浅析机载全息波导瞄准显示技术

作者：郑晓敏  

  传统的机载瞄准显示系统采用的是投射式显示原理，系统视场、眼盒等关键性能提升是以系统体积、重量成倍增加为代价的。对飞机的座舱安装空间要求苛刻，同时，笨重的头盔显示器对飞行员的颈部造成了非常沉重的负担，在飞行员高速弹射时存在生命安全隐患。

  全息波导瞄准显示技术通过采用集成化的全息波导元件，依靠全息光栅的衍射分光，实现对光能信息的逐次分配，在增大系统眼盒的同时可以大幅减轻系统重量，减小体积，在机载瞄准显示领域具有广阔的应用前景：

1  概念和内涵

  如图1所示，由像源发出的光波经准直成像消像差后，通过耦合器件耦合进入波导区。入射到全息膜后，部分光能衍射耦合出射，成像于无穷远处，剩余光能则继续在波导区按“Z”字路线传输，并在下一区继续衍射和传输，由全息膜和波导共同构成一个具有大观察范围、小体积的光学成像器件，通过波面转换完成成像显示。

全息波导显示技术可以实现小体积、轻重量和大观察范围显示：1）光学系统简洁，准直光学透镜口径小，采用集成化的全息波导元件，可将光学系统重量减轻50%；2）光波传输过程中损失少，光能利用率提高30%；3)同一视场光线在整个全息波导器件上经多次衍射后显示，观察范围可提高2倍以上。

  图2以头盔显示器为例，对比了传统头盔显示器和全息波导头盔显示器的光路图。从图中可以看出，全息波导头盔显示器采用集成化的全息波导元件，在减少元件数量的同时，可以大幅增大系统出瞳（眼盒）。

2研究现状

2.1  国外研究现状

  BAE公司从事全息波导瞄准显示技术研究已有约20年，是从事全息波导瞄准显示技术研究的领跑者。经过10年左右的技术积累，于2007年11月，首次公开报导了研制的Q-Sight 100全息波导头盔显示器，引起业界震惊，这也成为了全息波导显示技术在机载瞄准显示领域应用的里程碑。截止目前，BAE公司产品日趋丰富，涵盖了机载单、双目头盔显示器和单兵头盔显示器，并于2013年底研制出彩色全息波导头盔显示器。全息波导头盔显示器已有部分产品进行了试飞并获得了装备，如图3所示。

  BAE公司研制的全息波导平视显示器（见图4）于2013年在范堡罗航展上进行了首次展出，系统体积较传统的平视显示器大幅缩小。该型平视显示器的主要显示性能指标如下：视场为25°×20°；分辨率为1280像素×1024像素；字符亮度为2000 ft/L。

  日本SONY公司早在2009年就推出了其研制的全息波导型透视眼镜Eyeglass，直到2014年才正式将Smart Eyeglass推向市场。该眼镜采用光致聚合物作为全息记录材料，其视场为19°×6°，分辨率419像素×318像素，亮度1000 Cd／r12，重量77 g，绿色显示（见图5）。

  韩国Chungbuk大学也先后报导了其在全息波导显示领域的研究进展，该大学朴美兰等人采用BayfolHX光致聚合物作为全息记录材料，开发了彩色全息波导显示系统，如图6所示。

2.2国内研究现状

  目前，国内的全息波导瞄准显示技术处于起步阶段，主要开展了系统设计和原理验证实验.

  国内某些大学侧重于彩色全息波导显示技术研究，选用的全息记录材料为光致聚合物，这种材料具有感光快、无须化学处理等优点，但是温度变化会对显示效果造成非常显著的影响  图7为两个彩色全息波导显示实验的结果。

国内某研究所也曾开展全息波导头盔显示技术研究，在光学系统设计、仿真方面进行了大量的研究工作，设计出视场为20°×20°，出瞳为20 mm×20 mm的显示系统。

3关键技术

  全息波导瞄准显示技术涵盖了光学、数学、化学、机械、电子等诸多专业，涉及的关键技术主要有以下几项。

3.1  系统总体设计技术

  系统总体设计技术涉及全息波导瞄准显示系统在座舱或盔体内的空间布局，尤其对头盔显示器显得更为重要。对于歼击机头盔显示器，空战中近距离格斗需要飞行员驾驶战机进行大机动过载，如英国台风战机可进行9g过载机动。现代战斗机飞行员佩戴的头盔由于附加了瞄准显示系统，使得头盔瞄准显示系统重量增加，导致飞行员颈部承受的重量加剧，做大机动过载动作时易发生生命危险。因此，全息波导头盔瞄准显示系统应该比传统头盔瞄准显示系统具有更优的空间布局，以减轻显示组件对头盔瞄准显示系统重心偏移的影响。此外，全息波导瞄准显示系统还必须有好的外形，以避免飞行员弹射时高速气流吹袭造成颈部拉伤。同时，全息波导瞄准显示属于目镜式显示，总体设计需要考虑如何与护目镜衔接，避免元件对飞行员造成伤害。

3.2大视场光学系统设计技术

  光学设计常用的设计软件有CODE V和ZEMAX等，这些软件采用的计算公式默认体全息两侧为空气介质（非波导介质），全息波导瞄准显示光学系统设计仅靠现有的上述商用软件难以完整地完成系统设计工作。为此，BAE公司独立开发了专用设计软件，该软件在ZEMAX等软件设计的基础上，能够完成系统光线追迹和光学性能计算。

  显示视场是瞄准显示系统的一个关键技术指标。理论上，视场与波导材料折射率直接相关，折射率越大，视场越大，但波导材料折射率有限，仅靠选取折射率高的材料增大视场作用有限，增大系统视场还须从以下两个方面人手。

  1)改变系统构型。构型合适是设计结果理想的前提。BAE公司先后提出了3种构型，即双波导片式、波导杆+波导板式、单片式（见图8），这3种构型的视场等性能指标逐步提高。尤其是单片式构型，目前已经能够实现50°×30°的视场。

  相比前两种构型，单片式全息波导元件可以进一步减轻系统重量，减小系统体积，同时由于避免了光波在不同全息波导元件之间的耦合，可以有效提高能量利用率。采用该技术的全息波导头盔显示器具有系统体积小、质量轻、亮度高的优点，系统人机工效好。

  2)改变光栅结构。全息波导显示依靠光栅的分光作用，实现了对能量的逐次再分配。通过改变光栅结构，可以在一定程度上压缩边缘视场的衍射角度差，增大波导对不同衍射角度光线的约束能力，从而增大系统视场。

3.3均匀显示技术

  均匀显示涉及两方面内容，即位置均匀显示技术和角度均匀显示技术。如图9所示，位置均匀显示技术指同一方向信息在不同位置的显示亮度均匀性一为保证位置均匀性满足国军标要求，需要严格控制全息波导光栅在不同位置的衍射效率。

  如图10所示，角度均匀性是指在同一观察位置，不同视场（角度）显示信息的亮度一致性。不同类型的全息光栅具有不同的角度选择性，如对体全息光栅，其角度选择性比较小，偏离布拉格角度的光线衍射效率急剧下降，难以满足大视场显示需求，需要进行角带宽拓展。

因此，机载全息波导瞄准显示需要统筹考虑位置均匀性和角度均匀性，既需要对不同位置的全息光栅衍射效率进行优化，又需要对全息光栅的衍射角带宽进行拓展。

3.4高亮像源技术

  机载瞄准显示系统可以选用的像源主要有CRT，LCD，OLED，LCoS等，其中，LCD正在逐步替代CRT成为主流像源。对于全息波导瞄准显示系统，能量通过全息波导元件进行了一定空间范围内的多次分配，根据能量利用率分析，单次显示的能量利用率仅为像源出射能量的3%~5%，因此，该型系统对像源的基本要求是高亮。LCoS像源采用高亮LED或激光作为背光照明，可以实现数倍于LCD的亮度，适用于全息波导头盔显示器。BAE公司采用Jasper公司生产的0.55 in(1 in =2.54 cm) LCoS像源，其分辨率为1920像素×1080像素，背光则选用了Imagine公司的PT54 525 nm LED。目前，BAE公司正在研制0.7 in，分辨率为4096像素×2400像素的超高分辨率LCoS像源。对于全息波导平视显示器，BAE公司则选用了DMD像源，相比CRT，LCD，OLFD和I．CoS像源，DMD像源采用Nd-Yag激光作为光源，其亮度可以达到LCD像源的20倍，具有高亮、结构紧凑、分辨率高的优点，适用于全息波导平视显示器。

3.5  全息波导元件制备技术

  全息波导元件作为系统的核心组件，其制备不同于衍射平视显示器上的全息组合镜，环境因素和曝光参数对元件的性能影响较大。BAE公司在进行原理验证研究阶段，选用了衍射效率高、技术上成熟的重铬酸盐明胶( DCG)，之后随着技术的不断进步，采取“压印”批量复制的技术，不仅可以提高生产效率，也保证了元件的一致性。目前，BAE公司采用“压印”技术批量复制的单片式全息波导元件已经成功应用于机载头盔瞄准显示系统上。日本SONY公司和韩国Chungbuk大学虽然也开展了全息波导头盔显示元件制备技术研究工作，但采用的全息记录材料均为光致聚合物，这类材料具有曝光时间短、感光度高、无需化学处理的优点，但也存在外景透过率偏低、光能吸收严重等问题，并且对温度变化较为敏感，不适用于机载瞄准显示器应用。

4发展趋势

  自2007年底BAE公司首次将全息波导显示技术应用于头盔显示器后，该项技术已经日益引起世界各航空军事大国从事机载瞄准显示系统研制单位的重视。美军F-35飞机拟列装的GⅡ头盔显示器由于存在短时间内难以解决的问题，将BAE公司的方案列为备选对象。相信在不久的将来，随着技术的不断进步，全息波导瞄准显示技术必将在陆、海、空三军取得广泛应用。

  根据技术特征分析，全息波导显示属于目镜式显示，该技术未来将首先在武装直升机上取得应用，取代传统型头盔显示器和平视显示器，在减轻飞行员颈部负担的同时，增大系统眼盒，减小系统安装空间。由于歼击机飞行员要驾驶战机做出大过载机动飞行，且面对威胁生命安全问题时需要高速弹射出舱，因此，歼击机头盔显示器需要采用护目镜式显示。全息波导显示技术未来将结合歼击机的特殊使用要求，实现元件和护目镜的集成。此外，全息波导显示技术还将应用于大型军用运输机，取代吊装式平视显示器，大幅缩小座舱安装空间。

5结束语

全息波导瞄准显示技术依靠集成化的全息波导元件，在实现显示信息空间逐次分布的同时，大幅减轻光学系统重量，增大系统眼盒，有利于提高飞行员的战场态势感知能力，减轻飞行员驾驶疲劳，提高作战效能。全息波导瞄准显示技术从原理上颠覆了传统的瞄准显示技术，随着技术的不断进步，未来必将取得广泛的应用，产生显著的军事、经济效益。相信在不久的将来，国内对机载瞄准显示设备的研究也将取得长足发展，从而缩短与军事发达国家的差距。

6摘要：首先阐述了机载全息波导瞄准显示技术的概念和内涵，说明了其技术特征和优势，介绍了该技术目前的国内外研究现状。分析了机载全息波导瞄准显示涉及到的关键技术，并对各关键技术进行了说明。在此基础上，分析了机载全息波导瞄准显示技术的发展趋势和未来的突破口，最后，对该项技术进行了展望。