无介质浮空成像技术在移动通信中应用

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本文对无介质浮空成像方案分析、技术研究等进行了分析，探索了将无介质浮空成像技术应用于移动终端上的方案，解决了现有终端设备显示屏较小导致的用户身体出现损伤等问题，减少了用户对终端显示屏的损伤，为无介质浮空成像技术在移动通信领域应用提供了方案借鉴。无介质浮空成像技术在不同行业广泛应用，尤其在疫情防控期间，无接触银行叫号机等使用，将触摸屏替换为空气屏保障了手部清洁降低感染概率，无介质浮空投影技术优势凸显。本文对无介质浮空成像技术进行分析，对在移动通信中的应用案例进行了探索，为该技术在移动通信领域中应用提供了方案借鉴。

1.可交互空中成像技术分析

无介质浮空成像技术，又称可交互空中成像等，它应用光场重构原理，基于光波导的空中成像方法，集成红外激光传感器技术，构建的空中交互式成像系统。

1.1空中放大成像模块方案分析

空中放大成像模块方案由会聚透镜阵列、平板透镜阵列、空中成像阵列组成。会聚透镜阵列，出射光成放大虚像，该阵列为多个透镜组合实现超短焦放大及消除校正色差和球差功能；平板透镜阵列，出射光成实像；空中成像阵列采用空中成像不同类型阵列实现光线在光学成像元件中经过至少2次反射后形成与入射图像对应的空中实像。平板透镜阵列与会聚透镜阵列的中心之间的距离为x，一般选择x满足以下要求公式（1）：（1）其中D为会聚透镜阵列直径，L为平板透镜较短边的边长，F为会聚透镜阵列焦距，平板透镜阵列和会聚透镜阵列的距离保持在上述要求内，可以保持空气中成像的图像清晰完整。

1.2空中成像阵列研究

空中成像阵列可以是无焦透镜阵列、两次反射的立体镜阵列，以及回射片和半反射镜阵列组合的多种方案和结构，器件均形成了显示图像的单元数量更多、更小的微镜成像结构，从而使解析度大大提高，降低系统能耗，详见表1（a~c）。其中：（1）立体正交排列的透光层叠体阵列结构采用并排设置若干长条形透明条，相邻的透明条相互贴合面和/或贴合面的对面上设有反射面，透明基条高度为20μm~6000μm，反射面的高度不大于透明基条的高度，相邻的反射面的间距为200μm~2000μm，即当采用透明条时透明条宽度为200μm~2000μm，高度为20μm~6000μm。当通过空中成像元件的物体入射图像的光线，经偶数层透明基条中的反射面反射后，形成与物体的入射图像对应的无介质浮空影像的空中实像；（2）立体长方形镂空、交错排列的立体长方形光学元件阵列，两相邻的第一反射槽间形成第一凸台，两相邻的第二反射槽间形成第二凸台，第一凸台和第二凸台的宽度均小于等于1mm。（3）半反射镜阵列可以是立体三角形阵列为立体直角等腰三角形，或直角等腰三角形于直线围成的立体表面阵列。回射片被设计为光进入片表面的入射角原则上等于由片内部的反射表面反射并从片表面发射出的光的发射角。

2.无介质浮空成像技术在移动通信中的应用

无介质浮空成像技术在移动终端中的应用原理及结构见图2-3，包括移动终端（由移动终端处理器、空中成像模块和空中交互模块组成）和浮空操作屏（用户在空中交互的操作屏幕）。空中交互模块、空中放大成像模块内嵌于移动终端中间件，中间件可抽出并与移动终端显示阵列成（30°，90°）夹角，移动终端显示阵列与水平面成（30°，60°）夹角，终端的显示屏幕为高亮显示屏，其亮度可调至不小于1000nits，完成浮空成像。（1）处理器用于启动空中成像模块和空中交互模块，在移动终端的显示屏中显示的画面进行空中成像及与用户实现交互。（2）空中成像模块包含移动终端显示阵列和空中放大成像模块。显示屏发射光源后经过空中放大成像模块2次反射在空中成实像。（3）空中交互模块包含红外激光模块、空中触控反馈模块、彩色摄像机、红外发射器和一个麦克风阵列等，采用人脸识别技术识别用户的人脸、手势、语音和体感中一种或多种，并根据识别结果确定相应的交互指令，处理器可以根据该交互指令和空中成像模块与用户进行交互。其中：人脸识别技术主要包含人脸的检测和定位、特征提取和识别。人脸的检测和定位采用基于主成分分析（PCA）的人脸识别方法，检测图中是否有人脸，再将人脸分割出来，获取人脸或人脸上的某些器官在图像上的位置；特征提取是构造特征矢量，多个样本图像的空间序列训练出一个模型，它的参数就是特征值，模版匹配法用相关系数做特征，输入归一化后的灰度图像，输出识别结果；识别是基于卡洛南-洛伊变换，将带识别的图像或特征与人脸数据库里的特征相匹配，将给出的人脸图像与数据库中某人脸图像及其名字关联。红外激光模块含红外激光器、摄像头、定位软件。摄像头通过定位软件在空中获取画面的坐标点定位空中成像画面，当手指或任何不透明的物体接触空中成像画面时光线被反射到的一个信号接收器，再通过对光电位置的精确计算，得到手势的坐标，在空中进行触控。彩色摄像机、红外发射器和一个麦克风阵列等，实现实时捕捉、检测并跟踪手、手指和类似手指的工具，可感知用户的位置、动作和声音等，实现人脸、手势、语音或体感识别。空中触控反馈模块利用超声波振子从格状多位排列的超声波换能器中发出，以空中任意位置的超声波振子为焦点相结合，形成超声波，产生了被称为回声放射压的压力。如果用人类手指在此位置表面进行按压，就能产生触觉刺激，空中触控反馈技术利用此现象增加触觉而产生的。

3.挑战与展望

本文研究了无介质浮空成像技术，探索了该技术应用于移动通信领域移动终端上的案例，所提出的方案降低了现有终端设备显示屏较小导致的用户身体出现损伤、用户对终端显示屏的损伤，为无介质浮空成像技术在移动通信领域中更广阔的应用提供了思路和借鉴。

作者:李贝 赵伟 胡煜华 刘光海 肖天 成晨 单位:中国联合网络通信有限公司研究院 中国联合网络通信浙江省分公司