用于头戴显示的新型耦合光栅结构优化设计与分析.docx

头戴显示器是一种结合了虚拟现实和增强现实技术的设备，主要用于军事训练、游戏娱乐以及日常生活中的信息展示。其中，波导型头戴显示器因其小巧轻便的设计，备受青睐。在波导型头戴显示器的核心组件中，耦合器扮演着至关重要的角色，它负责将图像光束引入和传出波导，直接影响到显示效果。 体全息光栅（Volume Holographic Grating，VHG）是此类耦合器的常见选择，尤其在反射型设计中，由于其大角带宽和较小的波长带宽，使得它在头戴显示器中具有较高的应用价值。然而，VHG 的衍射效率受到其厚度和折射率调制度的影响，过厚的光栅会增加光的吸收，导致杂散光增多，影响成像质量；而折射率调制度则受限于材料和工艺，难以达到最佳状态。 针对这一问题，研究者提出了一种新型的耦合光栅结构，由优化后的体全息光栅和闪耀光栅（Blazed Grating）共同构成。闪耀光栅具有特定的周期性结构，可以引导光束朝特定方向衍射，从而提高了耦合效率。通过严格耦合波分析（Rigorous Coupled-Wave Analysis，RCWA）进行仿真，结果显示，新型耦合光栅在横电模式光、横磁模式光以及非偏振光的衍射效率上均有显著提升，分别提高了1.5%、9.4%和5.3%。这表明，新型结构能更有效地利用各种类型的入射光，提升整体显示性能。 此外，新型耦合光栅的视场角也有所扩大。视场角是用户可以看到的图像范围，它的增大意味着用户在佩戴头戴显示器时能够体验到更广阔的视角，提升了沉浸感。具体来说，新型结构在横电模式光和横磁模式光下的入射角半峰全宽分别增加了0.2°和0.5°，这意味着用户在不同角度观看时，都能获得清晰的图像。 这种新型耦合光栅结构的创新之处在于，通过组合两种不同的光栅类型，实现了对衍射效率和视场角的双重优化，克服了传统体全息光栅的局限性。未来，这种设计有望在头戴显示器领域得到广泛应用，进一步提升设备的成像质量和用户体验。同时，这也为优化其他类型的光栅结构提供了新的思路，推动了光电子技术在AR/VR领域的持续发展。