肖雪同学在新型显示装置研究中取得新进展
透过式眼镜显示器是一种利用了增强现实技术的新型图像显示器件。它以眼镜的形式佩戴在用户的头部，能将虚拟图像信息叠加在用户周围的真实场景上显示，在人眼中实现虚实融合的效果，有着广泛的应用前景，是近年来的热门研究课题之一。 透过式眼镜显示器的光学系统设计很大程度上影响图像显示质量的好坏，同时还会影响系统整体的体积及重量等，决定观察者的视觉感受及佩戴舒适度。然而，现有的光学系统解决方案难以在紧凑的设计下实现大视场及高光学效率的显示。此外，还存在外景透过率低、复杂的加工过程及材料不稳定等问题，这使得透过式眼镜显示器的发展受到了限制。 本研究室肖雪同学提出一种紧凑型大视场的透过式眼镜显示器的光学系统设计方案，采用嵌入了窄带负滤光膜的透明光波导作为光学耦合器。这种光学耦合器件是由无机材料组成，具有稳定性好，易于加工和复制等优点。并且其中的窄带负滤光膜具有可选择的波长反射窄带，既保证了微型显示源投射的虚拟图像具有高亮度，外部真实的场景光线又能以很高的透过率穿过波导，极大限度地减少光能的损失。 |
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Fig. 1. Subsystem diagram of the proposed see-through glasses for the left eye. |
在本设计中，光学系统采用的是双像源双目式的显示方式，即有两个像源和两套光学系统，可以使用在立体显示的应用中。其中单眼子系统基本原理图如图 1所示，主要包括微型图像显示源、光学准直镜以及波导耦合器件。虚拟图像由微型显示源产生，光线被折叠和准直后进入波导，在波导中经全反射传播，最后进入观察者的眼睛。光学系统整体结构非常紧凑。 |
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Fig. 2. Schematic diagram of a narrowband notch filter embedded in a waveguide as the in-coupler. |
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Fig. 3. Relationship between wavelength and relative incident angle. |
在此设计方案下，肖雪同学建立了计算模型详细的分析计算了波导的设计参数（图2）与光学特性的关系，得到如图3所示的计算结果，为增大视场提供了途径，并为不同的设计要求提供了参数选择的参考。此方案的可行性通过实验得到了验证，透过式眼镜显示器原型及实验结果如图4，5所示，证明了这种光学波导可以传输清晰的虚实融合图像。 |
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Fig. 4. Prototype of our proposed see-through glasses. |
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Fig. 5. (a) Photograph captured outdoors by a camera via the prototype. (b) Indoor experiment that confirms the feasibility of the proposed see-through glasses. |
相关研究的结果以“Narrowband wavelength selective waveguide for see-through glasses”为题，整理发表在了美国光学学会期刊杂志Applied Optics Vol. 57, No. 28, 8249-8257 (2018) 上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1364/AO.57.008249 |
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(2018.08.28)
