電致變色膜改善穿透式視頻眼鏡對(duì)比度的方法

裴增智+許鍵

摘要： 穿透式視頻眼鏡在日常使用中普遍存在對(duì)比度不高，成像效果不理想的缺點(diǎn)。依據(jù)電致變色膜加電狀態(tài)下能夠削減環(huán)境光的原理，對(duì)穿透式視頻眼鏡的對(duì)比度進(jìn)行改善。通過TracePro軟件光學(xué)仿真及成像亮度計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)EPSON BT200穿透式視頻眼鏡進(jìn)行測(cè)試和分析，驗(yàn)證該方法的可行性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)際視覺觀測(cè)結(jié)果基本相符，表明了這種方法的正確有效。

關(guān)鍵詞：

電致變色膜； 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)； 對(duì)比度

中圖分類號(hào)： TN 29文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2017.06.005

Abstract：Seethrough video glass in the daily use has shortcomings of low contrast and nonideal imaging results.This paper improves the contrast of penetrating video glasses based on the principle that the electrochromic film can be used to reduce the ambient light.Electrochromic film is a specific device based on electrochromic principle.Experiments were carried out by using TracePro optical simulation and imaging luminance meter.The EPSON BT200 penetrating video glasses were tested and analyzed to verify the feasibility of the method.The experimental data are in good agreement with the actual visual observations，indicating the correctness of this method.

Keywords：

electrochromic film； augmented reality； contrast

引言

隨著智能手機(jī)的普及，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入了全盛時(shí)代，人們?cè)谙硎芤苿?dòng)互聯(lián)網(wǎng)帶來的方便快捷的生活和工作之余，對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)基于不同平臺(tái)開拓方面的研究也迅速發(fā)展起來了。特別是可穿戴設(shè)備的興起，讓人們看到了一個(gè)全新的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，它既能夠承載智能手機(jī)的部分功能，又能給用戶帶來一種全新的體驗(yàn)。

由最初帶領(lǐng)人們進(jìn)入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的筆記本電腦到當(dāng)今流行的智能手機(jī)，再到最近出現(xiàn)的谷歌眼鏡及智能手表等可穿戴設(shè)備，智能終端產(chǎn)品已經(jīng)開始逐漸深入到人們的日常生活中。

可穿戴設(shè)備[1]即直接穿在身上或是整合到用戶的衣服或配件上的一種便攜式設(shè)備，是通過軟件支持以及數(shù)據(jù)交互、云端交互來實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)大的功能，能對(duì)我們的生活、感知帶來很大的轉(zhuǎn)變。

視頻眼鏡作為可穿戴設(shè)備能夠接受各種控制源信號(hào)，包括手機(jī)、便攜式媒體播放器、數(shù)碼相機(jī)、游戲機(jī)等多媒體設(shè)備輸出的視頻信號(hào)，并在近眼的微顯示器上產(chǎn)生一種虛擬圖像，這種虛擬圖像可在人眼前面產(chǎn)生一種可穿透式畫面，并在一個(gè)固定的距離內(nèi)變化，從尺寸上看，相當(dāng)于一個(gè)大屏幕電視，使用戶完全沉浸在播放的圖像中，不會(huì)受到任何外部光線的干擾。

盡管視頻眼鏡有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但從顯示效果看，畫面的色彩、對(duì)比度、分辨率、速度等遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能達(dá)到用戶期望的舒適、震撼的效果，因而視頻眼鏡在消費(fèi)市場(chǎng)還難以打開銷路。因此改善視頻眼鏡對(duì)比度等參數(shù)以提高視頻眼鏡的質(zhì)量，是一個(gè)急需攻克的難題。

隨著材料技術(shù)的不斷發(fā)展，電致變色材料現(xiàn)階段已經(jīng)收獲了很多卓有成效的成果，并且在人們生活的許多方面已經(jīng)廣泛使用。當(dāng)今市場(chǎng)上的電致變色材料種類有很多，但現(xiàn)階段電致變色材料使用最為廣泛的是電致變色膜。電致變色膜已廣泛應(yīng)用于軍事、國(guó)防和人們的日常生活中。應(yīng)用電致變色膜制成的一系列電致變色產(chǎn)品，例如電致變色車窗等，能夠起到改善自然光光照程度、減輕日常光污染、保護(hù)隱私的目的。所以電致變色材料及其衍生產(chǎn)品是一個(gè)極具潛力的研究方向。

1電致變色膜特性及原理

1.1電致變色特性

電致變色是指材料在外加電場(chǎng)作用下，通過電荷或離子的注入、抽取，從而在低透過率的著色狀態(tài)和高透射率的消色狀態(tài)之間產(chǎn)生可逆變化的特殊現(xiàn)象。

電致變色材料是指材料的光學(xué)屬性（反射率、透過率、吸收率等）在外加電場(chǎng)的作用下發(fā)生穩(wěn)定、可逆的顏色變化的現(xiàn)象，在外觀上表現(xiàn)為顏色和透明度的可逆變化。

為了能更好地發(fā)揮材料的電致變色特性，電致變色材料還需要有很好的離子導(dǎo)電性，較高的對(duì)比度、變色效率和循環(huán)周期等。

1.2電致變色膜

（1） 電致變色膜的結(jié)構(gòu)

電致變色膜[2]是利用電致變色材料制成的一種薄膜結(jié)構(gòu)，具有制備簡(jiǎn)單、光學(xué)性能優(yōu)良、安全無污染等一系列優(yōu)點(diǎn)。

電致變色膜的結(jié)構(gòu)從上到下分別為玻璃或透明基底材料、透明導(dǎo)電層（如：氧化銦錫）、電致變色層、電解質(zhì)層、離子存儲(chǔ)層、透明導(dǎo)電層（如：氧化銦錫）、玻璃或透明基底材料，圖1為電致變色膜結(jié)構(gòu)圖。

電致變色膜工作時(shí)，在兩個(gè)透明導(dǎo)電層之間加上一定的電壓，電致變色層材料在電壓作用下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，顏色發(fā)生變化。電解質(zhì)層由特殊的導(dǎo)電材料組成，如包含有高氯酸鋰、高氯酸納等的溶液或固體電解質(zhì)材料。離子存儲(chǔ)層在電致變色材料發(fā)生氧化還原反應(yīng)時(shí)起到儲(chǔ)存相應(yīng)的反離子，保持整個(gè)體系電荷平衡的作用；離子存儲(chǔ)層也可以為一種與前面一層電致變色材料變色性能相反的電致變色材料，這樣可以起到顏色疊加或互補(bǔ)的作用，如：電致變色層材料采用陽極氧化變色材料，則離子存儲(chǔ)層可采用陰極還原變色材料。endprint

（2） eTint變色膜

eTint變色膜是美國(guó)eTint公司研發(fā)的高端變色膜產(chǎn)品，其外層材質(zhì)為聚乙烯塑料薄膜，內(nèi)層變色材料為可變色液晶材料，可廣泛用于軍事、科研、安防等領(lǐng)域。

該變色膜有以下特點(diǎn)：較柔軟，厚度非常薄，平均厚度僅為200 μm。在未加電狀態(tài)下，其光透過率約為80%，人眼看到該變色膜顏色接近于全透明狀態(tài)，在加電狀態(tài)下，其光透過率約為20%，人眼看到該變色膜的顏色接近于深黑色，而且其加電后的變色效果穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)任何變化。

考慮到eTint變色膜的這些優(yōu)點(diǎn)，本文采用該款電致變色膜作為實(shí)驗(yàn)材料。

2穿透式視頻眼鏡基本原理

2.1穿透式顯示基本原理

2.2層疊陣列波導(dǎo)的顯示原理

穿透式視頻眼鏡為雙通道光學(xué)系統(tǒng)[36]，即使用者通過它能夠同時(shí)看到計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬圖像和外界景象，所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要將圖像源傳來的虛擬圖像信息與外界景象的信息相融合，這時(shí)就需要能夠?qū)崿F(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示的光學(xué)組合器[7]。

本文以EPSON BT200穿透式視頻眼鏡為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其光學(xué)組合器方式為層疊陣列波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

層疊陣列波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[89]作為實(shí)現(xiàn)穿透式顯示的光學(xué)組合器，其可以實(shí)現(xiàn)目鏡系統(tǒng)出瞳的擴(kuò)展，從而在很薄的厚度下實(shí)現(xiàn)較大的視場(chǎng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、易加工、無鬼像，不受使用環(huán)境限制。

層疊陣列波導(dǎo)是一種具有角度選擇膜系，是實(shí)現(xiàn)穿透式顯示的光學(xué)組合器的重要組成部分。

如圖3所示，層疊陣列波導(dǎo)式光學(xué)組合器由入射反射面、波導(dǎo)基板以及相互平行的多個(gè)半透半反面所組成。由于多個(gè)反射面的存在，該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)出瞳擴(kuò)展，在很薄的厚度下實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)。圖4為光線在其中的傳播原理圖，圖像源發(fā)出的光線，由耦合面耦合進(jìn)入波導(dǎo)，各視場(chǎng)的光線依據(jù)全反射原理進(jìn)行傳播，光線入射半透半反面時(shí)，一部分反射進(jìn)入人眼，另一部分繼續(xù)傳播，同時(shí)外界光線也可以透過半透半反面進(jìn)入人眼，從而實(shí)現(xiàn)穿透式顯示[1012]。

3改善視頻眼鏡顯示效果方法

3.1設(shè)計(jì)思路

利用電致變色膜在加電狀態(tài)下顏色加深從而能夠削弱環(huán)境光的原理，通過適當(dāng)?shù)姆椒▽⑵渑c視頻眼鏡相匹配，能夠起到削弱環(huán)境光對(duì)視頻眼鏡顯示效果帶來的負(fù)面影響，設(shè)計(jì)思路如圖5所示。

首先，由于電致變色膜的厚度僅為200 μm且材質(zhì)較為柔軟，所以需要在其外側(cè)加固一層硬質(zhì)材料，以保證在日常使用中電致變色膜不會(huì)發(fā)生形變；其次，考慮到視頻眼鏡信息雙通道的特點(diǎn)，所以電致變色膜外側(cè)加固的襯底材料要有較好的透光性，以確保人眼可以看到外部景象。

基于以上考慮，我們采用“SCHOTT D263T 100 μm”的超薄玻璃作為襯底材料。該型號(hào)超薄玻璃的透光性可達(dá)99%，同時(shí)其厚度僅為100 μm。

為了將襯底牢固地固定在電致變色膜上，同時(shí)又要保證兩者貼合后的透光性，我們選擇OCA光學(xué)膠來對(duì)兩者進(jìn)行全貼合。

OCA光學(xué)膠是一種用于膠結(jié)透明光學(xué)元件（如鏡頭等）的特種粘膠劑，它無色透明，光透過率在90%以上，膠結(jié)強(qiáng)度良好，可在室溫或中溫下固化且固化收縮小，是一種無基體材料的雙面貼合膠帶。

3.2結(jié)合方式的選擇

（1） 電致變色膜與波導(dǎo)鏡片的連接

由層疊陣列波導(dǎo)原理可知，在波導(dǎo)鏡片內(nèi)各視場(chǎng)的光線是依據(jù)全反射原理進(jìn)行傳播。故在電致變色膜與波導(dǎo)鏡片相互貼合時(shí)可能對(duì)波導(dǎo)鏡片內(nèi)的光路產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響成像質(zhì)量。所以我們選擇兩種不同的貼合方式進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同貼合方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

方案1：將電致變色膜全貼合于波導(dǎo)鏡片外側(cè)，使兩者緊密貼合在一起。

方案2：將電致變色膜貼合在波導(dǎo)鏡片外側(cè)，但兩者之間保留一個(gè)微小的空氣層，保證電致變色膜與波導(dǎo)鏡片相貼合的部分不會(huì)對(duì)波導(dǎo)鏡片內(nèi)的光路產(chǎn)生影響。

假設(shè)鏡片材料折射率為n1，電致變色膜中液晶變色材料的折射率為n2。由反射率公式

R=（n1-n2）2/（n1+n2）2

（1）

可以計(jì)算出變色膜中變色材料的反射率R。又可知材料透過率為T，則可通過吸收系數(shù)、透過率、反射率三者之間關(guān)系式

A+T+R=1

（2）

計(jì)算出材料的吸收系數(shù)A。

查閱相關(guān)資料可知：n1≈1.51，n2≈1.675，T≈20%。

計(jì)算得出相關(guān)數(shù)據(jù)后，我們就可以通過TracePro對(duì)兩種方案下的波導(dǎo)鏡片進(jìn)行光路仿真，追跡光路圖如圖6、圖7所示。

通過兩個(gè)不同方案的追跡光路圖，我們可以看出，當(dāng)右側(cè)像源發(fā)出的輻射通量相等時(shí)，兩個(gè)方案最終進(jìn)入人眼的輻射通量是不同的。然后對(duì)兩個(gè)方案中完全吸收面處的輻射通量進(jìn)行量化分析，得到圖8、圖9所示的不同條件下的輻照度分析圖，圖中坐標(biāo)軸為完全吸收面的尺寸，左側(cè)的縱坐標(biāo)為圖中的輻射通量標(biāo)尺。

在兩種方案下，像源發(fā)出的輻射通量均為1 W，方案一中完全吸收面處接收到的輻射通量為0.455 82 W，損耗率約在50%以上。而方案二中完全吸收面處接收到的輻射通量為0.902 07 W，相較于光源處1 W的輻射通量損耗較少，且在層疊陣列波導(dǎo)的允許范圍內(nèi)。

以上兩組仿真數(shù)據(jù)對(duì)比可得：將電致變色膜全貼合于波導(dǎo)鏡片外側(cè)時(shí)，由于其干擾了波導(dǎo)鏡片內(nèi)光路全反射的條件，從而影響了最終的成像質(zhì)量；但當(dāng)兩者之間保留一個(gè)空氣層時(shí)，由于電致變色膜與波導(dǎo)鏡片的有效部分沒有接觸，進(jìn)而不會(huì)干擾波導(dǎo)鏡片內(nèi)光路的全反射。

基于以上結(jié)果，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)硬質(zhì)環(huán)形膠帶圈，用它將電致變色膜與波導(dǎo)鏡片邊緣不用于成像的部分連接起來?？紤]到材料的厚度，我們采用了TESA 68552 50 μm超薄膠帶。

（2） 電致變色膜與視頻眼鏡的連接endprint

在確定各項(xiàng)理論參數(shù)后，設(shè)計(jì)出的兩者連接方式如圖10所示。

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1對(duì)比度定義

若Lb、Lt分別是背景與目標(biāo)亮度，定義

Lmax=max（Lb，Lt），

Lmin=min（Lb，Lt）

（3）

由此可得對(duì)比度（Contrast）為

C=（Lmax-Lmin）/Lmin

（4）

特殊的，當(dāng)Lb>Lt時(shí)，定義C=（Lb-Lt）/Lb，所以C值域?yàn)椋?，

SymboleB@ ）或（0，1）。

對(duì)比率（Contrast Ratio）為

Cr=Lmax/Lmin

（5）

調(diào)制對(duì)比度（Modulation Contrast）為

Cm=（Lmax-Lmin）/（Lmax+Lmin）

（6）

4.2視覺亮度閾值

人眼可探測(cè)最小亮度差異（ΔL）隨適應(yīng)光亮度（L）的變化而變化，通常用比值ΔL/L作為視覺亮度閾值[6]（韋伯比）。ΔL/L與ln L間的關(guān)系曲線如圖11所示。

由圖11可以看出，隨著L增大，韋伯比減低，即視覺閾值下降，眼鏡可以辨別更小的亮度差異。人眼對(duì)比度要求不是一個(gè)固定的值，它是環(huán)境光的函數(shù)。當(dāng)顯示亮度一定時(shí)，背景光增大，視覺門限降低，但同時(shí)圖像對(duì)比度也下降。

4.3穿透式視頻眼鏡亮度/對(duì)比度

電致變色膜與視頻眼鏡連接后的一種典型光路圖，如圖12所示。

圖像源發(fā)出的光與環(huán)境光均會(huì)被人眼所接收，故在人眼的位置使用成像亮度計(jì)模擬人眼對(duì)不同光的感知，測(cè)定不同條件下的人眼對(duì)比度即可從數(shù)據(jù)判斷方法的可行性。

根據(jù)圖12光路圖，搭建合適的光學(xué)平臺(tái)測(cè)量不同條件下的人眼對(duì)比度。具體的測(cè)試平臺(tái)見圖13。

粗略估計(jì)圖像源到眼鏡的光透過率η1大約為20%，從外界到眼睛的亮度透過率η2大約為72%（變色膜加電的狀態(tài)下η2約為18%）。

1—成像亮度計(jì)；2—穿透式視頻眼鏡；3—環(huán)境光源；4—光學(xué)調(diào)整架；5—電致變色膜；6—滾動(dòng)角位臺(tái)；7—俯仰角位臺(tái)；

8—微調(diào)螺旋調(diào)整架；9—手動(dòng)橫向位移臺(tái)；10—滑動(dòng)座；11—導(dǎo)軌；12—滑動(dòng)座調(diào)整器；13—升降臺(tái)；14—手動(dòng)豎直位移臺(tái)

一般計(jì)算穿透式視頻眼鏡對(duì)比度時(shí)，目標(biāo)光亮度等于圖像源亮度與環(huán)境亮度之和，即

L目標(biāo)=η1L圖像源+η2L環(huán)境

（7）

所以

C視=L目標(biāo)/（η2L環(huán)境）

（8）

根據(jù)式（8）計(jì)算不同圖像源亮度、環(huán)境光亮度時(shí)視頻眼鏡對(duì)比度，結(jié)果如表1所示。

分析表中數(shù)據(jù)可知，在圖像源亮度與背景光亮度等外界條件保持相同時(shí)，每一組內(nèi)加電狀態(tài)下的視頻眼鏡對(duì)比度總是要高于未加電狀態(tài)下的視頻眼鏡對(duì)比度。

這表明在加電狀態(tài)下，電致變色膜起到了削減環(huán)境光的作用，在一定程度上提升了視頻眼鏡對(duì)比度，進(jìn)而起到了改善穿透式視頻眼鏡對(duì)比度的作用。

5結(jié)論

本文研究表明，通過電致變色膜改善穿透式視頻眼鏡對(duì)比度的方法是切實(shí)可行的。該方法可以在有環(huán)境光存在的情況下，彌補(bǔ)穿透式視頻眼鏡對(duì)比度不足及顯示效果較差的缺點(diǎn)。這一方法對(duì)于穿透式視頻眼鏡在消費(fèi)市場(chǎng)的推廣有著重要的參考價(jià)值。

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（編輯：劉鐵英）endprint