鮮 勇

(海軍駐洛陽(yáng)地區(qū)航空代表室，河南 洛陽(yáng) 471000)

0 引言

隨著機(jī)載座艙顯示技術(shù)的發(fā)展，頭盔顯示技術(shù)越來(lái)越展示出其巨大的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿?。其中，透射式顯示，尤其是護(hù)目鏡透射準(zhǔn)直顯示技術(shù)，是目前該技術(shù)的主流方向，但是其光學(xué)系統(tǒng)笨重且占據(jù)頭盔內(nèi)大量空間。為了適應(yīng)頭盔顯示器輕型化、小型化的發(fā)展趨勢(shì)和要求，技術(shù)界提出了采用波導(dǎo)集成顯示的新方法，即波導(dǎo)光學(xué)元件(Light-guide Optical Element，LOE)。該技術(shù)也是近年來(lái)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，其以超輕便性、高集成性在眾多目視光學(xué)儀器中都有應(yīng)用，如以色列Lumus公司生產(chǎn)的PD-18系列頭盔顯示器［1-4］，美軍A10-C攻擊機(jī)的頭盔顯示器［5］等，都是基于LOE技術(shù)開(kāi)發(fā)的。其中，以色列Lumus公司生產(chǎn)的PD-18系列頭盔顯示器代表了當(dāng)前波導(dǎo)顯示發(fā)展水平，與傳統(tǒng)的頭顯和平顯相比，有著巨大的優(yōu)勢(shì):顯示出瞳(或頭部運(yùn)動(dòng)范圍)增大;中繼光學(xué)系統(tǒng)重量、體積較小;能提供更大的顯示視場(chǎng);能夠?qū)崿F(xiàn)彩色顯示。

本文重點(diǎn)介紹了LOE顯示技術(shù)的原理，并就當(dāng)前該技術(shù)的發(fā)展情況進(jìn)行了闡述。

1 LOE簡(jiǎn)介

LOE可以作為成像透鏡，并兼作組合鏡使用，這種輕便的可成像無(wú)窮遠(yuǎn)的光學(xué)模塊最重要的應(yīng)用就是在頭盔顯示器上。圖像源產(chǎn)生的圖像經(jīng)過(guò)中繼準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)入LOE，在LOE中經(jīng)過(guò)半反射與全反射后透射于人眼。傳統(tǒng)的頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，隨著設(shè)計(jì)視場(chǎng)的增大，系統(tǒng)的重量、體積都會(huì)增加，而LOE技術(shù)的出現(xiàn)，可為大視場(chǎng)、彩色顯示頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一種全新的解決方案。

圖1所示為L(zhǎng)OE系統(tǒng)組成示意圖。LOE包含一塊透明的平板光學(xué)基板，其內(nèi)部植入一組半反射半透射面，由像源生成的圖像耦合進(jìn)入LOE基板，在基板內(nèi)部單向進(jìn)行全反射，最后在人眼觀察位置經(jīng)過(guò)一組半反半透面，圖像經(jīng)過(guò)擴(kuò)展后耦合出射至人眼，從而使佩帶者可以看到一幅大視場(chǎng)的準(zhǔn)直圖像。

由于LOE采用了波導(dǎo)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)理念，所以具有超輕便性、高集成性等優(yōu)點(diǎn)。LOE的輸出區(qū)域采用多層反射膜的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。表1給出了LOE的一些重要性能參數(shù)。

圖1 LOE系統(tǒng)組成Fig.1 The composition of LOE system

圖2 LOE多層反射膜輸出Fig.2 Output of multiple reflecting surfaces in LOE

表1 LOE顯示性能Table 1 Display performance of LOE

2 LOE工作原理

2.1 初級(jí)折疊光學(xué)結(jié)構(gòu)

為了利用波導(dǎo)板這種緊湊的結(jié)構(gòu)傳輸圖像，最初的想法是借鑒潛望鏡原理的折疊光學(xué)系統(tǒng)［1］。圖3給出了這種光學(xué)系統(tǒng)的光線傳輸原理。

圖3 初級(jí)折疊光學(xué)系統(tǒng)光路原理Fig.3 The principle of folding optical system

平板像源發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡組的折射后，變?yōu)闇?zhǔn)直平行光入射到波導(dǎo)基片上。以平行于準(zhǔn)直鏡組光軸的主光線為例，主光線垂直入射進(jìn)基片，經(jīng)第一反射面的反射，變成平行于基片的光線，然后經(jīng)第二反射面的反射，從基片中垂直出射，進(jìn)入人眼，第一和第二反射面的作用分別是把光束耦合進(jìn)入和離開(kāi)波導(dǎo)基片。盡管采用這種光學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，但是該結(jié)構(gòu)存在一些不可避免的問(wèn)題，如視場(chǎng)范圍受到限制。如圖3所示，在基片中的最大離軸角度為

式中:T表示基片厚度;deye表示需要的出瞳直徑;l為第一和第二反射面之間的距離。假如離軸角度大于αmax，那么光線在到達(dá)第二反射面之前會(huì)首先入射到基片的表面發(fā)生全發(fā)射，使角度發(fā)生改變。所以當(dāng)光線進(jìn)入第二反射面時(shí)由于角度發(fā)生了偏差，會(huì)導(dǎo)致鬼像的出現(xiàn)。因此該系統(tǒng)的最大視場(chǎng)為

式中，n為基片的折射率。通常由于眼瞳的直徑為2～6 mm，為了能夠舒適地觀察圖像，系統(tǒng)的最小出瞳近似為8～10 mm，眼睛的光軸到頭部邊緣的距離(l)通常為40～80 mm。在這種條件下，如果要實(shí)現(xiàn)8°的小視場(chǎng)范圍，基片的厚度需要達(dá)到12 mm。

2.2 LOE光學(xué)結(jié)構(gòu)

為了增大視場(chǎng)和出瞳，LOE技術(shù)改進(jìn)了初級(jí)折疊光學(xué)系統(tǒng)的光束直接傳輸和單次反射輸出方式，采用了波導(dǎo)全反射傳輸和多次反射輸出的方式［1-4］。因此LOE與前述光學(xué)系統(tǒng)的最大區(qū)別有兩點(diǎn):1)陣列選擇性反射面組代替了第二反射面;2)反射面的角度更加傾斜，如圖4所示。

圖4 LOE光路原理Fig.4 The principle of LOE

反射面組可以使基片中的光線在多個(gè)位置經(jīng)過(guò)多次反射耦合輸出，能夠增加出瞳直徑。全反射的傳輸方式消除了直接傳輸方式的視場(chǎng)限制，能夠增加輸出視場(chǎng)。LOE的工作過(guò)程為:像源發(fā)出的光束經(jīng)準(zhǔn)直鏡組折射后，變?yōu)闇?zhǔn)直平行光入射到波導(dǎo)基片上(以平行于準(zhǔn)直鏡組光軸的主光線為例)，主光線垂直入射進(jìn)基片，經(jīng)第一反射面的反射后偏轉(zhuǎn)方向，被基片上下表面限制在基片中以全反射的方式向左傳輸。經(jīng)過(guò)基片表面的幾次全反射后，光線到達(dá)陣列選擇性反射面區(qū)域，經(jīng)反射面組的多次反射耦合輸出至觀察者的眼睛。設(shè)主光線經(jīng)過(guò)第一反射鏡反射后的離軸角為αin，如圖4所示，那么反射面與基片法線的夾角為

從圖4可以看出，基片中的光線傳輸?shù)竭x擇性反射面時(shí)，存在兩種截然不同的入射角度。第一種情況下，光線入射到選擇性反射面之前與基片表面發(fā)生奇數(shù)次反射，入射角為

第二種情況下，發(fā)生偶數(shù)次反射，離軸角αin'=180°-αin，因此入射角為

兩種入射角分別如圖5所示，其中，第一種情況的反射光線方向垂直于基片表面，實(shí)現(xiàn)了耦合輸出的功能，第二種情況的反射光線方向離軸角度更大，受全反射限制無(wú)法耦合輸出，在基片內(nèi)產(chǎn)生了一個(gè)新的光線方向，會(huì)導(dǎo)致鬼像。

圖5 兩種反射情況Fig.5 Two reflecting cases

為了避免鬼像的產(chǎn)生，需要有選擇性地保留第一種反射和消除第二種反射，這也是輸出耦合采用選擇性反射面的原因。從圖5可以看出，兩種入射角度像差較大，這給選擇性反射帶來(lái)了契機(jī)。假如離軸角αin取130°，根據(jù)式(4)和式(5)可得，βref=25°，βref'=105°(等效于75°)。如果選擇性反射面在入射角為25°附近具有部分的反射能力，在入射角為75°附近幾乎不反射，那么就可以消除鬼像?；谶@種需求，圖6給出了采用鍍膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)的選擇性反射面的反射效率曲線。

圖6 選擇性反射面的反射特性Fig.6 Reflective performance of selectively reflecting surface

3 國(guó)外LOE技術(shù)的發(fā)展

3.1 軍事應(yīng)用

早在2007年，美國(guó)國(guó)家防空與空軍儲(chǔ)備測(cè)試中心(AATC)提出原有的聯(lián)合頭盔指示系統(tǒng)(JHMCS)已不能滿足A-10C攻擊機(jī)的使用要求，需要開(kāi)發(fā)一種新型頭盔瞄準(zhǔn)顯示系統(tǒng)(HMCS)，Gentex公司與洛克希德-馬丁公司聯(lián)合承擔(dān)了這項(xiàng)研制工作，并提出了一種采用全新技術(shù)的彩色投影顯示系統(tǒng)，完全不同于僅能顯示單色(綠色)圖像或視頻的傳統(tǒng)平視顯示器與頭盔顯示器，被稱(chēng)為天蝎(Scorpion)頭盔瞄準(zhǔn)顯示系統(tǒng)［5］。目前，第一代Scorpion HMCS正在接受作戰(zhàn)評(píng)估測(cè)試，第二代Scorpion HMCS正在接受氣流吹襲實(shí)驗(yàn)。Scorpion HMCS的顯示組件被稱(chēng)為天蝎顯示模塊(Scorpion Display Module，SDM)，如圖7a所示，是基于LOE技術(shù)開(kāi)發(fā)的新型顯示器，用以替代原有厚重的曲面組合鏡。SDM使用彩色硅基液晶顯示器(LCOS)作為圖像源，飛行員可看到全彩色的圖像與視頻信息。圖7b為加裝夜視鏡后的效果圖。

圖7 Scorpion HMCS頭盔瞄準(zhǔn)顯示系統(tǒng)Fig.7 Scorpion HMCShelmet-mounted display system

以色列最新推出的PD-18顯示器［5］，如圖8所示，可實(shí)現(xiàn)全彩色，高亮度，達(dá)到SVGA(800×600)分辨率顯示，上下式半框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于無(wú)底邊框遮攔，對(duì)周邊視覺(jué)不造成影響，作為一種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)型顯示裝置，非常適合在頭盔設(shè)備上安裝使用。PD-18顯示器技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

圖8 Lumus Professional PD-18顯示器Fig.8 Lumus Professional PD-18 display

表2 PD-18顯示器技術(shù)指標(biāo)Table 2 The display index of PD-18

3.2 民用產(chǎn)品

Lumus公司推出的Video Eyeglasses系列產(chǎn)品，如圖9所示。

圖9 Lumus Video Eyeglasses系列產(chǎn)品Fig.9 Series of Lumus Video Eyeglasses

在2010年下半年投入銷(xiāo)售市場(chǎng)。Video Eyeglass是一款?yuàn)蕵?lè)型顯示產(chǎn)品，采用虛擬顯示技術(shù)。系統(tǒng)由兩個(gè)顯示像源與兩塊LOE透鏡組成，圖像源產(chǎn)生的圖像通過(guò)LOE透鏡成像;用戶(hù)可在眼前看到放大的顯示畫(huà)面，效果相當(dāng)于在3 m遠(yuǎn)的地方觀看60″的顯示屏，使用者相當(dāng)于將一臺(tái)電視帶在身邊。用戶(hù)可通過(guò)此產(chǎn)品看視頻，減輕因觀看過(guò)小的顯示畫(huà)面(如MP4、PSP等)而產(chǎn)生的眼疲勞。圖10給出了該產(chǎn)品的典型畫(huà)面。

圖10 Lumus Video Eyeglasses產(chǎn)品的顯示畫(huà)面Fig.10 Display frame of Lumus Video Eyeglasses

Video Eyeglasses系列產(chǎn)品的性能指標(biāo)如表3所示。

表3 Video Eyeglasses系列產(chǎn)品的性能指標(biāo)Table 3 The display index of seris of Video Eyeglasses

由于采用了擴(kuò)展出瞳和增大視場(chǎng)技術(shù)，因此其顯示范圍和觀察范圍比僅采用單個(gè)反光棱鏡的谷歌眼鏡大得多，顯示質(zhì)量也高很多。

4 結(jié)論

頭盔顯示器系統(tǒng)是一項(xiàng)涵蓋和涉及多個(gè)學(xué)科的高技術(shù)含量的綜合系統(tǒng)工程，任何一款頭盔顯示器都是各類(lèi)先進(jìn)技術(shù)成果的結(jié)晶。目前普遍采用目鏡與護(hù)目鏡組合的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由于占據(jù)較大空間和系統(tǒng)重量，嚴(yán)重制約了頭盔顯示器朝著輕型化、小型化發(fā)展。

LOE顯示技術(shù)是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)小型化、輕型化和全彩色顯示，通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)可以消除鬼像，增加視場(chǎng)、降低厚度。盡管目前技術(shù)還不夠成熟，但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及科研工作者的努力，一定能夠?qū)崿F(xiàn)顯示系統(tǒng)的小型化、輕型化、高亮度、高透過(guò)率、大視場(chǎng)、低成本等目標(biāo)，成為透射式頭盔顯示器未來(lái)發(fā)展的主流。

［1］AMITAI Y.Substrate-guided optical beam expander［P］.United States Patent，2004，US 6829095 B2.

［2］AMITAI Y.Light guide optical device［P］.United States Patent，2008，US7457040 B2.

［3］AMITAI Y.Optical device for light coupling［P］.United States Patent，2009，US 7577326 B2.

［4］AMITAI Y.Substrate-guided optical device with wide aperture［P］.United States Patent，2010，US7643214 B2.

［5］ATAC R.Low-cost helmet-mounted cueing system for A-10C［J］.Proceeding of SPIE，2009，7326:732608.