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/VR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。
 

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