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比度不高，成像效果不理想的缺點。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，對穿透式視頻眼鏡的對比度進行改善。通過TracePro軟件光學(xué)仿真及成像亮度計進行實驗驗證，對EPSON BT200穿透式視頻眼鏡進行測試和分析，驗證該方法的可行性。實驗數(shù)據(jù)與實際視覺觀測結(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； 增強現(xiàn)實； 對比度

中圖分類號： TN 29文獻標(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

隨著智能手機的普及，移動互聯(lián)網(wǎng)進入了全盛時代，人們在享受移動互聯(lián)網(wǎng)帶來的方便快捷的生活和工作之余，對移動互聯(lián)網(wǎng)基于不同平臺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，讓人們看到了一個全新的移動互聯(lián)網(wǎng)平臺，它既能夠承載智能手機的部分功能，又能給用戶帶來一種全新的體驗。

由最初帶領(lǐng)人們進入移動互聯(lián)網(wǎng)的筆記本電腦到當(dāng)今流行的智能手機，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、云端交互來實現(xiàn)其強大的功能，能對我們的生活、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，包括手機、便攜式媒體播放器、數(shù)碼相機、游戲機等多媒體設(shè)備輸出的視頻信號，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，并在一個固定的距離內(nèi)變化，從尺寸上看，相當(dāng)于一個大屏幕電視，使用戶完全沉浸在播放的圖像中，不會受到任何外部光線的干擾。

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

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、保護隱私的目的。所以電致變色材料及其衍生產(chǎn)品是一個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)，具有制備簡單、光學(xué)性能優(yōu)良、安全無污染等一系列優(yōu)點。

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，在兩個透明導(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。離子存儲層在電致變色材料發(fā)生氧化還原反應(yīng)時起到儲存相應(yīng)的反離子，保持整個體系電荷平衡的作用；離子存儲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：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，不會出現(xiàn)任何變化。

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

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看到計算機產(chǎn)生的虛擬圖像和外界景象，所以在設(shè)計時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，這時就需要能夠?qū)崿F(xiàn)增強現(xiàn)實顯示的光學(xué)組合器[7]。

本文以EPSON BT200穿透式視頻眼鏡為實驗對象，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]作為實現(xiàn)穿透式顯示的光學(xué)組合器，其可以實現(xiàn)目鏡系統(tǒng)出瞳的擴展，從而在很薄的厚度下實現(xiàn)較大的視場。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半透半反面所組成。由于多個反射面的存在，該結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)出瞳擴展，在很薄的厚度下實現(xiàn)大視場。圖4為光線在其中的傳播原理圖，圖像源發(fā)出的光線，由耦合面耦合進入波導(dǎo)，各視場的光線依據(jù)全反射原理進行傳播，光線入射半透半反面時，一部分反射進入人眼，另一部分繼續(xù)傳播，同時外界光線也可以透過半透半反面進入人眼，從而實現(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)境光對視頻眼鏡顯示效果帶來的負(fù)面影響，設(shè)計思路如圖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發(fā)生形變；其次，考慮到視頻眼鏡信息雙通道的特點，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。該型號超薄玻璃的透光性可達99%，同時其厚度僅為100 μm。

為了將襯底牢固地固定在電致變色膜上，同時又要保證兩者貼合后的透光性，我們選擇OCA光學(xué)膠來對兩者進行全貼合。

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)各視場的光線是依據(jù)全反射原理進行傳播。故在電致變色膜與波導(dǎo)鏡片相互貼合時可能對波導(dǎo)鏡片內(nèi)的光路產(chǎn)生影響，進而影響成像質(zhì)量。所以我們選擇兩種不同的貼合方式進行對照實驗，對比不同貼合方式的優(yōu)缺點。

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對波導(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%。

計算得出相關(guān)數(shù)據(jù)后，我們就可以通過TracePro對兩種方案下的波導(dǎo)鏡片進行光路仿真，追跡光路圖如圖6、圖7所示。

通過兩個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，兩個方案最終進入人眼的輻射通量是不同的。然后對兩個方案中完全吸收面處的輻射通量進行量化分析，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)對比可得：將電致變色膜全貼合于波導(dǎo)鏡片外側(cè)時，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)兩者之間保留一個空氣層時，由于電致變色膜與波導(dǎo)鏡片的有效部分沒有接觸，進而不會干擾波導(dǎo)鏡片內(nèi)光路的全反射。

基于以上結(jié)果，我們設(shè)計了一個硬質(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。考慮到材料的厚度，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

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

4實驗驗證

4.1對比度定義

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）

由此可得對比度（Contrast）為

C=（Lmax-Lmin）/Lmin

（4）

特殊的，當(dāng)Lb>Lt時，定義C=（Lb-Lt）/Lb，所以C值域為（0，

SymboleB@ ）或（0，1）。

對比率（Contrast Ratio）為

Cr=Lmax/Lmin

（5）

調(diào)制對比度（Modulation Contrast）為

Cm=（Lmax-Lmin）/（Lmax+Lmin）

（6）

4.2視覺亮度閾值

人眼可探測最小亮度差異（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。人眼對比度要求不是一個固定的值，它是環(huán)境光的函數(shù)。當(dāng)顯示亮度一定時，背景光增大，視覺門限降低，但同時圖像對比度也下降。

4.3穿透式視頻眼鏡亮度/對比度

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)境光均會被人眼所接收，故在人眼的位置使用成像亮度計模擬人眼對不同光的感知，測定不同條件下的人眼對比度即可從數(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)平臺測量不同條件下的人眼對比度。具體的測試平臺見圖13。

粗略估計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；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—滾動角位臺；7—俯仰角位臺；

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

一般計算穿透式視頻眼鏡對比度時，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）計算不同圖像源亮度、環(huán)境光亮度時視頻眼鏡對比度，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，每一組內(nèi)加電狀態(tài)下的視頻眼鏡對比度總是要高于未加電狀態(tài)下的視頻眼鏡對比度。

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比度，進而起到了改善穿透式視頻眼鏡對比度的作用。

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比度的方法是切實可行的。該方法可以在有環(huán)境光存在的情況下，彌補穿透式視頻眼鏡對比度不足及顯示效果較差的缺點。這一方法對于穿透式視頻眼鏡在消費市場的推廣有著重要的參考價值。

參考文獻：

[1]馮博學(xué)，陳沖，何毓陽，等.電致變色材料及器件的研究進展[J].功能材料，2004，35（2）：145150.

[2]孫寧，趙靈芝，張玉杰.電致變色薄膜研究進展[J].中國陶瓷，1998，34（5）：3437.

[3]韓昕彥，余飛鴻.基于層疊陣列波導(dǎo)的穿透式視頻眼鏡設(shè)計[J].光學(xué)學(xué)報，2015，35（5）：329337.

[4]TOUYAMA M，YAMAZAKI S，OKUYAMA A，et al.Development of super compact HMD with sight line detection[J].Japanese Journal of Optics，1996，25：27.

[5]MIAO X Y，WONG A，AMIRPARVIZ B.Compact seethrough display system：US，8508851[P].20130124.

[6]劉玉.透視型液晶頭盔顯示器應(yīng)用研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2001.

[7]曾飛，張新.全息波導(dǎo)頭盔顯示技術(shù)[J].中國光學(xué)，2014，7（5）：731738.

[8]李明.基于LCoS微顯示技術(shù)的智能眼鏡設(shè)計[D].天津：南開大學(xué)，2015.

[9]曾飛，張新，張建萍，等.基于棱鏡光柵結(jié)構(gòu)的全息波導(dǎo)頭盔顯示系統(tǒng)設(shè)計[J].光學(xué)學(xué)報，2013，33（9）：909001.

[10]JOHNS J，WALKER S J.Imaging with planar optical systems[J].Optics Communications，1990，76（5）：313317.

[11]ROLLAND J P，HUA H.Headmounted display systems[J].Encyclopedia of Optical Engineering，2005：114.

[12]HUA H，HUA Y G，ROLLAND J P.Design of an ultralight and compact projection lens[J].Acta Optica Sinica，2003，42（1）：97107.

（編輯：劉鐵英）endprint