Karl Guttag：微软HoloLens 2激光显示解析（四）

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此前我们已经报道三篇了Karl Guttag关于HoloLens 2光学解析文章，分别报道了HoloLens 2的LBS激光扫描显示分辨率解析、HoloLens 2与HoloLens 1清晰度对比、高分辨率图像与次像素排列中斜向纹理解析。
在第四篇文章中，Karl将再次对LBS激光显示系统进行解析。其中，Karl收到了光学专家David Kessler邮件：他提到，我在文章中猜测HoloLens 2采用了US10025093专利中提到光学扩展器说法不准确，他认为HoloLens 2没有使用光学扩展设备。
从微软官宣图中来看，其具备光学扫描镜，而网友s2upid拆解了Trimble版本的HoloLens 2，并能看到Microvision的logo。
HoloLens 2拆机视频
Karl此前认为：从拆机视频中可以看出US10025093专利中的光学器件可能就位于图中大的慢扫描镜后面（红色圆圈位置），从而进行扩展。不过事实并非如此，在查看微软专利后，从而了解光学扩展组件的工作原理。

标题微软光学扩展相关专利

下图是微软名为“扩大显示孔径”的专利（US2019/0278076专利号）示意图，拆解视频截图的结构对应图，通过蓝色进行对应组件的连线。
专利中提到的：快速扫描镜的孔径必须很小，因此扫描镜也必须足够小，从而满足在不扭曲变形的情况下快速进行扫描。
如专利图5-2，随着快速扫描镜的工作弧度（338）增大，快速扫描镜（310）频率需要在10KHz以上，当达到20或30KHz的频率是会让快速扫描镜（310）发生扭曲变形。因此，通过扩大孔径尺寸、减小扫描镜尺寸，可以防止快速扫描镜（310）扭曲变形。
图6是图5-2组件的侧视图，可以看到整个光线传输路径。
在HoloLens 2上存在三组聚光元件（440），激光模块拆解的情况与上图是相反的，红、绿、蓝每一个通道都有双激光器、以及通用的光学汇聚元件。激光进入传统二向色激光光束合束器（图6未列出），然后将光线传输至快速扫描镜（图6中410；图5-2中310）。
在图7中列出孔径尺寸随着反射镜的大小在图5-2和图6中是如何发生变化的。可以看出，孔径的高度比宽度要大。而在拆解的图片中，孔径的形状也是高度比宽要大，这也能表明图像在水平方向会造成扭曲失真。

孔径的变化与图像失真

下图是单个HoloLens 2光学显示单元的拆解图，其中蓝线标注为光机引擎的尺寸，实际是一个矩形的设计，尺寸约24.4×29×19mm，这样的体积对于AR/VR头戴式设备而言仍然非常大。
在HoloLens 2衍射波导的图片可以看出（红色椭圆虚线）也是高度大于宽度，中间衍射光学元件（DOE）左侧的青色三角形区域和右侧蓝色区域，都是宽大于高。
Karl表示：目前还没有看到微软提交相关图像失真的专利。不过，貌似是HoloLens 2中采用的蝶形波导最终会将图像宽度进行2倍像素的输出，因为约一半的图像沿着DOE向两侧传播。
如上图微软的专利US2017/0363871中图13、14所示，图13中的黑色光线与图14中的红色光线会部分融合。
在同一份专利中，图16解释了左右两个区域如何融合，导致图像的宽度像素数翻倍。尽管专利中没有明确提出，但Karl猜测蝶形波导似乎是导致像素水平拉伸的原因。由于波导会导致水平拉伸，因此在实际驱动激光显示时水平像素就需要减半，因此图13、14中输出显示区域的宽度比高度要大。

HoloLens 2光机体积非常大

如上图所示，LBS激光和光学扩展模组的容积约13.4立方厘米，这套光机引擎的体积确实比较大。
通过对比其它采用衍射波导方案的AR头显的光机引擎来看：

  • Compound Photonics的光机体积不到HoloLens 2的25%，但却拥有50度左右类似的视场角；

  • Waveoptics的DLP光机引擎体积为HoloLens 2的70%，分辨率更大，视场角约40度；

  • Vuzix和JadeBird展示的Micro LED原型（单绿色），约为1立方厘米（1厘米的立方体），并号称实际还会更小。


标题梯形区域显示更佳的可能性

在第三篇文章中，HoloLens 2实际显示中只有上方的一块倒梯形区域的亮度更高更均匀，色彩显示也更为准确。
对此，Karl表示通过本文上面提到的图13、图14了解到，光线传输路径向左右两侧斜向传播，这点也就很好理解了。

扫描线宽度，斜向纹理线条

在实拍HoloLens 2的高分辨率图片中，可以看到次像素组成的斜向纹理线条，在第三篇文章中提到Karl猜测这可能是由于出瞳扩展器（EPE）导致的，但是实际并没有证明这一点。
从上图来看，在图片左、中、右三个区域分别放大显示，可以看出左侧出现向右倾斜的纹理，中间也是向右倾斜并且伴有椭圆形状的线条纹理，右侧是向左倾斜的线条纹理。
图：45mm焦段镜头拍摄，每条扫描线约占图片中7.5个像素
图：黑色区域的斜向线条
虽然Karl暂时还不能确定具体斜向纹理线条的具体原因，但是给出了一些观测结果：

  • 1，屏幕左侧线条向右倾斜，屏幕右侧的线条向左倾斜；

  • 2，屏幕中间会有一个从左到右的过渡；

  • 3，在部分区域，斜向线条的水平间距与两条扫描线几乎相同，同时线条的粗细会发生变化；

  • 4，在部分区域，斜向线条被三个扫描线宽度隔开；

  • 5，斜向线条角度约60度；

  • 6，曝光时间较长（超过8个扫描周期）的线条会更清晰，表明线条不会发生变动；

  • 7，黑色的图案区域也有斜线线条出现，表明它们吸收散射光；

  • 8，虽然最终呈现的图像有色差，但线条没有色差现象，或表明线条在耦出这一侧；

  • 9，斜向线条无色差，原因很可能是耦出光栅附近或上方导致；

  • 10，如果线条来自耦出光栅，则间距最小在12-13μm（微米），大的间距在24-26μm（29度的垂直视场角中共约854条扫描线，眼睛距离波导20mm），因此看上起光栅本身不到1μm（光的波长400-760nm×1.4）。


截止目前，仍然不确定导致这些斜向线条的原理或意图，但是Karl以往实拍的每张样片中都能看出这一现象。

结论

我们可以看出HoloLens 2使用了一组透镜将激光束引至快速扫描镜，然后通过其它光学元件扩大孔径，再耦入进波导，导致整个光机模组体积较大。目前仍不清楚，光学扩展元件进一步缩小体积的可行性。
Karl认为，HoloLens 2显示效果出现的倒梯形区域显示亮度更高、色彩更均匀的原因就在于，DOE上光线是向左右斜向传播。
而关于斜向纹理线条成像的约60度角度来看，目前仍没有思路。
参考：
https://www.kguttag.com/2020/07/17/hololens-2-display-evaluation-part-4-lbs-optics/
（ END）

 
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