基于全息波导的增强现实近眼显示技术可以直接为用户双眼提供虚实融合的图像信息，形态相对便携，近年来发展较为迅速。但目前报道的全息波导近眼显示多采用平板波导结构，一般需额外添加曲面护目镜，系统体积相对较大。因此提出基于柱面全息波导的增强现实近眼显示方法，实现了近眼显示从传统平板全息波导形态到曲面类型全息波导的拓展。提出柱面全息波导的全息曝光制备方法并制备柱面全息波导，搭建柱面全息波导近眼显示平台实验系统，实现了出瞳大小约10 mm，单目视场角约24°的增强现实显示效果，将为曲面波导与曲面护目镜的结合提供技术基础。

近眼显示技术中采用的全息波导元件通常为平面面型，不能很好地贴合使用者头部曲线。曲面面型的全息波导虽然能够更好地贴合头部曲线，但由于光线在曲面波导中传输过程复杂，使得设计非常困难。为建立曲面全息波导成像设计方法，分析了光在曲面全息波导中的关键传输过程，提出了适合曲面全息波导的光线追迹数学模型，建立了光线在曲面波导中传输过程的追迹算法，实现了曲面全息波导的设计。基于该算法，分别开展了球面面型和柱面面型的曲面全息波导光学系统设计，并进行了光线追迹仿真评估。根据设计结果，制备了柱面面型的曲面全息波导元件，并在光学系统中进行了成像演示。观测结果验证了该方法设计曲面全息波导的可行性。

体全息波导显示系统的视场角受限于光栅衍射响应带宽,无法满足人们对大视场显示的需求。为扩展波导显示视场角,基于严格耦合波理论模型分析了波导显示视场角的影响因素,进一步提出了一种可有效扩展衍射响应带宽的双重体光栅波导结构,通过变角度分次曝光法完成光栅制备,并搭建全息波导显示系统。成像结果表明,该显示系统的水平和竖直视场角可分别扩展至33.4°和22.6°,对角线视场角为40.3°。

全息波导耦合元件是增强现实显示系统的关键光学元件,光束垂直入射至全息波导板中通过入耦合元件改变光束传播方向,在波导板中形成波导现象传输至出耦合元件处,通过出耦合元件再次改变传输方向从全息波导板出射至人眼。当入耦合元件与出耦合元件均为透射式或反射式耦合元件时,两次改变光束传播方向的角度值相等。根据全息波导的成像原理,结合k矢量圆理论与全息光学记录原理,设计了全息波导入耦合元件与全息波导出耦合元件的对称型周期结构。利用MATLAB软件模拟了全息波导耦合元件记录时的干涉光强模型,实验结果与所设计的耦合元件周期结构数据吻合;利用COMSOL软件模拟了全息波导耦合元件对光束传输角度的改变过程,实验结果与理论改变光束传播方向的角度值一致。实验证明了两个全息波导耦合元件以互为对称的结构排布在全息波导光学系统中,能够满足全息波导光学系统对光束传播方向的要求。

彩色全息波导显示通常采用复杂的多层光栅耦合或多层波导组合的结构, 导致系统的重量和体积较大。针对该问题, 提出了一种单片式、单层光栅双色全息波导显示构型, 该构型采用三组光栅实现光线的输入、输出及出瞳的二维扩展, 并通过严格耦合波理论(RCWA）对光栅槽型和光栅膜系进行了优化设计, 使该构型在较大视场范围内实现对红、绿两种色光较好的均匀显示。

衍射光栅是全息波导头盔显示系统中的关键元件, 但在彩色显示中, 因其特性, 红绿蓝三色波长的入射光会衍射不同的角度。在波导中经历数次全反射后, 三色光在出射光栅的不同位置处出射从而造成色散。针对彩色全息波导头盔显示系统中的色散问题, 结合全息波导系统本身的特点, 提出了采用多层波导的方法矫正色散。根据不同波长入射光的衍射角, 设计了四层波导, 每层采用不同折射率的材料, 对各个波长的光路进行矫正, 以此来达到矫正色散的目的;最后通过仿真分析验证设计的准确性。结果表明, 红绿蓝三色的光线几乎在同一位置处出射, 三色图案高度重叠。因此采用所提多层波导设计的方法能够有效解决全息波导头盔显示系统中的色散问题。

全息波导元件的设计通常会分解为光栅设计和波导设计, 这种设计过程并不直观, 且不适用于加工误差分析。为了解决上述问题, 提出一种全息波导元件的综合分析方法, 以二维出瞳拓展的全息波导显示系统为例, 针对波导上下表面不平行度、光栅结构参数进行误差分析, 以便了解上述误差对成像质量的影响。通过对模型参数的误差分析, 对实际的生产加工过程提出有意义的精度指导。

首先阐述了机载全息波导瞄准显示技术的概念和内涵，说明了其技术特征和优势，介绍了该技术目前的国内外研究现状。分析了机载全息波导瞄准显示涉及到的关键技术，并对各关键技术进行了说明。在此基础上，分析了机载全息波导瞄准显示技术的发展趋势和未来的突破口，最后，对该项技术进行了展望。