基于全息和SLM技术,这款AR隐形眼镜可实现人眼动态变焦

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一提到AR隐形眼镜,大部分人可能会觉得是一个比较遥远的概念。但实际上,近年来多家厂商一直在不断探索这样的技术,比如Mojo Vision、InWith、Innovega等等。这些AR隐形眼镜采用各不相同的光学方案,各具特色,有的需要配合AR/VR眼镜来运行,有的集成了高像素密度Micro LED,有的采用柔性电子元件等等。不过,这些AR眼镜方案很少公开展示效果,并且色彩、显示效果上依然有许多问题需要解决。

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考虑到AR隐形眼镜如此靠近人眼,它的光学要比AR/VR眼镜更加精细,要求也更高,尤其是在显示3D内容时需要模拟人眼自然变焦,才能更加适合全天候使用,避免由于视觉辐辏调节冲突等原因引起的视觉疲劳或眩晕。

为了解决这一问题,日本东京农工大学的科研人员提出了一种基于全息光学元件(HOE)的AR视网膜显示方案,这项技术采用纯相位型空间光调制器、全息光学元件背光、偏振镜,可显示并模拟一定距离的3D全息图像。使用者的眼球可以在全息图像和真实环境之间实时切换焦距,观感足够自然。

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一提到视网膜显示,你可能会想到一些AR眼镜采用的视网膜投影方案,此前华为、苹果、QD Laser等公司均有相关研究。由于视网膜投影就是直接将光线投射到视网膜中,利用SLM模组,便可动态调整光线,形成自然的3D观感,支持动态调焦。

而与视网膜投影相比,今天讲到的全息AR视网膜显示方案效果会比视网膜投影更加自然,与其将光线直射如视网膜,不如向人眼前投射全息图像,当全息图像的波前进入人眼视网膜后,来实现AR显示。如此一来,可以发挥眼球的透镜光学原理,在AR图像上自然聚焦,对眼球的伤害也会更小。

全息AR隐形眼镜原理

科研人员表示:目前已经研发出一些将电子元件集成在隐形眼镜中的方案,比如将LCD集成方案,或是LED和天线集成方案,隐形眼镜中的天线可接收远程发射器发射的电磁波,并转化为可在LED元件中显示的信息。此外,还有一些利用太阳能电池、柔性电池、生物电池来供电的方案。除了显示单元、电池外,远程通讯单元也需要集成在隐形眼镜中。

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AR隐形眼镜显示方案还有许多问题需要解决,比如:由于显示单元太靠近眼球,人眼难以在AR图像上聚焦。这一问题或许可以通过左右眼各一个同步的LED光源,形成具有双目视差的AR图像,并配合微型菲涅尔透镜来向视网膜聚光。或者,采用单模光导纤维向视网膜聚焦LED光源。

以往的一些研究方案利用微型光学元件来辅助LED光源向视网膜聚焦平面图像,不过由于LED是一种非透明的、电驱动的光源,因此不利于透光性,而且比较耗电。

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而东京农工大学科研人员提出的方案则是基于全息显示方案,来生成可聚焦的AR图像。细节方面,该方案利用纯相位型SLM(空间光调制器)和激光背光,通过全息光学元件来实现波阵重建。简单来讲,就是将AR图像投射在视网膜上,有一种显示在人眼一定距离的观感,而不是直接在隐形眼镜层面显示内容。而由于SLM并不会调节光的振幅,而且全息光学背光透光性高,因此这种AR隐形眼镜显示方案的透光率足够高。

不过,基于全息光学元件的AR显示方式有许多种,比如:SLM调节的激光通过全息光学元件进入波导,离开波导后通过全息光学元件进入人眼。此外,也可以通过全息光学元件将SLM调节的激光分成多个视角,来提升眼动范围,原理是将全息光学元件作为合束镜,人眼通过全息光学元件来查看周围环境。还有一种方式是采用投射式SLM和全息光学背光,人眼透过这两个元件查看周围环境,环境光经过SLM调节进入人眼。

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具体来讲,全息光学元件发出横向偏振光,点亮纯相位式SLM,接着纯相位式SLM调节横向偏振光的相位(并不会调节纵向偏振光),并转化为3D图像的波前。然后,偏振镜将传输周围环境中的纵向偏振光入视网膜。由于全息光学元件对于波长的选择性,因此具备高透光性,可透过周围的环境光。同时,纯相位式SLM也具备高透光性,整个AR隐形眼镜方案足够透光。

科研人员称,该方案可直接在人眼前显示AR图像,并透过周围环境,因此体积可以做到足够小。不过,SLM像素化的面板结构会影响透光性,像素密度越大,可视的环境范围就越小。

通常,激光二极管的电光功率转换效率比LED更高,同时全息光学背光的光利用率以及纯相位SLM的透光性也足够高。因此,科研人员提出的全息AR隐形眼镜显示方案的能源效率,要比以往的一些LED方案更高,也就是说更省电。

缩小设备体积

为了保证AR眼镜的舒适性,它的厚度需要做到足够轻薄,一般的隐形眼镜厚度仅有0.1毫米左右。而论文中描述的AR隐形方案,采用了由液晶层和透光电极组成的液晶SLM模组。据悉,液晶SLM模组的液晶层厚度仅几微米,而透光电极的厚度则不到1微米。因此,整个液晶SLM模组足够轻薄,适合集成于隐形眼镜中。

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此外,采用的感光聚合物涂层约几微米厚,而近期随着AR光波导技术进步,光波导模组的厚度已经缩小至0.1毫米以下,长度也仅为几毫米。此外,偏振镜的厚度通常约为30微米,再加上线栅式偏振镜后,厚度仅为几微米,因此适合放入隐形眼镜中。

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总之,不管是否采用边射型激光二极管还是VCSEL(垂直腔面发射激光器),厚度都可以保持在0.1毫米以下,因此可集成于隐形眼镜。

效果验证

为了验证AR隐形眼镜显示方案的性能,科研人员研发了一个台式的实验系统,并利用摄像头来模拟人眼,用于测量AR隐形眼镜的显示效果。结果发现,当摄像头的焦距分别在1500毫米和2000毫米远之间切换时,AR文字和图像均足够清晰。

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据悉,这个台式AR模拟系统的透光率仅为20%,未来计划通过采用更高填充率的SLM和低吸收率的偏振镜,将整体透光率提升至更理想的50%。

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整篇论文重点解释了如何利用纯相位式SLM和全息光学元件来实现足够轻薄、支持动态变焦的AR隐形眼镜,但并没有过多提及该方案对于计算量的需求。据悉,SLM有一个缺点是生成全息图将产生大量计算负荷,因此目前还无法确定东京农工大学提出的方案真正的可行性。参考:ospublishing

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