描述

據(jù)外媒roadtovr報道，F(xiàn)acebook的AR/VR研發(fā)部門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)的概念驗證頭顯，并表示這是“迄今為止所開發(fā)的最薄VR頭顯”。

研究人員Andrew Maimone和Junren Wang表示，他們正在開發(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視覺的極限方面”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正在開發(fā)的這款超薄VR原型頭顯時，不禁會捫心自問，為什么目前市面上流通的VR頭顯體積還是這么大？其實這個問題并不難回答，圍繞著光學(xué)元件這個關(guān)鍵點就能找到答案，但想要實際解決該問題則沒有想象的那么簡單。

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。但是為了實現(xiàn)這一點，通常光學(xué)鏡頭與顯示屏之間都保留了幾英寸的設(shè)計距離，因為如果不這樣設(shè)計，光學(xué)鏡頭就無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)計距離已經(jīng)很小，但其仍是VR頭顯體積無法縮小的原因之一。對于廠商而言，目前的透鏡和顯示屏足以實現(xiàn)開發(fā)寬視場角和高分辨率的頭顯，因此在市場規(guī)則面前我們在短時間內(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)我們將這張紙對折時，會發(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)該如何實現(xiàn)？

事實證明，光束具有方向性。通常光束的方向是隨機的，但是我們可以使用偏振器僅使特定方向的光通過，為此我們將偏振器想象成自動售貨機上的投幣口：它只會接受一個方向的硬幣。

使用偏振器，光線可以沿著光路來回多次反射，最終在用戶眼里顯示成像。該方法也稱為“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，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)來實現(xiàn)這一效果。

全息光學(xué)

研究人員沒有在折疊光學(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，全息圖是在給定時刻在空間體積內(nèi)的光的記錄。

在我們觀看照片時，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，則可以全方位的查看該全息圖，因為全息圖會捕獲整個空間體積中所有光的信息。

這是Facebook采用全息技術(shù)來實現(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)計中采用的光學(xué)技術(shù)實際上是采用了透鏡的全息圖。

綜上所述，我們對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)是開發(fā)一款太陽眼鏡大小的VR頭顯，同時Facebook表示正在開發(fā)的原型頭顯的分辨率和視場角已達(dá)到了目前市面上主流VR頭顯的水平，這無疑是個讓人興奮的消息。

不過需要注意的是，從原型頭顯概念圖上我們還看不出一個完整頭顯所應(yīng)具備的例如攝像頭等所有其他核心組件，為此Facebook表示開發(fā)團(tuán)隊正在應(yīng)對將激光模塊集成到頭顯中所帶來的如何縮小體積空間的挑戰(zhàn)，因為目前的激光模塊往往比常用的LED光源體積更大。

Facebook研究人員表示，隨著對這款原型頭顯開發(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頭顯的實用解決方案，該頭顯將具有更寬的視場角、更廣的色域甚至可以達(dá)到視網(wǎng)膜分辨率。

我們什么時候可以體驗這項技術(shù)？

盡管Facebook正在開發(fā)的這款原型頭顯帶來了許多新穎的概念，但在該原型頭顯離開實驗室之前，開發(fā)團(tuán)隊還有很多工作要做。為此，開發(fā)團(tuán)隊還提出了許多有待驗證的設(shè)計局限性問題。

首先，研究人員表示目前他們還沒有開發(fā)出太陽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，而制作一個實用的頭顯至少需要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。同時為了改善“幾何均勻性、強度均勻性、顏色均勻性和顏色對齊性”，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)一個狹小的空間內(nèi)的問題，為此研究人員設(shè)想將原型頭顯開發(fā)成一個類似Oculus Quest的VR一體機，通過這款一體機即可獲得完整的VR體驗。開發(fā)團(tuán)隊表示：“我們開發(fā)的原型是單視角的，并使用了外部光源和顯示驅(qū)動器。而一個真正的便攜式實用顯示屏則可以將一對顯示模塊、一個計算平臺、電池、位置跟蹤器以及所有外部組件都完美集成到類似于太陽鏡的眼鏡框架中?！?/p>

因此，F(xiàn)acebook這款原型頭顯要離開實驗室還需要很長一段時間。盡管如此，其仍然是一款非常令人興奮的概念驗證原型，不僅如此該原型頭顯在外形、分辨率、視場角及色域參數(shù)上的表現(xiàn)足以讓人驚艷。