Karl Guttag深度分析Magic Leap 2 的光学显示解决方案
卡尔·古塔格（Karl Guttag）撰文分享了自己的分析见解（请注意，卡尔的批评语气可能有点过激）
（映维网Nweon 2022年02月10日）在1月举行的SPIE.AR.VR.MR & SPIE PhotonicsWest大会中，Magic Leap光学工程副总裁凯文·科提斯（Kevin Curtis）进一步介绍了即将发售的Magic Leap 2的细节。其中，这款设备将搭载18个传感器，支持眼动追踪，并且提供分段调光功能。
针对科提斯的PPT演示，近眼显示技术专家卡尔·古塔格（Karl Guttag）撰文分享了自己的分析见解。下面是映维网的具体整理：
我将重点讲解演讲介绍的显示器和光学元件。这篇文章是基于我在大会拍摄的照片（经过编辑）和相关记忆。
1. 选择LCOS而非MicroLEDs和激光光束扫描
科提斯解释了显示技术的决策过程。尽管许多人认为MicroLED可能是未来的发展方向，但它们的成熟度显然不足以用于量产彩色头显。这位光学工程副总裁表示，尽管激光扫描存在于Magic Leap的“DNA”中，以及投入了数百万美元进行研发，但激光扫描无法满足其显示要求。
或许具有讽刺意味的是，ML2用堆叠波导消灭了ML1的“焦平面”。所以，这家公司在2013年向早期投资者吹嘘的两项原始关键功能现在都已消失。
在评估了所有替代方案后，Magic Leap认为LCOS是最适合其应用的显示技术。对于大多数需要彩色或更高分辨率的新型波导设计而言，LCOS都是首选显示器。Avegant和Digilens都推出了搭载非常小、非常明亮的LCOS波导的设计。
2. 高分辨率（1440 x 1760有源）LCOS显示屏（传闻是Omnivision LCOS）
科提斯称，显示器的高度大于宽度存在优势。如图（右）所示，ML2“有源显示器”宽1440像素，高1760像素。它们保留了96×96像素以将显示屏与眼睛对齐。
Magic Leap One（ML1）没有保留像素，而是需要两个型号来覆盖不同的瞳孔间距。有人错误地认为，根据头部大小，ML2会提供基于头部尺寸的不同型号。PPT指出，ML2只有一种型号。另外，保留像素有利于眼睛移动时出现的其他显示器与眼睛对齐问题。
尽管Magic Leap没有提到，但有传闻称他们正在使用Omnivision的LCOS组件。这并不奇怪，因为ML1就有用到Omnivision的产品。传闻同时指出，尽管最近收购了Compound Photonics，并且目前的原型正在采用TI的DLP，但Snap可能同样会使用Omnivision的组件。如今，大多数LCOS厂商都有能力制造这种具有3.8微米像素间距的组件。
我在下图添加了视场估计值以及每个方向上的像素数。视场区域和像素数量对比ML1都翻了一番，所以每度的像素数量大致相同。应该指出的是，尽管Hololens 2错误地宣称每度分辨率为47像素，但它的有效（可测量）分辨率接近每度15像素，或者换算成ML2每个方向的约一半。我完全相信ML2将在分辨率和几乎所有其他可测量的图像质量方面击败HL2，除了真实世界的透明度（稍后将详细介绍）。
3. ML2的紧凑LCOS光学设计
本次演讲（错误地）指出LCOS之外的部分方法都在视场方面受限。他们所说的“大多数LCOS设计（上）使用颜色合成光学元件（X-cube或一系列二向色镜）和偏振分束器”这一说法是正确的。他们同时提到了Himax的Front-Lit。但我见过几个更具创新性的大视场紧凑型设计，包括Lumus的Maximus（下）。
Lumus Maximus LCOS Engine
尽管用了分束器，但ML1的光路没有X-cube或其他颜色合成光学元件。相反，ML1将颜色通道分到了每个波导。因为ML1支持双焦平面，它需要六个LED和六个波导（红绿蓝各两组）。因为ML2不支持双焦平面，它们只需一组LED和波导。
支持单焦平面可以带来其他方面的简化增益。相对于ML1，这应该能大幅提升ML2的图像质量。
ML2在利用LCOS减少整体光学元件尺寸方面有创新的方式。与ML1一样，它们首先为每个单独的彩色波导（这次只有三个）提供单独的LED照明。有趣的是，它们随后通过波导和投影透镜发送照明光，从而照亮LCOS设备，并且避免了分束器的需要。
下面的左图显示了组合的红光、绿光和蓝光路径（我组合/叠加了三张PPT幻灯片）。Magic Leap使用圆形偏振器的“巧妙”组合来控制进出光路。这种带有圆形偏振器的折叠路径似乎类似于更新、更紧凑的VR头显所使用的Pancake光学系统。设计相当紧凑，如下图所示。
尽管消除分束器会减轻一定重量，但它对总重量的占比并不是很大。更重要的是，它缩小了光学元件的尺寸，使LCOS显示器在光学上更接近投影光学元件，这有助于简化所述光学元件。
尽管许多非设计人员担心续航能力，但更大的设计问题是功耗带来的热量管理。ML2声称在考虑视场和视窗时效率提高了12倍以上，这很可能是真的。但ML1在支持双焦平面的情况下效率很低（没有免费的午餐）。“单个SKU”是因为前面讨论过的“保留”像素。
4. 2000 nits峰值亮度，70视场下的重大成就
科提斯表示ML1大约150 nits（大概匹配我的测量），并且应该可以达到2000 nits。使用具有约70度视场的衍射波导实现2000 nits是一项重大成就。相比之下，HL2宣称有500 nits，但仅在我测量的一张非常不均匀图像的中心如此。Lumus Maximus预计50度视场每瓦LED功率超过4000 nits。ML尚未说明ML2 2000 nits的功耗。
LED光通过投影光学元件照亮LCOS，并且免除分束器需要可能看起来非常奇怪，但ML并不是唯一尝试这种方法的公司。在大会上，我看到了Avegant全新的、非常紧凑的光引擎。与ML2一样，Avegant使用波导结构将红、绿和蓝LED结合，并通过投影光学元件向LCOS发送光（见右图）。但与ML2不同，Avegant是为设计没有空间分离输入光栅的一到三层波导。Avegant用单层波导演示了他们当前的原型。
5. ML2的光学堆栈
ML2的光学堆栈（在投影仪之后）显示在右侧。从表面上看，它看起来很像HoloLens 1的堆叠，而不是说调光层。这没什么奇怪。ML2使用了非常高折射率的2.0玻璃（最近菜才面市），这有助于支持比HoloLens 2更宽的视场，无需求助于HoloLens 2复杂且会影响图像的“butterfly蝶形”设计。
HoloLens 2的整个激光扫描显示屏和butterfly蝶形波导似乎是“一个逃离实验室的研究项目”。ML2同样有一种“研究人员乐在其中的实验风”，比如调光功能（稍后将详细介绍）。
去极化膜（最左边）减少了典型极化LCD显示器的问题。“目镜”是一套带有保护罩和涂层的红绿蓝波导。
6. 22%的透光率或78%的真实光线被阻挡：最佳情况
首先是PPT所说的22%透光率。它们最高可以阻挡78%的真实世界光，大概等同于中暗色的太阳眼镜。坦白说，我认为22%很可能只是一个理论数字，亦即Magic Leap可能无法实现。
典型的“高透射率”反射式偏振器可以阻挡大约60%的未偏振光，50%用于偏振，另外大约10%的损失。调光器结构有另一个偏振器，它又会损失约10%以上。调光器的各种薄膜和结构则损失大约15%或更多。三个衍射波导的叠加通常会损失25%-35%。再加上10%的其他薄膜、涂层和镜片，我算出的最佳情况是22%，但很可能更糟糕。
一般来说，人们不会把自己理想的房间照明亮度再提高5倍。Magic Leap首席执行官在接受CNBC采访时曾给出过一个明亮手术室的例子。手术室如此明亮是有原因的，而且医务人员并不想让手术室再亮5倍。
下图所示为阻挡85%真实光线的ML1；搭载高度透明（可能>85%）的Dispelix波导的Avegant原型；约85%透明的Lumus Maximus原型；以及40%透明的Hololens 2。ML2将阻挡大约两倍于HoloLens 2的真实世界光线，比Dispelix和Lumus多4到5倍的光线。
Magic Leap没有提到“正面投影”，这是许多AR眼镜都能看到的发光伪影。Magic Leap One和Hololens 1&2都因大量的正面投影而出名（见上图左上角的CNET ML1图片）。所以我猜Magic Leap不提的原因是数字不好。我的经验是，如果一家公司不愿意谈论一个显而易见的问题，最终的答案很可能是相当糟糕的。相比之下，对于Avegant/Dispelix眼镜，我很难从任何角度看到任何正面投影，而且团队非常自豪地说，正向投影降低到了1%左右。
“LED层”是用于照明眼睛的红外LED。ML2需要插入式镜片进行视力矫正，但它们与ML1不同，因为其需要用于眼动追踪摄像头的切口（左下角）。大会中有不少人都评论说，插入式镜片会给用户带来管理方面的噩梦。
7. 屈光度（调焦）透镜
正如我在上一篇文章中所讨论的一样，ML1在波导的离栅中内置了一个屈光度调节装置，见伯纳德·克雷斯（Bernard Kress）所著书目《用于增强现实、虚拟现实和混合现实头显的光学架构》。克雷斯指出，ML1的离栅屈光度调整方法往往会降低图像质量。
与HoloLens 1和2类似，ML2使用前后透镜来调整焦点，就像我在上一篇文章中推测的一样。从大多数波导中射出的准直光聚焦在无穷远处。离眼睛最近的透镜将焦点移动到大约1.5到2米的更近距离。波导世界侧的透镜进行补偿，以防止真实世界的焦点发生变化。这种透镜方法应该有助于ML2的图像质量超过ML1。
8. 动态和分段调光
在2021年10月，我解释了Magic Leap分段调光的固有问题，亦即业界所谓的“软边缘遮挡”。我解释道，使用LCD快门来全局调暗或像素化阵列调暗区域的技术是众所周知的事情，而且这项技术没有予以应用，因为它会损失超过70%的入射真实世界光，如上文所述。
除了光损之外，分段调光极度不精确/模糊，而且调节单个像素同样会应影响周围成千上万个像素。尽管分段调光看起来像是支持局部调光的LCD电视，但分段调光方法的精确度可能要低几个数量级。另外，正如Magic Leap专利所指，分段调光像素将导致衍射问题。
Magic Leap有一张幻灯片讨论了这个概念，但没有细节，只有几张低分辨率的图片（见下图）。根据Magic Leap的专利和我的分析，它的效果可能不是非常好。请注意，调光是从遮挡80%的真实光线开始。
9. 视觉舒适度和VAC：焦平面消失
近十年来，Magic Leap一直在吹嘘与视觉辐辏调节冲突有关的问题，以及使用多组具有不同焦平面的波导的解决方案。科提斯在演讲中直言不讳地指出，ML2已经放弃了这个功能。实际上，我在2021年10月的文章中推测他们已经放弃了，因为这将有利于更好的图像质量。
科提斯解释说，在影响视觉舒适度方面存在比VAC更重要的问题，如左边的幻灯片所示。他认为，许多问题都与渲染有关，而不是与VAC有关，而且所述问题中的许多都可以通过更准确的眼动追踪来改善。这位工程师解释说，Magic Leap已经改进了眼动追踪和渲染。
对于改进的眼动追踪系统，一个副作用是需要有切口，因为摄像头需要看到用户的眼睛（见下图）。
这次演讲同时提供了有趣的信息：即使是很小的机械运动都需要校正双眼对齐。ML2包括用于检测头显弯曲的传感器/摄像头，以便校正双目定位（见下图）。
10. 图像质量：难以评估
PPT中有一张幻灯片提供了“透过透镜看到的效果图”。其中，为了适配一张1080p分辨率的幻灯片，三张图片进行大幅缩小。所有的图像都显示出严重的渐晕伪影。尽管如此，我们不可能确定这是不是摄影的问题，还是因为ML2本身的问题。
幻灯片中的三幅图像都有高度饱和的颜色，所以很难判断颜色是否准确，以及颜色是否有变化。我更喜欢看人像和纯白色的内容。有趣的是，文本颜色是纯绿色而不是白色，而这能够隐藏波导中的任何颜色变化。所述图像只能表明ML2的图像质量优于HoloLens 2，但无法与其他公司的显示器和波导进行比较。
我不怀疑ML2的图像质量要比ML1或HoloLens 1和2好得多，但这是一个非常低的标准。所以，我们需要拭目以待，直到设备发售才能对图像质量进行客观分析。
11. 结论
尽管ML2显然会在图像质量和亮度方面击败HoloLens 2，但HoloLens 2设置了一个非常低的标准，而且当ML2在其他很多方面都存在问题，前述优势其实并不重要。与HoloLens 2相比的关键劣势包括：有一根线，没有足够的适眼距来支撑普通眼镜，以及缺少翻转屏幕。
另外，挡住约80%的光线是一个无法挽回的错误。正如我之前，ML2看起来像是一开始是为消费市场设计的产品，但由于它对这个市场而言过于昂贵，所以团队将它重新设计为“企业”设备。
我越是回想PPT以及本文未涉及的其他方面，例如他们设计和制造自己波导的能力，我就越同意那些认为PPT更像是“待售”标志的人的看法。
值得一提的是，坊间有传闻称（我没有消息来源）Magic Leap正准备出售公司（传言中最热门的名字是谷歌，因为他们本身就是Magic Leap的投资者）。
