AR行业核心零部件研究梧桐论道

　　本篇文章选自梧桐树资本风险投资团队贾其琰的《AR行业核心零部件研究》 。从四大层面全面分析AR行业研究及应用。 以下为文章目录：
　　一、 报告结论
　　二、 AR行业基本情况
　　三、 核心零部件-光学模块研究
　　四、核心零部件-显示模块研究
　　01    报告结论AR行业总体处于早期发展阶段，但在经历了概念期、热潮期、低谷期后，行业整体进入拐点，但市场的爆发除了需要下游的场景配套外，还需要跨过硬件部分明显的关键技术瓶颈。 AR产品的关键技术主要包括光学部分以及显示部分,是整个市场爆发的关键，也关系着AR产品的核心功能以及核心体验，预计将占整个AR产品Bom成本的50%左右。 其中光学部分经历了从棱镜-自由曲面-光波导等多代技术路线迭代，目前已经形成了确定性较高的技术路线，即光波导方案。 光波导方案又分为阵列光波导和衍射光波导（表面浮雕光波导和体全息光波导），目前三种技术方案并存，各有利弊，但结合量产、性能、以及AR产品多个关键指标（如视场角、二维扩瞳、透光度等）来看，体全息光波导具备优势。 显示部分虽然市场上存在着多种成熟的不同技术路线，但从显示效果、功耗、体积、耐耗性等方面来看真正适用于消费级AR产品的显示部件还需时间。 从行业巨头玩家来看，苹果（Akonia-体全息光波导）、Meta（体全息光波导）、微软（Hololens-表面浮雕光波导）、Sony（体全息光波导）均已在光学显示领域完成布局。 从国内厂商来看，光学部分厂商以创业公司为主，国内消费端巨头尚未实际下场参与竞争，但已频频发布样机不断探索。 从下游应用场景来看，车载HUD会率先发力，B端、C端、军工应用场景不断探索中。 虽然面向消费级市场的AR终端产品尚需要几年时间才能成熟，但其核心零部件的布局，正是当下需要做的事情。
　　02    AR行业基本情况
　　（一）基本背景
　　AR全称Augmented Reality，即增强现实技术。这项技术是利用电脑技术将虚拟的信息叠加到真实世界，通过手机、平板电脑等终端设备显示出来，被人们所感知，从而实现真实与虚拟的大融合，丰富现实世界。简而言之，就是将本身平面的内容＂活起来＂，赋予实物更多的信息，增强立体感，加强视觉效果和互动体验感。
　　AR行业自2012年Google发布第一款AR眼镜Google Glass以来，开始收到资本市场追捧。但AR行业在接下来的2016~2018年间进入冷静期，主要瓶颈是AR显示效果、硬件用户体验、产品价格以及下游AR内容供应仍然无法满足消费者预期。而近些年随着AR关键技术的突破性进展（光学、显示模块、计算芯片性能、SLAM技术、5G技术等技术的进展），AR行业迎来复苏。预计未来5年内，随着底层技术的成熟，以及下游应用场景不断增多，AR行业将再次迎来爆发性增长。
　　（二）产业链情况
　　产业链上游主要包括硬件和软件，中游为产品集成商或整机厂商，下游则是应用场景。
　　整个产业链条中，光学模块是现阶段市场的核心部分，技术壁垒最高，具有议价权，光学模块的突破是AR市场爆发的必要条件。
　　并且从整个产业链来看，除了光学模块外，其余产业链条与手机等消费终端重合，所以预计随着产业的成熟，大的手机厂商会下场参与竞争。
　　而现阶段AR技术的应用终端主要为AR眼镜、AR-HUD、AR头盔等。
　　（三）技术层面
　　从增强现实(AR)技术申请情况来看,全球增强现实(AR)技术申请量2016年以前增长较为平稳,2016年以后增长较快,2020年有所回落。随着增强现实(AR)技术申请量的不断增加,行业技术慢慢走向成熟。根据Gartner发布的2020年新技术成熟度曲线,AR技术正式脱离该名单,说明AR技术趋于稳定,从一项有待观察的技术转变为可以使用的技术。
　　（四）政策层面
　　国家从2016年起，陆续推出多种政策推动AR产业发展，并已写入＂十四五＂规划。
　　（五）AR可应用场景
　　03    核心零部件-光学模块研究
　　（一）小结早期的光学方案如棱镜、离轴反射、自由曲面、Birdbath等技术路线，存在体积大、视场角小、加工难度高、透光率低等缺点， 在微软、苹果、Magic leap、DigiLens等大厂的强势推动下，光波导目前成为光学部分的主流技术。但目前各类光波导方案均存在一定的技术短板，行业内尚未确立一致性主导方案，若要进一步发展光波导技术，需要从底层原理、材料、生产制造设备、工艺等环节实现突破； 光波导方案可解决视场角与产品体积之间的矛盾，且在减少设备体积和重量的同时，还能保持优秀的光学效果，从形态上也更为接近传统眼镜，量产前景具有明显优势，具备良好的发展潜力。 几何光波导方案采用传统几何光学设计理念、仿真软件和制造流程，没有涉及微纳米级结构，因此成像效果较好，无色散，图像质量包括颜色和对比度可以达到很高的水准。但由于其生产需要完成多片光学玻璃切割、铣磨、胶合、抛光等工艺流程比较繁冗，导致生产成本高、良率低。 衍射光波导可轻松实现二维扩瞳，获得大的视场角，并且量产较几何光波导更容易。 其中表面浮雕光波导（衍射光波导），可基于纳米压印设备实现批量化生产。但从方案本身来讲，存在＂彩虹效应＂、全彩显示难等缺点。从生产制造端来看，纳米压印又暂时存在制造设备价格昂贵、母版制造难（电子书光刻）、对准难、高折射率压印胶材料突破等问题。 体全息光波导（衍射光波导），可基于电子束曝光实现批量化生产，生产难度、设备价格均较于表面浮雕光波导也更低。但该方案最终成像质量与其光敏材料密切相关。 从总体发展来看，短期内自由曲面依然会占据主流技术路线；但随着几何光波导在二微扩瞳、生产工艺的改进，将会有多款以几何光波导为路线的量产产品问世；衍射光波导短期内不具备量产出货的可能性，但随着材料体系和加工工艺的突破，未来会有较大想象空间。
　　（二）概述
　　1、基本概念
　　对于现有的AR光学系统，可以简单归类为两种主要方案。
　　第一类是利用一些光学元件的半透半反特性，将部分显示光反射到人眼中。同时，外部光线也可以穿过此光学装置，从而实现图像与现实世界的结合。这种类型的光学装置可进一步分为三种类型：棱镜、自由曲面和birdbath。
　　第二类解决方案是光波导类型。目前主要有三种技术：反射光波导、衍射光波导和全息光波导。
　　离轴光学：主要应用在军工领域，产品形态以飞行员的头盔为主，体积较大。
　　棱镜方案：谷歌在2012年及2017年先后推出Google Glass及Google Glass企业版，随后再无新的产品出现，也没有其他公司以棱镜方案推出产品。
　　自由曲面方案：虽然是目前市场上最成熟的方案，在过去的20多年也有众多玩家参与。
　　光波导方案：综合来看，主要有两种大的技术方向，几何光波导和衍射光波导。
　　几种技术路线成像原理如下，由于棱镜、自由曲面、birdbath均属于利用光的反射原理，所以若想达到较大的成像，则需要增加发射距离，及最终的AR产品形态体积变大。
　　光波导技术路线，其实最早在2000年初就得到了广泛的提出，但当时受限于工艺的不成熟，以及电子器件小型化的困难没有得到大规模应用。随着电子器件小型化的普及，芯片集成化程度越来越高，光学显示部分的小型化就显得越发重要。
　　（三）几何光波导
　　几何光波导的成像原理是光进入一个＂部分透部分反＂镜面阵列，每一个镜面会将部分光线反射出波导进入人眼，剩下的光线透射过去继续在波导中前进, 重复上面的＂反射-透射＂过程，直到镜面阵列里的最后一个镜面将剩下的全部光反射出波导进入人眼
　　由于几何光波导运用传统几何光学设计理念，不牵扯到任何微纳米级结构。因此图像质量包括颜色和对比度可以达到很高的水准。
　　但从加工流程来看，虽然几何阵列光波导总体分为四个步骤，但由于传播的光线都是偏振光，所以要在小棱镜上镀十几甚至几十层膜。同时胶合5-7个不同反射比的透镜。总体看阵列光波导的加工制程太长，达到几十道工序，每个工序出现误差累积对良率都是极大挑战，量产成本也过于高昂，且几何加工水平接近峰值，后续上升空间极小。
　　（四）衍射光波导
　　光波导，简单说就是让光在设计好的路径中传播。而衍射光波导，则是利用了光的衍射特性，来设计并实现＂光路＂。衍射，需要小孔或者＂栅栏＂来实现。衍射光波导实现的技术方法之一，就是在光学平面上＂刻＂出一道道＂栅栏＂（术语为光栅），让光线按照设计好的路径传播。
　　根据光栅类型的不同，又可以将衍射光波导分为两类：表面浮雕光栅波导和体全息光栅波导。
　　（1）表面浮雕光栅波导
　　表面浮雕光栅，是通过光刻与刻蚀等工艺在材料表面＂雕刻＂出高峰和低谷，以此实现能够满足所需光学性能的周期性结构。其制造工艺与半导体的工艺类似，叫做纳米压印（Namo-imprint）。
　　工艺流程分为三个阶段，分别是母版、步进母版和成品阶段。第一步是要设计并制造单个母板，第二步是用母板在一块大板上压出多个图样，形成一个大模子，第三步就是用大模子批量的压制成品。
　　在母版和步进母版部分，并没有太多瓶颈，原因是这部分的原材料和制造设备与半导体产业同源，已经相当成熟，不过精度和速度都可靠的纳米压印设备价格都非常高，国产化率还比较低。所以批量化生产的成本难以下降，目前部分公司可以做到单价100元左右一片光栅。
　　表面浮雕光栅的关键技术集中在光栅设计和高折射率原材料领域。
　　此种光栅缺点也很明显，难以避免的就是色散效应，即＂彩虹效应＂也就是说不同波长的光衍射角不同。同时在针对不同衍射角度，不同波长光的衍射效率有较大的差别。这就造成表面浮雕光波导无法做到较好的色彩表现。
　　为了改善色散问题，可以如图所示将红绿蓝三色分别耦合到三层波导里面，每一层的衍射光栅都只针对某一个颜色而优化，从而可以改善最终在出瞳位置的颜色均匀性，减小彩虹效应
　　（2）体全息光栅
　　体全息光栅则是一种通过全息曝光技术生成的光栅。体全息光栅只是其生产工艺使用了全息曝光技术，光栅本身并不会产生全息图像。怎么理解体全息呢？可以把它理解为一个可以被曝光＂显影＂的涂层，这个涂层被激光曝光后可以形成折射率不同的条纹，也就是另外一种形态的光栅。而所谓体全息，是在一个涂层中进行多次全息曝光，从而在同一个＂体积＂中，保存有多重条纹。
　　在光学稳定的平玻璃坯件上涂上一层给定型厚度的光致抗蚀剂或其他光敏材料的涂层。由激光器发生两束相干光束，使其在涂层上产生一系列均匀的干涉条纹，则光敏物质被感光。然后用特种溶剂溶蚀掉被感光部分，即在蚀层上获得干涉条纹的全息像。所制得为透射式衍射光栅；如在玻璃坯背面镀一层铝反射膜后，可制成反射式衍射光栅。全息体光栅并不是通过结构图型而是通过材料的不同制作光栅，理论上全息光栅的衍射效率可以达100%，有更好的成像效果。
　　体全息光栅的感光薄膜材料和量产工艺是当前绝对行业壁垒。感光薄膜材料合成难度大，且多用于军用对我国禁运。
　　目前市场上主要的感光薄膜材料为卤化银（银盐体系）、光致聚合物、PDLC（晶体材料体系）。对于全息光波导，感光薄膜材料制造前后的稳定性、低收缩比，高效率以及高均匀性要求较高。
　　由于体全息光波导和之前的全息照相以及全息存储基本原理相同。所以现在的感光材料和之前的全息存储材料属于同一类，但是光波导的感光材料要求更高。
　　目前市场上体全息光波导公司主要是通过试验线提供，主要靠人工来调配，壁垒较低。
　　但体全息光波导的自动化产线，全自动曝光设备、自动化需要企业自己设计, 所以综合来看体全息光栅的壁垒非常高，但要达到可量产规模还有很长的路径要走。
　　（五）光波导技术路线主要厂商
　　（1）海外厂商
　　（2）国内厂商
　　国内厂商布局几乎与海外一样，量产进度相对落后，玩家多已几何光波导技术路线为主，但多家厂商已经表示衍射光波导是之后布局的方向。
　　04    核心零部件-显示模块研究
　　（一）小结AR 显示模块多种技术路线并存，MEMS目前占比最大，MicroLED将迅速提升。 AR显示技术路径主要分为自发光的MicroLED、硅基 OLED（OLED on Si）、激光+MEMS 微镜以及反射式液晶显示 LCOS。 LCOS由于其高亮度的表现作为AR终端常用的显示技术得到了一定发展与认可，但高功耗与低对比度限制了其发展； 硅基 OLED可显著改善 LCOS 在对比度、功耗与响应时间等方面的性能表现，成为新近发布 AR 终端的技术选择，未来需要进一步降低成本并完善生态体系； 随着LBS技术的发展，成本的下降，预计LBS与几何光波导将是短期符合消费端AR眼镜的最优解。 2022年是Micro LED的出货元年，凭借优异的性能，预计到 2027 年成为微型屏幕显示第一大技术路径，市场规模达 26 亿美元，占比近 40%。
　　（二）概述
　　MicroLED 是未来微显示屏主流技术路径，优势明显。从用户体验角度上，光机显示需要考虑的技术指标主要有像素密度、亮度、对比度、光谱纯度；从量产和设计角度上需要重视的则是尺寸和成熟度。综合考虑各项指标，业内商业化已成熟的几项技术如下：
　　MEMS对于微振镜、激光器等芯片要求较高，但主要专利和技术掌握在 TI、英飞凌、Colorchip 等公司手中，除了微软外，参与研发的公司还有德国 OQmented、国内英唐科技等。
　　目前 LCOS 已具备较高的商业成熟度，除了 AR 光机外，也广泛应用于车载 HUD、光通讯、光计算等新兴领域。全球范围内，索尼目前是LCOS 技术最主流的供应商，其次有台湾的himax、Liteon 等，国内的芯视元、韦尔股份旗下豪威科技也有布局。
　　Micro LED具有像素密度高、高对比度、高亮度等优势，非常适合作为小尺寸的AR 光机。但目前Micro LED 还存在磊晶技术瓶颈、LED 晶粒的巨量转移良率、封装测试成本等量产困难，仍未实现在面板显示领域的规模商用。国内三安光电通过定增重点布局Micro LED 芯片产能；京东方等主要面板厂商也在加紧研发 Micro LED 技术；JBD主要研发用于 AR/VR HUD 近眼显示的 Micro LED 微显示面板。
　　硅基 OLED 具有亮度低、光谱纯度低等主要缺点，但主要优势为尺寸小、对比度高，如果用于AR设备，对于亮度要求可能降低，因此从时间表上也会成为部分主流厂商在近期推出新品时会考虑的技术。根据韩国 ET News 报道，苹果正与台积电合作研发＂先进的＂硅基OLED显示屏，有望应用在近期将推出的混合显示设备上。
　　（三）反射式液晶技术(LCOS)
　　LCOS( Liquid Crystal on Silicon)是LCD与CMOS集成电路有机结合的反射型新型显示技术。其结构是在硅片上，利用半导体制程制作驱动面板，然后在电晶体上透过研磨技术磨平，并镀上铝当作反射镜，形成CMOS基板，然后将CMOS基板与TO导电玻璃上基板贴合，再注入液晶，进行封装测试
　　LCOS技术利用的是液晶分子自身的双折射特性，藉由电路的开关以推动液晶分子的旋转，对入射光线的偏振进行调制。当液晶层像素的外加电压为零时，入射的S偏振光经过液晶层，其偏正方向不产生担转，达到底部金属反射层反射回来时仍为S偏振光，穿过液晶层射出。随后经过PBS棱镜反射回到原来光路，在这种情况下，光线不进入投影光路，没有光输出，即此像素呈现＂暗态＂。反之，当像素存在外加电压时，入射的S偏振光在经过液晶层时，偏振方向将发生偏振，当其经金属反射层反射，再出穿过液晶层时将变为P偏振光。这东P偏振光在穿过PBS棱镜是，将进入投影光路，在屏幕上显示成像，即呈现＂亮态＂。施加在像素两端电压的大小将影响液晶分子的光通性能，进而决定该像素的显示灰阶。
　　LCOS面板最大的特色在于下基板的材质是单晶硅，因此拥有良好的电子移动率而且单晶硅可形成较细的线路。其次，LCOS为反射式技术，不会像 HTPS LCD光学引擎会因为光线穿透面板而大幅降低光利用率，因此光利率率可提高至40％，与穿透式的 HTPS LCD的3％相较，可减少耗电，并可产生较高的亮度。最后，其成本较低。LCOS光学引擎因为产品零件简单，可利用目前广泛使用、便宜的CMOS制作技术来生产，需额外的投资，因此具有低成本的优势。并可随半导体制程快速的微细化，逐步提高解析度。
　　但LCOS由于不是自发光，需要额外光源，所以导致对比度较低。
　　（四）DLP
　　DLP(Digital Light Processing)投影系统的核心是数字微设备芯片DMD( Digital Micromirror Device)。DMD是一块通常有多达130万个铰接安装的米级微镜组成的矩形阵列，一个微镜对应一个像素。DMD面上的微镜安装在极小的链上，在DLP投影系统中，微镜向光源倾时，光反射到镜头上，相当于光开关的＂开状态。当微镜向光源反方向倾斜时，光反射不到镜头上，相当于光开关的＂关＂状态。镜每秒＂开＂或＂关＂几千次，当微镜开的次数比＂关＂的次数多时，反射得到的是一个有灰度级的亮像素，反之，反射得到的是一个有灰度级的较暗像素。
　　DLP由于以镜片为基础，提高了光通效率，因此DLP投影系统比所有其他显示系统具有更强的亮度。然而，由于其设计难度大、生产成本高、体积大等劣势，目前主要使用于投影机市场。
　　和LCoS技术一样，DLP技术也很成熟。但是他们都有一个共同点，都需要外部白光光源。这个特点对于普通投影仪来说并不算个太大的问题，但是对于AR眼镜来说却是个很大的瓶颈。
　　外部光源首先是需要额外的空间放置光源及相关的分光镜、色轮等组件，这就增加了体积，二是亮度不够高，三是功耗大，四是发热量高。LCoS和DLP的光源中，仅有部分光能是投射出去的，这不仅导致了能耗高，更糟糕的是，这些未被投射出去的光能并不会凭空消失，而是会在光机中转化为热能，导致光机温度升高。
　　（五）LBS
　　LBS，Laser Beam Scanning，激光束扫描。上面动画显示的是LBS的基本原理。三个激光器分别发射红绿蓝三束激光（部分光机会增加激光头，发射红外光或者多个红光，动图中的博世用了两个红光激光头）。激光通过棱镜进行合并后，投射向MEMS Micro Mirror（微机电微镜），微镜在控制下扭转其反射角。通过不断变化的微镜反射角，光线就会被投射到对应的像素位置，从而扫描投射出一幅完整的图像
　　LBS的激光器在每一个瞬间，发射出一个像素所需要的光束，在这这一瞬间，微镜也将其反射角对应到幕布上的特定的像素位置。在下一个瞬间，激光器发射出下一个像素所需要的光束，同时LBS微镜扭转角度到下一个像素的位置。周而复始，这样就可以通过激光器和微镜的配合实现图像的输出
　　相比DLP和LCoS，LBS的结构更加简单，体积更小，能耗更低，发热量更小，这些属性都更加适合AR眼镜的要求。因此虽然价格更高，微软也毅然决然的在2代HoloLens上用LBS替代了LCoS
　　LBS的业界翘楚当属美国的Microvision（微视），这家公司成立于1993年，拥有超过500项专利。2012年Microvision在CES上发布了世界首台720P光机模组。2016年Microvision和意法半导体合作，由意法为其代工MEMS微镜。2017年Microvision与歌尔合作，由歌尔为其代工LBS光机模组，并应用于索尼微型激光投影仪上。2018年Microvision发布2K分辨率+120Hz刷新率的双微镜光机。Microvision手握大量专利，其光机性能长期无人能及，实际上处于垄断地位。
　　（六）硅基OLED
　　硅基OLED微型显示器是结合CMOS工艺和OLED技术，以单晶硅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。硅基OLED器件结构包括驱动背板和OLED器件两个部分。驱动背板应用标准的CMOS工艺制作，形成硅基OLED微显需要的像素电路、行列驱动电路以及其他的功能电路。在CMOS电路的顶层金属中通常制作高反射的金属，作为OLED器件的阳极。OLED器件部分通常包括空穴注入层空穴传输层、发光层、电子传输层、电子注入层、半透明的顶电极。在顶电极上制作薄膜封装层，用于阻隔水氧，接着旋涂透明贴合胶层，贴合玻璃进行器件强度保护。
　　硅基OLED采用成熟的集成电路CMOS工艺，并结合了OLED快速响应、大视角、低功耗等突出优点，不但实现显示屏像素的有源寻址矩阵，还实现了如SRAM存储器TCON等多种功能的驱动控制电路，减少了器件的外部连线，増加了可靠性，实现了轻量化，像素尺寸为传统显示器件的1/10，精细度高于传统器件。但是硅基OLED亮度低、制造成本高。
　　（七）Micro LED
　　Micro LED即LED微缩技术，是指将传统LED阵列化、徽缩化后定址巨量转移到电路基板上，形成超小间距LED，将毫米级别的LED长度进一步微缩到微米级，以达到超高像素、超高解析率。
　　Micro LED被视为下一代微显示器技术、 Micro LED显示器不需要大面积的基板进行光刻或蒸发，也不需要一个复杂的过程来转换颜色和防止亮度降低。从理论上讲， Micro LED可以很简单，成本更低，画面性能更高。虽然Micro LED成为显示界的当红辣子鸡，但是其商业化进程还是比较缓慢。
　　最关键的是，Micro LED 显示器模块的制造工艺尚未实现类似于 LCD 或 OLED 的标准化，并且每个制造商都在开发自己的独特工艺和产品技术。这使 Micro LED 显示器制造工艺复杂、品种繁多。
　　此外，设备和工具都是定制的，成本很高。同时，参与制造工艺的公司很多，包括 Micro LED 外延片制造商、PCB/LTPS 制造商、批量转移制造商、驱动器集成电路（IC）制造商、机柜组装制造商、模块化制造商和OEM/ODM制造商。涉及的制造商越多，转型成本就越高。
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