Tech Talk | 电致变色技术带来的智能AR体验

2023年2月27日，小米在2023MWC世界移动通信大会上，正式发布了小米无线AR眼镜探索版。这款产品搭载了创新的数控电致变色镜片，能适应不同光环境，遮光模式可以在观影时更沉浸，通透模式又能让AR虚实结合的体验更生动。

“ 

本期的Tech Talk，我们邀请到了小米材料工艺工程师——赵静，为大家介绍电致变色技术（Electrochromism，EC）在AR眼镜中的应用及其工作原理。

”

硬核指数：⭐⭐⭐⭐⭐

趣味指数：⭐⭐⭐⭐

阅读时长：约7分钟

一、技术背景与创新

小米无线AR眼镜探索版是一部以人为中心设计的AR眼镜，整机重量极轻，率先采用无线分布式计算，拥有视网膜级光环境适应显示，与手机一碰即连，支持创新微手势交互、完整大屏应用生态以及丰富互联互通场景等功能。

小米无线AR眼镜探索版

 >>>> 1.1 数字与现实世界完美交融的AR显示效果

AR技术即增强现实技术通过将投影的虚拟图像与用户感知的真实环境实时地叠加到同一个画面或空间，实现周围的视觉环境与虚拟的图形信息相融合，呈现给用户一个感知效果更丰富的新环境。

AR眼镜的核心体验之一为其虚拟成像效果，需要通过光机与光学显示模组的设计呈现出效果清晰明亮的虚拟图像。然而，在室外强烈且复杂的光线条件下，AR眼镜的成像会被严重干扰，由于光机亮度限制及光线显示模组的光效限制，在强光环境下无法呈现如室内光线下清晰明亮的AR图像，这是AR眼镜面临的成像难题。

那么，怎么让用户在不同环境光线条件下看眼镜画面的时候，都像看到实物那样清晰明亮？

AR成像效果与环境光条件相关

 >>>> 1.2 数控电致变色技术智能调节镜片透光率创新方案

为解决这一成像难题，目前业界通常会额外配备黑色墨镜片遮光罩作为AR眼镜的附件使用，以减少外界环境光对成像的干扰，提升显示模组的相对亮度。但是这种方案需要额外配备附件，增大了体积和重量，在实际使用中多有不便，需要随身携带，到不同的环境中再进行手动安装及拆卸，用户体验感差。

针对这一问题，小米开发了全新的数控电致变色技术智能调节镜片透光率的解决方案。这种技术是通过将电致变色材料应用于显示模组镜片上，控制电致变色材料在不同电场作用下呈现不同的透光率，并且可在不同透过率之间快速切换，以应对外界环境的光线变化。

例如，在室内环境或光线不强烈时，将镜片调节至高透光率通透模式，既不影响虚拟成像效果，又可以使用户更好地感知显示环境，AR虚实结合的体验更生动；而来到光线强烈的户外环境时，将镜片调节至低透光率遮光模式，减少外界环境光对成像的干扰，显示清晰的图像，使用户在观影时更沉浸。

遮光/通透模式一键切换

二、技术原理解析

数控电致变色材料的原理是，材料的光学属性（反射率、透过率、吸收率等）可以在外加电场的作用下发生稳定、可逆的颜色变化的现象，在外观上表现为颜色和透光率的可逆变化，从而实现数字化控制变色。

本次开发的电致变色镜片通过采用无机全固态互补型电致变色结构，严格控制激光加工工艺及封装工艺，实现了优秀的光电性能及可靠性，能够在低驱动电压下实现四档透光率调节，透光率/遮光率可达目前业界产品最高范围，并且能够实现秒级快速响应。

 >>>> 2.1 无机全固态互补型电致变色结构

在这款产品中使用的电致变色镜片采用了无机全固态互补型电致变色方案，共包含 8 层结构。

电致变色镜片由透明基板及使用磁控溅射工艺沉积在基板上的第一透明导电层、阳极离子存储层（NiOx）、固态电解质层、阴极电致变色层（WO₃）、第二透明导电层组成，并使用OCA胶与透明盖板进行贴合，最后进行封装处理，避免水氧的渗入，以实现较高的可靠性和循环寿命。

>>>> 2.2 光学调制幅度可达目前业界产品最高范围，实现高透光/遮光率

为实现较高的光学调制幅度，本次开发的电致变色方案整合了两种类型的电致变色材料，共同参与变色，实现两种材料的变色效果叠加，称之为互补型电致变色器件。

这种使用阳极变色层与阴极变色层结合的互补型电致变色器件相比于仅有一层电致变色薄膜的电致变色器件而言，具有光调制范围更大、电荷存储能力更大以及循环使用寿命更长等优异性能。本次开发的镜片其光学调制幅度可达目前业界产品最高范围。

>>>> 2.3 精确的数字化电压四档控制

通过控制电路调节电压的升降曲线，从而通过对电压的调控实现对变色效果的精确控制。当施加正向电压时，电致变色镜片的离子存储层被加压，使得存储其中的离子受控释放，经电解质层传输至电致变色层，镍的氧化物呈现棕色氧化态，WO₃呈现蓝色还原态，整体镜片颜色加深，透光率下降。反之，当施加反向电压时，电致变色镜片的离子存储层被降压，离子存储层回纳电致变色层的全部或部分离子，镍的氧化物与WO₃层开始褪色至设定状态，整体镜片颜色变浅，透光率升高。

相较于通常的两档调节，本方案设置了四档调节，通过与人眼Gamma曲线相匹配，以人眼最终感受的亮度为准，设置了更灵活的四档调节，以适应复杂外界光线环境，给消费者带来更舒适的使用体验。

>>>> 2.4 秒级快速响应，实现四档位任意切换

目前在太阳镜防护领域应用较广的为光致变色方案，镜片内部的光敏材料在户外紫外光的照射下发生变色，也有尝试在AR眼镜领域进行应用，但这种光线被动驱动的形式其变色时间通常在2~3min。与此相比，本次开发的电致变色镜片通过电场的精准控制可实现快速响应，秒级变色，四档内任意档位顺畅切换，达到快速均匀的变色效果。

三、技术未来演进

电致变色技术属于典型的交叉型学科技术，制备工艺复杂，目前商业化应用并不成熟，需要不断地进行优化迭代以满足越来越严苛的技术需求。

1. 实现更大的调光幅度，以满足更大范围的需求；

1. 实现更高的着色效率以缩短响应时间，提升用户体验；

1. 实现更高的结构稳定性以延长循环寿命，提升使用的可靠性；

2. 实现像素级分区域智能调节，通过材料、软件、算法、传感器的结合实现光照一致虚实融合，跟现实场景交互。

相信随着技术的演进，未来电致变色技术将在AR眼镜领域得到更广泛地应用，为用户提供更好的AR体验。

你还有哪些希望了解的技术？欢迎在评论区留言，我们将继续邀请工程师就大家关心的话题进行分享。更多硬核知识，请持续关注小米Tech Talk！