nreal眼镜 评测（NrealAR眼镜拆解3Birdbath观感和uOLED光机分析）

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本文出自Karl Guttag博客，在Nreal拆解前两篇文章中，Karl分析了Birdbath光学机构和内部设计，在第三篇文章中将重点放在实际观看效果上面。本文测试图片均在弱光、黑色背景下拍摄，目的就是观察屏幕显示效果和光学特性。

基于相机拍摄会比人眼观察更苛刻，因为相机有时会拍摄到人眼无法看到或容易忽略的细节。整个拍摄背景始终保持黑色，也依然会有部分限制条件，不过单从弱光环境下讨论AR眼镜的画质，Nreal比其它AR眼镜似乎更好。

1，限制与不足

前面拆解文章中提到，Nreal AR眼镜入眼亮度，通透性，视觉遮挡方面表现一般。屏幕最亮的入眼也只有120nit左右，作为对比HoloLens 2约500nit，Lumus Maximus宣称可实现4500nit。透光率方面，Nreal只有约23%，视觉上的效果和一幅墨镜相当，作为对比，HoloLens 2透过率约40%，Lumus Maximus约45%。

入眼亮度低，意味着它无法在明亮的环境下使用，尤其是户外。同时因为透过率低，导致在中等亮度到弱光环境下使用也是不现实的。Nreal和其它类似基于OLED的Birdbath方案因为入眼亮度有限，因此只能合理使用。

2，画面效果初印象

总的来说，Nreal的成像质量在AR眼镜中算是不错的。这里之所以限定在“AR眼镜”的范围，是因为如果与电脑显示器、平板电脑、智能手机等屏幕相比，结果并不好。当然，基于Micro OLED的Birdbath光学方案的画面效果整体表现出色。

在开始指出问题前，Karl先从一张未作任何标记的实拍图开始说起。下图模拟了用户佩戴上Nreal AR眼镜的视觉，如果你相对你的显示器（观看图片的屏幕）视场角等效约52度的话，视觉上会更为明显。这张图原图尺寸为4244×3366，图中每2个像素对应着显示屏的1个像素，也就类似用2倍放大镜来看的效果。因此，仔细观看的话你会看到一些肉眼看不见的细节。该图采用全画幅相机拍摄，镜头焦距为17mm，相机镜头拍摄的PPD约96。

下面是Karl做出标记的图片，并把自己看出来的一些显示上的问题进行标注，因为大部分问题比较不明显，因此肉眼难以注意或观察出来。

主要体现在：

• ◉垂直方向的焦外模糊，图中几乎所有白色区域下方均有红色泛边情况，还有一部分是在白色或亮色区域四周衍射；
• ◉玻璃透镜的反光，上文中也提到，图像上半部分可见曲面的玻璃透镜反光区域，而且显示内容越亮，这个情况就越明显。但这并不算糟糕，因为是设计层面的问题；
• ◉画面底部轻微的弧边，可以参考蓝色虚线；
• ◉靠近鼻梁侧（图中右侧）轻微泛蓝，而太阳穴（图中左侧）轻微泛黄。这点大家基本都能看出来，但通过相机看起来会更明显；
• ◉靠近鼻梁侧顶部（图片右上角）图像轻微畸变，参考蓝色虚线；
• ◉四角画面有模糊和重影。

这张测试图片非常有代表性，图中以长方形为单位分割，然后通过“坐标数字”（十位取行值，个位取列值）了解整体画面显示效果。

然后将上图四周和中间的9个长方形区域单独裁切拼成一张图，从而更直观对比。例如，白色的偏色情况。

为了让效果更直观，Karl还单独把其中321横竖像素线区域（该区域，每一条线宽度为1个像素）进行再次裁剪拼接。

可以看出图像边缘模糊、重影效果在像素线条上会更明显。64号区域下方有更明显的重影和光晕，这些也意味着大幅降低了图像的对比度和锐度。

3，索尼Micro OLED次像素排列

通过上面像素线条的图片可以看出，线条边缘并不是平滑的，而是部分区域存在波纹情况。通过相机拍摄可以看出屏幕存在“纱窗效应”。虽然有些人可以直接通过肉眼看出来，但是这些情况处于人眼视力范围的边界，对大部分人来说可能难以察觉，因此可能也并不存在这个问题。

据了解，索尼ECX335 1080p Micro OLED屏幕采用六边形的次像素排列，有点类似于早期CRT电视。Karl表示，比较讽刺的是索尼的Trinitron CRT技术开创了CRT的RGB并排次像素排列的先驱。这种六边形排列方式，直接导致的结果就是更接近圆形像素发光，而不是常规的矩形。相对来说，六边形次像素排列结构简单，更有利于生产制造环节。

上图上半部分，是Karl用更长的42mm焦距镜头拍摄的图像裁切放大显示（约放大2.5倍），从而便于大家更好的观看细节。实际上，在此图中就可以看到单个像素了，但由于传感器限制，还是无法捕捉到屏幕次像素。同时，相机传感器的拜尔阵列，可以支持将17mm镜头的图片（全画幅照片）与42mm焦距镜头放大后的图片进行对比。

在本文附录中，Karl讨论了关于“spatial color”，例如索尼Micro OLED和一些类似的技术。

4，白底图与HoloLens 2对比

下面将通过白底图片，将Nreal和HoloLens 2进行显示效果的对比。下方是Nreal的拍摄效果，可见白色背景下依然存在左侧泛黄、右侧泛蓝的情况，底部畸变和右侧向内畸变的问题。

下图是HoloLens 2拍摄效果，可见HoloLens 2在同类测试中表现很糟糕。Karl直言：HoloLens 2的图像显示是他见过的所有AR眼镜中最差的之一。

4-1，Nreal和HoloLens 2特写对比

接下来Karl将上面两款设备显示拍摄全分辨率图片的顶部进行裁切拼接，从而对比两款设备在分辨率上的不同。两张照片都是用同一台相机和镜头拍摄，放大倍率尽可能保持一致。

Nreal拥有52度对角线视场角，1080p分辨屏幕，折算PPD约42；HoloLens 2远没达到微软宣称的47PPD。Karl表示：据我所知，这是唯一一个通过实际测试验证与微软宣称不一致的情况，而微软似乎也尚未对此进行过回应。

5，从屏幕到眼睛的图像变化

下图展示了Birdbath光学成像的路径图，详细解释可以在前两篇文章中查看。

5-1 带偏光片和玻璃透镜

下图中右侧两张图是取下了偏振分束器的效果，上图是通过调节iso让左侧屏幕显像。

Karl表示，自己的全画幅单反相机镜头是17mm Micro 4/3镜头，它支持让相机传感器足够接近Nreal光学元件进行拍摄。如果没有玻璃透镜的光学放大和编辑，镜头就无法实现近距离对焦。为了直观的拍摄，Karl使用奥林巴斯60mm微距镜头，从而近距离拍摄足够清晰的照片。在通过13mm厚的玻璃透镜后，焦点和畸变就呈中心放射状排布，通过适度调节镜头光圈拍摄一张尽可能保持清晰的图片。

可以明显看到的是，玻璃透镜产生明显畸变，边缘图像变小。把图片放大看，在四周区域还能看到色分离、失真的情况。

5-2，取下前偏振片的前方成像

下面拍摄是从眼镜外侧进行，图片左侧是取下前偏振片和外侧保护盖，右侧未取下。

可以清晰的看到白色区域底部的红色反光非常明显，因为整体呈现线性变化，而非像素化的红色，猜测导致此情况的原因是第二篇文章中介绍的偏振分束器。Nreal偏振分束器的玻璃基板上方共有3层薄膜。

6，光学路径图像对比

下图是三张基于：屏幕＋预偏光片＋玻璃透镜、透过偏振分束器和一部分曲面镜（去掉前偏振片和外侧保护盖）、人眼的视图实拍图。各自选取了每张图的左上角和中心区域进行裁切拼接，从而更好的对比光路变化对画面的影响。

从第一行左上角对比图看，可以看出来曲面镜对于屏幕畸变和偏色上的校正效果。第二行中心区域对比图，可以看到白色圆形区域是从纯净画面到底部光晕的渐变过程，在第一次经过偏振分束器反射后就已经出现此现象，而第二次通过分束器后则变得更严重。

同时通过第二行，也能看出白色圆形对比度逐渐降低，右下角白色圆形上方也混杂的垂直向的白光。可见，对比度的降低一部分是曲面镜造成的，更主要还是在于偏振分束器。

7，结论

Nreal在目前的轻量化AR眼镜中有着最好的画质，但在某些部分似乎仍然存在不足，尤其是偏振分束器可以更好。同时，玻璃透镜也会导致图像上方出现阴影。值得注意的是，索尼、eMagin或其它厂商也有更高亮度的Micro OLED屏幕可选，但是成本会更高。

最后，Karl表示也希望看到联想AR眼镜、AM Glass、高通AR眼镜参考设计等更多类似Birdbath产品的具体表现。猜测可能有人会用更高亮度的屏幕，但即便如此Birdbath在户外使用亮度仍然不够。与Nreal一样，我认为他们同样采用阻挡75%环境光的设计，并完全阻挡人眼上方区域的视野。

与此同时，面向企业市场HoloLens 2画面效果很差，透光率约40%（阻挡60%环境光），亮度约500nit（非均匀亮度），而且体积也更大。但HoloLens 2的优势在于降低眼睛观看的负担，你可以和视力矫正眼镜一起使用，佩戴也很舒适，无线缆连接即可单独使用。

8，附录

这里单独来谈一下AR眼镜中的spatial color（空间彩色技术）问题，因为它值得单独另起一篇文章来写。

“spatial color问题”在这里指显示目标边缘存在偏色，如显示物体的边缘光晕、彩虹现象，会造成观看者的视觉疲劳等。常见的手表、手机、显示器、大型的AR和VR等直视显示屏上都使用spatial color技术，它很少用于小尺寸AR和VR设备，尤其是对亮度要求更高的AR眼镜上。因为，如为了支持AR眼镜，就对次像素尺寸要求变得更高，也更不容易生产。

“spatial color”技术的问题在于需要在单个像素空间摆放三个颜色的次像素。随着头显体积变小，对应的各个零部件都要更小，屏幕以及像素也是一样。与此同时，这些小体积的像素还要保证足够的亮度也是非常困难的。

索尼Micro OLED平均像素间距为8微米（μm），单像素面积为64平方微米。Lumus Maximus使用的Compound Photonics（CP）的FSC LCoS光机（FCS即Field Sequential Color，场序显示屏） 的像素间距约3微米，单像素面积约9平方米微米。后者是前者的约1/7。在场序显示屏中，每一帧图像分为红绿蓝三个基色按照时间先后显示，只需要一块微镜即可完成快速切换。德州仪器DLP FSC光机也应用在部分AR眼镜中，例如Snap今年公布的Spectacles开发套件。通常而言，光波导模组往往倾向于使用LCoS或DLP光机。

基于无基材料的Micro LED则需要特殊LED结构，如Jade Bird Display（JBD）使用红绿蓝三个颜色的独立芯片，组建一个立方块结构，这种设计在体积和光学上同样存在一些问题。Ostendo则公布了一套基于量子光学成像（QPI）的堆叠Micro LED，因为颜色是垂直堆叠的，非spatial color技术。

对于LBS激光模组来说，红绿蓝色被组合然后扫描，它本身没有像素。最近还有一个专注于LBS的联盟（LaSAR Alliance），以促进LBS行业发展，尤其是适用于AR的LBS。目前，使用LBS方案的AR眼镜或模组包括，全息光波导如HoloLens 2、Dispelix，全息镜North Focals。

总而言之，不同的光学设计结合不同的技术表现，可能会更好，也可能会更差。从实际应用层面来看，Micro OLED并不适用于光波导，而更适合于体积稍大、结构更简单的光学模组，如Birdbath。目前还不确定，Micro LED是否可以和光波导实现很好的搭配，当然Vuzix和Waveoptics已经开始初步在光波导中测试和应用Micro LED。总的来说，大多数光波导模组（衍射和阵列）仍然适合LCoS和DLP，因为它们能从其中获取较高的亮度。

原文：Karl Guttag

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