Facebook折疊式全息光學(xué)技術(shù)概念的原型頭顯

據(jù)外媒roadtovr報(bào)道，F(xiàn)acebook的AR/VR研發(fā)部門(mén)Facebook Reality Labs近日發(fā)表了一篇名為《Holographic Optics for Thin and Lightweight Virtual Reality》的論文，該論文詳細(xì)闡述了一款基于折疊式全息光學(xué)技術(shù)的概念驗(yàn)證頭顯，并表示這是“迄今為止所開(kāi)發(fā)的最薄VR頭顯”。

研究人員Andrew Maimone和Junren Wang表示，他們正在開(kāi)發(fā)一款結(jié)合了全息光學(xué)元件和基于偏振的折疊光學(xué)的全新近眼顯示屏，其厚度僅為9毫米。除了極致的體積外，該原型頭顯擁有比目前的VR頭顯更廣的色域，并且在“將縮放分辨率提高到人類(lèi)視覺(jué)的極限方面”取得了很大的進(jìn)展。

為什么目前的頭顯體積這么大？

當(dāng)我們看到Facebook正在開(kāi)發(fā)的這款超薄VR原型頭顯時(shí)，不禁會(huì)捫心自問(wèn)，為什么目前市面上流通的VR頭顯體積還是這么大？其實(shí)這個(gè)問(wèn)題并不難回答，圍繞著光學(xué)元件這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就能找到答案，但想要實(shí)際解決該問(wèn)題則沒(méi)有想象的那么簡(jiǎn)單。

目前市面上流通的VR頭顯都采用了相同的光學(xué)管道，通過(guò)光學(xué)鏡頭將光線聚焦到顯示屏從而使用戶可以看到具體成像。但是為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，通常光學(xué)鏡頭與顯示屏之間都保留了幾英寸的設(shè)計(jì)距離，因?yàn)槿绻贿@樣設(shè)計(jì)，光學(xué)鏡頭就無(wú)法讓光線聚焦從而使用戶看到顯示成像。

雖然顯示屏和鏡頭之間的設(shè)計(jì)距離已經(jīng)很小，但其仍是VR頭顯體積無(wú)法縮小的原因之一。對(duì)于廠商而言，目前的透鏡和顯示屏足以實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)寬視場(chǎng)角和高分辨率的頭顯，因此在市場(chǎng)規(guī)則面前我們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)很難看到超薄型VR頭顯的身影。盡管科技的進(jìn)步講究循序漸進(jìn)，但行業(yè)科技巨頭們依然推出了不少VR頭顯解決方案，旨在使VR頭顯體積更小，并且這些方案都提到了全新概念的顯示屏和光學(xué)鏡頭，而在這其中Facebook提出的采用折疊光學(xué)和全息光學(xué)的解決方案尤其引人注目。

折疊光學(xué)

如上所述，為了將光線聚焦到顯示屏上從而使用戶看到顯示成像，目前的VR頭顯中的光學(xué)鏡頭必須與顯示屏之間保留幾英寸的設(shè)計(jì)距離，而Facebook提出折疊式光學(xué)元件的概念是將這一距離路徑被折疊到更緊湊的區(qū)域。我們可以將該概念比喻為一張任意寬度的紙，當(dāng)我們將這張紙對(duì)折時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)紙張的寬度空間變小了。那么，在VR頭顯中，折疊式光學(xué)該如何實(shí)現(xiàn)？

事實(shí)證明，光束具有方向性。通常光束的方向是隨機(jī)的，但是我們可以使用偏振器僅使特定方向的光通過(guò)，為此我們將偏振器想象成自動(dòng)售貨機(jī)上的投幣口：它只會(huì)接受一個(gè)方向的硬幣。

使用偏振器，光線可以沿著光路來(lái)回多次反射，最終在用戶眼里顯示成像。該方法也稱(chēng)為“pancake optics”，其可以讓光學(xué)鏡頭和顯示屏之間的距離縮短，從而使頭顯體積更小。

同時(shí)，為了使頭顯變得更?。ㄒ钥s小光學(xué)鏡頭本身的尺寸），F(xiàn)acebook研究人員還采用了全息光學(xué)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一效果。

全息光學(xué)

研究人員沒(méi)有在折疊光學(xué)系統(tǒng)中使用一系列典型的透鏡，而是將透鏡制成了全息圖。不同于照片，全息圖是在給定時(shí)刻在空間體積內(nèi)的光的記錄。

在我們觀看照片時(shí)，我們通常只能看到被捕獲平面中包含的光的信息。而當(dāng)我們查看全息圖時(shí)，則可以全方位的查看該全息圖，因?yàn)槿D會(huì)捕獲整個(gè)空間體積中所有光的信息。

這是Facebook采用全息技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)其全息鏡頭顯示成像的基本概念，研究人員有效的“捕獲”了光學(xué)鏡頭的全息圖，并將光學(xué)鏡頭的光學(xué)特性凝聚到了薄如紙的全息薄膜中。因此，F(xiàn)acebook在此設(shè)計(jì)中采用的光學(xué)技術(shù)實(shí)際上是采用了透鏡的全息圖。

綜上所述，我們對(duì)Facebook提出的“折疊全息光學(xué)”概念有了初步的了解，該解決方案的總體目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一款太陽(yáng)眼鏡大小的VR頭顯，同時(shí)Facebook表示正在開(kāi)發(fā)的原型頭顯的分辨率和視場(chǎng)角已達(dá)到了目前市面上主流VR頭顯的水平，這無(wú)疑是個(gè)讓人興奮的消息。

不過(guò)需要注意的是，從原型頭顯概念圖上我們還看不出一個(gè)完整頭顯所應(yīng)具備的例如攝像頭等所有其他核心組件，為此Facebook表示開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)正在應(yīng)對(duì)將激光模塊集成到頭顯中所帶來(lái)的如何縮小體積空間的挑戰(zhàn)，因?yàn)槟壳暗募す饽K往往比常用的LED光源體積更大。

Facebook研究人員表示，隨著對(duì)這款原型頭顯開(kāi)發(fā)的深入，他們愈發(fā)確信采用折疊全息光學(xué)元件是制造緊湊型VR頭顯的實(shí)用解決方案，該頭顯將具有更寬的視場(chǎng)角、更廣的色域甚至可以達(dá)到視網(wǎng)膜分辨率。

我們什么時(shí)候可以體驗(yàn)這項(xiàng)技術(shù)？

盡管Facebook正在開(kāi)發(fā)的這款原型頭顯帶來(lái)了許多新穎的概念，但在該原型頭顯離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室之前，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)還有很多工作要做。為此，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)還提出了許多有待驗(yàn)證的設(shè)計(jì)局限性問(wèn)題。

首先，研究人員表示目前他們還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出太陽(yáng)眼鏡般大小的全色域版本，并且這款原型頭顯演示的版本其“eye-box”尺寸為8毫米，而制作一個(gè)實(shí)用的頭顯至少需要10-12毫米。此外，研究人員指出，盡管折疊式全息光學(xué)技術(shù)可能支持視網(wǎng)膜分辨率，但仍需要廣泛使用分辨率更高的顯示屏。同時(shí)為了改善“幾何均勻性、強(qiáng)度均勻性、顏色均勻性和顏色對(duì)齊性”，需要制定相關(guān)的校準(zhǔn)方案。

其次是如何將VR頭顯的所有組件都塞進(jìn)一個(gè)狹小的空間內(nèi)的問(wèn)題，為此研究人員設(shè)想將原型頭顯開(kāi)發(fā)成一個(gè)類(lèi)似Oculus Quest的VR一體機(jī)，通過(guò)這款一體機(jī)即可獲得完整的VR體驗(yàn)。開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)表示：“我們開(kāi)發(fā)的原型是單視角的，并使用了外部光源和顯示驅(qū)動(dòng)器。而一個(gè)真正的便攜式實(shí)用顯示屏則可以將一對(duì)顯示模塊、一個(gè)計(jì)算平臺(tái)、電池、位置跟蹤器以及所有外部組件都完美集成到類(lèi)似于太陽(yáng)鏡的眼鏡框架中?！?/p>

因此，F(xiàn)acebook這款原型頭顯要離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室還需要很長(zhǎng)一段時(shí)間。盡管如此，其仍然是一款非常令人興奮的概念驗(yàn)證原型，不僅如此該原型頭顯在外形、分辨率、視場(chǎng)角及色域參數(shù)上的表現(xiàn)足以讓人驚艷。