钱学森预言再次成真，VR技术迎来技术大变革

（转自：熊猫硬核说）

上世纪90年代，钱学森曾预言：VR将是计算机技术之后的，又一项技术革命，为了让国家重视这项技术，钱学森将它形容为：一项可以震撼全世界的变革，是人类历史上的大事，甚至为了让我们更好理解VR，他将VR的中文译名翻译为：灵境。

钱学森手稿截图

如今20多年过去了，钱学森的预言似乎在一步一步接近应验。

VR不仅成为多媒体和互联网技术之后，最受科技公司青睐的技术之一，而且它自身还站在技术迭代的十字路口：Pancake光学方案同样成为VR行业革命性技术。

PICO、华为、HTC等企业都已经布局这项技术，而在它们之后还有苹果、Meta、谷歌等科技巨头紧随其后。

那么问题来了：Pancake光学方案是啥，为啥受到这么多科技巨头的热捧，VR真的能像钱学森期待那样成长为一项具有革命性的技术吗？VR对于每个普通人来说，又意味着什么？

大家好，我是熊猫，今天就来说说这件事。

VR设备大家可能都见过，就是带着大号的头盔或者眼镜，可以亲身感受虚拟世界中的场景，所以VR用中文也叫：虚拟现实。

VR的设备不算复杂，它的硬件系统主要有四个部分，分别是头戴显示设备、主机系统、控制器和追踪系统，看着有点多，其实它们的功能和游戏机很相似。

游戏机里有主机、显示器和控制手柄，主机提供游戏功能、显示器展示游戏画面，手柄就是控制器，可以操控游戏人物。

而VR也类似，主机系统为VR提供各种功能服务，控制器可以追踪自己的动作，因为VR是通过人物动作来操控的，所以还需要追踪系统来捕捉用户的动作和运动。

当然两者最大的区别还是显示设备。

它们都是用来展现画面的，但是VR为了让用户体验到身临虚拟世界的感觉，需要屏蔽用户现实世界的视觉，所以它被设计成遮挡眼睛的头戴样式，也就是头戴式显示设备，又称VR头显。

在VR头显里有非常重要的一项技术，那就是光学方案。

人眼的焦距虽然可以调节，但是也是有极限的，比如我们刷手机一样，距离太远我们看不清楚，距离太近也会变得模糊，只有适当的距离才能看的更清晰。

但是头戴式显示设备里的画面是直接贴合在脸上的，距离非常接近，理论上是看不清楚的，这时候就需要一套设备可以将画面“拉”远一点，这台设备就是透镜组成的光学系统。

没有它，VR设备画面就无法展示。

所以光学方案就成为了VR头显的关键性技术，而Pancake技术正是VR的第三代光学方案，被认为是VR光学里具有革命性技术，所以各大科技巨头都在布局这项技术。

那么它到底有什么神奇的地方，又为何会受到各大科技企业如此青睐呢？这还要从VR设备小型化的进程说起。

VR的萌芽是在上个世纪30年代。

当时美国著名的科幻作家斯坦利·温鲍姆写了一本将近40页的短篇小说，名叫《皮格马利翁的眼镜》，书中的男主角带上特殊的眼镜后，就可以进入一个全新的世界。

在这个世界中，他拥有正常的视觉、嗅觉、味觉、触觉等感官，可以自由活动，更关键是他还可以通过自己的努力，改变这个世界的运行，就像中国古人描述的世外桃源和仙境一样，

所以钱学森才将它称为“灵境”。

这样的仙境自然让很多人都无比向往，所以有些科学家就想复刻这样的场景。

如果人类真能够创造一个类似的世界，那么说这项技术具有颠覆性也并不过分，于是一个非常有想象力的技术：虚拟现实（VR）就这样诞生。

但是只有想象和概念肯定不行，你还得把这项技术给实现了，此后就有无数发明家和科学家在为此而努力，关键还真给做成了。

1950年代，一个名叫莫顿·海利格的摄影师，建造了一台传感仿真机（Sensorama），利用多个屏幕、立体声扬声器、震动座椅、风扇、气味生成器等简单的设备，模拟出开车场景，创造出了世界上第一台沉浸式虚拟现实设备。

当然这台仿真器非常大，而且很笨重，体验感也不好，但是它却给后来人很大的启示。

到了1965年，计算机图形之父伊凡·萨瑟兰设计了一款更小型的头戴眼镜VR设备，这个眼镜连接着计算机，还有跟踪系统等设备。

当人物移动的时候，计算机会实时算出新的3D图像，并且通过眼镜呈现给大脑，不论人怎么动，3D图像都会在眼前浮现。

于是头戴式显示器与计算机、追踪系统的经典组合就出现了，后来的VR设备就是以此为基础进行创新的，所以这台设备也被称为VR的原型机。

当然这台VR原型机也同样非常大，因为头盔重量问题，只能依靠支撑杆固定在天花板上，并不具备量产的条件。

但是这并不妨碍科学家对它的热爱，于是在之后50多年的时间里，VR迎来了数次小型化的浪潮，而Pancake技术也是其中之一。

首先是在1965年到1990年之间。

当时VR虽然还未普及，但是在航空航天、军事等特殊领域却大放异彩，比如飞行员利用它模拟飞行训练、宇航员利用它模拟空间站进行训练等等。

于是VR设备开始了第一次小型化发展，诞生出了头盔大小的，可以自由移动的VR设备，比如美国LEEP公司和NASA共同研发的LCD头戴显示器，它的体积也就比头盔大一点，而且性能很强悍，宇航员可以利用它，模拟太空机器人操控训练。

这些场景和头盔的出现，让很多企业注意到VR不再是一个幻想，更是一个真正可以实现的技术。

有些企业就想：既然VR能模拟飞行、模拟空间站，那么模拟游戏、商场、电影等等场景也是可以的吧？

然后他们就真的去尝试。

于是在1990年后，面向消费者的VR产品终于开始涌现了，VR设备也开启了第二次小型化浪潮。先是各大游戏巨头尝试开发VR游戏，提高了VR设备的性能，然后VR新势力也不断涌现，创造出很多优秀的VR设备。

到了2014年后，计算机、传感器和显示器等设备飞速发展，很多科技企业看中VR前景也开始进场，在他们的推动下，VR设备的小型化再次加速，不仅将原来的主机式VR头显越做越小，还诞生出体积更小的VR一体机。

尤其是VR一体机，被认为是未来主流的发展方向。

它无需单独连接一台PC，而是将芯片、追踪系统等集成在VR眼镜上，的确是一个小型化程度很高的设备，消费者可以带着它自由行走，体验游戏或者各类场景。

在VR行业经历了2016年从疯狂到资本寒冬的骤变后，2021年终于再次迎来爆发，VR产品全球销量首次突破千万，被很多人认为是VR走向大众化消费的拐点。

VR的应用场景也随之爆发，游戏、运动、健康等场景不断涌现，所以VR也被认为可以引领消费电子下一个“黄金时代”的技术。

但是仅仅实现VR一体机的结构，还是无法满足消费者的，想要征服挑剔的用户，它需要变得更轻、更薄、更具备科技感。

因此很多企业都在研发相关技术，希望找到VR轻薄化的突破口，其中光学系统就成为备受瞩目的一个环节，于是Pancake光学方案就应运而生了。

它为啥受到科技巨头的热捧，原因就是它可以再度将VR设备大幅度小型化。

在它之前，VR头显光学方案用的是非球面透镜和菲涅尔透镜，因为人眼焦距的最短距离在7cm左右。

而VR头显为了让体积变得更小，把屏幕到眼睛的距离压缩到7cm以内，理论上，人眼是看不到的屏幕的，原理就像人得了老花眼一样，就需要佩戴一个凸透镜来调整人眼的焦距。

VR设备也是如此，它在屏幕和人眼之间也放置一个凸透镜，这样人眼就可以看到超近距离的屏幕了。

VR第一代透镜就是非球面透镜，它长这样(图），也是一块凸透镜，画面透过非球面透镜，经过折射，将光线集中在人眼上，然后人眼才能捕捉到近距离的画面了。

但是非球面透镜有两个缺点，一个是它本身有厚度，还有一个是它自身的焦距也不短：在4-5cm左右，所以非球面透镜也不能离VR显示屏太近，必须保留4-5cm左右的焦距。

这也造成一个很大问题，用非球面透镜做出的VR头显在厚度上就会比较厚，重量也很重。

后来有人想既然非球面透镜比较厚，那么有没有薄一点的透镜呢？答案当然是有了，这就是第二代光学方案：菲涅尔透镜。

菲涅尔透镜由不连续的曲面组合，而且有尖锐的凸起部位，看着好像很复杂，其实你将这些曲面拼起来，你就会发现它们正好可以组成一个球面。

也就是说：菲涅尔透镜的原理其实和球面差不多，都是通过光线的折射，来弥补人眼的焦距，只是它的内部被挖空了，所以用它做出来的透镜又薄又轻。

不过菲涅尔透镜也有两个缺点：一个是透镜减少的是本身的厚度和重量，焦距依然没有变短，第二个是成像质量问题，菲涅尔透镜本质上还是一个球面透镜，而不同波长的光折射率是不同的，它们同时透过同一个球面，会出现色彩偏差，导致成像质量受到影响。

简单来说：菲涅尔透镜是在牺牲VR设备画质的情况下，减少重量和厚度。对于VR来说，它还不是个优质的方案。

所以在VR设备第三代光学方案中，人们就想有没有既能减少重量和体积，又不想影响画质的光学方案呢？

答案也是有的，那就是Pancake光学方案。

Pancake翻译过来其实是千层饼的意思，Pancake光学方案原理和千层饼折叠有点相似，不过它折叠的是光路。

在VR前两代透镜中，屏幕发出的光线经过透镜折射后，直接进入人的眼睛中，光路是固定的，没办法弯曲。

而Pancake光学方案则不同，它在透镜上贴上几层膜材（半透半反膜、反射偏振膜、1/4玻片）等，由它们共同组成一个新的光学镜片组，然后光线经过镜片组时，在膜材的作用下，就会在发生多次折叠跑，最后才会进入人眼。

这种光路设计缩短了屏幕和透镜之间的距离，用它做的VR设备也可以缩短厚度，重量也跟下降了，而且幅度还非常大。

正因为这些优点，所以从今年开始，以PICO为代表的行业头部品牌纷纷推出采用Pancake光学方案的VR一体机，将VR一体机的形态越做越轻薄。

就以PICO的产品为例：PICO 4采用Pancake光学方案后，它的头显前端重量只有295g左右，而采用菲涅尔透镜的PICO Neo3头显前端重量则高达395g 两者相差26%左右，厚度相差更是达到38.8%。

对比结果就是，PICO 4小型化程度肉眼可见。

千万不要小瞧了这点重量和体积的差别，要知道VR设备的一个痛点就是前端的重量太重，导致用户头部承受的压力过大，这一点极大影响了消费者的舒适度。

而Pancake光学方案的使用显著减小了头显的厚度、体积、重量，极大程度上缓解了颈椎的负荷，同时PICO 4还进行了前后平衡设计，将电池设计在头显后端，让头显前后重量差距更小。

在这两种工艺叠加的情况下，PICO 4对颈椎的负荷相对上一代 PICO Neo3降低了46%，对比国外品牌Oculus Quest 2 VR一体机更是降低了58%。

除此之外，Pancake光学方案也会提高画质。

因为每个球面透镜都会存在球差，从而影响画质，但是Pancake可以通过组合调整，来减少球差提升画质，相比之下，前面两代透镜是固定的，没有这个功能。

同时还可以添加凹镜来改变画面的屈光度，相当于一个可以调节度数的眼镜，对于近视用户更加友好。

也就是说：一个Pancake光学方案，不仅可以解决VR设备小型化问题，还可以提升画质，甚至扩大消费人群，所以它才会被确认为VR的革命性技术。

当然Pancake光学方案作为一项新的技术，它还有很多技术不成熟的地方，比如它需要多种膜材，这样会增加它的成本，还有光线多次折射后，VR设备也会产生鬼影和光损等问题。

更难的是量产问题，以前Pancake难以推广，主要是因为贴膜的工艺难度非常高，只要有细微的粉尘和褶皱问题，都会影响良品率。

这些问题都困扰着VR企业，如果谁能先攻克这些难题，谁就将占据优势，甚至推动整个VR行业的发展。

庆幸的是，中国VR企业虽然发展的晚，但在VR技术和Pancake光学技术上走得并不慢，早在2016年就推出了Pancake光学VR头显，至今国内企业已经研发出数款搭载它的VR设备，甚至比国外Meta/苹果还要早。

尤其是PICO，他们不仅攻克了贴膜工艺的难题，还研发出了具备量产能力搭载Pancake光学方案的VR一体机：PICO 4。

那么问题来了，它们是如何做到的呢？其实答案也很简单，就是前瞻性布局。

在开头，我们就说过了，中国VR行业确实起步比较晚。

1990年时，国外已经将VR应用在航天航空上时，国内才开始关注这项技术，而且只有钱学森手写了数封书信介绍了VR技术的来源和前景。

直到2014年，那年Facebook斥巨资收购了VR初创企业Oculus，引发了国内外的VR热潮，

于是暴风影音、乐视、华为等国内科技企业相继加入，当然还有诸多VR初创企业，而PICO就是在2015年成立的。

中外VR积累差距在20年左右。

虽然成立的晚，但是PICO对VR产品的研发和设计非常重视，而且眼光独到，他们在2016 年时，PICO 就研发出自己的VR一体机： PICO Neo DK。

这个VR一体机的设计让我印象非常深刻，它不仅集成了高通骁龙 820 芯片，而且创新性的将芯片和内存等设备集成在手柄上。

这个设备虽然性能不是特别先进，但是从它身上也可以看出PICO对VR技术和设计非常看重，此后PICO接连发布了旗舰机型 G 系列以及Neo系列的VR产品，逐渐走上正轨。

此外值得一提的是，早在2020年，PICO在CES上发布了PICO X1 Glasses VR眼镜，这款眼镜首次采用了Pancake光学方案，重量也比较轻。

当时PICO就已经意识到Pancake可能是VR小型化的一个必研的路径，于是提前开始技术布局。

2021年，PICO被字节跳动收购，字节拥有算法和资金优势，而PICO拥有硬件优势，两者结合使得PICO的研发能力更上一层楼。

此后他们投入大量精力攻克Pancake工艺难题，尤其是光学镜片的贴膜工艺，PICO需要在光学镜片上均匀的贴上平整的膜材，不能有丝毫的杂质和褶皱。

为了实现这项工艺，他们干脆将整个光学设计进行了改良，最终凭借更加精密的工艺，攻克了贴膜平整度的问题。

当然，一家优秀的公司对产品体验的追求是极致的。

PICO也是如此，他们让我佩服的地方在于不放过先进技术布局，但是也不盲目跟从，比如在Pancake镜片方案选择上就是如此。

Pancake技术的镜片分为单片式、两片式以及多片式等方案，它们各有优缺点，比如单片镜穿透率强，用它做出来的VR设备亮度更高、鬼影少，由于镜片用的少，成本也更低些，但是缺点是贴膜难度高，画质没那么好。

而两片式可以做到更轻薄，画面也会更清晰点，但是损光更严重，容易有鬼影，成本也会高、多片也是如此，镜片越多，VR设备可以做的越薄，画质更清晰，但是重量和鬼影也就越多了，优缺点很明显。

所以各家企业可以根据自己的战略来选择不同的方案，而PICO 4的为了消费者的综合体验选择了单片式的方案。

当然他们的回报也很大，PICO 4的光学解析力提升了86%，画质比上一代VR一体机，有了一个质的飞跃。

除此之外，他们还根据运动场景等需求，设计了更大的眼动范围，以及优化视觉系统，按照业内的说法就是眼睛甜蜜点更大了，视觉更加舒适，由于时间关系这边就不展开讲了。

总得来说：Pancake光学技术的优点，让VR可以用在更多的场景上，而PICO 对于Pancake的布局，也帮助PICO 4全方面提高了性能，它们对VR技术的普及也起到了关键助力作用。

当然VR的未来是有前景，但是想要成为一项革命性技术需要，需要更多的公司进行探索和挖掘，也期待它能早日兑现自身的潜力。