DigiLens轻量化AR光学模组体验:户外场景足够清晰

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上个月,DigiLens宣布与三菱化学合作,开发了一款塑料基板的低成本AR光波导模组Crystal30-G,特点是重仅2.73g(相比之下玻璃基板重4.39g),低成本,可量产等等。不过,塑料基板与玻璃基板相比,厚度从0.81毫米增加到1.03毫米。轻量化、低成本的AR光波导是未来全天候AR眼镜的关键,因此Crystal30-G的实际显示效果如何,也备受关注。

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据了解,DigiLens成立于1997年,该公司主要依靠科研补助和融资来运营,似乎从未量产任何AR光学模组。此前,HoloLens光学架构师Bernard Kress此前也曾在DigiLens就职。

实际上,DigiLens不断在研发和优化AR光学技术,此前三星、Niantic、德国大陆、索尼、三菱化学均曾投资这家公司。近期,DigiLens组建了新的管理团队,并计划将科研成果开发成可量产的产品。今年5月青亭网曾报道,DigiLens公布可量产的模块化AR眼镜参考设计v1 AR,其基于自家Crystal50 AR光学模组和高通XR2平台,采用光波导显示方案,透光率80%,亮度325nit,视场角约50°。

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为了了解DigiLens光学模组的实际体验,近期AR光学专家Karl Guttag参观了位于加州圣何塞的DigiLens实验室,上手体验了Crystal30和Crystal50两款产品。他认为DigiLens的光波导方案有许多优势,比如光学效率更高,漏光更少,而缺点则包括彩色图像均匀度等等,总结起来如下:

优势

  • 光波导的效率提升;
  • 降低光波导的漏光率;
  • 模块化光波导可更换;
  • 预计年内推出塑料基板光波导;
  • 可定制、尺寸设计灵活;
  • 生产周期大约只需1小时、成本低、适合量产。

缺点

  • 彩色图像均匀性似乎低于大多数衍射光波导方案(WaveOptics、Dispelix等等)的水平,效果远不如Lumus的反射光波导;
  • 效率可能不如Lumus的反射光波导方案;
  • DigiLens光学方案似乎支持分辨率较低的屏幕,不确定是否会限制AR显示效果。

关于Crystal30体验

Guttag表示:Crystal30-G:亮度大于3000nit,视场角30°。AR模组部分画面受户外阳光影响,不过整体效果足够清晰。在无云的晴天中测试Crytal 30-G的显示效果,环境亮度大约在3000到7000尼特之间。

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目前,Crystal30-G仅支持绿色显示,在阳光下透光率足够高,部分AR图像会变淡,但整体足够清晰。其光源采用DLP微型显示模组,视场角为15°x26°,漏光率不到11%,因此AR光源几乎不会从透镜中散射至外面。

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细节方面,Crystal30-G的光波导基板(布拉格光栅镀膜光波导)采用康宁的大猩猩玻璃,抗衰性不错。光波导与现实模组并非集成一体,因此方便更换。从图片可以看到,DLP光源损失了一部分非偏振光,因为光波导仅支持偏振光。

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另外,与HoloLens 2等衍射光波导方案相比,DigiLens漏光率更低,意味着从眼镜外部不容易看到AR内容,使用者眼前也不会发出奇怪的亮光。相比之下,大多数衍射光波导的漏光率大约在50%到100%之间。

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为了将漏光率降低至1%以下,DigiLens采用LCoS光源(集成于光波导的激光显示屏WILD),配备基于布拉格光栅镀膜和陷波滤波器的光波导方案,其中陷波滤波器镀膜的波长调整至和激光同样的水平。

相比之下,Lumus采用反射式光波导,将漏光率降至1%。

体验Crystal30彩色版

除了单色版本外,DigiLens还展示了Crystal30的彩色显示模组。Guttag发现,彩色版Crylstal30的色差比较明显(尤其是上下部分),色彩均匀性不好,Guttag称其染色率大于80%。Crystal30采用两层光波导,一层显示红绿,另一层显示绿蓝色。

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尽管如此,Crystal30的色差(彩虹效果)依然不如HoloLens 2明显。Lumus光波导的色彩均匀度最好。

体验DigiLens Design v1

据了解,DigiLens v1配备Crystal50光学模组,可支持空间计算,并具有模块化的特点。

Guttag认可DigiLens此前用摄像头实拍的v1显示效果,称实际体验差别不大。Crystal50采用RGB激光和3层光波导,来分别显示红绿蓝三色,透光率大于80%。此外,v1采用双1280x720分辨率的DLP投影模组和可替换的Crystal50光波导模组。

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v1的定位主要是一个参考设计,其模块化设计意味着眼镜厂商可以尝试不同的配置和设计,简化AR眼镜设计流程。你可以替换光波导,或是将模块化元件集成在一起。

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模块化的设计对于一些应用场景非常重要,它更容易维修,尤其是在工业等可能经常磕碰、摩擦的场景中,或用于游乐场、线下AR等等。

关于光学效率

Guttage表示:光学效率对于AR极其重要,AR的亮度越高,在户外强光场景中的显示效果越清晰。不过,测量光学效率也同样很难。

经过对比,Guttag发现:Lumus:1瓦特LED光源可显示大于3000nit亮度,未来将提升至4500nit以上。而Nreal大约是0.85瓦特可显示约120nit亮度。

据DigiLens称,其Crystal50方案在显示50°FOV和12x10毫米眼动范围情况下,偏振光效率将大于350nit/流明,非偏振光效率约为175nit/流明。而WaveOptics的56°FOV、12x7毫米眼动范围光波导的光学效率仅为50nit/流明。WaveOptics系统采用非IPA拟真的DLP光源,效率可能仅为DigiLens的一半。

DigiLens的优势在于,射出光栅引导光线进入人眼的效果更好,因此漏光率低。此外,DigiLens的光学效率大约是WaveOptics的2倍到4倍,而Lumus光学效率是DigiLens的2倍到4倍(Lumus Maximus:偏振光大于650nit/流明)。

塑料基板光波导

由于光波导的光学原理,光线进入光波导模组后经历很多次全内反射。因此,光波导表面的任何瑕疵都会带来成倍的影响,也就是说光波导需要基于稳定的高质量材质,需要具备高度平行且几乎完美的表面。因此,这些年来几乎没人开发出适合光波导的塑料基板。

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据Guttag了解,三菱化工可能开发出合适的塑料光波导,而这家公司也是DigiLens的投资方之一。

实际上,DigiLens在2019年的Display Week活动中就透露,正在与三菱化工合作开发塑料基板的光波导,并预计在今年推出基于塑料光波导的AR产品。

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与塑料光波导相比,实际上玻璃基板的安全性更低,在军事、工业等场景中,为了避免玻璃光波导受损,需要采用具有厚度的塑料基板作为保护罩,避免玻璃伤害人眼。不过,这种塑料基板实际上为AR眼镜增加了体积和重量,效果不算好。

据DigiLens称,其光波导技术的生产周期远比表面浮雕光栅方案更短,将玻璃基板做成光波导只需要1小时,因此生产和迭代过程更快。此外,DigiLens的生产成本更低,不需要精密、昂贵的设备。

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总之,Guttag认为DigiLens的图像质量并非AR模组中最优秀,但对于许多AR应用场景已经足够用,效果可能比HoloLens 2更好。此外,比其他衍射光波导的漏光率更低,不过外观看起来依然有些发光,不确定未来对量产有哪些影响。

值得注意的是,DigiLens方案的光学效率不错,亮度足够高,适合户外场景。外观设计上,模块化设计对一些应用场景非常重要,可替换光波导和塑料基板光波导设计足够灵活。不过,其制造流程具有许多不确定性。参考:KarlGuttag

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