劉錦劍

（上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108）

0 引言

在特殊潛水任務(wù)中，包括進(jìn)行水下搜救、水下作業(yè)、海洋探索等活動(dòng)時(shí)，手持?jǐn)z像機(jī)等顯示設(shè)備，測(cè)量設(shè)備在能見(jiàn)度極低的情況下幾乎無(wú)法使用，潛水員亟待需要看到水下環(huán)境、生命體征、深度、聲納探測(cè)等實(shí)時(shí)信息，這時(shí)就需要具備增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示的潛水面罩或頭盔進(jìn)行輔助信息顯示。

目前，真正投入生產(chǎn)及使用的基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)的潛水面罩或集成式頭盔尚未成型。國(guó)內(nèi)外尚處于原理樣機(jī)階段的僅有美國(guó)海軍正在研究的新項(xiàng)目——潛水員增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器，在潛水頭盔里嵌入AR眼鏡，該眼鏡顯示模塊可接收聲納、壓力計(jì)、生命體征、方位等數(shù)據(jù)，并將其顯示到潛水員眼前，為潛水員提供所需的數(shù)據(jù)資料[1]。樣機(jī)如圖1所示。

圖1 潛水員增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器

針對(duì)提高潛水員水下工作的效率，保證潛水員的安全的必要性，本文提出兩種結(jié)合潛水面罩的近眼顯示的原理性設(shè)計(jì)思路，為之后產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 全面罩選型

潛水面罩選用INTERSPIRO-MKII全面罩。該型面罩為口鼻罩形式，觀察窗與口鼻呼吸區(qū)是分開(kāi)的，潛水員通過(guò)嘴巴呼吸。在正對(duì)嘴唇處可以安裝通話器。面罩適用與開(kāi)式潛水系統(tǒng)，也可通過(guò)改裝轉(zhuǎn)換接頭與閉式潛水系統(tǒng)連接。面罩外形如圖2所示。全面罩護(hù)目鏡到人眼距離約為40mm，視野范圍為120°。

圖2 全面罩外形

2 集成面罩+幾何波導(dǎo)鏡片式

將AR眼鏡通過(guò)連接件集成到潛水面罩上，用于顯示聲納信號(hào)與圖像處理后的圖像源信息，眼鏡的供電依靠聲納發(fā)射機(jī)的鋰電池。可設(shè)計(jì)成單目式或雙目顯示。雙目顯示優(yōu)于單目顯示，一鏡片顯示聲納圖像源信息；另一鏡片顯示生命體征、壓力等其他信息。

2.1 設(shè)計(jì)方案

總體設(shè)計(jì)思路即聲納接收到的回波信號(hào)通過(guò)圖像處理后的圖像源通過(guò)目鏡系統(tǒng)準(zhǔn)直后的光線耦合其中，光線以滿足全反射條件在波導(dǎo)鏡片中傳播,最后通過(guò)波導(dǎo)鏡片中鍍有角度選擇性薄膜的半反半透鏡或衍射面把光線耦合輸出供人眼觀看，同時(shí)前方外部景象也可以透過(guò)組合鏡進(jìn)入人眼[2]。如圖3所示。

圖3 原理圖

2.1.1 光學(xué)設(shè)計(jì)

采用全面罩與AR眼鏡結(jié)合的形式，只需考慮AR眼鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)。視頻眼鏡的設(shè)計(jì)需考慮出瞳距離、出瞳直徑、雙眼瞳距、視場(chǎng)等設(shè)計(jì)參數(shù)[5,8-9]。

選擇圖像源分辨率為800pixel×600pixel，像素尺寸為2.6μm；水平波導(dǎo)尺寸為50mm×35mm×1.9mm，垂直波導(dǎo)尺寸為35mm×8.9mm×5.9mm。

根據(jù)大多數(shù)人群的眼睛視覺(jué)特性、理論參數(shù)及指標(biāo)公式，選定及設(shè)定幾何波導(dǎo)鏡片的重要參數(shù)，設(shè)計(jì)中需要根據(jù)各參數(shù)的實(shí)際使用要求進(jìn)行權(quán)衡。各參數(shù)如表1所示。

表1 視頻眼鏡設(shè)計(jì)參數(shù)

其中，垂直擴(kuò)展波導(dǎo)中半透膜的反射率按照光線入射的先后順序應(yīng)依次為1/5，1/4，1/3，1/2，1；水平擴(kuò)展波導(dǎo)中半透膜的反射率應(yīng)按照光線入射的先后順序應(yīng)依次滿足1/3，1/2，1，1/2。

為抑制光線在水平波導(dǎo)中傳播時(shí)產(chǎn)生的雜光反射而形成鬼像，水平波導(dǎo)基底中半透膜需要經(jīng)過(guò)特殊的膜系設(shè)計(jì)，使得反射率在滿足以上關(guān)系的同時(shí)減小其他角度入射光的反射率。

2.1.2 結(jié)構(gòu)外觀設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需配合INTERSPIRO-MKII全面罩的外觀形式，將準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)設(shè)置在護(hù)目鏡外框兩邊，內(nèi)部是水平波導(dǎo)鏡片和垂直波導(dǎo)鏡片，中間通過(guò)框架連接。保證佩戴的舒適性。AR潛水面罩外型如圖4所示。

圖4 AR 潛水面罩外型圖

3 DLP微投影式

為減輕潛水員的頭部負(fù)擔(dān)，更擴(kuò)大潛航視野，可采取潛水面罩的護(hù)目鏡直接投射的方式。前提是潛水面罩的護(hù)目鏡內(nèi)表面要進(jìn)行工藝改進(jìn)，其方法是鍍一層全息膜。然后配合目前較為先進(jìn)的DLP微投影光機(jī)，可實(shí)現(xiàn)將潛水面罩自身作為AR顯示屏。進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輕小化。

3.1 設(shè)計(jì)方案

DLP技術(shù)是一種微機(jī)電（MEMS）技術(shù)，通過(guò)數(shù)字微鏡裝置DMD進(jìn)行調(diào)光。DMD的每個(gè)微鏡代表一個(gè)像素，獨(dú)立進(jìn)行調(diào)制，與色序照明保持同步[4]。基于DLP技術(shù)的芯片具有高分辨率，低功耗，具有非常強(qiáng)的圖像處理功能，可以很好地滿足尺寸要求緊湊的顯示系統(tǒng)。高速、低延遲，DMD每個(gè)微鏡每秒可以翻轉(zhuǎn)數(shù)千次，因此色彩刷新頻率快、延遲低[6]。選用德州儀器的0.3 720p DMD作為微顯示器，采用最新的TRP技術(shù)，分辨率為1280×720pixels，尺寸是6.1614mm×3.888mm，單個(gè)像素尺寸為5.4μm[3]。

總體方案是led的光源經(jīng)過(guò)照明鏡頭入射到DMD作為微顯示器上，經(jīng)過(guò)DMD的微反射鏡反射經(jīng)過(guò)成像鏡頭，然后通過(guò)分光片，形成兩路光線經(jīng)過(guò)反射鏡1、反射鏡2、反射鏡3到達(dá)鍍有全息膜的潛水面罩上，在全息膜上成像后，人眼即可看到圖像源信息，同時(shí)也可透過(guò)面罩看見(jiàn)外部真實(shí)信息。結(jié)構(gòu)形式示意圖如圖5所示。

圖5 光路結(jié)構(gòu)形式示意圖

3.2 光學(xué)設(shè)計(jì)

根據(jù)潛水面罩的結(jié)構(gòu)尺寸，可在護(hù)目鏡水平方向上投影50mm長(zhǎng)的圖像尺寸，由于DMD的分辨率長(zhǎng)寬比為16：9，故可在護(hù)目鏡上投影50mm長(zhǎng)，28mm寬的圖像尺寸。根據(jù)大多數(shù)人群的眼睛視覺(jué)特性、理論參數(shù)及指標(biāo)公式，選定及設(shè)定該光學(xué)系統(tǒng)的重要參數(shù)，設(shè)計(jì)中需要根據(jù)各參數(shù)的實(shí)際使用要求進(jìn)行權(quán)衡[7]。各參數(shù)如表2所示。

表2 DLP 投影光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

5 結(jié)論

本文提出的兩種水下近眼AR顯示的設(shè)計(jì)思路，一種是半透膜陣列平板波導(dǎo)與準(zhǔn)直系統(tǒng)相結(jié)合設(shè)計(jì)了具有陣列出瞳的平板波導(dǎo)型的潛水面罩；另一種是采用DLP微投影方式的潛水面罩，使得面罩結(jié)構(gòu)輕小便于集成，穿戴方便。同時(shí)使得潛水員在水下在眼前能直接得到前方的環(huán)境信息，在保障自身的水下安全性的同時(shí)，又提高了水下搜尋，水下操作等工作的效率。