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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。
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。
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的做法也是绝望的、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。
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。
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：
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；
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；
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
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。
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）。
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。
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。
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。
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。
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。
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：
https://kguttag.com/2021/10/22/magic-leap-2-pt-2-possible-answers-from-patent-applications/
（ END）
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