增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)型頭戴顯示器是一種在觀察現(xiàn)實(shí)環(huán)境的同時(shí)顯示虛擬信息的近眼顯示器,近年來(lái)廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。目前,頭戴顯示器正朝著小型化、輕量化、全彩色的方向發(fā)展,因此對(duì)系統(tǒng)尺寸和重量、顯示圖像質(zhì)量和亮度等提出了更高的要求。本論文圍繞頭戴顯示器中的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)——全息波導(dǎo)成像系統(tǒng)和微顯示器開展研究,基于光柵理論、廣義斯涅爾定律、表面等離子體激元等現(xiàn)有理論,探索了微納結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的調(diào)制機(jī)理、新型衍射光柵的衍射機(jī)理、超表面結(jié)構(gòu)頻率選擇和偏振轉(zhuǎn)化機(jī)理。通過(guò)理論推導(dǎo)和嚴(yán)格耦合波分析法、有限元法等數(shù)值分析方法,對(duì)微納結(jié)構(gòu)光學(xué)特性,及其在頭戴顯示方面的實(shí)際應(yīng)用展開研究。研究單色和復(fù)合體全息光柵的衍射特性、光譜特性和雜散光現(xiàn)象,建立復(fù)合體全息光柵折射率理論模型。通過(guò)優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu),提高衍射效率,降低雜散光,獲得了具有較高出耦合衍射效率、較少雜散光的基于復(fù)合體全息光柵的彩色全息波導(dǎo)成像系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了紅、綠、藍(lán)光均勻出射。研究一維金屬光柵和體全息光柵組合的雙層耦合光柵的衍射特性、光譜特性和亮度效率,推導(dǎo)了雙層耦合光柵的布拉格條件,優(yōu)化金屬光柵結(jié)構(gòu),提高衍射效率和亮度效率。將雙層耦合光柵應(yīng)用于全息波導(dǎo)成像系統(tǒng),獲... 

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

部分軍用頭戴顯示器

頭戴顯示器從最初輔助空軍作戰(zhàn)，到如今廣泛應(yīng)用于軍事、生產(chǎn)、醫(yī)療、教育、娛樂(lè)等領(lǐng)域，經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)和性能的幾次更新?lián)Q代。如圖 1-3 所示，按照像源和人眼匹配數(shù)量分類，頭戴顯示器可以分成單像源單目型、單像源雙目型和雙像源雙目型三種。單像源單目型的顯示方式是由一個(gè)像源，經(jīng)過(guò)一套光學(xué)系統(tǒng)，在一只眼睛前成像。這種結(jié)構(gòu)重量較輕，裝配精度要求不高，但是由于雙眼接收的亮度不均，長(zhǎng)時(shí)間佩戴會(huì)引起視覺(jué)疲勞或眩暈，頭部單側(cè)有壓迫感，且無(wú)法顯示深度信息。單像源雙目型的顯示方式是由一個(gè)像源，分光后經(jīng)過(guò)兩套光學(xué)系統(tǒng)，在兩只眼睛前成像。這種方式解決了單像源單目顯示引起的視覺(jué)不適問(wèn)題，但是增大了裝配難度；同時(shí)，采用這種方式的像源通常裝配在前額或雙眼之間，系統(tǒng)重心前置，所以降低了佩戴舒適度；此外，分光使得像源亮度減半，這對(duì)像源亮度的要求較高。雙像源雙目型的顯示方式是由兩個(gè)像源，各自經(jīng)過(guò)一套光學(xué)系統(tǒng)，在兩只眼睛前成像[15]。這種方式系統(tǒng)最復(fù)雜，重量最重，裝配精度最高，但是可以將像源及其光學(xué)系統(tǒng)后置，減輕面部承重，提高佩戴舒適度，此外，可以實(shí)現(xiàn)較大的視場(chǎng)，以及呈現(xiàn)更為立體圖像。因此，目前雙像源雙目顯示成為了頭戴顯示器的主流方式。

但是缺點(diǎn)為系統(tǒng)較復(fù)雜，裝配精度較高[20]。如圖1-5 所示，按離軸光學(xué)元件的不同，折/反射式光學(xué)系統(tǒng)可以分為平面型、曲面型和波導(dǎo)型。平面型的離軸光學(xué)元件有偏振分束鏡、平面反射鏡、相位共軛材料和級(jí)聯(lián)反射鏡，曲面型有曲面反射鏡、曲面反射鏡陣列和全反射自由曲面棱鏡，波導(dǎo)型以波導(dǎo)為傳輸載體，以微鏡陣列、棱鏡或衍射元件為波導(dǎo)耦合器。由于平面型和曲面型采用的是傳統(tǒng)的折/反射式光學(xué)系統(tǒng)，所以整個(gè)系統(tǒng)體積較大、且較為笨重。波導(dǎo)的使用可以將像源置于遠(yuǎn)離人眼的位置，使系統(tǒng)重心后移，同時(shí)將光路折返限定在輕薄的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，減小系統(tǒng)尺寸。波導(dǎo)成像系統(tǒng)主要包括波導(dǎo)及其入/出耦合器。早期的波導(dǎo)耦合器為棱鏡和反射鏡陣列，由于反射鏡需要與波導(dǎo)呈大角度排列，以及棱鏡自身的尺寸限制，早期波導(dǎo)型結(jié)構(gòu)的厚度依然較大。近幾年，衍射光學(xué)元件逐漸取代折/反射光學(xué)元件，用作平板波導(dǎo)的耦合器，厚度僅為幾微米，進(jìn)一步減小了系統(tǒng)尺寸和重量。偏振分束鏡 平面反射鏡 相位共軛材料 級(jí)聯(lián)反射鏡（a）平面型曲面反射鏡 曲面反射鏡陣列 全反射自由曲面棱鏡（b）曲面型微鏡陣列 衍射元件（c）波導(dǎo)型圖 1-5 折/反射式光學(xué)傳輸系統(tǒng)示意圖。分為（a）平面型、（b）曲面型和（c）波導(dǎo)型三類。


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