苹果公司在2024年上半年推出的Apple Vision Pro和Meta公司在下半年公开的AR眼镜原型Orion，都极大地提升了公众对近眼显示技术及应用的认知，推动整个行业跨入了元宇宙近眼显示的关键发展阶段。各大厂商无论是在光学方案的优化，还是在微显示技术的突破都推动着近眼显示设备朝向生产力工具化的趋势发展。
同时，作为技术转型战略的一部分，近眼显示领域的资本投入与企业联合正在如火如荼地进行。这种资本和技术的结合，不仅加速了产品的迭代，也促进了行业的创新和竞争。
此外，AI技术为近眼显示设备带来了新的赋能，随着行业的不断发展，新的生态也正在形成。整个产业链都在积极地探索和拓展新的商业模式和应用场景，这为近眼显示设备的发展提供了强大的动力，也预示着近眼显示产业未来可期。在2024 TrendForce集邦咨询自发光显示产业研讨会上，TrendForce集邦咨询分析师万雯带来了近眼显示市场发展与技术分析，让众多行业人士了解到近眼显示行业发展现状与未来趋势。近眼显示产业的发展源头可追溯至1838年物理学家查尔斯提出的立体视觉。而在1963年，Ivan Sutherland开发了第一个计算机图形驱动的头盔显示器（HMD）及头部位置跟踪系统，成为VR技术发展史上的一个重要里程碑。在1984年VR被正式命名后，同时随着计算机技术的进步，VR头显设备和相关应用逐渐开始普及。现代VR技术不仅提供了视觉、听觉的沉浸式体验，还通过触觉、嗅觉等多种感官模拟，使用户仿佛置身于虚拟世界中。现代VR技术广泛应用于游戏、教育、医疗、娱乐等领域，并在元宇宙的推动下迎来了发展高潮。AR设备的发展史相对于VR更短，在谷歌2012年发布首款AR眼镜Google Glasses后，AR设备才算真正开始发展。尽管市场期望和投资热度较高，但受形态、显示效果、生态应用等因素制约，AR眼镜整体发展不及预期，2016-2019年AR进入低谷期。随着2019年开始Rokid、雷鸟、Xreal、Magic Leap等厂商陆续推出新品，硬件生态持续完善，AR行业步入上行周期。VR通过在人眼和微显示屏之间引入光学透镜，比如菲涅尔透镜、Pancake等光学器件，利用光的折射将显示图像放大的同时，将虚拟图像引入人眼，实现完全沉浸式体验。而AR需要看到真实的世界，是通过棱镜、自由曲面、光波导等光学元件，对微型显示器发出的光进行反射、折射或衍射，最终将其投射到人眼，将虚拟图像和真实世界联系起来，互相加强。MR概念的形成时间晚于VR、AR，目前业界对于MR的定义大致可以分成两派，一派将MR定义为AR+VR，另一派则强调虚实交互能力，更强调前瞻技术的赋能。近眼显示技术应用场景着眼于将虚拟与现实世界无缝融合，提高交互感、沉浸感、远程参与共同协作等体验，无论是在医疗、教育还是工业领域都有较大的应用潜力。虽然目前在XR技术方面还存在一些挑战和限制，但其应用前景仍然是光明的。无论是VR/MR产品应用场景丰富化还是AR产品市场产业生态的提升与资本的投入都将会转化为近眼显示设备市场规模扩张的推动力，因此TrendForce集邦咨询预计2030年近眼显示设备整体出货量或达6280万台。短期来看，VR/MR产品的市场与供应链情况相较于AR产品都更为成熟，但长期来说AI与技术发展的助力都会使AR产品的使用场景丰富度优势凸显，从而拉近二者的市场份额占比，TrendForce集邦咨询预估2030年AR近眼显示设备总出货量的占比为41%。LCD/LCoS/LBS/LEDoS/OLEDoS大乱斗，近眼显示主流技术优劣如何？近眼显示本质上是通过置于人眼非明视距离内的显示设备，向人眼渲染出光场信息，进而在眼前重建虚拟场景。不难看出，近眼显示设备包含两个重要元素，其一个是微显示器件，其二就是光学器件。在光学器件方面，包括Vision Pro在内的VR设备正在往轻薄化、微缩化方向发展，这也和光学显示技术演变趋势一致。从利用透镜减薄演进到缩短光路造就Pancake技术路线，虽然也带来了“鬼影”和光效的折损问题但Pancake通过额外两次的反射面拉长光路，能在兼顾视场角（FOV）的条件下降低40%的厚度，是追求厚度与FOV设计最佳化的理想方案，已成为VR/MR产品的新光学技术趋势。AR的光学架构相对更复杂一些，目前市面上产品多采用Birdbath以及光波导方案。AR眼镜想要在消费级市场大规模起量，在重量方面不能和普通眼镜相差太大，而光波导可以放在眼镜的侧面去把显示内容投射到人眼中，具有高透明度的同时又可以实现轻薄化，能够更好地满足用户佩戴的体验感，因而光波导被视为AR光学技术的未来。微显示器为近眼显示设备提供显示内容，其生成的图像作为光学系统图像的来源，同时微显示器是影响XR眼镜尺寸、功耗与亮度、对比度、分辨率等性能的关键组件。在微显示技术方面，LCD/LCoS/LBS/LEDoS/OLEDoS同台竞技，各有千秋。性价比方面的优势使得LCD技术应用始终占据市场主导地位，但近眼显示设备正在追求更高清显示效果，LCD产品仅有1200PPI的显示效果对比其他技术不具备竞争优势。但通过改良液晶材料能够降低眩晕感，通过升级背板技术能够将分辨率提升至1500PPI，通过选择合适的背光源有机会大幅提升光利用率并抑制VR/MR设备中的“鬼影”问题，这些都表明LCD技术未来仍有一定的优化空间。LCoS技术的优点包括高分辨率、高对比度、高填充率和良好的电子移动率。由于 LCOS 面板上像素尺寸极小，LCOS 光机能够提供非常高的分辨率，这在显示高清图像时尤为重要。同时，LCOS 技术的反射型结构使其能够实现高对比度的显示效果，特别是在暗场景下的表现更为突出。但LCoS技术的制造工艺要求较高，良品率难以把控，这增加了生产成本和难度。此外，LCoS技术的液晶分子转换速度相对较慢，虽然分辨率高且色彩艳丽，但拖影和模糊更容易出现，整体的观看效果无法达到很好。尽管如此，随着技术的进步和成本的降低，LCoS技术正在逐步改善这些问题。DLP技术可以搭配多种光波导方案，成熟度较高，显示效果较好，由于DLP采用反射式投影技术，光能利用率高，能够提供高亮度和高对比度的图像。但DLP光机体积较大，出于体积和成本考虑，DLP光机多采用DMD芯片设计，色彩不够鲜艳，还原度不如LCD光机。同时，DLP相关产品目前只能由TI独家供货，有专利壁垒，面临供应卡脖子风险和成本问题。LBS采用MEMS振镜精确控制激光扫描路径，仅消耗在实际显示像素上需要的能量；同时，LBS无需额外背光源即可成像，可显著减少功耗。但LBS采用的是激光光源，很难避免激光光斑的问题，还可能产生边缘的画面畸变或者显示分辨率不高等问题。LEDoS技术使用LED光源，具有高亮度特性，能够抵抗环境光的干扰，适合在户外或光线较强的环境中使用。同时，LEDoS技术通过将LED沉积在硅基板上，可以显著减小光机的体积，适合AR设备对体积的要求。其次，LED光源的功耗较低，适合长时间使用的AR设备。因此，LEDoS被视为AR设备的未来技术。但LEDoS技术目前仍然面临微缩化LED发光效率改善以及如何在极致的空间利用下做到全彩化的难题，LED微缩后除了自身的EQE挑战外，亦面临发光效率和光学串扰的挑战，除了像素间须设计特殊材料挡光/吸光外，LED还须外加侧边反射镜（Side Mirror）与微透镜（Micro Lens），这些都提升制程复杂度，对成本与良率控制构成挑战。OLEDoS采用CMOS工艺制备，利用顶发射OLED可以获得更高的发光效率，并将OLEDoS产品分辨率的基础规格提升到3000以上。传统OLEDoS采用白光OLED+C/F的结构，C/F一般制作在另一块玻璃上，再往高PPI走时，大角度的出光可能会造成cross talk，进而限制高PPI OLEDoS的发展。而将低温C/F直接做在OLED主动层的封装上，可以有效减少串扰并提升PPI，SONY将此技术称之为OCCF，并基于此技术实现了4032PPI的OLEDoS微显示产品，LGD和BOE也相继推出了>4000PPI的产品。从VR产品来看，LCD技术性价比更高，目前仍占主流地位，而OLEDoS技术在Sony与Apple合作下确立了在高端VR市场的地位，叠加国内外厂商在OLEDoS领域的投资和布局不断加速，未来将有更多搭载OLEDoS技术的VR产品推出。Apple Vision Pro，图片来源：Apple
尽管LCD技术在短期受到OLEDoS技术产品的冲击，但长期来看采用LCD技术的VR产品在中低端市场仍具备强劲的竞争力。TrendForce集邦咨询预估2030年采用LCD技术和OLEDoS技术的VR/MR设备出货量将分别达到2360万台和870万台。从AR产品来看，AR目前市场较为主流的仍是自由曲面或Birdbath搭配硅基OLED的技术路线，OLEDoS技术在分辨率发展迅速，但平衡亮度与色彩显示上仍有一定局限性，且考虑到未来AR设备的光机体积与功耗需求，光波导搭配LEDoS技术或成为未来发展趋势。目前全彩LEDoS技术发展仍不成熟，短期的市场渗透率较低，但该技术在AR应用场景的显示优势使其获得品牌厂商的支持，此外企业之间例如Porotech与鸿海的合作也可扩大AR装置的使用场景，这也是市场份额提升的主要手段，TrendForce集邦咨询预估2030年采用OLEDoS和LEDoS技术的AR设备出货量分别可达638万台和1122万台。文中数据及图片出自TrendForce集邦咨询《2024近眼显示市场趋势与技术分析报告》。点击下方图片了解报告。
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文：LEDinside Carl
