近期,光學(xué)研發(fā)公司Hypervision對(duì)蘋果Vision Pro的光學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)分析,探討了蘋果Vision Pro(簡(jiǎn)稱AVP)使用的Micro-OLED或Meta等大多數(shù)其他公司使用的LCD方案能否支持每度60像素的高分辨率、角度分辨率和寬視場(chǎng)角。
Hypervision:實(shí)現(xiàn)60PPD要靠Fast LCD,而非Micro-OLED
由于現(xiàn)有顯示器像素不足(暫且不提計(jì)算能力),提高圖像分辨率一直是VR行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)之一。業(yè)內(nèi)一個(gè)普遍的目標(biāo)是獲得60像素/度(PPD)的角分辨率,以符合人眼看到的世界。目前,只有AVP頭顯具有最高分辨率,它采用索尼公司的4K Micro-OLED顯示屏和最佳商用Pancake光學(xué)器件,達(dá)到了約40 PPD的分辨率。
經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展演變,目前有兩種領(lǐng)先的視覺引擎方法:(1)基于Micro-OLED的Pancake光學(xué)器件;(2)基于Fast LCD的Pancake光學(xué)器件。
盡管市面上的Fast LCD分辨率低于3K,但各公司都在努力推出4K分辨率的Fast LCD產(chǎn)品?;蛟S對(duì)于一部分用戶來說,頭顯采用何種技術(shù)并不重要,而基于FOV和PPD所帶來的沉浸感才是決定性因素。因此,要達(dá)到下圖所示的60 PPD和寬視場(chǎng)角,哪類方案更加合適?
人們相信這種Micro-OLED將實(shí)現(xiàn)最緊湊、高分辨率的VR系統(tǒng),最終達(dá)到60 PPD的目標(biāo)。但人們往往忽視了它的缺點(diǎn),例如價(jià)格高、視場(chǎng)角(FOV)小和eyebox最小。下圖顯示了Fast LCD(左)和Micro-OLED(右)之間的差異:
不一定可行;光刻標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備將尺寸限制在1.4英寸面板尺寸之內(nèi)
不一定可行;在本報(bào)告末尾,我們表明目前的40PPD即使對(duì)于6K Micro-OLED也是極限。
該鏡頭包括兩個(gè)表面,其光學(xué)功率分別為L(zhǎng)1(50%鏡面的焦距f1)和L2(反射偏振鏡面的焦距f2),兩者之間的距離為a。如果顯示屏與L2的光學(xué)后焦距(BFL)為b=BFL-a,則虛擬圖像位于無限遠(yuǎn)處(準(zhǔn)直),如綠色光線所示。如果將顯示屏移近鏡頭,即b<(BFL-a),則虛像會(huì)移近觀察者,如藍(lán)色光線所示。在這種情況下,圖像是由發(fā)散光線形成的。如果圖像離眼睛不是太近,眼睛就能適應(yīng)并看到清晰的圖像。
最后,如果顯示屏離鏡頭更遠(yuǎn),即b>(BFL-a),虛擬圖像會(huì)移動(dòng)到觀察者的后面,如紅色光線所示。圖像是由會(huì)聚光線形成的。眼睛永遠(yuǎn)無法適應(yīng)會(huì)聚圖像,圖像永遠(yuǎn)是模糊的。
焦距F的計(jì)算公式為1/F=1/f1+1/f2-a/(f1*f2),由兩個(gè)薄透鏡組成的后焦距(BFL)相隔距離為a:BFL=f1(a-f2)/(a-(f1+f2))。利用上述公式,我們可以計(jì)算出參數(shù)a、b、f1和f2所定義系統(tǒng)的虛像位置。
假設(shè)虛像的位置設(shè)定在觀察者前L0 = 2米處??紤]到兩個(gè)Pancake鏡頭:一個(gè)用于Micro-OLED,另一個(gè)用于Fast LCD。對(duì)于第一種情況,讓我們采用接近AVP鏡頭的參數(shù);對(duì)于第二種情況,考慮采用焦距為25毫米、假設(shè)像素尺寸為11微米的透鏡,以達(dá)到與AVP相同的PPD?;贔ast LCD的HO140視覺引擎的其余參數(shù)是保密的。
讓我們模擬a和b參數(shù)在+/- 0.2毫米范圍內(nèi)的制造公差,并計(jì)算可能的虛擬圖像位置圖。下圖顯示了為Micro-OLED(左側(cè))和Fast LCD(右側(cè))設(shè)計(jì)的鏡頭的虛擬圖像位置圖(單位:毫米)。圖中的藍(lán)色區(qū)域?qū)?yīng)的是負(fù)圖像距離,即圖像位于用戶身后,看起來比較模糊。例如,我們可以看到,如果Pancake鏡頭中的兩個(gè)折疊面之間的距離過遠(yuǎn),圖像距離就會(huì)變成負(fù)值。
此外,我們還可以看到,對(duì)于Micro-OLED鏡頭來說,a和b的誤差小于0.1毫米就足以使圖像距離進(jìn)入藍(lán)色區(qū)域。另一方面,對(duì)于Fast LCD鏡頭來說,即使元件定位誤差高達(dá)0.1毫米,圖像也能始終保持清晰。Fast LCD鏡頭的容差靈敏度較低,是因?yàn)槠浣咕噍^長(zhǎng)。
通常,VR光學(xué)系統(tǒng)投射的虛擬圖像距離用戶1米至2米。頭顯制造商選擇這個(gè)距離是為了減少視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突。由于制造公差,頭顯光學(xué)模塊中的顯示屏與鏡頭的距離比設(shè)計(jì)所需的距離更遠(yuǎn),那么虛擬圖像就會(huì)離用戶更遠(yuǎn)。同樣,如果VR Pancake鏡頭(反射偏振鏡和半反射鏡)的光折疊表面之間的距離大于設(shè)計(jì)值,虛擬圖像也會(huì)遠(yuǎn)離用戶。
通常,這種圖像偏移是有限的,眼睛可以適應(yīng)不同的距離,并且可以看到清晰的圖像。但是,如果鏡頭設(shè)計(jì)對(duì)公差過于敏感,虛擬圖像可能會(huì)移動(dòng)得太遠(yuǎn),甚至到無限遠(yuǎn)。這意味著虛擬圖像位于用戶的背后,而進(jìn)入用戶眼睛的光線是會(huì)聚的。人眼永遠(yuǎn)無法適應(yīng)這種清晰的圖像,因此,用戶看到的圖像是模糊的。
我們進(jìn)行了公差分析,以實(shí)現(xiàn)理論上的6K、2.56" Fast LCD與6K 1.4" Micro-OLED在商業(yè)質(zhì)量制造工藝下最大角度分辨率。我們模擬了:(1)我們的HO140視覺引擎(基于Fast LCD)與(2)逆向工程的AVP視覺引擎(基于Micro-OLED),如下所示:
在進(jìn)行鏡頭公差分析時(shí),鏡頭設(shè)計(jì)參數(shù)可以在制造公差定義的特定范圍內(nèi)變化。同時(shí),為了補(bǔ)償設(shè)計(jì)參數(shù)偏離標(biāo)稱值時(shí)透鏡性能的下降,可以引入補(bǔ)償器。補(bǔ)償器是一個(gè)可以改變的參數(shù),在設(shè)計(jì)受到制造誤差干擾的情況下,它可以優(yōu)化鏡頭的性能。
在我們的分析中,我們假定眼睛的的調(diào)節(jié)范圍可以在0.5米到5米之間變化,并可以作為這樣的補(bǔ)償作用。當(dāng)然,在觀看虛擬圖像時(shí),眼睛會(huì)自動(dòng)嘗試調(diào)節(jié)以獲得盡可能清晰的圖像。
報(bào)告結(jié)論:AVP圖像模糊或是由于鏡頭制造誤差造成的
鏡片厚度和位置的制造誤差會(huì)導(dǎo)致虛擬圖像的偏移,而鏡片表面形狀的誤差(不規(guī)則性)則會(huì)使圖像變得模糊,即使它處在正確的位置。這兩個(gè)過程的某種結(jié)合可能導(dǎo)致某些AVP的圖像模糊(或所謂的“紗門效應(yīng)遮蔽”)。蘋果正在為下一代AVP招聘一名高級(jí)精密光學(xué)制造工程師(截至2024年6月),或許也證明了:AVP圖像模糊是由于鏡頭制造誤差造成的這一結(jié)論。
由于蘋果對(duì)光學(xué)制造精度的重視,下一代蘋果的MR光學(xué)系統(tǒng)肯定會(huì)有所改進(jìn)。不過,基于Micro-OLED和非“精密光學(xué)”質(zhì)量等級(jí)的視覺引擎未來是否會(huì)支持60PPD還存在疑問。由于Fast LCD的成本大大降低,加上更大的FOV、eyebox和擁有能達(dá)到60PPD的能力(此外,背光升級(jí)解決了視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突并提高了亮度),我們相信幾年后Fast LCD將成為MR的主流技術(shù)。
Karl Guttag:AVP的光學(xué)器件是“不穩(wěn)定”的
根據(jù)Hypervision的這份報(bào)告,Karl Guttag表示可談?wù)撈渲械囊恍┮c(diǎn)。他之前的文章首次提出:顯示了相同的視場(chǎng)角,將AVP與Meta Quest 3(簡(jiǎn)稱MQ3)高分辨率圖片比較后,AVP更加模糊的問題。
Karl Guttag最近一直在通過Bigscreen Beyond(簡(jiǎn)稱BSB)的頭顯獲取圖像,并決定將其與相同的測(cè)試(上圖)進(jìn)行比較。就光學(xué)清晰度而言,它介于AVP和MQ3之間。有趣的是,在拍攝這些裁剪圖的鏡頭光學(xué)最佳部分,BSB頭顯的角分辨率(約為每度32像素)略低于AVP(約為每度40像素)。然而,BSB上的文字和線條圖案比AVP上的效果更好。
AVP采用了非常先進(jìn)和復(fù)雜的Pancake光學(xué)器件,外形緊湊,同時(shí)支持寬視場(chǎng)角和相對(duì)較小的Micro-OLED。其他大多數(shù)Pancake光學(xué)器件都有兩個(gè)元件,它們與偏振片和四分之一波片的平面相匹配,用于操縱偏振光,使光線兩次通過光學(xué)器件(見下圖左側(cè)的Meta示例)。蘋果的三層透鏡光學(xué)器件更為復(fù)雜,帶有弧形偏振片和四分之一波片(下圖右側(cè))。
Karl Guttag根據(jù)對(duì)AVP如何根據(jù)眼動(dòng)跟蹤動(dòng)態(tài)調(diào)整色差等光學(xué)缺陷的研究來看,AVP的光學(xué)器件是“不穩(wěn)定”的,因?yàn)槿绻麤]有動(dòng)態(tài)校正,這些缺陷就會(huì)顯得更加嚴(yán)重。
正如Hypervision所指出的問題那樣,由于半導(dǎo)體制造的限制(光刻機(jī)限制),Micro-OLED長(zhǎng)期以來無法做得更大。他們認(rèn)為,實(shí)現(xiàn)~60PPD和~140度FOV的唯一路徑是使用2.56英寸LCD顯示屏。LCD向更小像素的自然發(fā)展趨勢(shì)將使其分辨率高于其光學(xué)器件所能支持的分辨率。
Hypervision證明了一個(gè)觀點(diǎn),即目前采用Pancake光學(xué)器件的Micro-OLED設(shè)計(jì)已經(jīng)突破了價(jià)格合理的光學(xué)器件的極限。
AVP之所以出現(xiàn)模糊的現(xiàn)象,可能是因?yàn)樗呀?jīng)超出了可制造設(shè)計(jì)的極限。那么自然而然的問題是,如果AVP已經(jīng)存在問題,他們?nèi)绾文苤С指叩姆直媛屎透鼘挼囊晥?chǎng)角?
Micro-OLED的尺寸受限于芯片尺寸,對(duì)角線上的尺寸約為1.4英寸以上,至少在不采用多個(gè)掩模版“拼接”的情況下是如此(這是可能的,但對(duì)于高性價(jià)比設(shè)備來說并不實(shí)際)。要提高M(jìn)icro-OLED的分辨率,像素必須更小,這就要求光學(xué)器件的放大倍數(shù)更大。然后,要增加視場(chǎng)角,就需要對(duì)更小的像素進(jìn)行更多的光學(xué)放大。
LCD也存在問題,尤其是黑電平和對(duì)比度。具有局部調(diào)光功能的小型照明LED可能會(huì)有所幫助,但事實(shí)證明它們的效果不如Micro-OLED。
原文鏈接:
https://www.hypervision.ai/tech-research/uoledvsfastlcd4ppd60
https://kguttag.com/2024/06/14/hypervision-micro-oled-vs-lcd-and-why-the-apple-vision-pro-is-blurry/
投稿/爆料:tougao@youxituoluo.com
稿件/商務(wù)合作: 六六(微信 13138755620)
加入行業(yè)交流群:六六(微信 13138755620)
元宇宙數(shù)字產(chǎn)業(yè)服務(wù)平臺(tái)
下載「陀螺科技」APP,獲取前沿深度元宇宙訊息
上一篇: AR眼鏡公司深圳市天趣星空科技有限公司發(fā)生工商變更
下一篇: 上海電信、中興通訊和高通攜手完成基于5G-A高低頻NR-DC專網(wǎng)的多路并發(fā)VR業(yè)務(wù)演示