头盔显示系统中全息波导技术研究

发布时间：2020-05-28 01:10

【摘要】：随着显示技术的不断发展,头盔显示技术在军事、娱乐、医疗等众多领域展示了巨大的发展潜力。现有的头盔显示器多是基于护目镜成像,但是在实际的穿戴过程中,由于其内部光学系统庞大笨重,会导致头部严重不适。为了克服这些缺点,许多新型的头盔显示技术被提出,它们相比于传统的头盔显示器具有重量轻、体积小等优势,其中全息波导显示技术正是最新的头盔显示技术。但是因为相关技术积累欠缺,全息波导显示技术目前还存在光能利用率低、无法实现彩色显示等问题。本文针对光能利用率低的问题,设计了一种光栅结构,可以以较低的制备成本提高光栅的衍射效率,更大程度地提高系统光效、节约成本。文中首先阐述了全息波导显示技术和衍射理论的相关原理,分析了全息光栅空间频率、波长、波导折射率、入射角等参数之间的关系。然后,采用标量衍射理论的设计方法,设计得到光栅的表面微结构形貌,并利用矢量衍射理论对该结构进行仿真。针对仿真结果,对光栅的表面结构进行优化。之后采用标量理论分析了该光栅结构的宽容度。最后,根据最终的设计结果,采用无掩膜直写光刻的方法制备出相应的光栅,对光栅以及全息波导系统进行实际测试,测试结果表明:光栅正入射时-1级衍射效率达到50%,倾斜56°角入射时-1级衍射效率达到40%,相比于一般的全息波导系统,整体光能利用率提升了4倍左右,满足最初的设计要求。
【图文】：

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器自诞生之日起就一直面临着种种技术问题，直到今盔显示器的发展。传统头盔显示器的缺点主要包括体积部分过厚，这影响了用户的体验。为了克服传统头盔显新型头盔技术被适时提出，这些技术从不同角度上一定节主要介绍三种运用新型显示技术的头盔显示器：自由型头盔显示器以及本文研究的全息波导型头盔显示器。式头盔显示器，顾名思义，其引入了自由曲面光学元件一个典型的自由曲面式光学系统如图 1.1 所示，该系统由曲面透镜组成[11]。自由曲面透镜通过一定的折反射人眼当中。从图 1.1 中可以看出，相比于传统的头盔显器只需要一个光学镜片就可以完成图像的传输，，有效，在一定程度上解决了传统技术所带来的体积大、重量的设计同样导致制备难度与成本过高，并且难以保证地呈现在人眼中。

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图 1. 2 几何波导型光学系统的工作原理Fig 1.2 The principle of geometry waveguide optical system全息波导显示技术与之前所介绍的头盔显示技术在原理上有很大不同。息波导显示系统的示意图，全息波导显示通过准直透镜组合将光线准直地利用衍射将图像耦合进满足全反射条件的波导里传播，在出射光栅处衍射破坏全反射条件后由波导中耦出，成像于人眼中[12-19]。因为无需折返中的中继透镜，整个头盔显示系统从重量到尺寸都大大降低，切实满足了中对头盔显示器小型化、轻型化的需求，是下一代头盔显示技术的重要研
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN27

【参考文献】