【摘要】：近年來,為了滿足人們對顯示內容更高的需求,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、光場顯示技術、光學穿透式頭戴顯示技術等在內的多種新型顯示技術蓬勃發(fā)展起來。然而,這些新型顯示技術的發(fā)展卻受限于其中一些關鍵器件的性能,因此,對這些關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,受到了世界范圍內光學工作者的喜愛,并在多個領域得到了應用。在顯示領域,已經有很多研究者進行了利用衍射器件設計關鍵器件的研究。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上,進一步地對應用在新型顯示技術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。在前文的基礎上,提出了利用DOE設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)化的初始結構,可以獲得更快的收斂速度以及更好的結果。同時還應用了動態(tài)權重算法,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衡的問題,提出了一種漸變體全息光柵的設計方案,并基于此提出了一種全息波導顯示的設計方案。此方案通過在體全息光柵內部產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)實技術的各領域中。最后總結了本文的研究工作,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的記錄對于光源單色性的高要求，使得全息術得逡逑到了較大的發(fā)展。經過幾十年的研究，如今靜態(tài)全息圖的制作已經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與液晶技術的進步為計算全息術的發(fā)展創(chuàng)造了條件。最早的計算全逡逑息術是在計算機上模擬干涉條紋，然后打印到透明介質上形成全息圖。后來，人們將計算逡逑結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與液晶技術的進步為計算全息術的發(fā)展創(chuàng)造了條件。最早的計算全逡逑息術是在計算機上模擬干涉條紋，然后打印到透明介質上形成全息圖。后來，人們將計算逡逑結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制器的價格以及空間帶寬積

【參考文獻】

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本文編號：2774576