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东京农工大学:AR隐形眼镜到底难在哪?

发布时间:2021-07-09 16:31   来源: 青亭网

导读:当前AR隐形眼镜技术面临的挑战要远大于AR框架眼镜,分辨率、色彩、续航、算力、形态、材质、变焦、信号传输方案等等都是需要逐一解决和完善的问题。

  2021年,在这个连可穿戴式AR眼镜还未普及的年代,就已经有人在探索商用AR隐形眼镜了,比如累计融资高达1.59亿美元的Mojo Vision,或是研发隐形眼镜与框架眼镜结合的AR/IM电竞官网方案的Innovega,此前InWith也曾在CES上展示可集成于水凝胶隐形眼镜材质的AR模组。此外,Facebook CEO扎克伯格在前不久也曾预测,可能会在2030年到2040年之间推出AR隐形眼镜。

  然而实际上,当前AR隐形眼镜技术面临的挑战要远大于AR框架眼镜,分辨率、色彩、续航、算力、形态、材质、变焦、信号传输方案等等都是需要逐一解决和完善的问题。与此同时,Mojo Vision在今年初透露,计划在2到3年内就出货,目标是to C市场。目前,该公司还未开放实际的产品体验,因此AR隐形眼镜的可行性到底多高,我们依然无法确定。

  AR隐形眼镜真的可行吗?

  不久前,为了探索AR隐形眼镜的可行性,日本东京农工大学科研人员研发了一种基于全息光学元件(HOE)和SLM技术的AR隐形眼镜方案,该方案旨在解决AR隐形眼镜所面临的动态变焦问题,目前该方案仅在原型测试阶段,但通过实验验证了SLM模组动态调节全息画面的效果,可向人眼前投射全息图像。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。

  该实验论文作者Yasuhiro Takagi表示:AR隐形眼镜技术面临诸多挑战,初期的产品可能不会覆盖人眼的完整视场角,而且分辨率有限,就像是Google Glass那样。当前,AR隐形眼镜需要解决诸多问题,比如透光性、体积,尤其是动态聚焦,如何让靠近人眼的光学模组实现动态变焦。

  与分辨率、视场角等元素相比,支持动态变焦更加重要,因为它可以提升AR隐形眼镜的视觉舒适度。然而由于AR隐形眼镜的显示单元太靠近眼球,人眼难以在AR图像上聚焦。

  为了解决变焦问题,Takagi与团队提出了这样一种方案:利用纯相位型SLM(空间光调制器)和激光背光,将AR图像投射在视网膜上,不是直接在隐形眼镜层面显示内容,而是在人眼前一定距离显示图像。如此一来,通过眼球的透镜光学原理,使用者可以在AR图像上自然聚焦,或是在全息图像和真实环境之间实时切换。换句话来讲,就是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便实现AR显示。

  为了验证该方案的效果,东京农工大学科研团队利用摄像头模拟人眼,测量低功率激光光源摄入HOE(全息光学元件)的成像效果。结果显示,当焦距分别在1500毫米和2000毫米远之间切换时,AR文字和图像均足够清晰,而且可显示动态内容。未来通过采用更高填充率的SLM和低吸收率的偏振镜,还可将整体透光率提升至更理想的50%。

  AR隐形眼镜还需时间

  当然,Takagi提出的AR隐形眼镜方案只是实验室中的研究。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。他表示: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,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

  科研人员表示: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,Takagi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,Takagi和科研团队的目标是,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,Takagi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IM电竞官网或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。
 

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