近年来随着XR产业的逐渐复苏及其技术水平的不断升级，元宇宙已成为业界广泛讨论的话题并吸引了资本市场的重点关注。现有的智能手机、PC在硬件设备端难以满足元宇宙虚拟现实深度融合的体验需求，未来，VR、AR、MR等XR硬件将是人类通往元宇宙的重要入口。2022下半年，PICO 4和Quest Pro的发布又掀起了一阵市场热潮，工信部等五部门联合印发了《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022-2026年）》，并在发展目标中提出，到2026年，我国虚拟现实产业总体规模（含相关硬件、软件、应用等）超过3,500亿元，虚拟现实终端销量超过2,500万台。
在此背景下，CIC灼识咨询近期举办了“2022年度灼耀热力榜”之“泛元宇宙”赛道解读会，并配合活动发布《元宇宙系列-XR硬件行业蓝皮书》。《蓝皮书》从元宇宙和XR硬件的发展历程、XR硬件分类、市场规模、竞争格局、需求与痛点等方面进行分析，并针对舒适性和沉浸性的痛点着重探讨了XR光学系统和交互系统的当前技术重点及未来发展趋势。本文将蓝皮书中的精华内容摘录出来，以飨读者。
01、XR硬件是人类通往元宇宙的重要入口
元宇宙以游戏为起点，逐渐整合互联网、数字化娱乐、社交媒体等功能，长远来看甚至可能整合社会经济与商业活动。元宇宙主要由硬件设备层和内容及应用层构成，其中XR硬件是硬件设备层的发展驱动力，是人类通往元宇宙的重要入口。
从产业发展历程来看，XR硬件经历了漫长的萌芽期、热潮期和冷静期，从2019年开始逐渐进入复苏阶段。2021年Meta Quest 2累计出货量达到1,000万台是行业发展的一个里程碑，2022年PICO 4的发布再一次掀起了市场热潮。
VR硬件目前主要分为一体式VR硬件和外接式VR硬件，凭借轻便可移动的优势，一体式VR硬件逐渐成为主流。VR目前最核心的应用场景主要集中在游戏社交和影视直播，未来也将持续挖掘消费级和企业级应用场景。当前主流的AR硬件类型主要为双目式和单目式，与VR相比，目前AR硬件主要在企业生产运营中应用，包括教育培训、工业制造等，未来有望向军事安防、医疗健康和消费级市场逐渐渗透。
02、行业进入恢复增长期，中国厂商市场地位有望持续提升
2021年以来，伴随互联网厂商的高调入局和XR游戏及其硬件设备的市场良好反响，虚拟现实产业迎来了实质性复苏期。得益于技术条件的日益成熟和内容生态的不断完善，作为元宇宙生态下重要的硬件入口，XR硬件设备需求将不断提高。2021年全球XR头显出货量超过1,000万台，预计到2026年将攀升至3,508万台，期间复合年均增长率预计超过25%。
2022上半年全球VR头显设备竞争格局较为集中，Meta Quest独占鳌头，市场占有率约80%。中国厂商的表现也同样亮眼，字节跳动旗下的PICO出货量市场份额仅次于Meta Quest位居全球第二，并在国内市场稳居第一。以PICO为代表的国货头显厂商也将通过技术创新、完善内容生态等战略不断提升其全球市场地位，中国XR头显设备出货量全球占比预计将从2021年的15%左右提升至2026年的34%左右。
03、沉浸感和舒适性两大迫切需求，促使光学和交互系统优化升级
XR硬件的用户需求依据迫切程度由高到低可分为沉浸性、舒适性、互通性和经济性。其中沉浸性更是设备性能重要的衡量标准，通过视觉、听觉、触觉、运动与嗅觉的临场感为用户营造多重感官感受，可提升虚拟场景逼真程度，其中交互系统和光学系统将共同驱动XR硬件沉浸感的提升和优化。舒适性则涉及用户具体佩戴感受，降低光学系统的体积和重量、减轻眩晕感是当前解决舒适性痛点的重点方向。
04、XR光学系统：轻薄化、沉浸感、性价比是技术升级的主要追求
XR设备光学元件的重点需求包括设备轻薄化、高沉浸感、高性价比，由于三个原则之间互相制约，光学元件的优化方向需根据产品定位进行权衡。
VR光学：Pancake和机械式可变焦将被大规模采用
VR光学按照光路设计可分成垂直光路、折叠光路、复合光路以及特定光路四种方案。其中，非球面透镜、菲涅尔透镜是当前垂直光路方案中主要采用的镜面类型。非球面透镜凭借成本低、成像质量可控的优势为初期VR设备采用，但在色彩、畸变、厚度等问题上有缺陷；菲涅尔透镜在降低重量的同时基本满足成像要求，技术成熟并可大规模量产，现阶段被大量VR厂商采用，但未来在VR设备向消费市场的渗透中将逐渐无法满足用户舒适性和沉浸感的高需求。
折叠光路中的Pancake方案具备模组轻薄化、可调节屈光度等优点，大幅提升了用户的体验感和舒适度，目前受到了众多科技公司的青睐。基于VR设备趋向轻薄化以及追求屈光调节和变焦以提升佩戴舒适性的大趋势，Pancake将成为未来主流光学方案。
Pancake方案以偏振光原理为基础，采用反射偏光片配合1/4相位延时片和分束镜实现光线的多次折返。通过折叠光路的设计有效压缩了屏幕与透镜的距离，进一步缩小了光学模组总长度，模组厚度相对传统菲涅尔方案减少了一半，头显重量减轻50%以上。
同时，Pancake方案一般为多组透镜的组合，可以通过移动其中一组镜片调整整个光学模组的折射率，从而满足调焦需求，解决了近视用户佩戴的不便，内调屈光度还可以缩短模组总长，减少头显体积。这种可变焦显示还能通过基于眼部细微特征变化校订模组焦距，模拟人眼自然成像，是VAC（视觉辐辏调节冲突）的有效解决方案。但Pancake方案中光线多次折返会造成“鬼影”和高光损的问题，需要从材料和配套显示方案上帮助优化成像。
为优化视觉辐辏调节冲突在VR设备使用过程中造成的眩晕感，未来Pancake产品将结合技术逐渐成熟的变焦显示技术，进一步提升佩戴舒适度。变焦显示技术通过改变光学零件组成系统曲率、间隔实现焦平面的变化，从而得到连续的景深，其中机械式可变焦技术成熟度较高，将被VR厂商大规模采用。
目前市场上还存在包括液晶偏振全息、多叠折反式自由曲面、异构微透镜阵列、超透镜/超表面技术在内的大量处于研究发展阶段的VR光学技术，这些技术能够进一步提升设备的轻薄化和佩戴者的沉浸感体验，但现阶段仍面临成像清晰度低和商业量产难的问题。
AR光学：光波导被认为是消费级AR眼镜的必选方案
对比VR设备只需要传输显示器中的图像，AR设备的成像则需要与真实环境交互，光学元件需将眼侧屏幕的像耦合到眼前。AR光学元件目前较成熟的方案包括离轴反射、Birdbath、自由曲面以及光波导。自由空间型AR光学技术已经在军工等领域展开了多年的开发与应用，近年来优化的方向偏向降低成本与缩小体积，其中Birdbath和自由曲面方案由于成本可控、性能适中，是当前消费级AR厂商的普遍选择。
长期来看，光波导技术具有轻薄和外界光线高穿透性的特点，被认为是消费级AR眼镜的必选光学方案。一旦光波导技术能够突破瓶颈，控制成本，达到量产能力，该技术将有望实现快速渗透。
其中，表面浮雕光栅的衍射光波导技术能够实现二维扩瞳，无需增加设备体积即可扩大眼动范围。且表面浮雕光栅的生产工艺发展完善，基本具备成熟量产条件，预计将是未来AR光学器件的主流方案。
但衍射光波导对于角度和波长的选择性导致了色散问题的存在，如何用一层光栅作用于红绿蓝三色是业内面临的挑战。LBS（激光束扫描）技术采用激光光源，有效减小色散效应，预计是衍射光波导模组的最佳选择。
前沿AR光学技术包括液晶偏振光栅波导技术、全息视网膜投影显示技术、超表面、超透镜等，这些技术虽处于初步发展阶段但应用趋势颇有前景，未来随着技术的持续发展将把当前系统的性能等级提升到新的高度。
05、XR交互系统：6DoF成为主流，手势追踪、眼动追踪预计是中短期发展重点
其中，6DoF追踪定位技术是XR沉浸体验的关键技术，与3DoF相比可以满足交互性更强的使用场景，目前头手6DoF交互已逐渐成为主流VR头显的标配，未来该技术仍将向高精度、高速度等方向优化革新。
手势追踪、眼动追踪预计将在中短期内为企业重点突破和广泛应用。目前手势追踪方案多样，按设备方案主要分为裸手追踪和可穿戴设备，技术方案主要有视觉追踪、惯性追踪、弯曲传感器追踪、磁性追踪等，不同技术方案各有其优缺点，腕带、指环等轻小型便携式可穿戴设备未来或可成为消费级XR手势追踪的主要方案。
眼动追踪在XR硬件中也有多种应用场景，例如注视点渲染、眼动交互、眼动数据分析、虚拟人表情追踪等，甚至可以进行身份识别和评估视觉及心理健康。XR硬件厂商的眼动追踪技术按照追踪原理主要分为四种方案，包括瞳孔角膜反射向量法、视网膜影像法、反射光强度建模法和三维模型重建法，其中瞳孔角膜反射向量法应用最为广泛。
感知交互功能的实现需要硬件传感器的支持，随着交互技术的多样化发展和不断进步，XR设备对于信息的种类、精度、实时性提出了更高的要求，也将继续推动不同种类传感器的发展与升级。
