FRL顯示與視覺研究：短焦＋動態變焦進展迅速

• 1.基礎研究：遵循的基本原則；

• 2.技術制定：分析技術概念以及原理；

• 3.初步驗證：通過實驗來驗證可行性；

• 4.小規模原型：在實驗室中進一步驗證；

• 5.大規模原型：在預期環境下進行初步驗證；

• 6.技術原型階段：在理想狀態下進行性能驗證；

• 7.原型演示階段：在實際使用狀態進行性能驗證；

• 8.初步商業應用：整套系統合格、合規的運行；

• 9.大範圍商業應用：經過大範圍驗證可大面積應用。

據悉，這套技術研發的流程最初由NASA使用，後來被廣泛採用。Lanman表示：通常的研發人員往往會集中在2、3、4三個階段，在將此階段的研究成果發表之後往往會轉向其它項目，因此很少看到研究人員會跟進後續的研究和應用中。

毫無疑問，FRL部門足夠領先，其中的顯示與視覺研究團隊同樣也是獨一無二的，Lanman表示：因為該團隊有能力在1-6階段進行工作，技術研究的首要原則不僅僅是技術原理和驗證，更要將延伸到技術原型測試階段，因此FRL顯示與視覺研究團隊的研究工作往往更接近「成品（技術落地）」。

Lanman談到：FRL顯示與視覺研究團隊的獨特之處在於，我們並非創業團隊，也也不是一家大公司，也不是專業學者。我們從最基礎的視覺科學研究出發，並嘗試開發更為接近量產的原型（同時還表示，原型比絕大多數創業團隊的原型方案還要更深一步）來改變這一切。

Half Dome進展迅速

FRL顯示與視覺研究團隊的研究成果主要應用在「Half Dome」系列原型機中，該系列原型VR主要特點是支持動態對焦，改善視覺輻輳，這在目前的消費級VR是從未出現的過的技術。

目前Facebook關於VR產品原型最新的就是Half Dome 3，不僅光學模組體積較Half Dome 2更小巧，而且同樣支持64個焦平面的動態對焦顯示，做到流暢的焦平面切換。

左：Half Dome 3、右：Half Dome 1

之所以體積能夠大幅縮小，是因為Half Dome 3採用了折疊光路方案，就是所謂的短焦光學，特點就是縮短對焦距離，目標就是打造更輕便、小巧的VR頭顯。

而Half Dome 1原型最初於2018年亮相，其通過動態變焦顯示，當時放出的一段視訊展示了其基於物理移動的特性，在螢幕快速移動過程中還伴隨不小的噪音。

左至右：Half Dome 1、Half Dome 2、Half Dome 3

雖然我們還不確定，Half Dome原型設計應用到商用還有多遠。但Lanman表示：Half Dome 1中基於物理模塊的動態變焦顯示已經到達第6階段，而支持光路折疊的Hlaf Dome 3則處於第5階段，並且準備基本完成。「似乎也表明：離商用不遠了」。

Half Dome 3內部結構圖

打造世界首個HDR VR頭顯

HDR的概念我們可能在電視、手機螢幕上經常聽說，這裡說的統一指的是「顯示HDR」，不要與拍照HDR、攝影HDR等混淆。通常顯示HDR一般要求螢幕最大亮度足夠高（2D顯示器最低要求400nit亮度，通常1000nit可以帶來更好效果），且具備高色域、對比度，產生類似真實環境中的明暗對比度，比如暗部陰影和陽光的光影效果等，從而大幅提升沉浸感。

Lanman談到：打造世界第一臺HDR VR頭顯是第一步工作。目前，消費級的VR頭顯亮度普遍偏低，多在200nit以內、也有很多入眼亮度在100nit以內，這種亮度級別顯然無法完整明亮的對比度顯示。因此，FRL決定打造新的顯示方案。

FRL在HDR上的解決思路是，通過準直透鏡和漫射器來盡可能傳遞更多的光，再將顯示畫面進行雙層處理目的是增強畫面的對比度，最後在經過專有透鏡傳遞到人眼。

未來驗證這一設計可行性，FRL團隊打造了一個桌面原型，並且呈現出HDR效果的顯示模組，最大亮度6000nit，不過這種亮度級別是無法應用到小型化的VR頭顯中來，因為透鏡以及模組的體積太大了。

Half Dome 3動態變焦示意圖

因此，Half Dome 3的意義就在於縮小模組體積，同時具備可變焦顯示、HDR等能力。

AR瞳孔引導方案

不僅僅是VR光學，Lanman還提到了AR光學研究，其中之一就是應用於AR眼鏡的，基於「瞳孔引導」的視網膜顯示方案。該方案特點是：現實模組會跟隨你眼睛瞳孔註釋方向移動，從而實現一個理論上更大視場角的顯示方案，同時還不影響動眼框。

AR瞳孔引導顯示原理

這裡面就要研究清楚，螢幕移動範圍究竟多大才能實現較好的顯示效果與性能的平衡。

為了探究這一問題，FRL研究員打造了一個模擬的視網膜顯示器，從而驗證圖像亮度、移動範圍、移動速度（以及移動速度慢導致的潛在問題）等問題，而這些研究已經於去年發表論文《近眼顯示瞳孔引導系統中視網膜成像的質量》。

Lanman總結到：經歷了五年半時間，我們在更廣的研究領域收獲了更多快樂，從第1階段開始，我們就嘗試通過基礎視覺技術推進我們的研究；在第2-4階段，我們還有很多為準備就緒的創意，我們會在某個時刻進行研究；在第5到更高的階段，我們在嘗試做更多的事情，例如Half Dome原型。

最近2年，我們一直在報導FRL的技術研究與成果。不得不承認，FRL部門一直在積極向業內分享最新的研究成果，給行業提供了巨大的幫助與判斷。作為AR/VR領域的領頭羊，Facebook也在發揮巨頭在AR/VR應有的作用，憑借自身資源與技術優勢，將研究成果分享以推進行業共同進步。

參考：

https://doi.org/10.1117/12.2566597

（ END）