基於全息技術的平視顯示器：更方便飛行員或駕駛員觀看！
背景
平視顯示器（Heads-up displays ），簡稱HUD，是目前普遍應用於航空器和汽車上的透明輔助儀器，在一片玻璃上顯示關鍵的飛行和駕駛數據，例如：飛行高度，飛行速度，航向，垂直速率變化，飛機傾斜角度等等。在戰鬥環境中，還會加上目標資料，武器與發射相關資料，預估命中點等等。
HUD 利用光學反射原理，將重要的飛行或駕駛信息，投射到一片玻璃上面。這片玻璃位於座艙前端，高度大致與飛行員的眼睛成水平，因此飛行員無需低頭查看儀錶的顯示與資料，可以始終保持抬頭的姿態。
另外，投射的影像對於肉眼的焦距是定在無限遠的距離上面，因此飛行員幾乎不用改變眼睛焦距，即可方便地隨時察看飛行參數，並且可視度也不會受到日光照射的影響。
（圖片來源： 維基百科）
然而，現有的平視顯示器的眼動範圍都較小，也就是說，如果用戶視線轉移得過大，所顯示的信息會部分或者全部消失。
創新
近日，美國亞利桑那大學（The University of Arizona）研究團隊開發出一種基於全息技術的創新方案，使得平視顯示器具有更大的眼動範圍（eye box），更便於觀看。
（圖片來源： Pierre-Alexandre Blanche / 亞利桑那大學）
研究團隊領頭人 Pierre-Alexandre Blanche 表示：「安裝在汽車中的平視顯示器採用我們的新技術，讓駕駛員即使是在發生移動，或者低於或高於平均高度的時候，也可以看到顯示的信息。」
研究人員在美國光學會雜誌《Applied Optics》上，展示了一種平視顯示器功能原型，它採用全息光學元件實現的眼動範圍，比沒有全息元件的眼動範圍要大很多。研究人員稱，他們的方案可以在幾年之內轉化為商用產品，也會用於增加顯示面積。
論文的第一作者，Blanche 實驗室的博士生 Colton Bigler 表示：「在傳統的平視顯示器中，增加眼動範圍或者顯示圖像，需要增加投影光學器件、中繼鏡（ relay lenses）以及所有相關光學器件的尺寸，這樣會佔據儀錶盤過多的空間。而我們使用全息技術，不是依賴傳統的光學器件，而是製造出一種超薄的光學器件，最終可以直接應用到擋風玻璃上。」
技術
激光相互作用，可用於製造全息圖像，防止信用卡偽造。然而，同樣的技術也可以採用光敏材料，來製造透鏡和濾鏡等光學元件。這些全息元件不僅比傳統光學元件要小，而且可以大規模量產，因為它們易於製造。
對於新型平視顯示器來說，全息光學元件可以將光線，從小型圖像重定向到一片玻璃上。光線局限在那裡，直到到達另一個全息光學元件中，這個全息光學元件會提取光線。提取出的全息圖像，代表了更大的眼動範圍上的可視圖像，其尺寸比原始圖像要更大。
下圖所示：這種新型平視顯示器使用全息光學元件將圖像注入到玻璃或者波導中（左）。光線進入玻璃並在前後邊緣之間來回反射，直到它到達另外一個全息元件，該全息元件會提取每次反射中少部分離開玻璃的光線（右）。提取出的全息圖像創造出一個可視圖像，每次反射都按比例地增加了圖像的眼動範圍。
（圖片來源： Pierre-Alexandre Blanche / 亞利桑那大學）
價值
Blanche 表示：「我們正在與霍尼韋爾合作開發的用於航空器的顯示器，就像在汽車中使用的那些一樣簡單。我們方案無需昂貴的實驗設備以及開發新材料。進一步說，這種顯示器可以完全集成到標準的汽車擋風玻璃中。」
在經過光學模擬之後，研究人員創造出了這種平視顯示器的實驗室版本，它的眼動範圍比原始圖像要大7倍。然後，他們製成的工作原型，可在一片玻璃上顯示飛行信息，而這片玻璃可以成為覆蓋戰鬥機座艙的透明外殼的一部分。他們使用這種原型，使得原始圖像的眼動範圍幾乎翻倍，並且當用戶視野超越全息圖像邊緣時，顯示的圖像也不會消失。
Blanche 繼續說：「增加用於注入和提取的全息元件尺寸，幾乎無法創造出更大的眼動範圍，唯一的限制因素就是顯示圖像的玻璃尺寸。對於如何利用全息技術解決各種應用中的許多類型的光學問題來說，我們工作是一個很好的案例。相似的方案也可以用於增強現實頭盔，這種頭盔將電腦生成的圖像和外面現實世界中的圖像相結合，但是採用的是一種離眼很近的顯示器。」
未來
儘管研究人員展示的方案只使用了一種顏色，但是他們說這個方案可以進一步拓展創造出全彩色的平視顯示器。他們也在致力於採用同樣的方案，通過全息元件提取，創造出大得很多的圖像，以增加顯示器的尺寸和視場範圍。
關鍵字
平視顯示器、全息技術、光學、增強現實
參考資料
【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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