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AR隐形眼镜未来之MicroLED、OLED及LCD的探讨

2021-8-4 23:48| 发布者：optkt| 查看：1055| 评论：0|原作者: MicroDisplay

摘要：本文探讨了AR隐形眼镜的未来技术发展趋势，介绍了使用MicroLED、OLED及LCD等各种光学方案的AR隐形眼镜，并分析了其中存在的问题。日本东京农工大学科研人员提出了一种基于全息光学元件的AR视网膜显示方案，该方案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，并具备高透光性，更加适合全天候使用。AR隐形眼镜仍需时间优化和测试，但是其体积和厚度可能会缩小至类似于隐形眼镜。

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。

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。

这里由日本东京农工大学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。

它不同于一些AR眼镜采用的视网膜投影方案，因为显示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。

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。

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。

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。

AR隐形眼镜还需时间

目前日本东京农工大学提出的AR隐形眼镜方案还只是实验室研究阶段。相比于AR眼镜，AR隐形眼镜依然在探索中，它的形态和体验感依然有待优化和测试。据其团队介绍，这项技术距离实际应用还需要很长时间，目前AR隐形眼镜已经可以显示数字内容。

此外，科研人员还表示：AR隐形眼镜方案还不能实际应用，不过长期来看，它有可能将体积和厚度缩小至类似于隐形眼镜，并且支持清晰对焦、高透光率。目前，Mojo Vision等公司已经在探索AR隐形眼镜，但这项技术最大的挑战之一是聚焦。尽管光学显示元件集成在隐形眼镜中，但如何在靠近眼球的地方显示聚焦在远处的图像，是一个需要解决的问题。

为了解决聚焦问题，科研人员采用了基于HOE和相位式SLM技术的视网膜投影方案，特点是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。

据了解，日本东京农工大学Takagi教授专注于研究光学技术，包括3D显示、全息显示、光场显示等等，他的目标是探索AR隐形眼镜光学的实现方式，而研究重点则是开发基于液晶材质的SLM模组。尽管如此，还需要解决光源体积的问题。

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。他表示：在此前的研究中，曾使用微型透镜来进行对焦，缺点是焦距是固定的，而且由于透镜的折射特性，光线通过透镜进入人眼会产生畸变。

另一方面，每个人眼球的晶状体形状各不相同，晶状体形状变化也会影响焦距长度，因此AR隐形眼镜需要实现动态变焦。为了解决上述问题，科研人员采用了相位式全息技术，其特点是透光率高，不损失光线，而且支持光线调节，可控制摄入视网膜的画面，因此可实现动态变焦。

实际上，东京农工大学的AR隐形眼镜方案仅调节光的相位，而不影响振幅，因此在传播光源时几乎没有损失。在调节相位时，光的波前会像透镜一样变化，同时可聚焦在多种不同的焦距上。也就是说，通过改变光源的波动曲面，可以将AR图像动态聚焦在多种不同的距离。

不过，全息图像的相位不容易调节，尤其是在显示复杂形状时，则将需要大量优化和计算。（相位：指的是一个波在特定时间内循环的位置，也用来反应波的位置，比如是在波峰、波谷还是某个点）

一些需要解决的难题

Takagi表示：除了透光率外，还需要考虑续航、微型集成电路、信号传输方式（无线传输计算机信号），体积等等。

据了解，东京农工大学研发的AR隐形眼镜结构通过光纤来调节摄入HOE的光线，光线摄入HOE后会反射至液晶材质，成为背光。与此同时，环境光也可以透过AR隐形眼镜的HOE和液晶材质进入人眼。

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。而现有的HOE厚度为4毫米，未来需要降至0.1毫米才更适合隐形眼镜。

Takagi表示：只有液晶可以改变相位，液晶本身耗电量几乎为零，同时低功率激光光源也足够省电，而驱动LCD的集成电路耗电量则与现实区域有关。目前LCoS光学模组的显示区域可达10x10毫米，考虑到瞳孔平均尺寸约5毫米，可以将LCoS光源的显示区域缩小至1/10。

还有一个问题，液晶遇氧气会氧化，而隐形眼镜需要足够透氧才能佩戴舒适。因此，AR隐形眼镜将需要采用液晶冷光屏所采用的密封材料。

分辨率和视场角方面，科研人员认为可以通过缩小像素间距来实现更大的显示区域，不过AR隐形眼镜的视场角难以与AR眼镜对比，更多是可以让可视区域看起来更大。Takagi表示：AR隐形眼镜可能不会神奇般覆盖人眼的整个视场角，最初的形态可能只支持有限的显示范围，而且分辨率并不高，就像是Google Glass那样。未来，随着LCD技术发展，AR隐形眼镜视场角将有望提升。

同时，支持动态变焦的AR隐形眼镜可以保证视觉舒适度，也是一个重要因素。

值得注意的是，与AR眼镜相比，AR隐形眼镜更像是医疗设备，需要经过医药法规认证，同时技术开发者还需要与隐形眼镜厂商、眼科医生来合作生产。

目前，该科研团队的目标是，将液晶显示元件的厚度缩小至“美瞳”的水平。我们知道，带颜色的美瞳通常是在隐形眼镜中加入了一层有色的涂料，一般会比透明隐形眼镜厚一些。除了上述问题外，AR隐形眼镜的造价昂贵，而如果要普及和量产，还需要考虑如何降低成本。

正是因为各种各样的挑战，团队认为目前的AR隐形眼镜研究还不能实际应用。未来，还需要与全球LCD、集成电路、隐形眼镜专家合作，对其继续优化。

而对于LCD来讲，目前在手机市场优势可能不如OLED方案，但它或许可以在VR或AR隐形眼镜中找到新的应用场景，其优势在于真RGB显示更细腻、更清晰，可降低纱窗效应，而且成本也更低。

来源：青亭网

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