Facebook正在開發一款基於摺疊式全息光學技術的原型頭顯

據外媒roadtovr報道，Facebook的AR/VR研發部門Facebook Reality Labs近日發表了一篇名為“Holographic Optics for Thin and Lightweight Virtual Reality”的論文，該論文詳細闡述了一款基於摺疊式全息光學技術的概念驗證頭顯，並表示這是“迄今為止所開發的最薄VR頭顯”。

研究人員Andrew Maimone和Junren Wang表示，他們正在開發一款結合了全息光學元件和基於偏振的摺疊光學的全新近眼顯示屏，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，並且在“將縮放分辨率提高到人類視覺的極限方面”取得了很大的進展。

為什麼目前的頭顯體積這麼大？

當我們看到Facebook正在開發的這款超薄VR原型頭顯時，不禁會捫心自問，為什麼目前市面上流通的VR頭顯體積還是這麼大？其實這個問題並不難回答，圍繞着光學元件這個關鍵點就能找到答案，但想要實際解決該問題則沒有想象的那麼簡單。

目前市面上流通的VR頭顯都採用了相同的光學管道，通過光學鏡頭將光線聚焦到顯示屏從而使用户可以看到具體成像。但是為了實現這一點，通常光學鏡頭與顯示屏之間都保留了幾英寸的設計距離，因為如果不這樣設計，光學鏡頭就無法讓光線聚焦從而使用户看到顯示成像。

雖然顯示屏和鏡頭之間的設計距離已經很小，但其仍是VR頭顯體積無法縮小的原因之一。對於廠商而言，目前的透鏡和顯示屏足以實現開發寬視場角和高分辨率的頭顯，因此在市場規則面前我們在短時間內很難看到超薄型VR頭顯的身影。儘管科技的進步講究循序漸進，但行業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，並且這些方案都提到了全新概念的顯示屏和光學鏡頭，而在這其中Facebook提出的採用摺疊光學和全息光學的解決方案尤其引人注目。

摺疊光學

如上所述，為了將光線聚焦到顯示屏上從而使用户看到顯示成像，目前的VR頭顯中的光學鏡頭必須與顯示屏之間保留幾英寸的設計距離，而Facebook提出摺疊式光學元件的概念是將這一距離路徑被摺疊到更緊湊的區域。我們可以將該概念比喻為一張任意寬度的紙，當我們將這張紙對摺時，會發現紙張的寬度空間變小了。那麼，在VR頭顯中，摺疊式光學該如何實現？

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，光線可以沿着光路來回多次反射，最終在用户眼裏顯示成像。該方法也稱為“pancake optics”，其可以讓光學鏡頭和顯示屏之間的距離縮短，從而使頭顯體積更小。

同時，為了使頭顯變得更薄，Facebook研究人員還採用了全息光學技術來實現這一效果。

全息光學

研究人員沒有在摺疊光學系統中使用一系列典型的透鏡，而是將透鏡製成了全息圖。不同於照片，全息圖是在給定時刻在空間體積內的光的記錄。

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採用全息技術來實現其全息鏡頭顯示成像的基本概念，研究人員有效的“捕獲”了光學鏡頭的全息圖，並將光學鏡頭的光學特性凝聚到了薄如紙的全息薄膜中。因此，Facebook在此設計中採用的光學技術實際上是採用了透鏡的全息圖。

綜上所述，我們對Facebook提出的“摺疊全息光學”概念有了初步的瞭解，該解決方案的總體目標是開發一款太陽眼鏡大小的VR頭顯，同時Facebook表示正在開發的原型頭顯的分辨率和視場角已達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具備的例如攝像頭等所有其他核心組件，為此Facebook表示開發團隊正在應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，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，隨着對這款原型頭顯開發的深入，他們愈發確信採用摺疊全息光學元件是製造緊湊型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到視網膜分辨率。

我們什麼時候可以體驗這項技術？

儘管Facebook正在開發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，開發團隊還有很多工作要做。為此，開發團隊還提出了許多有待驗證的設計侷限性問題。

首先，研究人員表示目前他們還沒有開發出太陽眼鏡般大小的全色域版本，並且這款原型頭顯演示的版本其“eye-box”尺寸為8毫米，而製作一個實用的頭顯至少需要10-12毫米。此外，研究人員指出，儘管摺疊式全息光學技術可能支持視網膜分辨率，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”，需要制定相關的校準方案。

其次是如何將VR頭顯的所有組件都塞進一個狹小的空間內的問題，為此研究人員設想將原型頭顯開發成一個類似Oculus Quest的VR一體機，通過這款一體機即可獲得完整的VR體驗。開發團隊表示：“我們開發的原型是單視角的，並使用了外部光源和顯示驅動器。而一個真正的便攜式實用顯示屏則可以將一對顯示模塊、一個計算平台、電池、位置跟蹤器以及所有外部組件都完美集成到類似於太陽鏡的眼鏡框架中。”

因此，Facebook這款原型頭顯要離開實驗室還需要很長一段時間。儘管如此，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、視場角及色域參數上的表現足以讓人驚豔。