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Facebook,全息光学和基于偏振的光学折叠

发布时间:2020-06-30 07:51编辑:小狐阅读: 979次 手机阅读

映维网 2020年06月30日Facebook Reality LabsFRL一直在探索能够优化形状参数,舒适度和光学性能的全新光学架构。在2019年秋季的Oculus Connect 6大会,FRL首席科学家迈克尔·亚伯拉什通过Half Dome 2和Half Dome 3介绍了团队在小型化设备方面的进展。

Facebook,全息光学和基于偏振的光学折叠(图1)

在名为Holographic Optics for Thin and Lightweight Virtual Reality(用于轻薄型虚拟现实的全息光学元件)一文中,研究人员Andrew Maimone和Junren Wang提出了一种结合了全息光学元件和基于偏振的光学折叠的全新近眼显示器,而这一方法可用于未来的太阳镜式VR硬件。两种方法的结合有助于实现尽可能细薄的光学元件,同时最有效地利用空间。FRL团队预计,轻巧舒适的形状参数有望扩展虚拟现实会话和全新的用例,包括生产力方面。

相关论文:Holographic Optics for Thin and Lightweight Virtual Reality

所述设计通过一个概念验证研究设备进行了演示。具体而言,设备仅采用细薄平面薄膜作为光学元件,并实现了小于9毫米的显示器厚度,同时支持与当今消费类虚拟现实产品相当的视场。这项研究同时展示了更优视觉性能的前景:激光照明用于为虚拟现实显示器更广泛的颜色范围,并且在将分辨率扩展到人类视觉极限方面取得了进展。

1. 方法

Facebook,全息光学和基于偏振的光学折叠(图2)

上图:团队的显示模块安装在一个镜框中。这个研究设备用来捕捉下面所示的绿色图像(部分组件安装在外部)

今天的虚拟现实显示器主要包含三个部分:光源(如LED)使光线变亮或变暗以形成图像的显示面板(如LCD面板)以及将图像聚焦到足够远的地方,以便用户双眼能够感知的光学元件(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,所以设备的大部分重量和体积都位于光学元件。为了大大降低VR显示器的整体尺寸和重量,FRL整合了两种技术:全息光学和基于偏振的光学折叠。

Facebook,全息光学和基于偏振的光学折叠(图3)

大多数虚拟现实显示器都有一个共同的光学元件:由一个厚厚的、弯曲的、及玻璃或塑料组成的简单折射透镜。FRL提出用全息光学元件代替这种笨重元件。你可能相当熟悉在科学博物馆或信用卡中的全息图像。它们看起来是三维,并且媒介载体内外都有真实的深度。与所述的全息图像一样,FRL探索的全息光学元件记录了激光与对象的交互。但在这种情况下,对象是透镜而不是三维场景。其结果是厚度和重量显著减少:全息光学元件能够像透镜一样弯曲光线,但看起来像一个薄而透明的贴纸。

Facebook,全息光学和基于偏振的光学折叠(图4)

但即便透镜本身变薄,作为一个整体的光学元件,它可能依然很大。因为要正确地聚焦图像,你必须在显示面板和透镜之间留出大量的空白空间。通常来说,来自显示面板的光线向前传播到透镜,继续向眼睛传播。然而,当应用基于偏振的光学折叠时,团队可以控制光线在透镜内向前和向后移动,通过这样的方式,光线可以多次遍历这个空白空间,从而将其压缩到原始体积的一小部分。

2. 更宽的色域

Facebook,全息光学和基于偏振的光学折叠(图5)

左图为用概念验证设备拍摄的照片;右图则是由一台更大的全彩台式原型所拍摄的照片。FRL团队目前正致力于在较小的研究原型上实现全彩。

在将全息光学元件应用于虚拟现实显示器时,你必须重新评估所有其他光学元件。值得注意的是,全息光学元件需要使用激光光源,而激光光源更难集成,但颜色丰富度要远超于今天大多数VR头显,智能和电视所搭载的LED。

作为说明,下图是人类可见颜色的色域。目前大多数显示器使用的一组常见颜色是sRGB颜色空间,如下图最里面的较小三角形所示。请注意,它只能捕捉到我们人类实际看到的颜色的一小部分。相比之下,FRL原型显示器的激光可以再现更宽的色域,详见下图包裹sRGB颜色空间的较大三角形。这样我们就可以复制生动和饱和的颜色。请想象一个明亮的霓虹灯标志或是蝴蝶翅膀的闪光。

Facebook,全息光学和基于偏振的光学折叠(图6)

上图是人类可见颜色的色域范围。sRGB是今天大多数显示器所搭载的颜色空间(上图最里面的较小三角形)包括sRGB颜色空间的较大三角形是FRL原型所能实现的色域。

3. 下一步

尽管这指明了实现轻便,舒适,高性能AR/VR技术的未来道路,但当前的一切都只是研究。团队在论文中介绍了原型架构的当前局限,并且讨论了令所述技术变得更为切实可行的研究领域。团队最后表示:“据我们所知,我们的研究演示了迄今为止最为细薄的VR显示器,而我们非常期待未来的发展。”

本文相关词条概念解析:

光学

光学(optics)是物理学的重要分支学科。也是与光学工程技术相关的学科。狭义来说,光学是关于光和视见的科学,optics词早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。而今天常说的光学是广义的,是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到X射线和γ射线的宽广波段范围内的电磁辐射的产生、传播、接收和显示,以及与物质相互作用的科学,着重研究的范围是从红外到紫外波段。它是物理学的一个重要组成部分。光学是研究光的行为和性质的物理学科。光是一种电磁波,在物理学中,电磁波由电动力学中的麦克斯韦方程组来描述;同时,光具有波粒二象性,光的粒子性则需要用量子力学来描述。

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