彩色波导显示光学耦合技术研究
发布时间：2021-09-03 21:59
作为目前信息显示技术领域的热点,HMD-AR（Head Mounted Display-Augmented Reality,头戴式增强现实）设备的发展承载着人们对未来信息交互方式的美好愿景。光波导作为一种被广泛认可的HMD-AR技术方案,在体积重量、出瞳大小、对外环境可视性方面具有显著优势。波导耦合技术作为关键技术,直接决定了光波导显示系统的光学效率、出瞳大小、色彩表现、清晰度和画面质量。在当前主要的波导耦合技术中VHG（Volume Holographic Grating,体全息光栅）因其工艺难度低、光学耦合效率高受到广泛关注。但是,目前VHG波导显示技术还存在着视场范围（Field of View,FOV）偏小、色彩表现不够丰富等缺点。另一方面,由于同时涉及复杂的物理与几何光学原理,目前对于VHG波导系统也缺乏有效的光学设计方法以及相应的仿真软件。为了解决这些问题,本论文着眼于VHG波导成像应用,建立了VHG耦合光栅的数理仿真模型,研究分析了VHG的衍射特性,揭示了VHG衍射特性与波导显示系统成像参数之间的相关性,提取了影响FOV与色彩表现的关键光栅参数。并提出了一种双层光栅波导结...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 头戴式显示设备(HMD)发展历史
1.1.1 HMD虚拟现实
1.1.2 HMD增强现实
1.2 HMD-AR实现方法
1.3 光波导AR成像技术
1.3.1 基本原理
1.3.2 出瞳扩展
1.4 光波导成像系统中的耦合元件
1.4.1 部分反射微镜阵列(PRMA)
1.4.2 表面浮雕光栅(SRG)
1.4.3 体全息光栅(VHG)
1.4.4 偏振体全息光栅(PVG)
1.4.5 波导耦合元件的对比
1.5 本论文的研究意义与主要工作
1.6 本论文的组织结构
第二章 体全息光栅(VHG)的波导光学耦合
2.1 体全息光栅理论
2.1.1 平面波与平面波的全息干涉
2.1.2 VHG的记录与布拉格衍射
2.2 VHG的分析方法
2.2.1 Kogelnik耦合波理论
2.2.2 严格耦合波理论(RCWA)
2.2.3 基于有限元分析的电磁场仿真建模
2.3 VHG的基本衍射特性
2.4 基于波导显示应用的VHG耦合成像
2.4.1 反射式VHG在波导耦合应用中的优势
2.4.2 VHG耦合光栅对波导显示系统视场范围与色彩表现的影响
2.4.3 VHG波导显示系统的优化方法
2.5 本章小结
第三章 PANCHARATNAM-BERRY(PB)相位液晶光栅
3.1 基于PB相位光栅物理机理
3.2 PB相位光栅的衍射特性
3.3 基于PB相位光栅的光束角度控制
3.4 针对波导显示系统的PB相位光栅优化
3.5 本章小结
第四章 偏振体全息光栅(PVG)的仿真研究
4.1 PVG的物理结构与机理
4.2 基于有限元分析方法的PVG仿真建模
4.3 PVG的衍射特性
4.3.1 反射式PVG的衍射特性
4.3.2 透射式PVG衍射特性
4.4 PVG的波导耦合应用
4.4.1 波导应用中PVG的优势
4.4.2 针对波导显示应用进一步拓宽PVG的响应带宽的方法
4.4.3 PVG偏振特性下的波导系统结构
4.5 本章小结
第五章 PVG的制备方法与流程
5.1 PVG主要材料
5.2 光致取向层制备方法与流程
5.3 PVG偏振全息曝光方法与光路搭建
5.4 液晶层制备方法与流程
5.5 本章小结
第六章 PVG彩色波导显示系统搭建与成像分析
6.1 PVG彩色全息波导系统结构设计
6.2 PVG彩色全息波导系统制备
6.2.1 PVG彩色波导片的制备与表征
6.2.2 彩色波导显示系统样机搭建
6.3 PVG彩色波导显示系统成像结果分析
6.4 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 工作总结
7.2 后续展望
参考文献
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]面向体全息存储技术的光致聚合物材料研究进展[J]. 菅佳玲,曹琳,魏夕桥,郭金鑫,王大勇,张新平. 光电工程. 2019(03)
[2]封装DCG全息光学元件在不同温湿度条件下的波长特性研究[J]. 刘玉杰,李文强,丁全心. 科学技术与工程. 2015(17)
[3]全息波导头盔显示技术[J]. 曾飞,张新. 中国光学. 2014(05)
[4]基于棱镜-光栅结构的全息波导头盔显示系统设计[J]. 曾飞,张新,张建萍,史广维,曲贺盟,张继真. 光学学报. 2013(09)
[5]Design of Waveguide Head-Up Display with Embedded Gratings[J]. 尤勐,黄战华,蔡怀宇. 中国激光. 2012(09)
[6]半透膜阵列式平板显示设计[J]. 刘辉,郑臻荣,李海峰,刘旭. 光电工程. 2012(05)
[7]正确理解和使用投影机标准ISO/IEC 21118[J]. 阮卫泓. 电视技术. 2007(09)
[8]Redheffer 星积运算及应用[J]. 王广雄,王晓峰. 电机与控制学报. 1998(01)
本文编号：3381935
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 头戴式显示设备(HMD)发展历史
1.1.1 HMD虚拟现实
1.1.2 HMD增强现实
1.2 HMD-AR实现方法
1.3 光波导AR成像技术
1.3.1 基本原理
1.3.2 出瞳扩展
1.4 光波导成像系统中的耦合元件
1.4.1 部分反射微镜阵列(PRMA)
1.4.2 表面浮雕光栅(SRG)
1.4.3 体全息光栅(VHG)
1.4.4 偏振体全息光栅(PVG)
1.4.5 波导耦合元件的对比
1.5 本论文的研究意义与主要工作
1.6 本论文的组织结构
第二章 体全息光栅(VHG)的波导光学耦合
2.1 体全息光栅理论
2.1.1 平面波与平面波的全息干涉
2.1.2 VHG的记录与布拉格衍射
2.2 VHG的分析方法
2.2.1 Kogelnik耦合波理论
2.2.2 严格耦合波理论(RCWA)
2.2.3 基于有限元分析的电磁场仿真建模
2.3 VHG的基本衍射特性
2.4 基于波导显示应用的VHG耦合成像
2.4.1 反射式VHG在波导耦合应用中的优势
2.4.2 VHG耦合光栅对波导显示系统视场范围与色彩表现的影响
2.4.3 VHG波导显示系统的优化方法
2.5 本章小结
第三章 PANCHARATNAM-BERRY(PB)相位液晶光栅
3.1 基于PB相位光栅物理机理
3.2 PB相位光栅的衍射特性
3.3 基于PB相位光栅的光束角度控制
3.4 针对波导显示系统的PB相位光栅优化
3.5 本章小结
第四章 偏振体全息光栅(PVG)的仿真研究
4.1 PVG的物理结构与机理
4.2 基于有限元分析方法的PVG仿真建模
4.3 PVG的衍射特性
4.3.1 反射式PVG的衍射特性
4.3.2 透射式PVG衍射特性
4.4 PVG的波导耦合应用
4.4.1 波导应用中PVG的优势
4.4.2 针对波导显示应用进一步拓宽PVG的响应带宽的方法
4.4.3 PVG偏振特性下的波导系统结构
4.5 本章小结
第五章 PVG的制备方法与流程
5.1 PVG主要材料
5.2 光致取向层制备方法与流程
5.3 PVG偏振全息曝光方法与光路搭建
5.4 液晶层制备方法与流程
5.5 本章小结
第六章 PVG彩色波导显示系统搭建与成像分析
6.1 PVG彩色全息波导系统结构设计
6.2 PVG彩色全息波导系统制备
6.2.1 PVG彩色波导片的制备与表征
6.2.2 彩色波导显示系统样机搭建
6.3 PVG彩色波导显示系统成像结果分析
6.4 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 工作总结
7.2 后续展望
参考文献
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]面向体全息存储技术的光致聚合物材料研究进展[J]. 菅佳玲,曹琳,魏夕桥,郭金鑫,王大勇,张新平. 光电工程. 2019(03)
[2]封装DCG全息光学元件在不同温湿度条件下的波长特性研究[J]. 刘玉杰,李文强,丁全心. 科学技术与工程. 2015(17)
[3]全息波导头盔显示技术[J]. 曾飞,张新. 中国光学. 2014(05)
[4]基于棱镜-光栅结构的全息波导头盔显示系统设计[J]. 曾飞,张新,张建萍,史广维,曲贺盟,张继真. 光学学报. 2013(09)
[5]Design of Waveguide Head-Up Display with Embedded Gratings[J]. 尤勐,黄战华,蔡怀宇. 中国激光. 2012(09)
[6]半透膜阵列式平板显示设计[J]. 刘辉,郑臻荣,李海峰,刘旭. 光电工程. 2012(05)
[7]正确理解和使用投影机标准ISO/IEC 21118[J]. 阮卫泓. 电视技术. 2007(09)
[8]Redheffer 星积运算及应用[J]. 王广雄,王晓峰. 电机与控制学报. 1998(01)
本文编号：3381935
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/ruanjiangongchenglunwen/3381935.html
