未分类 · 2022年 8月 31日 0

Nreal AR眼镜拆解:Birdbath光学结构解析

Nreal AR眼镜拆解:Birdbath光学结构解析

hi188|编辑

本文出自Karl Guttag博客,这一次Karl带来了对Nreal Light眼镜的拆解,以及Bird Bath光学结构解析。

本文基于Nreal在韩国LG U+发售的版本和开发者版来拆解。众所周知,Birdbath成为如今AR眼镜中常见的光学方案,本文重点是通过Nreal来帮助作者向大家讲解Birdbath光学方案的优劣势和限制,非谈论Nreal AR眼镜本身设计的好和坏。

Nreal AR眼镜拆解:Birdbath光学结构解析

Karl讲到,Nreal AR眼镜的图像质量比很多AR眼镜都要好很多,但是也有些缺点,下面展开来讲。

1,Lumus Maximus亮度/功耗比是Nreal 30倍

Karl首先指出,Lumus Maximus的光效比Nreal高出一个数量级。相关阅读:《Lumus Maximus二维扩瞳阵列光波导,比HoloLens 2强在哪?

关于亮度很多人首先联想到的是电池和续航,但对AR眼镜来讲更大的问题在于热管理,因为AR眼镜的体积往往非常小,而显示模组的亮度往往被压缩到镜框或镜腿的一小部分,首先散热效率就会变差,如果这一部分靠近用户脸部那么用户体验就会更糟糕。下图中红圈为镁铝合金导热垫。

Nreal AR眼镜拆解:Birdbath光学结构解析

如果显示模组亮度需要满足日常大部分使用需求,那么它需要具备更高的光学效率。

Nreal AR眼镜拆解:Birdbath光学结构解析

Karl在Lumus Maximus文章对比中提到,Maximus光效比WaveOptics衍射光波导高10倍,同时Maximus仅需1W(瓦)LED即可实现大于4500nit亮度。而根据测试,Nreal显示模组功耗约0.85W,入眼亮度在110nit左右。由此估算,两者同样覆盖约50度FOV,但Maximus的亮度/功耗比是Nreal的30倍以上。

2,Birdbath光学大爆发

Nreal自从2019年CES开始被更多人关注后,很多类似光学设计的产品接连发布,例如太平洋未来科技、OPPO、联想等品牌,以及惠牛科技、耐德佳等光学厂商也都在跟进。

Nreal AR眼镜拆解:Birdbath光学结构解析

不过严格来讲,Nreal的光学设计和Karl在2017年分析的ODG方案也很类似。Karl还表示:目前至少两名ODG前员工在联想负责类似Birdbath光学的AR眼镜。

Nreal AR眼镜拆解:Birdbath光学结构解析

这些产品设计大抵相同,有些差异无法从图片来区分,有些则比较明显。如左下方AM Glass底部有遮光罩,采用封闭式设计,而高通AR参考设计底部有明显突出。

光学周围实体包围(自由曲面方案,也可以看作是Birdbath实心版本)。

其中AM Glass下方的遮光罩作用很明显,就是防止底部反光,引入杂像。

Nreal AR眼镜拆解:Birdbath光学结构解析

例如在2019 CES上试戴Nreal时就可以看到佩戴在胸前的CES媒体证件的反射画面(上图)。

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其中,Nreal、ODG、联想的Birdbath并没有底部遮光设计。而Nreal此前公布的企业版本(上图),则在底部增加遮光设计。

3,Birdbath类型

“Birdbath”是光学结构的通用名称,通俗的讲就是带有光束分离功能的曲面镜,垂直于曲面镜的光则通过分束器反射到曲面镜上。

Nreal AR眼镜拆解:Birdbath光学结构解析

从反射类型看,Birdbath有两种,一种是曲面镜半反射(部分反射),佩戴者可以透过镜片看到外部环境;另一种是曲面镜全反射,只能看到分束器反射后的画面。

Karl此前对大量Birdbath光学结构进行分析,包括Nreal、ODG R6/R8/R9、联想A3、高通AR眼镜参考设计都是半反射(部分反射)。

3-1 Nreal Birdbath结构解析

下方是Nreal AR眼镜光学机构示意图,来自顶部OLED屏幕(1)的光通过透镜(2)放大、变焦后,经由偏振分束器(3)反射到曲面镜(60%透过,40%反射),光穿过曲面镜(5,右侧蓝色曲线)在薄塑料片组成的四分之一波片(4、6,紫色)反射,经过两次四分之一波片使光相位旋转90度(四分之一波片通常用于线偏振光与圆偏振光的转换),然后经过偏振分束器(7、8)。根据测量,最终入眼亮度仅为屏幕亮度的15%左右。

Nreal AR眼镜拆解:Birdbath光学结构解析

通过结构图看,真实环境的光线需经过前偏振器(右侧红色虚线)、四分之一波片、60%透过率的曲面镜、第二个四分之一波片。前偏振器和两组四分之一波片作用是将现实环境光线转换成偏振光,经过偏振片理论上只有偏振的损耗。实际情况是,入眼的真实光线约为26%。

另外还有一个四分之一波片和偏振膜,作用是防止前偏振光的图像透过(有效率约95%)。这里需注意,真实环境光线也是必须通过前偏振膜、两组四分之一波片、曲面镜、偏振分束器才能到达人眼。

整个光学模组重量很轻,只有外侧镜片等少部分是玻璃材质,其它都是塑料,中间是空心的。

3-2 厚度、FOV

根据肖特公司Ruediger Sprengard在SPIE 2021的演讲中提到了Birdbath光学设计,如下图。Sprengard还在右侧画线,说明分束器厚度需要随着FOV增大而变大。而在Nreal Birdbath方案,还必须使用曲面镜。

Nreal AR眼镜拆解:Birdbath光学结构解析

Nreal模组厚度约25mm,而常见的光波导模组仅几毫米。除了厚度差异外,Nreal光机和模组大部分重量都集中在鼻梁前方,从而导致AR眼镜前端很重,佩戴后也就给鼻子带来更大的压力。

3-3 防止前向漏光

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上面结构图还显示了紫色路径是存在漏光的可能性。如果没有偏振膜,那么OLED屏幕60%未被反射镜发射的偏振光将向前投射(也就是漏光),前偏振膜的作用就是阻挡约95%的漏光。对此进行试验,上图左侧拿掉偏振膜,右侧保留,可见左侧漏光、漏像非常明显。

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前偏振膜另一个用途就是让镜面反光变暗,如上图中就是去掉了前偏振膜的效果,看上去就像是广角的镜子一样,反光明显。

3-4 无法看到佩戴者的眼睛

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AR眼镜能够看到佩戴者的眼睛也是一个衡量指标。Lumus Maximus透光率很高,可以清晰地看到眼神和眼球动作;HoloLens 2大约有40%透过率,眼睛看上去就会暗淡;而Birdbath透过率为25%,再加上镜面反射因素,导致几乎无法看到佩戴者的眼睛和眼神动作等。

3-5 联想ThinkReality A3反光情况

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联想在CES 2021上发布的Birdbath方案,就存在上文提到的广角镜面反光情况。也可以说明这里没有外侧偏光膜,但依然看不到用户眼睛。Karl表示,视频中光机可能为未开启状态。

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在另一张图中,在没有画面显示的情况下,整个光学模组很通透。Karl表示:开始我以为这可能是一个模型,现在我认为这是一种特殊光线环境的结果,从眼镜后侧可以透过更多光线,因为很多透镜工作方式就像是玻璃一样。但是,真正戴上AR眼镜之后就不会这样,因为佩戴者头部阻挡了大部分的光线。

3-6 联想A3重量支撑貌似不足

在CES 2021公布的视频中,我注意到它说有一个可拆卸的人体工学套件,从图中看镜腿尾部弯曲到后脑勺,但并非封闭设计。A3的重量约130g,Nreal为85g,比后者重约50%。

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不过Nreal消费者版因为重量集中在前端,依然会很“重”,不能长时间佩戴。因为Birdbath设计的本质就是让大部分重量集中在鼻梁上,如上图。Karl也弄不清楚联想的人体工学设计,因为本机比Nreal重1.5倍,希望通过后脑勺提供部分支撑,来弥补重量上的不足。但是Karl认为Nreal企业版设计更合理。

4,为什么Birdbath如今很常见

  • 成本更低。大部分都基于塑料薄膜,唯一高成本在于显示模组(Micro OLED屏幕);

  • 重量更轻。尤其是第一种空心的方案;

  • 成像质量佳。光学模组基本上只是对图像放大;

  • 搭配朗伯光分布的屏幕(如OLED类屏幕)效果出色。且效率比光波导更高,图像质量也很好。

5,Birdbath方案劣势

  • 模组较厚。至少分束器需要和图像宽度接近(Nreal分束器约18mm,加上曲面镜导致最终约25mm);

  • 透光率低。以Nreal为例,它隔绝了约75%真实环境中的光线,接近于戴上一副中等深色墨镜;

  • 无法看到佩戴者眼睛。其他人看到的是深灰色镜片或者反光等;

  • 阻碍视野。因为顶部视野几乎被眼镜本体遮挡,用户只能直视或者向下看;

  • 出瞳距离较小。为了提高观看舒适性,提高出瞳,需要更大、更厚的设计;

  • 因尺寸、重量因素在OLED亮度选择上受限。Birdbath光效通常在15%左右,800nit亮度的OLED入眼就更低;

  • 漏光。即便使用前偏振膜,入眼的光仍有5%向前方反射。

6,结论

Nreal似乎是Birdbath方案中一个不错的代表,它基本上能将Bridbath方案的优缺点呈现出来,这里并不是针对Nreal,联想A3、AM Glass等类似方案也会有类似问题。下篇文章,将重点分析限制Birdbath设计,以及限制透过率因素等。

本文中要感谢Pulsar公司CEO David Bonelli为本文审核,他于2015-2018年期间在ODG工作,负责R8、R9开发,这两款产品和Nreal设计很相似。

7,附:第二种Bridbath

本文讲述了第一种部分反光的设计,而第二种Birdbath是全反射曲面镜(并不常见)。最知名的还是谷歌眼镜,同时三星和Raontech也有类似产品。

Nreal AR眼镜拆解:Birdbath光学结构解析

第二种Bribbath方案的优点是,用户只需要观看分束器,还尽可能引入更多外部光线。同时,因为全反射因素光效也会更高。例如谷歌眼镜的棱镜方案,曲面镜就是右侧的反射涂层。

因为谷歌眼镜FOV很小,因此光机可以放在侧面,但很难把FOV做大。想要做大FOV,通常只能改变位置关系,也就是向下反射,类似Nreal的方案。

第二种Birdbath缺点也明显,通常光学模组是固态的,并非空心设计,这样也就导致重量更高。

原文:Karl Guttag

https://kguttag.com/2021/06/01/nreal-teardown-part-1-clones-and-birdbath-basics/

( END)


 
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原文始发于微信公众号(青亭网):Nreal AR眼镜拆解:Birdbath光学结构解析