基于头戴显示的微纳结构光学特性研究

发布时间：2020-12-27 05:00

　　增强现实型头戴显示器是一种在观察现实环境的同时显示虚拟信息的近眼显示器,近年来广泛应用于军事和民用领域。目前,头戴显示器正朝着小型化、轻量化、全彩色的方向发展,因此对系统尺寸和重量、显示图像质量和亮度等提出了更高的要求。本论文围绕头戴显示器中的两项关键技术——全息波导成像系统和微显示器开展研究,基于光栅理论、广义斯涅尔定律、表面等离子体激元等现有理论,探索了微纳结构对电磁波的调制机理、新型衍射光栅的衍射机理、超表面结构频率选择和偏振转化机理。通过理论推导和严格耦合波分析法、有限元法等数值分析方法,对微纳结构光学特性,及其在头戴显示方面的实际应用展开研究。研究单色和复合体全息光栅的衍射特性、光谱特性和杂散光现象,建立复合体全息光栅折射率理论模型。通过优化几何结构,提高衍射效率,降低杂散光,获得了具有较高出耦合衍射效率、较少杂散光的基于复合体全息光栅的彩色全息波导成像系统,实现了红、绿、蓝光均匀出射。研究一维金属光栅和体全息光栅组合的双层耦合光栅的衍射特性、光谱特性和亮度效率,推导了双层耦合光栅的布拉格条件,优化金属光栅结构,提高衍射效率和亮度效率。将双层耦合光栅应用于全息波导成像系统,获... 

【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】：109 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

部分军用头戴显示器

头戴显示器从最初辅助空军作战，到如今广泛应用于军事、生产、医疗、教育、娱乐等领域，经历了结构和性能的几次更新换代。如图 1-3 所示，按照像源和人眼匹配数量分类，头戴显示器可以分成单像源单目型、单像源双目型和双像源双目型三种。单像源单目型的显示方式是由一个像源，经过一套光学系统，在一只眼睛前成像。这种结构重量较轻，装配精度要求不高，但是由于双眼接收的亮度不均，长时间佩戴会引起视觉疲劳或眩晕，头部单侧有压迫感，且无法显示深度信息。单像源双目型的显示方式是由一个像源，分光后经过两套光学系统，在两只眼睛前成像。这种方式解决了单像源单目显示引起的视觉不适问题，但是增大了装配难度；同时，采用这种方式的像源通常装配在前额或双眼之间，系统重心前置，所以降低了佩戴舒适度；此外，分光使得像源亮度减半，这对像源亮度的要求较高。双像源双目型的显示方式是由两个像源，各自经过一套光学系统，在两只眼睛前成像[15]。这种方式系统最复杂，重量最重，装配精度最高，但是可以将像源及其光学系统后置，减轻面部承重，提高佩戴舒适度，此外，可以实现较大的视场，以及呈现更为立体图像。因此，目前双像源双目显示成为了头戴显示器的主流方式。

但是缺点为系统较复杂，装配精度较高[20]。如图1-5 所示，按离轴光学元件的不同，折/反射式光学系统可以分为平面型、曲面型和波导型。平面型的离轴光学元件有偏振分束镜、平面反射镜、相位共轭材料和级联反射镜，曲面型有曲面反射镜、曲面反射镜阵列和全反射自由曲面棱镜，波导型以波导为传输载体，以微镜阵列、棱镜或衍射元件为波导耦合器。由于平面型和曲面型采用的是传统的折/反射式光学系统，所以整个系统体积较大、且较为笨重。波导的使用可以将像源置于远离人眼的位置，使系统重心后移，同时将光路折返限定在轻薄的波导结构中，减小系统尺寸。波导成像系统主要包括波导及其入/出耦合器。早期的波导耦合器为棱镜和反射镜阵列，由于反射镜需要与波导呈大角度排列，以及棱镜自身的尺寸限制，早期波导型结构的厚度依然较大。近几年，衍射光学元件逐渐取代折/反射光学元件，用作平板波导的耦合器，厚度仅为几微米，进一步减小了系统尺寸和重量。偏振分束镜 平面反射镜 相位共轭材料 级联反射镜（a）平面型曲面反射镜 曲面反射镜阵列 全反射自由曲面棱镜（b）曲面型微镜阵列 衍射元件（c）波导型图 1-5 折/反射式光学传输系统示意图。分为（a）平面型、（b）曲面型和（c）波导型三类。


本文编号：2941144