技術(shù)分享 | 光學顯示系統(tǒng)成AI眼鏡決勝關(guān)鍵

    微顯示方案可分為被動式微顯示技術(shù)和主動式微顯示技術(shù)。當前AR眼鏡主流方案有DLP、LCOS、Micro OLED和Micro LED，其中Micro OLED和Micro LED被認為是未來AR眼鏡微顯示方案的主流趨勢。

    01 光學顯示系統(tǒng)是AR眼鏡量產(chǎn)與推廣關(guān)鍵

    AR眼鏡微顯示方案可分為被動式和主動式微顯示技術(shù)。

    AR眼鏡的光學透視方案有眾多技術(shù)路線和不同技術(shù)組合，從而實現(xiàn)“虛實結(jié)合”功能。AR眼鏡的近眼光學顯示系統(tǒng)采用了“微顯示方案+光學方案”，將微顯示屏投射的內(nèi)容通過光學模組傳導至人眼。不同的微顯示屏+ 光學元件組合決定了產(chǎn)品的重量體積、成像效果、光學效率等性能。

    微顯示方案可分為被動式微顯示技術(shù)和主動式微顯示技術(shù)。當前AR眼鏡主流方案有DLP、LCOS、Micro OLED和Micro LED，其中Micro OLED和Micro LED被認為是未來AR眼鏡微顯示方案的主流趨勢。

    1.1DLP顯示技術(shù)核心是DMD芯片，制造工藝相對成熟

    DLP（Digital Light Processing）顯示技術(shù)其系統(tǒng)由DMD（數(shù)字微鏡器件）、DLP顯示控制芯片和PMIC電源管理芯片組成，其中DMD芯片是DLP系統(tǒng)的核心，由微鏡片矩陣組成，每個微鏡可以表示顯示器上的一個或多個像素。當入射光投射到微鏡片上時，微鏡片在數(shù)字信號的驅(qū)動下發(fā)生傾斜，處于投影狀態(tài)的微鏡片會將光線反射至屏幕上，處于關(guān)閉狀態(tài)的微鏡片會將光線吸收，DMD芯片通過兩種狀態(tài)的切換產(chǎn)生圖像。

    DLP顯示技術(shù)在色彩和亮度上具有優(yōu)秀的顯示效果，制造工藝也較為成熟。但是DLP顯示系統(tǒng)的體積較大，且難有下降空間。此外，DLP供應(yīng)鏈高度集中，因此可能會產(chǎn)生供應(yīng)鏈上相關(guān)風險。DLP的代表廠商主要為Texas Instruments，采用DLP方案的典型AR眼鏡產(chǎn)品有vivo AR眼鏡、Vuzix Blade等。

    1.2LCOS顯示方案量產(chǎn)技術(shù)較為成熟，有利于降低AR眼鏡整體成本

    LCOS（Liquid Crystal on Silicon）顯示技術(shù)又名硅基液晶投影顯示，是一種基于LCD的反射式投影技術(shù)。LCOS采用液晶硅CMOS集成電路作為反射式LCD的基片，并將其磨平鍍鋁后形成具有反射功能的CMOS基板，最后與含有透明電極的玻璃基板貼合，最終封裝成LCOS芯片。當入射光線照射在LCOS芯片上時，液晶層上的每個像素都會產(chǎn)生不同的電壓水平：當電壓為0時，像素無法進行光輸出，并原路返回；當施加電壓時，像素輸入的光線方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)形成輸出光線，經(jīng)過PBS反射后最后進入人眼。

    LCOS顯示方案量產(chǎn)技術(shù)較為成熟，有利于降低AR眼鏡整體成本。LCOS可將電路整合至CMOS的基板上，縮小了整體體積，使其適合搭載在AR眼鏡上。同時LCOS的量產(chǎn)技術(shù)較成熟，有利于降低AR眼鏡的整體成本。LCOS代表廠商包括豪威、JVC、美光Micron等，采用LCOS方案的典型AR眼鏡產(chǎn)品有Magic Leap 2等。

    1.3Micro LED或為未來AR眼鏡微顯示方案的主流趨勢

    Micro OLED是一種有機發(fā)光顯示二極管技術(shù)，將傳統(tǒng)OLED的玻璃基板替換為單晶硅基板，提高了電子遷移率，因此Micro OLED可以縮小像素尺寸，實現(xiàn)更高精度的顯示效果。Micro OLED的顯示原理和傳統(tǒng)OLED相近，當施加外界電壓時，金屬陰極產(chǎn)生的電子與陽極電洞在有機發(fā)光層中結(jié)合并釋放能量產(chǎn)生光，光線通過不同材料特性的濾光層產(chǎn)生RGB三原色，最后結(jié)合產(chǎn)生彩色圖像。

    與傳統(tǒng)LCD相比，Micro OLED具有高清晰度、高對比度、輕薄等特點，非常適合應(yīng)用于AR眼鏡的顯示方案。但是Micro OLED的有機材料不能通過高電壓，因此亮度有限；此外有機物的氧化問題也導致OLED相比其他顯示方案壽命較短。

    Micro LED由微型發(fā)光二極管（LED）組成，或為未來AR眼鏡微顯示方案的主流趨勢。Micro LED中每個微型LED在通電后發(fā)出的光線經(jīng)過透鏡模組后在顯示屏上產(chǎn)生單色像素點，這些像素點通過濾色器后產(chǎn)生最終的彩色圖像。由于Micro LED中每個微型LED由可單獨控制的RGB子像素組成，因此可以精確控制輸出圖像的色彩和亮度。

    Micro LED具有系統(tǒng)簡單、高效率、高亮度、高色域、高對比度等優(yōu)點，未來大面積推廣需要突破量產(chǎn)瓶頸。Micro LED屬于自發(fā)光的主動微顯示技術(shù)，因此擁有更高的能效。與Micro OLED相比，Micro LED用無機材料替代了易氧化的有機材料，因此擁有更高的亮度與更長的使用壽命。由于目前Micro LED量產(chǎn)技術(shù)尚未成熟，因此成本較高。Micro LED代表廠商包括三星、京東方、LG等。

    02 棱鏡方案和離軸光學方案是AR眼鏡商業(yè)化之初的有益嘗試

    AR眼鏡微顯示方案對比：

    棱鏡方案和離軸光學方案是AR眼鏡商業(yè)化之初的有益嘗試

    棱鏡方案是AR眼鏡商業(yè)化之初推出的嘗試方案，其顯示系統(tǒng)主要由微型投影儀和反射棱鏡組成。反射棱鏡具有半透半反的性質(zhì)，投影儀投射的圖像經(jīng)過棱鏡反射后直接進入人眼，并與經(jīng)過棱鏡透射的現(xiàn)實圖像同時在視網(wǎng)膜成像，實現(xiàn)“虛實結(jié)合”的AR視覺效果。

    棱鏡方案結(jié)構(gòu)簡單，量產(chǎn)技術(shù)成熟，對AR光學技術(shù)的一次有效嘗試。但棱鏡方案可提供的視場角（FOV）及其有限，擴大FOV需要增大棱鏡的體積與重量。此外，透明棱鏡在強光下顯示效果有限，因此棱鏡方案在未來不會成為AR眼鏡的主流光學方案。采用棱鏡方案的代表產(chǎn)品有Google Glass、GLXSS ME等。

    離軸光學方案是AR/VR并行發(fā)展時期參考VR提出的過渡方案。離軸光學與棱鏡方案的區(qū)別在于其顯示器與鏡片分屬不同模塊，光線經(jīng)過鏡片反射進入人眼的路徑非固定（“離軸”），可實現(xiàn)較大的視場角。

    得益于VR的發(fā)展，離軸光學方案的量產(chǎn)技術(shù)成熟，解決了棱鏡方案FOV較小的問題。但是顯示器與鏡片分離的設(shè)計使離軸光學成為體積最大的AR方案，不符合AR眼鏡的發(fā)展趨勢。采用離軸光學方案的代表產(chǎn)品有Meta 2、DreamGlass等。

    自由曲面方案和BirdBath光學方案相對成熟，普及率較高

    自由曲面方案所采用的自由曲面是一種有別于球面/非球面的復雜面型，往往不具有旋轉(zhuǎn)對稱性。在自由曲面方案光學模組中，顯示器的光線經(jīng)過自由曲面凹面鏡/合成器后進入人眼。自由曲面為光學系統(tǒng)的設(shè)計提供更多靈活的結(jié)構(gòu)，顯著提高了光學性能。

    自由曲面方案AR眼鏡的沉浸感和成像質(zhì)量優(yōu)秀，同時也擺脫了離軸光學方案的“頭盔式”設(shè)計。但是自由曲面方案的厚度與重量仍高于普通眼鏡，同時圖像也存在局部畸變問題。采用自由曲面方案的代表產(chǎn)品有EPSON BT300等。

    Birdbath光學方案結(jié)合了曲面鏡和分束器的技術(shù)，顯示器將圖像投射至具有分光功能的偏振分束器上，偏振分束器將圖像反射至半透半反曲面鏡，后經(jīng)二次反射和分束器透射進入人眼，同時環(huán)境光經(jīng)過半透半反曲面鏡和偏振分束器投射進入人眼。Birdbath方案在結(jié)構(gòu)、材料等多方面都實現(xiàn)了優(yōu)化，成為當前普及率較高的光學方案。

    Birdbath方案部分材料基于塑料薄膜，具有重量輕、成本低的優(yōu)勢，其對微顯示屏的要求較低，搭配OLED類屏幕顯示效果優(yōu)秀。但是，Birdbath方案沒有解決體積和動眼框范圍與視場角的矛盾，重量和厚度仍與普通眼鏡存在一定差距，導致其透光率低，動眼框范圍受限。采用Birdbath方案的代表產(chǎn)品有Rokid Max、XREAL Air系列等。

    光波導方案有望成為AR眼鏡所收斂的光學方案

    光波導方案主要分為反射光波導和衍射光波導方案，或?qū)⒊蔀槲磥鞟R眼鏡光學方案的必然趨勢。光波導方案利用在波導結(jié)構(gòu)中光線反射或衍射前進起到傳輸圖像的作用。光波導的這種特性可以將顯示屏移至額頭，減少對外界光線的阻擋，改善用戶的佩戴體驗。光波導方案解決了體積和視場角（FOV）與動眼框的矛盾，其輕薄和高穿透性被認為是未來AR眼鏡光學方案的必然趨勢。

    衍射光波導具備輕薄和高視場角優(yōu)勢，量產(chǎn)性和良率較易提升。衍射光波導根據(jù)光柵類型的不同可分為浮雕光柵波導與全息光柵波導，其原理利用了光柵的衍射特性，讓光能夠在設(shè)計好的路徑上傳播，將微投影系統(tǒng)發(fā)出的光導入人眼。衍射光波導的優(yōu)點在于經(jīng)鍍膜后可直接加工，并且以半導體工藝為主，量產(chǎn)性與良率較易提升；同時，衍射光波導保留了輕薄、高視場角的光波導方案優(yōu)勢。而由于物理原理限制，衍射光波導方案可能會導致色散和隱私泄露等問題。衍射光波導方案的代表產(chǎn)品有雷鳥X2等。

    反射光波導同樣具備輕薄和高視場角優(yōu)勢，成像質(zhì)量較高。反射光波導又稱陣列光波導，該方案通過陣列反射鏡堆疊實現(xiàn)圖像的輸出，圖像光線在陣列內(nèi)的每一次反射都會經(jīng)過反射波導進入人眼，增大了動眼眶范圍。其優(yōu)點在于設(shè)計原理簡單，在減小體積的同時有效增加視場角。

    同時成像質(zhì)量、色彩和對比度能達到較高水平。而不足之處在于該方案生產(chǎn)對陣列貼合和切割工藝的一致性要求較高，且自動化能力較弱，因此存在量產(chǎn)難度大，單片價格高的問題；同時存在固有的明暗條紋問題。反射光波導方案的代表產(chǎn)品有INMO Air 2等。

    AR眼鏡中光學顯示方案成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。帶顯示屏功能是AR眼鏡核心功能，其光學顯示方案眾多，更新迭代速度加快。自2012年開始，各廠商積極探索可行的AR光學方案，早期主要方案有棱鏡方案和離軸光學方案，代表產(chǎn)品如Google Glass等；

    2016年，EPSON推出BT-300產(chǎn)品，采用自由曲面鏡的方案開始逐漸成熟，而由自由曲面方案發(fā)展而來的BirdBath方案成為隨后應(yīng)用最多的光學方案，代表產(chǎn)品如雷鳥Air 1S等；2022年，Magic Leap使用了衍射光波導技術(shù)，有望解決BirdBath方案的重量和視場角問題。目前，AR行業(yè)玩家正加快朝著光波導方案量產(chǎn)實現(xiàn)上努力。

    03 AR(增強顯示)將真實世界與虛擬世界信息相結(jié)合，產(chǎn)品形態(tài)多樣

    增強現(xiàn)實技術(shù)(Augmented Reality，AR)是一種將真實世界信息和虛擬世界內(nèi)容結(jié)合的技術(shù)，該技術(shù)通過模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感受并進行再輸出，并將計算機生成的虛擬信息疊加至真實信息上，給使用者超越真實世界的體驗。

    目前AR的產(chǎn)品形態(tài)主要可以分為AR智能眼鏡、抬頭顯示器(AR-HUD)和手持設(shè)備。AR智能眼鏡通過AR技術(shù)將虛擬圖像投射在鏡片上，并通過眼鏡傳感器動態(tài)獲取用戶和現(xiàn)實世界的信息，根據(jù)信息實時更新虛擬圖像內(nèi)容，進而實現(xiàn)導航、沉浸式觀影等功能。

    抬頭顯示器(AR-HUD)把高級輔助駕駛系統(tǒng)(ADAS)收集到的信息投射至透明顯示屏或擋風玻璃上，將路況、導航、速度等信息與前方道路相結(jié)合，實現(xiàn)危險警示、路況預告等功能的實時更新，提高駕駛安全性，主要應(yīng)用于汽車、航空領(lǐng)域。AR手持設(shè)備多以AR軟件+設(shè)備的形式呈現(xiàn)，AR軟件會將虛擬信息疊加至設(shè)備的拍攝畫面中，實現(xiàn)拍攝物體的自動識別、測量等功能。

    AR/VR/MR技術(shù)在概念上及透視技術(shù)上存在較大區(qū)別

    AR技術(shù)與VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實）技術(shù)和MR（Mixed Reality，混合現(xiàn)實）技術(shù)存在較大區(qū)別。在概念上，AR技術(shù)將虛擬信息疊加至真實世界中，強調(diào)保留使用者對現(xiàn)實的感知，使其所處的環(huán)境“數(shù)字化”，從而能夠更高效地借助數(shù)字信息完成一系列工作；VR技術(shù)強調(diào)創(chuàng)造一個完全虛擬的環(huán)境，給使用者帶來沉浸式的虛擬體驗；MR技術(shù)將AR和VR技術(shù)融合，強調(diào)創(chuàng)造可實時交互的虛擬+現(xiàn)實環(huán)境，讓使用者能夠自由地與虛擬和真實物體進行互動，實現(xiàn)“虛實交織”。

    在透視技術(shù)上，目前VR/AR主流的透視方案分為視頻透視（Video see-through，VST）和光學透視（Optical see-through ，OST）。視頻透視（VST）通過攝像頭捕捉真實世界畫面與虛擬畫面融合后呈現(xiàn)在屏幕上，可以對真實場景進行渲染，更好地創(chuàng)造出沉浸式的虛擬世界，因此視頻透視在VR沉浸式體驗等場景中有更廣闊的應(yīng)用空間。

    光學透視（OST）將數(shù)字畫面投射到透鏡上，使用者可以直接通過透鏡看到現(xiàn)實世界，同時采用光學透視的設(shè)備具有重量輕、功耗低等優(yōu)點，因此在AR智能穿戴領(lǐng)域應(yīng)用更加廣闊。

    AR眼鏡市場規(guī)模不斷提高，未來具有廣闊空間

    預計到2028年全球AR眼鏡市場收入將達158億美元，對應(yīng)2023-2028年CAGR近50%。近年來隨著AR芯片、AR光學等技術(shù)不斷發(fā)展，AR眼鏡功能日益豐富，成本不斷降低，因此逐漸拓展至消費市場。據(jù)Statista數(shù)據(jù)預測，中性條件下2023年全球AR眼鏡硬件+軟件市場收入額達到22.11億美元，并將在未來5年內(nèi)保持穩(wěn)定增長，中性條件下預計2028年收入額將達到158.46億美元，期間年復合增長率為48.27%。

    相較于VR設(shè)備，AR設(shè)備出貨量還處于較為低量級階段，但其出貨量呈現(xiàn)逐年增長態(tài)勢，未來具有廣闊市場空間。據(jù)Wellsenn XR數(shù)據(jù)，2023年全球AR出貨量為50萬臺，同比增長35.1%；主要由于B端市場銷量維持穩(wěn)中有升的趨勢；同時觀影類AR眼鏡貢獻了較多的增量。

    但是2024年不帶顯示的AI智能眼鏡崛起，AR廠商渠道推廣投放減弱，傳統(tǒng)B端AR眼鏡需求有所萎縮，造成預計2024年出貨量相對較淡。隨著AR眼鏡光學方案逐漸深化，AR眼鏡將成為當前智能眼鏡更為理想方案，Wellsenn XR預計到2027年全球AR出貨量將達到180萬臺，對應(yīng)2023-2027年CAGR達37.7%。

    AR整機產(chǎn)品中光學顯示單元是最核心的部分

    AR整機產(chǎn)品中光學顯示單元是最核心的部分，占據(jù)整機成本43%，一定程度上決定AR產(chǎn)品未來能否量產(chǎn)和進行大規(guī)模推廣的速度。以AR眼鏡為例，AR眼鏡主要可分為光學顯示、傳感器、攝像頭、計算處理器、存儲、音頻等核心模塊。

    據(jù)艾瑞咨詢數(shù)據(jù)，AR整機產(chǎn)品中光學顯示單元占整機成本43%，計算單元（主控芯片）占整機成本31%，存儲部分占整機成本15%，感知單元（攝像頭、傳感器、陀螺儀等）占整機成本9%。