元宇宙系列深度（六）：AR的心里还有一个待爆发的小宇宙
导语
市场对于VR的期望非常高，但是我们认为相比于VR，AR（增强现实）的场景可能会有更快更显著的规模落地。我们认为，AR最大的特性不是持续的沉浸式，让人有粘性（上瘾），而是给我们的办公生活带来便利，从这个出发点来说推动他应用场景的逻辑的动能将会更大，VR未来的想象空间当然更大，就像我们之前提到的它相当于建立了一个虚拟文明，而AR从企业侧你只要能减少我的人力成本，场地成本，有效降低测试的错误率，你就是我优秀的生产力工具，也许AR未来会向扫地机器人一样成为企业工厂车间检测督查的必选品
核心要点
AR 发展阶段晚于 VR 2~3 年，光学与显示部分器件量产仍存难点，当前最佳技术路径已锁定 Micro LED+光波导，Micro LED 目前技术难点在于巨量转移技术，高性能光波导的量产尚未形成高性价比方案，未来海兹定律有望推动成本持续下探，苹果、谷歌等科技巨头新一代硬件面世后有望带动产业链快速成长
报告正文
1
硬件
光学与显示领域仍是 AR 硬件的重要突破点，光学与显示占据 1000 美元级 AR 硬件成本的43%。AR 眼镜的光学与显示模组包括近眼显示（即光学镜片）、微显示器及与二者相关的景深技术。光学显示是 AR 眼镜组成的核心部分，影响最终成像效果，光学显示之于 AR 眼镜相当于屏幕之于手机。AR 眼镜其余供应链环节与智能手机重合度较高，量产及普及的壁垒较低。
以 HoloLens 为例，主要硬件包括全息处理模块、2 个光导透明全息透镜、2 个 LCos 微型投影以及 6 个摄像头，总成本 1500 美元。其中 LCos 微型投影设备与透明全息透镜达 570 美元（中国部分厂家单个 LCos 微型投影仪成本 500-1000 元不等）、占比 43%，全息处理单元（CPU、GPU、HPU）成本约 400 美元、占比 31%，存储设备 200 美元，6 个摄像头及传感器成本 100 美元，电池 30 美元。
图 1：AR 眼镜硬件成本占比
资料来源：华进资本，安信证券研究中心
图2：HoloLens拆解图
资料来源：华进资本，安信证券研究中心
产品形态：AR 眼镜一体式与分体式并存，主流产品逐步具备手势识别功能。AR 眼镜尚未形成统一的产品形态与技术路径，当前一体式、分体式并存。一体式 AR 眼镜由于需要将电池、芯片等集成在眼镜中，当前难以做到轻量级。手势识别功能是 AR 感知交互的重要方式，也是 AR 眼镜的基础性功能配臵，当前 HoloLens 2、Magic Leap one、Nreal light 等较为主流的 AR 眼镜均具备手势识别功能，而配臵深度摄像头模组是具备手势识别的刚性要求。
表1：近期 AR 新品一览
资料来源：VR 陀螺，安信证券研究中心
1）光学（成像）模块：升级路径明确，光波导为最终发展方向
AR 的光学元件与 VR 有很大不同。AR 需要 See Through，与真实环境发生交互。AR 的近近眼显示是不能直接放在眼前而是放到眼睛旁边，因此需要一组光学元件将屏幕的像耦合到眼前。AR 光学元件正在由自由曲面/Birdbath 等向光波导演进。短期来看，由于成本可控，工艺较为成熟，自由曲面/Birdbath 仍会在 C 端 AR 市场占有一席之地。长期来看，由于光波导轻薄性及显示效果优势，一旦突破量产瓶颈后有望实现快速渗透。
光波导可以分为两类技术方案，几何光波导与衍射光波导。几何光波导成像效果好但量产难度高，衍射光波导具备基础量产条件有望成为主流技术方案。几何光波导由一系列半透半反镜面组成，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。几何光波导的概念最先由以色列公司 Lumus 提出并一直致力于优化迭代，市场上还未出现大规模的量产眼镜产品。
几何光波导运用传统几何光学设计理念、仿真软件及制造流程，没有牵扯到任何微纳米级结构，因此图像质量可以达到很高的水准。但是，整体工艺流程比较繁冗，包括半透半反镜面阵列的镀膜工艺。
衍射光波导可进一步细分为全息光波导与表面浮雕光栅波导，主要原理为通过衍射光栅替代传统几何光学器件，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。衍射光栅是一个具有周期结构的光学元件，周期可以是全息技术在材料内部曝光形成的“明暗干涉条纹”（全息光波导），也可以是材料表面浮雕出来的高峰和低谷（表面浮雕光栅波导）。
全息光波导方案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。但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。量产工艺激光脉冲法不适用于规模量产。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，代表公司包括苹果公司收购的 Akonia、Digilens、Sony 等。
表面浮雕光栅波导方案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。目前通过纳米压印技术，表面浮雕光栅波导已具备成熟批量生产条件，代表公司包括微软 HoloLens 2，Magic Leap One 等。
衍射光波导技术与几何光波导相比，其主要优势在于光栅在设计与生产更具灵活性，不论是利用传统半导体微纳米制造生产工艺的表面浮雕光栅，还是利用全息干涉技术制成的体光栅，都是在玻璃基底平面上加镀一层薄膜然后加工，不需要像几何光波导中的玻璃切片和粘合工艺，可量产性及良率要高很多。
图3：光波导方案技术原理示意图
资料来源：VR 陀螺，李琨《一文看懂主流 AR 眼镜的核心显示技术——光波导》，安信证券研究中心
（a） 几何式光波导和“半透半反”镜面阵列的原理示意图，（b） 衍射式光波导和表面浮雕光栅的原理示意图，（c）衍射式光波导和全息体光栅的原理示意图。
2）显示模块：LCOS 是当前主要方案，MicroLED 是远期最佳解决方案
AR 有四类显示方案：LCOS、DLP、硅基 OLED、MicroLED，其中 LCOS 是当前主要方案，波导+MicroLED 是远期最佳解决方案。
LCOS 硅基液晶（liquid crystal on silicon），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。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 的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。
DLP 数字光处理（Digital Light Processing），原理与 LCoS 类似，但是不是通过液晶对光学进行处理，而是通过棱镜。DLP 核心在于 DMD（Digital Micromirror Device），该核心MEMS 器件由 TI长期垄断。制作工艺主要为通过半导体工艺制作 MEMS 系统控制楞镜偏转，从而控制光路。
硅基 OLED（OLED-on-Silicon）方案，原理与传统 OLED 方案相似，由于在玻璃基板上很难驱动小尺寸的像素，从而使用 CMOS 工艺来替代。但由于 OLED 方案的光亮度小，如果配合光波导在户外使用效果不佳。硅基 OLED 方案会限制 AR 的使用场景，配合光波导效果不佳，目前看不是主流方案。
Micro-LED 高集成半导体信息显示技术，指以自发光的微米量级的 LED 为发光像素单元，将其组装到驱动面板上形成高密度 LED 阵列的显示技术。由于 micro LED 芯片尺寸小、集成度高和自发光等特点, 在显示方面与 LCD、OLED 相比在亮度、分辨率、对比度、能耗、使用寿命、响应速度和热稳定性等方面具有更大的优势。Micro-LED 是目前业界内比较公认的最佳解决方案，其刷新率、亮度、发光方式、像素密度等指标都可以提供最佳性能指标。但由于其像素尺寸，间距都是几微米量级，给量产及全彩方案带来了极大的挑战。JBD 已于2020 年实现了点间距 5μm，5000DPI 的单色 Micro LED 晶圆量产；随着海兹定律推动 LED成本持续下探，芯片尺寸不断下降，Micro LED 正在快速落地，有望成为搭配光波导的最终AR 显示技术。
Micro-LED 的显著优势构建在复杂的工艺流程与严苛的技术门槛上。Micro-LED 显示主要包括外延生长、驱动背板制作、芯片制作、批量转移等工艺流程。其中，芯片制造、巨量转移、驱动是 Micro-LED 产业化的主要痛点，巨量转移更是“难上加难”。目前，业界推出了 Stamp转移、激光转移、自组装转移以及 bonding、Interpose 等转移技术，但总体来看，转移技术的成熟度和良率水平还有待提升，需要全产业链的持续探索和优化。
2
软件
AR 软件已经过各大互联网公司打包整合，功能更加完善，技术支持更加充分。苹果、谷歌都在开发者大会上推出了面向 AR 开发者的便捷化软件开发工具。
苹果的 AR Kit：2017 年 6 月的 WWDC 大会上，苹果正式公布了自己的增强现实开发者平台 AR Kit，它支持 Unity、Unreal 和 SceneKit，具备动作追踪以及平面、光线、范围估算等特性便于 AR 游戏开发者、电影制作人或是品牌开发自己的作品。库克直接把它叫做“全球最大的 AR 平台”。
谷歌的 AR Core：2017 年 8 月，谷歌宣布推出了和 AR Kit 对标的增强现实 SDK，名为“AR Core”。2017 年 10 月 19 日，三星和谷歌宣布了一项合作，将谷歌的增强现实开发平台 AR Core 引入三星 Galaxy 智能手机系列。
其他 AR SDK 软件工具产品：在 AR SDK 生态系统中，除了 AR Kit 和 AR Core 这两棵大树外，还存在一些辅助的 SDK。国外有老牌 AR SDK Vuforia，2015 年被苹果收购的 Metio，Facebook 的 AR Studio 等；国内 AR SDK 有百度 AR，腾讯 QAR，支付宝 AR 等。
3
平台 / 内容
AR 开发成本降低，应用内容大幅增加。Pokemon Go 的火爆让大众第一次直观感受到 AR 的魅力。得益于 AR Kit、AR Core 等高效开发软件，制作 AR 应用的门槛和成本大幅降低。同时，AR 应用数量激增。AR 应用程序在 2017 年 9 月 20 日 AR Kit 正式上线之初只有五十多款，而在 3 个月的时间就已经有超过 1000 款应用。AR 应用在内容上也呈现多样化的趋势，既有类似 Pokemon Go 这样的 AR 游戏，也有传统制造企业与 AR 的联合，比如宝马推出的BMW i Visualizer，乐高也发布了使用 AR Kit 的来整合数字和实物的应用 AR Studio。
图4：宝马推出 AR 应用 BMW i Visualizer
资料来源：591ARVR 资讯网，安信证券研究中心
图5：乐高发布 AR Studio
资料来源：腾讯网，安信证券研究中心
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应用
AR 产业因产品形态与价格尚未达到消费级的水平，当前仍在 B 端商业场景落地，2021 年预计光波导镜片与 MicroLED 微显示屏幕良率及量产难题将有所突破，AR 眼镜在功耗、体积、重量、视场角会有大幅的改善及提升，AR 眼镜将越来越接近普通眼镜形态，整体来看，AR产业进入 C 端市场尚待时日，需苹果、微软等巨头的推动和产业界共同努力。
基于 AR 的远程协作解决方案将称为未来几年 AR B 端市场的重要落地场景。AR 远程协作可通过 AR 眼镜或具备 AR 功能的手机等采集声音音频，并通过无线网络传输到后台协助端进行技术支持，具有低延迟、高画质的优良特性。基于 AR 眼镜的远程协作可以解放双手，借助 AR 远程协作系统，可由经验丰富的技术人员协助运维人员进行“面对面”的远程指导服务。当下代表性的主流 AR 远程协作平台包括：微软 Dynamics 365、Atheer ARMP、Scope AR WorkLink 等。
微软 Dynamics 365：以微软 HoloLens 以及其最新的微软 Dynamics 365 平台为例，其已经在中国展开应用，以自家HoloLens为基础的MR服务包括Remote Assist、Guides、Product Visualize，分别是 MR 远程指导，MR 培训指南，MR 产品可视化（可自由定制 AR 产品文档）。其特点就是围绕自家 Azure 云服务，稳定性有保证，操作省心，且功能方面完全是依托 HoloLens 硬件去打造的行业应用，可定制空间比较高，同时远程指导应用还会有安卓和iOS 版本。
Atheer ARMP：Atheer 是较早一批进入 AR 协作领域的平台，旗下的 ARMP 平台目前在国际市场拥有众多企业级客户。其最初仅支持安卓平台，以移动平台为主，之后扩展到 HoloLens等 AR 眼镜，以及 iOS 移动平台、Windows 等，功能性和支持设备是目前较为全面的一个平台。Atheer ARMP 平台主打远程协作，数字资产管理，以及 AI 预判、绩效分析等功能。其中可基于单目 RGB 相机实现手势操控等，在远程通讯、指导方面还加入 AI 预判能力，甚至还具备 ERP 系统，对企业及客户而言接入也比较简单。
Scope AR WorkLink：Scope AR 同样是比较早进入 AR 协作领域的公司，其 AR 协作平台WorkLink 主打两个功能：远程协助和 AR 培训指导。其特点是自建了一套简易可视化后台工具，无需编程经验即可快速构建一个 AR 培训指导应用。而远程协助方面功能大同小异，支持屏幕静止，并可放大查看注释。目前 WorkLink 平台支持安卓和 iOS 移动平台，以及HoloLens 和爱普生等 AR 眼镜设备。
图6：AR 远程协作核心之：视频通讯
资料来源：青亭网，安信证券研究中心
图7：AR 远程协作核心之：可视化标注
资料来源：青亭网，安信证券研究中心
END
风险提示：VR 设备销量不及预期，AR 技术进展不及预期，5G 建设进展低于预期
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团队介绍
马天诣：安信证券通信&海外科技首席分析师，北京大学数学系金融统计硕士，证券从业6年，曾任职于国泰君安证券/中关村科技园区管委会/中关村股权交易集团；2018-2020年财经国际最佳top3通信分析师 研究领域：前瞻研究改变人类工作/生活/通信方式的伟大科技企业，重点研究符合中国制造业发展方向的硬科技企业，希望广结善缘共同见证中国科技的腾飞
刘浩天：安信证券通信行业助理分析师，中央财经大学金融硕士，重点覆盖IT基础设施，光模块，云视频等领域
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