發(fā)布時間：2020-11-01 02:39

　　 隨著信息社會日新月異的發(fā)展,平視顯示技術(shù)已在諸多領(lǐng)域展示出巨大的應(yīng)用價值和發(fā)展?jié)摿�。機載平視顯示系統(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窮遠處外景上。機載平視顯示系統(tǒng)直接決定了飛行員單位時間內(nèi)所接收的信息容量和態(tài)勢感知能力,對于提高戰(zhàn)斗機的作戰(zhàn)性能,保證其飛行安全性具有無可替代的作用。傳統(tǒng)機載平視顯示系統(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。豐富的機載設(shè)備集成化程度日益深化,機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、顯示視場等光學(xué)性能的同時,可以有效實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化、輕量化,為機載平視顯示系統(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)成為機載平視顯示領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢。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“強光閃耀效應(yīng)”等多種應(yīng)用難題,然而國內(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“外景強光閃耀效應(yīng)”抑制等多項關(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,兼容多種機型。本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:1)通過波導(dǎo)理論分析了圖像光線在平板波導(dǎo)內(nèi)的傳輸條件,為全視場圖像光線的傳輸擴展及光機結(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選擇性和更高的衍射效率,有利于顯示系統(tǒng)應(yīng)用。對幾何光波導(dǎo)顯示中應(yīng)用到的膜層進行了分析,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率。分析了機載光波導(dǎo)平視顯示的組成及功能,確定了I光學(xué)構(gòu)型方案進行機載光波導(dǎo)平視顯示系統(tǒng)的設(shè)計。2)進行了扁平化機載光波導(dǎo)平視顯示光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計。介紹了3.8inch偏振液晶圖像源,設(shè)計了帶狀中繼光學(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,實現(xiàn)機載光波導(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%,顯示視場達到了20°316°,顯示分辨率為10243768。3)針對光波導(dǎo)平視顯示的多重復(fù)合成像,通過勻光通道設(shè)計,將圖像光線在波導(dǎo)平板內(nèi)部進行多次分光,拓展光線分布區(qū)域,攻克了成像連續(xù)性控制技術(shù);對比分析了不同反射膜性能特點,通過觀察區(qū)域膜層陣列部分反射膜的二向性偏振分光設(shè)計,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,同時保證了顯示效率;通過薄光柵分解理論,采用反射體全息光柵,通過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“外景強光閃耀效應(yīng)”抑制。4)設(shè)計了幾何光波導(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,同時探討了二向性偏振分光膜的鍍制工藝。5)分析了對比了全息體光柵感光材料,選擇了具有高透過率和折射率調(diào)制度的重鉻酸銨明膠感光材料進行波導(dǎo)全息體光柵的制備。采用控制曝光強度的方法進行曝光量的控制,通過蒸鍍銅灰度板的應(yīng)用,實現(xiàn)光柵的衍射效率漸變分布。采用雙光束曝光光路,通過光學(xué)玻璃棱鏡進行光線的耦合,同時將全息干版浸潤在匹配液槽中,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365nmUVLED紫外光進行重鉻酸胺明膠干版預(yù)處理,隨后進行波導(dǎo)全息體光柵相干曝光,化學(xué)處理后,通過分光光度計監(jiān)控衍射峰值波長的變化,以匹配顯示波長,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,顯示效率達到10%以上。衍射光波導(dǎo)平視顯示系統(tǒng)虛擬畫面存在色差,外景強光條件下無明顯“閃耀效應(yīng)”,組合鏡厚度8mm。機載光波導(dǎo)平視顯示系統(tǒng)具有輕量化、扁平化、模塊化、無邊框化等顯著優(yōu)勢,可以兼容多種機型平臺,并且有利于人機效能的提升。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TN252;TN27
【部分圖文】：

機載光波導(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年代開始大量裝備軍用飛機，到現(xiàn)在一直是軍用飛機座艙中的關(guān)鍵顯示器。1962年平視顯示器開始裝備服役，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)瞬時視場小，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)增加了瞬時視場和光能利用率，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)計技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用計算全息技術(shù)設(shè)計有焦全息組合鏡，研制出廣角全息平視顯示裝備于美國F-22、法國陣風(fēng)、歐洲臺風(fēng)、瑞典JAS39等[4,5]。廣角全息平視顯示獲得了更大的瞬時視嘗更高的光能利用率和外景透過率，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，新一代航空飛機傳感器集成化大幅度提高，裝配空間及負荷要求苛刻，對

機載光波導(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年代開始大量裝備軍用飛機，到現(xiàn)在一直是軍用飛機座艙中的關(guān)鍵顯示器。1962年平視顯示器開始裝備服役，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)瞬時視場小，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)增加了瞬時視場和光能利用率，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)計技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用計算全息技術(shù)設(shè)計有焦全息組合鏡，研制出廣角全息平視顯示裝備于美國F-22、法國陣風(fēng)、歐洲臺風(fēng)、瑞典JAS39等[4,5]。廣角全息平視顯示獲得了更大的瞬時視嘗更高的光能利用率和外景透過率，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，新一代航空飛機傳感器集成化大幅度提高，裝配空間及負荷要求苛刻，對

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，飛行員頭部活動范圍更大，更舒適，便于模塊化，可靠性更強。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)是對傳統(tǒng)平視顯示技術(shù)的一次變革，可廣泛應(yīng)用于多機型座艙平視瞄準(zhǔn)顯示領(lǐng)域。光波導(dǎo)平視顯示系統(tǒng)的顯著優(yōu)勢非常有利于兼容多種機型座艙裝配及性能需求，尤其適用于小型化緊湊座艙對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)無法滿足裝機要求的問題。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)，其獨特的性能也涉及到許多新的成像原理和設(shè)計及制作方法。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，成為了一項必須解決的關(guān)鍵問題。因此，有必要研究光波導(dǎo)平視顯示原理和設(shè)計及制作技術(shù)，實現(xiàn)機載光波導(dǎo)平視顯示。
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本文編號：2864904