Nreal AR眼鏡拆解2:影響Birdbath亮度的因素分析

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Nreal AR眼鏡拆解2:影響Birdbath畫面和亮度因素分析

Nreal AR眼鏡拆解3:Birdbath觀感和uOLED光機分析

本文出自Karl Guttag博客,上篇文章介紹了以Nreal LG版為代表的Birdbath光學方案的基本結構,以及優缺點分析。在第二篇Nreal拆解文章中,將詳細展示大量內部構造實拍圖,整個光學元器件都會被一一拆解。

首先,將拆解Nreal內部零部件,然后分析光學結構、光學效率等。

Nreal對Birdbath光學模組中使用的四分之一波片和偏振膜也下了一些功夫,目的就是提升光效?;谶@些細節,將有助于深入理解Bridbath的局限性。

正如第一篇拆解提到的,該系列并不是針對Nreal本身,而是討論Bidbath光學模組的設計,以及優劣勢等,本文的目的也是讓更多人了解均衡、全面的了解Birdbath方案。

1,Nreal LG版采用索尼Micro OLED

Nreal開發者版、LG版本使用的是索尼ECX335 Micro OLED屏幕,尺寸為0.71英寸,分辨率為1920×1080,而且兩個版本似乎沒有太多區別。

2020年6月外媒有報道稱Nreal將采用京東方(BOE)的1080p Micro OLED屏幕,尺寸同樣為0.71英寸。但在2020年下半年的版本中,Nreal仍然使用索尼屏幕,這有點令人感到奇怪。而今年高通宣布的AR眼鏡參考設計,則明確表示采用BOE的Micro OLED屏幕。

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對其它公司而言,采用BOE的屏幕往往也意味著在控制成本。

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?當前,索尼仍然是Micro OLED市場的領導者,其主要應用在相機EVF取景器等產品上,而EVF每年出貨量遠比AR眼鏡大。不僅如此,索尼在相機領域競爭對手佳能、尼康的EVF,似乎也在使用索尼Micro OLED,足以表明索尼在這一市場的地位。

2,傳言蘋果AR也采用索尼Micro OLED

此前有傳聞表示,蘋果AR眼鏡也將采用索尼Micro OLED。分析師Ross Young表示:?該面板是索尼ECX337(分辨率1280×960)的變體,亮度上會更高。

值得注意的是,目前關于蘋果AR和VR的傳聞中有些是自相矛盾的。

需要明確,我不認為蘋果會采用Birdbath方案和Micro OLED組合,雖然成本上有優勢,但對蘋果來說這樣的產品還不夠時尚。與此同時,Micro OLED的亮度又不足以支持大多數光波導模組。

3,Nreal光學元件拆解

為了更好的區分Nreal開發者版(紅色邊框)、和LG版本(深灰色邊框),兩者的邊框顏色可以用來區分,下文將不再單獨描述。

3-1 索尼Micro OLED、偏振膜、玻璃透鏡

預偏振膜直接貼在Micro OLED屏幕上。

約13mm焦距的玻璃透鏡,緊貼著偏振膜。單個玻璃透鏡重6-7g,僅兩個玻璃透鏡(約13g)就占眼鏡(88g)重量的15%,鏡框組合后的重量和鎂鋁合金前框接近。因為玻璃透鏡會導致畫面失真,這部分可以通過曲面鏡校正。

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上圖中,左側為帶有偏光膜和透鏡的Micro OLED俯視圖,中間是Micro OLED俯視圖,右側是將玻璃透鏡側視、俯視圖,預偏振膜俯視圖。

這里的偏振膜似乎必要性不高,因為分束器會將光線轉換為偏振光。不過,Micro OLED模組上的偏振膜阻止了部分光線,否則會導致重影等問題。

3-2 分束器、四分之一波片、曲面鏡

下圖中展示了Birdbath模組拆開后的機結構,偏振分束器由3層塑料膜組成,共同粘在薄玻璃(厚約0.75mm)上。

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曲面鏡兩側的四分之一波片,反射和透過比例為4:6。曲面鏡厚度約1.4mm,材質為塑料,外側有涂層。光線在反射前穿過塑料膜,形成了曼金鏡,可以矯正球形畸變。

分束器通過薄膜與Micro OLED保持約45度角。同時,分束器也會略微水平傾斜。

四分之一波片本身很平整,但附加在曲面鏡兩側,拆下來的波片可能一定程度反應曲面鏡的曲率。

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上圖顯示了整個光學機構中四分之一波片,圖片是取掉分束器后拍攝的。

3-3 分束器的詳細信息

起初Karl認為Nreal使用的是Moxtek的線柵偏振分束器(PBS),因為Moxtek分束器品質很好,而且可實現較高的對比度。但是,Moxtek分束器的價格卻獨自美麗。

在拆解中發現,證明了Nreal使用了來自Asahi Kasei在ODG Birdbath中的PBS,從玻璃基板上可以看出不是一層,而是一共三層塑料膜。

上面兩層看上去像是兩種不同的二向色偏振片(屬于吸收型偏振片),每層可反射光譜的不同部分,最下層是吸收型偏振片。

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圖中右上角是將三層薄膜依次排列在分束器玻璃基板上,左上角為普通分束器效果,右側是兩層疊加效果。圖中分束器呈90度垂直發出偏振光,可見右側底層(酒紅色)和頂層(綠色),表明是二向色薄膜。

圖中右下角分束器呈45度,就像Birdbath方案設計類似,可見二向色薄膜對角度很敏感,這兩種膜都反射了大部分光線,但是它沒有左側三層組合后的那么暗,也意味著一部分光未被反射,消失掉了。

分束器有幾個面,每個面都會有一些光損,上面兩層二向色薄膜還不夠精準,反射了一些不需要的偏振光,阻擋一部分需要的偏振光。底層的吸收型偏振片起到了很好的凈化效果,防止光線透過后在玻璃基板上引起不必要的反射。

3-4 分束器玻璃基板

由于三層塑料膜是粘貼在靠近眼睛一側的,因此還具備一點點的保護玻璃基板的效果。但是也有人表示,有人會采用更厚的塑料基板可實現更高的安全標準。

4,眼鏡前框架和散熱設計

Nreal AR眼鏡前框架貌似基于鎂合金材質,前框架重約13g,這與兩塊玻璃透鏡重量相當。索尼Micro OLED白色全亮功率約1W,可在最高亮度顯示全白色畫面。內部采用全被動散熱,沒有散熱孔,因此框架就成了散熱的重要組成部分,框架設計了多個導熱墊。

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鏡框正面有兩個吸收型偏振片,上面同樣貼有四分之一波片。上圖右下角,右側是清理一半四分之一波片的效果,表明四分之一波片抵消了曲面鏡上四分之一波片,最終讓真實環境的光線不會有其它的偏振損耗。

框架內外兩側都是塑料組件。

5,圖像經過Birdbath的變化

下面通過三張圖片展示了原始畫面經過Birdbath在畫面形狀和亮度上的變化,這里通過選擇性去掉一些組件進行對比。三種照片都通過調節快門速度獲得與屏幕亮度相接近的亮度,意味著快門速度的不同也代表了畫面亮度的比例,這是一個簡單的方法,存在約30%誤差。

第1張圖是從下方觀看Micro OLED屏的效果,帶有偏振片和玻璃透鏡。其中左側的畫面去掉偏振分束器,通過透鏡和預偏振膜可直接看到畫面,不過畫面因玻璃透鏡引發一些畸變。同時,還能看到曲面鏡的部分反射畫面。

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實際上,這時的亮度已經比Micro OLED原有亮度減少了一半左右。此時,光未完全偏振,其中原因可能是頂部的預偏振膜造成的。

第二張圖是從正面看,左側是取下前偏振片后,直接查看曲面鏡的反射畫面??梢?,前反射鏡畫面并沒有和Micro OLED完全對齊,意味著分束器是傾斜設計。從畫面來看,從曲面鏡看到的畫面和直接觀看屏幕的畸變情況基本一致。

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?同時可見,如果沒有前偏振片,亮度是入眼亮度的2翻倍還要多(約260nit),主要因為60%光被反射,再加上有約4%的光未發生偏振,最終約5nit穿過前偏振片。

第三張圖是正常視角,也就是從眼睛方向觀察。之前畫面的畸變被曲面鏡進行了校正,圖像四周基本是直邊。而最終入眼亮度約120nit,也只有Micro OLED屏幕原有亮度的14%左右。

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同時還需要注意, 自己觀察能看到玻璃透鏡的陰影,它的形狀也被光線反射出來。有人表示,如果采用更復雜一些的雙透鏡方案陰影情況幾乎不可見。

雖然上圖中尺寸比較小、難以分辨,但圖像右邊的頂部比底部尺寸略小,猜測可能是分束器的略微傾斜導致的。

6,聯想ThinkReality A3

?正如上文所寫,我也非常好奇沒有前偏振片的聯想ThinkReality A3的效果。通過視頻截圖看,視頻中的產品可能是樣品(或關閉屏幕狀態)拍攝,真實產品應該會有偏光用的夾層或遮光罩。

2021-CES-Lenovo-A3-copy (1)

 

參考第一篇解析,下面是不帶前偏振片的Nreal的效果(在暗光房間拍攝)。

Nreal-with-and-without-polarizer-2021-05-05-51660-17mm_f4_60th-ISO200-2-copy (2)

7,Nreal光學圖

下圖曾在第一篇解析文章中出現,現在增加更多細節,這張圖也可用來闡釋光損。

Nreal-Optics-Diagram-011-1

圖中從Micro OLED到眼睛的光線用藍線代替,編號為1-8,真實環境中的光線用綠線代替,編號A-G,同時增加了雜光或重影的影響。

7-1 屏幕光到眼睛的路徑

根據上面藍線顯示,Micro OLED發出的非偏振光經過偏振片(1),焦距約13mm玻璃透鏡(2),然后經過偏振分束器(3)反射。該分束器基于兩層二向色偏振膜,位于玻璃基板(約0.75mm厚)。然后再穿過四分之一波片(4),經過有40%反射涂層的曲面鏡(5,曼京偏鏡)到達距離眼睛最遠的物體表面,曲面鏡焦距為20mm,似乎是非球面設計。然后反射光經過外層的四分之一波片(6)被返回。兩次經過四分之一波片后,偏振光旋轉90度,然后再分光分光膜(7)和玻璃(8)到達人眼。

7-2 環境光到眼睛的路徑

現實環境光(綠色)穿過透明護鏡(A)和吸收偏振片(B),(B)上有貼有四分之一波片(C),把入射光線轉換為偏振光。約60%光線通過曲面鏡(D),然后在經過內層四分之一波片(E),兩層四分之一波片(C和E,也就是4和6)作用相反,功能互相抵消。但(C)設計是有必要的,可以提高真實環境光線通過分束器(F)和玻璃(G)到達人眼。

8,光效計算與分析

下面兩組數據圖,對屏幕、外部光線的入眼光路和效率進行粗略估算,因為Nreal使用偏振光,下方計算遇到第一層偏振片時會計算光損約50%,后面不會重復計算。如來自屏幕的光,在經過預偏振片時按50%,疊加部分損耗采用48%來計算,后續不計算其它偏振元件的影響。

Nreal-Optics-Throughput003

即便使用相對理想的元器件,偏振光損50%,曲面鏡反光的光效約40%,折合的光效僅20%。如果使用更貴的元器件,最好的情況或可達17%(也表明,沒有哪一個設計是完美的)。這里的關鍵是,雖然14%的光效看上去很低,但它在一定程度上還有提升空間。

真實環境光線的光路偏振損耗50%,曲面反射鏡光效60%,因此理論最佳光效為30%。雖然可以通過曲面鏡反射、直通的比例來改善這一情況,但最終代價是嚴重損耗光通量。

8-1 曲面鏡反光和透過比例

理論上,帶有偏振分束器的模組任意一方(屏幕、外部環境光兩條光路)最佳光效可以達到50%,但這也意味著一方實現50%,另一方就是0%,而隨著比例進行調整,綜合光效也在降低。當然,如果擁有一個亮度更高的屏幕,那么可以考慮30/70或20/80的比例設計。

8-2 Birdbath第二類方案

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第一篇解析文章提到第二種不常見的Birdbath方案,該方案就不存在分束器反光比例問題,因為它理論限制兩條光路都設計為50%。不過,它存在其它一些問題,而在實際應用中外部環境光路的光效約40-45%,而且還需要一個具有這種類型設計的前偏振膜,否則也會存在前方漏像的情況。

8-3 Nreal光源偏振設計邏輯

表面上看使用Micro OLED光源進行偏振,直接光損50%,但背后原因是光必須通過偏振分束器反射,然后再通過偏振分束器返回。如使用50/50非偏振分束器,每次通過都會造成50%光損,綜合光效僅50%×50%=25%。而由于四分之一波片可控制偏振光,因此偏振導致的光損理論為50%,這樣的光效比非偏振分束器更高。

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內外兩層四分之一波片的組合效果如上圖。相機拍攝時疊加了偏振分束器,為觀察外側四分之一波片(QWP1),上圖把右側的QWP1薄膜拿掉,效果如第一張圖。第二張圖,曲面鏡的QWP會阻擋光線。

四分之一波片通常的作用是用于線偏振光和圓偏振光的轉換,由上方組圖可以看出。

?四分之一波片通常使用塑料薄膜,通常呈透明態。它將線偏振光轉換為圓偏振光,光相位旋轉45度,如在同一方向上進行兩次45度旋轉,實際則旋轉90度。也就是說,四分之一波片應用在Birdbath或其它AR光學中在控制偏振光方面作用非常明顯。

9,關于屏幕功耗

正如第一篇文章中提到的,在顯示全白色圖像時,Lumus Maximus的亮度和功耗比是Nreal的約30倍,其中原因非常復雜,單獨出文章才能詳細說清楚需要。

當中未提到的一點是,如果將Micro OLED用于AR眼鏡上,顯示的畫面大多數情況下是相對松散、稀疏的,目的就是讓用戶還能夠看到現實環境的光線。如果你想將AR眼鏡作為常規電腦顯示器來使用,這將是錯誤的決定,因為對于大多數應用來說只有10%像素處于開啟狀態,在實際應用中效率差異非常大,比如會低10倍。

10,結論

經過本文分析,可以看出Birdbath光學設計的細節。長遠來看,最大的一個問題是外部光線透過率較低。根據AR光學標準,在使用合理的朗伯型顯示屏時,光效會比大多數屏幕要好得多。這也是為什么Birdbath通常與Micro OLED屏幕進行搭配使用的原因。為何Micro OLED不能和光波導模組搭配,這同樣說來話長,值得另寫一篇文章。

Birdbath設計時一個變量主要是曲面鏡中鍍膜的百分比,Nreal曲面鏡為40%光反射,60%光通過,如果將涂層改為80%通過和20%反射,屏幕部分的光線亮度會比現在低一半,但是外部光線透過率會從27%提升到35%。而在這一點,讓曲面鏡提高透過性上導致綜合效率降低。

去掉前帶有四分之一波片外側護鏡也會帶來更糟糕的表現,例如外部反光等,對提高透過率來講效果也微乎其微。因此,Nreal現在設計是一個很好的選擇。同時,外側護鏡也能防止環境光線在光學模組內反射,具有提升畫面純凈度的作用。

當然,Nreal的設計也可以通過更好的材料進行改進,主要體現在偏振分束器上。即便使用更好的材料,最終光效提升也只有幾個百分點。Nreal另一個控制成本的表現是玻璃透鏡,這個設計導致部分漏光,雖然肉眼可見,但這影響幾乎不大。

在部分應用場景中,靠近眼鏡的部分使用玻璃也是一個潛在的問題,當然這在玻璃基光波導材質中更常見。這可能會存在某些安全規定,因此使用塑料可能會對眼睛更安全,但劣勢就是厚度會增加,也會影響最終產品設計。

總體來說,Nreal的Birdbath幾乎可以看作是一個在成本和顯示效果之間很好的平衡方案。

11,畫面顯示效果

關于畫面顯示質量,Karl說Nreal是見過最好的AR眼鏡之一。它具備約52度視場角(對角線),具備1920×1080分辨率的Micro OLED模組,它的有效分辨率在長和寬上是接近同規格FOV的HoloLens 2眼鏡的2倍。

與典型的2D顯示屏比,它的顯示效果也存在一些不足,例如光學反射帶來的重影,但是和大多數AR眼鏡相比,Nreal的表現又好很多。

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下一篇文章中,將重點介紹畫面透視的觀看效果。

12,致謝

本文中要感謝Pulsar公司CEO David Bonelli為本文審核,他在2015-2018年期間在ODG工作,負責R8、R9開發,這兩款產品和Nreal設計很相似。

原文:Karl Guttag

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