VR/AR有望成為下一代移動(dòng)硬件終端。VR是虛擬現(xiàn)實(shí)，即利用電腦模擬生成3D虛擬世界并提供使用者近似真實(shí)的感官模擬；AR是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，即利用電腦模擬將真實(shí)環(huán)境與虛擬物體疊加到同一畫(huà)面或空間同時(shí)存在。中金公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)中金）認(rèn)為，元宇宙熱潮之下，VR/AR作為虛擬世界的入口，有望成為下一代移動(dòng)硬件終端；而VR/AR硬件的持續(xù)升級(jí)迭代有望為頭部品牌廠商以及相關(guān)核心技術(shù)公司帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。
近眼顯示技術(shù)價(jià)值量可觀，是科技巨頭的重點(diǎn)布局領(lǐng)域。由于近眼顯示技術(shù)對(duì)VR/AR硬件的產(chǎn)品性能及用戶(hù)體驗(yàn)起決定性作用，因此光學(xué)和顯示是VR/AR的核心零部件，價(jià)值量占比較高。中金認(rèn)為：1）VR近眼顯示技術(shù)的趨勢(shì)為折疊光路+Micro OLED；2）AR近眼顯示技術(shù)的趨勢(shì)為光波導(dǎo)+Micro LED。展望未來(lái)，伴隨著科技巨頭加速入場(chǎng)布局光學(xué)+顯示環(huán)節(jié)，中金認(rèn)為近眼顯示技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)突破，落地速度或?qū)⒊鍪袌?chǎng)預(yù)期。
圖表1：VR/AR有望成為下一代移動(dòng)硬件終端
圖表2：VR/AR底層技術(shù)成熟度矩陣圖
VR：時(shí)代已至，硬件仍有邊際改善空間
VR硬件出貨量突破千萬(wàn)拐點(diǎn)，未來(lái)有望圍繞提升用戶(hù)體驗(yàn)持續(xù)更新迭代。據(jù)IDC數(shù)據(jù)顯示，2021年全球VR出貨量為1,095萬(wàn)臺(tái)，突破年出貨量千萬(wàn)臺(tái)的行業(yè)重要拐點(diǎn)；預(yù)計(jì)2022年全球VR頭顯出貨量有望達(dá)到1,573萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)43.6%。同時(shí)，據(jù)立鼎研究院數(shù)據(jù)顯示，VR頭顯設(shè)備光學(xué)+屏幕部分價(jià)值量占比約40%。整體來(lái)看，中金建議著重關(guān)注價(jià)值量較高的近眼顯示技術(shù)方案（光學(xué)+顯示），以及提升用戶(hù)體驗(yàn)的交互方案的增量機(jī)會(huì)。
圖表3：全球VR/AR硬件設(shè)備出貨量
圖表4：VR硬件成本占比
光學(xué)：光學(xué)器件不斷升級(jí)，折疊光路為未來(lái)升級(jí)趨勢(shì)
VR硬件輕薄化助推光學(xué)器件不斷升級(jí)。由于傳統(tǒng)透鏡存在小焦距和薄鏡片的矛盾，因而采用傳統(tǒng)透鏡的VR設(shè)備受制于體積和重量，不利于用戶(hù)長(zhǎng)時(shí)間佩戴。為實(shí)現(xiàn)VR硬件輕薄化，目前VR設(shè)備普遍采用菲涅爾透鏡方案，并向折疊光路方案持續(xù)升級(jí)突破。
圖表5：VR光學(xué)方案總結(jié)一覽
目前主流方案：菲涅爾透鏡（Fresnel lenses）
菲涅爾透鏡實(shí)現(xiàn)鏡片的輕量化，有效壓縮VR頭顯設(shè)備厚度。菲涅爾透鏡（Fresnel lenses），又名螺紋透鏡。其原理就是在設(shè)計(jì)時(shí)保留表面的彎曲度，去掉直線傳播的部分，從而拿掉盡可能多的光學(xué)材料。因此菲涅爾透鏡能夠在保留常規(guī)透鏡光學(xué)特征的同時(shí)，大幅壓縮鏡片厚度，實(shí)現(xiàn)鏡片的輕量化。也就是說(shuō)，等焦距情況下，菲涅爾透鏡較非球面透鏡能夠?qū)崿F(xiàn)更輕的重量和更薄的厚度。此外，菲涅爾透鏡的制造工藝較為成熟，生產(chǎn)成本較常規(guī)透鏡更低。
圖表6：菲涅爾透鏡正視圖&側(cè)視圖
圖表7：等效的非球面透鏡和菲涅爾透鏡
未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)：折疊光路（Pancake lenses）
超短焦光學(xué)幫助VR頭顯設(shè)備實(shí)現(xiàn)“瘦身”，是VR頭顯光學(xué)方案的主要發(fā)展方向。超短焦光學(xué)按照視場(chǎng)角的大小可劃分為自由曲面和基于反射偏振的折疊光路技術(shù)兩種方案：自由曲面透鏡加工工藝復(fù)雜、成本更高、應(yīng)用條件更為苛刻，難以量產(chǎn)；而折疊光路技術(shù)（Pancake lenses）量產(chǎn)潛力較大，目前是超短焦光學(xué)的主要解決方案。其原理是圖像源進(jìn)入半透半反功能的鏡片之后，光線在鏡片、相位延遲片以及反射式偏振片之間多次折返，最終從反射式偏振片射出。也就是說(shuō)，該方案通過(guò)折疊式光學(xué)元件使光線在更窄的空間穿越同樣的距離，將原本光路“折疊”，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)鏡頭和顯示屏之間空間的壓縮，顯著縮小VR頭顯體積。中金認(rèn)為折疊光路技術(shù)有望推動(dòng)超薄VR產(chǎn)品的發(fā)展。
圖表8：折疊光路原理圖
圖表9：菲涅爾透鏡和Pancake方案的對(duì)比
折疊光路技術(shù)的成熟應(yīng)用有望帶來(lái)VR設(shè)備里程碑式的體驗(yàn)提升。
? 特點(diǎn)#1：折疊光路實(shí)現(xiàn)分辨率與視場(chǎng)角突破。據(jù)Semiconductor engineering數(shù)據(jù)顯示，用戶(hù)雙眼視場(chǎng)角超200°。而目前市場(chǎng)的主流VR頭顯設(shè)備選用菲涅爾透鏡方案，視場(chǎng)角平均在90-110°區(qū)間，用戶(hù)的沉浸體驗(yàn)受限。據(jù)Oculus首席科學(xué)家表述，菲涅爾透鏡的理論上限為單眼4K分辨率和FOV 140°，而折疊光路技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)視網(wǎng)膜分辨率和FOV 220°。因此，中金認(rèn)為，折疊光路技術(shù)的成熟有望進(jìn)一步提升VR設(shè)備的整體體驗(yàn)。
圖表10：雙眼視場(chǎng)角范圍
圖表11：菲涅爾透鏡（左）與折疊光路（右）
? 特點(diǎn)#2：折疊光路實(shí)現(xiàn)頭顯設(shè)備輕薄化。對(duì)比市面上的主流VR頭顯產(chǎn)品，HTC Vive Pro 2和Oculus Quest 2采用菲涅爾透鏡方案，重量為785/503g，厚度為73.5/80.1mm；而Huawei VR Glass和Arpara VR采用折疊光路方案，重量為166/200g，厚度為26.6/30.0mm。搭載折疊光路方案的VR頭顯設(shè)備重量和厚度顯著低于搭載菲涅爾透鏡方案的產(chǎn)品。因此中金認(rèn)為，折疊光路技術(shù)的成熟將會(huì)顯著改善VR頭顯的佩戴舒適度。
圖表12：搭配菲涅爾透鏡方案和Pancake方案的頭顯重量對(duì)比
圖表13：搭配菲涅爾透鏡方案和Pancake方案的頭顯厚度對(duì)比
基于反射偏振的折疊光路技術(shù)分為兩片式和多片式。其中，兩片式折疊光路技術(shù)生產(chǎn)路線較為成熟，成本可控且成像效果較好，是目前短焦光學(xué)方案的主流選擇；多片式折返方案利用硅基微顯示屏以及更多的鏡片堆疊來(lái)設(shè)計(jì)光路。由于相比兩片式折返方案在結(jié)構(gòu)上更加緊湊，因而光學(xué)模組體積更小，但是多片式折返方案采用光學(xué)鏡片更多，導(dǎo)致組裝及鍍膜難度更大，較難量產(chǎn)。目前僅有華為VR Glass采用三片式折疊光路技術(shù)，其光學(xué)模組由三片光學(xué)鏡片和多層光學(xué)薄膜組成，將顯示部分厚度控制在了26.6mm。
圖表14：兩片式折疊光路
圖表15：三片式折疊光路
雖然目前折疊光路技術(shù)方案已初步商用，但仍存在較多技術(shù)難點(diǎn)：
?難點(diǎn)#1：光學(xué)效率低，對(duì)顯示屏幕亮度要求高。據(jù)Meta數(shù)據(jù)顯示，折疊光路技術(shù)光學(xué)效率僅為25%，因此需要搭配高亮度屏幕，例如Micro OLED/Micro LED，以改善折疊光路方案的效果。中金認(rèn)為，顯示技術(shù)的持續(xù)迭代將有望加速折疊光路技術(shù)的商用進(jìn)展。
?難點(diǎn)#2：技術(shù)門(mén)檻高，易出現(xiàn)鬼影影響用戶(hù)體驗(yàn)。折疊光路技術(shù)所采用的半透半反鏡片會(huì)在折返過(guò)程中產(chǎn)生鬼影，需采用偏振膜維持準(zhǔn)確的偏振態(tài)消除影響，否則鬼影會(huì)降低畫(huà)面對(duì)比度，影響用戶(hù)體驗(yàn)。但是偏振膜在材料、耐熱性、精密加工等方面的技術(shù)門(mén)檻較高。
?難點(diǎn)#3：精度要求高，輕薄與廣視角難以兼得。折疊光路技術(shù)對(duì)精度要求較高，需考慮注塑精度、雜散光、光軸對(duì)準(zhǔn)調(diào)焦、臟污等問(wèn)題。同時(shí)，受限于材料、鍍膜、貼合組裝等技術(shù)難點(diǎn)，輕薄與顯示效果難以兼顧?，F(xiàn)有搭載折疊光路技術(shù)的VR產(chǎn)品顯示效果已實(shí)現(xiàn)或超越搭載菲涅爾透鏡的VR產(chǎn)品，但是實(shí)際視場(chǎng)角效果距離理論上限（220°）仍有較大差距，廠商工藝待進(jìn)一步優(yōu)化改善。
圖表16：折疊光路光學(xué)效率僅為25%
圖表17：鬼影降低畫(huà)面對(duì)比度
圖表18：搭配菲涅爾透鏡方案和Pancake方案的顯示效果對(duì)比
顯示：顯示技術(shù)日漸成熟，Micro OLED成為終端技術(shù)首選
VR設(shè)備的顯示效果由三項(xiàng)核心參數(shù)決定，分別為視場(chǎng)角（FOV）、角分辨率（PPD）以及視覺(jué)暫留（Persistence）。其中顯示技術(shù)方案對(duì)VR設(shè)備的角分辨率和視覺(jué)暫留起決定性作用。
PPD（Pixel Per Degree）決定顯示的清晰程度。與傳統(tǒng)屏幕不同，VR等近眼設(shè)備采用PPD衡量屏幕的清晰程度，PPD代表VR視野中每一度視場(chǎng)角的像素密度（PPD=PX/FOV）。同時(shí)還引入了PPI（Pixels Per Inch）像素密度指標(biāo)。提升PPD有兩種方式：提升PPI和降低FOV。由于降低FOV會(huì)降低用戶(hù)的沉浸式體驗(yàn)，因而廠商只能采取提升PPI的方式提高VR頭顯的顯示效果，但這也對(duì)顯示屏幕提出更高的要求。
視覺(jué)暫留（Persistence）決定用戶(hù)的眩暈程度。視覺(jué)暫留現(xiàn)象是指光對(duì)視網(wǎng)膜所產(chǎn)生的視覺(jué)在光停止作用后，仍保留一段時(shí)間的現(xiàn)象。弱化Persistence有兩種方式：提高刷新率和降低響應(yīng)時(shí)間。其中，提高刷新率會(huì)顯著增加系統(tǒng)功耗，降低像素響應(yīng)時(shí)間可以削弱視覺(jué)暫留帶來(lái)的眩暈感，但是也對(duì)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和像素帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。
圖表19：VR顯示屏幕的核心參數(shù)
Fast-LCD是目前消費(fèi)級(jí)VR的主流選擇。初代VR采用的OLED屏幕刷新率有明顯的優(yōu)勢(shì)，但受蒸鍍掩膜技術(shù)限制，像素密度提升困難，紗窗效應(yīng)明顯，且成本較高。與OLED相比，LCD屏幕的次像素間距更小，能夠有效的減輕紗窗效應(yīng)。同時(shí)改良后的Fast-LCD技術(shù)使用全新液晶材料（鐵電液晶材料）與超速驅(qū)動(dòng)技術(shù)（Overdrive），有效提升刷新率至75-90Hz，同時(shí)也具備較高量產(chǎn)穩(wěn)定性及良率，兼具效果與性?xún)r(jià)比，因而逐漸成為VR廠商的主流選擇。
Micro OLED/Mini LED是VR顯示中長(zhǎng)期的主要發(fā)展方案。Fast LCD存在響應(yīng)時(shí)間限制，且功耗相對(duì)較高，中長(zhǎng)期升級(jí)空間有限。中金認(rèn)為，伴隨著顯示技術(shù)的持續(xù)升級(jí)迭代，具備高分辨率、高刷新率、輕量化等優(yōu)勢(shì)的Micro OLED/Mini LED，在VR顯示領(lǐng)域的中長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)明確；同時(shí)，長(zhǎng)期來(lái)看，各方面參數(shù)更為突出的Micro LED在實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破和量產(chǎn)落地后，或?qū)⒊蔀閂R顯示技術(shù)的最終解決方案。
圖表20：VR顯示方案總結(jié)一覽
未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)#1：Micro OLED
Micro OLED，也稱(chēng)硅基OLED，創(chuàng)新性的實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體和OLED的結(jié)合，在性能上具有顯著優(yōu)勢(shì)：
? 高分辨率：據(jù)CSDN數(shù)據(jù)顯示，人眼正常視力下極限角分辨率為60 PPD，VR設(shè)備削弱紗窗效應(yīng)需要實(shí)現(xiàn)角分辨率在30 PPD以上，像素密度達(dá)到2,000-4,000 PPI。而據(jù)Arpara數(shù)據(jù)顯示，Micro OLED分辨率可實(shí)現(xiàn)3,000PPI，較Fast LCD實(shí)現(xiàn)大幅提升，可以顯著提升VR設(shè)備的角分辨率，從而有效增強(qiáng)VR設(shè)備的顯示效果。
? 高刷新率：據(jù)VR陀螺數(shù)據(jù)顯示，VR設(shè)備減弱眩暈感需要刷新率提高至150-240Hz以上。據(jù)VR compare數(shù)據(jù)顯示，目前主流VR設(shè)備所采用的Fast LCD顯示技術(shù)，反應(yīng)速度為毫秒級(jí)，刷新率在90Hz左右；而Micro OLED反應(yīng)速度為微秒級(jí)，刷新率可達(dá)到120Hz，較Fast LCD實(shí)現(xiàn)顯著突破，可以改善運(yùn)動(dòng)模糊現(xiàn)象，完全消除高亮度、寬視角情況下的臨界閃爍現(xiàn)象，從而有效減緩VR頭顯的使用眩暈感。
? 體積小、輕量化、低功耗： 據(jù)OLED industry數(shù)據(jù)顯示，Micro OLED以單晶硅芯片為基底，像素尺寸為傳統(tǒng)顯示器件的1/10，有效提升像素密度；同時(shí)減少器件的外部連線，重量相比傳統(tǒng)顯示器件減少50%以上。此外，據(jù)TOPWAY數(shù)據(jù)顯示，由于Micro OLED為自發(fā)光技術(shù)，無(wú)需背光源，功耗約為L(zhǎng)CD的30-40%，進(jìn)一步提升整機(jī)續(xù)航能力。
圖表21：Micro OLED原理圖
圖表22：顯示技術(shù)參數(shù)及市場(chǎng)定位
Micro OLED已具備初步量產(chǎn)能力，成為現(xiàn)階段高端VR設(shè)備顯示技術(shù)的首選。目前已發(fā)布的5K VR頭顯Arpara VR和Shiftall Megane X，均搭載Micro OLED屏幕。據(jù)Yole數(shù)據(jù)顯示，相比LCD屏幕（單塊價(jià)格約為20-40美元），Micro OLED屏幕價(jià)格較高（單片價(jià)格在300美元以上）。中金認(rèn)為，隨著Micro OLED量產(chǎn)能力的提升帶動(dòng)屏幕成本的下降，Micro OLED有望在更多的VR設(shè)備上搭載。據(jù)DSCC數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，2026年VR顯示屏幕中Micro OLED出貨量占比將達(dá)到30%。
圖表23：現(xiàn)有采用Micro OLED方案的VR設(shè)備參數(shù)對(duì)比
圖表24：Micro OLED份額快速提升
未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)#2：Mini LED背光
Mini LED背光是傳統(tǒng)LED背光技術(shù)的升級(jí)。Mini LED是指芯片尺寸介于50~200μm之間的LED器件，由Mini LED像素陣列、驅(qū)動(dòng)電路組成且像素中心間距為0.3-1.5mm的單元。Mini LED現(xiàn)有兩種發(fā)展路徑，一方面可作為液晶顯示直下式背光源，采用更加密集的芯片分布來(lái)改善背光效果，實(shí)現(xiàn)輕薄化和更好的對(duì)比度；另一方面則以RGB三色LED芯片作自發(fā)光顯示，將芯片尺寸和間距進(jìn)一步縮小。其中，VR顯示的未來(lái)發(fā)展方案選用的為Mini LED背光方案。
折疊光路催生顯示方案升級(jí)，Mini LED背光成本優(yōu)勢(shì)明顯。Mini LED背光相較于傳統(tǒng)LED背光源優(yōu)點(diǎn)較為突出：1）結(jié)合精細(xì)的Local Dimming，實(shí)現(xiàn)更高對(duì)比度；2）縮短光學(xué)混光距離（OD），降低整機(jī)厚度實(shí)現(xiàn)超薄化；3）顯示屏亮度大幅度提高。2022年1月，Vajro發(fā)布了首款采用Mini LED背光的VR頭顯設(shè)備Vajro Areo，可實(shí)現(xiàn)單眼分辨率2880×2720，售價(jià)為1,999美元。中金認(rèn)為，相比Micro OLED，Mini LED背光依托成熟LCD生產(chǎn)，在成本端具備較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力，且顯示效果及亮度相比傳統(tǒng)LCD或OLED均有明顯改善。
圖表25：Mini LED背光及直顯結(jié)構(gòu)圖
圖表26：首款采用Mini LED背光的VR硬件設(shè)備
交互：眼動(dòng)追蹤方案提升沉浸感，助推VR體驗(yàn)升級(jí)
目前VR頭顯設(shè)備交互技術(shù)主要有手勢(shì)識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、眼動(dòng)追蹤、腦機(jī)接口、控制手柄等，其中眼動(dòng)追蹤是最重要的交互方式之一。隨著消費(fèi)者對(duì)VR體驗(yàn)要求的不斷提高，眼動(dòng)追蹤開(kāi)始由早期的外設(shè)配件逐步發(fā)展成為VR的集成配置，并逐漸在消費(fèi)級(jí)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)搭載。中金認(rèn)為，眼動(dòng)追蹤方案未來(lái)有望在VR設(shè)備中實(shí)現(xiàn)普及。中金認(rèn)為眼動(dòng)追蹤技術(shù)在VR中主要運(yùn)用于：注視點(diǎn)渲染、屈光度校正、眼控交互、目標(biāo)識(shí)別、虹膜識(shí)別等場(chǎng)景。
圖表27：眼動(dòng)追蹤在VR中的應(yīng)用
眼動(dòng)追蹤技術(shù)路線主要分為瞳孔角膜反射法、結(jié)構(gòu)光/光場(chǎng)建模法、視網(wǎng)膜反射光強(qiáng)法以及角膜反射光強(qiáng)法，其中最常見(jiàn)的是以Tobii為代表的技術(shù)提供商所采用的瞳孔角膜反射法。該方案下的眼動(dòng)追蹤主要由眼動(dòng)攝像機(jī)、光源和算法共同完成。光源發(fā)射紅外光在眼角膜反射形成閃爍點(diǎn)，眼動(dòng)攝像機(jī)捕捉眼睛的高分辨率圖像，再經(jīng)由算法解析，實(shí)時(shí)定位閃爍點(diǎn)與瞳孔的位置，最后借助模型估算出用戶(hù)的視線方向和落點(diǎn)。目前已有多款VR頭顯設(shè)備，例如Pico Neo 3 Pro Eye、HP Reverb G2 Omnicept Edition等搭載Tobii的眼動(dòng)追蹤技術(shù)。
圖表28：眼動(dòng)追蹤技術(shù)路線
豪威推出新型攝像頭方案CCC（Camera Cube Chip），并與Tobii合作開(kāi)發(fā)眼動(dòng)追蹤方案。目前主流方案——瞳孔角膜反射法的核心器件是紅外攝像頭。傳統(tǒng)攝像頭模組通常由鏡頭、VCM馬達(dá)、Sensor、底座、驅(qū)動(dòng)IC、PCB電路板和連接器等零部件構(gòu)成，體積和重量相對(duì)較大。豪威集團(tuán)推出了小尺寸攝像頭解決方案CCC（Camera Cube Chip），該模組由WLO（wafer level optics）晶圓級(jí)鏡頭和CIS（CMOS 圖像傳感器）鍵合，并在外層覆蓋黑色遮光罩，從而組成完整的CCC模組。CCC模組可以有效縮減體積空間，減輕設(shè)備重量。此外，CES 2022期間，豪威集團(tuán)與Tobii達(dá)成合作，共同研發(fā)眼動(dòng)追蹤方案，新的解決方案采用了豪威集團(tuán)用于眼動(dòng)追蹤的超小攝像頭模塊OC0TA。中金認(rèn)為具有眼動(dòng)追蹤功能的集成攝像頭模塊，能夠降低攝像模組體積，有望加速眼動(dòng)追蹤等在VR消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品的落地普及。
圖表29：傳統(tǒng)攝像頭方案——CCM
圖表30：新興攝像頭方案——CCC
圖表31：豪威集團(tuán)與Tobii合作開(kāi)發(fā)眼動(dòng)追蹤方案
AR：光學(xué)方案趨勢(shì)明晰，靜待瓶頸突破快速放量
目前光學(xué)方案存在較大升級(jí)空間，期待實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。AR光學(xué)顯示方案價(jià)值量占比較高。據(jù)頭豹研究院數(shù)據(jù)顯示，AR光學(xué)顯示價(jià)值量占比約43%。AR光學(xué)顯示系統(tǒng)是使用微顯示器作為光源，投射到成像模組，而后進(jìn)入人眼。AR頭顯設(shè)備達(dá)到理想狀態(tài)需要在亮度、對(duì)比度、刷新率、分辨率、功耗、溫度和使用壽命等方面均實(shí)現(xiàn)較高參數(shù)，因此對(duì)AR光學(xué)顯示方案提出更大挑戰(zhàn)。整體來(lái)看，中金建議重點(diǎn)關(guān)注光學(xué)方案（成像+光源）的技術(shù)突破和落地情況。
圖表32：全球AR硬件設(shè)備出貨量
圖表33：AR硬件成本占比
圖表34：AR眼鏡的理想?yún)?shù)
成像：光學(xué)成像技術(shù)持續(xù)攻堅(jiān)，衍射光波導(dǎo)前景可期
AR光學(xué)成像發(fā)展趨勢(shì)明確，光波導(dǎo)備受市場(chǎng)關(guān)注。目前市場(chǎng)上比較成熟的光學(xué)成像方案包括棱鏡、離軸反射、自由曲面、Birdbath以及光波導(dǎo)方案。早期AR光學(xué)成像采用的棱鏡方案與離軸反射方案由于在體積和視場(chǎng)角上不具有優(yōu)勢(shì)，目前逐漸淡出市場(chǎng)。短期來(lái)看，由于自由曲面和Birdbath光學(xué)方案成本可控、工藝較為成熟、可規(guī)模量產(chǎn)、視場(chǎng)角適中、光效高、對(duì)適配光源要求低，是當(dāng)前消費(fèi)級(jí)AR眼鏡廠商的普遍選擇。長(zhǎng)期來(lái)看，光波導(dǎo)可以解決視場(chǎng)角與產(chǎn)品體積之間的矛盾，并且在減少設(shè)備體積和重量的同時(shí)，形態(tài)上更為接近傳統(tǒng)眼鏡。中金認(rèn)為光波導(dǎo)具備較大的發(fā)展?jié)摿Γ坏┩黄破浼夹g(shù)瓶頸，將有望實(shí)現(xiàn)快速滲透。
圖表35：AR光學(xué)成像方案總結(jié)一覽
衍射光波導(dǎo)具備量產(chǎn)條件，有望成為主流技術(shù)方案。光波導(dǎo)方案一般由顯示模組、波導(dǎo)和耦合器三部分組成。顯示模組發(fā)出的光線被入耦合器件耦入光波導(dǎo)中，在波導(dǎo)內(nèi)通過(guò)全反射向前傳播，到達(dá)出耦合器件時(shí)被耦出，并進(jìn)入人眼成像。根據(jù)耦合器件，光波導(dǎo)方案分為幾何光波導(dǎo)和衍射光波導(dǎo)方案：
?幾何光波導(dǎo)：耦出部分由一系列半透半反鏡面組成，鏡面嵌入到玻璃基底并與傳輸光線形成特定角度，每個(gè)鏡面會(huì)將部分光線反射出波導(dǎo)進(jìn)入人眼。由于幾何光波導(dǎo)采用傳統(tǒng)幾何光學(xué)設(shè)計(jì)理念、仿真軟件和制造流程，沒(méi)有涉及微納米級(jí)結(jié)構(gòu)，因此成像效果較好，但是需要完成多片光學(xué)玻璃切割、銑磨、膠合、拋光，在量產(chǎn)性和良率方面存在較大挑戰(zhàn)。
?衍射光波導(dǎo)：可進(jìn)一步劃分為表面浮雕光波導(dǎo)和體全息光波導(dǎo)，相較于幾何光波導(dǎo)，光柵的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)更具靈活性，可量產(chǎn)性和良率更高，成長(zhǎng)性較大。中金認(rèn)為，衍射光波導(dǎo)量產(chǎn)技術(shù)難點(diǎn)長(zhǎng)期有望得到解決，并成為下一代AR成像技術(shù)的升級(jí)方向。
圖表36：光波導(dǎo)方案技術(shù)路線總結(jié)一覽
未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)#1：表面浮雕光波導(dǎo)
表面浮雕光波導(dǎo)方案，是采用表面浮雕光柵（SRG）替代傳統(tǒng)的折反射光學(xué)元件，作為光波導(dǎo)模組中的耦合器對(duì)光束進(jìn)行調(diào)節(jié)。表面浮雕光柵，指的是玻璃基底表面上規(guī)律性的凹槽。根據(jù)凹槽的輪廓、形狀等的不同，可以將表面浮雕光柵分為一維光柵與二維光柵。其中，一維光柵根據(jù)橫截面形狀不同，可進(jìn)一步劃分為矩形光柵、閃耀光柵和傾斜光柵等，二維光柵常用的結(jié)構(gòu)是六邊形分布的圓柱狀光柵。
圖表37：表面浮雕光柵種類(lèi)
基于表面浮雕光柵的種類(lèi)，目前市場(chǎng)上表面浮雕光波導(dǎo)的技術(shù)路線主要有三種：
1）基于一維光柵的浮雕光波導(dǎo)方案：分為耦入、轉(zhuǎn)折和耦出區(qū)域，三個(gè)區(qū)域均采用一維光柵，并在轉(zhuǎn)折區(qū)域和耦出區(qū)域分別進(jìn)行一個(gè)方向的擴(kuò)展。
?一維擴(kuò)瞳：原理與幾何光波導(dǎo)的鏡面陣列類(lèi)似，即采用入射光柵將光耦入波導(dǎo)，用出射光柵代替鏡面陣列，全反射光線每次遇到玻璃基底表面的光柵的時(shí)候，就有部分光通過(guò)衍射耦出進(jìn)入眼睛，其余部分繼續(xù)在波導(dǎo)中傳播直到再次打到光柵上，從而實(shí)現(xiàn)一維擴(kuò)瞳。
?二維擴(kuò)瞳：原理是通過(guò)三個(gè)區(qū)域的光柵實(shí)現(xiàn)二維擴(kuò)瞳。即當(dāng)入射光柵將光耦合入波導(dǎo)后，會(huì)進(jìn)入轉(zhuǎn)折光柵區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的光柵溝壑方向與入射光柵呈一定角度，從而將X方向的光線反射變成沿Y方向傳播。在轉(zhuǎn)向的過(guò)程中，每個(gè)轉(zhuǎn)折光柵都會(huì)將部分光線轉(zhuǎn)變至Y方向，從而實(shí)現(xiàn)X方向的一維擴(kuò)瞳。擴(kuò)瞳后的光并沒(méi)有耦出，而是沿Y方向進(jìn)入第三個(gè)光柵區(qū)域——出射光柵。出射光柵的結(jié)構(gòu)和原理與入射光柵類(lèi)似，再次實(shí)現(xiàn)Y方向的擴(kuò)瞳，最終完成X和Y方向的二維擴(kuò)瞳。
2）基于二維光柵的浮雕光波導(dǎo)方案：分為耦入和耦出區(qū)域，耦入?yún)^(qū)域采用一維光柵，耦出區(qū)域采用二維光柵，同時(shí)實(shí)現(xiàn)光束的耦出和多個(gè)方向的擴(kuò)展。
圖表38：表面浮雕光波導(dǎo)擴(kuò)瞳技術(shù)
表面浮雕光波導(dǎo)在光柵設(shè)計(jì)和光柵層數(shù)上仍存在一定的技術(shù)難點(diǎn)尚未解決：
?難點(diǎn)#1：光柵設(shè)計(jì)——光損與制備工藝之間的矛盾
光柵設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)衍射光耦合效率與制備工藝之間的平衡。在表面浮雕光柵的設(shè)計(jì)上，需要在多個(gè)衍射級(jí)別的情況下優(yōu)化某一方向上的衍射效率，從而降低光在其他衍射方向上的損耗。據(jù)Nokia數(shù)據(jù)顯示：1）矩形光柵：無(wú)效衍射占80%以上，而有效衍射能量利用僅不到20%；2）閃耀光柵：光耦合效率較高，但用于可見(jiàn)光波段時(shí)，工藝精度要求高，規(guī)模量產(chǎn)良率低；3）傾斜光柵：有效衍射光能量高達(dá)97%，雖然相較于矩形光柵生產(chǎn)工藝要求較高，但整體良率相對(duì)可控。因此，中金認(rèn)為傾斜光柵盡管生產(chǎn)難度較高，但從趨勢(shì)來(lái)看應(yīng)為優(yōu)選方案。
圖表39：傾斜光柵減少光損
?難點(diǎn)#2：光柵層數(shù)——彩虹效應(yīng)與視場(chǎng)角范圍的矛盾
單層光波導(dǎo)和光柵會(huì)引起出射光的“彩虹效應(yīng)”。衍射物理過(guò)程本身對(duì)于角度和波長(zhǎng)的選擇性導(dǎo)致了色散問(wèn)題的存在：一方面，同一個(gè)衍射光柵對(duì)于不同的波長(zhǎng)會(huì)對(duì)應(yīng)不同的衍射角度；另一方面，即便是同一顏色的衍射效率，也取決于入射角而發(fā)生變化，這樣的差異導(dǎo)致FOV和動(dòng)眼框內(nèi)的顏色不均勻，即出現(xiàn)“彩虹效應(yīng)”。
多層光波導(dǎo)和光柵可以提高出射光的顏色均勻性。為改善色散問(wèn)題，目前主流方案是將紅綠藍(lán)三色分別耦合到三層波導(dǎo)，每一層衍射光柵只針對(duì)一個(gè)顏色進(jìn)行優(yōu)化，從而可以改善最終在出瞳位置的顏色均勻性，減小彩虹效應(yīng)。但是由于RGB并不是單一波長(zhǎng)數(shù)值，而是光譜上的一段波長(zhǎng)段，所以仍然會(huì)有輕微的彩虹效應(yīng)存在。因此，在光柵設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中，對(duì)于所覆蓋顏色波段和入射角(即FOV)范圍很難兼顧。
圖表40：彩虹效應(yīng)
圖表41：多層光波導(dǎo)減少色散
目前表面浮雕光波導(dǎo)主要采取紫外納米壓印光刻進(jìn)行批量生產(chǎn)制備。此前，表面浮雕光波導(dǎo)制備基本采用半導(dǎo)體制備工藝?yán)绻饪?、刻蝕等方法，進(jìn)行小批量生產(chǎn)，但是由于生產(chǎn)成本昂貴，不適合大規(guī)模量產(chǎn)。因此，表面浮雕光波導(dǎo)量產(chǎn)選擇光波導(dǎo)復(fù)制工藝。其中，紫外線納米壓印光刻（UV-nano imprint lithography）是表面浮雕光波導(dǎo)量產(chǎn)的主流方案。具體工藝流程可分為兩個(gè)階段：納米壓印工作模具制備階段和批量生產(chǎn)階段。
圖表42：表面浮雕光柵模板或小批量制備工藝流程
圖表43：表面浮雕光柵大批量復(fù)制量產(chǎn)工藝
表面浮雕光波導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈主要包含設(shè)計(jì)、原材料和制備三個(gè)環(huán)節(jié)。整體工藝流程分為三個(gè)階段，分別為母版、步進(jìn)母版和成品階段。其中在母版和步進(jìn)母版部分暫無(wú)太多技術(shù)瓶頸，主要是由于這兩個(gè)階段的原材料和制造設(shè)備與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)同源，相關(guān)制備工藝已較為成熟。中金認(rèn)為成品階段將是決定表面浮雕光波導(dǎo)量產(chǎn)落地的重要環(huán)節(jié)。
圖表44：表面浮雕光波導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈
? 設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)
國(guó)內(nèi)外廠商例如微軟、Facebook、Waveoptics、歌爾股份和舜宇光學(xué)等都在衍射光波導(dǎo)設(shè)計(jì)領(lǐng)域積極布局，力爭(zhēng)設(shè)計(jì)出高FOV、低色散的光柵。
圖表45：國(guó)內(nèi)外大廠在衍射光波導(dǎo)設(shè)計(jì)領(lǐng)域積極布局
? 原材料環(huán)節(jié)
光波導(dǎo)模組的玻璃基底對(duì)玻璃晶圓質(zhì)量要求較高：1）具備高折射率，從而擴(kuò)大近眼顯示的視場(chǎng)角；2）實(shí)現(xiàn)厚度0.3mm的超薄狀態(tài)，從而減少色散問(wèn)題；3）尺寸更大，表面加工精度更高，從而提高性能、減少生產(chǎn)成本。因此，傳統(tǒng)玻璃制造商康寧和肖特近年來(lái)持續(xù)推進(jìn)高折射率玻璃基底的研發(fā)，并不斷增大晶圓尺寸以降低波導(dǎo)生產(chǎn)成本。
在SPIE AR|VR|MR 2022大會(huì)上，康寧和肖特分別推出了新款高折射率玻璃產(chǎn)品。其中肖特推出全新一代RealView? 1.9 lightweight ultra，該款產(chǎn)品能夠在提供1.9折射率的同時(shí)，將每片AR光波導(dǎo)重量減少50%；同時(shí)康寧也推出了高折射率玻璃組合產(chǎn)品，包括1.8/1.9/2.0高折射率的玻璃晶圓，其中2.0折射率玻璃晶圓直徑有150/200/300mm三種。中金認(rèn)為，高折射率玻璃晶圓產(chǎn)品的不斷升級(jí)迭代，有助于提高AR的成像質(zhì)量和視場(chǎng)角，加速推動(dòng)AR光波導(dǎo)的發(fā)展。
圖表46：肖特RealView? 1.9 lightweight ultra
圖表47：康寧2.0高折射率玻璃晶圓產(chǎn)品組合
? 制備環(huán)節(jié)
EV Group在納米壓印設(shè)備領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位。光波導(dǎo)模組結(jié)構(gòu)尺度屬于微納范疇，成像質(zhì)量對(duì)加工誤差非常敏感，因而在大規(guī)模量產(chǎn)中對(duì)微納加工制備提出了較大挑戰(zhàn)。目前，EVG可提供完整的紫外納米壓印光刻 (UV-NIL) 產(chǎn)品線，包括不同的單步壓印系統(tǒng)、大面積壓印機(jī)以及用于高效母版制造的分步重復(fù)系統(tǒng)。此外，EVG還具備專(zhuān)有的SmartNIL技術(shù)。該工藝可提供高圖案保真度、高度均勻的圖案層和最少的殘留層，同時(shí)易于實(shí)現(xiàn)晶圓尺寸的拓展和大規(guī)模量產(chǎn)。中金認(rèn)為具備高性能、低成本和可批量生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)的SmartNIL技術(shù)，可以推動(dòng)微米級(jí)或納米級(jí)光波導(dǎo)模組實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
圖表48：EV Group的 UV-NIL / SmartNIL? Systems 設(shè)備產(chǎn)品
未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)#2：體全息光波導(dǎo)
體全息光波導(dǎo)方案是通過(guò)采用體全息光柵（VHG）作為光波導(dǎo)模組中的耦合器對(duì)光束進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用體全息光波導(dǎo)方案的代表性廠家為Sony和Digilens，其中，Sony已推出高亮度的單綠色體全息光波導(dǎo)（已停產(chǎn)），Digilens已推出雙層全彩體全息光波導(dǎo)，有效減少色散但效率不高且雙層結(jié)構(gòu)制造難度大。體全息光柵在滿(mǎn)足特殊要求情況下，理論上成像效果更好，衍射效率可以達(dá)到100%。而在實(shí)際應(yīng)用中，由于受可利用材料的限制，體全息光波導(dǎo)目前在FOV、光效率、清晰度等方面都尚未達(dá)到表面浮雕光波導(dǎo)同等的水平。但是由于它在設(shè)計(jì)壁壘、工藝難度和制造成本上具有一定優(yōu)勢(shì)，因而業(yè)內(nèi)仍持續(xù)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行研發(fā)和探索。
圖表49：雙層體全息光波導(dǎo)原理圖
圖表50：采用體全息光波導(dǎo)的代表廠家
為實(shí)現(xiàn)體全息光波導(dǎo)的大批量生產(chǎn)，以Sony和Digilens為代表的公司開(kāi)發(fā)了體全息光波導(dǎo)的加工工藝流程。其中，為降低大規(guī)模批量生產(chǎn)的加工成本，Sony開(kāi)發(fā)了制備體全息光波導(dǎo)的卷對(duì)卷（roll-to-roll）工藝，并且為降低難度以及減少色散效應(yīng)，卷對(duì)卷工藝中采用雙層光柵設(shè)計(jì)，即綠光波導(dǎo)片和紅藍(lán)光波導(dǎo)片。此外，為進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，Digilens開(kāi)發(fā)了體全息光波導(dǎo)印刷工藝。
圖表51：體全息光波導(dǎo)制備工藝流程
圖表52：卷對(duì)卷單元曝光過(guò)程
光源：光源方案尚存技術(shù)難點(diǎn)，Micro LED具備較大發(fā)展?jié)摿?/p>
AR光源方案多種并存，Micro LED成為業(yè)界共識(shí)。市場(chǎng)當(dāng)前已提出的AR光源方案主要有LCOS（Liquid Crystal on Silicon）、DLP（Digital Light Processing）、LBS（Laser Beam Scanning）、Micro OLED以及Micro LED方案。其中目前主要采用是DLP和LCOS方案，但業(yè)內(nèi)已對(duì)Micro LED方案達(dá)成共識(shí)，該方案在各維度參數(shù)都表現(xiàn)優(yōu)秀、沒(méi)有短板，且與光波導(dǎo)方案適配，是公認(rèn)理想的AR光源解決方案。
圖表53：AR光源方案總結(jié)一覽
Micro LED，即LED微縮技術(shù)，是指將傳統(tǒng)LED陣列化、徽縮化后定址巨量轉(zhuǎn)移到電路基板上，形成超小間距LED。該技術(shù)將毫米級(jí)別的LED進(jìn)一步微縮到微米級(jí)（50μm左右，傳統(tǒng)LED的1%）。由于Micro LED具備尺寸小、集成度高和自發(fā)光等特點(diǎn)相比LCD/OLED在亮度、能耗、壽命和響應(yīng)速度等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。此外，Micro LED不需要大面積的基板進(jìn)行光刻或蒸發(fā)，也不需要復(fù)雜的過(guò)程進(jìn)行顏色轉(zhuǎn)換和防止亮度降低。因此，理論上Micro LED系統(tǒng)成本更低。長(zhǎng)期來(lái)看，中金認(rèn)為Micro LED有望成為下一代主流顯示技術(shù)方案。
圖表54：Micro LED結(jié)構(gòu)圖
圖表55：Micro LED與LCD/OLED維度對(duì)比
Micro LED尚處于研發(fā)階段，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)還存在較多的技術(shù)問(wèn)題需要解決。從技術(shù)角度上看，目前Micro LED工藝流程每一環(huán)節(jié)幾乎都面臨一定的技術(shù)難點(diǎn)亟待攻克，主要包括：外延技術(shù)、微縮制程技術(shù)、巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)、缺陷檢測(cè)技術(shù)以及全彩化方案技術(shù)等。伴隨技術(shù)持續(xù)突破和制作工藝的不斷優(yōu)化，中金預(yù)計(jì)Micro LED有望在2025年實(shí)現(xiàn)初步量產(chǎn)。
圖表56：Micro LED制作工藝
