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空中成像的原理及模拟
yxhello
>《光学设计》
2024.04.24 广东
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最近网上盛传华为
P70
要上空中成像,具体要怎么用,没有找到相关信息,唯比君经过一番搜索和研究,帮大家梳理了下相关的技术原理,并用
LightTools
软件进行了模拟分析。
什么是空中成像呢?
本文的空中成像指的是在显示屏附近加一块特殊板材,让屏幕出来光经过反射之后可以在板材另一侧重新汇聚成实像,形成的影像不需要通过水雾等介质屏幕观看,也不需要通过穿戴设备观看,使用者所看到的空间中影像就是实际存在的物体所散发出的光。
实际产品把显示屏以及这个特殊板材封装好之后,用户整体目视去看,就会感觉到空中凭空出现了虚拟显示屏,显示效果很细腻、很科幻、很震撼。
空中成像有哪些应用?
空中成像技术把真实屏幕和目视屏幕进行了空间分离,再结合摄像头以及空间姿态识别算法,可以实现空中手势交互操作,除了最常见的商业推广显示,还有很多应用场景。
应用在医院、银行等等机构的自助终端和电梯按键内呼机上,防止交叉感染。
对公众服务设备,可以把实体设备放在屋内,通过该技术把空中屏幕设定在屋外,极大减少了实体设备损毁和被盗风险。
车载HUD也是目前比较火的一个应用方向:
除此之外,还有比如演讲提示机,交互游戏机(实现空中切西瓜)等各种有意思的应用,大家如果有兴趣唯比君推荐大家去浏览下ASKA3D的youtube视频页。
空中成像代表厂商有哪些?
从上面介绍可知,空中成像的模块结构很简单,该技术的核心是中间那块能够提供反射的板材元件,能提供空中成像解决方案的厂商,必须拥有自主生产核心元件的能力。
唯比君目前检索到的代表厂商是日本Asukanet旗下的ASK3D,该公司可以生产树脂板和玻璃板两类生产线,其中玻璃板提供从200mm×200mm到1000mm×1000mm各类尺寸,可以覆盖从7英寸到37英寸的显示屏尺寸。在中国大陆对应有乐法洛(上海)贸易有限公司,提供软硬件一体化的整机解决方案。
国内代表厂商有:
安徽省东超科技有限公司,成立于2016年,累计融资金额达3亿人民币。
像航(上海)科技有限公司,成立于2017年,累计融资金额达1.5亿人民币。
衍视电子科技(上海)有限公司,成立于2016年,融资情况不详。
浙江棱镜全息科技有限公司,成立于2017年,累计融资金额超3亿人民币。
该技术受关注度并不高,从融资额度来讲,相比XR行业融资额不值一哂,希望华为入局会带动相关产业发力。
从时间线和技术路径来看,日本起步较早,国内的技术路线和
ASKA3D
应该说别无二致,甚至某些专利示意图及官网宣传图都如出一辙,大家自行感受。
空中成像技术的原理
空中成像对外宣传真是五花八门,有的厂商宣称自己的技术是真实全息,有的厂商号称掌握负折射率技术,还有厂商号称自己能重构光场。。。。。。
各位比唯比君聪明的小伙伴闻此种种一笑而过,
资本又来忽悠人啦
。
那具体的原理是怎么样的呢?
唯比君用
ASKA
官网的图来解释说明,屏
幕和实像对称分布于中间板子两侧,屏幕发出发散光经过板子反射后汇聚成实像。
这个核心的板子长什么样子呢?ASKA3D用下面这个图来描述:
从图片上来看,这个板子分两层,每层都是反射镜阵列。单层反射镜阵列的制作,在长方形玻璃片(或者树脂片)沿长边的两个侧面上制作反射层,其他表面是透明的,然后再把这些玻璃片的反射面进行胶合。为了确保入光面和出光面的光学效率,降低杂光,胶合完成后需要对表面进行抛光处理。
第一层的多个反射面是沿着X方向排布,第二层的多个反射面沿着Y方向排布,这两层的排布方向必须要正交,才能保证屏幕发出的光线在X和Y方向分别反射。
从屏幕发出的光线,进入板子第一层,在Y方向反射1次,接着进入第二层,在X方向又反射1次。屏幕发散光经过不同反射通道的2次反射后,就在板子另一侧汇聚成实像。
空中成像的光学模拟
按照上面的解读思路,唯比君用LTs对空中成像进行了光学模拟分析。
创建一个长方形的玻璃通道,这里设定宽度和高度都是0.2mm,长度随便给了50mm,并给这个玻璃两侧面设定为反射,为了方便看图,此处把玻璃的长度缩短了。
有了一个带反射面的玻璃后,把这个玻璃进行阵列操作后,形成一层反射阵列板。
把第一层板复制一份得到第二层,但第二层相对第一层要做90°旋转,这两层反射阵列板叠加之后,正视得到矩形反射通道。
把这两层板子通过Group组合在一起放在原点位置,核心反射板建模完成。
唯比君把公司名称通过image processor处理成图像光源作为显示器。
光源和接收器对称分布在反射板左右两侧,显示屏和接收器与反射板的夹角都是45度。
正常的LCD显示屏光线发散全角可以超过178°,非常大;这个系统里面,大角度会导致非常大的杂光光,具体的原因在于,当光线发散角大于等于显示屏与反射板夹角的时候,很明显会有相当一部分光线没有反射,直接透过反射板,形成很强的杂散光。
出于消减杂散光的目的,通常要在显示屏做一些处理,在图示上下方向进行单方向遮光。看到这里,相信很多小伙伴已经想到了,我们可以用类似防窥膜的方法来排除掉显示屏的大角度光线。确实如此,防窥膜的机理就是在膜材中添加一个个黑色不透光的小隔板,大角度光线就被阻挡吸收掉了。
这里为了建模方便起见,就不对这个膜材进行实际物理建模了,唯比君直接设定光源发散角为30度,不影响后续讨论。
进行光线追击后,我们发现当反射板横平竖直摆位的时候,接收面上的实像在X方向上弥散很严重,把反射板绕Z轴旋转45度后光线追迹,接收面上形成了明显的图文字样。
分析光线路径发现,当反射板0度摆位,很多光线在X方向上没有反射,仅在Y方向上进行了1次反射,反射光线在X方向上发生了错位,不同角度的光相互叠加造成弥散。旋转45度后,在两条不同方向的边上各自反射1次,形成正常的图像。
唯比君发现反射板旋转45度后,接收面上存在很明显的杂散光,光线路径分析发现杂散光也是由1次反射造成的。
新的问题来了,接收面的实像杂散光这么严重,这样的东西用户能接受吗?
唯比君回答:看到的效果比接收面的实像好。
为什么呢?
我们来看,对于某个实像点,不仅来自物点的正确反射光线,也有1次反射杂光,甚至还有直接穿透过来的0次反射杂光。如下图所示,从用户目视角度来看,人眼当成一个小孔,沿着特定方向去看实像面,只有目视方向的光线才能进入人眼,直接透射的0次反射光所在的角度并不能进入人眼。
从这个维度上来讲,人眼目视的过程,本质上是对通过反射板的光线再叠加了一个角度过滤器,因此我们给这个接受面添加空间亮度计,测试距离设定人眼明视距离250mm,瞳孔直接设定5mm,再进行光线追迹,发现画面没有杂光。
大家可以通过改变亮度计的方位,来模拟人眼从不同方向去看空中屏幕,甚至于可以写个脚本进行角度遍历,来看看显示亮度和杂散光的变化情况,这个就留给读者啦。
几个值得思考的点:
1.屏幕倾斜投射到反射板,屏幕距离反射板越远,则反射板需要的面积就越大;从成本和产品尺寸的维度来讲,屏幕和反射板的距离不会太远,除非对于某些需要特意拉远的场景,比如我们上面提到的设备防盗应用。
2.显示屏与反射板之间的夹角,本文设定为45度,实际上超过或小于45度也是可以的,大家有兴趣可以光线追迹试试。
3.屏幕倾斜投射到反射板,如果不做结构约束,反射板在高度方向上尺寸会非常大,考虑商用场景,大部分人的身高差异换算成上下方向上的可视角度,差异不会太大,可以缩减反射板的高度。
4.考虑到大部分人在左右方向空间会自由移动,如何增加左右方向的可视角度,是空中成像在广告显示应用场景需要解决的大问题,大家可以思考下对策。
全文完,欢迎大家留言讨论,唯比君可能会从留言中筛选下期论题哦。
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