波导型准直投影系统中的超级衍射光栅技术研究

The waveguide collimated projection system is the latest generation of HMD/HUD. In order to save space and increase the exit pupil diameter, the waveguide collimated projection system folds space with optical waveguides. The embedded diffraction grating would diffract beam into viewing area by TIR condition damage. The Super diffraction grating plays critical role in the system but no details were disclosed such as performance, structure, parameters, etc., especially the relationship between actual production and theoretical optimization. The project analyzes the performance requirements of the waveguide type collimator projection technology super diffraction grating, specifies parameters of super diffraction grating in the waveguide collimator projection system, design super diffraction grating, studies the optical properties in the waveguide projection system, specifies the relationship between the structural parameters and the optical properties, builds the optimization model; designs simulation software based on rigorous coupled-wave theory, discusses diffraction characteristics with vector boundary theory, to analyze super diffraction gratings under any conditions; considering the optimization results and the actual process, makes samples and applies in the waveguide collimator projection system to get experimental measurement and optical analysis in the system.

波导型准直投影平视器是军用战机中最新一代头盔/抬头显示器(HMD/HUD),应用于国际最先进的战机中。该系统利用波导折叠空间光路，内嵌超级衍射光栅改变全反射条件，使光束进入观察范围，因此可获得小体积、轻质量、大出瞳等优异的光学性能。系统中超级衍射光栅是核心器件，但是尚未有资料披露其理论、性能、结构、参数等细节，以及实际制作工艺与理论优化的对应关系。本项目分析波导型准直投影系统中超级衍射光栅的性能需求，明确其性能参数；设计超级衍射光栅，研究其光学性能，明确结构参数和光学性能之间的关系，并建立光栅优化模型；设计模拟计算软件，基于严格耦合波理论，采用矢量边界理论讨论光栅的衍射特性，完成波导型准直投影系统中，任意光学条件下，计算超级衍射光栅特性的工程软件；综合考虑优化结果和实际加工工艺，制作超级衍射光栅样品，并应用于波导型准直投影系统中，实验测量并论证分析系统的光学特性。

随着人们在军事、工业、医疗、建筑、教育、旅游、导航、文体娱乐、通讯传媒等领域中对信息的需求日益增大，增强现实技术(Augmented Reality, AR)近年来迅速发展。波导型准直投影系统作为实现增强显示的一种方案，具有小体积、轻质量、大出瞳的优异性能，超级衍射光栅是其核心元器件。项目按照任务书，开展了以下几个方面的研究工作：.1.基于严格耦合波理论的建模分析，编写了MATLAB程序，数值分析了超级衍射光栅衍射效率与光栅材料、周期、形貌，入射光的波长、角度、偏振态等因素的关系，为超级光栅的设计奠定基础。.2.提出了基于差分进化算法的光栅逆向设计优化的方法，该方法具有可用于多维实参优化、无需计算梯度、目标函数可以不连续，抗噪性好，随时间变化等优点，提高光栅优化过程的科学性及设计结果的合理性。.3.设计了能够改善角度均匀性这一光学本身属性的新型耦入光栅，该光栅衍射效率分布曲线随角度变化呈中间视场效率较边缘视场效率低的趋势，用以补偿由于余弦四次方定律而引起的角度均匀性问题。.4.设计了能够实现均匀照度的双目波导显示系统，该系统集成了偏振敏感的输入耦合光栅，对称结构的耦合输出光栅以及自由曲面的准直透镜。.5.设计了使用一片波导板实现彩色显示的波导系统。该系统采用倾斜波导结构，能够将彩色光高效率地耦合进波导板内，实现彩色显示。.6.完成出瞳扩展原理性实验验证，并搭建了波导成像显示系统。实验验证了亚波长衍射光栅具有的光束扩展即出瞳扩展现象，测量镀膜前后2400L/mm光栅各角度衍射效率，验证镀膜前后波导成像显示出瞳扩展效果。.7.将亚波长光栅应用于红外偏振领域，提出并设计了一种基底过度刻蚀的双层亚波长光栅结构。