首先,阐述了机载光波导平视显示技术的基本原理, 说明了其技术先进性和可行性,介绍了该技术目前的国内外研究现状; 然后,分析了机载光波导平视显示涉及的关键技术, 展示了其所能达到的基本参数指标; 最后, 分析了机载光波导平视显示技术的发展趋势, 并说明了其技术瓶颈和应用前景。

与传统DMD数字显示相比,MEMS激光扫描显示具有高对比度、无背景光晕等优势,然而单根细激光束发光角度极小,需要进行扩展,同时消除激光相干引起的散斑,以提高显示性能。提出了将2DR-SPP用于随机微透镜阵列激光扫描显示扩展屏的结构设计,同时开发了激光直写热熔技术,实现了激光扫描显示屏的精确制作,最终获得发散角70°以上,均匀性70%以上,光能利用率90%以上的消散斑激光扫描显示扩展屏,可应用于机载和车载激光扫描显示系统。

针对单反射面单波导板构型光栅设计与制造复杂的问题，提出一种L型单波导二维扩展构型。该构型由2个侧反射面和3块周期和条纹走向完全相同的全息光栅组成，用于降低光栅的设计制造难度。根据对构型光路的计算分析，该构型的转向光栅尺寸不超过40 mm×40 mm。仿真结果表明，该构型正确合理，且可以实现30°×30°的视场和30 mm的大出瞳显示，可用于增强现实显示或头戴式显示。

不同类型明胶制成的重铬酸盐明胶体全息光栅在衍射效率、带宽以及噪声等衍射性能方面存在差异,决定了体全息光栅的光学应用领域。采用重铬酸铵明胶全息制备工艺,研究了3种常用明胶制成的体全息光栅的衍射特性。实验表明,在相同的条件下GC-1及GC-3明胶制成的体全息光栅衍射效率较高,接近理想值100%；GC-1明胶光栅的带宽较宽,可达到46 nm,而GC-3明胶光栅带宽较窄,仅有17 nm；GC-2明胶制成的体全息光栅效率较低且曲线形状较差。对3种明胶的全息衍射特性进行了深入研究,为不同领域全息元件制备中明胶类型的选择提供了依据。

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.

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BaK7,3 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.

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。

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。