北京时间6月6日凌晨的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，向全世界宣告空间计算时代的到来。苹果自2015年启动智能眼镜项目，期间关于产品设计思路、功能创新、开发进度的流言不断。7年过去，在 Google、Meta、Microsoft 均发布了自家的 XR 产品后，苹果也终于官宣加入战局。除了保持苹果一如既往的独特设计审美，Vision Pro 在硬件上的堆积也相当阔绰，配备了12个摄像头、5个传感器及6个麦克风，同时搭载了 M2 和 R1 两颗芯片，将显示效果和计算能力做到了极致。在交互方式的设计上，Vision Pro 摆脱了手柄的限制，全部操作基于语音、眼睛和手势来操作，提升了交互效率。尽管 Vision Pro 仍是在 VR 眼镜的基础上，借着 VST 来实现 AR 的效果，但苹果在 XR 行业的长期深耕及此次高调入局无疑给整个 AR 产业注入了一针强心剂：随着移动互联网红利逐渐式微，XR（扩展现实）技术及由其支撑的空间互联网产业，最有望接过大旗，引发新一轮消费级应用革命。光源资本执行董事罗锟认为：“VR 和 AR 产品从场景和形态来看既有差异，也互为补充。从场景来看，VR 更强调沉浸式的极致体验，形态上更像头盔，适合在相对有限的安全空间内使用；而 AR 会更强调通用性和便携性，形态上接近眼镜，追求的是全天候的广泛使用。尤其近期，伴随着 ChatGPT 产品的兴起和广泛应用，极大提升了人机交互效率。那么，VR 和 AR 产品就是从 output 环节给消费者带来更极致的显示体验，二者的结合充满了巨大的想象空间。”虽然终端产品还未完全成熟，但 AR 产业链上各环节已初现百花齐放的态势。基于对行业的深度研究和与行业头部创业者的持续交流，光源认为，属于AR行业的关键拐点已经到来。
研究团队 | 光源 XR 小组 罗锟、权博、黄婉怡、沈浩然
联系方式 | dianahuang@lighthousecap.cn
AR 整机：消费级市场拐点已至
根据 Wikipedia 定义，增强现实（Augmented Reality）指结合了真实世界和计算生成内容的交互式体验。AR 主要包含三大特征：虚拟与现实世界的结合、实时的交互及精确的三维标记。AR 这一概念最早于1992年被正式提出，美国波音公司的研究人员开发出了一种头戴式显示系统，使工程师能够使用叠加在电路板上的数字化增强现实图解来组装这个电路板上的复杂电线束。在之后的10余年间，AR 技术不断迭代演进，并在一些前沿的军事和科技领域实现了初步应用。2015年，现象级手游《Pokemon Go》横空出世，引发全球“捉宠”热潮，AR 概念在消费级市场彻底引爆。虽然智能手机已经具备了承载部分 AR 应用场景的能力，但在交互方式、便携性、显示范围等方面的局限仍拘束了 AR 的想象空间。于是，AR 眼镜以下一代智能终端的定位横空出世，快速实现了市场发声及初步起量。AR 眼镜一般由四大模块组成：光学模组（包括光学和显示）、传感器、芯片和其他组件。AR 眼镜的理想终点应当与日常佩戴的近视眼镜无异——极致的轻量化和灵活的交互。但目前受制于各技术环节的不成熟，实际产品仍与理想形态存在差异，整机厂商不得不根据应用场景的差异在便携性、独立性、内容质量、成本等方面做出不同倾向的取舍。技术上尚不能做到尽善尽美也成为 AR 眼镜迟迟没有实现彻底爆发的重要原因。按已商业化的口径来看，世界上最早的AR眼镜产品是2013年由 Google 推出的，以棱镜为光学方案的单色单目眼镜产品 Google
Glass。但由于价格昂贵（US$1500）、续航差（看视频仅能维持半小时）、以及其他用户体验问题（发热、兼容性差）难以解决，仅发布两年就宣布停产。在 Google Glass 失败之后，国内外大厂及创业公司持续创新，陆续推出了多款不同技术方案和产品形态的 AR 眼镜产品。根据终端受众的差异，AR 眼镜可分为消费级和工业级/商用级两类产品。消费级眼镜希望打造足以比肩智能手机的新一代数码必需品，更关注用户体验、外观、性价比等产品要素；而工业级眼镜则希望尽可能释放新生产工具的潜力，提高生产效率，因此更注重功能丰富度和安全性的提升。根据 IDC 统计数据，受到宏观经济环境等因素影响，2022年，全球 AR 设备出货量略有下降，年出货量在30万台左右，其中消费级 AR 眼镜出货17万台，首次超越工业级眼镜出货量，标志着 AR 行业正式迈入消费级时代。随着宏观经济预期的恢复，IDC 预计2023年 AR 设备出货量有望同比增长30%+并持续保持，到2026年出货量将达到百万量级。走过近10年的发展历程，AR 眼镜的消费者产品体验日益成熟，国产品牌也在全球 AR 市场竞争中占据了举足轻重的地位：2022年全球 AR 眼镜出货量 Top5 的品牌分别为 Xreal（原 Nreal）、微软、Rokid、TCL（雷鸟）及爱普生，合计占比超75%，中国品牌（Xreal、Rokid、TCL）占据三席，其中 Xreal 以10万台的出货量遥遥领先，是毫无疑问的市场先行者与领导者。苹果 Vision Pro 的强势入场有望进一步加速 AR 眼镜在消费级市场的渗透。目前行业内对于 AR 眼镜的技术方案及产品终局仍没有统一定论，各技术路径均存在不同程度的长处和短板。在众多功能单元中，由于光学显示系统对 AR 眼镜的产品性能有极大影响，且目前在总体 BOM 中占据了最高比例，被认为是未来 AR 行业发展的最大技术掣肘。下面我们将重点关注光学器件及显示器件的发展现状，对行业的未来发展趋势进行预判。拆解 AR 光学系统
实现虚实无缝融合的关键技术
在 AR 眼镜中，光学系统通常由光学器件和微型显示屏组成，是 AR 眼镜硬件组成中最重要的部分。光学显示系统之所以对 AR 眼镜产品如此重要，主要体现在以下方面：- 提高显示质量，实现虚实结合：AR 眼镜需要让用户同时看到虚拟内容和现实世界，所以需要兼顾眼镜的透明度和虚拟内容的清晰度。良好的光学系统一方面能够提供高分辨率、高对比度和准确的颜色再现，使得虚拟内容更真实、更清晰，另一方面通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效率，确保镜片最小限度地干扰用户对现实环境的感知，最终实现虚拟和现实世界在眼镜内的完美融合。
- 提高使用体验，提升产品美观度：合理的光学设计可以使得 AR 眼镜更轻薄，佩戴更舒适；精确调节的焦距和视角还能扩大用户视野，保证现实世界清晰度；此外，体积较大的光学系统还会直接影响到 AR 整机的外观设计。上述产品维度对消费级市场的普及尤为重要。
如前所述，目前光学显示系统还没有具备绝对优势的技术方案，不同路径存在不同的性能优势和缺陷。接下来我们将分别对光学显示系统的两大关键环节——光学器件及微型显示器展开讨论。1）光学器件
目前光学器件的技术方案主要有两个方向，一个方向是基于传统的折射投射光学原理的曲面方案，延伸出 Birdbath 方案、棱镜方案和自由曲面方案等细分方向，其中 Birdbath 是目前最为主流的选择；另一类则基于全反射原理，采用全新的光波导技术方案，细分为几何光波导和衍射光波导方向。- Birdbath：最成熟的消费级产品光学方案，已经可以承载相对完整的 AR 体验
Birdbath 是目前消费级市场中最为常见的光学方案，包括 Xreal Air、Rokid Max、雷鸟Air 1S 均采用了 Birdbath 的模式。从原理上，Birdbath 技术主要结合了曲面镜和分束器两个光学组件，分束器由同时具有反射和投射功能的材质制成，图像由投影仪投射至曲面镜上，垂直于曲面镜的光则通过分束器反射到曲面镜上，同时，佩戴者可以透过镜片看到外部环境，从而实现在数字图像以外看到真实世界。Birdbath 基于传统折射/投射的光学原理，优势包括更低的成本（大部分基于塑料薄膜）、更轻的重量及更好的成像质量，搭配 Micro OLED 屏幕效果出色。且效率比光波导更高，图像质量也很好，是目前阶段兼顾 AR 便捷性和显示效果的最佳方案，目前已实现了规模量产。Xreal 在2022年8月发布的 Xreal Air 就采用 Birdbath 光学方案，并针对 Birdbath 镜片透光率低导致用户体验不佳的问题进行了针对性优化。通过优化鼻托设计及可拆卸的定制近视镜片等方式，使得 Xreal 更符合不同人体佩戴的舒适性，加之出色的显示效果和交互体验，获得了全球用户的认可。- 光波导：进一步提升显示性能，改善产品形态，但技术难度较大
光波导则是目前光学器件的另一主流方向，目前微软 HoloLens 和 Magic Leap 都在研发光波导技术，有望成为 AR 眼镜光学器件的终局方案之一。Birdbath 的一大短板就是在传播过程中存在大量光损，如果想要光在传输过程中无损失和泄露，“全反射”是理想的手段。达成全反射需要满足两个条件，即（1）传输介质（波导材料）需要具备比周围介质高的折射率，和（2）光进入波导的入射角超过临界值。依靠光波导的特性，AR 眼镜有望将显示屏和成像系统移至额头或侧面，远离眼睛，这极大降低了光学系统对外界视线的阻挡，有利于整机重新分配重心，改善佩戴体验。此外，光波导的优秀透光率也让 AR 眼镜在展示真实世界的同时，通过多层波导片堆叠的方式，实现更加真实的三维图像。根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何光波导和衍射光波导两类。几何光波导运用传统的几何学设计理念，通过阵列反射镜堆叠，实现图像的输出和动眼框的扩大；而在衍射光波导方案中，得益于光学元件发展至微纳米级别，传统的几何光学结构被平面的衍射光栅所取代。通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变化，从而实现对光线的有效操控，在达到传统光学器件类似效果的同时，大幅节省设备空间，提高了操控的自由度。根据光栅制作工艺的不同，衍射光波导还可以进一步区分为表面浮雕光栅光波导和体全息光栅光波导。然而，目前基于表面浮雕光栅技术的量产难点在于模板设计的难度较大，涉及半导体微纳米级别加工工艺，需在硅基底上通过电子束曝光和离子刻蚀制成母版，而且，纳米压印技术所涉及的设备和工艺目前均由海外引进，对于初创企业来说进入门槛较高。体全息光栅光波导在单色显示方面较为有优势，但光学原理、工艺、成本等问题尚未解决，处于较为早期阶段。2）显示器件
除光学方案外，作为 AR 整机硬件的另一个组成部分，显示器件也是需要关注的重点领域。AR 眼镜对于分辨率、亮度及功耗等要求更高，原有 VR 主流方案 Fast-LCD 由于功耗高、对比度低、亮度低、分辨率低已经无法满足 AR 眼镜的要求，而 Micro OLED 和 Micro LED 逐渐成为 AR 眼镜的主流显示方案。Micro OLED 也称硅基 OLED，是一种创新性地结合了半导体和 OLED 的微显示器技术，是以制作有 CMOS 驱动电路的单晶硅芯片作为有源驱动背板而制作的主动式有机发光二极管显示器件。相比于 Fast-LCD，Micro OLED 微显示技术具有不少优点：- 快速响应：像素响应速度为微秒级，可以有效减弱眼镜设备的使用眩晕感。
- 高对比度：对比度可以达到10,000:1，进一步优化眼镜显示效果。
- 低功耗：为自发光技术无需背光源，功耗为 LCD 的30-40%， 进一步提升续航能力，电池重量可以更轻。
- 体积小轻量化：像素尺寸为传统显示器件的1/10，重量减少50%以上。
半导体工艺和显示工艺均专业且复杂，Micro OLED 将两者集成于同一器件之中，对于工艺技术要求非常严苛。不过令人欣喜的是，目前行业内已有玩家成功研制出成熟的产品，并实现商业化量产。鉴于以上优势和工艺成熟度，Micro OLED 是目前可量产的、性能优势最为突出的方案，目前 Apple Vision Pro，以及国内主流 AR 眼镜厂商如 Xreal、Rokid、雷鸟等大量量产的产品均采用 Micro OLED 方案。Micro LED 又称为微发光二极体，是将传统 LED 薄膜化、微小化和矩阵化，使像素点距离从毫米级降低至微米级别，可在一个晶片上高度集成的固体自发光显示技术。相比传统 LCD、OLED，Micro LED 具有高亮度、高分辨率、低功耗、高对比、高色彩饱和度、响应速度快、厚度薄、寿命长等特性，功率消耗量可进一步降低至 LCD 的10%、OLED 的50%，且适合搭配光波导。然而，目前 Micro LED 在近眼显示领域主要缺陷是红光效率严重不足，难以实现全彩的高亮显示。除此之外，Micro LED 目前存在衬底一致性、像素刻蚀工艺、键合工艺等技术挑战，且巨量转移的速度良率仍有待提升，制造成本仍十分高昂。1）光学器件：Birdbath 为中短期内均衡成本和显示效果的最佳落地方案，光波导作为 AR 眼镜的终局方案之一，实际应用仍需长时间迭代
Birdbath 方案在国内消费级市场更为普及，常搭配 Micro
OLED 屏幕使用，二者配合后的光效会优于目前已有的大多数方案，Birdbath 方案的部分细节问题可通过更换材料等方式进行优化，技术迭代难度系数中等，在短期内可看作是一个均衡成本和显示效果的最佳落地方案。目前，国内初创公司在 Birdbath 方面表现较为突出。整机厂商 Xreal 是国内最早拥抱 Birdbath 技术路线的玩家，自2020年起，先后在韩国、日本、欧美等市场发售，已经实现了自研 Birdbath 的规模量产，以及行业领先的显示效果。此外，鸿蚁光电和惠牛科技也推出了自己的 Birdbath 产品，并获得一些下游整机厂商的采购。基于传统光学的几何光波导技术诞生已久，行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何光波导模组 Z-Lens，基于二维扩瞳光波导技术，Z-Lens 实现了分辨率、亮度的提升和体积的缩小。但几何光波导最大的问题是其制造工艺极其复杂，导致最终良品率很低，目前难以实现量产。国内玩家积极布局 AR 光波导领域，其中既有 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、至格科技等也积极推进技术迭代，以规模量产和被消费级产品采用为终极目标。综合来看，国内外光波导技术都处在技术发展期，路径的多元带来了生态的繁荣，但目前为止光波导在消费级 AR 领域的规模化量产还需要时间，国内外光波导路线均没有绝对成熟的方案。从更长期的终极解法视角来看，光源看好光波导领域的未来发展，行业内专注技术自研的头部创业公司值得长期关注。
2）显示器件：Micro OLED 是目前微显示领域商业化的最优解，长期 Micro LED 有望成为主流方案之一
索尼 Micro OLED 技术在业界处于领先水平，目前在供消费级 AR 眼镜的 Micro OLED 领域处于绝对垄断地位。苹果 MR 头显搭配两块1.41英寸索尼 4K Micro OLED 屏幕，每英寸达3,000 像素，实现 8K 超高解析度，具有约5,000尼特或更高的亮度，支持 HDR 或高动态范围的内容，属于全球顶尖水平。苹果为 MR 头显打造的高端显示屏是最昂贵的部件，也是单产品售价3,499美元价格的主要贡献者。国内厂商近些年在 Micro OLED 领域奋起直追，有多家厂商均已布局，由于在上游蒸镀设备基本被日本佳能 Tokki 垄断，且生产 Micro OLED 上游的有机材料方面，国外厂商对于核心专利的限制造成了我国在有机材料核心产业链国产化出现了断层，制约了我国 OLED 显示面板行业的快速发展。目前，欣奕华已经在蒸镀设备国产化实现突破，正推动国内面板行业的快速发展，尽快摆脱设备卡脖子局面。目前来看，国内厂商各家在技术水平、显示效果、良率方面虽与索尼存在一定差距，但已可以生产出满足消费级 AR 眼镜需求的产品，并且随着技术的不断迭代，和索尼的差距正逐渐缩小。截至目前，国内京东方创视界、视涯科技、宏禧科技已建成可生产更高制程产品的12寸产线，成本存在更大幅度的下降空间。另外，湖畔光电、熙泰科技也在积极布局 Micro OLED 12寸产线。在近期刚结束的 SID 2023
(Display Week 2023)展会上，京东方和视涯科技均展示了最新研发的1.3英寸 Micro OLED 显示屏，性能已比肩索尼。Micro LED 相比 Micro OLED，最明显的在于其高亮度优势，目前已能看到单色产品量产，可作为单色高亮场景的补充技术，但现阶段距离全彩屏 AR 眼镜端大规模商业化还有一定距离。短期内和 Micro OLED 仍非竞争替代关系，Micro OLED 更适合大面积、高分辨率的场景，Micro LED 更适合小尺寸、高亮度的场景，两者的应用场景有所差异。从远期来看，未来随着 Micro LED 技术更加成熟，成本降低，有望逐步替代硅基 OLED。目前，国内外各厂商的 Micro LED 均未到大规模量产阶段。但国内已有多家厂商在 Micro LED 领域有所突破，比如同样在 SID
2023(Display Week 2023) 展会上，JBD获2023
SID 年度显示产品奖的JBD MicroLED AM-µLED™ 0.13系列微显示屏，已经能够实现红光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号称打破了目前 Micro
LED 微显示芯片的最小尺寸纪录的0.11英寸及0.22英寸单片全彩 Micro LED 微显示屏系列产品，等等。光源认为，从供应链安全的角度考虑，国内 Micro OLED 与 Micro LED 厂商仍存在巨大国产替代机会；另外，影响消费级 AR 眼镜是否能快速起量重要因素之一在于眼镜价格，而屏幕作为 BOM 成本的重要组成部分，具有极大的成本下降空间，国内面板厂商采用先进制程，提高良率，改进工艺技术，可以做到保证效果前提下的更低成本，从而助力消费级 AR 行业的爆发。AR 究其特性及未来远期发展空间，可实现全环境内事物信息的实时采集反馈，且交互方式将更加直接自然，有望成为下一代流量入口和计算平台。
目前 AR 行业还处于较为早期的阶段，产品形态和应用场景还没有最终确定。一方面，适用于 AR 的光学、显示、芯片、系统等核心供应链尚未成熟。就光学系统环节而言，Birdbath+Micro OLED 方案已率先在消费级 AR 眼镜落地并实现规模量产，是当下平衡效果、成本与工艺成熟度后大规模商业化的最佳选择。远期来看，光波导和Micro LED的组合将助力AR眼镜的性能与用户体验实现质的飞跃。但不论是光波导还是 Micro LED，现阶段制作工艺难度较大，我们判断，至少仍需5年的时间才可实现大规模商业化量产。软件方面，我们看好苹果在 VisionOS 的努力以及对XR生态的拉动。国内创业公司如虹宇科技等，也在加大研发和产品化进度，尽快实现可对标 VisionOS 的中国版 XR 操作系统。另一方面，AR 眼镜自身的产品定义、交互方式和应用场景也充满了不确定性。在各种技术路线没有最终确定的情况下，大厂没有绝对垄断，各个玩家都有机会。
光源认为，近期内可以重点关注具有硬件显示效果好，佩戴舒适便携，生态丰富，供应链整合能力强，成本可控，消费者口碑好的硬件终端。供应链方面，硬件领域可关注已可以实现商业化量产的 Birdbath 模组、Micro OLED 面板厂商，中长期关注技术逐渐成熟的光波导、Micro LED 厂商。软件领域，需要关注可实现多任务场景的、低资源消耗、可尽快实现商业化落地的 XR 操作系统公司。
另外，上游设备，如 Micro LED 需要使用的巨量转移、Micro OLED 需要使用的蒸镀机、衍射光波导需要使用的光刻机仍高度依赖进口，国内这块仍属于卡脖子领域，在当前国际形势多变的情况下需尽可能实现国产替代，同样建议关注国内上游相关设备和材料领域相关初创企业的机会。
随着产业链各环节逐渐成熟，我们期待 AR 眼镜作为继 PC 和手机之后的下一代消费电子交互设备，能够真如普通眼镜一样全天佩戴，将 PC 和手机的功能集成在 AR 设备中，实现与设备的全天候实时交互，重新定义人类与数字世界的互动方式，带来更加沉浸、个性化、交互化的数字体验。
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参考文献
[1] 2023.04，艾瑞咨询，《中国增强现实（AR）行业研究报告》；
[2] 2022.09，国元证券，《OLED 面板行业报告：OLED 迎来发展良机，供应链国产化率加速提升》；
[3] 2020.07，天风证券，《硅基 OLED：下一代微显示技术，军用转民用，AR/VR打开成长空间》；
[4] 光波导 - 主流AR眼镜的核心显示技术：https://zhuanlan.zhihu.com/p/383902880；
[5] Nreal AR眼镜拆解：Birdbath光学结构解析：https://zhuanlan.zhihu.com/p/400457731。
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