一提到AR隱形眼鏡，大部分人可能會(huì)覺(jué)得是一個(gè)比較遙遠(yuǎn)的概念。但實(shí)際上，近年來(lái)多家廠(chǎng)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(lái)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(guò)，這些AR眼鏡方案很少公開(kāi)展示效果，并且色彩、顯示效果上依然有許多問(wèn)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(shí)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(jué)輻輳調(diào)節(jié)沖突等原因引起的視覺(jué)疲勞或眩暈。
為了解決這一問(wèn)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(xiàng)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(shí)環(huán)境之間實(shí)時(shí)切換焦距，觀感足夠自然。
一提到視網(wǎng)膜顯示，你可能會(huì)想到一些AR眼鏡采用的視網(wǎng)膜投影方案，此前華為、蘋(píng)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(xiàn)投射到視網(wǎng)膜中，利用SLM模組，便可動(dòng)態(tài)調(diào)整光線(xiàn)，形成自然的3D觀感，支持動(dòng)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(huì)比視網(wǎng)膜投影更加自然，與其將光線(xiàn)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(lái)實(shí)現(xiàn)AR顯示。如此一來(lái)，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(duì)眼球的傷害也會(huì)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(xiàn)集成方案，隱形眼鏡中的天線(xiàn)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(yáng)能電池、柔性電池、生物電池來(lái)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(wèn)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(wèn)題或許可以通過(guò)左右眼各一個(gè)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(lái)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(lái)輔助LED光源向視網(wǎng)膜聚焦平面圖像，不過(guò)由于LED是一種非透明的、電驅(qū)動(dòng)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(lái)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(guò)全息光學(xué)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)波陣重建。簡(jiǎn)單來(lái)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(huì)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(guò)，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(guò)全息光學(xué)元件進(jìn)入波導(dǎo)，離開(kāi)波導(dǎo)后通過(guò)全息光學(xué)元件進(jìn)入人眼。此外，也可以通過(guò)全息光學(xué)元件將SLM調(diào)節(jié)的激光分成多個(gè)視角，來(lái)提升眼動(dòng)范圍，原理是將全息光學(xué)元件作為合束鏡，人眼通過(guò)全息光學(xué)元件來(lái)查看周?chē)h(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(guò)這兩個(gè)元件查看周?chē)h(huán)境，環(huán)境光經(jīng)過(guò)SLM調(diào)節(jié)進(jìn)入人眼。
具體來(lái)講，全息光學(xué)元件發(fā)出橫向偏振光，點(diǎn)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(huì)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?chē)h(huán)境中的縱向偏振光入視網(wǎng)膜。由于全息光學(xué)元件對(duì)于波長(zhǎng)的選擇性，因此具備高透光性，可透過(guò)周?chē)沫h(huán)境光。同時(shí)，純相位式SLM也具備高透光性，整個(gè)AR隱形眼鏡方案足夠透光。
科研人員稱(chēng)，該方案可直接在人眼前顯示AR圖像，并透過(guò)周?chē)h(huán)境，因此體積可以做到足夠小。不過(guò)，SLM像素化的面板結(jié)構(gòu)會(huì)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(shí)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(shuō)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(gè)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(zhǎng)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(xiàn)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(yàn)證
為了驗(yàn)證AR隱形眼鏡顯示方案的性能，科研人員研發(fā)了一個(gè)臺(tái)式的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并利用攝像頭來(lái)模擬人眼，用于測(cè)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(shí)，AR文字和圖像均足夠清晰。
據(jù)悉，這個(gè)臺(tái)式AR模擬系統(tǒng)的透光率僅為20%，未來(lái)計(jì)劃通過(guò)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(diǎn)解釋了如何利用純相位式SLM和全息光學(xué)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)足夠輕薄、支持動(dòng)態(tài)變焦的AR隱形眼鏡，但并沒(méi)有過(guò)多提及該方案對(duì)于計(jì)算量的需求。據(jù)悉，SLM有一個(gè)缺
全息圖將產(chǎn)生大量計(jì)算負(fù)荷，因此目前還無(wú)法確定東京農(nóng)工大學(xué)提出的方案真正的可行性。參考：ospublishing
