头盔显示器技术发展综述赵雁雨1，曹良才2（1.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191；2.清华大学精密仪器与机械学系，北京100084）摘要：经过几十年的发展，头盔显示器在军事和生活中均有广泛应用。

目前国内头盔显示器的研究成果相对较少，急需填补相关的研究空白。

本文在国外头盔显示器的研究基础之上，综述了其技术发展，描述了将来的发展趋势，并着重介绍了全息技术在头盔显示器中的应用，为国内相关研究提供参考。

关键词：头盔显示器；技术发展；全息技术；发展趋势The Development of Helmet Mounted Display: A ReviewYanyu Zhao1, Liangcai Cao2(1. School of Instrumentation Science and Optoelectronics Engineering, Beijing University ofAeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China;2. Department of Precision Instruments and Mechanology, Tsinghua University, Beijing100083, China)Abstract: After several decades of development, helmet mounted display (HMD) are widely used in both military and everyday aspects. Currently the research toward HMD is comparatively of infertility in China and related research is in urgent demand. Based on the research of foreign countries, in this paper, the development of HMD and its future trends were summarized and described, respectively. And the application of holographic technology in HMD was also focused on, providing a reference for domestic research.Keywords: Helmet Mounted Display; Development of Technology; Holographic Technology; Future Trends1引言上世纪60年代，Ivan Sutherland开发出了世界上第一个图形驱动的头盔显示器（Helmet Mounted Display）[1]，这一先驱性的成果为头盔显示器的发展拉开了序幕。

头盔显示器的设计涉及到多个领域，如光学工程，光学材料，光学涂层，电子，制造技术，用户交互界面设计等等。

头盔显示器最初是为了在空战中使武器系统随飞行员的实现快速锁定目标，从而提高作战效率。

传统的头盔显示器将图像源放大后显示在飞行员前方。

经过几十年的发展，如今，头盔显示器不仅在技术上已有了长足的发展，应用范围也从最初的军事方面扩展到日常生活中。

本文将从头盔显示器的用途开始，简要回顾头盔显示器的发展，并关注近几年的新兴技术。

2头盔显示器的用途头盔显示器在军事、飞行模拟、医疗、工程设计、教育、训练、娱乐、远程控制等方面有着重要应用[2,3]。

其中，头盔显示器在军事方面的应用不仅对提高战机效能起了重要作用，而且代表了头盔显示器技术的最高水平。

例如，BAE SYSTEM公司为Eurofighter Typhoon提供的头盔显示器就具有全天候的作战能力，并能与武器/传感器联动[4]；F-35战机也配备了先进的头盔显示器系统使得飞行员可以获得全维态势感知能力[5]。

3头盔显示器的技术发展头盔显示器在发展的初期是通过透镜的组合对光线进行简单的折反射，使图像成像在人眼。

从使用者的视角来说，头盔显示器有单目、双目和双目立体之分，它们能为使用者提供不同的视觉体验。

考虑到成本、重量和重心分布的问题，起初的头盔显示器多是单目结构。

然而单目结构有其明显的缺陷，例如立体感的完全缺失、双目竞争等，随着任务时间的延长，这些问题对飞行员的影响将逐渐增大[10]。

可以说头盔显示器在很大程度上是由军事目的推动发展的。

例如为AH-64阿帕奇武装直升机设计的头盔显示器，与以往的航空头盔主要起保护、降噪作用不同，它还使飞行员能够直接通过头盔看到飞机传感器所成的图像，对头盔显示器的发展起到了深远的影响[7]。

头盔显示器还可以分为浸入型和透视型。

浸入型头盔显示器将会完全遮挡外界景象，而透视型头盔显示器则使得显示器图像叠加在外界图像上。

理论上讲，浸入型头盔显示器应与人眼视觉特征完全匹配，而在现实中这是极其困难的，因此常需要在视场和视觉敏感性之间做出权衡。

对于透视型头盔显示器，佩戴者除了显示器上的画面，还可以同时看见真实世界的情况，有较好的环境感知能力。

然而透视型头盔显示器的一个普遍问题是，它所显示的图像与真实世界的场景相比缺乏足够的亮度和对比度。

这一问题一直是研究人员努力的方向之一，较新的研究成果之一是亚利桑那大学的Rui Zhang和Hong Hua提出的一种设计方案，通过刻意控制光的偏振态来最大化发光的传输效率[6]。

虽然较诞生之初头盔显示器已经有了长足的进步，但更紧凑的结构、更轻的重量仍然是设计者们追求的目标，也同样是头盔显示器向社会推广的主要障碍[3]。

为了实现上述设计目标，研究人员作出了不懈的努力，在许多方面都取得了长足的进步，如光源、光学设计和制造等。

起初，阴极射线管几乎是头盔显示器光源的唯一选择。

之后在90年代又出现了有源矩阵液晶显示器（AM-LCDs），但这种显示器的分辨率比较有限。

当前的主流显示技术主要有有源矩阵液晶显示，液晶硅板（LCoS panels），以及自发光的有机发光二极管（OLED）。

其中LCoS亮度较高，寿命也较长；而OLED更利于提供紧凑的光学结构。

除了光源，光学设计和制造技术也有了较大发展，不断有新的技术和元件被用到了头盔显示器的设计中。

例如，衍射光学元件（DOEs）由于具有负的色散，它的引入可以校正正透镜的色度色散，因此它在头盔显示器的设计中扮演的角色日趋重要。

此外，塑料透镜、非球面（aspherics）、衍射光学元件也被应用在了投影式头盔显示器中（1994年Fergason提出投影式头盔显示器，并为此申请了专利[8]）。

而相对以目镜为基础的头盔显示器，投影式头盔显示器有着更小的体积、更大的视场和更小的光学畸变[9]。

另外，用于头盔显示器的新兴技术还有全息光学、离轴非对称、自由曲面（FFS）棱镜等。

下面本文将主要介绍全息光学在头盔显示器中的应用。

4全息技术在头盔显示器中的应用在传统的头盔显示器中，光学透镜被用来放大LCD图像，但这样会带来较小的视场，并且在工业应用中不易实现小型化和轻型化。

在透视型头盔显示器中，一个半反镜被放置在眼睛前方通过光学镜片来放大LCD图像。

但半反镜在传递外界图像和LCD图像之间必须做出权衡，因此二者难以同时被看清。

此外，使用半反镜和放大透镜也不能提供较大的视场。

于是有人提出可以用全息光学元件代替半反镜。

由于全息光学元件具有角度和波长选择性，它可以将从不同角度入射的光衍射至不同的方向，并由此在左眼和右眼上产生立体图像。

Takahisa Ando等人基于上述原理建立了一个透视型头盔显示器的模型，成功地将一对立体图像呈现在左眼和右眼，但是由于存在滞后和光学校正的问题，这两幅衍射图像并不能被人眼同时观察到[11]。

在另一项由Kasai等人参与的头盔显示器研究中，单个的反射全息光学元件被用来反射由LED光源产生的图像，而这个全息光学元件仅对一个窄波带的绿光具有很高的反射性[12]，但这一技术的不足之处在于其只能显示单一颜色，并且只有较小的视场。

POC公司从另一个方向展示了全息光学元件在头盔显示器方面的应用潜力。

POC公司通过电脑设计和分析，展示了将三色混叠畸变补偿全息光学元件（MAC-HOE）应用到头盔显示器上的可行性[13]。

在POC的方案中，图像通过帽舌衬底（visor substrate）进行光波导投射，可以使透视型头盔显示器具有较大视场，并且免去了厚重的光学元件。

利用窄带红绿蓝三色全息混叠，MAC-HOE还可以很大程度上减小传统全息光学元件和折射光学器件引入的颜色和几何畸变。

2004年左右，一种新型全息材料——光热折射率玻璃（PTR glass）——的出现，为单个透明元件在头盔显示器中充当成像器件创造了可能；Y. Ha等人利用这种全息材料建立了相应头盔显示器的模型[14]。

近两年BAE System公司在其最新一代Q-sight头盔显示器中，将全息图嵌入衬底中，光波被限制在衬底中的特定路线传播，与此同时部分光线溢出，随后共同形成完整的图像投影在前方。

这一方案的基本原理是基于全息光波导技术和反/衍射定律，全息光学元件使受成像器件限制的出瞳尺寸得到了扩大[15]。

不难看出，全息技术在头盔显示器中具有良好的应用前景。

图1 第一台图形驱动的头盔显示器图2 BAE System公司设计的头盔显示器Pic. 1 World’s first graphic-driven HMD Pic.2 HMD designed by BAE System Corporation 5头盔显示器的发展趋势尽管头盔显示器已有了较大的发展，但当前的头盔显示器依然存在佩戴不舒适、结构复杂、不够轻便等问题。

从应用范围来说，即便是在军事领域，头盔显示器也并不总是适用。

例如，对于远程操控无人机而言，在操作人员执行远程控制任务的过程中，佩戴头盔显示器会产生视觉负担增加、目标分辨能力降低、方向感迷失、环境感知能力降低等问题[16]。

此时，操作人员使用普通CRT显示器在执行任务中的表现反而优于头盔显示器。

6结论从上世纪60年代的军事推动开始，头盔显示器不仅在军用领域，也在医学、教育、娱乐等领域崭露头角。

尽管在轻便性和紧凑性方面仍存在不足，但头盔显示器的潜力是不言而喻的，相信有更多的新技术会继续推动头盔显示器的进步。

而其最终目标是要让头盔显示器像普通的眼镜一样舒适、轻便，能够倍增人的视觉功能，帮助人在更短时间内获取更多的信息。

届时，头盔显示器将会像今天的手机一样成为人们必不可少的工具，并且集通讯、休闲、娱乐、办公等功能于一身，彻底改变人们的生活方式。