Karl Guttag深度分析Magic Leap 2 的光學顯示解決方案
查看引用/信息源請點擊:kguttag
卡爾·古塔格(Karl Guttag)撰文分享了自己的分析見解(請注意,卡爾的批評語氣可能有點過激)
(映維網Nweon?2022年02月10日)在1月舉行的SPIE.AR.VR.MR & SPIE PhotonicsWest大會中,Magic Leap光學工程副總裁凱文·科提斯(Kevin Curtis)進一步介紹了即將發(fā)售的Magic Leap 2的細節(jié)。其中,這款設備將搭載18個傳感器,支持眼動追蹤,并且提供分段調光功能。
延伸閱讀:Magic Leap 2 規(guī)格曝光,搭載18個傳感器,支持眼動追蹤,頭顯重248克
針對科提斯的PPT演示,近眼顯示技術專家卡爾·古塔格(Karl Guttag)撰文分享了自己的分析見解。下面是映維網的具體整理:

我將重點講解演講介紹的顯示器和光學元件。這篇文章是基于我在大會拍攝的照片(經過編輯)和相關記憶。
1. 選擇LCOS而非MicroLEDs和激光光束掃描
科提斯解釋了顯示技術的決策過程。盡管許多人認為MicroLED可能是未來的發(fā)展方向,但它們的成熟度顯然不足以用于量產彩色頭顯。這位光學工程副總裁表示,盡管激光掃描存在于Magic Leap的“DNA”中,以及投入了數百萬美元進行研發(fā),但激光掃描無法滿足其顯示要求。
或許具有諷刺意味的是,ML2用堆疊波導消滅了ML1的“焦平面”。所以,這家公司在2013年向早期投資者吹噓的兩項原始關鍵功能現在都已消失。

在評估了所有替代方案后,Magic Leap認為LCOS是最適合其應用的顯示技術。對于大多數需要彩色或更高分辨率的新型波導設計而言,LCOS都是首選顯示器。Avegant和Digilens都推出了搭載非常小、非常明亮的LCOS波導的設計。

2. 高分辨率(1440 x 1760有源)LCOS顯示屏(傳聞是Omnivision LCOS)
科提斯稱,顯示器的高度大于寬度存在優(yōu)勢。如圖(右)所示,ML2“有源顯示器”寬1440像素,高1760像素。它們保留了96×96像素以將顯示屏與眼睛對齊。

Magic Leap One(ML1)沒有保留像素,而是需要兩個型號來覆蓋不同的瞳孔間距。有人錯誤地認為,根據頭部大小,ML2會提供基于頭部尺寸的不同型號。PPT指出,ML2只有一種型號。另外,保留像素有利于眼睛移動時出現的其他顯示器與眼睛對齊問題。
盡管Magic Leap沒有提到,但有傳聞稱他們正在使用Omnivision的LCOS組件。這并不奇怪,因為ML1就有用到Omnivision的產品。傳聞同時指出,盡管最近收購了Compound Photonics,并且目前的原型正在采用TI的DLP,但Snap可能同樣會使用Omnivision的組件。如今,大多數LCOS廠商都有能力制造這種具有3.8微米像素間距的組件。
我在下圖添加了視場估計值以及每個方向上的像素數。視場區(qū)域和像素數量對比ML1都翻了一番,所以每度的像素數量大致相同。應該指出的是,盡管Hololens 2錯誤地宣稱每度分辨率為47像素,但它的有效(可測量)分辨率接近每度15像素,或者換算成ML2每個方向的約一半。我完全相信ML2將在分辨率和幾乎所有其他可測量的圖像質量方面擊敗HL2,除了真實世界的透明度(稍后將詳細介紹)。

3. ML2的緊湊LCOS光學設計

本次演講(錯誤地)指出LCOS之外的部分方法都在視場方面受限。他們所說的“大多數LCOS設計(上)使用顏色合成光學元件(X-cube或一系列二向色鏡)和偏振分束器”這一說法是正確的。他們同時提到了Himax的Front-Lit。但我見過幾個更具創(chuàng)新性的大視場緊湊型設計,包括Lumus的Maximus(下)。

Lumus Maximus LCOS Engine
盡管用了分束器,但ML1的光路沒有X-cube或其他顏色合成光學元件。相反,ML1將顏色通道分到了每個波導。因為ML1支持雙焦平面,它需要六個LED和六個波導(紅綠藍各兩組)。因為ML2不支持雙焦平面,它們只需一組LED和波導。

支持單焦平面可以帶來其他方面的簡化增益。相對于ML1,這應該能大幅提升ML2的圖像質量。
ML2在利用LCOS減少整體光學元件尺寸方面有創(chuàng)新的方式。與ML1一樣,它們首先為每個單獨的彩色波導(這次只有三個)提供單獨的LED照明。有趣的是,它們隨后通過波導和投影透鏡發(fā)送照明光,從而照亮LCOS設備,并且避免了分束器的需要。
下面的左圖顯示了組合的紅光、綠光和藍光路徑(我組合/疊加了三張PPT幻燈片)。Magic Leap使用圓形偏振器的“巧妙”組合來控制進出光路。這種帶有圓形偏振器的折疊路徑似乎類似于更新、更緊湊的VR頭顯所使用的Pancake光學系統(tǒng)。設計相當緊湊,如下圖所示。

盡管消除分束器會減輕一定重量,但它對總重量的占比并不是很大。更重要的是,它縮小了光學元件的尺寸,使LCOS顯示器在光學上更接近投影光學元件,這有助于簡化所述光學元件。
盡管許多非設計人員擔心續(xù)航能力,但更大的設計問題是功耗帶來的熱量管理。ML2聲稱在考慮視場和視窗時效率提高了12倍以上,這很可能是真的。但ML1在支持雙焦平面的情況下效率很低(沒有免費的午餐)?!皢蝹€SKU”是因為前面討論過的“保留”像素。
4. 2000 nits峰值亮度,70視場下的重大成就
科提斯表示ML1大約150 nits(大概匹配我的測量),并且應該可以達到2000 nits。使用具有約70度視場的衍射波導實現2000 nits是一項重大成就。相比之下,HL2宣稱有500 nits,但僅在我測量的一張非常不均勻圖像的中心如此。Lumus Maximus預計50度視場每瓦LED功率超過4000 nits。ML尚未說明ML2 2000 nits的功耗。
LED光通過投影光學元件照亮LCOS,并且免除分束器需要可能看起來非常奇怪,但ML并不是唯一嘗試這種方法的公司。在大會上,我看到了Avegant全新的、非常緊湊的光引擎。與ML2一樣,Avegant使用波導結構將紅、綠和藍LED結合,并通過投影光學元件向LCOS發(fā)送光(見右圖)。但與ML2不同,Avegant是為設計沒有空間分離輸入光柵的一到三層波導。Avegant用單層波導演示了他們當前的原型。

5. ML2的光學堆棧
ML2的光學堆棧(在投影儀之后)顯示在右側。從表面上看,它看起來很像HoloLens?1的堆疊,而不是說調光層。這沒什么奇怪。ML2使用了非常高折射率的2.0玻璃(最近菜才面市),這有助于支持比HoloLens 2更寬的視場,無需求助于HoloLens 2復雜且會影響圖像的“butterfly蝶形”設計。

HoloLens 2的整個激光掃描顯示屏和butterfly蝶形波導似乎是“一個逃離實驗室的研究項目”。ML2同樣有一種“研究人員樂在其中的實驗風”,比如調光功能(稍后將詳細介紹)。
去極化膜(最左邊)減少了典型極化LCD顯示器的問題?!澳跨R”是一套帶有保護罩和涂層的紅綠藍波導。
6. 22%的透光率或78%的真實光線被阻擋:最佳情況
首先是PPT所說的22%透光率。它們最高可以阻擋78%的真實世界光,大概等同于中暗色的太陽眼鏡。坦白說,我認為22%很可能只是一個理論數字,亦即Magic Leap可能無法實現。
典型的“高透射率”反射式偏振器可以阻擋大約60%的未偏振光,50%用于偏振,另外大約10%的損失。調光器結構有另一個偏振器,它又會損失約10%以上。調光器的各種薄膜和結構則損失大約15%或更多。三個衍射波導的疊加通常會損失25%-35%。再加上10%的其他薄膜、涂層和鏡片,我算出的最佳情況是22%,但很可能更糟糕。
一般來說,人們不會把自己理想的房間照明亮度再提高5倍。Magic Leap首席執(zhí)行官在接受CNBC采訪時曾給出過一個明亮手術室的例子。手術室如此明亮是有原因的,而且醫(yī)務人員并不想讓手術室再亮5倍。
下圖所示為阻擋85%真實光線的ML1;搭載高度透明(可能>85%)的Dispelix波導的Avegant原型;約85%透明的Lumus Maximus原型;以及40%透明的Hololens 2。ML2將阻擋大約兩倍于HoloLens 2的真實世界光線,比Dispelix和Lumus多4到5倍的光線。


Magic Leap沒有提到“正面投影”,這是許多AR眼鏡都能看到的發(fā)光偽影。Magic Leap One和Hololens 1&2都因大量的正面投影而出名(見上圖左上角的CNET ML1圖片)。所以我猜Magic Leap不提的原因是數字不好。我的經驗是,如果一家公司不愿意談論一個顯而易見的問題,最終的答案很可能是相當糟糕的。相比之下,對于Avegant/Dispelix眼鏡,我很難從任何角度看到任何正面投影,而且團隊非常自豪地說,正向投影降低到了1%左右。
“LED層”是用于照明眼睛的紅外LED。ML2需要插入式鏡片進行視力矯正,但它們與ML1不同,因為其需要用于眼動追蹤攝像頭的切口(左下角)。大會中有不少人都評論說,插入式鏡片會給用戶帶來管理方面的噩夢。
7. 屈光度(調焦)透鏡

正如我在上一篇文章中所討論的一樣,ML1在波導的離柵中內置了一個屈光度調節(jié)裝置,見伯納德·克雷斯(Bernard Kress)所著書目《用于增強現實、虛擬現實和混合現實頭顯的光學架構》??死姿怪赋?,ML1的離柵屈光度調整方法往往會降低圖像質量。
與HoloLens 1和2類似,ML2使用前后透鏡來調整焦點,就像我在上一篇文章中推測的一樣。從大多數波導中射出的準直光聚焦在無窮遠處。離眼睛最近的透鏡將焦點移動到大約1.5到2米的更近距離。波導世界側的透鏡進行補償,以防止真實世界的焦點發(fā)生變化。這種透鏡方法應該有助于ML2的圖像質量超過ML1。
8. 動態(tài)和分段調光
在2021年10月,我解釋了Magic Leap分段調光的固有問題,亦即業(yè)界所謂的“軟邊緣遮擋”。我解釋道,使用LCD快門來全局調暗或像素化陣列調暗區(qū)域的技術是眾所周知的事情,而且這項技術沒有予以應用,因為它會損失超過70%的入射真實世界光,如上文所述。

除了光損之外,分段調光極度不精確/模糊,而且調節(jié)單個像素同樣會應影響周圍成千上萬個像素。盡管分段調光看起來像是支持局部調光的LCD電視,但分段調光方法的精確度可能要低幾個數量級。另外,正如Magic Leap專利所指,分段調光像素將導致衍射問題。

Magic Leap有一張幻燈片討論了這個概念,但沒有細節(jié),只有幾張低分辨率的圖片(見下圖)。根據Magic Leap的專利和我的分析,它的效果可能不是非常好。請注意,調光是從遮擋80%的真實光線開始。

9. 視覺舒適度和VAC:焦平面消失

近十年來,Magic Leap一直在吹噓與視覺輻輳調節(jié)沖突有關的問題,以及使用多組具有不同焦平面的波導的解決方案??铺崴乖谘葜v中直言不諱地指出,ML2已經放棄了這個功能。實際上,我在2021年10月的文章中推測他們已經放棄了,因為這將有利于更好的圖像質量。

科提斯解釋說,在影響視覺舒適度方面存在比VAC更重要的問題,如左邊的幻燈片所示。他認為,許多問題都與渲染有關,而不是與VAC有關,而且所述問題中的許多都可以通過更準確的眼動追蹤來改善。這位工程師解釋說,Magic Leap已經改進了眼動追蹤和渲染。

對于改進的眼動追蹤系統(tǒng),一個副作用是需要有切口,因為攝像頭需要看到用戶的眼睛(見下圖)。

這次演講同時提供了有趣的信息:即使是很小的機械運動都需要校正雙眼對齊。ML2包括用于檢測頭顯彎曲的傳感器/攝像頭,以便校正雙目定位(見下圖)。

PPT中有一張幻燈片提供了“透過透鏡看到的效果圖”。其中,為了適配一張1080p分辨率的幻燈片,三張圖片進行大幅縮小。所有的圖像都顯示出嚴重的漸暈偽影。盡管如此,我們不可能確定這是不是攝影的問題,還是因為ML2本身的問題。
幻燈片中的三幅圖像都有高度飽和的顏色,所以很難判斷顏色是否準確,以及顏色是否有變化。我更喜歡看人像和純白色的內容。有趣的是,文本顏色是純綠色而不是白色,而這能夠隱藏波導中的任何顏色變化。所述圖像只能表明ML2的圖像質量優(yōu)于HoloLens 2,但無法與其他公司的顯示器和波導進行比較。

我不懷疑ML2的圖像質量要比ML1或HoloLens 1和2好得多,但這是一個非常低的標準。所以,我們需要拭目以待,直到設備發(fā)售才能對圖像質量進行客觀分析。
11. 結論
盡管ML2顯然會在圖像質量和亮度方面擊敗HoloLens 2,但HoloLens 2設置了一個非常低的標準,而且當ML2在其他很多方面都存在問題,前述優(yōu)勢其實并不重要。與HoloLens 2相比的關鍵劣勢包括:有一根線,沒有足夠的適眼距來支撐普通眼鏡,以及缺少翻轉屏幕。
另外,擋住約80%的光線是一個無法挽回的錯誤。正如我之前,ML2看起來像是一開始是為消費市場設計的產品,但由于它對這個市場而言過于昂貴,所以團隊將它重新設計為“企業(yè)”設備。
我越是回想PPT以及本文未涉及的其他方面,例如他們設計和制造自己波導的能力,我就越同意那些認為PPT更像是“待售”標志的人的看法。
值得一提的是,坊間有傳聞稱(我沒有消息來源)Magic Leap正準備出售公司(傳言中最熱門的名字是谷歌,因為他們本身就是Magic Leap的投資者)。
---
原文鏈接:https://news.nweon.com/94317