2023益视角 | AR眼镜硬件汇总:不确定的技术,确定的未来

2023年03月03日
回望2022年,全球AR产业不断积极向前探索,围绕“新产品、新技术、新场景“衍生了一个又一个炙手可热的话题,涌现了一款又一款硬科技佳作。


"Micro-OLED、Micro-LED、高亮度、高对比度、大FOV、高PPD、光波导技术、微型光引擎、眼镜形态、SLAM" 等热词贯穿2022年。据青亭网不完全统计,2022年发布或曝光的 AR/XR产品共计32款。(注:本次盘点也包括已经公布的AR原型或参考设计。)


相较于硬件技术较为成熟的VR,AR由于光学系统更为复杂,且轻量化要求与性能矛盾更大,尚待零部件迭代,仍处于硬件发展早期阶段。本文将透过2022年AR/XR硬件,结合市场数据、技术落地和场景应用,尝试解读AR硬件产业C端未来发展之趋势。
光学:光波导发展趋势清晰,三大技术路径持续


AR要确保虚拟信息与真实图像的精准叠加,因此AR光学在满足VR光学类似性能的基础上,还具有两个额外特性:一是更轻薄的光学模组;二是更高的模组透光性。AR光学方案多样,经历离轴光学、棱镜、自由曲面、BirdBath到光波导的演进过程。其中自由曲面、BirdBath目前已量产成熟,但光波导因突出性能成为未来AR的必然选择,技术持续突破,近年来已搭载多款先进AR眼镜落地。
来自耐德佳、鸿蚁光电、惠牛的 Birdbath/ 自由曲面光学结构相对简单,一方面光效高,显示屏选择灵活,另一方面制造难度低,可以较低成本规模量产,已成为目前中低端或消费级 AR 眼镜的主要光学方案。
自由曲面方案由表面形状不能被连续加工、具有传统加工成型的任意性曲面担当反射镜,对显示屏光线进行准直和成像,因此成像质量较高,色彩饱和度和光学效率表现优秀。但自由曲面结构局部精度低,带来低分辨率和画面扭曲,使得现实世界和虚拟世界光线传递时存在畸变现象。


BirdBath 方案下,显示屏光线经45度角的分光镜反射至曲面镜弹射入眼,而现实光线透过曲面镜和分光镜入眼。光学结构简单,光效高、视场角大;但眼动范围受限,同时透射入眼面临图像畸变、光线透过率低的缺点。





光波导方案将微显示器的光线经光栅耦入波导片中,经过数次全反射,再将光束经光栅耦出 至人眼。过去光学方案利用光学结构来平衡镜片体积和视场角,光波导不受此约束,可将厚度压缩至3mm以下,同时具备视场角大、透光度高、分辨率高、眼动范围广等优秀性能,虽光效很低,但配合高亮度显示屏将有效缓解。图片


光波导优越性能吸引众厂商入局,已推出诸多技术路径。2022年 Nimo、李未可、OPPO等 14款AR眼镜采用光波导,根据原理差异,光波导可分成几何和衍射两类,几何光波导利用传统光学元器件实现全反射,而衍射光波导使用更平面的衍射光栅。而根据耦入和耦出光栅材料的不同,将延伸成三类技术路径:阵列光波导、表面浮雕光波导和体全息光波导。


综合当前各性能指标,阵列光波导表现最优。和两个衍射光波导技术性能相反,阵列在成像效果占优,但面临眼动范围窄的问题。但成像质量和光效指标更为重要,且二维扩瞳技术实现突破、逐渐落地,将缓解阵列光波导眼动范围不佳的缺陷。体全息光波导目前在三者中表现较落后,但其中远期理想性能使其备受关注,积极布局。然而光学方案选择需要综合考虑制造因素,制造工艺会影响实际性能,并且量产产能、良率和制造成本也至关重要。阵列光波导因流程复杂,限制其量产能力并且成本难以降低,表面浮雕光波导在制造端更具优势。
结合三种光波导在技术和制造上的优劣势,并考虑B端和C端应用场景的核心需求,我们认为中短期阵列和表面浮雕共存,长期体全息将成为主流之选。
显示:显示方案选择与光学深度绑定,Micro LED成热点
AR光学中,因未来主流技术光波导光学效率极低(最低至0.3%-1%),需显示屏提供很高亮度才能保障正常入眼亮度,因此呈现光学方案和显示屏方案搭配使用、深度绑定的局面。
Micro OLED结合OLED显示技术和CMOS工艺,具备OLED自发光特性带来的低功耗、高对比度、高刷新率、响应速度快等优点,和CMOS半导体精细工艺带来的高清晰度和轻薄特性。唯一技术缺陷是亮度低,适合搭配光学效率高的光学方案,目前已成为自由曲面或 BirdBath光学方案的标配显示屏。雷鸟、视享、高通、爱普生、小米、三星、联想等国内外AR眼镜厂商均采用的此配置。



光波导早期搭配LCOS或DLP显示屏,仅满足基本亮度,其他显示性能相较Micro OLED较差。LCOS和DLP亮度提升和制造成熟的优势,使其在早期成为光波导的搭配屏幕。通过提高光利用率,两方案亮度超 10000nit,结合光波导入眼亮度勉强合格。两方案虽结构复杂,但均为成熟应用,产业链完善、量产能力强、成本相对低。然而,背光源的设计,导致LCOS 和DLP在对比度、分辨率、功耗、响应速度等重要显示指标上均差于Micro OLED。


注:LCOS显示屏AR眼镜图(来源:网络)
大部分人认为Micro LED 凭借其全面优越性能和理论制造优势,有望成为搭配光波导的热点显示技术。Micro LED将LED阵列化、微小化,使其既拥有Micro OLED的高分辨率、高刷新率、高对比度等优势,也拥有LCOS高亮度、寿命长等优势,并在AR关键的亮度、功耗、屏幕体积等性能实现大幅度升级,成为光波导的终极搭档。AR眼镜享受Micro LED行业发展红利,2022年陆续发布搭载Micro LED+光波导的AR产品,如ESSNZ Berlin、李未可Meta Lens S1以及年末的OPPO Air Glass 2。
虽然Micro-LED显示技术具有显著的优势,但高昂的成本和不配套的产业链体系一直是制约Micro LED发展的关键性因素,尤其是成本更是阻碍Micro LED显示屏进入万亿级家庭消费市场的拦路虎。巨量转移技术不成熟、红光LED效率低,良率差也是Micro LED成本居高不下的重要原因。



注:李未可Meta Lens S1产品图(来源:网络)
除上述显示方案外,AR光学市场也在不断涌现新的技术,例如FSD(光纤扫描显示),它在分辨率、像素密度/PPI、对比度、色域、亮度等、成本、体积、功耗等方面,相对于其他显示技术具有突出优势,且可以规避Micro-LED的核心缺点。
芯片:低要求下多元芯片选择和国产化机会
目前发布的AR眼镜多是高通(QCOM.O)骁龙芯片承担主力,但AR芯片方案相比VR更多元。VR绝大多数采用最强的高通骁龙XR2,但因成本和功耗,部分AR眼镜采用算力和交互较差的XR1芯片,甚至选择适用于可穿戴设备的高通2500或4100。AR芯片宽松的性能要求,让很多AR初创企业积极尝试其他芯片方案,呈现出1)可穿戴芯片推动消费级渗透;2)国产芯片相比VR更易搭载AR的现状。
在2022骁龙峰会上,高通宣布推出首款专门针对AR(增强现实)眼镜设计的芯片——第一代骁龙AR2集成芯片,采用4纳米工艺制造。此次专门为AR眼镜设计芯片,主要用于打造更轻便的AR眼镜产品骁龙AR2的发布,也标志着高通对原有XR芯片产品体系的进一步扩展。多家OEM厂商将针对骁龙AR2进行产品开发,并已进入不同阶段,包括联想、LG、Nreal、OPPO、Pico、Rokid、夏普、TCL、Vuzix和小米等。
注:高通骁龙AR2芯片图(来源:网络)
注:各种芯片参数对比表(来源:网络)
随着AR功能和应用场景将不断拓展,并逐步摆脱手机成为独立一体机形态,这要求AR在保持低功耗同时提升运算能力,形成了两种发展路径,即1)定制芯片追求性能最大化;2)AR 上云,在云端完成计算任务。定制芯片实现软硬协同,提升AR眼镜性能和竞争力。目前针对手机、物联网、VR等的通用芯片被应用到AR中,出现功能冗余、AR 特定功能(如交互)无法实现的情况,且难以满足AR对小体积、低功耗的需要。AR厂商针对使用场景和应用功能定制芯片,追求“自研芯片+自主OS”软硬一体的高度协同,性能和功耗表现会强于通用芯片,有效缓解AR产品的限制。同时,根据苹果凭借定制M1芯片在PC市场取得差异化优势的历史经验,软硬结合助力AR的复杂交互和个性化功能更好实现,实现产品领先。
产品形态:从单目到双目,一体式 AR 眼镜的多元发展
2022 年上半年,谷歌在开发者大会上展示一体式概念AR眼镜,高通推出基于XR2的一体式AR参考,大厂对于AR产业的布局为下半年密集的AR一体机发布做了一个不错的前期预热。据统计,2022 年产业链发布或曝光的AR一体机数量为13款。
分体式 AR/XR 眼镜,作为一块随时可移动的便携式扩展显示屏,它不仅可以连接到手机、PC、Switch,带来不一样的近眼虚拟大屏显示体验,还能联动近两年火热的新能源汽车行业。如去年Nreal宣布联合蔚来,雷鸟创新宣布与理想合作,将AR/XR眼镜带入汽车,打造娱乐座舱,拓展用户体验场景的同时,也为AR品牌厂商增加了另一条的市场渠道。

注:蔚来联手Nreal打造车载AR(来源:网络)

从高质量的近眼显示技术到低价格多场景的应用,分体式 AR/XR 眼镜优势明显。不过,大家都心知肚明,想要在C端市场取得如智能手表、TWS、甚至PC和手机那样的市场,绝不会是分体式的产品形态。所以,目前不少分体式XR眼镜都在推“主机盒子”和“颈挂式主机” 的产品配对模式,比如Magic Leap2、TQSKY T1、Viture One等。2022年,连获多轮融资的AR明星企业Rokid也推出主机计算单元Rokid Station,这也从侧面凸显了自有操作系统,一体化AR内容生态的重要性。

注:亮亮视野听语者AR眼镜(来源:网络)
结语:在不确定的技术中,寻找确定的未来
从 2014 年谷歌第一款AR眼镜发布至今,8 年时间,不确定的技术与确定的未来,一直在干扰行业发展,同样也在倒逼产业创新,寻求突破。在产业一轮又一轮的技术升级中,未来的 AR 产品形态也越来越清晰,越来越接近。
2023年,AR产业,机遇与挑战并存。


上篇: 益视角 | 热点领域行业周报(2023.02.28-2023.03.06) 下篇: 益视角 | 热点领域行业周报(2023.02.21-2023.02.27)

Copyright © 2021 上海溢联投资管理有限公司 官方网站版权所有  沪ICP备2021019181号

扫一扫关注公众号