Nreal AR眼镜拆解：Birdbath光学结构解析
PS：点击图片即可查看原图
本文出自Karl Guttag博客，这一次Karl带来了对Nreal Light眼镜的拆解，以及Bird Bath光学结构解析。
本文基于Nreal在韩国LG U＋发售的版本和开发者版来拆解。众所周知，Birdbath成为如今AR眼镜中常见的光学方案，本文重点是通过Nreal来帮助作者向大家讲解Birdbath光学方案的优劣势和限制，非谈论Nreal AR眼镜本身设计的好和坏。
Karl讲到，Nreal AR眼镜的图像质量比很多AR眼镜都要好很多，但是也有些缺点，下面展开来讲。
1，Lumus Maximus亮度/功耗比是Nreal 30倍
Karl首先指出，Lumus Maximus的光效比Nreal高出一个数量级。
关于亮度很多人首先联想到的是电池和续航，但对AR眼镜来讲更大的问题在于热管理，因为AR眼镜的体积往往非常小，而显示模组的亮度往往被压缩到镜框或镜腿的一小部分，首先散热效率就会变差，如果这一部分靠近用户脸部那么用户体验就会更糟糕。下图中红圈为镁铝合金导热垫。
如果显示模组亮度需要满足日常大部分使用需求，那么它需要具备更高的光学效率。
Karl在Lumus Maximus文章对比中提到，Maximus光效比WaveOptics衍射光波导高10倍，因为Maximus仅需1W（瓦）LED即可实现大于4500nit亮度。而根据测试，Nreal显示模组功耗约0.85W，入眼亮度在110nit左右。由此估算，两者同样覆盖约50度FOV，但Maximus的亮度/功耗比是Nreal的30倍以上。
2，Birdbath光学大爆发
Nreal自从2019年CES开始被更多人关注后，很多类似光学设计的产品接连发布，例如太平洋未来科技、OPPO、联想等品牌，以及惠牛科技、耐德佳等光学厂商也都在跟进。
不过严格来讲，Nreal的光学设计和Karl在2017年分析的ODG方案也很类似。Karl还表示：目前至少两名ODG前员工在联想负责类似Birdbath光学的AR眼镜。
这些产品设计大抵相同，有些差异无法从图片来区分，有些则比较明显。如左下方AM Glass底部有遮光罩，采用封闭式设计，而高通AR参考设计底部有明显突出。
其中AM Glass下方的遮光罩作用很明显，就是防止底部反光，引入杂像。
例如在2019 CES上试戴Nreal时就可以看到佩戴在胸前的CES媒体证件的反射画面（上图）。
其中，Nreal、ODG、联想的Birdbath并没有底部遮光设计。而Nreal此前公布的企业版本（上图），则在底部增加遮光设计。
3，Birdbath类型
“Birdbath”是光学结构的通用名称，通俗的讲就是带有光束分离功能的曲面镜，垂直于曲面镜的光则通过分束器反射到曲面镜上。
从反射类型看，Birdbath有两种，一种是曲面镜半反射（部分反射），佩戴者可以透过镜片看到外部环境；另一种是曲面镜全反射，只能看到分束器反射后的画面。
Karl此前对大量Birdbath光学结构进行分析，包括Nreal、ODG R6/R8/R9、联想A3、高通AR眼镜参考设计都是半反射（部分反射）。
3-1 Nreal Birdbath结构解析
下方是Nreal AR眼镜光学机构示意图，来自顶部OLED屏幕（1）的光通过透镜（2）放大、变焦后，经由偏振分束器（3）反射到曲面镜（60%透过，40%反射），光穿过曲面镜（5，右侧蓝色曲线）在薄塑料片组成的四分之一波片（4、6，紫色）反射，经过两层四分之一波片使光相位旋转90度（四分之一波片通常用于线偏振光与圆偏振光的转换），然后经过偏振分束器（7、8）。根据测量，最终入眼亮度仅为屏幕亮度的15%左右。
通过结构图看，真实环境的光线需经过前偏振器（右侧红色虚线）、四分之一波片、60%透过率的曲面镜、第二个四分之一波片。前偏振器和两组四分之一波片作用是将现实环境光线转换成偏振光，经过偏振片理论上只有偏振的损耗。实际情况是，入眼的真实光线约为26%。
另外还有一个四分之一波片和偏振膜，作用是防止前偏振光的图像透过（有效率约95%）。这里需注意，真实环境光线也是必须通过前偏振膜、两组四分之一波片、曲面镜、偏振分束器才能到达人眼。
整个光学模组重量很轻，只有外侧镜片等少部分是玻璃材质，其它都是塑料，中间是空心的。
3-2 厚度、FOV
根据肖特公司Ruediger Sprengard在SPIE 2021的演讲中提到了Birdbath光学设计，如下图。Sprengard还在右侧画线，说明分束器厚度需要随着FOV增大而变大。而在Nreal Birdbath方案，还必须使用曲面镜。
Nreal模组厚度约25mm，而常见的光波导模组仅几毫米。除了厚度差异外，Nreal光机和模组大部分重量都集中在鼻梁前方，从而导致AR眼镜前端很重，佩戴后也就给鼻子带来更大的压力。
3-3 防止前向漏光
上面结构图还显示了紫色路径是存在漏光的可能性。如果没有偏振膜，那么OLED屏幕60%未被反射镜发射的偏振光将向前投射（也就是漏光），前偏振膜的作用就是阻挡约95%的漏光。对此进行试验，上图左侧拿掉偏振膜，右侧保留，可见左侧漏光、漏像非常明显。
前偏振膜另一个用途就是让镜面反光变暗，如上图中就是去掉了前偏振膜的效果，看上去就像是广角的镜子一样，反光明显。
3-4 无法看到佩戴者的眼睛
AR眼镜能够看到佩戴者的眼睛也是一个衡量指标。Lumus Maximus透光率很高，可以清晰地看到眼神和眼球动作；HoloLens 2大约有40%透过率，眼睛看上去就会暗淡；而Birdbath透过率为25%，再加上镜面反射因素，导致几乎无法看到佩戴者的眼睛和眼神动作等。
3-5 联想ThinkReality A3反光情况
联想在CES 2021上发布的Birdbath方案，就存在上文提到的广角镜面反光情况。也可以说明这里没有外侧偏光膜，但依然看不到用户眼睛。Karl表示，视频中光机为可能未开启状态。
在另一张图中，在没有画面显示的情况下，整个光学模组很通透。Karl表示：开始我以为这可能是一个模型，现在我认为这是一种特殊光线环境的结果，从眼镜后侧可以透过更多光线，因为很多透镜工作方式就像是玻璃一样。但是，真正戴上AR眼镜之后就不会这样，因为佩戴者头部阻挡了大部分的光线。
3-6 联想A3重量支撑貌似不足
在CES 2021公布的视频中，我注意到它说有一个可拆卸的人体工学套件，从图中看镜腿尾部弯曲到后脑勺，但并非封闭设计。A3的重量约130g，Nreal为85g，比后者重约50%。
不过Nreal消费者版因为重量集中在前端，依然会很“重”，不能长时间佩戴。因为Birdbath设计的本质就是让大部分重量集中在鼻梁上，如上图。Karl也弄不清楚联想的人体工学设计，因为本机比Nreal重1.5倍，希望通过后脑勺提供部分支撑，来弥补重量上的不足。但是Karl认为Nreal企业版设计更合理。
4，为什么Birdbath如今很常见
●成本更低。大部分都基于塑料薄膜，唯一高成本在于显示模组（Micro OLED屏幕）；
●重量更轻。尤其是第一种空心的方案；
●成像质量佳。光学模组基本上只是对图像放大；
●搭配朗伯光分布的屏幕（如OLED类屏幕）效果出色。且效率比光波导更高，图像质量也很好。
5，Birdbath方案劣势
●模组较厚。至少分束器需要和图像宽度接近（Nreal分束器约18mm，加上曲面镜导致最终约25mm）；
●透光率低。以Nreal为例，它隔绝了约75%真实环境中的光线，接近于戴上一副中等深色墨镜；
●无法看到佩戴者眼睛。其他人看到的是深灰色镜片或者反光等；
●阻碍视野。因为顶部视野几乎被眼镜本体遮挡，用户只能直视或者向下看；
●出瞳距离较小。为了提高观看舒适性，提高出瞳，需要更大、更厚的设计；
●因尺寸、重量因素在OLED亮度选择上受限。Birdbath光效通常在15%左右，800nit亮度的OLED入眼就更低；
●漏光。即便使用前偏振膜，入眼的光仍有5%向前方反射。
6，结论
Nreal似乎是Birdbath方案中一个不错的代表，它基本上能将Bridbath方案的优缺点呈现出来，这里并不是针对Nreal，联想A3、AM Glass等类似方案也会有类似问题。下篇文章，将重点分析限制Birdbath设计，以及限制透过率因素等。
本文中要感谢Pulsar公司CEO David Bonelli为本文审核，他于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。
7，附：第二种Bridbath
本文讲述了第一种部分反光的设计，而第二种Birdbath是全反射曲面镜（并不常见）。最知名的还是谷歌眼镜，同时三星和Raontech也有类似产品。
第二种Bribbath方案的优点是，用户只需要观看分束器，还尽可能引入更多外部光线。同时，因为全反射因素光效也会更高。例如谷歌眼镜的棱镜方案，曲面镜就是右侧的反射涂层。
因为谷歌眼镜FOV很小，因此光机可以放在侧面，但很难把FOV做大。想要做大FOV，通常只能改变位置关系，也就是向下反射，类似Nreal的方案。
第二种Birdbath缺点也明显，通常光学模组是固态的，并非空心设计，这样也就导致重量更高。