大光学VR、AR系列深度之六：洞察VR、AR蓝海解锁上游供应格局.pdf

请仔细 阅读在本报告尾部的重要法律声明 华西电子团队 大光学 VR/AR系列深度之 六 洞察 VR/AR蓝海，解锁上游供应格局 孙远峰 /刘奕司 /王 海维 /王臣复 /熊军 SAC NO： S1120519080005 SAC NO： S1120521070001 2021年 8月 5日 仅供机构投资者使用 证券研究报告 1 核心结论 对于 VR/AR创新，核心供应链将早于终端销售爆发而提供成熟和高性价比方案，进而唤起品牌大厂的终端销售拐点和 拉动软件 &内容扩容，供应链挖掘具备非常高的前瞻准确性和产业预判 性 1.VR已来， 22年出货量有望实现翻倍 我们预判， VR时代已经到来，随着上游核心元件光学和显示配套日渐成熟，下游软件生态逐步完善，随着 SONY、 Oculus和 HTC在今 年下半年和明年会陆续推出新款产品，我们预计 22年 VR出货量有望翻倍，跨过一千万 门槛。 VR已来， 22年出货量有望实现翻倍； 20年受益宅经济， VR行业迎来爆发式增长，出货量达 670万台。目前看 VR上游基础硬件性能基 本完备，下游软件生态日益丰富， VR行业已具爆发条件。预计 21年 H2和 22年 H1，各 VR大厂会陆续推出全新机型， 22年 VR出货量有望 达到 1400万台，同比 翻倍。 2.AR市场静待培育，是科技巨头重点关注的大赛道 AR市场是科技巨头重点关注的大赛道；同样受益 20年宅经济， AR也迎来快速发展，但整体出货量不大约 40万台。目前看 AR上游硬件 性能还未能达到厂商标准，同时下游软件生态也较为单一，所以目前 AR大部分厂商已经由 C端转向 B端市场 。 AR市场静待培育，有望成为下一个类手机终端市场 ！ 各大科技公司如苹果、 Facebook、谷歌和微软等企业均在 AR领域进行深入布局 。 AR依然是巨头们看好的下一个大蓝海，其蕴含广阔产业发展红利 。 3.光学和显示是 VR/AR上游核心零部件，决定行业未来走势 从上游供应端看，光学和显示是目前 VR和 AR的核心硬件。我们认为在 VR端光学和显示的组合是折叠光路 +硅基 OLED； AR端光学和显 示的组合方案是光波导 +MicroLED VR三大核心指标 FOV、 PPD和 Persistence均 由 光学 透镜和屏幕决定。行业未来发展逐渐向折叠光路 +硅基 OLED方向发展。 光学和显示同样是决定了 AR的关键性能。行业未来发展有望向 MicroLED+衍射光波导的方案方向发展，但由于 MicroLED目前还处于 研发状态中，导致 AR产品一直不能达到 C端满意状态。我们预计 25年全彩 MicroLED有望量产。 重点 推荐 ： 歌尔股份（代工 +光学） 、韦尔股份（ LCOS等）、瑞 芯微（主控 ）、水晶光电（光学组件） 核心受益 ：舜宇光学科技（光学 ）、 全志科技（主控 ）、联创电子（光学）、蓝特光学（光学 ）、京东方（屏幕）、深 天马 A（屏 幕） 风险提示： VR/AR销量配套不及预期、 MicroLED研发不及预期、光波导研发不及预期、系统性风险 2 3 目录 contents 01 行业概况 02 VR上游拆解 03 AR上游拆解 04 行业重点公司 01 行业概况 4 VR：虚拟现实，产品定义为在密闭环境下输出视频等内容。 AR：增强显示，产品定义为在现实的开放场景下，输出相关视频等内容，同时需要与当前场景进行实时交互。 资料来源：华西证券研究所 图 1： VR产品示意图 图 2： AR产品示意图 资料来源：华西证券研究所 1.行业概况 1.1VR/AR是两种不同形态的产品 5 受益宅经济， VR产业在 20年迎来爆发式增长， 2020年全球 VR出货量 670万台，同比增长 72%。 21年预计全球出货量达到 约 800万台 ,22年预计 1480万台，迈过最重要门槛。 VR未来作为重要的家庭娱乐终端， 未来主打游戏功能的沉浸式 VR在 C端的市场空间可近似比拟游戏主机市场。根据数 据显示，我们预计 VR在未来五年出货量也有望达到 5000万台。 除主打游戏市场沉浸类 VR外，观影类 VR以及各 类 B端应 用落地场景逐渐成熟 ，特别是观影类 VR，潜在目标人群 6亿左右，目前行业正在快速成长。 资料来源： IDC， VR陀螺，华西 证券研究所 图 1： VR出货量历史数据 与预测 图 2：游戏机出货量 资料来源： VG Chartz，华西证券研究所 单位：万台 2018 2019 2020 PS5 - - 465 Xbox Series X/S - - 252 Switch 1633 1927 2825 PS4 1827 1427 875 Xbox one 688 503 315 Total 4149 3858 4016 1.行业概况 1.2.1VR当前市场情况： VR进入放量阶段 1.168 1.4 1.9 2.1 4.63.5 3.9 6.7 7.95 14.8 0 5 10 15 20 2018 2019 2020 2021E 2022E 中国（百万台） 全球（百万台） 6 目前 VR产品主要分为主打观影的高清观影 VR和主打游戏的沉浸式 VR。 目前观影式 VR增长迅速，知名 VR厂商 GOOVIS 19年出货量约 6-7千万、 GOOVIS 20年出货约 1万台左右，处于快速增长阶 段。随着 硅 基 OLED屏幕成本进一步下降，观影 VR价格下探，行业有望进一步快速发展。 主 打游戏市场的沉浸式 VR，主要以 Oculus、 SONY、 HTC和 PICO等主要市场玩家，目前各大 VR主机厂商均会在今年下半 年以及明年上半年陆续推出新款产品，行业有望进一步快速发展。 资料来源 ：华西 证券研究所 图 1： VR产品分类情况以及潜在用户 1.行业概况 1.2.2VR当前市场情况： VR逐渐演变为两种形态，行业有望加速渗透 7 0.91%0.89%0.92%0.99%1.00%0.90% 1.04%1.09%1.09%1.03%1.02%1.09% 1.30% 1.01% 1.16% 1.91%1.92% 1.67% 1.93% 1.70% 1.88% 1.75% 1.96% 1.70% 0.00% 0.50% 1.00% 1.50% 2.00% 2.50% VR下游生态日渐完善，各类游戏大作推动 VR活跃用户增加 。根据 VR陀螺数据 显示， SteamVR的会话数量达到 1.04亿次，平均每 场会话 时长达到 30分钟。 资料来源： VR陀螺，华西证券研究所 图 1： Steam平台 VR占比 图 2： Steam平台 20年 VR游戏营收榜单 资料来源：陀螺研究院，华西证券研究所 游戏名称 类型 好评数 上线时间 美区价格 (美元 ) 国行价格 (元 ) Arizona Sunshine 亚利桑那阳光 FPS 5145 2016/12/7 14.79 41 The Elder Scrolls V: Skyrim VR 上古卷轴 RPG 4253 2018/4/3 19.79 65 Blade and Sorcery 刀剑与魔法 动作 12525 2018/12/11 19.99 72 SUPERHOT VR燥热 VR 动作 4469 2017/5/25 14.99 66 Hot dog, Horseshoes & Hand Grenades 动作 8699 2016/4/5 19.99 68 Beat Saber节奏光剑 音乐 42458 2019/5/22 29.99 90 VR Kanojo VR女友 成人 /养成 942 2018/4/9 24.99 139 Half-Life: Alyx 半条命：艾利克斯 FPS 48335 2020/3/24 44.99 122 BONEWORKS 剔骨工厂 动作 /冒险 15405 2019/12/11 23.99 72 VR层出不穷的游戏大作持续吸引各类玩家。 3A级 VR游戏 Half-LifeLAlyx 刺激 VR活跃用户大幅增长 ,预购人 数超过 30万，同时在线人数峰值达到 42583人。 1.行业概况 1.2.3VR当前市场情况： VR下游生态日渐完善 资料来源： VR陀螺，华西证券研究所 8 VR上游供应链已基本完善，如光学、微型显示、主芯片、结构件、定位以及代工厂等都可提供稳定成熟的产品供 应。这将进一步推动 VR产业走向成熟。 资料来源： VR陀螺，华西证券研究所 图 1： VR头显总结与分析 处理器 显示 光学 追踪定位 高通芯片一家独大 高通跷龙 XR系列芯片进化到 XR2, 在 Quest2首发。 国产芯片差距较大 全 志和瑞芯微主控芯片 ,主 打低端观影功能 ,性能尚 有差距。 Fast-LCD屏成首选 Fast-LcD屏幕显产稳定、 性价比高 ,目前成为消费 级 VR头显的主流屏幕。 硅基 OLED是主流 硅基 OLED刷新速度快，分辨 率高，有望成为未来主流 方案 。 菲涅尔方案成熟 菲涅尔透镜方案已经非常成 熟 ,普遍达到 100以上的 视场角 ,供货稳定 ,当前 VR 头显普遍采用菲尔透镜方 案 折叠光路方案是趋势 采用超短焦技术的 VR头显 体积都及其小巧，华为和 PICO等都采用折叠光路术方 案 , 将有越来越多厂商跟进。 6DOF 6DOF追踪定位技术轻便 易用 ,为游戏等内容提供更 极致的体验 ,VR头显逐步升 级到 6DOF, Oculus已宣布将 停止基于 3DoF全面转向开发 6DOF的产品。 Inside-out Inside-out方案降低了硬件 成本 ,简化了安装设置过程 降低上手难度 ,基于计算机 视觉算法越来越成熟 , insideout方案已成为大多 数 VR头显的方案。 1.行业概况 1.2.4VR当前市场情况： VR上游技术基本完备 9 目前市场主要 VR厂商有 Oculus、 DPVR、 Pico和 HTC等。其中 Oculus市占率超过 50%，而 HTC和 SONY份额下降较快。 我们认为其主要原因在于当前两公司的在售产品款式较老，同时又即将发布新款产品，导致大部分消费者选择观 望。凭借 Sony在游戏行业内多年的积累以及出色内容产出，我们认为其是 Oculus短期内最有力竞争者之一。 资料来源： IDC，华西证券研究所 图 1： VR不同厂商产品市占率情况 图 2：各家公司产品活跃度情况情况 资料来源： VR陀螺，华西证券研究所 60.80% 11.60% 8.90% 1.70% 1.70% 15.30% 2021年第一季度 VR市场份额 Oculus DPVR Pico HTC Sony 其他 VR设备 生产公司 SteamVR活跃设备 (2021.5) Oculus Quest 2 Facebook 29.33% Oculus Rift S Facebook 19.17% Valve Index Valve 16.49% HTC VIVE HTC 11.11% Oculus Rift Facebook 5.94% Windows MR 微软 5.65% Oculus Quest Facebook 5.31% HTC VIVE Pro HTC 2.02% PlayStation VR 索尼 0.18% 28.70% 8.00% 8.90%5.00%12.20% 37.10% 2020年第一季度 VR市场份额 Oculus DPVR Pico HTC Sony 其他 1.行业概况 1.2.5VR当前市场情况： VR主机市场竞争情况 10 同样受益于宅经济， AR行业也迎来了增长。 20年出货量为 40万台，同比增长 33%。 21年预计出货 70万台 ,同比增 长 75%。 资料来源：华西证券研究所 图 1： AR出货量预测 1.0 3.2 10.0 28.0 45.0 26.0 30.0 40.0 70 140 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.0 160.0 2017 2018 2019 2020 2021E 2022E 中国（万台） 全球（万台） AR行业目前上游还处于核心零部件和技术的攻关阶段，下游生态也并不成熟，同时产品定位也并不是很清晰。 关于产品定位，目前对于 AR的定位有两种：一是手机屏幕的延伸，二是替代手机是下一代的计算中心。两种产 品定位对应两种完全不同市场空间，目前产品走向还并不清晰。 AR市场未来预期 手机屏幕的延伸 代替手机 对标平板电脑市场：预计未来 AR 市场空间 4000万台 对标手机市场：预计未来 AR市场空 间 13亿台 图 2： AR市场未来预期 资料来源： IDC， VR陀螺 华西证券研究所 1.行业概况 1.3.1AR当前市场情况： AR行业还有待培育 11 目前市场大部分 AR厂商的操作系统主要是基于安卓做二次开发。但几家大型 AR企业均在自研操作系统，如 Hololens推出基于 Windows的 OS， Magic Leap则重新打造 Lumin OS。总体看目前整体市场还没有出现完善的操作 系统。 AR的下游应用还处在探索阶段，在 C端还没有找到杀手级应用。目前大部分应用主要集中在目标识别，多用于行 业解决方案。 资料来源 ： OF WEEK，华西 证券研究所 图 1： hololens 2应用场景 图 2： magic leap one应用场景 1.行业概况 1.3.2AR当前市场情况： AR下游还未出现杀手级应用 12 资料来源： VR陀螺，华西证券研究所 图 1： AR上游核心技术情况 AR的上游核心技术还并不成熟，诸多技术环节还在研发阶段。 微显示：因为 AR需要工作在外部环境，需要使用亮度很强的微显示产品。目前看 Micro LED是最理想的解决方 案。但目前 Micro LED还处在技术攻克阶段，从衬底 /外延材料、单片集成到驱动，目前都没有成熟的解决方案。 光学：目前主要方案有自由曲面、 Birdbath、光波导的方案，目前看衍射光波导方案是未来主流方案。 主芯片：目前行业主要使用高通晓龙 8系列芯片，目前市场还没有专门为 AR设备设计的主芯片。 1.行业概况 1.3.3AR当前市场情况： AR上游核心技术还在攻关中 处理器 显示 光学 感知交互 高通芯片一家独大 目前 AR眼镜处理器基本以 传统手机使用 的 高通骁龙 8 系列 、以及高通 XR系列为主 配 国产芯片保留希望 Rokid glass2搭载了中国 品晨半导体 AI芯片 , Dream Gass 4K使用了璃芯徵的 GPU 多种显示屏幕共存 LCOS、硅基 OLED、 DLP 三种屏慕共存 。 Micro -LED是未来 Micro-LED毫亮度、低延 时、低功耗等优点将成为 AR 眼镜 的微显示屏幕的 未来选 择 。 多种光学方案共存 自由曲面、 BB、光波导 楂镜方案共同存在。 光波导 + Microled 波导 被 认为是消费级 AR眼镜 光学 方案 的黄金搭档。 SLAM开始普及 部分 AR眼镜开始搭载计算 机视觉模组 ,当前 AR镜方 案基本是 IMU+单双目融合 为 主 , 具备了 SLAM, 环境 理解 , 图像识别等 AR能力 。 手势识别逐步具备 搭载了计算机视觉模组的 AR眼镜部分开始具备动作 捕 捉 ,手势识别功能。 13 AR行业经历高开低走，产品策略从 C端转向 B端。由于技术问题，面向 C端市场的的 Google Glass和 Magic Leap One等产品销量远不达预期，随后大部分厂商纷纷转向行业应用市场。 1.行业概况 1.3.4AR当前市场情况： AR市场高开低 走，仍是科技巨头重点布局方向 14 资料来源 ：华西 证券研究所 图 1： AR行业发展时间轴 AR行业目前正 处于和新技术 攻坚状态 15 1.行业概况 1.3.4AR当前市场情况： AR市场高开低走，仍是科技巨头重点布局方向 公司 时间 AR布局手段 事件 Facebook 2016 外部收购 收购 MicroLED公司 InfiniLED 2017 外部收购 收购计算机视觉公司 Fayteq 2019 外部收购 收购脑计算（神经接口）公司 CTRL-Lab 2020 外部收购 收购计算机视觉公司 Scape Technology 2020 外部收购 收购新加坡新加坡 AR/VR变焦技术公司 Lemnis 2019 专利申请 MicroLED设备专利，该设备包括抛物线型的台面结构、台面结构内的发 光源以及处于设备一侧的主发射表面 2019 专利申请 专利提出用波导拼接以扩大 FOV视场的解决方案，该波导显示器包括光源、源波导、输出波导和控制元件 2020 专利申请 一系列光波导相关专利：用于显示屏定向照明的光波导分束器、具有提取 特征的光波导分束器、带反射偏振器的光波导分束器、包含偏振体三维光 栅的光波导分束器 2020 合作 取得 Plessey的技术授权，并购买其生产的所有 AR屏幕 Apple 2014 外部收购 收购致力于低消耗 MicroLED显示技术的公司 LueVue 2018 外部收购 收购 AR眼镜镜片公司 Akonia Holographics 2019 外部收购 收购了 AR及计算机视觉公司 Camerai 2019 专利申请 专利推进了其已有光波导和全息图像传输技术以减轻未来的 AR/VR头盔的体积和重量 2020 专利申请 AR光学相关专利，描述了一种用于 AR眼镜的光波导光学方案，可解决 AR图像扭曲、硬件体积厚重等问题 2021 专利申请 AR/VR头显相关专利，提出了一种在视频或其它应用丢帧的自动填充和图 像矫正技术 AR行业虽然进入短暂低谷期，但是仍是科技巨头未来重点方向。 Facebook苹果等科技公司正在加速开发面向消费 者的增强现实（ AR）眼镜。 苹果从 2006年开始申请 了数百 项有关 AR的专利，还收购了 10多家 AR相关技术企业 。 Facebook于 2017年首次宣布 AR眼镜计划，之后接连申请了一系列 AR技术相关专利。还正在研发 AR眼镜搭配的腕带 等产品。 资料 来源：各公司官网、集微网、 OFWEEK、华西 证券研究所 16 1.行业概况 1.3.4AR当前市场情况 ： AR市场高开低走，仍是科技巨头重点 布局方向 公司 时间 AR布局手段 事件 Microsoft 2016 专利申请 用于眼球追踪的专利，利用波导来跟踪眼球运动 2017 专利申请 提出可以在增强现实环境中抓取虚拟对象的 AR 系统，如堆叠虚拟立方体或其他物理操控工具控制虚拟对象。 2018 专利申请 旨在解决波导显示设备可以支持的视野非常小的问题 2020 专利申请 采用 MicroLED光源的微型光学方案，旨在缩减 AR眼镜的体积 阿里巴巴 2019 外部收购 收购 AR初创公司 InfinityAR Google 2017 投资 投资 MicroLed制造公司 Glo AB 2020 外部收购 收购 AR眼镜公司 North 2020 专利申请 在头戴式设备中通过光导获取更大视野 2020 专利申请 在 AR眼镜中采用光场相机，外形设计贴近普通眼镜 Snap 2021 外部收购 收购 3D AR商用平台 Vertebrae 2021 外部收购 收购 AR光波导公司 WaveOptics 资料 来源：各公司官网、集微网、 OFWEEK、华西 证券研究所 02 VR上游拆解 17 资料来源：华西证券研究所 图 1： VR核心参数 1.FOV：视场角在光学工程中又称视场，视场角的大小决定了视野范围。在 VR设备中视场角是最为关键的参 数，市场角的大小直接决定了 VR设备的沉浸感。为了得到更好的效果，需要 VR设备的 FOV做到 90 以上。 2.PPD：与传统屏幕衡量分辨率不同， VR等近眼设备衡量屏幕清晰度使用角分辨率 PPD。指视场角表示平均每 1 夹角内填充的像素点的数量。对于头戴显示类产品， PPD 数值越大，就说明对细节的显示越精细。 3.Persistence：余晖效应指人眼在观察景物时，光信号传人大脑神经，需经过一段短暂的时间，光的作用结 束后，视觉形象并不立即消失，从而产生眩晕感。为了降低晕眩感， VR设备需要高刷新率来降低屏幕余晖。 光学器件和屏幕的性能决定了上述三大核心参数。 2.VR上游拆解 2.1VR核心参数： VR三大重要参数 透镜 FOV 显示器 驱动 PPD PersistenceTrade-Off Trade-Off 18 资料来源： VR光学设计的关键参数，华西证券研究所 图 1： VR光学结构示意图 光学镜片起到了放大屏幕图像提供合适的 FOV,其次是帮助人眼聚焦清晰的看到屏幕。是 VR系统中最重要的零部 件。目前主要厂商产品 FOV可以达到 90 - 110 左右，未来产品向着 160 方向进展。 2. VR上游拆解 2.2.1光学器件： 不断 升级，非 球面 -菲涅尔 -折叠光路 19 资料来源：依视路，华西证券研究所 图 1：球面镜与非球面镜 通常 VR光学系统主要遇到以下几点问题：球面像差、色像差、畸变等。特别是为了消除像差问题，目前 VR 通常需要采用非球面镜。 非球面镜表面曲率不同，可以让近轴光线与远轴光线所形成的焦点位置重合，从而消除球面像差的问题。 除此之外，非球面边缘厚度小，可以降低光学 系统的重量 。 2. VR上游拆解 2.2.1光学器件： 不断 升级，非 球面 -菲涅尔 -折叠光路 不同光线交点不 在同一位置 20 2. VR上游拆解 2.2.1光学器件： 不断 升级 ,非 球面 -菲涅尔 -折叠光路 图 1：菲涅尔透镜与非球面镜 菲涅尔透镜，又名螺纹透镜，多是由聚烯烃材料注压而成的薄片。其在设计时会拿掉尽可能多的光学材料，而保 留表面的弯曲度，所以菲涅尔透镜的质量要比传统非球面透镜轻薄很多。 但菲涅尔的成像质量存在一定的瑕疵。由于菲尼尔透镜存在齿距和非工作面，所以会存在一球差问题，并且无法 完全消除 资料来源：菲涅尔透镜加工工艺研究，华西证券研究所 图 2：菲涅尔透镜与非球面透镜 目前总体看，为了进一步使 VR变得更加轻薄，厂商多会选择采用菲涅尔透镜而不是非球面镜。同时为了更好的 成像，厂商还会选择组合透镜的方式，来消除单一菲涅尔透镜带来的问题。 资料来源：菲涅尔透镜加工工艺研究，华西证券研究所 非工作面带来的球差问题 体积明显大于菲涅尔 21 折叠光路，又称短焦距光学系统，预计是未来 VR光学方案的主要方向。因为镜头需要将来自显示器的光聚焦到用 户眼中，而光线的聚焦必须留以足够的距离，所以 VR头显必须保持一定的厚度。折叠光路则是将距离”折叠到其 自身，使光线可以在更窄的空间内穿越同样的距离。这样就可以使得整体 VR设备变轻薄。 资料来源：映维网，华西证券研究所 图 1：折叠光路模组与菲涅尔透镜模组对比 资料来源：映维网，华西证券研究所 图 2：折叠光路示意图 偏光片 分光镜 显示器 与传统光学镜头不同，折叠光路主要由偏光片、分光器和透镜等组成。缺点是光线经过多次反射会损失能量，所 以需要亮度足够的显示屏加以配合。 2. VR上游拆解 2.2.1光学器件： 不断 升级 ,非 球面 -菲涅尔 -折叠光路 22 光学透镜目前主要使用光学塑料材料和注塑成型工艺作为首选方案，优势在于低成本和轻量化。 2. VR上游拆解 2.2.2光学 器件：注塑成型是 VR光学透镜首选方案 资料来源：华西证券研究所 图 1：光学透镜加工工艺与 塑料光学系统材料 材料 工艺 塑料透镜 注塑 优势：低成本、产业链成熟、质量轻 劣势：透过率较低、解析度不足 光学玻璃 研磨法 模压成型 优势：产业链成熟、光学性能好 劣势：质量重、难以大规模生产 优势：适合大规模量产、光学性能好 劣势：质量重、模具加工壁垒高 TPXPS PCPMMA 模压成型 优势：低成本、加工精度高、质量轻劣势：模具加工壁垒高、技术不完善光学塑料种类少， VR透镜普遍使用 PMMA 硅酸盐硼酸盐 磷酸盐 光学玻璃种类繁多，硅酸盐是 VR透镜一种选择 23 资料来源：成像光学塑料透镜的精密注塑成型技术研究，华西证券研究所 图 2：精密注塑成型原理图 资料来源：成像光学塑料透镜的精密注塑成型技术研究，华西证券研究所 图 1：精密注塑的三大过程 整体加工过程主要分为填充阶段、保压阶段和冷却阶段。 2. VR上游拆解 2.2.3光学 器件：注塑成型主要工艺流程 精密注塑成型是把注塑机料桶内的塑料熔融体精确的填充到模具型腔，塑料熔融体与模具型腔之间进行冷热交换 而造成塑料熔融体的快速冷却，形成注塑零件的工艺过程。 24 资料来源：华西证券研究所 2. VR上游拆解 2.2.4光学 器件：镜片注塑成型的关键因素 影响注塑成型质 量的关键技术 模芯加工和镀膜 镜片成型仿真工具 图 1：注塑成型的关键因素 模具模架材料 模芯材料 镀膜材料 成型过程可视化 对应力、温度、压强等进行预测 模具模架材料选用不锈钢、硬质合金钢 或两者结合而成的合金钢 高硬度和强度的热处理钢作为基底材料 镀镍确保硬度可在金刚石车床进行加工 影响注塑成型的关键因素主要包括模仁模具和注塑成型的仿真技术。模仁模具直接决定了镜片的性能和成本。 25 资料来源：华西证券研究所 图 1：光学镜片产业链情况 2. VR上游拆解 2.2.5光学 器件：产业链分解 光学塑料 光学镜片 光学镜头 材料提取 加工制备 系统设计 注塑成型 指定参数 镜片与镜头公司通常是一家，但部分镜头公司会把产能外包 产业链总体可分为光学塑料、光学镜片和光学镜头。其中光学镜头和镜片厂商通常为一家，但有时镜头厂商会把 镜片产能外包到第三方。 26 资料来源： Yole，华西证券研究所 图 1： VR核心参数示意图 增加 PPD 减低 Persistence 加大 PPI 对屏幕提 出新挑战 减少 FOV 降低沉浸 感 提高刷新率 降低像素响应时间 对屏幕提 出新挑战 增加系统功 耗 屏幕是核心 PPD决定了屏幕的清晰度。与传统手机等屏幕不同，由于 VR屏幕离眼睛近，所以引入了 PPI的概念。在 110 的 FOV 下，需要 2800的 PPI才能满足要求，对屏幕厂商提出了很大的挑战。 为了减少余晖现象， VR设备需要高刷屏才能降低人们的眩晕感。这对驱动技术、像素材料带来了很大的挑战。 2. VR上游拆解 2.3.1显示器件 ：显示屏决定核心参数 PPD和 Persistance 27 资料来源： YOLE，华西证券研究所 图 1： VR光学结构示意图 VR显示屏正在从 LTPS IPS屏幕逐步向硅基 OLED迈进。屏幕的选择主要在刷新率、 PPI和亮度直接权衡。其中刷新 率是最为关键的指标，其次考虑 PPI和亮度，所以目前看硅基 OLED是最佳方案。 最大延迟不能超 20ms， 5ms-10ms为最佳 2. VR上游拆解 2.3.2显示器件 ：硅基 OLED是 VR屏幕的趋势 为了降低用户的眩晕感，必须降低余晖，加快屏幕的刷新率。如果刷新率可以达到 200hz，眩晕感将大幅降低。 OLED-on-Si Fast LCD 像素密度 中上 中下 亮度 中 高 响应时间 快 中 图 2：不同屏幕之间性能对比 资料来源：华西证券研究所 核心参数，直接 影响观看者的体 验感 28 资料来源：华西证券研究所 图 1：硅基 OLED产业链 硅基 OLED产业链主要分为上游：硅基 Driver、 OLED材料、滤光片和薄膜封装材料、中游主要为 OLED制造和 各类显示模组、下游主要为各类终端厂商。 2. VR上游拆解 2.3.3显示器件 ：硅基 OLED产业链情况 Si wafer with Circuit Anode Process OLED Process Micro-Display Engine with Optics Display Module Process Micro-Display Application 上游 下游制造 IC Foundry IC Design house OLED Material Semiconductor Material Color Filter TFE Anode+PDL OLED EVAP TEE Encap CF pattern DG Lamin Die Cut FPC Bonding Pol. Attach CapAttach Optical component Assembling AR VR Optical Engine 29 03 AR上游拆解 30 资料来源： Rokid技术丛林，华西证券研究所 图 1： VR与 AR光学简易示意图 AR的光学元件和 VR有 很大 不同。 AR需要 See Through，与真实环境发生交互。所以 AR的显示是不能直接放在眼 前，需要放到眼睛旁边，这时需要一组光学元件将屏幕的像耦合到眼前。 资料来源： Yole，华西证券研究所 图 2：传统光学器件和光波导的区别 AR光学元件正在由自由曲面 /Birdbath等向光波导演进。自由曲面等传统光学元件由于体积过大，使用它们制作 出来的产品笨重，所以主流 AR厂商都在选择使用光波导方案，可以让眼睛尺寸大幅缩减。但光波导的光学损耗 很大，效率只有 20%左右，需要光机进行配合。 3.AR上游拆解 3.1.1AR光学元件：光波导是 AR主要的光学元器件。 31 资料来源：增强现实近眼显示设备中光波导元件的研究进展，华西证券研究所 图 1：光波导的分类 光波导大致分为两类，一类是几何光波导，另一类是衍射光波导。其中几何光波导分为锯齿光波导和阵列光波 导，主要代表光学公司是以色列的 Lumus，市场上还未出现大规模的量产眼镜产品。衍射光波导分为全息光波导 和表面浮雕光栅波导。 HoloLens 2， Magic Leap One均使用表面浮雕光栅波导，苹果公司收购的 Akonia公司采 用的是全息体光栅。 3.AR上游拆解 3.1.2AR光学元件：光 波导 的主要分类 32 资料来源：浅谈光栅波导，华西证券研究所 图 1：几何光波导 几何阵列光波导的概念最先由以色列公司 Lumus提出并一直致力于优化迭代，至今差不多二十年。几何光波导主 要由一系列半透半反镜面组成，其中镜面是嵌入到玻璃基底里面并且与传输光线形成一个特定角度的表面，每一 个镜面会将部分光线反射出波导进入人眼。 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。 3.AR上游拆解 3.1.3AR光学元件：几何光波导效果好，但量产难度大 33 阵列光波导的加工流程主要是研磨、抛光、镀膜和胶合四部分。 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。总体看几何光波导工艺繁琐，很难保持高良率，量产难度大。 资料来源：增强现实近眼显示设备中光波导元件的研究，华西证券研究所 图 1：几何阵列光波导制造流程 切割玻璃基材 研磨抛光 镀膜 胶合 3.AR上游 拆解 3.1.3AR光学元件：几何光波导效果好，但量产难度大 工艺繁琐 34 3.AR上游拆解 3.1.4AR光学元件：衍射光波导有望成为主流方案 衍射光波导主要分为全息光波导和表面浮雕光波导，通过衍射光栅替代传统几何光学器件。 衍射光栅简单来说，是一个具有周期结构的光学元件，周期可以是材料表面浮雕出来的高峰和低谷 ，也可以是 全息技术在材料内部曝光形成的“明暗干涉条纹”。 光栅波导技术采用镜片表面的光栅结构实现光束的扩展和耦出。通过合理的设计光栅结构，光栅波导技术可以实 现出瞳的二维扩展。工艺相对简单，批量生产成本低。 资料来源：浅谈光栅波导，华西证券研究所 图 1：衍射光波导示意图 35 3.AR上游拆解 3.1.5AR光学元件：表面浮雕衍射光波导基本具备成熟量产条件 资料来源：浅谈光栅波导，华西证券研究所 图 1：表面浮雕光波导示意图 表面浮雕光栅波导方案中通过使用亚波长尺度的表面浮雕光栅代替传统的折反射元件作为光波导中耦入、耦出和 扩展区域的光学元件，从而实现对光束的调制。根据凹槽的轮廓、形状和倾角等结构参数的不同，常用的表面浮 雕光栅可以分为一维光栅与二维光栅。一维光栅根据剖面形状划分为矩形光栅、梯形光栅、闪耀光栅和倾斜光栅 等，二维光栅常用的结构有六边形分布的柱状光栅。 由于可见光波长为 450nm-700nm，所以光栅尺寸是微纳米级别的。之前需要通过半导体加工工艺进行制造，成本 高。目前可使用纳米压印技术来制做光栅，其中包括热压法、紫外线纳米压印光刻法和微接触压印法（亦称为软 光刻）。其中，紫外线纳米压印光刻是表面浮雕光栅波导批量生产的常用方法。 目前浮雕光栅制作的方法更加成熟。同时，压印设备已经可以实现国产化，进一步大幅降低了光栅制造的成本。 资料来源：浅谈光栅波导，华西证券研究所 图 2：纳米压印制作光栅流程 36 3.AR上游拆解 3.1.6AR光学元件：全息光波导呈像质量好，但量产尚需时间 资料来源：华西证券研究所 图 1：制造体全息光栅波简易工艺流程示意 光栅材料 上游 材料 无机盐 光敏聚合物全息高 分子分散型液晶 光栅材料对我国禁运 需要厂商自己研发 规模量产 中游制造 卷对卷工艺 印刷工艺 下游应用 军民两用 AR 车载只能座舱显示 军用光学显示 通过双光束全息曝光技术在介质中形成干涉条纹，从而可以获得折射率周期性变化的光栅结构。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销率可以达 100%，有更好的成像效果。 全息体光栅材料和量产工艺是当前门槛。材料端合成难度大，且多用于军用对我国禁运。在量产方面，激光脉冲 法不适用于规模量产。所以在全息体光栅方案厂商需要具有 IDM能力，提供从材料到量产完整的解决方案。 37 目前 AR光机有如下几种方案 :LCOS、 DLP、 OLED-on-Silicon和 MicroLED。目前 AR产品主要使用 DLP或 LCOS，但是业 内普遍对 MicroLED方案达到共识，因为各维度参数没有死角，非常适用于 AR的应用场景。但当前由于该技术还在 研发中，预计 25年左右可以初步看到量产方案。 资料来源： YOLE，华西证券研究所 图 1：各方案对比情况 3.AR上游拆解 3.2.1AR显示元件： MicroLED是最佳解决方案 OLED-on-Si LCOS DLP MicroLED 像素密度 中 中 中 高 亮度 低 中 中 高 光谱纯度 低 高 高 高 对比度 高 低 中 高 功耗 高 低 中 高 成熟度 中 高 高 低 38 资料来源：硅基液晶（ LCoS）微 显示技术，华西证券研究所 图 2： LCOS结构示意图 LCOS硅基液晶（ liquid crystal on silicon， LCoS），将液晶分子填充于上层玻璃基板和下层金属反射层之 间，金属反射层和顶层 ITO 公共电极之间的电压共同决定液晶分子的光通性，而显示驱动电路直接在硅基板上 完成制备。 图 1： LCoS金属反射层制作流程图 LCoS 的显示原理为：入射的 S偏振光经过液晶层，若液晶不产生扭转，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 ，光线不进入投影光路，即此像素呈现“暗 态”。反之，若液晶发生偏转，入射的 S偏振光在经过液晶层时会发生偏振，可穿过 PBS 棱镜是，将进入投影光 路，即呈现“亮态”。 LCoS制作工艺主要为通过半导体工艺进行刻蚀与沉积制造将液晶层和各种保护反射层制备到硅基驱动。目前由于 LCOS量产工艺成熟，大部分参数都适配光波导，其目前是 AR主要方案。 资料来源：硅基液晶（ LCoS）微 显示技术，华西证券研究所 3.AR上游拆解 3.2.2AR显示元件： LCOS是当前主要方案 39 3.AR上游拆解 3.2.3AR显示元件： DLP方案