基于衍射光学的裸眼3D显示研究

发布时间：2020-09-19 08:59

　　 3D显示能够提供具有深度感的立体视觉信息,可以广泛应用于娱乐、军事、医疗等领域。目前,主流的3D显示技术中视角调控方式多基于几何光学,比如视差屏障技术、柱透镜阵列技术、微透镜技术等。由于几何光学对光线的调控能力有限,得到的3D图像具有视距受限、分辨率低、串扰大、视觉疲劳感强等缺陷。基于衍射光学的像素型纳米光栅能够实现高精度和高自由度的视角调控,为3D显示提供了新的技术手段。本文系统性地研究了像素型纳米光栅的衍射光场调控机制,分析了其视角调制特性,并实验论证了其在3D中的视角调控效果;在动态与彩色3D显示方面,与LCD技术相结合,研究了动态与彩色视角调控的分离与融合,并搭建了3D显示样机。具体研究内容和创新成果如下:(1)研究了3D显示中像素型纳米光栅的衍射光场调制机理。理论分析了像素型纳米光栅的衍射远场分布情况,并分析了像素尺寸、光源发散角以及光源带宽对像素型纳米光栅的衍射远场分布的影响,为3D显示器件的研制提供了理论指导。(2)提出了位相与振幅分离式的视角调制方法,分析了3D显示中位相和振幅图像的编码方式。通过变周期、变取向的衍射光栅像素的编码,来调制衍射光场的分布,实现会聚式的多视点光场分布;通过液晶显示屏对不同视角的像素开关,实现图像的振幅刷新,两者合成形成多视点3D显示基本构架。为了实现高精度、高效率位相调制板的制备,本文提出了“四变量输出的光栅光刻系统”,理论计算了该系统的调制精度。在该系统中,通过平移衍射光栅,可实现输出结构周期(Λ)的连续调制;通过旋转衍射光栅,来实现干涉条纹取向角(φ)的连续调制,结合2D平台的移动(x和y方向),能实现四变量纳米光栅结构(Λ,φ,x,y)的输出,为三维显示的位相调制板的研制提供了实验平台支撑。实验研究了像素型纳米光栅的制备流程,得到了变周期、变取向的像素型纳米光栅结构的制备,并通过测量DFB激光器发出的激光光谱间接地测定了四变量输出光栅光刻系统的调制精度,实验得到的光栅周期变化可达0.5 nm。(3)实现了具有会聚视点的3D显示效果实验验证。在3D显示实验中,采用四变量输出的光栅光刻系统制备了3D显示中的位相调制板,结合相对应振幅面板,实现了9视角水平视差和64视角全视差的三维显示效果,得到的视场角分别为40°和50°,单幅视角图像分辨率为800×600;同时测试的单个会聚视点在水平和垂直方向的FWHM值分别为1.5°和1.2°,与理论分析相一致。提出了基于超视角理论的辐辏调节矛盾的解决方案,实验中实现了3D显示中单眼多焦面调节效果,焦面景深从-1 cm到3 cm可连续调节,得到的单眼调焦距离与双眼集合距离相一致。(4)提出了先图像调制后位相调制的动态3D显示技术。结合720P TFT-LCD(5.5 inch)的图像调制,与像素型纳米光栅的位相调制匹配,实验得到了视角间隔为4°,单幅图像分辨率为640×360的动态3D显示效果,再现出的图像清晰、无鬼影,同时图像刷新率满足人眼视觉暂留效应;测试的单个视角的FWHM为1°,与理论模拟值相一致。提出了白光照射下的彩色3D显示实现方式,分析了白光照明情况下,像素型纳米光栅对RGB三色光的调节作用,结合彩色滤光片的像素分布,实现了RGB三色光的方向性光调制。实验完成了16视角的真彩色3D显示样机的搭建,分别得到了16个RGB三色光的会聚视点,视点角度间隔均为3°,与理论设计值相同;此外,实验中观察到了16个不同视角图像,单幅彩色图像分辨率为640×360,3D图像视差连续、无鬼影、色彩还原度高,视场角为50°,同时,单视角的FWHM测量值与理论模拟值相一致。
【学位单位】：苏州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP391.41;O436.1
【部分图文】：

过程图,全息记录,过程,物光波

射于不同的视点位置，使人的左右眼观看到不同的视角图像，形成立体视觉感；另一类是基于衍射光学的裸眼 3D 显示技术，如全息位相元件、像素型纳米光栅等，这类技术主要采用亚波长结构，通过其对光波的衍射调控，实现视角图像的分离。1.2 全息技术全息技术（Holography）由英籍匈牙利物理学家 GaborD.[5]于 1948 年提出，它是一种真实空间的三维显示技术，Gabor D.也因此获得了 1971 年的诺贝尔物理学奖。全息技术可分为物光波的记录和物光波的再现两个独立过程。物光波的记录过程采用的是光波的干涉原理，通过引入参考光波，将真实物体发出的物光波信息（包括位相和振幅）记录于介质中；物光波的再现过程则采用了光波的衍射原理，通过相同的参考光波照射记录介质，可以实现衍射光波（物光波）的三维信息重建，实现三维物体像的再现，如下图 1.1 所示：

全息图,全息图再现,课题组,视角

衍射光学的裸眼 3D 显示研究第一章介质全息技术介质全息（Media holography）技术是最早展开研究的全息技术，传统的介采用重铬酸盐明胶、卤化银和光致抗蚀剂等光敏感材料来记录干涉全息图，显影、定影、烘干等处理过程，过程繁琐而费时，不能进行动态全息记录。的发展，一些新型的全息记录材料也相序被提出，如光导热塑材料[8-10]、光[11-17]、光折变晶体材料[18-21]以及最近提出的石墨烯材料[22]等。2008 年亚利桑那大学的 Blanche 课题组[20]在 Nature 期刊上报道了一种可刷变晶体薄膜全息记录材料，实现了 4 inch×4 inch 的数码全息图的记录，可内实现图像的刷新。2010 年 Blanche 课题组[21]对前面的技术进行了进一步改进，实现了 2s 的图像刷新速率，如图 1.2 所示，为全息显示中再现出的不像。

示意图,声光,空间光调制器,表面声波

衍射光学的裸眼 3D 显示研究第一章，不仅提高了 3D 图像的质量，而且降低了显示系统体积和成本，得到了 2。2016 年韩国亚洲大学的 Lee Y. O.等人[25]发展了一种新的声光空间光调制由光源、金属光拦截器、ZnS 波导层、表面声波交指型换能器以及观察平面组 1.4 所示，光波在波导中传播的时候，利用表面声波可引起光波的布拉格衍上可实现单个衍射级次，衍射效率接近 100%，大幅度提高了声光调制器的。

【相似文献】