用于轻薄虚拟现实的全息光学

Facebook Reality Labs(FRL)一直在探索新的光学架构，以提高外形、舒适性和光学性能。去年秋天，在Oculus Connect 6上，FRL首席科学家Michael Abrash介绍了半穹顶2和3在VR方面的新微型化进展，这两个原型研究了变焦显示器如何改善视觉和身体舒适性。今年，在虚拟SIGGRAPH大会上，我们将展示这条道路上的另一个研究里程碑：一种新的光学架构，它明显更紧凑，并提供了更好的视觉性能的潜力。

在这项名为“用于薄而轻的虚拟现实的全息光学”的工作中，研究人员Andrew Maimone和Junren Wang提出了一种新的近眼显示器，它结合了全息光学的力量和基于偏振的光学折叠-这种方法可以用来开发未来类似太阳镜的VR硬件。这两种方法有助于使光学元件尽可能薄，同时最有效地利用空间。我们预计，这种轻巧舒适的外形规格可能会延长VR会话时间，增加新的使用案例，包括生产力。

该设计在一种概念验证研究设备中进行了演示，该设备仅使用薄而平的薄膜作为光学元件，以实现小于9 mm的显示厚度，同时支持可与当今消费性VR产品相媲美的视野。这项工作也展示了更好的视觉性能的前景：激光照明被用来向VR显示器提供更广泛的色域，并且在将分辨率扩展到人类视觉极限方面取得了进展。

这张图片显示了我们的研究设备显示模块安装在一个框架中。此研究设备用于捕获如下所示的绿色图像(某些组件安装在外部)。

今天的VR显示器具有三个主要组件：光源(例如，LED)、使光变亮或变暗以形成图像的显示面板(例如，LCD面板)、以及将图像聚焦到足够远使得观看者的眼睛可以看到它的观察光学组件(例如，塑料透镜)。由于前两个组件可以很容易地形成薄而平的模块，因此大部分重量和体积都进入了观察光学系统。为了显著降低VR显示器的整体尺寸和重量，我们结合了两种技术：全息光学和基于偏振的光学折叠。

大多数VR显示器共用一种常见的观察光学系统：由厚厚的曲线片或玻璃或塑料组成的简单折射透镜。我们建议用全息光学代替这种庞大的元件。你可能熟悉在科学博物馆或你的信用卡上看到的全息图像，它们看起来是三维的，页面内外都有真实的深度。就像这些全息图像一样，我们的全息光学是激光与物体相互作用的记录，但在这种情况下，物体是透镜，而不是3D场景。其结果是厚度和重量大幅降低：全息光学像镜头一样弯曲光线，但看起来像一张薄而透明的贴纸。

然而，即使镜头本身变薄，观察光学系统作为一个整体可能仍然很大-在显示面板和镜头之间必须放置相当大的空白空间才能正确对焦图像。通常，来自显示面板的光向前传播到镜头，然后继续朝向眼睛。然而，当我们应用基于偏振的光学折叠时，可以控制光在镜头内向前和向后移动，以便可以多次穿过这个空白空间，将其折叠到原始体积的一小部分。

左边显示的是用上图所示的概念验证研究设备拍摄的照片。右边是一张通过较大的全彩色台式电脑原型拍摄的照片。我们目前正致力于在较小的研究原型上实现全彩色。

当我们将全息光学应用于VR显示器时，我们必须重新评估所有其他光学元件。值得注意的是，全息光学迫使使用激光光源，激光光源更难集成，但提供的颜色集比当今几乎所有VR耳机、手机、计算机和电视中常见的LED丰富得多。

为了说明不同之处，下图显示了人类可见颜色的色域。目前在许多显示器上可以重现的一组常见颜色是sRGB颜色空间(由较小的三角形说明)。请注意，它只能捕捉我们实际能看到的一小部分颜色。相比之下，外三角形代表了更大的一组颜色，可以使用激光在我们的一个研究原型显示器上重现。这允许再现鲜艳和饱和的颜色。想想一个灯火通明的霓虹灯招牌，或者蝴蝶翅膀的彩虹般的光泽。

此图说明了人类可见颜色的色域。sRGB空间代表了当今许多显示器上可重现的一组常见颜色。外三角形代表了我们的研究原型上可重现的更大的一组颜色。

虽然它指出了轻量化、舒适性和高性能AR/VR技术的未来发展，但目前我们的工作还只是纯粹的研究。在我们的技术论文中，我们确定了我们建议的显示体系结构目前的局限性，并讨论了使该方法更实用的未来研究领域。据我们所知，我们的工作展示了迄今为止展示的最薄的VR显示屏，我们很高兴看到未来会发生什么。