机载光波导平视显示技术研究

发布时间：2020-11-01 02:39

　　 随着信息社会日新月异的发展,平视显示技术已在诸多领域展示出巨大的应用价值和发展潜力。机载平视显示系统采用高分辨率微型显示器作为图像源,通过准直投射的光学显示方法,将飞行参数、作战告警等信息叠加显示在飞行员正前方无穷远处外景上。机载平视显示系统直接决定了飞行员单位时间内所接收的信息容量和态势感知能力,对于提高战斗机的作战性能,保证其飞行安全性具有无可替代的作用。传统机载平视显示系统采用离散光学透镜组投射光学系统,体积和重量偏大,性能易受座舱装配空间的限制。丰富的机载设备集成化程度日益深化,机载座舱装配空间要求日益苛刻,传统平视显示系统已难以满足现代机载显示设备发展的新需求。新一代的光波导平视显示系统,在保证观察范围、显示视场等光学性能的同时,可以有效实现系统的小型化、轻量化,为机载平视显示系统提供了全新的解决方案。光波导平视显示技术已经成为机载平视显示领域发展的必然趋势。光波导平视显示技术采用波导全内反射多次复合成像原理,存在显示连续性、“百叶窗效应”及“强光闪耀效应”等多种应用难题,然而国内外关于光波导平视显示技术的研究鲜有介绍。本课题面向紧凑化座舱装配需求,采用光波导显示原理,攻克多次复合连续成像、膜层阵列“百叶窗效应”抑制及波导衍射光栅“外景强光闪耀效应”抑制等多项关键技术和制备工艺,研究扁平化光波导平视显示系统,优化显示性能,以灵活布局于紧凑化座舱中,兼容多种机型。本文的主要研究内容和结论如下:1)通过波导理论分析了图像光线在平板波导内的传输条件,为全视场图像光线的传输扩展及光机结构的装配提供了数据参考。分析了波导全息体光栅的衍射特性,波导反射全息体光栅具有更低的波长选择性和更高的衍射效率,有利于显示系统应用。对几何光波导显示中应用到的膜层进行了分析,优化选择了二向性偏振分光膜,在保证光学系统显示效率的条件下,提升外景自然光的透过率。分析了机载光波导平视显示的组成及功能,确定了I光学构型方案进行机载光波导平视显示系统的设计。2)进行了扁平化机载光波导平视显示光学系统的设计。介绍了3.8inch偏振液晶图像源,设计了带状中继光学系统,以配合I光学构型光波导平视显示组合镜,实现机载光波导平视显示系统的扁平化,系统显示像质优异,畸变不足1%,显示视场达到了20°316°,显示分辨率为10243768。3)针对光波导平视显示的多重复合成像,通过匀光通道设计,将图像光线在波导平板内部进行多次分光,拓展光线分布区域,攻克了成像连续性控制技术;对比分析了不同反射膜性能特点,通过观察区域膜层阵列部分反射膜的二向性偏振分光设计,解决了几何光波导平视显示组合镜“百叶窗效应”抑制,提升外景观察均匀性,同时保证了显示效率;通过薄光栅分解理论,采用反射体全息光栅,通过光栅膜层表层折射率调制度渐变处理,消除了光栅膜层的表面光栅,突破了衍射光波导平视显示组合镜的“外景强光闪耀效应”抑制。4)设计了几何光波导平视显示组合镜制备方案,提出了工艺标准,采用环抛修磨设备进行几何光波导平视显示组合镜多棱镜结构的加工,避免应力的引入及胶合界线的损伤,同时探讨了二向性偏振分光膜的镀制工艺。5)分析了对比了全息体光栅感光材料,选择了具有高透过率和折射率调制度的重铬酸铵明胶感光材料进行波导全息体光栅的制备。采用控制曝光强度的方法进行曝光量的控制,通过蒸镀铜灰度板的应用,实现光栅的衍射效率渐变分布。采用双光束曝光光路,通过光学玻璃棱镜进行光线的耦合,同时将全息干版浸润在匹配液槽中,光学玻璃棱镜、全息干版基板及匹配液折射率一致,以降低全息体光栅的噪声干扰,提升光栅质量。提出了衍射光波导平视显示组合镜全息体光栅制备工艺流程,通过365nmUVLED紫外光进行重铬酸胺明胶干版预处理,随后进行波导全息体光栅相干曝光,化学处理后,通过分光光度计监控衍射峰值波长的变化,以匹配显示波长,控制误差不大于±2nm。6)制作了几何光波导平视显示组合镜和衍射光波导平视显示组合镜,并分别与带状中继系统进行了装配调试。几何光波导平视显示系统观察外景通透均匀,有效抑制了“百叶窗效应”,组合镜厚度18mm,显示效率达到10%以上。衍射光波导平视显示系统虚拟画面存在色差,外景强光条件下无明显“闪耀效应”,组合镜厚度8mm。机载光波导平视显示系统具有轻量化、扁平化、模块化、无边框化等显著优势,可以兼容多种机型平台,并且有利于人机效能的提升。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院重庆绿色智能技术研究院)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TN252;TN27
【部分图文】：

机载光波导平视显示技术研究2效的保障。图1.1平视显示器及主要飞行信息Figure1.1Headupdisplaypresentationofprimaryflightinformation.平视显示器的概念产生于第一次世界大战期间，经历了光学瞄准具、反射式瞄准具、陀螺瞄准具、60年代后期发展成现代平视显示器，70年代开始大量装备军用飞机，到现在一直是军用飞机座舱中的关键显示器。1962年平视显示器开始装备服役，常规光学平视显示的出现是座舱显示设备的一次革命。常规光学平视显示装备于苏27、F-16A/B。采用常规光学技术瞬时视场小，光能利用率低。20世纪80年代末，世界上第一种衍射平视显示开始装备服役，装备F-16C/D。组合镜采用了光栅衍射光学技术增加了瞬时视场和光能利用率，但体积重量增大，并且限制了眼盒。20世纪90年代，在大离轴光学系统设计技术的基础上，采用计算全息技术设计有焦全息组合镜，研制出广角全息平视显示装备于美国F-22、法国阵风、欧洲台风、瑞典JAS39等[4,5]。广角全息平视显示获得了更大的瞬时视尝更高的光能利用率和外景透过率，但体积重量和技术复杂度增加。这三代平视显示统称为传统平视显示。传统三代平视显示器，如图1.2所示。图1.2传统三代平视显示器Figure1.2Conventional3generationsheadupdisplay.近年来，新一代航空飞机传感器集成化大幅度提高，装配空间及负荷要求苛刻，对

机载光波导平视显示技术研究2效的保障。图1.1平视显示器及主要飞行信息Figure1.1Headupdisplaypresentationofprimaryflightinformation.平视显示器的概念产生于第一次世界大战期间，经历了光学瞄准具、反射式瞄准具、陀螺瞄准具、60年代后期发展成现代平视显示器，70年代开始大量装备军用飞机，到现在一直是军用飞机座舱中的关键显示器。1962年平视显示器开始装备服役，常规光学平视显示的出现是座舱显示设备的一次革命。常规光学平视显示装备于苏27、F-16A/B。采用常规光学技术瞬时视场小，光能利用率低。20世纪80年代末，世界上第一种衍射平视显示开始装备服役，装备F-16C/D。组合镜采用了光栅衍射光学技术增加了瞬时视场和光能利用率，但体积重量增大，并且限制了眼盒。20世纪90年代，在大离轴光学系统设计技术的基础上，采用计算全息技术设计有焦全息组合镜，研制出广角全息平视显示装备于美国F-22、法国阵风、欧洲台风、瑞典JAS39等[4,5]。广角全息平视显示获得了更大的瞬时视尝更高的光能利用率和外景透过率，但体积重量和技术复杂度增加。这三代平视显示统称为传统平视显示。传统三代平视显示器，如图1.2所示。图1.2传统三代平视显示器Figure1.2Conventional3generationsheadupdisplay.近年来，新一代航空飞机传感器集成化大幅度提高，装配空间及负荷要求苛刻，对

元件将图像光线约束在波导组合镜中传播，由耦合输出光学元件多次反射输出成像，实现较大范围观察[7-11]，并避免了传统平视显示系统中头部对自由空间中传播光线的潜在干扰。光波导平视显示系统节约座舱装配空间，飞行员头部活动范围更大，更舒适，便于模块化，可靠性更强。光波导平视显示技术的出现，标志着平视显示器已经发展到第四代。光波导平视显示器将传统瞄准显示复杂离轴光学系统取代为集成化的平板全息波导组合镜，极大程度缩小了瞄准显示系统的体积、减轻了重量。Collins及BAE光波导平视显示器，如图1.3所示。图1.3Collins及BAE光波导平视显示器Figure1.3LightgudiedheadupdisplayofCollinsandBAEsystemsrespectively.光波导平视显示技术是对传统平视显示技术的一次变革，可广泛应用于多机型座舱平视瞄准显示领域。光波导平视显示系统的显著优势非常有利于兼容多种机型座舱装配及性能需求，尤其适用于小型化紧凑座舱对平视显示器性能的需求，解决现有常规平视显示技术无法满足装机要求的问题。光波导平视显示技术作为一种新型的多次复合成像准直显示技术，其独特的性能也涉及到许多新的成像原理和设计及制作方法。如何系统分析光波导平视显示原理、设计和制作方法，以满足特定显示性能参数的光学系统要求，成为了一项必须解决的关键问题。因此，有必要研究光波导平视显示原理和设计及制作技术，实现机载光波导平视显示。
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 黄银国;梁佳琪;杨永;李杏华;;基于光学自准直法的光波导阵列平行度测试[J];光学精密工程;2020年07期

2 李双;齐磊;王国祥;李军;沈祥;徐培鹏;戴世勋;聂秋华;徐铁锋;;硫系掺铒光波导在光通信的研究进展[J];激光与光电子学进展;2015年03期

3 刘涛;杨敏;蒋志;李志山;王书荣;;环氧树脂多模光波导的研制[J];光电子·激光;2015年08期

4 陈媛媛;;硅基光波导材料的研究[J];激光与红外;2010年08期

5 孙彦星;王文军;;非线性光波导特性及其应用[J];科技创新导报;2010年32期

6 ;光波导材料与制备[J];中国光学与应用光学文摘;2008年02期

7 海日沙·阿不来提;麦麦提依明·马合木提;阿布力孜·伊米提;;高灵敏复合光波导传感器及其研究进展[J];化学传感器;2008年02期

8 李锋;刘保亭;赵庆勋;闫正;;铁电薄膜光波导的研究进展[J];激光与红外;2006年09期

9 陈海燕,刘永智;1.55μm光波导放大器最新进展[J];激光与红外;2005年07期

10 陈海燕,张锐;步长对光波导放大器数值模拟的影响[J];长江大学学报(自科版);2005年04期

相关博士学位论文 前10条

1 闫占军;机载光波导平视显示技术研究[D];中国科学院大学(中国科学院重庆绿色智能技术研究院);2020年

2 何海蓉;微纳光波导的传输特性及其应用研究[D];湖南大学;2018年

3 程晨;几种二维材料在波导激光中的应用及超快激光修饰研究[D];山东大学;2018年

4 杜婵;光波导表面等离子体共振传感方法研究[D];清华大学;2014年

5 陈聪;铒镱共掺有机聚合物硅基平面光波导放大器的研究[D];吉林大学;2010年

6 杨柳;基于强限制光波导的微环谐振器及其热光特性研究[D];浙江大学;2009年

7 郝寅雷;离子交换玻璃光波导器件制备技术研究[D];中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）;2005年

8 梁华伟;光波导光学相控阵技术的理论和实验研究[D];西安电子科技大学;2007年

9 李寒阳;一维微结构光波导的制备及其光学性能研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

10 桂成程;基于硅基光波导的光信号处理[D];华中科技大学;2016年

相关硕士学位论文 前10条

1 董明雪;电子束辅助电化学制备光波导及特性研究[D];长春理工大学;2019年

2 陈开;基于悬空式光波导的硅基热光器件的设计与制作[D];华中科技大学;2019年

3 杨森;空芯光波导内氨气吸附效应对光谱测量的影响研究[D];天津工业大学;2019年

4 李炎;光波导近眼显示系统性能优化技术研究[D];长春理工大学;2018年

5 张守强;光波导相控阵波束指向控制方法研究[D];长春理工大学;2018年

6 彭丽华;光波导光学相控阵的边瓣抑制算法研究[D];长春理工大学;2018年

7 杨明;垂直生长的GaAs光波导相控阵光耦合系统的设计[D];西安电子科技大学;2018年

8 杨旭;液芯光波导系统研究蛋白质在水/离子液体之间的传质迁移行为[D];东北大学;2015年

9 塔吉古丽·依马木买买提（Tajigul Emammamat）;八乙基卟啉及其锌配合物光波导传感元件的制备与气敏性研究[D];新疆大学;2018年

10 吴震星;光波导纳米线中频率转换的研究[D];南京大学;2017年

本文编号：2864904