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解读 Magic Leap One:光学成像是怎么做的?

编者按:成立于 2017 年的 nreal.ai,致力于用 MR 技术塑造未来世界,改变人类认知体验的公司。CEO 徐驰曾就职于 Magic Leap。本文作者为 nreal.ai 联合创始人、首席光学工程师肖冰,他对 ML One 的光学部分进行解读。

期待已久的 Magic Leap 终于发布了第一代开发者版本,这是所有做 AR 的人都应该兴奋的事情,但由于目前给出的情报过少,只能从公开的图片、文字和少数媒体的报道中给出一些判断和猜测:

光学方面,官方在数字光场上的描述是:

我们的光场光子产生不同深度的数字光,并与自然光无缝融合,从而将逼真的虚拟物体叠加至真实世界中。(Our lightfield photonics generate digital light at different depths and blend seamlessly with natural light to produce lifelike digital objects that coexist in the real world.)

从上图及文字描述,以及以往的专利内容判断,想在如此小的空间内实现同时实现多个深度的图像显示,使用的应该是多层光波导结构。从滚石报道中的图片也可以看出,Magic Leap One 初期原型的尺寸也是大的惊人。

从前图中红圈处的阶跃变化,至少能看到 2 层间隔有一定距离的光波导,里面是否还有更多层的光波导,由于透过率太低,无法判断。从反射粉色光来判断,光栅面积应该占据了波导片的绝大部分面积。从 Magic Leap 创始人 Rony Abovitz 早期给出的图判断,耦入位置应该在光栅上部分的中间。

至于把光线送入波导的投影光机,猜测如果每只眼使用不同的显示像源来显示不同深度的图像信息,这样功耗、体积、重量和系统复杂度会相对较高,但完全独立的显示可以使帧率更高显示更加逼真,但由于体积限制,如果采用这种方式,从上图看 depth 不会太多,不会大于 3 个;如果每只眼的不同 depth 共用同一个像源,则体积、重量、功耗以及系统复杂度都会降低,但带来的问题是帧率会变为 1/n,n 为深度的个数,同时对于投影光机的复用也会带来一些设计难度。

对于屈光不正人人群的适配问题,就我所知,目前无法再波导内改变物体的呈现深度(虽然 Magic Leap 的专利里有类似的技术,但就我判断基本不具备可生产性),需要在波导片之外对波导出射的代表无穷远的虚拟物体光线进行视度调节,因此必然在多层波导之间使用透镜或具有类似功能的元件,这将导致对于屈光不正的人来说,眼镜只能对特定的人适配,从滚石的报道中也有类似的描述:

“在他们推出的时候,公司还将在镜片选择上,提供针对不同群体的适配方案。(By the time they launch, the company will also take prescription details to build into the lenses for those who typically wear glasses.)”

对于视场,滚石的人说,在手臂半伸展的距离下,相当于眼前的一个老式录像带的大小:(The viewing space is about the size of a VHS tape held in front of you with your arms half extended.)

假设臂展 500mm,半臂展 250mm,则对应的视场水平 41°×23.3°=46°,因此猜测视场在 50° 左右。

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