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中国AR行业核心技术分析（设备形态、主控芯片、微显示屏、光学系统、交互技术）

MicroLEDDisplay

2023-02-24

导读：AR整机设备概述：全新光学显示及计算处理单元为AR整机最具价值量的模块AR整机设备和智能手机的功能模块类似，

AR整机设备概述：

全新光学显示及计算处理单元为AR整机最具价值量的模块

AR整机设备和智能手机的功能模块类似，主要可分为光学显示、传感器、摄像头、计算处理中心、音频和网络连接等主要模块，根据模块功能不同可拆解为计算、光学和传感三大功能单元。相较于智能手机，AR涉及了全新的光学方案，为AR整机中最核心部分（BOM占比接近一半），一定程度上决定了AR整机能否规模量产并推广至消费级市场的可能性。同时，AR虚实融合的特性更加注重环境感知和交互方式，要求能够快速（<20ms）完成环境信息采集，并融合虚拟图像，即考验AR整机的计算能力。因此，本报告将重点针对AR整机设备中计算单元和光学显示单元的技术发展路径进行研究。

AR终端设备形态发展路径：

理想状态下倾向于一体机，中短期内一体式/分体式整机共存

理想状态下的智能终端设备需满足三大功能要素的完备，即计算、显示和交互。PC/平板/手机等智能终端已经成熟且可实现AR技术的应用，但其固有形态已确定，即无法对显示范围、便携性、交互方式等体验有突破性进展。因此，AR终端设备形态的出发点是可穿戴，终点是轻量化、无感操作的可穿戴。

目前AR整机从产品单元模块来看，可分为一体式和分体式两种形态，算力单元和显示单元整合为一体的为一体式设备，反之割裂开的是分体式，依赖手机、计算盒子等外部计算单元，以达到减重等优化效果。理想状态下的AR终端设备会倾向于一体化设备，但因AR终端设备技术发展尚不成熟，未来较长一段时间内会存在一体式/分体式共存的情况。

AR主控芯片：

AR功能复杂需专用芯片支撑，计算等功能云化方案较为远期

AR主控芯片主要指SoC计算芯片，需要满足终端设备在性能、功耗、连接、AI等方面的要求，为硬件设备提供操作系统运行、简单本地渲染、多传感器信息融合处理等支撑。现阶段高通的XR芯片平台方案一枝独秀，部分AR整机企业采用消费级芯片（手机、AIoT芯片）作为阶段替代方案。艾瑞认为，在中短期内将会持续两种阶段性过渡方案，但AR场景复杂的空间级计算和高品质图像处理等特殊要求仍需要AR专用芯片作为支撑。同时，为推动AR在消防、安防、工业、乃至军工领域的落地，国产化芯片方案的替代迫在眉睫。另一方面，在5G、云计算、云服务等技术在支撑下，将计算、存储等功能云化以降低本地要求可成为解决芯片桎梏的解决方案之一，但中短期内相关基础设施建设不完备、难以有效支撑。

AR显示原理及技术架构：

以利用双目视差原理构建立体视觉为主，VAC问题仍待解决

为实现“现实的增强”即交互沉浸感，AR近眼显示系统NED（近眼显示系统：Near Eye Display）需构建在还原人眼立体视觉的基础上。人眼立体视觉是指人眼辨别周围物体间的距离、深度和体积的能力，主要来源于两个Vision Cue。目前市面上主流切入方案为通过最强Cue双目视差构建近眼显示系统，其中核心模块为（1）光学模组（2）光源（3）光学显示器件。

AR微显示屏幕技术概述：

Micro LED为未来趋势，光波导方案微显示屏选择局限性小

目前多种AR头显设备的光学显示屏幕方案共存，因不同光学方案对高亮度需求的渴求程度不同，适配的光学方案和微显示屏方案相结合可发挥1+1>2的效果。相对应的，某些光学方案在微型显示屏的选择方面有一定局限性。目前终端设备搭载较多的是LCoS、DLP和Micro OLED三种屏幕，其中前两种方案均已实现规模化量产。Micro LED方案尚未实现量产，主要难点在于巨量转移技术和高制造成本，然而因其在低功耗、高亮度、高对比度等方面拥有绝对参数优势，Micro LED为业内公认的下一代AR显示技术趋势。

AR微显示屏幕技术对比：

多显示方案共存，以适配不同光损程度、结构原理的光学方案

用户在使用HMD时的需求反映在显示面板层面时，主要体现在对亮度、显示效果、续航寿命和整机重量的敏感性。因不同光学方案的光损程度不同，在择选面板时主要考量的指标为亮度，高光损方案需高亮度面板支持。面板需要提供足够的亮度才能使HMD在叠加环境光后清晰显示画面，具体而言，在室外环境下（无墨镜片遮挡的非正午环境）需至少保证2000nit的入眼亮度，室外正午需近万尼特亮度支持。

AR光学系统技术：曲面的对比

Birdbath方案为短期内均衡成本和显示效果的快速落地方案

自由曲面方案和Birdbath方案相较于光波导方案来说完备程度更高，已经实现规模化量产。其中，Birdbath方案在国内消费级市场更为普及，其光损较为严重，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。相对应的问题在于，AR产业链与已有的智能硬件或VR产业链重合部分较少，Birdbath方案“捆绑”的高质量Micro OLED屏幕未能实现规模化量产，存在“短板效应”。整体而言，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快速落地方案，其优质的显示画面为其在消费级市场的铺开提供了快速通道。

AR光学系统技术：阵列光波导概述

出射光均匀成像效果极佳，但制备工艺繁琐良率提高难度较大

国内初创企业布局阵列光波导较多，阵列光波导需要扩瞳技术，目前已解决一维扩瞳设计技术和量产的难题实现小规模出货，转向攻克二维扩瞳技术的落地。应用二维扩瞳技术的阵列光波导方案能够有效增加出瞳距离和动眼眶范围，在减轻光机体积的同时增大FoV至50度以上，为阵列光波导方案推广至消费级AR应用提供了可能性。目前二维扩展设计的难点在于阵列反射镜序列加工工艺需采用冷加工工艺，对光学加工的精度和一致性要求较高。整体而言，阵列光波导在延续光波导优良性能的基础上，拥有杂散光少、能量分布均匀、FoV较大等优势，但制备工艺繁琐且环环紧扣，良率的提高相对困难。

AR光学系统技术：衍射光波导概述

量产性和良率更优，但模版设计难度大且色散问题有待攻克

衍射光波导技术光栅设计自由度大，制备工艺较为简单，良率和可量产性较易提升。其中，目前基于表面浮雕光栅技术的成像方案（SRG）较为成熟，已实现小规模量产并投入实际应用当中。其量产难点在于母版设计的难度较大，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。部分企业尝试布局体全息光栅光波导（VHG）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。整体而言，主流方案为基于表面浮雕光栅的衍射光波导方案，其优势在于量产性和良率更优，行业挑战主要集中在如何在减少体积，增大FoV的同时仅用单波导片解决色散问题。

AR交互技术概述

交互方案与场景需求强关联，未来向多模态、精细化方向发展

单一交互方式难以满足AR不同应用场景的综合需求，未来交互技术将向多模态、精细化方向发展。但目前AR交互技术尚未定性，目前分体式AR整机多采用手机或手柄/手环等保留机械感的方式，并配合语音交互使用，以最为成熟且学习成本较低的方案先行落地。以触控、手柄、手环交互等围绕“手”的交互方式多为主动交互，需要用户主动发出命令，精准度较高且普适性高，部分技术较为成熟已优先落地；而以眼动追踪、面部识别等为代表的、无需用户额外操作的交互方式，更加自然、学习成本更低但目前技术仍不成熟，仅作为辅助交互方式。艾瑞认为，AR交互技术没有孰优孰劣之分，交互方式的选用和场景需求特征强关联，在细分场景下不适宜的交互技术叠加只会是“炫技”，增加成本的同时却没有优化体验。如办公场景则仍需保留机械式输入方式以提高生产效率；社交场景则更注重全面交互性，需要多模态交互技术融合支撑等；游戏等复杂操作场景对延时、精准度等要求较高故以手柄为主。