集成潛水面罩近眼顯示的設計思路

劉錦劍

（上海船舶電子設備研究所，上海 201108）

0 引言

在特殊潛水任務中，包括進行水下搜救、水下作業、海洋探索等活動時，手持攝像機等顯示設備，測量設備在能見度極低的情況下幾乎無法使用，潛水員亟待需要看到水下環境、生命體征、深度、聲納探測等實時信息，這時就需要具備增強現實顯示的潛水面罩或頭盔進行輔助信息顯示。

目前，真正投入生產及使用的基于增強現實顯示技術的潛水面罩或集成式頭盔尚未成型。國內外尚處于原理樣機階段的僅有美國海軍正在研究的新項目——潛水員增強現實顯示器，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、生命體征、方位等數據，并將其顯示到潛水員眼前，為潛水員提供所需的數據資料[1]。樣機如圖1所示。

圖1 潛水員增強現實顯示器

針對提高潛水員水下工作的效率，保證潛水員的安全的必要性，本文提出兩種結合潛水面罩的近眼顯示的原理性設計思路，為之后產品設計提供理論依據。

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是分開的，潛水員通過嘴巴呼吸。在正對嘴唇處可以安裝通話器。面罩適用與開式潛水系統，也可通過改裝轉換接頭與閉式潛水系統連接。面罩外形如圖2所示。全面罩護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+幾何波導鏡片式

將AR眼鏡通過連接件集成到潛水面罩上，用于顯示聲納信號與圖像處理后的圖像源信息，眼鏡的供電依靠聲納發射機的鋰電池。可設計成單目式或雙目顯示。雙目顯示優于單目顯示，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 設計方案

總體設計思路即聲納接收到的回波信號通過圖像處理后的圖像源通過目鏡系統準直后的光線耦合其中，光線以滿足全反射條件在波導鏡片中傳播,最后通過波導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，同時前方外部景象也可以透過組合鏡進入人眼[2]。如圖3所示。

圖3 原理圖

2.1.1 光學設計

采用全面罩與AR眼鏡結合的形式，只需考慮AR眼鏡的光學設計。視頻眼鏡的設計需考慮出瞳距離、出瞳直徑、雙眼瞳距、視場等設計參數[5,8-9]。

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

根據大多數人群的眼睛視覺特性、理論參數及指標公式，選定及設定幾何波導鏡片的重要參數，設計中需要根據各參數的實際使用要求進行權衡。各參數如表1所示。

表1 視頻眼鏡設計參數

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

為抑制光線在水平波導中傳播時產生的雜光反射而形成鬼像，水平波導基底中半透膜需要經過特殊的膜系設計，使得反射率在滿足以上關系的同時減小其他角度入射光的反射率。

2.1.2 結構外觀設計

在結構設計時，需配合INTERSPIRO-MKII全面罩的外觀形式，將準直透鏡系統設置在護目鏡外框兩邊，內部是水平波導鏡片和垂直波導鏡片，中間通過框架連接。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擔，更擴大潛航視野，可采取潛水面罩的護目鏡直接投射的方式。前提是潛水面罩的護目鏡內表面要進行工藝改進，其方法是鍍一層全息膜。然后配合目前較為先進的DLP微投影光機，可實現將潛水面罩自身作為AR顯示屏。進一步實現輕小化。

3.1 設計方案

DLP技術是一種微機電（MEMS）技術，通過數字微鏡裝置DMD進行調光。DMD的每個微鏡代表一個像素，獨立進行調制，與色序照明保持同步[4]。基于DLP技術的芯片具有高分辨率，低功耗，具有非常強的圖像處理功能，可以很好地滿足尺寸要求緊湊的顯示系統。高速、低延遲，DMD每個微鏡每秒可以翻轉數千次，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，分辨率為1280×720pixels，尺寸是6.1614mm×3.888mm，單個像素尺寸為5.4μm[3]。

總體方案是led的光源經過照明鏡頭入射到DMD作為微顯示器上，經過DMD的微反射鏡反射經過成像鏡頭，然后通過分光片，形成兩路光線經過反射鏡1、反射鏡2、反射鏡3到達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，同時也可透過面罩看見外部真實信息。結構形式示意圖如圖5所示。

圖5 光路結構形式示意圖

3.2 光學設計

根據潛水面罩的結構尺寸，可在護目鏡水平方向上投影50mm長的圖像尺寸，由于DMD的分辨率長寬比為16：9，故可在護目鏡上投影50mm長，28mm寬的圖像尺寸。根據大多數人群的眼睛視覺特性、理論參數及指標公式，選定及設定該光學系統的重要參數，設計中需要根據各參數的實際使用要求進行權衡[7]。各參數如表2所示。

表2 DLP 投影光學系統設計參數

5 結論

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