基于全息和SLM技术，这款AR隐形眼镜可实现人眼动态变焦

Esther｜编辑

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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%。

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：

https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-29-7-10568&id=449380

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