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- Karl Guttag:Magic Leap 2光学解析,部分指标超HoloLens 2
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原创 2022-03-28
Esther|编辑
今年初,Magic Leap光学工程部副总裁Kevin Curtis在SPIE Photonics West 2022大会上,公布了关于新品Magic Leap 2光学等方面的大量细节,并解释了这些设计背后的创新。
近期,AR/VR光学专家Karl Guttag发表了对于这场名为“揭秘Magic Leap 2高级AR平台和突破式光学”演讲的看法,并重点分析了Magic Leap 2光学和显示元件设计的优缺点,并分析了实际效果。
Guttag表示:ML2采用了LCoS+单层光波导设计,取消了ML1由多层光波导组成的“焦点平面”光学设计等等。
最终采用LCoS方案
据了解,Magic Leap 2和上一代一样继续采用LCoS微显示模组。Curtis解释,这是因为激光扫描技术无法满足AR的显示要求。另一方面,现有的MicroLED技术还不适合开发RGB AR眼镜。
Curtis指出,Magic Leap 2显示屏像素间距为3.8微米(ppd约为32,和上一代差别不大),面板高度大于宽度,其主动分辨率达1440x1760,另外还预留了96x96像素的缓冲区,以弥补显示屏与人眼对齐的误差,适应不同的IPD。
有传闻称,Magic Leap的LCoS显示屏供应商为豪威科技(OmniVision),甚至Snap的下一代AR眼镜可能也将采用豪威的光学技术。不过,Guttag也表示:现如今大部分LCoS厂商都能造出像素间距3.8微米的显示元件。
实际上,Magic Leap 1并没有设计像素缓冲区,而是推出了两种尺寸,以适应不同的IPD。
Magic Leap 2的显示区域更大,FOV也从原来的30°x40°增长至44.6°x53.6°(对角线FOV为66°)。可以看出,Magic Leap 2显示区域的增长主要体现在纵向,纵横比从3:4变成了5:4左右。
尽管显示区域变大,Magic Leap 2的体积却比上一代更小,而且正面看起来比Magic Leap 1明显更加轻量化,镜片的“边框”变窄了不少。
Curtis在演讲中指出,Magic Leap 2采用的LCoS方案足够紧凑,解决了FOV尺寸受限的问题。
通常,大多数LCoS方案采用分光镜和合光镜。而Magic Leap 1的LCoS方案未采用这样的设计,而是为每一层波导配备了单独的颜色路径,总共需要六个LED和六个波导,才能实现双目多焦点平面设计。相比之下,Magic Leap 2只有一组LED和波导,节省了很多体积。
除了设计更简洁外,单个焦点屏幕的另一个好处是可提升AR图像质量。
Magic Leap通过LCoS方案进一步缩小了光学元件的尺寸,比如省略了分光器。ML2与ML1一样为每个彩色波导提供独立的LED照明,区别是ML2的光源先通过光波导和投影透镜,然后再点亮LCoS元件,无需分光镜。
ML1光路
Guttag表示:Magic Leap 2并不是唯一省去分光镜的LCoS方案,在SPIE会议上,Avegant也展示了一款紧凑的新型光学引擎,其组合RGB光波导和LED的结构与ML2类似,也是通过投影光学器件将光线传输到LCoS模组。不同的是,Avegant的光学引擎适用于未采用分离式输入光栅的1-3层光波导结构(在SPIE上搭配Dispelix单层光波导进行演示)。
ML2光学结构
另一方面,Magic Leap 2还缩减了光学器件的尺寸,使LCoS显示系统在光学上更接近投影光学方案,实现更加简化的设计。
Magic Leap 2采用一种特殊的圆形偏振器组合,特点是将光路折叠,原理就像是一些短焦VR采用的光路折叠Pancanke方案。
Curtis指出,Magic Leap 2的光学效率比上一代高12倍以上,适眼区也翻了一倍。亮度可以在20到2000尼特之间调节。实际上,ML1由于采用多层光波导设计,其光学效率本身就相当低,亮度仅约150尼特。
Guttag表示:通常,AR眼镜宣称的亮度可能是一个理想值,在不同光线环境下实际亮度观感或不同。比如HoloLens 2号称亮度可达500尼特,而在实际测试中,只有AR图像中心的亮度才能达到500尼特。
ML2光学结构
Guttag指出,从表面上来看ML2的光学结构接近HoloLens 1,区别是采用了调光层。另外,ML2采用了2.0超高折射率玻璃层,因此FOV比HoloLens 2更大。相比之下,HoloLens 2采用的蝶式光波导设计,不仅复杂且影响图像质量。
ML2的透光率很低,只有22%,也就是说阻挡了周围78%的环境光,从深灰色的镜片也可以看出这一点。Guttag表示:这种透光率相当于中等深度的太阳镜,而坦率地说,我认为实际透光率可能还达不到22%。
ML1、Avegant、Lumus Maximus、HoloLens 2外部透视效果
这是因为,典型的高透过率反射偏振器约阻挡60%非偏振光,50%偏振光,另外还有约10%的光效损失。加上调光用的偏光片,会损失额外约10%亮度。而调光器的薄膜结构还将阻挡15%或更多。将三个衍射波导叠加后,通常会损失25-35%光线,再加上其他薄膜图层、镜片,还将损失约10%亮度。理论最佳也就是22%,实际情况可能会更低。
Guttag还指出,ML2和ML1一样可适配插入式屈光镜片,区别是ML2版需要特定的形状,留出眼球追踪相机的形状。
ML2配备动态和分段调光功能,该功能又称软边缘遮挡,类似于用LCD快门来局部或全局调暗亮度,其缺点是会阻止超过70%的环境光透过。另外,分段调光的精度比局部调光的LCD屏幕更低,在AR眼镜中可能会导致环境光的衍射问题。
近十年来,Magic Leap一直在宣传用多焦点平面/光波导组方案,来解决VAC(视觉辐辏调节冲突)问题。而在SPIE演讲中,Curtis称ML2直接放弃了这个功能,目的是提升AR图像质量。
Curtis表示:影响视觉舒适度的因素还有很多,甚至比VAC更重要。其中许多与图像渲染有关,这可以通过更准确的眼球追踪来改善,从而提升动态注视点渲染效果。
除此之外,除了眼球追踪模组外,ML2还内置了实时校准模组,用于检测“OCG区域”中的物理位置变化,从而在软件方面将画面与人眼对齐。
实际图像质量
Curtis在演讲中公布了一些ML2实际的显示效果图,从中可以看出AR图像边缘渐暗的效果,目前不确定拍摄位置在不在适眼距内,还是ML2本身的问题。
除此之外,实拍图的色彩饱和度看起来足够好。Guttag认为ML2可能在显示效果和亮度方面比HoloLens 2更好,不过ML2能否显示纯白等纯色的能力还不确定,需要实际体验来确定,而且严格来讲HoloLens 2的标准自身就比较低。
Curtis不仅在SPIE演讲上介绍了ML2的光学细节,还宣称Magic Leap具有设计和制造光波导的能力。之所以Magic Leap高调公布技术细节、以及进行PR,不少人认为Magic Leap给自己贴上了“待售”标签,似乎仍在寻找潜在买家。综合之前的信息,Guttag也认同这一看法。
( END)
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