2017, Vol. 39
Issue (6): 23-31
2. 宾夕法尼亚州立大学 工程科学系, 宾夕法尼亚 16802
2. Department of Engineering Science, the Pennsylvania State University, Pennsylvania 16802, USA
随着智能手机的普及, 移动互联网进入了全盛时代, 人们在享受移动互联网带来的方便快捷的生活和工作之余, 对移动互联网基于不同平台开拓方面的研究也迅速发展起来了。特别是可穿戴设备的兴起, 让人们看到了一个全新的移动互联网平台, 它既能够承载智能手机的部分功能, 又能给用户带来一种全新的体验。由最初带领人们进入移动互联网的笔记本电脑到当今流行的智能手机, 再到最近出现的谷歌眼镜及智能手表等可穿戴设备, 智能终端产品已经开始逐渐深入到人们的日常生活中。可穿戴设备[1]即直接穿在身上或是整合到用户的衣服或配件上的一种便携式设备, 是通过软件支持以及数据交互、云端交互来实现其强大的功能, 能对我们的生活、感知带来很大的转变。
视频眼镜作为可穿戴设备能够接受各种控制源信号, 包括手机、便携式媒体播放器、数码相机、游戏机等多媒体设备输出的视频信号, 并在近眼的微显示器上产生一种虚拟图像, 这种虚拟图像可在人眼前面产生一种可穿透式画面, 并在一个固定的距离内变化, 从尺寸上看, 相当于一个大屏幕电视, 使用户完全沉浸在播放的图像中, 不会受到任何外部光线的干扰。
尽管视频眼镜有其独特的优点, 但从显示效果看, 画面的色彩、对比度、分辨率、速度等远远未能达到用户期望的舒适、震撼的效果, 因而视频眼镜在消费市场还难以打开销路。因此改善视频眼镜对比度等参数以提高视频眼镜的质量, 是一个急需攻克的难题。
随着材料技术的不断发展, 电致变色材料现阶段已经收获了很多卓有成效的成果, 并且在人们生活的许多方面已经广泛使用。当今市场上的电致变色材料种类有很多, 但现阶段电致变色材料使用最为广泛的是电致变色膜。电致变色膜已广泛应用于军事、国防和人们的日常生活中。应用电致变色膜制成的一系列电致变色产品, 例如电致变色车窗等, 能够起到改善自然光光照程度、减轻日常光污染、保护隐私的目的。所以电致变色材料及其衍生产品是一个极具潜力的研究方向。
本文利用电致变色膜在加电状态下颜色加深从而削减光照强度的原理, 通过TracePro软件对实验前后视频眼镜的光路进行模拟仿真, 利用成像亮度计对不同外界光干扰下的视频眼镜的对比度进行测试, 最终根据实验前后的测试数据对比来分析改善穿透式视频眼镜对比度方法的正确性。
1 电致变色膜特性及原理 1.1 电致变色特性电致变色是指材料在外加电场作用下, 通过电荷或离子的注入、抽取, 从而在低透过率的着色状态和高透射率的消色状态之间产生可逆变化的特殊现象。电致变色材料是指材料的光学属性(反射率、透过率、吸收率等)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明度的可逆变化。
为了能更好地发挥材料的电致变色特性, 电致变色材料还需要有很好的离子导电性, 较高的对比度、变色效率和循环周期等。
1.2 电致变色膜(1) 电致变色膜的结构
电致变色膜[2]是利用电致变色材料制成的一种薄膜结构, 具有制备简单、光学性能优良、安全无污染等一系列优点。
电致变色膜的结构从上到下分别为玻璃或透明基底材料、透明导电层(如:氧化铟锡)、电致变色层、电解质层、离子存储层、透明导电层(如:氧化铟锡)、玻璃或透明基底材料, 图 1为电致变色膜结构图。
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图 1 电致变色膜结构 Figure 1 Structure of electrochromic film |
电致变色膜工作时, 在两个透明导电层之间加上一定的电压, 电致变色层材料在电压作用下发生氧化还原反应, 颜色发生变化。电解质层由特殊的导电材料组成, 如包含有高氯酸锂、高氯酸纳等的溶液或固体电解质材料。离子存储层在电致变色材料发生氧化还原反应时起到储存相应的反离子, 保持整个体系电荷平衡的作用; 离子存储层也可以为一种与前面一层电致变色材料变色性能相反的电致变色材料, 这样可以起到颜色叠加或互补的作用, 如:电致变色层材料采用阳极氧化变色材料, 则离子存储层可采用阴极还原变色材料。
(2) e-Tint变色膜
e-Tint变色膜是美国e-Tint公司研发的高端变色膜产品, 其外层材质为聚乙烯塑料薄膜, 内层变色材料为可变色液晶材料, 可广泛用于军事、科研、安防等领域。该变色膜有以下特点:较柔软, 厚度非常薄, 平均厚度仅为200 μm。在未加电状态下, 其光透过率约为80%, 人眼看到该变色膜颜色接近于全透明状态, 在加电状态下, 其光透过率约为20%, 人眼看到该变色膜的颜色接近于深黑色, 而且其加电后的变色效果稳定, 不会出现任何变化。
考虑到e-Tint变色膜的这些优点, 本文采用该款电致变色膜作为实验材料。
2 穿透式视频眼镜基本原理 2.1 穿透式显示基本原理图 2为穿透式显示光学原理图, 图像源的信息经中继光学系统放大后, 投射在半透半反组合镜上并反射进入人眼, 同时前方外部景象也可以透过组合镜进入人眼, 即人眼通过组合镜可以同时看到图像源和外部景象信息。它是一种半浸入式显示, 信息是双通道的, 也被称为增强现实显示。
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图 2 穿透式显示原理图 Figure 2 Diagram of see-through optics |
穿透式视频眼镜为双通道光学系统[3-6], 即使用者通过它能够同时看到计算机产生的虚拟图像和外界景象, 所以在设计时需要将图像源传来的虚拟图像信息与外界景象的信息相融合, 这时就需要能够实现增强现实显示的光学组合器[7]。
本文以EPSON BT-200穿透式视频眼镜为实验对象, 其光学组合器方式为层叠阵列波导结构。
层叠阵列波导结构[8-9]作为实现穿透式显示的光学组合器, 其可以实现目镜系统出瞳的扩展, 从而在很薄的厚度下实现较大的视场。该系统结构紧凑、易加工、无鬼像, 不受使用环境限制。层叠阵列波导是一种具有角度选择膜系, 是实现穿透式显示的光学组合器的重要组成部分。
如图 3所示, 层叠阵列波导式光学组合器由入射反射面、波导基板以及相互平行的多个半透半反面所组成。由于多个反射面的存在, 该结构可以实现出瞳扩展, 在很薄的厚度下实现大视场。图 4为光线在其中的传播原理图, 图像源发出的光线, 由耦合面耦合进入波导, 各视场的光线依据全反射原理进行传播, 光线入射半透半反面时, 一部分反射进入人眼, 另一部分继续传播, 同时外界光线也可以透过半透半反面进入人眼, 从而实现穿透式显示[10-12]。
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图 3 阵列波导结构图 Figure 3 Structure of cascaded waveguide combiner |
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图 4 光线在层叠阵列波导传播路径图 Figure 4 Lights diffuse in the cascaded waveguide combiner |
利用电致变色膜在加电状态下颜色加深从而能够削弱环境光的原理, 通过适当的方法将其与视频眼镜相匹配, 能够起到削弱环境光对视频眼镜显示效果带来的负面影响, 设计思路如图 5所示。
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图 5 电致变色膜与视频眼镜匹配框图 Figure 5 Schematic of electrochromic film and smart glass |
首先, 由于电致变色膜的厚度仅为200 μm且材质较为柔软, 所以需要在其外侧加固一层硬质材料, 以保证在日常使用中电致变色膜不会发生形变; 其次, 考虑到视频眼镜信息双通道的特点, 所以电致变色膜外侧加固的衬底材料要有较好的透光性, 以确保人眼可以看到外部景象。
基于以上考虑, 我们采用“SCHOTT D263T 100 μm”的超薄玻璃作为衬底材料。该型号超薄玻璃的透光性可达99%, 同时其厚度仅为100 μm。为了将衬底牢固地固定在电致变色膜上, 同时又要保证两者贴合后的透光性, 我们选择OCA光学胶来对两者进行全贴合。OCA光学胶是一种用于胶结透明光学元件(如镜头等)的特种粘胶剂, 它无色透明, 光透过率在90%以上, 胶结强度良好, 可在室温或中温下固化且固化收缩小, 是一种无基体材料的双面贴合胶带。
3.2 结合方式的选择(1) 电致变色膜与波导镜片的连接
由层叠阵列波导原理可知, 在波导镜片内各视场的光线是依据全反射原理进行传播。故在电致变色膜与波导镜片相互贴合时可能对波导镜片内的光路产生影响, 进而影响成像质量。所以我们选择两种不同的贴合方式进行对照实验, 对比不同贴合方式的优缺点。
方案1:将电致变色膜全贴合于波导镜片外侧, 使两者紧密贴合在一起。
方案2:将电致变色膜贴合在波导镜片外侧, 但两者之间保留一个微小的空气层, 保证电致变色膜与波导镜片相贴合的部分不会对波导镜片内的光路产生影响。
假设镜片材料折射率为n1, 电致变色膜中液晶变色材料的折射率为n2。由反射率公式
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(1) |
可以计算出变色膜中变色材料的反射率R。又可知材料透过率为T, 则可通过吸收系数、透过率、反射率三者之间关系式
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(2) |
计算出材料的吸收系数A。
查阅相关资料可知:n1≈1.51, n2≈1.675, T≈20%。
计算得出相关数据后, 我们就可以通过TracePro对两种方案下的波导镜片进行光路仿真, 追迹光路图如图 6、图 7所示。
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图 6 全贴合下的追迹光路图 Figure 6 Optical path based on plying-up |
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图 7 插入空气层后的追迹光路图 Figure 7 Optical path based on air layer |
通过两个不同方案的追迹光路图, 我们可以看出, 当右侧像源发出的辐射通量相等时, 两个方案最终进入人眼的辐射通量是不同的。然后对两个方案中完全吸收面处的辐射通量进行量化分析, 得到图 8、图 9所示的不同条件下的辐照度分析图, 图中坐标轴为完全吸收面的尺寸, 左侧的纵坐标为图中的辐射通量标尺。
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图 8 全贴合下辐照度分析图 Figure 8 Total irradiance map based on plying-up |
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图 9 加入空气层后的辐照度分析图 Figure 9 Total irradiance map based on air layer |
在两种方案下, 像源发出的辐射通量均为1 W, 方案一中完全吸收面处接收到的辐射通量为0.455 82 W, 损耗率约在50%以上。而方案二中完全吸收面处接收到的辐射通量为0.902 07 W, 相较于光源处1 W的辐射通量损耗较少, 且在层叠阵列波导的允许范围内。
以上两组仿真数据对比可得:将电致变色膜全贴合于波导镜片外侧时, 由于其干扰了波导镜片内光路全反射的条件, 从而影响了最终的成像质量; 但当两者之间保留一个空气层时, 由于电致变色膜与波导镜片的有效部分没有接触, 进而不会干扰波导镜片内光路的全反射。
基于以上结果, 我们设计了一个硬质环形胶带圈, 用它将电致变色膜与波导镜片边缘不用于成像的部分连接起来。考虑到材料的厚度, 我们采用了TESA 68552 50 μm超薄胶带。
(2) 电致变色膜与视频眼镜的连接
在确定各项理论参数后, 设计出的两者连接方式如图 10所示。
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图 10 电致变色膜与智能眼镜的连接 Figure 10 Structure of electrochromic film and smart glass |
若Lb、Lt分别是背景与目标亮度, 定义
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(3) |
由此可得对比度(Contrast)为
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(4) |
特殊的, 当Lb＞Lt时, 定义C=(Lb-Lt)/Lb, 所以C值域为(0, ∞)或(0, 1)。
对比率(Contrast Ratio)为
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(5) |
调制对比度(Modulation Contrast)为
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(6) |
人眼可探测最小亮度差异(ΔL)随适应光亮度(L)的变化而变化, 通常用比值ΔL/L作为视觉亮度阈值[6](韦伯比)。ΔL/L与ln L间的关系曲线如图 11所示。
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图 11 ΔL/L随L变化曲线 Figure 11 Change of ΔL/L with L |
由图 11可以看出, 随着L增大, 韦伯比减低, 即视觉阈值下降, 眼镜可以辨别更小的亮度差异。人眼对比度要求不是一个固定的值, 它是环境光的函数。当显示亮度一定时, 背景光增大, 视觉门限降低, 但同时图像对比度也下降。
4.3 穿透式视频眼镜亮度/对比度电致变色膜与视频眼镜连接后的一种典型光路图, 如图 12所示。
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图 12 典型穿透式视频眼镜简易光路 Figure 12 Traditional light path of the cascaded waveguide combiner |
图像源发出的光与环境光均会被人眼所接收, 故在人眼的位置使用成像亮度计模拟人眼对不同光的感知, 测定不同条件下的人眼对比度即可从数据判断方法的可行性。
根据图 12光路图, 搭建合适的光学平台测量不同条件下的人眼对比度。具体的测试平台见图 13。
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1—成像亮度计; 2—穿透式视频眼镜; 3—环境光源; 4—光学调整架; 5—电致变色膜; 6—滚动角位台; 7—俯仰角位台; 8—微调螺旋调整架; 9—手动横向位移台; 10—滑动座; 11—导轨; 12—滑动座调整器; 13—升降台; 14—手动竖直位移台 图 13 对比度测试平台示意图 Figure 13 Platform of contrast measurement |
粗略估计图像源到眼镜的光透过率η1大约为20%, 从外界到眼睛的亮度透过率η2大约为72%(变色膜加电的状态下η2约为18%)。
一般计算穿透式视频眼镜对比度时, 目标光亮度等于图像源亮度与环境亮度之和, 即
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(7) |
所以
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(8) |
根据式(8)计算不同图像源亮度、环境光亮度时视频眼镜对比度, 结果如表 1所示。
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表 1 不同条件下对比度 Table 1 Contrast in the different conditions |
分析表中数据可知, 在图像源亮度与背景光亮度等外界条件保持相同时, 每一组内加电状态下的视频眼镜对比度总是要高于未加电状态下的视频眼镜对比度。这表明在加电状态下, 电致变色膜起到了削减环境光的作用, 在一定程度上提升了视频眼镜对比度, 进而起到了改善穿透式视频眼镜对比度的作用。
5 结论本文研究表明, 通过电致变色膜改善穿透式视频眼镜对比度的方法是切实可行的。该方法可以在有环境光存在的情况下, 弥补穿透式视频眼镜对比度不足及显示效果较差的缺点。这一方法对于穿透式视频眼镜在消费市场的推广有着重要的参考价值。
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