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本文來Karl Guttag

（映維網 2018年10月25日）在今天的文章中，AR硬體/軟體企業Rave的首席科學家Karl Guttag對比分析了Magic Leap One，HoloLens和Lumus這三款波導頭顯的解析度。以下是映維網的具體整理：

自今年1月份的CES大會以來我就一直想做這種對比分析。這是一次比較三種波導頭顯的機會：兩款更為有名的衍射波導型頭顯HoloLens和Magic Leap One，以及基於非衍射波導的Lumus頭顯。與我在17年和18年CES大會體驗的衍射波導相比，我更欣賞Lumus的圖像質量。

對於這篇文章，我主要是比較Magic Leap One（ML1），微軟HoloLens，以及Lumus DK-Vision的解析度。這三款設備都採用了「全內反射（TIR）」來支持一層薄「波導」。

ML1和HoloLens採用了一系列的衍射光柵來支持光線進入和離開波導。HoloLens為紅，綠，藍準備了一層波導，而ML1則為三種顏色準備了兩層（共六層）波導以支持他們的焦平面概念。我已經在之前的文章中對ML1和HoloLens的波導進行了一定的討論。

Lumus選擇了所謂的「光導光學元件（Light-guide Optical Element；LOE）」，其可通過一層波導來處理所有的顏色。一層LOE的厚度類似於HoloLens多層波導堆疊。他們只是以一定角度切割波導的入口以使光線進入（而非使用特定顏色的衍射光柵），然後再使用一系列經過特別設計的局部反射鏡來使光線射出。

1. 拍照與測試圖

我使用了相同的奧林巴斯OM-D E-M10 Mark III相機和相同的14-42mm鏡頭。你可以單擊圖片並以更高解析度進行查看。我為每個顯示器拍攝了數百張照片，然後在測試圖中選擇了最佳區域，試圖呈現每個設備的最佳狀態。

測試圖是基於我在測試其他顯示器時發現非常有用的測試圖。有一系列320×240的子圖案用於測試解析度，其能夠多次複製以填充顯示解析度。有一些大圓圈可以測試整個顯示器的顏色純度。我同時採用了包含人像的圖片來替換一個或兩個彩色場景，以此來檢查顏色。對於想要驗證或質疑我結果的任何人士，你都可以在這裡找到我所使用的測試圖。

2. 光學子系統：顯示組件，投影儀光學，以及波導組合器

在High-Level，三款頭顯都採用了類似的光學架構，並且都採用了場序彩色（FSC）和硅基液晶（LCOS）微型顯示器，但它們來自不同的LCOS製造商。 它們中的每一個都包含「投影儀光學」，其能夠校準和操縱圖像以注入各自的波導之中。三者最不同的地方在於波導結構。

3. 頭顯：ML1, HoloLens和Lumus

3.1 Magic Leap One

ML1使用衍射波導並阻擋約85％的真實光線。你可能會注意到，在上圖中無法看到用戶的眼睛。它搭載了一個由Omnivision製作的1280×960 LCOS微型顯示器，但有效解析度要低很多。它的對角線視場大約是45度，水平視場則是40度左右。

ML1支持約220cd/m2。在顯示測試圖時，我只能看到ML1顯示了1280個水平像素中的大約1160個。我懷疑丟失的約120像素用於瞳距調整。iFixit的拆解說明ML1組件具有Omnivision的自定義解析度，並且可能使用與Omnivision的1080p和720p組件相同的4.5微米像素間距。

3.2 Hololens

微軟HoloLens使用了類似於ML1的衍射波導，並阻擋約60％的真實光線，允許通過的光線比ML1多大約2.7倍。在右邊的圖片中，你可以看到佩戴者的眼睛，但很暗。它採用Himax製造的1366×768像素LCOS微型顯示器，對角線視場約是35度，水平視場則是30度左右。

當在全幀觀察時，我能夠看到測試圖中1280個水平像素中的約1270個。HoloLens在全亮度下支持約320cd/m2，或者說比ML1亮約1.5倍。HoloLens中的Himax FSC LCOS組件可能採用了約6微米像素間距。

3.3 Lumus DK-Vision

Lumus的DK-Vision顯示1920×1080像素（1080p），或者說大約是ML1和HoloLens的兩倍。我在「CES 2018 AR Overview」這篇文章中首次探討了DK-Vision，而Lumus官網提供了宣傳單張。Lumus LOE有一系列的偏振半反射鏡，可作為垂直視場和瞳孔擴展器。Lumus頭顯只遮擋約20％的真實光線，比ML1亮約5.3倍，比HoloLens亮約2倍。我沒有直接測量Lumus頭顯的亮度，但根據相機設置，它大致有1000cd/m2，大約比ML1亮五倍，比HoloLens亮三倍（Lumus同時研發了高達6500cd/m2的軍用產品）。Lumus聲稱DK-Vision目前可支持2000cd/m2，並最終能夠支持3000cd/m2，或者說比ML1和Hololens亮大約一個數量級。Lumus頭顯中使用的1080p Raontech LCOS組件具有6.3微米像素間距。

4. 關於Lumus DK-Vision原型及其LCOS顯示組件的一些評論

我想說明的是，儘管ML1和HoloLens只是小批量生產的開發套件，但Lumus的頭顯屬於「僅供參考」。ML1和HoloLens具備許多Lumus演示設備所不支持的功能。Lumus頭顯儘管搭載了攝像頭，慣性測量單元和Android處理器，但並不具備Magic Leap和Hololens中的功能（如SLAM）。

Lumus頭顯中的LCOS組件是Raontech的早期1080p原型，因此不一定代表最終產品。坦白說，色彩平衡和灰度響應並不是很好，這種情況並不罕見，因為它只是原型而非實際產品。我確實對照片進行了一定的白平衡調整，因為：1.它是一個原型；2.目標是比較光學；3.由於Lumus採用來自不同廠商的LCOS組件，因此最終產品不一定來自於Raontech。

由於這台Lumus頭顯是少數現有原型中的其中一台，它們可能是手工挑選和組裝單元，因此它可能無法代表最終的產品。在大批量生產的同時，質量應該能有所提高。為提高他們的批量生產能力，Lumus最近與廣達電腦達成了生產合作夥伴關係。

影響結果的一個關鍵因素是，Raontech LCOS面板的黑色與白色響應非常不對稱，它非常偏向於黑色。一像素寬的白線幾乎不可見，而一像素寬的黑線幾乎是應有樣子的兩倍寬。由於LC行為和驅動，任何液晶顯示器的黑色與白色響應總是存在一定程度的差異，但相對於我見過的其他LCOS組件，Raontech的不對稱非常嚴重。這種不對稱性也會影響整體外觀，甚至是灰度/顏色響應。 我希望Raontech能夠在他們的LCOS組件中調整他們的液晶配方/加工方式。

5. 全視場圖片

下面的圖片顯示了每個頭顯的整個視場。這些圖片不按比例繪製。HoloLens的水平視場約為30度，ML1為約35度，Lumus也是35度左右。測試圖中的每個子圖案（帶有編號的圓和可變大小的文本）是320×240像素。Lumus原型幾乎是ML1和HoloLens水平像素的兩倍。你可能還會注意到，儘管Lumus和Hololens的寬高比大致為16：9，但ML1更為方正，名義比率是4：3。

完整的測試圖可以幫助你全面了解圖像質量，以及顏色在視場中的變化情況。這些圖片水平上有大約2600到2900個相機像素，但不足以完全評估1140和1920像素寬之間的圖像解析度。基於基本採樣理論和奈奎斯特（Nyquist）速率，你顯然希望每個顯示像素具有兩個以上的相機像素（樣本）。

HoloLens和ML1在視場上都有明顯的色移問題，在白色背景圖像上更為明顯。Lumus只是在遠角處有一定的色移。在Lumus圖片中，較小的文本看起來是更暗/褪色，這是LCOS組件行為的結果。

我注意到Lumus DK-Vision存在一些ML1或HoloLens所沒有的垂直枕形失真。我懷疑枕形化來源於他們的投影光學系統而非波導本身。最右側的一些子圖案（特別是子圖案26和36）也存在一些重影。應該注意的是，這是原型而非生產產品，所以希望他們能夠在生產製造之前能夠改進部分或全部問題。

HoloLens （水平約1270像素）

ML1 （水平約1160像素）

Lumus （水平約1920像素）

接下來，我們在白色背景圖像看到有黑色。與HoloLens和Magic Leap的衍射波導相比，Lumus LOE波導在整個場中具有顯著更好的顏色和亮度均勻性。在第5行哪裡（51-56）那裡，Lumus顯示器確實出現了微暗的黑帶，我懷疑這是由LOE分區的匹配所造成。 另外，左下角有一定的色移和變暗。由於LCOS組件的不對稱性，小文本不會像黑色背景上的白色文本那樣淡化。

6. 相同視場近拍

對於下一組圖片，相機為較大的圖像進行了相應地放大，因此你可以看到每台設備視場中大致相等的部分，比例大致相同。在圖片中，你可以看到只有3像素，2像素和1像素寬線的插圖。Hololens的水平像素數量大致與ML1相同，但視場較小，因此在進行相似的縮放時，圖像和插圖像更小。應該注意的是，Lumus DK-Vision的插圖已經放大了2倍，因此你可以看到細節。

因此在用眼睛看時，DK-Vision上的2像素寬線條與ML1上的1像素寬線條的大小和寬度大致相同，並且比ML1上的2像素寬線條調製得更好。DK-Vision的水平和垂直角解析度似乎是ML1的大約4倍。

白色背景圖片如下所示。白色背景更能看到光學元件散射多少光線。應該注意的是，與Hololens和DK-Vision相比，ML1的「黑色」1像素寬線條不會變得非常黑，這表明ML1光學元件/波導是在散射光線：

7. 64×64子圖案並排對比

最後，下面是每個頭顯最合適的64×64像素子圖案。子圖案有一組3像素寬的線，3像素寬的空間，接著是2像素寬的線和空間，接著是1像素寬的線和空間。這個子圖案的目的是測試光學組件的有效解析度，並基於廣泛使用的1951 USAF解析度圖表。

這三個部分的LCOS組件在黑色到白色，以及白色到黑色的過渡方面是不同的和不對稱的，如黑色背景圖和白色背景圖所示。白色背景圖的黑色能說明光學系統中是否存在散射問題。

如前所述，Lumus已經放大到HoloLens和ML1圖像相對大小的兩倍。這意味著實際上Lumus的2像素寬線非常接近於ML1的1像素線。

HoloLens可以顯示1像素寬的線條，但它們不是特別清晰。LCOS似乎略微偏向於白色而非黑色（1像素寬白線看起來比黑線寬）。你可能會注意到黑色背景的線條（左上角）比白色背景的線條（左下角）寬。由於HoloLens光學元件（波導和/或投影儀）會散射光，白色背景的對比度較低。

ML1幾乎沒有顯示對1像素線條的調製。與其他兩台設備相比，即使2像素寬線也不是特別銳利。我從其他實驗中注意到ML1的「開-關」對比度好於HoloLens，但正如白色背景圖所示，ML1上的白光散射明顯更差。你應該注意到，平整的3像素寬線條看起來都非常模糊和圓滑。

與HoloLens類似，ML1的LCOS似乎略微偏向白色而不是黑色。根據現有信息，ML1的Omnivision微型顯示像素在物理上尺寸更小（4.5微米：約6微米），而需要進行更多地放大可能會導致ML1的有效解析度更低。根據我所看到的情況，ML1最多可能只在每個方向上實現所述解析度的一半。

ML1的默認圖像大小解析度非常糟糕，我做了一個測試，試圖在其有效解析度上獲得更高的精度。當測試圖鎖定在空間中時，我逐漸向它移動並在我能夠識別1像素寬線條時停止。然後我注意到視場中有多少像素可見，並拍了一張照片（下圖）。結果是，在大約710像素寬的情況下，我可以開始看到離散的四條線。它們仍然沒有很好地進行調製，但至少有四條線可見。

Lumus光學可以解析1920×1080顯示屏上的1像素寬線條。角解析度在每個方向上比ML1的角度解析度多三倍，更像是4倍。Lumus系統解析度的限制是LCOS微型顯示器。從黑色背景圖 vs 白色圖可以看出，LCOS高度不對稱，更傾向於黑色。考慮到LCOS組件的物理像素尺寸是6.3微米，在三個頭顯中最大，而這是特別糟糕的情況。對於黑色背景圖，1像素寬白色線條非常暗和細，而白色背景圖上的黑色非常寬。

仔細觀察下面Lumus頭顯的放大圖像，你甚至可以看到LCOS像素鏡之間的間隙有一系列微淡淡的水平和垂直線，這些線遠小於像素的寬度。在這種情況下，解析度受到LCOS組件的限制。需要提醒的是，這已經是「最佳」子圖案。

8. 總結

與HoloLens和Lumus相比，ML1的解析度不如前兩者。我使用相同的設備，並且花費了很多時間來試圖獲得最好的圖像。你在佩戴Magic Leap時顯然不希望閱讀文本。

對於HoloLens，1像素寬線條與你期望的一樣，它們有點模糊但不算台糟糕。Hololens的「開-關」對比度略低於100：1。

DK-Vision在解析度方面處於不同的陣營。但它受到LCOS組件的不對稱性限制，希望他們能夠解決這個問題。

根據我的觀察，ML1嘗試在水平上顯示大約1160個像素，水平視場為40度（對角線約45度）。每像素可達2.06弧分（一個弧分= 1/60度）。因為ML1很模糊，實際上每個像素只能顯示大約4弧分。HoloLens顯示約1024像素，水平超過約30.5度，或者說約1.78弧分/像素，是ML1的兩倍。DK-Vision顯示1080p像素，大約35度視場（對角線約40°），每像素約為1.08弧分，或約為ML1有效解析度的四倍。

9. 其他因素（顏色，透明度和亮度 ）

儘管本文主要是跟解析度有關，但我想講講其他一些觀察結果。

與Magic Leap和HoloLens的衍射波導相比，Lumus LOE視場上的顏色和亮度均勻性給我留下了深刻的印象。Magic Leap和Hololens的顏色在視場上會出現色移和波動，如上面的圖片所示。儘管DK-Vision在角落位置同樣存在一定的問題，但顯然優於另外兩者。

Lumus在透明度方面也有很大的優勢。Lumus只阻擋約20％的真實光線，而Magic Leap阻擋了大約85％，HoloLens則是60％。ML1顯然更暗。

Lumus頭顯也比ML1或HoloLens亮一個數量級。這對於幫助圖像脫穎而出，並支持戶外用例而言十分有必要。Lumus聲稱他們的技術相較於衍射波導具有明顯的光效優勢，儘管我無法驗證這一說法，但我認為這是可信的。所有三款頭顯都使用LCOS，而它們應具有相似的反射率，但我懷疑ML1是由於雙焦平面的存在而丟失了一定的效率。如果你只是在LED上提升功率，它們會變得更熱，效率更低，這反過來導致需要更多的熱量管理，從而增加了體積和重量，而且很快就會失控。

DK-Vision和ML1都使用外置電池組，而Hololens則內置電池，但我不認為這是亮度產生差異的主要因素。我認為原因在於光損耗和熱量管理。

10. 基本論點

簡而言之，雖然並不完美，但在將虛擬信息疊加在現實世界這方面，Lumus光學系統更符合我對「增強現實」顯示器的期望。

我不知道為什麼Magic Leap和微軟都決定採用衍射波導，我歡迎他們回應這篇分析文。Magic Leap和微軟都知道Lumus的波導，也許他們存在各自的業務或技術原因。ML1和Hololens的問題與我見過的其他十幾種衍射波導都一致。在主要方面上，包括透明（並且不會造成偽影），解析度，色彩均勻性和亮度（光學效率），Lumus似乎都優於另外兩款設備。

原文鏈接：yivian.com/news/51883.h


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