全息波导显示中输出扩展光栅的衍射效率分布分析

对于全息波导显示系统,为获得连续的输出光瞳而引入的半透半反膜,会在波导中形成阶跃形光强分布,与阶跃形强度分布相匹配的输出光栅衍射效率须为阶跃形分布,这样才能获得均匀的衍射输出强度。为保证衍射角带宽内所有光线均有较佳的输出强度均匀性,提出了一种连续递增的衍射效率分布光栅模型。建立了基于对阶跃形衍射效率分布的分段加权平均和二次曲线拟合的优化计算模型,计算得到了衍射效率分布曲线,并由衍射效率分布曲线计算得到衍射角带宽内不同视场光束的输出光强分布。结果表明,输出光强位置均匀性最小为52.4%,出瞳内角度均匀性达到84.9%。随着分束膜层数的增加,波导阶跃形光强差将会减小,可获得更好的输出强度均匀性。

全息波导头盔显示技术

文章首先阐述了全息波导头盔显示技术的基本原理,说明了它的技术先进性和可实现性;然后以几个有代表性的范例介绍了全息波导头盔显示技术的发展水平,展示了目前全息头盔显示技术所能达到的参数指标;最后,在分析了全息波导头盔显示技术的关键技术的基础上,说明其技术瓶颈并对其未来的发展方向进行了展望。

与波导表面垂直等量发射的线阵全息波导光互联

报道了以玻璃为基、以光致聚合物制造透射体积输出光栅的全息波导光互联 ,并通过实验绘制了光栅的衍射效率与曝光时间曲线。通过控制各输出光栅的衍射效率 ,可实现用一束与波导表面垂直的入射光 ,产生 6束与波导表面垂直且能量相等的出射光。输出光栅的最大衍射效率仅需趋于 50 %。在波长为 632 .8nm的红光下 ,测出输出光偏离表面垂直方向的角度为 0 .4 3°,输出光的相对强度的最大偏差为 11%。

全息波导显示系统中输出光栅的优化

全息波导显示系统中输出光栅的衍射效率、位置和长度对整个显示系统的光强输出均匀性及能量利用率有重要的影响.通常输出光强均匀性由输出光栅的衍射效率决定,能量利用率受多重光栅的位置和长度影响.本文以中心视场光束的输出光强均匀为目的,对相应输出光栅衍射效率的位置分布进行优化与曲线拟合,得到输出光栅衍射效率随输出位置连续递增的分布曲线,并应用到所有视场光束.计算结果表明,相比于传统阶梯状衍射效率分布输出光栅,全息波导显示系统中采用具有连续衍射效率分布输出光栅时的光强输出均匀性得到明显提升.针对部分衍射光束未能进入出瞳的现象,提出错位优化法,按照出瞳大小和使用距离优化各重输出光栅的位置和尺寸,减小了光栅的无效衍射区域,提高了出瞳范围内的能量利用率.

双次棱镜耦合输入全息波导显示系统设计

提出一种双次棱镜耦合输入全息波导显示系统,介绍了其工作原理,设计分析了双次棱镜耦合输入消色差原理,并对模型做出仿真分析。仿真结果表明,该系统视场角为24°×20°,出瞳直径为40 mm,畸变小于2%,全视场MTF在30 lp/mm处大于0.7,满足光学系统的成像要求。

全息波导板构型优化

经过理论分析和计算,结合加工难度,提出了对全息波导显示系统中全息波导板的优化方法。对28°圆视场、30 mm×30 mm系统出瞳的全息波导显示系统中的全息波导板进行了优化。输入全息光栅尺寸、分束膜尺寸和输出全息光栅尺寸分别为5 mm×30 mm,30 mm×30 mm和30 mm×30 mm,波导板材料、波导板厚度、上波导板厚度和下波导板厚度分别为Ba K7,3 mm,0.75 mm和2.25 mm时,能够满足所要求的全息波导显示系统视场和出瞳性能要求。通过优化得到的系统构型可以应用于全息波导头盔显示器、全息波导平视显示器等。

全息波导元件的光线追迹及误差分析

全息波导元件的设计通常会分解为光栅设计和波导设计,这种设计过程并不直观,且不适用于加工误差分析。为了解决上述问题,提出一种全息波导元件的综合分析方法,以二维出瞳拓展的全息波导显示系统为例,针对波导上下表面不平行度、光栅结构参数进行误差分析,以便了解上述误差对成像质量的影响。通过对模型参数的误差分析,对实际的生产加工过程提出有意义的精度指导。

单片式全息波导双色显示优化设计

彩色全息波导显示通常采用复杂的多层光栅耦合或多层波导组合的结构,导致系统的重量和体积较大。针对该问题,提出了一种单片式、单层光栅双色全息波导显示构型,该构型采用三组光栅实现光线的输入、输出及出瞳的二维扩展,并通过严格耦合波理论(RCWA)对光栅槽型和光栅膜系进行了优化设计,使该构型在较大视场范围内实现对红、绿两种色光较好的均匀显示。

全息波导技术在眼跟踪系统中的应用研究

目前大多数眼跟踪器体积大、质量重,影响人机工效。采用全息波导技术解决这一问题,将全息波导元件应用于眼跟踪系统,设计了一个全息波导眼跟踪光学系统,探测眼部红外图像。介绍了基本设计原理、分析了光学系统像差校正及眼部照明方法。仿真计算结果表明,该红外探测眼跟踪光学系统像差小,可以较好地成像在红外CCD相机感光面上,使探测到的眼红外图像能较好地反映实际的眼部图像,从而有利于依据算法提取眼部数据,提高眼跟踪系统准确性,并且整体质量轻、结构紧凑。

机载全息波导瞄准显示技术发展综述

首先阐述了机载全息波导瞄准显示技术的概念和内涵,说明了其技术特征和优势,介绍了该技术目前的国内外研究现状。分析了机载全息波导瞄准显示涉及到的关键技术,并对各关键技术进行了说明。在此基础上,分析了机载全息波导瞄准显示技术的发展趋势和未来的突破口,最后,对该项技术进行了展望。

全息波导显示构型设计(英文)

针对全息波导显示系统中输入光栅、转折光栅和输出光栅的光栅参量不一致,导致系统设计和光栅制作难度增大的问题.对比正常配置和锥形配置下的光栅方程,可得全息波导显示系统中全息光栅具有相同周期需要满足转向光栅60°锥形配置.由此提出波导侧面装有反射镜的三光栅单波导板显示构型,其中三个光栅周期完全相同,输入光栅和转向光栅条纹走向一致.使用光学设计软件CODE V对该构型进行仿真,验证了该构型的可行性.与传统全息波导显示构型相比,侧面反射镜的光路折叠作用使得该构型系统无效显示面积和耦合效率损失减小;三个光栅周期相同且输入光栅和转向光栅条纹走向一致,可以降低系统设计和全息光栅制作难度.该构型可以用于虚拟现实显示或者头戴式显示.

用于全息波导头盔彩色显示的色散矫正设计

衍射光栅是全息波导头盔显示系统中的关键元件,但在彩色显示中,因其特性,红绿蓝三色波长的入射光会衍射不同的角度。在波导中经历数次全反射后,三色光在出射光栅的不同位置处出射从而造成色散。针对彩色全息波导头盔显示系统中的色散问题,结合全息波导系统本身的特点,提出了采用多层波导的方法矫正色散。根据不同波长入射光的衍射角,设计了四层波导,每层采用不同折射率的材料,对各个波长的光路进行矫正,以此来达到矫正色散的目的;最后通过仿真分析验证设计的准确性。结果表明,红绿蓝三色的光线几乎在同一位置处出射,三色图案高度重叠。因此采用所提多层波导设计的方法能够有效解决全息波导头盔显示系统中的色散问题。

基于全息波导的增强现实头盔显示器研究进展

基于全息波导的增强现实(Augmented Reality-AR)头盔显示器由于其体积小、重量轻等特点,成为近年来增强现实领域的研究热点之一。本文介绍基于全息波导的增强现实技术的概念和技术原理,归纳和总结其关键技术及其国内外研究现状,包括基于纵向图像放大的全息波导技术、基于反射体全息光栅的全色显示技术、L型结构设计、通过三步曝光的体全息结构、一种彩色全息波导的色散矫正设计,以及加入双面体全息的光波导结构等。在此基础上探讨并指出全息波导设计方法的应用前景及未来发展趋势。

用于全息波导的阶梯光栅设计

基于标量理论计算了三阶任意宽度的台阶光栅的衍射效率,发现当台阶宽度相等时光栅的衍射效率最高。采用基于严格耦合波的仿真软件分析了不同折射率下阶梯光栅高度和衍射效率之间的关系。仿真结果表明:光栅材料的折射率分别为1.52和1.74时,达到最大衍射效率时光栅高度分别为700 nm和470 nm,当光栅高度偏离最佳高度100 nm时,衍射效率分别从60%降低到56%和59%降低到47%。采用无掩模直写光刻技术制备了设计的三阶光栅,实际测试了各级衍射效率和在波导系统中的显示效果。测试结果表明:-1级衍射效率达到49.7%,波导耦出端成像清晰。研究设计的阶梯光栅具有制备周期短、成本低、效率高的优点。

全息波导耦出光栅出瞳亮度均匀性的改善

目前在AR领域,存在着全息波导显示系统的耦出光栅出瞳亮度不均匀的问题,设计并制作了一种衍射效率渐变的全息光栅以进一步提高显示光路中耦出光栅的出瞳亮度均匀性。提出移动遮挡板方案,以实现分区域地改变全息干版的曝光时间,使得到的全息光栅的衍射效率具有渐变特性,并对实验结果进行研究和分析。结果表明,系统中耦出光栅的出瞳亮度均匀性由28.57%提高到57.14%。因此采用的全息光学元件的拍摄光路和曝光方法,可以有效改善全息波导耦出光栅出瞳亮度均匀性。

全息波导耦合元件对称结构的研究

全息波导耦合元件是增强现实显示系统的关键光学元件,光束垂直入射至全息波导板中通过入耦合元件改变光束传播方向,在波导板中形成波导现象传输至出耦合元件处,通过出耦合元件再次改变传输方向从全息波导板出射至人眼。当入耦合元件与出耦合元件均为透射式或反射式耦合元件时,两次改变光束传播方向的角度值相等。根据全息波导的成像原理,结合k矢量圆理论与全息光学记录原理,设计了全息波导入耦合元件与全息波导出耦合元件的对称型周期结构。利用MATLAB软件模拟了全息波导耦合元件记录时的干涉光强模型,实验结果与所设计的耦合元件周期结构数据吻合;利用COMSOL软件模拟了全息波导耦合元件对光束传输角度的改变过程,实验结果与理论改变光束传播方向的角度值一致。实验证明了两个全息波导耦合元件以互为对称的结构排布在全息波导光学系统中,能够满足全息波导光学系统对光束传播方向的要求。

基于坐标变换的曲面全息波导追迹方法

近眼显示技术中采用的全息波导元件通常为平面面型,不能很好地贴合使用者头部曲线。曲面面型的全息波导虽然能够更好地贴合头部曲线,但由于光线在曲面波导中传输过程复杂,使得设计非常困难。为建立曲面全息波导成像设计方法,分析了光在曲面全息波导中的关键传输过程,提出了适合曲面全息波导的光线追迹数学模型,建立了光线在曲面波导中传输过程的追迹算法,实现了曲面全息波导的设计。基于该算法,分别开展了球面面型和柱面面型的曲面全息波导光学系统设计,并进行了光线追迹仿真评估。根据设计结果,制备了柱面面型的曲面全息波导元件,并在光学系统中进行了成像演示。观测结果验证了该方法设计曲面全息波导的可行性。

基于柱面全息波导的增强现实近眼显示系统

基于全息波导的增强现实近眼显示技术可以直接为用户双眼提供虚实融合的图像信息,形态相对便携,近年来发展较为迅速。但目前报道的全息波导近眼显示多采用平板波导结构,一般需额外添加曲面护目镜,系统体积相对较大。因此提出基于柱面全息波导的增强现实近眼显示方法,实现了近眼显示从传统平板全息波导形态到曲面类型全息波导的拓展。提出柱面全息波导的全息曝光制备方法并制备柱面全息波导,搭建柱面全息波导近眼显示平台实验系统,实现了出瞳大小约10 mm,单目视场角约24°的增强现实显示效果,将为曲面波导与曲面护目镜的结合提供技术基础。

头戴显示器中的全息波导技术研究

全息波导技术利用全息光学元件的衍射效应和波导板的全反射特性进行光束的转向、传输,能够显著减少头戴显示器的体积和重量,已被广泛应用到新一代显示产品光学设计中。本文首先阐述了全息波导头戴显示器的系统结构及显示原理,说明了全息波导技术的特点和优势。然后介绍了国内外的研究现状,并对全息波导的关键技术进行了分析和说明,最后叙述了全息波导技术下一步要重点解决的问题。

波导体全息光栅衍射光谱范围一致性研究

为了减小体全息光栅用于全息波导显示时不同视场角下衍射光谱的偏移,提出选择最佳的光栅矢量倾斜角和像源光轴相对于体全息光栅的倾斜角,可以减小衍射光谱的偏移。为了使全息波导显示系统在给定入射角度范围内具有相同的衍射光谱范围,采用三次曝光记录了一层体全息光栅。仿真结果表明,当像源的光谱范围在524-540nm之间时,该体全息光栅在入射角度范围-3°-3°内的衍射光谱范围相同,提高了给定入射角度范围内衍射光谱范围的一致性,可以应用于全息波导显示系统中。