全息波导头盔显示技术
微软ARHoloLens的的技术原理和未来应用
微软ARHoloLens的的技术原理和未来应用随着科技日新月异，我们的视野也被无限扩展了。
虚拟现实、增强现实已经不再是电影中的场景，也不仅局限于游戏世界中，而是已经成为现实生活中的一部分。
微软所研发的AR技术HoloLens就是这样一款产品，它的面世让人们对未来互联网的发展充满了期待。
本文将介绍微软HoloLens的技术原理和未来应用。
一、技术原理微软HoloLens采用的是增强现实技术，它将虚拟物体与真实世界的环境进行混合，通过特殊的眼镜或头盔呈现给用户。
这个过程主要靠三大技术：光学投影、姿势跟踪和空间音频。
1.光学投影光学投影是实现增强现实的关键技术之一。
HoloLens内置几个迷你激光，可以发射光束投射图像到眼球上。
这项技术叫做“全息波导”。
如果你已经看过某些虚拟现实视频的话，你应该会知道一位穿着发光衣服的人，在运动时会呈现出时髦闪亮的效果。
这个效果其实和全息波导差不多，只是那个场景中的光源和光信号不一样而已。
同时，全息波导技术还能保证图像在任何方向的投影都能保证清晰度和一致性。
这意味着，即使你头部移动或改变HoloLens的位置，你看到的物体都不会失真。
2.姿势跟踪姿势跟踪技术主要是通过一组高精度传感器来实现。
HoloLens中使用的是加速度计、陀螺仪和磁力计等多个传感器进行姿势追踪，以使用户用手势或眼神变换视角。
这些传感器能够实时地定位眼镜或头盔的位置，从而对用户实时的姿势进行跟踪。
例如，当我们用手指在空中绘制一个“L”时，HoloLens就会立即感知此举并将此视为“切换空间工具”的命令。
这也是微软HoloLens与其他AR技术最大的不同之处之一。
3.空间音频空间音频是一项可以“重新定义听觉体验”的技术。
HoloLens内置了许多麦克风和扬声器，用于采集用户周围的声音并播放出来。
通过利用声源跟踪算法和卓越的立体声技术，HoloLens能够准确地模拟深度和立体感。
换句话说，当用户身处一个具体的场景时，HoloLens会将周围的声音以更为清晰立体、逼真的形式呈现出来。
全息波导头盔显示技术
第7卷 第5期2014年10月 中国光学 Chinese Optics Vol.7 No.5 Oct.2014 收稿日期:2014⁃03⁃21;修订日期:2014⁃06⁃17 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.61007009)文章编号 2095⁃1531(2014)05⁃0731⁃08全息波导头盔显示技术曾 飞1,2∗,张 新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:文章首先阐述了全息波导头盔显示技术的基本原理,说明了它的技术先进性和可实现性;然后以几个有代表性的范例介绍了全息波导头盔显示技术的发展水平,展示了目前全息头盔显示技术所能达到的参数指标;最后,在分析了全息波导头盔显示技术的关键技术的基础上,说明其技术瓶颈并对其未来的发展方向进行了展望。
关 键 词:头盔显示;全息波导;光学设计;显示技术中图分类号:TN873.7 文献标识码:A doi:10.3788/CO.20140705.0731Waveguide holographic head⁃mounted display technologyZENG Fei 1,2∗,ZHANG Xin 1(1.Key Laboratory of Optical System Advanced Manufacturing Technology ,Changchun Institute of Optics ,Fine Mechanics and Physics ,Chinese Academy of Sciences ,Changchun 130033,China ;2.University of Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100049,China )∗Corresponding author ,E⁃mail :zengfei _008@Abstract :The principle of waveguide holographic head⁃mounted display technology is introduced,which ex⁃plains its advantages and practicability.Then some examples are shown with detailed indexes and parameters of current waveguide holographic head⁃mounted display technology.Finally the key enabling technology of waveguide holographic head⁃mounted display is analyzed,based on which the technology bottleneck and devel⁃opment trend are summarized.Key words :head⁃mounted display;waveguide hologram;optical design;display technology1 引 言 全息波导头盔显示技术[1](Head Mounted Display,HMD)是军用显示技术的最新成果,是集多项先进光学技术于一身的光学显示技术。
全息光波导技术
全息光波导技术
全息光波导技术是一种将光信号传输到目标设备的高效方法。
这种技术利用全息成像和光波导原理，将光信号转化为光波导，在介质中传输，最终到达目标设备。
相比传统的电信号传输方式，全息光波导技术具有更高的传输速度和更低的能量损耗。
全息光波导技术的应用领域非常广泛，可以用于数据传输、通信、医疗、工业控制等领域。
在数据传输方面，全息光波导技术可以实现高速传输和大容量存储，可以用于高清视频传输、云计算、虚拟现实等领域。
在通信方面，全息光波导技术可以提高通信效率和可靠性，可以用于无线网络、光纤网络等领域。
在医疗方面，全息光波导技术可以用于医学成像和治疗，可以提高诊断和治疗效果。
在工业控制方面，全息光波导技术可以用于机器人控制和智能制造，可以提高生产效率和质量。
总之，全息光波导技术是一种非常有前景的技术，将会在未来的各种应用领域中发挥重要作用。
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AR眼镜的技术要求
AR眼镜的技术要求AR眼镜技术要求随着虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术的发展，AR眼镜作为AR技术的重要载体之一，也开始逐渐走进人们的视野。
AR眼镜作为一种可穿戴设备，具有智能化、交互性和移动性的特点，可以在用户眼前呈现出与现实世界中物体交互的虚拟信息，极大地丰富了用户的视觉体验，带来了巨大的商业和娱乐价值。
在设计和制造AR眼镜时，需要考虑到以下几个方面的技术要求。
1. 显示技术：AR眼镜的显示技术是其核心部分。
一般采用微显示器或投影技术，将虚拟信息以高清、真实感的方式呈现给用户。
关键要求包括分辨率高、刷新率快、色彩准确、光线透过率高、镜头透明度高等。
2. 感知技术：AR眼镜需要通过各种感知技术，实时感知和跟踪用户的位置、姿态、手势等信息，以便将虚拟信息与现实场景进行融合。
常见的感知技术包括光学传感器、加速度计、陀螺仪、磁力计等。
这些技术需要能够快速、准确地感知用户的运动和环境变化。
3. 处理能力：AR眼镜需要具备强大的处理能力，能够实时地处理大量的图像和数据。
因为AR眼镜需要将虚拟信息与实际场景进行实时融合，所以需要具备高效的图像处理和计算能力，以确保用户获得流畅、准确的AR体验。
4. 交互技术：AR眼镜的交互技术是其主要的操作方式。
一般采用手势识别、语音识别、眼动追踪等技术，与用户进行交互。
这些技术需要具备高准确性和高稳定性，能够快速、准确地识别用户的意图和动作。
5. 电池寿命：AR眼镜作为可穿戴设备，需要具备较长的电池寿命。
用户在佩戴AR眼镜时，期望能够连续使用一段时间，而不需要频繁充电。
因此，AR眼镜需要具备省电设计，优化功耗，延长电池寿命。
同时，AR眼镜的技术要求还需要考虑舒适性、用户界面设计、硬件和软件的一体化等方面。
舒适性是用户体验的关键因素，需要考虑到佩戴的舒适性、重量的轻盈性、通风性以及对视力的保护等方面。
用户界面设计需要简洁直观，方便用户进行操作和控制。
硬件和软件的一体化是保证AR眼镜整体性能的关键，需要硬件和软件紧密协作，以确保AR眼镜的正常运行和功能实现。
HUd摩托车抬头显示头盔创新发明
将会
取代后视镜
通过跟踪眼球位置，在HUD上
显示相应方向后摄像头
实时
景象，将会减少驾驶员低头时
间，使驾驶更安全。
霍尔式车速传感器
原 理
在半导体薄片的两端通以控制电流，在薄片的垂直 方向上施加磁场强度为B的磁场，则在薄片的另两 端便会产生一个大小与控制电流、磁感应强度B的 乘积成正比的电势
超声波测距传感器
先 由 激 光 二 极 管 对 准 目 标 发 射 激光脉
冲 。 经 目 标 反射 后 激 光 向 各 方 向 散 射 。 部 分 散 射 光 返 回 到 传 感 器 接收器 ， 被
光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。
预判断车辆前方障碍及 危险，将会先于驾驶员 做出最正确操作
电气13-1 薄旭东 寇世田 豪
赵贵
HUDБайду номын сангаас
具有平时显示功能
平视显示器（Head Up Display)
最早出现在军用飞机,降低飞行员需要 低头查看仪表的频率，避免注意力中断以及 丧失对状态意识(Situation Awareness）的 掌握.
两者
+
结合
平视显示结合
眼球追踪技术
霍尔式车速传感器 超声波测距传感器
平视显示结合
眼球追踪技术
全息显示技术的原理及应用
全息显示技术的原理及应用全息显示技术是一种令人心驰神往的技术，它可以将物体的全息图像呈现在空气中，实现类似于科幻电影中的场景。
本文将从原理和应用两个方面探讨全息显示技术。
一、全息显示技术的原理全息显示技术是通过制作物体的全息图像来实现的。
全息图像是指利用激光将物体的全息图制于光敏材料上并记录下来的三维图像。
这个过程是通过使用镜头将激光光束分成两个部分：一个作为参考光，另一个作为物体光。
物体光穿过物体并投射在光敏材料上，参考光也同时投射到材料上的相同位置。
两束光交叉并相互干涉，将物体的三维信息编码到材料上。
制作出的全息图形成了一条波纹图案，它可以记录下两束光线干涉时的相位信息。
当光线从不同的角度照射全息图时，可以看到三维物体的图像。
全息图的原理可以用一种叫做“相干光”的光学制造法来实现。
相干光是指来自同一光源、频率相同、振幅和相位差异小的光波之间的关系。
相干光可以呈现出干涉、衍射和折射等光学现象。
在全息图中，物体的三维信息编码在参考光和物体光之间的干涉模式中。
二、全息显示技术的应用全息显示技术的应用领域非常广泛，这里只列举其中几个代表性的应用场景。
1、医疗领域全息显示技术可以帮助医生更好地了解疾病的情况，以便更好地制订治疗计划。
例如，医生可以使用全息显示技术查看体内器官的三维结构，从而更好地诊断和治疗疾病。
此外，在手术中，医生可以使用全息显示技术来模拟手术流程，提前规划手术步骤，降低手术风险。
2、教育领域全息显示技术可以帮助学生更好地理解知识，提高学习效率。
例如，教师可以使用全息显示技术来展示分子的三维结构，帮助学生理解它们的构造和功能。
此外，全息显示技术还可以用于传统展览的升级，以增加展览的吸引力和互动性。
3、娱乐领域全息显示技术可以用于各种娱乐应用，例如游戏、电影和音乐等。
例如，全息显示技术可以帮助游戏设计师将真实世界的道具和角色带入游戏中，提高游戏的趣味性和沉浸感。
此外，全息显示技术还可以用于创建虚拟演唱会，使观众可以在家中观看音乐会，享受身临其境的体验。
全息hud技术原理
全息HUD技术原理800字如下：
全息HUD又称为平视显示器，其主要功能是向驾驶员展示重要驾驶信息，如车速、导航指示、警示灯等。
它利用光波的特性，将信息投射到驾驶员眼前的玻璃屏幕上，以全息的方式显示，使驾驶员无需低头即可获取关键信息。
全息HUD的工作原理主要涉及三个基本要素：投影显示、光波传输和图像处理。
投影显示，即使用一组投影设备，将图像反射到驾驶员前方的屏幕上。
这个过程中，图像的清晰度和大小可以通过调节投影设备的参数进行调整。
光波传输，即利用全息投影技术，将光波分解成不同的偏振光，使图像呈现立体效果。
图像处理，即对图像进行实时处理，确保其清晰度、对比度和亮度适中，以适应各种环境条件和驾驶条件。
此外，全息HUD还使用了曲面反射镜，使得信息能够在驾驶员眼前形成一种虚幻的3D效果。
全息HUD技术不仅提升了驾驶体验，而且为驾驶安全提供了有力保障。
它将重要的驾驶信息近距离地展示在驾驶员眼前，减少了驾驶过程中视线离开道路的时间，提高了驾驶安全性。
同时，它还可以在复杂的天气和环境条件下保持稳定的显示效果，这使得驾驶员可以更轻松地获取信息。
总的来说，全息HUD技术原理主要是通过投影显示、光波传输和图像处理等技术手段，将重要的驾驶信息以全息的方式投射到驾驶员眼前的屏幕上，为驾驶员提供了一种全新的视觉体验，同时也提高了驾驶安全性。
随着技术的不断进步，可以预见，全息HUD将会在未来的驾驶中扮演越来越重要的角色。
波导hud参数
波导hud参数
全息光波导HUD（抬头显示系统）是下一代车载HUD的重要发展方向。
波导HUD凭借其平板光波导超薄的结构和二维扩瞳能力，极大地减小了对光机体积的需求，并且具有巨大的市场价值和前景。
具体来说，全息光波导HUD具有以下优势：
1. 体积小：全息光波导HUD的体积只有传统反射镜型HUD的十分之一左右，更加适合在车内狭小的空间内安装。
2. 视角大：全息光波导HUD的视角范围更大，可以覆盖更广的区域，使得驾驶员在保持视线不变的情况下获取更多的信息。
3. 亮度高：全息光波导HUD的亮度更高，可以更好地适应不同的环境光线，提高驾驶员的视觉舒适度。
4. 成本低：全息光波导HUD采用平板光波导结构，简化了光学系统，降低了成本。
综上所述，全息光波导HUD是未来车载HUD的重要发展方向，具有广阔
的市场前景和巨大的市场潜力。
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全息波导头盔显示技术曾飞;张新【摘要】文章首先阐述了全息波导头盔显示技术的基本原理，说明了它的技术先进性和可实现性；然后以几个有代表性的范例介绍了全息波导头盔显示技术的发展水平，展示了目前全息头盔显示技术所能达到的参数指标；最后，在分析了全息波导头盔显示技术的关键技术的基础上，说明其技术瓶颈并对其未来的发展方向进行了展望。
%The principle of waveguide holographic head-mounted display technology is introduced , which ex-plains its advantages and practicability .Then some examples are shown with detailed indexes and parameters of current waveguide holographic head-mounted display technology .Finally the key enabling technology of waveguide holographic head-mounted display is analyzed , based on which the technology bottleneck and devel-opment trend are summarized .【期刊名称】《中国光学》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】8页(P731-738)【关键词】头盔显示;全息波导;光学设计;显示技术【作者】曾飞;张新【作者单位】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; 中国科学院大学，北京100049;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【正文语种】中文【中图分类】TN873.7全息波导头盔显示技术［1］（Head Mounted Display,HMD）是军用显示技术的最新成果,是集多项先进光学技术于一身的光学显示技术。
它利用高亮度微型显示器为图像源,以透明的全息护目镜为显示屏,通过小型化光学系统将图像通过波导结构投射到人眼成像。
头盔显示器的符号化图像可以叠加在人眼看到的外界图像上,增加人眼的感知能力及敌我分辨能力,从而实现超视距或夜间协同作战。
头盔显示系统本身视场有限,但是伴随头部的转动可以实现超大视场。
正是由于以上优点,全息波导头盔显示技术正在迅速发展并受到越来越广泛的应用。
头盔显示系统［2-5］的发展经历了较长的时间,从最简单的头戴瞄视镜到现在已经发展了第三代。
在光学系统的设计方面,也经历了从同轴到离轴和倾斜偏心的变化,从而满足轻小型和人体工学的需求。
然而对于头戴显示系统,传统的设计方法在压缩系统的尺寸和重量方面仍然力不从心。
全息光波导技术为头盔显示系统提供了全新的解决方案,全息光波导技术摒弃了传统头盔显示系统中复杂的光学系统,利用全息光波导完成图像传导和显像功能。
全息波导优化了光学系统的布局,简化了光学系统的结构。
因此,全息波导头盔显示系统具有更小的尺寸和重量,受到世界各国的重视。
全息波导头盔显示技术是随着全息元件成像技术的成熟而发展起来的［6］。
随着人们对全息元件成像能力的进一步认识,通过对全息元件成像原理的理论和实践探索,成功完成了全息波导成像系统的设计和应用。
本文将从理论入手,介绍全息波导头盔显示技术的发展概况和前景。
全息光波导技术的基本原理是光的全反射和衍射,如图1,全息波导头盔显示系统主要由微显示器、全息光栅和平板波导组成。
由微显示器产生的图像经过微型准直透镜后变成平行光进入光波导到达全息光栅1,由于全息光栅的衍射效应使平行光改变传输方向从而满足全反射条件并沿波导方向向前无损传播。
当平行光传播到全息光栅2时,全反射条件被破坏从而使平行光从全息波导出射,并进入人眼成像。
由于全息波导的存在,光学图像可以垂直偏转传播。
这不但减小了传播距离,还可保持光学系统的重心在头部以内。
同时减少了折镜的使用,从而有利于光学系统的简洁化和轻小型设计。
当图像以平行光形式在波导中传播时,由于波导板是平行的,因而图像能够保持不发生变形和失真。
但是上述结构中各个视场的光线反射次数和落点不同,需要经过精心设计才能保证所有视场都有能量进入人眼成像。
为了避免图像不完整并且给眼睛一定的活动空间,通常需要对上述系统扩展出瞳［7］。
扩展出瞳的原理如图2所示,当光线入射出射光栅2时,光能不是一次从波导中出射,而是分多次出射从而多次成像。
通过合理设置光栅的衍射效率,能够保证每次出射的光能量相等。
这样人眼在光栅的不同位置都能看到图像,从而扩大了出瞳。
从20世纪70年代开始,人们就开始研究将全息元件用于成像［8］。
然而全息光学元件的成像规律复杂,将其作为光学元件应用到成像系统中存在较大的困难。
1995年,以色列Y.Amitai提出一种全息波导的方案［9］,将全息元件用作耦合元件。
这种设计将成像和传像功能分离,降低了对全息元件的设计和加工要求,因而迅速被人们所接受。
在21世纪初,就出现了多种实用性的全息头盔显示系统方案。
3.1 基于三色复用相差补偿全息光学元件（MAC-HOE）的头盔显示系统这种设计是美国物理光学公司（Physical Optics Corporation）提出的［10］。
为了实现全色显示,该系统使用窄带复用全息元件组H1、H2消除了光学系统的纵向色差（图3）。
通过对三组单色光栅消除了纵向色差,而横向色差则由每个窄带全息元件的带宽来控制。
通过这种消色差方法,设计了浸没式（图4）和透射式光学结构。
其中,浸没式的光学系统具有较大视场,但是阻碍了对外界的观察。
透射式的光学系统利用两个光栅,其中一个用于将平行光耦合进入波导,另一个将波导中的光线耦合到人眼成像。
两块光栅均可通过双光束干涉的方式进行刻蚀,因而工艺实现简单。
通过单片光栅浸没式成像,物理光学公司展示了全息头盔显示90°大视场的成像能力。
而在透射式系统中后截距较大的情况下,不使用出瞳扩展技术难以保持大的出瞳,因此这种系统实际使用时可能受到出瞳大小的限制。
3.2 基于体全息光栅的Q-sightTM技术Q-sightTM是由英国BAE公司生产的［11］应用全息波导头盔显示技术的范例。
由于在研制F16、F22和EFA（欧洲战斗机）的平视显示器（HUD）方面积累的经验,BAE公司在2007年就具有了研制体全息波导的能力,并将其应用到Q-sight 系列头盔显示器当中。
它的好处是减小了头部重量,昼夜无缝切换,并且提升了安全性能。
在最新的Q-sightTM100中,使用高亮度LED照明1 920×1 080 LCOS显示器,视场达到了40°×30°（单色）和15～20°（多色）,出瞳Φ35 mm（轴上点）,出瞳距＞25 mm。
在此基础上,BAE公司计划将单色视场扩大到50°以上,并开发真正的全色光栅,将全色视场扩大40°×30°。
Q-sightTM的组成如图5所示,包括高亮度LED光源、LCOS显示器件、小型化准直镜和全息波导组合镜。
高亮度的LED在白天10000Ftl的背景下对比度达到1.2∶1,在夜晚能在极低光照情况下提供高精度的亮度控制。
全息波导组合镜有两级光栅扩展出瞳,第二级扩展光栅兼有输出图像的作用。
整个模块可以装配到HGU-56/P（美国陆军标准头盔）或HGU-84/P（美国海军标准头盔）或其它设备上,提供近乎零畸变的高质量图像。
因此,在F35的头盔显示出现技术问题之后,Q-sightTM作为被选为F35的头盔显示器。
由于Q-sightTM使用了全息波导,传统的光学设计软件不能对全反射和衍射光栅建模,BAE公司的设计人员开发了新的软件对其进行设计。
同时,为了使全息波导能够实现量产,BAE公司还开发了模具将全息光栅“印刷”到玻璃基板上,从而减少生成成本。
由于解决了设计和生产难题, BAE公司在全息技术波导技术的应用方面快速发展,BAE公司已将Q-sightTM全息波导技术应用于HUD、HMD和单兵作战等多个领域。
3.3 以色列威兹曼科学院的平板波导技术以色列威兹曼科学院是较早进行全息波导技术研究的科研单位之一,对全息波导理论进行了系统的研究,针对全息波导成像进行了大量理论和实验研究［12-14］。
在20世纪90年代及更早的时候,威兹曼科学院的研究主要集在如何制作和优化全息透镜。
由于全息透镜具有复杂的像差形式和严重的色散,使用全息透镜无法获得令人满意的成像效果。
到了21世纪初,他们转向研究线性光栅扩展出瞳的平板波导显示技术。
威兹曼科学院的平板波导如图6所示,它由3个光栅组成。
其中,光栅1为入射光栅,光线仅在其上发生一次衍射。
光栅2和光栅3为扩展光栅,光线在这两个光栅上发生多次衍射从而扩展出瞳。
3个光栅的相位方程不同,附加到光线上的位相使得光线发生偏转（图6下）。
每个光栅的相位不同,使得光线发生不同方向的偏转。
而3个光栅满足相位之和为零,因而光线入射和出射方向完全相同。
由于位相和为零的条件对所有波长均满足,满足无色差条件,因而可以实现多色成像。
在光栅扩展出瞳的过程中,由于每次衍射的入射光都来自于上一级衍射,因此衍射能量逐渐降低。
为了使得图像亮度更加均匀,需要对光栅的衍射效率进行设计。
根据光线在平板内对光栅的入射角确定其反射次数,根据反射次数和能量守恒条件得到各级衍射效率。
而不同角度的光反射次数不同,为了最优化一般取中心视场的光线进行计算。
从实际成像的效果来看,图像的亮度仍然是不均匀的,在衍射效率较低时亮度的均匀性会有所提高。
3.4 Sony公司的全色体全息波导眼戴显示技术Sony公司的全息波导技术［15］的特点是实现全色显示,如图7所示。
这种全息波导的视场角为16°,镜片透过率为85％,重量为120 g。
波导由两层基底组成,每层基底厚度为1.4 mm,间隔为0.2 mm,总厚为3 mm,宽为50 mm。
这种眼戴显示被用作MP4显示,能够显示QVGA视频（320×240）。
使用高亮度LED照明,显示亮度为2 400 cd/m2。
在设计过程中,Sony的研究人员克服了光栅的色散和波长依赖特性。
光栅的色散限制了视场并引起鬼像,而波长依赖则造成图像亮度不匀。
通过对称出/入光栅的设计,减少了光学系统的色散。
通过最佳入射角设计和显示器驱动管理,增加了图像的均匀性。
选用反射式体全息光栅是因为其带宽小,可以利用多个单色光栅单独控制每种色光从而减少色散。