应用于新型显示技术的衍射光学器件研究

发布时间：2020-07-29 22:22

【摘要】：近年来,为了满足人们对显示内容更高的需求,如三维显示、更大的色域、能叠加在真实场景上等,包括激光投影显示技术、光场显示技术、光学穿透式头戴显示技术等在内的多种新型显示技术蓬勃发展起来。然而,这些新型显示技术的发展却受限于其中一些关键器件的性能,因此,对这些关键器件的研究具有重要的意义。衍射器件以其特有的光学特性、大设计自由度、高光能利用效率、体积小、重量轻等优势,受到了世界范围内光学工作者的喜爱,并在多个领域得到了应用。在显示领域,已经有很多研究者进行了利用衍射器件设计关键器件的研究。然而,现有的成果还不能完全满足显示系统对其性能的要求,因此我们在前人的基础上,进一步地对应用在新型显示技术中的衍射器件展开了研究,对象包括三种,即激光投影显示中的光束整形器,光场显示中的定向散射屏以及光学穿透式头戴显示中的耦合器件。首先,进行了激光投影显示中光束整形器的研究。根据标量衍射理论,搭建了衍射器件的光学特性仿真平台,在此基础上,利用了几何变换法和迭代傅里叶变换算法这两种单波长DOE算法针对激光投影显示中的光束整形器进行了设计,获得的光斑的平均均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)分别为23.97%和26.15%,这样的结果并不能让人满意。为了获得更高的亮度均匀度,提出了一种结合几何变换法、迭代傅里叶变换算法以及PSO算法的混合算法,获得了 11.42%的RMSE,较大地提升了光斑的均匀度。其次,进行了光场显示中定向散射屏的研究。在前文的基础上,提出了利用DOE设计定向散射屏的思路。为了满足定向散射屏的功能需求,即精确扩大多色光的发散角,以及使多色光散射光能量按角度分布均匀且一致,提出了一种基于PSO的改进算法。此算法应用了预优化的初始结构,可以获得更快的收敛速度以及更好的结果。同时还应用了动态权重算法,以获得各个颜色之间整形性能的均衡。利用此算法,设计并加工了一片对双色LED进行整形的DOE,模拟仿真显示,其可以获得15.66%的RMSE以及0.22%的两色RMSE差异。实验获得的结果与仿真接近。接下来,进行了光学穿透式头戴显示中耦合器的研究。为了解决视场与衍射效率权衡的问题,提出了一种渐变体全息光栅的设计方案,并基于此提出了一种全息波导显示的设计方案。此方案通过在体全息光栅内部产生渐变的光栅周期和光栅倾斜角,改变了局部光栅的角度选择曲线,从而使光线只在目标位置高效率的出射,因此获得了较大的视场、较高的光能利用率以及较高的亮度均匀度。实验证明,此设计方案可以获得20°的视场角、在宽谱光源下31.9%的光能利用率、在激光光源下52.3%的光能利用率,以及较高的亮度均匀度。因此,其有望在将来被广泛的应用于使用增强现实技术的各领域中。最后总结了本文的研究工作,指出了以后的发展方向。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH74;TN27
【图文】：

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光源被发明了出来，完美地满足了全息术的记录对于光源单色性的高要求，使得全息术得逡逑到了较大的发展。经过几十年的研究，如今静态全息图的制作已经达到了相当高的水平，逡逑再现的三维像清晰逼真，如图１．１所示。逡逑１逡逑

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逡逑图１．１邋Ｚｅｂｒａ邋Ｉｍａｇｉｎｇ公司的全息地图逡逑近年来计算机技术与液晶技术的进步为计算全息术的发展创造了条件。最早的计算全逡逑息术是在计算机上模拟干涉条纹，然后打印到透明介质上形成全息图。后来，人们将计算逡逑结果加载到振幅型液晶板上，实现了动态显示。然而振幅型全息图的光能效率比较低，为逡逑了提高效率，各种用于计算纯相位型全息图的算法被开发出来，进一步地，随着微加工工逡逑艺、液晶技术水平的提高，人们开发出了小像素尺寸、高分辨率的纯相位空间光调制器［２］，逡逑成为了相位型全息图的载体，使得高效率动态全息显示成为可能。目前，很多学者、企业逡逑都在致力于此方面的研究［３＿５］。逡逑虽然计算全息术可以显示逼真的三维物体，但是由于计算量过于庞大，以现在的计算逡逑机水平，便携型的计算平台还很难实现对输出图像的实时计算。另外，受限于相位型空间逡逑光调制器的价格以及空间带宽积

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【参考文献】