1 北京理工大学光电学院，北京 100081
2 北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心，北京 100081
光学自由曲面具备较高的设计自由度与像差校正能力；全息光学元件具备特有的波前调控特性、选择性、复用性、轻薄性与易加工性。在成像与显示光学系统设计中，将自由曲面与全息光学元件相融合，可以获得较为优秀的系统指标和系统性能，使系统形态更加紧凑、轻便，且得到离轴非对称的新型系统结构。简要介绍了自由曲面光学与全息光学元件的基本原理、光线追迹特性、应用领域等，阐述了自由曲面光学与全息光学元件的融合设计方法，基于对全息光学元件的分类，总结了融合自由曲面光学与全息光学元件的成像与显示光学系统的设计与应用，讨论了两类元件融合设计的限制因素并对未来的发展趋势进行了展望。
自由曲面光学 全息光学元件 融合设计 成像与显示系统
探讨液晶（LC）技术在XR近眼显示系统中的应用。详述了如何通过控制光的偏振和波前来开发可变焦液晶透镜，这些透镜对改善XR应用中的用户体验具有潜在价值。还讨论了生产液晶透镜的挑战，特别是在优化透镜厚度和性能方面。
液晶 可变焦液晶透镜 光学成像 XR近眼显示系统 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211014
1 苏州大学 光电科学与工程学院，江苏 苏州 215006
2 江苏省先进光学制造技术重点实验室 & 教育部现代光学技术重点实验室，江苏 苏州 215006
为克服现有离轴头戴显示光学系统设计方法不能直接设计全视场全孔径自由曲面反射镜的问题，提出了基于马吕斯定律的自由曲面三维直接设计方法。首先根据马吕斯定律求解自由曲面在全视场和全孔径范围内的所有特征数据点，然后将特征数据点拟合成用多项式表征的自由曲面，直接获得成像质量良好的自由曲面离轴系统初始结构，最后利用评价函数对拟合的多项式系数进行优化，确定最佳拟合系数，生成所需的自由曲面反射镜，得到离轴头戴显示光学系统最终结构。该方法简化了设计流程，计算效率高。基于提出的方法分别设计了单反射面和双反射面的头戴显示光学系统，单反射面系统的出瞳直径为3 mm，视场角19.12°×14.4°；双反射面系统的出瞳直径为8 mm，视场角23°×16°。设计结果表明，用该方法设计的单/双反射面头戴显示系统，其成像质量良好，系统结构紧凑。公差分析表明，引入公差后单/双反射面头戴显示系统最终可实现全视场调制传递函数(MTF)大于0.3 lp/mm和0.35 lp/mm。
光学设计 自由曲面 马吕斯定律 离轴显示系统 optical design freeform surface Marius's law off-axis display system 红外与激光工程
2022, 51(10): 20211119
浙江大学光电科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
液晶偏振体光栅作为一种新型波导耦合元件,因其较宽的角度响应带宽和独特的偏振特性而受到关注。然而,目前对液晶偏振体光栅的研究还在初步阶段,基于液晶偏振体光栅的波导显示系统主要存在出瞳范围较小的缺点。制备了中心波长为532 nm、光束垂直入射时反射衍射角为50°的液晶偏振体光栅,光栅峰值衍射效率达到75%。将其作为波导显示系统的耦合元件可实现图像的传输和显示。同时,设计和实现了出瞳在一维和二维方向上的扩展,将出瞳扩大了到14 mm×12 mm的范围。
光栅 光学器件 衍射光栅 显示系统 波导 液晶 光学学报
2022, 42(10): 1005002
中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所,河南 洛阳 471000
随着机载显示系统复杂度的提升,越来越多地采用图形处理器来生成显示画面,但由于图形处理器的高复杂性,也给适航审定带来挑战。首先,分析了图形处理器在机载显示领域的使用场景以及带来的风险,研究了当前适航需求; 然后,从使用FPGA和使用COTS器件两条技术路线给出了图形处理器适航应用中关注问题的解决方法,并对两个技术路线进行总结。研究成果有助于解决图形处理器在民机显示领域应用的适航难题,为现有显示设备制造商图形处理硬件设计方法提供参考。
图形处理器 机载显示系统 适航 COTS器件 graphics processor airborne display system airworthiness COTS device
红外与激光工程
2022, 51(1): 20210935
1 北京邮电大学电子工程学院，北京 100876
2 中国人民解放军63867部队，北京 137001
提出了一种基于视点分段式体像素的大视角全视差桌面式光场显示系统，采用了定向准直背光和反贴于分辨率为7680 pixel×4320 pixel的液晶显示屏上的柱镜阵列，实现了100°的水平观看视角，并利用光学偏折膜和全息功能屏，在适用于桌面显示的正面观看范围内实现了离散采样光场的体像素重建。设计了一种能够根据多位观看者的空间坐标划分独立视区的视点分段式体像素，并推导了其与液晶显示屏上子像素的函数映射关系，实现了对观看区域的分段式图像编码。提出了一种可为处在不同观看区域的多位观看者同时提供正确全视差光场显示的透视关系校正方法，填补了光学系统固有的垂直视差缺失，实现了桌面式光场显示中错误透视关系的自适应实时校正。
全息 光场 三维显示系统 视点分段式体像素 全视差 透视关系校正
1 科学技术部 高技术研究发展中心, 北京100040
2 天津大学 化工学院, 天津 300072
为了指导科技立项、研发资源投入和综合管理评价, 对主要显示技术方向的演进趋势进行研判。基于技术系统的S曲线进化趋势, 对新型显示主要技术系统所处的发展阶段和发展方向进行判断, 利用专利数量与时间的关系挖掘研发资源投入与其生命周期的关系。研究结果表明, 液晶和有机发光二极管显示系统分别处于成熟期和成长期, 电子纸和激光显示处于过渡期, 量子点和微发光二极管处于婴儿期。专利数量多, 预示着研发投入大, 技术系统的市场生命周期长。技术系统成熟度越低, 研发成果的发明级别越高。基础研究投入应侧重于婴儿期, 共性关键技术研发投入应侧重于过渡期和成长期的初期。本文为科技立项和研发投入的内容、主体提出了建议。
进化趋势 S曲线分析 显示系统 研发投入 evolution trends S-curve analysis display system R&D investment
针对ARINC661规范下UA与CDS之间数据交互量大、传输周期短, 实时监控过程中难以全面、细致地分析指令的问题, 研究了座舱显示系统离线检测技术, 设计了环形数据批量存储、仿真UA、异常定位等方法, 可以在离线环境下重现指令交互过程。测试结果表明, 该设计合理、运行可靠, 可以在离线环境下检测交互指令。
座舱显示系统 离线检测技术 环形数据批量存储 仿真UA 异常定位 cockpit display system offline detection technology ARINC661 ARINC661 ring data batch storage simulation UA anomaly positioning
西安北方光电科技防务有限公司, 陕西 西安 710043
设计了一种由耦出线性全息光栅和耦入体全息光栅组成的单色全息平板波导显示系统。该系统的工作原理是微型显示器发出的单色图像光波信息经过准直透镜后, 通过耦入体全息光栅和耦出线性光栅把图像光波信息从平板玻璃的一端耦入, 另外一端耦出, 最终在出瞳位置进入人眼。介绍了全息光栅的特点, 利用耦合波理论与K矢量闭合法理论推导全息光栅的视场角, 同时介绍了全息光栅的设计方法, 该方法是通过分束镜将激光分为物光波和参考光波, 且按照一定的入射角度在全息干板上发生干涉来实现。模拟仿真结果表明: 该系统显示视场角为18°×14°, 出瞳距离为30 mm, 传递函数MTF在30 lp/mm时均在0.3以上, 满足目视系统的使用要求, 可以应用于新一代头盔显示系统中。
光学设计 全息平板波导 全息光栅 视场角 显示系统 optical design holographic planar waveguide holographic grating field of view angle display system
