2020年受益宅經濟，VR/AR行業迎來爆發式增長，VR裝置出貨量達670萬臺。目前看VR上游基礎硬體效能基本完備，下游軟體生態日益豐富，VR行業已具爆發條件。2022年VR出貨量有望達到1400萬臺，同比翻倍。
而各大科技公司如蘋果、Facebook、谷歌和微軟等企業均在AR領域進行深入佈局。AR依然是巨頭們看好的下一個大藍海，其蘊含廣闊產業發展紅利。
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VR/AR，爆發前夜
受益宅經濟，VR產業在20年迎來爆發式增長，2020年全球VR出貨量670萬臺，同比增長72%。21年預計全球出貨量達到約800萬臺，22年預計1480萬臺，邁過最重要門檻。
VR未來作為重要的家庭娛樂終端，未來主打遊戲功能的沉浸式VR在C端的市場空間可近似比擬遊戲主機市場。根據資料顯示，我們預計VR在未來五年出貨量也有望達到5000萬臺。除主打遊戲市場沉浸類VR外，觀影類VR以及各類B端應用落地場景逐漸成熟，特別是觀影類VR，潛在目標人群6億左右，目前行業正在快速成長。
▲VR出貨量歷史資料與預測
目前VR產品主要分為主打觀影的高畫質觀影VR和主打遊戲的沉浸式VR。目前觀影式VR增長迅速，知名VR廠商GOOVIS 19年出貨量約6-7千萬、GOOVIS 20年出貨約1萬臺左右，處於快速增長階段。隨著矽基OLED螢幕成本進一步下降，觀影VR價格下探，行業有望進一步快速發展。
主打遊戲市場的沉浸式VR，主要以Oculus、SONY、HTC和PICO等主要市場玩家，目前各大VR主機廠商均會在今年下半年以及明年上半年陸續推出新款產品，行業有望進一步快速發展。
▲VR產品分類情況以及潛在使用者
VR下游生態日漸完善，各類遊戲大作推動VR活躍使用者增加。根據VR陀螺資料顯示，SteamVR的會話數量達到1。04億次，平均每場會話時長達到30分鐘。VR層出不窮的遊戲大作持續吸引各類玩家。3A級VR遊戲《Half-LifeLAlyx》刺激VR活躍使用者大幅增長，預購人數超過30萬，同時線上人數峰值達到42583人。
VR上游供應鏈已基本完善，如光學、微型顯示、主晶片、結構件、定位以及代工廠等都可提供穩定成熟的產品供應。這將進一步推動VR產業走向成熟。
▲VR頭顯總結與分析
目前市場主要VR廠商有Oculus、DPVR、Pico和HTC等。其中Oculus市佔率超過50%，而HTC和SONY份額下降較快。其主要原因在於當前兩公司的在售產品款式較老，同時又即將釋出新款產品，導致大部分消費者選擇觀望。憑藉Sony在遊戲行業內多年的積累以及出色內容產出，是Oculus短期內最有力競爭者。
▲VR不同廠商產品市佔率情況
▲各家公司產品活躍度情況情況
同樣受益於宅經濟，AR行業也迎來了增長。20年出貨量為40萬臺，同比增長33%。21年預計出貨70萬臺，同比增長75%。
▲AR出貨量預測
AR行業目前上游還處於核心零部件和技術的攻關階段，下游生態也並不成熟，同時產品定位也並不是很清晰。
關於產品定位，目前對於AR的定位有兩種：一是手機螢幕的延伸，二是替代手機是下一代的計算中心
。兩種產品定位對應兩種完全不同市場空間，目前產品走向還並不清晰。
目前市場大部分AR廠商的作業系統主要是基於安卓做二次開發。但幾家大型AR企業均在自研作業系統，如Hololens推出基於Windows的OS，Magic Leap則重新打造Lumin OS。總體看目前整體市場還沒有出現完善的作業系統。
AR的下游應用還處在探索階段，在C端還沒有找到殺手級應用。目前大部分應用主要集中在目標識別，多用於行業解決方案。
AR的上游核心技術還並不成熟，諸多技術環節還在研發階段。微顯示：因為AR需要工作在外部環境，需要使用亮度很強的微顯示產品。目前看Micro LED是最理想的解決方案。但目前Micro LED還處在技術攻克階段，從襯底/外延材料、單片整合到驅動，目前都沒有成熟的解決方案。
光學：目前主要方案有自由曲面、Birdbath、光波導的方案，目前看衍射光波導方案是未來主流方案。主晶片：目前行業主要使用高通曉龍8系列晶片，目前市場還沒有專門為AR裝置設計的主晶片。
▲AR上游核心技術情況
AR行業經歷高開低走，產品策略從C端轉向B端。由於技術問題，面向C端市場的的Google Glass和Magic LeapOne等產品銷量遠不達預期，隨後大部分廠商紛紛轉向行業應用市場。雖然進入短暫低谷期，但是仍是科技巨頭未來重點方向。
Facebook蘋果等科技公司正在加速開發面向消費者的增強現實（AR）眼鏡。蘋果從2006年開始申請了數百項有關AR的專利，還收購了10多家AR相關技術企業。Facebook於2017年首次宣佈AR眼鏡計劃，之後接連申請了一系列AR技術相關專利。還正在研發AR眼鏡搭配的腕帶等產品。
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VR上游技術，光學、顯示技術不斷革新
VR具有三大重要引數：FOV、PDD和 Persistence。
1、 FOV：視場角在光學工程中又稱視場，視場角的大小決定了視野範圍。在VR裝置中視場角是最為關鍵的引數，市場角的大小直接決定了VR裝置的沉浸感。為了得到更好的效果，需要VR裝置的FOV做到90°以上。
2、 PPD：與傳統螢幕衡量解析度不同，VR等近眼裝置衡量螢幕清晰度使用角解析度PPD。指視場角表示平均每1°夾角內填充的畫素點的數量。對於頭戴顯示類產品，PPD 數值越大，就說明對細節的顯示越精細。
3、 Persistence：餘暉效應指人眼在觀察景物時，光訊號傳人大腦神經，需經過一段短暫的時間，光的作用結束後，視覺形象並不立即消失，從而產生眩暈感。為了降低暈眩感，VR裝置需要高重新整理率來降低螢幕餘暉。
光學器件和螢幕的效能決定了上述三大核心引數。
光學鏡片起到了放大螢幕影象提供合適的FOV，其次是幫助人眼聚焦清晰的看到螢幕。是VR系統中最重要的零部件。目前主要廠商產品FOV可以達到90°- 110°左右，未來產品向著160°方向進展。
目前總體看，為了進一步使VR變得更加輕薄，廠商多會選擇採用菲涅爾透鏡而不是非球面鏡。同時為了更好的成像，廠商還會選擇組合透鏡的方式，來消除單一菲涅爾透鏡帶來的問題。
通常VR光學系統主要遇到以下幾點問題：球面像差、色像差、畸變等。特別是為了消除像差問題，目前VR通常需要採用非球面鏡。非球面鏡表面曲率不同，可以讓近軸光線與遠軸光線所形成的焦點位置重合，從而消除球面像差的問題。除此之外，非球面邊緣厚度小，可以降低光學系統的重量。
菲涅爾透鏡，又名螺紋透鏡，多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片。其在設計時會拿掉儘可能多的光學材料，而保留表面的彎曲度，所以菲涅爾透鏡的質量要比傳統非球面透鏡輕薄很多。但菲涅爾的成像質量存在一定的瑕疵。由於菲尼爾透鏡存在齒距和非工作面，所以會存在一球差問題，並且無法完全消除。
摺疊光路，又稱短焦距光學系統，預計是未來VR光學方案的主要方向。因為鏡頭需要將來自顯示器的光聚焦到使用者眼中，而光線的聚焦必須留以足夠的距離，所以VR頭顯必須保持一定的厚度。摺疊光路則是將距離”摺疊到其自身，使光線可以在更窄的空間內穿越同樣的距離。這樣就可以使得整體VR裝置變輕薄。
與傳統光學鏡頭不同，摺疊光路主要由偏光片、分光器和透鏡等組成。缺點是光線經過多次反射會損失能量，所以需要亮度足夠的顯示屏加以配合。光學透鏡目前主要使用光學塑膠材料和注塑成型工藝作為首選方案，優勢在於低成本和輕量化，注塑成型是VR光學透鏡首選方案。
▲光學透鏡加工工藝與塑膠光學系統材料
整體加工過程主要分為填充階段、保壓階段和冷卻階段。精密注塑成型是把注塑機料桶內的塑膠熔融體精確的填充到模具型腔，塑膠熔融體與模具型腔之間進行冷熱交換而造成塑膠熔融體的快速冷卻，形成注塑零件的工藝過程。
影響注塑成型的關鍵因素主要包括模仁模具和注塑成型的模擬技術。模仁模具直接決定了鏡片的效能和成本。
▲注塑成型的關鍵因素
產業鏈總體可分為光學塑膠、光學鏡片和光學鏡頭。其中光學鏡頭和鏡片廠商通常為一家，但有時鏡頭廠商會把鏡片產能外包到第三方。
PPD決定了螢幕的清晰度。與傳統手機等螢幕不同，由於VR螢幕離眼睛近，所以引入了PPI的概念。在110°的FOV下，需要2800的PPI才能滿足要求，對螢幕廠商提出了很大的挑戰。為了減少餘暉現象，VR裝置需要高刷屏才能降低人們的眩暈感。這對驅動技術、畫素材料帶來了很大的挑戰。
▲VR核心引數示意圖
為了降低使用者的眩暈感，必須降低餘暉，加快螢幕的重新整理率。如果重新整理率可以達到200hz，眩暈感將大幅降低。VR顯示屏正在從LTPS IPS螢幕逐步向矽基OLED邁進。螢幕的選擇主要在重新整理率、PPI和亮度直接權衡。其中重新整理率是最為關鍵的指標，其次考慮PPI和亮度，所以目前看矽基OLED是最佳方案。
矽基OLED產業鏈主要分為上游：矽基Driver、OLED材料、濾光片和薄膜封裝材料、中游主要為OLED製造和各類顯示模組、下游主要為各類終端廠商。
▲矽基OLED產業鏈
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AR上游，光波導+MicroLED是未來
AR的光學元件和VR有很大不同。AR需要See Through，與真實環境發生互動。所以AR的顯示是不能直接放在眼前，需要放到眼睛旁邊，這時需要一組光學元件將螢幕的像耦合到眼前。
▲VR與AR光學簡易示意圖
AR光學元件正在由自由曲面/Birdbath等向光波導演進。自由曲面等傳統光學元件由於體積過大，使用它們製作出來的產品笨重，所以主流AR廠商都在選擇使用光波導方案，可以讓眼睛尺寸大幅縮減。但光波導的光學損耗很大，效率只有20%左右，需要光機進行配合。
光波導大致分為兩類，一類是幾何光波導，另一類是衍射光波導。其中幾何光波導分為鋸齒光波導和陣列光波導，主要代表光學公司是以色列的Lumus，市場上還未出現大規模的量產眼鏡產品。
衍射光波導分為全息光波導和表面浮雕光柵波導。HoloLens 2，Magic Leap One均使用表面浮雕光柵波導，蘋果公司收購的Akonia公司採用的是全息體光柵。
幾何陣列光波導的概念最先由以色列公司Lumus提出並一直致力於最佳化迭代，至今差不多二十年。幾何光波導主要由一系列半透半反鏡面組成，其中鏡面是嵌入到玻璃基底裡面並且與傳輸光線形成一個特定角度的表面，每一個鏡面會將部分光線反射出波導進入人眼。
幾何光波導運用傳統幾何光學設計理念，不牽扯到任何微奈米級結構。因此影象質量包括顏色和對比度可以達到很高的水準。
陣列光波導的加工流程主要是研磨、拋光、鍍膜和膠合四部分。何陣列光波導總體分為四個步驟，但由於傳播的光線都是偏振光，所以要在小稜鏡上鍍十幾甚至幾十層膜。同時膠合5-7個不同反射比的透鏡。總體看幾何光波導工藝繁瑣，很難保持高良率，量產難度大。
▲幾何陣列光波導製造流程
衍射光波導主要分為全息光波導和表面浮雕光波導，透過衍射光柵替代傳統幾何光學器件。衍射光柵簡單來說，是一個具有周期結構的光學元件，週期可以是材料表面浮雕出來的高峰和低谷 ，也可以是全息技術在材料內部曝光形成的“明暗干涉條紋”。
光柵波導技術採用鏡片表面的光柵結構實現光束的擴充套件和耦出。透過合理的設計光柵結構，光柵波導技術可以實現出瞳的二維擴充套件。工藝相對簡單，批次生產成本低。
▲衍射光波導示意圖
表面浮雕光柵波導方案中透過使用亞波長尺度的表面浮雕光柵代替傳統的折反射元件作為光波導中耦入、耦出和擴充套件區域的光學元件，從而實現對光束的調製。根據凹槽的輪廓、形狀和傾角等結構引數的不同，常用的表面浮雕光柵可以分為一維光柵與二維光柵。
一維光柵根據剖面形狀劃分為矩形光柵、梯形光柵、閃耀光柵和傾斜光柵等，二維光柵常用的結構有六邊形分佈的柱狀光柵。
由於可見光波長為450nm-700nm，所以光柵尺寸是微奈米級別的。之前需要透過半導體加工工藝進行製造，成本高。目前可使用奈米壓印技術來製做光柵，其中包括熱壓法、紫外線奈米壓印光刻法和微接觸壓印法（亦稱為軟光刻）。其中，紫外線奈米壓印光刻是表面浮雕光柵波導批次生產的常用方法。
目前浮雕光柵製作的方法更加成熟。同時，壓印裝置已經可以實現國產化，進一步大幅降低了光柵製造的成本。
透過雙光束全息曝光技術在介質中形成干涉條紋，從而可以獲得折射率週期性變化的光柵結構。全息體光柵並不是透過結構圖型而是透過材料的不同製作光柵，理論上全息光柵的衍射銷率可以達100%，有更好的成像效果。
全息體光柵材料和量產工藝是當前門檻。材料端合成難度大，且多用於軍用對我國禁運。在量產方面，鐳射脈衝法不適用於規模量產。所以在全息體光柵方案廠商需要具有IDM能力，提供從材料到量產完整的解決方案。
▲製造體全息光柵波簡易工藝流程示意
目前AR光機有如下幾種方案：LCOS、DLP、OLED-on-Silicon和MicroLED。目前AR產品主要使用DLP或LCOS，但是業內普遍對MicroLED方案達到共識，因為各維度引數沒有死角，非常適用於AR的應用場景。但當前由於該技術還在研發中，預計25年左右可以初步看到量產方案。
▲各方案對比情況
LCOS矽基液晶（liquid crystal on silicon，LCoS），將液晶分子填充於上層玻璃基板和下層金屬反射層之間，金屬反射層和頂層 ITO 公共電極之間的電壓共同決定液晶分子的光通性，而顯示驅動電路直接在矽基板上完成製備。
LCoS 的顯示原理為：入射的S偏振光經過液晶層，若液晶不產生扭轉，達到底部金屬反射層反射回來時仍為S偏振光，穿過液晶層射出。隨後經過 PBS 稜鏡反射回到原來光路 ，光線不進入投影光路，即此畫素呈現“暗態”。反之，若液晶發生偏轉，入射的S偏振光在經過液晶層時會發生偏振，可穿過 PBS 稜鏡是，將進入投影光路，即呈現“亮態”。
LCoS製作工藝主要為透過半導體工藝進行刻蝕與沉積製造將液晶層和各種保護反射層製備到矽基驅動。目前由於LCOS量產工藝成熟，大部分引數都適配光波導，其目前是AR主要方案。
DLP Digital Light Processing數字光處理。原理與LCoS類似，但是不是透過液晶對光學進行處理，而是透過稜鏡。
DLP核心在於DMD（Digital Micromirror Device），該核心MEMS器件由TI長期壟斷。製作工藝主要為透過半導體工藝製作MEMS系統控制楞鏡偏轉，從而控制光路。
OLED-on-Silicon矽基OLED方案。原理與傳統OLED方案，但由於在玻璃基板上很難驅動小尺寸的畫素，從而用CMOS工藝來驅動小尺寸OLED畫素。但由於OLED方案的光的亮度小，如果配合光波導在戶外使用效果不佳。所以矽基OLED方案會限制AR的使用場景，目前看不是主流方案。
MicroLED是當前工人的AR顯示的最佳解決方案，其重新整理率、亮度、發光方式、畫素密度等指標都可以提供最佳效能指標。目前是業界內比較公認的最佳解決方案。但由於其畫素尺寸，間距都是幾微米量級，給量產和全綵方案帶來了極大的挑戰。
MicroLED的工藝流程大致分為三部分，驅動背板、畫素製備和晶圓鍵合。驅動背板由於沒有標準，需要晶片設計廠商做定製化開發。畫素製備由於發光效率問題，面臨新的材料選擇和相應的全綵方案結構設計問題。
▲ MicroLED全流程
MicroLED的一大難點在於，隨著畫素尺寸的縮小，EQE會降低，特別是紅光。所以需要選擇新的結構和材料。
▲ MicrLED發光效率
目前，MicroLED全綵色方案有四種方式。主要分為同質材料的全綵方案，主要使用AlInGaN/InGaN。對疊方案，其中紅光和藍綠光的材料不同，使用AlInGaP。最後一種是量子點技術，也是使用同質材料發光，透過量子點將藍光轉為紅色和綠色。
MicroLED發紅光的主要有兩種方案。採用AlInGaN/InGaN為紅藍綠的畫素材料，其優勢在於全綵方案結構設計簡單，但在GaN摻入In複雜。選擇非同質材料AlInGaP為紅藍綠材料，優勢在於AlInGaP技術相對成熟，但劣勢在於全綵方案結構複雜，需要多次進行晶圓鍵合影響良率。目前兩種方案都還沒有成熟的量產方案。
MicroLED全綵方案採用藍光+量子點技術，目前是短期可以實現量產的方案。該方法主要使用GaN製備藍光，在與CMOS驅動背板鍵合，工藝和材料相對其他方案簡單，易於量產。製備完畫素後，在每個畫素點噴塗量子點，使得藍光轉化為紅光和綠光，完成全綵方案。
▲MicroLED量子點技術
目前AR最佳解決方案是波導+MicroLED方案，但由於MicroLED還在研發中，AR行業的成熟方案尚需一定時間。
▲AR不同光學產品與顯示產品之間的匹配度
▲各家科技龍頭企業都在積極佈局全綵MicroLED方案。
情背景下“宅經濟”的出現，使得AR/VR在B端和C端同時擁有了更現實和迫切的入口。在新的光學、顯示等技術的加持下，VR有望實現一次飛躍。而對於AR，雖然AR的遠期前景好於VR，但由於現階段諸如MicroLED等技術的不成熟，預計近期AR的表現會略遜於於VR。
