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AR 引爆新一轮消费级运用革新光学体系继续迭代助力规划量产|光源研讨

来源:江南体育官网    发布时间:2023-07-07 20:11:37

  北京时刻6月6日清晨的2023年苹果全球开发者大会上,蒂姆·库克正式发布苹果的最新 MR 产品——Apple Vision Pro,向全国际宣告空间核算年代的到来。

  苹果自2015年发动智能眼镜项目,期间关于产品规划思路、功用立异、开发进展的谣言不断。7年曩昔,在 Google、Meta、Microsoft 均发布了自家的 XR 产品后,苹果也总算官宣参加战局。除了坚持苹果自始自终的共同规划审美,Vision Pro 在硬件上的堆积也适当阔绰,装备了12个摄像头、5个传感器及6个麦克风,一起搭载了 M2 和 R1 两颗芯片,将显现作用和核算才能做到了极致。在交互方法的规划上,Vision Pro 脱节了手柄的约束,悉数操作依据语音、眼睛和手势来操作,进步了交互功率。

  尽管 Vision Pro 仍是在 VR 眼镜的基础上,借着 VST 来完成 AR 的作用,但苹果在 XR 职业的长时刻深耕及此次高调入局无疑给整个 AR 工业注入了一针强心剂:跟着移动互联网盈利逐步式微,XR(扩展实践)技能及由其支撑的空间互联网工业,最有望接过大旗,引发新一轮消费级运用革新。

  光源本钱履行董事罗锟以为:“VR 和 AR 产品从场景和形状来看既有差异,也互为弥补。从场景来看,VR 更着重沉溺式的极致体会,形状上更像头盔,合适在相对有限的安全空间内运用;而 AR 会更着重通用性和便携性,形状上挨近眼镜,寻求的是全天候的广泛运用。特别近期,伴跟着 ChatGPT 产品的鼓起和广泛运用,极大进步了人机交互功率。那么,VR 和 AR 产品便是从 output 环节给顾客带来更极致的显现体会,二者的结合充满了巨大的幻想空间。”

  尽管终端产品还未完全老练,但 AR 工业链上各环节已初现百家争鸣的态势。依据对职业的深度研讨和与职业头部创业者的继续沟通,光源以为,归于AR职业的要害拐点现已到来。

  依据 Wikipedia 界说,增强实践(Augmented Reality)指结合了实在国际和核算生成内容的交互式体会。AR 首要包含三大特征:虚拟与实践国际的结合、实时的交互及准确的三维符号。

  AR 这一概念最早于1992年被正式提出,美国波音公司的研讨人员开发出了一种头戴式显现体系,使工程师可以运用叠加在电路板上的数字化增强实践图解来拼装这个电路板上的杂乱电线余年间,AR 技能不断迭代演进,并在一些前沿的军事和科技范畴完成了开始运用。2015年,现象级手游《Pokemon Go》横空出世,引发全球“捉宠”热潮,AR 概念在消费级商场完全引爆。

  尽管智能手机现已具有了承载部分 AR 运用场景的才能,但在交互方法、便携性、显现规划等方面的约束仍拘谨了 AR 的幻想空间。所以,AR 眼镜以下一代智能终端的定位横空出世,快速完成了商场发声及开始起量。

  AR 眼镜一般由四大模块组成:光学模组(包含光学和显现)、传感器、芯片和其他组件。AR 眼镜的抱负结尾应当与日常佩带的近视眼镜无异——极致的轻量化和灵敏的交互。但现在受制于各技能环节的不老练,实践产品仍与抱负形状存在差异,整机厂商不得不依据运用场景的差异在便携性、独立性、内容质量、本钱等方面做出不同倾向的取舍。技能上尚不能做到一无是处也成为 AR 眼镜迟迟没有完成完全迸发的重要原因。

  按已商业化的口径来看,国际上最早的AR眼镜产品是2013年由 Google 推出的,以棱镜为光学计划的单色单目眼镜产品 GoogleGlass。但因为价格贵重(US$1500)、续航差(看视频仅能坚持半小时)、以及其他用户体会问题(发热、兼容性差)难以处理,仅发布两年就宣告停产。在 Google Glass 失利之后,国内外大厂及创业公司继续立异,连续推出了多款不同技能计划和产品形状的 AR 眼镜产品。

  依据终端受众的差异,AR 眼镜可分为消费级和工业级/商用级两类产品。消费级眼镜期望打造足以比肩智能手机的新一代数码必需品,更重视用户体会、外观、性价比等产品要素;而工业级眼镜则期望尽可能开释新出产工具的潜力,进步出产功率,因而更重视功用丰厚度和安全性的进步。

  依据 IDC 统计数据,遭到微观经济环境等要素影响,2022年,全球 AR 设备出货量略有下降,年出货量在30万台左右,其间消费级 AR 眼镜出货17万台,初次逾越工业级眼镜出货量,标志着 AR 职业正式迈入消费级年代。跟着微观经济预期的康复,IDC 估计2023年 AR 设备出货量有望同比增加30%+并继续坚持,到2026年出货量将到达百万量级。

  走过近10年的开展进程,AR 眼镜的顾客产品体会日益老练,国产品牌也在全球 AR 商场竞赛中占有了无足轻重的位置:2022年全球 AR 眼镜出货量 Top5 的品牌别离为 Xreal(原 Nreal)、微软、Rokid、TCL(雷鸟)及爱普生,算计占比超75%,我国品牌(Xreal、Rokid、TCL)占有三席,其间 Xreal 以10万台的出货量遥遥抢先,是毫无疑问的商场先行者与领导者。苹果 Vision Pro 的强势进场有望进一步加快 AR 眼镜在消费级商场的浸透。

  现在职业界关于 AR 眼镜的技能计划及产品结局仍没有一致结论,各技能途径均存在不同程度的利益和短板。在很多功用单元中,因为光学显现体系对 AR 眼镜的产品功用有极大影响,且现在在整体 BOM 中占有了最高份额,被以为是未来 AR 职业开展的最大技能掣肘。下面咱们将要点重视光学器材及显现器材的开展现状,对职业的未来开展趋势进行预判。

  在 AR 眼镜中,光学体系一般由光学器材和微型显现屏组成,是 AR 眼镜硬件组成中最重要的部分。光学显现体系之所以对 AR 眼镜产品如此重要,首要体现在以下方面:

  进步显现质量,完成真假结合:AR 眼镜需求让用户一起看到虚拟内容和实践国际,所以需求统筹眼镜的透明度和虚拟内容的明晰度。杰出的光学体系一方面可以供给高分辨率、高比照度和准确的颜色再现,使得虚拟内容更实在、更明晰,另一方面经过调整光学元件的折射/反射/投射特性,确保透明度和光线传输功率,确保镜片最小限度地搅扰用户对实践环境的感知,终究完成虚拟和实践国际在眼镜内的完美交融。

  进步运用体会,进步产品漂亮度:合理的光学规划可以使得 AR 眼镜更轻浮,佩带更舒适;准确调理的焦距和视角还能扩展用户视界,确保实践国际明晰度;此外,体积较大的光学体系还会直接影响到 AR 整机的外观规划。上述产品维度对消费级商场的遍及尤为重要。

  如前所述,现在光学显现体系还没有具有肯定优势的技能计划,不同途径存在不同的功用优势和缺点。接下来咱们将别离对光学显现体系的两大要害环节——光学器材及微型显现器展开讨论。

  现在光学器材的技能计划首要有两个方向,一个方向是依据传统的折射投射光学原理的曲面计划,延伸出 Birdbath 计划、棱镜计划和自在曲面计划等细分方向,其间 Birdbath 是现在最为干流的挑选;另一类则依据全反射原理,选用全新的光波导技能计划,细分为几许光波导和衍射光波导方向。

  Birdbath:最老练的消费级产品光学计划,现已可以承载相对完好的 AR 体会

  Birdbath 是现在消费级商场中最为常见的光学计划,包含 Xreal Air、Rokid Max、雷鸟Air 1S 均选用了 Birdbath 的形式。从原理上,Birdbath 技能首要结合了曲面镜和分束器两个光学组件,分束器由一起具有反射和投射功用的原料制成,图画由投影仪投射至曲面镜上,垂直于曲面镜的光则经过火束器反射到曲面镜上,一起,佩带者可以透过镜片看到外部环境,然后完成在数字图画以外看到实在国际。

  Birdbath 依据传统折射/投射的光学原理,优势包含更低的本钱(大部分依据塑料薄膜)、更轻的分量及更好的成像质量,调配 Micro OLED 屏幕作用超卓。且功率比光波导更高,图画质量也很好,是现在阶段统筹 AR 快捷性和显现作用的最佳计划,现在已完成了规划量产。Xreal 在2022年8月发布的 Xreal Air 就选用 Birdbath 光学计划,并针对 Birdbath 镜片透光率低导致用户体会欠安的问题进行了针对性优化。经过优化鼻托规划及可拆卸的定制近视镜片等方法,使得 Xreal 更契合不同人体佩带的舒适性,加之超卓的显现作用和交互体会,取得了全球用户的认可。

  光波导则是现在光学器材的另一干流方向,现在微软 HoloLens 和 Magic Leap 都在研制光波导技能,有望成为 AR 眼镜光学器材的结局计划之一。

  Birdbath 的一大短板便是在传达过程中存在很多光损,假如想要光在传输过程中无损失和走漏,“全反射”是抱负的手法。到达全反射需求满意两个条件,即(1)传输介质(波导资料)需求具有比周围介质高的折射率,和(2)光进入波导的入射角超越临界值。依托光波导的特性,AR 眼镜有望将显现屏和成像体系移至脑门或旁边面,远离眼睛,这极大下降了光学体系对外界视野的阻挠,有利于整机从头分配重心,改善佩带体会。此外,光波导的优异透光率也让 AR 眼镜在展实际在国际的一起,经过多层波导片堆叠的方法,完成愈加实在的三维图画。

  依据光进出波导的耦合结构不同,光波导又可以进一步区分为几许光波导和衍射光波导两类。几许光波导运用传统的几许学规划理念,经过阵列反射镜堆叠,完成图画的输出和动眼框的扩展;而在衍射光波导计划中,得益于光学元件开展至微纳米等级,传统的几许光学结构被平面的衍射光栅所代替。经过在玻璃基底平面上加镀一层薄膜,引起了折射率的周期性改变,然后完成对光线的有用控制,在到达传统光学器材相似作用的一起,大幅节约设备空间,进步了控制的自在度。依据光栅制造工艺的不同,衍射光波导还可以进一步区分为外表浮雕光栅光波导和体全息光栅光波导。

  但是,现在依据外表浮雕光栅技能的量产难点在于模板规划的难度较大,触及半导体微纳米等级加工工艺,需在硅基底上经过电子束曝光和离子刻蚀制成母版,而且,纳米压印技能所触及的设备和工艺现在均由海外引入,关于草创企业来说进入门槛较高。体全息光栅光波导在单色显现方面较为有优势,但光学原理、工艺、本钱等问题没有处理,处于较为前期阶段。

  除光学计划外,作为 AR 整机硬件的另一个组成部分,显现器材也是需求重视的要点范畴。AR 眼镜关于分辨率、亮度及功耗等要求更高,原有 VR 干流计划 Fast-LCD 因为功耗高、比照度低、亮度低、分辨率低现已无法满意 AR 眼镜的要求,而 Micro OLED 和 Micro LED 逐步成为 AR 眼镜的干流显现计划。

  Micro OLED 也称硅基 OLED,是一种立异性地结合了半导体和 OLED 的微显现器技能,是以制造有 CMOS 驱动电路的单晶硅芯片作为有源驱动背板而制造的自动式有机发光二极管显现器材。比较于 Fast-LCD,Micro OLED 微显现技能具有不少长处:

  低功耗:为自发光技能无需背光源,功耗为 LCD 的30-40%, 进一步进步续航才能,电池分量可以更轻。

  半导体工艺和显现工艺均专业且杂乱,Micro OLED 将两者集成于同一器材之中,关于工艺技能要求非常苛刻。不过令人欢喜的是,现在职业界已有玩家成功研制出老练的产品,并完成商业化量产。

  鉴于以上优势和工艺老练度,Micro OLED 是现在可量产的、功用优势最为杰出的计划,现在 Apple Vision Pro,以及国内干流 AR 眼镜厂商如 Xreal、Rokid、雷鸟等很多量产的产品均选用 Micro OLED 计划。

  Micro LED 又称为微发光二极体,是将传统 LED 薄膜化、细小化和矩阵化,使像素点间隔从毫米级下降至微米等级,可在一个晶片上高度集成的固体自发光显现技能。

  比较传统 LCD、OLED,Micro LED 具有高亮度、高分辨率、低功耗、高比照、高颜色饱和度、呼应速度快、厚度薄、寿命长等特性,功率耗费量可进一步下降至 LCD 的10%、OLED 的50%,且合适调配光波导。

  但是,现在 Micro LED 在近眼显现范畴首要缺点是红光功率严重不足,难以完成全彩的高亮显现。除此之外,Micro LED 现在存在衬底一致性、像素刻蚀工艺、键合工艺等技能应战,且巨量搬运的速度良率仍有待进步,制造本钱仍非常昂扬。

  1)光学器材:Birdbath 为中短期内均衡本钱和显现作用的最佳落地计划,光波导作为 AR 眼镜的结局计划之一,实践运用仍需长时刻迭代

  Birdbath 计划在国内消费级商场更为遍及,常调配 MicroOLED 屏幕运用,二者合作后的光效会优于现在已有的大多数计划,Birdbath 计划的部分细节问题可经过替换资料等方法进行优化,技能迭代难度系数中等,在短期内可看作是一个均衡本钱和显现作用的最佳落地计划。

  现在,国内草创公司在 Birdbath 方面体现较为杰出。整机厂商 Xreal 是国内最早拥抱 Birdbath 技能道路年起,先后在韩国、日本、欧美等商场出售,现已完成了自研 Birdbath 的规划量产,以及职业抢先的显现作用。此外,鸿蚁光电和惠牛科技也推出了自己的 Birdbath 产品,并取得一些下流整机厂商的收购。

  依据传统光学的几许光波导技能诞生已久,职业领导者是以色列企业 Lumus。2023年5月,Lumus 刚刚发布了第二代几许光波导模组 Z-Lens,依据二维扩瞳光波导技能,Z-Lens 完成了分辨率、亮度的进步和体积的缩小。但几许光波导最大的问题是其制造工艺极端杂乱,导致终究良品率很低,现在难以完成量产。

  国内玩家活跃布局 AR 光波导范畴,其间既有 AR 整机玩家,也有传统光学厂商,头部创业公司如珑璟光电、灵犀微光、鲲游光电、至格科技等也活跃推进技能迭代,以规划量产和被消费级产品选用为终极目标。

  归纳来看,国内外光波导技能都处在技能开展期,途径的多元带来了生态的昌盛,但现在为止光波导在消费级 AR 范畴的规划化量产还需求时刻,国内外光波导道路均没有肯定老练的计划。从更长时刻的终极解法视角来看,光源看好光波导范畴的未来开展,职业界专心技能自研的头部创业公司值得长时刻重视。

  2)显现器材:Micro OLED 是现在微显现范畴商业化的最优解,长时刻 Micro LED 有望成为干流计划之一

  索尼 Micro OLED 技能在业界处于抢先水平,现在在供消费级 AR 眼镜的 Micro OLED 范畴处于肯定独占位置。苹果 MR 头显调配两块1.41英寸索尼  4K Micro OLED 屏幕,每英寸达3,000 像素,完成 8K 超高解析度,具有约5,000尼特或更高的亮度,支撑 HDR 或高动态规划的内容,归于全球顶尖水平。苹果为 MR 头显打造的高端显现屏是最贵重的部件,也是单产品价格3,499美元价格的首要贡献者。

  国内厂商近些年在 Micro OLED 范畴奋勇赶上,有多家厂商均已布局,因为在上游蒸镀设备根本被日本佳能 Tokki 独占,且出产 Micro OLED 上游的有机资料方面,国外厂商关于中心专利的约束造成了我国在有机资料中心工业链国产化呈现了断层,限制了我国 OLED 显现面板职业的快速开展。现在,欣奕华现已在蒸镀设备国产化完成打破,正推进国内面板职业的快速开展,赶快脱节设备卡脖子局势。

  现在来看,国内厂商各家在技能水平、显现作用、良率方面虽与索尼存在必定间隔,但已可以出产出满意消费级 AR 眼镜需求的产品,而且跟着技能的不断迭代,和索尼的间隔正逐步缩小。到现在,国内京东方创视界、视涯科技、宏禧科技已建成可出产更高制程产品的12寸产线,本钱存在更大起伏的下降空间。别的,湖畔光电、熙泰科技也在活跃布局 Micro OLED 12寸产线。在近期刚完毕的 SID 2023(Display Week 2023)展会上,京东方和视涯科技均展现了最新研制的1.3英寸 Micro OLED 显现屏,功用已比肩索尼。

  Micro LED 比较 Micro OLED,最显着的在于其高亮度优势,现在已能看到单色产品量产,可作为单色高亮场景的弥补技能,但现阶段间隔全彩屏 AR 眼镜端大规划商业化还有必定间隔。短期内和 Micro OLED 仍非竞赛代替联系,Micro OLED 更合适大面积、高分辨率的场景,Micro LED 更合适小尺度、高亮度的场景,两者的运用场景有所差异。从远期来看,未来跟着 Micro LED 技能愈加老练,本钱下降,有望逐步代替硅基 OLED。

  现在,国内外各厂商的 Micro LED 均未到大规划量产阶段。但国内已有多家厂商在 Micro LED 范畴有所打破,比方相同在 SID2023(Display Week 2023) 展会上,JBD获2023SID 年度显现产品奖的JBD MicroLED AM-µLED™ 0.13系列微显现屏,现已可以完成红光75万尼特、绿光500万尼特、蓝光100万尼特。镭昱半导体全球首发声称打破了现在 MicroLED 微显现芯片的最小尺度纪录的0.11英寸及0.22英寸单片全彩 Micro LED 微显现屏系列产品,等等。

  光源以为,从供应链安全的视点考虑,国内 Micro OLED 与 Micro LED 厂商仍存在巨大国产代替时机;别的,影响消费级 AR 眼镜是否能快速起量重要要素之一在于眼镜价格,而屏幕作为 BOM 本钱的重要组成部分,具有极大的本钱下降空间,国内面板厂商选用先进制程,进步良率,改善工艺技能,可以做到确保作用前提下的更低本钱,然后助力消费级 AR 职业的迸发。

  AR 究其特性及未来远期开展空间,可完成全环境内事物信息的实时收集反应,且交互方法将愈加直接天然,有望成为下一代流量进口和核算渠道。

  现在 AR 职业还处于较为前期的阶段,产品形状和运用场景还没有终究确认。一方面,适用于 AR 的光学、显现、芯片、体系等中心供应链没有老练。就光学体系环节而言,Birdbath+Micro OLED 计划已率先在消费级 AR 眼镜落地并完成规划量产,是当下平衡作用、本钱与工艺老练度后大规划商业化的最佳挑选。远期来看,光波导和Micro LED的组合将助力AR眼镜的功用与用户体会完成质的腾跃。但不论是光波导仍是 Micro LED,现阶段制造工艺难度较大,咱们判别,至少仍需5年的时刻才可完成大规划商业化量产。软件方面,咱们看好苹果在 VisionOS 的尽力以及对XR生态的拉动。国内创业公司如虹宇科技等,也在加大研制和产品化进展,赶快完成可对标 VisionOS 的我国版 XR 操作体系。另一方面,AR 眼镜本身的产品界说、交互方法和运用场景也充满了不确认性。在各种技能道路没有终究确认的情况下,大厂没有肯定独占,各个玩家都有时机。

  光源以为,近期内可以要点重视具有硬件显现作用好,佩带舒适便携,生态丰厚,供应链整合才能强,本钱可控,顾客口碑好的硬件终端。供应链方面,硬件范畴可重视已可以完成商业化量产的 Birdbath 模组、Micro OLED 面板厂商,中长时刻重视技能逐步老练的光波导、Micro LED 厂商。软件范畴,需求重视可完成多任务场景的、低资源耗费、可赶快完成商业化落地的 XR 操作体系公司。

  别的,上游设备,如 Micro LED 需求运用的巨量搬运、Micro OLED 需求运用的蒸镀机、衍射光波导需求运用的光刻机仍高度依靠进口,国内这块仍归于卡脖子范畴,在当时国际形势多变的情况下需尽可能完成国产代替,相同主张重视国内上游相关设备和资料范畴相关草创企业的时机。

  跟着工业链各环节逐步老练,咱们等待 AR 眼镜作为继 PC 和手机之后的下一代消费电子交互设备,可以真如一般眼镜相同全天佩带,将 PC 和手机的功用集成在 AR 设备中,完成与设备的全天候实时交互,从头界说人类与数字国际的互动方法,带来愈加沉溺、个性化、交互化的数字体会。

  [1] 2023.04,艾瑞咨询,《我国增强实践(AR)职业研讨陈述》;

  [2] 2022.09,国元证券,《OLED 面板职业陈述:OLED 迎来开展良机,供应链国产化率加快进步》;

  [3] 2020.07,天风证券,《硅基 OLED:下一代微显现技能,军用转民用,AR/VR翻开生长空间》;

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