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2022 年,VR 厂商 all in 6DoF Pancake 一体机

2022-07-21 10:34
VR陀螺
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文/VR陀螺 Pancake

从 2021 年元宇宙概念爆发以来,Meta all in Metaverse,字节跳动收购 VR 硬件厂商 Pico ,腾讯宣布布局 XR 业务线,苹果屡传 VR/AR 新品消息,创维等老玩家不断加码......

海内外大厂利好信号不断,全球投融资力度持续扩大,从底层供应链到虚拟 3D 内容,相关人才需求不断增长,下一代计算平台认知不断增强,消费市场需求增量明显——VR 产业正在迎来它的“真”黄金发展期。

承载着核心入口的 VR 硬件,伴随着时代的发展,也正在发生翻天覆地的变化。值此行业大变革之际,VR 陀螺立足产业宏观视野,基于行业大势,认为目前 VR 终端正在经历第二次里程碑式的变革。

VR终端的第一个里程碑:

从PC VR到6DoF VR一体机

根据 VR 产品的盛行周期和产业趋势,VR 陀螺将 2014-2015 年划定为 VR 盒子时代,2016-2019 年划定为 PC VR 时代,2020-2025 年划定为 6DoF VR 一体机时代,2025 年之后划定为VR/AR 融合的 MR 时代。

抛开未来,VR 产业目前的发展共有三个时间段,两个产品形态变化的重要节点,但从产品本身来说,不管是 VR 盒子,还是 PC VR,它们都属于手机和电脑的“周边配件”。

图源:VR陀螺

它们没有独立运算、存储、电源单元,仅以沉浸式投屏显示和简单的 3DoF 交互作为主要卖点,不足以称为 VR 设备完全体,更不能匹配“下一代计算平台”的称号。

基于此,VR 陀螺认为6DoF  VR 一体机的出现,是VR 终端发展的第一个里程碑。

因为从 6DoF VR一体机开始,VR 头显才真正实现了无线、移动、便携、全沉浸自由交互以及“消费级”售价这些特点。相比于电脑、智能手机的指尖交互,带来了更多的可扩展性与差异性。

目前 6DoF VR一体机已然成为 C 端市场的主流,海外以 Meta Quest 2 为代表,其从 2020 年 Q4 推出以来,迄今为止已卖出超 1000 万台。国内 Pico Neo 3 从 2021 年推出以来,作为字节收购 Pico 之后的主推产品,以“补贴”形式正疯狂“砸”向消费市场,今年的销售目标超百万台,爱奇艺的奇遇 3/Dream 系列等也紧随其后。

从 PC VR 到 6DoF VR 一体机产品形态的转变是 VR 产业发展史中极具历史意义的一次变革,它是产业链和消费市场共同推进下的成果,为构建下一代独立计算平台提供了底层技术支撑。

除了产品形态和交互方式的重大变革,VR 产业光学领域也正在发生一次质的飞跃。

VR终端的第二个里程碑:

从菲涅尔到 Pancake

近眼显示光学系统作为 VR 头显区别于手机、平板和 PC 的核心模块,主要由显示器(发光源)+光学透镜(传播介质)两部分构成。

其中光学透镜是连接显示屏和人眼的重要桥梁,它利用光学折射原理,将显示屏图像聚焦,并投射于人眼视网膜上,以此实现近距离大屏成像效果。

目前,VR 头显的光学透镜,主要以菲涅尔透镜为主,上文提及的 Quest 2、Pico Neo3 和奇遇 3 等皆是该光学方案的代表性产品。

然而,由于菲涅尔透镜的光学方案需要将屏幕放置在聚焦透镜的近焦面处(如下图左侧光路所示,透镜与发光源/屏幕之间有较长距离),所以导致整个光学模组体积较大,不符合头戴式 VR 设备的减法进化原则。

图源:网络

另外,由于菲涅尔透镜本身单层镜片的物理性,也导致其虚像易产生畸变,无法调节屈光度等问题,消费市场扩展受限。

基于此类问题,凭借着 VR 产品体积可进一步缩小,近眼显示光学功能性可进一步增强,以菲涅尔透镜为主的光学方案正在全面被 Pancake 光学所取代。

放眼海外,无论是 Meta 的下一代产品 Cambria / Meta Quest Pro,还是屡屡传出的苹果 MR 头显,Pancake 光学方案都是它们的核心载体。

图源:网络

回归国内视野,华为、创维和 HTC 等皆已推出搭载 Pancake 光学方案的 VR 产品,而 Pico、奇遇等品牌厂商的 Pancake 新品也将于 2022 年陆续亮相,创维还会在今年发布它的第二款 Pancake 产品。

时代变革的信号,正在席卷整个 VR 光学产业,Pancake 光学方案是这次 VR 头显变革的核心。

时代必然产物——Pancake 光学技术简析

Pancake 光学指短焦镜头的一种光学方案,它是对于一种折叠式光路的描述,因为其外观镜头轴向较短,呈扁平外观,所以业内常称之为“Pancake”(煎薄饼)。

图源:网络?

Pancake 光学主要依赖光的偏振特性,通过在光学系统内来回反射光,最终投向人眼工作。

图源:网络

具体来看,在以 OLED 为发光源的 Pancake 光学系统中,来自 OLED 显示器的圆偏振光,首先经过半透半反镜(Half Mirror Lens),再通过 1/4 相位延迟片(1/4 λ Retarder),圆偏振光变为线性偏振光,并被反射式偏光片(Reflect Polarizer)反射。

反射过程中,光线再次通过 1/4 相位延迟片,被半透半反镜反射,再透过 1/4 相位延迟片、光被线性偏振并从第一次经过后旋转 90°,最后通过反射式偏光片、第二个镜头传输到人眼当中。(在上图中,光学传输路径从上至下看,箭头标志从蓝色到红色、红色到绿色、绿色到橙色。)

在上述光学传导示意图中,其中半透半反镜是非球面凹面镜,以低失真放大图像,第二个镜头可准确校正任何轻微的图像失真。

Pancake 光学方案最大缺点就是光效较低。在上述光学方案中,由于光线需要经过 OLED 外的圆偏振光片(光效降低50%),经过半反射/透射涂层的第一个透镜(光效再次降低50%),再反射经过半反射/透射涂层的第一个透镜(光效再次降低50%),最终理论光效仅有原显示器光效的:0.5×0.5×0.5=12.5%(实际更低)。

另外 FOV 较小,也是其光学原理带来的不可避免的折损。如美国光学厂商 Kopin 的 P95 Pancake 光学模组,它采用了两个塑料材质镜头,形成 Pancake 光学方案,并以硅基 OLED 显示器为衬底,形成高亮度、低成本、小体积的 VR 头显光学解决方案。

实际应用中显示器和镜头之间只有 17 毫米的距离,相对于菲涅尔透镜 40-50 毫米的距离,大大缩小 VR 头显在光学部分的体积占用。不过其 FOV 仅为 95 度,相比菲涅尔透镜和非球面透镜的 VR 头显 FOV 减少了约 5% 左右。

图源:网络

事实上,Pancake 光学按照镜片组合可细分为单片式、两片式和多片式,由于各家光学厂商针对不同类型发光源、透镜材质以及光学透镜排列组合的不同,具体光学方案也略有不同,但主要光学传输概念依旧围绕“折叠式光路”展开。

譬如,据天眼查显示,2018 年创维申请的一项名为“紧凑型放大光学模组及系统”的专利(CN208156310U),该专利设计就是典型的 Pancake 光学方案。

该光学模组包括第一相位延迟片(11)、第一成像透镜(13)、第二相位延迟片(15)、第二成像透镜(17)和第一吸收型偏振片(19),第一光学曲面(131),第二光学曲面(133),第三光学曲面(171),第四光学曲面(173)。

具体光学传输路径如下:

图源:天眼查

专利介绍显示,该光学模组采用第一成像透镜和第二成像透镜对图像光线进行反射放大,扩大了视场角,并采用反射放大避免因折射而产生光损和光学成像质量较差的问题,采用两个成像透镜避免了小曲率半径引入的边缘视场像差较大的问题,以及降低了成像透镜的加工难度。

目前 VR 产业内暂未看到可进一步全面替代 Pancake 光学方案的具体可行性方案,但 Pancake 也不会是 VR 光学方案的终局,因为它仍有需要进一步完善的地方。VR 陀螺预计该光学方案会影响 VR 产业未来 5-10 年的时间,在此期间,它会承担消费级 VR 市场普及的重任。

百家争鸣时代再临

创维VR即将发布第二款Pancake产品

一项技术的应用落地,需要产业链长期的验证,Pancake 光学亦是如此。早在 2015 年,eMagin 就展示了一个极其紧凑的基于 Pancake 光学的 VR 头显原型设计,Kopin 在 2017 年也展示了类似的基于微显示器的 Pancake 光学设计。

伴随着产业链的推动,Pancake 正全面下放市场。2019 年,3Glasses 推出第一款基于 Pancake 的消费级 VR 眼镜 X1,同年华为也正式推出基于 Pancake 光学的消费级产品华为 VR glass ;2021 年, HTC VIVE Flow 上线,arpara 5K 系列开启众筹,创维发布分体式 VR S6 Pro......

得益于元宇宙概念的热潮,消费需求的增长, 2022 年,将会是 Pancake 光学在 6DoF VR 一体机市场全面爆发的一年。
接下来即将于 7 月 25 日举办发布会的创维成为了现阶段关注的重点,不同于大多数刚入产业的 VR 初创企业,创维 VR 作为传统家电大企业延伸的新业务团队,一直都在 VR 市场活跃着。

从 2019 年以来,创维已发布过 4K一体机 V901、2.5K VR一体机 V901C 和 S801、S6 Pro 等多款产品,从 C 端市场到 B 端探索,从菲涅尔透镜到 Pancake 光学。

图源:网络

而在本次发布会上,创维将发布它的第二款基于 Pancake 光学方案的 VR 产品,与去年面向 B 端市场的分体式 VR S6 Pro 不同,从早前官方透露的信息来看,本次的 VR 新品将会是基于 Pancake 光学方案的 6DoF VR 一体机。

并且值得一提的是,创维的新款 VR 还将支持 RGB See-Through 透视模式。本次创维产品的发布,或将“截胡”Cambria,成为全球第一个基于 Pancake 光学方案,支持全彩 See-Through 的消费级 6DoF 一体式 VR 头显。

全彩 See-Through 的加入,将会为 VR 头显带来更多的交互,在兼容 AR 的功能下,未来内容生态也会更加丰富。早前扎克伯格在佩戴 Cambria / Meta Quest Pro 的时候,也展示了全彩 See-Through 的特性,以及 MR 的新鲜玩法。

图源:网络

据 VR 陀螺获悉,本次创维的 6DoF VR 一体机在屏幕上将会采用成熟的 Fast-LCD 屏幕,屏幕 PPI 为 1512,在 Pancake 光学下,PPD 将为 25,比 Quest 2 更高。核心配置方面,创维新品 VR 将搭载高通骁龙 XR2 处理器,配以 6GB RAM+128GB ROM。

基于 Pancake 光学方案的“减体积”特性,据称创维新款 VR 头显的主机重量控制在了 200g 以下(不含电池),相对于传统采用菲涅尔透镜的 VR 一体机方案,体积减少了 3/4 左右,更符合人体轻量化长期佩戴法则。

按照产品的 BOM 成本及目前 VR 市场的行情来看,创维 VR 新品的价格最高可能会在 4000-5000 元之间。

图源:网络

作为一家有经济实力、技术底蕴、产品背景的 VR 企业,创维 VR 本次面向消费市场 6DoF VR 一体机值得期待。而这也将成为创维从 B 端行业市场拓展到消费市场的重要抓手。据了解,本次创维除了硬件新品之外,也将带来更多内容生态方面的消息,一切都将在 7 月 25 日新品发布会上揭晓。

结语

从 PC VR 到 6DoF VR 一体机,从非球面透镜/菲涅尔透镜到 Pancake 光学,VR 产业的革命正在元宇宙的消费潮中加速进行着。
2022 年,基于 Pancake 光学的 6DoF VR 一体机将全面爆发,国内市场愈发热闹,Pico、创维、爱奇艺等品牌厂商在新的 VR 技术范式下,谁会成为下一个中国版的“Meta”?



       原文标题 : 2022 年,VR 厂商 all in 6DoF Pancake 一体机

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