2024年AR行业深度报告：AI融合与硬件创新共驱动
一、硬件&生态共振，AI+AR演进趋势清晰
1.1 硬件&生态共振，AR行业有望迎来新一轮增长
XR是VR/MR/AR的集合，MR和AR均可实现透视，MR采用基于摄像头和屏幕的视频透视（VST，Video see-through），而AR采用光学透视（OST，Optical see-through），透视效果更真实，形态更轻便，但光学设计难度较高。◼硬件和生态共振，AR行业有望迎来新一轮增长。2012年谷歌发布首款AR眼镜Google Glass，AR行业开始真正发展，市场期望和投资热度较高，然而受AR眼镜形态、显示效果、生态应用等因素制约，整体发展相对不及预期；2016-19年行业经历低谷期，但谷歌、微软等头部厂商软硬件仍持续更新迭代；2019年开始Rokid、Xreal、MagicLeap等新品陆续推出，硬件生态持续完善，AR行业复苏发展。伴随光波导技术持续迭代&量产落地，AR眼镜形态将趋近于普通眼镜，推动C端市场渗透普及，与此同时AI大模型也为AR生态应用带来更大想象空间，硬件和生态共振，AR行业有望迎来新一轮增长。
AR销量基数尚低，未来2-3年有望迎来需求拐点。➢销量：过去几年AR销量整体呈稳步增长态势，2023年AR全球销量51万台，yoy+21%，其中国内和海外销量分别为20万台和31万台，yoy分别为54%和29%。现阶段AR销量基数尚低，伴随AR眼镜硬件迭代升级和AI应用加成，更轻便、更智能、显示效果更优的消费级AR眼镜有望在未来2-3年面世，带来行业需求拐点，根据Wellsenn XR预测，2027年全球AR眼镜销量有望达到500万台，2023-27年CAGR高达77%。➢格局：从销量来看，现阶段主推消费级AR的国内厂商在全球AR市场占据主导地位，微软、谷歌等海外AR厂商主要面向B端市场，根据IDC数据，2023年Xreal、Rokid、雷鸟创新、INMO全球AR市场份额分别为45%、14%、13%、6%。
现阶段以分体式AR为主，未来将向集成度更高、更轻便的一体式AR演进。➢分体式AR：处理器/存储/电池等与眼镜本体分离，需连接手机/电脑/主机盒子等外部设备使用，可以解决部分AR眼镜的交互和内容生态问题，续航和散热性能也更好，但存在传输延迟、便携度不足等短板，由于分体式AR一般搭配Birdbath方案，眼镜本体也相对笨重。➢一体式AR：将处理器/存储/电池等集成在眼镜中，可独立运行使用，一般搭载光波导方案，体积重量显著下降，可穿戴性更强，但性能、散热、续航仍有提升空间。➢现状与趋势：综合考虑显示效果和量产成本，目前Xreal、Rokid等头部厂商仍以BB方案分体式AR为主，雷鸟、INMO等逐步推出光波导一体式AR，根据IDC数据，2023年中国分体式AR销量占比约85%。从趋势上看，随着光波导/散热/主控芯片等持续升级，未来AR会向集成度更高、更轻便的一体式AR演进。
1.2 眼镜是AI最佳载体，AI+AR演进趋势清晰
眼镜是GPT-4o等多模态AI大模型的最佳载体。➢5月14日OpenAI发布新一代旗舰生成模型GPT-4o，接受文本/音频/图像的任意组合作为输入，并生成任意组合的输出，响应速度能够做到与人类反应相似，最快232毫秒内响应音频输入，平均响应时长320毫秒。GPT-4o可以实时理解视觉、听觉等信息并与用户交互，能够捕捉并理解交流情绪，成为富有情感色彩的智能语音助手。相比于其他终端，AI眼镜易用性和灵活性更高，能够解放双手，通过摄像头和麦克风为大模型提供第一视角信息输入，同时AI信息输出也有更自然直接的呈现载体（镜片/视觉信息、眼镜扬声器/音频信息），更适合作为GPT-4o等多模态大模型载体。◼Meta Ray-Ban搭载Llama 3多模态大模型，打响AI眼镜第一枪。➢音频眼镜+摄像头，暂无显示功能：搭载高通骁龙AR1 Gen 1，照片拍摄从5MP提升至12MP，支持1080P/60fps视频录制，存储从4GB提升至32GB，开放式扬声器低音提升2 倍、最大音量提高50%，5个麦克风阵列，拾音能力和准确度更高。➢AI为核心卖点：23年12月Meta为Ray-Ban Meta测试多模态AI更新，24年4月底Meta AI正式上线（仅限美国/加拿大用户），基于Llama 3，Meta AI除了基础的智能语音交互之外，还能进行视觉化交互（例如，识别建筑/根据冰箱食材推荐早餐等）。➢销量可观：2023年10月上市，售价299美金，23Q4销量超30万台，截至5月初第三方估计Meta Ray-Ban累计已售100多万台.
I+AR演进趋势清晰。➢目前AR眼镜的应用主要包括观影和信息提示，AI+AR眼镜在AI眼镜已有功能的基础上新增了显示功能，AI输出模式由单一的音频拓展至文本、图像、视频，可以为用户提供更丰富的交互体验，进一步拓宽眼镜应用边界，如提词、信息查阅、会议记录、导航、游戏、观影等，Meta、谷歌以及国内AR厂商等均在积极推进AI+AR落地。➢Meta：Meta持续推进AR眼镜项目，后续由AI眼镜升级至AR的趋势明显，有望于9月份Connect大会展示首款AR 眼镜原型，而下一款消费级AR眼镜有望在明年推出并量产，预计还将引入肌电手环作为交互。➢谷歌：谷歌在2022 年I/O 大会上曾展示一款AR翻译眼镜，2024 I/O大会展示了搭载多模态AI助手Project Astra的AR眼镜原型。➢国内厂商：国内AR产品持续向AI靠拢，以进一步拓宽AR应用生态，雷鸟X2、ARKnovv A1、INMO Go、MYVU等AR眼镜已具备AI语音助手/翻译功能，甚至是场景/物体/文字识别、图生图功能。
1.3 AR产业链：光学显示、感知交互、主控芯片是核心
AR产业链：光学显示、感知交互、主控芯片是核心。AR眼镜功能模块主要包括光学显示单元、计算单元和感知单元，此外包括音频、存储、散热等。以微软Hololens为例，光学显示成本占比达43%，计算单元和感知单元分别占比31%和9%。➢光学显示：作为AR最核心的部分，是决定轻量化消费级AR能否量产落地的关键。光学方面，现阶段量产以BirdBath和自由曲面方案为主，后续往光波导升级趋势明确；显示方案包括LCOS、DLP、MicroOLED、MicroLED等，LCOS是短中期兼具性价比和显示效果的均衡方案，MicroLED量产技术待突破，但应用前景广阔。➢感知交互：AR感知交互主要包括SLAM空间识别、手势识别、眼动追踪等，SLAM是使虚拟信息能够准确叠加在现实环境、实现空间计算的关键技术，而手势识别和眼动追踪则能显著提升交互自由度和便捷度，对于一体化AR尤为重要，感知交互主要涉及摄像头、传感器、陀螺仪、加速度计等硬件，此外对软件算法、芯片算力也有一定要求。➢主控芯片：高通AR芯片平台布局相对完善，包括AR2 Gen1和AR1 Gen1，前者适用于6Dof SLAM和交互功能较丰富的AR，后者适用于具备拍摄/3Dof//AI/显示的超轻量化AR。此外，目前部分AR主打信息提示功能，对芯片计算性能要求不高，或采用可穿戴芯片作为替代方案降低成本和功耗，紫光展锐、晶晨股份、炬芯科技等国产芯片均有应用。
二、AR光学：技术持续迭代，光波导方案潜力大
2. AR光学：技术持续迭代，光波导方案潜力大
AR光学持续迭代升级，光波导是消费级AR终极方案。AR光学的性能评价指标包括FOV视场角、透光率、EyeBox、出瞳距离、光学效率、畸变、体积厚度等。➢早期棱镜、离轴反射方案技术简单，但短板明显（棱镜方案视场角过小，离轴反射方案体积过大），难以在C端普及。➢自由曲面方案和BirdBath方案均基于曲面光学，是现阶段成熟度较高的量产方案，其中BirdBath方案在消费级市场更为普及，视场角、成像质量和成本适中，但模组仍较厚。➢光波导方案体积小重量轻，接近普通眼镜的形态，透光率高，EyeBox更大，是消费级AR的终极方案，具备在C端放量的潜力，目前量产难度高（阵列）、视场角小（衍射）等问题仍待突破。
2.1 AR光学：棱镜和离轴反射方案
棱镜方案和离轴反射方案：早期AR光学方案，技术难度低但缺点明显，应用较少。➢棱镜方案：微型显示器LCOS屏光线经过玻璃内部的45°半透半反射棱镜到达末端反射准直器，反射光线通过棱镜出射至人眼。棱镜方案简单、重量轻，缺陷在于视场角小（一般小于20°）、亮度不足、出瞳范围小，谷歌2012年发布的AR眼镜Google Glass便采用棱镜方案，视场角仅13°，遮挡视野，且容易产生畸变，难以在C端普及。➢离轴反射方案：显示屏将图像投射到前方透明的反射透镜后直接反射至人眼，外部场景亦通过该透镜进入人眼，从而实现虚实画面叠加。该方案技术难度低、工艺成熟且视场角较大，2016年发布的Meta2便采用该方案，视场角高达90°，但离轴反射系统结构笨重，目前应用较少。
2.2 AR光学：BirdBath和自由曲面方案
BirdBath和自由曲面方案：目前C端较为成熟的量产方案。➢BirdBath方案：通过半球形棱镜将画面放大、变焦，经过偏振分束器反射到前方曲面镜（60%透过/40%反射），再通过两层四分之一波片使光相位旋转90°，最后经过偏振分束器进入人眼。该方案优势在于视场角较大、重量轻、成本较低，缺点在于模组较厚、光损严重、透光率低，BB方案可看作是短期内均衡成本和显示效果的快速落地方案，也是现阶段消费级AR眼镜的主流方案。➢自由曲面方案：具有反射和透射功能的自由曲面棱镜将显示屏投射的图像反射进入人眼，外部景象通过曲面镜直接进入人眼，其中补偿器用于校正自由曲面棱镜引起的环境视图畸变。该方案技术较为成熟，光损较低，视场角适中，缺陷在于棱镜镜片较厚，可能出现畸变。伴随自由曲面技术持续迭代，模组厚度逐步减小，高通骁龙XR2 AR智能眼镜参考设计采用的耐德佳自由曲面钻石Pro方案，模组厚度已减小至10.4mm，透光率提升至60%。
2.3 AR光学：光波导方案
光波导：体积/透光率/清晰度等优势明显，有望成为主流AR光学方案。➢光波导AR眼镜包括显示模组、波导片和耦合器三部分，显示模组发出的光线通过耦入器件进入光波导，在波导内以全反射的形式向前传播，最后通过耦出器件耦出光波导进入人眼成像。➢按照耦入耦出器件的不同，光波导可分为几何光波导和衍射光波导，其中几何光波导以阵列光波导为主导，衍射光波导又分为表面浮雕光栅光波导（SRG）和体全息光波导（VHG）。➢光波导方案在体积、透光率、清晰度、视场角等方面均具备优势，有望成为主流AR光学方案。
阵列光波导：成像效果优秀，二维扩瞳解决了光机体积与视场角、EyeBox的矛盾。➢一维扩瞳：光线通过反射镜耦入波导片，在波导片中经过多轮全反射后到达半透半反镜面，部分光线反射耦出进入人眼，未耦出光线透过镜面到达下个镜面，重复反射/透射过程，直至最后一个镜面将剩余光线全部耦出到人眼。一维扩瞳阵列光波导能将EyeBox从4mm扩大到10mm+，且杂散光少，光线调制均匀，成像质量、色彩以及对比度水平较高。➢二维扩瞳：在两个区域分别设置反射阵列，第一个区域实现一个方向的扩瞳，同时将光束传导至第二个区域，进行另一个方向的扩瞳，可以是纵向→横向扩瞳，也可以是横向→纵向扩瞳。二维扩瞳阵列光波导解决了光机体积与视场角、EyeBox的核心矛盾，能够有效增加EyeBox和视场角（可达50%+），显著减小光机体积，更好地满足消费级用户对AR眼镜的形态体积以及成像效果的要求。➢优势总结：阵列光波导除了拥有光波导共有的轻薄化优势外，相比于已量产的表面浮雕光栅衍射光波导，其成像效果更为优秀（杂散光少/色彩均匀/EyeBox&视场角较大/分辨率高），几乎无漏光问题（1%-5%），且光损较低，可以减小光机功耗增加续航。
核心问题：量产难度大，明暗条纹影响美观。➢量产难度大：阵列波导制作涉及镜面镀膜、贴合、切割等流程，阵列镜面膜层多达几十层且每个镜面反射/透射比不同，需要镀不同层数的膜，贴合合时多镜面间平行度要求极高，总良率难以保证，此外，贴合后的切割角度也会影响成像质量。若采用二维扩瞳技术，量产难度进一步提升，理论上量产成本比一维扩瞳高4-5倍。➢明暗条纹：半透半反镜面阵列天然存在明暗条纹，影响美观。◼技术升级关键：•1）键合技术升级：分子键合技术代替传统胶水贴合，即利用分子间范德华力使镜片紧密平整地贴合，加强键合强度、提升贴合面平整度，且不受胶水折射率影响，由于贴合玻璃片数量较多、精度要求较高，实际工艺流程中仍有较大难度。•2）镀膜、键合等核心环节自动化设备的开发；•3）支持屈光度定制，代替外加近视镜片的方案，更加轻薄化。
阵列光波导主要玩家：➢Lumus：全球阵列光波导龙头，与Meta、苹果等密切合作。率先提出二维扩瞳阵列光波导技术，先后推出Maximus和Z-Lens两款二维产品，Z-lens分辨率2K*2K，亮度3000nit，FOV 50°，光机体积缩小约50%，可粘合动态聚焦透镜（缓解VAC问题）和近视镜片，无漏光炫光问题。➢水晶光电：2016年参与Lumus B轮融资，与Lumus、肖特共同推动二维阵列光波导量产落地。➢其他国内厂商：灵犀微光、珑璟光电、理湃光晶、谷东科技等厂商在阵列波导均有布局，量产年产能在10万片左右，主要针对一维扩瞳产品，二维产品处于小批量/在研阶段。
成像原理：➢表面浮雕光栅（Surface Relief Grating，SRG）：具有周期性变化结构/凹槽的光栅结构，一般分为一维光栅（矩形光栅/倾斜光栅/闪耀光栅等）和二维光栅（柱状光栅等）。➢衍射原理：光束入射光栅后会被分束为多个不同方向的衍射级次，通过调节光栅周期/占空比/深度等参数优化衍射效率，能使得某个方向的衍射光束具有最高衍射效率（通常选择非0衍射级次作为工作级次），实现光束定向传输。➢表面浮雕光波导原理：基于上述衍射原理，通过表面浮雕光栅耦入波导片，在波导片中全反射后通过表面浮雕光栅耦出进入人眼，实现一维扩瞳，二维扩瞳一般通过转折光栅或二维光栅实现。
2.3.2 表面浮雕光波导：量产难度较低，彩虹效应等问题亟待解决
衍射光波导二维扩瞳：➢转折光栅：转折光栅二维扩瞳IP主要由微软和Vuzix持有，体全息光波导厂商Digilens也采用类似的转折光栅技术，如左图，光束从入射光栅进入转折光栅，转折光栅实现水平扩瞳的同时将光束反射进入出射光栅，最终由出射光栅完成垂直扩瞳和耦出过程。➢二维光栅：以WaveOptics柱状光栅扩瞳为例，光束通过入射光栅进入波导片后，通过出射光栅（二维光栅）实现多方向的扩束以及光束的耦出。二维光栅设计难度非常高，需要控制耦出光线的均匀性，相比于转折光栅，二维光栅扩瞳减少了光损耗，增大了出射光栅面积，有效扩大EyeBox范围。
表面浮雕光波导量产难度较低：1）母版制备：基于半导体加工工艺，旋涂抗蚀剂层—干涉/电子束曝光—反应离子刻蚀—去除抗蚀剂层。2）批量生产：一般采用紫外线纳米压印光刻法批量生产，母版—步进母版—旋涂压印胶—结构压印—紫外线曝光固化—功能性图层覆盖波导—激光切割。◼前沿工艺：➢残胶层控制：纳米压印过程中往往会留下残胶层，而残胶层对光学性能有影响，因此需要尽量减小甚至去除残胶层，2023年Digilens发布的SRG+工艺能够实现无残胶层的SRG结构。➢纳米压印+刻蚀（NIL+Etching）：将低折射率树脂作为后期干法刻蚀的可牺牲层，纳米压印后用干法刻蚀将残胶层刻透并刻蚀至下方玻璃层，再将树脂纳米压印胶去除。这种工艺的光栅折射率RI可达2.0以上，可靠性更高，但工艺难度和成本都更高。◼材质：树脂vs玻璃。树脂密度仅为玻璃的1/4-1/3，且具备抗摔等特性，23年魅族、努比亚等AR眼镜均采用树脂SRG光波导。树脂的缺陷在于折射率低，树脂折射率普遍为1.74，而玻璃材质可达2.0，影响fov和色彩均匀性。从成本角度，树脂成本理论上较玻璃低，但由于目前良率较低，成本优势并不明显。
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