KarlGuttag深度分析MagicLeap2的光学显⽰解决⽅案 （映维⽹Nweon 2022年02⽉10⽇）在1⽉举⾏的SPIE.AR.VR.MR & SPIE PhotonicsWest⼤会中，Magic Leap光学⼯程副总裁凯⽂·科提斯（Kevin Curtis）进⼀步介绍了即将发售的Magic Leap 2的细节。其中，这款设备将搭载18个传感器，⽀持眼动追踪，并且提供分段调光功能。
延伸阅读：Magic Leap 2 规格曝光，搭载18个传感器，⽀持眼动追踪，头显重248克
针对科提斯的PPT演⽰，近眼显⽰技术专家卡尔·古塔格（Karl Guttag）撰⽂分享了⾃⼰的分析见解。下⾯是映维⽹的具体整理：
我将重点讲解演讲介绍的显⽰器和光学元件。这篇⽂章是基于我在⼤会拍摄的照⽚（经过编辑）和相关记忆。
1. 选择LCOS⽽⾮MicroLEDs和激光光束扫描
科提斯解释了显⽰技术的决策过程。尽管许多⼈认为MicroLED可能是未来的发展⽅向，但它们的成熟度显然不⾜以⽤于量产彩⾊头显。这位光学⼯程副总裁表⽰，尽管激光扫描存在于Magic Leap的“DNA”中，以及投⼊了数百万美元进⾏研发，但激光扫描⽆法满⾜其显⽰要求。
或许具有讽刺意味的是，ML2⽤堆叠波导消灭了ML1的“焦平⾯”。所以，这家公司在2013年向早期投资者吹嘘的两项原始关键功能现在都已消失。 在评估了所有替代⽅案后，Magic Leap认为LCOS是最适合其应⽤的显⽰技术。对于⼤多数需要彩⾊或更⾼分辨率的新型波导设计⽽⾔，LCOS都是⾸选显⽰器。Avegant和Digilens都推出了搭载⾮常⼩、⾮常明亮的LCOS波导的设计。
2. ⾼分辨率（1440 x 1760有源）LCOS显⽰屏（传闻是Omnivision LCOS）
科提斯称，显⽰器的⾼度⼤于宽度存在优势。如图（右）所⽰，ML2“有源显⽰器”宽1440像素，⾼1760像素。它们保留了96×96像素以将显⽰屏与眼睛对齐。2011新课标文综
Magic Leap One（ML1）没有保留像素，⽽是需要两个型号来覆盖不同的瞳孔间距。有⼈错误地认为，根据头部⼤⼩，ML2会提供基于头部尺⼨的不同型号。PPT指出，ML2只有⼀种型号。另外，保留像素有利于眼睛移动时出现的其他显⽰器与眼睛对齐问题。
尽管Magic Leap没有提到，但有传闻称他们正在使⽤Omnivision的LCOS组件。这并不奇怪，因为ML1就有⽤到Omnivision的产品。传闻同时指出，尽管最近收购了Compound Photonics，并且⽬前的原型正在采⽤TI的DLP，但Snap可能同样会使⽤Omnivision的组件。如今，⼤多数LCOS⼚商都有能⼒制造这种具有3.8微⽶像素间距的组件。
大营
我在下图添加了视场估计值以及每个⽅向上的像素数。视场区域和像素数量对⽐ML1都翻了⼀番，所以每度的像素数量⼤致相同。应该指出的是，尽管Hololens 2错误地宣称每度分辨率为47像素，但它的有效（可测量）分辨率接近每度15像素，或者换算成ML2每个⽅向的约⼀半。我完全相信ML2将在分辨率和⼏乎所有其他可测量的图像质量⽅⾯击败 HL2，除了真实世界的透明度（稍后将详细介绍）。
3. ML2的紧凑LCOS光学设计
本次演讲（错误地）指出LCOS之外的部分⽅法都在视场⽅⾯受限。他们所说的“⼤多数LCOS设计（上）使⽤颜⾊合成光学元件（X-cube或⼀系列⼆向⾊镜）和偏振分束器”这⼀说法是正确的。他们同时提到了Himax的Front-Lit。但我见过⼏个更具创新性的⼤视场紧凑型设计，包括Lumus的Maximus（下）。
Lumus Maximus LCOS Engine
尽管⽤了分束器，但ML1的光路没有X-cube或其他颜⾊合成光学元件。相反，ML1将颜⾊通道分到了每个波导。因为ML1⽀持双焦平⾯，它需要六个LED和六个波导（红绿蓝各两组）。因为ML2不⽀持双焦平⾯，它们只需⼀组LED和波导。
⽀持单焦平⾯可以带来其他⽅⾯的简化增益。相对于ML1，这应该能⼤幅提升ML2的图像质量。
ML2在利⽤LCOS减少整体光学元件尺⼨⽅⾯有创新的⽅式。与ML1⼀样，它们⾸先为每个单独的彩⾊波导（这次只有三个）提供单独的LED照明。有趣的是，它们随后通过波导和投影透镜发送照明光，从⽽照亮LCOS设备，并且避免了分束器的需要。
下⾯的左图显⽰了组合的红光、绿光和蓝光路径（我组合/叠加了三张PPT幻灯⽚）。Magic Leap使⽤圆形偏振器的“巧妙”组合来控制进出光路。这种带有圆形偏振器的折叠路径似乎类似于更新、更紧凑的VR头显所使⽤的Pancake光学系统。设计相当紧凑，如下图所⽰。
尽管消除分束器会减轻⼀定重量，但它对总重量的占⽐并不是很⼤。更重要的是，它缩⼩了光学元件的尺⼨，使LCOS 显⽰器在光学上更接近投影光学元件，这有助于简化所述光学元件。
尽管许多⾮设计⼈员担⼼续航能⼒，但更⼤的设计问题是功耗带来的热量管理。ML2声称在考虑视场和视窗时效率提⾼了12倍以上，这很可能是真的。但ML1在⽀持双焦平⾯的情况下效率很低（没有免费的午餐）。“单个SKU”是因为前⾯讨论过的“保留”像素。
4. 2000 nits峰值亮度，70视场下的重⼤成就
科提斯表⽰ML1⼤约150 nits（⼤概匹配我的测量），并且应该可以达到2000 nits。使⽤具有约70度
视场的衍射波导实现2000 nits是⼀项重⼤成就。相⽐之下，HL2宣称有500 nits，但仅在我测量的⼀张⾮常不均匀图像的中⼼如此。Lumus Maximus预计50度视场每⽡LED功率超过4000 nits。ML尚未说明ML2 2000 nits的功耗。
LED光通过投影光学元件照亮LCOS，并且免除分束器需要可能看起来⾮常奇怪，但ML并不是唯⼀尝试这种⽅法的公司。在⼤会上，我看到了Avegant全新的、⾮常紧凑的光引擎。与ML2⼀样，Avegant使⽤波导结构将红、绿和蓝LED 结合，并通过投影光学元件向LCOS发送光（见右图）。但与ML2不同，Avegant是为设计没有空间分离输⼊光栅的⼀到三层波导。Avegant⽤单层波导演⽰了他们当前的原型。
5. ML2的光学堆栈
ML2的光学堆栈（在投影仪之后）显⽰在右侧。从表⾯上看，它看起来很像HoloLens 1的堆叠，⽽不是说调光层。这没什么奇怪。ML2使⽤了⾮常⾼折射率的2.0玻璃（最近菜才⾯市），这有助于⽀持⽐HoloLens 2更宽的视场，⽆需求助于HoloLens 2复杂且会影响图像的“butterfly蝶形”设计。
HoloLens 2的整个激光扫描显⽰屏和butterfly蝶形波导似乎是“⼀个逃离实验室的研究项⽬”。ML2同样有⼀种“研究⼈员乐在其中的实验风”，⽐如调光功能（稍后将详细介绍）。
去极化膜（最左边）减少了典型极化LCD显⽰器的问题。“⽬镜”是⼀套带有保护罩和涂层的红绿蓝波导。
6. 22%的透光率或78%的真实光线被阻挡：最佳情况
⾸先是PPT所说的22%透光率。它们最⾼可以阻挡78%的真实世界光，⼤概等同于中暗⾊的太阳眼镜。坦⽩说，我认为22%很可能只是⼀个理论数字，亦即Magic Leap可能⽆法实现。
典型的“⾼透射率”反射式偏振器可以阻挡⼤约60%的未偏振光，50%⽤于偏振，另外⼤约10%的损失。调光器结构有另⼀个偏振器，它⼜会损失约10%以上。调光器的各种薄膜和结构则损失⼤约15%或更多。三个衍射波导的叠加通常会损
⼀个偏振器，它⼜会损失约10%以上。调光器的各种薄膜和结构则损失⼤约15%或更多。三个衍射波导的叠加通常会损失25%-35%。再加上10%的其他薄膜、涂层和镜⽚，我算出的最佳情况是22%，但很可能更糟糕。
⼀般来说，⼈们不会把⾃⼰理想的房间照明亮度再提⾼5倍。Magic Leap⾸席执⾏官在接受CNBC采访时曾给出过⼀个明亮⼿术室的例⼦。⼿术室如此明亮是有原因的，⽽且医务⼈员并不想让⼿术室再亮5倍。
下图所⽰为阻挡85%真实光线的ML1；搭载⾼度透明（可能>85%）的Dispelix波导的Avegant原型；约85%透明的Lumus Maximus原型；以及40%透明的Hololens 2。ML2将阻挡⼤约两倍于HoloLens 2的真实世界光线，⽐Dispelix和Lumus多4到5倍的光线。
Magic Leap没有提到“正⾯投影”，这是许多AR眼镜都能看到的发光伪影。Magic Leap One和Hololens 1&2都因⼤量的正⾯投影⽽出名（见上图左上⾓的CNET ML1图⽚）。所以我猜Magic Leap不提的原因是数字不好。我的经验是，如果⼀家公司不愿意谈论⼀个显⽽易见的问题，最终的答案很可能是相当糟糕的。相⽐之下，对于Avegant/Dispelix眼镜，我很难从任何⾓度看到任何正⾯投影，⽽且团队⾮常⾃豪地说，正向投影降低到了1%左右。
kmip“LED层”是⽤于照明眼睛的红外LED。ML2需要插⼊式镜⽚进⾏视⼒矫正，但它们与ML1不同，因为其需要⽤于眼动追踪摄像头的切⼝（左下⾓）。⼤会中有不少⼈都评论说，插⼊式镜⽚会给⽤户带来管理⽅⾯的噩梦。
7. 屈光度（调焦）透镜
正如我在上⼀篇⽂章中所讨论的⼀样，ML1在波导的离栅中内置了⼀个屈光度调节装置，见伯纳德·克雷斯（Bernard Kress）所著书⽬《⽤于增强现实、虚拟现实和混合现实头显的光学架构》。克雷斯指出，ML1的离栅屈光度调整⽅法往往会降低图像质量。
与HoloLens 1和2类似，ML2使⽤前后透镜来调整焦点，就像我在上⼀篇⽂章中推测的⼀样。从⼤多数波导中射出的准直光聚焦在⽆穷远处。离眼睛最近的透镜将焦点移动到⼤约1.5到2⽶的更近距离。波导世界侧的透镜进⾏补偿，以防⽌真实世界的焦点发⽣变化。这种透镜⽅法应该有助于ML2的图像质量超过ML1。
8. 动态和分段调光
在2021年10⽉，我解释了Magic Leap分段调光的固有问题，亦即业界所谓的“软边缘遮挡”。我解释道，使⽤LCD快门来全局调暗或像素化阵列调暗区域的技术是众所周知的事情，⽽且这项技术没有予以应⽤，因为它会损失超过70%的⼊射真实世界光，如上⽂所述。
除了光损之外，分段调光极度不精确/模糊，⽽且调节单个像素同样会应影响周围成千上万个像素。尽管分段调光看起来像是⽀持局部调光的LCD电视，但分段调光⽅法的精确度可能要低⼏个数量级。另外，正如Magic Leap专利所指，分段调光像素将导致衍射问题。
Magic Leap有⼀张幻灯⽚讨论了这个概念，但没有细节，只有⼏张低分辨率的图⽚（见下图）。根据Magic Leap的专利和我的分析，它的效果可能不是⾮常好。请注意，调光是从遮挡80%的真实光线开始。
9. 视觉舒适度和VAC：焦平⾯消失
近⼗年来，Magic Leap⼀直在吹嘘与视觉辐辏调节冲突有关的问题，以及使⽤多组具有不同焦平⾯的波导的解决⽅案。科提斯在演讲中直⾔不讳地指出，ML2已经放弃了这个功能。实际上，我在2021年10⽉的⽂章中推测他们已经放弃了，因为这将有利于更好的图像质量。
科提斯解释说，在影响视觉舒适度⽅⾯存在⽐VAC更重要的问题，如左边的幻灯⽚所⽰。他认为，许多问题都与渲染有关，⽽不是与VAC有关，⽽且所述问题中的许多都可以通过更准确的眼动追踪来改善。这位⼯程师解释说，Magic Leap已经改进了眼动追踪和渲染。
对于改进的眼动追踪系统，⼀个副作⽤是需要有切⼝，因为摄像头需要看到⽤户的眼睛（见下图）。
这次演讲同时提供了有趣的信息：即使是很⼩的机械运动都需要校正双眼对齐。ML2包括⽤于检测头显弯曲的传感器/摄像头，以便校正双⽬定位（见下图）。
10. 图像质量：难以评估
PPT中有⼀张幻灯⽚提供了“透过透镜看到的效果图”。其中，为了适配⼀张1080p分辨率的幻灯⽚，三张图⽚进⾏⼤幅缩⼩。所有的图像都显⽰出严重的渐晕伪影。尽管如此，我们不可能确定这是不是摄影的问题，还是因为ML2本⾝的问题。
幻灯⽚中的三幅图像都有⾼度饱和的颜⾊，所以很难判断颜⾊是否准确，以及颜⾊是否有变化。我更
金童玉女的传说喜欢看⼈像和纯⽩⾊的内容。有趣的是，⽂本颜⾊是纯绿⾊⽽不是⽩⾊，⽽这能够隐藏波导中的任何颜⾊变化。所述图像只能表明ML2的图像质量优于HoloLens 2，但⽆法与其他公司的显⽰器和波导进⾏⽐较。
我不怀疑ML2的图像质量要⽐ML1或HoloLens 1和2好得多，但这是⼀个⾮常低的标准。所以，我们需要拭⽬以待，直到设备发售才能对图像质量进⾏客观分析。
11. 结论
尽管ML2显然会在图像质量和亮度⽅⾯击败HoloLens 2，但HoloLens 2设置了⼀个⾮常低的标准，⽽且当ML2在其他很多⽅⾯都存在问题，前述优势其实并不重要。与HoloLens 2相⽐的关键劣势包括：有⼀根线，没有⾜够的适眼距来⽀撑普通眼镜，以及缺少翻转屏幕。期刊刊次
另外，挡住约80%的光线是⼀个⽆法挽回的错误。正如我之前，ML2看起来像是⼀开始是为消费市场设计的产品，但由于它对这个市场⽽⾔过于昂贵，所以团队将它重新设计为“企业”设备。
我越是回想PPT以及本⽂未涉及的其他⽅⾯，例如他们设计和制造⾃⼰波导的能⼒，我就越同意那些认为PPT更像
是“待售”标志的⼈的看法。胶体金法
值得⼀提的是，坊间有传闻称（我没有消息来源）Magic Leap正准备出售公司（传⾔中最热门的名字是⾕歌，因为他们本⾝就是Magic Leap的投资者）。
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