VR头显的轻量化征程

智能手机之后，人类的下一代“玩具”是什么？相信大多数人的答案会是虚拟现实（Virtual Reality）。这种想法既源于当下显示技术和硬件发展水平的客观现实，也在很大程度上受到了全球几大科技巨头的宣传影响。

无论是Facebook的Oculus、微软的HoloLens 还是“楼起楼塌”Magic Leap，都给我们灌输了一个理念，那就是“虚拟+现实”的沉浸式无边界操作相比于现今尺寸之间的手机会带来数个维度的体验提升。

理想很美好，相信我们距离这个目标也不会很遥远。但一个重要的问题是，如今的虚拟现实设备从体积上看很显然不能称之为“眼镜”，换言之，不够轻量级的设备无法满足全天候佩戴。要想使用户的使用体验尽善尽美，势必要把夜视仪版的VR头显压缩再压缩才行。

在今年举行的全世界影响最广的计算机图技术大会SIGGRAPH 2020上，Facebook Reality Labs（FRL）发表了一篇名为“Holographic Optics for Thin and Lightweight Virtual Reality”的研究论文。研究人员Andrew Maimone和Junren Wang提出了一种为更薄、更轻的VR头显设计的全息光学架构，它的结构明显更加紧凑，并有可能提供更好的视觉性能，预计这种架构将出现在未来的“高性能AR/VR”设备中。

全息光学和光学折叠

据了解，该架构使用平板薄膜来创建一个仅比智能手机略厚的VR显示屏，它结合了全息光学和基于偏振的光学折叠。这两种方法有助于保持光学器件尽可能薄，同时最有效地利用空间。Facebook预计，这种轻巧和舒适的硬件外形可能会在延长VR会话和提高VR设备生产力方面做出贡献。

目前，新设计已经通过概念验证研究设备得到了证明，该设备仅使用薄而平的薄膜作为光学器件，实现了小于9毫米的显示厚度，同时支持与当今消费类VR产品相当的视野。

在原型机中，每个眼球显示器的分辨率大约为1200×1600像素(与目前的 VR 头显相当) ，视野范围为93度的圆形或92×69度的矩形。这大致相当于571克重的 Oculus Quest 的显示规格，但是它的外形像眼镜一样，总重量不到10克。

研究人员指出，他们还可以通过削减部件和更换材料来将重量降到6.6克，相当于一个塑料太阳镜，但这样做会或多或少影响到性能。

Facebook的新结构有三个主要组件：一个光源（如LED），一个将光线变亮或变暗以形成图像的显示面板（如LCD面板），以及一个将图像聚焦到足够远的地方以便观众的眼睛可以看到它的观看光学器件（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，因此观看光学器件占据了大部分重量和体积。为了显著降低VR显示器的整体尺寸和重量，Facebook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显示器都有一个共同的观看光学元件：一个由厚厚的、弯曲的玻璃或塑料组成的简单折射透镜。Facebook的做法是用全息光学器件取代这种笨重的元件。大家对全息图像应该并不陌生，与这些全息图像一样，Facebook的全息光学器件也是记录了激光与物体的相互作用，但在这种情况下，物体是一个镜头，而不是一个三维场景。其结果是设备的厚度和重量的大幅减少。全息光学器件可以像透镜一样弯曲光线 但看起来却像一张薄薄的透明贴纸。

然而，即使镜头本身做得很薄，整个观看光学器件可能仍然很大，这是因为必须要在显示面板和镜头之间放置相当大的空隙，才能正确聚焦图像。通常情况下，来自显示面板的光线会向前传播到镜头，然后继续向眼睛传播。然而，当Facebook应用基于偏振的光学折叠时，可以控制光线在镜头内向前和向后移动，从而使这个空隙可以多次穿越，将其折叠到原来体积的几分之一。

值得注意的是一点是，Facebook在这项工作中将激光照明用于为 VR 显示器提供更广泛的色域，并且进一步将分辨率扩展到人类视觉极限，这也证明了视觉性能的前景。

当将全息光学技术应用于VR显示器时，Facebook必须重新评估其他光学元件。值得注意的是，全息光学技术迫使Facebook必须使用激光光源，虽然激光光源的集成难度更大，但它提供的色彩却比目前几乎所有VR头显、手机、电脑和电视中常见的LED要丰富得多。

下图说明了两者的区别。现今许多显示器上可以重现的一组常见颜色是sRGB色彩空间（用较小的三角形说明）。请注意，它只能捕捉到Facebook实际能看到的一小部分颜色。相比之下，外边的三角形代表了Facebook的一个研究原型显示器上使用激光可以再现的更大的色彩集。这样就可以再现生动而饱和的色彩。

电子变焦

Facebook的VR小型化探索近年来一直未断。去年秋天，在Oculus Connect 6上，Facebook Reality Labs（FRL）首席科学家Michael Abrash通过Half Dome 2和3介绍了VR领域新的小型化进展，这两个Dome研究了变焦显示器如何改善视觉和物理舒适度。

Michael Abrash对虚拟协作工作空间的设想是：一个你可以任意配置的空间，拥有显示器质量的虚拟屏幕、全息图和白板。它能让你与真实的环境进行互动，与其他人共享虚拟空间，用手操作真实和虚拟的物体，并提供触觉反馈。

为了实现这一愿景，我们需要解决一些相当大的挑战。Abrash指出，要使虚拟显示器与现实世界的显示器在视觉上达到同等水平，我们需要高分辨率和良好的图像质量，这两点都需要非常高分辨率的显示器和经过改进的光学器件。

为了使VR中社交和有效协作成为可能，我们需要清晰、舒适的视线以及更宽广的视野，这样会议中的每个人都能看到其他人。同时，为了让人们在VR中舒适地待上几个小时，所有必要的组件都需要紧凑和省电。

Half Dome1、2、3

最初在2018年F8上亮相的Half Dome原型机是以视觉沉浸感为优先的概念验证，而在OC6上推出的Half Dome 2原型机则主要针对人体工程学和舒适度。它比原来的Half Dome原型机更小更轻，因为它成功地将光路折叠到一个非常小的体积中。

而Half Dome3是Half Dome系列原型中的电子变焦版本，它用一种由偏振相关透镜（PDL）和可切换半波板交替堆叠而成的新型液晶透镜取代了所有移动的机械部件。

PDL的特殊之处在于其焦距会根据其偏振状态而改变。通过改变施加在可切换板上的电压，可以实现在两种焦距之间切换。通过将一系列PDL和可切换的半波板叠加在一起，头显能够实现平滑的变焦。

局限性依然明显

虽然指明了未来轻量级、舒适、高性能的AR/VR技术的发展，但目前Facebook的工作是纯粹的研究。在Facebook的技术论文中，Facebook确定了Facebook提出的显示架构目前的局限性。

截至目前，所有的原型机都使用激光LCD照明系统，而三激光全彩原型机表现出闪烁的斑点。这对于静态图像没有问题，但在显示动态内容时，会留下色噪，因此就需要一个去斑器。研究人员表示，除了开发性能更强的定制化去斑器外，他们还可以通过添加全息背光或透镜来提供可穿戴的全彩原型机，但要达到这个目的还需要更多的工程工作。

另外，虽然用近眼全息系统替代大型深透镜系统可以将VR头显体积缩小75%甚至更多，不过处理器和存储等其他组件仍需要放在内部或无线连接到单独的外壳上。

现阶段，研究人员认为，与微软的HoloLens 2和Magic Leap 1相比，该系统更接近于提供一个可行的轻量级VR解决方案。随着时间的推移，Facebook的目标是既要提供与人类正常视觉相匹配的分辨率，又要提供尽可能大的视野，让眼睛可以旋转着看内容，而不是只盯着一个小窗口向前看。

参考资料：

[1]https://s2020.siggraph.org

[2]https://research.fb.com/blog/2020/06/holographic-optics-for-thin-and-lightweight-virtual-reality/

[3]https://research.fb.com/publications/holographic-optics-for-thin-and-lightweight-virtual-reality/

[4]https://www.oculus.com/blog/half-dome-updates-frl-explores-more-comfortable-compact-vr-prototypes-for-work/

[5]https://venturebeat.com/2020/06/29/facebook-reveals-holographic-optics-for-thin-and-light-vr-headsets/