3D顯示能夠提供具有深度感的立體視覺信息,可以廣泛應(yīng)用于娛樂、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域。目前,主流的3D顯示技術(shù)中視角調(diào)控方式多基于幾何光學(xué),比如視差屏障技術(shù)、柱透鏡陣列技術(shù)、微透鏡技術(shù)等。由于幾何光學(xué)對(duì)光線的調(diào)控能力有限,得到的3D圖像具有視距受限、分辨率低、串?dāng)_大、視覺疲勞感強(qiáng)等缺陷。基于衍射光學(xué)的像素型納米光柵能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和高自由度的視角調(diào)控,為3D顯示提供了新的技術(shù)手段。本文系統(tǒng)性地研究了像素型納米光柵的衍射光場(chǎng)調(diào)控機(jī)制,分析了其視角調(diào)制特性,并實(shí)驗(yàn)論證了其在3D中的視角調(diào)控效果;在動(dòng)態(tài)與彩色3D顯示方面,與LCD技術(shù)相結(jié)合,研究了動(dòng)態(tài)與彩色視角調(diào)控的分離與融合,并搭建了3D顯示樣機(jī)。具體研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新成果如下:(1)研究了3D顯示中像素型納米光柵的衍射光場(chǎng)調(diào)制機(jī)理。理論分析了像素型納米光柵的衍射遠(yuǎn)場(chǎng)分布情況,并分析了像素尺寸、光源發(fā)散角以及光源帶寬對(duì)像素型納米光柵的衍射遠(yuǎn)場(chǎng)分布的影響,為3D顯示器件的研制提供了理論指導(dǎo)。(2)提出了位相與振幅分離式的視角調(diào)制方法,分析了3D顯示中位相和振幅圖像的編碼方式。通過變周期、變?nèi)∠虻难苌涔鈻畔袼氐木幋a,來調(diào)制衍射光場(chǎng)的分布,實(shí)現(xiàn)會(huì)聚式的多視點(diǎn)光場(chǎng)分布;通過液晶顯示屏對(duì)不同視角的像素開關(guān),實(shí)現(xiàn)圖像的振幅刷新,兩者合成形成多視點(diǎn)3D顯示基本構(gòu)架。為了實(shí)現(xiàn)高精度、高效率位相調(diào)制板的制備,本文提出了“四變量輸出的光柵光刻系統(tǒng)”,理論計(jì)算了該系統(tǒng)的調(diào)制精度。在該系統(tǒng)中,通過平移衍射光柵,可實(shí)現(xiàn)輸出結(jié)構(gòu)周期(Λ)的連續(xù)調(diào)制;通過旋轉(zhuǎn)衍射光柵,來實(shí)現(xiàn)干涉條紋取向角(φ)的連續(xù)調(diào)制,結(jié)合2D平臺(tái)的移動(dòng)(x和y方向),能實(shí)現(xiàn)四變量納米光柵結(jié)構(gòu)(Λ,φ,x,y)的輸出,為三維顯示的位相調(diào)制板的研制提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支撐。實(shí)驗(yàn)研究了像素型納米光柵的制備流程,得到了變周期、變?nèi)∠虻南袼匦图{米光柵結(jié)構(gòu)的制備,并通過測(cè)量DFB激光器發(fā)出的激光光譜間接地測(cè)定了四變量輸出光柵光刻系統(tǒng)的調(diào)制精度,實(shí)驗(yàn)得到的光柵周期變化可達(dá)0.5 nm。(3)實(shí)現(xiàn)了具有會(huì)聚視點(diǎn)的3D顯示效果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在3D顯示實(shí)驗(yàn)中,采用四變量輸出的光柵光刻系統(tǒng)制備了3D顯示中的位相調(diào)制板,結(jié)合相對(duì)應(yīng)振幅面板,實(shí)現(xiàn)了9視角水平視差和64視角全視差的三維顯示效果,得到的視場(chǎng)角分別為40°和50°,單幅視角圖像分辨率為800×600;同時(shí)測(cè)試的單個(gè)會(huì)聚視點(diǎn)在水平和垂直方向的FWHM值分別為1.5°和1.2°,與理論分析相一致。提出了基于超視角理論的輻輳調(diào)節(jié)矛盾的解決方案,實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了3D顯示中單眼多焦面調(diào)節(jié)效果,焦面景深從-1 cm到3 cm可連續(xù)調(diào)節(jié),得到的單眼調(diào)焦距離與雙眼集合距離相一致。(4)提出了先圖像調(diào)制后位相調(diào)制的動(dòng)態(tài)3D顯示技術(shù)。結(jié)合720P TFT-LCD(5.5 inch)的圖像調(diào)制,與像素型納米光柵的位相調(diào)制匹配,實(shí)驗(yàn)得到了視角間隔為4°,單幅圖像分辨率為640×360的動(dòng)態(tài)3D顯示效果,再現(xiàn)出的圖像清晰、無鬼影,同時(shí)圖像刷新率滿足人眼視覺暫留效應(yīng);測(cè)試的單個(gè)視角的FWHM為1°,與理論模擬值相一致。提出了白光照射下的彩色3D顯示實(shí)現(xiàn)方式,分析了白光照明情況下,像素型納米光柵對(duì)RGB三色光的調(diào)節(jié)作用,結(jié)合彩色濾光片的像素分布,實(shí)現(xiàn)了RGB三色光的方向性光調(diào)制。實(shí)驗(yàn)完成了16視角的真彩色3D顯示樣機(jī)的搭建,分別得到了16個(gè)RGB三色光的會(huì)聚視點(diǎn),視點(diǎn)角度間隔均為3°,與理論設(shè)計(jì)值相同;此外,實(shí)驗(yàn)中觀察到了16個(gè)不同視角圖像,單幅彩色圖像分辨率為640×360,3D圖像視差連續(xù)、無鬼影、色彩還原度高,視場(chǎng)角為50°,同時(shí),單視角的FWHM測(cè)量值與理論模擬值相一致。
【學(xué)位單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP391.41;O436.1
【部分圖文】：

射于不同的視點(diǎn)位置，使人的左右眼觀看到不同的視角圖像，形成立體視覺感；另一類是基于衍射光學(xué)的裸眼 3D 顯示技術(shù)，如全息位相元件、像素型納米光柵等，這類技術(shù)主要采用亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，通過其對(duì)光波的衍射調(diào)控，實(shí)現(xiàn)視角圖像的分離。1.2 全息技術(shù)全息技術(shù)（Holography）由英籍匈牙利物理學(xué)家 GaborD.[5]于 1948 年提出，它是一種真實(shí)空間的三維顯示技術(shù)，Gabor D.也因此獲得了 1971 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。全息技術(shù)可分為物光波的記錄和物光波的再現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立過程。物光波的記錄過程采用的是光波的干涉原理，通過引入?yún)⒖脊獠�，將真�?shí)物體發(fā)出的物光波信息（包括位相和振幅）記錄于介質(zhì)中；物光波的再現(xiàn)過程則采用了光波的衍射原理，通過相同的參考光波照射記錄介質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)衍射光波（物光波）的三維信息重建，實(shí)現(xiàn)三維物體像的再現(xiàn)，如下圖 1.1 所示：

衍射光學(xué)的裸眼 3D 顯示研究 第一章 介質(zhì)全息技術(shù)介質(zhì)全息（Media holography）技術(shù)是最早展開研究的全息技術(shù)，傳統(tǒng)的介采用重鉻酸鹽明膠、鹵化銀和光致抗蝕劑等光敏感材料來記錄干涉全息圖，顯影、定影、烘干等處理過程，過程繁瑣而費(fèi)時(shí)，不能進(jìn)行動(dòng)態(tài)全息記錄。的發(fā)展，一些新型的全息記錄材料也相序被提出，如光導(dǎo)熱塑材料[8-10]、光[11-17]、光折變晶體材料[18-21]以及最近提出的石墨烯材料[22]等。2008 年亞利桑那大學(xué)的 Blanche 課題組[20]在 Nature 期刊上報(bào)道了一種可刷變晶體薄膜全息記錄材料，實(shí)現(xiàn)了 4 inch×4 inch 的數(shù)碼全息圖的記錄，可內(nèi)實(shí)現(xiàn)圖像的刷新。2010 年 Blanche 課題組[21]對(duì)前面的技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了 2s 的圖像刷新速率，如圖 1.2 所示，為全息顯示中再現(xiàn)出的不像。

衍射光學(xué)的裸眼 3D 顯示研究 第一章，不僅提高了 3D 圖像的質(zhì)量，而且降低了顯示系統(tǒng)體積和成本，得到了 2。2016 年韓國亞洲大學(xué)的 Lee Y. O.等人[25]發(fā)展了一種新的聲光空間光調(diào)制由光源、金屬光攔截器、ZnS 波導(dǎo)層、表面聲波交指型換能器以及觀察平面組 1.4 所示，光波在波導(dǎo)中傳播的時(shí)候，利用表面聲波可引起光波的布拉格衍上可實(shí)現(xiàn)單個(gè)衍射級(jí)次，衍射效率接近 100%，大幅度提高了聲光調(diào)制器的。

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