一提到AR隱形眼鏡，大部分人可能會覺得是一個比較遙遠(yuǎn)的概念。但實際上，近年來多家廠商一直在不斷探索這樣的技術(shù)，比如Mojo Vision、InWith、Innovega等等。這些AR隱形眼鏡采用各不相同的光學(xué)方案，各具特色，有的需要配合AR/VR眼鏡來運(yùn)行，有的集成了高像素密度Micro LED，有的采用柔性電子元件等等。不過，這些AR眼鏡方案很少公開展示效果，并且色彩、顯示效果上依然有許多問題需要解決。
考慮到AR隱形眼鏡如此靠近人眼，它的光學(xué)要比AR/VR眼鏡更加精細(xì)，要求也更高，尤其是在顯示3D內(nèi)容時需要模擬人眼自然變焦，才能更加適合全天候使用，避免由于視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突等原因引起的視覺疲勞或眩暈。
為了解決這一問題，日本東京農(nóng)工大學(xué)的科研人員提出了一種基于全息光學(xué)元件（HOE）的AR視網(wǎng)膜顯示方案，這項技術(shù)采用純相位型空間光調(diào)制器、全息光學(xué)元件背光、偏振鏡，可顯示并模擬一定距離的3D全息圖像。使用者的眼球可以在全息圖像和真實環(huán)境之間實時切換焦距，觀感足夠自然。
一提到視網(wǎng)膜顯示，你可能會想到一些AR眼鏡采用的視網(wǎng)膜投影方案，此前華為、蘋果、QD Laser等公司均有相關(guān)研究。由于視網(wǎng)膜投影就是直接將光線投射到視網(wǎng)膜中，利用SLM模組，便可動態(tài)調(diào)整光線，形成自然的3D觀感，支持動態(tài)調(diào)焦。
而與視網(wǎng)膜投影相比，今天講到的全息AR視網(wǎng)膜顯示方案效果會比視網(wǎng)膜投影更加自然，與其將光線直射如視網(wǎng)膜，不如向人眼前投射全息圖像，當(dāng)全息圖像的波前進(jìn)入人眼視網(wǎng)膜后，來實現(xiàn)AR顯示。如此一來，可以發(fā)揮眼球的透鏡光學(xué)原理，在AR圖像上自然聚焦，對眼球的傷害也會更小。
全息AR隱形眼鏡原理
科研人員表示：目前已經(jīng)研發(fā)出一些將電子元件集成在隱形眼鏡中的方案，比如將LCD集成方案，或是LED和天線集成方案，隱形眼鏡中的天線可接收遠(yuǎn)程發(fā)射器發(fā)射的電磁波，并轉(zhuǎn)化為可在LED元件中顯示的信息。此外，還有一些利用太陽能電池、柔性電池、生物電池來供電的方案。除了顯示單元、電池外，遠(yuǎn)程通訊單元也需要集成在隱形眼鏡中。
AR隱形眼鏡顯示方案還有許多問題需要解決，比如：由于顯示單元太靠近眼球，人眼難以在AR圖像上聚焦。這一問題或許可以通過左右眼各一個同步的LED光源，形成具有雙目視差的AR圖像，并配合微型菲涅爾透鏡來向視網(wǎng)膜聚光。或者，采用單模光導(dǎo)纖維向視網(wǎng)膜聚焦LED光源。
以往的一些研究方案利用微型光學(xué)元件來輔助LED光源向視網(wǎng)膜聚焦平面圖像，不過由于LED是一種非透明的、電驅(qū)動的光源，因此不利于透光性，而且比較耗電。
而東京農(nóng)工大學(xué)科研人員提出的方案則是基于全息顯示方案，來生成可聚焦的AR圖像。細(xì)節(jié)方面，該方案利用純相位型SLM（空間光調(diào)制器）和激光背光，通過全息光學(xué)元件來實現(xiàn)波陣重建。簡單來講，就是將AR圖像投射在視網(wǎng)膜上，有一種顯示在人眼一定距離的觀感，而不是直接在隱形眼鏡層面顯示內(nèi)容。而由于SLM并不會調(diào)節(jié)光的振幅，而且全息光學(xué)背光透光性高，因此這種AR隱形眼鏡顯示方案的透光率足夠高。
不過，基于全息光學(xué)元件的AR顯示方式有許多種，比如：SLM調(diào)節(jié)的激光通過全息光學(xué)元件進(jìn)入波導(dǎo)，離開波導(dǎo)后通過全息光學(xué)元件進(jìn)入人眼。此外，也可以通過全息光學(xué)元件將SLM調(diào)節(jié)的激光分成多個視角，來提升眼動范圍，原理是將全息光學(xué)元件作為合束鏡，人眼通過全息光學(xué)元件來查看周圍環(huán)境。還有一種方式是采用投射式SLM和全息光學(xué)背光，人眼透過這兩個元件查看周圍環(huán)境，環(huán)境光經(jīng)過SLM調(diào)節(jié)進(jìn)入人眼。
具體來講，全息光學(xué)元件發(fā)出橫向偏振光，點亮純相位式SLM，接著純相位式SLM調(diào)節(jié)橫向偏振光的相位（并不會調(diào)節(jié)縱向偏振光），并轉(zhuǎn)化為3D圖像的波前。然后，偏振鏡將傳輸周圍環(huán)境中的縱向偏振光入視網(wǎng)膜。由于全息光學(xué)元件對于波長的選擇性，因此具備高透光性，可透過周圍的環(huán)境光。同時，純相位式SLM也具備高透光性，整個AR隱形眼鏡方案足夠透光。
科研人員稱，該方案可直接在人眼前顯示AR圖像，并透過周圍環(huán)境，因此體積可以做到足夠小。不過，SLM像素化的面板結(jié)構(gòu)會影響透光性，像素密度越大，可視的環(huán)境范圍就越小。
通常，激光二極管的電光功率轉(zhuǎn)換效率比LED更高，同時全息光學(xué)背光的光利用率以及純相位SLM的透光性也足夠高。因此，科研人員提出的全息AR隱形眼鏡顯示方案的能源效率，要比以往的一些LED方案更高，也就是說更省電。
縮小設(shè)備體積
為了保證AR眼鏡的舒適性，它的厚度需要做到足夠輕薄，一般的隱形眼鏡厚度僅有0.1毫米左右。而論文中描述的AR隱形方案，采用了由液晶層和透光電極組成的液晶SLM模組。據(jù)悉，液晶SLM模組的液晶層厚度僅幾微米，而透光電極的厚度則不到1微米。因此，整個液晶SLM模組足夠輕薄，適合集成于隱形眼鏡中。
此外，采用的感光聚合物涂層約幾微米厚，而近期隨著AR光波導(dǎo)技術(shù)進(jìn)步，光波導(dǎo)模組的厚度已經(jīng)縮小至0.1毫米以下，長度也僅為幾毫米。此外，偏振鏡的厚度通常約為30微米，再加上線柵式偏振鏡后，厚度僅為幾微米，因此適合放入隱形眼鏡中。
總之，不管是否采用邊射型激光二極管還是VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器），厚度都可以保持在0.1毫米以下，因此可集成于隱形眼鏡。
效果驗證
為了驗證AR隱形眼鏡顯示方案的性能，科研人員研發(fā)了一個臺式的實驗系統(tǒng)，并利用攝像頭來模擬人眼，用于測量AR隱形眼鏡的顯示效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)攝像頭的焦距分別在1500毫米和2000毫米遠(yuǎn)之間切換時，AR文字和圖像均足夠清晰。
據(jù)悉，這個臺式AR模擬系統(tǒng)的透光率僅為20%，未來計劃通過采用更高填充率的SLM和低吸收率的偏振鏡，將整體透光率提升至更理想的50%。
整篇論文重點解釋了如何利用純相位式SLM和全息光學(xué)元件來實現(xiàn)足夠輕薄、支持動態(tài)變焦的AR隱形眼鏡，但并沒有過多提及該方案對于計算量的需求。據(jù)悉，SLM有一個缺點是生成全息圖將產(chǎn)生大量計算負(fù)荷，因此目前還無法確定東京農(nóng)工大學(xué)提出的方案真正的可行性。
來源：青亭網(wǎng)
