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基于平板波导的头盔显示技术研究

作　者: 刘辉
导　师: 郑臻荣；李海峰
学　校: 浙江大学
专　业: 光学工程
关键词: 头盔显示器光学系统全息平板波导显示半透膜平板波导显示
分类号: TN27
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着信息社会日新月异的发展,头盔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。其中,穿透式头盔显示一直以来都是头盔显示技术研究的重点。基于护目镜成像是目前主流的穿透式头盔显示技术,但是其光学系统笨重且占据着头盔内大量空间。为了适应头盔显示器轻型化、小型化的发展趋势和要求,技术界提出了采用全息平板波导和半透膜平板波导进行显示的新方法。由于相关技术不成熟,全息平板波导显示目前只能实现单色、低分辨率显示输出；半透膜平板波导显示虽然能够实现彩色显示,但是传统结构会造成严重的鬼像问题。文中针对全息波导显示的相关技术及原理进行深入分析和研究。首先,分析了全息光栅空间频率、视场、波长、波导尺寸等参数之间的关系。然后,从出瞳直径、出瞳距离、工作距离、调制传递函数、点列图、场曲和畸变等入手,进行了光学系统的优化设计。最后,设计完成了一套采用640nm和532nm半导体激光器作为光源的全息头盔显示系统。该系统能够实现20.2°水平视场和15.2°垂直视场大窗口显示,窗口中心区域的镜目距大于25mm。由于实验条件不足,文中针对上述的理论分析进行了部分实验验证。通过计算分析,传统结构的半透膜平板波导显示存在严重的鬼像问题。本文就该问题提出了改进方案,设计了一套三层波导结构的半透膜平板波导显示系统。该系统能够实现16°水平视场和12°垂直视场大窗口显示。根据系统的设计参数,搭建了实验平台。由于合理的半透膜反射率的设计,系统实现了背景环境的高透过率以及显示色彩的一致性。同时,实验结果表明这种改进型结构能够实现避免传统结构导致的鬼像问题。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-19
  1.1 头盔显示器的发展  10-11
  1.2 头盔显示器的组成  11-13
  1.3 头盔显示器的应用领域  13-14
  1.4 头盔显示器的研究现状  14-17
  1.5 本文研究的主要内容和方法  17-19
第2章头盔显示器的关键技术  19-27
  2.1 头盔显示器图像源  19-22
    2.1.1 有源矩阵液晶显示器(AM-LCD)  20-21
    2.1.2 有机二极管显示器(OLED)  21
    2.1.3 硅基铁电液晶(FLCOS)显示器  21-22
  2.2 头盔显示器光学系统  22-26
    2.2.1 投影式头盔光学系统  23-24
    2.2.2 目镜式头盔光学系统  24-26
  2.3 小节  26-27
第3章全息平板波导显示的系统分析  27-41
  3.1 全息波导显示概述  27
  3.2 全息波导显示技术  27-32
    3.2.1 全息技术和原理  28-31
    3.2.2 全息波导显示原理  31-32
  3.3 全息波导显示技术参数  32-40
    3.3.1 全息波导显示视场  34-38
    3.3.2 全息波导显示一致性  38-40
  3.4 小节  40-41
第4章全息平板波导显示系统设计  41-56
  4.1 微型显示器  41-43
  4.2 全息波导设计  43-48
    4.2.1 全息波导尺寸  44-47
    4.2.2 全息波导显示窗口及镜目距  47-48
  4.3 目镜系统设计  48-54
    4.3.1 调制传递函数(MTF)  51
    4.3.2 点列图(Spot Diagram)  51-52
    4.3.3 场曲(Field curvature)&畸变(Distortion)  52-54
  4.4 实验及分析  54-55
  4.5 小节  55-56
第5章半透膜平板波导显示设计  56-66
  5.1 半透膜平板波导显示的原理  56-57
  5.2 45°倾角半透膜平板波导显示鬼像分析  57
  5.3 改进型双层结构半透膜波导显示  57-62
    5.3.1 系统光路与鬼像分析  58-60
    5.3.2 系统设计与仿真  60-62
  5.4 改进型三层结构半透膜波导显示  62-65
  5.5 小结  65-66
第6章结论与展望  66-68
  6.1.1 论文的主要工作  66-67
  6.1.2 前景展望  67-68
参考文献  68-73
致谢  73-74
附录  74

基于平板波导的头盔显示技术研究

内容摘要

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