Auf einer weit entfernten Sternenbasis drückt ein schneidiger Held einen Knopf auf einem Bedienfeld und ein Diagramm erscheint in der Luft. Durch geschicktes Berühren des ätherischen Bildschirms mit den Fingern schaltet der Held einen Energieschild aus und setzt seine geheime Mission fort. Wenn Sie Science-Fiction gesehen haben, kennen Sie wahrscheinlich ein solches Szenario. Aber was Sie vielleicht nicht wissen, ist, dass Sternenbasen und Energieschilde zwar immer noch schwer zu erreichen sind, schwebende Bildschirme jedoch nicht.
Damit meine ich Displays, die zweidimensionale Bilder erzeugen, die tatsächlich in einem Vakuum schweben und mit denen interagiert werden kann, und keine Displays, die auf Peppers Geisterillusion basieren, bei der ein Bild auf eine transparente Oberfläche projiziert wird, die vor neugierigen Fingern geschützt werden muss. . Die optischen Prinzipien zur Erzeugung schwebender Bilder sind gut verstanden, und da die Pandemie das Interesse an kontaktlosen Kontrollen aller Art geweckt hat, haben eine Reihe von Unternehmen wie Toppan und Kyocera versucht, solche Displays aus der Luft zu kommerzialisieren. Allerdings verlief die Bereitstellung langsam und die vorgesehenen Anwendungen (Aufzugssteuerung usw.) sind nicht gerade cool.
Ich beschloss, mein eigenes Luftbild zu bauen, das der Großartigkeit des Science-Fiction-Konzepts Tribut zollen sollte.
Ich bin kein Unbekannter darin, skurrile Displays zu erstellen. Im Jahr 2022 habe ich vorgestellt IEEE-SpektrumDie Hände auf meinem elektromechanischen Farbbildschirm, der an die Anfänge des Fernsehens erinnert. Da ich dieses Mal nach etwas suchte, das beinahe der Zukunft entstammte, beschloss ich, mein System nach der Art von Zubehör zu gestalten, das ich in sah Star Wars Filme. Aber zuerst musste ich die Optik zum Laufen bringen.
Das Herzstück des Overhead-Displays ist ein heller Flachbildschirm [top] Angetrieben von einem Intel-Einplatinencomputer [bottom left]. Die Fingerspitzenerkennung ist die Arbeit eines Arduino Nano und drei Abstandssensoren [bottom right].James Provost
Wie funktionieren Luftbildanzeigen?
Eine kleine optische Auffrischung: Normalerweise weiten sich die Strahlen, die von einer Lichtquelle, etwa einem Bildschirm, ausgehen, mit zunehmender Entfernung aus. Werden diese divergierenden Strahlen beispielsweise von einem Spiegel reflektiert, nimmt das Auge die Darstellung als hinter dem Spiegel befindlich wahr. Dies nennt man a virtuelles Bild. Gelingt es aber, die vom Bildschirm ausgehenden Lichtstrahlen an einem Punkt im Raum zusammenlaufen zu lassen, bevor sie sich wieder ausdehnen, nimmt das Auge den Bildschirm so wahr, als befände er sich am Konvergenzpunkt, auch wenn er sich in der Luft befindet. Dies nennt man a echtes Bild.
Der Schlüssel zum Erreichen dieser Konvergenz in der Luft liegt in der Verwendung von retroreflektierendem Material. Normale Reflektoren folgen der bekannten Regel, dass der Einfallswinkel gleich dem Reflexionswinkel ist, d. h. ein Lichtstrahl, der in einem flachen Winkel von links in einen Spiegel eintritt, wird entsprechend dem gleichen kleinen Winkel zurückgeworfen und bewegt sich weiter nach rechts . Ein Retroreflektor reflektiert einfallendes Licht jedoch direkt auf sich selbst zurück. Wenn Sie also einen Retroreflektor direkt vor einem Bildschirm montieren, würden alle divergierenden Strahlen auf ihrem eigenen Weg reflektiert werden und ein echtes Bild erzeugen, wenn sie auf der Bildschirmoberfläche zusammenlaufen. Offensichtlich ist dies allein völlig nutzlos, daher müssen wir ein weiteres optisches Element einführen: einen Halbreflektor oder Strahlteiler.
Diese Technologie ist mittlerweile für die meisten Hersteller erreichbar: Es ist kein Hyperantrieb erforderlich!
Dieses Material reflektiert etwa die Hälfte des einfallenden Lichts und lässt die andere Hälfte durch. Und hier ist der Clou: Das Display und der Retroreflektor sind im 90-Grad-Winkel zueinander montiert, und der Halbreflektor ist diesem rechten Winkel gegenüber angebracht, sodass er im 45-Grad-Winkel zum Bildschirm und Retroreflektor steht. Verfolgen wir nun das Licht: Die vom Bildschirm emittierten divergierenden Strahlen treffen auf den Strahlteiler und werden zur Hälfte zum Retroreflektor zurückreflektiert, der sie zurück zum Strahlteiler sendet. Der Halbreflektor lässt die Hälfte dieser nun konvergenten Strahlen passieren. Wenn sie schließlich in der Luft über dem Bildschirm zusammenlaufen, ergeben die Strahlen ein echtes Bild.
Offensichtlich ist dieser optische Kunstgriff wirkungslos, da der größte Teil des ursprünglichen Lichts im System verloren geht. Aber es war nicht schwer, einen kleinen, modernen Flachbildschirm zu finden, der hell genug war, um zumindest bei Innen- (oder Sternen-)Lichtverhältnissen ein passables Overhead-Bild zu erzeugen. Um dieses 7-Zoll-Display anzutreiben, habe ich einen LattePanda 3 verwendet, einen Intel-basierten Einplatinencomputer, der Windows oder Linux ausführen kann und mehrere Displays unterstützt. (Eine vollständige Materialliste finden Sie auf meiner Projektseite auf hackster.io).
Der Bildschirm erzeugt ein Bild in der Luft, indem er divergente Strahlen von einem Lichtschirm von einem Strahlteiler reflektiert, der die Hälfte der Strahlen zurück zu einem Retroreflektor reflektiert. Im Gegensatz zu einem Spiegel, der dazu führen würde, dass die Strahlen noch stärker divergieren, sendet der Retroreflektor die konvergierenden Strahlen zurück zum Strahlteiler, der die Hälfte davon durchlässt, um ein echtes, wenn auch schwaches, schwebendes Bild zu erzeugen.James Provost
Den richtigen Retroreflektor finden
Mein größtes Hindernis bestand darin, ein geeignetes Retroreflektormaterial zu finden. Letztendlich habe ich mich für ein Blatt entschieden, das ich zuschneiden konnte, ein sauberes Bild lieferte und das nicht zu teuer war. Es handelte sich um eine prismatische fotoelektrische Folie vom Typ Oralite 3010, und ich konnte eine 77 cm x 1 m große Rolle (die kürzeste verfügbare Rolle) für etwa 90 USD erwerben.
Der nächste Schritt bestand darin, die Anzeige interaktiv zu gestalten. Nach einigem Experimentieren entschied ich mich für einen 5-Dollar-Laser-Flugzeitsensor, der Entfernungsmessungen entlang eines schmalen Kegels meldet. Ich habe drei dieser Sensoren so montiert, dass sie drei Spalten in der oberen Anzeigeebene abdecken, und sie über I2C mit einem Arduino Nano verbunden. Wenn die Fingerspitze eines Benutzers in den Erkennungskegel eines Sensors eintritt, prüft der Nano, ob der Abstand zwischen der Fingerspitze und dem Sensor innerhalb eines von drei vordefinierten Bereichen liegt. Mit drei Sensoren und drei Segmenten pro Sensor verfügt das Overhead-Display über neun Zonen, die auf Finger reagieren können. Die aktivierte Zone wird LattePanda über USB gemeldet.
Die optischen Komponenten und der Computer waren alle in einem 33 x 25 x 24 Zentimeter großen Rahmen aus stranggepressten Aluminiumstangen montiert. Außerdem habe ich an der Vorderseite einen kleinen Touchscreen angebracht, mit dem ich steuern kann, was der LattePanda auf dem Overhead-Display anzeigt. Ich habe dem Rahmen Seitenwände hinzugefügt und 3D-gedruckte Metallstreifen und andere Verzierungen angebracht, die ihm das Aussehen von etwas verliehen haben, das am Set einer Science-Fiction-Show nicht fehl am Platz wäre.
Das Ergebnis funktioniert wunderbar und ist so futuristisch, wie ich gehofft hatte, zeigt aber auch, dass diese Technologie heute für die meisten Hersteller erreichbar ist: kein Hyperantrieb erforderlich!