【摘要】：近年來,為了滿足人們對(duì)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(shí)場(chǎng)景上等,包括激光投影顯示技術(shù)、光場(chǎng)顯示技術(shù)、光學(xué)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(duì)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(xué)特性、大設(shè)計(jì)自由度、高光能利用效率、體積小、重量輕等優(yōu)勢(shì),受到了世界范圍內(nèi)光學(xué)工作者的喜愛,并在多個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在顯示領(lǐng)域,已經(jīng)有很多研究者進(jìn)行了利用衍射器件設(shè)計(jì)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(duì)其性能的要求,因此我們?cè)谇叭说幕A(chǔ)上,進(jìn)一步地對(duì)應(yīng)用在新型顯示技術(shù)中的衍射器件展開了研究,對(duì)象包括三種,即激光投影顯示中的光束整形器,光場(chǎng)顯示中的定向散射屏以及光學(xué)穿透式頭戴顯示中的耦合器件。首先,進(jìn)行了激光投影顯示中光束整形器的研究。根據(jù)標(biāo)量衍射理論,搭建了衍射器件的光學(xué)特性仿真平臺(tái),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(duì)激光投影顯示中的光束整形器進(jìn)行了設(shè)計(jì),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(jìn)行了光場(chǎng)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(jì)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(kuò)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(jìn)算法。此算法應(yīng)用了預(yù)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(shí)還應(yīng)用了動(dòng)態(tài)權(quán)重算法,以獲得各個(gè)顏色之間整形性能的均衡。利用此算法,設(shè)計(jì)并加工了一片對(duì)雙色LED進(jìn)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(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果與仿真接近。接下來,進(jìn)行了光學(xué)穿透式頭戴顯示中耦合器的研究。為了解決視場(chǎng)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(jì)方案,并基于此提出了一種全息波導(dǎo)顯示的設(shè)計(jì)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(biāo)位置高效率的出射,因此獲得了較大的視場(chǎng)、較高的光能利用率以及較高的亮度均勻度。實(shí)驗(yàn)證明,此設(shè)計(jì)方案可以獲得20°的視場(chǎng)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(yīng)用于使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：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(duì)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(dá)到了相當(dāng)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(jì)算機(jī)技術(shù)與液晶技術(shù)的進(jìn)步為計(jì)算全息術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了條件。最早的計(jì)算全逡逑息術(shù)是在計(jì)算機(jī)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(jì)算逡逑結(jié)果加載到振幅型液晶板上，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)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(jì)算純相位型全息圖的算法被開發(fā)出來，進(jìn)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(dòng)態(tài)全息顯示成為可能。目前，很多學(xué)者、企業(yè)逡逑都在致力于此方面的研究［３＿５］。逡逑雖然計(jì)算全息術(shù)可以顯示逼真的三維物體，但是由于計(jì)算量過于龐大，以現(xiàn)在的計(jì)算逡逑機(jī)水平，便攜型的計(jì)算平臺(tái)還很難實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出圖像的實(shí)時(shí)計(jì)算。另外，受限于相位型空間逡逑光調(diào)制器的價(jià)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(jì)算機(jī)技術(shù)與液晶技術(shù)的進(jìn)步為計(jì)算全息術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了條件。最早的計(jì)算全逡逑息術(shù)是在計(jì)算機(jī)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(jì)算逡逑結(jié)果加載到振幅型液晶板上，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)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(jì)算純相位型全息圖的算法被開發(fā)出來，進(jìn)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(dòng)態(tài)全息顯示成為可能。目前，很多學(xué)者、企業(yè)逡逑都在致力于此方面的研究［３＿５］。逡逑雖然計(jì)算全息術(shù)可以顯示逼真的三維物體，但是由于計(jì)算量過于龐大，以現(xiàn)在的計(jì)算逡逑機(jī)水平，便攜型的計(jì)算平臺(tái)還很難實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出圖像的實(shí)時(shí)計(jì)算。另外，受限于相位型空間逡逑光調(diào)制器的價(jià)格以及空間帶寬積

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2774576