Facebook全息VR短焦光学揭秘:开启AR+VR技术融合大门

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自从Facebook在去年9月份OC6大会上公布Half Dome 2和3两款VR设计原型机后,几乎印证短焦光学将会成为未来VR发展趋势之一。同时也让我们看到,Facebook的Half Dome 3实力强大,在保证光学效果的同时缩小体积并非易事,而且屏幕还是多层方案,支持变焦显示。

从产品演进上来看,Half Dome 3无疑是为Oculus Quest或Oculus Rift S而准备的,他们是性能更强大的VR,支持更全面的6DoF追踪、手势追踪、眼球追踪等,追求的是体验更全面。

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全息光学轻量化原型机

而今天Facebook再次重磅公布了一则更为先进的VR光学研究:结合全息光学的折叠光路方案,不仅体积轻便、外形小巧,而且还可支持激光光源,具备视网膜级分辨率的显示能力。

真正的“VR眼镜”来了

我们知道,短焦光学方案的出现就是提高VR光学模组的空间利用率,进而降低体积和重量。当前在售短焦VR光学产品均为多组偏振镜片组合,而Facebook全息光学方案区别在于采用全息模组+偏振镜片,可以进一步缩短焦距,提升空间利用率。

Oculus首席科学家Michael Abrash早在2018年的OC5大会上就探讨短焦光学技术,他谈到:未来两种最具潜力的光学方案就是短焦和波导,短焦的好处是可以实现更高的分辨率和更大的视场角(可达200度),或者实现更小巧的体积,由于工作原理导致,两者并不能同时满足。

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轻量化原型版本

从Facebook公开图片来看,原型机已可做到接近太阳镜般大小。相比真实的太阳镜,原型机的厚度略厚、镜腿略宽。显然,这里是将短焦技术用于缩小体积。

和现有偏振式折叠光路短焦VR光学产品3Glasses X1和华为VR Glass相比,两种类型短焦VR方案都提升了空间利用率、缩小了VR头显的体积,但Facebook这款原型机更像是真正意义上的“VR眼镜”。

根据青亭网了解,这项方案源自于Facebook Reality Labs两位研究员:Andrew Maimone和Junren Wang所提出名为“轻薄型VR全息光学”的技术研究。其具有以下几个特点:结合全息光学和折叠光路(偏振)、焦距更短、大幅降低VR硬件体积和重量。

由于采用全息透镜(厚度犹如一张标签纸),优势就是:可以让光学模组的厚度控制在8.9mm(不含光源和驱动单元,Facebook号称是当前业界最薄的VR显示模组),同时视场角也可超过90度。

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轻量化原型版本

谈及当下的VR光学设计,Facebook表示:当前VR光学模组普遍包含:显示(光+像)+透镜两大部分,其中显示部分已经比较成熟可以做到很薄,而阻碍当前VR轻量化发展的因素之一就在于透镜部分。

其中透镜部分往往由玻璃和塑料元件,即便透镜本身可以做到很薄,但是由于光学特性导致在透镜和显示模组之间必须有保留一个用于确保对焦的空间,因此VR头显的体积仍然很大。

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原理:左为传统透镜,右为Facebook全息折叠光路

通过原理对比图我们可以看出,全息短焦方案光线路径更短。

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实拍图:左为轻量原型单绿色版,右为台式原型全彩版

Facebook也表示,目前该研究还处于概念验证阶段,上图左侧是轻量化的VR眼镜原型机的实拍图(仅支持单绿色),而右侧的全彩图像是通过体积更大的原型机显示实拍图(全彩)。

与此同时,Facebook还谈到由于全息光学透镜的加入,导致不得不重新对其他零部件进行评估,例如激光光源实现起来更困难。Facebook表示,当下目标是正在努力实现小型原型机上实现全彩显示。​

动态变焦原型机

动态变焦版本原型

台式原型机

台式高性能版

据了解,Facebook共开发了三个原型,分别是;上面介绍的轻量型版本,一个是基于台式端高性能版,支持全彩显示;另一个是支持动态变焦的大视场角版本,并保证显示模组厚度在10mm以内,具体细节大家可阅读论文

启示和未来

在论文中,Facebook提到VR技术在消费娱乐领域取得较大进展,但放眼未来,VR在社交互动、设计/创作等生产力场景也具有极大潜力,而这些场景对VR提出了新的要求,例如支持长时间使用,显示更清晰(尤其是文字),佩戴更轻便、更舒适等。

全息技术+偏振式折叠光路的方案虽然可大幅缩小体积,减轻重量,但同样仍存在诸多限制。​Facebook提出该挑战和困难包括:全息模组元件的设计、重影、Eyebox、入射角度、变焦显示等等。

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全息原理图(全彩)

据悉,全息光学元件(HOE薄膜,体全息)的作用是聚焦图像,并不是以往的VR光学透镜用于反射或折射光线。目前体全息应用的限制包括:入射角度在某些角度有效、衍射效率较低等。同时全彩显示需要三组激光光源,但又存在因相干性导致的散斑。

另外目前展示的更侧重于显示方面,在系统整合能力方面,如何把光学模组应用到一个具备计算模组、电源、定位模组的VR整机中也是一个难点。

毫无疑问,Facebook这项新的VR光学方案让我们看到了理想中轻量化“VR眼镜”正在发生,这项技术的出现也代表着AR、VR技术的融合化。以往在AR中出现的全息衍射技术如今也出现在VR中,而这也正是Facebook同时在AR和VR上加大投入后的收益,相信未来AR/VR融合化发展的趋势也会加快。

参考:Facebook

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