虚拟显示XR行业研究报告：虚拟显示第二春电子创新新战场

虚拟显示XR行业研究报告：虚拟显示第二春，电子创新新战场1.

虚拟显示产业风起云涌，多家巨头将发布新产品，苹果

MR预计

2022

年下半年入场根据工信部的定义，虚拟（增强）现实（VirtualReality,VR/AugmentedReality,

AR）指

借助近眼显示、感知交互、渲染处理、网络传输和内容制作等新一代信息通信技术，构建

身临其境与虚实融合沉浸体验所涉及的产品和服务。为防止混淆概念，本报告中的虚拟显

示指

XR（包括虚拟现实

VR、增强现实

AR、混合现实

MR)。作为新一代信息技术融合创新的典型领域，虚拟显示在大众消费和垂直行业中应用前景广

阔，关键技术日渐成熟，比之

2018-2020

年相对平缓的终端出货量，随着

FacebookQuest2、微软

Hololens2

等标杆

VR/AR终端迭代发售以及电信运营商虚拟显示终端的发

展推广，2021

年有望成为虚拟显示终端规模上量、显著增长的关键年份，产业发展正逢其时。从广义来看，虚拟现实（VirtualReality，VR）包含增强现实（AugmentedReality，AR）。

虚拟现实（VR）通过隔绝式音视频内容带来沉浸感体验;

增强现实（AR）强调虚拟信息与

现实环境的“无缝”融合。混合现实（MixedReality，MR）位于虚拟现实与增强现实之间，是将真实的物理世界与

数字世界相融合的结果。混合现实是物理世界和数字世界的混合，开启了人、计算机与环

境交互之间的联系。苹果

2022

年将推出一款混合现实

MR产品

N301，2025

年中期将发表

AR眼镜

N402，

2030

年至

2040

年将发布

AR隐形眼镜产品。N301

具备

VR、AR的混合功能；N421

外

形更接近墨镜，苹果认为大约可在

10

年内取代

iPhone。1.1.

苹果长期收购虚拟显示相关一级项目以及大量研发相关专利苹果长期收购虚拟显示相关一级项目以及大量研发相关专利，使用户可以得到更加成熟的

产品体验。苹果习惯于把现有的，成熟的技术用在产品生态上。苹果虚拟显示一级项目相关布局：细分技术领域来看，苹果在近眼显示、感知交互、硬件技术等皆有积极布局储备收购

AkoniaHolographics研发光学技术：光学作为虚拟显示中的重要核心技术，是苹果一直以来专注研发的领域，苹果于

2018

年

8

月收购

AR眼镜专用镜片的初创公司

AkoniaHolographics，来自贝尔实验室，研

发体全息光波导元件。Akonia的

HoloMirror技术为最终实现轻量级，宽视场和低成

本消费者

AR头显带来了新的可能性。Akonia的

HoloMirror采用了与薄全息（thinholography）或表面起伏光栅（surfacereliefgratings）完全不同的方法，开创了商用体全息（volumeholography）反射式波导光

学元件（体全息+波导），并在性能上高于其他全息元件。仅利用单层介质，Akonia的

体全息+波导不仅可以产生当今最薄的全彩

AR头显，同时能够显著降低整体系统的复

杂性，提供了性能、透明度和低成本的独特组合，而这可能将彻底改变

AR眼镜行业。根据

Akonia的官方信息，他们的旗舰产品

HoloMirror能够通过单层介质再现全彩色

的宽视场图像。与波导技术相比，HoloMirror的设计可以降低系统复杂性，支持其集

成至如同普通眼镜样式的小型设备中。1.2.

苹果

MR设备供应链拆解及硬件预测外型：一体式设备，无连线技术：搭载眼球追踪系统；支持手部追踪；内置散热风扇；提供插入式处方镜片解决方案，

方便近视用户。物料清单（BOM）：成本超过

500

美元；定价：TheInformation称，定价或高达

3000

美

元。预计销量：预计每家

Apple零售店每天卖出一台。1.3.

增强现实

AR：MagicLeap预计

2021

下半年发布二代产品2018

年，MagicLeap发布增强现实

AR眼镜产品

MagicLeapOne。在头显眼框处有眼动追踪红外摄像头。每个透镜都内置了一个

4-LED的红外传感器阵列，

而传感器用于追踪用户的眼球运动。由于这是位于头显眼框的底部。透镜包含六层，每层专用于一种颜色波长(红色，蓝色或绿色)。其中三层渲染近焦点视觉，

另外三层渲染远焦点内容，分布在两个不同的焦平面上。这比微软的设计增加了一倍。8GB内存，128GB板载存储；英伟达

TegraX2

SoC；头显上有一个独立的视频处理单元，

配备

512MBGDDR4

RAM和

4K分辨率，60fps视频接收器。LCOS光源：其发出的光通过准直目镜进行准直后进入三层波导，每层波导分别传播不同

波段的光，以此来减少整个系统的色散。光线进入波导处采用光栅进行耦合。光线输出部

分通过光栅耦输出，利用多个光栅进行出瞳扩展，使用户可以看到充满视野并且视场角较

大的全色三维图像。MagicLeap第二代预测：MagicLeap首席执行官佩姬·约翰逊（PeggyJohnson）表示第

二代头显的形状参数会有大幅度的优化。其中，尺寸小

50%，重量轻

20%，而且视场翻倍。

MagicLeapOne重量

316

克。按照佩姬的说法，届时产品的重量则为

252.8

克。至预计第

二代的水平视场值

60

度，垂直视场值

40

度，对角视场值

72

度。1.3.1.

MagicLeap虚拟显示相关专利产出速度不断增长MagicLeap申请专利几乎都与

AR或

VR相关，并且随着时间的推移，专利产出的速度也在不断增长，2013

年以后的申请量都维持在

40

项以上，并保持持续增长的趋势。光线投影专利：MagicLeap能得到投资人如此的青睐，和他的核心技术密切相关。MagicLeap拥有一种名为光线投影（FiberOpticProjector）的核心技术，也正是基于该项技术，

MagicLeap才能够在小尺度器件上实现光场显示，达到

CinematicReality（电影级现实）

的效果。在

MagicLeap出现之前，主要的解决方案有微透镜阵列、光场立体镜等技术，但

其设备的规模和复杂度非常高，并无法适用到穿戴式

AR设备上。MagicLeap通过光纤扫

描显示技术实现了小尺寸上的光场显示。光纤内窥镜专利：MagicLeap其创始人创造性地将超高分辨率光纤内窥镜技术进行了反

向应用。光线内窥镜的简单原理就是光纤束在一个

1mm直径管道内高速旋转，改变旋转

的方向，然后进行图像扫描。MagicLeap聪明地改变了光的方向，将高分辨的光纤扫描仪

倒过来做一个高分辨率投影仪，就可以将需要的图像投射到用户的眼镜中。关于这个高分

辨率光纤显示器，MagicLeap在一件名称为“超高分辨率扫描光线显示器”的

WO2014/113506A1

号专利中进行了描述。光线扫描显示（FSD）通过压电致

动器震动光纤端部扫描成像，可以实现单个光纤的显示。并且为了获得更高的分辨率，专

利公开了两种产生彩色、超高清晰度图像的通用配置，即多个扫描光线阵列和单一扫描多

芯光纤，都是通过光纤二维阵列来实现高分辨率的显示。其通过一组光纤扫描显示器捆绑成阵列后产生光场，然后将投射图像通过波

导折射后进入人眼（类似于

Hololens的方式），或者将上述阵列与眼镜架耦合，直接置于

眼镜前方进行显示。MagicLeap通过光纤扫描显示重现了光场，理论上可以实现真正的

AR显示，使用户无法分辨虚拟物体的真假。但也要注意到，由于要重建光场，并且需要

对环境进行感知（用户自身的定位以及三维环境的重建），导致

MagicLeap设备的计算量

会非常大，即便已经解决了光场显示和三维感知产品化中的种种问题，其计算设备的体积

也很可能达不到随身携带的要求。显示技术专利：克服

GoogleGlass和其他头戴式显示设备由于聚散度和视觉调节不一致而

导致的用户不适的问题。即传统的双目虚拟显示技术（如

OculusRift或

Hololens）

中的

物体是没有虚实的，由于投射的物体近端和远端始终是清晰的，违背了人眼通过对焦感知

深度的自然规律，容易导致头晕。1.4.

增强现实

AR:

Nreal太若科技将发售一体机Nreal成立于

2017

年，将

AR眼镜做得和普通眼镜一样大，在日韩销售，并成为国外运营

商在消费者级

AR赛道上的唯一合作伙伴。Nreal认为，将眼镜打造成

100

克左右、完全自

研的显示模块，构建连接手机和

AR眼镜生态圈的星云系统，与运营商深度合作，将

AR眼镜销售到

C端，也是大有可为的。在

2019

年美国

CES消费类电子展上,来自中国的初创公司

Nreal，凭借颜值和性能俱佳的

混合现实眼镜硬件系统，一跃成为名副其实的世界黑马，

获得著名消费电子产品网站

Engadget与

CES官方合作评出的

CES最佳奖奖提名，

并最终获颁“2019CES最佳初创企

业”奖项。2020

CES大会上，该公司曾发布了基于虚拟与现实互动的系统“星云”。同时

Nreal与日

本

KDDI、韩国

LGU+、德国电信三家运营商联合推出了

5GAR协作解决方案。2019

年产品

Nreallight：硬件规格：NrealLight眼镜外观接近正常的眼镜、深色的镜片保证了内容呈现的清晰。整个眼镜重量

为

88g，提供

1080P分辨率的清晰度，nreallight采用自研光学方案，MicroOLED显示模

组，单眼分辨率

1920×1080，视场角约

52

度。头显部分支持

6DoF定位，手柄支持

3DoF追踪；正面拥有三个摄像头传感器，其中左右两端为深度摄像头，用来进行空间探测；左

侧偏中间一颗

5

百万像素的彩色摄像头，可以进行拍照和视频的录制；另外在右侧靠鼻梁

位置还有一颗光线传感器，可以根据环境光对眼镜内显示内容的亮度进行调节。在靠近鼻

梁处的内部拥有一颗距离传感器，负责控制摘戴眼镜的屏幕的点亮。分体式计算单元配备骁龙

845

芯片，拥有

8GB内存、128GB存储空间，同时也可连接骁龙

855

手机使用，整个计算单元相当于一台小型电脑，整体缩小到仅有

248g的水平。Nreal对外宣布正在开发

NrealLight的“All-In-One（一体机版）”版本，该版本是一款

无线缆、一体化的眼镜系统，旨在提高工作场所或定制企业的使用效率。这个尚未命名的

版本是对

NrealLight产品类型的扩充，它将使用户能够通过完全封闭的无线系统在混合现

实环境中进行交互。Nreal积极储备

AR相关专利，提高图像对比度消除干扰光线影响。1.4.1.

Nreal布局成像装置相关专利，提高图像对比度Nreal发明的

AR成像装置，基本可以做到无干扰光线反射到人眼中，从而提高图像对比

度以及减少干扰光线对

AR设备成像的影响。装置中内置有偏振分光镜，当外界的干扰光

线入射到偏振分光镜时，偏光膜可以将干扰光线滤除。现有的

AR设备存在图像对比度低等缺陷：现有的

AR设备由于使用普通分光镜，非常容

易导致干扰光线大量进入人眼，以及外部射入的干扰光线严重干扰像源图像的对比度，使

得图像内容混乱。为了提高

AR装置的成像质量，Nreal在

2018

年

2

月

12

日申请了一项

名为“AR成像装置和穿戴式

AR设备”。当外界的干扰光线入射到偏振分光镜中时，干扰光线会先通过偏光膜，其中第二方向的偏振光被吸收，多余的第一方向偏振光会穿过偏光膜和偏振分光膜，基本无干扰光线反射到

人眼中，由此可以提升图像观看对比度以及减少对用户的干扰。1.5.

虚拟现实

VR：SONY预计

2022

年发布

PSVR2索尼

2016

年发布

PSVR1:显示屏：三星

AMOLED拥有六角子像素矩阵，5.7

英寸

1080pOLED面板，与

Rift和

Vive不同，PSVR使用单个显示面板，这意味一个屏幕会被划分为两半的图像，可能会造成分

辨率的损失。芯片：

搭载

4K的

SOC处理芯片；4

枚

256M的内存芯片；4G的

SSD闪存芯片。预计

2022

年发布

PSVR2,价格在

499

美金以下。1.5.1.

SONY积极布局全身动捕、控制器、自动驾驶等多个虚拟显示专利全身动捕专利：通过整合多个追踪传感器的数据，系统可以计算出用户的身体姿态，从而

实现全身追踪。名为“

Positiontrackingapparatusandmethod的发明主要描述了一种位

置追踪装置和方法。专利描述了的位置追踪系统包括：由用户佩戴的多个追踪单元、用于

识别所述多个追踪单元的追踪单元识别单元和用于根据所述多个追踪单元的位置来识别

用户位置的位置识别单元，其中，所述多个追踪单元中的每一个发射可用于定位所述追踪

单元的信号，并且其中所发射的信号包括识别所述发射追踪单元及其位置和/或方向的信息。

简单来说，索尼希望直接将多个追踪传感器组件附接至人体各个部位，如肩膀，

双手，手腕，双腿和腹部等等。PSVR控制器专利：或进一步确定了将用于取代

PSMove的全新

PSVR控制器的设计样式。

名为“InputDevice”的索尼专利最初在

2020

年

3

月提交，并在日前由于世界知识产权组

织

WIPO公布。根据专利图及相关信息，追踪系统不再是追踪

Move控制器的单个球体，

而是追踪布置在控制器的多个光源，而这将能提供更精确的位置和旋转数据。1.6.

虚拟显示市场主要玩家：脸书全球占比过半，我国

Pico、大朋位列全球前五从全球市场来看，脸书的

6DoF一体式

VR头显

OculusQuest是行业迄今最成功的产品，

全球占比过半，OculusQuest2

仅在

2020

年

Q4

季度就卖出了约

250

万，大大超过以往的

任何

6DoF头显。排名第二的是索尼

PlayStationVR。我国的

Pico、大朋占比也在

2020

年

位于世界第四、第五位。2020

年大朋

VR连续两季度中国区市场份额第一，在

PC头显、VR一体机、VR解决方案

等各方面共同发力。2020

年

Q2、Q3，大朋

VR分别以

31%、32%的市场份额连续两季度

蝉联第一，Q1、Q4

则名列第二。2020

年度，

Pico位居中国

VR市场份额第一，其中

Q4

市场份额已达

37.8%。在国内一

体机市场，Q4

份额更是高达

57.8%。2.

虚拟显示产业链终端器件占比四成，助力产业技术快速革新从产业结构看，终端器件市场规模占比位居首位，2020

年规模占比逾四成。虚拟显示产

业链条长，主要分为内容应用、终端器件(硬件)、渠道平台（服务）和内容生产（软件）。

内容应用方面，聚焦文化娱乐、教育培训、工业生产、医疗健康、商贸创意等领域，呈现

出

“

显示+

”

大众与行业应用融合创新的特点。文化娱乐以游戏、视频等强弱交互业务为主，在数量规模上占据主导，商贸创意可有效提升客流量与成交率，主要包括地产、

电商、时尚等细分场景，工业生产与医疗健康应用早期局限于培训指导，目前开始逐渐向

产品设计、生产制作或临床诊疗等更为核心的业务领域拓展；内容生产（软件）方面，主

要涉及面向虚拟显示的操作系统、开发引擎、SDK、API等开发环境/工具，以及全景相机、

3D扫描仪、光场采集设备等音视频采集系统；渠道平台方面，除互联网厂商主导的内容

聚合与分发平台外，包含电信运营商发力的电信级云控网联平台，以及自助

VR终端机、

线下体验店与主题乐园等线下渠道；终端/器件方面，主要分为终端外设及关键器件，其

中终端外设包括以

PC式、一体式、手机伴侣与云化虚拟显示终端，以及手柄、全向跑步

机等感知交互外设。2.1.

核心器件为摄像头、光学器件、微投影器件、传感器、触觉设备、AI芯片等摄像头作为视觉感知的核心，在设备中主要用于动作捕捉，手势识别等信息输入。人类感

受的信息

80%

来源于视觉，目前人们对视觉的研究相对比较成熟。目前产品中用到的摄像

头种类繁多，根据目数可将摄像头分为单目、双目和多目摄像头。根据光波可分为红外和

可见光摄像头。RGBD深度相机是近几年兴起的新技术，即在

RGB普通摄像头上添加一

个深度测量功能。国外主要的摄像头供应商有

Apple（苹果）、Intel（英特尔）、Microsoft

（微软）、德国

PMD、Stereo⁃labs，中国主要厂商有奥比中光、关东辰美、舜宇光学、联

创电子，中国台湾大立光和玉晶光电等公司等。光学器件是硬件产品中负责呈像的关键部件，主要代表厂商有美国的

Digilens、以色列的

Lumus等，国内有水晶光电、耐德佳、苏大维格、灵犀微光、理鑫光学、珑景光电、道明

光学、歌儿声学、舜宇光学等企业。微投影器件是光学式产品的核心，承担了将虚拟物体叠加到真实环境显示的功能，在

XR头盔、车载

HUD等方面具有极大的应用价值。国外主要厂商有

MagicLeap、Apple、TI

（德州仪器）、3M、Avegant、Micron（美光）等，中国厂商主要有水晶光电、长江力伟

等、Himax（中国台湾奇景光电）。触觉主要指人体表面的神经末梢感受到的温度、软硬度、纹理或压力等信息。目前对触觉

的研究非常有限，在

AR系统中主要是通过触觉和力觉传感器来实现。迄今为止，触觉传

感材料、触觉信息获取、触觉图像识别等都已成为国内外科研团队的研究热点，很多新型

的触觉传感器及触觉信号处理方法被研制出来。2017

年，美国卡耐基-梅隆大学研发出一

款结合视觉和触觉的新一代工业机器人“Baxter”，能够实现抓取动作，例如剥香蕉皮等。

2018

年

4

月，德国哈索·普拉特纳研究所（HPI）人机交互实验室研究人员通过

HoloLens展示了一套适用于头显的可穿戴触觉技术的解决方案，该方案是通过使用电肌肉刺激设备

（EMS）来完成的，设备小巧轻便，便于携带。该系统目前处于原型阶段，可在

GitHub网站上体验。传感器相当于

AR的五官，是实现人机交互的核心部件。目前各巨头在加紧发展终端设备

的同时，也积极布局传感技术，例如

Microsoft公司掌握了深度传感器

Kinect；Apple公司

收购了深度传感器

PrimeSense，并且在软件上收购了

FaceShift和

Metaio，可配合

PrimeSense进行传感技术深度布局；索尼收购了比利时传感器技术公司

SoftkineticystemsSA，

拥有全世界最小带精细化手势识别功能的

3D深度摄像头；Google公司收购了

Lume⁃

dyneTechnologies，掌握了光学加速度计、惯性传感器等传感技术，此外谷歌的无人驾驶

系统整合了声呐系统和雷达系统，将传感器应用发挥到了极致，此外，还有

MagicLeap、

TI、STMicro、InvenSense等。国内厂商有数码视讯、奥飞娱乐等。AI芯片:

通信行业的根基XR的实现涉及大量的计算，为避免眩晕和实现实时显示，其对计算过程时间有较高要求（一

般不超过

20

ms）。传统的

CPU芯片无法放入大量的计算核心以实现大规模的并行计算，

且性能不足以支持

AR操作的流畅执行。因此，XR需要专门的人工智能（artificialintelligence，

AI）芯片。AI芯片是整个通信行业的根基，性能更强、能耗更低、体积更小一直是

AI芯片

的努力方向。在

AI芯片领域，国外芯片巨头（前

3

名为

NVIDIA，Intel和

NXP、英特尔和恩智浦）占

据了大部分市场份额。而华为公司成中国大陆地区最强芯片厂商，国内代表厂商还有联发

科、瑞芯微、寒武纪、地平线等。从技术架构来看，AI芯片分为通用性芯片（GPU）、半定制化芯片（FPGA）、全定制化芯

片（ASIC）和类脑芯片

4

大类。（1）GPU是单指令、多数据处理，主要处理图像领域的运算加速。但

GPU无法单独工作，

必须由

CPU进行控制调用才能工作。结合

CPU和

GPU各自的优势，有一种解决方案就

是异构。GPU芯片的代表企业是

NVIDIA（英伟达），占全球

AI芯片

50%以上市场份额，旗

下产品线遍布自动驾驶汽车、高性能计算、机器人、医疗保健、云计算、游戏视频等众多

领域。（2）FPGA用于多指令，单数据流的分析，常用于云端。FPGA是用硬件实现软件算法，因

此在实现复杂算法方面有一定的难度，价格较高。代表企业是三星、深鉴科技（被赛灵思

收购）。（3）ASIC是为实现特定要求而定制的专用

AI芯片。除不能扩展外，在功耗、可靠性、体

积方面都有优势，尤其在高性能、低功耗的移动端优点明显。Google在

2016

年宣布独立

开发一种为机器学习应用而设计的专用芯片

TPU。（4）类脑芯片是一种模拟人脑的新型芯片编程架构，可模拟人脑功能进行感知、行为和思考。目前该类芯片实现难度大，处于早期研发阶段。3DSensing（摄像头模组+传感器模组）：XR功能的技术核心3DSensing是

XR功能的技术核心，市场主流的硬件产品都需要搭载

3DSensing。3DSensing是由多个摄像头+深度传感器组成的，在色彩、分辨率、观测距离、抗干扰及夜视等方面

优于

2D摄像头，还可实时采集物体三维位置及尺寸信息。目前市场上有

3

种主流方案，

按成熟度从高到低依次为：结构光、飞行时间（timeofflight，TOF）和双目成像。结构光

是通过激光的折射及算法计算出物体的位置和深度信息，进而复原整个三维空间。目前该

方案的发展相对最成熟，已大量应用工业

3D视觉领域。TOF是一种光雷达系统，可从发

射极向对象发射光脉冲，接收器则可通过计算光脉冲从发射器到对象、再返回到接收器的

运行时间来确定被测量对象的距离。TOF方案已出现在

Google的

ProjectTango方案中。

双目成像是使用两个或两个以上的摄像头同时采集图像，通过比对这些不同摄像头在同一

时刻获得的图像差别，使用算法来计算深度信息。由于算法开发难度高，双目成像多应用

在不考虑功耗的机器人、自动驾驶等新兴领域。TOF方案与结构光方案使用便捷、成本较低，更具前景，尤其是

TOF方案更加适合消费电子产品后置远距离摄像，可应用于

AR、体感交互等方面。结构光方

案在精度方面超越了另外

2

种方案，更加适合消费电子产品前置近距离摄像，非常适合智

能终端，可应用于人脸识别、手势识别等方面。3.

虚拟显示技术日渐成熟，痛点逐个击破，用户体验升级3.1.

虚拟显示核心技术持续攻坚,

有望取得重大突破1.近眼显示：Micro-OLED与衍射光波导成为重点探索方向。2.渲染计算：云渲染、人工智能与注视点技术进一步优化渲染质量与效率间的平衡。3.感知交互：内向外追踪技术已全面成熟，手势追踪、眼动追踪、沉浸声场等技术使能自然化、情景化与智能化的技术发展方向。4.网络传输：云

VR将逻辑计算与实时渲染放在云端，并通过

5G网络与终端之间实现画面

传输，为用户带来良好体验的同时，也降低了对终端的性能要求。3.2.

近眼显示技术价值量可观：微显示+光学占

VR价值量

50%，AR70%近眼显示技术突破：改善生理体验，眩晕感、佩戴过重、视角度窄问题取得重大突破用户痛点：头显尺寸过重，佩戴不够轻便屏幕：MicroOLED实现更薄、更小、耗电更少的显示器，从而更适用于头戴式设备。用户痛点：可视角度（FieldOfView，

FOV

）窄光学：衍射光波导通过光栅调整，实现扩瞳，提高

FOV。可变焦显示成为当前解决的重要技术，VAC是晕动症的众多诱发因素之一，容易造成用户

产生恶心、头晕、眼睛疲劳等问。3.3.

近眼显示技术-微显示：轻薄短小的

Micro-OLED成为终端的主流技术选择3.3.1.

Micro-OLED以单晶硅芯片为基底，增加可靠性，实现轻量化已具备量产能力的

MicroOLED，已成为现阶段

VR头显厂商设计高端

VR设备时的首选显

示技术。市面上的多数

VR产品都采用

LCD显示面板，VR头显设备都略显笨重。MicroOLED显示器以单晶硅芯片为基底，像素尺寸为传统显示器件的

1/10，精细度远远

高于传统器件,

其区别于常规利用非晶硅、微晶硅或低温多晶硅薄膜晶体管为背板的

AMOLED器件。单晶硅芯片采用现有成熟的集成电路

CMOS工艺，不但实现了显示屏像素

的有源寻址矩阵，还在硅芯片上实现了如

SRAM存储器、T-CON等多种功能的驱动控制

电路，大大减少了器件的外部连线，增加了可靠性，实现了轻量化。Micro-OLED优点：与传统的

AMOLED显示技术相比，MicroOLED有以下突出特点：1)

基底芯片采用成熟的集成电路工艺，可通过集成电路代工厂制造，制造良率更是大大高

于目前主流的

LTPS技术。2)采用单晶硅，迁移率高、性能稳定，寿命高于

AMOLED显示器。3)200mm×200mm的

OLED蒸镀封装设备就可满足制造要求(与

8

英寸晶圆尺寸兼容)，而

不像

AMOLED需要追求高世代产线。4)

OLED微显示器体积小，非常便于携带，并且其依借小身材提供的近眼显示效果可以与

大尺寸

AMOLED显示器相媲美。优点：与其他微显示技术相比，MicroOLED亦具有不少优点：1

)

低功耗，比

LCD功耗小

20%，电池重量可以更轻。2)

工作温度宽，LCD不能在极端温度如

0℃下工作，必须额外加热元件，而在高温下又必

须使用冷却系统，所有这些解决方案都会增加整个显示器的重量、体积和功耗。而

OLED为全固态器件，不需要加热和冷却就可以工作在-46℃~+70℃的温度范围内。3

)

高对比度，LCD使用内置背光源，其对比度为

60:1，而

OLED微显示器的对比度可以

达到

10,000:1。4)

响应速度快，OLED像素更新所需时间小于

1μs，而

LCD的更新时间通常为

10~15ms，

相差了

1,000

到

1,500

倍，OLED的显示画面更流畅从而减小视疲劳。下表列出了不同微显示的性能比较，可以看出

MicroOLED(OLEDonSilicon)在性能上有较

为明显的优势，其中亮度、综合发光利用率、对比度、色彩能力、像素点距性能都非常优

秀。从未来市场角度来看：2021

年全球

MicroOLED在中国产商推波助澜下开始放量，预计

2021-2027

年出货量实现

CAGR65.21%

的增长。3.3.2.

Micro-OLED工艺制程：CMOS技术与

OLED技术的紧密结合MicroOLED是

CMOS技术与

OLED技术的紧密结合，是无机半导体材料与有机半导体材

料的高度融合。CMOS技术主要使用光刻工艺、CMP工艺等，湿法制成较多，而

OLED技

术则主要采用真空蒸镀技术工艺，以干法制程为主。两者皆专业且复杂，将两者集成于同

一器件之中，对于工艺技术要求非常严苛。MicroOLED器件制造主要通过以下四个步骤实现：1)硅基

IC设计与制造：主要涉及集成电路的设计和制造，分别由

IC设计团队和

foundry厂完成；2）OLED制程：主要包括

OLED微腔顶发射技术，阳极材料技术，全彩化技术等；3）OLED封装制程：包括薄膜封装，玻璃

cover贴合封装等；4）显示驱动与系统：与第一部分设计制造紧密相连。硅基

OLED微显示器传统制程。a为器件结构截面示意图，b是制造流程。其

中流程

1~7

为大片制造。从流程

8

切割后，即为

dice制造流程。流程

1

为硅基芯片的制

造过程，由集成电路晶圆代工厂按照客户的设计和要求进行生产制造；流程

2~7

为

OLED的制造流程，在

OLED工艺代工厂制作完成。其中，流程

2

和

3

为像素阳极的制备过程，

包括阳极材料的成膜及其图案化，涉及较多湿法制程。在传统的硅基

OLED微显示器制造

工艺中，该制程由

OLED工厂来制作完成；流程

8~9

由集成电路芯片封装厂完成；流程

10

为模组与系统开发，将硅基

OLED制作成微显示器模组供用户使用。MicroOLED制造设备涉及微电子和光电子制造设备。其中阳极制造需要金属溅射成膜设

备，阳极图案化则涉及晶圆清洗设备、光刻胶涂覆设备、曝光设备、显影去胶设备、烘烤

等设备，这些均属半导体设备。OLED制程段则需要

OLED蒸镀设备、薄膜封装设备以及

玻璃贴合封装设备等，这些设备集成为一套系统，在一系列真空和惰性气体气氛内完成。3.3.3.

Micro-OLED器件结构：驱动背板+OLED显示前端组成器件结构:

MicroOLED显示器件以单晶硅作为衬底，在单晶硅衬底上采用标

准的

CMOS工艺制作显示驱动电路，以提供

OLED显示所需的像素驱动部分、行列驱动部

分以及其它所需的

DAC转换等功能电路。在单晶硅衬底上接着制作

OLED发光单元，由于

硅片衬底不透明，需要制作顶发射

OLED器件。首先在衬底上，制作高反射率的金属作为

阳极，阳极电极具有较高的反射率可以实现较高的出光效率。接着制作空穴注入层、空穴

传输层、发光层、电子传输层、电子注入层等有机半导体层，形成

OLED主体发光单元。

最后，为了实现光从顶部出射，需要制作半透明的金属层作为阴极。由于ＯLED器件怕水

氧等破坏，在阴极上需要制作薄膜封装层，用于阻隔水氧，在封装层上，进一步贴合玻璃

进行器件强度保护。驱动芯片架构：驱动芯片采用

0.18μｍ的

CMOS工艺设计，驱动背板包括像素电路、行列

驱动、DAC、I2C、数据处理、电源模块、温度检测等功能模块。芯片采用

数字接口，针对高分辨率的应用要求，利用数据采样与比较完成数据传输，驱动芯片像素

采用电压型驱动方式。由于

OLED器件在不同的温度条件下，器件亮度变化较大，因此在

芯片中集成了温度传感模块，可以实时监测芯片工作温度，实现芯片在高低温下精确调节

电压输出，来调节器件的显示亮度，保持器件显示的稳定和一致。硅基

OLED器件包括控

制电路芯片部分和显示驱动芯片部分，为了方便用户使用芯片，在驱动芯片中集成了三路

电源模块，包括正压

DC-DC模块、负压

DC-DC模块和

LDO模块。这三路电源模块，可

分别实现给像素整列、OLED显示的公共阴极和芯片中的控制电路供电。3.3.4.

Micro-OLED公司：我国视涯科技、京东方、梦显电子从事研发和中试目前全球从事硅基

OLED研发生产的厂商不多,其中美国

eMagin公司和法国

MicroOLED公司的产品主要应用于军事领域,能成熟量产的

Micro-OLED供应商只有索尼公司,在全球

市场处于垄断地位。我国硅基

OLED产业化尚处于初级阶段。我国合肥视涯科技、京东方、昆山梦显电子等公

司正在从事硅基

OLED研发和中试,其中京东方在

2019

年实现了

8

英寸硅基

OLED生产

线的量产,合肥视涯科技于

2019

年

11

月竣工投产

12

英寸硅基

OLED显示项目,昆山梦显

电子正在建设一条

8

英寸硅基

OLED生产线。目前国内硅基

OLED的低温彩色滤光片工

艺、薄膜封装工艺、硅基数字化驱动技术、核心装备等高性能微显技术和大规模量产技术

等均处于初期阶段。3.4.

近眼显示技术-光学：衍射光波导实现二维扩瞳，提高可视角度，实现轻量化在光学领域，作为下一代人机交互平台，虚拟显示呼唤以人为中心的光学架构，视觉质量、

眼动框范围、体积重量、视场角、光学效率与量产成本间的权衡取舍、优化组合成为驱动

技术创新的主要动因。现有的光学技术包括：棱镜、自由曲面、Pancake、BirdBath、光波

导等。光波导：可以用来减轻头戴式设备的重量，在

AR领域的技术发展前景明确工作原理：波导代表了光学技术的一种新形式，在形状尺寸，清晰度和重影方面提供了显

著的优势，但技术仍然处于开发阶段。显示源通常使用

LCOS(硅基液晶）或

DLP显示器。

LCOS和

DLP都通过衍射光栅发射准直光线。该衍射光栅可以重新导向光线，并最终形成

扩大的图像，然后再将其投射到眼内。应用：采用波导的头显主要包括：微软

HoloLens，MaigcLeapOne，DAQRI。硬件组件：衍射波导光学元件包括多层结构，每种颜色都有一层。由于在纳米级别难以对

齐衍射

RGB层，所以在制造中存在非常的废品率。Lumus专有的反射波导避免了多层生产

工艺，令生产过程变得更加轻松。LCOS通常用作显示源，因为它非常紧凑并且提供准直

光（波导技术的一项要求）。视场：与其他显示器相比，这种光学设计的视场非常小。在今天，40

度视场是标准，而厂

商正努力在不损害质量的情况下实现

50

度视场。图像质量：波导显示器的亮度在所有光学设计中排名第一，而且没有重影现象。今天大部

分的显示器都是

720P，但这种情况将很快发生改变。在

CES2018

大会上，Lumus的显示

器已经支持

1080P和

40

度视场。形状尺寸：这项技术正越来越接近于眼镜形态，但

AR头显需要搭载其他元件：显示源，

摄像头和

IMU，所以我们在近期内无法实现太阳眼镜般的外形尺寸。透镜透明度：不需要着色。如

DAQRI头显所示，透镜非常清晰，可供室内使用。分类：几何和衍射光波导。几何光波导短期难以商用。采用传统光学冷加工技术，连续多层半透半反镜面阵列镀膜、

贴合、切割等复杂

多步工艺对产品良率提升提出较大挑战，量产成本难以降低。此外，

基

于阵列光波导的二维扩瞳方案对加工工艺的挑战极大。衍射光波导理论上具有较高的可加工性，成本可控，批量生产难度显著低于阵列光波导，

依循光学元件从毫米级到微纳级、从立体转向平面的技术趋势，采用平面的衍射光栅取代

传统的光学结构。衍射光波导利用经过两次两个方向的扩瞳光栅或二维光栅以实现二维扩

瞳，从而给以人为中心的光学设计与用户体验优化留有更大的容差空间。衍射光波导分类：表面浮雕光栅波导（SurfaceReliefGrating，SRG）及基于全息干涉技术

制造的全息体光栅波导（VolumetricHolographicGrating，VHG）。3.4.1.

衍射光波导分类

1：表面浮雕光栅量产达到较好均一性能，但成本较高表面浮雕光栅（SurfaceReliefGrating，SRG）作为一种衍射光学器件，利用了光栅的衍射

性质，可以实现投射或者反射光栅，实现波导上光线耦合入耦合出的功能，这样通过

DOE器件实现耦合的波导微衍射波导。原理：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（SurfaceReliefGrating，SRG）代替传统的折反射元件（RefractiveOpticalElement，ROE）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。表面浮雕光栅指的是在表

面产生的周期性变化结构，即在表面形成的各种具有周期性的凹槽。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。表面浮雕光栅对光束进行调制时，光束的传输严格遵循光的衍射方程，其衍射方向与入射

光的波长和入射角、光栅周期以及介质的材料等参数有关。通常采用严格耦合波法设计表

面浮雕光栅，通过设计优化光栅的结构参数可以在理论上获得极高的衍射效率，从而提高

成像质量。3.4.2.

衍射光波导分类

2：体全息光栅具有更好的成像效果，未来前景可期除了浮雕光栅作为博导耦合器件之外，还有一种方案使使用全息光学元件作为博导耦合器

件（HolographicOpticalElementHOE)，也称为体全息光栅(VolumeHolographicGrating，

VHG)。VHG与

SRG在材料、制造两方面完全不同，但核心原理都是利用了光栅的衍射性

质，将光束衍射进入波导传输。原理：体全息光栅波导方案采用体全息光栅（VolumeHolographicGrating，VHG）作为

衍射光波导中的耦入耦出元件。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。当介质的厚度远大于光波长时这种结构称为体全息

光栅，在不同的应用场合，体全息光栅可以分为单层、多层、振幅型、位相型以及透射式

与反射式等。体全息光栅在理论上具有更好的成像效果，但是相对于表面浮雕光栅具有更高的衍射效率，

它对入射光的波长与衍射角要求更高。它与表面浮雕光栅一样可以使用严格耦合波法计算

不同结构的光栅对应的各级衍射效率，同时通过调节并优化光栅的周期等参数可以改变衍

射效率，进而提高光学系统的成像质量。理论上在满足布拉格条件的情况下，体全息光栅

的衍射效率可以达到

100%。3.5.

近眼现实技术-可变焦显示为解决辐辏调节冲突的关键VAC是晕动症的众多诱发因素之一，容易造成用户产生恶心、头晕、眼睛疲劳等问题，且

一直是

AR/VR显示领域的未解难题。全息显示通过全息方式显示多个焦面，可作为未来解决辐辏调节冲突的技术路径。目前，

由于光相位调制器（SLM）价格昂贵、全息图生成算法尚不完善、所须计算量大且难以实

时完成等因素致使该技术短期内难以推广应用。3.6.

渲染计算技术：云渲染、人工智能与注视点技术显著提升用户沉浸度虚拟显示渲染负载与

MTP时延须提升十倍量级才可达到初级沉浸的入门体验。不同于影

视工业中离线渲染技术对视觉保真度的极致追求，实时渲染主要用于无预定脚本的游戏等

强交互应用，为保证渲染速度而在一定程度上对渲染画质做出权衡妥协。虚拟显示渲染领

域的主要技术挑战在于面向传统游戏的上述权衡范式难以直接套用于虚拟显示应用，表现

为相比游戏画面的主流渲染要求（如

FHD分辨率所须每秒渲染六千万像素且不高于

150

毫秒的用户交互时延）。在智能云控与以人为本的创新架构下，云渲染、人工智能与注视点技术触发虚拟显示渲染计算

2.0

开启。在跨越了沉浸体验的初始门槛后，渲染质量与效率间的平衡优化成为时下驱动虚拟显示渲染技术新一轮发展的核心动因，即用户需求的持续进阶放大了渲染画质、

速度、成本、带宽等多目标规划的求解难度。用户痛点：沉浸式体验需求难以达到：云渲染、人工智能与注视点技术触发虚拟现实渲染计算

2.0

开启。1）云渲染聚焦云网边端的协同渲染，将虚拟显示交互应用所须的渲染能力导入云端，有

助于降低终端配置成本，帮助用户在移动头显平台获得媲美高价

PC级的渲染质量。2）基于眼球追踪的注视点渲染技术，帮助实现用户体验分辨率不因渲染算力+显示像素数

减少而降低，注视点渲染技术入选业界标配，基于眼球追踪的注视点渲染与注视点光学成

为热点技术架构。3）人工智能为虚拟显示渲染质量与效能的倍增器与调和剂。人工智能加速高性能降噪处

理，从而减少高保真图像渲染时间，针对多样化的应用场景与网络环境，人工智能有望成

为渲染配置自优化的重要探索。硬件需求：AI芯片、CPU、GPU、MEMS等助力渲染技术发展。注视点技术入选业界标配，基于眼球追踪的注视点渲染与注视点光学成为热点技术架构。

注视点渲染与注视点光学日益成为支撑上述目标的焦点性技术架构，业界对此积极布局，

且两者具备潜在的结合空间。通过梳理各类注视点技术与相关量产终端可知，基于眼球追

踪的可变注视点渲染与注视点光学已成为时下技术产业化的主攻方向，且后者对渲染算力

及显示像素数要求较低。3.7.

感知交互技术：眼动手势追踪、沉浸声场、环境理解等进一步提升沉浸感用户痛点：沉浸式体验需求难以达到：1）沉浸声场（听音辨位、空间混响、通感移觉）技术给予用户

“

眼见为虚，耳听为实

”

的沉浸体验，“

风随柳转声皆绿

”

的通感表达成为了虚拟显示视听关联性发展的特色方

向。2）Inside-out技术全面成熟，追踪定位技术进一步提升，将呈现集视觉相机、IMU惯性

器件、深度相机、事件相机等多传感融合的发展趋势。3）“

手势追踪+

”技术

将成为虚拟显示输入交互新模式，裸手带来更加的沉浸式体验，

同时消减了用户对交互外设的配置操作与购买成本，无须考虑充电配对问题，且手势信息

等身态语增强了虚拟显示体验的社交表现力，赋予了内容开发者更大的创作空间。4）眼动追踪技术使用户能够仅依靠眼神交流进行很多简单操纵，其利用图像采集设备获

取人类眼球的运动信息，从而实现一系列的模拟、操纵功能。5）环境理解与

3D重建提升交互和感知，三维重建就是根据单视图或者多视图的图像重

建三维信息的过程，也就是相机的逆操作。3.7.1.

眼动追踪技术成为虚拟显示终端的新标配眼动追踪方式：瞳孔——角膜反射法是当下普遍使用的眼动跟踪方法：确定人眼凝视位置

和人眼相较头部运动的过程被称为眼动追踪，用于测量凝视点位置和眼睛运动的工具被称

为眼动仪。众多的眼球运动测量方法可以大致地划分为干扰式和非干扰式。眼动研究的早

期阶段一般使用的是眼电图法、接触镜法以及电磁圈法等干扰式眼动追踪法。而随着图像

采集与图像处理等技术的发展，不直接接触眼睛的非干扰式眼动追踪方法应运而生，主要

包含巩膜一虹膜边缘法、角膜反射法、双普耳钦像法、瞳孔一角膜反射法等。瞳孔——角膜反射法具有误差小，干扰小，准确性高的特点。固定相机对人眼进行拍摄，

与此同时利用红外光源射向眼球，在获取到的眼部图像中会存在由红外光在角膜表面反射

产生的亮斑，被称为普耳钦斑，再通过对眼部图像进行实时处理，可以得到瞳孔中心和普

耳钦斑中心，结合两者则可以获

得瞳孔一光斑向量，即视线向量坐标，使用它可以来对

屏幕凝视点进行映射。眼动追踪成为虚拟显示终端的新标配。早期终端（如