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Meta Ray-Ban Display技術解析
（中國AI網 2025年11月11日）顯示技術專家近眼顯示技術專家卡爾·古塔格（Karl Guttag）正在分享他對全新發布的Meta Ray-Ban Display的技術解析。以下是具體的整理：
引言——忙于研究Meta Ray-Ban Display技術并協助拆解
在我即將前往歐洲近一個月之際，關于Meta Ray-Ban Display智能眼鏡的消息傳開了。我立刻注意到這款眼鏡使用了Lumus幾何波導及下方左圖。然而，隨后公布的一張類X光視圖（下圖右）顯示，其光學引擎與以往任何Lumus光學引擎都不同。在埃因霍溫會議期間的”交流時間”里，我聽說它使用了OmniVision的LCOS微顯示器，并且光學引擎由歌爾股份設計，整機同樣由歌爾制造。
如果你細看Lumus的引擎（右圖），你會看到一個長長的”光積分棒”勻光器，而這在MRBD的X光視圖（右上圖，紅箭頭所指）中是看不到的。
目前已有多個關于Meta眼鏡的拆解。我協助了iFixit的拆解。相關報告于10月8日發布。其中iFixit與Lumafield合作獲得了眼鏡的完整CT掃描。這證明非常有益，因為為了檢查光學引擎的組件，我們需要將其拆解。iFixit同時向我提供了引擎組件以供進一步分析。
延伸閱讀：iFixit拆機：Meta Ray-Ban Display證明了可穿戴AR技術的成熟度??
我同時在與Radu Reit的”Display Training Center”合作，進行他對Meta顯示眼鏡的拆解。Radu成功移除了Lumus波導，同時保持引擎其余部分完整且能運行，這允許我們能夠比較投影儀直接輸出和通過波導輸出的圖像。他之后能夠將波導重新組裝回去。
結合iFixit的拆解報告和組件、Radu的拆解、以及我手中的未拆解樣機，我們應該能全面探索Meta Ray-Ban Display智能眼鏡（下文簡稱MRBD）的顯示和光學系統是如何工作。
我同時要感謝Pulsar Solutions的David Bonelli在分析設計方面提供的協助。David認為他可以改進歌爾的這款光學引擎。
在這個系列博文中，我將主要基于iFixit的拆解報告以及他們借給我用于進一步評估的組件，重點關注顯示器和光路。
Meta月耗資約15億美元研發，但產品組件卻全是現成貨
我覺得非常有意思的是，盡管Meta在研發方面投入巨資，并發表了大量論文，但當他們真正需要制造一款產品來銷售時，卻選擇了LCOS，而非Meta重金投入的MicroLED；選擇了Lumus幾何波導，而非碳化硅甚至玻璃衍射光波導；并且光學設計由歌爾完成，而非自己設計。
我能理解關于MicroLED在全彩顯示方面尚未完全成熟的論點。但我依然想強調，可能有一些原因使得LCOS在一段時間內仍然是更好的解決方案，至少在實現全彩方面是如此（此事容日后討論）。OmniVision的LCOS似乎是一個可靠的選擇。我也理解Meta選擇歌爾進行眼鏡設計的原因，盡管我個人對歌爾的這款光學引擎并不太滿意（下文詳述）。
真正引人注目的是他們使用了Lumus的幾何波導。Meta必須克服了巨大的”非我發明”心態，才能不使用自家的衍射光波導設計而轉向Lumus。我理解這在技術方面有優勢，包括效率更高、眼部反光顯著減少以及更好的色彩均勻性，但Meta內部仍有許多衍射光波導設計師。從知識產權角度看，許多公司都在開發LCOS和MicroLED微顯示器；數十家公司擁有衍射光波導技術，但只有一家公司開發出了優秀的幾何波導。最重要的是，Lumus已經實現了70+度視場角的玻璃波導，而非十分昂貴的碳化硅波導。
Lumus幾何（反射式）波導
盡管Meta沒有明說，Lumus也尚未承認，但MRBD眼鏡中的波導顯然是Lumus Z-Lens幾何波導的一個變種。
在相同視場角/視窗條件下，與衍射波導相比，Lumus波導的效率通常高出3-7倍，色彩均勻性極佳，且眼部反光極其微弱。Lumus波導過去常被詬病的是可制造性和成本問題，所以MRBD眼鏡將是一次重大考驗，因為需要足夠大的產量來推動工藝改進和良率提升。歷史上，Lumus波導主要用于高端的軍事、醫療和工業應用。
Rivet Industries顯然正在此類應用中使用Lumus波導。我還懷疑Anduril的新品Eagle Eye也在使用Lumus波導。Anduril今年接手了微軟的IVAS合同。九月份，美國陸軍向Anduril授予了1.59億美元，向Rivet授予了1.95億美元，用于開發AR眼鏡。
在Anduril網站的圖片或Joe Rogan播客展示Anduril的Eagle Eye眼鏡時，我無法分辨出任何像Rivit圖片中那樣獨特的Lumus Z-Lens”板條”結構，因為Anduril網站圖片和（經過壓縮的）視頻分辨率太低。視頻的好處在于你可以從多個不同角度觀察光學器件/波導，從而發現那些暴露特征的細節。
但是，當帕爾默·拉奇取下遮光”護罩”并將眼鏡遞給Joe Rogan試戴時，并沒有出現衍射波導特有的眼部反光，或者我稱之為”衍射波導被動閃爍”的現象。我所說的”衍射閃爍”是指由于外部光線從出射光柵反射出來而看到的顏色。
考慮到演播室所有的燈光以及眼鏡相對于攝像機的各種角度，如果它們使用了衍射波導，眼鏡肯定會出現明顯的閃爍。通過排除法，要么帕爾默·拉奇展示的是假眼鏡模型，要么他們使用了Lumus波導。但可以肯定的是，他們沒有使用像微軟HoloLens IVAS眼鏡那樣的衍射波導（而且它們看起來也完全不像微軟為IVAS開發的產品）。
關于MRBD的前向投影（眼部反光）”爭議”
在Radu Reit的Meta Ray-Ban Display智能眼鏡拆解視頻和Navaneeth Tejasvi M N的LinkedIn帖子中，都討論到了發現”眼部反光”的問題（盡管大多數網紅聲稱不存在這種反光）。雖然存在眼部反光，但我測量其亮度僅為到達人眼光線亮度的約1.5%，并且光線是向下引導的。與通常眼部反光亮度達到用戶所見亮度50%到100%的衍射波導相比，MRBD的眼部反光在典型使用場景（眼鏡的環境光傳感器會調節亮度）下遠不明顯，這很可能就是大多數評測者沒有注意到它的原因。在環境光線較暗且亮度設置非常高時（例如在進行更深入評估時），眼部反光可能會被察覺到。
下面是我在室內將亮度調到最大時拍攝的一些照片。你可以看到視窗投影在我的眼睛，以及看到圖像的范圍有多大。這比在給定環境光下所需的亮度要高得多；這就是5000尼特亮度投射到人眼時在室內的樣子。然后你可以從下方視角看到最大亮度時的眼部反光。在針對給定環境光使用正常亮度水平時，即使在最佳角度，眼部反光也幾乎察覺不到。另外請注意，從這個方向看，圖像是破碎的，無法識別內容（本例中是一個帶有照片的測試圖）。
圖像質量、亮度與視場角
我將在未來的文章以及2小時的Display Training Center視頻中更詳細地探討MRBD的圖像質量和規格。我對圖像質量進行了廣泛評估，這將是后續一篇文章的主題。我同時與Radu Reit合作，他移除了Lumus波導，直接將眼鏡投影儀的圖像投射出來，以幫助確定各種問題的根源。
總的來說，對于波導型眼鏡而言，其圖像質量非常好。色彩均勻性非常好（與衍射波導相比），盡管并非完美。我對圖像質量的一個抱怨是它有點”軟”。我認為這種柔和感是由于眼鏡進行了數字重采樣，以及光學系統本身的一些柔和度。
根據Radu在移除波導后的測試，圖像在離開投影儀時就是柔和的，并非波導所致（我計劃在未來的文章中詳細討論這個問題，并在2小時的Display Training Center視頻中簡要提及）。眼鏡的有效分辨率更接近400x400像素，而非宣稱的600x600像素。眼鏡具有40 PPD（每度像素數），當在現實世界背景下觀看時（與我在黑色背景下的測試相反），這不一定是一個顯著問題。
Radu測量到投影儀在全亮度下輸出約1流明，我能夠證實Meta關于顯示輸出約5000尼特（cd/m2）的說法，因此看起來他們實現了約每投影儀流明5000尼特到達人眼的水平。
與許多其他AR/智能眼鏡相比，其20度的視場角（對角線，正方形寬高比）被認為偏小。有趣的是，除了某些非常特殊的情況，眼鏡幾乎從不使用完整的20度視場角。在大多數情況下，顯示屏只使用約16度或更小的視場角。下面是我更改字體大小和切換”粗體”以查看是否會占用更多視場角的幾個示例（結果并沒有，只是文本換行）。下圖中的橙色方框表示完整的20度視場角。
根據電池續航時間，他計算出在顯示和音頻運行時，眼鏡（包括LED和顯示器）的功耗約為0.38瓦。或許令人驚訝的是，運行相機拍照會使功耗增加一倍多，達到1瓦，而錄制視頻則會進一步增加到1.7瓦，比僅運行顯示和音頻高出約1.3瓦。
色彩均勻性
MRBD眼鏡的色彩均勻性明顯優于衍射波導，盡管并非完美（見右圖）。右邊是一張白色圖片，已被放大以填滿視場角（使用了”縮放”模式，這會損失分辨率，但對于純白圖像無關緊要）。
除了WhatsApp外，無法向眼鏡加載圖片
我發現的向MRBD加載圖片的唯一方法是使用WhatsApp。遺憾的是，當打開WhatsApp圖片時，只使用了約16度或大約464像素的寬度，即便如此，圖像也經過了重采樣，降低了其銳度（更多細節將在未來文章中討論）。在Meta AI手機應用中有一個”放大圖像”的選項（通過三擊觸發），雖然這能用圖像填滿視場角，但它也執行了軟件縮放，這損害了原始圖像的分辨率（我上面獲取的覆蓋整個視場角的白色圖像就是這樣得到的）。
OmniVision的LCOS
我在埃因霍溫獲得的關于LCOS器件來源的信息被證明是準確的，器件柔性電路板上直接印有OmniVision的部件號（OPO3010）。所述器件使用了與OmniVision目錄部件OPO3011相同的LCOS芯片，但安裝在不同的柔性電路板之上，以更好地適配MRBD。Meta聲稱他們擁有600x600像素的顯示器，因此在每個方向上各有48個像素未用于顯示信息。遺憾的是，光學引擎成像太軟，我無法確切確認眼鏡實際使用了多少像素。
OmniVision最以其相機技術聞名，該技術用于眾多手機和其他設備。他們在其LCOS設計中利用了一些該技術，將所有的LCOS控制、幀緩沖存儲器和MIPI接收器都集成到了LCOS的硅背板上（見右圖）。這種集成不僅減小了尺寸和功耗，還提高了性能。同樣值得注意的是，MIPI接收器減少了必須穿過眼鏡折疊鉸鏈的導線數量。
對比度
OmniVision聲稱其LCOS擁有1000:1的開關對比度，我測量整個系統（包括光學器件的對比度損失）的對比度約為600:1。當顯示亮度由環境光傳感器控制時，這種對比度水平對于大多數應用來說已經綽綽有余。
LCOS因”畫框效應”而飽受詬病，其中很大一部分源于2013年的谷歌眼鏡，其對比度似乎低于100:1——即使在當時也算比較差的。人類視覺系統的瞬時動態范圍約為1,000:1到16,000:1，總動態范圍（從白天到黑夜）超過1百萬:1。因此，如果你在昏暗至黑暗的環境中將亮度調高，你會看到顯示的灰色”邊框”。通常，當環境光傳感器正常工作時，這個邊框幾乎注意不到，甚至完全看不到。
場序彩色分離
雖然Ommivision的LCOS支持高達120幀/秒（360個R-G-B彩色場），但MRBD只有90幀/秒。這導致了稍微更明顯的場序彩色分離，正如在Radu的視頻中指出的（下方8:36處的靜幀）。FSC分離的原因是各彩色場在不同時間出現；第一個和最后一個彩色場之間的時間間隔越長，人類視覺系統正確對齊它們的可能性就越小，分離現象就顯得越大。不同人對FSC分離的感知程度差異很大。我希望憑借OmniVision的集成水平，他們未來能夠提高場序速率，從而減少FSC分離。
無MMU FSC分離校正
目前已知有兩種減少FSC分離的方法：第一種是縮短第一個和最后一個彩色場之間的時間（提高場速率），第二種是使用運動反饋和圖像扭曲/重投影來將后續彩色場與較早的場對齊，正如Snap在Spectacles 5中所采用的那樣。像Omnvision這樣將所有功能集成在背板上，有助于提高彩色場速率而不會顯著增加功耗，但對運動扭曲沒有幫助（至少直到背板能夠支持扭曲處理為止）。
歌爾投影引擎
遺憾的是，由于MRBD的組裝方式，很難（或者至少不容易）獲得整個光學引擎的良好圖片。下圖排列了各個組件，順序與它們在投影引擎中的出現順序相同。
iFixit在拆解前讓Lumafield對眼鏡進行了CT掃描（左下圖）。我用紅色標出了在CT掃描中不可見的組件。為了比較，我引用了一篇由Polyfractal發布的2017年文章，其中展示了一個用于更亮的前投影儀的”傳統LCOS引擎”（我添加了更大的標簽）。
MRBD不需要那么高的亮度，它將紅色和藍色LED并排放在同一陶瓷基板上，因此只需要一個二向色鏡進行雙向合光，而不像更大的微型投影儀那樣使用三個獨立的LED和兩個二向色鏡。眼鏡引擎的雙向合光設計取消了對”校正透鏡”的需求，因為所有三個LED到引擎其余部分的距離相同。兩種設計都使用微透鏡陣列”蠅眼”勻光器來混合各種顏色并產生方形/矩形照明圖案。
兩種設計之間有一個主要的結構差異：一個非常不同的四分之一波片以及位于偏振分光棱鏡底部的一個凹面鏡。我拍攝了帶有這些光學元件的PBS的特寫照片，并用箭頭標出了光路方向。這種結構的結果是，光以相對于LCOS器件成直角的方向射出PBS，而在傳統的LCOS引擎中，光直接從LCOS器件的對面射出。知道歌爾可能設計了光學系統后，我快速檢索了專利，發現一份歌爾的專利申請展示了這種相同的不尋常光學配置（部件62, 61, 和6）。
這種不同的配置很可能是為了在連接到AR眼鏡中的波導時，改善光學器件的適配性。從光學角度看，這似乎更差，因為存在一條從入射強光到輸出的直接路徑，這依賴于預偏光片和PBS具有非常好的偏振控制來阻擋它。在更傳統的配置中，沒有這樣的路徑。該光學設計還將圖像發送回PBS中，這是可能產生重影的另一個來源。
我不確定這種不尋常的光路是否是投影儀成像柔和的原因，但它肯定是為了外形尺寸的優勢而犧牲了一些東西。我不是光學設計師（我的學位是電子工程），但表面上我并不喜歡這種配置，因為它存在多條可能導致圖像質量問題的路徑，包括重影和對比度損失。盡管如此，該引擎的開關性能看起來相當不錯，測量對比度達到600:1，即使圖像有點軟。
蠅眼勻光器
蠅眼勻光器在LCOS和LCD投影儀中已經使用了幾十年。一個蠅眼勻光器在兩側都有微透鏡陣列。下面是眼鏡勻光器的一系列特寫照片，顯示了兩側的透鏡。
出于科普目的，我附上了圖片展示蠅眼如何影響來自廉價激光筆的橢圓形光斑（如圖所示，光斑對準在蠅眼上方）。具有兩組微透鏡的蠅眼會產生均勻的方形光來照明LCOS器件，即使輸入光不均勻時也是如此，從而對紅、綠、藍光進行勻光和整形。勻光器對光學擴展量（光線的隨機性 vs. 面積）有一定影響，但使用兩組透鏡的影響遠小于，比如說，使用簡單漫射器的影響。
蠅眼勻光器的替代方案是光積分棒勻光器。光積分棒更常用于DLP投影儀（一些DLP投影儀也使用蠅眼勻光器）。Lumus是我所知唯一一家在LCOS中使用光積分棒勻光器的公司，這導致我在上文引言中看到X光視圖時，就懷疑雖然Lumus設計了波導，但他們很可能沒有制造這個光學引擎。
結論
當面臨實際壓力，需要盡快推出一款眼鏡產品時，Meta選擇了或多或少是現成的技術。其中，使用Lumus波導尤為突出，因為迄今為止大多數公司都選擇了衍射波導。我推測這是為了獲得Lumus波導的突出特性，包括更高的效率（從而實現更高亮度）和顯著減少的眼部反光（以至于大多數評測者甚至沒有注意到它）。
我聽到有傳言說Meta正在研發使用衍射波導的雙眼顯示眼鏡（使用的是玻璃，因為碳化硅離實用還很遠）。我看不出Meta有什么理由要在效率（=亮度）和眼部反光方面開倒車。
光學引擎中似乎存在一個影響分辨率的問題。無論是從我對設計的理解，還是從實際的成像結果來看，我都不太喜歡歌爾在MRBD中使用的這款LCOS光學引擎，盡管歌爾是大批量頭戴設備領域的主要供應商之一。
Omnivision的LCOS似乎是一個可靠的選擇，我欣賞其LCOS器件內部驅動器和幀緩沖區的高度集成。我希望他們未來能提高幀率以減少場序彩色分離。
