Karl Guttag：Niantic户外AR参考设计或采用Lumus光波导

　　前不久，Niantic在高通骁龙峰会上公布了一款用于户外场景的AR眼镜参考设计，其特点是采用无线一体化设计，配备了柔性头带，可用来玩LBS AR游戏。目前关于该AR眼镜方案的信息不多，它的光学方案是大家非常关注的一点，尤其关注它如何在户外强光下清晰显示。

　　我们知道，AR眼镜要想在户外正常使用，首先显示亮度要足够高，才能在强光下看起来清晰。AR/VR光学专家Karl Guttag认为，Niantic AR眼镜使用了光波导，并且很有可能基于Lumus的方案。就目前来看，Lumus是少数拥有超高亮度光波导的公司，其方案在未使用遮光罩的情况下，可以在户外显示AR。Lumus的光波导在户外军事应用场景已经使用了约10年，近年来推出了一些优秀的AR光学原型，比如：

　　Lumus Maximus单目2K版50°FOV 亮度5000尼特 2048x2048分辨率 二维扩瞳光波导方案

　　Maximus 1080P规格 40°FOV 亮度>4000尼特 1080P分辨率 眼动范围12mmx12mm 16：9纵横比

　　Maximus 1440P规格 50°FOV 亮度>3000尼特 1440P分辨率 眼动范围12mmx12mm 1：1纵横比

　　光学元件的明显特征

　　Guttag指出，尽管不同的光波导方案在外观上差异不大，但由于其输入光/图像的位置、光传播方式(光路)不同，相互之间还是有不同的特征。尤其是在不同的衍射波导方案之间，你可以发现前向漏光的程度，与光栅图案之间的差异。

　　通常，衍射光波导的光源几乎垂直于光波导耦入，并通过入射光栅，改变光线衍射角度，并在光波导内部实现全内反射(TIR)。因此，衍射光波导的光源、投影模组通常位于入射光栅背面(WaveOptics的投影模组与光波导平行，但采用90°折叠镜来改变光路)。

　　Magic Leap专利图：典型的衍射波导方案

　　​相比之下，Lumus光波导的光路基于反射来传播，通常会采用以一定角度的棱镜，来将光源耦入到光波导中进行全内反射。因此，投影模组/光源往往并不垂直于光波导。

　　Lumus和Niantic光学方案对比

　　在Niantic公布的AR参考设计视频中，可以看到Niantic AR眼镜的投影模块和电子元件的位置、角度、形状、尺寸，以及双线缆设计都与Lumus Maximus参考设计相似。此外，投影模块与光波导连接位置的轮廓也相似。

　　不过，Lumus Maximus的两侧有额外的外盖，而Niantic AR眼镜原型则没有。而且Niantic采用头箍设计，而Lumus Maximus则采用普通眼镜的镜腿设计。

　　从视频来看，其AR眼镜可以在明亮的日光下运行，意味着亮度足够大，才能在阳光下看清AR内容。 发光问题(front-projection)对比

　　在Niantic视频中，并未发现AR眼镜有明显的漏光问题(eye glow或者front project)。Lumus Maximus方案也是如此，由于它的光学特性，只会向前投射少量的光，发光问题不明显。

　　值得注意的是，采用衍射光波导的HoloLens 2就因为存在向前漏光问题，导致容易泄露士兵的位置，即使在几百米外都能看到。

　　图注：假如将Maximus眼镜抠图并覆盖Niantic原型上，形状足够吻合，而且投影模块的形状和位置也接近。 户外AR对于亮度的需求

　　Guttag指出，由于日光照射的户外环境亮度大，所以AR眼镜通常也需要数千尼特的亮度，才能达到足够的对比度，从而清晰显示AR。即使在AR眼镜上叠加遮光罩，也不能完全弥补亮度问题，反而让环境光难以透过，在户外移动有安全隐患。

　　通常，人眼可感知非常宽的亮度感知范围，在光线充足的房间里，一般可看到(清楚)20到150尼特的亮度。而在户外，光线的亮度大约在500到10000尼特之间。在夜晚或光线昏暗的房间中，经过一段时间适应，人眼也可以看到低于0.1尼特亮度的东西。

　　而对比度，通常指的是最亮和最暗区域的比例，在AR眼镜中，透入的环境光会同时增加暗处和亮处图像的亮度，而且可透入的环境光量会受AR眼镜的透光率影响。

　　在1.5：1对比度下，图像中的文本几乎不可读，当对比度提升至2：1时，文本可读性提升，但色彩饱和度低。当对比度提升至8：1时，色彩饱和度才达到适中水平。而如果是在看电影，人们通常会更喜欢100：1以上的对比度。

　　想要提升对比度，通常有两种方式：一种是提升显示屏亮度，另外一种就是降低背景亮度(通过被动或主动调光)。举个例子，假设户外草地区域亮度为2500尼特，如果你想实现8：1的对比度，那么需要将AR显示模组的亮度调到2500尼特，并将环境光调暗4倍左右。

　　如果是在常见的birdbath+OLED AR眼镜中，如果屏幕亮度仅100尼特，那么遮光罩需要遮挡99%的环境光，才能达到8：1对比度。然而，带上遮光率99%的AR眼镜出门走路，几乎看不见外面的环境，很危险。

　　因此结论很明显，在户外使用AR需要足够高的透光性和足够高的亮度，但同时还需要足够高的对比度，因此设计出在户外使用的AR眼镜具有很高的挑战性。即使搭配上遮光罩，AR显示模组的亮度也需要达到数千尼特。就拿Lumus Maximus举例，它的亮度超过3000尼特，但在户外场景中，可能还需要一定程度调暗背景(比如使用遮光罩)。

　　值得注意的是，AR对亮度的高要求，也提升了对光学设计效率的需求。对比相同视场角和眼动范围的衍射光波导方案，Lumus Maximus的效率约高3到7倍，在亮度和耗电量方面，也比基于birdbath+OLED的方案效率高30多倍。对于在户外使用的AR眼镜来讲，为了保证设备足够便携，通常电池尺寸、重量需要优化，那么高效的AR光学将有助于省电，以及减少散热。 参考设计不会发售

　　​由于Niantic与高通合作开发的AR眼镜是参考设计，可能并没有严格去限制成本，Guttag认为可能短时间内不会面向消费者发售。未来，Niantic可能会寻求硬件厂商合作完成设计和生产，或是在参考设计基础上，吸引AR应用开发者来创建内容生态。不过目前，Niantic并未明确公布设计户外AR眼镜的原因。

　　为了验证自己的猜想，Guttag分别联系了Niantic和Lumus，两家公司对此拒绝回应。因此Guttag认为，如果这两家公司想要正式合作，可能早就宣布了。实际上，Lumus可能是作为关键技术供应商，向Niantic提供了AR光学技术。此前Intel就曾要求使用其技术的硬件厂商标明Intel Inside标志，但Lumus显然不是Intel那样规模的大公司，影响力要小得多。

　　尽管Niantic并未标明AR光学的来源，但却多次强调其AR眼镜是与高通合作设计，基于高通骁龙技术，实际上这样的合作与技术关系不大，更重要的是依托于高通的XR业务和营销能力。 除了Lumus，Niantic还有其他选择吗?

　　Kral Guttag认为，Lumus Maximus在户外使用的亮度、效率、尺寸、重量和图像质量方面具有显着优势，而且还生成与衍射波导相比具有成本竞争力。值得注意的是，Lumus几乎是唯一一家开发了大于50°FOV、高于85%透光率、亮度超过2000尼特/瓦的AR光公司。此外，与大多数其他技术相比，Lumus Maximus的“前向漏光”问题并不明显。​

　　相比之下，Kral Guttag也比较好奇的是，为什么Snap斥资5亿美元收购WaveOptics，该公司虽然是行业内优秀的衍射波导厂商之一。但其亮度和效率不够好，并且图像质量不如Lumus Maximus。Kral Guttag认为，Snap与其花费5亿美元，还不如购买更先进的技术。

　　参考：KG