文/VR陀螺 小钻风

AR眼镜实现普通眼镜大小还看光波导?前段时间,Lumus作为备受关注的光波导厂商展出了用于AR眼镜的最新光波导原型Maximus,50°FOV,视网膜显示屏分辨率为60PPD,亮度达3000尼特以上,有看法认为它的显示部分或要强于HoloLens 2。

在显示设备拥有43年经验,撰写专业微型显示器技术与产品分析博客10年,并因此受到行业内人士广泛关注的近眼显示专家卡尔·古塔格(Karl Guttag)对Maximus进行了细致的观察和分析,并与HoloLens 2做了对比。

其结论是单论显示Maximus要比HoloLens 2强很多。

图源:Karl Guttag

HoloLens 2是目前AR眼镜界的标杆,卡尔·古塔格对比后却直言其光波导效果远不及Maximus。那在他的眼里,Lumus的显示到底赢在哪里?  

反射光波导、LCOS微显示屏  Lumus显示力压HoloLens 2

光波导制造商Lumus成立于2000年,总部位于以色列,曾获广达(Quanta)、HTC、盛大、阿里巴巴等大厂投资。

Lumus光波导研究方向与多数公司的衍射光波导不同,采用的是反射光波导,也被称作几何(阵列)光波导,国内的珑璟光电也是阵列光波导,HoloLens 2则使用的是衍射光波导。

据卡尔·古塔格观察分析,Lumus最新光波导原型Maximus的图像质量令人印象深刻,无论是视场角、分辨率、颜色均匀性还是亮度。

初次戴上Maximus,显示器所显示的图像比为1:1,而非常见的16:9或是HoloLens的3:2,图像会呈现出一定的枕形效果(如下图所示),这是使用了更为简单的方法制作球形光学器件原型的原因。生产版本会采用非球形光学器件,不再会有类似畸变问题。

图源:Karl Guttag

卡尔·古塔格说:“图像的颜色与亮度均匀性虽不完美,但比我所见过的任何其他波导型光学器件都好得多。”

卡尔·古塔格将Maximus的图像与HoloLens 2的图像作为对比。

(左)Maximus 2048*2048(中)HoloLens 1280*1280(右)Maximu 1024*1024 在更长的焦距镜头(42mm)下,以光学方式将Maximus和HoloLens 2中心图像放大约2．5倍。Maximus可以每度角以60像素的单像素线宽显示,而HoloLens 2甚至无法达到30像素。

图源:Karl Guttag

1、为什么是50°视场角?

许多厂商包括Lumus在内,他们发现对AR而言,视场角越大越好,因为这样更加符合人类的自然视觉。HoloLens 2与HoloLens 1相比已经将显示比例由16:9变为了3:2,将视觉宽度调整得更大。

但HoloLens光学架构合作伙伴Bernard Kress曾多次指出,眼睛会倾向于以高分辨率停留在“偏光区域”也就是FOV中心40°-50°的位置。同样,在此区域,双眼会产生重叠与深度的感觉。  

图源:Karl Guttag

卡尔·古塔格认为:”虽然从某种角度来说,方形图像在某种程度上更适合眼睛,但人们却似乎更希望获得更宽比例的图像。因此,我认为最终图像比例会趋向3:2或4:3,再加上一些用于IPD调整的额外宽度。

2、视场角与Eye Box

卡尔·古塔格第一次戴上Maximus时,震惊地发现光线似乎充满了整个玻璃区域。他在Maximus的介绍视频中对这种效果进行了截图捕获,如下图所示,当相机移动至大约眼睛所处的位置时,图像非常清晰并且占据了整个镜片,而且对比度高、细节呈现与颜色饱和度高。

图源:Karl Guttag

仔细观察Maximus眼镜,会注意到与通常的眼镜相比,镜片开口更高,这是为了有足够大的眼框去支撑35．4度的垂直视场角,以满足眼球的运动、瞳距的差异以及相对于眼睛的眼镜位置偏移。

Maximus配有2D瞳孔扩展器,可有效拍摄微小的输入图像,并通过将瞳孔在水平与垂直两个方向进行复制/扩展以填充整个eye box(近眼显示光学模组与眼球之间的锥形区域,这个区域显示内容最清晰)。

图源:Karl Guttag

当眼睛相对于波导镜片实际移动时,eye box在镜片上的投影几乎填满了大部分镜片。如果想拥有更大的视场角以获得更加实用的eye box,需要更大的镜片。这一点对于那些期望通过眼镜获得巨大视场角的人们来说有所缺失。

虽然上面的图没有显示出来,但Maximus支持垂直方向上的前倾与包角,而且eye box也不是单纯的直角。

3、镜片透光度在85%左右

透光度的高低影响着我们透过镜片观察外部世界明暗程度,经对比,Maximus透光度在85%左右,HoloLens 2的透光度在40%左右,Nreal这类基于BB方案的AR眼镜透光度在25%左右。

图源:Karl Guttag 

要注意的是,除了光学元件,HoloLens与Nreal都具备遮光功能,该功能设备的部分原因在于为了额外阻挡真实世界的光线以减少向前的光线投射。

4、前投光问题Maximus明显小于HoloLens 2

大多数的波导都会有光向前投射的问题,卡尔·古塔格针对这个问题对Maximus与HoloLens 2进行了对比,HoloLens 2的这个问题较为严重。

当向眼镜投射时,差不多相同数量的光会向前投射,并且在相当广的角度上会产生眼睛在发光的效果。如果不将HoloLens 2的护罩调暗,其前部的投影会变得更加糟糕。

图源:Karl Guttag 

经过对比,Maximus虽然也会产生一些前投影,量大概在5%左右,这与HoloLens 接近50%的比例相比要少很多。Lumus未来会通过增加增透膜的方式将前投影的光减少到1%。

5、镜头和屈光度调节

现在所有的波导输入的光都聚焦在无穷远处,这导致输出的光同样聚焦在无穷远处,Maximus也不例外。

卡尔·古塔格的看法是,考虑到聚散调节冲突(VAC)在一般用途下焦点最好是对准2米处。

与屈光度的调节上,HoloLens 1/2均使用双镜头配置,屈光度透镜内置在保护波导的塑料屏蔽层中,第一透镜将焦点从无限远处移到大约2米的位置;第二个透镜位于波导附近,会预先校正现实世界的视线,因此不会移动现实世界的焦点。

Lumus或其客户可使用与HoloLens类似的双镜头来移动焦点,或是选择使用Lumus合作伙伴Deep Optics生产的动态液晶透镜来移动焦点。

图源:Karl Guttag

6、效率:Maxium或比衍射光波导高约10倍

卡尔·古塔格表示效率问题涉及众多变量,包括瞳距、视场角等,但人们广泛认为反射光波导比衍射光波导更为有效。

Lumus曾在今年年初的演讲中表示,他们预计Maximus将会达到650尼特/流明的亮度。目前,能与之相媲美的是WaveOptics Oden光波导,视场角接近56°,额定效率为50尼特/流明,Maximus的效率是其10倍以上。

效率优势是头显设计需要主要考虑的因素之一,效率会转为电池功耗,更为重要但却并不明显的是散热问题,小型AR头显在没有风扇或大型散热器的情况下容易积聚热量是人们通常会担心的问题。

7、Maximus显示引擎体积仅HoloLens 2的1/4

在查看显示引擎和光学器件时,有一个整体视图非常重要,显示器的性能比如分辨率、图像质量、亮度都需纳入考虑。

卡尔·古塔格从Lumus网站获取了显示引擎及光学元件,与HoloLens 2做了对比。Maximus在分辨率更高、亮度高出6倍的情况下,显示引擎体积仅HoloLens 2的四分之一左右。  

图源:Karl Guttag

Lumus CEO有在2021 AR/VR/MR峰会的演讲中具体展示该引擎,令人印象深刻的是,Maximus可借助一块PCB(印制电路板)上的系列LED灯通过光波导呈现3000尼特的亮度,光管集成器将单个LED PCB上的红、绿、蓝光均匀混合,看起来类似BB光学结构。棱镜内置于波导结构中,以直角注入光以支持波导中的TIR(完全内部反射)。

导光管使LED发出的光均匀化,其他光学器件则将发散光变成准直的光并让其定型,偏振分束器(也可能是预偏振器)对光进行调节,并通过2K LCOS微型显示器将其导向CP 2K*2K的LCOS微显示屏。

LCOS器件会以外像素为单位选择性地改变光的偏振,以控制亮度。之后,“适量”的偏振光将通过分束器到达曲面镜以使图像准直。有可能是四分之一波片将从反射镜反射的光从分束器反射到输出。Lumus还采用了其他光学“技巧”。

这里提到的LCOS微型显示器对Maximus而言非常重要。

8、令人印象深刻的CP公司LCOS微显示屏

Maximus采用了美国Micro LED解决方案供应商Composite Photonics US Corporation(简称“CP”)的LCOS微显示屏。  

图源:Karl Guttag

CP公司将场序彩色LCOS提升至全新的高度,最高支持240Hz的帧速率以减少“电子到光子间的延迟”,并且支持“GPU模式”以进一步减少延迟,有助于防止HoloLens 1呈现的颜色被破坏。

CP的LCOS使用对比度非常高的VAN型液晶(LC)。通常,VAN的切换速度比更普通的Tn LC慢,但CP已经从高对比度的VAN LC中找出了如何达到高速切换的方法。

CP在维持高反射率与较好对比度的同时拥有小至3微米的像素。下图显示的是从CP网站获取的参数表格,其支持高达1440Hz的彩色帧频,能防止颜色的破坏。使用Maximus,佩戴者快速摇头时才会看到很小的颜色破坏。

图源:Karl Guttag

CP的LCOS与Lumus更加高效的波导技术的结合使用,已经帮助Maximus达到目前领先的亮度,亮度目前超过3000尼特,而且他们预计很快会超过4000尼特。

在进行行一系列对比之后,卡尔·古塔格列出了Maximus与HoloLens 2的对比结果,并给出了自己的结论。

卡尔·古塔格认为微软在HoloLens上花费了数亿美元,看上去却比Maximus差得远。

卡尔·古塔格表示,虽然HoloLens 2现在被广泛认为是迄今为止最成功的AR眼镜,微软也在HoloLens上花费了数亿美元用以完善波导和激光扫描引擎。

但微软希望保留使用自己的波导技术(最初来自诺基亚),结果导致整个激光扫描引擎在图像质量上后退了一大步。

他认为HoloLens 1在设计时选择使用了最差的器件之一,但到了设计HoloLens 2时,微软其实已经有更好的LCOS器件可用。

就显示而言,卡尔·古塔格总结了Maxium与HoloLens 2对比下的几大优势:

亮度超过6倍;

透光度提高约4倍;

显示光效率提升约10倍;

更小的光学引擎与波导;

分辨率是HoloLens 2的10-16倍;

前投光少得多;

色彩与亮度均匀性好得多;

色彩质量更高;

除了近乎黑色的图像(波导中的散射更少),对比度更好;

引擎小得多

卡尔·古塔格同时也提到,Lumus进入产业需要解决的是能够做到成本可控。

Lumus认为他们与Schott Glass新建立的关系对他们量产有突破性影响。Schott也在生产用于衍射光波导的光学镜片,并在SPIE AR/VR/MR 峰会上表明反射光波导(Lumus使用的正是反射光波导)可使用折射率更低(价格也更便宜)的镜片技术。

图源:Karl Guttag

Lumus CEO Ari Grobman对与Schott的合作表示:“如果Schott认为自己无法实现量产是不会与Lumus合作的。”卡尔·古塔格认为以他过去半导体的经验,如果Lumus拥有HoloLens花在衍射光波导的资金要,至少可以达到衍射光波导相当的成本。

然而据陀螺君了解,相比于可量产性较好但色散问题面临挑战的衍射光波导,目前市场对短期内反射光波导的商用并不持乐观态度,其原因在于:虽然反射光波导与衍射光波导相比,在光效上具备一定优势,比如亮度、透光度等等。

但其工艺难度很大,主要体现在镀膜工艺的复杂性与胶合难度大,所以目前良率较低,可量产性也较低,且基于该光波导的二维扩瞳方案对加工工艺的要求非常高,因此认为短期内难以实现商用。