Facebook折叠式全息光学技术概念的原型头显

据外媒roadtovr报道，Facebook的AR/VR研发部门Facebook Reality Labs近日发表了一篇名为《Holographic Optics for Thin and Lightweight Virtual Reality》的论文，该论文详细阐述了一款基于折叠式全息光学技术的概念验证头显，并表示这是“迄今为止所开发的最薄VR头显”。

研究人员Andrew Maimone和Junren Wang表示，他们正在开发一款结合了全息光学元件和基于偏振的折叠光学的全新近眼显示屏，其厚度仅为9毫米。除了极致的体积外，该原型头显拥有比目前的VR头显更广的色域，并且在“将缩放分辨率提高到人类视觉的极限方面”取得了很大的进展。

为什么目前的头显体积这么大？

当我们看到Facebook正在开发的这款超薄VR原型头显时，不禁会扪心自问，为什么目前市面上流通的VR头显体积还是这么大？其实这个问题并不难回答，围绕着光学元件这个关键点就能找到答案，但想要实际解决该问题则没有想象的那么简单。

目前市面上流通的VR头显都采用了相同的光学管道，通过光学镜头将光线聚焦到显示屏从而使用户可以看到具体成像。但是为了实现这一点，通常光学镜头与显示屏之间都保留了几英寸的设计距离，因为如果不这样设计，光学镜头就无法让光线聚焦从而使用户看到显示成像。

虽然显示屏和镜头之间的设计距离已经很小，但其仍是VR头显体积无法缩小的原因之一。对于厂商而言，目前的透镜和显示屏足以实现开发宽视场角和高分辨率的头显，因此在市场规则面前我们在短时间内很难看到超薄型VR头显的身影。尽管科技的进步讲究循序渐进，但行业科技巨头们依然推出了不少VR头显解决方案，旨在使VR头显体积更小，并且这些方案都提到了全新概念的显示屏和光学镜头，而在这其中Facebook提出的采用折叠光学和全息光学的解决方案尤其引人注目。

折叠光学

如上所述，为了将光线聚焦到显示屏上从而使用户看到显示成像，目前的VR头显中的光学镜头必须与显示屏之间保留几英寸的设计距离，而Facebook提出折叠式光学元件的概念是将这一距离路径被折叠到更紧凑的区域。我们可以将该概念比喻为一张任意宽度的纸，当我们将这张纸对折时，会发现纸张的宽度空间变小了。那么，在VR头显中，折叠式光学该如何实现？

事实证明，光束具有方向性。通常光束的方向是随机的，但是我们可以使用偏振器仅使特定方向的光通过，为此我们将偏振器想象成自动售货机上的投币口：它只会接受一个方向的硬币。

使用偏振器，光线可以沿着光路来回多次反射，最终在用户眼里显示成像。该方法也称为“pancake optics”，其可以让光学镜头和显示屏之间的距离缩短，从而使头显体积更小。

同时，为了使头显变得更薄（以缩小光学镜头本身的尺寸），Facebook研究人员还采用了全息光学技术来实现这一效果。

全息光学

研究人员没有在折叠光学系统中使用一系列典型的透镜，而是将透镜制成了全息图。不同于照片，全息图是在给定时刻在空间体积内的光的记录。

在我们观看照片时，我们通常只能看到被捕获平面中包含的光的信息。而当我们查看全息图时，则可以全方位的查看该全息图，因为全息图会捕获整个空间体积中所有光的信息。

这是Facebook采用全息技术来实现其全息镜头显示成像的基本概念，研究人员有效的“捕获”了光学镜头的全息图，并将光学镜头的光学特性凝聚到了薄如纸的全息薄膜中。因此，Facebook在此设计中采用的光学技术实际上是采用了透镜的全息图。

综上所述，我们对Facebook提出的“折叠全息光学”概念有了初步的了解，该解决方案的总体目标是开发一款太阳眼镜大小的VR头显，同时Facebook表示正在开发的原型头显的分辨率和视场角已达到了目前市面上主流VR头显的水平，这无疑是个让人兴奋的消息。

不过需要注意的是，从原型头显概念图上我们还看不出一个完整头显所应具备的例如摄像头等所有其他核心组件，为此Facebook表示开发团队正在应对将激光模块集成到头显中所带来的如何缩小体积空间的挑战，因为目前的激光模块往往比常用的LED光源体积更大。

Facebook研究人员表示，随着对这款原型头显开发的深入，他们愈发确信采用折叠全息光学元件是制造紧凑型VR头显的实用解决方案，该头显将具有更宽的视场角、更广的色域甚至可以达到视网膜分辨率。

我们什么时候可以体验这项技术？

尽管Facebook正在开发的这款原型头显带来了许多新颖的概念，但在该原型头显离开实验室之前，开发团队还有很多工作要做。为此，开发团队还提出了许多有待验证的设计局限性问题。

首先，研究人员表示目前他们还没有开发出太阳眼镜般大小的全色域版本，并且这款原型头显演示的版本其“eye-box”尺寸为8毫米，而制作一个实用的头显至少需要10-12毫米。此外，研究人员指出，尽管折叠式全息光学技术可能支持视网膜分辨率，但仍需要广泛使用分辨率更高的显示屏。同时为了改善“几何均匀性、强度均匀性、颜色均匀性和颜色对齐性”，需要制定相关的校准方案。

其次是如何将VR头显的所有组件都塞进一个狭小的空间内的问题，为此研究人员设想将原型头显开发成一个类似Oculus Quest的VR一体机，通过这款一体机即可获得完整的VR体验。开发团队表示：“我们开发的原型是单视角的，并使用了外部光源和显示驱动器。而一个真正的便携式实用显示屏则可以将一对显示模块、一个计算平台、电池、位置跟踪器以及所有外部组件都完美集成到类似于太阳镜的眼镜框架中。”

因此，Facebook这款原型头显要离开实验室还需要很长一段时间。尽管如此，其仍然是一款非常令人兴奋的概念验证原型，不仅如此该原型头显在外形、分辨率、视场角及色域参数上的表现足以让人惊艳。