东京农工大学：AR隐形眼镜到底难在哪？( 二 ) 2021年

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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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GoogleGlass那样。未来，随着LCD技术发展， AR隐形眼镜视场角将有望提升。