Facebook今天发布了一项新研究，称其为“迄今为止最薄的VR显示屏”，这是一款基于折叠全息光学的概念验证头戴设备。

Facebook的AR/VR研发部门——Facebook Reality Labs今天发表了一项结合了两个关键特性的新研究：基于偏振的光学“折叠”和全息透镜。在这项工作中，研究人员Andrew Maimone和Junren Wang称他们使用这种技术创建了一个厚度仅为9毫米的功能性VR显示屏和透镜。结果是一个概念验证的VR头戴设备，可以真正称为“VR眼镜”。
这种方法除了极为紧凑的尺寸之外，还有其他的好处；研究人员表示，它还可以支持比目前的VR显示屏更宽广的色域，并且他们的显示屏在“向人类视觉的极限分辨率方向取得了进展。”
我们来讨论一下它的工作原理吧。
为什么今天的头戴设备那么大？
照片来源：Road to VR
人们自然会想知道为什么即使是最新的VR头戴设备在尺寸上仍然与2016年推出的首代头戴设备基本相同。答案很简单：光学原理。不幸的是，解决方案并不简单。
市场上每一款消费者级VR头戴设备实际上都使用了同样的光学通道：一个大型显示器背后的简单透镜。透镜的作用是将显示器发出的光聚焦到眼睛上。但为了实现聚焦，透镜需要与显示器保持几英寸的距离，否则就没有足够的聚焦能力将光线聚焦到眼睛上。
显示器和透镜之间必要的距离就是为什么所有头戴设备看起来像放在脸上的盒子的原因。今天仍然使用这种方法是因为透镜和显示器已经是众所周知的因素；它们便宜而简单，虽然体积庞大，但可以实现宽广的视野和高分辨率。
许多解决方案已经提出，以缩小VR头戴设备的尺寸，几乎所有这些解决方案都包括使用新型显示屏和透镜。
Facebook的新研究提出了折叠光学和全息光学的使用。
折叠光学是什么？
折叠光学是什么呢？它的实际含义并不是字面上的意思，但一旦你理解了它，你很难想出一个更好的名字。
今天的VR头戴设备中的简单透镜必须与显示器保持一定的距离，以便将光线聚焦到眼睛上，而折叠光学的概念是将这个距离“折叠”在一起，使光线仍然通过必要的距离进行聚焦，但它的路径被折叠到一个更紧凑的区域内。
你可以将其类比为一张任意宽度的纸张。当你将纸张对折时，纸张本身的宽度与开始时一样，但由于折叠在一起，它的宽度占据的空间较小。
但是，如何使用光线做到这一点？偏振是关键。
图像提供：Proof of Concept Engineering
原来，光束有一个“方向”。通常，光束的方向是随机的，但你可以使用偏振器只允许特定方向的光通过。你可以将偏振器看作是自动贩卖机上的硬币槽口：它只接受一种方向的硬币。
使用偏振，可以使光在进入佩戴者的眼睛之前在光学路径上来回多次反射。这种方法（也称为“薄煎饼光学”）使透镜和显示器能够更靠近，从而使头戴设备更紧凑。
但要使其更薄——缩小透镜的尺寸——Facebook的研究人员转向全息光学。
全息光学
与折叠光学中使用一系列典型透镜（就像眼镜中使用的那种）不同，研究人员将透镜制作成……全息图。
如果这让你的头疼，不要紧。全息图很神奇，但我会尽力解释。
与照片不同，照片是在给定时刻记录了一个平面空间中的光线，全息图是一张记录了一束光在一个平面空间中传播和干涉的记录。全息图在记录和再现光线时保持了光的相位信息和振幅信息，可以产生出一种观察者有立体感的显像效果。一个在给定时刻记录空间内光线的录音。
当你看一张照片时，你只能看到被捕捉平面内的光线信息。当你看一张全息图时，你可以环顾全息图，因为整个空间内的光线信息都被捕捉到了（也被称为光场）。
另外，我将用一种更令人震惊的方式向你解释。当你捕捉一个全息图时，你所捕捉到的场景中有一个镜头。事实证明，你在全息图中看到的镜头会像场景中的镜头一样工作。不信？点击这个视频，在0:19处看看场景中的放大镜，看它是如何放大全息图的其他部分的，尽管它本身就是全息图的一部分。
这就是Facebook全息镜片方法背后的基本思想。研究人员有效地”捕捉”了一个真实镜头的全息图，将真实镜头的光学特性压缩成了一层纸一样薄的全息薄膜。
因此，Facebook在这个设计中采用的光学元件，准确地说，是一个镜头的全息图。
继续阅读第2页：将一切结合在一起

将一切结合在一起
图片提供：Facebook
我们学到了折叠光学和全息镜片。现在，“折叠全息光学”这个术语希望听起来不再像技术术语。
这种方法的整个目标是实现真正尺寸与眼镜相当的虚拟现实显示器。在这个概念验证阶段，研究人员已经演示了一款配备这种显示器的头盔，可以称之为“眼镜大小”而不是“护目镜大小”。他们说这个头盔实现了现代虚拟现实头盔的“分辨率和视场”。
图片提供：Facebook
但需要注意的是，展示的这款时尚头盔并未包含真实产品所需的关键组件。为了着重研究核心（光学）部分，他们没有在头盔内放入像光源（这种情况下是激光）、驱动电子设备、跟踪摄像头等通常存在于头盔内的设备。在设计的限制中，研究人员承认当将光源集成到眼镜中时存在着尺寸缩小的难题，因为当前的激光模块比常用的LED光源大。
随着进一步的研发，研究人员表示，折叠全息光学可能成为制造紧凑虚拟现实头盔的一种实用方法，这些头盔能提供宽广的视场、非常大的色彩范围，甚至可能实现视网膜级别的分辨率。
这让我们想知道…
这项技术何时会在头盔中出现？
图片提供：Facebook
我猜至少还需要10年。尽管这项研究展示了一些引人入胜的可能性，但在这项技术离开实验室之前，还有许多工作要做。因此，研究人员探索了目前设计的局限性。
首先，他们还没有展示出适用于眼镜大小的全彩色版本（尽管在一个非头戴式的概念验证中，他们展示了全彩色）。
完整的虚拟现实显示器，包括镜片、屏幕等 | 图片提供：Facebook
另一个问题是光学设备的视场（眼睛可以实际看到图像的空间）。概念验证演示有8mm的视场，但研究人员表示，为了制作一款“实用的[立体]头盔”，需要至少10-12mm的视场。
此外，研究人员指出，虽然这项技术很可能支持视网膜级别的分辨率，但更高分辨率的显示器仍需广泛应用。此外，还需要开发校准协议，以改善“几何均匀性、强度均匀性、色彩均匀性和色彩校准”。
此外，还有一个问题是如何将其他组件也集成到如此小的尺寸中。研究人员设想一个类似Quest的独立虚拟现实头盔，配备完整的虚拟现实体验所需的所有设备，不需要连接线。
“我们的原型是单眼的”使用外部光源和显示驱动器。一个真正便携且实用的显示器将把一对显示模块、计算平台、电池、位置跟踪器以及所有外部部件整合到一个类似太阳眼镜的框架中。”
因此，这项技术要在实验室之外应用还需要一段时间，而且只有在此之前找到了更好的解决方案，才有可能达到实际应用。尽管如此，这个概念验证非常令人兴奋，主要是因为结合了形态因素、分辨率、视野和色域。
如果你真的想深入了解技术细节，可以阅读完整的研究论文《薄而轻的虚拟现实全息光学》。