Lumus Maximus二維擴(kuò)瞳陣列光波導(dǎo)，比HoloLens 2強(qiáng)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(kāi)發(fā)水平視場(chǎng)角53°（對(duì)角線65°），具有緊湊性、移動(dòng)性、舒適性等特點(diǎn)的消費(fèi)級(jí)AR眼鏡。

    近期，Lumus CEO Ari Grobman和研發(fā)部門(mén)執(zhí)行副總裁Aviv Frommer來(lái)到美國(guó)，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(chǎng)角達(dá)50°，以及高透光性、輕量化等特點(diǎn)。

    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(guò)有線投屏顯示的方式，來(lái)展示光學(xué)模組效果。

    細(xì)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(chēng)，在Maximus上體驗(yàn)過(guò)CP的LCoS模組后，改變了原先對(duì)于LCoS光源的看法，CP的LCoS模組可實(shí)現(xiàn)高對(duì)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(chǎng)序率（避免頭部運(yùn)動(dòng)造成色彩瑕疵）。

    實(shí)際上，Lumus在2017年的CES上就曾展示早期的Maximus概念產(chǎn)品，后來(lái)又推出了一維擴(kuò)瞳光波導(dǎo)技術(shù)。由于一維擴(kuò)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(wèn)題，Lumus Maximus采用二維擴(kuò)瞳光波導(dǎo)技術(shù)，結(jié)合CP的LCoS光學(xué)元件，進(jìn)一步縮小了光學(xué)引擎的體積。

    此外，采用二維擴(kuò)瞳光波導(dǎo)技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，未來(lái)還可以在50°視場(chǎng)角和正方縱橫比基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升，可以根據(jù)不同的縱橫比和視場(chǎng)角來(lái)調(diào)整光波導(dǎo)尺寸。

    Guttag表示：在體驗(yàn)Maximus原型AR眼鏡后，發(fā)現(xiàn)它有許多令人驚喜的特點(diǎn)，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(yàn)過(guò)的其他光波導(dǎo)模組效果更好，等等。

    不過(guò)，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(jiǎn)單的球面光學(xué)模組，目前僅通過(guò)軟件來(lái)優(yōu)化圖像失真，而在未來(lái)正式生產(chǎn)的版本，將采用非球面光學(xué)模組來(lái)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(jué)效果對(duì)比：Maximus 2K、HoloLens 2、Maximus放大1倍。整張圖橫向包括1.1萬(wàn)像素。

    通過(guò)焦距更長(zhǎng)的攝像頭來(lái)將Maximus和HoloLens 2的中心畫(huà)面進(jìn)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(guò)Guttag拍攝的Maximus右上角圖像畫(huà)面，可以看到一些重影和畫(huà)面失真效果。

    通常，AR眼鏡在顯示黑底白字時(shí)的對(duì)比度會(huì)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(lái)，Guttag進(jìn)一步對(duì)比了Maximus與HoloLens 2在多方面的區(qū)別：

    光學(xué)效率

    Guttag表示：準(zhǔn)確對(duì)比AR眼鏡光學(xué)效率其實(shí)并不容易，不僅不容易測(cè)量，而且結(jié)果也會(huì)受到大量變量影響，包括視場(chǎng)角、eyebox等等。不過(guò)，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(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)舉辦的SPIE會(huì)議中，曾提到Maximus的光學(xué)效率預(yù)計(jì)達(dá)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(dāng)于前者是后者光學(xué)效率的十倍以上。

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

    光學(xué)顯示模組體積

    為了對(duì)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(jìn)行對(duì)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(shí)Maximus可實(shí)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(huì)議中也展示了關(guān)于Maximus的更多細(xì)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(zhǔn)直元件等等，此外Maximus似乎采用類(lèi)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(shí)現(xiàn)超過(guò)3000尼特級(jí)別的亮度，讓人印象深刻。Maximus的AR光學(xué)模組通過(guò)一個(gè)光導(dǎo)管集成器來(lái)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(shí)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(lái)控制AR畫(huà)面亮度。

    偏振光線經(jīng)過(guò)分束器后，會(huì)攝入曲面鏡，輸出準(zhǔn)直的AR圖像。在這一過(guò)程中可能會(huì)有一個(gè)四分之一波片控制曲面鏡反射的光線進(jìn)入分束器，然后輸出為AR圖像。實(shí)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(chǎng)序LCoS微顯示模組也有許多細(xì)節(jié)值得一提。在2019年時(shí)，青亭網(wǎng)就曾報(bào)道這款LCoS模組的尺寸僅0.26英寸（對(duì)角線），像素間距3.015μm，分辨率達(dá)2K，PPD達(dá)60，顯示規(guī)格1:1，適合應(yīng)用于50°視場(chǎng)角以上的光波導(dǎo)模組產(chǎn)品中。此外，該模組還可以進(jìn)一步提升分辨率。

    Guttag表示：CP改變了以往LCoS模組的低對(duì)比度和色彩分離等缺點(diǎn)，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(diǎn)色彩失真，而且由于對(duì)比度低，整體圖像看起來(lái)泛紅，看起來(lái)就像是有一個(gè)長(zhǎng)方形的紅色背景。而HoloLens 1所采用的場(chǎng)序色彩LCoS模組，則會(huì)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(jìn)一步降低延遲。

    對(duì)比度方面，CP的LCoS模組可實(shí)現(xiàn)2100:1對(duì)比度，其液晶模組采用VAN向列排列方式，特點(diǎn)是進(jìn)一步提升了切換速度、色序率、對(duì)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(dá)85%，無(wú)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(lái)更像是日常的眼鏡，旁邊的人可以透過(guò)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(lái)更像墨鏡。

    從Guttag公布的照片來(lái)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(gè)好處，就是除了鏡腿部分，鏡片不會(huì)過(guò)多遮擋使用者的余光。

    四種AR光學(xué)模組透光率對(duì)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(huà)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(lái)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(duì)此Lumus表示：Maximus漏光僅5%，未來(lái)通過(guò)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(chǎng)角

    Guttag表示：體驗(yàn)過(guò)Maximus后，發(fā)現(xiàn)它的eyebox（眼動(dòng)范圍）足夠大，AR畫(huà)面的寬度幾乎和透鏡一樣寬。

    Maximus通過(guò)2D圖像放大元件，將AR圖像放大至整個(gè)FOV范圍，這一過(guò)程需要兩個(gè)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(shí)現(xiàn)像VR那樣高的FOV。

    從Guttag制作的示意圖來(lái)看，Maximus的眼動(dòng)范圍并不是正長(zhǎng)方形，底邊長(zhǎng)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(wú)限遠(yuǎn)，因此輸出的AR圖像也聚焦在無(wú)限遠(yuǎn)，Maximus也是如此。為了提升視覺(jué)體驗(yàn)感，緩解視覺(jué)輻輳調(diào)節(jié)沖突或是屈光等問(wèn)題，Maximus可以像HoloLens一樣采用雙透鏡結(jié)構(gòu)（第二個(gè)透鏡可固定在光波導(dǎo)附近），在無(wú)限遠(yuǎn)焦距基礎(chǔ)上再加入一個(gè)2米左右的焦點(diǎn)平面�；蛘�，Maximus可以采用動(dòng)態(tài)液晶透鏡，比如在2017年時(shí)Lumus就與Deep Optics合作，研發(fā)AR動(dòng)態(tài)對(duì)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(rèn)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(chǎng)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(dòng)范圍在40°到50°之間，在這個(gè)范圍中人眼分辨率最高。結(jié)合軟件IPD調(diào)節(jié)后，50°視場(chǎng)角范圍也足夠用，如果使用者希望視場(chǎng)角更寬，可以通過(guò)IPD調(diào)節(jié)，再設(shè)置為3:2或4:3的寬高比例來(lái)實(shí)現(xiàn)。

    總結(jié)

    Lumus Maximus采用了全新的二維擴(kuò)瞳反射光波導(dǎo)+LCoS顯示方案，實(shí)測(cè)效果比HoloLens 2的激光掃描+二維擴(kuò)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��；
• 5，像素?cái)?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(duì)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(jī)雖然比HoloLens 2小得多，不過(guò)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(lái)，為了降低Maximus AR眼鏡的成本，Lumus可通過(guò)與肖特合作，利用低折射率玻璃來(lái)制造反射光波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)低成本量產(chǎn)。參考：Guttag