Lumus Maximus二维扩瞳阵列光波导,比HoloLens 2强在哪?

青亭网( ID:qingtinwang )--链接科技前沿,服务商业创新

去年7月,光学玻璃厂商肖特(Schott)宣布为AR光学厂商Lumus量产低成本AR反射光波导模组Maximus。据悉,Maximus基于Lumus的反射波导光学元件(LOE),可用于开发水平视场角53°(对角线65°),具有紧凑性、移动性、舒适性等特点的消费级AR眼镜。

Feature-Lumus-Maximus-002

近期,Lumus CEO Ari Grobman和研发部门执行副总裁Aviv Frommer来到美国,展示了Lumus Maximus AR原型眼镜的最新成果。该AR眼镜整体图像显示效果优秀,具备单目2K分辨率,亮度大于3000尼特(不久还将提升到4000尼特以上),视场角达50°,以及高透光性、轻量化等特点。

据青亭网了解,Lumus所展示的AR眼镜原型仅包含光学模组部分,并未配备电池、处理器、摄像头和SLAM模块,主要目的是通过有线投屏显示的方式,来展示光学模组效果。

Lumus-Maximus-Corner-Shot-2021-05-09-5636

细节方面,Lumus Maximus采用Compound Photonics提供的2K分辨率LCoS微型显示模组。据Guttag称,在Maximus上体验过CP的LCoS模组后,改变了原先对于LCoS光源的看法,CP的LCoS模组可实现高对比度和优质色彩,以及高像素密度(单像素仅3微米)、高反射率(高效显示)、高场序率(避免头部运动造成色彩瑕疵)。

实际上,Lumus在2017年的CES上就曾展示早期的Maximus概念产品,后来又推出了一维扩瞳光波导技术。由于一维扩瞳光波导技术所需的光学引擎体积较大,为了解决这一问题,Lumus Maximus采用二维扩瞳光波导技术,结合CP的LCoS光学元件,进一步缩小了光学引擎的体积。

此外,采用二维扩瞳光波导技术的另一个优势是,未来还可以在50°视场角和正方纵横比基础上进一步提升,可以根据不同的纵横比和视场角来调整光波导尺寸。

Guttag表示:在体验Maximus原型AR眼镜后,发现它有许多令人惊喜的特点,比如:AR图像的纵向尺寸足够大,纵横比1:1,色彩和亮度足够均匀,比此前体验过的其他光波导模组效果更好,等等。

不过,Maximus原型眼镜的图像存在一些针插象差效应,由于原型版仅采用简单的球面光学模组,目前仅通过软件来优化图像失真,而在未来正式生产的版本,将采用非球面光学模组来校正失真。

Lumus-Maximus-2K-by-2K-2021-05-09-91868-17mm_f8_30th-ISO200_DxO-1-1

未经软件优化的Lumux Maximus显示效果

Lumus-2K-x-2K-vs-Hololens-2-vs-Lumus-Maximus-at-1K-x-1K-2021-05-09-91868-17mm_f8_30th-ISO200_DxO-1 (1)

从左到右视觉效果对比:Maximus 2K、HoloLens 2、Maximus放大1倍。整张图横向包括1.1万像素。

通过焦距更长的摄像头来将Maximus和HoloLens 2的中心画面进一步放大2.5倍,发现Maximus的水平和纵向角分辨率大约是HoloLens 2的四倍。

Lumus-vs-HL2-42mm-comparison-2021-05-09-91939-42mm_f8_125th-ISO320_DxO002 (1)

此外,Maximus显示白色的效果也足够干净,几乎看不到彩虹效应。

Lumus-Maximus-vs-Hololens-2-BoW-test-2021-05-09-91973-17mm_f8_60th-ISO200_DxO-1 (1)

关于原型AR眼镜的球面光学元件和边缘的图像失真,通过Guttag拍摄的Maximus右上角图像画面,可以看到一些重影和画面失真效果。

Maximus-Upper-Right-Corner-1

通常,AR眼镜在显示黑底白字时的对比度会比白底黑字更好,而Maximus显示两种不同底色图像的效果均足够清晰。

Lumus-Maximus-Closeup-BoW-2021-05-09-91954-42mm_f8_125th-ISO200_DxO-1

接下来,Guttag进一步对比了Maximus与HoloLens 2在多方面的区别:

光学效率

Guttag表示:准确对比AR眼镜光学效率其实并不容易,不仅不容易测量,而且结果也会受到大量变量影响,包括视场角、eyebox等等。不过,Lumus光波导通常比衍射光波导的效率更高。

Lumus在今年3月国际光学工程学会举办的SPIE会议中,曾提到Maximus的光学效率预计达到每流明650尼特(nits/lumen),相比之下WaveOptics的衍射光波导方案Odin仅为每流明50尼特(nits/lumen),相当于前者是后者光学效率的十倍以上。

实际上,光学效率越高,更有助于降低AR眼镜的功耗,进而提升续航、降低温度。

光学显示模组体积

为了对比Lumux Maximus和HoloLens 2显示模组的体积,Guttag将Lumus官网图片与此前发布的HoloLens 2拆解图进行对照,发现Maximus的LCoS显示模组仅为HoloLens 2的激光扫描模组的1/4大小,与此同时Maximus可实现更高的分辨率,亮度甚至是Hololens 2的6倍左右。

Maximus-vs-HL2-waveguide-with-engine

此外,Frommer在SPIE会议中也展示了关于Maximus的更多细节,比如:其光学模组由曲面镜、CP微显示模组、透镜、注光棱镜、光导管集成器、LED光源、分束器、光束准直元件等等,此外Maximus似乎采用类似于birdbath的光学方案,与一般birdbath不同的是,Maximus将发光元件置于透镜侧面,而不是在上方。

Guttag表示:Maximus仅采用单一的PCB板和微型LED阵列,即可实现超过3000尼特级别的亮度,让人印象深刻。Maximus的AR光学模组通过一个光导管集成器来融合LED光源的RGB色彩,接着注光棱镜以特定的角度将光线折射到光波导中,实现全内反射光线传播。此外,偏振光线分束器将改变每颗像素的偏振,来控制AR画面亮度。

Maximus-Engine-from-AR-VR-MR-2021-copy

偏振光线经过分束器后,会摄入曲面镜,输出准直的AR图像。在这一过程中可能会有一个四分之一波片控制曲面镜反射的光线进入分束器,然后输出为AR图像。实际上,Maximus采用了复杂精致的光学方案,上述光学结构只是其中比较明显的大致部分。

CP LCoS微显示系统

除了Lumus的光波导技术外,CP提供的场序LCoS微显示模组也有许多细节值得一提。在2019年时,青亭网就曾报道这款LCoS模组的尺寸仅0.26英寸(对角线),像素间距3.015μm,分辨率达2K,PPD达60,显示规格1:1,适合应用于50°视场角以上的光波导模组产品中。此外,该模组还可以进一步提升分辨率。

CP-2K2-with-dime-001

Guttag表示:CP改变了以往LCoS模组的低对比度和色彩分离等缺点,比Google Glass和HoloLens 1采用的LCoS模组效果更好。比如:Google Glass的图像有点色彩失真,而且由于对比度低,整体图像看起来泛红,看起来就像是有一个长方形的红色背景。而HoloLens 1所采用的场序色彩LCoS模组,则会产生色彩分离的效果。

2013-Google-Glass

而CP的LCoS模组支持240Hz刷新率(最高可提升至1440Hz),可大幅降低电子到光子延迟,避免色彩分离,此外也支持GPU模式,进一步降低延迟。

b49a1-hololens-fsd

对比度方面,CP的LCoS模组可实现2100:1对比度,其液晶模组采用VAN向列排列方式,特点是进一步提升了切换速度、色序率、对比度。

CP-2K-by-2K-spec

CP LCoS模组配置

透光性

前面提到,Maximus的透光性足够高,约达85%,无需遮光罩,在室内可显示200到300尼特亮度。与HoloLens 2相比(透光率仅约40%),Maximus看起来更像是日常的眼镜,旁边的人可以透过镜片看清你的眼睛。Maximus仅遮住15%环境光,相比之下HoloLens 2大约遮住了4倍光线,而市面上一些birdbath方案甚至遮挡住70%环境光,外观看起来更像墨镜。

2021-05-09-5613-85mm_f5.6_60th-ISO2500_DxO-2

从Guttag公布的照片来看,还可以看到Maximus透镜上半部分的光学浮雕图案,而且使用者眼角膜中也反射出眼镜显示的AR图像(很小的方形)。

Maximu-and-HL2-transparency-and-front-projection-eyes

透光率高还有一个好处,就是除了镜腿部分,镜片不会过多遮挡使用者的余光。

Light-Throughput-Comparison

四种AR光学模组透光率对比,Lumus透光率约85%,WaveOptics大于70%,HoloLens 2透光率40%,Nreal大约25%。

值得注意的是,HoloLens 2和Nreal均在光学元件外加入了遮光罩,其中部分原因是为了保证AR画面的亮度,避免光线泄露。

光线泄露

大多数光波导可能都存在漏光的效果,从外面看起来镜片反着彩色的光,不像自然的眼镜片。与HoloLens 2相比,Maximus漏光的程度大幅减轻,对此Lumus表示:Maximus漏光仅5%,未来通过优化反射波导光学元件(LOE)的涂层,有望将漏光降低至1%。

Maximus-and-HL2-front-projection

eyebox和视场角

Guttag表示:体验过Maximus后,发现它的eyebox(眼动范围)足够大,AR画面的宽度几乎和透镜一样宽。

Maximus-Eye-Box-Sequence

Maximus通过2D图像放大元件,将AR图像放大至整个FOV范围,这一过程需要两个步骤:横向放大和纵向放大。如果需要增加FOV范围,则需要增加适眼距,而目前的AR光波导还不能实现像VR那样高的FOV。

Maximus-Bird-Picture

从Guttag制作的示意图来看,Maximus的眼动范围并不是正长方形,底边长度要比上面更短,而且右下角与镜框重叠。

Eyebox-and-Maximus-002

透镜和屈光调节

由于光波导的光源聚焦在无限远,因此输出的AR图像也聚焦在无限远,Maximus也是如此。为了提升视觉体验感,缓解视觉辐辏调节冲突或是屈光等问题,Maximus可以像HoloLens一样采用双透镜结构(第二个透镜可固定在光波导附近),在无限远焦距基础上再加入一个2米左右的焦点平面。或者,Maximus可以采用动态液晶透镜,比如在2017年时Lumus就与Deep Optics合作,研发AR动态对焦技术。

Luxexcel-and-Lumus

除此之外,WaveOptics在今年初还曾宣布与3D打印处方镜片厂商Luxexcel合作,研发嵌入光波导的视力矫正模组。

FOV和纵横比

Guttag认为,包括Lumus在内的许多AR厂商发现方形的纵横比更适合人眼观看,HoloLens 2也从第一代的16:9改善到3:2的显示比例。

Schott-Index-Glass-copy

而视场角方面,微软HoloLens光学架构师合伙人Bernard Kress就曾指出人眼固定活动范围在40°到50°之间,在这个范围中人眼分辨率最高。结合软件IPD调节后,50°视场角范围也足够用,如果使用者希望视场角更宽,可以通过IPD调节,再设置为3:2或4:3的宽高比例来实现。

总结

Lumus Maximus采用了全新的二维扩瞳反射光波导+LCoS显示方案,实测效果比HoloLens 2的激光扫描+二维扩瞳衍射光波导更好:

  • 1,亮度是HoloLens 2的6倍多;
  • 2,透光性是HoloLens 2的4倍;
  • 3,光学显示效率约为HoloLens 2的10倍多;
  • 4,光学引擎和光波导模组体积更小;
  • 5,像素数量是HoloLens 2的10到16倍;
  • 6,漏光更少;
  • 7,色彩和亮度更均匀;
  • 8,色彩表现更优秀;
  • 9,对比度更高(除了几乎全黑的图像);
  • 10,功耗更低。

除此之外,体积上Lumus Maximus原型机虽然比HoloLens 2小得多,不过前面提到Maximus原型目前仅包含AR光源和模组,未集成摄像头、SLAM技术、电池、多焦距透镜、处理器等更完整的元件。如果将Maximus制作成具有HoloLens 2完整功能的产品,体积可能要比普通眼镜更大,更接近头显的外观。

Schott-Index-Glass-copy

未来,为了降低Maximus AR眼镜的成本,Lumus可通过与肖特合作,利用低折射率玻璃来制造反射光波导,实现低成本量产。参考:Guttag

更多精彩内容,关注青亭网微信号(ID:qingtinwang),或者来微博@青亭网与我们互动!转载请注明版权和原文链接!
青亭网

微信扫码关注青亭网

青亭网

青亭 | 前沿科技交流群01

责任编辑:hi188
分享到QQ 分享到微信
切换注册

登录

忘记密码 ?

您也可以使用第三方帐号快捷登录

Q Q 登 录
微 博 登 录
切换登录

注册