Karl Guttag:微软HoloLens 2激光显示解析(四)

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此前我们已经报道三篇了Karl Guttag关于HoloLens 2光学解析文章,分别报道了HoloLens 2的LBS激光扫描显示分辨率解析HoloLens 2与HoloLens 1清晰度对比高分辨率图像与次像素排列中斜向纹理解析

在第四篇文章中,Karl将再次对LBS激光显示系统进行解析。其中,Karl收到了光学专家David Kessler邮件:他提到,我在文章中猜测HoloLens 2采用了US10025093专利中提到光学扩展器说法不准确,他认为HoloLens 2没有使用光学扩展设备。

Hololens-2-LBS-Projector-Diagram-001

从微软官宣图中来看,其具备光学扫描镜,而网友s2upid拆解了Trimble版本的HoloLens 2,并能看到Microvision的logo。

HoloLens 2拆解视频

Karl此前认为:从拆机视频中可以看出US10025093专利中的光学器件可能就位于图中大的慢扫描镜后面(红色圆圈位置),从而进行扩展。不过事实并非如此,在查看微软专利后,从而了解光学扩展组件的工作原理。

微软光学扩展相关专利

下图是微软名为“扩大显示孔径”的专利(US2019/0278076专利号)示意图,拆解视频截图的结构对应图,通过蓝色进行对应组件的连线。

HL2-Optcis-vs-Patent-Application-003

专利中提到的:快速扫描镜的孔径必须很小,因此扫描镜也必须足够小,从而满足在不扭曲变形的情况下快速进行扫描。

如专利图5-2,随着快速扫描镜的工作弧度(338)增大,快速扫描镜(310)频率需要在10KHz以上,当达到20或30KHz的频率是会让快速扫描镜(310)发生扭曲变形。因此,通过扩大孔径尺寸、减小扫描镜尺寸,可以防止快速扫描镜(310)扭曲变形。

HL2-patent-optics-side-view-001R

图6是图5-2组件的侧视图,可以看到整个光线传输路径。

HL2-Laser-Engin

在HoloLens 2上存在三组聚光元件(440),激光模块拆解的情况与上图是相反的,红、绿、蓝每一个通道都有双激光器、以及通用的光学汇聚元件。激光进入传统二向色激光光束合束器(图6未列出),然后将光线传输至快速扫描​镜(图6中410;图5-2中310)。

HL2-pupil-001

在图7中列出孔径尺寸随着反射镜的大小在图5-2和图6中是如何发生变化的。可以看出,孔径的高度比宽度要大。而在拆解的图片中,孔径的形状也是高度比宽要大,这也能表明图像在水平方向会造成扭曲失真。

孔径的变化与图像失真

下图是单个HoloLens 2光学显示单元的拆解图,其中蓝线标注为光机引擎的尺寸,实际是一个矩形的设计,尺寸约24.4×29×19mm,这样的体积对于AR/VR头戴式设备而言仍然非常大。

HL2-teardown-removed-waveguide-with-engine

在HoloLens 2衍射波导的图片可以看出(红色椭圆虚线)也是高度大于宽度,中间衍射光学元件(DOE)左侧的青色三角形区域和右侧蓝色区域,都是宽大于高。

Karl表示:目前还没有看到微软提交相关图像失真的专利。不过,貌似是HoloLens 2中采用的蝶形波导最终会将图像宽度进行2倍像素的输出,因为约一半的图像沿着DOE向两侧传播。

US20170363871-Fig-13-14

如上图微软的专利US2017/0363871中图13、14所示,图13中的黑色光线与图14中的红色光线会部分融合。

US20170363871-Fig-16

在同一份专利中,图16解释了左右两个区域如何融合,导致图像的宽度像素数翻倍。尽管专利中没有明确提出,但Karl猜测蝶形波导似乎是导致像素水平拉伸的原因。由于波导会导致水平拉伸,因此在实际驱动激光显示时水平像素就需要减半,因此图13、14中输出显示区域的宽度比高度要大。

HoloLens 2光机体积非常大

如上图所示,LBS激光和光学扩展模组的容积约13.4立方厘米,这套光机引擎的体积确实比较大。

Various-Display-Engines

通过对比其它采用衍射波导方案的AR头显的光机引擎来看:

  • Compound Photonics的光机体积不到HoloLens 2的25%,但却拥有50度左右类似的视场角;
  • Waveoptics的DLP光机引擎体积为HoloLens 2的70%,分辨率更大,视场角约40度;
  • Vuzix和JadeBird展示的Micro LED原型(单绿色),约为1立方厘米(1厘米的立方体),并号称实际还会更小。

梯形区域显示更佳的可能性

在第三篇文章中,HoloLens 2实际显示中只有上方的一块倒梯形区域的亮度更高更均匀,色彩显示也更为准确。

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

对此,Karl表示通过本文上面提到的图13、图14了解到,光线传输路径向左右两侧斜向传播,这点也就很好理解了。

扫描线宽度,斜向纹理线条

在实拍HoloLens 2的高分辨率图片中,可以看到次像素组成的斜向纹理线条,在第三篇文章中提到Karl猜测这可能是由于出瞳扩展器(EPE)导致的,但是实际并没有证明这一点。

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

从上图来看,在图片左、中、右三个区域分别放大显示,可以看出左侧出现向右倾斜的纹理,中间也是向右倾斜并且伴有椭圆形状的线条纹理,右侧是向左倾斜的线条纹理。

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

图:45mm焦段镜头,每条扫描线约占图片7.5个像素

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

图:黑色区域的斜向线条

虽然Karl暂时还不能确定具体斜向纹理线条的具体原因,但是给出了一些观测结果:

  • 1,屏幕左侧线条向右倾斜,屏幕右侧的线条向左倾斜;
  • 2,屏幕中间会有一个从左到右的过渡;
  • 3,在部分区域,斜向线条的水平间距与两条扫描线几乎相同,同时线条的粗细会发生变化;
  • 4,在部分区域,斜向线条被三个扫描线宽度隔开;
  • 5,斜向线条角度约60度;
  • 6,曝光时间较长(超过8个扫描周期)的线条会更清晰,表明线条不会发生变动;
  • 7,黑色的图案区域也有斜线线条出现,表明它们吸收散射光;
  • 8,虽然最终呈现的图像有色差,但线条没有色差现象,或表明线条在耦出这一侧;
  • 9,斜向线条无色差,原因很可能是耦出光栅附近或上方导致;
  • 10,如果线条来自耦出光栅,则间距最小在12-13μm(微米),大的间距在24-26μm(29度的垂直视场角共约854条扫描线,眼睛距离波导20mm),因此看上起光栅本身不到1μm(光的波长400~760nm×1.4)。

截止目前,仍然不确定导致这些斜向线条的原理或意图,但是Karl以往实拍的每张样片中都能看出这一现象。

结论

我们可以看出HoloLens 2使用了一组透镜将激光束引至快速扫描镜,然后通过其它光学元件扩大孔径,再耦入进波导,导致整个光机模组体积较大。目前仍不清楚,光学扩展元件进一步缩小体积的可行性。

Karl认为,HoloLens 2显示效果出现的倒梯形区域显示亮度更高、色彩更均匀的原因就在于,DOE上光线是向左右斜向传播。

而关于斜向纹理线条成像的约60度角度来看,目前仍没有思路。

参考:https://www.kguttag.com/2020/07/17/hololens-2-display-evaluation-part-4-lbs-optics/

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