Karl Guttag:現有Micro LED/LCoS+光波導AR眼鏡對比解析

　　輕量化是未來AR眼鏡的發展趨勢，為了縮減尺寸，AR眼鏡廠商嘗試了多種方案，長期來看Micro LED光機在小型化上更有優勢，但現階段LCoS光機的圖像表現更好。在CES 2023期間，DigiLens、Lumus、Vuzix、OPPO、Avegant也展出了不同的輕量化AR方案。

　　近期，AR/VR光學專家Karl Guttag根據自己在CES 2023上的體驗，總結了一些值得關注的Micro LED/LCoS+光波導的AR方案，并對兩種光機在尺寸、圖像、效率等方面進行了詳細對比。本文篇幅較長，主要討論了以下幾個關鍵點：

　　◎ Micro LED和LCoS光機尺寸對比;

　　◎ Micro LED和LCoS圖像質量對比;

　　◎ 反射和衍射光波導圖像質量對比;

　　◎ 陣列光波導、衍射光波導+Micro LED的效率對比;

　　◎ Micro LED和LCoS效率對比;

　　◎ 眼鏡外形可行性。

　　AR原型匯總

　　1)Vuzix Ultrallite與OPPO Air Glass 2

　　Ultralite和Air Glass 2均為雙目AR一體機，采用JBD的單綠色光機(分辨率640x480)。兩款AR眼鏡的外觀、圖像質量、分辨率足夠接近，重量也差不多在38g左右(包括鏡框、處理單元、通訊模組、電池)。Air Glass 2還包括了麥克風和揚聲器，可支持語音轉文本、接打電話等功能。

　　Ultralite采用Vuzix自研的衍射波導(玻璃材質)，可實現約30°FOV，3000尼特亮度。而OPPO則采用樹脂材質的光波導(可配處方鏡片)，以及和Meta Bounds聯合開發的Micro LED光學引擎，可實現27°FOV、1400尼特。Guttag指出，這是他第一次在可量產的AR產品中看到樹脂光波導。

　　2)Lumus Z-Lens

　　Z-Lens配備了2Kx2K分辨率全彩LCoS光機，FOV可達50°，顯示面積是其他AR頭顯的3-4倍，因此輸出的光也要相應增加，像素總量相當于DigiLens Argo的4.5倍，Vuzix Ultralite、OPPO Air Glass 2的13倍以上。

　　Z-Lens為分體式設計，不能獨立運行，主要是為了展示顯示能力，并未內置電池和處理單元?？梢詫⑺醋魇且环N面向OEM廠商的AR參考設計。

　　3)DigiLens Argo

　　DigiLens Argo搭載了全彩LCoS光機(1280x720分辨率)，該AR原型搭載了SLAM相機、GNSS、Wi-Fi模塊、藍牙模塊、4800萬像素彩色相機(支持像素binning)、語音識別模塊、電池、CPU等部件，功能比Air Glass 2、Ultralite、Z-Lens更多。

　　DigiLens將向AR品牌、OEM發售Argo參考設計，同時也會發售光波導光學模組。

　　相機實拍圖像

　　Guttag利用單反相機(OM-D E-M5 Mark III+17mm鏡頭)拍攝了四款AR眼鏡的實際顯示效果，照片中也體現了不同方案之間的顯示面積差異。Lumus Z-Lens具有更大FOV、更高分辨率，在高亮度下色彩均勻性更好。此外，Z-Lens的陣列光波導搭配Micro LED在光效上有優勢。

　　盡管LCoS光機在顯示大面積、明亮圖像方面，比Micro LED更有效，但Micro LED更省電，在顯示稀疏圖像時比LCoS更有優勢。

　　光學引擎尺寸對比

　　Vuzix在CES 2023上展示了三款AR光機：Vuzix Blade的DLP方案、Micro LED合色棱鏡(RGB)，以及Ultralite、Shield采用的單綠色Micro LED方案。其中，單綠色Micro LED的尺寸最小。

　　DigiLens Argo采用比較傳統的LCoS引擎(基于Omnivision方案，采用ASIC驅動)，圖中的虛線指出了光學引擎對光波導的遮擋。正是由于這種遮擋，Argo鏡片上半部分看起來比較深，目的是隱藏這種缺點。Guttag指出，其他公司為了避免光學引擎遮擋視線，通常都會改變引擎的位置，但DigiLens卻沒這么做，因此Argo上半部分有一段較寬的黑色擋板，看起來就像是某種劉海。

　　Lumus研發陣列光波導已經近20年時間，早期的一維擴瞳光波導方案需要使用較寬的光學引擎，后來隨著二維擴瞳方案推出，光學引擎尺寸也得到縮小。而Z-Lens則采用了更小的光學引擎，引擎對光波導的遮擋也得到改善。

　　而OPPO Air Glass 2利用寬鏡框來隱藏光學引擎。

　　Z-Lens消除光波導氣隙層

　　通常，彩色衍射波導通常會將兩層或三層光波導疊加在一起，每層之間有氣隙，這種氣隙會造成額外的全內反射，因此需要增透膜來消除反射，提升光效。

　　Z-Lens采用的光波導和Lumus此前的方案不同，它不需要在光波導表面和封裝塑料之間留有空隙。這種空隙通常會導致光線在通過時產生損失或發散，還會帶來設計、成本等問題。因此通過減少氣隙，Z-Lens改善了這些問題。Guttag還指出，這種設計可以更好的集成處方鏡片或是保護層。

　　對比Avegant和ML2的LCoS引擎

　　Guttag指出，傳統的LCoS引擎尺寸比較大，而Z-Lens、Avegant、ML2所采用的LCoS引擎，尺寸得到優化，比常見的Micro LED光機更小，而且對光波導的遮擋減少。

　　在2022年時，Avegant曾展示一款L形光學引擎，其特點是大部分位于鏡腿位置，前部對鏡片的遮擋很小。這種設計的缺點，是會阻礙AR眼鏡的鏡腿折疊。

　　而在2023年，Avegant公布了新的LCoS引擎，特點是尺寸比之前縮小了65%(長15.6mm，寬12.4mm)，可實現更輕量化的AR眼鏡設計，而且可以讓鏡腿有一定程度的折疊。此外，該方案可實現30°FOV、34PPD，其全彩模式的亮度在1500尼特以上，在戶外場景可以有限色彩顯示。

　　ML2則進一步縮小了光學引擎的尺寸，并將LED和LCoS光源放在光波導兩側，宣稱可實現2000尼特亮度、70°視場角。

　　對比Birdbath透光性

　　光波導AR眼鏡的透光率大約在80-90%左右，相比于Birdbath(透光率通常25%)，光波導可透過更多環境光。

　　目前，市面上一些Birdbath AR眼鏡(比如Nreal、聯想A3)的設計與早期的ODG R6眼鏡相似。盡管ODG已經倒閉，但曾就職于該公司的設計師依然在AR行業，有的進入了聯想，也有的在Pulsar、DigiLens等AR公司就職。相比于ODG所使用的Birdbath光學方案，光波導方案為AR眼鏡帶來多項升級，比如外形更輕、更薄，而且適眼距更大、透光性更好、光效更高、更省電。由于AR眼鏡尺寸縮小，因此可以集成計算單元等更多元件。

　　前向漏光(eye glow)

　　在此前的文章中，Guttag多次強調AR眼鏡中常見的一種eye glow現象，這種現象與AR眼鏡的光路設計有關，由于產生了向前投影，AR光線不僅進入人眼，也會從鏡片外面透出，看起來就像是眼鏡在發光。這種現象在HoloLens 1和2、ML1和2頭顯上都比較明顯，常見的Birdbath AR眼鏡也存在該問題，但因為其透光性比較差，外觀看起來更像是墨鏡，因此發光問題看起來比較不明顯。

　　近年來，Dispelix、DigiLens、Lumus等公司正在嘗試改善AR的eye glow現象，其中Lumus采用的反射式光波導可以比較好的改善向前投影，DigiLens Argo也減少了eye glow現象。而Vuzix Shield，則還存在一些向前投影問題(也會照亮用戶臉頰)。OPPO Air Glass 2也有明顯的向前投影。

　　DigiLens Argo深度解析

　　DigiLens的光學方案以衍射光波導為主，此前曾展示接近成品的AR眼鏡原型，后來在2021年經歷了一次重大管理層變化，隨后業務戰略也發生了改變，主要分為三大塊：新興材料、光波導、AR智能眼鏡。在今年1月，該公司推出了AR眼鏡ARGO，不同于以往的AR原型，ARGO是其首款輕量化AR整機，主要面向to B場景。

　　為了進一步了解為什么DigiLens的業務從開發AR模組擴展到開發AR整機，Guttag向該公司咨詢了具體的商業模式，得到了關于其業務的詳細解釋：

　　1)授權光學解決方案：DigiLens向OEM廠商授權光波導制造工藝(可擴展打印、非接觸式復制)，允許客戶在此基礎上設計和制造自定義光波導方案;這項業務主要針對可量產AR眼鏡的大公司，應用場景以消費級AR眼鏡為主;

　　2)to B AR眼鏡：向企業、工業客戶提供ARGO等AR整機，其特點是可批量供應，并可根據目標應用場景的需求定制，以滿足合規性和可靠性;DigiLens的AR整機將基于自研光學技術，由一個在企業級、工業級AR眼鏡上有豐富經驗的內部團隊打造(成員曾就職于Daqri、ODG、RealWear);

　　◎ 關于圖像質量

　　在過去幾年里，DigiLens的AR光波導技術在圖像質量上不斷提升，eye glow和圖像均勻性問題都得到改善，但在觀影、顯示照片上效果還不夠理想。盡管如此，ARGO作為一款to B產品，圖像質量只是其中一個賣點，產品的整體實用性也很重要。就像是HoloLens 2，盡管在顯示效果上存在彩虹效應等問題，但還是可以滿足一些企業場景的需求，比如顯示AR指示信息(箭頭、數字、線條)時，只需要清晰顯示幾種顏色就足夠實用。

　　◎ 關于FOV

　　ARGO的視場角為30°，用來玩AR游戲可能不夠用，但是在企業級AR場景則可以滿足。實際上，不同于VR，AR不需要很寬的視場角，大視場角不僅容易導致視覺疲勞，也會增加AR眼鏡的重量、功耗和成本。

　　◎ 關于功能

　　作為AR整機，ARGO內置了企業應用所需的多項功能，比如拍照/視頻、SLAM/3D深度/6DoF定位、Wi-Fi、GNSS、麥克風/揚聲器等等。此外，它采用一體機設計，內置了電池。與同樣是AR一體機的HoloLens 2(52°FOV)相比，ARGO的FOV更小，但圖像質量要更好。

　　◎ 關于語音操作

　　DigiLens管理團隊的部分成員來自RealWear，因此在工業級穿戴式設備上具有經驗。據悉，RealWear此前曾收購Kopin的可穿戴設備業務線Golden-i，該公司的智能眼鏡也參考了Golden-i的一些設計，比如支持優秀的語音識別功能，即使在吵鬧的環境中也能準確識別語音信息。同樣，ARGO搭載了5個麥克風單元，以實現更好的語音輸入效果。

　　在大多數企業級AR應用場景中，“免提操作”是一個關鍵的亮點，這指的是AR眼鏡可以通過眼球輸入、語音輸入來省去手柄，從而解放雙手，允許使用者一邊查看AR內容，同時一邊操作其他工作。

　　盡管手勢追蹤省去了對手柄的依賴，但依然占用使用者的手，而且手勢追蹤的準確性和響應速度通常不如手柄，在使用時容易讓人分心。另外，在輸入密碼、文字方面，手勢的效率相當低。

　　與此同時，如果語音輸入在吵鬧環境下也可以準確運行，那么它實際上在解放雙手上更有優勢。不過，這依賴于良好的語音識別技術，如果出現單詞、短語難以識別、錯誤識別的問題，那么用起來會比較麻煩，可能需要使用者多次修改和驗證。

　　◎ 關于頭帶設計

　　考慮到長時間使用的實用性，ARGO并未采用普通的鏡腿設計，而是將鏡腿尾部做得比較彎，更貼合頭部，類似于HoloLens 2頭箍和鏡腿的折中版。相比于HoloLens 2(566g)，ARGO要輕得多(不到185g)，但它比Nreal Light(106g)等BB方案的分體式AR眼鏡要更重。實際上，人的耳朵和鼻梁不能長時間承受太大重量，因此ARGO如果采用普通鏡腿設計，長時間使用可能會給面部帶來壓力。

　　不過Guttag指出，后腦勺上部能對分擔AR眼鏡重量的作用很小，因此彎曲的鏡腿并不能很好的抓取頭骨，AR眼鏡的重量還是會向前傾，除非將鏡腿環繞在后腦勺枕骨下方。

　　松下MeganeX也采用類似的鏡腿設計，區別是MeganeX在額頭采用了襯墊來提供支撐，而ARGO則是采用了一個較厚的鼻托來提供緩沖。Guttag認為，柔軟的厚鼻托并不能很好的緩解AR眼鏡的重量感，而且這種設計并不適合多樣的鼻型，而且很難和屈光眼鏡疊加使用。

　　除了貼合頭部的設計外，ARGO鏡腿尾部可選擇接入可調節綁帶，該綁帶設計簡單、輕巧，采用布面材質，主要通過書包上常見的塑料扣來調節長度。

　　◎ 關于前后配重

　　AR眼鏡重量的均勻分布很重要，因此HoloLens 2將電池等部件放在后腦勺位置，作為配重來平衡前部的顯示單元，從而優化頭顯的整體舒適性。盡管前后配重的設計減少了AR頭顯前部的體積，但整體還是比較笨重，而并沒有朝著AR眼鏡的方向去優化設計。

　　◎ 關于適眼距

　　HoloLens 2具有較大的適眼距，為用戶留出了佩戴普通眼鏡的空間。ARGO的適眼距并不小，可疊加額外的眼鏡來使用，但由于其人體工學設計，鼻托部分并沒有為普通眼鏡框留出空間。除此之外，ARGO的上半部部分有較寬的“劉海”，疊加屈光眼鏡會有一定遮擋問題。因此，用戶需要使用插入式屈光鏡片來調節視力。

　　插入式鏡片有一個缺點，就是可能會造成額外的eye glow效果，Guttag猜測可能是因為沒有使用理想的抗反射涂層。

　　Guttag指出，ARGO追求輕量化的眼鏡外形，而犧牲了對近視眼用戶的實用性。如果從舒適性和功能性出發，也許DigiLens可以采用不同外形、尺寸的光學引擎。

　　總結

　　長期來看，盡管Micro LED在尺寸等方面具有優勢，但現階段在圖像質量、色彩等方面還無法與LCoS媲美。因此，當前LCoS和光波導結合的AR方案會比Micro LED更加常見，LCoS不僅在尺寸、形狀上有競爭力，它還可以實現比現有Micro LED更高的分辨率和更高的FOV。

　　而且出于對成本、色彩、圖像質量的考慮，Micro LED在輕量化數據眼鏡中的應用比較有限(數據眼鏡僅通過AR來顯示箭頭等基礎信息，不需要顯示高質量視頻)。應用場景方面，單色AR數據眼鏡在企業級場景足夠用，但對消費者的吸引力可能不大，消費級應用場景更傾向于觀影、玩游戲，對彩色顯示的質量、分辨率要求較高。

　　在光波導方面，Lumus Z-Lens的二維陣列光波導在圖像質量、效率方面比許多衍射波導更好，而且它的無氣隙封裝工藝也是一大優勢。盡管如此，當前大多數光波導AR方案基于衍射波導，原因是市面上供應的衍射波導選擇更多，而且容易定制。相比之下，二維反射波導技術主要由Lumus控制，而且其成本較高。

　　至于ARGO AR眼鏡，它體現了現階段硬件廠商在功能性和外形上的取舍，即AR眼鏡搭載的功能越多，其外觀越笨重，越不像普通眼鏡。通常，AR眼鏡設計以眼鏡形態為目標，但成品卻總是接近HoloLens的頭顯形態。參考：KG