空气的折射率 空气的折射率n0
增强现实（AR）技术因其独特的视觉效果，在各行业中得到广泛应用。受技术水平限制，AR眼镜的视场角（FOV）较小，限制了其实用性。为了扩大视场角，本文提出一种新的结构设计，根据Kogelnik耦合波理论，将光栅矢量与介质表面法线方向夹角分别为14.5°、24.0°、35.0°的三个全息光栅叠加在一起。通过计算，此结构具有约50.0°的视场角，能够使AR眼镜拥有更大的视野和更好的用户体验。
关键词：全息光栅；有限元分析；视场角；选择角带宽
增强现实技术通过有效地将虚拟图像叠加在真实场景中，为各行各业提供了独特视觉效果的应用。AR设备的发展一直聚焦于开发各种类型的近眼显示器，尤其是头戴式显示器。HMD（头戴式显示器）的光学性能和紧凑性对AR眼镜的整体性能至关重要。目前，全息波导因其高衍射效率和易于大批量生产的优势而被广泛研究。全息波导对波长及入射角非常敏感，难以获得较大的视场角。
本文针对这一问题，提出了一种新的光栅设计方法。通过改变曝光角度制作具有不同倾斜角的全息光栅，并将不同倾斜角的光栅进行叠加处理，以增大视场角。利用有限元方法分析了光栅厚度对耦合效率的影响及光栅倾斜角与角度选择带宽的关系。模拟结果表明，将不同倾斜角的光栅进行组合叠加，可以实现波导对选择角带宽上的叠加，最终实现较大的视场角。
在模型结构设计中，选用人眼敏感的绿光作为光源，并选用液晶聚合物作为光栅材料，波导基底选用折射率为1.6的玻璃材质。通过对光栅厚度和倾斜角的优化，以及多层光栅的叠加模拟，实现了视场角的扩大。最终，在三个特定倾斜角的光栅叠加下，实现了约50.0°的视场角扩大。
尽管本方案还存在一些技术实现上的挑战，如如何实现曝光出不同倾斜角的光栅并将它们完全重合地叠加在一起等，但随着曝光技术的不断发展，这些问题将得到解决。本文的研究为AR眼镜的视场角扩大提供了新的设计思路和方法，有望推动AR技术的进一步发展。
1. AR光波导显示系统与结构
本文中微像源、准直光学系统、耦入耦出光栅及基底波导构成了AR光波导显示系统。光波在系统中的传输过程以及光从一种介质传播到另一种介质时的规律进行了详细阐述。
2. 模拟计算模型
建立了高斯光源作为发射光源的模型结构，并利用有限元分析方法对结构进行计算模拟。通过对参数进行扫描计算，得到了不同入射光方向上光栅的衍射效率以及光栅的选择角带宽。
3. 光栅结构参数设计
针对光栅的厚度、倾斜角及材料的折射率调制度等重要影响因素进行了设计。通过对光栅厚度的优化和不同倾斜角光栅的选择，得到了具有高衍射效率和平衡AR眼镜厚度的最佳光栅参数。
4. 光栅层叠加数值模拟分析
将不同倾斜角的光栅进行叠加，实现了在不同选择角带宽上的叠加，从而扩大了波导的视场角。通过对三层光栅的叠加效果进行优化，找到了实现视场角完美拼接的最佳光栅倾斜角组合。
5. 结论
本文通过优化设计全息光栅的参数，实现了AR眼镜视场角的扩大。未来随着曝光技术的不断发展，该方法将有望进一步推动AR技术的发展和应用。
