文/VR陀螺 小鉆風(fēng)
AR眼鏡實(shí)現(xiàn)普通眼鏡大小還看光波導(dǎo)?前段時(shí)間,Lumus作為備受關(guān)注的光波導(dǎo)廠商展出了用于AR眼鏡的最新光波導(dǎo)原型Maximus,50°FOV,視網(wǎng)膜顯示屏分辨率為60PPD,亮度達(dá)3000尼特以上,有看法認(rèn)為它的顯示部分或要強(qiáng)于HoloLens 2。
在顯示設(shè)備擁有43年經(jīng)驗(yàn),撰寫(xiě)專(zhuān)業(yè)微型顯示器技術(shù)與產(chǎn)品分析博客10年,并因此受到行業(yè)內(nèi)人士廣泛關(guān)注的近眼顯示專(zhuān)家卡爾·古塔格(Karl Guttag)對(duì)Maximus進(jìn)行了細(xì)致的觀察和分析,并與HoloLens 2做了對(duì)比。
其結(jié)論是單論顯示Maximus要比HoloLens 2強(qiáng)很多。
圖源:Karl Guttag
HoloLens 2是目前AR眼鏡界的標(biāo)桿,卡爾·古塔格對(duì)比后卻直言其光波導(dǎo)效果遠(yuǎn)不及Maximus。那在他的眼里,Lumus的顯示到底贏在哪里?
反射光波導(dǎo)、LCOS微顯示屏 Lumus顯示力壓HoloLens 2
光波導(dǎo)制造商Lumus成立于2000年,總部位于以色列,曾獲廣達(dá)(Quanta)、HTC、盛大、阿里巴巴等大廠投資。
Lumus光波導(dǎo)研究方向與多數(shù)公司的衍射光波導(dǎo)不同,采用的是反射光波導(dǎo),也被稱(chēng)作幾何(陣列)光波導(dǎo),國(guó)內(nèi)的瓏璟光電也是陣列光波導(dǎo),HoloLens 2則使用的是衍射光波導(dǎo)。
據(jù)卡爾·古塔格觀察分析,Lumus最新光波導(dǎo)原型Maximus的圖像質(zhì)量令人印象深刻,無(wú)論是視場(chǎng)角、分辨率、顏色均勻性還是亮度。
初次戴上Maximus,顯示器所顯示的圖像比為1:1,而非常見(jiàn)的16:9或是HoloLens的3:2,圖像會(huì)呈現(xiàn)出一定的枕形效果(如下圖所示),這是使用了更為簡(jiǎn)單的方法制作球形光學(xué)器件原型的原因。生產(chǎn)版本會(huì)采用非球形光學(xué)器件,不再會(huì)有類(lèi)似畸變問(wèn)題。
圖源:Karl Guttag
卡爾·古塔格說(shuō):“圖像的顏色與亮度均勻性雖不完美,但比我所見(jiàn)過(guò)的任何其他波導(dǎo)型光學(xué)器件都好得多。”
卡爾·古塔格將Maximus的圖像與HoloLens 2的圖像作為對(duì)比。
(左)Maximus 2048*2048(中)HoloLens 1280*1280(右)Maximu 1024*1024
在更長(zhǎng)的焦距鏡頭(42mm)下,以光學(xué)方式將Maximus和HoloLens 2中心圖像放大約2.5倍。Maximus可以每度角以60像素的單像素線寬顯示,而HoloLens 2甚至無(wú)法達(dá)到30像素。
圖源:Karl Guttag
1、為什么是50°視場(chǎng)角?
許多廠商包括Lumus在內(nèi),他們發(fā)現(xiàn)對(duì)AR而言,視場(chǎng)角越大越好,因?yàn)檫@樣更加符合人類(lèi)的自然視覺(jué)。HoloLens 2與HoloLens 1相比已經(jīng)將顯示比例由16:9變?yōu)榱?:2,將視覺(jué)寬度調(diào)整得更大。
但HoloLens光學(xué)架構(gòu)合作伙伴Bernard Kress曾多次指出,眼睛會(huì)傾向于以高分辨率停留在“偏光區(qū)域”也就是FOV中心40°-50°的位置。同樣,在此區(qū)域,雙眼會(huì)產(chǎn)生重疊與深度的感覺(jué)。
圖源:Karl Guttag
卡爾·古塔格認(rèn)為:”雖然從某種角度來(lái)說(shuō),方形圖像在某種程度上更適合眼睛,但人們卻似乎更希望獲得更寬比例的圖像。因此,我認(rèn)為最終圖像比例會(huì)趨向3:2或4:3,再加上一些用于IPD調(diào)整的額外寬度。
2、視場(chǎng)角與Eye Box
卡爾·古塔格第一次戴上Maximus時(shí),震驚地發(fā)現(xiàn)光線似乎充滿(mǎn)了整個(gè)玻璃區(qū)域。他在Maximus的介紹視頻中對(duì)這種效果進(jìn)行了截圖捕獲,如下圖所示,當(dāng)相機(jī)移動(dòng)至大約眼睛所處的位置時(shí),圖像非常清晰并且占據(jù)了整個(gè)鏡片,而且對(duì)比度高、細(xì)節(jié)呈現(xiàn)與顏色飽和度高。
圖源:Karl Guttag
仔細(xì)觀察Maximus眼鏡,會(huì)注意到與通常的眼鏡相比,鏡片開(kāi)口更高,這是為了有足夠大的眼框去支撐35.4度的垂直視場(chǎng)角,以滿(mǎn)足眼球的運(yùn)動(dòng)、瞳距的差異以及相對(duì)于眼睛的眼鏡位置偏移。
Maximus配有2D瞳孔擴(kuò)展器,可有效拍攝微小的輸入圖像,并通過(guò)將瞳孔在水平與垂直兩個(gè)方向進(jìn)行復(fù)制/擴(kuò)展以填充整個(gè)eye box(近眼顯示光學(xué)模組與眼球之間的錐形區(qū)域,這個(gè)區(qū)域顯示內(nèi)容最清晰)。
圖源:Karl Guttag
當(dāng)眼睛相對(duì)于波導(dǎo)鏡片實(shí)際移動(dòng)時(shí),eye box在鏡片上的投影幾乎填滿(mǎn)了大部分鏡片。如果想擁有更大的視場(chǎng)角以獲得更加實(shí)用的eye box,需要更大的鏡片。這一點(diǎn)對(duì)于那些期望通過(guò)眼鏡獲得巨大視場(chǎng)角的人們來(lái)說(shuō)有所缺失。
雖然上面的圖沒(méi)有顯示出來(lái),但Maximus支持垂直方向上的前傾與包角,而且eye box也不是單純的直角。
3、鏡片透光度在85%左右
透光度的高低影響著我們透過(guò)鏡片觀察外部世界明暗程度,經(jīng)對(duì)比,Maximus透光度在85%左右,HoloLens 2的透光度在40%左右,Nreal這類(lèi)基于BB方案的AR眼鏡透光度在25%左右。
圖源:Karl Guttag
要注意的是,除了光學(xué)元件,HoloLens與Nreal都具備遮光功能,該功能設(shè)備的部分原因在于為了額外阻擋真實(shí)世界的光線以減少向前的光線投射。
4、前投光問(wèn)題Maximus明顯小于HoloLens 2
大多數(shù)的波導(dǎo)都會(huì)有光向前投射的問(wèn)題,卡爾·古塔格針對(duì)這個(gè)問(wèn)題對(duì)Maximus與HoloLens 2進(jìn)行了對(duì)比,HoloLens 2的這個(gè)問(wèn)題較為嚴(yán)重。
當(dāng)向眼鏡投射時(shí),差不多相同數(shù)量的光會(huì)向前投射,并且在相當(dāng)廣的角度上會(huì)產(chǎn)生眼睛在發(fā)光的效果。如果不將HoloLens 2的護(hù)罩調(diào)暗,其前部的投影會(huì)變得更加糟糕。
圖源:Karl Guttag
經(jīng)過(guò)對(duì)比,Maximus雖然也會(huì)產(chǎn)生一些前投影,量大概在5%左右,這與HoloLens 接近50%的比例相比要少很多。Lumus未來(lái)會(huì)通過(guò)增加增透膜的方式將前投影的光減少到1%。
5、鏡頭和屈光度調(diào)節(jié)
現(xiàn)在所有的波導(dǎo)輸入的光都聚焦在無(wú)窮遠(yuǎn)處,這導(dǎo)致輸出的光同樣聚焦在無(wú)窮遠(yuǎn)處,Maximus也不例外。
卡爾·古塔格的看法是,考慮到聚散調(diào)節(jié)沖突(VAC)在一般用途下焦點(diǎn)最好是對(duì)準(zhǔn)2米處。
與屈光度的調(diào)節(jié)上,HoloLens 1/2均使用雙鏡頭配置,屈光度透鏡內(nèi)置在保護(hù)波導(dǎo)的塑料屏蔽層中,第一透鏡將焦點(diǎn)從無(wú)限遠(yuǎn)處移到大約2米的位置;第二個(gè)透鏡位于波導(dǎo)附近,會(huì)預(yù)先校正現(xiàn)實(shí)世界的視線,因此不會(huì)移動(dòng)現(xiàn)實(shí)世界的焦點(diǎn)。
Lumus或其客戶(hù)可使用與HoloLens類(lèi)似的雙鏡頭來(lái)移動(dòng)焦點(diǎn),或是選擇使用Lumus合作伙伴Deep Optics生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)液晶透鏡來(lái)移動(dòng)焦點(diǎn)。
圖源:Karl Guttag
6、效率:Maxium或比衍射光波導(dǎo)高約10倍
卡爾·古塔格表示效率問(wèn)題涉及眾多變量,包括瞳距、視場(chǎng)角等,但人們廣泛認(rèn)為反射光波導(dǎo)比衍射光波導(dǎo)更為有效。
Lumus曾在今年年初的演講中表示,他們預(yù)計(jì)Maximus將會(huì)達(dá)到650尼特/流明的亮度。目前,能與之相媲美的是WaveOptics Oden光波導(dǎo),視場(chǎng)角接近56°,額定效率為50尼特/流明,Maximus的效率是其10倍以上。
效率優(yōu)勢(shì)是頭顯設(shè)計(jì)需要主要考慮的因素之一,效率會(huì)轉(zhuǎn)為電池功耗,更為重要但卻并不明顯的是散熱問(wèn)題,小型AR頭顯在沒(méi)有風(fēng)扇或大型散熱器的情況下容易積聚熱量是人們通常會(huì)擔(dān)心的問(wèn)題。
7、Maximus顯示引擎體積僅HoloLens 2的1/4
在查看顯示引擎和光學(xué)器件時(shí),有一個(gè)整體視圖非常重要,顯示器的性能比如分辨率、圖像質(zhì)量、亮度都需納入考慮。
卡爾·古塔格從Lumus網(wǎng)站獲取了顯示引擎及光學(xué)元件,與HoloLens 2做了對(duì)比。Maximus在分辨率更高、亮度高出6倍的情況下,顯示引擎體積僅HoloLens 2的四分之一左右。
圖源:Karl Guttag
Lumus CEO有在2021 AR/VR/MR峰會(huì)的演講中具體展示該引擎,令人印象深刻的是,Maximus可借助一塊PCB(印制電路板)上的系列LED燈通過(guò)光波導(dǎo)呈現(xiàn)3000尼特的亮度,光管集成器將單個(gè)LED PCB上的紅、綠、藍(lán)光均勻混合,看起來(lái)類(lèi)似BB光學(xué)結(jié)構(gòu)。棱鏡內(nèi)置于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中,以直角注入光以支持波導(dǎo)中的TIR(完全內(nèi)部反射)。
導(dǎo)光管使LED發(fā)出的光均勻化,其他光學(xué)器件則將發(fā)散光變成準(zhǔn)直的光并讓其定型,偏振分束器(也可能是預(yù)偏振器)對(duì)光進(jìn)行調(diào)節(jié),并通過(guò)2K LCOS微型顯示器將其導(dǎo)向CP 2K*2K的LCOS微顯示屏。
LCOS器件會(huì)以外像素為單位選擇性地改變光的偏振,以控制亮度。之后,“適量”的偏振光將通過(guò)分束器到達(dá)曲面鏡以使圖像準(zhǔn)直。有可能是四分之一波片將從反射鏡反射的光從分束器反射到輸出。Lumus還采用了其他光學(xué)“技巧”。
這里提到的LCOS微型顯示器對(duì)Maximus而言非常重要。
8、令人印象深刻的CP公司LCOS微顯示屏
Maximus采用了美國(guó)Micro LED解決方案供應(yīng)商Composite Photonics US Corporation(簡(jiǎn)稱(chēng)“CP”)的LCOS微顯示屏。
圖源:Karl Guttag
CP公司將場(chǎng)序彩色LCOS提升至全新的高度,最高支持240Hz的幀速率以減少“電子到光子間的延遲”,并且支持“GPU模式”以進(jìn)一步減少延遲,有助于防止HoloLens 1呈現(xiàn)的顏色被破壞。
CP的LCOS使用對(duì)比度非常高的VAN型液晶(LC)。通常,VAN的切換速度比更普通的Tn LC慢,但CP已經(jīng)從高對(duì)比度的VAN LC中找出了如何達(dá)到高速切換的方法。
CP在維持高反射率與較好對(duì)比度的同時(shí)擁有小至3微米的像素。下圖顯示的是從CP網(wǎng)站獲取的參數(shù)表格,其支持高達(dá)1440Hz的彩色幀頻,能防止顏色的破壞。使用Maximus,佩戴者快速搖頭時(shí)才會(huì)看到很小的顏色破壞。
圖源:Karl Guttag
CP的LCOS與Lumus更加高效的波導(dǎo)技術(shù)的結(jié)合使用,已經(jīng)幫助Maximus達(dá)到目前領(lǐng)先的亮度,亮度目前超過(guò)3000尼特,而且他們預(yù)計(jì)很快會(huì)超過(guò)4000尼特。
在進(jìn)行行一系列對(duì)比之后,卡爾·古塔格列出了Maximus與HoloLens 2的對(duì)比結(jié)果,并給出了自己的結(jié)論。
卡爾·古塔格認(rèn)為微軟在HoloLens上花費(fèi)了數(shù)億美元,看上去卻比Maximus差得遠(yuǎn)。 卡爾·古塔格表示,雖然HoloLens 2現(xiàn)在被廣泛認(rèn)為是迄今為止最成功的AR眼鏡,微軟也在HoloLens上花費(fèi)了數(shù)億美元用以完善波導(dǎo)和激光掃描引擎。
但微軟希望保留使用自己的波導(dǎo)技術(shù)(最初來(lái)自諾基亞),結(jié)果導(dǎo)致整個(gè)激光掃描引擎在圖像質(zhì)量上后退了一大步。
他認(rèn)為HoloLens 1在設(shè)計(jì)時(shí)選擇使用了最差的器件之一,但到了設(shè)計(jì)HoloLens 2時(shí),微軟其實(shí)已經(jīng)有更好的LCOS器件可用。
就顯示而言,卡爾·古塔格總結(jié)了Maxium與HoloLens 2對(duì)比下的幾大優(yōu)勢(shì):
卡爾·古塔格同時(shí)也提到,Lumus進(jìn)入產(chǎn)業(yè)需要解決的是能夠做到成本可控。
Lumus認(rèn)為他們與Schott Glass新建立的關(guān)系對(duì)他們量產(chǎn)有突破性影響。Schott也在生產(chǎn)用于衍射光波導(dǎo)的光學(xué)鏡片,并在SPIE AR/VR/MR 峰會(huì)上表明反射光波導(dǎo)(Lumus使用的正是反射光波導(dǎo))可使用折射率更低(價(jià)格也更便宜)的鏡片技術(shù)。
圖源:Karl Guttag
Lumus CEO Ari Grobman對(duì)與Schott的合作表示:“如果Schott認(rèn)為自己無(wú)法實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)是不會(huì)與Lumus合作的。”卡爾·古塔格認(rèn)為以他過(guò)去半導(dǎo)體的經(jīng)驗(yàn),如果Lumus擁有HoloLens花在衍射光波導(dǎo)的資金要,至少可以達(dá)到衍射光波導(dǎo)相當(dāng)?shù)某杀尽?nbsp;
然而據(jù)陀螺君了解,相比于可量產(chǎn)性較好但色散問(wèn)題面臨挑戰(zhàn)的衍射光波導(dǎo),目前市場(chǎng)對(duì)短期內(nèi)反射光波導(dǎo)的商用并不持樂(lè)觀態(tài)度,其原因在于:雖然反射光波導(dǎo)與衍射光波導(dǎo)相比,在光效上具備一定優(yōu)勢(shì),比如亮度、透光度等等。
但其工藝難度很大,主要體現(xiàn)在鍍膜工藝的復(fù)雜性與膠合難度大,所以目前良率較低,可量產(chǎn)性也較低,且基于該光波導(dǎo)的二維擴(kuò)瞳方案對(duì)加工工藝的要求非常高,因此認(rèn)為短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)商用。
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