基于液晶/聚合物光栅提高全息波导头盔显示器光能利用率的研究

The holographic waveguide head-mounted display (HMD) with small size, light weight, compact optical configuration and see-through characteristics has a significant application value in the field of military, medical and augmented reality. The holographic waveguide HMD, as the core display device in augmented reality technology, has become one of the important development directions of the advanced HMD. In the current research of the holographic waveguide HMD, a key problem is the low optical efficiency, which is an important standard to evaluate the device performance and determine the practical degree of the holographic waveguide HMD. To solve this problem, this project proposes to fabricate the holographic waveguide HMD based on the holographic polymer dispersed liquid crystal (HPDLC) grating. The liquid crystal material has a higher extraordinary refractive index and better transmittance in the visible band, which can improve the diffraction efficiency of the grating and reduce the absorption loss, so the research target of improving the optical efficiency of the holographic waveguide HMD can be achieved. Moreover, the holographic waveguide HMD can become an active optical device because the HPDLC grating has a unique electrical tunable characteristic. The optical efficiency can be manually controlled to solve the match problem between the signal light and ambient light, which can improve the adaptability of the holographic waveguide HMD to the environment.

体积小、重量轻、光学布局紧凑且具有see-through特性的全息波导头盔显示器（Head-mounted display，HMD）在军事、医疗、增强现实等领域具有十分重要的应用价值，尤其作为增强现实技术中的核心显示硬件，全息波导HMD已成为先进HMD的重要发展方向之一。在现有全息波导HMD的研究中，存在光能利用率较低的关键问题，该参数是评价器件性能的重要指标，决定了器件的实用化程度。针对这一问题，本项目提出基于液晶/聚合物光栅制备全息波导HMD的研究思路，利用液晶材料较高的非寻常光折射率和在可见光波段下较高的透过率，提升光栅的衍射效率并降低吸收损耗，以此达到提高全息波导HMD光能利用率的研究目标。此外，液晶/聚合物光栅具有独特的电调谐特性，可以使全息波导HMD变为一种主动光学元件，实现光能利用率的自主调控，以解决进入人眼的信号光与外界自然光的能量匹配问题，提高器件对环境的适应能力。

全息波导头盔显示器（Head-mounted display，HMD）作为增强现实技术中的核心显示硬件，凭借其体积小、重量轻、光学布局紧凑等优点以及see-through特性，在军事、医疗等领域具有十分重要的应用价值。然而，在现有全息波导HMD的研究中，存在光能利用率较低的关键问题，该参数是评价器件性能的重要指标，决定了器件的实用化程度。针对这一问题，本项目提出基于液晶/聚合物（Holographic polymer dispersed liquid crystal，HPDLC）光栅制备全息波导HMD的研究思路，主要研究内容包括：倾斜HPDLC光栅的性能优化研究；基于HPDLC光栅的全息波导HMD的设计和制备研究；基于HPDLC光栅的全息波导HMD的性能测试研究。根据以上三方面研究，明确了制备参数、结构参数对倾斜HPDLC光栅衍射效率的影响，揭示了液晶分子影响HPDLC光栅的光学各向异性的作用机理，通过优化各方面参数，制备获得了高衍射效率的HPDLC光栅，实测衍射效率为85.9%。根据光栅耦合波理论和光波导理论，并同时兼顾HPDLC光栅的物理与光学特性，建立了一套适合于基于HPDLC光栅的全息波导HMD的理论设计模型，并与之相应的，设计了分步曝光的制备方法，成功将理论设计转化为实验样件，实现了预期的显示作用：在532 nm波长下，光能利用率为58.8%；可见光波段下，整体透过率高于92.5%；在外加电场下实现了光能利用率的主动调谐。本项目利用液晶材料较高的非寻常光折射率和在可见光波段下较高的透过率，通过制备高衍射效率的HPDLC光栅实现了提高全息波导HMD光能利用率的研究目标。进一步地，利用液晶的光电各向异性，实现了全息波导HMD光能利用率的主动电调谐，这一独特性质有助于解决全息波导HMD在使用过程中由于外界环境变化产生的环境光与信号光亮度失配问题，提高全息波导HMD的环境适应能力。本项目所制备获得的高光能利用率、高整体透过率、可主动调谐的全息波导HMD，对于推动全息波导HMD应用化进程以及拓宽应用范围具有积极的促进作用。