Magic Leap 2分析(二):或为单层光波导+自适应透镜方案

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本文来自于Karl Guttag,也是《Magic Leap 2应用到To B的可行性分析》的后续,本文主要从专利入手来分析Magic Leap 2。

Karl Guttag:Magic Leap 2应用到To B的可行性分析01

1,这个设计似乎有些绝望

在看到Magic Leap 2引入电子调光功能后,Karl第一时间搜索了Magic Leap的专利。首先注意到的是2021年5月13日公布US20210141229号专利,其名称为“用于穿戴设备的环境光管理系统和方法”。

Karl最初认为,Magic Leap应该不会在光波导前加一块LCD用来调光吧。以为这并不是新鲜的设计方案,并且是非常传统且应用久远的方案,也存在不少问题难以解决。

看起来Magic Leap一直在这一方向申请专利,没想到预防性的备用设计最终被采纳。

本篇分析,依旧参照了新任CEO Peggy Johnson的公开信和CNBC的采访。

Karl Guttag:Magic Leap 2应用到To B的可行性分析12

完成上篇文章后,Karl继续搜索了Magic Leap与调光相关专利,又找到另外3份:US20210048676、US20210003872和US20200074724,从中发现了一些细节。从CNBC采访和专利来看,Magic Leap 2似乎的确在光波导前方增加了LCD调光器,看起来Magic Leap也是绝望的、不惜冒险的设计。但是,像素LCD调光也有一些问题,Karl将下篇文章中将着重进行分析。

Magic Leap在过去3年申请631项专利,因此没有办法进行详细的搜索每一篇专利,因此本文仅针对已经看到的几篇专利来分析。

1-1,垂直FOV更大?或许存疑

在Peggy Johnson署名文章中,公布了一张Magic Leap 2和1代的FOV对比示意图。下图中,Karl自己增加了HoloLens 1和2代的FOV进行参考和对比。

官方公布示意图中,Magic Leap 2的FOV垂直方向增长很大,这与当下所有双目AR眼镜的设计并不相同,不过Karl认为这样的设计并没有体现技术上的进步。

Karl Guttag:Magic Leap 2应用到To B的可行性分析02

但是根据2020年11月提交的专利US20210141229中提到的信息,Magic Leap曾考虑55×45度设计,上图中用绿色框表示。

同时根据已查阅的专利,暂未发现垂直FOV大于横向FOV的例子。Karl也迫不及待的想了解Magic Leap 2的真实FOV是否存在误导。虽然还没有得到确认,但Karl认为Magic Leap 2的实际FOV可能和图中公布的并不相同。

2,具备双侧透镜的单层光波导

上文提到,Magic Leap可能会采用单层光波导提供更大FOV和更佳的成像效果。光波导设计在耦入时必须设定为无限远的焦距,因此未修改的话耦出成像也是无限远。Magic Leap 1代有两层光波导,一层的耦出光栅设定焦距在2米,另一层焦距设定在0.5米,从而尽可能降低VAC(视觉辐辏调节冲突)。

HoloLens 1和2代均通过在光波导和眼睛之间增加第一组透镜,将焦距设定在约2米处,同时在光波导外侧通过第二组透镜来抵消第一组透镜产生的影响,目的是让现实环境画面的焦点和放大倍数尽可能保持一致。

大多数的Magic Leap调光专利显示,可能会采用类似HoloLens的前后两组透镜(内侧透镜BLA,外侧透镜FLA)的方式,就像下图一样,图左侧是Bernard Kress的《Optical Architectures for Augmented-, Virtual-, and Mixed-Reality Headsets》书中的示意图,右侧是Magic Leap专利229中提到的。

Karl Guttag:Magic Leap 2应用到To B的可行性分析11

3,可变焦距和视觉辐辏调节共存?

根据专利来看,Karl发现了可变焦距(自适应)的描述,其目的是用在单层光波导中用于降低VAC。根据229专利,Karl大胆猜测:

根据上面229专利图(FIG.27)中的2704组件包括了,用于在2702(目镜)和2700(眼镜)之间切换深度信息的元器件。2706是内侧透镜,因为总会干扰真实环境光线,因此增加2708(外侧透镜)来抵消带来的偏差。

专利229中将BLA和FLA的组合称之为自适应调节,但并未明确是用于变焦用途。FIG.28中表述如下:

在OST-HMD还可以包括一个目镜2806、一个自适应BLA 2808、一个自适应FLA 2810和EPE 2840,显示光源2836,最终到达用户眼睛2800。

那么,如果没有BLA和FLA的自适应模块会有什么结果呢?根据已有对可变焦透镜知识,Karl认为Magic Leap 2可能并没有自适应调节模组,目前分析有三种可能:

1,Magic Leap在1代产品以失败告终,在巨大财务压力下裁员2/3,其中包括自适应透镜的研发人员;
2,Magic Leap 1代前就尝试自适应透镜,但为了产品快速上市,转而放弃这一设计。因此,要么像HoloLens一样有一组固定的透镜,另外就是不会加入任何透镜设计,焦距就在无穷远。还有可能是,采用不同焦距的版本,或者采用叠加镜片式的设计;
3,仍然可能采用Magic Leap 1代中双层光波导设计,不会加入BLA和FLA透镜。

上述三种分析,Karl认为第二种可能性更大,接下来讲一下原因。

3-1,可变焦设计可行性分析

Karl Guttag:Magic Leap 2应用到To B的可行性分析10

Magic Leap的专利中提到了早期可变焦组件方案,Karl也曾在2016年进行分析。目前已知的几种制造可变焦元器件(VFE),最常见的有:机械移动型透镜、柔性镀膜+液态变焦、液晶电子调节。其它的也有如可变形反射镜也可以实现,但无法应用在光波导和眼睛之间。

3-1-1,机械移动型透镜

最常见的方式之一就是通过电机来控制一组或多组透镜移动,就像是相机镜头的对焦方式一样,不过由于透镜尺寸和光波导模组尺寸需要一致,因此透镜会又大又重。

3-1-2,柔性镀膜+液态变焦

在ADLens和Optotune的产品上,其通过改变柔性镀膜之间液体的压力,来实现可变焦设计。上图中,是液态镀膜知名供应商Optotune的方案。

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而ADLens产品是用于眼镜中的手动调节方案,并且也在研发电动调节方案,上图是其专利(US11086132)。

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如上图所示,FLA以及与之作用相反的透镜BLA来进行抵消补偿,虽然液态透镜折射率更高,但在液体流动以及进度控制、耐用性、体积等方面来看并不占优。而且,Magic Leap似乎没有相关专利。

3-1-3,液晶电子调节

液晶用于变焦透镜是很常见的,Karl第一次看到在光波导中应用是2018年CES上,Deep Optics和Lumus的方案。当时也有文章介绍,主要逻辑就是通过相位调制液晶实现变焦。

Karl Guttag:Magic Leap 2应用到To B的可行性分析08

Deep Optics产品中,镜片非常平整,呈透明状。如下图(左),是Deep Optics已经发售的电动调焦偏光镜。

Karl Guttag:Magic Leap 2应用到To B的可行性分析04

根据Deep Optics官网介绍,Deep Optics的液晶层拥有数百万个微小的像素,面板可以控制每一个像素的垂直和旋转,从而实现平滑变焦,并且画面质量更高,切换很迅速。只需要一块物理透镜,通过不同电压即可实现平滑变焦。还可根据用户瞳距(IPD)进行控制,或调节镜片画面中心的间距。

Deep Optics液晶透镜的重点在于,只作用于光的偏振。当入射光和显示光的偏振方向相反,那么透镜只会改变虚拟图像的焦点,不会改变现实环境光线的焦点。

如果使用Deep Optics的方案,无需对现实环境光进行补偿。而根据Magic Leap申请的液晶变焦透镜专利来看,它们需要对环境光进行补偿。部分专利显示,Magic Leap通过多组单元控制变焦,而Deep Optics则通过控制电压来控制变焦。

和Magic Leap方法类似,Deep Optics也会对现实环境的光产生偏振,意味着通常会带来60%的光损(50%偏振+10%其它)。而Magic Leap的方案貌似会阻挡更多环境光线。

3-2,Magic Leap液晶变焦专利

Magic Leap一直在研究解决VAC的液晶变焦光学模组,以下包括从2019年以来相关专利,分别是:US2021/0231986、US2021/0328556、US2021/0041703、US2021/0132394的部分代表性图片。和Deep Optics只改变虚拟图像的焦点不同,Magic Leap的专利同时带有FLA和BLA。

Karl Guttag:Magic Leap 2应用到To B的可行性分析07

这些液晶透镜需要偏振光才能正常工作,假设这些在需要偏振光的调光器后,那么光也有可能是偏振光。Karl表示,他更广行光波导和其它光学模组之间是否有非偏振光。

Karl Guttag:Magic Leap 2应用到To B的可行性分析06

上图中专利US2021/0132394展示了使用多层BLA和FLA透镜,进行变焦,还展示了传统的可更换式透镜与光学镜头的组合模式。

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在专利US2020/0201026中《Kitchen Sink》,包括两组光波导和两组带有BLA和FLA透镜的调光模组。这种方案采用多层设计,如果两组调光器处于最大透过率时,我猜只有约10%的环境光到达人眼。

4,光损严重

每组带有玻璃、液晶、校准材料、和两组ITO电极、其它薄膜等结构的液晶透镜中,将会阻挡约10%的环境光线。Magic Leap多数专利显示,每个自适应BLA和FLA结构都应用了很多液晶单元,暂且不说调光。因此,假设光已经发生偏振,单个BLA和FLA将会阻挡10%-40%的环境光。

典型的“高通量”偏振器(相对于“高对比度”偏振器而言)在偏振时会损失约60%环境光(50%偏振+10%其它损失)。如果是预偏振光时,偏振器仍然会损失10%的环境光。

将40%(偏振器100%-60%后)×90%(其它组件100%-10%后),最终的透过率约为36%,这一数据与常规光波导更低。

5,结论

大量证据表明,Magic Leap正在着手研究基于液晶的像素级电子调光方案。Magic Leap也明确表示,它们的产品将具有某种形式的动态调光功能。下一篇文章中,Karl将进行一部分对相关领域的专利进行分析。

关于FOV,Magic Leap 2的FOV可能更高,就像示意图中那样。但示意图或许还在规划阶段,因为本文发现了一些FOV将变得更宽的证据,至少有30%的可能。

也就是说,Magic Leap的确在考虑通过机械移动透镜/柔性镀膜+液态变焦/液晶电子变焦其中的一种来实现变焦显示。自2013年以来,Magic Leap一直致力于解决VAC问题,因此在Magic Leap 2上找到支持的方法非常重要。虽然这些证明花费大量时间和资金,但Karl认为上述方案应用价值都不高,尤其是基于液晶的电子调光+变焦结合的方案。

Karl认为,Magic Leap可能已经就VAC问题确定了其中一种方案。正如上文提到,他们可能还在研究其它附加方法,但很可能是自适应透镜。

原文:Karl Guttag

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