【摘要】：作為現(xiàn)代顯示技術(shù)中的一種全新技術(shù),頭盔顯示器的誕生之初多用于軍事領(lǐng)域,隨著技術(shù)的發(fā)展,其不斷得到完善,現(xiàn)已在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。相比傳統(tǒng)的頭盔顯示技術(shù),全息波導頭盔顯示技術(shù)更能順應(yīng)頭戴系統(tǒng)輕型化、小型化的發(fā)展需求。目前,由于相關(guān)技術(shù)不成熟,彩色全息波導顯示亮度低。為提高彩色全息波導顯示系統(tǒng)的亮度,本文設(shè)計了三種彩色全息波導顯示系統(tǒng):基于傾斜角偏差型雙側(cè)體光柵的彩色全息波導顯示系統(tǒng)、基于波長偏差型雙側(cè)體光柵的彩色全息波導顯示系統(tǒng)以及基于單側(cè)雙層體光柵的彩色全息波導顯示系統(tǒng)。本文首先分析了三種結(jié)構(gòu)的基本原理,然后深入分析耦合光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)對波導顯示系統(tǒng)性能的影響,最后分析了三種結(jié)構(gòu)波導顯示系統(tǒng)的顯示性能。本文首先優(yōu)化了傾斜角偏差型的紅、綠、藍單色雙側(cè)體光柵結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了紅、綠、藍單色雙側(cè)體光柵結(jié)構(gòu)全息波導顯示系統(tǒng)總的亮度耦合效率相對傳統(tǒng)單側(cè)體光柵結(jié)構(gòu)的增量分別為16.1%、10.9%、6.1%。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了基于傾斜角偏差型雙側(cè)體光柵的彩色全息波導顯示系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明,該彩色系統(tǒng)不僅可提高亮度,而且雜散光和顏色串擾被有效抑制,色域與傳統(tǒng)全息波導顯示系統(tǒng)相同。最后,基于傾斜角偏差型雙側(cè)體光柵結(jié)構(gòu),提出了一種基于波長偏差型雙側(cè)體光柵的彩色全息波導顯示系統(tǒng),結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)性能與傾斜角偏差型相似。為進一步提高全息波導顯示系統(tǒng)對光能的利用率,在雙側(cè)耦合體光柵結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出了基于單側(cè)雙層體全息光柵的彩色全息波導顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)的出/入耦合器均采用雙層體全息光柵結(jié)構(gòu),其中雙層體光柵結(jié)構(gòu)既可以是傾斜角偏差型,也可以是波長偏差型結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明,該彩色系統(tǒng)可以在雙側(cè)體光柵結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進一步提升顯示亮度,同時雜散光和顏色串擾亦得到有效抑制。
【圖文】：

（a） （b）圖 1.1（a）頭盔綜合槍；（b）頭盔顯示器示器的發(fā)展很大程度上是由軍事目的推動的。到了八十年代，得益示技術(shù)的迫切需求，頭盔顯示技術(shù)進入了快速發(fā)展的階段。隨著美國家先后投入大量資源，頭盔顯示器更新迭代速度加快，到目前，頭盔顯示器已經(jīng)得到了巨大的發(fā)展，在諸多領(lǐng)域扮演舉足輕重的角然頭盔顯示器的發(fā)展主要是由軍事目的推動的，但因其具有豐富與者有良好的臨場感以及與眾不同的想象性，頭盔顯示器不僅在軍教育、工業(yè)、娛樂等領(lǐng)域嶄露頭角。事應(yīng)用[10-11]示器可以將飛行員所需的各種信息直接呈現(xiàn)在眼前，隨著頭部的轉(zhuǎn)在頭盔顯示器的護目鏡上看到所需的信息，解決了飛行員作戰(zhàn)時需戰(zhàn)術(shù)信息的矛盾，減少了飛行員的反應(yīng)時間、有效提高了戰(zhàn)機作戰(zhàn)盔顯示器還可以提供寬闊的視場，減少發(fā)現(xiàn)目標的時間。此外，單頭盔顯示器，提高單兵作戰(zhàn)單元的綜合作戰(zhàn)能力；把頭盔顯示器應(yīng)

波導型頭盔顯示器主要包括全息波導型和幾何波導型頭盔顯示器[16]。其中，幾何波導型頭盔顯示器可以分為很多類型[17]。在幾何波導型頭盔顯示器中，傳統(tǒng)的顯示信息的折疊光學結(jié)構(gòu)[18]，如圖 1.2（a）。顯示器發(fā)出的光線經(jīng)過準直鏡的折反射，變?yōu)闇手惫饩�照射到波導上。光線經(jīng)過第一個反射面以后，變?yōu)槠叫杏诓▽П砻娴墓饩�在波導中傳播，然后經(jīng)第二個反射面反射，從波導中垂直出射，進入人眼。該結(jié)構(gòu)所顯示的視場角與波導厚度有關(guān)，為獲得較大的視場角，波導的厚度越大，這不符合頭盔顯示小型化、輕型化的要求趨勢。為增加大視場角和出瞳，對傳統(tǒng)的折疊式光學光束直接傳輸和單次反射輸出的方式進行了改造，，采用了波導全反射傳輸和多次反射輸出的方式[19]，其結(jié)構(gòu)如圖 1.2（b）。利用半透膜陣列代替原有結(jié)構(gòu)在出瞳處的第二反射面，光線可以在多個位置上進行反射耦合輸出，增加了出瞳直徑；通過全反射傳輸，反射面的傾斜角可以變得更小，消除了直接傳輸方式視場角與波導厚度之間的限制，增加了視場角。改進后結(jié)構(gòu)的工作過程為：準直平行光垂直進入波導后，經(jīng)過第一反射，光線在波導中以全反射的形式進行傳播，在到達半透膜陣列區(qū)域后，經(jīng)過多次反射耦合輸出至人眼。日本愛普生（Epson）公司生產(chǎn)的 Moverio 系列產(chǎn)品則是利用半透膜陣列波導技術(shù)。
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN27;O43

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本文編號：2703891