钱学森预言再次成真，VR技术迎来技术大变革
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。
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。
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能进行颜色分类的超透镜将提高智能手机和自动驾驶汽车的成像敏感度
根据一项新研究，技术进步使无滤光片成像传感器有望改善智能手机和自动驾驶汽车的低光和快速成像。研究人员表明，新设计的像素级超表面透镜——使用纳米结构操纵光线的平面——可用于制造成像传感器，其灵敏度大约是目前使用的传感器的三倍。新的传感器结构可以使数码相机能够更快地或在光线较弱的条件下成像。
来自日本NTT设备技术实验室的研究小组负责人Masashi Miyata说：“传统的成像传感器，如用于智能手机、可穿戴设备和自动驾驶汽车的传感器，其灵敏度有限，因为它们依赖于放置在每个像素上的彩色过滤器。我们的新超透镜是由一个高度工程化的表面制成的，可以在收集光线的同时分离三原色，而不需要任何彩色滤光片，为大幅提高灵敏度开辟了一条道路。”
在Optica出版集团的高影响力研究杂志《Optica》上，Miyata及其同事报告说，用新的超透镜制造的无滤光片彩色传感器大大增强了信号水平，而不会牺牲彩色图像质量或空间分辨率。而且，由于新的超透镜是使用CMOS兼容工艺制造的，它们可以很容易地被集成到目前的传感器上，以创建无滤光片的成像设备。
Miyata说：“我们设想我们的超透镜在开发超过目前灵敏度限制的无滤光片彩色图像传感器方面发挥重要作用。这些新的传感器有一天可以让人们更容易地用智能手机捕捉夜景，或者使新的相机准确地捕捉高速物体，这在安全和自动驾驶方面将是非常有用的。”
在传统的传感器中，颜色信息是通过使用吸收部分光线的彩色滤光片获得的。例如，红色滤光片只允许红色波长通过，而吸收所有其他波长的光。这意味着只有大约30%的光线被实际检测到。
为了提高灵敏度，NTT的研究人员设计了一个超透镜阵列，通过一个被称为颜色分类的过程，在没有光学损失的情况下获取颜色信息。这涉及到将光线分成红、绿、蓝三色，然后将每种颜色聚焦到不同的像素上。像素级的超透镜阵列是通过在1250纳米厚的氮化硅层中蚀刻纳米柱而产生的。
尽管其他像素级的分色器已经在实验中得到证明，但它们对于消费类设备来说并不实用，因为它们要么效率低下，要么受光的偏振影响，要么对可能从斜角照射到传感器的光线敏感。然而，新的超透镜是基于一个富含色散的元表面平台，使它们对偏振不敏感，并抑制了所有彩色像素的光谱串扰。由于超透镜在聚焦光线方面非常有效，其颜色分类性能不受斜光影响。
评估传感器性能
研究人员使用光学显微镜来模拟光线在到达传感器之前穿过超透镜阵列的方式。该实验表明，与基于过滤器的传感器相比，基于超透镜的传感器生成的彩色图像的信号水平增强了2.83倍，而不会牺牲色彩质量。
光学模拟研究还表明，基于超透镜的传感器结构表现出较少的图像退化，这是传感器噪声造成的，而这往往是黑暗场景或超快速成像的限制因素。现在他们已经证明了新的传感器概念，研究人员计划通过直接将超透镜阵列安装到图像传感器上来创建和测试一个集成设备。
Miyata表示：“我们希望我们的工作将进一步推动基于超表面的实用光学设备和系统的发展。凭借其扁平化和缩小光学元件的能力，同时大幅提高性能，我们相信光学超表面不仅可以应用于图像传感器，还可以应用于各种光电子器件，如用于显示器、投影仪和增强或虚拟现实设备的器件。”
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