淺析機載全息波導(dǎo)瞄準(zhǔn)顯示技術(shù)
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作者：鄭曉敏
傳統(tǒng)的機載瞄準(zhǔn)顯示系統(tǒng)采用的是投射式顯示原理，系統(tǒng)視場、眼盒等關(guān)鍵性能提升是以系統(tǒng)體積、重量成倍增加為代價的。對飛機的座艙安裝空間要求苛刻，同時，笨重的頭盔顯示器對飛行員的頸部造成了非常沉重的負(fù)擔(dān)，在飛行員高速彈射時存在生命安全隱患。
全息波導(dǎo)瞄準(zhǔn)顯示技術(shù)通過采用集成化的全息波導(dǎo)元件，依靠全息光柵的衍射分光，實現(xiàn)對光能信息的逐次分配，在增大系統(tǒng)眼盒的同時可以大幅減輕系統(tǒng)重量，減小體積，在機載瞄準(zhǔn)顯示領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景：
1 概念和內(nèi)涵
如圖1所示，由像源發(fā)出的光波經(jīng)準(zhǔn)直成像消像差后，通過耦合器件耦合進入波導(dǎo)區(qū)。入射到全息膜后，部分光能衍射耦合出射，成像于無窮遠(yuǎn)處，剩余光能則繼續(xù)在波導(dǎo)區(qū)按“Z”字路線傳輸，并在下一區(qū)繼續(xù)衍射和傳輸，由全息膜和波導(dǎo)共同構(gòu)成一個具有大觀察范圍、小體積的光學(xué)成像器件，通過波面轉(zhuǎn)換完成成像顯示。
全息波導(dǎo)顯示技術(shù)可以實現(xiàn)小體積、輕重量和大觀察范圍顯示：1）光學(xué)系統(tǒng)簡潔，準(zhǔn)直光學(xué)透鏡口徑小，采用集成化的全息波導(dǎo)元件，可將光學(xué)系統(tǒng)重量減輕50%；2）光波傳輸過程中損失少，光能利用率提高30%；3)同一視場光線在整個全息波導(dǎo)器件上經(jīng)多次衍射后顯示，觀察范圍可提高2倍以上。
圖2以頭盔顯示器為例，對比了傳統(tǒng)頭盔顯示器和全息波導(dǎo)頭盔顯示器的光路圖。從圖中可以看出，全息波導(dǎo)頭盔顯示器采用集成化的全息波導(dǎo)元件，在減少元件數(shù)量的同時，可以大幅增大系統(tǒng)出瞳（眼盒）。
2研究現(xiàn)狀
2.1 國外研究現(xiàn)狀
BAE公司從事全息波導(dǎo)瞄準(zhǔn)顯示技術(shù)研究已有約20年，是從事全息波導(dǎo)瞄準(zhǔn)顯示技術(shù)研究的領(lǐng)跑者。經(jīng)過10年左右的技術(shù)積累，于2007年11月，首次公開報導(dǎo)了研制的Q-Sight 100全息波導(dǎo)頭盔顯示器，引起業(yè)界震驚，這也成為了全息波導(dǎo)顯示技術(shù)在機載瞄準(zhǔn)顯示領(lǐng)域應(yīng)用的里程碑。截止目前，BAE公司產(chǎn)品日趨豐富，涵蓋了機載單、雙目頭盔顯示器和單兵頭盔顯示器，并于2013年底研制出彩色全息波導(dǎo)頭盔顯示器。全息波導(dǎo)頭盔顯示器已有部分產(chǎn)品進行了試飛并獲得了裝備，如圖3所示。
BAE公司研制的全息波導(dǎo)平視顯示器（見圖4）于2013年在范堡羅航展上進行了首次展出，系統(tǒng)體積較傳統(tǒng)的平視顯示器大幅縮小。該型平視顯示器的主要顯示性能指標(biāo)如下：視場為25°×20°；分辨率為1280像素×1024像素；字符亮度為2000 ft/L。
日本SONY公司早在2009年就推出了其研制的全息波導(dǎo)型透視眼鏡Eyeglass，直到2014年才正式將Smart Eyeglass推向市場。該眼鏡采用光致聚合物作為全息記錄材料，其視場為19°×6°，分辨率419像素×318像素，亮度1000 Cd／r12，重量77 g，綠色顯示（見圖5）。
韓國Chungbuk大學(xué)也先后報導(dǎo)了其在全息波導(dǎo)顯示領(lǐng)域的研究進展，該大學(xué)樸美蘭等人采用BayfolHX光致聚合物作為全息記錄材料，開發(fā)了彩色全息波導(dǎo)顯示系統(tǒng)，如圖6所示。
2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀
目前，國內(nèi)的全息波導(dǎo)瞄準(zhǔn)顯示技術(shù)處于起步階段，主要開展了系統(tǒng)設(shè)計和原理驗證實驗.
國內(nèi)某些大學(xué)側(cè)重于彩色全息波導(dǎo)顯示技術(shù)研究，選用的全息記錄材料為光致聚合物，這種材料具有感光快、無須化學(xué)處理等優(yōu)點，但是溫度變化會對顯示效果造成非常顯著的影響 圖7為兩個彩色全息波導(dǎo)顯示實驗的結(jié)果。
國內(nèi)某研究所也曾開展全息波導(dǎo)頭盔顯示技術(shù)研究，在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、仿真方面進行了大量的研究工作，設(shè)計出視場為20°×20°，出瞳為20 mm×20 mm的顯示系統(tǒng)。
3關(guān)鍵技術(shù)
全息波導(dǎo)瞄準(zhǔn)顯示技術(shù)涵蓋了光學(xué)、數(shù)學(xué)、化學(xué)、機械、電子等諸多專業(yè)，涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾項。
3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計技術(shù)
系統(tǒng)總體設(shè)計技術(shù)涉及全息波導(dǎo)瞄準(zhǔn)顯示系統(tǒng)在座艙或盔體內(nèi)的空間布局，尤其對頭盔顯示器顯得更為重要。對于殲擊機頭盔顯示器，空戰(zhàn)中近距離格斗需要飛行員駕駛戰(zhàn)機進行大機動過載，如英國臺風(fēng)戰(zhàn)機可進行9g過載機動�，F(xiàn)代戰(zhàn)斗機飛行員佩戴的頭盔由于附加了瞄準(zhǔn)顯示系統(tǒng)，使得頭盔瞄準(zhǔn)顯示系統(tǒng)重量增加，導(dǎo)致飛行員頸部承受的重量加劇，做大機動過載動作時易發(fā)生生命危險。因此，全息波導(dǎo)頭盔瞄準(zhǔn)顯示系統(tǒng)應(yīng)該比傳統(tǒng)頭盔瞄準(zhǔn)顯示系統(tǒng)具有更優(yōu)的空間布局，以減輕顯示組件對頭盔瞄準(zhǔn)顯示系統(tǒng)重心偏移的影響。此外，全息波導(dǎo)瞄準(zhǔn)顯示系統(tǒng)還必須有好的外形，以避免飛行員彈射時高速氣流吹襲造成頸部拉傷。同時，全息波導(dǎo)瞄準(zhǔn)顯示屬于目鏡式顯示，總體設(shè)計需要考慮如何與護目鏡銜接，避免元件對飛行員造成傷害。
3.2大視場光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)
光學(xué)設(shè)計常用的設(shè)計軟件有CODE V和ZEMAX等，這些軟件采用的計算公式默認(rèn)體全息兩側(cè)為空氣介質(zhì)（非波導(dǎo)介質(zhì)），全息波導(dǎo)瞄準(zhǔn)顯示光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計僅靠現(xiàn)有的上述商用軟件難以完整地完成系統(tǒng)設(shè)計工作。為此，BAE公司獨立開發(fā)了專用設(shè)計軟件，該軟件在ZEMAX等軟件設(shè)計的基礎(chǔ)上，能夠完成系統(tǒng)光線追跡和光學(xué)性能計算。
顯示視場是瞄準(zhǔn)顯示系統(tǒng)的一個關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。理論上，視場與波導(dǎo)材料折射率直接相關(guān)，折射率越大，視場越大，但波導(dǎo)材料折射率有限，僅靠選取折射率高的材料增大視場作用有限，增大系統(tǒng)視場還須從以下兩個方面人手。
1)改變系統(tǒng)構(gòu)型。構(gòu)型合適是設(shè)計結(jié)果理想的前提。BAE公司先后提出了3種構(gòu)型，即雙波導(dǎo)片式、波導(dǎo)桿+波導(dǎo)板式、單片式（見圖8），這3種構(gòu)型的視場等性能指標(biāo)逐步提高。尤其是單片式構(gòu)型，目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)50°×30°的視場。
相比前兩種構(gòu)型，單片式全息波導(dǎo)元件可以進一步減輕系統(tǒng)重量，減小系統(tǒng)體積，同時由于避免了光波在不同全息波導(dǎo)元件之間的耦合，可以有效提高能量利用率。采用該技術(shù)的全息波導(dǎo)頭盔顯示器具有系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕、亮度高的優(yōu)點，系統(tǒng)人機工效好。
2)改變光柵結(jié)構(gòu)。全息波導(dǎo)顯示依靠光柵的分光作用，實現(xiàn)了對能量的逐次再分配。通過改變光柵結(jié)構(gòu)，可以在一定程度上壓縮邊緣視場的衍射角度差，增大波導(dǎo)對不同衍射角度光線的約束能力，從而增大系統(tǒng)視場。
3.3均勻顯示技術(shù)
均勻顯示涉及兩方面內(nèi)容，即位置均勻顯示技術(shù)和角度均勻顯示技術(shù)。如圖9所示，位置均勻顯示技術(shù)指同一方向信息在不同位置的顯示亮度均勻性一為保證位置均勻性滿足國軍標(biāo)要求，需要嚴(yán)格控制全息波導(dǎo)光柵在不同位置的衍射效率。
如圖10所示，角度均勻性是指在同一觀察位置，不同視場（角度）顯示信息的亮度一致性。不同類型的全息光柵具有不同的角度選擇性，如對體全息光柵，其角度選擇性比較小，偏離布拉格角度的光線衍射效率急劇下降，難以滿足大視場顯示需求，需要進行角帶寬拓展。
因此，機載全息波導(dǎo)瞄準(zhǔn)顯示需要統(tǒng)籌考慮位置均勻性和角度均勻性，既需要對不同位置的全息光柵衍射效率進行優(yōu)化，又需要對全息光柵的衍射角帶寬進行拓展。
3.4高亮像源技術(shù)
機載瞄準(zhǔn)顯示系統(tǒng)可以選用的像源主要有CRT，LCD，OLED，LCoS等，其中，LCD正在逐步替代CRT成為主流像源。對于全息波導(dǎo)瞄準(zhǔn)顯示系統(tǒng)，能量通過全息波導(dǎo)元件進行了一定空間范圍內(nèi)的多次分配，根據(jù)能量利用率分析，單次顯示的能量利用率僅為像源出射能量的3%~5%，因此，該型系統(tǒng)對像源的基本要求是高亮。LCoS像源采用高亮LED或激光作為背光照明，可以實現(xiàn)數(shù)倍于LCD的亮度，適用于全息波導(dǎo)頭盔顯示器。BAE公司采用Jasper公司生產(chǎn)的0.55 in(1 in =2.54 cm) LCoS像源，其分辨率為1920像素×1080像素，背光則選用了Imagine公司的PT54 525 nm LED。目前，BAE公司正在研制0.7 in，分辨率為4096像素×2400像素的超高分辨率LCoS像源。對于全息波導(dǎo)平視顯示器，BAE公司則選用了DMD像源，相比CRT，LCD，OLFD和I．CoS像源，DMD像源采用Nd-Yag激光作為光源，其亮度可以達(dá)到LCD像源的20倍，具有高亮、結(jié)構(gòu)緊湊、分辨率高的優(yōu)點，適用于全息波導(dǎo)平視顯示器。
3.5 全息波導(dǎo)元件制備技術(shù)
全息波導(dǎo)元件作為系統(tǒng)的核心組件，其制備不同于衍射平視顯示器上的全息組合鏡，環(huán)境因素和曝光參數(shù)對元件的性能影響較大。BAE公司在進行原理驗證研究階段，選用了衍射效率高、技術(shù)上成熟的重鉻酸鹽明膠( DCG)，之后隨著技術(shù)的不斷進步，采取“壓印”批量復(fù)制的技術(shù)，不僅可以提高生產(chǎn)效率，也保證了元件的一致性。目前，BAE公司采用“壓印”技術(shù)批量復(fù)制的單片式全息波導(dǎo)元件已經(jīng)成功應(yīng)用于機載頭盔瞄準(zhǔn)顯示系統(tǒng)上。日本SONY公司和韓國Chungbuk大學(xué)雖然也開展了全息波導(dǎo)頭盔顯示元件制備技術(shù)研究工作，但采用的全息記錄材料均為光致聚合物，這類材料具有曝光時間短、感光度高、無需化學(xué)處理的優(yōu)點，但也存在外景透過率偏低、光能吸收嚴(yán)重等問題，并且對溫度變化較為敏感，不適用于機載瞄準(zhǔn)顯示器應(yīng)用。
4發(fā)展趨勢
自2007年底BAE公司首次將全息波導(dǎo)顯示技術(shù)應(yīng)用于頭盔顯示器后，該項技術(shù)已經(jīng)日益引起世界各航空軍事大國從事機載瞄準(zhǔn)顯示系統(tǒng)研制單位的重視。美軍F-35飛機擬列裝的GⅡ頭盔顯示器由于存在短時間內(nèi)難以解決的問題，將BAE公司的方案列為備選對象。相信在不久的將來，隨著技術(shù)的不斷進步，全息波導(dǎo)瞄準(zhǔn)顯示技術(shù)必將在陸、海、空三軍取得廣泛應(yīng)用。
根據(jù)技術(shù)特征分析，全息波導(dǎo)顯示屬于目鏡式顯示，該技術(shù)未來將首先在武裝直升機上取得應(yīng)用，取代傳統(tǒng)型頭盔顯示器和平視顯示器，在減輕飛行員頸部負(fù)擔(dān)的同時，增大系統(tǒng)眼盒，減小系統(tǒng)安裝空間。由于殲擊機飛行員要駕駛戰(zhàn)機做出大過載機動飛行，且面對威脅生命安全問題時需要高速彈射出艙，因此，殲擊機頭盔顯示器需要采用護目鏡式顯示。全息波導(dǎo)顯示技術(shù)未來將結(jié)合殲擊機的特殊使用要求，實現(xiàn)元件和護目鏡的集成。此外，全息波導(dǎo)顯示技術(shù)還將應(yīng)用于大型軍用運輸機，取代吊裝式平視顯示器，大幅縮小座艙安裝空間。
5結(jié)束語
全息波導(dǎo)瞄準(zhǔn)顯示技術(shù)依靠集成化的全息波導(dǎo)元件，在實現(xiàn)顯示信息空間逐次分布的同時，大幅減輕光學(xué)系統(tǒng)重量，增大系統(tǒng)眼盒，有利于提高飛行員的戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力，減輕飛行員駕駛疲勞，提高作戰(zhàn)效能。全息波導(dǎo)瞄準(zhǔn)顯示技術(shù)從原理上顛覆了傳統(tǒng)的瞄準(zhǔn)顯示技術(shù)，隨著技術(shù)的不斷進步，未來必將取得廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)生顯著的軍事、經(jīng)濟效益。相信在不久的將來，國內(nèi)對機載瞄準(zhǔn)顯示設(shè)備的研究也將取得長足發(fā)展，從而縮短與軍事發(fā)達(dá)國家的差距。
6摘要：首先闡述了機載全息波導(dǎo)瞄準(zhǔn)顯示技術(shù)的概念和內(nèi)涵，說明了其技術(shù)特征和優(yōu)勢，介紹了該技術(shù)目前的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。分析了機載全息波導(dǎo)瞄準(zhǔn)顯示涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，并對各關(guān)鍵技術(shù)進行了說明。在此基礎(chǔ)上，分析了機載全息波導(dǎo)瞄準(zhǔn)顯示技術(shù)的發(fā)展趨勢和未來的突破口，最后，對該項技術(shù)進行了展望。
