曾 飛，張 新

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所光學(xué)系統(tǒng)先進制造技術(shù)中國科學(xué)院重點實驗室，吉林長春130033；

2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

全息波導(dǎo)頭盔顯示技術(shù)

曾 飛1，2*，張 新1

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所光學(xué)系統(tǒng)先進制造技術(shù)中國科學(xué)院重點實驗室，吉林長春130033；

2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

文章首先闡述了全息波導(dǎo)頭盔顯示技術(shù)的基本原理,說明了它的技術(shù)先進性和可實現(xiàn)性；然后以幾個有代表性的范例介紹了全息波導(dǎo)頭盔顯示技術(shù)的發(fā)展水平,展示了目前全息頭盔顯示技術(shù)所能達到的參數(shù)指標(biāo)；最后,在分析了全息波導(dǎo)頭盔顯示技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,說明其技術(shù)瓶頸并對其未來的發(fā)展方向進行了展望。

頭盔顯示；全息波導(dǎo)；光學(xué)設(shè)計；顯示技術(shù)

1 引言

全息波導(dǎo)頭盔顯示技術(shù)［1］（Head Mounted Display,HMD）是軍用顯示技術(shù)的最新成果,是集多項先進光學(xué)技術(shù)于一身的光學(xué)顯示技術(shù)。它利用高亮度微型顯示器為圖像源,以透明的全息護目鏡為顯示屏,通過小型化光學(xué)系統(tǒng)將圖像通過波導(dǎo)結(jié)構(gòu)投射到人眼成像。頭盔顯示器的符號化圖像可以疊加在人眼看到的外界圖像上,增加人眼的感知能力及敵我分辨能力,從而實現(xiàn)超視距或夜間協(xié)同作戰(zhàn)。頭盔顯示系統(tǒng)本身視場有限,但是伴隨頭部的轉(zhuǎn)動可以實現(xiàn)超大視場。正是由于以上優(yōu)點,全息波導(dǎo)頭盔顯示技術(shù)正在迅速發(fā)展并受到越來越廣泛的應(yīng)用。

頭盔顯示系統(tǒng)［2-5］的發(fā)展經(jīng)歷了較長的時間,從最簡單的頭戴瞄視鏡到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了第三代。在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方面,也經(jīng)歷了從同軸到離軸和傾斜偏心的變化,從而滿足輕小型和人體工學(xué)的需求。然而對于頭戴顯示系統(tǒng),傳統(tǒng)的設(shè)計方法在壓縮系統(tǒng)的尺寸和重量方面仍然力不從心。全息光波導(dǎo)技術(shù)為頭盔顯示系統(tǒng)提供了全新的解決方案,全息光波導(dǎo)技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)頭盔顯示系統(tǒng)中復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng),利用全息光波導(dǎo)完成圖像傳導(dǎo)和顯像功能。全息波導(dǎo)優(yōu)化了光學(xué)系統(tǒng)的布局,簡化了光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。因此,全息波導(dǎo)頭盔顯示系統(tǒng)具有更小的尺寸和重量,受到世界各國的重視。

全息波導(dǎo)頭盔顯示技術(shù)是隨著全息元件成像技術(shù)的成熟而發(fā)展起來的［6］。隨著人們對全息元件成像能力的進一步認(rèn)識,通過對全息元件成像原理的理論和實踐探索,成功完成了全息波導(dǎo)成像系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用。本文將從理論入手,介紹全息波導(dǎo)頭盔顯示技術(shù)的發(fā)展概況和前景。

2 基本原理

全息光波導(dǎo)技術(shù)的基本原理是光的全反射和衍射,如圖1,全息波導(dǎo)頭盔顯示系統(tǒng)主要由微顯示器、全息光柵和平板波導(dǎo)組成。由微顯示器產(chǎn)生的圖像經(jīng)過微型準(zhǔn)直透鏡后變成平行光進入光波導(dǎo)到達全息光柵1,由于全息光柵的衍射效應(yīng)使平行光改變傳輸方向從而滿足全反射條件并沿波導(dǎo)方向向前無損傳播。當(dāng)平行光傳播到全息光柵2時,全反射條件被破壞從而使平行光從全息波導(dǎo)出射,并進入人眼成像。由于全息波導(dǎo)的存在,光學(xué)圖像可以垂直偏轉(zhuǎn)傳播。這不但減小了傳播距離,還可保持光學(xué)系統(tǒng)的重心在頭部以內(nèi)。同時減少了折鏡的使用,從而有利于光學(xué)系統(tǒng)的簡潔化和輕小型設(shè)計。

當(dāng)圖像以平行光形式在波導(dǎo)中傳播時,由于波導(dǎo)板是平行的,因而圖像能夠保持不發(fā)生變形和失真。但是上述結(jié)構(gòu)中各個視場的光線反射次數(shù)和落點不同,需要經(jīng)過精心設(shè)計才能保證所有視場都有能量進入人眼成像。為了避免圖像不完整并且給眼睛一定的活動空間,通常需要對上述系統(tǒng)擴展出瞳［7］。擴展出瞳的原理如圖2所示,當(dāng)光線入射出射光柵2時,光能不是一次從波導(dǎo)中出射,而是分多次出射從而多次成像。通過合理設(shè)置光柵的衍射效率,能夠保證每次出射的光能量相等。這樣人眼在光柵的不同位置都能看到圖像,從而擴大了出瞳。

3 全息波導(dǎo)頭盔顯示系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

從20世紀(jì)70年代開始,人們就開始研究將全息元件用于成像［8］。然而全息光學(xué)元件的成像規(guī)律復(fù)雜,將其作為光學(xué)元件應(yīng)用到成像系統(tǒng)中存在較大的困難。1995年,以色列Y.Amitai提出一種全息波導(dǎo)的方案［9］,將全息元件用作耦合元件。這種設(shè)計將成像和傳像功能分離,降低了對全息元件的設(shè)計和加工要求,因而迅速被人們所接受。在21世紀(jì)初,就出現(xiàn)了多種實用性的全息頭盔顯示系統(tǒng)方案。

3.1 基于三色復(fù)用相差補償全息光學(xué)元件（MAC-HOE）的頭盔顯示系統(tǒng)

這種設(shè)計是美國物理光學(xué)公司（Physical Optics Corporation）提出的［10］。為了實現(xiàn)全色顯示,該系統(tǒng)使用窄帶復(fù)用全息元件組H1、H2消除了光學(xué)系統(tǒng)的縱向色差（圖3）。通過對三組單色光柵消除了縱向色差,而橫向色差則由每個窄帶全息元件的帶寬來控制。

通過這種消色差方法,設(shè)計了浸沒式（圖4）和透射式光學(xué)結(jié)構(gòu)。其中,浸沒式的光學(xué)系統(tǒng)具有較大視場,但是阻礙了對外界的觀察。透射式的光學(xué)系統(tǒng)利用兩個光柵,其中一個用于將平行光耦合進入波導(dǎo),另一個將波導(dǎo)中的光線耦合到人眼成像。兩塊光柵均可通過雙光束干涉的方式進行刻蝕,因而工藝實現(xiàn)簡單。通過單片光柵浸沒式成像,物理光學(xué)公司展示了全息頭盔顯示90°大視場的成像能力。而在透射式系統(tǒng)中后截距較大的情況下,不使用出瞳擴展技術(shù)難以保持大的出瞳,因此這種系統(tǒng)實際使用時可能受到出瞳大小的限制。

3.2 基于體全息光柵的Q-sightTM技術(shù)

Q-sightTM是由英國BAE公司生產(chǎn)的［11］應(yīng)用全息波導(dǎo)頭盔顯示技術(shù)的范例。由于在研制F16、F22和EFA（歐洲戰(zhàn)斗機）的平視顯示器（HUD）方面積累的經(jīng)驗,BAE公司在2007年就具有了研制體全息波導(dǎo)的能力,并將其應(yīng)用到Q-sight系列頭盔顯示器當(dāng)中。它的好處是減小了頭部重量,晝夜無縫切換,并且提升了安全性能。在最新的Q-sightTM100中,使用高亮度LED照明1 920×1 080 LCOS顯示器,視場達到了40°×30°（單色）和15～20°（多色）,出瞳Φ35 mm（軸上點）,出瞳距＞25 mm。在此基礎(chǔ)上,BAE公司計劃將單色視場擴大到50°以上,并開發(fā)真正的全色光柵,將全色視場擴大40°×30°。

Q-sightTM的組成如圖5所示,包括高亮度LED光源、LCOS顯示器件、小型化準(zhǔn)直鏡和全息波導(dǎo)組合鏡。高亮度的LED在白天10000Ftl的背景下對比度達到1.2∶1,在夜晚能在極低光照情況下提供高精度的亮度控制。全息波導(dǎo)組合鏡有兩級光柵擴展出瞳,第二級擴展光柵兼有輸出圖像的作用。整個模塊可以裝配到HGU-56/P（美國陸軍標(biāo)準(zhǔn)頭盔）或HGU-84/P（美國海軍標(biāo)準(zhǔn)頭盔）或其它設(shè)備上,提供近乎零畸變的高質(zhì)量圖像。因此,在F35的頭盔顯示出現(xiàn)技術(shù)問題之后,Q-sightTM作為被選為F35的頭盔顯示器。

由于Q-sightTM使用了全息波導(dǎo),傳統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計軟件不能對全反射和衍射光柵建模,BAE公司的設(shè)計人員開發(fā)了新的軟件對其進行設(shè)計。同時,為了使全息波導(dǎo)能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn),BAE公司還開發(fā)了模具將全息光柵“印刷”到玻璃基板上,從而減少生成成本。由于解決了設(shè)計和生產(chǎn)難題, BAE公司在全息技術(shù)波導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用方面快速發(fā)展,BAE公司已將Q-sightTM全息波導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于HUD、HMD和單兵作戰(zhàn)等多個領(lǐng)域。

3.3 以色列威茲曼科學(xué)院的平板波導(dǎo)技術(shù)

以色列威茲曼科學(xué)院是較早進行全息波導(dǎo)技術(shù)研究的科研單位之一,對全息波導(dǎo)理論進行了系統(tǒng)的研究,針對全息波導(dǎo)成像進行了大量理論和實驗研究［12-14］。在20世紀(jì)90年代及更早的時候,威茲曼科學(xué)院的研究主要集在如何制作和優(yōu)化全息透鏡。由于全息透鏡具有復(fù)雜的像差形式和嚴(yán)重的色散,使用全息透鏡無法獲得令人滿意的成像效果。到了21世紀(jì)初,他們轉(zhuǎn)向研究線性光柵擴展出瞳的平板波導(dǎo)顯示技術(shù)。

威茲曼科學(xué)院的平板波導(dǎo)如圖6所示,它由3個光柵組成。其中,光柵1為入射光柵,光線僅在其上發(fā)生一次衍射。光柵2和光柵3為擴展光柵,光線在這兩個光柵上發(fā)生多次衍射從而擴展出瞳。3個光柵的相位方程不同,附加到光線上的位相使得光線發(fā)生偏轉(zhuǎn)（圖6下）。每個光柵的相位不同,使得光線發(fā)生不同方向的偏轉(zhuǎn)。而3個光柵滿足相位之和為零,因而光線入射和出射方向完全相同。由于位相和為零的條件對所有波長均滿足,滿足無色差條件,因而可以實現(xiàn)多色成像。

在光柵擴展出瞳的過程中,由于每次衍射的入射光都來自于上一級衍射,因此衍射能量逐漸降低。為了使得圖像亮度更加均勻,需要對光柵的衍射效率進行設(shè)計。根據(jù)光線在平板內(nèi)對光柵的入射角確定其反射次數(shù),根據(jù)反射次數(shù)和能量守恒條件得到各級衍射效率。而不同角度的光反射次數(shù)不同,為了最優(yōu)化一般取中心視場的光線進行計算。從實際成像的效果來看,圖像的亮度仍然是不均勻的,在衍射效率較低時亮度的均勻性會有所提高。

3.4 Sony公司的全色體全息波導(dǎo)眼戴顯示技術(shù)

Sony公司的全息波導(dǎo)技術(shù)［15］的特點是實現(xiàn)全色顯示,如圖7所示。這種全息波導(dǎo)的視場角為16°,鏡片透過率為85％,重量為120 g。波導(dǎo)由兩層基底組成,每層基底厚度為1.4 mm,間隔為0.2 mm,總厚為3 mm,寬為50 mm。這種眼戴顯示被用作MP4顯示,能夠顯示QVGA視頻（320×240）。使用高亮度LED照明,顯示亮度為2 400 cd/m2。

在設(shè)計過程中,Sony的研究人員克服了光柵的色散和波長依賴特性。光柵的色散限制了視場并引起鬼像,而波長依賴則造成圖像亮度不勻。通過對稱出/入光柵的設(shè)計,減少了光學(xué)系統(tǒng)的色散。通過最佳入射角設(shè)計和顯示器驅(qū)動管理,增加了圖像的均勻性。選用反射式體全息光柵是因為其帶寬小,可以利用多個單色光柵單獨控制每種色光從而減少色散。為了減少相近色光的串?dāng)_,將紅藍光柵置于一個波導(dǎo)內(nèi)部而綠光柵置于另一波導(dǎo)內(nèi)部。通過上述優(yōu)化設(shè)計,該系統(tǒng)能夠顯示高飽和度的彩色圖像。該系統(tǒng)的視場受到體全息光柵的限制無法擴大,因而適合于娛樂和家庭使用。

3.5 Lumus的LOE技術(shù)

由Thales Visionix生產(chǎn)的Scorpion HMD用到了一種Lightguide Optical Element（LOE）器件,從而使得它成為首款能夠真正實現(xiàn)全色顯示的頭盔顯示器［16］。而這種器件使用的并非全息光柵,而是更加簡單的多反射層結(jié)構(gòu)［17］,如圖8所示。LOE器件的原理和潛望鏡類似,但是使用了多個反射鏡擴展出瞳。每個反射鏡反射的都是平行光,這些反射鏡成同一像。

由于使用了LOE器件,系統(tǒng)的成本降低,并且消除了由于衍射效應(yīng)造成的色散和圖像模糊。這種LOE器件由Lumus公司生產(chǎn),分為消費和專業(yè)多種產(chǎn)品。Scorpion用到的PD-18分辨率為800×600,視場角為26°×20°,出瞳為10 mm,出瞳距為23 mm。器件厚度為2.3 mm,重量小于70 g,亮度為1 200 fL,顯示區(qū)透過率為70％,其余區(qū)域透過率為92％。

Scorpion HMD原本是為A-10運輸機所設(shè)計的低成本頭盔顯示器,它也可用于C-130W、F-16和UH-72。由于其優(yōu)異的性能,Scorpion HMD贏得了集成到A-10C和F-16C Block 30的合同Helmet Mounted Integrated Targeting（HMIT）。經(jīng)過嚴(yán)格的環(huán)境和安全測試,Scorpion HMD已經(jīng)進入生產(chǎn)階段。下一階段,Scorpion HMD將會進行改進升級并集成到其它平臺上。

3.6 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)研究全息頭盔顯示的單位主要有洛陽613所、北京理工大學(xué)、浙江大學(xué)和中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所等［18-21］。2011年,洛陽613所閆占軍等人利用Code V光學(xué)設(shè)計軟件,對雙級光柵擴展出瞳方案進行了仿真和設(shè)計。2012年,北京理工大學(xué)史銳等人利用多次曝光技術(shù)擴大了體全息頭盔顯示系統(tǒng)的視場角,消除了色散對體全息成像的限制,完成了單色和多色成像實驗。同年,浙江大學(xué)劉輝等人對體全息波導(dǎo)成像系統(tǒng)和薄膜波導(dǎo)成像系統(tǒng)分別進行了仿真和實驗研究。2013年,中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所曾飛等人提出利用棱鏡光柵混合結(jié)構(gòu)進行全息頭盔顯示系統(tǒng)設(shè)計,從而充分利用兩者的優(yōu)點提高系統(tǒng)效率（圖9）。國內(nèi)的這些研究機構(gòu)正在從理論和實驗方面迅速發(fā)展,逐步開展全息波導(dǎo)頭盔顯示技術(shù)的研究。

4 全息波導(dǎo)頭盔顯示關(guān)鍵技術(shù)

全息波導(dǎo)頭盔顯示關(guān)鍵技術(shù)包括光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、全息波導(dǎo)設(shè)計和光柵制備技術(shù)。

4.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

全息波導(dǎo)頭盔顯示系統(tǒng)具有體積小、重量輕的特點,在光學(xué)設(shè)計上需要考慮出瞳、視場、分辨率等問題。同時由于全息波導(dǎo)顯示效率低,要考慮雜光和散射對于系統(tǒng)對比度的影響［22］。

平行平板全息波導(dǎo)頭盔顯示系統(tǒng)是無光焦度成像系統(tǒng),最主要的像差來源是由波導(dǎo)的不平行和光柵的不均勻衍射引起的。要減小系統(tǒng)的像差,需要在制作全息波導(dǎo)時嚴(yán)格控制波導(dǎo)公差和光柵刻劃工藝。

自由曲面全息波導(dǎo)頭盔顯示系統(tǒng)的成像原理與普通光學(xué)系統(tǒng)類似,其中的自由曲面和光柵都可以看做反射或折射元件。由于自由曲面全息波導(dǎo)具有復(fù)雜的面形和光柵結(jié)構(gòu),成像規(guī)律將會比較復(fù)雜,需要進行進一步研究。

4.2 全息波導(dǎo)設(shè)計

全息波導(dǎo)是系統(tǒng)的關(guān)鍵元件,主要起到耦合、傳像和顯像作用。全息光柵的設(shè)計主要是光柵的柵格形狀和衍射效率的設(shè)計,以及光柵整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。設(shè)計具有均勻亮度和高衍射效率的全息光柵,需要運用嚴(yán)格耦合波分析方法,進行電磁場分析。目前已經(jīng)有一些對全息光柵進行分析的文章,并且有實驗結(jié)果［12-14］。由于全息波導(dǎo)的特殊性,這種方法還不夠完善,需要在關(guān)鍵技術(shù)中作為重點研究對象。

全息波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)和布局是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的重要考慮因素,特別是對于自由曲面全息波導(dǎo)頭盔顯示系統(tǒng)?，F(xiàn)有的全息波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有多樣性,各有其優(yōu)缺點,要根據(jù)實際需要選擇合理的結(jié)構(gòu)型式,最終目標(biāo)是實現(xiàn)自由曲面全息波導(dǎo)顯示。

4.3 光柵制備技術(shù)

全息光柵的制備是保證系統(tǒng)成像質(zhì)量的關(guān)鍵。高質(zhì)量的全息光柵,能夠保證高的衍射效率和像質(zhì)。為了完善全息波導(dǎo)成像方法,眾多科研單位研究了多種用于頭盔顯示的全息光柵［23-26］。這些光柵包括面光柵（威茲曼科學(xué)院）、體全息光柵（Sony、BAE）、傾斜光柵（諾基亞）、區(qū)域編碼光柵（BLACES、蔡司）等,如圖10所示。

不同的全息光柵原理形狀性能各異,制作工藝差異也很大。根據(jù)目前已經(jīng)產(chǎn)品化的情況,體全息光柵是一種具有發(fā)展前途的全息光柵。然而,要實現(xiàn)全息波導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)品化,還需要研究光柵的低成本復(fù)制工藝。新型的多層薄膜波導(dǎo)具有價格低廉和易于制造的優(yōu)點。因此,多層薄膜波導(dǎo)［27］也將會在頭盔顯示技術(shù)中具有較好的發(fā)展空間。

5 結(jié)束語

全息波導(dǎo)頭盔顯示技術(shù)是最先進的頭盔顯示技術(shù),是未來頭盔顯示領(lǐng)域的重點發(fā)展對象。在第四代軍用戰(zhàn)機中,全息波導(dǎo)頭盔顯示技術(shù)已經(jīng)顯示出強大的競爭力并在不斷向前發(fā)展。目前國內(nèi)已經(jīng)有一些單位開展了全息波導(dǎo)頭盔顯示技術(shù)的研究,然而并未發(fā)布實用性的產(chǎn)品。

但是,國內(nèi)已經(jīng)具有了全息光柵的研發(fā)能力,并且在光學(xué)鍍膜技術(shù)方面擁有了強大的能力,因而國內(nèi)已經(jīng)具備研發(fā)新一代全息波導(dǎo)頭盔顯示技術(shù)的條件。相信在不久的將來,國內(nèi)也將會研發(fā)出全息波導(dǎo)頭盔顯示系統(tǒng)并裝備我國的新型戰(zhàn)機,從而逐漸縮小與國際先進水平的差距。

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曾 飛（1983-）,男,湖北孝感人,博士研究生,助理研究員,主要從事成像和非成像光學(xué)設(shè)計方面的研究。E-mail：zengfei_008@163.com

張 新（1968-）,男,吉林省吉林市人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事非常規(guī)復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計等方面的研究。E-mail：optlab@ciomp.ac.cn

Waveguide holographic head-mounted display technology

ZENG Fei1,2*,ZHANG Xin1
（1.Key Laboratory of Optical System Adυanced Manufacturing Technology,Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China；2.Uniυersity of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China）
*Corresponding author,E-mail：zengfei_008@163.com

The principle of waveguide holographic head-mounted display technology is introduced,which explains its advantages and practicability.Then some examples are shown with detailed indexes and parameters of current waveguide holographic head-mounted display technology.Finally the key enabling technology of waveguide holographic head-mounted display is analyzed,based on which the technology bottleneck and development trend are summarized.

head-mounted display；waveguide hologram；optical design；display technology

TN873.7

A

10.3788/CO.20140705.0731

2095-1531（2014）05-0731-08

2014-03-21；

2014-06-17

國家自然科學(xué)基金資助項目（No.61007009）