显示专家Guttag CES分享：眼镜形态的波导AR原型显示比较
Vuzix Ultralight、Lumus Z-lens和DigiLens Arg波导AR原型
（映维网Nweon 2023年04月03日）近眼显示技术专家卡尔·古塔格（Karl Guttag）正继续分享自己的CES 2023和SPIE AR/VR/MR 2023之旅。本次的分析对象主要是Vuzix Ultralight、Lumus Z-lens和DigiLens Arg波导AR原型。
1. 引言
本文将比较我在CES 2023大会看到的Vuzix Ultralight、Lumus Z-lens和DigiLens Arg波导AR原型，简要讨论Avegant在AR/VR/MR 2022和AR/VR/MR 2023大会的演示，讲解他们小型LCOS投影引擎。另外，本文会介绍Magic Leap 2的LCOS设计，以展示其他投影引擎选项。
我同时会深入探讨DigiLens Argo中的穿戴方式。不是为了挑刺DigiLens Argo，而是因为它具有更多的功能，并且我想点出以眼镜形态支持丰富功能集的常见特征和问题。
对于我在下面引用的各种规格，除非另有说明，否则都是制造商自己的声明。
这是一篇有点长的文章，讨论的关键主题包括：
- MicroLED与LCOS光学引擎尺寸
- MicroLED与LCOS以及反射（流明）与衍射波导的图像质量
- 具有MicroLED的反射波导与衍射波导的效率
- MicroLED与LCOS的效率
- 眼镜形状参数（以DigiLens Argo为例）
2. 原型概述
2.1 Vuzix Ultralite和Oppo Air Glass 2
Vuzix Ultralite和Oppo Air Glass 2搭载单眼640乘480像素的仅绿色JBD显示屏。
它们的重量约为38克，包括框架、处理器、无线通信和电池，而Vuzix开发了自己的衍射波导，并支持约30度的视场。两者都是无线一体机设备，带有集成电池和处理功能。
Oppo使用树脂塑料波导，以及与Meta Bounds联合开发的MicroLED光学引擎。我在数年前曾见过其他公司的树脂塑料波导原型，但这是我第一次在准量产产品中看到。这款眼镜包括麦克风和扬声器，可支持语音转文本和通话等功能。他们同时计划通过在镜框中内置镜片来支持视力矫正。Oppo声称Air Glass 2的视场角为27度，亮度为1400尼特。
2.2 Lumus Z-Lens
Lumus的Z-Lens支持高达2K×2K的全彩/真彩色LCOS显示器，具有50度视场。它的视场是上图其他三个面积的3到4倍，所以它必须输出超过总光量3到4倍的光。它支持的像素数是DigiLens Argo的4.5倍，是Vuzix Ultralite和Oppo Air Glass 2的13倍以上。
Z-Lens原型只是用于展示它的显示能力，而与其他三款不同，它不是一体机设备，没有电池或处理组件。它通过数据线提供显示信号和电源。Lumus是一家光学波导和投影引擎公司，属于零件商，完整产品由客户自己生产。
2.3 DigiLens Argo
DigiLens Argo使用1280×720全彩/真彩色LCOS显示屏。Argo比其他设备具有更多的功能，集成了SLAM摄像头、全球导航卫星系统、Wi-Fi、蓝牙、48mp彩色摄像头、语音识别、电池和更先进的CPU（高通骁龙2）。
DigiLens计划将Argo用于企业市场，或许是与第三方合作销售，而自己则继续销售波导光学引擎。由于Argo具有一个更完整的功能集，我将在本文稍后讨论Argo设计的利弊。
Through Lens镜后图像
以下是用同一台相机（OM-D E-M5 Mark III）和镜头（固定17mm）拍摄的四张照片。它们是我在大会期间拍摄，没有完全对准以获得最佳图像质量。投影显示器和房间/室外照明在图片之间具有宽范围的亮度。所有图片都没有调整大小，所以保留了相对的视场。
Lumus Z-Lens反射波导具有更大的视场、更高的分辨率，并且在相同或更高的亮度下表现出更好的颜色均匀性。反射波导似乎对MicroLED（和LCOS）都具有显著的效率优势。应注意的是，Lumus Z-Lens原型只含带光学器件的显示器，没有集成处理组件、通信组件或电池。相比之下，其他产品更接近于完整产品。
一个更复杂的问题是功耗与亮度之间的关系。对于全屏明亮图像，LCOS引擎相较于具有类似波导的MicroLED要高效。MicroLED的功耗优势出现在内容稀疏的情况之下，因为功耗与平均像素值大致成比例，而对于LCOS，无论内容如何，整个显示器都会照亮。
如果MicroLED支持全色，则每瓦尼特的效率将显著低于仅绿色。对于产生全彩效果，无论哪种方法都会降低整体的电气和光学效率。另外，白平衡需要添加蓝光和红光，且每瓦的尼特数较低。
注意事项：
- Lumus Z-Lens是一个原型，没有生产波导的所有防反射和其他涂层。Lumus使用了一个约为3微米像素的LCOS器件。Lumus正在与至少一家LCOS制造商合作，在相同尺寸的显示器实现约2微米的像素大小，以支持2K乘2K的分辨率。
- Digilens的镜后图像是在2022年的Photonics West大会拍摄。自那以后，DigiLens一直在不断改进其波导。
- Vuzix的照片是通过Vuzix Shield拍摄，它使用了与Vuzix Ultralite相同的波导和光学器件。
- Oppo的照片是在AR/VR/MR 2023大会拍摄。
3. 光学引擎尺寸
Vuzix有一个非常小的光学引擎来驱动衍射波导。上图是Vuzix较旧的全色DLP引擎，正在开发的color X-Cube引擎，以及Vuzix Ultralite和Shield使用的绿色MicroLED引擎。
上图是Oppo和Meta-Bound眼镜的分解图（他们描述的是联合设计），以及他们在CNET YouTube短视频中显示的MicroLED引擎。正如Oppo视频所示，他们计划在眼镜中内置视力矫正。下图是DigiLens LCOS引擎，它使用相当传统的LCOS（Ominivision的）。
Digilens Argo采用了更传统的LCOS引擎，需要在眼睛上方用“大眉毛”来隐藏它。所有其他公司都设计了避免这种入侵程度的引擎。
Lumus开发1-D光瞳扩展反射波导已经近20年时间，而它需要一个相对较宽的光学引擎。对于2021的2-D Maximus波导，Lumus展示了缩小光学引擎的能力。今年，Lumus则通过全新的Z-Lens设计进一步缩小了光学引擎的尺寸和透镜入侵程度。
下面是四个透镜及其光学引擎的正视图。Oppo Air Glass 2在更宽的框架（和更宽的波导）的工业设计中“伪装”了引擎。Lumus Z-Lens的全色视场约为其他产品的3.5倍，其正面入侵程度与仅绿色MicroLED引擎大致相同。Argo（右下）可以看到眼睛上方有一根“大眉毛”（光学引擎的粗略位置用红色虚线显示）。
4. Lumus消除了Z-Lens对气隙的需求
Lumus Z-Lens的另一个显著改进是，与Lumus现有的波导和所有衍射波导不同，它不需要波导表面和任何封装塑料之间的气隙。这可能是支持集成视力矫正或简单保护的一大优势。用波导支撑气隙存在诸多设计、成本和光学问题。
典型的全色衍射波导通常具有两个或三个夹在一起的波导，它们之间存在气隙，外加每侧的气隙。无论哪里有气隙，你都希望使用抗反射涂层来消除反射并提高效率。
5. Avegant和Magic Leap的小型LCOS投影仪引擎
旧的LCOS投影引擎一直存在尺寸问题。诸如Lumus ZLens，以及Avegant和Magic Leap等新设计比MicroLED引擎小得多，对透镜区域的入侵程度不高。
以下是Avegant在AR/VR/MR 2022大会展示的小型“L”形光学引擎。它们对透镜的入侵程度很小，但它们会沿着眼镜的镜腿向下移动，而这会抑制设备像普通眼镜一样折叠镜腿以进行存放。
Avegant在AR/VR/MR 2023大会展示了一种将光学器件面积减少了65%的全新光学设计，包括将其缩短到可以折叠的程度，类似于传统眼镜。需要注意的是，图中所谓的“波导”与AR眼镜中用于显示图像的波导非常不同。Avegants波导用于照明LCOS器件。
Avengant在演示中同时讨论了LED的各种驱动模式，以在仅绿色和黑白模式下提供更高的亮度和效率。Avegant演讲的13分钟视频请访问SPIE官网（需付费）。根据Avegant的介绍，所述光学器件长15.6mm，宽12.4mm，支持30度视场，34像素/度，全色输出2流明，而限色室外模式则输出高达6流明。他们预计在全色模式下，典型的衍射波导约为1500尼特，在室外模式下数字大约会翻一番。
Magic Leap 2（ML2）进一步减少了光学器件的尺寸，并将照明LED和LCOS放置在显示器波导的相对两侧。ML2声称有2000尼特，视场70度。
6. 透明度（相对于Birdbath）和“眼睛发光”
所有波导眼镜的透明度都在80-90%左右。这与通常只有25%透明度的普通Birdbath光学系统相差非常大。
6.1 OGD的历史和进展
数位前ODG设计师最终加入了联想、设计公司Pulsar、DigiLens和AR社区的其他公司。我发现了DigiLens副总裁尼玛·沙姆斯（Nima Shams）在CES 2017穿戴ODG R9和在CES 2023穿戴DigiLens Argo的照片。Argo更轻，突出的距离更小，有更多的适眼距，更透明，图像更明亮，而且能效更高。同时，它添加了ODG R8和R9所没有的功能和处理能力。
6.2 前向投影/“眼睛发光”
AR眼镜影响社交的另一个方面是前向投影，亦即“Eye Glow眼睛发光”。最著名的是，Hololens 1和2，以及Magic Leap 1和2都会将大部分光线向前投影。基于Birdbath光学元件的眼镜同样存在前向投影问题，但通常隐藏在额外的深色太阳镜后面。
需要注意的是，下面的“眼睛发光”图是随机图片，不是对照测试。眼镜显示的亮度设置完全不同，环境光线同样大不相同。另外，前向投影通常具有非常高的方向性，所以相机角度具有主要影响。
DigiLens Argo
Vuzix Shield
Oppo
DigiLens是我讨论过的一直致力于减少前向投影的公司之一。Lumus的反射方法在前向投影方面具有固有的优势。DigiLens Argo大大减少了眼睛发光。Vuzix Shield（与Ultralite具有相同的光学系统）有一定的前向投影。Oppo似乎同样存在相当明显的前向投影。
7. DigiLens Argo
DigiLens主要是衍射波导的制造商，但近年来已经演示了多款准产品。几年前，他们经历了一次重大的管理变革，方向同样随之而变。
7.1 Argo的商业模式
我总是非常好奇一家“零件供应商”开发完整产品。所以我致信DigiLens，并收到了以下信息（经过编辑）：
- 光学解决方案许可：我们向客户授权解决方案，使用我们的可扩展打印/非接触式复制过程构建自己的波导。我们的授权客户可以设计自己的波导，DigiLens的软件工具可以实现这一点。这项业务的目标是大公司的批量应用，主要专注于但不限于消费者市场。
- 企业/工业产品：Argo是DigiLens第一款以企业和工业市场为目标的产品，并旨在向其提供完整的解决方案。它在波导和投影仪中使用了DigiLens光学技术，并由一支来自于曾发货数以千计工业和商业眼镜的Dakri、ODG和RealWear的经验团队建造。
7.2 图像质量
由于我对DigiLens的图像质量很熟悉，所以我并没有过多检查ArgoGO。在过去的几年里，我看到了图像质量的提高，包括均匀性和解决“眼睛发光”问题。
对于Argo瞄准的“企业市场”，绝对图像质量可能不如其他因素那么重要。对于大多数AR企业应用，显示信息只是简单的指示器，如箭头、几个数字和线条。就颜色而言，提供几个可以轻松区分的关键颜色就已经足够。
总的来说，与其他衍射波导类似，DigiLens同样存在颜色均匀性问题。但在过去的几年里，它们已经从糟糕颜色均匀性变成了我见过的更好的衍射波导之一。我认为任何衍射波导都不足以用于拍摄影片和照片，但它们在显示线条、箭头和文本方面足够好。不过，需要补充一个关键的提醒：所有企业展示的都是精心挑选的样本。
7.3 视场
尽管Argos的30度视场对于沉浸式游戏而言太小，但对于大多数“企业应用”而言应该绰绰有余。许多人将VR与AR混为一谈。对于AR，它需要的是以高透明度、轻量级和免手操作方式支持关键信息。正如AR传道者萨德·斯特纳（Thad Starner）所指出的那样，要求眼睛移动过多会导致不适。我之所以提出这一点，是因为一个非常大的视场是以重量、功耗和成本为代价。
7.4 关键功能集
下图是Argo的关键功能集。我不会回顾所有的功能，但我想讨论一下特定的设计选择。另外，我无法评论它们的各种功能质量，例如SLAM、WiFi、GPS等。这是因为：第一，我没有进行充分体验；第二，我没有设备或专业知识。但至少在纸面而言，Argo相较于Hololens 1和2存在优势。当然，它的视场小于Hololens 2，但图像质量要好得多。
7.5 用于真正免手操作的音频输入
如上所述，DigiLens的团队纳入了RealWear的经验。RealWear收购了Kopin的Golden-i的大量技术。与Argo一样，Golden-i是一款由显示器组件制造商Kopin发展而来的产品。尽管Kopin是一家显示器组件公司，但即便是在嘈杂的环境中，Golden-i都能以高精度进行语音识别。注意Argo包含5个麦克风。
尽管手部追踪摄像头消除了物理控制器的需求，但它们并不能真正解放双手，因为双手忙于执行各种手势，而不是用手执行实际任务。在我迄今为止尝试过的实现中，手势在分散注意力方面甚至比物理控制器更糟糕，因为它们迫使用户专注于手势。
我最糟糕的经历之一是Hololens 1，使用手势输入一串长长的WiFi密码（一想到它我的手就疼，那是一次非常糟糕的用户体验）。
同理，使用神经和/或肌肉检测腕带不能真正解放双手，因为用户注意力依然是集中于确保腕带正确识别。
如果语音控制能够在嘈杂的环境中准确发挥作用，它在免手操作方面似乎将有很大的优势。
7.6 头戴方式
在我看来，试图让自己看起来像眼镜（大而丑的眼镜）是徒劳的。许多公司都采用了类似用镜腿“抱紧”头骨的设计。从头骨轮廓来看，除非它们抱住后脑勺的枕骨下部，否则真的没有什么能阻止前重型AR眼镜的滑落。
Argo和松下的VR头显都将这个概念发挥到了几乎极致的程度。松下的设备包括一个前额垫以帮助支撑前端的重量，而Argo则使用了一个超大的鼻垫来帮助支撑。
当然，Argo支持头带选项，但这需要移除用于“抱紧头部”的镜腿末端。
任何了解眼镜的人士都知道，耳朵和鼻子无法支撑太多的重量，而且如果长时间支撑太多重量，耳朵和鼻会感到疼痛。
大而软的鼻垫不是一个答案。鼻子依然需要承受有太多的重量，而且鼻子形状的多样性使得它们不适合每个人。对于Argo，大鼻垫同时会干扰佩戴眼镜。鼻托的位置几乎正好是眼镜鼻托的所在位置。
7.7 重量分布
重量分布同样非常重要。正如我对微软HoloLens 2的评价一样，我不知道他们是不是第一i家采用这种“后面搞个小包”的方法的厂商，但这是一个巨大的改进。其他厂商使用了类似的方法，最引人注目的是Meta Quest Pro。HoloLens 2人体工学的另一个特点是前额垫消除了鼻子的重量，腾出了这个区域来支撑普通眼镜。
当今大多数AR头显采用眼镜形状参数的问题是，它过于执着于实现这种形态，并因而采取了糟糕的决策。实际上，如果能够意识到这并不是真正的眼镜，他们就可以解放设计。例如，重量可以从前面移到后面，以更好地分配重量。
7.8 Argo的适眼距错过了支持普通眼镜的机会
与大多数其他AR头显相比，Hololens 1和2的最佳人体工学能是它们有足够的适眼距（从波导到眼睛的距离）和空间来支撑大多数普通眼镜。尽管Argo的波导和光学设计有一定的适眼距，但它们需要专门的插入件。
你可能会注意到图片中的“眼睛发光”。我认为这不是来自波导本身，而是插入件的反射（可能是因为它们没有足够好的防反射涂层）。
支持眼镜的很大一部分问题要追溯到试图保持“眼镜形状参数”的执着。鼻垫会阻碍眼镜，但你又需要它来支撑头显。
另一个技术问题是他们的光学引擎的位置和形状。如前所述，DigiLens引擎的形状会导致眼睛上方的“眉毛”过大。反过来，这根“眉毛”可能会干扰各种眼镜。
Argo似乎是是把形式放在功能之前。我认为这是一个双输的妥协，既不像眼镜，又没有Hololens 2支持大多数普通眼镜的优势。
8. 结论
尽管MicroLED可能具有众多长期优势，但在图像质量和颜色方面，它们尚没有准备好与LCOS引擎正面交锋。多家公司展示了在尺寸和形状上强于小型MicroLED引擎的LCOS引擎。LCOS引擎同时支持更高的分辨率和更大的视场。
Lumus的Z-Lens 2D反射波导在图像质量和效率方面似乎比许多衍射波导都具有很大优势。允许在没有气隙的情况下封装Z-Lens带来了另一个显著优势。
但如今，大多数基于波导的AR眼镜都使用衍射波导。原因包括衍射波导市场有众多供应商，而且公司可以自己定制设计。相比之下，Lumus把控着反射波导IP。另外，Lumus是在最近才开发出2D反射波导。但选择衍射波导的最大原因是，Lumus波导的成本更为昂贵。当然，Lumus和他们的新合作伙伴肖特声称，他们将能够以有竞争力的成本制造波导。
成本、颜色和图像质量的结合可能会限制MicroLED在超小型和轻型眼镜中的应用。这种眼镜的视觉内容量很低（箭头和简单的文本，而不是网页浏览和电影）。它在企业应用中可能很有吸引力。
我怀疑消费者是否会接受单色显示器。我想起了20世纪80年代一位IBM高管在被问及分辨率或颜色是否更重要时的一句话：“颜色是显示器中最不必要和最需要的功能。”
不要过分挑刺Argo，但它展示了以眼镜形态制作全功能设备的诸多问题。
