中金：机械式可变焦显示有望成为VR行业标配

机械式可变焦显示（Mechanical Varifocal System，简称MVS）是现阶段解决VR眩晕问题的主流方案，相比电子变焦液晶透镜等其他技术，其具有低成本、高成熟度和宽视场角的优势。我们认为机械式可变焦显示有望逐渐成为下一代VR产品的标配。

机械式可变焦显示主要用于解决VR眩晕问题。目前主流的VR产品，由于视觉辐辏调节冲突（VAC），容易给用户带来视觉疲劳、眩晕等问题，较大程度上影响VR体验。机械式可变焦显示原理是通过图像处理技术，定位瞳孔中心坐标，利用内置算法推算人眼的注视点，通过电机+齿轮模组推动分光镜完成可变焦，实现镜片和注视点多个自由度的实时变化，可以明显减缓VAC带来的眩晕问题。

机械式可变焦显示有望成为下一代VR行业标配。（1）具有技术成熟+低成本优势：机械式可变焦通过电机和精密齿轮模组实现焦距调节，与照相机光学变焦技术同源、成熟度高，在视场角、自由度等指标方面表现优异，同时单套价值量在100元左右，相比其他VAC解决方案有较大优势，具备大规模量产的条件。（2）头部VR品牌或逐步规模化应用机械式可变焦：结合各厂商研发专利方向及产业链技术成熟度，我们预计Pico、Apple和Meta等主流的VR品牌，或将逐步搭载机械式可变焦显示技术解决方案。

实现更多自由度和更低延迟是技术升级方向，ASP有望提升。从结构看，机械式可变焦未来往小型化和轻量化发展，实现更多自由度和更低的延迟，我们认为机械式可变焦+折叠光路技术或将成为下一代技术研发方向。我们预计在技术升级趋势下，机械式可变焦模组ASP有望从2020年的100元/套提升至2025年的120元/套；假设其渗透率达70%的情况下，2025年市场空间有望达到37亿元。

VAC眩晕问题亟待解决，可变焦显示是主流方案

技术背景：VAC眩晕问题是影响VR体验的主要障碍之一

提高清晰度、提高流畅性、解决眩晕问题是提升VR体验的三个方向。目前虚拟现实显示设备的舒适度是一个仍未解决的迫切问题，VR设备普遍存在观看者眩晕和视疲劳的问题，其中核心是眩晕问题。

► 提高清晰度：在VR全景中PPD代替屏幕分辨率成为衡量清晰度的核心标准。在VR全景视频中，画面被投影至空间球面，用户只能看到视角范围内的部分球面。人眼在一度的视角内所能看到的像素数称为PPD (Pixels Per Degree)，PPD越大，清晰程度越高。低分辨率容易导致视频清晰度低、用户产生疲劳感，因此，提升头显设备和视频内容的分辨率是用户体验感增加的根本方法。

► 提高流畅性：流畅性主要受帧率与刷新率共同影响。刷新率指显示屏的垂直刷新率，当刷新率低于60Hz，屏幕会出现明显抖动，一般要求高于72Hz。帧率指1秒钟内传输帧的数量，在GPU支持的情况下，帧率越高，画面越流畅。VR视频中，每帧由GPU清晰渲染出来的画面对应一个瞬间的影像，不符合人眼视觉习惯，影响观看流畅性。提升显示屏刷新率、保证较高帧率是主要解决方法。

► 解决眩晕问题：MTP时延及VAC（视觉辐辏调节冲突）是引起VR眩晕的主要原因。MTP（Motion-to-photons）是运动到成像的时延，业界认为强交互业务的MTP应小于20ms，否则将产生眩晕感。为降低MTP时延，需提升GPU的渲染性能并将显示屏的刷新率提高到75HZ以上，通过缩短各环节处理时间，保证用户体验。我们认为MTP随着芯片及数据处理能力升级，已有较为明显的体验改善，VAC则是目前亟需改进的方向。

图表：清晰度、流畅性、眩晕感是提升VR体验的三大方向

资料来源：爱奇艺技术产品团队公众号，中金公司研究部

VAC眩晕问题是影响VR体验的主要障碍之一。当前的VR/AR/MR头显存在视觉辐辏调节冲突（Vergence Accommodation Conflict；简称VAC)。由于视差原因，人左右眼球需要相互配合，才能使看到的两个物象在大脑分析合成完整的单一立体物象。辐辏和调焦是该过程中人眼的两个重要功能。在VR/AR/MR头显设备中，观众与屏幕之间的固定距离使得焦距无法改变，辐辏和调焦的位置发生分离，出现辐辏冲突，导致用户出现疲劳、眩晕感。

除此以外，动态画面和身体静止之间的矛盾也会增加用户眩晕感。运动和在体验VR时，由于画面是变化的，而人是静止的，变化的画面通过人体的视觉系统传到大脑，大脑会错误解读为是由于身体的运动引起，而控制身体平衡与协调的耳前庭器官并没有给大脑传达身体的运动信息，大脑会因为这种视觉信息与运动的不协调，产生眩晕反应，类似于晕车和晕船。

图表：辐辏调节冲突的形成机制

资料来源：至格科技官网，中金公司研究部

解决方案：可变焦显示是解决方案，机械式可变焦具备优势

VR近眼显示可以分为焦面显示、变焦显示、光场显示以及全息显示，变焦显示在综合方面具备优势。针对辐辏调节冲突问题的解决，当前在各头部企业及其研发团队的推动下，业内已形成多种解决方案。其中可变焦方案解决程度高、分辨率高、可视深度平面数量较多、能够进行眼球追踪且较容易实现，我们认为综合来看，可变焦具备较为明显的优势。

► 焦面显示：传统头显通常只有单个固定焦面，用户容易产生辐辏冲突进而产生眩晕感。通常双焦面显示、为解决这种弊端，Oculus公司研发了焦面显示技术，通过空间光调制器调整虚拟场景光的聚焦模式或波阵面，使得设备显示的不同像素的虚拟图像在视觉上深度不一，最终合成焦面的形状与虚拟场景的几何形状相符合。随着焦面显示技术不断更新，目前已出现双焦面显示、双焦面切换显示、多焦面显示等技术升级。

► 变焦显示：变焦显示可以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。与焦面显示固定的焦点数量相比，变焦显示能够形成更多的可视深度平面数量，实现更好的视觉体验。目前变焦显示的主要技术方案有利用显示屏和光学透镜两种方案。

► 光场显示：光场显示通过显示出光学场景全部方向的光线，在产生传统2D显示器的所有信息外，还能提供双目视差、移动视察以及聚焦模糊三方面生理视觉信息，同时支持人类视觉系统中的辐辏与调节。根据文献，随光场的角分辨率和视点分辨率不断提高，光场显示效果也将不断逼近全息显示[1]；然而，我们认为受空间光调制器性能和算力影响，短期内全息显示或较难走向现实。

图表：应对VAC的多种技术路径

资料来源：南昌VR研究院，中金公司研究部

可变焦显示是解决VAC眩晕问题的主流方案。VAC（视觉辐辏调节冲突）容易造成用户产生视觉疲劳、眩晕等问题，目前的主要解决方案是应用相应地改变焦距或提供不同焦平面的变焦式头显。当VR显示的画面出现变化时，人的视觉焦点如果能跟随其发生变化，实现“前后左右上下”，我们认为眩晕问题将有望得到缓解。可变焦显示包括机械式变焦和电子变焦（液晶透镜技术）等。

► 传统机械式：机械式可变焦显示（Mechanical Varifocal System，简称MVS）原理是通过图像处理技术，定位瞳孔位置，利用内置算法推算人眼的注视点，通过电机+齿轮模组推动分光镜完成可变焦，实现镜片多个自由度的切换。

► 电子变焦液晶透镜：电子变焦液晶透镜应用光学成像原理，由目标物体发射的自然光穿过偏振片、液晶透镜和玻璃主透镜后聚焦在图像传感器上形成图像。其具备体积小、低功耗、制作简单、结构紧凑、稳定性好等优势，能够实现较大范围变焦和较短时间切换。然而，该技术目前仍存在透光率低、画面损失以及接近透镜边缘时图像质量下降等问题，现阶段尚不具备商业化条件。

VAC解决方案的技术进步空间大，未来价值量有望持续提升。目前的VR与用户的交互性仍然较弱，对用户的动作、神态等变化的反馈较少，进而降低了用户体验的沉浸感。VR技术仍有较大的提升空间，可以通过眼球追踪数据来观察用户心理、完成交互，例如在VR中查看Excel时，捕捉用户的注视方向以确定输入选框。随着技术突破，我们预计VAC解决方案的附加价值提升，设备整体的价值量有望持续提升。

图表：可变焦显示的主要技术方案

资料来源：Meta、苹果官网，中金公司研究部

机械式可变焦：低成本、高自由度，当前性价比最优的解决方案

技术原理：通过精密齿轮模组实现焦距调节

机械式可变焦显示技术：通过齿轮模组带动对焦电机的往复直线运动来控制镜片到屏幕的距离。机械式可变焦显示器采用精密齿轮传动模组来调节VR/AR眼睛的两组透镜组件的间距，直至与使用者的瞳距相匹配；其配合眼动追踪、注视点渲染等多种软硬件技术，模拟出人眼在观察远近不同物体时发生的屈光调节和双目辐辏调节过程，从而实现视觉清晰成像的目的。

图表：机械式可变焦的技术原理

资料来源：公司官网，中金公司研究部

优势：低成本高自由度，根本上解决VAC眩晕

相比电子变焦液晶透镜等其他VAC解决方案，机械式可变焦显示技术成熟度最高。机械式可变焦是通过电机来控制一组或多组透镜移动，这一技术原理与相机镜头的对焦方式相似，发展历史悠久，技术较为成熟。而电子变焦液晶透镜在液晶形成工业应用后才得以发展，目前仍存在透光率低、画面损失等问题。而其他新型方案目前尚处于成熟化的过程中，如基于视网膜投影为2022年苹果新申请的一项专利，是将像素动态投射到人眼视网膜中，该项技术跳出原有的技术框架，但是目前尚未实现商业化应用。

图表：机械式可变焦技术历史悠久

资料来源：iqrab，《文明之光》之《发明365》（吴军，2015年7月2日），中金公司研究部

VR设备的评价维度多元，VAC解决方案的性能表现有差异。

► 视场角（FOV）：视场角（Field of View，简称FOV）是显示器边缘与观察点连线的夹角。人眼正产观察周围环境时具有120°的视场角，当VR设备的视场角小于120°时，视野边界将会出现黑边。因此，相对较高的FOV将会提高VR设备的沉浸感。

► 自由度（DOF）：自由度（Degree of Freedom，简称DOF）是衡量定位系统功能和性能的重要指标之一，目前DOF分为3自由度（3DOF）和6自由度（6DOF），其中3DOF只能跟踪旋转但不跟踪平移，而6DOF都跟踪，因此6DOF可以准确定位头显的运动变化，带来更强的沉浸感。

图表：FOV和DOF是VR设备的重要评价指标

资料来源：Pupuru，VR陀螺，中金公司研究部

机械式可变焦显示技术性能指标表现优异。机械式可变焦显示技术在视场角（FOV）、自由度（DOF）等多个指标下都显示出较好的性能，能够实现连续景深变化，也可叠加眼动追踪功能，实现实时自动变焦和最优的视觉观看效果。

其他VAC解决方案存在技术上的局限性，比如：

► 电子液晶变焦显示：在透明状态下透光率通常小于40%，因此未调光时就会遮挡60%环境光；通常会带来一些画面损失，例如色差、色散或衍射等；偏振技术存在极化效应，而非偏振方案通常需要较高电压（一般12V以上）。

► 焦面显示：存在视场角较小的问题，其能实现的视场角约为18度，而目前主流头显的视场角约为100度。

► 多焦面显示：虽然可以同时显示多个焦平面，但是平面的虚像，存在局部深度信息不足的问题，并且无法获得连续景深信息，只能部分解决视觉辐辏调节问题。

► 全息显示：可以完全解决视觉辐辏调节冲突问题，但是受空间光调制器性能和算力的影响，存在视场角低（不足20度）、分辨率低（由于散斑降低）、刷新频率低等方面的不足，短期内很难走向实际应用。

图表：机械式可变焦方案的综合性能较高

资料来源：(Matsuda et al., 2017)，中金公司研究部

注：箭头突出了机械式可变焦表现较好的指标

机械式可变焦显示技术是目前成本最低的解决方案，具备大规模量产的条件。传统机械式可变焦显示器单套价值量在100元以内，而其他VAC解决方案由于材料、部件价格高等原因，暂不具有成本优势，如焦面显示技术采用光场的技术原理，核心器件空间光调制器采用硅胶作为基底，成本高达几万元以上，我们认为其现阶段不具备大规模量产的条件，进而影响了焦面显示技术在VR中的推广。

头部厂商VAC专利布局广泛，Meta领跑机械式可变焦研发

VR赛道飞速发展，各大互联网科技企业纷纷入局。VR行业正处于新兴发展阶段，技术仍在不断迭代，吸引了国内外大型互联网科技企业纷纷入局。目前VR设备下游头部厂商有Meta、苹果、索尼、Pico、HTC等，其中Meta市场份额超过50%，CR5市占率超过90%，市场集中度较高。除此以外，我们认为部分初创企业同样具备较强的发展潜力。2023年多款重磅产品有望发布，我们认为苹果、索尼等龙头入场有望进一步推动VR市场扩容。

图表：VR设备下游头部厂商情况

资料来源：各公司官网，Wellsenn XR，中金公司研究部

聚焦VAC解决，下游VR厂商技术研发路径多样。各下游VR厂商积极探索VAC问题的前沿解决方案，行业内已积累一定数量的VAC专利。目前，我们认为机械式可变焦仍然是行业内的主流选择，其余解决方案正处于小规模应用或专利阶段。

► Meta：Meta的Half Dome原型机系列主要针对VAC问题设计，该系列前两代设备应用机械式可变焦，第三代设备应用电子式液晶透镜变焦。近期Meta所申请的专利主要集中在液晶透镜领域，但电子式变焦目前仍停留在原型机阶段，无法实现量产。

► Sony：Sony申请的VAC专利聚焦于光学元件与系统设计方面，目前应对VAC问题主要采用机械式可变焦技术，代表产品为PlayStation。

► Pico：Pico专利涵盖眼球追踪技术、注射点渲染、光学设计等多领域。目前能够实现模组减重与变焦的Pancake方案已代替菲涅尔透镜成为公司光学方案首选。

► 苹果：苹果VR领域专利数量众多，其中超级变焦和视网膜投影技术为解决VAC问题的前沿技术，但目前相关解决方案仍处于专利阶段。

► Magic leap：Magic Leap近期申请的VAC专利集中于液态透镜领域，核心研发技术仍处于绝密状态。公司代表产品Magic Leap 1应用双焦面切换显示解决VAC问题，可变焦已成为公司未来产品的技术选择方向。

► Creal：Creal专注于光场显示技术，具有较强的研发能力。2021年首推基于光场显示器热的AR、VR头显原型，光场效果较好，但设备硬件仍存在问题。目前光场显示成熟程度远没有达到商业化阶段的要求。

图表：下游各VR厂商VAC专利布局情况

资料来源：IPTOP知识产权平台，中金公司研究部
注：专利查询时间截至2022年6月

预计Pico、Apple和Meta 等主流厂商逐步应用机械式可变焦显示技术

我们预计主流VR厂商将逐步使用机械式可变焦显示技术。2022年9月，Pico4/Pico4 pro或有望在全球发布；2022年10月，Meta或将发布Quest Pro，我们认为其有望成为新一代行业标杆产品；2023年初，苹果或将首推VR/AR设备，我们认为其有望引领行业发展。

图表：各厂商潜在新品发布展望

资料来源：Creal官网，Roadtovr，映维网，青亭网，中金公司研究部

苹果：专利显示Apple VR头显或使用机械式可变焦技术。2021年，苹果“Head-mounted device with adjustment mechanism”专利公布，该机制由两个装置部分构成，通过两个装置部分的断开与连接允许用户改变两个透镜的位置实现变焦，暗示苹果头显有IPD系统。IPD主要原理与电脑验光中通过移动凸透镜改变光路实现清晰成像接近，3M公司也曾在论文中提出一种通过电机驱动分光镜调整光线在折射、反射系统中的三折光路，从而实现变焦的光学方案[2]。基于以上事实，我们推测苹果通过电机推动分光镜完成可变焦。

图表：Apple VR头显使用机械式可变焦技术预测依据

资料来源：Proc. of SPIE Vol. 10335 (2017)，Meta官网，苹果专利《具有调节机构的头戴式设备》，中金公司研究部

在机械变焦模组中，音圈马达与柔性铰链设计可以大幅消除机械震动和噪音。此前，在苹果一份标题为相机聚焦和稳定系统的专利中，各种实施方案就包括具有音圈马达致动器组件的相机。由此可见，苹果拥有通过致动器件移动实现自动对焦的技术，需要音圈马达减少机械运动的影响，进一步佐证了我们对于苹果使用机械式可变焦技术的预测。

图表：苹果专利系统中包含音圈马达等机械模组

资料来源：苹果专利《相机聚焦和稳定系统》，中金公司研究部

Pico：对于Pancake模组的选择暗示新品或使用机械式可变焦技术。根据目前所曝光的设备参数，Pico4/Pico4 Pro选择使用了Pancake光学方案。Pancake方案利用偏振光原理，采用折叠光路设计，与传统菲涅尔透镜相比，模组厚度大幅度降低。从原理上分析，Pancake方案应用分光镜对光线进行调整，微型传动器是其实现变焦的关键器件。目前Pancake透镜与液晶透镜复合方案尚不成熟，存在图像质量差等问题，我们预计Pico 4系列或将使用机械式可变焦技术。

图表：Pico4/Pico4 pro使用Pancake光学方案

资料来源：国家知识产权局，华为专利《一种光学成像系统及头戴式显示设备》，ZAKER，中金公司研究部

Meta：新技术液晶变焦存在不足，我们认为Meta未来新品可能使用机械式可变焦技术。Meta此前展示的Half Dome 3配备可变焦液晶透镜系统，由电驱动完成变焦。根据Meta于2021年6月在SID ICDT期刊发表的论文，由于液晶透镜与普通透镜结构的不连贯，多层透镜叠加将影响整体图像质量大幅下降。目前我们认为Quest pro大概率将采用Pancake透镜折叠光路，未来新品或将同步搭配使用机械式可变焦。

图表：多层透镜结构造成图像质量下降

资料来源：《SID ICDT》Journal 28 Bos et al. (2021)，中金公司研究部

技术趋势：更高自由度和更低延迟，机械式可变焦+折叠光路技术

与机械式变焦相结合，眼动追踪或将实现大规模应用

眼动追踪是机械式可变焦、畸形矫正多项重要VR技术的基础。眼动追踪是通过捕捉用户的眼球运动轨迹，精准算出用户的目光停留在设备屏幕区域，进而实现浏览、控制等功能。机械式可变焦技术需要与眼球运动相结合，以达到移动透镜实现清晰成像的目的。眼动追踪可以让用户在虚拟世界中实现社交中的眼神交流，拥有更真实的体验感。另外，眼动追踪还能用来捕捉用户情绪。比如根据瞳孔的大小变化，清晰量化用户使用时所有心理活动和生理反应，用以判断产品的用户吸引力。

眼动追踪目前主要采用瞳孔角膜反射法，尚在B端应用的探索阶段。目前，眼动追踪技术主要采用以Tobii技术提供商为代表的瞳孔角膜反射法。该方案下的眼动追踪主要由眼动摄像机、光源和算法共同完成：光源发射红外光在眼角膜反射形成闪烁点，眼动摄像机捕捉眼睛的高分辨率图像，再经由算法解析以实时定位闪烁点与瞳孔的位置，最后借助模型估算出用户的视线方向和落点。目前，眼动追踪技术在B端中应用加速，国内HTC VIVE Flow、Pico Neo 3Pro等设备均有眼动追踪版本可选。我们认为，未来眼动追踪的应用有望逐渐从B端到C端，实现大规模应用。

图表：眼动追踪对于提升VR体验具有重要意义

资料来源：Tobii官网，中金公司研究部

眼动追踪技术尚未成熟，适配性有限，未来可能向全身追踪发展。眼动追踪运用在VR领域的主要难点在于瞳距的问题以及注视点渲染，目前注视点渲染已经有Tobii等厂商研发成功，而瞳距则成为目前一大研发障碍。由于人与人之间的生物学差异较大，用户存在各异的瞳孔形状、眼睑和睫毛生长情况，眼动追踪技术还无法很好地适配所有用户。未来我们预计随着技术成熟，眼动追踪可能会向全身追踪的方向发展，捕捉所有身体动作并将其转移到虚拟现实中，实现更逼真的化身和新的交互形式。

机械式可变焦技术进步，VR/AR设备将朝着小型化、轻量化方向不断改进

VR/AR设备的体积和重量较大，用户穿戴体验仍有较大提升空间。目前主要的头显设备重量均在300-500g，整体较为宽大厚重，如Meta Quest 2的头罩宽度超过80mm、含头带的整体重量超过500g，让用户头脸部承重较大，影响使用体验。因此，各大主要VR/AR厂商都致力于设备整体的小型化和轻量化，例如Half Dome从1代至3代，外观的厚度以及重量都在朝着更薄、更轻的方向发展。

图表：VR设备逐渐小型化、轻量化

资料来源：Meta，中金公司研究部

为了实现小型化、轻量化的目标，机械式可变焦+折叠光路技术（Pancake lenses）或将成为主流。相比于电子液晶式的镜片数决定焦平面数量，机械式可变焦通过移动镜片来实现变焦，对镜片数量的要求更低。目前机械式可变焦正逐步实现小型轻量化，如Meta二代机械变焦模组的体积已大幅缩减。目前使用较多的菲涅尔透镜由于焦距所限，无法减少光学成像模组的整体厚度，同时其光学特性会在一定程度上影响成像质量。而折叠光路使用偏振膜将光路压缩，能使VR设备整体厚度进一步下降，同时折叠光路也可以实现更好的成像效果以及更广的FOV。长期来看，我们预计机械式可变焦+折叠光路的成熟应用将带来VR设备里程碑式的体验提升。

图表：新一代机械变焦模组（左）体积已大幅缩减

资料来源：Facebook官网，中金公司研究部

图表：传统VR光学模块（左）与折叠光路（右）

资料来源：Limbak，中金公司研究部

我们预计机械式可变焦显示技术大规模应用叠加下游厂商扩产，2025年机械式可变焦模组市场空间约37.1亿元。一方面，我们认为当前VR设备具备较大的成长性，下游厂商纷纷布局，机械式可变焦设备的需求相应提升。另一方面，随着精密度提升以及眼动追踪等新技术研发，我们认为可变焦显示器价值量有望进一步上涨。综合考虑下游厂商加速布局、技术发展带来价值量增长等因素，我们测算得机械式可变焦模组2025年市场空间约为37.1亿元，21-25年CAGR 139%，成长空间较为广阔。

图表：VR设备出货量及预测

资料来源：IDC，中金公司研究部

测算过程与核心假设如下：

► VR出货量：根据IDC，2020年VR设备出货量约为400万台，2021年出货量超过1000万。VR出货量增长主要得益于Oculus Quest系列的热销，该产品通过低定价、强产品、重生态战略推动了VR进一步走向消费市场，Facebook也因此在4Q20市场份额上升至53%，成为VR领域龙头。根据中金科技硬件组预测，随着VR应用持续丰富，苹果、索尼等龙头入场，2022年VR出货量将有望超过1400万台，2021-2025年CAGR达42%。

► 单模组价值量：（1）机械式模组渗透率：我们认为在VR景气度提升的背景下，产品的价格、体验感将成为各大厂商开拓市场的关键，因而兼具技术成熟度高与低成本优势的机械式可变焦技术将成为主流的VAC解决方案，我们预计2025年其占比有望提升至70%左右。（2）单机价值量：传统机械式可变焦显示器单套价值量在100元左右，而其他VAC解决方案成本较高，例如焦面显示技术的核心器件——空间光调制器的成本就高达万元以上。随着技术进步，VAC解决方案的附加值提升，我们认为其价值量有望持续提升，我们预测到2025年机械式可变焦设备的单模组价值量或将提升至120元左右。

图表：VR机械式可变焦模组市场空间测算

资料来源：IDC，中金公司研究部

本文作者：中金丁健、李澄宁、陈显帆，本文来源：中金点睛，原文标题：《中金 • 联合研究 | VR/AR：机械式可变焦显示有望成为标配》