在今天的文章中，AR 硬件 / 软件企业 Rave 的首席科学家 Karl Guttag 对比分析了 Magic Leap One， HoloLens 和 Lumus 这三款波导头显的分辨率。以下是映维网的具体整理：

自今年 1 月份的 CES 大会以来我就一直想做这种对比分析。这是一次比较三种波导头显的机会：两款更为有名的衍射波导型头显 HoloLens 和 Magic Leap One，以及基于非衍射波导的 Lumus 头显。与我在 17 年和 18 年 CES 大会体验的衍射波导相比，我更欣赏 Lumus 的图像质量。

对于这篇文章，我主要是比较 Magic Leap One（ML1）， 微软 HoloLens，以及 Lumus DK-Vision 的分辨率。这三款设备都采用了 " 全内反射（TIR）" 来支持一层薄 " 波导 "。

ML1 和 HoloLens 采用了一系列的衍射光栅来支持光线进入和离开波导。HoloLens 为红，绿，蓝准备了一层波导，而 ML1 则为三种颜色准备了两层（共六层）波导以支持他们的焦平面概念。我已经在之前的文章中对 ML1 和 HoloLens 的波导进行了一定的讨论。

Lumus 选择了所谓的 " 光导光学元件（Light-guide Optical Element；LOE）"，其可通过一层波导来处理所有的颜色。一层 LOE 的厚度类似于 HoloLens 多层波导堆叠。他们只是以一定角度切割波导的入口以使光线进入（而非使用特定颜色的衍射光栅），然后再使用一系列经过特别设计的局部反射镜来使光线射出。

1. 拍照与测试图

我使用了相同的奥林巴斯 OM-D E-M10 Mark III 相机和相同的 14-42mm 镜头。你可以单击图片并以更高分辨率进行查看。我为每个显示器拍摄了数百张照片，然后在测试图中选择了最佳区域，试图呈现每个设备的最佳状态。

测试图是基于我在测试其他显示器时发现非常有用的测试图。有一系列 320×240 的子图案用于测试分辨率，其能够多次复制以填充显示分辨率。有一些大圆圈可以测试整个显示器的颜色纯度。我同时采用了包含人像的图片来替换一个或两个彩色场景，以此来检查颜色。对于想要验证或质疑我结果的任何人士，你都可以在 这里 找到我所使用的测试图。

2. 光学子系统：显示组件，投影仪光学，以及波导组合器

在 High-Level，三款头显都采用了类似的光学架构，并且都采用了场序彩色（FSC）和硅基液晶（LCOS）微型显示器，但它们来自不同的 LCOS 制造商。 它们中的每一个都包含 " 投影仪光学 "，其能够校准和操纵图像以注入各自的波导之中。三者最不同的地方在于波导结构。

3. 头显：ML1, HoloLens 和 Lumus

3.1 Magic Leap One

ML1 使用衍射波导并阻挡约 85％的真实光线。你可能会注意到，在上图中无法看到用户的眼睛。它搭载了一个由 Omni vision 制作的 1280×960 LCOS 微型显示器，但有效分辨率要低很多。它的对角线视场大约是 45 度，水平视场则是 40 度左右。

ML1 支持约 220cd/m2。在显示测试图时，我只能看到 ML1 显示了 1280 个水平像素中的大约 1160 个。我怀疑丢失的约 120 像素用于瞳距调整。iFixit 的拆解说明 ML1 组件具有 Omnivision 的自定义分辨率，并且可能使用与 Omnivision 的 1080p 和 720p 组件相同的 4.5 微米像素间距。

3.2 Hololens

微软 HoloLens 使用了类似于 ML1 的衍射波导，并阻挡约 60％的真实光线，允许通过的光线比 ML1 多大约 2.7 倍。在右边的图片中，你可以看到佩戴者的眼睛，但很暗。它采用 Himax 制造的 1366×768 像素 LCOS 微型显示器，对角线视场约是 35 度，水平视场则是 30 度左右。

当在全帧观察时，我能够看到测试图中 1280 个水平像素中的约 1270 个。HoloLens 在全亮度下支持约 320cd/m2，或者说比 ML1 亮约 1.5 倍。HoloLens 中的 Himax FSC LCOS 组件可能采用了约 6 微米像素间距。

3.3 Lumus DK-Vision

Lumus 的 DK-Vision 显示 1920×1080 像素（1080p），或者说大约是 ML1 和 HoloLens 的两倍。我在 "CES 2018 AR Overview" 这篇文章中首次探讨了 DK-Vision，而 Lumus 官网提供了宣传单张。Lumus LOE 有一系列的偏振半反射镜，可作为垂直视场和瞳孔扩展器。Lumus 头显只遮挡约 20％的真实光线，比 ML1 亮约 5.3 倍，比 HoloLens 亮约 2 倍。我没有直接测量 Lumus 头显的亮度，但根据相机设置，它大致有 1000cd/m2，大约比 ML1 亮五倍，比 HoloLens 亮三倍（Lumus 同时研发了高达 6500cd/m2 的军用产品）。Lumus 声称 DK-Vision 目前可支持 2000cd/m2，并最终能够支持 3000cd/m2，或者说比 ML1 和 Hololens 亮大约一个数量级。Lumus 头显中使用的 1080p Raontech LCOS 组件具有 6.3 微米像素间距。

4. 关于 Lumus DK-Vision 原型及其 LCOS 显示组件的一些评论

我想说明的是，尽管 ML1 和 HoloLens 只是小批量生产的开发套件，但 Lumus 的头显属于 " 仅供参考 "。ML1 和 HoloLens 具备许多 Lumus 演示设备所不支持的功能。Lumus 头显尽管搭载了摄像头，惯性测量单元和 Android 处理器，但并不具备 Magic Leap 和 Hololens 中的功能（如 SLAM）。

Lumus 头显中的 LCOS 组件是 Raontech 的早期 1080p 原型，因此不一定代表最终产品。坦白说，色彩平衡和灰度响应并不是很好，这种情况并不罕见，因为它只是原型而非实际产品。我确实对照片进行了一定的白平衡调整，因为：1. 它是一个原型；2. 目标是比较光学；3. 由于 Lumus 采用来自不同厂商的 LCOS 组件，因此最终产品不一定来自于 Raontech。

由于这台 Lumus 头显是少数现有原型中的其中一台，它们可能是手工挑选和组装单元，因此它可能无法代表最终的产品。在大批量生产的同时，质量应该能有所提高。为提高他们的批量生产能力，Lumus 最近与广达电脑达成了生产合作伙伴关系。

影响结果的一个关键因素是，Raontech LCOS 面板的黑色与白色响应非常不对称，它非常偏向于黑色。一像素宽的白线几乎不可见，而一像素宽的黑线几乎是应有样子的两倍宽。由于 LC 行为和驱动，任何液晶显示器的黑色与白色响应总是存在一定程度的差异，但相对于我见过的其他 LCOS 组件，Raontech 的不对称非常严重。这种不对称性也会影响整体外观，甚至是灰度 / 颜色响应。 我希望 Raontech 能够在他们的 LCOS 组件中调整他们的液晶配方 / 加工方式。

5. 全视场图片

下面的图片显示了每个头显的整个视场。这些图片不按比例绘制。HoloLens 的水平视场约为 30 度，ML1 为约 35 度，Lumus 也是 35 度左右。测试图中的每个子图案（带有编号的圆和可变大小的文本）是 320×240 像素。Lumus 原型几乎是 ML1 和 HoloLens 水平像素的两倍。你可能还会注意到，尽管 Lumus 和 Hololens 的宽高比大致为 16：9，但 ML1 更为方正，名义比率是 4：3。

完整的测试图可以帮助你全面了解图像质量，以及颜色在视场中的变化情况。这些图片水平上有大约 2600 到 2900 个相机像素，但不足以完全评估 1140 和 1920 像素宽之间的图像分辨率。基于基本采样理论和奈奎斯特（Nyquist）速率，你显然希望每个显示像素具有两个以上的相机像素（样本）。

HoloLens 和 ML1 在视场上都有明显的色移问题，在白色背景图像上更为明显。Lumus 只是在远角处有一定的色移。在 Lumus 图片中，较小的文本看起来是更暗 / 褪色，这是 LCOS 组件行为的结果。

我注意到 Lumus DK-Vision 存在一些 ML1 或 HoloLens 所没有的垂直枕形失真。我怀疑枕形化来源于他们的投影光学系统而非波导本身。最右侧的一些子图案（特别是子图案 26 和 36）也存在一些重影。应该注意的是，这是原型而非生产产品，所以希望他们能够在生产制造之前能够改进部分或全部问题。

HoloLens （水平约 1270 像素）

ML1 （水平约 1160 像素）

Lumus （水平约 1920 像素）

接下来，我们在白色背景图像看到有黑色。与 HoloLens 和 Magic Leap 的衍射波导相比，Lumus LOE 波导在整个场中具有显著更好的颜色和亮度均匀性。在第 5 行哪里（51-56）那里，Lumus 显示器确实出现了微暗的黑带，我怀疑这是由 LOE 分区的匹配所造成。 另外，左下角有一定的色移和变暗。由于 LCOS 组件的不对称性，小文本不会像黑色背景上的白色文本那样淡化。

6. 相同视场近拍

对于下一组图片，相机为较大的图像进行了相应地放大，因此你可以看到每台设备视场中大致相等的部分，比例大致相同。在图片中，你可以看到只有 3 像素，2 像素和 1 像素宽线的插图。Hololens 的水平像素数量大致与 ML1 相同，但视场较小，因此在进行相似的缩放时，图像和插图像更小。应该注意的是，Lumus DK-Vision 的插图已经放大了 2 倍，因此你可以看到细节。

因此在用眼睛看时，DK-Vision 上的 2 像素宽线条与 ML1 上的 1 像素宽线条的大小和宽度大致相同，并且比 ML1 上的 2 像素宽线条调制得更好。DK-Vision 的水平和垂直角分辨率似乎是 ML1 的大约 4 倍。

白色背景图片如下所示。白色背景更能看到光学元件散射多少光线。应该注意的是，与 Hololens 和 DK-Vision 相比，ML1 的 " 黑色 "1 像素宽线条不会变得非常黑，这表明 ML1 光学元件 / 波导是在散射光线：

7. 64×64 子图案并排对比

最后，下面是每个头显最合适的 64×64 像素子图案。子图案有一组 3 像素宽的线，3 像素宽的空间，接着是 2 像素宽的线和空间，接着是 1 像素宽的线和空间。这个子图案的目的是测试光学组件的有效分辨率，并基于广泛使用的 1951 USAF 分辨率图表。

这三个部分的 LCOS 组件在黑色到白色，以及白色到黑色的过渡方面是不同的和不对称的，如黑色背景图和白色背景图所示。白色背景图的黑色能说明光学系统中是否存在散射问题。

如前所述，Lumus 已经放大到 HoloLens 和 ML1 图像相对大小的两倍。这意味着实际上 Lumus 的 2 像素宽线非常接近于 ML1 的 1 像素线。

HoloLens 可以显示 1 像素宽的线条，但它们不是特别清晰。LCOS 似乎略微偏向于白色而非黑色（1 像素宽白线看起来比黑线宽）。你可能会注意到黑色背景的线条（左上角）比白色背景的线条（左下角）宽。由于 HoloLens 光学元件（波导和 / 或投影仪）会散射光，白色背景的对比度较低。

ML1 几乎没有显示对 1 像素线条的调制。与其他两台设备相比，即使 2 像素宽线也不是特别锐利。我从其他实验中注意到 ML1 的 " 开 - 关 " 对比度好于 HoloLens，但正如白色背景图所示，ML1 上的白光散射明显更差。你应该注意到，平整的 3 像素宽线条看起来都非常模糊和圆滑。

与 HoloLens 类似，ML1 的 LCOS 似乎略微偏向白色而不是黑色。根据现有信息，ML1 的 Omnivision 微型显示像素在物理上尺寸更小（4.5 微米：约 6 微米），而需要进行更多地放大可能会导致 ML1 的有效分辨率更低。根据我所看到的情况，ML1 最多可能只在每个方向上实现所述分辨率的一半。

ML1 的默认图像大小分辨率非常糟糕，我做了一个测试，试图在其有效分辨率上获得更高的精度。当测试图锁定在空间中时，我逐渐向它移动并在我能够识别 1 像素宽线条时停止。然后我注意到视场中有多少像素可见，并拍了一张照片（下图）。结果是，在大约 710 像素宽的情况下，我可以开始看到离散的四条线。它们仍然没有很好地进行调制，但至少有四条线可见。

Lumus 光学可以解析 1920×1080 显示屏上的 1 像素宽线条。角分辨率在每个方向上比 ML1 的角度分辨率多三倍，更像是 4 倍。Lumus 系统分辨率的限制是 LCOS 微型显示器。从黑色背景图 vs 白色图可以看出，LCOS 高度不对称，更倾向于黑色。考虑到 LCOS 组件的物理像素尺寸是 6.3 微米，在三个头显中最大，而这是特别糟糕的情况。对于黑色背景图，1 像素宽白色线条非常暗和细，而白色背景图上的黑色非常宽。

仔细观察下面 Lumus 头显的放大图像，你甚至可以看到 LCOS 像素镜之间的间隙有一系列微淡淡的水平和垂直线，这些线远小于像素的宽度。在这种情况下，分辨率受到 LCOS 组件的限制。需要提醒的是，这已经是 " 最佳 " 子图案。

8. 总结

与 HoloLens 和 Lumus 相比，ML1 的分辨率不如前两者。我使用相同的设备，并且花费了很多时间来试图获得最好的图像。你在佩戴 Magic Leap 时显然不希望阅读文本。

对于 HoloLens，1 像素宽线条与你期望的一样，它们有点模糊但不算台糟糕。Hololens 的 " 开 - 关 " 对比度略低于 100：1。

DK-Vision 在分辨率方面处于不同的阵营。但它受到 LCOS 组件的不对称性限制，希望他们能够解决这个问题。

根据我的观察，ML1 尝试在水平上显示大约 1160 个像素，水平视场为 40 度（对角线约 45 度）。每像素可达 2.06 弧分（一个弧分 = 1/60 度）。因为 ML1 很模糊，实际上每个像素只能显示大约 4 弧分。HoloLens 显示约 1024 像素，水平超过约 30.5 度，或者说约 1.78 弧分 / 像素，是 ML1 的两倍。DK-Vision 显示 1080p 像素，大约 35 度视场（对角线约 40°），每像素约为 1.08 弧分，或约为 ML1 有效分辨率的四倍。

9. 其他因素（颜色，透明度和亮度 ）

尽管本文主要是跟分辨率有关，但我想讲讲其他一些观察结果。

与 Magic Leap 和 HoloLens 的衍射波导相比，Lumus LOE 视场上的颜色和亮度均匀性给我留下了深刻的印象。Magic Leap 和 Hololens 的颜色在视场上会出现色移和波动，如上面的图片所示。尽管 DK-Vision 在角落位置同样存在一定的问题，但显然优于另外两者。

Lumus 在透明度方面也有很大的优势。Lumus 只阻挡约 20％的真实光线，而 Magic Leap 阻挡了大约 85％，HoloLens 则是 60％。ML1 显然更暗。

Lumus 头显也比 ML1 或 HoloLens 亮一个数量级。这对于帮助图像脱颖而出，并支持户外用例而言十分有必要。Lumus 声称他们的技术相较于衍射波导具有明显的光效优势，尽管我无法验证这一说法，但我认为这是可信的。所有三款头显都使用 LCOS，而它们应具有相似的反射率，但我怀疑 ML1 是由于双焦平面的存在而丢失了一定的效率。如果你只是在 LED 上提升功率，它们会变得更热，效率更低，这反过来导致需要更多的热量管理，从而增加了体积和重量，而且很快就会失控。

DK-Vision 和 ML1 都使用外置电池组，而 Hololens 则内置电池，但我不认为这是亮度产生差异的主要因素。我认为原因在于光损耗和热量管理。

10. 基本论点

简而言之，虽然并不完美，但在将虚拟信息叠加在现实世界这方面，Lumus 光学系统更符合我对 " 增强现实 " 显示器的期望。

我不知道为什么 Magic Leap 和微软都决定采用衍射波导，我欢迎他们回应这篇分析文。Magic Leap 和微软都知道 Lumus 的波导，也许他们存在各自的业务或技术原因。ML1 和 Hololens 的问题与我见过的其他十几种衍射波导都一致。在主要方面上，包括透明（并且不会造成伪影），分辨率，色彩均匀性和亮度（光学效率），Lumus 似乎都优于另外两款设备。