【摘要】：近年來,為了滿足人們對顯示內(nèi)容更高的需求,如三維顯示、更大的色域、能疊加在真實場景上等,包括激光投影顯示技術(shù)、光場顯示技術(shù)、光學穿透式頭戴顯示技術(shù)等在內(nèi)的多種新型顯示技術(shù)蓬勃發(fā)展起來。然而,這些新型顯示技術(shù)的發(fā)展卻受限于其中一些關(guān)鍵器件的性能,因此,對這些關(guān)鍵器件的研究具有重要的意義。衍射器件以其特有的光學特性、大設(shè)計自由度、高光能利用效率、體積小、重量輕等優(yōu)勢,受到了世界范圍內(nèi)光學工作者的喜愛,并在多個領(lǐng)域得到了應用。在顯示領(lǐng)域,已經(jīng)有很多研究者進行了利用衍射器件設(shè)計關(guān)鍵器件的研究。然而,現(xiàn)有的成果還不能完全滿足顯示系統(tǒng)對其性能的要求,因此我們在前人的基礎(chǔ)上,進一步地對應用在新型顯示技術(shù)中的衍射器件展開了研究,對象包括三種,即激光投影顯示中的光束整形器,光場顯示中的定向散射屏以及光學穿透式頭戴顯示中的耦合器件。首先,進行了激光投影顯示中光束整形器的研究。根據(jù)標量衍射理論,搭建了衍射器件的光學特性仿真平臺,在此基礎(chǔ)上,利用了幾何變換法和迭代傅里葉變換算法這兩種單波長DOE算法針對激光投影顯示中的光束整形器進行了設(shè)計,獲得的光斑的平均均方根誤差(Root Mean Square Error,RMSE)分別為23.97%和26.15%,這樣的結(jié)果并不能讓人滿意。為了獲得更高的亮度均勻度,提出了一種結(jié)合幾何變換法、迭代傅里葉變換算法以及PSO算法的混合算法,獲得了 11.42%的RMSE,較大地提升了光斑的均勻度。其次,進行了光場顯示中定向散射屏的研究。在前文的基礎(chǔ)上,提出了利用DOE設(shè)計定向散射屏的思路。為了滿足定向散射屏的功能需求,即精確擴大多色光的發(fā)散角,以及使多色光散射光能量按角度分布均勻且一致,提出了一種基于PSO的改進算法。此算法應用了預優(yōu)化的初始結(jié)構(gòu),可以獲得更快的收斂速度以及更好的結(jié)果。同時還應用了動態(tài)權(quán)重算法,以獲得各個顏色之間整形性能的均衡。利用此算法,設(shè)計并加工了一片對雙色LED進行整形的DOE,模擬仿真顯示,其可以獲得15.66%的RMSE以及0.22%的兩色RMSE差異。實驗獲得的結(jié)果與仿真接近。接下來,進行了光學穿透式頭戴顯示中耦合器的研究。為了解決視場與衍射效率權(quán)衡的問題,提出了一種漸變體全息光柵的設(shè)計方案,并基于此提出了一種全息波導顯示的設(shè)計方案。此方案通過在體全息光柵內(nèi)部產(chǎn)生漸變的光柵周期和光柵傾斜角,改變了局部光柵的角度選擇曲線,從而使光線只在目標位置高效率的出射,因此獲得了較大的視場、較高的光能利用率以及較高的亮度均勻度。實驗證明,此設(shè)計方案可以獲得20°的視場角、在寬譜光源下31.9%的光能利用率、在激光光源下52.3%的光能利用率,以及較高的亮度均勻度。因此,其有望在將來被廣泛的應用于使用增強現(xiàn)實技術(shù)的各領(lǐng)域中。最后總結(jié)了本文的研究工作,指出了以后的發(fā)展方向。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH74;TN27
【圖文】：

光源被發(fā)明了出來，完美地滿足了全息術(shù)的記錄對于光源單色性的高要求，使得全息術(shù)得逡逑到了較大的發(fā)展。經(jīng)過幾十年的研究，如今靜態(tài)全息圖的制作已經(jīng)達到了相當高的水平，逡逑再現(xiàn)的三維像清晰逼真，如圖１．１所示。逡逑１逡逑

逡逑圖１．１邋Ｚｅｂｒａ邋Ｉｍａｇｉｎｇ公司的全息地圖逡逑近年來計算機技術(shù)與液晶技術(shù)的進步為計算全息術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了條件。最早的計算全逡逑息術(shù)是在計算機上模擬干涉條紋，然后打印到透明介質(zhì)上形成全息圖。后來，人們將計算逡逑結(jié)果加載到振幅型液晶板上，實現(xiàn)了動態(tài)顯示。然而振幅型全息圖的光能效率比較低，為逡逑了提高效率，各種用于計算純相位型全息圖的算法被開發(fā)出來，進一步地，隨著微加工工逡逑藝、液晶技術(shù)水平的提高，人們開發(fā)出了小像素尺寸、高分辨率的純相位空間光調(diào)制器［２］，逡逑成為了相位型全息圖的載體，使得高效率動態(tài)全息顯示成為可能。目前，很多學者、企業(yè)逡逑都在致力于此方面的研究［３＿５］。逡逑雖然計算全息術(shù)可以顯示逼真的三維物體，但是由于計算量過于龐大，以現(xiàn)在的計算逡逑機水平，便攜型的計算平臺還很難實現(xiàn)對輸出圖像的實時計算。另外，受限于相位型空間逡逑光調(diào)制器的價格以及空間帶寬積

逡逑圖１．１邋Ｚｅｂｒａ邋Ｉｍａｇｉｎｇ公司的全息地圖逡逑近年來計算機技術(shù)與液晶技術(shù)的進步為計算全息術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了條件。最早的計算全逡逑息術(shù)是在計算機上模擬干涉條紋，然后打印到透明介質(zhì)上形成全息圖。后來，人們將計算逡逑結(jié)果加載到振幅型液晶板上，實現(xiàn)了動態(tài)顯示。然而振幅型全息圖的光能效率比較低，為逡逑了提高效率，各種用于計算純相位型全息圖的算法被開發(fā)出來，進一步地，隨著微加工工逡逑藝、液晶技術(shù)水平的提高，人們開發(fā)出了小像素尺寸、高分辨率的純相位空間光調(diào)制器［２］，逡逑成為了相位型全息圖的載體，使得高效率動態(tài)全息顯示成為可能。目前，很多學者、企業(yè)逡逑都在致力于此方面的研究［３＿５］。逡逑雖然計算全息術(shù)可以顯示逼真的三維物體，但是由于計算量過于龐大，以現(xiàn)在的計算逡逑機水平，便攜型的計算平臺還很難實現(xiàn)對輸出圖像的實時計算。另外，受限于相位型空間逡逑光調(diào)制器的價格以及空間帶寬積

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 張巍;梁傳樣;李金;芮大為;;用于激光數(shù)字投影顯示系統(tǒng)的勻光整形元件設(shè)計[J];光學學報;2015年08期

2 李丹;薛蕓蕓;曹雯;姚連芳;石會雙;郭海成;張寶龍;;基于微透鏡陣列的DMD芯片投影系統(tǒng)照明優(yōu)化[J];光學學報;2013年01期

3 殷慶琰;吳建宏;錢國林;馬幸華;;嚴格耦合波理論和Kogelnik耦合波理論近似比較[J];光學與光電技術(shù);2008年04期

4 趙為黨,楊李茗,虞淑環(huán),楊國光;激光光束整形的設(shè)計和研究[J];紅外與激光工程;1999年01期

本文編號：2774576