Crystal|DigiLens轻量化AR光学模组体验：户外场景足够清晰_方案|光学|DigiLens|显示|模组

上个月， DigiLens宣布与三菱化学合作，开发了一款塑料基板的低成本AR光波导模组Crystal30-G ，特点是重仅2.73g（相比之下玻璃基板重4.39g），低成本，可量产等等。不过，塑料基板与玻璃基板相比，厚度从0.81毫米增加到1.03毫米。轻量化、低成本的AR光波导是未来全天候AR眼镜的关键，因此Crystal30-G的实际显示效果如何，也备受关注。

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据了解， DigiLens成立于1997年，该公司主要依靠科研补助和融资来运营，似乎从未量产任何AR光学模组。此前， HoloLens光学架构师Bernard Kress此前也曾在DigiLens就职。
实际上， DigiLens不断在研发和优化AR光学技术，此前三星、Niantic、德国大陆、索尼、三菱化学均曾投资这家公司。近期， DigiLens组建了新的管理团队，并计划将科研成果开发成可量产的产品。今年5月青亭网曾报道， DigiLens公布可量产的模块化AR眼镜参考设计v1 AR ，其基于自家Crystal50 AR光学模组和高通XR2平台，采用光波导显示方案，透光率80% ，亮度325nit ，视场角约50° 。

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为了了解DigiLens光学模组的实际体验，近期AR光学专家Karl Guttag参观了位于加州圣何塞的DigiLens实验室，上手体验了Crystal30和Crystal50两款产品。他认为DigiLens的光波导方案有许多优势，比如光学效率更高，漏光更少，而缺点则包括彩色图像均匀度等等，总结起来如下：
优势

光波导的效率提升；
降低光波导的漏光率；
模块化光波导可更换；
预计年内推出塑料基板光波导；
可定制、尺寸设计灵活；
生产周期大约只需1小时、成本低、适合量产。

缺点

彩色图像均匀性似乎低于大多数衍射光波导方案（WaveOptics、Dispelix等等）的水平，效果远不如Lumus的反射光波导；
效率可能不如Lumus的反射光波导方案；
DigiLens光学方案似乎支持分辨率较低的屏幕，不确定是否会限制AR显示效果。

关于Crystal30体验
Guttag表示：Crystal30-G：亮度大于3000nit ，视场角30° 。 AR模组部分画面受户外阳光影响，不过整体效果足够清晰。在无云的晴天中测试Crytal 30-G的显示效果，环境亮度大约在3000到7000尼特之间。

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目前， Crystal30-G仅支持绿色显示，在阳光下透光率足够高，部分AR图像会变淡，但整体足够清晰。其光源采用DLP微型显示模组，视场角为15°x26° ，漏光率不到11% ，因此AR光源几乎不会从透镜中散射至外面。

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细节方面， Crystal30-G的光波导基板（布拉格光栅镀膜光波导）采用康宁的大猩猩玻璃，抗衰性不错。光波导与现实模组并非集成一体，因此方便更换。从图片可以看到， DLP光源损失了一部分非偏振光，因为光波导仅支持偏振光。

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另外，与HoloLens 2等衍射光波导方案相比， DigiLens漏光率更低，意味着从眼镜外部不容易看到AR内容，使用者眼前也不会发出奇怪的亮光。相比之下，大多数衍射光波导的漏光率大约在50%到100%之间。

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为了将漏光率降低至1%以下， DigiLens采用LCoS光源（集成于光波导的激光显示屏WILD），配备基于布拉格光栅镀膜和陷波滤波器的光波导方案，其中陷波滤波器镀膜的波长调整至和激光同样的水平。
【Crystal|DigiLens轻量化AR光学模组体验：户外场景足够清晰】相比之下， Lumus采用反射式光波导，将漏光率降至1% 。
体验Crystal30彩色版
除了单色版本外， DigiLens还展示了Crystal30的彩色显示模组。 Guttag发现，彩色版Crylstal30的色差比较明显（尤其是上下部分），色彩均匀性不好， Guttag称其染色率大于80% 。 Crystal30采用两层光波导，一层显示红绿，另一层显示绿蓝色。

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尽管如此， Crystal30的色差（彩虹效果）依然不如HoloLens 2明显。 Lumus光波导的色彩均匀度最好。
体验DigiLens Design v1
据了解， DigiLens v1配备Crystal50光学模组，可支持空间计算，并具有模块化的特点。
Guttag认可DigiLens此前用摄像头实拍的v1显示效果，称实际体验差别不大。 Crystal50采用RGB激光和3层光波导，来分别显示红绿蓝三色，透光率大于80% 。此外， v1采用双1280x720分辨率的DLP投影模组和可替换的Crystal50光波导模组。

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v1的定位主要是一个参考设计，其模块化设计意味着眼镜厂商可以尝试不同的配置和设计，简化AR眼镜设计流程。你可以替换光波导，或是将模块化元件集成在一起。

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模块化的设计对于一些应用场景非常重要，它更容易维修，尤其是在工业等可能经常磕碰、摩擦的场景中，或用于游乐场、线下AR等等。
关于光学效率
Guttage表示：光学效率对于AR极其重要， AR的亮度越高，在户外强光场景中的显示效果越清晰。不过，测量光学效率也同样很难。
经过对比， Guttag发现：Lumus：1瓦特LED光源可显示大于3000nit亮度，未来将提升至4500nit以上。而Nreal大约是0.85瓦特可显示约120nit亮度。
据DigiLens称，其Crystal50方案在显示50°FOV和12x10毫米眼动范围情况下，偏振光效率将大于350nit/流明，非偏振光效率约为175nit/流明。而WaveOptics的56°FOV、12x7毫米眼动范围光波导的光学效率仅为50nit/流明。 WaveOptics系统采用非IPA拟真的DLP光源，效率可能仅为DigiLens的一半。
DigiLens的优势在于，射出光栅引导光线进入人眼的效果更好，因此漏光率低。此外， DigiLens的光学效率大约是WaveOptics的2倍到4倍，而Lumus光学效率是DigiLens的2倍到4倍（Lumus Maximus：偏振光大于650nit/流明）。
塑料基板光波导
由于光波导的光学原理，光线进入光波导模组后经历很多次全内反射。因此，光波导表面的任何瑕疵都会带来成倍的影响，也就是说光波导需要基于稳定的高质量材质，需要具备高度平行且几乎完美的表面。因此，这些年来几乎没人开发出适合光波导的塑料基板。

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据Guttag了解，三菱化工可能开发出合适的塑料光波导，而这家公司也是DigiLens的投资方之一。
实际上， DigiLens在2019年的Display Week活动中就透露，正在与三菱化工合作开发塑料基板的光波导，并预计在今年推出基于塑料光波导的AR产品。

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与塑料光波导相比，实际上玻璃基板的安全性更低，在军事、工业等场景中，为了避免玻璃光波导受损，需要采用具有厚度的塑料基板作为保护罩，避免玻璃伤害人眼。不过，这种塑料基板实际上为AR眼镜增加了体积和重量，效果不算好。
据DigiLens称，其光波导技术的生产周期远比表面浮雕光栅方案更短，将玻璃基板做成光波导只需要1小时，因此生产和迭代过程更快。此外， DigiLens的生产成本更低，不需要精密、昂贵的设备。

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总之， Guttag认为DigiLens的图像质量并非AR模组中最优秀，但对于许多AR应用场景已经足够用，效果可能比HoloLens 2更好。此外，比其他衍射光波导的漏光率更低，不过外观看起来依然有些发光，不确定未来对量产有哪些影响。
值得注意的是， DigiLens方案的光学效率不错，亮度足够高，适合户外场景。外观设计上，模块化设计对一些应用场景非常重要，可替换光波导和塑料基板光波导设计足够灵活。不过，其制造流程具有许多不确定性。参考：KarlGuttag