基于差分进化算法的光栅波导头戴显示系统设计
发布时间：2021-05-07 23:58
随着人们对视觉信息需求的不断增大,光栅波导头戴显示系统（grating waveguide head-mounted display）具备的高性能显示效果和广泛的应用范围,使其具有极高的研究价值。然而,现有系统存在视场角小,衍射效率不高,均匀性差等问题;一般的优化方法难以获得光栅耦合器最优解;难以加工亚波长光栅。为了解决上述问题,本文提出一种基于差分进化算法的光栅耦合器优化方法,设计出了一种高性能的光栅波导头戴显示系统,论文的主要研究成果及创新点如下:1、提出了基于差分进化算法的用于波导显示系统的光栅耦合器优化方法,提高设计过程的合理性和设计结果的可靠性。2、基于差分进化算法设计了一种具有自然渐晕补偿效果的高角度均匀性输入光栅耦合器,在45°水平视场角范围内TE偏振平均衍射效率89.13%,衍射效率分布随视场角增加而增大,角度均匀性高达0.8885;优化了2400L/mm输入与输出光栅耦合器,有效提高衍射效率并改善效率分布均匀性,输入光栅耦合器TE偏振平均衍射效率从6.45%提高至37.21%,效率分布均匀性从0.3358提高至0.8062,TM偏振平均衍射效率从1.60%提高至36....
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究背景
1.2 头戴式显示器的发展
1.3 头戴式显示系统的应用
1.4 论文的研究目的及内容框架
第2章 光栅波导头戴式显示系统的理论基础
2.1 系统的结构组成与基本原理
2.2 均匀性的考虑
2.3 亚波长光栅理论研究方法
2.3.1 矢量衍射理论概述
2.3.2 严格耦合波分析法
2.4 基于差分进化算法的光栅耦合器优化方法
2.5 本章小结
第3章 波导显示光栅耦合器的设计
3.1 光栅波导显示系统光栅耦合器的设计要求
3.2 基于差分进化算法的光栅耦合器设计与优化
3.2.1 高效率输入光栅耦合器的设计与优化
3.2.2 高角度均匀性的输入光栅耦合器的设计与优化
3.2.3 高出瞳均匀性输出光栅耦合器的设计与优化
3.2.4 2400 L/mm输入与输出光栅耦合器的设计与优化
3.3 光栅耦合方式的讨论与容差分析
3.3.1 光栅耦合方式与棱镜耦合方式比较
3.3.2 光栅的容差分析
3.4 本章小结
第4章 波导显示光栅耦合器的研制与测量
4.1 波导显示光栅耦合器的加工工艺研究
4.1.1 电子束曝光工艺
4.1.2 干法刻蚀工艺
4.1.3 压印复制工艺
4.1.4 镀膜工艺
4.2 光栅耦合器样品的测试与测量
4.2.1 样品的测试
4.2.2 薄膜膜厚与折射率测量
4.3 效率测量与分析
4.3.1 测量方法
4.3.2 测量结果
4.3.3 结果分析
4.4 本章小结
第5章 光栅波导头戴显示系统的研究
5.1 图像源
5.1.1 OLED微显示器
5.1.2 LCoS微显示器
5.1.3 DLP微显示器
5.2 目镜系统设计
5.2.1 调制传递函数MTF
5.2.2 点列图
5.2.3 场曲和畸变
5.2.4 垂轴色差
5.3 光栅波导HMD系统仿真
5.3.1 出瞳扩展波导显示系统光路仿真
5.3.2 扩展出瞳均匀性优化
5.3.3 出瞳扩展现象相关实验
5.4 原型机系统显示效果与测试分析
5.5 本章小结
第6章 总结和展望
6.1 总结
6.2 研究展望
参考文献
发表论文和科研情况说明
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于严格耦合波理论的新型耦合光栅分析[J]. 尤勐,黄战华,蔡怀宇. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2014(03)
[2]光导板中新型衍射元件的数值模拟研究[J]. 尤勐,黄战华,蔡怀宇. 光学技术. 2013(01)
[3]嵌入式镀膜光栅的数值模拟研究(英文)[J]. 尤勐,黄战华,蔡怀宇. 光子学报. 2012(11)
[4]用于彩色屏显的双层耦合光栅设计[J]. 尤勐,黄战华,蔡怀宇. 光学学报. 2012(10)
[5]大视场双目头盔投影光学系统设计[J]. 张慧娟. 光子学报. 2007(07)
[6]头盔瞄准具及其发展[J]. 王贤明. 现代兵器. 1990(10)
硕士论文
[1]基于超精密加工的自由曲面棱镜设计研究[D]. 郭跃武.天津大学 2012
[2]数字头盔显示及其关键技术研究[D]. 郭功剑.浙江大学 2010
[3]全息头盔显示光学系统设计研究[D]. 包秋亚.长春理工大学 2008
本文编号：3174276
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究背景
1.2 头戴式显示器的发展
1.3 头戴式显示系统的应用
1.4 论文的研究目的及内容框架
第2章 光栅波导头戴式显示系统的理论基础
2.1 系统的结构组成与基本原理
2.2 均匀性的考虑
2.3 亚波长光栅理论研究方法
2.3.1 矢量衍射理论概述
2.3.2 严格耦合波分析法
2.4 基于差分进化算法的光栅耦合器优化方法
2.5 本章小结
第3章 波导显示光栅耦合器的设计
3.1 光栅波导显示系统光栅耦合器的设计要求
3.2 基于差分进化算法的光栅耦合器设计与优化
3.2.1 高效率输入光栅耦合器的设计与优化
3.2.2 高角度均匀性的输入光栅耦合器的设计与优化
3.2.3 高出瞳均匀性输出光栅耦合器的设计与优化
3.2.4 2400 L/mm输入与输出光栅耦合器的设计与优化
3.3 光栅耦合方式的讨论与容差分析
3.3.1 光栅耦合方式与棱镜耦合方式比较
3.3.2 光栅的容差分析
3.4 本章小结
第4章 波导显示光栅耦合器的研制与测量
4.1 波导显示光栅耦合器的加工工艺研究
4.1.1 电子束曝光工艺
4.1.2 干法刻蚀工艺
4.1.3 压印复制工艺
4.1.4 镀膜工艺
4.2 光栅耦合器样品的测试与测量
4.2.1 样品的测试
4.2.2 薄膜膜厚与折射率测量
4.3 效率测量与分析
4.3.1 测量方法
4.3.2 测量结果
4.3.3 结果分析
4.4 本章小结
第5章 光栅波导头戴显示系统的研究
5.1 图像源
5.1.1 OLED微显示器
5.1.2 LCoS微显示器
5.1.3 DLP微显示器
5.2 目镜系统设计
5.2.1 调制传递函数MTF
5.2.2 点列图
5.2.3 场曲和畸变
5.2.4 垂轴色差
5.3 光栅波导HMD系统仿真
5.3.1 出瞳扩展波导显示系统光路仿真
5.3.2 扩展出瞳均匀性优化
5.3.3 出瞳扩展现象相关实验
5.4 原型机系统显示效果与测试分析
5.5 本章小结
第6章 总结和展望
6.1 总结
6.2 研究展望
参考文献
发表论文和科研情况说明
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于严格耦合波理论的新型耦合光栅分析[J]. 尤勐,黄战华,蔡怀宇. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2014(03)
[2]光导板中新型衍射元件的数值模拟研究[J]. 尤勐,黄战华,蔡怀宇. 光学技术. 2013(01)
[3]嵌入式镀膜光栅的数值模拟研究(英文)[J]. 尤勐,黄战华,蔡怀宇. 光子学报. 2012(11)
[4]用于彩色屏显的双层耦合光栅设计[J]. 尤勐,黄战华,蔡怀宇. 光学学报. 2012(10)
[5]大视场双目头盔投影光学系统设计[J]. 张慧娟. 光子学报. 2007(07)
[6]头盔瞄准具及其发展[J]. 王贤明. 现代兵器. 1990(10)
硕士论文
[1]基于超精密加工的自由曲面棱镜设计研究[D]. 郭跃武.天津大学 2012
[2]数字头盔显示及其关键技术研究[D]. 郭功剑.浙江大学 2010
[3]全息头盔显示光学系统设计研究[D]. 包秋亚.长春理工大学 2008
本文编号：3174276
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