Karl Guttag深度分析Magic Leap 2 的光学显示解决方案

查看引用/信息源请点击:kguttag

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。

延伸阅读Magic Leap 2 规格曝光,搭载18个传感器,支持眼动追踪,头显重248克

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)。

本文链接https://news.nweon.com/94317
转载须知:转载摘编需注明来源映维网并保留本文链接
入行必读:AR/VR——计算机历史第二次大浪潮

更多阅读推荐......

资讯