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Was haben Pico 4 Ultra, Bigscreen Beyond und die Meta Quest 3 gemeinsam? Neben einem eleganten und schlanken Design die Pancake-Linsentechnologie. Was sind also die Unterschiede zwischen der Pancake-Optik und aktuellen Virtual-Reality-Linsen und was bedeutet das für die Zukunft von VR-HMDs?
Wenn Verbraucher und Unternehmen, die sich nicht mit VR/AR beschäftigen, an Virtual-Reality-HMDs denken, stellen sie sich sperrige Schuhkartons vor, die man sich auf den Kopf setzt. Das ist zwar richtig, aber Designabteilungen haben seit dem Wiederaufleben der VR im Jahr 2012 versucht, diese Einstiegshürde zu umgehen. Selbst Technologie-Enthusiasten und Branchenexperten kennen zahlreiche Details über die Displays in VR-Headsets: Wie hoch ist die Pixeldichte pro Zoll? Ist die Bildwiederholfrequenz hoch? Wie farbgenau ist der Bildschirm? Und so weiter. Aber während das Display von entscheidender Bedeutung ist, ist auch das Glas oder der Kunststoff, aus dem es besteht, ebenso wichtig.
Fresnel-Linsen funktionieren wie Leuchttürme, indem sie eine vorhandene Lichtquelle lenken und verstärken. Ihre Wurzeln reichen bis in die frühen 1800er Jahre zurück, als sie von Augustin Fresnel erfunden wurden, und sie wurden als „die Erfindung, die eine Million Schiffe gerettet hat” bezeichnet. Die Linse funktioniert wie ein Ring aus kristallinen Prismen, die in einer facettierten, „bienenstockartigen” Kuppel angeordnet sind und das gebrochene Licht reflektieren.
Grob gesagt sind aktuelle Virtual-Reality-HMDs wie ein Bildschirm mit Leuchtturmstrahl, der an das Gesicht geschnallt wird. Dies erfordert natürlich einen erheblichen Abstand zwischen dem Display und der Fresnel-Linse selbst. Dadurch wird das Headset sperriger, schwerer und größer.
In der Technologie gibt es eine Tendenz, dass Geräte immer erschwinglicher und kompakter werden. Diese beiden Naturgesetze gelten gleichermaßen für Smartphones, Laptops, Chips, VR- und AR-Headsets.
Augmented Reality strebt nach Erschwinglichkeit und Schlankheit und wird durch die Weiterentwicklung des neuartigen Wellenleiterdesigns vorangetrieben. Zukünftige Virtual-Reality-HMDs werden wahrscheinlich auf der Pancake-Linsentechnologie basieren.
Die Pancake-Technologie selbst ist nichts Neues. Das Militär und die Wissenschaft nutzten Pancake-Optiken bereits Jahre bevor sie in der virtuellen Realität Einzug hielten. Den ersten Pancake-VR-Headset-Prototyp sahen wir 2015 von eMargin, gefolgt von Kopin, dem führenden Entwickler von Komponenten für tragbare Headsets, der 2017 mit seinem Modell „Kopin Elf“ nachlegte. Mittlerweile verwenden einige der führenden VR-Headsets Pancake-Linsen, wie beispielsweise die Pancake-Linsen des Meta Quest 3, die sich weit verbreitet haben.
Allerdings haben Huawei, HTC, Pico und EM3 entweder bereits kommerzielle Headsets auf den Markt gebracht oder Konzeptmodelle vorgestellt, die zeigen, was möglich ist. Im Wesentlichen verändern VR-HMDs mit Pancake-Technologie das klobige Image der virtuellen Realität und werden zu stilvollen Modeaccessoires mit einem dünneren und leichteren Design, wodurch die virtuelle Realität für die breite Masse der Verbraucher zugänglicher wird.
Dies führt zu einer Expansion des VR-Marktes, von der alle in der Branche profitieren. Je größer der Markt, desto fortschrittlicher und innovativer wird natürlich auch VR/AR und desto besser wird die Branche.
Kopin kündigte Mitte Juni 2021 ein vollständig aus Kunststoff bestehendes Pancake-Linsendesign namens P95 an, das laut Dr. John C.C. Fan, CEO und Gründer der Kopin Corporation, „speziell für die Verwendung mit unseren hochauflösenden 2,6K x 2,6K OLED-Mikrodisplays optimiert wurde. Diese neue Technologie sei ideal für VR. Dieser bedeutende Durchbruch stelle einen grundlegenden Meilenstein für die aufstrebenden VR-Märkte dar. Sperrige, schwere Headsets seien seit vielen Jahren ein großes Hindernis für eine schnellere Akzeptanz durch die Verbraucher.
Beim Vergleich von Fresnel und Pancake sind einige Faktoren zu berücksichtigen. Die Herkunft des Bildschirmlichts und die Form der Linse. Die Zeit, die das Licht benötigt, um in die Linse einzutreten und wieder auszutreten. Sowie die Wellenlänge (Farbe) des Lichts selbst.
Die Fresnel-Optik bietet im Vergleich zu Pancake ein breites Sichtfeld, neigt jedoch zu chromatischen Aberrationen (Geisterbilder/überlappende Farben). Darüber hinaus muss die Softwarekalibrierung, die Rechenleistung beansprucht, die als „Nadelkissenverzerrung“ bekannte Fresnel-Linsenverzerrung berücksichtigen. Diese Verzerrung ähnelt einem Bild, das an allen vier Ecken gestreckt wird. Die Software muss dann das Bild künstlich weiter strecken, um das vom Träger gesehene Bild in Echtzeit zu normalisieren.
Pancake hingegen funktioniert durch das Zusammenfalten mehrerer Linsen in einer Kurve, wodurch das Licht innerhalb des Glases oder Kunststoffs reflektiert wird. Dadurch wird der Abstand zwischen den Augen des Trägers und dem Display verkürzt. Dies ermöglicht dünnere und leichtere VR-HMDs und setzt gleichzeitig Rechenleistung frei, da das Verzerrungsproblem bei Pancake nicht auftritt. Schließlich weist das Pancake-Design keine chromatische Aberration wie Fresnel auf.
Der Nachteil der Pancake-Optik gegenüber Fresnel liegt in der Reflexion des Lichts innerhalb der Linse selbst, was zu einer geringen Lichtausbeute führt. Kurz gesagt, das Bild erscheint dem Träger dunkler, weshalb John C.C. Fan, der Gründer von Kopin, darauf hinwies, dass die P95 Pancake-Linse gut mit „hochauflösenden Mikrodisplays” funktioniert. Darüber hinaus ist auch das Problem des Geisterbildes ein Fluch für die Pancake-Linse.
Die Pancake-Linsen von Apple Vision Pro sind interessant, da sie ein spezielles optisches Design verwenden, um ihr schlankes Profil zu erreichen. Durch mehrfache Lichtbrechung innerhalb des Linsensystems wird eine hohe Bildschärfe bei kompakter Bauweise des Headsets gewährleistet, was für zusätzlichen Komfort und ein elegantes Design sorgt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Pancake-Objektive im Vergleich zu Fresnel-Objektiven mehr Vorteile als Nachteile bieten, sowohl hinsichtlich der wahrgenommenen Bildqualität als auch hinsichtlich der deutlich schlankeren und leichteren Bauweise, die Pancake ermöglicht.
Ein wichtiger Faktor für den Aufstieg von Headsets mit Pancake-Linsen ist die wachsende Nachfrage nach Mixed Reality (MR). Mit Geräten wie dem Meta Quest 3 und dem HTC Vive XR Elite, die virtuelle und physische Umgebungen miteinander verbinden, ist der Bedarf an leichten, kompakten Headsets größer denn je. Pancake-Linsen eignen sich besonders gut für MR, da sie den Abstand zwischen Auge und Display verringern und so Platz für mehr Sensoren, Kameras und Passthrough-Module schaffen, ohne die Gesamtgröße zu vergrößern.
Im Jahr 2025 werden sowohl Headsets für Verbraucher als auch für Unternehmen auf Pancake-Optiken setzen, um Funktionen wie reale räumliche Verankerung, Hand-Tracking und Farb-Passthrough zu unterstützen. Dieser Trend deutet darauf hin, dass Pancake-Objektive zu einer entscheidenden Technologie in der VR werden, da MR immer mehr zum Mittelpunkt der Interaktion der Nutzer mit virtuellen Inhalten wird.
Wie Augmented Reality ist auch VR auf dem Weg zu einer schlankeren und leichteren Zukunft. Eine Designphilosophie, die den VR-Markt erweitert, da auch Gelegenheitskunden Interesse an VR-HMDs zeigen werden. Dies wird den Virtual-Reality-Markt reifen lassen und ergänzende Dienstleistungen fördern, die die Technologie weiter vorantreiben.
Der beste Indikator für diesen Trend war die Veröffentlichung des HTC Vive Flow, das sich durch ein stilvolles Design, ein breiteres Kundensegment und die Differenzierung durch nicht-technische Elemente wie Meditation auszeichnet.
Die Technologie hinter diesem Trend ist das Pancake-Linsendesign, das an sich nichts Neues ist, aber im Bereich der VR-HMDs revolutionär ist. Es wird stilvolle Designs ermöglichen, die ein breiteres Publikum ansprechen, und sich von externen Geräten wie leistungsfähigen Laptops oder Smartphones lösen.
2022 und darüber hinaus wird die Virtual Reality sowohl in Bezug auf die Hardware als auch auf die Anwendungsfälle ausgereift sein, und die noch wenig beachtete Technologie, das Pancake-Optikdesign, wird dies ermöglichen.
