隨著信息社會(huì)日新月異的發(fā)展,平視顯示技術(shù)已在諸多領(lǐng)域展示出巨大的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿ΑC(jī)載平視顯示系統(tǒng)采用高分辨率微型顯示器作為圖像源,通過(guò)準(zhǔn)直投射的光學(xué)顯示方法,將飛行參數(shù)、作戰(zhàn)告警等信息疊加顯示在飛行員正前方無(wú)窮遠(yuǎn)處外景上。機(jī)載平視顯示系統(tǒng)直接決定了飛行員單位時(shí)間內(nèi)所接收的信息容量和態(tài)勢(shì)感知能力,對(duì)于提高戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)性能,保證其飛行安全性具有無(wú)可替代的作用。傳統(tǒng)機(jī)載平視顯示系統(tǒng)采用離散光學(xué)透鏡組投射光學(xué)系統(tǒng),體積和重量偏大,性能易受座艙裝配空間的限制。豐富的機(jī)載設(shè)備集成化程度日益深化,機(jī)載座艙裝配空間要求日益苛刻,傳統(tǒng)平視顯示系統(tǒng)已難以滿足現(xiàn)代機(jī)載顯示設(shè)備發(fā)展的新需求。新一代的光波導(dǎo)平視顯示系統(tǒng),在保證觀察范圍、顯示視場(chǎng)等光學(xué)性能的同時(shí),可以有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化、輕量化,為機(jī)載平視顯示系統(tǒng)提供了全新的解決方案。光波導(dǎo)平視顯示技術(shù)已經(jīng)成為機(jī)載平視顯示領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢(shì)。光波導(dǎo)平視顯示技術(shù)采用波導(dǎo)全內(nèi)反射多次復(fù)合成像原理,存在顯示連續(xù)性、“百葉窗效應(yīng)”及“強(qiáng)光閃耀效應(yīng)”等多種應(yīng)用難題,然而國(guó)內(nèi)外關(guān)于光波導(dǎo)平視顯示技術(shù)的研究鮮有介紹。本課題面向緊湊化座艙裝配需求,采用光波導(dǎo)顯示原理,攻克多次復(fù)合連續(xù)成像、膜層陣列“百葉窗效應(yīng)”抑制及波導(dǎo)衍射光柵“外景強(qiáng)光閃耀效應(yīng)”抑制等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)和制備工藝,研究扁平化光波導(dǎo)平視顯示系統(tǒng),優(yōu)化顯示性能,以靈活布局于緊湊化座艙中,兼容多種機(jī)型。本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:1)通過(guò)波導(dǎo)理論分析了圖像光線在平板波導(dǎo)內(nèi)的傳輸條件,為全視場(chǎng)圖像光線的傳輸擴(kuò)展及光機(jī)結(jié)構(gòu)的裝配提供了數(shù)據(jù)參考。分析了波導(dǎo)全息體光柵的衍射特性,波導(dǎo)反射全息體光柵具有更低的波長(zhǎng)選擇性和更高的衍射效率,有利于顯示系統(tǒng)應(yīng)用。對(duì)幾何光波導(dǎo)顯示中應(yīng)用到的膜層進(jìn)行了分析,優(yōu)化選擇了二向性偏振分光膜,在保證光學(xué)系統(tǒng)顯示效率的條件下,提升外景自然光的透過(guò)率。分析了機(jī)載光波導(dǎo)平視顯示的組成及功能,確定了I光學(xué)構(gòu)型方案進(jìn)行機(jī)載光波導(dǎo)平視顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。2)進(jìn)行了扁平化機(jī)載光波導(dǎo)平視顯示光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。介紹了3.8inch偏振液晶圖像源,設(shè)計(jì)了帶狀中繼光學(xué)系統(tǒng),以配合I光學(xué)構(gòu)型光波導(dǎo)平視顯示組合鏡,實(shí)現(xiàn)機(jī)載光波導(dǎo)平視顯示系統(tǒng)的扁平化,系統(tǒng)顯示像質(zhì)優(yōu)異,畸變不足1%,顯示視場(chǎng)達(dá)到了20°316°,顯示分辨率為10243768。3)針對(duì)光波導(dǎo)平視顯示的多重復(fù)合成像,通過(guò)勻光通道設(shè)計(jì),將圖像光線在波導(dǎo)平板內(nèi)部進(jìn)行多次分光,拓展光線分布區(qū)域,攻克了成像連續(xù)性控制技術(shù);對(duì)比分析了不同反射膜性能特點(diǎn),通過(guò)觀察區(qū)域膜層陣列部分反射膜的二向性偏振分光設(shè)計(jì),解決了幾何光波導(dǎo)平視顯示組合鏡“百葉窗效應(yīng)”抑制,提升外景觀察均勻性,同時(shí)保證了顯示效率;通過(guò)薄光柵分解理論,采用反射體全息光柵,通過(guò)光柵膜層表層折射率調(diào)制度漸變處理,消除了光柵膜層的表面光柵,突破了衍射光波導(dǎo)平視顯示組合鏡的“外景強(qiáng)光閃耀效應(yīng)”抑制。4)設(shè)計(jì)了幾何光波導(dǎo)平視顯示組合鏡制備方案,提出了工藝標(biāo)準(zhǔn),采用環(huán)拋修磨設(shè)備進(jìn)行幾何光波導(dǎo)平視顯示組合鏡多棱鏡結(jié)構(gòu)的加工,避免應(yīng)力的引入及膠合界線的損傷,同時(shí)探討了二向性偏振分光膜的鍍制工藝。5)分析了對(duì)比了全息體光柵感光材料,選擇了具有高透過(guò)率和折射率調(diào)制度的重鉻酸銨明膠感光材料進(jìn)行波導(dǎo)全息體光柵的制備。采用控制曝光強(qiáng)度的方法進(jìn)行曝光量的控制,通過(guò)蒸鍍銅灰度板的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)光柵的衍射效率漸變分布。采用雙光束曝光光路,通過(guò)光學(xué)玻璃棱鏡進(jìn)行光線的耦合,同時(shí)將全息干版浸潤(rùn)在匹配液槽中,光學(xué)玻璃棱鏡、全息干版基板及匹配液折射率一致,以降低全息體光柵的噪聲干擾,提升光柵質(zhì)量。提出了衍射光波導(dǎo)平視顯示組合鏡全息體光柵制備工藝流程,通過(guò)365nmUVLED紫外光進(jìn)行重鉻酸胺明膠干版預(yù)處理,隨后進(jìn)行波導(dǎo)全息體光柵相干曝光,化學(xué)處理后,通過(guò)分光光度計(jì)監(jiān)控衍射峰值波長(zhǎng)的變化,以匹配顯示波長(zhǎng),控制誤差不大于±2nm。6)制作了幾何光波導(dǎo)平視顯示組合鏡和衍射光波導(dǎo)平視顯示組合鏡,并分別與帶狀中繼系統(tǒng)進(jìn)行了裝配調(diào)試。幾何光波導(dǎo)平視顯示系統(tǒng)觀察外景通透均勻,有效抑制了“百葉窗效應(yīng)”,組合鏡厚度18mm,顯示效率達(dá)到10%以上。衍射光波導(dǎo)平視顯示系統(tǒng)虛擬畫(huà)面存在色差,外景強(qiáng)光條件下無(wú)明顯“閃耀效應(yīng)”,組合鏡厚度8mm。機(jī)載光波導(dǎo)平視顯示系統(tǒng)具有輕量化、扁平化、模塊化、無(wú)邊框化等顯著優(yōu)勢(shì),可以兼容多種機(jī)型平臺(tái),并且有利于人機(jī)效能的提升。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類(lèi)】：TN252;TN27
【部分圖文】：

機(jī)載光波導(dǎo)平視顯示技術(shù)研究2效的保障。圖1.1平視顯示器及主要飛行信息Figure1.1Headupdisplaypresentationofprimaryflightinformation.平視顯示器的概念產(chǎn)生于第一次世界大戰(zhàn)期間，經(jīng)歷了光學(xué)瞄準(zhǔn)具、反射式瞄準(zhǔn)具、陀螺瞄準(zhǔn)具、60年代后期發(fā)展成現(xiàn)代平視顯示器，70年代開(kāi)始大量裝備軍用飛機(jī)，到現(xiàn)在一直是軍用飛機(jī)座艙中的關(guān)鍵顯示器。1962年平視顯示器開(kāi)始裝備服役，常規(guī)光學(xué)平視顯示的出現(xiàn)是座艙顯示設(shè)備的一次革命。常規(guī)光學(xué)平視顯示裝備于蘇27、F-16A/B。采用常規(guī)光學(xué)技術(shù)瞬時(shí)視場(chǎng)小，光能利用率低。20世紀(jì)80年代末，世界上第一種衍射平視顯示開(kāi)始裝備服役，裝備F-16C/D。組合鏡采用了光柵衍射光學(xué)技術(shù)增加了瞬時(shí)視場(chǎng)和光能利用率，但體積重量增大，并且限制了眼盒。20世紀(jì)90年代，在大離軸光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用計(jì)算全息技術(shù)設(shè)計(jì)有焦全息組合鏡，研制出廣角全息平視顯示裝備于美國(guó)F-22、法國(guó)陣風(fēng)、歐洲臺(tái)風(fēng)、瑞典JAS39等[4,5]。廣角全息平視顯示獲得了更大的瞬時(shí)視嘗更高的光能利用率和外景透過(guò)率，但體積重量和技術(shù)復(fù)雜度增加。這三代平視顯示統(tǒng)稱(chēng)為傳統(tǒng)平視顯示。傳統(tǒng)三代平視顯示器，如圖1.2所示。圖1.2傳統(tǒng)三代平視顯示器Figure1.2Conventional3generationsheadupdisplay.近年來(lái)，新一代航空飛機(jī)傳感器集成化大幅度提高，裝配空間及負(fù)荷要求苛刻，對(duì)

機(jī)載光波導(dǎo)平視顯示技術(shù)研究2效的保障。圖1.1平視顯示器及主要飛行信息Figure1.1Headupdisplaypresentationofprimaryflightinformation.平視顯示器的概念產(chǎn)生于第一次世界大戰(zhàn)期間，經(jīng)歷了光學(xué)瞄準(zhǔn)具、反射式瞄準(zhǔn)具、陀螺瞄準(zhǔn)具、60年代后期發(fā)展成現(xiàn)代平視顯示器，70年代開(kāi)始大量裝備軍用飛機(jī)，到現(xiàn)在一直是軍用飛機(jī)座艙中的關(guān)鍵顯示器。1962年平視顯示器開(kāi)始裝備服役，常規(guī)光學(xué)平視顯示的出現(xiàn)是座艙顯示設(shè)備的一次革命。常規(guī)光學(xué)平視顯示裝備于蘇27、F-16A/B。采用常規(guī)光學(xué)技術(shù)瞬時(shí)視場(chǎng)小，光能利用率低。20世紀(jì)80年代末，世界上第一種衍射平視顯示開(kāi)始裝備服役，裝備F-16C/D。組合鏡采用了光柵衍射光學(xué)技術(shù)增加了瞬時(shí)視場(chǎng)和光能利用率，但體積重量增大，并且限制了眼盒。20世紀(jì)90年代，在大離軸光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用計(jì)算全息技術(shù)設(shè)計(jì)有焦全息組合鏡，研制出廣角全息平視顯示裝備于美國(guó)F-22、法國(guó)陣風(fēng)、歐洲臺(tái)風(fēng)、瑞典JAS39等[4,5]。廣角全息平視顯示獲得了更大的瞬時(shí)視嘗更高的光能利用率和外景透過(guò)率，但體積重量和技術(shù)復(fù)雜度增加。這三代平視顯示統(tǒng)稱(chēng)為傳統(tǒng)平視顯示。傳統(tǒng)三代平視顯示器，如圖1.2所示。圖1.2傳統(tǒng)三代平視顯示器Figure1.2Conventional3generationsheadupdisplay.近年來(lái)，新一代航空飛機(jī)傳感器集成化大幅度提高，裝配空間及負(fù)荷要求苛刻，對(duì)

元件將圖像光線約束在波導(dǎo)組合鏡中傳播，由耦合輸出光學(xué)元件多次反射輸出成像，實(shí)現(xiàn)較大范圍觀察[7-11]，并避免了傳統(tǒng)平視顯示系統(tǒng)中頭部對(duì)自由空間中傳播光線的潛在干擾。光波導(dǎo)平視顯示系統(tǒng)節(jié)約座艙裝配空間，飛行員頭部活動(dòng)范圍更大，更舒適，便于模塊化，可靠性更強(qiáng)。光波導(dǎo)平視顯示技術(shù)的出現(xiàn)，標(biāo)志著平視顯示器已經(jīng)發(fā)展到第四代。光波導(dǎo)平視顯示器將傳統(tǒng)瞄準(zhǔn)顯示復(fù)雜離軸光學(xué)系統(tǒng)取代為集成化的平板全息波導(dǎo)組合鏡，極大程度縮小了瞄準(zhǔn)顯示系統(tǒng)的體積、減輕了重量。Collins及BAE光波導(dǎo)平視顯示器，如圖1.3所示。圖1.3Collins及BAE光波導(dǎo)平視顯示器Figure1.3LightgudiedheadupdisplayofCollinsandBAEsystemsrespectively.光波導(dǎo)平視顯示技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)平視顯示技術(shù)的一次變革，可廣泛應(yīng)用于多機(jī)型座艙平視瞄準(zhǔn)顯示領(lǐng)域。光波導(dǎo)平視顯示系統(tǒng)的顯著優(yōu)勢(shì)非常有利于兼容多種機(jī)型座艙裝配及性能需求，尤其適用于小型化緊湊座艙對(duì)平視顯示器性能的需求，解決現(xiàn)有常規(guī)平視顯示技術(shù)無(wú)法滿足裝機(jī)要求的問(wèn)題。光波導(dǎo)平視顯示技術(shù)作為一種新型的多次復(fù)合成像準(zhǔn)直顯示技術(shù)，其獨(dú)特的性能也涉及到許多新的成像原理和設(shè)計(jì)及制作方法。如何系統(tǒng)分析光波導(dǎo)平視顯示原理、設(shè)計(jì)和制作方法，以滿足特定顯示性能參數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)要求，成為了一項(xiàng)必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，有必要研究光波導(dǎo)平視顯示原理和設(shè)計(jì)及制作技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)載光波導(dǎo)平視顯示。
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本文編號(hào)：2864904