研發AR隱形眼鏡有多難？從備受關注的Mojo Vision來看，這家公司成立了8年時間，累計融資超過2.26億美元，但由于產品進展和融資受阻問題，不得不大幅裁員、重組，將重心從AR隱形眼鏡轉移到Micro LED顯示業務。
為什么AR隱形眼鏡這么難？相比于AR眼鏡，AR隱形眼鏡似乎距離我們更遠，有更多難題需要解決，比如佩戴安全性、顯示效率、供電、體積等等。盡管Mojo Vision的重心從隱形眼鏡硬件轉移，但科研人員們依然在探索不同的方案，旨在尋找一種可行的AR隱形眼鏡形態。
Nature近期公布了一篇關于AR隱形眼鏡的研究，主要研究人員來自法國大西洋高等礦業電信學校光學系，該方案的特點是基于紅外激光源，采用柔性材質。
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據了解，該方案由VCSEL（垂直腔面發射激光器）和DOE（衍射光學元件）組成，封裝在軟性隱形眼鏡（SCL）材質中。在研究中，科研人員展示了在SCL隱形眼鏡中嵌入一個或兩個VCSEL模組，以及眼球追蹤傳感器的可能性。為什么選擇SCL材質呢？科研人員表示：與標準隱形眼鏡相比，SCL隱形眼鏡的優勢是不與角膜接觸，且在眼球上較為固定，有足夠大的體積來封裝電子元件。
不同于Mojo Vision采用的RGP（硬性隱形眼鏡）材質，SCL是一種親水性合成高分子化合物，具有不同程度的含水量，含水量越高，鏡片的柔性、彈性和透氧性也更好。相比于RGP材質，SCL更考驗顯示模組的耐用性。
科研人員指出：隨著微電子和柔性基板納米工藝技術發展，傳感器、電路等硬件已可以集成到柔性隱形眼鏡中。SCL隱形眼鏡由柔性有機玻璃制成，直徑為16.5毫米。隱形眼鏡和鏡框分別內置天線，鏡框還可配備額外的傳感器，比如攝像頭、位置敏感探測器（PSD，用于檢測VCSEL光束、追蹤眼球運動）。
VCSEL可作為眼球追蹤的標記，好處是比瞳孔更容易追蹤（降低延遲、縮減硬件體積），但需要有效的校準。而PSD可通過追蹤隱形眼鏡的發光點來推測人眼注視位置。
此外，科研人員在VCSEL前面放置了一個DOE元件（尺寸1.44平方毫米，與VCSEL的距離為680微米），DOE有兩種功能，一種是將激光束準直，另一種則是重塑為十字圖案。為了尋找最佳顯示位置，科研人員利用DOE可以將圖像投射在四段不同的距離：7.5厘米、12厘米、20厘米和無窮遠。結果發現，如果VCSEL光束照亮更大的DOE區域，則可在7.5厘米處獲得更好的圖像質量。
校正VCSEL光束發散的DOE相位圖案
值得注意的是，DOE此前曾被用于AR眼鏡，比如HoloLens 2，而這項研究似乎首次將DOE應用于AR隱形眼鏡。
封裝在SCL材質中的電子元件和供電單元集成在一個雙面柔性環中，尺寸為內徑4.8毫米，外徑10.5毫米。此外，搭載了感應供電的紅外VCSEL和耦合電容器。可顯示95微米大小的光斑。
基于此方案，研究員還推出了一個搭配眼鏡框的方案，鏡框嵌入的主天線可通過電感耦合為隱形眼鏡的VCSEL元件遠程供電（隱形眼鏡內置輔助天線）。與此同時，DOE可將激光束準直，或在人眼前方特定距離投影AR圖案。
應用場景方面，科研人員認為AR隱形眼鏡的眼球追蹤功能不僅可以用于腦機接口場景，未來在AR/VR系統中，還有望成為通用的輸入、交互方式，取代光標、觸摸屏、鍵鼠等傳統方案，成為用戶與界面互動的更自然方式。通過眼球追蹤，不僅可以預測人的意圖、指令，甚至還能識別認知負荷。
當然，目前該方案還有一些問題待改善，比如DOE增加了隱形眼鏡的厚度，中心厚度達到1700微米，超出了人眼可接受的極限。科研人員指出，未來可探索波導折疊光路+視網膜投影方案，來進一步縮減隱形眼鏡的厚度。另外，在隱形眼鏡中集成電路意味著透氧性降低，這也限制了AR隱形眼鏡的使用時間，未來或許可采用DK值比PMMA更好的材料來改善。
目前，該AR眼鏡還未在人眼上測試，初步在兔子上測試的結果顯示，它至少可以安全使用30分鐘。盡管VCSEL沒有明顯的發熱問題，但AR眼鏡的發射功率目前較低，顯示效果不夠理想。
參考：Nature
