机械式可变焦显示(Mechanical Varifocal System,简称MVS)是现阶段解决VR眩晕问题的主流方案,相比电子变焦液晶透镜等其他技术,其具有低成本、高成熟度和宽视场角的优势。机械式可变焦显示有望逐渐成为下一代VR产品的标配。

机械式可变焦:低成本、高自由度,当前性价比最优的解决方案

技术原理:通过精密齿轮模组实现焦距调节

机械式可变焦显示技术:通过齿轮模组带动对焦电机的往复直线运动来控制镜片到屏幕的距离。机械式可变焦显示器采用精密齿轮传动模组来调节VR/AR眼睛的两组透镜组件的间距,直至与使用者的瞳距相匹配;其配合眼动追踪、注视点渲染等多种软硬件技术,模拟出人眼在观察远近不同物体时发生的屈光调节和双目辐辏调节过程,从而实现视觉清晰成像的目的。

图表:机械式可变焦的技术原理VR/AR之机械式可变焦显示(MVS)

资料来源:公司官网,中金公司研究部

优势:低成本高自由度,根本上解决VAC眩晕

相比电子变焦液晶透镜等其他VAC解决方案,机械式可变焦显示技术成熟度最高。机械式可变焦是通过电机来控制一组或多组透镜移动,这一技术原理与相机镜头的对焦方式相似,发展历史悠久,技术较为成熟。而电子变焦液晶透镜在液晶形成工业应用后才得以发展,目前仍存在透光率低、画面损失等问题。而其他新型方案目前尚处于成熟化的过程中,如基于视网膜投影为2022年苹果新申请的一项专利,是将像素动态投射到人眼视网膜中,该项技术跳出原有的技术框架,但是目前尚未实现商业化应用。

图表:机械式可变焦技术历史悠久VR/AR之机械式可变焦显示(MVS)

资料来源:iqrab,《文明之光》之《发明365》(吴军,2015年7月2日),中金公司研究部

VR设备的评价维度多元,VAC解决方案的性能表现有差异。

► 视场角(FOV):视场角(Field of View,简称FOV)是显示器边缘与观察点连线的夹角。人眼正产观察周围环境时具有120°的视场角,当VR设备的视场角小于120°时,视野边界将会出现黑边。因此,相对较高的FOV将会提高VR设备的沉浸感。

► 自由度(DOF):自由度(Degree of Freedom,简称DOF)是衡量定位系统功能和性能的重要指标之一,目前DOF分为3自由度(3DOF)和6自由度(6DOF),其中3DOF只能跟踪旋转但不跟踪平移,而6DOF都跟踪,因此6DOF可以准确定位头显的运动变化,带来更强的沉浸感。

图表:FOV和DOF是VR设备的重要评价指标VR/AR之机械式可变焦显示(MVS)

资料来源:Pupuru,VR陀螺,中金公司研究部

机械式可变焦显示技术性能指标表现优异。机械式可变焦显示技术在视场角(FOV)、自由度(DOF)等多个指标下都显示出较好的性能,能够实现连续景深变化,也可叠加眼动追踪功能,实现实时自动变焦和最优的视觉观看效果。

其他VAC解决方案存在技术上的局限性,比如:

► 电子液晶变焦显示:在透明状态下透光率通常小于40%,因此未调光时就会遮挡60%环境光;通常会带来一些画面损失,例如色差、色散或衍射等;偏振技术存在极化效应,而非偏振方案通常需要较高电压(一般12V以上)。

► 焦面显示:存在视场角较小的问题,其能实现的视场角约为18度,而目前主流头显的视场角约为100度。

► 多焦面显示:虽然可以同时显示多个焦平面,但是平面的虚像,存在局部深度信息不足的问题,并且无法获得连续景深信息,只能部分解决视觉辐辏调节问题。

► 全息显示:可以完全解决视觉辐辏调节冲突问题,但是受空间光调制器性能和算力的影响,存在视场角低(不足20度)、分辨率低(由于散斑降低)、刷新频率低等方面的不足,短期内很难走向实际应用。

图表:机械式可变焦方案的综合性能较高VR/AR之机械式可变焦显示(MVS)

资料来源:(Matsuda et al., 2017),中金公司研究部

注:箭头突出了机械式可变焦表现较好的指标

机械式可变焦显示技术是目前成本最低的解决方案,具备大规模量产的条件。传统机械式可变焦显示器单套价值量在100元以内,而其他VAC解决方案由于材料、部件价格高等原因,暂不具有成本优势,如焦面显示技术采用光场的技术原理,核心器件空间光调制器采用硅胶作为基底,成本高达几万元以上,我们认为其现阶段不具备大规模量产的条件,进而影响了焦面显示技术在VR中的推广。

下游应用:头部VR厂商或逐渐规模运用机械式可变焦显示技术

头部厂商VAC专利布局广泛,Meta领跑机械式可变焦研发

VR赛道飞速发展,各大互联网科技企业纷纷入局。VR行业正处于新兴发展阶段,技术仍在不断迭代,吸引了国内外大型互联网科技企业纷纷入局。目前VR设备下游头部厂商有Meta、苹果、索尼、Pico、HTC等,其中Meta市场份额超过50%,CR5市占率超过90%,市场集中度较高。除此以外,我们认为部分初创企业同样具备较强的发展潜力。2023年多款重磅产品有望发布,我们认为苹果、索尼等龙头入场有望进一步推动VR市场扩容。

图表:VR设备下游头部厂商情况VR/AR之机械式可变焦显示(MVS)

资料来源:各公司官网,Wellsenn XR,中金公司研究部

聚焦VAC解决,下游VR厂商技术研发路径多样。各下游VR厂商积极探索VAC问题的前沿解决方案,行业内已积累一定数量的VAC专利。目前,我们认为机械式可变焦仍然是行业内的主流选择,其余解决方案正处于小规模应用或专利阶段。

► Meta:Meta的Half Dome原型机系列主要针对VAC问题设计,该系列前两代设备应用机械式可变焦,第三代设备应用电子式液晶透镜变焦。近期Meta所申请的专利主要集中在液晶透镜领域,但电子式变焦目前仍停留在原型机阶段,无法实现量产。

► Sony:Sony申请的VAC专利聚焦于光学元件与系统设计方面,目前应对VAC问题主要采用机械式可变焦技术,代表产品为PlayStation。

► Pico:Pico专利涵盖眼球追踪技术、注射点渲染、光学设计等多领域。目前能够实现模组减重与变焦的Pancake方案已代替菲涅尔透镜成为公司光学方案首选。

► 苹果:苹果VR领域专利数量众多,其中超级变焦和视网膜投影技术为解决VAC问题的前沿技术,但目前相关解决方案仍处于专利阶段。

► Magic leap:Magic Leap近期申请的VAC专利集中于液态透镜领域,核心研发技术仍处于绝密状态。公司代表产品Magic Leap 1应用双焦面切换显示解决VAC问题,可变焦已成为公司未来产品的技术选择方向。

► Creal:Creal专注于光场显示技术,具有较强的研发能力。2021年首推基于光场显示器热的AR、VR头显原型,光场效果较好,但设备硬件仍存在问题。目前光场显示成熟程度远没有达到商业化阶段的要求。

图表:下游各VR厂商VAC专利布局情况VR/AR之机械式可变焦显示(MVS)

资料来源:IPTOP知识产权平台,中金公司研究部 注:专利查询时间截至2022年6月

预计Pico、Apple和Meta 等主流厂商逐步应用机械式可变焦显示技术

我们预计主流VR厂商将逐步使用机械式可变焦显示技术。2022年9月,Pico4/Pico4 pro或有望在全球发布;2022年10月,Meta或将发布Quest Pro,我们认为其有望成为新一代行业标杆产品;2023年初,苹果或将首推VR/AR设备,我们认为其有望引领行业发展。

图表:各厂商潜在新品发布展望VR/AR之机械式可变焦显示(MVS)

资料来源:Creal官网,Roadtovr,映维网,青亭网,中金公司研究部

苹果:专利显示Apple VR头显或使用机械式可变焦技术。2021年,苹果“Head-mounted device with adjustment mechanism”专利公布,该机制由两个装置部分构成,通过两个装置部分的断开与连接允许用户改变两个透镜的位置实现变焦,暗示苹果头显有IPD系统。IPD主要原理与电脑验光中通过移动凸透镜改变光路实现清晰成像接近,3M公司也曾在论文中提出一种通过电机驱动分光镜调整光线在折射、反射系统中的三折光路,从而实现变焦的光学方案[2]。基于以上事实,我们推测苹果通过电机推动分光镜完成可变焦。

图表:Apple VR头显使用机械式可变焦技术预测依据VR/AR之机械式可变焦显示(MVS)

资料来源:Proc. of SPIE Vol. 10335 (2017),Meta官网,苹果专利《具有调节机构的头戴式设备》,中金公司研究部

在机械变焦模组中,音圈马达与柔性铰链设计可以大幅消除机械震动和噪音。此前,在苹果一份标题为相机聚焦和稳定系统的专利中,各种实施方案就包括具有音圈马达致动器组件的相机。由此可见,苹果拥有通过致动器件移动实现自动对焦的技术,需要音圈马达减少机械运动的影响,进一步佐证了我们对于苹果使用机械式可变焦技术的预测。

图表:苹果专利系统中包含音圈马达等机械模组VR/AR之机械式可变焦显示(MVS)

资料来源:苹果专利《相机聚焦和稳定系统》,中金公司研究部

Pico:对于Pancake模组的选择暗示新品或使用机械式可变焦技术。根据目前所曝光的设备参数,Pico4/Pico4 Pro选择使用了Pancake光学方案。Pancake方案利用偏振光原理,采用折叠光路设计,与传统菲涅尔透镜相比,模组厚度大幅度降低。从原理上分析,Pancake方案应用分光镜对光线进行调整,微型传动器是其实现变焦的关键器件。目前Pancake透镜与液晶透镜复合方案尚不成熟,存在图像质量差等问题,我们预计Pico 4系列或将使用机械式可变焦技术。

图表:Pico4/Pico4 pro使用Pancake光学方案VR/AR之机械式可变焦显示(MVS)

资料来源:国家知识产权局,华为专利《一种光学成像系统及头戴式显示设备》,ZAKER,中金公司研究部

Meta:新技术液晶变焦存在不足,我们认为Meta未来新品可能使用机械式可变焦技术。Meta此前展示的Half Dome 3配备可变焦液晶透镜系统,由电驱动完成变焦。根据Meta于2021年6月在SID ICDT期刊发表的论文,由于液晶透镜与普通透镜结构的不连贯,多层透镜叠加将影响整体图像质量大幅下降。目前我们认为Quest pro大概率将采用Pancake透镜折叠光路,未来新品或将同步搭配使用机械式可变焦。

图表:多层透镜结构造成图像质量下降VR/AR之机械式可变焦显示(MVS)

资料来源:《SID ICDT》Journal 28 Bos et al. (2021),中金公司研究部

文章来源:中金公司研究部

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作者 sun, keting