Omdia：苹果正在开发一种可穿戴XR设备

2014-2015年，AR和VR相关技术及设备制造领域的投资激增。然而，到2017-2018年时，消费性市场并未真正起飞，于是投资于上述技术和设备的几家先行公司面临财务困难，导致AR和VR至今一直停滞不前。苹果作为一家成功的消费性电子产品（CE）品牌，与其他知名品牌相比吸引了更多关注。最近，供应链和媒体一直流传着关于该公司XR设备的传闻，苹果还于2018年收购了微型显示器光学设计专家Akonia Holographics。尽管该公司的XR设备有效性和性能规范尚未得到证实，但业界预测苹果不久将发布其首台XR设备。尽管如此，可穿戴AR和VR设备的市场需求仍远远不能令人满意。一年内的设备出货总量估计低于1000万台。Oculus的VR设备、HTC的Vive和索尼的PlayStation VR主要用于游戏，而大多数可穿戴AR设备都是用于商业或垂直应用程序。例如，Microsoft HoloLens 2和谷歌Glass都是供企业而非消费者使用。

此外，AR（augmented reality）、VR（virtual reality）和MR（mixed reality）技术可能会令消费者感到困惑。VR定义较为简单：用户完全沉浸在计算机生成虚拟物体的数字世界中，而用户周围的真实世界被遮蔽。AR则能让用户同时看到计算机生成物体以及现实世界。MR一般被认为是AR的一种，它更丰富地提供了由计算机生成的虚拟物体。XR包括AR和VR条件。VR设备需要遮蔽，以便向用户隐藏真实世界的环境，因此大多数的设备都是基于头盔设计。另一方面，根据不同用例或应用程序要求，可穿戴AR设备的形状因素也不同。例如，Microsoft HoloLens产品包括AR头戴式双目智能眼镜，而Google Glass则配备单目智能眼镜。一些AR设备为可拆卸可穿戴设备，例如RealWear HMT-1。AR应用程序也可在非可穿戴的智能手机上运行。一些步枪的电子瞄准镜可以基于AR技术，增强真实的远距离视野。AR设备未必都是可穿戴的，这是其与VR设备的关键区别。

苹果部署AR应用

2017年发布的iPhone X是苹果首款配备AMOLED显示屏的机型。同年，iOS 11发布，苹果发布ARKit来协助开者开发AR应用程序，其中包含了应用程序接口（API） 与软件开发工具套件（SDK），而RealityKit则是绘制或是渲染的引擎。2018年，Google发布了自己的Android操作系统ARCore平台，其功能与ARKitx类似。自此，智能手机上的AR应用程序更加明显，应用商店也提供了AR应用程序。在iPhone X推广期间，苹果鼓励iPhone用户通过手机后置摄像头尝试在设备上使用AR应用程序。

苹果在AR领域探索的一个里程碑是开发光探测和测距（light detection and ranging, LIDAR）技术，可以用来对环境做 3D建模，就如同Face ID所使用的结构光（structured light）技术，可以对人脸进行3D建模以做后续辨识。苹果于2020年3月首次在iPad Pro机型上搭载LIDAR雷达模组。此后，2020年10月发布的iPhone 12 Pro机型也搭载了LIDAR雷达。苹果的LIDAR雷达是基于其直接测量飞行时间（dToF）技术。除了苹果，其他知名品牌大多采用间接测量飞行时间（iToF）技术，该技术主要用于摄影，具有对焦深度检测等功能。ToF模块也可用于Microsoft HoloLens 2，对物体和环境进行3D深度传感和3D建模。

苹果的dToF技术使用SONY单光子雪崩二极管（SPAD）传感器，以实现其精确性、远距离观察和环境光的抗干扰性。与苹果2013年从PrimeSense收购用于Face ID的结构光技术相比，苹果的dToF技术可能更适合AR应用与户外情境，更适合用作3D深度感测器，包括机器视觉和用户界面。dToF模组目前只搭载于iPhone Pro和iPad Pro系列。一旦AR应用更受欢迎，dToF模块就可以扩展到价格较低的产品中。苹果在生产可穿戴设备之前，已经着手于创建一个完整的AR、iPhone和iPad生态系统。到那时，可穿戴和移动设备上将都能运行AR应用程序。相比急于开发可穿戴XR设备来说，逐渐地向消费者展示XR的价值、应用、使用目的等，这反而会是让XR应用与市场起飞的关键。

苹果在制造可穿戴XR设备中面临的挑战

可穿戴AR或VR设备包含三个功能部件：显示呈现、传感机制和计算。可穿戴设备的外型设计要考虑到舒适度和可接受度等相关问题，例如设备的重量和大小。越靠近虚拟世界的XR应用程序通常需要更强的计算能力以生成虚拟物体，因此其核心计算性能必须更高；但这也会导致更大的功率消耗。此外，散热和内部电池也限制了技术设计。这些限制也适用于接近现实世界的AR设备。Microsoft HoloLens 2（566g）的电池寿命仅有2-3小时。通过将可穿戴设备连接（tethering）到外部计算资源（如智能手机或个人电脑）或电源的方法可以作为一种解决方案，但这将限制可穿戴设备的移动性。

对于感测机制，大多数的VR设备于进行人机互动时，其精密度多半依赖于手持控制器（controller in hands），尤其是游戏，其中的运动跟踪功能依赖于惯性测量设备（IMU）。AR设备则偏向于采用徒手使用者界面，例如自然语音识别和手势感应控制。Microsoft HoloLens等高端设备甚至提供机器视觉和3D深度感测功能，这也是Microsoft 自Xbox推出Kinect以来一直擅长的领域。相比于可穿戴AR设备，VR设备上可能更容易创建用户界面和显示呈现，这是因为比较不需要考虑外在世界或是环境光的影响。而手持控制器也可以比徒手时的人机界面更容易开发。手持控制器可以使用IMU，但手势感应控制和3D深度感测则依赖于先进的光学技术和视觉算法，也就是机器视觉。

VR设备需要遮蔽，以防止现实世界环境影响显示呈现。VR 显示器可采用成本较低、供应商更多的LTPS TFT液晶显示器、LTPS AMOLED显示器，或是新兴的硅基OLED（微型OLED）显示器。使用单一显示器（给左右眼）具有成本效益，其大小如同5吋到6吋的手机显示屏幕。但是采用双显示器设计（分开左右眼）则提供了更佳的瞳距（IPD）调整和视角（FOV）。另外，鉴于用户持续观看计算机生成的动画，低延迟性（画面流畅、防止模糊）和高分辨率（消除screen-door纱窗效应）是显示器的开发方向。VR设备的光学器件（display optics）是介于显示器和使用者眼睛之间的中间对象，因此对于菲涅耳透镜（Fresnel lens）等光学设计而言，缩小厚度（设备形状因素）并保持出色的显示效果可能具挑战性。

图：XR设备中的主要功能部件

来源：Omdia 9月1日用触摸面板市场跟踪报告

至于AR显示器，则大多都是硅基微型显示器，显示器技术包括硅基液晶（liquid crystal on silicon, LCoS）、数字光处理（digitallight processing, DLP）或数字微镜设备（digital mirror device, DMD）、激光束扫描（laser beam scanning, LBS）、硅基微型OLED以及硅基微型LED（micro LED on silicon ）。出于抵抗强环境光干扰的需求，AR显示器至少被要求必须要有高于10K尼特的高亮度（考虑到经过waveguide后的损失，100K尼特更理想）。尽管是被动发光，LCOS、DLP和LBS可以通过增强光源（如激光）来提高亮度。因此，相比于微型OLED，人们可能更偏向于使用微型LED。但在彩色化和制造方面，微型LED技术没有微型OLED技术成熟。WOLED（用于白光的RGB color filter）技术可用于制造RGB发光微型OLED。但目前对于微型LED生产还没有一个明确的方法。潜在方法包括Plessey的量子点（QD）颜色转换（与Nanoco合作）、Ostendo设计RGB堆栈的量子光子成像仪（QPI），以及JBD的X-cube（三个RGB芯片的组合）。若苹果设备基于视频透视式（video see-through, VST）方法，那么苹果就可以采用成熟的微型OLED技术。如果苹果设备基于直接透视式（optical see-through, OST）方法，则无法避免较强的环境光干扰，而微型OLED的亮度可能有限制。大多数AR设备都面临相同的干扰问题，这可能也是Microsoft HoloLens 2选择LBS而非微型OLED的原因。

设计微型显示器所需要的光学组件（例如：waveguide或是Fresnel lens）未必就比设计微型显示器来的简单。如果是基于VST方法，苹果可以采用pancake式的光学设计（combination）来实现微型显示器与光学器件的结合。如果是基于OST方法，可以选择waveguide或是birdbath的光学设计。waveguide光学设计的优点在于其形状因素更薄、更小。但waveguide光学器件对于微型显示器来说旋光性能微弱，还伴有失真、均匀性、色彩质量和对比度等其他问题。衍射光学器件（diffractive optical element, DOE）、全息光学器件（holographic optical element, HOE）和反射光学器件（reflective optical element, ROE）是waveguide光学设计的主要方法。苹果于2018年收购了Akonia Holographics，以获得其光学专业技术。

供应链和媒体关于苹果可穿戴XR设备的各种报导

2021年4月，台媒《电子时报》透露苹果将于2022年发布其首台VR设备。而一些媒体则预测苹果将发布AR或MR设备。据《电子时报》称，供应链参与者将包括台积电（用于micro  OLED的硅基驱动电路）、玉晶光电（菲涅尔透镜）、业成（光学组合或贴合）、大立光（光学透镜）以及和硕（系统组装）。作为全球最大的晶圆代工服务晶圆制造商，台积电负责硅片生产合情合理。若苹果将微型OLED用于其可穿戴XR设备，则该公司或许会自行生产微型OLED。苹果在中国台湾拥有一个厂（桃园龙潭），该厂之前为美国高通公司所有，用于开发和生产其Mirasol技术。由于苹果2014年收购了LuxVue，获得其微型LED技术和专利，因此该实验室也可能会用来生产微型LED。这些报道均未证实。

苹果应该倾向先致力于让消费者接触、使用XR，并且感受到XR的好处，而不是急着推出其设备，目前面向消费者的XR设备也尚未真正取得成功。虽然苹果正在开发其可穿戴XR设备并建立AR生态体系，但当前的系统设计和微型显示器技术（包括光学器件）要满足苹果的标准和要求颇具挑战。因此，据Omdia分析，苹果在2022年发布设备可能还是为时过早。该公司首先要考虑其产品的营销策略，解决消费者对于价格、形状因素（尺寸和重量）、性能和必要性的担忧。此外，苹果需要确定新设备能否与iPhone和iPad实现协同效应，还是作为单独的设备运行。例如，第一代Apple Watch型号必须与iPhone配对; 配备eSIM或GPS的后续型号则可以独立运行。接下来，为AR显示器开发光学器件比开发VR显示器光学器件更难，因为要考虑现实世界的环境干扰。尽管苹果分别于2018年和2014年收购了Akonia和LuxVue，但该公司在显示器和性能方面还未展示出进展。在iPhone和iPad上启用AR技术后，苹果必须确定其新的可穿戴设备与现有产品之间的协同作用，以进行产品定位。最后，苹果须向消费者展示XR的可能用例。消费者VR应用有两个明确的案例：VR游戏和基于虚拟形象的社交网络（如Facebook Metaverse）。另一方面，大多数AR应用程序并不是面向消费者的，在企业对消费者（B2C）市场中无法获得，这限制了AR市场的增长。

责编：Luffy Liu