機(jī)械式可變焦：低成本、高自由度，當(dāng)前性價(jià)比最優(yōu)的解決方案
技術(shù)原理：通過精密齒輪模組實(shí)現(xiàn)焦距調(diào)節(jié)
機(jī)械式可變焦顯示技術(shù)：通過齒輪模組帶動(dòng)對(duì)焦電機(jī)的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)來控制鏡片到屏幕的距離。機(jī)械式可變焦顯示器采用精密齒輪傳動(dòng)模組來調(diào)節(jié)VR/AR眼睛的兩組透鏡組件的間距，直至與使用者的瞳距相匹配；其配合眼動(dòng)追蹤、注視點(diǎn)渲染等多種軟硬件技術(shù)，模擬出人眼在觀察遠(yuǎn)近不同物體時(shí)發(fā)生的屈光調(diào)節(jié)和雙目輻輳調(diào)節(jié)過程，從而實(shí)現(xiàn)視覺清晰成像的目的。
圖表：機(jī)械式可變焦的技術(shù)原理
資料來源：公司官網(wǎng)，中金公司研究部
優(yōu)勢(shì)：低成本高自由度，根本上解決VAC眩暈
相比電子變焦液晶透鏡等其他VAC解決方案，機(jī)械式可變焦顯示技術(shù)成熟度最高。機(jī)械式可變焦是通過電機(jī)來控制一組或多組透鏡移動(dòng)，這一技術(shù)原理與相機(jī)鏡頭的對(duì)焦方式相似，發(fā)展歷史悠久，技術(shù)較為成熟。而電子變焦液晶透鏡在液晶形成工業(yè)應(yīng)用后才得以發(fā)展，目前仍存在透光率低、畫面損失等問題。而其他新型方案目前尚處于成熟化的過程中，如基于視網(wǎng)膜投影為2022年蘋果新申請(qǐng)的一項(xiàng)專利，是將像素動(dòng)態(tài)投射到人眼視網(wǎng)膜中，該項(xiàng)技術(shù)跳出原有的技術(shù)框架，但是目前尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。
圖表：機(jī)械式可變焦技術(shù)歷史悠久
資料來源：iqrab，《文明之光》之《發(fā)明365》（吳軍，2015年7月2日），中金公司研究部
VR設(shè)備的評(píng)價(jià)維度多元，VAC解決方案的性能表現(xiàn)有差異。
? 視場(chǎng)角（FOV）：視場(chǎng)角（Field of View，簡稱FOV）是顯示器邊緣與觀察點(diǎn)連線的夾角。人眼正產(chǎn)觀察周圍環(huán)境時(shí)具有120°的視場(chǎng)角，當(dāng)VR設(shè)備的視場(chǎng)角小于120°時(shí)，視野邊界將會(huì)出現(xiàn)黑邊。因此，相對(duì)較高的FOV將會(huì)提高VR設(shè)備的沉浸感。
? 自由度（DOF）：自由度（Degree of Freedom，簡稱DOF）是衡量定位系統(tǒng)功能和性能的重要指標(biāo)之一，目前DOF分為3自由度（3DOF）和6自由度（6DOF），其中3DOF只能跟蹤旋轉(zhuǎn)但不跟蹤平移，而6DOF都跟蹤，因此6DOF可以準(zhǔn)確定位頭顯的運(yùn)動(dòng)變化，帶來更強(qiáng)的沉浸感。
圖表：FOV和DOF是VR設(shè)備的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)
資料來源：Pupuru，VR陀螺，中金公司研究部
機(jī)械式可變焦顯示技術(shù)性能指標(biāo)表現(xiàn)優(yōu)異。機(jī)械式可變焦顯示技術(shù)在視場(chǎng)角（FOV）、自由度（DOF）等多個(gè)指標(biāo)下都顯示出較好的性能，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)景深變化，也可疊加眼動(dòng)追蹤功能，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)變焦和最優(yōu)的視覺觀看效果。
其他VAC解決方案存在技術(shù)上的局限性，比如：
? 電子液晶變焦顯示：在透明狀態(tài)下透光率通常小于40%，因此未調(diào)光時(shí)就會(huì)遮擋60%環(huán)境光；通常會(huì)帶來一些畫面損失，例如色差、色散或衍射等；偏振技術(shù)存在極化效應(yīng)，而非偏振方案通常需要較高電壓（一般12V以上）。
? 焦面顯示：存在視場(chǎng)角較小的問題，其能實(shí)現(xiàn)的視場(chǎng)角約為18度，而目前主流頭顯的視場(chǎng)角約為100度。
? 多焦面顯示：雖然可以同時(shí)顯示多個(gè)焦平面，但是平面的虛像，存在局部深度信息不足的問題，并且無法獲得連續(xù)景深信息，只能部分解決視覺輻輳調(diào)節(jié)問題。
? 全息顯示：可以完全解決視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突問題，但是受空間光調(diào)制器性能和算力的影響，存在視場(chǎng)角低（不足20度）、分辨率低（由于散斑降低）、刷新頻率低等方面的不足，短期內(nèi)很難走向?qū)嶋H應(yīng)用。
圖表：機(jī)械式可變焦方案的綜合性能較高
資料來源：(Matsuda et al., 2017)，中金公司研究部
注：箭頭突出了機(jī)械式可變焦表現(xiàn)較好的指標(biāo)
機(jī)械式可變焦顯示技術(shù)是目前成本最低的解決方案，具備大規(guī)模量產(chǎn)的條件。傳統(tǒng)機(jī)械式可變焦顯示器單套價(jià)值量在100元以內(nèi)，而其他VAC解決方案由于材料、部件價(jià)格高等原因，暫不具有成本優(yōu)勢(shì)，如焦面顯示技術(shù)采用光場(chǎng)的技術(shù)原理，核心器件空間光調(diào)制器采用硅膠作為基底，成本高達(dá)幾萬元以上，我們認(rèn)為其現(xiàn)階段不具備大規(guī)模量產(chǎn)的條件，進(jìn)而影響了焦面顯示技術(shù)在VR中的推廣。
下游應(yīng)用：頭部VR廠商或逐漸規(guī)模運(yùn)用機(jī)械式可變焦顯示技術(shù)
頭部廠商VAC專利布局廣泛，Meta領(lǐng)跑機(jī)械式可變焦研發(fā)
VR賽道飛速發(fā)展，各大互聯(lián)網(wǎng)科技企業(yè)紛紛入局。VR行業(yè)正處于新興發(fā)展階段，技術(shù)仍在不斷迭代，吸引了國內(nèi)外大型互聯(lián)網(wǎng)科技企業(yè)紛紛入局。目前VR設(shè)備下游頭部廠商有Meta、蘋果、索尼、Pico、HTC等，其中Meta市場(chǎng)份額超過50%，CR5市占率超過90%，市場(chǎng)集中度較高。除此以外，我們認(rèn)為部分初創(chuàng)企業(yè)同樣具備較強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿Α?023年多款重磅產(chǎn)品有望發(fā)布，我們認(rèn)為蘋果、索尼等龍頭入場(chǎng)有望進(jìn)一步推動(dòng)VR市場(chǎng)擴(kuò)容。
圖表：VR設(shè)備下游頭部廠商情況
資料來源：各公司官網(wǎng)，Wellsenn XR，中金公司研究部
聚焦VAC解決，下游VR廠商技術(shù)研發(fā)路徑多樣。各下游VR廠商積極探索VAC問題的前沿解決方案，行業(yè)內(nèi)已積累一定數(shù)量的VAC專利。目前，我們認(rèn)為機(jī)械式可變焦仍然是行業(yè)內(nèi)的主流選擇，其余解決方案正處于小規(guī)模應(yīng)用或?qū)＠A段。
? Meta：Meta的Half Dome原型機(jī)系列主要針對(duì)VAC問題設(shè)計(jì)，該系列前兩代設(shè)備應(yīng)用機(jī)械式可變焦，第三代設(shè)備應(yīng)用電子式液晶透鏡變焦。近期Meta所申請(qǐng)的專利主要集中在液晶透鏡領(lǐng)域，但電子式變焦目前仍停留在原型機(jī)階段，無法實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
? Sony：Sony申請(qǐng)的VAC專利聚焦于光學(xué)元件與系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，目前應(yīng)對(duì)VAC問題主要采用機(jī)械式可變焦技術(shù)，代表產(chǎn)品為PlayStation。
? Pico：Pico專利涵蓋眼球追蹤技術(shù)、注射點(diǎn)渲染、光學(xué)設(shè)計(jì)等多領(lǐng)域。目前能夠?qū)崿F(xiàn)模組減重與變焦的Pancake方案已代替菲涅爾透鏡成為公司光學(xué)方案首選。
? 蘋果：蘋果VR領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量眾多，其中超級(jí)變焦和視網(wǎng)膜投影技術(shù)為解決VAC問題的前沿技術(shù)，但目前相關(guān)解決方案仍處于專利階段。
? Magic leap：Magic Leap近期申請(qǐng)的VAC專利集中于液態(tài)透鏡領(lǐng)域，核心研發(fā)技術(shù)仍處于絕密狀態(tài)。公司代表產(chǎn)品Magic Leap 1應(yīng)用雙焦面切換顯示解決VAC問題，可變焦已成為公司未來產(chǎn)品的技術(shù)選擇方向。
? Creal：Creal專注于光場(chǎng)顯示技術(shù)，具有較強(qiáng)的研發(fā)能力。2021年首推基于光場(chǎng)顯示器熱的AR、VR頭顯原型，光場(chǎng)效果較好，但設(shè)備硬件仍存在問題。目前光場(chǎng)顯示成熟程度遠(yuǎn)沒有達(dá)到商業(yè)化階段的要求。
圖表：下游各VR廠商VAC專利布局情況
資料來源：IPTOP知識(shí)產(chǎn)權(quán)平臺(tái)，中金公司研究部 注：專利查詢時(shí)間截至2022年6月
預(yù)計(jì)Pico、Apple和Meta 等主流廠商逐步應(yīng)用機(jī)械式可變焦顯示技術(shù)
我們預(yù)計(jì)主流VR廠商將逐步使用機(jī)械式可變焦顯示技術(shù)。2022年9月，Pico4/Pico4 pro或有望在全球發(fā)布；2022年10月，Meta或?qū)l(fā)布Quest Pro，我們認(rèn)為其有望成為新一代行業(yè)標(biāo)桿產(chǎn)品；2023年初，蘋果或?qū)⑹淄芕R/AR設(shè)備，我們認(rèn)為其有望引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展。
圖表：各廠商潛在新品發(fā)布展望
資料來源：Creal官網(wǎng)，Roadtovr，映維網(wǎng)，青亭網(wǎng)，中金公司研究部
蘋果：專利顯示Apple VR頭顯或使用機(jī)械式可變焦技術(shù)。2021年，蘋果“Head-mounted device with adjustment mechanism”專利公布，該機(jī)制由兩個(gè)裝置部分構(gòu)成，通過兩個(gè)裝置部分的斷開與連接允許用戶改變兩個(gè)透鏡的位置實(shí)現(xiàn)變焦，暗示蘋果頭顯有IPD系統(tǒng)。IPD主要原理與電腦驗(yàn)光中通過移動(dòng)凸透鏡改變光路實(shí)現(xiàn)清晰成像接近，3M公司也曾在論文中提出一種通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)分光鏡調(diào)整光線在折射、反射系統(tǒng)中的三折光路，從而實(shí)現(xiàn)變焦的光學(xué)方案[2]。基于以上事實(shí)，我們推測(cè)蘋果通過電機(jī)推動(dòng)分光鏡完成可變焦。
圖表：Apple VR頭顯使用機(jī)械式可變焦技術(shù)預(yù)測(cè)依據(jù)
資料來源：Proc. of SPIE Vol. 10335 (2017)，Meta官網(wǎng)，蘋果專利《具有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的頭戴式設(shè)備》，中金公司研究部
在機(jī)械變焦模組中，音圈馬達(dá)與柔性鉸鏈設(shè)計(jì)可以大幅消除機(jī)械震動(dòng)和噪音。此前，在蘋果一份標(biāo)題為相機(jī)聚焦和穩(wěn)定系統(tǒng)的專利中，各種實(shí)施方案就包括具有音圈馬達(dá)致動(dòng)器組件的相機(jī)。由此可見，蘋果擁有通過致動(dòng)器件移動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦的技術(shù)，需要音圈馬達(dá)減少機(jī)械運(yùn)動(dòng)的影響，進(jìn)一步佐證了我們對(duì)于蘋果使用機(jī)械式可變焦技術(shù)的預(yù)測(cè)。
圖表：蘋果專利系統(tǒng)中包含音圈馬達(dá)等機(jī)械模組
資料來源：蘋果專利《相機(jī)聚焦和穩(wěn)定系統(tǒng)》，中金公司研究部
Pico：對(duì)于Pancake模組的選擇暗示新品或使用機(jī)械式可變焦技術(shù)。根據(jù)目前所曝光的設(shè)備參數(shù)，Pico4/Pico4 Pro選擇使用了Pancake光學(xué)方案。Pancake方案利用偏振光原理，采用折疊光路設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)菲涅爾透鏡相比，模組厚度大幅度降低。從原理上分析，Pancake方案應(yīng)用分光鏡對(duì)光線進(jìn)行調(diào)整，微型傳動(dòng)器是其實(shí)現(xiàn)變焦的關(guān)鍵器件。目前Pancake透鏡與液晶透鏡復(fù)合方案尚不成熟，存在圖像質(zhì)量差等問題，我們預(yù)計(jì)Pico 4系列或?qū)⑹褂脵C(jī)械式可變焦技術(shù)。
圖表：Pico4/Pico4 pro使用Pancake光學(xué)方案
資料來源：國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局，華為專利《一種光學(xué)成像系統(tǒng)及頭戴式顯示設(shè)備》，ZAKER，中金公司研究部
Meta：新技術(shù)液晶變焦存在不足，我們認(rèn)為Meta未來新品可能使用機(jī)械式可變焦技術(shù)。Meta此前展示的Half Dome 3配備可變焦液晶透鏡系統(tǒng)，由電驅(qū)動(dòng)完成變焦。根據(jù)Meta于2021年6月在SID ICDT期刊發(fā)表的論文，由于液晶透鏡與普通透鏡結(jié)構(gòu)的不連貫，多層透鏡疊加將影響整體圖像質(zhì)量大幅下降。目前我們認(rèn)為Quest pro大概率將采用Pancake透鏡折疊光路，未來新品或?qū)⑼酱钆涫褂脵C(jī)械式可變焦。
圖表：多層透鏡結(jié)構(gòu)造成圖像質(zhì)量下降
資料來源：《SID ICDT》Journal 28 Bos et al. (2021)，中金公司研究部
文章來源：中金公司研究部
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦VR產(chǎn)業(yè)資訊）：VR/AR之機(jī)械式可變焦顯示（MVS）
