独创圆柱形投影,索尼高透光HOE全息显示方案详解

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在SIGGRAPH2019活动期间,索尼曾展示一款高度透光的全息显示屏原型,其采用圆柱形设计,可显示360°全息影像,视觉效果足够惊艳。不久前,索尼在官方博客中公布了这款全息显示屏背后的HOE技术,进一步解释了它的原理。

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据青亭网了解,这是一种具有高透明度、高亮度的HOE全息显示方案,索尼称之为“透明显示屏”。索尼近年来一直在研发这种HOE方案,其外观是通透的圆锥形,中间可显示彩色的全息图像,背景看起来几乎是透明的。圆柱全息屏尺寸约为100mmx180mm,最大亮度为1000cd/m2,适用于室内场景。

索尼指出,对于全息方案来讲,透明度和亮度很重要,于是便研发了这种高衍射效率和高透明度的HOE光学模组。该模组由两种形态,一种是平面的透光屏,另一种是圆柱形显示方案,可以和AI智能音箱等家电结合,有点类似于全息虚拟助手Gatebox。

全新的视频体验

索尼表示:开发全息显示屏的目的是,创造一种表达存在感的显示屏,也就是将虚拟图像与现实融合,营造一种沉浸感,类似于科幻电影中3D 全息图的效果。

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目前,虚拟显示通常分为两大类,一个是显示屏围绕观众(全景),另一个是观众围绕具有体积的3D显示对象(全息)。而索尼的目标是开发一种高透光的体全息显示屏,可为观看者带来飘浮的裸眼3D视觉。

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不过,研发高透明度显示屏面临多种挑战,尤其是如何平衡透明度和亮度。通常,透明度和亮度本质是一种权衡关系,屏幕透明度越高,图像就越暗,反之亦然。为了解决这一问题,索尼采用了HOE方案,也就是全息全息光学元件,这种衍射光学元件可以为透明薄膜添加光学功能。

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HOE的原理类似于3D全息图像,即通过照亮胶片上记录的物光来重现全息图像。索尼的HOE方案通过漫射光作为物光,即使用两个激光束(扩散光束和参考光束)照射感光聚合物薄膜,从而形成干涉条纹。薄膜中的材料根据干涉条纹中激光束强弱的位置而变化,形成不同的折射率,当具有与参考光束相同波长和入射角的照明光施加到胶片上时,会产生与物光束相同的再现光。而具有不同属性的光会穿过薄膜。

Sony 全息

制造原理

在制造工艺方面,制造高衍射效率、高透明度和高表面质量的HOE元件需要精细的技术和大量知识储备。索尼通过重复模拟、实验和评估,建立了HOE的制造流程,并研发出平整的大尺寸HOE屏幕。

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索尼在制造HOE过程中采用了以下几种设备:激光曝光设备、测角光度计、光谱仪和雾度计。

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索尼表示:由于HOE屏幕易受外部光线影响,因此需要一种不易受到外部光线影响的结构,于是索尼设计了一个独创的圆柱形投影系统,由一组透镜和一面镜子组成,可以将明亮的高清图像均匀地显示在圆柱表面上。

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圆柱形方案的原理是,底部的投影模组将光投射在顶部的非球面镜上,光线反射后会分布在圆柱内的HOE屏幕上,聚焦后会形成全息图像。索尼HOE方案针对光线的入射角度进行了优化设计和制造,其特点是允许修改入射光角度、衍射光角度和扩散角,以最大限度地提高不同应用中观察位置的亮度。

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而比HOE衍射光谱宽度更窄的激光在投射到屏幕上时,可有效地扩散光。由于以上所有因素,投影机发出的光由于符合HOE屏幕的衍射条件而被强烈漫射,而背景和照明光不符合条件并通过。即使在明亮的环境中,也可以在透明屏幕上显示高亮度图像,观感就像是飘在空中那样。

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为了进一步扩大透​​明屏的应用范围,索尼也在开发平板型透明屏显示器。最新的原型采用了更小的投影模组,亮度可达3000cd/m²,透明度超过85%,即使在明亮的环境中也能实现高亮度的图像显示。未来,这种平面HOE屏幕有望促进新型通信方式,应用于收银台、线下金融咨询、实时字幕显示等场景。参考:索尼

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