一種新型頭盔顯示技術——波導光學元件

鮮 勇

(海軍駐洛陽地區(qū)航空代表室，河南 洛陽 471000)

0 引言

隨著機載座艙顯示技術的發(fā)展，頭盔顯示技術越來越展示出其巨大的應用價值和發(fā)展?jié)摿?。其中，透射式顯示，尤其是護目鏡透射準直顯示技術，是目前該技術的主流方向，但是其光學系統(tǒng)笨重且占據(jù)頭盔內大量空間。為了適應頭盔顯示器輕型化、小型化的發(fā)展趨勢和要求，技術界提出了采用波導集成顯示的新方法，即波導光學元件(Light-guide Optical Element，LOE)。該技術也是近年來熱點研究領域，其以超輕便性、高集成性在眾多目視光學儀器中都有應用，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攻擊機的頭盔顯示器［5］等，都是基于LOE技術開發(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前波導顯示發(fā)展水平，與傳統(tǒng)的頭顯和平顯相比，有著巨大的優(yōu)勢:顯示出瞳(或頭部運動范圍)增大;中繼光學系統(tǒng)重量、體積較小;能提供更大的顯示視場;能夠實現(xiàn)彩色顯示。

本文重點介紹了LOE顯示技術的原理，并就當前該技術的發(fā)展情況進行了闡述。

1 LOE簡介

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窮遠的光學模塊最重要的應用就是在頭盔顯示器上。圖像源產(chǎn)生的圖像經(jīng)過中繼準直系統(tǒng)進入LOE，在LOE中經(jīng)過半反射與全反射后透射于人眼。傳統(tǒng)的頭盔顯示器光學系統(tǒng)，隨著設計視場的增大，系統(tǒng)的重量、體積都會增加，而LOE技術的出現(xiàn)，可為大視場、彩色顯示頭盔顯示器光學系統(tǒng)的設計提供一種全新的解決方案。

圖1所示為LOE系統(tǒng)組成示意圖。LOE包含一塊透明的平板光學基板，其內部植入一組半反射半透射面，由像源生成的圖像耦合進入LOE基板，在基板內部單向進行全反射，最后在人眼觀察位置經(jīng)過一組半反半透面，圖像經(jīng)過擴展后耦合出射至人眼，從而使佩帶者可以看到一幅大視場的準直圖像。

由于LOE采用了波導傳輸?shù)脑O計理念，所以具有超輕便性、高集成性等優(yōu)點。LOE的輸出區(qū)域采用多層反射膜的結構，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 初級折疊光學結構

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

圖3 初級折疊光學系統(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)過準直鏡組的折射后，變?yōu)闇手逼叫泄馊肷涞讲▽Щ稀Ｒ云叫杏跍手辩R組光軸的主光線為例，主光線垂直入射進基片，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，進入人眼，第一和第二反射面的作用分別是把光束耦合進入和離開波導基片。盡管采用這種光學系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了結構緊湊的優(yōu)點，但是該結構存在一些不可避免的問題，如視場范圍受到限制。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，那么光線在到達第二反射面之前會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。所以當光線進入第二反射面時由于角度發(fā)生了偏差，會導致鬼像的出現(xiàn)。因此該系統(tǒng)的最大視場為

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，如果要實現(xiàn)8°的小視場范圍，基片的厚度需要達到12 mm。

2.2 LOE光學結構

為了增大視場和出瞳，LOE技術改進了初級折疊光學系統(tǒng)的光束直接傳輸和單次反射輸出方式，采用了波導全反射傳輸和多次反射輸出的方式［1-4］。因此LOE與前述光學系統(tǒng)的最大區(qū)別有兩點: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位置經(jīng)過多次反射耦合輸出，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限制，能夠增加輸出視場。LOE的工作過程為:像源發(fā)出的光束經(jīng)準直鏡組折射后，變?yōu)闇手逼叫泄馊肷涞讲▽Щ?以平行于準直鏡組光軸的主光線為例)，主光線垂直入射進基片，經(jīng)第一反射面的反射后偏轉方向，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)過基片表面的幾次全反射后，光線到達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。設主光線經(jīng)過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，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，受全反射限制無法耦合輸出，在基片內產(chǎn)生了一個新的光線方向，會導致鬼像。

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了契機。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實現(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 國外LOE技術的發(fā)展

3.1 軍事應用

早在2007年，美國國家防空與空軍儲備測試中心(AATC)提出原有的聯(lián)合頭盔指示系統(tǒng)(JHMCS)已不能滿足A-10C攻擊機的使用要求，需要開發(fā)一種新型頭盔瞄準顯示系統(tǒng)(HMCS)，Gentex公司與洛克希德-馬丁公司聯(lián)合承擔了這項研制工作，并提出了一種采用全新技術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，被稱為天蝎(Scorpion)頭盔瞄準顯示系統(tǒng)［5］。目前，第一代Scorpion HMCS正在接受作戰(zhàn)評估測試，第二代Scorpion HMCS正在接受氣流吹襲實驗。Scorpion HMCS的顯示組件被稱為天蝎顯示模塊(Scorpion Display Module，SDM)，如圖7a所示，是基于LOE技術開發(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，可實現(xiàn)全彩色，高亮度，達到SVGA(800×600)分辨率顯示，上下式半框架結構設計，由于無底邊框遮攔，對周邊視覺不造成影響，作為一種增強現(xiàn)實型顯示裝置，非常適合在頭盔設備上安裝使用。PD-18顯示器技術指標如表2所示。

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

表2 PD-18顯示器技術指標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年下半年投入銷售市場。Video Eyeglass是一款娛樂型顯示產(chǎn)品，采用虛擬顯示技術。系統(tǒng)由兩個顯示像源與兩塊LOE透鏡組成，圖像源產(chǎn)生的圖像通過LOE透鏡成像;用戶可在眼前看到放大的顯示畫面，效果相當于在3 m遠的地方觀看60″的顯示屏，使用者相當于將一臺電視帶在身邊。用戶可通過此產(chǎn)品看視頻，減輕因觀看過小的顯示畫面(如MP4、PSP等)而產(chǎn)生的眼疲勞。圖10給出了該產(chǎn)品的典型畫面。

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

Video Eyeglasses系列產(chǎn)品的性能指標如表3所示。

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

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

4 結論

頭盔顯示器系統(tǒng)是一項涵蓋和涉及多個學科的高技術含量的綜合系統(tǒng)工程，任何一款頭盔顯示器都是各類先進技術成果的結晶。目前普遍采用目鏡與護目鏡組合的光學系統(tǒng)結構，由于占據(jù)較大空間和系統(tǒng)重量，嚴重制約了頭盔顯示器朝著輕型化、小型化發(fā)展。

LOE顯示技術是未來發(fā)展的趨勢，可以實現(xiàn)小型化、輕型化和全彩色顯示，通過結構改進可以消除鬼像，增加視場、降低厚度。盡管目前技術還不夠成熟，但是隨著科學技術的發(fā)展以及科研工作者的努力，一定能夠實現(xiàn)顯示系統(tǒng)的小型化、輕型化、高亮度、高透過率、大視場、低成本等目標，成為透射式頭盔顯示器未來發(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.