元宇宙核心层终端入口发展情况

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相较于其他终端入口,虚拟现实(VR/AR/MR/XR)头显的感知体验和交互特性直接决定了元宇宙对于用户的吸引力,其也是实现计算、感知、交互、融合等功能的重要载体。本文以虚拟现实头显为主要对象,在以下几方面进行分析:

全球虚拟现实头显市场迎来高速增长,Meta 及微软分别居于 VR 及 AR 终端市场龙头地位。IDC 数据显示,2021年全球 VR/AR 头显出货量达到 1123 万台,市场同比增长92.1%。其中 VR 头显出货量达 1095 万台,2C 端 VR 头显出货量首次超过 2B 端,VR 头显开启消费级市场之路。预计2022 年全球 VR 头显出货量将突破 1573 万台,同比增长43.6%。Meta 旗下 Oculus Quest 2 出货量约 880 万台,市场占有率 80%,已成为全球 VR 头显市场的代表性产品。AR眼镜市场龙头地位被微软占据。国内品牌方面,字节跳动旗下 VR 头显品牌 Pico 市场占有率为 6%,全球第二。我国 VR头显设备市场较小,2021 年出货量不足百万台,其中 Pico、爱奇艺瓜分了过半市场份额。虚拟现实头显设备持续发展及迭代,离不开芯片、光学、显示等核心器件的有力支撑。

芯片:高通骁龙 XR2 成为主流选择,本土化产品实现初步应用。处理器芯片方面,2018 年全球首个 XR 专用芯片高通骁龙 XR1 平台改变了整个虚拟现实头显的格局,2019年高通推出全球首款支持 5G 的 XR 平台——骁龙 XR2,其支持 3K 单眼分辨率、8K 360°全景视频、七路并行摄像头,目前已成为2000-4000元消费级产品VR/AR头显的主流选择。

光学器件:VR 与 AR 头显采用的光学方案明显不同。 VR 光学器件主要以菲涅尔透镜方案为主,pancake 方案市场逐步扩大。目前 Meta、Pico 等主流 VR 设备均采用菲涅尔透镜方案,但由于焦距问题头显相对笨重;pancake 方案可将整机厚度减少 48%、模组厚度减少 56%、整机重量 40%。 AR 光学器件主要分为棱镜、自由曲面、BB(BirdBath)和光波导等方案,其中棱镜方案主要用于骑行头盔等辅助产品,但存在视场角小的问题,典型产品为 Google Glass;自由曲面方案采用具备一定反射/透射(R/T)值的自由曲面反射镜,可全覆盖佩戴者的眼睛,给用户带来较好的成像质量,但存在重量大、光机透过率较低的问题,代表性产品有日本爱普生公司的 BT-200,美国梦境视觉公司的Meta2 系列 AR 眼镜;BB 方案则是将来自显示源的光线投射至 45 度角的分光镜上,分光镜具有反射和透射值(R/T),允许光线以 R 的百分比进行部分反射,其余部分则以 T 值传输,用户可同时看到现实世界的物理对象,以及由显示器生成的虚拟影像。

目前市面上的消费级 AR 眼镜多采用 BB 方案,如 ODG R8 和 R9,其中 ODG 有 50 度的视场角,其光机厚度则超过 20mm,透过率较低。光波导方案分为几何光波导和衍射光波导,其中几何光波导又称阵列光波导,其采用半透半反镜阵列作为出瞳扩展器,服从的是入射角等于反射镜的反射定律,对构成全彩显示的三原色的入射光无色散作用,从而可以保证画面无明显的色彩偏差,但由于目前生产工艺及制造的瓶颈,几何光波导显示有明显的光栅条纹,影响可视性。衍射光波导采用的是衍射光栅作为耦入耦出器件,目前使用较多的衍射光栅方案有 Hololens 的倾斜光栅、Magic Leap 的二元光栅以及 WaveOptics 的圆柱光栅,但无论何种形式光栅,均会出现色散效应,所以无法做到较好的色彩表现,同时衍射光波导的光效相比几何光波导也较差。

近眼显示器件:VR 与 AR 头显对显示器件需求差别较大。VR 头显追求高分辨率、大视场角,目前主流产品采用TFT-LCD(快速响应液晶),其存在显示颗粒感严重、重量大问题。苹果预计 2022 年第四季度发布 VR 眼镜,将搭载索尼 4K Micro OLED 显示屏,相对于 TFT-LCD 而言,其像素尺寸及屏幕大小均能得到稳步进步。AR 头显则追求轻量型、低功耗和高亮度,目前 AR 头显主要有 4 种显示器件,分别是硅基 LCoS 显示器、硅基 Micro OLED 显示器、硅基 Micro LED 显示器以及 DLP 显示器。硅基 LCoS 显示器的优点是分辨率高,亮度随光源亮度变化,缺点是成像系统复杂,对比度较低;硅基 Micro OLED 显示器的优点是自发光,成像系统简单,缺点是亮度低,寿命较短;硅基 Micro LED 显示器的优点是自发光,成像系统简单,亮度与对比度高,缺点是目前彩色技术方案不够成熟,整体良率较低;DLP 显示器的优点是光效高,缺点是成像系统复杂,分辨率较低。目前业界普遍认为 3-5 年内 AR 头显采用的技术方案为硅基 LCoS显示器与单色硅基 Micro LED 显示器,而 5 年后则基本采用彩色硅基 Micro LED 显示器

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