基于棱镜光栅结构的全息波导头盔显示系统设计

书书书 第３３卷　第９期 光　学　学　报 Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．９ ２０１３年９月 犃犆犜犃犗犘犜犐犆犃犛犐犖犐犆犃 犛犲狆狋犲犿犫犲狉，２０１３ 基于棱镜 光栅结构的全息波导头盔显示系统设计 曾　飞１，２　张　新１　张建萍１　史广维１　曲贺盟１　张继真１ １ 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学系统先进制造技术中国科学院重点实验室，吉林 长春１３００３３ ２ 中国科学院大学，北京（ ）１０００４９ 摘要　为了提高全息光学系统的光学效率，提出用分光棱镜和光栅对图像进行出瞳扩展，并通过双光栅设计改善 光学系统的成像质量。通过光学系统建模，分析了光学系统成像质量并进行仿真。光学系统的视场为２０°×２０°， 出瞳大小为２０ｍｍ×２０ｍｍ，剩余波像差为０．０７５λ，畸变小于０．０１％，调制传递函数（ＭＴＦ）接近衍射限。对于零视 场光学系统的出瞳具有完全均匀辐照度分布，光能利用率约５％～６％。而对于２０°视场系统出瞳辐照度均匀性略 有下降，光能利用率为３％～４％。结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，该全息波导系统显著提高了全息波导头盔显示系统的光能利用率。 并且棱镜波导系统具有高度可行性，可以应用于新一代头盔显示技术。 关键词　光学设计；全息光波导；出瞳扩展；头盔显示 中图分类号　ＴＮ２６　　　文献标识码　Ａ　　　犱狅犻：１０．３７８８／犃犗犛２０１３３３．０９０９００１ 犎狅犾狅犵狉犪狆犺犻犮犠犪狏犲犵狌犻犱犲犎犲犪犱犕狅狌狀狋犲犱犇犻狊狆犾犪狔犛狔狊狋犲犿犇犲狊犻犵狀 犅犪狊犲犱狅狀犘狉犻狊犿狊犌狉犪狋犻狀犵犛狋狉狌犮狋狌狉犲 犣犲狀犵犉犲犻１，２　犣犺犪狀犵犡犻狀１　犣犺犪狀犵犑犻犪狀狆犻狀犵１　犛犺犻犌狌犪狀犵狑犲犻１　犙狌犎犲犿犲狀犵１　犣犺犪狀犵犑犻狕犺犲狀１ １犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犗狆狋犻犮犪犾犛狔狊狋犲犿犃犱狏犪狀犮犲犱犕犪狀狌犳犪犮狋狌狉犻狀犵犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犆犺犪狀犵犮犺狌狀犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犗狆狋犻犮狊， 犉犻狀犲犕犲犮犺犪狀犻犮狊犪狀犱犘犺狔狊犻犮狊，犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿狔狅犳犛犮犻犲狀犮犲狊，犆犺犪狀犵犮犺狌狀，犑犻犾犻狀１３００３３，犆犺犻狀犪 ２犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿狔狅犳犛犮犻犲狀犮犲狊，犅犲犻犼犻狀犵１０００４９， 烄 烆 烌 烎犆犺犻狀犪 犃犫狊狋狉犪犮狋　犐狀狅狉犱犲狉狋狅犲狀犺犪狀犮犲狋犺犲狅狆狋犻犮犪犾犲犳犳犻犮犻犲狀犮狔，狊狆犾犻狋狋犻狀犵狆狉犻狊犿狊犪狀犱犺狅犾狅犵狉犪狆犺犻犮犵狉犪狋犻狀犵狊犪狉犲狌狊犲犱狋狅犲狓狆犪狀犱狋犺犲 犲狓犻狋狆狌狆犻犾．犃狀犱犱狅狌犫犾犲犵狉犪狋犻狀犵犱犲狊犻犵狀犻狊狌狊犲犱狋狅犲狀犺犪狀犮犲狋犺犲犻犿犪犵犲狇狌犪犾犻狋狔．犅狔犿狅犱犲犾犻狀犵狋犺犲狊狔狊狋犲犿 狑犻狋犺狅狆狋犻犮犪犾 犱犲狊犻犵狀狊狅犳狋狑犪狉犲，狋犺犲狅狆狋犻犮犪犾狇狌犪犾犻狋狔犻狊犪狀犪犾狔狕犲犱犪狀犱狊犻犿狌犾犪狋犲犱．犜犺犲狊狔狊狋犲犿犺犪狊犪犳犻犲犾犱狅犳狏犻犲狑（犉犗犞）狅犳２０°×２０°犪狀犱 犪狀犲狓犻狋狆狌狆犻犾狅犳２０犿犿×２０犿犿．犜犺犲狉犲狊犻犱狌犪犾狑犪狏犲犪犫犲狉狉犪狋犻狅狀犻狊犾犲狊狊狋犺犪狀０．０７５λ，狋犺犲犱犻狊狋狅狉狋犻狅狀犻狊犾犲狊狊狋犺犪狀０．０１％， 犪狀犱狋犺犲犿狅犱狌犾犪狋犻狅狀狋狉犪狀狊犳犲狉犳狌狀犮狋犻狅狀犮犾狅狊犲狋狅狋犺犲犱犻犳犳狉犪犮狋犻狅狀犾犻犿犻狋．犉狅狉狋犺犲狕犲狉狅犉犗犞，狋犺犲犲狓犻狋狆狌狆犻犾犺犪狊狌狀犻犳狅狉犿 犻狉狉犪犱犻犪狀犮犲犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狑犻狋犺犪狀狅狆狋犻犮犪犾犲犳犳犻犮犻犲狀犮狔狅犳５％～６％．犉狅狉狋犺犲犉犗犞狅犳２０°，狋犺犲犻狉狉犪犱犻犪狀犮犲狌狀犻犳狅狉犿犻狋狔犱狉狅狆狊 犱狅狑狀狊犾犻犵犺狋犾狔，犪狀犱狋犺犲狅狆狋犻犮犪犾犲犳犳犻犮犻犲狀犮狔犻狊３％～４％．犜犺犲狊犻犿狌犾犪狋犲犱狉犲狊狌犾狋狊狊犺狅狑狋犺犪狋狋犺犲犺狅犾狅犵狉犪狆犺犻犮狑犪狏犲犵狌犻犱犲狊狔狊狋犲犿 犱狉犪犿犪狋犻犮犪犾犾狔犻犿狆狉狅狏犲狊狋犺犲狅狆狋犻犮犪犾犲犳犳犻犮犻犲狀犮狔狅犳狋犺犲犺狅犾狅犵狉犪狆犺犻犮狑犪狏犲犵狌犻犱犲犺犲犪犱犿狅狌狀狋犲犱犱犻狊狆犾犪狔（犎犕犇）狊狔狊狋犲犿．犃犾狊狅狋犺犲 狆狉犻狊犿狊狑犪狏犲犵狌犻犱犲狅狆狋犻犮犪犾狊狔狊狋犲犿犻狊犺犻犵犺犾狔狆狉犪犮狋犻犮犪犾犪狀犱犮犪狀犫犲犪狆狆犾犻犲犱狋狅狋犺犲狀犲狑犵犲狀犲狉犪狋犻狅狀犎犕犇狋犲犮犺狀狅犾狅犵狔． 犓犲狔狑狅狉犱狊　狅狆狋犻犮犪犾犱犲狊犻犵狀；犺狅犾狅犵狉犪狆犺犻犮狅狆狋犻犮犪犾狑犪狏犲犵狌犻犱犲；犲狓犻狋狆狌狆犻犾犲狓狆犪狀犱犻狀犵；犺犲犪犱犿狅狌狀狋犲犱犱犻狊狆犾犪狔 犗犆犐犛犮狅犱犲狊　０９０．２８７０；２２０．４８３０；２３０．５４８０ 　　收稿日期：２０１３０１２３；收到修改稿日期：２０１３０３０７ 基金项目：国家自然科学基金青年科学基金（６１００７００９） 作者简介：曾　飞（１９８３—），男，博士研究生，主要从事光学系统设计方面的研究。Ｅｍａｉｌ：ｚｅｎｇｆｅｉ＠ｃｉｏｍｐ．ａｃ．ｃｎ 导师简介：张　新（１９６８—），男，博士，研究员，主要从事非常规复杂光学系统设计等方面的研究。 Ｅｍａｉｌ：ｏｐｔｌａｂ＠ｃｉｏｍｐ．ａｃ．ｃｎ １　引　　言 ２０世纪９０年代以来，头盔显示器［１－３］（ＨＭＤ） 在军事上得到了广泛的应用。作为作战飞机的一种 标准装备，已经在很大程度上替代了平视显示器 （ＨＵＤ）。它不但能够显示飞行导航信息，还能显示 机载光电设备的探测信号。在最新的Ｆ３５作战飞 机中，头盔显示器已成为主显示器并使战斗机具有 ２４小时作战能力。 全息光波导技术［４］是一项非常有价值的头盔显 示新技术。它应用平板波导作为光传播媒质，使用 全息元件作为光路折叠器件，巧妙地将微显示器中 的图像传导到人眼。这种技术通过小型化来减少头 盔显示器的尺寸和重量，有利于进行人体工学设计。 ＢＡＥ公司生产的Ｑｓｉｇｈｔ型 ＨＭＤ［５］已经实现 ０９０９００１１ 光　　　学　　　学　　　报 商用化，并发展了两代基于全息波导的头盔显示器。 新一代的 ＱｓｉｇｈｔＴＭ１００型 ＨＭＤ的视场角（ＦＯＶ） 为４０°×３０°，出瞳为３０ｍｍ，使用单个高亮度ＬＥＤ 照明的微显示器实现了１９２０ｐｉｘｅｌ×１０８０ｐｉｘｅｌ的 分辨率。该设备位于眼睛前方，可显示飞行参数和 传感器图像，质量小于１２０ｇ。由于Ｆ３５作战飞机 的 ＨＭＤ 存在一些问题，Ｑｓｉｇｈｔ已作为夜视镜 （ＮＶＧ）ＨＭＤ的配件成为Ｆ３５的显示器。除ＢＡＥ 公司以外，还有蔡司公司［６］、索尼公司［７］、诺基亚公 司［８］和威兹曼科学院［９］等单位在研发全息光波导头 盔显示技术，并开发了一系列产品。 全息波导头盔显示器中衍射元件的引入，也引 入了较多的问题：衍射光学的引入造成较大色散，光 学系统的成像质量下降；由于衍射元件对于有角度 的光束衍射效率低，目前大多数全息波导头盔显示 系统的光学效率不到２％；衍射元件的衍射杂光严 重影响系统成像质量。 为了克服上述问题，设计了使用分光棱镜作为出 瞳扩展元件的头盔显示系统。系统采用双光栅，利用 双光栅对消除光栅色散带来的不利影响。由于采用 分光棱镜，光学系统的光能利用率提高至３％～４％， 同时减少了杂光。该光学系统具有接近衍射极限的 成像质量，能满足使用要求。 ２　全息波导的基本原理 首先对平行平板全息光波导进行理论分析。如 图１所示，对微显示器发出的入射光进行准直，相当 于对图像进行线量与角量的转换，是一个傅里叶变 换的过程，即 犉（α狓，α狔）＝犳（狓，狔）δ（狓－κα狓）δ（狔－κα狔）ｄ狓ｄ狔， （１） 式中入射像点犳（狓，狔）经过准直成为平行光束 犉（α狓，α狔），每个给定的点的坐标由直角坐标（狓，狔） 变成了准直光束的角坐标（α狓，α狔），κ是相应的转换 系数。图１中ＤＯＥ１为入射光栅，其作用是使平行 光满足全反射条件而被限制在波导内传播。平行光 在平行平板波导中传播时保持方向不变。ＤＯＥ２为 出射光栅，其作用是使平行光恢复为犉（α狓，α狔）并从 波导中出射。出射到人眼的光束为平行光，经过人 眼聚焦之后又还原为直角坐标 犳（狓，狔）＝犉（α狓，α狔）δ（α狓－狓／κ）δ（α狔－狔／κ）ｄα狓ｄα狔． （２） 图１ 全息光波导头盔显示系统示意图 Ｆｉｇ．１ ＳｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃｗａｖｅｇｕｉｄｅＨＭＤ 这样，通过准直、传播和会聚三个过程，全息波导和 人眼共同完成了图像的编码、传输和还原。该结构 最早由Ａｍｉｔａｉ等［１０］在１９９５年提出，并在２００２年 和２００３年进行了相关实验［１１－１２］。然而，三片式结 构由于衍射效率低和杂光严重未达到预期效果，得 到的图像非常模糊。 基于棱镜光栅组合扩展出瞳的系统的结构如 图２所示。微显示器发出的光线先通过准直透镜准 直成为平行光线，然后经过耦合进入分光棱镜阵列。 在分光的过程中，光束分成多个成像光束，每个成像 光束均能独立成像。分光之后光线进入入射光栅 ＤＯＥ１，在此处发生衍射后进入平板波导。在平板 波导中，光线由于衍射而对平板波导上下表面的入 射角增大，因而满足全反射条件并沿波导向狔正方 向传播。当光线到达出射光栅ＤＯＥ２并衍射后，光 线入射角减小，不满足全反射条件，因而从波导中出 射并进入人眼成像。 图２ 波导全息系统原理图 Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｗａｖｅｇｕｉｄｅｈｏｌｏｇｒａｍｓｙｓｔｅｍ 在该系统中，入射光栅和出射光栅的结构参数 完全相同。根据光栅方程，当光线从空气中入射光 栅时有 狀２ｓｉｎθｄ－狀１ｓｉｎθｉ＝犽λ犱 ， （３） 式中狀１、狀２ 分别是第一介质和第二介质折折射率， θｉ、θｄ分别是入射角和出射角，犽为衍射级次，λ为光 波长，犱为光栅常数。 当光线从出射光栅发生衍射时有 ０９０９００１２ 曾　飞等：　基于棱镜 光栅结构的全息波导头盔显示系统设计 狀１ｓｉｎθｉ－狀２ｓｉｎθｄ＝犾λ犱． （４） 此时，第一介质和第二介质互换，入射角和衍射角互 换。要使方程仍然成立，只需衍射级次犾＝－犽即 可。并且上式的成立条件与λ无关，即对于满足衍 射条件的波长不存在色差。因而这样的对称式光栅 设计有利于减小光栅色差的不利影响。 ３　出瞳扩展的基本原理 为了在更大范围内看到光学图像，需要对光学 系统扩展出瞳。扩展出瞳有多种方法［１３］，包括微透 镜阵列法、衍射法、全息光栅法和分光法等。其中， 前两种方法用于对会聚光束进行扩展，需要光学系 统中具有一个中间像面，在此像面上放置扩展元件。 为了减小中间元件的数量，选择对准直光束进行出 瞳扩束。因此，选择全息光栅和分光棱镜作为出瞳 扩展元件。 全息光栅扩展出瞳如图３所示。衍射元件 ＤＯＥ１为入射光栅，它将入射光引导到一维扩展光 栅ＤＯＥ２。在ＤＯＥ２处，入射光束将会发生多次衍 射。每次衍射过程中，光束的能量分为两份。透射 光束继续向前传播，扩大光学系统在狓方向的出 瞳。衍射光束发生偏转，到达衍射光栅ＤＯＥ３。在 ＤＯＥ２对光束进行衍射的过程中，通过改变不同位 置光栅的衍射效率，可以使每次衍射出来的能量相 等，从而在ＤＯＥ３处能够得到强度均匀的图像。在 ＤＯＥ３上，通过改变不同位置光栅的衍射效率能在 出瞳位置获得多束能量相等的成像光束。这样，就 通过三个光栅完成了出瞳的二维扩展过程。 图３ 全息光栅扩展出瞳示意图 Ｆｉｇ．３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｅｘｉｔｐｕｐｉｌｅｘｐａｎｄｅｒ ｏｆｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃｇｒａｔｉｎｇｓ 另外一种方式是分光棱镜（ＰＢＳ）作为出瞳扩展 元件，其原理与全息光栅类似。如图４所示，不同的 分光棱镜数量对应不同的分光比，以四片分光棱镜 为例进行说明。从图像源Ｓ发出的光线通过四个分 光棱镜，每个分光棱镜使１／４的总能量反射或透射 到波导中。由此产生的四条光路携带了相同的图像 信息，由于这四条光路在狓方向排列，在狓方向的 出瞳变为原来的四倍，从而对狓方向进行了光瞳扩 展。根据需要可选择不同数量的分光棱镜，则出瞳 的扩展量也将不同。 图４ 分光棱镜扩展出瞳示意图 Ｆｉｇ．４ ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｅｘｉｔｐｕｐｉｌｅｘｐａｎｄｅｒｏｆＰＢＳ 利用分光棱镜扩展出瞳，主要是拥有光学效率方 面的优势。经过优化设计的分光膜其光能利用率达 到９９％以上，远高于其他出瞳扩展方式。利用全息 光栅作为出瞳扩展元件具有质量轻、体积小的优点。 综合上述两种光瞳扩展元件的优势，本设计中 最终选用分光棱镜作为一级出瞳扩展元件，二级出 瞳扩展元件则选用全息光栅。分光棱镜与全息光栅 相互配合，可以达到提高效率和小型化的优势，使光 学系统的综合指标达到最优。 ４　光学设计与仿真 在包含全息元件的光学系统中，对称的光栅设 计可以较大程度的减少色散及其他像差。这是因为 光栅元件的非线性衍射造成的像差难以通过线性反 射元件或折射元件补偿，而对称光栅设计则能进行 对称性像差补偿，使出射光束和入射光束对称还原。 图５ 光学系统结构图 Ｆｉｇ．５ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ 光学系统选择中等视场（２０°×２０°）和大出瞳 （２０ｍｍ×２０ｍｍ）设计，在光学设计软件中对光栅 透镜系统进行像差分析，在光学仿真软件中对扩展 出瞳系统进行照度和均匀性分析。光学系统结构图 ０９０９００１３ 光　　　学　　　学　　　报 如图５所示。像差曲线和畸变图如图６（ａ）、（ｂ）所 示。光学系统的波像差均方根（ＲＭＳ）值为０．０７５λ， 畸变小于０．０１％，调制传递函数（ＭＴＦ）接近衍射极 限，可以满足系统的使用要求。 图６ 光学系统的（ａ）波像差和（ｂ）畸变图 Ｆｉｇ．６ （ａ）Ｗａｖｅａｂｅｒｒａｔｉｏｎａｎｄ（ｂ）ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ 　　全息头盔显示光学系统仿真图如图７所示。图 中，由像点发出的球面波经过准直透镜组之后变为 平面波，入射到全息波导表面的条形波导。条形波 导由８个分光棱镜组成，沿狓方向排列，将平面波平 均分为８份，从而完成狓方向的出瞳扩展。这种结 构对于小视场的光学系统适用，大视场需要大尺寸 的分光棱镜，从而增加尺寸和重量。在分光棱镜中， 光线的夹角会压缩，因而进一步减小所需棱镜的体积 和重量。对于本例，若采用高折射率材料ＺＦ７（密度 ρ＝５．２ｇ／ｃｍ ３），每个分光棱镜的尺寸为２．５ｍｍ× ２．５ｍｍ×２．５ｍｍ，质量增加仅０．６５ｇ。 图７ 光学系统仿真图 Ｆｉｇ．７ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ 分光棱镜组将平面波反射到平面全息波导中， 位于入射面一个全息光栅使平面波发生衍射，从正 入射平板波导变为在波导中发生全反射从而沿狔 方向向前传播。全息波导的后半部分有另一块全息 光栅，面积为２０ｍｍ×２０ｍｍ。它是光学系统的出 瞳，由５个衍射效率递增的区域组成。当光线入射 到全息光栅上时，一级衍射光将按照光束入射波导 的方向出射。剩余的光能量传播到下一级光栅并且 再次出射，直至到达平板末端并被末端的膜层吸收。 当光束沿着狔方向向前传播时，随着光栅向外衍射 能量，光束的能量逐渐减少。但是光栅的衍射效率 逐渐增加，因而每次出射光束的能量可以保持不变。 在本例中，假设光栅的衍射光能量全部集中在 反射光和一级衍射光，并且每一级光栅衍射出的能 量均为总能量的２０％，在出瞳处得到均匀的辐照度 分布，如图８所示。出瞳由２ｍｍ直径的圆变为均 匀分布在２０ｍｍ×２０ｍｍ区域内的４０个相同直径 的圆，并且每个圆内的能量为总能量的１／４０。 图８ 出瞳处的辐照度分布（０°） Ｆｉｇ．８ Ｉｒｒａｄｉａｎｃｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｔｔｈｅｅｘｉｔｐｕｐｉｌ（０°） 衍射光具有多个级次，因而会造成一定的能量损 失。同时，由于入射角不同，不同角度的入射光在光 栅的范围内发生全反射和衍射的次数不同，因而不同 角度的入射光形成均匀辐照度需要的光栅结构不同。 在这种情况下，考虑中间角度即０°视场入射光在出瞳 得到均匀辐照度即可达到最佳的匀化效果。 ０９０９００１４ 曾　飞等：　基于棱镜 光栅结构的全息波导头盔显示系统设计 实际具有一定角度的光线的仿真结果如图９所 示，出瞳处的辐照度分布如图１０所示。由于具有较 大的视场，总的光能利用率下降为零视场的７０％， 出瞳辐照度均匀性略有下降。考虑到各个视场的均 匀性不能完全相同，可以认为该系统具备均匀的出 瞳辐照度分布。 图９ 光线仿真结果（２０°，狓轴） Ｆｉｇ．９ Ｓｉｍｕｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓｏｆｌｉｇｈｔ（２０°，狓ａｘｉｓ） 图１０ 出瞳处的辐照度分布（２０°，狓轴） Ｆｉｇ．１０ Ｉｒｒａｄｉａｎｃｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｔｔｈｅｅｘｉｔ ｐｕｐｉｌ（２０°，狓ａｘｉｓ） 虽然全息波导光学系统中包含出瞳扩展元件， 但是其等效系统也是一种长后截距的光学系统。需 要注意中继系统的长度不能太长，否则不同视场的 光线会变得过分发散。这不但会影响光学系统的紧 凑性，还会降低系统的光学性能，如出瞳大小、光能 利用率等。同时，对于狓和狔方向视场应该注意它 们的发散方向不同，由此造成的光能利用率和出瞳 大小也不一样。对比图９与图１１可见，狓方向视场 的发散角更大，因而其出瞳略有减小。但是仿真结 果（图１２）表明垂直视场（狔轴方向）的光能利用率 略低（６６％）。这是由于波导中光栅的排布是按照 狔０°视场设计的，狔方向视场的增加会造成反射次 数减少从而损失能量。狓方向反射次数变化较小， 因而能量损失较少。 普通采用三级光栅结构的全息头盔显示系统其 图１１ 光线仿真结果（２０°，狔轴） Ｆｉｇ．１１ Ｓｉｍｕｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓｏｆｌｉｇｈｔ（２０°，狔ａｘｉｓ） 图１２ 出瞳处的辐照度分布（２０°，狔轴） Ｆｉｇ．１２ Ｉｒｒａｄｉａｎｃｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｔｔｈｅｅｘｉｔ ｐｕｐｉｌ（２０°，狔ａｘｉｓ） 光能利用率约为１％～２％，主要原因是光栅的衍射 效率低。特别是入射光栅，光只在这个面发生一次 衍射，衍射效率仅为２５％左右［９］。后级具有多次衍 射过程的全息光栅，其实际衍射效率能够达到 ４０％。因而提高前级的光能效率可以有效提高系统 的整体利用率。 由于采用了分光棱镜作为一级出瞳扩展元件， 系统可以将光能利用率提高一倍左右。按照入射光 栅光能利用率为２５％，出射光栅光能利用率为 ４０％，系统其他元件的光能利用率为８０％计算，系 统的总光能利用率达到８％。考虑到实际加工误差 和其他损失，系统的光能利用率也能达到３％～ ４％。该设计大大提高了系统的能效并且减弱了杂 光，因而能在一定程度上提高光学系统成像质量。 ５　结　　论 利用全息光栅和分光棱镜设计了具有均匀出瞳 照度的全息头盔显示系统。这种设计具有轻小和易 于集成的特点，并且对该光学系统进行了一系列优 化设计。双级衍射光栅的设计，较大程度地减小了 光栅带来的像差。利用分光棱镜作为一级出瞳扩展 元件，将光学系统的光能利用率提高到３％～４％。 ０９０９００１５ 光　　　学　　　学　　　报 通过优化设计分光棱镜和光栅参数，可以获得一定 视场内出瞳扩大、辐照度均匀的图像。仿真结果表 明，该光学系统具有较好的成像效果，可以应用于下 一代头盔显示系统设计。 参 考 文 献 １ＯｚａｎＣａｋｍａｋｃｉ，ＪａｎｎｉｃｋＲｏｌｌａｎｄ．Ｈｅａｄｗｏｒｎｄｉｓｐｌａｙｓ：ａｒｅｖｉｅｗ ［Ｊ］．ＪＤｉｓｐｌａｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６，２（３）：１９９－２１６． ２ＴｏｎｇＪｉｎｇｂｏ，ＣｕｉＱｉｎｇｆｅｎｇ，ＸｕｅＣｈａｎｇｘｉ，犲狋犪犾．．Ｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎ ｏｆａｏｆｆａｘｉｓｄｕａｌｃｈａｎｎｅｌｈｅｌｍｅｔｍｏｕｎｔｅｄｄｉｓｐｌａｙ ［Ｊ］．Ａｃｔａ ＯｐｔｉｃａＳｉｎｉｃａ，２０１０，３０（９）：２６６２－２６６７． 　 佟静波，崔庆丰，薛常喜，等．离轴双通道头盔显示器光学系统 设计［Ｊ］．光学学报，２０１０，３０（９）：２６６２－２６６７． ３ＬｕＨａｉｐｉｎｇ，ＬｉｕＷｅｉｑｉ，ＫａｎｇＹｕｓｉ，犲狋犪犾．．Ｄｅｓｉｇｎｏｆｃｏｍｐａｃｔ ｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｐａｎｏｒａｍｉｃｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｈｅａｄ ｍｏｕｎｔｅｄ ｄｉｓｐｌａｙ［Ｊ］．ＡｃｔａＯｐｔｉｃａＳｉｎｉｃａ，２０１２，３２（５）：０５２２００２． 　 卢海平，刘伟奇，康玉思，等．全景三维立体头盔显示光学系统 设计［Ｊ］．光学学报，２０１２，３２（５）：０５２２００２． ４ＴｉｎＭ Ａｙｅｔ，ＫｅｖｉｎＹｕ，ＩｎｄｒａＴｅｎｇａｒａ．ＣｏｍｐａｃｔＨＭＤｏｐｔｉｃｓ ｂａｓｅｄｏｎｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄａｂｅｒｒａｔｉｏｎｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ［Ｃ］．ＳＰＩＥ，２００１，４３６１：８９－９７． ５ＡｌｅｘＣａｍｅｒｏｎ．Ｏｐｔｉｃａｌｗａｖｅｇｕｉｄｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆ｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎ ｈｅａｄｍｏｕｎｔｅｄｄｉｓｐｌａｙｓ［Ｃ］．ＳＰＩＥ，２０１２，８３８３：８３８３０Ｅ． ６ＢｅｒｎｄＨ Ｋｌｅｅｍａｎｎ，ＪｏｈａｎｎｅｓＲｕｏｆｆ，ＲａｌｆＡｒｎｏｌｄ．Ａｒｅａｃｏｄｅｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍｅｄｉｕｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｇｒａｔｉｎｇｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］． ＯｐｔＬｅｔｔ，２００５，３０（１３）：１６１７－１６１９． ７Ｈ Ｍｕｋａｗａ，Ｋ Ａｋｕｔｓｕ，Ｉ Ｍａｔｓｕｍｕｒａ．Ａｆｕｌｌｃｏｌｏｒｅｙｅｗｅａｒ ｄｉｓｐｌａｙｕｓｉｎｇｐｌａｎａｒｗａｖｅｇｕｉｄｅｓｗｉｔｈｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｖｏｌｕｍｅｈｏｌｏｇｒａｍｓ ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＤｉｓｐｌａｙ，２００９，１７ （３）：１８５－１９３． ８ＴａｐａｎｉＬｅｖｏｌａ，ＰａｓｉＬａａｋｋｏｎｅｎ．Ｒｅｐｌｉｃａｔｅｄｓｌａｎｔｅｄｇｒａｔｉｎｇｓｗｉｔｈ ａｈｉｇｈｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｍａｔｅｒｉａｌｆｏｒｉｎａｎｄｏｕｔｃｏｕｐｌｉｎｇｏｆｌｉｇｈｔ ［Ｊ］．ＯｐｔＥｘｐｒｅｓｓ，２００７，１５（５５）：２０６７－２０７４． ９ＬｅｏｎＥｉｓｅｎ，ＭｉｃｈａｅｌＭｅｙｋｌｙａｒ，ＭｉｃｈａｅｌＧｏｌｕｂ，犲狋犪犾．．Ｐｌａｎａｒ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｆｏｒｉｍａｇｅｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ［Ｊ］．ＡｐｐｌＯｐｔ，２００６，４５（１７）： ４００５－４０１１． １０ＹＡｍｉｔａｉ，ＳＲｅｉｎｈｏｒｎ，ＡＡＦｒｉｅｓｅｍ．Ｖｉｓｏｒｄｉｓｐｌａｙｄｅｓｉｇｎｂａｓｅｄ ｏｎｐｌａｎａｒｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃｏｐｔｉｃｓ ［Ｊ］．ＡｐｐｌＯｐｔ，１９９５，３４（８）： １３５２－１３５６． １１ＲｅｖｉｔａｌＳｈｅｃｈｔｅｒ，ＹａａｋｏｖＡｍｉｔａｉ，ＡｓｈｅｒＡＦｒｉｅｓｅｍ．Ｃｏｍｐａｃｔ ｂｅａｍｅｘｐａｎｄｅｒｗｉｔｈｌｉｎｅａｒｇｒａｔｉｎｇｓ［Ｊ］．ＡｐｐｌＯｐｔ，２００２，４１（７）： １２３６－１２４０． １２ＩＧｕｒｗｉｃｈ，ＶＷｅｉｓｓ，ＬＥｉｓｅｎ，犲狋犪犾．．Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｆ ｐｌａｎａｒｏｐｔｉｃａｌｌｉｇｈｔｇｕｉｄｅｓｆｏｒｖｉｒｔｕａｌｉｍａｇｅｄｉｓｐｌａｙｓ［Ｃ］．ＳＰＩＥ， ２００３，５１８２：２１２－２２１． １３Ｂ Ｋｒｅｓｓ，Ｖ Ｒａｕｌｏｔ，Ｍ Ｇｒｏｓｓｍａｎ．Ｅｘｉｔｐｕｐｉｌｅｘｐａｎｄｅｒｆｏｒ ｗｅａｒａｂｌｅｓｅｅｔｈｒｏｕｇｈｄｉｓｐｌａｙｓ［Ｃ］．ＳＰＩＥ，２０１２，８３６８：８３６８０Ｄ． 栏目编辑：张　腾 ０９０９００１６