彩色波导显示研究

发布时间：2020-06-09 00:28

【摘要】：作为现代显示技术中的一种全新技术,头盔显示器的诞生之初多用于军事领域,随着技术的发展,其不断得到完善,现已在诸多领域得到广泛应用。相比传统的头盔显示技术,全息波导头盔显示技术更能顺应头戴系统轻型化、小型化的发展需求。目前,由于相关技术不成熟,彩色全息波导显示亮度低。为提高彩色全息波导显示系统的亮度,本文设计了三种彩色全息波导显示系统:基于倾斜角偏差型双侧体光栅的彩色全息波导显示系统、基于波长偏差型双侧体光栅的彩色全息波导显示系统以及基于单侧双层体光栅的彩色全息波导显示系统。本文首先分析了三种结构的基本原理,然后深入分析耦合光栅的结构参数对波导显示系统性能的影响,最后分析了三种结构波导显示系统的显示性能。本文首先优化了倾斜角偏差型的红、绿、蓝单色双侧体光栅结构,实现了红、绿、蓝单色双侧体光栅结构全息波导显示系统总的亮度耦合效率相对传统单侧体光栅结构的增量分别为16.1%、10.9%、6.1%。在此基础上设计了基于倾斜角偏差型双侧体光栅的彩色全息波导显示系统。仿真结果表明,该彩色系统不仅可提高亮度,而且杂散光和颜色串扰被有效抑制,色域与传统全息波导显示系统相同。最后,基于倾斜角偏差型双侧体光栅结构,提出了一种基于波长偏差型双侧体光栅的彩色全息波导显示系统,结果显示该结构性能与倾斜角偏差型相似。为进一步提高全息波导显示系统对光能的利用率,在双侧耦合体光栅结构的基础上,提出了基于单侧双层体全息光栅的彩色全息波导显示系统。该系统的出/入耦合器均采用双层体全息光栅结构,其中双层体光栅结构既可以是倾斜角偏差型,也可以是波长偏差型结构。仿真结果表明,该彩色系统可以在双侧体光栅结构的基础上进一步提升显示亮度,同时杂散光和颜色串扰亦得到有效抑制。
【图文】：

头盔显示器,头盔

（a）（b）图 1.1（a）头盔综合枪；（b）头盔显示器示器的发展很大程度上是由军事目的推动的。到了八十年代，得益示技术的迫切需求，头盔显示技术进入了快速发展的阶段。随着美国家先后投入大量资源，头盔显示器更新迭代速度加快，到目前，头盔显示器已经得到了巨大的发展，在诸多领域扮演举足轻重的角然头盔显示器的发展主要是由军事目的推动的，但因其具有丰富与者有良好的临场感以及与众不同的想象性，头盔显示器不仅在军教育、工业、娱乐等领域崭露头角。事应用[10-11]示器可以将飞行员所需的各种信息直接呈现在眼前，随着头部的转在头盔显示器的护目镜上看到所需的信息，解决了飞行员作战时需战术信息的矛盾，减少了飞行员的反应时间、有效提高了战机作战盔显示器还可以提供宽阔的视场，减少发现目标的时间。此外，单头盔显示器，提高单兵作战单元的综合作战能力；把头盔显示器应

光学系统,改进型

波导型头盔显示器主要包括全息波导型和几何波导型头盔显示器[16]。其中，几何波导型头盔显示器可以分为很多类型[17]。在几何波导型头盔显示器中，传统的显示信息的折叠光学结构[18]，如图 1.2（a）。显示器发出的光线经过准直镜的折反射，变为准直光线照射到波导上。光线经过第一个反射面以后，变为平行于波导表面的光线在波导中传播，然后经第二个反射面反射，从波导中垂直出射，进入人眼。该结构所显示的视场角与波导厚度有关，为获得较大的视场角，波导的厚度越大，这不符合头盔显示小型化、轻型化的要求趋势。为增加大视场角和出瞳，对传统的折叠式光学光束直接传输和单次反射输出的方式进行了改造，，采用了波导全反射传输和多次反射输出的方式[19]，其结构如图 1.2（b）。利用半透膜阵列代替原有结构在出瞳处的第二反射面，光线可以在多个位置上进行反射耦合输出，增加了出瞳直径；通过全反射传输，反射面的倾斜角可以变得更小，消除了直接传输方式视场角与波导厚度之间的限制，增加了视场角。改进后结构的工作过程为：准直平行光垂直进入波导后，经过第一反射，光线在波导中以全反射的形式进行传播，在到达半透膜阵列区域后，经过多次反射耦合输出至人眼。日本爱普生（Epson）公司生产的 Moverio 系列产品则是利用半透膜阵列波导技术。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN27;O43

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