Lumus Maximus二維擴瞳陣列光波導(dǎo)，比HoloLens 2強在哪？

    去年7月，光學(xué)玻璃廠商肖特（Schott）宣布為AR光學(xué)廠商Lumus量產(chǎn)低成本AR反射光波導(dǎo)模組Maximus。據(jù)悉，Maximus基于Lumus的反射波導(dǎo)光學(xué)元件（LOE），可用于開發(fā)水平視場角53°（對角線65°），具有緊湊性、移動性、舒適性等特點的消費級AR眼鏡。

    近期，Lumus CEO Ari Grobman和研發(fā)部門執(zhí)行副總裁Aviv Frommer來到美國，展示了Lumus Maximus AR原型眼鏡的最新成果。該AR眼鏡整體圖像顯示效果優(yōu)秀，具備單目2K分辨率，亮度大于3000尼特（不久還將提升到4000尼特以上），視場角達50°，以及高透光性、輕量化等特點。

    據(jù)了解，Lumus所展示的AR眼鏡原型僅包含光學(xué)模組部分，并未配備電池、處理器、攝像頭和SLAM模塊，主要目的是通過有線投屏顯示的方式，來展示光學(xué)模組效果。

    細節(jié)方面，Lumus Maximus采用Compound Photonics提供的2K分辨率LCoS微型顯示模組。據(jù)Guttag稱，在Maximus上體驗過CP的LCoS模組后，改變了原先對于LCoS光源的看法，CP的LCoS模組可實現(xiàn)高對比度和優(yōu)質(zhì)色彩，以及高像素密度（單像素僅3微米）、高反射率（高效顯示）、高場序率（避免頭部運動造成色彩瑕疵）。

    實際上，Lumus在2017年的CES上就曾展示早期的Maximus概念產(chǎn)品，后來又推出了一維擴瞳光波導(dǎo)技術(shù)。由于一維擴瞳光波導(dǎo)技術(shù)所需的光學(xué)引擎體積較大，為了解決這一問題，Lumus Maximus采用二維擴瞳光波導(dǎo)技術(shù)，結(jié)合CP的LCoS光學(xué)元件，進一步縮小了光學(xué)引擎的體積。

    此外，采用二維擴瞳光波導(dǎo)技術(shù)的另一個優(yōu)勢是，未來還可以在50°視場角和正方縱橫比基礎(chǔ)上進一步提升，可以根據(jù)不同的縱橫比和視場角來調(diào)整光波導(dǎo)尺寸。

    Guttag表示：在體驗Maximus原型AR眼鏡后，發(fā)現(xiàn)它有許多令人驚喜的特點，比如：AR圖像的縱向尺寸足夠大，縱橫比1:1，色彩和亮度足夠均勻，比此前體驗過的其他光波導(dǎo)模組效果更好，等等。

    不過，Maximus原型眼鏡的圖像存在一些針插象差效應(yīng)，由于原型版僅采用簡單的球面光學(xué)模組，目前僅通過軟件來優(yōu)化圖像失真，而在未來正式生產(chǎn)的版本，將采用非球面光學(xué)模組來校正失真。

未經(jīng)軟件優(yōu)化的Lumux Maximus顯示效果

    從左到右視覺效果對比：Maximus 2K、HoloLens 2、Maximus放大1倍。整張圖橫向包括1.1萬像素。

    通過焦距更長的攝像頭來將Maximus和HoloLens 2的中心畫面進一步放大2.5倍，發(fā)現(xiàn)Maximus的水平和縱向角分辨率大約是HoloLens 2的四倍。

此外，Maximus顯示白色的效果也足夠干凈，幾乎看不到彩虹效應(yīng)。

    關(guān)于原型AR眼鏡的球面光學(xué)元件和邊緣的圖像失真，通過Guttag拍攝的Maximus右上角圖像畫面，可以看到一些重影和畫面失真效果。

    通常，AR眼鏡在顯示黑底白字時的對比度會比白底黑字更好，而Maximus顯示兩種不同底色圖像的效果均足夠清晰。

    接下來，Guttag進一步對比了Maximus與HoloLens 2在多方面的區(qū)別：

    光學(xué)效率

    Guttag表示：準確對比AR眼鏡光學(xué)效率其實并不容易，不僅不容易測量，而且結(jié)果也會受到大量變量影響，包括視場角、eyebox等等。不過，Lumus光波導(dǎo)通常比衍射光波導(dǎo)的效率更高。

    Lumus在今年3月國際光學(xué)工程學(xué)會舉辦的SPIE會議中，曾提到Maximus的光學(xué)效率預(yù)計達到每流明650尼特（nits/lumen），相比之下WaveOptics的衍射光波導(dǎo)方案Odin僅為每流明50尼特（nits/lumen），相當于前者是后者光學(xué)效率的十倍以上。

    實際上，光學(xué)效率越高，更有助于降低AR眼鏡的功耗，進而提升續(xù)航、降低溫度。

    光學(xué)顯示模組體積

    為了對比Lumux Maximus和HoloLens 2顯示模組的體積，Guttag將Lumus官網(wǎng)圖片與此前發(fā)布的HoloLens 2拆解圖進行對照，發(fā)現(xiàn)Maximus的LCoS顯示模組僅為HoloLens 2的激光掃描模組的1/4大小，與此同時Maximus可實現(xiàn)更高的分辨率，亮度甚至是Hololens 2的6倍左右。

    此外，F(xiàn)rommer在SPIE會議中也展示了關(guān)于Maximus的更多細節(jié)，比如：其光學(xué)模組由曲面鏡、CP微顯示模組、透鏡、注光棱鏡、光導(dǎo)管集成器、LED光源、分束器、光束準直元件等等，此外Maximus似乎采用類似于birdbath的光學(xué)方案，與一般birdbath不同的是，Maximus將發(fā)光元件置于透鏡側(cè)面，而不是在上方。

    Guttag表示：Maximus僅采用單一的PCB板和微型LED陣列，即可實現(xiàn)超過3000尼特級別的亮度，讓人印象深刻。Maximus的AR光學(xué)模組通過一個光導(dǎo)管集成器來融合LED光源的RGB色彩，接著注光棱鏡以特定的角度將光線折射到光波導(dǎo)中，實現(xiàn)全內(nèi)反射光線傳播。此外，偏振光線分束器將改變每顆像素的偏振，來控制AR畫面亮度。

    偏振光線經(jīng)過分束器后，會攝入曲面鏡，輸出準直的AR圖像。在這一過程中可能會有一個四分之一波片控制曲面鏡反射的光線進入分束器，然后輸出為AR圖像。實際上，Maximus采用了復(fù)雜精致的光學(xué)方案，上述光學(xué)結(jié)構(gòu)只是其中比較明顯的大致部分。

    CP LCoS微顯示系統(tǒng)

    除了Lumus的光波導(dǎo)技術(shù)外，CP提供的場序LCoS微顯示模組也有許多細節(jié)值得一提。在2019年時，青亭網(wǎng)就曾報道這款LCoS模組的尺寸僅0.26英寸（對角線），像素間距3.015μm，分辨率達2K，PPD達60，顯示規(guī)格1:1，適合應(yīng)用于50°視場角以上的光波導(dǎo)模組產(chǎn)品中。此外，該模組還可以進一步提升分辨率。

    Guttag表示：CP改變了以往LCoS模組的低對比度和色彩分離等缺點，比Google Glass和HoloLens 1采用的LCoS模組效果更好。比如：Google Glass的圖像有點色彩失真，而且由于對比度低，整體圖像看起來泛紅，看起來就像是有一個長方形的紅色背景。而HoloLens 1所采用的場序色彩LCoS模組，則會產(chǎn)生色彩分離的效果。

    而CP的LCoS模組支持240Hz刷新率（最高可提升至1440Hz），可大幅降低電子到光子延遲，避免色彩分離，此外也支持GPU模式，進一步降低延遲。

    對比度方面，CP的LCoS模組可實現(xiàn)2100:1對比度，其液晶模組采用VAN向列排列方式，特點是進一步提升了切換速度、色序率、對比度。

CP LCoS模組配置

    透光性

    前面提到，Maximus的透光性足夠高，約達85%，無需遮光罩，在室內(nèi)可顯示200到300尼特亮度。與HoloLens 2相比（透光率僅約40%），Maximus看起來更像是日常的眼鏡，旁邊的人可以透過鏡片看清你的眼睛。Maximus僅遮住15%環(huán)境光，相比之下HoloLens 2大約遮住了4倍光線，而市面上一些birdbath方案甚至遮擋住70%環(huán)境光，外觀看起來更像墨鏡。

    從Guttag公布的照片來看，還可以看到Maximus透鏡上半部分的光學(xué)浮雕圖案，而且使用者眼角膜中也反射出眼鏡顯示的AR圖像（很小的方形）。

透光率高還有一個好處，就是除了鏡腿部分，鏡片不會過多遮擋使用者的余光。

    四種AR光學(xué)模組透光率對比，Lumus透光率約85%，WaveOptics大于70%，HoloLens 2透光率40%，Nreal大約25%。

    值得注意的是，HoloLens 2和Nreal均在光學(xué)元件外加入了遮光罩，其中部分原因是為了保證AR畫面的亮度，避免光線泄露。

    光線泄露

    大多數(shù)光波導(dǎo)可能都存在漏光的效果，從外面看起來鏡片反著彩色的光，不像自然的眼鏡片。與HoloLens 2相比，Maximus漏光的程度大幅減輕，對此Lumus表示：Maximus漏光僅5%，未來通過優(yōu)化反射波導(dǎo)光學(xué)元件（LOE）的涂層，有望將漏光降低至1%。

eyebox和視場角

    Guttag表示：體驗過Maximus后，發(fā)現(xiàn)它的eyebox（眼動范圍）足夠大，AR畫面的寬度幾乎和透鏡一樣寬。

    Maximus通過2D圖像放大元件，將AR圖像放大至整個FOV范圍，這一過程需要兩個步驟：橫向放大和縱向放大。如果需要增加FOV范圍，則需要增加適眼距，而目前的AR光波導(dǎo)還不能實現(xiàn)像VR那樣高的FOV。

    從Guttag制作的示意圖來看，Maximus的眼動范圍并不是正長方形，底邊長度要比上面更短，而且右下角與鏡框重疊。

透鏡和屈光調(diào)節(jié)

    由于光波導(dǎo)的光源聚焦在無限遠，因此輸出的AR圖像也聚焦在無限遠，Maximus也是如此。為了提升視覺體驗感，緩解視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突或是屈光等問題，Maximus可以像HoloLens一樣采用雙透鏡結(jié)構(gòu)（第二個透鏡可固定在光波導(dǎo)附近），在無限遠焦距基礎(chǔ)上再加入一個2米左右的焦點平面�；蛘撸琈aximus可以采用動態(tài)液晶透鏡，比如在2017年時Lumus就與Deep Optics合作，研發(fā)AR動態(tài)對焦技術(shù)。

    除此之外，WaveOptics在今年初還曾宣布與3D打印處方鏡片廠商Luxexcel合作，研發(fā)嵌入光波導(dǎo)的視力矯正模組。

    FOV和縱橫比

    Guttag認為，包括Lumus在內(nèi)的許多AR廠商發(fā)現(xiàn)方形的縱橫比更適合人眼觀看，HoloLens 2也從第一代的16：9改善到3:2的顯示比例。

    而視場角方面，微軟HoloLens光學(xué)架構(gòu)師合伙人Bernard Kress就曾指出人眼固定活動范圍在40°到50°之間，在這個范圍中人眼分辨率最高。結(jié)合軟件IPD調(diào)節(jié)后，50°視場角范圍也足夠用，如果使用者希望視場角更寬，可以通過IPD調(diào)節(jié)，再設(shè)置為3:2或4:3的寬高比例來實現(xiàn)。

    總結(jié)

    Lumus Maximus采用了全新的二維擴瞳反射光波導(dǎo)+LCoS顯示方案，實測效果比HoloLens 2的激光掃描+二維擴瞳衍射光波導(dǎo)更好：

• 1，亮度是HoloLens 2的6倍多；
• 2，透光性是HoloLens 2的4倍；
• 3，光學(xué)顯示效率約為HoloLens 2的10倍多；
• 4，光學(xué)引擎和光波導(dǎo)模組體積更小；
• 5，像素數(shù)量是HoloLens 2的10到16倍；
• 6，漏光更少；
• 7，色彩和亮度更均勻；
• 8，色彩表現(xiàn)更優(yōu)秀；
• 9，對比度更高（除了幾乎全黑的圖像）；
• 10，功耗更低。

    除此之外，體積上Lumus Maximus原型機雖然比HoloLens 2小得多，不過前面提到Maximus原型目前僅包含AR光源和模組，未集成攝像頭、SLAM技術(shù)、電池、多焦距透鏡、處理器等更完整的元件。如果將Maximus制作成具有HoloLens 2完整功能的產(chǎn)品，體積可能要比普通眼鏡更大，更接近頭顯的外觀。

    未來，為了降低Maximus AR眼鏡的成本，Lumus可通過與肖特合作，利用低折射率玻璃來制造反射光波導(dǎo)，實現(xiàn)低成本量產(chǎn)。參考：Guttag