显示专家Karl Guttag分享Meta Orion眼镜的波导方案比较
Meta Orion、Snap/Wave Optics和Magic Leap 2波导之间似乎有惊人的共性
（映维网Nweon 2024年10月21日）显示技术专家近眼显示技术专家卡尔·古塔格（Karl Guttag）正继续分享关于Meta早前发布的AR眼镜Orion的分析。
第一篇关于波导，而这一篇是Orion在波导方面与Wave Optics/Snap和Magic Leap的比较。下面是具体的整理：
简介及背景
在我的上一篇博文之后，我想到了除Meta Orion之外唯一使用带2D （X-Y）扩展和输出光栅的衍射光栅波导是Wave Optics（Snap于2021年5月收购）。
WaveOptics波导的独特设计是我轻松识别Snap官宣收购之前就在使用WaveOptics产品的原因。
然后我想到Magic Leap 2（ML 2——是如何实现70度视场，并从中发现了关于Meta Orion的有趣信息。我越研究ML2，就越发现它和Orion的相似点。当我发现/重新发现ML2信息时，我又发现Meta Orion的波导似乎与Snap（Wave Optic）波导具有共性。
本文包含了之前文章中的“背景”信息，以帮助比较和对比Meta Orion、Snap/Wave Optics和Magie Leap 2。
衍射波导背景
我之前没有详细研究过Wave Optics衍射光栅的不同工作方式。我以前见过的所有其他衍射光栅波导会在玻璃的同一表面使用三个（或四个）单独的光栅。有一个输入光栅，一个第一扩展和旋转光栅，然后是第二扩展和输出光栅。第一扩展光栅的位置和是水平还是垂直，这随波导的不同而不同。
Hololens 2有所变化，采用左右水平扩展和旋转光栅和单输出光栅以增加视场。尽管如此，所有的光栅都在波导的同一侧。
衍射光栅根据波长令光线弯曲，类似于棱镜。但与棱镜不同的是，光栅会按照一系列“顺序”令光线弯曲。在衍射波导中，只有其中一阶的光有使用，其余的光不仅会浪费，而且会引起问题，包括“眼睛发光”和降低整个系统的对比度。
因为衍射是基于波长，所以它会造成不同颜色/波长发生不同程度的弯曲。当通过单一波导/衍射光栅发送一种以上的颜色时，这会导致问题。随着输出光栅和视场的增大，问题变得更加复杂。有的衍射波导公司有一个（全彩色），或两个（红色+蓝色和蓝色+绿色）波导用于较小的视场，然后三个波导用于更宽的视场。
Orion和Wave Optics波导
首先，我想快速总结一下Orion的波导，因为相关信息和数据将有助于将其与Wave Optics（Snap旗下，并用于Snap的Spectacles AR眼镜中）和ML2进行比较。
上一篇文章对Orion波导的总结
Orion的波导似乎使用了一个波导衬底，每个主色有一个输入光栅，然后有两个扩展和输出光栅。两个（交叉的）输出光栅位于碳化硅衬底的相对两侧，而大多数衍射波导使用玻璃，并且所有光栅都在一侧。
专利中另一个有趣的特征是“视差校正”，而Meta首席技术官博斯沃思曾在采访中讨论了这一点，亦即有一个额外的光栅用于其他光学和电路来检测波导是否错位。Orion并不支持这一功能，但博斯沃思表示将在未来的迭代中包含，将输入光栅移动到波导的“眼睛一侧”。如下图所示，在Orion中，光线从眼睛的另一侧进入波导。由于投影仪在眼睛一侧（在太阳穴位置），它们需要额外的光学元件。根据博斯沃思的说法，这使得Orion的框架更厚。
Wave Optics（Snap）双面二维扩展波导
Wave Optics美国专利申请2018/0210205是基于2014年首次提交的国际申请WO/2016/020643。图3（下图）显示了衍射光栅的三维表示，其中输入光栅（H0）和交叉光栅（H1和H2）位于单个波导衬底的相对两侧。
专利同时显示，交叉光栅（H1和H2）位于单个波导（上面的图15B）的两侧或两个波导（上面的图15A）的一侧。我不知道Wave Optics （Snap）目前的设计是使用单面波导还是双面波导，但我怀疑是双面。
对于Wave Optics的波导设计，我碰巧有一张Wave Optics 300mm玻璃晶圆的照片，共有24个波导。这张照片是我在AR/VR/MR 2020的肖特展台所拍。我图片添加了Meta Orion 100毫米碳化硅晶圆的图片，大致按比例，但只有四个波导。
顺便说一句，在我2021年5月的博文中，我表示Spectacles将在2021年使用LCOS，因为WaveOptics在被收购时正在转向LCOS。我说得有点为时过早，因为Spectacles直到2024年才开始使用LCOS。
Magic Leap One （ML1）“典型”三光栅波导
本博客第一篇关于Magic Leap的重要文章是在2016年11月发表。从那以后，大约有90篇文章对Magic Leap进行了讨论。大多数其他波导公司是从一个单一的投影仪同轴输入所有的颜色。然而，即便ML1有一个单场顺序彩色LCOS设备和投影仪，但LED照明光源是空间排列，所以来自每种颜色输出的图像发送到一个单独的输入光栅。ML1有六个波导，两个对焦平面各三个，从而产生6个LED（两组R， G和B）和6个输入光栅。
下面是iFixit与本博客共同制作的图表。它显示了ML1光路的侧面视图。右下角的插入图显示了六个堆叠波导的六个输入光栅。
左下图是ML1波导（六个堆叠），显示了六个输入光栅，大型扩展和旋转光栅以及输出光栅。除了具有空间分离的输入光栅外，波导的一般设计与大多数其他衍射光栅相同，包括上面介绍的Hololens 1。扩展光栅大多隐藏在ML1的上半身（右下）。大型扩展和旋转光栅可以视为将“典型”衍射波导安装到眼镜形状参数中的主要问题，这是驱使Meta寻找超越ML1 50度视场替代方案的原因。
图18来自美国申请2018/0052276的ML1结构示意图。这张图非常接近ML1的结构，包括波导的形状，甚至各种衍射光栅的形状。
Magic Leap 2 （ML2）
ML1非常失败，以至于很少有人对ML2感兴趣。关于第二代设备的公开信息要少得多，我没有购买ML2进行测试。我已经介绍了ML2的诸多技术方面，但我之前没有研究过波导。与ML1的50度视场相比，ML2的视场为70度，我很好奇他们是如何做到的。
首先，ML2取消了ML1对两个对焦平面的支持。这将波导切成两半，意味着波导的输出光栅不需要改变虚拟图像的焦点。
通过Magic Leap专利申请，我找到了美国专利2018/0052276，它显示了一个2-D组合输出光栅。US 2018/0052276在专利领域通常被称为“综合专利申请”，它在单份申请中结合了大量概念（申请有272页）。这份专利从ML1中的概念开始（包括刚刚之前的图18），并继续到ML2中的概念。
粗略地讲，这份专利展示了如何采用Wave Optics的概念，即波导不同侧面的两个交叉衍射光栅，并将它们集成到波导的同一侧。
Magic Leap专利申请2020/0158942详细描述了如何制作两个交叉输出光栅。它显示了“现有技术”（Wave Optics和Meta Orion）的方法，亦即两个光栅在波导的相对两侧。然后，专利展示了如何将两个交叉光栅集成到单个光栅结构中。这份专利甚至包括Magic Leap制造结构的扫描电子显微镜照片（例如图5），这表明到2018年11月申请提交时，Magic Leap已经远远超出了概念阶段。
然后我回到了我在SPIE AR/VR/MR 2022大会拍摄的ML2照片。我意识到2D OPE+EPE（交叉衍射光栅）的概念有隐藏在另一张图片之中，从而确认ML2正在使用这个概念。这张图的主题是“在线显示校准”，这似乎与前面Orion的“视差校正”是相同的概念。
下一个问题是ML2是否为所有颜色使用单一输入光栅，以及它是否使用多个波导。事实证明，这两个问题在SPIE AR/VR/MR 2022大会中得到了回答。Magic Leap开发了一个非常紧凑的投影仪引擎，通过波导的（透明）部分照亮LCOS面板。与ML1一样，红色、绿色和蓝色照明LED空间分开，这反过来又导致从投影仪镜头发出的光空间分开，然后在三个波导有三个空间分离的输入光栅，如图所示。
基于ML2的三个波导，我认为在一个宽视场波导中支持全彩色的同时实现“交叉”衍射光栅效果太难或根本不可能。
概述：Orion，ML2和Wave Optics波导概念
通过使用重叠的衍射光栅，Orion，ML2和Wave Optics有某种形式的二维瞳孔扩展。通过重叠光栅，它们大大减小了波导的尺寸。这与更传统的方法不同，传统的方法是在一个表面设置三个空间分离的衍射光栅。
总结：
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Meta Orion：“交叉”衍射光栅在一个单一晶碳化硅波导的两侧为全彩色。
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Snap/Wave Optics：“交叉”衍射光栅在一个单一玻璃波导的两侧为全彩色。
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Magic Leap 2：单一衍射光栅，其作用类似于高折射率（~2.0）玻璃之上的三波导交叉衍射光栅。
以上都是根据目前可获得的公开信息。如果你有更多的信息或分析，请在评论中分享，或者如果你不想公开分享，你可以发送私人邮件到newsinfo@kgontech.com。需要明确的是，我不想窃取信息或任何违反NDA的行为，但我确信有波导专家更了解这个主题。
Meta Orion的图像质量怎么样？
我还没有尝试Meta Orion或Snap Spectacles 5，只看过ML2的演示版本。遗憾的是，我没有受邀请体验Meta Orion（如果你能帮助我（合法）访问，请通过newsinfo@kgontech.com联系我）。
我试过几次ML2，但我从来没有机会拍镜后图（用相机拍摄通过显示透镜看到的影像）或使用我的测试图案。从我对ML2的有限经验来看，它在图像质量方面比ML1好得多，但依然有显着的色彩均匀性问题，就像其他宽视场（>40度）衍射波导一样。如果有人有ML2，并愿意借给我，请与我联系newsinfo@kgontech.com。
我多年来一直关注Wave Optics（现在的Snap），并拥有一个基于Titan DLP的40度视场Wave Optics评估单元。我在之前和之后都看过更好的衍射波导，但很难客观地比较它们，因为它们具有不同的视场，而且我无法使用自己的测试工具，只能跟着精心策划的演示走。在被Snap收购之前，Wave Optics似乎有在展会亮相过更好的波导，但需要说明的是，这是他们在展会展示的演示内容。我正准备对Spectacles 5进行一次更深入的评估，看看它有什么改进。
由于没有测试、比较和对比的能力，我只能根据我使用衍射波导的经验推测Meta Orion的图像质量。碳化硅的高折射率有助于减少TIR反射，从而降低图像质量，但它离批量生产技术尚非常遥远。我关心的是图像均匀性与大视场。
Lumus反射波导谣言
在Reddit贴文《 Meta Orion AR Glasses: The first DEEP DIVE into the optical architecture》中，作者这样写道：
之前有传言称，Meta将在2024-2025年推出带有2D反射（阵列）波导光学解决方案和LCoS光学引擎的新眼镜。随着Orion的宣布，我个人认为这种可能性并没有消失，而且依然存在。
“反射波导”很可能是Lumus反射波导的参考。我见过中国公司的“Lumus克隆版”反射波导，但与Lumus相比，它们的图像质量非常差。
另外，有人在我一篇博文的评论区中写道（2024年10月8日：
确实有传言说Meta计划在2025年推出一款基于LCOS和Lumus波导的实际产品。
Lumus在类眼镜形状上展示了令人印象深刻的图像质量。自2021 Maximus以来，他们一直在缩小形状参数，并通过全新的“z镜头”技术改善对处方镜片集成的支持。Lumus声称其Z-Lens技术应该能够在玻璃支持大于70度的视场。Lumus同时表示，由于他们的波导支持更大的输入光瞳，他们应该有5到10倍的效率优势。
Lumus的问题是他们能否在量产中以成本有效的方式制造波导。过去，我曾问过他们的制造合作伙伴肖特，而对方说他们可以生产这种产品，但我尚未看到围绕Z-Lens的消费产品。看看Meta这样的巨头是否会把投资在复杂碳化硅波导的资金转到反射波导，这将是一件有趣的事情。
尽管衍射波导并不便宜，但它们目前相对更便宜。或许对研究人员和相关公司来说，一个有吸引力的提议是，衍射波导可以更容易地定制（至少对玻璃而言）。
没有断言谁先发明了什么
我想澄清一点：这篇文章并没有断言谁先发明了什么，或者是否有人侵犯了其他人的发明。做出这样的决定需要大量的工作、律师和法庭。我引用专利和专利申请的原因是，它们是容易检索的公共记录，并且经常记录有演示文稿和文章中缺少的技术细节。
结论
在Meta Orion、Snap/Wave Optics和Magic Leap 2波导之间似乎有惊人的共性。它们都避免了波导一侧的“传统”三衍射光栅设计，以支持眼镜形状的更宽视场。重新发现ML2支持Meta所说的“色散校正”，这是额外所得。
正如我上次所写，Meta的Orion似乎是一个奇怪的技术组合。他们将贵得离谱的波导和分辨率极低的显示器结合在一起。双面衍射光栅碳化硅波导离实际量产似乎尚有十多年的时间。我不确定的是，即便它们能够具有成本效益，它们是否会具有反射波导的图像质量，特别是在更宽的视场之下。
