2023年VR技术趋势：pancake成未来光学升级趋势，硅基OLED为显示未来趋势

VR产品经过多年发展，再次迎来市场关注。2012年Google发布的初代 Google glass首次亮相，VR/AR的概念走入大众视野，随后 Facebook收购oculus，微软、Sony、三星、HTC 等多家大厂开始推出相关的硬件产品，纷纷进入VR/AR市场。2015年多家头部厂商推出相关VR产品，Oculus Rift发售，Microsoft推出AR头显HoloLens1，但由于技术方面存在诸多缺点导致沉浸感不足，眩晕感严重、头盔质量过沉等，以及相关的产品应用不足从而产品销量不及预期，市场热度有所消散。2021年3月，Roblox带着元宇宙概念上市纽交所，同年 Facebook改名Meta，VR/AR再次引起市场关注。经过几年发展，VR 设备在技术及应用方面均有所突破。随着国内外厂商纷纷加大产品推出，VR产品销量得到进一步增长。

VR产品主要挑战

来源：VR陀螺

部分VR产品对比

来源：公开资料

——Pancake开始商用，轻薄化解决用户痛点

VR光学显示经历三个阶段，菲涅尔透镜为目前主流方案。VR 光学显示的镜头经历过非球面透镜、菲涅尔透镜以及pancake 方案三个主要的阶段。传统的透镜以非球面镜为主，通常可以通过增加多组透镜或者增加透镜厚度来满足缩小焦距，满足近眼成像的要求，与此同时会导致光学模组体积及重量较大，影响整机重量，降低用户沉浸感。菲涅尔透镜在传统透镜的基础上去掉光束直线传播的部分，只保留发生折射的曲面，从而大大减小了模组体积。目前市场上主流的解决方案为菲涅尔透镜，其具有技术成熟、成本低的优点。

光学方案主要分类

来源：公开资料

pancake采用折叠光路，减小整机重量，成为未来光学升级趋势。pancake光学方案采用折叠光路设计，从而降低光学模组的厚度，整机的重量更加轻薄。其主要的原件包括半透半反镜BS、偏振光片polarizer、反射式偏光片 RP、相位延时片 QWP，光线在半透半反镜和偏振光片之间来回反射，最终透射出去。光路具体流程为显示屏发出的圆偏振光通过半透半反膜，经过 1/4 相位延时片成为线偏振光，再通过反射偏振光片被反射，接着第二次通过相位延时片成为圆偏振光，再次经过半透半反镜反射之后第三次经过相位延时片，成为线偏振光，最终通过反射式偏振模到达人眼。通过光线的多次折返，大大压缩了屏幕与透镜之间的距离。根据 WellsennXR数据显示，目前非球面透镜与菲涅尔透镜的光机模组厚度（TTL）约为40-50mm，Pancake光学方案的TTL约为18-25mm。目前 pancake 方案工艺相对成熟，成本可控，能够实现大规模的量产。2022年新发布的多款产品pico4、oculus quest pro等纷采用pancake光学方案，预计未来将成为主流升级趋势。

VR光学方案对比

来源：XRWellsenn

Pancake可实现屈光度调节，满足近视用户的需求。在传统的非球面透镜和菲涅尔透镜下，要实现屈光调节通常需要调节镜片的位置，结构和操作复杂，通常采用此类光学方案的VR产品需要增加透镜等来实现屈光调节功能，影响产品的重量。而pancake方案使用多组透镜，一方面可通过控制透镜位置进行屈光度调节，此种调整方式下不会加大镜头的总长度但会改变系统参数如焦距，从而影响图像一致性等。此外，还可以通过调整显示屏的位置来进行屈光调节，此种调节方式下系统参数不会改变，图像一致性更好，但镜头的总长度会发生改变，FOV也会受到一定影响。

动态变焦，结合眼动追踪改善晕眩感。生活中人眼睛的移动和观察远近物体时眼睛焦距的改变可以同步进行，而在VR显示中，左右屏幕发出的光线不具备深度信息，人眼的焦点聚焦于屏幕上，从而导致双眼的焦距调节与眼睛的移动不匹配，引发视觉疲劳，视觉辐辏调节冲突，从而产生晕眩感。为了解决这种冲突减少眩晕感，常见的方法有两种，第一种为在显示屏中加入深度位置信息，从而使得人眼能自动调节焦距，主要原理为通过图像处理技术定位瞳孔中心坐标，利用内置算法推算人眼的注视点，通过电机+齿轮模组推动分光镜完成可变焦，实现镜片和注视点多个自由度的实时变化，从而明显减少眩晕感。第二种则可以通过VR变焦设计，根据显示屏和眼睛观看的位置实时改变焦平面，让屏幕实现三维景深。目前主要存在机械变焦和电子变焦两种方式，其中机械变焦通过移动透镜得位置实现变焦，在折叠光路模组中加入移动式机械变焦系统，配合眼动追踪，即可实现变焦调节。而电子变焦则采用液晶透镜（LC）来代替机械零件，液晶对于不同的偏振光具有不同的折射率，通过施加不同的电压从而使得液晶在三度（xyz）得取向发生改变，改变光的路径，改变折射率，进而调整图像的焦距。相对电子变焦技术，机械式变焦具有低成本+技术成熟优势，在Meta的多款原型机中均采用机械式变焦设计，未来VR产品有望逐步搭载机械式可变焦显示技术解决方案。

Meta可变焦原型机

来源：Wellsenn XR

——硅基OLED成显示未来趋势

VRAR在显示方案上经过三个阶段的技术演变。第一个阶段2015-2018年为技术萌芽期，VR应用端经验不足，厂商大多根据消费类设备的经验设计与生产VR设备，由于AMOLED具有响应速度快色彩饱和度高的优点，大多数品牌采用AMOLED作为显示面板。第二阶段为2019-2021年的推广期，在此期间一方面VR厂商意识到降低VR成本才能吸引更多的消费者，纷纷决定降低面板成本，另一方面由于AMOLED受到像素排列的限制很难进一步提高像素密度，纱窗效应比较明显，因此2018年开始品牌商逐步将显示面板转向快速液晶FastLCD。相较于AMOLED，其可以实现更好的PPI，价格也更加具有优势，此阶段FastLCD成为主流显示技术。第三阶段为2021年之后的用户体验改善期，随着VR产品客户增加到一定程度，品牌厂商开始注重提升用户体验，包括增强分辨率、响应速度等等。自2022年开始，头部厂商开始在新品中使用带有miniLED背光的快速液晶显示面板，或者使用OLED来提升显示性能。

VR显示技术应用趋势

来源：Omida

Fast LCD作为目前主流的显示技术，具有其自身局限性。从结构上来看其主要由璃基板、偏光板、彩色滤光片、液晶材料、配向膜、外壳、光学膜片、驱动电路等等一些元器件所组成，主要工作原理为在电极作用下改变液晶分子扭曲向列，影响液晶单元的透光率或反射率，从而控制光源透射或遮蔽功能，在彩色滤光片的作用下产生色彩形成图案。但 Fast LCD 有其自身局限性，由于背光源始终保持全亮的状态，滤光片也持续带来的能量损耗，导致屏幕亮度低、功耗大。此外，背光源特性使屏幕无法呈现纯黑，对比度差，存在漏光现象，且驱动电路放置于像素间隙，像素间隔限制分辨率和PPI提升。

Fast LCD屏幕结构示意图

来源：Display技术

Mini LED屏幕结构示意图

来源：Display技术

由于LCD的种种不足，随着对用户体验要求的逐步提高，OLED、MicroOLED及MicroLED逐渐进入大众视野。Mini LED 即使用小尺寸 LED 灯作为背光源，仍然使用液晶控制光照，由于 LED 灯足够密，所以很好地提升画面亮度，且能够降低背光分区的成本，各区块可以彼此独立地控制亮度。Micro-LED 为 Mini LED 的进阶版，将 LED 灯缩小到像素尺寸，不再需要液晶控光了，即发光二极管直显。OLED 是使用了有机发光材料的二极管，可以自主发光而不需要背光源，相比液晶具有超广色域，无穷对比度，超低响应时间等优点，显示效果非常优良，但由于 OLED 使用的有机磷材料较为脆弱，长时间点亮会出现亮度下降现象，寿命较短， 在像素级控光中某一区域的像素点亮度衰减速度就会比较快，亮度衰减不均匀，导致屏幕上出现无法消除的暗斑从而造成 OLED 的烧屏现象。

显示方案对比

来源：LEDinside

硅基OLED可能成为未来VRAR显示方案的主流。硅基OLED融合融合硅晶圆和OLED优势，将像素点置于硅晶圆上，具有更多的优点。硅晶圆帮助像素尺寸缩小至原来的1/10，同时取消驱动电路，像素密度提升明显，PPI能够高达3000+，具有更高的清晰度；由于OLED材料使响应时间小于1μs，刷新率进一步提升；OLED自发光，各像素点独立开关光线，功耗相比LCD降低20%，具有更低的功耗；单晶硅为基底将减少器件的外部连线，相比其他方案减重50+%，显示方案更加轻薄。