基于全息技术的平视显示器：更方便飞行员或驾驶员观看！
导读
近日，美国亚利桑那大学（The University of Arizona）研究团队开发出一种基于全息技术的创新方案，使得平视显示器具有更大的眼动范围（eye box），更便于观看。
背景
平视显示器（Heads-up displays ），简称HUD，是目前普遍应用于航空器和汽车上的透明辅助仪器，在一片玻璃上显示关键的飞行和驾驶数据，例如：飞行高度，飞行速度，航向，垂直速率变化，飞机倾斜角度等等。在战斗环境中，还会加上目标资料，武器与发射相关资料，预估命中点等等。
HUD 利用光学反射原理，将重要的飞行或驾驶信息，投射到一片玻璃上面。这片玻璃位于座舱前端，高度大致与飞行员的眼睛成水平，因此飞行员无需低头查看仪表的显示与资料，可以始终保持抬头的姿态。
另外，投射的影像对于肉眼的焦距是定在无限远的距离上面，因此飞行员几乎不用改变眼睛焦距，即可方便地随时察看飞行参数，并且可视度也不会受到日光照射的影响。
（图片来源： 维基百科）
然而，现有的平视显示器的眼动范围都较小，也就是说，如果用户视线转移得过大，所显示的信息会部分或者全部消失。
创新
近日，美国亚利桑那大学（The University of Arizona）研究团队开发出一种基于全息技术的创新方案，使得平视显示器具有更大的眼动范围（eye box），更便于观看。
（图片来源： Pierre-Alexandre Blanche / 亚利桑那大学）
研究团队领头人 Pierre-Alexandre Blanche 表示：“安装在汽车中的平视显示器采用我们的新技术，让驾驶员即使是在发生移动，或者低于或高于平均高度的时候，也可以看到显示的信息。”
研究人员在美国光学会杂志《Applied Optics》上，展示了一种平视显示器功能原型，它采用全息光学元件实现的眼动范围，比没有全息元件的眼动范围要大很多。研究人员称，他们的方案可以在几年之内转化为商用产品，也会用于增加显示面积。
论文的第一作者，Blanche 实验室的博士生 Colton
Bigler 表示：“在传统的平视显示器中，增加眼动范围或者显示图像，需要增加投影光学器件、中继镜（ relay lenses）以及所有相关光学器件的尺寸，这样会占据仪表盘过多的空间。而我们使用全息技术，不是依赖传统的光学器件，而是制造出一种超薄的光学器件，最终可以直接应用到挡风玻璃上。”
技术
激光相互作用，可用于制造全息图像，防止信用卡伪造。然而，同样的技术也可以采用光敏材料，来制造透镜和滤镜等光学元件。这些全息元件不仅比传统光学元件要小，而且可以大规模量产，因为它们易于制造。
对于新型平视显示器来说，全息光学元件可以将光线，从小型图像重定向到一片玻璃上。光线局限在那里，直到到达另一个全息光学元件中，这个全息光学元件会提取光线。提取出的全息图像，代表了更大的眼动范围上的可视图像，其尺寸比原始图像要更大。
下图所示：这种新型平视显示器使用全息光学元件将图像注入到玻璃或者波导中（左）。光线进入玻璃并在前后边缘之间来回反射，直到它到达另外一个全息元件，该全息元件会提取每次反射中少部分离开玻璃的光线（右）。提取出的全息图像创造出一个可视图像，每次反射都按比例地增加了图像的眼动范围。
（图片来源： Pierre-Alexandre Blanche / 亚利桑那大学）
价值
Blanche 表示：“我们正在与霍尼韦尔合作开发的用于航空器的显示器，就像在汽车中使用的那些一样简单。我们方案无需昂贵的实验设备以及开发新材料。进一步说，这种显示器可以完全集成到标准的汽车挡风玻璃中。”
在经过光学仿真之后，研究人员创造出了这种平视显示器的实验室版本，它的眼动范围比原始图像要大7倍。然后，他们制成的工作原型，可在一片玻璃上显示飞行信息，而这片玻璃可以成为覆盖战斗机座舱的透明外壳的一部分。他们使用这种原型，使得原始图像的眼动范围几乎翻倍，并且当用户视野超越全息图像边缘时，显示的图像也不会消失。
Blanche 继续说：“增加用于注入和提取的全息元件尺寸，几乎无法创造出更大的眼动范围，唯一的限制因素就是显示图像的玻璃尺寸。对于如何利用全息技术解决各种应用中的许多类型的光学问题来说，我们工作是一个很好的案例。相似的方案也可以用于增强现实头盔，这种头盔将电脑生成的图像和外面现实世界中的图像相结合，但是采用的是一种离眼很近的显示器。”
未来
尽管研究人员展示的方案只使用了一种颜色，但是他们说这个方案可以进一步拓展创造出全彩色的平视显示器。他们也在致力于采用同样的方案，通过全息元件提取，创造出大得很多的图像，以增加显示器的尺寸和视场范围。
关键字
参考资料
【1】https://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2018/holography_approach_improves_heads_up_displays_for/
【2】C. M. Bigler, P.-A. Blanche, K. Sarma, “Holographic Waveguide Heads-Up Display for Longitudinal Image Magnification and Pupil Expansion,” Applied Optics, Volume 57, Issue 9, 2007-2013, (2018).
DOI: 10.1364/AO.57.002007
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