隐形眼镜式显示器

  隐形眼镜式显示器是美国华盛顿大学的科学家巴巴克·帕尔维兹运用纳米技术开发出的能戴在眼睛里的显示器,这是全球最微小的个人显示器。

研制背景

  “你知道为什么至今为止,笔记本电脑、手机、PDA还是那么大吗?关键因素就是它们的显示器。”说出这番“惊人”话语的,是美国华盛顿大学(The University of Washington)电机工程学副教授巴芭克·帕维兹(Babak Parviz)。当然,他的言论并不是纯粹哗众取宠,2006年,他开始在位于西雅图的实验室里埋头钻研着微缩显示器——一种大小只相当于普通隐形眼镜的“闪片”显示器。
  也许,你认为只有在科幻电影中,才能出现这种“闪片”显示器。一片普通隐形眼镜直径大约14毫米,中心厚度不超过0.6毫米,留给科学家的创新空间表面上看是捉襟见肘。但是,对于巴芭克·帕维兹来说,他并不介意。“如果我们能顺利地把微型电路安装到隐形眼镜中,势必会引起移动终端的革命。”巴芭克·帕维兹的研究工作已是成果初现。到目前为止,他已经成功地将连接着微型发光二极管的高效微型电路安装到了超薄的透明塑料胶片材质中。这种电路的金属导电物质的厚度只有几个纳米,加上显示中心的微行发光二极管,厚度大约在0.3毫米。即使是隐形眼镜作为承载体,似乎也没有什么问题。
  隐形眼镜
  隐形眼镜
  而巴芭克·帕维兹还在攻克另一个技术难关——“闪片”显示器的电源问题。“我们有两种供电方案的选择,一种是用无线电频率来传送电能。”2007年的国际消费电子展(CES)上,已经有相关的公司向人们展现了利用无线电频率进行无线充电的技术,先将电能转换成无线电频率,然后由特殊接收器再将电波频率转换成电能。这种方案无疑为巴芭克·帕维兹的研究开启了一个新思路。“另一种方案是利用太阳能薄膜,将射入眼部的光能转换成电能。”到底哪个方案对研究比较可行,巴芭克·帕维兹表示,还需要数月来揭晓答案。
  在巴芭克·帕维兹看来,解决电源的方案也只是时间的问题,而最富有挑战性的是,如何让眼睛接受这种信息接收方式。把隐形镜片直接贴着眼睛,还不时地向佩戴镜片的眼球传递视觉信息,这种滋味恐怕在现实生活中很少有人感受过。“为了创造出最适合人类眼球观赏角度的显示器,同时寻找出的成像方法,我们不得不试验多种光谱线。”为了解决观赏问题,巴芭克·帕维兹极有可能会选择使用多层单片显微透镜来组成一片“闪片”隐形眼镜。“我们希望虚拟图像能让人们的眼睛感觉到它是在眼镜表面30厘米以外形成的,这样人们的眼睛才能顺利聚焦。”
  隐形眼镜看世界
  隐形眼镜看世界
  从巴芭克·帕维兹的研究进展来看,“闪片”研究成功大有希望。小小一片隐形眼镜中暗藏玄机。未来某一天,你走在马路上,发现一些人可能对眼前发生的事情熟视无睹,视而不见,大概就是戴了“闪片”的关系。

研制考验

  在研制过程中,如何使用对眼睛无害的材料来制作电路并将之与隐形眼镜结合,成为研究人员面对的一个很大的挑战。擅长运用纳米生物技术与纳米组装技术制造微小电子器材的帕尔维兹专门设计了一组特殊的电路元件,并创造性地利用毛细作用进行电路的组装,成功解决了这一难题。针对用来制作隐形眼镜的聚合物不能承受高温以及微细加工所用的化学品的情况,他把直径仅1/3毫米的LED等专门设计的电路元件预先安装在具有生物相容性的有机基板上。在隐形眼镜的表面则先用金属线做成电路,并蚀刻出与每一个元件形状相容的孔洞,然后让液体在隐形眼镜的表面扩散,并将这些自由竖立的元件放置到液体中。在毛细作用力下,元件根据本身形状嵌入到镜片表面相应的槽隙中,完成了细微电路的自我组装过程。
  科学家面临的另一项考验是如何为隐形眼镜内的微型LED提供电力。帕尔维兹起初设计了两种方式:一种是通过在隐形眼镜上安装天线,然后接收无线电波来产生能量;另一种则是使用光电电池。经过几个月的研究,科学家最终选择了前者,并获得了成功。不过,帕尔维兹仍然需要继续改善信息和电力的传递,他希望将来这二者都通过手机来供应。

原理

  这是显示器与隐形眼镜结合体。
  通过在隐形眼镜里构建一个微小的LED显示屏,然后将移动电子设备的图像和文字直接投射到眼镜里,将大量图像呈现在用户眼前50厘米至100厘米的距离,让虚拟世界里的各类信息在现实视野所及之处就能一览无遗。

性能与特点

  此显示器可戴在眼中,不但轻巧,图像清晰,且摆脱了笔记本电脑、手机和PDA等移动信息设备的局限性。
  这种全新的“隐形眼镜”可以帮助弱视者改善视力,在驾驶员的眼前营造出一面虚拟的仪表盘,让人们在行进过程中上网冲浪,还可以让游戏玩家们在运动过程中毫无限制地驰骋于虚拟世界。

发展史

  任何科学技术的进步都有一个积累的过程,个人显示器的发展也不例外。
  早在1968年,美国国防部研究计划署(ARPA)信息处理技术办公室主任伊凡·萨瑟兰德在麻省理工学院的林肯实验室研制出个头盔显示器——“达摩克里斯之剑”。这个采用阴极射线管的头盔显示器次扩展了人们的虚拟视野,用户能看到叠加在真实环境之上的线框图。后来该技术被广泛应用于战斗机飞行员的头盔和虚拟现实设备中。
  此后,科学家们一直在不断改进这种显示器,以使它变得更轻巧,图像更清晰。
  到了2009年6月,德国弗劳恩霍弗光学微系统研究所的科学家研制出了眼镜显示器。科学家们把一个CMOS传感器和一个微型的OLED投影置入到一块很小的芯片中,然后把这个芯片安装到眼镜框上。接收到指令后,微型OLED投影会将图像投射到佩戴者的视网膜上,从而让佩戴者看到高分辨率和高清晰度的图像,并感觉到图像就在距离自己1米远处。该芯片还附带目光追踪功能,能通过追踪佩戴者的眼球位置,确定佩戴者指令,大大增强了显示器的互动性。[1]

媒体报道

  英国《卫报》在2008年的报道中就对这个当时尚在研制过程中的带有电子电路与发光二极管(LED)的隐形眼镜大加赞赏,认为这项研究一旦成功,将是全球最微小的个人显示器。

争议

  有不少权威专家对巴芭克·帕维兹的研究产生了强烈的质疑。“我几乎不能想象有人能在隐形眼镜里画出合适的电路图来。”英国伯明翰的阿斯顿大学(Aston University in Birmingham)教授詹姆士·沃弗森(James Wolffsohn),是光学界的领军人物,他就认为:“让眼球在这样的距离内形成聚焦,简直让人难以置信。”同时,他还担心微型发光二极管的射线会在近距离内对眼部视网膜形成伤害。

市场前景

  这一微型显示器的应用前景十分广阔。在所谓的增强现实领域,即所有需要辅助信息的地方,例如导航箭头、建筑物的描述、图形操作说明或语言翻译等,都可以得到广泛应用。对此,新西兰坎特伯雷大学评估增强现实的专家马克·比林赫斯特说:“一个隐形眼镜将现实世界与虚拟图形无缝地衔接起来,这是一个巨大的进步。尽管这一想法要实现商业化还有待时日,但这个原型是在这个方向上迈出的重要一步。”
  研究者称,在解决电源问题后,“闪片”显示器将肯定引起移动终端的革命。

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