全息波導頭盔顯示技術

曾 飛，張 新

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

2.中國科學院大學，北京100049）

全息波導頭盔顯示技術

曾 飛1，2*，張 新1

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

2.中國科學院大學，北京100049）

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

頭盔顯示；全息波導；光學設計；顯示技術

1 引言

全息波導頭盔顯示技術［1］（Head Mounted Display,HMD）是軍用顯示技術的最新成果,是集多項先進光學技術于一身的光學顯示技術。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,通過小型化光學系統將圖像通過波導結構投射到人眼成像。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,從而實現超視距或夜間協同作戰。頭盔顯示系統本身視場有限,但是伴隨頭部的轉動可以實現超大視場。正是由于以上優點,全息波導頭盔顯示技術正在迅速發展并受到越來越廣泛的應用。

頭盔顯示系統［2-5］的發展經歷了較長的時間,從最簡單的頭戴瞄視鏡到現在已經發展了第三代。在光學系統的設計方面,也經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的需求。然而對于頭戴顯示系統,傳統的設計方法在壓縮系統的尺寸和重量方面仍然力不從心。全息光波導技術為頭盔顯示系統提供了全新的解決方案,全息光波導技術摒棄了傳統頭盔顯示系統中復雜的光學系統,利用全息光波導完成圖像傳導和顯像功能。全息波導優化了光學系統的布局,簡化了光學系統的結構。因此,全息波導頭盔顯示系統具有更小的尺寸和重量,受到世界各國的重視。

全息波導頭盔顯示技術是隨著全息元件成像技術的成熟而發展起來的［6］。隨著人們對全息元件成像能力的進一步認識,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成像系統的設計和應用。本文將從理論入手,介紹全息波導頭盔顯示技術的發展概況和前景。

2 基本原理

全息光波導技術的基本原理是光的全反射和衍射,如圖1,全息波導頭盔顯示系統主要由微顯示器、全息光柵和平板波導組成。由微顯示器產生的圖像經過微型準直透鏡后變成平行光進入光波導到達全息光柵1,由于全息光柵的衍射效應使平行光改變傳輸方向從而滿足全反射條件并沿波導方向向前無損傳播。當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出射,并進入人眼成像。由于全息波導的存在,光學圖像可以垂直偏轉傳播。這不但減小了傳播距離,還可保持光學系統的重心在頭部以內。同時減少了折鏡的使用,從而有利于光學系統的簡潔化和輕小型設計。

當圖像以平行光形式在波導中傳播時,由于波導板是平行的,因而圖像能夠保持不發生變形和失真。但是上述結構中各個視場的光線反射次數和落點不同,需要經過精心設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擴展出瞳［7］。擴展出瞳的原理如圖2所示,當光線入射出射光柵2時,光能不是一次從波導中出射,而是分多次出射從而多次成像。通過合理設置光柵的衍射效率,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 全息波導頭盔顯示系統發展現狀

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

3.1 基于三色復用相差補償全息光學元件（MAC-HOE）的頭盔顯示系統

這種設計是美國物理光學公司（Physical Optics Corporation）提出的［10］。為了實現全色顯示,該系統使用窄帶復用全息元件組H1、H2消除了光學系統的縱向色差（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,設計了浸沒式（圖4）和透射式光學結構。其中,浸沒式的光學系統具有較大視場,但是阻礙了對外界的觀察。透射式的光學系統利用兩個光柵,其中一個用于將平行光耦合進入波導,另一個將波導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,因而工藝實現簡單。通過單片光柵浸沒式成像,物理光學公司展示了全息頭盔顯示90°大視場的成像能力。而在透射式系統中后截距較大的情況下,不使用出瞳擴展技術難以保持大的出瞳,因此這種系統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

Q-sightTM是由英國BAE公司生產的［11］應用全息波導頭盔顯示技術的范例。由于在研制F16、F22和EFA（歐洲戰斗機）的平視顯示器（HUD）方面積累的經驗,BAE公司在2007年就具有了研制體全息波導的能力,并將其應用到Q-sight系列頭盔顯示器當中。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。在此基礎上,BAE公司計劃將單色視場擴大到50°以上,并開發真正的全色光柵,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、小型化準直鏡和全息波導組合鏡。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（美國陸軍標準頭盔）或HGU-84/P（美國海軍標準頭盔）或其它設備上,提供近乎零畸變的高質量圖像。因此,在F35的頭盔顯示出現技術問題之后,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,傳統的光學設計軟件不能對全反射和衍射光柵建模,BAE公司的設計人員開發了新的軟件對其進行設計。同時,為了使全息波導能夠實現量產,BAE公司還開發了模具將全息光柵“印刷”到玻璃基板上,從而減少生成成本。由于解決了設計和生產難題, BAE公司在全息技術波導技術的應用方面快速發展,BAE公司已將Q-sightTM全息波導技術應用于HUD、HMD和單兵作戰等多個領域。

3.3 以色列威茲曼科學院的平板波導技術

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

威茲曼科學院的平板波導如圖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生偏轉（圖6下）。每個光柵的相位不同,使得光線發生不同方向的偏轉。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計。根據光線在平板內對光柵的入射角確定其反射次數,根據反射次數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不同,為了最優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眼戴顯示技術

Sony公司的全息波導技術［15］的特點是實現全色顯示,如圖7所示。這種全息波導的視場角為16°,鏡片透過率為85％,重量為120 g。波導由兩層基底組成,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/入光柵的設計,減少了光學系統的色散。通過最佳入射角設計和顯示器驅動管理,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擾,將紅藍光柵置于一個波導內部而綠光柵置于另一波導內部。通過上述優化設計,該系統能夠顯示高飽和度的彩色圖像。該系統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

由Thales Visionix生產的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構［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,系統的成本降低,并且消除了由于衍射效應造成的色散和圖像模糊。這種LOE器件由Lumus公司生產,分為消費和專業多種產品。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,顯示區透過率為70％,其余區域透過率為92％。

Scorpion HMD原本是為A-10運輸機所設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）。經過嚴格的環境和安全測試,Scorpion HMD已經進入生產階段。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 國內研究現狀

國內研究全息頭盔顯示的單位主要有洛陽613所、北京理工大學、浙江大學和中國科學院長春光學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光學設計軟件,對雙級光柵擴展出瞳方案進行了仿真和設計。2012年,北京理工大學史銳等人利用多次曝光技術擴大了體全息頭盔顯示系統的視場角,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,浙江大學劉輝等人對體全息波導成像系統和薄膜波導成像系統分別進行了仿真和實驗研究。2013年,中國科學院長春光學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構進行全息頭盔顯示系統設計,從而充分利用兩者的優點提高系統效率（圖9）。國內的這些研究機構正在從理論和實驗方面迅速發展,逐步開展全息波導頭盔顯示技術的研究。

4 全息波導頭盔顯示關鍵技術

全息波導頭盔顯示關鍵技術包括光學系統設計、全息波導設計和光柵制備技術。

4.1 光學系統設計

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

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

自由曲面全息波導頭盔顯示系統的成像原理與普通光學系統類似,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具有復雜的面形和光柵結構,成像規律將會比較復雜,需要進行進一步研究。

4.2 全息波導設計

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

全息波導的結構和布局是光學系統設計的重要考慮因素,特別是對于自由曲面全息波導頭盔顯示系統。現有的全息波導結構具有多樣性,各有其優缺點,要根據實際需要選擇合理的結構型式,最終目標是實現自由曲面全息波導顯示。

4.3 光柵制備技術

全息光柵的制備是保證系統成像質量的關鍵。高質量的全息光柵,能夠保證高的衍射效率和像質。為了完善全息波導成像方法,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（威茲曼科學院）、體全息光柵（Sony、BAE）、傾斜光柵（諾基亞）、區域編碼光柵（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。根據目前已經產品化的情況,體全息光柵是一種具有發展前途的全息光柵。然而,要實現全息波導的標準化和產品化,還需要研究光柵的低成本復制工藝。新型的多層薄膜波導具有價格低廉和易于制造的優點。因此,多層薄膜波導［27］也將會在頭盔顯示技術中具有較好的發展空間。

5 結束語

全息波導頭盔顯示技術是最先進的頭盔顯示技術,是未來頭盔顯示領域的重點發展對象。在第四代軍用戰機中,全息波導頭盔顯示技術已經顯示出強大的競爭力并在不斷向前發展。目前國內已經有一些單位開展了全息波導頭盔顯示技術的研究,然而并未發布實用性的產品。

但是,國內已經具有了全息光柵的研發能力,并且在光學鍍膜技術方面擁有了強大的能力,因而國內已經具備研發新一代全息波導頭盔顯示技術的條件。相信在不久的將來,國內也將會研發出全息波導頭盔顯示系統并裝備我國的新型戰機,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設計方面的研究。E-mail：zengfei_008@163.com

張 新（1968-）,男,吉林省吉林市人,博士,教授,博士生導師,主要從事非常規復雜光學系統設計等方面的研究。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

國家自然科學基金資助項目（No.61007009）