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Nreal AR眼镜拆解2：影响Birdbath亮度的因素分析
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本文出自Karl Guttag博客，上篇文章介绍了以Nreal LG版为代表的Birdbath光学方案的基本结构，以及优缺点分析。在第二篇Nreal拆解文章中，将详细展示大量内部构造实拍图，整个光学元器件都会被一一拆解。
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前沿科技新媒体，公众号：青亭网Nreal AR眼镜拆解：Birdbath光学结构解析
首先，将拆解Nreal内部零部件，然后分析光学结构、光学效率等。
Nreal对Birdbath光学模组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。基于这些细节，将有助于深入理解Bridbath的局限性。
正如第一篇拆解提到的，该系列并不是针对Nreal本身，而是讨论Bidbath光学模组的设计，以及优劣势等，本文的目的也是让更多人了解均衡、全面的了解Birdbath方案。
1，Nreal LG版采用索尼Micro OLED
Nreal开发者版、LG版本使用的是索尼ECX335 Micro OLED屏幕，尺寸为0.71英寸，分辨率为1920×1080，而且两个版本似乎没有太多区别。
2020年6月外媒有报道称Nreal将采用京东方（BOE）的1080p Micro OLED屏幕，尺寸同样为0.71英寸。但在2020年下半年的版本中，Nreal仍然使用索尼屏幕，这有点令人感到奇怪。而今年高通宣布的AR眼镜参考设计，则明确表示采用BOE的Micro OLED屏幕。
对其它公司而言，采用BOE的屏幕往往也意味着在控制成本。
当前，索尼仍然是Micro OLED市场的领导者，其主要应用在相机EVF取景器等产品上，而EVF每年出货量远比AR眼镜大。不仅如此，索尼在相机领域竞争对手佳能、尼康的EVF，似乎也在使用索尼Micro OLED，足以表明索尼在这一市场的地位。
2，传言苹果AR也采用索尼Micro OLED
此前有传闻表示，苹果AR眼镜也将采用索尼Micro OLED。分析师Ross Young表示：该面板是索尼ECX337（分辨率1280×960）的变体，亮度上会更高。
值得注意的是，目前关于苹果AR和VR的传闻中有些是自相矛盾的。
需要明确，我不认为苹果会采用Birdbath方案和Micro OLED组合，虽然成本上有优势，但对苹果来说这样的产品还不够时尚。与此同时，Micro OLED的亮度又不足以支持大多数光波导模组。
3，Nreal光学元件拆解
为了更好的区分Nreal开发者版（红色边框）、和LG版本（深灰色边框），两者的边框颜色可以用来区分，下文将不再单独描述。
3-1 索尼Micro OLED、偏振膜、玻璃透镜
预偏振膜直接贴在Micro OLED屏幕上。
约13mm焦距的玻璃透镜，紧贴着偏振膜。单个玻璃透镜重6-7g，仅两个玻璃透镜（约13g）就占眼镜（88g）重量的15%，镜框组合后的重量和镁铝合金前框接近。因为玻璃透镜会导致画面失真，这部分可以通过曲面镜校正。
上图中，左侧为带有偏光膜和透镜的Micro OLED俯视图，中间是Micro OLED俯视图，右侧是将玻璃透镜侧视、俯视图，预偏振膜俯视图。
这里的偏振膜似乎必要性不高，因为分束器会将光线转换为偏振光。不过，Micro OLED模组上的偏振膜阻止了部分光线，否则会导致重影等问题。
3-2 分束器、四分之一波片、曲面镜
下图中展示了Birdbath模组拆开后的结构，偏振分束器由3层塑料膜组成，共同粘在薄玻璃（厚约0.75mm）上。
曲面镜两侧的四分之一波片，反射和透过比例为4：6。曲面镜厚度约1.4mm，材质为塑料，外侧有涂层。光线在反射前穿过塑料膜，形成了曼金镜，可以矫正球形畸变。
分束器通过薄膜与Micro OLED保持约45度角。同时，分束器也会略微水平倾斜。
四分之一波片本身很平整，但附加在曲面镜两侧，拆下来的波片可能一定程度反应曲面镜的曲率。
上图显示了整个光学机构中四分之一波片，图片是取掉分束器后拍摄的。
3-3 分束器的详细信息
起初Karl认为Nreal使用的是Moxtek的线栅偏振分束器(PBS)，因为Moxtek分束器品质很好，而且可实现较高的对比度。但是，Moxtek分束器的价格却独自美丽。
在拆解中发现，证明了Nreal使用了来自Asahi Kasei在ODG Birdbath中的PBS，从玻璃基板上可以看出不是一层，而是一共三层塑料膜。
上面两层看上去像是两种不同的二向色偏振片（属于吸收型偏振片），每层可反射光谱的不同部分，最下层是吸收型偏振片。
图中右上角是将三层薄膜依次排列在分束器玻璃基板上，左上角为普通分束器效果，右侧是两层叠加效果。图中分束器呈90度垂直发出偏振光，可见右侧底层（酒红色）和顶层（绿色），表明是二向色薄膜。
图中右下角分束器呈45度，就像Birdbath方案设计类似，可见二向色薄膜对角度很敏感，这两种膜都反射了大部分光线，但是它没有左侧三层组合后的那么暗，也意味着一部分光未被反射，消失掉了。
分束器有几个面，每个面都会有一些光损，上面两层二向色薄膜还不够精准，反射了一些不需要的偏振光，阻挡一部分需要的偏振光。底层的吸收型偏振片起到了很好的净化效果，防止光线透过后在玻璃基板上引起不必要的反射。
3-4 分束器玻璃基板
由于三层塑料膜是粘贴在靠近眼睛一侧的，因此还具备一点点的保护玻璃基板的效果。但是也有人表示，有人会采用更厚的塑料基板可实现更高的安全标准。
4，眼镜前框架和散热设计
Nreal AR眼镜前框架貌似基于镁合金材质，前框架重约13g，这与两块玻璃透镜重量相当。索尼Micro OLED白色全亮功率约1W，可在最高亮度显示全白色画面。内部采用全被动散热，没有散热孔，因此框架就成了散热的重要组成部分，框架设计了多个导热垫。
镜框正面有两个吸收型偏振片，上面同样贴有四分之一波片。上图右下角，右侧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镜上四分之一波片，最终让真实环境的光线不会有其它的偏振损耗。
框架内外两侧都是塑料组件。
5，图像经过Birdbath的变化
下面通过三张图片展示了原始画面经过Birdbath在画面形状和亮度上的变化，这里通过选择性去掉一些组件进行对比。三种照片都通过调节快门速度获得与屏幕亮度相接近的亮度，意味着快门速度的不同也代表了画面亮度的比例，这是一个简单的方法，存在约30%误差。
第1张图是从下方观看Micro OLED屏的效果，带有偏振片和玻璃透镜。其中左侧的画面去掉偏振分束器，通过透镜和预偏振膜可直接看到画面，不过画面因玻璃透镜引发一些畸变。同时，还能看到曲面镜的部分反射画面。
实际上，这时的亮度已经比Micro OLED原有亮度减少了一半左右。此时，光未完全偏振，其中原因可能是顶部的预偏振膜造成的。
第二张图是从正面看，左侧是取下前偏振片后，直接查看曲面镜的反射画面。可见，前反射镜画面并没有和Micro OLED完全对齐，意味着分束器是倾斜设计。从画面来看，从曲面镜看到的画面和直接观看屏幕的畸变情况基本一致。
同时可见，如果没有前偏振片，亮度是入眼亮度的2翻倍还要多（约260nit），主要因为60%光被反射，再加上有约4%的光未发生偏振，最终约5nit穿过前偏振片。
第三张图是正常视角，也就是从眼睛方向观察。之前画面的畸变被曲面镜进行了校正，图像四周基本是直边。而最终入眼亮度约120nit，也只有Micro OLED屏幕原有亮度的14%左右。
同时还需要注意， 自己观察能看到玻璃透镜的阴影，它的形状也被光线反射出来。有人表示，如果采用更复杂一些的双透镜方案阴影情况几乎不可见。
虽然上图中尺寸比较小、难以分辨，但图像右边的顶部比底部尺寸略小，猜测可能是分束器的略微倾斜导致的。
6，联想ThinkReality A3
正如上文所写，我也非常好奇没有前偏振片的联想ThinkReality A3的效果。通过视频截图看，视频中的产品可能是样品（或关闭屏幕状态）拍摄，真实产品应该会有偏光用的夹层或遮光罩。
参考第一篇解析，下图是不带前偏振片的Nreal的效果（在暗光房间拍摄）。
7，Nreal光学图
下图曾在第一篇解析文章中出现，现在增加更多细节，这张图也可用来阐释光损。
图中从Micro OLED到眼睛的光线用蓝线代替，编号为1-8，真实环境中的光线用绿线代替，编号A-G，同时增加了杂光或重影的影响。
7-1 屏幕光到眼睛的路径
根据上面蓝线显示，Micro OLED发出的非偏振光经过偏振片（1），焦距约13mm玻璃透镜（2），然后经过偏振分束器（3）反射。该分束器基于两层二向色偏振膜，位于玻璃基板（约0.75mm厚）。然后再穿过四分之一波片（4），经过有40%反射涂层的曲面镜（5，曼京偏镜）到达距离眼睛最远的物体表面，曲面镜焦距为20mm，似乎是非球面设计。然后反射光经过外层的四分之一波片（6）被返回。两次经过四分之一波片后，偏振光旋转90度，然后再分光分光膜（7）和玻璃（8）到达人眼。
7-2 环境光到眼睛的路径
现实环境光（绿色）穿过透明护镜（A）和吸收偏振片（B），（B）上有贴有四分之一波片（C），把入射光线转换为偏振光。约60%光线通过曲面镜（D），然后在经过内层四分之一波片（E），两层四分之一波片（C和E，也就是4和6）作用相反，功能互相抵消。但（C）设计是有必要的，可以提高真实环境光线通过分束器（F）和玻璃（G）到达人眼。
8，光效计算与分析
下面两组数据图，对屏幕、外部光线的入眼光路和效率进行粗略估算，因为Nreal使用偏振光，下方计算遇到第一层偏振片时会计算光损约50%，后面不会重复计算。如来自屏幕的光，在经过预偏振片时按50%，叠加部分损耗采用48%来计算，后续不计算其它偏振元件的影响。
即便使用相对理想的元器件，偏振光损50%，曲面镜反光的光效约40%，折合的光效仅20%。如果使用更贵的元器件，最好的情况或可达17%（也表明，没有哪一个设计是完美的）。这里的关键是，虽然14%的光效看上去很低，但它在一定程度上还有提升空间。
真实环境光线的光路偏振损耗50%，曲面反射镜光效60%，因此理论最佳光效为30%。虽然可以通过曲面镜反射、直通的比例来改善这一情况，但最终代价是严重损耗光通量。
8-1 曲面镜反光和透过比例
理论上，带有偏振分束器的模组任意一方（屏幕、外部环境光两条光路）最佳光效可以达到50%，但这也意味着一方实现50%，另一方就是0%，而随着比例进行调整，综合光效也在降低。当然，如果拥有一个亮度更高的屏幕，那么可以考虑30/70或20/80的比例设计。
8-2 Birdbath第二类方案
第一篇解析文章提到第二种不常见的Birdbath方案，该方案就不存在分束器反光比例问题，因为它理论限制两条光路都设计为50%。不过，它存在其它一些问题，而在实际应用中外部环境光路的光效约40-45%，而且还需要一个具有这种类型设计的前偏振膜，否则也会存在前方漏像的情况。
8-3 Nreal光源偏振设计逻辑
表面上看使用Micro OLED光源进行偏振，直接光损50%，但背后原因是光必须通过偏振分束器反射，然后再通过偏振分束器返回。如使用50/50非偏振分束器，每次通过都会造成50%光损，综合光效仅50%×50%=25%。而由于四分之一波片可控制偏振光，因此偏振导致的光损理论为50%，这样的光效比非偏振分束器更高。
内外两层四分之一波片的组合效果如上图。相机拍摄时叠加了偏振分束器，为观察外侧四分之一波片（QWP1），上图把右侧的QWP1薄膜拿掉，效果如第一张图。第二张图，曲面镜的QWP会阻挡光线。
四分之一波片通常的作用是用于线偏振光和圆偏振光的转换，由上方组图可以看出。
四分之一波片通常使用塑料薄膜，通常呈透明态。它将线偏振光转换为圆偏振光，光相位旋转45度，如在同一方向上进行两次45度旋转，实际则旋转90度。也就是说，四分之一波片应用在Birdbath或其它AR光学中在控制偏振光方面作用非常明显。
9，关于屏幕功耗
正如第一篇文章中提到的，在显示全白色图像时，Lumus Maximus的亮度和功耗比是Nreal的约30倍，其中原因非常复杂，单独出文章才能详细说清楚需要。
当中未提到的一点是，如果将Micro OLED用于AR眼镜上，显示的画面大多数情况下是相对松散、稀疏的，目的就是让用户还能够看到现实环境的光线。如果你想将AR眼镜作为常规电脑显示器来使用，这将是错误的决定，因为对于大多数应用来说只有10%像素处于开启状态，在实际应用中效率差异非常大，比如会低10倍。
10，结论
经过本文分析，可以看出Birdbath光学设计的细节。长远来看，最大的一个问题是外部光线透过率较低。根据AR光学标准，在使用合理的朗伯型显示屏时，光效会比大多数屏幕要好得多。这也是为什么Birdbath通常与Micro OLED屏幕进行搭配使用的原因。为何Micro OLED不能和光波导模组搭配，这同样说来话长，值得另写一篇文章。
Birdbath设计时一个变量主要是曲面镜中镀膜的百分比，Nreal曲面镜为40%光反射，60%光通过，如果将涂层改为80%通过和20%反射，屏幕部分的光线亮度会比现在低一半，但是外部光线透过率会从27%提升到35%。而在这一点，让曲面镜提高透过性上导致综合效率降低。
去掉前带有四分之一波片外侧护镜也会带来更糟糕的表现，例如外部反光等，对提高透过率来讲效果也微乎其微。因此，Nreal现在设计是一个很好的选择。同时，外侧护镜也能防止环境光线在光学模组内反射，具有提升画面纯净度的作用。
当然，Nreal的设计也可以通过更好的材料进行改进，主要体现在偏振分束器上。即便使用更好的材料，最终光效提升也只有几个百分点。Nreal另一个控制成本的表现是玻璃透镜，这个设计导致部分漏光，虽然肉眼可见，但这影响几乎不大。
在部分应用场景中，靠近眼镜的部分使用玻璃也是一个潜在的问题，当然这在玻璃基光波导材质中更常见。这可能会存在某些安全规定，因此使用塑料可能会对眼睛更安全，但劣势就是厚度会增加，也会影响最终产品设计。
总体来说，Nreal的Birdbath几乎可以看作是一个在成本和显示效果之间很好的平衡方案。
11，画面显示效果
关于画面显示质量，Karl说Nreal是见过最好的AR眼镜之一。它具备约52度视场角（对角线），具备1920×1080分辨率的Micro OLED模组，它的有效分辨率在长和宽上是接近同规格FOV的HoloLens 2眼镜的2倍。
与典型的2D显示屏比，它的显示效果也存在一些不足，例如光学反射带来的重影，但是和大多数AR眼镜相比，Nreal的表现又好很多。
下一篇文章中，将重点介绍画面透视的观看效果。
12，致谢
本文中要感谢Pulsar公司CEO David Bonelli为本文审核，他在2015-2018年期间在ODG工作，负责R8、R9开发，这两款产品和Nreal设计很相似。
原文：Karl Guttag
https://kguttag.com/2021/06/04/nreal-teardown-part-2-detailed-look-inside/
（ END）
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