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      專題欄目:ARVRMR虛擬現實

      基于全息和SLM技術,這款AR隱形眼鏡可實現人眼動態變焦

      一提到AR隱形眼鏡,大部分人可能會覺得是一個比較遙遠的概念。但實際上,近年來多家廠商一直在不斷探索這樣的技術,比如Mojo Vision、InWith、Innovega等等。這些AR隱形眼鏡采用各不相同的光學方案,各具特色,有的需要配合AR/VR眼鏡來運行,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,它的光學要比AR/VR眼鏡更加精細,要求也更高,尤其是在顯示3D內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節沖突等原因引起的視覺疲勞或眩暈。

      為了解決這一問題,日本東京農工大學的科研人員提出了一種基于全息光學元件(HOE)的AR視網膜顯示方案,這項技術采用純相位型空間光調制器、全息光學元件背光、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境之間實時切換焦距,觀感足夠自然。

      一提到視網膜顯示,你可能會想到一些AR眼鏡采用的視網膜投影方案,此前華為、蘋果、QD Laser等公司均有相關研究。由于視網膜投影就是直接將光線投射到視網膜中,利用SLM模組,便可動態調整光線,形成自然的3D觀感,支持動態調焦。

      而與視網膜投影相比,今天講到的全息AR視網膜顯示方案效果會比視網膜投影更加自然,與其將光線直射如視網膜,不如向人眼前投射全息圖像,當全息圖像的波前進入人眼視網膜后,來實現AR顯示。如此一來,可以發揮眼球的透鏡光學原理,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:目前已經研發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程發射器發射的電磁波,并轉化為可在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膜聚光?;蛘?,采用單模光導纖維向視網膜聚焦LED光源。

      以往的一些研究方案利用微型光學元件來輔助LED光源向視網膜聚焦平面圖像,不過由于LED是一種非透明的、電驅動的光源,因此不利于透光性,而且比較耗電。

      而東京農工大學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。細節方面,該方案利用純相位型SLM(空間光調制器)和激光背光,通過全息光學元件來實現波陣重建。簡單來講,就是將AR圖像投射在視網膜上,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容。而由于SLM并不會調節光的振幅,而且全息光學背光透光性高,因此這種AR隱形眼鏡顯示方案的透光率足夠高。

      不過,基于全息光學元件的AR顯示方式有許多種,比如:SLM調節的激光通過全息光學元件進入波導,離開波導后通過全息光學元件進入人眼。此外,也可以通過全息光學元件將SLM調節的激光分成多個視角,來提升眼動范圍,原理是將全息光學元件作為合束鏡,人眼通過全息光學元件來查看周圍環境。還有一種方式是采用投射式SLM和全息光學背光,人眼透過這兩個元件查看周圍環境,環境光經過SLM調節進入人眼。

      具體來講,全息光學元件發出橫向偏振光,點亮純相位式SLM,接著純相位式SLM調節橫向偏振光的相位(并不會調節縱向偏振光),并轉化為3D圖像的波前。然后,偏振鏡將傳輸周圍環境中的縱向偏振光入視網膜。由于全息光學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,并透過周圍環境,因此體積可以做到足夠小。不過,SLM像素化的面板結構會影響透光性,像素密度越大,可視的環境范圍就越小。

      通常,激光二極管的電光功率轉換效率比LED更高,同時全息光學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光波導技術進步,光波導模組的厚度已經縮小至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,科研人員研發了一個臺式的實驗系統,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。結果發現,當攝像頭的焦距分別在1500毫米和2000毫米遠之間切換時,AR文字和圖像均足夠清晰。

      據悉,這個臺式AR模擬系統的透光率僅為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和全息光學元件來實現足夠輕薄、支持動態變焦的AR隱形眼鏡,但并沒有過多提及該方案對于計算量的需求。據悉,SLM有一個缺點是生成全息圖將產生大量計算負荷,因此目前還無法確定東京農工大學提出的方案真正的可行性。

      來源:青亭網

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