革命性技術(shù)已出現(xiàn)，AR/VR有望實現(xiàn)一次飛躍
時間：2021-08-19 15:09:13
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[導讀]智東西2020年受益宅經(jīng)濟，VR/AR行業(yè)迎來爆發(fā)式增長，VR設備出貨量達670萬臺。目前看VR上游基礎(chǔ)硬件性能基本完備，下游軟件生態(tài)日益豐富，VR行業(yè)已具爆發(fā)條件。2022年VR出貨量有望達到1400萬臺，同比翻倍。而各大科技公司如蘋果、Facebook、谷歌和微軟等企業(yè)均在A...
本文來源：智東西
2020年受益宅經(jīng)濟，VR/AR行業(yè)迎來爆發(fā)式增長，VR設備出貨量達670萬臺。目前看VR上游基礎(chǔ)硬件性能基本完備，下游軟件生態(tài)日益豐富，VR行業(yè)已具爆發(fā)條件。2022年VR出貨量有望達到1400萬臺，同比翻倍。
而各大科技公司如蘋果、Facebook、谷歌和微軟等企業(yè)均在AR領(lǐng)域進行深入布局。AR依然是巨頭們看好的下一個大藍海，其蘊含廣闊產(chǎn)業(yè)發(fā)展紅利。
VR/AR，爆發(fā)前夜
受益宅經(jīng)濟，VR產(chǎn)業(yè)在20年迎來爆發(fā)式增長，2020年全球VR出貨量670萬臺，同比增長72%。21年預計全球出貨量達到約800萬臺,22年預計1480萬臺，邁過最重要門檻。
VR未來作為重要的家庭娛樂終端，未來主打游戲功能的沉浸式VR在C端的市場空間可近似比擬游戲主機市場。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，我們預計VR在未來五年出貨量也有望達到5000萬臺。除主打游戲市場沉浸類VR外，觀影類VR以及各類B端應用落地場景逐漸成熟，特別是觀影類VR，潛在目標人群6億左右，目前行業(yè)正在快速成長。
▲VR出貨量歷史數(shù)據(jù)與預測
目前VR產(chǎn)品主要分為主打觀影的高清觀影VR和主打游戲的沉浸式VR。目前觀影式VR增長迅速，知名VR廠商GOOVIS 19年出貨量約6-7千萬、GOOVIS 20年出貨約1萬臺左右，處于快速增長階段。隨著硅基OLED屏幕成本進一步下降，觀影VR價格下探，行業(yè)有望進一步快速發(fā)展。
主打游戲市場的沉浸式VR，主要以Oculus、SONY、HTC和PICO等主要市場玩家，目前各大VR主機廠商均會在今年下半年以及明年上半年陸續(xù)推出新款產(chǎn)品，行業(yè)有望進一步快速發(fā)展。
▲VR產(chǎn)品分類情況以及潛在用戶
VR下游生態(tài)日漸完善，各類游戲大作推動VR活躍用戶增加。根據(jù)VR陀螺數(shù)據(jù)顯示，SteamVR的會話數(shù)量達到1.04億次，平均每場會話時長達到30分鐘。VR層出不窮的游戲大作持續(xù)吸引各類玩家。3A級VR游戲《Half-LifeLAlyx》刺激VR活躍用戶大幅增長,預購人數(shù)超過30萬，同時在線人數(shù)峰值達到42583人。
VR上游供應鏈已基本完善，如光學、微型顯示、主芯片、結(jié)構(gòu)件、定位以及代工廠等都可提供穩(wěn)定成熟的產(chǎn)品供應。這將進一步推動VR產(chǎn)業(yè)走向成熟。
▲VR頭顯總結(jié)與分析
目前市場主要VR廠商有Oculus、DPVR、Pico和HTC等。其中Oculus市占率超過50%，而HTC和SONY份額下降較快。其主要原因在于當前兩公司的在售產(chǎn)品款式較老，同時又即將發(fā)布新款產(chǎn)品，導致大部分消費者選擇觀望。憑借Sony在游戲行業(yè)內(nèi)多年的積累以及出色內(nèi)容產(chǎn)出，是Oculus短期內(nèi)最有力競爭者。
▲VR不同廠商產(chǎn)品市占率情況▲各家公司產(chǎn)品活躍度情況情況
同樣受益于宅經(jīng)濟，AR行業(yè)也迎來了增長。20年出貨量為40萬臺，同比增長33%。21年預計出貨70萬臺,同比增長75%。
▲AR出貨量預測
AR行業(yè)目前上游還處于核心零部件和技術(shù)的攻關(guān)階段，下游生態(tài)也并不成熟，同時產(chǎn)品定位也并不是很清晰。關(guān)于產(chǎn)品定位，目前對于AR的定位有兩種：一是手機屏幕的延伸，二是替代手機是下一代的計算中心。兩種產(chǎn)品定位對應兩種完全不同市場空間，目前產(chǎn)品走向還并不清晰。
目前市場大部分AR廠商的操作系統(tǒng)主要是基于安卓做二次開發(fā)。但幾家大型AR企業(yè)均在自研操作系統(tǒng)，如Hololens推出基于Windows的OS，Magic Leap則重新打造Lumin OS?？傮w看目前整體市場還沒有出現(xiàn)完善的操作系統(tǒng)。
AR的下游應用還處在探索階段，在C端還沒有找到殺手級應用。目前大部分應用主要集中在目標識別，多用于行業(yè)解決方案。
AR的上游核心技術(shù)還并不成熟，諸多技術(shù)環(huán)節(jié)還在研發(fā)階段。
微顯示：因為AR需要工作在外部環(huán)境，需要使用亮度很強的微顯示產(chǎn)品。目前看Micro LED是最理想的解決方案。但目前Micro LED還處在技術(shù)攻克階段，從襯底/外延材料、單片集成到驅(qū)動，目前都沒有成熟的解決方案。
光學：目前主要方案有自由曲面、Birdbath、光波導的方案，目前看衍射光波導方案是未來主流方案。主芯片：目前行業(yè)主要使用高通曉龍8系列芯片，目前市場還沒有專門為AR設備設計的主芯片。
▲AR上游核心技術(shù)情況
AR行業(yè)經(jīng)歷高開低走，產(chǎn)品策略從C端轉(zhuǎn)向B端。由于技術(shù)問題，面向C端市場的的Google Glass和Magic LeapOne等產(chǎn)品銷量遠不達預期，隨后大部分廠商紛紛轉(zhuǎn)向行業(yè)應用市場。雖然進入短暫低谷期，但是仍是科技巨頭未來重點方向。
Facebook蘋果等科技公司正在加速開發(fā)面向消費者的增強現(xiàn)實（AR）眼鏡。蘋果從2006年開始申請了數(shù)百項有關(guān)AR的專利，還收購了10多家AR相關(guān)技術(shù)企業(yè)。Facebook于2017年首次宣布AR眼鏡計劃，之后接連申請了一系列AR技術(shù)相關(guān)專利。還正在研發(fā)AR眼鏡搭配的腕帶等產(chǎn)品。
VR上游技術(shù)，光學、顯示技術(shù)不斷革新
VR具有三大重要參數(shù)：FOV、PDD和 Persistence。
1、 FOV：視場角在光學工程中又稱視場，視場角的大小決定了視野范圍。在VR設備中視場角是最為關(guān)鍵的參數(shù)，市場角的大小直接決定了VR設備的沉浸感。為了得到更好的效果，需要VR設備的FOV做到90°以上。
2、 PPD：與傳統(tǒng)屏幕衡量分辨率不同，VR等近眼設備衡量屏幕清晰度使用角分辨率PPD。指視場角表示平均每1°夾角內(nèi)填充的像素點的數(shù)量。對于頭戴顯示類產(chǎn)品，PPD 數(shù)值越大，就說明對細節(jié)的顯示越精細。
3、 Persistence：余暉效應指人眼在觀察景物時，光信號傳人大腦神經(jīng)，需經(jīng)過一段短暫的時間，光的作用結(jié)束后，視覺形象并不立即消失，從而產(chǎn)生眩暈感。為了降低暈眩感，VR設備需要高刷新率來降低屏幕余暉。
光學器件和屏幕的性能決定了上述三大核心參數(shù)。
光學鏡片起到了放大屏幕圖像提供合適的FOV,其次是幫助人眼聚焦清晰的看到屏幕。是VR系統(tǒng)中最重要的零部件。目前主要廠商產(chǎn)品FOV可以達到90°- 110°左右，未來產(chǎn)品向著160°方向進展。
目前總體看，為了進一步使VR變得更加輕薄，廠商多會選擇采用菲涅爾透鏡而不是非球面鏡。同時為了更好的成像，廠商還會選擇組合透鏡的方式，來消除單一菲涅爾透鏡帶來的問題。
通常VR光學系統(tǒng)主要遇到以下幾點問題：球面像差、色像差、畸變等。特別是為了消除像差問題，目前VR通常需要采用非球面鏡。非球面鏡表面曲率不同，可以讓近軸光線與遠軸光線所形成的焦點位置重合，從而消除球面像差的問題。除此之外，非球面邊緣厚度小，可以降低光學系統(tǒng)的重量。
菲涅爾透鏡，又名螺紋透鏡，多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片。其在設計時會拿掉盡可能多的光學材料，而保留表面的彎曲度，所以菲涅爾透鏡的質(zhì)量要比傳統(tǒng)非球面透鏡輕薄很多。但菲涅爾的成像質(zhì)量存在一定的瑕疵。由于菲尼爾透鏡存在齒距和非工作面，所以會存在一球差問題，并且無法完全消除。
折疊光路，又稱短焦距光學系統(tǒng)，預計是未來VR光學方案的主要方向。因為鏡頭需要將來自顯示器的光聚焦到用戶眼中，而光線的聚焦必須留以足夠的距離，所以VR頭顯必須保持一定的厚度。折疊光路則是將距離”折疊到其自身，使光線可以在更窄的空間內(nèi)穿越同樣的距離。這樣就可以使得整體VR設備變輕薄。
與傳統(tǒng)光學鏡頭不同，折疊光路主要由偏光片、分光器和透鏡等組成。缺點是光線經(jīng)過多次反射會損失能量，所以需要亮度足夠的顯示屏加以配合。光學透鏡目前主要使用光學塑料材料和注塑成型工藝作為首選方案，優(yōu)勢在于低成本和輕量化，注塑成型是VR光學透鏡首選方案。
▲光學透鏡加工工藝與塑料光學系統(tǒng)材料
整體加工過程主要分為填充階段、保壓階段和冷卻階段。精密注塑成型是把注塑機料桶內(nèi)的塑料熔融體精確的填充到模具型腔，塑料熔融體與模具型腔之間進行冷熱交換而造成塑料熔融體的快速冷卻，形成注塑零件的工藝過程。
影響注塑成型的關(guān)鍵因素主要包括模仁模具和注塑成型的仿真技術(shù)。模仁模具直接決定了鏡片的性能和成本。
▲注塑成型的關(guān)鍵因素
產(chǎn)業(yè)鏈總體可分為光學塑料、光學鏡片和光學鏡頭。其中光學鏡頭和鏡片廠商通常為一家，但有時鏡頭廠商會把鏡片產(chǎn)能外包到第三方。
PPD決定了屏幕的清晰度。與傳統(tǒng)手機等屏幕不同，由于VR屏幕離眼睛近，所以引入了PPI的概念。在110°的FOV下，需要2800的PPI才能滿足要求，對屏幕廠商提出了很大的挑戰(zhàn)。為了減少余暉現(xiàn)象，VR設備需要高刷屏才能降低人們的眩暈感。這對驅(qū)動技術(shù)、像素材料帶來了很大的挑戰(zhàn)。
▲VR核心參數(shù)示意圖
為了降低用戶的眩暈感，必須降低余暉，加快屏幕的刷新率。如果刷新率可以達到200hz，眩暈感將大幅降低。VR顯示屏正在從LTPS IPS屏幕逐步向硅基OLED邁進。屏幕的選擇主要在刷新率、PPI和亮度直接權(quán)衡。其中刷新率是最為關(guān)鍵的指標，其次考慮PPI和亮度，所以目前看硅基OLED是最佳方案。
硅基OLED產(chǎn)業(yè)鏈主要分為上游：硅基Driver、OLED材料、濾光片和薄膜封裝材料、中游主要為OLED制造和各類顯示模組、下游主要為各類終端廠商。
▲硅基OLED產(chǎn)業(yè)鏈
AR上游，光波導 MicroLED是未來
AR的光學元件和VR有很大不同。AR需要See Through，與真實環(huán)境發(fā)生交互。所以AR的顯示是不能直接放在眼前，需要放到眼睛旁邊，這時需要一組光學元件將屏幕的像耦合到眼前。
▲VR與AR光學簡易示意圖
AR光學元件正在由自由曲面/Birdbath等向光波導演進。自由曲面等傳統(tǒng)光學元件由于體積過大，使用它們制作出來的產(chǎn)品笨重，所以主流AR廠商都在選擇使用光波導方案，可以讓眼睛尺寸大幅縮減。但光波導的光學損耗很大，效率只有20%左右，需要光機進行配合。
光波導大致分為兩類，一類是幾何光波導，另一類是衍射光波導。其中幾何光波導分為鋸齒光波導和陣列光波導，主要代表光學公司是以色列的Lumus，市場上還未出現(xiàn)大規(guī)模的量產(chǎn)眼鏡產(chǎn)品。
衍射光波導分為全息光波導和表面浮雕光柵波導。HoloLens 2，Magic Leap One均使用表面浮雕光柵波導，蘋果公司收購的Akonia公司采用的是全息體光柵。
幾何陣列光波導的概念最先由以色列公司Lumus提出并一直致力于優(yōu)化迭代，至今差不多二十年。幾何光波導主要由一系列半透半反鏡面組成，其中鏡面是嵌入到玻璃基底里面并且與傳輸光線形成一個特定角度的表面，每一個鏡面會將部分光線反射出波導進入人眼。
幾何光波導運用傳統(tǒng)幾何光學設計理念，不牽扯到任何微納米級結(jié)構(gòu)。因此圖像質(zhì)量包括顏色和對比度可以達到很高的水準。
陣列光波導的加工流程主要是研磨、拋光、鍍膜和膠合四部分。何陣列光波導總體分為四個步驟，但由于傳播的光線都是偏振光，所以要在小棱鏡上鍍十幾甚至幾十層膜。同時膠合5-7個不同反射比的透鏡?？傮w看幾何光波導工藝繁瑣，很難保持高良率，量產(chǎn)難度大。
▲幾何陣列光波導制造流程
衍射光波導主要分為全息光波導和表面浮雕光波導，通過衍射光柵替代傳統(tǒng)幾何光學器件。衍射光柵簡單來說，是一個具有周期結(jié)構(gòu)的光學元件，周期可以是材料表面浮雕出來的高峰和低谷 ，也可以是全息技術(shù)在材料內(nèi)部曝光形成的“明暗干涉條紋”。
光柵波導技術(shù)采用鏡片表面的光柵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)光束的擴展和耦出。通過合理的設計光柵結(jié)構(gòu)，光柵波導技術(shù)可以實現(xiàn)出瞳的二維擴展。工藝相對簡單，批量生產(chǎn)成本低。
▲衍射光波導示意圖
表面浮雕光柵波導方案中通過使用亞波長尺度的表面浮雕光柵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的折反射元件作為光波導中耦入、耦出和擴展區(qū)域的光學元件，從而實現(xiàn)對光束的調(diào)制。根據(jù)凹槽的輪廓、形狀和傾角等結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同，常用的表面浮雕光柵可以分為一維光柵與二維光柵。
一維光柵根據(jù)剖面形狀劃分為矩形光柵、梯形光柵、閃耀光柵和傾斜光柵等，二維光柵常用的結(jié)構(gòu)有六邊形分布的柱狀光柵。
由于可見光波長為450nm-700nm，所以光柵尺寸是微納米級別的。之前需要通過半導體加工工藝進行制造，成本高。目前可使用納米壓印技術(shù)來制做光柵，其中包括熱壓法、紫外線納米壓印光刻法和微接觸壓印法（亦稱為軟光刻）。其中，紫外線納米壓印光刻是表面浮雕光柵波導批量生產(chǎn)的常用方法。
目前浮雕光柵制作的方法更加成熟。同時，壓印設備已經(jīng)可以實現(xiàn)國產(chǎn)化，進一步大幅降低了光柵制造的成本。
通過雙光束全息曝光技術(shù)在介質(zhì)中形成干涉條紋，從而可以獲得折射率周期性變化的光柵結(jié)構(gòu)。全息體光柵并不是通過結(jié)構(gòu)圖型而是通過材料的不同制作光柵，理論上全息光柵的衍射銷率可以達100%，有更好的成像效果。
全息體光柵材料和量產(chǎn)工藝是當前門檻。材料端合成難度大，且多用于軍用對我國禁運。在量產(chǎn)方面，激光脈沖法不適用于規(guī)模量產(chǎn)。所以在全息體光柵方案廠商需要具有IDM能力，提供從材料到量產(chǎn)完整的解決方案。
▲制造體全息光柵波簡易工藝流程示意
目前AR光機有如下幾種方案:LCOS、DLP、OLED-on-Silicon和MicroLED。目前AR產(chǎn)品主要使用DLP或LCOS，但是業(yè)內(nèi)普遍對MicroLED方案達到共識，因為各維度參數(shù)沒有死角，非常適用于AR的應用場景。但當前由于該技術(shù)還在研發(fā)中，預計25年左右可以初步看到量產(chǎn)方案。
▲各方案對比情況
LCOS硅基液晶（liquid crystal on silicon，LCoS），將液晶分子填充于上層玻璃基板和下層金屬反射層之間，金屬反射層和頂層 ITO 公共電極之間的電壓共同決定液晶分子的光通性，而顯示驅(qū)動電路直接在硅基板上完成制備。
LCoS 的顯示原理為：入射的S偏振光經(jīng)過液晶層，若液晶不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，達到底部金屬反射層反射回來時仍為S偏振光，穿過液晶層射出。隨后經(jīng)過 PBS 棱鏡反射回到原來光路 ，光線不進入投影光路，即此像素呈現(xiàn)“暗態(tài)”。反之，若液晶發(fā)生偏轉(zhuǎn)，入射的S偏振光在經(jīng)過液晶層時會發(fā)生偏振，可穿過 PBS 棱鏡是，將進入投影光路，即呈現(xiàn)“亮態(tài)”。
LCoS制作工藝主要為通過半導體工藝進行刻蝕與沉積制造將液晶層和各種保護反射層制備到硅基驅(qū)動。目前由于LCOS量產(chǎn)工藝成熟，大部分參數(shù)都適配光波導，其目前是AR主要方案。
DLP Digital Light Processing數(shù)字光處理。原理與LCoS類似，但是不是通過液晶對光學進行處理，而是通過棱鏡。
DLP核心在于DMD（Digital Micromirror Device），該核心MEMS器件由TI長期壟斷。制作工藝主要為通過半導體工藝制作MEMS系統(tǒng)控制楞鏡偏轉(zhuǎn)，從而控制光路。
OLED-on-Silicon硅基OLED方案。原理與傳統(tǒng)OLED方案，但由于在玻璃基板上很難驅(qū)動小尺寸的像素，從而用CMOS工藝來驅(qū)動小尺寸OLED像素。但由于OLED方案的光的亮度小，如果配合光波導在戶外使用效果不佳。所以硅基OLED方案會限制AR的使用場景，目前看不是主流方案。
MicroLED是當前工人的AR顯示的最佳解決方案，其刷新率、亮度、發(fā)光方式、像素密度等指標都可以提供最佳性能指標。目前是業(yè)界內(nèi)比較公認的最佳解決方案。但由于其像素尺寸，間距都是幾微米量級，給量產(chǎn)和全彩方案帶來了極大的挑戰(zhàn)。
MicroLED的工藝流程大致分為三部分，驅(qū)動背板、像素制備和晶圓鍵合。驅(qū)動背板由于沒有標準，需要芯片設計廠商做定制化開發(fā)。像素制備由于發(fā)光效率問題，面臨新的材料選擇和相應的全彩方案結(jié)構(gòu)設計問題。
▲ MicroLED全流程
MicroLED的一大難點在于，隨著像素尺寸的縮小，EQE會降低，特別是紅光。所以需要選擇新的結(jié)構(gòu)和材料。
▲ MicrLED發(fā)光效率
目前，MicroLED全彩色方案有四種方式。主要分為同質(zhì)材料的全彩方案，主要使用AlInGaN/InGaN。對疊方案，其中紅光和藍綠光的材料不同，使用AlInGaP。最后一種是量子點技術(shù)，也是使用同質(zhì)材料發(fā)光，通過量子點將藍光轉(zhuǎn)為紅色和綠色。
MicroLED發(fā)紅光的主要有兩種方案。采用AlInGaN/InGaN為紅藍綠的像素材料，其優(yōu)勢在于全彩方案結(jié)構(gòu)設計簡單，但在GaN摻入In復雜。選擇非同質(zhì)材料AlInGaP為紅藍綠材料，優(yōu)勢在于AlInGaP技術(shù)相對成熟，但劣勢在于全彩方案結(jié)構(gòu)復雜，需要多次進行晶圓鍵合影響良率。目前兩種方案都還沒有成熟的量產(chǎn)方案。
MicroLED全彩方案采用藍光 量子點技術(shù)，目前是短期可以實現(xiàn)量產(chǎn)的方案。該方法主要使用GaN制備藍光，在與CMOS驅(qū)動背板鍵合，工藝和材料相對其他方案簡單，易于量產(chǎn)。制備完像素后，在每個像素點噴涂量子點，使得藍光轉(zhuǎn)化為紅光和綠光，完成全彩方案。
▲MicroLED量子點技術(shù)
目前AR最佳解決方案是波導 MicroLED方案，但由于MicroLED還在研發(fā)中，AR行業(yè)的成熟方案尚需一定時間。
▲AR不同光學產(chǎn)品與顯示產(chǎn)品之間的匹配度▲各家科技龍頭企業(yè)都在積極布局全彩MicroLED方案。
疫情背景下“宅經(jīng)濟”的出現(xiàn)，使得AR/VR在B端和C端同時擁有了更現(xiàn)實和迫切的入口。在新的光學、顯示等技術(shù)的加持下，VR有望實現(xiàn)一次飛躍。而對于AR，雖然AR的遠期前景好于VR，但由于現(xiàn)階段諸如MicroLED等技術(shù)的不成熟，預計近期AR的表現(xiàn)會略遜于于VR。
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2020年受益宅經(jīng)濟，VR/AR行業(yè)迎來爆發(fā)式增長，VR設備出貨量達670萬臺。目前看VR上游基礎(chǔ)硬件性能基本完備，下游軟件生態(tài)日益豐富，VR行業(yè)已具爆發(fā)條件。2022年VR出貨量有望達到1400萬臺，同比翻倍。
而各大科技公司如蘋果、Facebook、谷歌和微軟等企業(yè)均在AR領(lǐng)域進行深入布局。AR依然是巨頭們看好的下一個大藍海，其蘊含廣闊產(chǎn)業(yè)發(fā)展紅利。
VR/AR，爆發(fā)前夜
受益宅經(jīng)濟，VR產(chǎn)業(yè)在20年迎來爆發(fā)式增長，2020年全球VR出貨量670萬臺，同比增長72%。21年預計全球出貨量達到約800萬臺,22年預計1480萬臺，邁過最重要門檻。
VR未來作為重要的家庭娛樂終端，未來主打游戲功能的沉浸式VR在C端的市場空間可近似比擬游戲主機市場。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，我們預計VR在未來五年出貨量也有望達到5000萬臺。除主打游戲市場沉浸類VR外，觀影類VR以及各類B端應用落地場景逐漸成熟，特別是觀影類VR，潛在目標人群6億左右，目前行業(yè)正在快速成長。
▲VR出貨量歷史數(shù)據(jù)與預測
目前VR產(chǎn)品主要分為主打觀影的高清觀影VR和主打游戲的沉浸式VR。目前觀影式VR增長迅速，知名VR廠商GOOVIS 19年出貨量約6-7千萬、GOOVIS 20年出貨約1萬臺左右，處于快速增長階段。隨著硅基OLED屏幕成本進一步下降，觀影VR價格下探，行業(yè)有望進一步快速發(fā)展。
主打游戲市場的沉浸式VR，主要以Oculus、SONY、HTC和PICO等主要市場玩家，目前各大VR主機廠商均會在今年下半年以及明年上半年陸續(xù)推出新款產(chǎn)品，行業(yè)有望進一步快速發(fā)展。
▲VR產(chǎn)品分類情況以及潛在用戶
VR下游生態(tài)日漸完善，各類游戲大作推動VR活躍用戶增加。根據(jù)VR陀螺數(shù)據(jù)顯示，SteamVR的會話數(shù)量達到1.04億次，平均每場會話時長達到30分鐘。VR層出不窮的游戲大作持續(xù)吸引各類玩家。3A級VR游戲《Half-LifeLAlyx》刺激VR活躍用戶大幅增長,預購人數(shù)超過30萬，同時在線人數(shù)峰值達到42583人。
VR上游供應鏈已基本完善，如光學、微型顯示、主芯片、結(jié)構(gòu)件、定位以及代工廠等都可提供穩(wěn)定成熟的產(chǎn)品供應。這將進一步推動VR產(chǎn)業(yè)走向成熟。
▲VR頭顯總結(jié)與分析
目前市場主要VR廠商有Oculus、DPVR、Pico和HTC等。其中Oculus市占率超過50%，而HTC和SONY份額下降較快。其主要原因在于當前兩公司的在售產(chǎn)品款式較老，同時又即將發(fā)布新款產(chǎn)品，導致大部分消費者選擇觀望。憑借Sony在游戲行業(yè)內(nèi)多年的積累以及出色內(nèi)容產(chǎn)出，是Oculus短期內(nèi)最有力競爭者。
▲VR不同廠商產(chǎn)品市占率情況▲各家公司產(chǎn)品活躍度情況情況
同樣受益于宅經(jīng)濟，AR行業(yè)也迎來了增長。20年出貨量為40萬臺，同比增長33%。21年預計出貨70萬臺,同比增長75%。
▲AR出貨量預測
AR行業(yè)目前上游還處于核心零部件和技術(shù)的攻關(guān)階段，下游生態(tài)也并不成熟，同時產(chǎn)品定位也并不是很清晰。關(guān)于產(chǎn)品定位，目前對于AR的定位有兩種：一是手機屏幕的延伸，二是替代手機是下一代的計算中心。兩種產(chǎn)品定位對應兩種完全不同市場空間，目前產(chǎn)品走向還并不清晰。
目前市場大部分AR廠商的操作系統(tǒng)主要是基于安卓做二次開發(fā)。但幾家大型AR企業(yè)均在自研操作系統(tǒng)，如Hololens推出基于Windows的OS，Magic Leap則重新打造Lumin OS?？傮w看目前整體市場還沒有出現(xiàn)完善的操作系統(tǒng)。
AR的下游應用還處在探索階段，在C端還沒有找到殺手級應用。目前大部分應用主要集中在目標識別，多用于行業(yè)解決方案。
AR的上游核心技術(shù)還并不成熟，諸多技術(shù)環(huán)節(jié)還在研發(fā)階段。
微顯示：因為AR需要工作在外部環(huán)境，需要使用亮度很強的微顯示產(chǎn)品。目前看Micro LED是最理想的解決方案。但目前Micro LED還處在技術(shù)攻克階段，從襯底/外延材料、單片集成到驅(qū)動，目前都沒有成熟的解決方案。
光學：目前主要方案有自由曲面、Birdbath、光波導的方案，目前看衍射光波導方案是未來主流方案。主芯片：目前行業(yè)主要使用高通曉龍8系列芯片，目前市場還沒有專門為AR設備設計的主芯片。
▲AR上游核心技術(shù)情況
AR行業(yè)經(jīng)歷高開低走，產(chǎn)品策略從C端轉(zhuǎn)向B端。由于技術(shù)問題，面向C端市場的的Google Glass和Magic LeapOne等產(chǎn)品銷量遠不達預期，隨后大部分廠商紛紛轉(zhuǎn)向行業(yè)應用市場。雖然進入短暫低谷期，但是仍是科技巨頭未來重點方向。
Facebook蘋果等科技公司正在加速開發(fā)面向消費者的增強現(xiàn)實（AR）眼鏡。蘋果從2006年開始申請了數(shù)百項有關(guān)AR的專利，還收購了10多家AR相關(guān)技術(shù)企業(yè)。Facebook于2017年首次宣布AR眼鏡計劃，之后接連申請了一系列AR技術(shù)相關(guān)專利。還正在研發(fā)AR眼鏡搭配的腕帶等產(chǎn)品。
VR上游技術(shù)，光學、顯示技術(shù)不斷革新
VR具有三大重要參數(shù)：FOV、PDD和 Persistence。
1、 FOV：視場角在光學工程中又稱視場，視場角的大小決定了視野范圍。在VR設備中視場角是最為關(guān)鍵的參數(shù)，市場角的大小直接決定了VR設備的沉浸感。為了得到更好的效果，需要VR設備的FOV做到90°以上。
2、 PPD：與傳統(tǒng)屏幕衡量分辨率不同，VR等近眼設備衡量屏幕清晰度使用角分辨率PPD。指視場角表示平均每1°夾角內(nèi)填充的像素點的數(shù)量。對于頭戴顯示類產(chǎn)品，PPD 數(shù)值越大，就說明對細節(jié)的顯示越精細。
3、 Persistence：余暉效應指人眼在觀察景物時，光信號傳人大腦神經(jīng)，需經(jīng)過一段短暫的時間，光的作用結(jié)束后，視覺形象并不立即消失，從而產(chǎn)生眩暈感。為了降低暈眩感，VR設備需要高刷新率來降低屏幕余暉。
光學器件和屏幕的性能決定了上述三大核心參數(shù)。
光學鏡片起到了放大屏幕圖像提供合適的FOV,其次是幫助人眼聚焦清晰的看到屏幕。是VR系統(tǒng)中最重要的零部件。目前主要廠商產(chǎn)品FOV可以達到90°- 110°左右，未來產(chǎn)品向著160°方向進展。
目前總體看，為了進一步使VR變得更加輕薄，廠商多會選擇采用菲涅爾透鏡而不是非球面鏡。同時為了更好的成像，廠商還會選擇組合透鏡的方式，來消除單一菲涅爾透鏡帶來的問題。
通常VR光學系統(tǒng)主要遇到以下幾點問題：球面像差、色像差、畸變等。特別是為了消除像差問題，目前VR通常需要采用非球面鏡。非球面鏡表面曲率不同，可以讓近軸光線與遠軸光線所形成的焦點位置重合，從而消除球面像差的問題。除此之外，非球面邊緣厚度小，可以降低光學系統(tǒng)的重量。
菲涅爾透鏡，又名螺紋透鏡，多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片。其在設計時會拿掉盡可能多的光學材料，而保留表面的彎曲度，所以菲涅爾透鏡的質(zhì)量要比傳統(tǒng)非球面透鏡輕薄很多。但菲涅爾的成像質(zhì)量存在一定的瑕疵。由于菲尼爾透鏡存在齒距和非工作面，所以會存在一球差問題，并且無法完全消除。
折疊光路，又稱短焦距光學系統(tǒng)，預計是未來VR光學方案的主要方向。因為鏡頭需要將來自顯示器的光聚焦到用戶眼中，而光線的聚焦必須留以足夠的距離，所以VR頭顯必須保持一定的厚度。折疊光路則是將距離”折疊到其自身，使光線可以在更窄的空間內(nèi)穿越同樣的距離。這樣就可以使得整體VR設備變輕薄。
與傳統(tǒng)光學鏡頭不同，折疊光路主要由偏光片、分光器和透鏡等組成。缺點是光線經(jīng)過多次反射會損失能量，所以需要亮度足夠的顯示屏加以配合。光學透鏡目前主要使用光學塑料材料和注塑成型工藝作為首選方案，優(yōu)勢在于低成本和輕量化，注塑成型是VR光學透鏡首選方案。
▲光學透鏡加工工藝與塑料光學系統(tǒng)材料
整體加工過程主要分為填充階段、保壓階段和冷卻階段。精密注塑成型是把注塑機料桶內(nèi)的塑料熔融體精確的填充到模具型腔，塑料熔融體與模具型腔之間進行冷熱交換而造成塑料熔融體的快速冷卻，形成注塑零件的工藝過程。
影響注塑成型的關(guān)鍵因素主要包括模仁模具和注塑成型的仿真技術(shù)。模仁模具直接決定了鏡片的性能和成本。
▲注塑成型的關(guān)鍵因素
產(chǎn)業(yè)鏈總體可分為光學塑料、光學鏡片和光學鏡頭。其中光學鏡頭和鏡片廠商通常為一家，但有時鏡頭廠商會把鏡片產(chǎn)能外包到第三方。
PPD決定了屏幕的清晰度。與傳統(tǒng)手機等屏幕不同，由于VR屏幕離眼睛近，所以引入了PPI的概念。在110°的FOV下，需要2800的PPI才能滿足要求，對屏幕廠商提出了很大的挑戰(zhàn)。為了減少余暉現(xiàn)象，VR設備需要高刷屏才能降低人們的眩暈感。這對驅(qū)動技術(shù)、像素材料帶來了很大的挑戰(zhàn)。
▲VR核心參數(shù)示意圖
為了降低用戶的眩暈感，必須降低余暉，加快屏幕的刷新率。如果刷新率可以達到200hz，眩暈感將大幅降低。VR顯示屏正在從LTPS IPS屏幕逐步向硅基OLED邁進。屏幕的選擇主要在刷新率、PPI和亮度直接權(quán)衡。其中刷新率是最為關(guān)鍵的指標，其次考慮PPI和亮度，所以目前看硅基OLED是最佳方案。
硅基OLED產(chǎn)業(yè)鏈主要分為上游：硅基Driver、OLED材料、濾光片和薄膜封裝材料、中游主要為OLED制造和各類顯示模組、下游主要為各類終端廠商。
▲硅基OLED產(chǎn)業(yè)鏈
AR上游，光波導 MicroLED是未來
AR的光學元件和VR有很大不同。AR需要See Through，與真實環(huán)境發(fā)生交互。所以AR的顯示是不能直接放在眼前，需要放到眼睛旁邊，這時需要一組光學元件將屏幕的像耦合到眼前。
▲VR與AR光學簡易示意圖
AR光學元件正在由自由曲面/Birdbath等向光波導演進。自由曲面等傳統(tǒng)光學元件由于體積過大，使用它們制作出來的產(chǎn)品笨重，所以主流AR廠商都在選擇使用光波導方案，可以讓眼睛尺寸大幅縮減。但光波導的光學損耗很大，效率只有20%左右，需要光機進行配合。
光波導大致分為兩類，一類是幾何光波導，另一類是衍射光波導。其中幾何光波導分為鋸齒光波導和陣列光波導，主要代表光學公司是以色列的Lumus，市場上還未出現(xiàn)大規(guī)模的量產(chǎn)眼鏡產(chǎn)品。
衍射光波導分為全息光波導和表面浮雕光柵波導。HoloLens 2，Magic Leap One均使用表面浮雕光柵波導，蘋果公司收購的Akonia公司采用的是全息體光柵。
幾何陣列光波導的概念最先由以色列公司Lumus提出并一直致力于優(yōu)化迭代，至今差不多二十年。幾何光波導主要由一系列半透半反鏡面組成，其中鏡面是嵌入到玻璃基底里面并且與傳輸光線形成一個特定角度的表面，每一個鏡面會將部分光線反射出波導進入人眼。
幾何光波導運用傳統(tǒng)幾何光學設計理念，不牽扯到任何微納米級結(jié)構(gòu)。因此圖像質(zhì)量包括顏色和對比度可以達到很高的水準。
陣列光波導的加工流程主要是研磨、拋光、鍍膜和膠合四部分。何陣列光波導總體分為四個步驟，但由于傳播的光線都是偏振光，所以要在小棱鏡上鍍十幾甚至幾十層膜。同時膠合5-7個不同反射比的透鏡?？傮w看幾何光波導工藝繁瑣，很難保持高良率，量產(chǎn)難度大。
▲幾何陣列光波導制造流程
衍射光波導主要分為全息光波導和表面浮雕光波導，通過衍射光柵替代傳統(tǒng)幾何光學器件。衍射光柵簡單來說，是一個具有周期結(jié)構(gòu)的光學元件，周期可以是材料表面浮雕出來的高峰和低谷 ，也可以是全息技術(shù)在材料內(nèi)部曝光形成的“明暗干涉條紋”。
光柵波導技術(shù)采用鏡片表面的光柵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)光束的擴展和耦出。通過合理的設計光柵結(jié)構(gòu)，光柵波導技術(shù)可以實現(xiàn)出瞳的二維擴展。工藝相對簡單，批量生產(chǎn)成本低。
▲衍射光波導示意圖
表面浮雕光柵波導方案中通過使用亞波長尺度的表面浮雕光柵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的折反射元件作為光波導中耦入、耦出和擴展區(qū)域的光學元件，從而實現(xiàn)對光束的調(diào)制。根據(jù)凹槽的輪廓、形狀和傾角等結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同，常用的表面浮雕光柵可以分為一維光柵與二維光柵。
一維光柵根據(jù)剖面形狀劃分為矩形光柵、梯形光柵、閃耀光柵和傾斜光柵等，二維光柵常用的結(jié)構(gòu)有六邊形分布的柱狀光柵。
由于可見光波長為450nm-700nm，所以光柵尺寸是微納米級別的。之前需要通過半導體加工工藝進行制造，成本高。目前可使用納米壓印技術(shù)來制做光柵，其中包括熱壓法、紫外線納米壓印光刻法和微接觸壓印法（亦稱為軟光刻）。其中，紫外線納米壓印光刻是表面浮雕光柵波導批量生產(chǎn)的常用方法。
目前浮雕光柵制作的方法更加成熟。同時，壓印設備已經(jīng)可以實現(xiàn)國產(chǎn)化，進一步大幅降低了光柵制造的成本。
通過雙光束全息曝光技術(shù)在介質(zhì)中形成干涉條紋，從而可以獲得折射率周期性變化的光柵結(jié)構(gòu)。全息體光柵并不是通過結(jié)構(gòu)圖型而是通過材料的不同制作光柵，理論上全息光柵的衍射銷率可以達100%，有更好的成像效果。
全息體光柵材料和量產(chǎn)工藝是當前門檻。材料端合成難度大，且多用于軍用對我國禁運。在量產(chǎn)方面，激光脈沖法不適用于規(guī)模量產(chǎn)。所以在全息體光柵方案廠商需要具有IDM能力，提供從材料到量產(chǎn)完整的解決方案。
▲制造體全息光柵波簡易工藝流程示意
目前AR光機有如下幾種方案:LCOS、DLP、OLED-on-Silicon和MicroLED。目前AR產(chǎn)品主要使用DLP或LCOS，但是業(yè)內(nèi)普遍對MicroLED方案達到共識，因為各維度參數(shù)沒有死角，非常適用于AR的應用場景。但當前由于該技術(shù)還在研發(fā)中，預計25年左右可以初步看到量產(chǎn)方案。
▲各方案對比情況
LCOS硅基液晶（liquid crystal on silicon，LCoS），將液晶分子填充于上層玻璃基板和下層金屬反射層之間，金屬反射層和頂層 ITO 公共電極之間的電壓共同決定液晶分子的光通性，而顯示驅(qū)動電路直接在硅基板上完成制備。
LCoS 的顯示原理為：入射的S偏振光經(jīng)過液晶層，若液晶不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，達到底部金屬反射層反射回來時仍為S偏振光，穿過液晶層射出。隨后經(jīng)過 PBS 棱鏡反射回到原來光路 ，光線不進入投影光路，即此像素呈現(xiàn)“暗態(tài)”。反之，若液晶發(fā)生偏轉(zhuǎn)，入射的S偏振光在經(jīng)過液晶層時會發(fā)生偏振，可穿過 PBS 棱鏡是，將進入投影光路，即呈現(xiàn)“亮態(tài)”。
LCoS制作工藝主要為通過半導體工藝進行刻蝕與沉積制造將液晶層和各種保護反射層制備到硅基驅(qū)動。目前由于LCOS量產(chǎn)工藝成熟，大部分參數(shù)都適配光波導，其目前是AR主要方案。
DLP Digital Light Processing數(shù)字光處理。原理與LCoS類似，但是不是通過液晶對光學進行處理，而是通過棱鏡。
DLP核心在于DMD（Digital Micromirror Device），該核心MEMS器件由TI長期壟斷。制作工藝主要為通過半導體工藝制作MEMS系統(tǒng)控制楞鏡偏轉(zhuǎn)，從而控制光路。
OLED-on-Silicon硅基OLED方案。原理與傳統(tǒng)OLED方案，但由于在玻璃基板上很難驅(qū)動小尺寸的像素，從而用CMOS工藝來驅(qū)動小尺寸OLED像素。但由于OLED方案的光的亮度小，如果配合光波導在戶外使用效果不佳。所以硅基OLED方案會限制AR的使用場景，目前看不是主流方案。
MicroLED是當前工人的AR顯示的最佳解決方案，其刷新率、亮度、發(fā)光方式、像素密度等指標都可以提供最佳性能指標。目前是業(yè)界內(nèi)比較公認的最佳解決方案。但由于其像素尺寸，間距都是幾微米量級，給量產(chǎn)和全彩方案帶來了極大的挑戰(zhàn)。
MicroLED的工藝流程大致分為三部分，驅(qū)動背板、像素制備和晶圓鍵合。驅(qū)動背板由于沒有標準，需要芯片設計廠商做定制化開發(fā)。像素制備由于發(fā)光效率問題，面臨新的材料選擇和相應的全彩方案結(jié)構(gòu)設計問題。
▲ MicroLED全流程
MicroLED的一大難點在于，隨著像素尺寸的縮小，EQE會降低，特別是紅光。所以需要選擇新的結(jié)構(gòu)和材料。
▲ MicrLED發(fā)光效率
目前，MicroLED全彩色方案有四種方式。主要分為同質(zhì)材料的全彩方案，主要使用AlInGaN/InGaN。對疊方案，其中紅光和藍綠光的材料不同，使用AlInGaP。最后一種是量子點技術(shù)，也是使用同質(zhì)材料發(fā)光，通過量子點將藍光轉(zhuǎn)為紅色和綠色。
MicroLED發(fā)紅光的主要有兩種方案。采用AlInGaN/InGaN為紅藍綠的像素材料，其優(yōu)勢在于全彩方案結(jié)構(gòu)設計簡單，但在GaN摻入In復雜。選擇非同質(zhì)材料AlInGaP為紅藍綠材料，優(yōu)勢在于AlInGaP技術(shù)相對成熟，但劣勢在于全彩方案結(jié)構(gòu)復雜，需要多次進行晶圓鍵合影響良率。目前兩種方案都還沒有成熟的量產(chǎn)方案。
MicroLED全彩方案采用藍光 量子點技術(shù)，目前是短期可以實現(xiàn)量產(chǎn)的方案。該方法主要使用GaN制備藍光，在與CMOS驅(qū)動背板鍵合，工藝和材料相對其他方案簡單，易于量產(chǎn)。制備完像素后，在每個像素點噴涂量子點，使得藍光轉(zhuǎn)化為紅光和綠光，完成全彩方案。
▲MicroLED量子點技術(shù)
目前AR最佳解決方案是波導 MicroLED方案，但由于MicroLED還在研發(fā)中，AR行業(yè)的成熟方案尚需一定時間。
▲AR不同光學產(chǎn)品與顯示產(chǎn)品之間的匹配度▲各家科技龍頭企業(yè)都在積極布局全彩MicroLED方案。
疫情背景下“宅經(jīng)濟”的出現(xiàn)，使得AR/VR在B端和C端同時擁有了更現(xiàn)實和迫切的入口。在新的光學、顯示等技術(shù)的加持下，VR有望實現(xiàn)一次飛躍。而對于AR，雖然AR的遠期前景好于VR，但由于現(xiàn)階段諸如MicroLED等技術(shù)的不成熟，預計近期AR的表現(xiàn)會略遜于于VR。
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