中金：看好AR、VR頭部品牌廠商迎來新的發展機遇

中金公司認為，終端創新趨勢下，ARVR有望成為虛擬世界的硬件入口，甚至下一代移動算力平臺。用户體驗優化作為核心需求推動ARVR硬件持續升級迭代。展望未來，認為：1）VR出貨拐點已至，微創新提升用户體驗；2）AR光學方案仍存在技術路徑差異及核心技術生產瓶頸突破。看好頭部品牌廠商以及相關核心技術公司在技術創新過程中迎來新的發展機遇。

以下為報告內容：

投資概要

VR/AR有望成為下一代移動硬件終端。VR是虛擬現實，即利用電腦模擬生成3D虛擬世界並提供使用者近似真實的感官模擬；AR是增強現實，即利用電腦模擬將真實環境與虛擬物體疊加到同一畫面或空間同時存在。我們認為，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硬件終端；而VR/AR硬件的持續升級迭代有望為頭部品牌廠商以及相關核心技術公司帶來新的發展機遇。

近眼顯示技術價值量可觀，是科技巨頭的重點佈局領域。由於近眼顯示技術對VR/AR硬件的產品性能及用户體驗起決定性作用，因此光學和顯示是VR/AR的核心零部件，價值量佔比較高。我們認為：1）VR近眼顯示技術的趨勢為摺疊光路+Micro OLED；2）AR近眼顯示技術的趨勢為光波導+Micro LED。展望未來，伴隨着科技巨頭加速入場佈局光學+顯示環節，我們認為近眼顯示技術有望實現突破，落地速度或將超出市場預期。

圖表1：VR/AR有望成為下一代移動硬件終端

資料來源：萬得資訊，中金公司研究部

圖表2：VR/AR底層技術成熟度矩陣圖

資料來源：億歐智庫，中金公司研究部

VR：時代已至，硬件仍有邊際改善空間

VR硬件出貨量突破千萬拐點，未來有望圍繞提升用户體驗持續更新迭代。據IDC數據顯示，2021年全球VR出貨量為1,095萬台，突破年出貨量千萬台的行業重要拐點；預計2022年全球VR頭顯出貨量有望達到1,573萬台，同比增長43.6%。同時，據立鼎研究院數據顯示，VR頭顯設備光學+屏幕部分價值量佔比約40%。整體來看，我們建議着重關注價值量較高的近眼顯示技術方案（光學+顯示），以及提升用户體驗的交互方案的增量機會。

圖表3：全球VR/AR硬件設備出貨量

資料來源：IDC，中金公司研究部

圖表4：VR硬件成本佔比

資料來源：立鼎產業研究院，中金公司研究部

光學：光學器件不斷升級，摺疊光路為未來升級趨勢

VR硬件輕薄化助推光學器件不斷升級。由於傳統透鏡存在小焦距和薄鏡片的矛盾，因而採用傳統透鏡的VR設備受制於體積和重量，不利於用户長時間佩戴。為實現VR硬件輕薄化，目前VR設備普遍採用菲涅爾透鏡方案，並向摺疊光路方案持續升級突破。

圖表5：VR光學方案總結一覽

資料來源：VR陀螺，中金公司研究部

目前主流方案：菲涅爾透鏡（Fresnel lenses）

菲涅爾透鏡實現鏡片的輕量化，有效壓縮VR頭顯設備厚度。菲涅爾透鏡（Fresnel lenses），又名螺紋透鏡。其原理就是在設計時保留表面的彎曲度，去掉直線傳播的部分，從而拿掉儘可能多的光學材料。因此菲涅爾透鏡能夠在保留常規透鏡光學特徵的同時，大幅壓縮鏡片厚度，實現鏡片的輕量化。也就是説，等焦距情況下，菲涅爾透鏡較非球面透鏡能夠實現更輕的重量和更薄的厚度。此外，菲涅爾透鏡的製造工藝較為成熟，生產成本較常規透鏡更低。

圖表6：菲涅爾透鏡正視圖&側視圖

資料來源：Edmudoptics，中金公司研究部

圖表7：等效的非球面透鏡和菲涅爾透鏡

資料來源：Edmudoptics，中金公司研究部

未來發展趨勢：摺疊光路（Pancake lenses）

超短焦光學幫助VR頭顯設備實現「瘦身」，是VR頭顯光學方案的主要發展方向。超短焦光學按照視場角的大小可劃分爲自由曲面和基於反射偏振的摺疊光路技術兩種方案：自由曲面透鏡加工工藝複雜、成本更高、應用條件更為苛刻，難以量產；而摺疊光路技術（Pancake lenses）量產潛力較大，目前是超短焦光學的主要解決方案。其原理是圖像源進入半透半反功能的鏡片之后，光線在鏡片、相位延迟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。也就是説，該方案通過摺疊式光學元件使光線在更窄的空間穿越同樣的距離，將原本光路「摺疊」，從而實現光學鏡頭和顯示屏之間空間的壓縮，顯著縮小VR頭顯體積。我們認為摺疊光路技術有望推動超薄VR產品的發展。

圖表8：摺疊光路原理圖

資料來源：3M，中金公司研究部

圖表9：菲涅爾透鏡和Pancake方案的對比

資料來源：Oculus，中金公司研究部

摺疊光路技術的成熟應用有望帶來VR設備里程碑式的體驗提升。

► 特點#1：摺疊光路實現分辨率與視場角突破。據Semiconductor engineering數據顯示，用户雙眼視場角超200°。而目前市場的主流VR頭顯設備選用菲涅爾透鏡方案，視場角平均在90-110°區間，用户的沉浸體驗受限。據Oculus首席科學家表述，菲涅爾透鏡的理論上限為單眼4K分辨率和FOV 140°，而摺疊光路技術有望實現視網膜分辨率和FOV 220°。因此，我們認為，摺疊光路技術的成熟有望進一步提升VR設備的整體體驗。

圖表10：雙眼視場角範圍

資料來源：Semiconductor engineering，中金公司研究部

圖表11：菲涅爾透鏡（左）與摺疊光路（右）

資料來源：Oculus，中金公司研究部

► 特點#2：摺疊光路實現頭顯設備輕薄化。對比市面上的主流VR頭顯產品，HTC Vive Pro 2和Oculus Quest 2採用菲涅爾透鏡方案，重量為785/503g，厚度為73.5/80.1mm；而Huawei VR Glass和Arpara VR採用摺疊光路方案，重量為166/200g，厚度為26.6/30.0mm。搭載摺疊光路方案的VR頭顯設備重量和厚度顯著低於搭載菲涅爾透鏡方案的產品。因此我們認為，摺疊光路技術的成熟將會顯著改善VR頭顯的佩戴舒適度。

圖表12：搭配菲涅爾透鏡方案和Pancake方案的頭顯重量對比

資料來源：各公司官網，VR compare，中金公司研究部

圖表13：搭配菲涅爾透鏡方案和Pancake方案的頭顯厚度對比

資料來源：各公司官網，VR compare，中金公司研究部

基於反射偏振的摺疊光路技術分為兩片式和多片式。其中，兩片式摺疊光路技術生產路線較為成熟，成本可控且成像效果較好，是目前短焦光學方案的主流選擇；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設計光路。由於相比兩片式折返方案在結構上更加緊湊，因而光學模組體積更小，但是多片式折返方案採用光學鏡片更多，導致組裝及鍍膜難度更大，較難量產。目前僅有華為VR Glass採用三片式摺疊光路技術，其光學模組由三片光學鏡片和多層光學薄膜組成，將顯示部分厚度控制在了26.6mm。

圖表14：兩片式摺疊光路

資料來源：艾邦網，中金公司研究部

圖表15：三片式摺疊光路

資料來源：艾邦網，中金公司研究部

雖然目前摺疊光路技術方案已初步商用，但仍存在較多技術難點：

► 難點#1：光學效率低，對顯示屏幕亮度要求高。據Meta數據顯示，摺疊光路技術光學效率僅為25%，因此需要搭配高亮度屏幕，例如Micro OLED/Micro LED，以改善摺疊光路方案的效果。我們認為，顯示技術的持續迭代將有望加速摺疊光路技術的商用進展。

► 難點#2：技術門檻高，易出現鬼影影響用户體驗。摺疊光路技術所採用的半透半反鏡片會在折返過程中產生鬼影，需採用偏振膜維持準確的偏振態消除影響，否則鬼影會降低畫面對比度，影響用户體驗。但是偏振膜在材料、耐熱性、精密加工等方面的技術門檻較高。

► 難點#3：精度要求高，輕薄與廣視角難以兼得。摺疊光路技術對精度要求較高，需考慮注塑精度、雜散光、光軸對準調焦、髒污等問題。同時，受限於材料、鍍膜、貼合組裝等技術難點，輕薄與顯示效果難以兼顧。現有搭載摺疊光路技術的VR產品顯示效果已實現或超越搭載菲涅爾透鏡的VR產品，但是實際視場角效果距離理論上限（220°）仍有較大差距，廠商工藝待進一步優化改善。

圖表16：摺疊光路光學效率僅為25%

資料來源：Meta官網，中金公司研究部

圖表17：鬼影降低畫面對比度

資料來源：Micro Display，中金公司研究部

圖表18：搭配菲涅爾透鏡方案和Pancake方案的顯示效果對比

資料來源：各公司官網，VR compare，中金公司研究部

顯示：顯示技術日漸成熟，Micro OLED成為終端技術首選

VR設備的顯示效果由三項核心參數決定，分別為視場角（FOV）、角分辨率（PPD）以及視覺暫留（Persistence）。其中顯示技術方案對VR設備的角分辨率和視覺暫留起決定性作用。

PPD（Pixel Per Degree）決定顯示的清晰程度。與傳統屏幕不同，VR等近眼設備採用PPD衡量屏幕的清晰程度，PPD代表VR視野中每一度視場角的像素密度（PPD=PX/FOV）。同時還引入了PPI（Pixels Per Inch）像素密度指標。提升PPD有兩種方式：提升PPI和降低FOV。由於降低FOV會降低用户的沉浸式體驗，因而廠商只能採取提升PPI的方式提高VR頭顯的顯示效果，但這也對顯示屏幕提出更高的要求。

視覺暫留（Persistence）決定用户的眩暈程度。視覺暫留現象是指光對視網膜所產生的視覺在光停止作用后，仍保留一段時間的現象。弱化Persistence有兩種方式：提高刷新率和降低響應時間。其中，提高刷新率會顯著增加系統功耗，降低像素響應時間可以削弱視覺暫留帶來的眩暈感，但是也對驅動技術和像素帶來更大的挑戰。

圖表19：VR顯示屏幕的核心參數

資料來源：Yole，Pimax官網，中金公司研究部

Fast-LCD是目前消費級VR的主流選擇。初代VR採用的OLED屏幕刷新率有明顯的優勢，但受蒸鍍掩膜技術限制，像素密度提升困難，紗窗效應明顯，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。同時改良后的Fast-LCD技術使用全新液晶材料（鐵電液晶材料）與超速驅動技術（Overdrive），有效提升刷新率至75-90Hz，同時也具備較高量產穩定性及良率，兼具效果與性價比，因而逐漸成為VR廠商的主流選擇。

Micro OLED/Mini LED是VR顯示中長期的主要發展方案。Fast LCD存在響應時間限制，且功耗相對較高，中長期升級空間有限。我們認為，伴隨着顯示技術的持續升級迭代，具備高分辨率、高刷新率、輕量化等優勢的Micro OLED/Mini LED，在VR顯示領域的中長期發展趨勢明確；同時，長期來看，各方面參數更為突出的Micro LED在實現技術突破和量產落地后，或將成為VR顯示技術的最終解決方案。

圖表20：VR顯示方案總結一覽

資料來源：Ofweek，BOE，電子工程專輯，中金公司研究部

未來發展趨勢#1：Micro OLED

Micro OLED，也稱硅基OLED，創新性的實現半導體和OLED的結合，在性能上具有顯著優勢：

► 高分辨率：據CSDN數據顯示，人眼正常視力下極限角分辨率為60 PPD，VR設備削弱紗窗效應需要實現角分辨率在30 PPD以上，像素密度達到2,000-4,000 PPI。而據Arpara數據顯示，Micro OLED分辨率可實現3,000PPI，較Fast LCD實現大幅提升，可以顯著提升VR設備的角分辨率，從而有效增強VR設備的顯示效果。

► 高刷新率：據VR陀螺數據顯示，VR設備減弱眩暈感需要刷新率提高至150-240Hz以上。據VR compare數據顯示，目前主流VR設備所採用的Fast LCD顯示技術，反應速度為毫秒級，刷新率在90Hz左右；而Micro OLED反應速度為微秒級，刷新率可達到120Hz，較Fast LCD實現顯著突破，可以改善運動模糊現象，完全消除高亮度、寬視角情況下的臨界閃爍現象，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OLED industry數據顯示，Micro OLED以單晶硅芯片為基底，像素尺寸為傳統顯示器件的1/10，有效提升像素密度；同時減少器件的外部連線，重量相比傳統顯示器件減少50%以上。此外，據TOPWAY數據顯示，由於Micro OLED為自發光技術，無需背光源，功耗約為LCD的30-40%，進一步提升整機續航能力。

圖表21：Micro OLED原理圖

資料來源：OLEDindustry，中金公司研究部

圖表22：顯示技術參數及市場定位

資料來源：Arpara，中金公司研究部

Micro OLED已具備初步量產能力，成為現階段高端VR設備顯示技術的首選。目前已發佈的5K VR頭顯Arpara VR和Shiftall Megane X，均搭載Micro OLED屏幕。據Yole數據顯示，相比LCD屏幕（單塊價格約為20-40美元），Micro OLED屏幕價格較高（單片價格在300美元以上）。我們認為，隨着Micro OLED量產能力的提升帶動屏幕成本的下降，Micro OLED有望在更多的VR設備上搭載。據DSCC數據預測，2026年VR顯示屏幕中Micro OLED出貨量佔比將達到30%。

圖表23：現有采用Micro OLED方案的VR設備參數對比

資料來源：VR compare，Yole，公司官網，中金公司研究部

圖表24：Micro OLED份額快速提升

資料來源：DSCC，中金公司研究部

未來發展趨勢#2：Mini LED背光

Mini LED背光是傳統LED背光技術的升級。Mini LED是指芯片尺寸介於50~200μm之間的LED器件，由Mini LED像素陣列、驅動電路組成且像素中心間距為0.3-1.5mm的單元。Mini LED現有兩種發展路徑，一方面可作為液晶顯示直下式背光源，採用更加密集的芯片分佈來改善背光效果，實現輕薄化和更好的對比度；另一方面則以RGB三色LED芯片作自發光顯示，將芯片尺寸和間距進一步縮小。其中，VR顯示的未來發展方案選用的為Mini LED背光方案。

摺疊光路催生顯示方案升級，Mini LED背光成本優勢明顯。Mini LED背光相較於傳統LED背光源優點較為突出：1）結合精細的Local Dimming，實現更高對比度；2）縮短光學混光距離（OD），降低整機厚度實現超薄化；3）顯示屏亮度大幅度提高。2022年1月，Vajro發佈了首款採用Mini LED背光的VR頭顯設備Vajro Areo，可實現單眼分辨率2880×2720，售價爲1,999美元。我們認為，相比Micro OLED，Mini LED背光依託成熟LCD生產，在成本端具備較強競爭力，且顯示效果及亮度相比傳統LCD或OLED均有明顯改善。

圖表25：Mini LED背光及直顯結構圖

資料來源：Trendbank，中金公司研究部

圖表26：首款採用Mini LED背光的VR硬件設備

資料來源：Vajro官網，中金公司研究部

交互：眼動追蹤方案提升沉浸感，助推VR體驗升級

目前VR頭顯設備交互技術主要有手勢識別、語音識別、眼動追蹤、腦機接口、控制手柄等，其中眼動追蹤是最重要的交互方式之一。隨着消費者對VR體驗要求的不斷提高，眼動追蹤開始由早期的外設配件逐步發展成為VR的集成配置，並逐漸在消費級設備上實現搭載。我們認為，眼動追蹤方案未來有望在VR設備中實現普及。我們認為眼動追蹤技術在VR中主要運用於：注視點渲染、屈光度校正、眼控交互、目標識別、虹膜識別等場景。

圖表27：眼動追蹤在VR中的應用

資料來源：VR陀螺，映維網，中金公司研究部

眼動追蹤技術路線主要分為瞳孔角膜反射法、結構光/光場建模法、視網膜反射光強法以及角膜反射光強法，其中最常見的是以Tobii為代表的技術提供商所採用的瞳孔角膜反射法。該方案下的眼動追蹤主要由眼動攝像機、光源和算法共同完成。光源發射紅外光在眼角膜反射形成閃爍點，眼動攝像機捕捉眼睛的高分辨率圖像，再經由算法解析，實時定位閃爍點與瞳孔的位置，最后藉助模型估算出用户的視線方向和落點。目前已有多款VR頭顯設備，例如Pico Neo 3 Pro Eye、HP Reverb G2 Omnicept Edition等搭載Tobii的眼動追蹤技術。

圖表28：眼動追蹤技術路線

資料來源：映維網，中金公司研究部

豪威推出新型攝像頭方案CCC（Camera Cube Chip），並與Tobii合作開發眼動追蹤方案。目前主流方案——瞳孔角膜反射法的核心器件是紅外攝像頭。傳統攝像頭模組通常由鏡頭、VCM馬達、Sensor、底座、驅動IC、PCB電路板和連接器等零部件構成，體積和重量相對較大。豪威集團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）晶圓級鏡頭和CIS（CMOS 圖像傳感器）鍵合，並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，減輕設備重量。此外，CES 2022期間，豪威集團與Tobii達成合作，共同研發眼動追蹤方案，新的解決方案採用了豪威集團用於眼動追蹤的超小攝像頭模塊OC0TA。我們認為具有眼動追蹤功能的集成攝像頭模塊，能夠降低攝像模組體積，有望加速眼動追蹤等在VR消費級產品的落地普及。

圖表29：傳統攝像頭方案——CCM

資料來源：中國產業信息網，中金公司研究部

圖表30：新興攝像頭方案——CCC

資料來源：豪威集團官網，中金公司研究部

圖表31：豪威集團與Tobii合作開發眼動追蹤方案

資料來源：豪威集團官網，中金公司研究部

AR：光學方案趨勢明晰，靜待瓶頸突破快速放量

目前光學方案存在較大升級空間，期待實現技術突破。AR光學顯示方案價值量佔比較高。據頭豹研究院數據顯示，AR光學顯示價值量佔比約43%。AR光學顯示系統是使用微顯示器作為光源，投射到成像模組，而后進入人眼。AR頭顯設備達到理想狀態需要在亮度、對比度、刷新率、分辨率、功耗、温度和使用壽命等方面均實現較高參數，因此對AR光學顯示方案提出更大挑戰。整體來看，我們建議重點關注光學方案（成像+光源）的技術突破和落地情況。

圖表32：全球AR硬件設備出貨量

資料來源：VR陀螺，中金公司研究部

圖表33：AR硬件成本佔比

資料來源：頭豹研究院，中金公司研究部

圖表34：AR眼鏡的理想參數

資料來源：靈犀微光，中金公司研究部

成像：光學成像技術持續攻堅，衍射光波導前景可期

AR光學成像發展趨勢明確，光波導備受市場關注。目前市場上比較成熟的光學成像方案包括棱鏡、離軸反射、自由曲面、Birdbath以及光波導方案。早期AR光學成像採用的棱鏡方案與離軸反射方案由於在體積和視場角上不具有優勢，目前逐漸淡出市場。短期來看，由於自由曲面和Birdbath光學方案成本可控、工藝較為成熟、可規模量產、視場角適中、光效高、對適配光源要求低，是當前消費級AR眼鏡廠商的普遍選擇。長期來看，光波導可以解決視場角與產品體積之間的矛盾，並且在減少設備體積和重量的同時，形態上更為接近傳統眼鏡。我們認為光波導具備較大的發展潛力，一旦突破其技術瓶頸，將有望實現快速滲透。

圖表35：AR光學成像方案總結一覽

資料來源：VR陀螺，各公司官網，中金公司研究部

衍射光波導具備量產條件，有望成為主流技術方案。光波導方案一般由顯示模組、波導和耦合器三部分組成。顯示模組發出的光線被入耦合器件耦入光波導中，在波導內通過全反射向前傳播，到達出耦合器件時被耦出，並進入人眼成像。根據耦合器件，光波導方案分為幾何光波導和衍射光波導方案：

► 幾何光波導：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並與傳輸光線形成特定角度，每個鏡面會將部分光線反射出波導進入人眼。由於幾何光波導採用傳統幾何光學設計理念、仿真軟件和製造流程，沒有涉及微納米級結構，因此成像效果較好，但是需要完成多片光學玻璃切割、銑磨、膠合、拋光，在量產性和良率方面存在較大挑戰。

► 衍射光波導：可進一步劃分爲表面浮雕光波導和體全息光波導，相較於幾何光波導，光柵的設計和生產更具靈活性，可量產性和良率更高，成長性較大。我們認為，衍射光波導量產技術難點長期有望得到解決，併成為下一代AR成像技術的升級方向。

圖表36：光波導方案技術路線總結一覽

資料來源：Rokid Lab，中金公司研究部

未來發展趨勢#1：表面浮雕光波導

表面浮雕光波導方案，是採用表面浮雕光柵（SRG）替代傳統的折反射光學元件，作為光波導模組中的耦合器對光束進行調節。表面浮雕光柵，指的是玻璃基底表面上規律性的凹槽。根據凹槽的輪廓、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，一維光柵根據橫截面形狀不同，可進一步劃分爲矩形光柵、閃耀光柵和傾斜光柵等，二維光柵常用的結構是六邊形分佈的圓柱狀光柵。

圖表37：表面浮雕光柵種類

資料來源：Rokid，中金公司研究部

基於表面浮雕光柵的種類，目前市場上表面浮雕光波導的技術路線主要有三種：

1）基於一維光柵的浮雕光波導方案：分為耦入、轉折和耦出區域，三個區域均採用一維光柵，並在轉折區域和耦出區域分別進行一個方向的擴展。

► 一維擴瞳：原理與幾何光波導的鏡面陣列類似，即採用入射光柵將光耦入波導，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候，就有部分光通過衍射耦出進入眼睛，其余部分繼續在波導中傳播直到再次打到光柵上，從而實現一維擴瞳。

► 二維擴瞳：原理是通過三個區域的光柵實現二維擴瞳。即當入射光柵將光耦合入波導后，會進入轉折光柵區域，該區域內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。在轉向的過程中，每個轉折光柵都會將部分光線轉變至Y方向，從而實現X方向的一維擴瞳。擴瞳后的光並沒有耦出，而是沿Y方向進入第三個光柵區域——出射光柵。出射光柵的結構和原理與入射光柵類似，再次實現Y方向的擴瞳，最終完成X和Y方向的二維擴瞳。

2）基於二維光柵的浮雕光波導方案：分為耦入和耦出區域，耦入區域採用一維光柵，耦出區域採用二維光柵，同時實現光束的耦出和多個方向的擴展。

圖表38：表面浮雕光波導擴瞳技術

資料來源：Rokid Lab，Digilens，WaveOptics，中金公司研究部

表面浮雕光波導在光柵設計和光柵層數上仍存在一定的技術難點尚未解決：

► 難點#1：光柵設計——光損與製備工藝之間的矛盾

光柵設計需要實現衍射光耦合效率與製備工藝之間的平衡。在表面浮雕光柵的設計上，需要在多個衍射級別的情況下優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Nokia數據顯示：1）矩形光柵：無效衍射佔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，但用於可見光波段時，工藝精度要求高，規模量產良率低；3）傾斜光柵：有效衍射光能量高達97%，雖然相較於矩形光柵生產工藝要求較高，但整體良率相對可控。因此，我們認為傾斜光柵儘管生產難度較高，但從趨勢來看應為優選方案。

圖表39：傾斜光柵減少光損

資料來源：Nokia，中金公司研究部

► 難點#2：光柵層數——彩虹效應與視場角範圍的矛盾

單層光波導和光柵會引起出射光的「彩虹效應」。衍射物理過程本身對於角度和波長的選擇性導致了色散問題的存在：一方面，同一個衍射光柵對於不同的波長會對應不同的衍射角度；另一方面，即便是同一顏色的衍射效率，也取決於入射角而發生變化，這樣的差異導致FOV和動眼框內的顏色不均勻，即出現「彩虹效應」。

多層光波導和光柵可以提高出射光的顏色均勻性。為改善色散問題，目前主流方案是將紅綠藍三色分別耦合到三層波導，每一層衍射光柵只針對一個顏色進行優化，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。但是由於RGB並不是單一波長數值，而是光譜上的一段波長段，所以仍然會有輕微的彩虹效應存在。因此，在光柵設計優化過程中，對於所覆蓋顏色波段和入射角(即FOV)範圍很難兼顧。

圖表40：彩虹效應

資料來源：Rokid Lab，中金公司研究部

圖表41：多層光波導減少色散

資料來源：Rokid Lab，中金公司研究部

目前表面浮雕光波導主要採取紫外納米壓印光刻進行批量生產製備。此前，表面浮雕光波導製備基本採用半導體制備工藝例如光刻、刻蝕等方法，進行小批量生產，但是由於生產成本昂貴，不適合大規模量產。因此，表面浮雕光波導量產選擇光波導複製工藝。其中，紫外線納米壓印光刻（UV-nano imprint lithography）是表面浮雕光波導量產的主流方案。具體工藝流程可分為兩個階段：納米壓印工作模具製備階段和批量生產階段。

圖表42：表面浮雕光柵模板或小批量製備工藝流程

資料來源：Rokid Lab，中金公司研究部

圖表43：表面浮雕光柵大批量複製量產工藝

資料來源：Rokid Lab，中金公司研究部

表面浮雕光波導產業鏈主要包含設計、原材料和製備三個環節。整體工藝流程分為三個階段，分別為母版、步進母版和成品階段。其中在母版和步進母版部分暫無太多技術瓶頸，主要是由於這兩個階段的原材料和製造設備與半導體產業同源，相關製備工藝已較為成熟。我們認為成品階段將是決定表面浮雕光波導量產落地的重要環節。

圖表44：表面浮雕光波導產業鏈

資料來源：VR陀螺，中金公司研究部

► 設計環節

國內外廠商例如微軟、Facebook、Waveoptics、歌爾股份和舜宇光學等都在衍射光波導設計領域積極佈局，力爭設計出高FOV、低色散的光柵。

圖表45：國內外大廠在衍射光波導設計領域積極佈局

資料來源：VR陀螺，中金公司研究部

► 原材料環節

光波導模組的玻璃基底對玻璃晶圓質量要求較高：1）具備高折射率，從而擴大近眼顯示的視場角；2）實現厚度0.3mm的超薄狀態，從而減少色散問題；3）尺寸更大，表面加工精度更高，從而提高性能、減少生產成本。因此，傳統玻璃製造商康寧和肖特近年來持續推進高折射率玻璃基底的研發，並不斷增大晶圓尺寸以降低波導生產成本。

在SPIE AR|VR|MR 2022大會上，康寧和肖特分別推出了新款高折射率玻璃產品。其中肖特推出全新一代RealView® 1.9 lightweight ultra，該款產品能夠在提供1.9折射率的同時，將每片AR光波導重量減少50%；同時康寧也推出了高折射率玻璃組合產品，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。我們認為，高折射率玻璃晶圓產品的不斷升級迭代，有助於提高AR的成像質量和視場角，加速推動AR光波導的發展。

圖表46：肖特RealView® 1.9 lightweight ultra

資料來源：肖特官網，中金公司研究部

圖表47：康寧2.0高折射率玻璃晶圓產品組合

資料來源：康寧官網，中金公司研究部

► 製備環節

EV Group在納米壓印設備領域佔據領導地位。光波導模組結構尺度屬於微納範疇，成像質量對加工誤差非常敏感，因而在大規模量產中對微納加工製備提出了較大挑戰。目前，EVG可提供完整的紫外納米壓印光刻 (UV-NIL) 產品線，包括不同的單步壓印系統、大面積壓印機以及用於高效母版製造的分步重複系統。此外，EVG還具備專有的SmartNIL技術。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，同時易於實現晶圓尺寸的拓展和大規模量產。我們認為具備高性能、低成本和可批量生產等優勢的SmartNIL技術，可以推動微米級或納米級光波導模組實現大規模生產。

圖表48：EV Group的 UV-NIL / SmartNIL® Systems 設備產品

資料來源：EVG官網，中金公司研究部

未來發展趨勢#2：體全息光波導

體全息光波導方案是通過採用體全息光柵（VHG）作為光波導模組中的耦合器對光束進行調節。採用體全息光波導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（已停產），Digilens已推出雙層全綵體全息光波導，有效減少色散但效率不高且雙層結構製造難度大。體全息光柵在滿足特殊要求情況下，理論上成像效果更好，衍射效率可以達到100%。而在實際應用中，由於受可利用材料的限制，體全息光波導目前在FOV、光效率、清晰度等方面都尚未達到表面浮雕光波導同等的水平。但是由於它在設計壁壘、工藝難度和製造成本上具有一定優勢，因而業內仍持續對該技術進行研發和探索。

圖表49：雙層體全息光波導原理圖

資料來源：《增強現實近眼顯示設備中光波導元件的研究進展》姜玉婷等，中金公司研究部

圖表50：採用體全息光波導的代表廠家

資料來源：艾瑞諮詢，中金公司研究部

為實現體全息光波導的大批量生產，以Sony和Digilens為代表的公司開發了體全息光波導的加工工藝流程。其中，為降低大規模批量生產的加工成本，Sony開發了製備體全息光波導的卷對卷（roll-to-roll）工藝，並且為降低難度以及減少色散效應，卷對卷工藝中採用雙層光柵設計，即綠光波導片和紅藍光波導片。此外，為進一步提高生產效率，Digilens開發了體全息光波導印刷工藝。

圖表51：體全息光波導製備工藝流程

資料來源：《增強現實近眼顯示設備中光波導元件的研究進展》姜玉婷等，中金公司研究部

圖表52：卷對卷單元曝光過程

資料來源：《增強現實近眼顯示設備中光波導元件的研究進展》姜玉婷等，中金公司研究部

光源：光源方案尚存技術難點，Micro LED具備較大發展潛力

AR光源方案多種並存，Micro LED成為業界共識。市場當前已提出的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。其中目前主要採用是DLP和LCOS方案，但業內已對Micro LED方案達成共識，該方案在各維度參數都表現優秀、沒有短板，且與光波導方案適配，是公認理想的AR光源解決方案。

圖表53：AR光源方案總結一覽

資料來源：MicroDisplay，MicroLED，VR陀螺，中金公司研究部

Micro LED，即LED微縮技術，是指將傳統LED陣列化、徽縮化后定址巨量轉移到電路基板上，形成超小間距LED。該技術將毫米級別的LED進一步微縮到微米級（50μm左右，傳統LED的1%）。由於Micro LED具備尺寸小、集成度高和自發光等特點相比LCD/OLED在亮度、能耗、壽命和響應速度等方面具有明顯優勢。此外，Micro LED不需要大面積的基板進行光刻或蒸發，也不需要複雜的過程進行顏色轉換和防止亮度降低。因此，理論上Micro LED系統成本更低。長期來看，我們認為Micro LED有望成為下一代主流顯示技術方案。

圖表54：Micro LED結構圖

資料來源：Sigmaintell，中金公司研究部

圖表55：Micro LED與LCD/OLED維度對比

資料來源：Omdia，中金公司研究部

Micro LED尚處於研發階段，實現量產還存在較多的技術問題需要解決。從技術角度上看，目前Micro LED工藝流程每一環節幾乎都面臨一定的技術難點亟待攻克，主要包括：外延技術、微縮製程技術、巨量轉移技術、缺陷檢測技術以及全綵化方案技術等。伴隨技術持續突破和製作工藝的不斷優化，我們預計Micro LED有望在2025年實現初步量產。

圖表56：Micro LED製作工藝

資料來源：Yole，中金公司研究部

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