显示专家Karl Guttag分享Meta Orion眼镜的波导方案比较
关于双侧波导的修正
（映维网Nweon 2024年10月23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。
延伸阅读：显示专家Karl Guttag分享Meta Orion AR眼镜的分析报告
延伸阅读：显示专家Karl Guttag分享Meta Orion眼镜的波导方案比较
第一篇关于Orion的波导，第二篇是Orion波导方案与Wave Optics/Snap和Magic Leap的比较。由于第二篇文章的特定结论和假设并不正确，得到网友提点后的古塔格另发一文进行了修正说明。下面是具体的整理：
更新
另一位有波导专业知识的读者认为（但像我的其他读者一样，没有直接知识），Snap Spectacles 5依然在使用在一侧有光栅的波导。第二个读者引用了“眼睛发光”的形状，特别是输入光栅的三角形。这位读者表示，在Snap Spectacles 5被动光捕获中可见的渐变可能是由于为了尝试提供更均匀输出而令柱栅变得更深。这位读者同时引用了在一侧制作光栅的更简单的过程。
第一位读者无法确定是不是，并且他是根据一些关于Snap Spectacles 5的内部传言推测。两位读者都没有声称对Spectacles有第一手的了解。
介绍
我上一篇博文的总体前提是，Meta Orion使用了与Snap （Wave Optics）类似的波导技术。然而，关于两侧都有衍射光栅的波导的特定评论和假设并不正确。
正如我常说，“很少有人会主动提供信息，但如果你错了，很多人会纠正你。”由于我对波导结构的直接知识有限，我通过电子邮件地址（newsinfo@kgontech.com）联系了文章中的读者。有一位设计波导的读者（不愿透露姓名）给出了回应。这位读者解释了Wave Optics 2D波导的工作原理，并提供了有关Meta Orion， Wave Optics（现在的Snap）， Magic Leap 2和Hololens 2 （HL2）中使用的波导结构的信息。
我想澄清的是，我远非波导专家（请参阅附录中我的背景），真正的专家可能会认为我对各种波导的描述可能只是泛泛其谈。我主要关注的是对比不同的方法，并根据我见过的一系列不同方法来评估最终的图像。例如，通常情况下，随着视场的增加，衍射波导的成像质量会下降。另外，采用更高折射率的波导衬底可以实现更宽的视场，并且对于给定的视场需要更少的TIR反弹，而这将提高图像质量。
根据读者提供的信息和进一步的研究，我在本文进行了更新。我将从前一篇文章中总结出一定的信息，这样本篇文章就可以独立存在，不需要不断地引用前文。
更多关于衍射光栅的介绍
《使用相对方向余弦图优化衍射波导中的光栅》一文提供了更深入的解释和一系列非常棒的图表，展示了光如何通过各种波导设计传播，包括常见的平面三光栅（图6），更复杂的光栅结构（图7a和7b），以及具有二维光栅的波光学类型（图7c和7c）。
在上面的图表中，你会看到一系列带有红色圆圈的灰色环。图表显示了允许的视场。随着波导衬底折射率的增加，灰环的宽度和视场随之增加。
极简总结
我不会说我非常了解波导。然而，一个关键的基本规则是波导中的光必须360度转向。你会注意到图中所有的三角形和其中的角，它们的和是360度。对于单独的光栅（如在图7上面），角不必相等。对于Wave Optics和Snap Spectacles 4波导，构成光栅的柱子呈等边三角形排列，以提供两个60度旋转的光。
Meta Orion的波导两侧都有衍射光栅
Meta Orion除了使用碳化硅之外，根据我的经验，它同时设计有一个不同寻常的波导结构，在波导衬底的两侧有重叠的衍射光栅。我见过的大多数波导都有三个光栅，输入，扩展和输出，并且都仅分布在波导的一侧。然后我想起Wave Optics有一个类似的非寻常波导结构，而后面我想知道Magic Leap 2是如何获得宽视场，这使得我发现他们同样采取了类似的设计。
Orion在波导的两边都有重叠的颗粒，光线必须经过三个光栅转向以射出。在Orion波导中，两个大光栅同时作为扩展光栅和输出光栅。光首先由输入光栅（1020为红色，1022为绿色，1024为蓝色）转向。然后，大约一半的光由其中一个大重叠光栅转向至相反的重叠光栅，其中光再转向输出光栅。另一半光则由大光栅按相反的顺序转向。
上图12A中显示的另一个功能是“视差校正”，根据Meta首席技术官博斯沃思的说法，Orion并没有这一功能，但会在未来的版本中纳入。有趣的是，Magic Leap 2 （ML2）似乎已经实现了这种“视差校正”，而他们将其称之为“在线显示校准”。Magic Leaps SPIE AR/VR/MR 2022演示文稿中的下图显示，ML2具有2D扩展器。
Wave Optics（Snap）单侧二维衍射光栅（Spectacles 5可能两侧都有光栅）
关于波导“光栅”结构的本质，我的主要错误是对线性光栅的偏见，我对线性光栅更为熟悉。正如我所写，我之前没有研究过Wave Optics波导，我误以为Wave Optics使用的是一组类似于2D线性光栅的“柱”光栅。实际上，以等边三角形排列的柱子可以在两个方向表现得像一个线性光栅（见下图16中的绿线和红线）。
就“传统的”单平面三光栅而言，光必须由三个光栅“转向”。在这种情况下，光首先由输入光栅转向，然后由一条对角线上的有效光栅转向，然后再由另一条对角线上的有效光栅转向以实现输出。《使用相对方向余弦图优化衍射波导中的光栅》一文很好地解释了这一过程。
我还没有机会对Snap Spectacles 4或5进行深入评估。我确实有Wave Optics的Titan开发套件波导，而我认为它们在设计上是相似的（尽管相对于Spectacles 4旋转了90度）。Titan波导的颜色均匀性问题显示在右上方。看看Spectacles 5将如何改进会非常有趣。
Wave Optics在他们之前的设备中使用了单层“柱”，包括Snap Spectacles 4。然而，我的消息来源认为（我本人无法确定是否属实）Snap Spectacles 5可能会在波导两侧使用线性光栅，如图所示。下面的图3和图15B使它在设计上更接近Meta Orion。所以在某种程度上，上一篇文章可能是正确的😊。
有证据表明，Snap Spectacles 5的波导明显不同于Spectacles 4。尽管第5代和第4代表现出类似的“眼睛发光”问题，从输出光栅的侧面有一个三角形，但被动（设备关闭时）光捕获在两代之间有所不同。注意，对于第5代眼镜，光捕获有渐变，而第4代眼镜没有渐变。第4代的被动光捕获与Titan开发套件波导类似，无论怎样照亮它们，都不会显示渐变。
Magic Leap 2：三个波导，两侧都有衍射光栅
我的消息来源相信ML2有三个波导，两边都有衍射光栅。知道这一点后，就可以更容易地整理解释ML2可能在做什么的大量专利（许多超过200页）。
正如我在上一篇博文中所述，US 2018/0042276是一份“综合专利”，它将一系列不同的概念组合到单份专利之中。申请实体随后将在原始说明书（文本和图形）的基础之上，对不同的概念提出分案申请。这份特殊的专利有272页长，含150多个图。专利讨论了仅在一侧或两侧放置输出光栅（见图34B）。
基于多项专利和SPIE 2022演示，Magic Leap为每个波导提供了空间独立的颜色输入（见下文）。
我同时找到了应用程序2020/0158942，它展示了如何在一侧放置2D光栅。细节显示了SEM（扫描电子显微镜）的图片，表明Magic Leap认真地开发了这种方法。这令我相信Magic Leap 2可能在一侧使用了复杂的衍射光栅。然而，与许多专利一样，许多发明最终并没有成为产品（至少不是ML2）。
Magic Leap有数百项涉及衍射波导的专利申请。许多新专利或多或少地附加到旧的Magic Leap 1专利中。所以，出现在ML2的概念隐藏在显示Magic Leap 1细节的说明中。
额外修正：Hololens 2在两个波导的两侧都有衍射光栅
我在文章中犯的第一个错误是：Hololens 2的光栅都在一侧。回到我曾谈过的专利申请US2017/0353871，它写道：“左右中间DOE（衍射光栅）位于波导的两侧。”在图13和14合并图所示，与左中间DOE重叠的右中间DOE位于波导的另一侧，如虚线所示。
总结
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HoloLens 2有一个双面波导。左右扩展光栅位于波导的两侧。
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先前的Wave Optics（Snap）波导在一侧使用柱型二维衍射光栅。有一个单一的波导来显示全彩。Snap Spectacles 5可能在单个波导的两侧使用线性衍射光栅。
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如果这是真的，则Snap和Meta Orion可能使用非常相似的波导结构。然而，Snap可能会对来自场序LCOS器件的所有颜色使用单个输入光栅。相比之下，Meta Orion有三个空间独立的输入光栅，这是由于使用了三个原色MicroLED投影仪和波导将它们组合在一起。
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Magic Leap 2在波导两侧使用线性衍射光栅。它确实使用了三个波导，每个基色都有空间独立的输入光栅。
正如前一篇文章所述，我并没有试图确定谁先发明了什么。这需要大量的精力，只能通过法庭解决。多年来，有大量的人在不同公司之间就职，加上其中一些可能是“形式跟随功能”，从而导致独立发明。
结论（和其他人的评论）
上述修正表明，Meta Orion、Snap Spectacles 5（Wave Optics）和Magic Leap在两侧都有重叠的线性光栅。Meta Orion和Snap可能使用单个波导来显示全彩，而Magic Leap 2则使用单独的波导来显示三种原色。
在没有亲身体验Meta Orion并使用合理的测试图案之前，我无法对图像质量做出任何明确的评价。考虑到他们使用单一波导将所有三种原色与宽视场结合在一起，我对图像质量持怀疑态度。但如果我能拿到一台设备进行评估，我非常乐意看到我被证明错误。有大量的变量可能会影响图像质量，包括衍射光栅的蚀刻缺陷和顶层和底层的对齐问题。
Meta Orion和Snap Spectacles 4 & 5所展示的眼睛发光依然存在社会接受度问题。我觉得有趣的是，有关于Orion的评论者谈论了看到眼睛的能力，但没有提到眼睛发光问题。
SadleyItsBradley频道的布拉德·林奇（Brad Lynch）几乎每天都在使用Apple Vision Pro（AVP）。他评论说，透过Orion看到的用户眼睛，它们看起来很像饱受诟病的EyeSight前置显示屏😀。
右边是我从大约2020年开始拍摄通过Wave Optics Titan波导看到的影像（从那时起它们可能已经有所改进）。请注意颜色变化，这是使用单个波导处理所有三种颜色的常见问题。
我同时想补充一些大卫·博内利（David Bonelli）的观察：
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他指出，使用高折射率碳化硅波导，人的眼睛会比“自然情况”移动得更多。人类对眼睛的行为非常敏感。
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他指出，为实现70度的视场，投影光学的输出透镜非常小（右下）。他担心会有很多光学畸变，可能会导致Orion本已很低的分辨率下降到视场中心之外，就像Apple Vision Pro和大多数其他VR头显那样。
附录：我的背景和博客概述
我的读者应该注意到，我拥有电气工程学士和硕士学位。在德州仪器工作的20年里，我设计并构建过CPI、图形处理器、图像处理器、视频芯片和存储设备（视频RAM和同步DRAM），并成为了德州仪器历史上最年轻的TI Fellow。在德州仪器工作的20年里，我有18年的时间都在研究用于生成图像和图形的集成电路。在这个过程中，我研究了视觉人为因素的问题。在我的150项美国专利中，大部分都与我在计算机图形和图像处理IC方面的工作有关。
离开德州仪器后（我应该补充一下，我从来没有直接从事过DLP的工作），从1998年到2011年，我在两家初创公司从事LCOS器件的工作。作为LCOS工作的一部分和我对摄影的兴趣，我开始学习光学的工作知识（能应付工作的知识）。
自从2011年开始写这个博客以来，我的“光学工作知识”已经大大增加，因为我一直在尝试弄清楚各种显示设备的光学。通过这个博客和我的报道，我看到了许多不同类型的带有不同光学器件的头显。在某种程度上看到和研究了这么多的光学系统，我相信我有“广博的知识”，但在特定领域，比如波导，我的理解比较浅。随着我深入了解各个公司在做什么，我的理解将会有所提高。
我的主要目标始终是理解对比和比较各种显示器和光学器件，而不是设计光学器件。由于我接触了许多头显系统和摄影经验，我试图通过好的“镜后图”（用相机拍摄通过显示透镜看到的影像）来帮助比较各种设计。我运用我在摄影、光学和显示设备方面的知识，拍出了能代表头显图像质量的照片。
我想为对技术感兴趣但对光学没有深刻理解的人写这篇博客。为了提供更多的参考，我尽量纳入背景信息和链接。
