哚科技、美国微显示器制造商 eMagin 先后展出基于Pancake 光学的工程样机。Pancake 折叠光路在 VR 中的引用后，可以克服传统菲涅尔透镜、非球面透镜的许多问题，特别是在 VR 头显的体积变化之上，几乎可以做到传统光学方案的 1/2 甚至更薄，之后搭载于 3Glasses 的3GlassesX1（整机重量小于 150g）、华为的 VRGlass（整机 166g）、Pico4、2023 年苹果的 VisionPro 等。
目前 Pancake 模组的技术难度主要体现在膜材料质量、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。膜材方面，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，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 等为主。贴膜工艺方面，光学贴膜分为平面贴膜和曲面贴膜，其中曲面贴膜可以带来更大的 FOV 和更好的成像质量，但是工艺难度较大，容易边缘褶皱和翘起；组装调整方面，Pancake 光路精度高敏感，对位要求严苛，高精度设备在 Pancake 组装过程中起到关键的效率和良率提升作用。
经典 Pancake 光学系统中的偏振状态
专利指示苹果 Pancake 采用特殊技术克服一般 Pancake 对一般四分之一滤波片的限制：根据苹果的光学相关专利，我们推测苹果 VisionPro 使用定制的三片折叠光路镜片：苹果的光学专利最早记录于 2017 年（通常专利的发布时间在申请的 18 个月以后），最晚记录在 2021 年。专利号 US20210132349A1 的专利指出，标注为 28的四分之一波片圆柱形环绕镜片 26、32 的 S6 与 S7 表面。镜片 26 与 32 使用具有特殊功能的单元件透镜来转换偏振光，通过这种方式，VisionPro 克服了其他 Pancake 要求 QWP 层至少具有一个平坦表面的局限性。
苹果 Pancake 示意图（左）与苹果 US20210132349A1 专利图示（右）
根据 Hypervision 的技术分析，Vision Pro 的视场在 100~110°之间，实际 PDD 约为 40。Vision Pro Pancake 光学元件的优点是眼睛附近的凹面允许实现具有大 FoV 的相对紧凑的光学元件。通过分析镜头和 uDisplay 的 WEB 图片并大致了解尺寸，我们做了以下假设：（1）瞳距（IPD）65mm（默认），预计可调；根据介绍有 3 种模式；（2）眼睛距离（ER）12 毫米。（3）左右视觉模块之间有一些倾斜，假设 5°；（4）显示有效面积：27.6x22.8 毫米。基于以上假设的建模如下图所示。进一步推论，水平方向：鼻部 50°+颞部 60°；总计单眼水平 50+60°=110°；生物眼水平 2x60°=120°；立体重叠部分：2x50°=100°；垂直方向：顶部 45°+底部 45°；因此垂直 FoV=90°。
VisionPro 场视角/PDD 预估图示
对于 PPD 计算，做出以下假设：每个视角与显示中心的线性偏移，像素大小为 7.395um；基于假设的纵横比，方形间距，并给定每两个显示器 23Mpx。假设（2）和显示屏尺寸导致分辨率为 3，732x3083。最有可能正确的水平分辨率是 3840，是标准 1920 的两倍。通过假设（1）+假设 FoV，通过使用垂直 FoV 和分辨率，计算出的 PPD 为 3，083px/90°~34[ppd]。考虑到 PPD 可能是非线性的，中心最佳点的结果可能相差+/-10%。此外，实际的 FoV 和分辨率纵横比可能不同，对于较低的 FoV 和较高的像素数+非线性，实际 PPD 可能达到40。
2022 年以来新发布的主流品牌旗舰机型已经广泛采用 Pancake 模组。将几款 Pancake VR 头显的参数对比，Vision Pro 的实际 FOV 处在领先水平，整机重量适中，相比 Meta Quest Pro 更轻便；但 Pico 4、HTC Vive Flow 等将整机重量做到了 300g 以内。
Pancake 模组 VR 头显对比
来源：整理于中信建投
原文始发于微信公众号（MicroDisplay）：VisionPro之于XR Pancake光学方案分析
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