应用于新型显示技术的衍射光学器件研究

摘要

近年来，为了满足人们对显示内容更高的需求，如三维显示、更大的色域、能叠加在真实场景上等，包括激光投影显示技术、光场显示技术、光学穿透式头戴显示技术等在内的多种新型显示技术蓬勃发展起来。然而，这些新型显示技术的发展却受限于其中一些关键器件的性能，因此，对这些关键器件的研究具有重要的意义。 衍射器件以其特有的光学特性、大设计自由度、高光能利用效率、体积小、重量轻等优势，受到了世界范围内光学工作者的喜爱，并在多个领域得到了应用。在显示领域，已经有很多研究者进行了利用衍射器件设计关键器件的研究。然而，现有的成果还不能完全满足显示系统对其性能的要求，因此我们在前人的基础上，进一步地对应用在新型显示技术中的衍射器件展开了研究，对象包括三种，即激光投影显示中的光束整形器，光场显示中的定向散射屏以及光学穿透式头戴显示中的耦合器件。 首先，进行了激光投影显示中光束整形器的研究。根据标量衍射理论，搭建了衍射器件的光学特性仿真平台，在此基础上，利用了几何变换法和迭代傅里叶变换算法这两种单波长DOE算法针对激光投影显示中的光束整形器进行了设计，获得的光斑的平均均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）分别为23.97％和26.15％，这样的结果并不能让人满意。为了获得更高的亮度均匀度，提出了一种结合几何变换法、迭代傅里叶变换算法以及PSO算法的混合算法，获得了11.42％的RMSE，较大地提升了光斑的均匀度。 其次，进行了光场显示中定向散射屏的研究。在前文的基础上，提出了利用DOE设计定向散射屏的思路。为了满足定向散射屏的功能需求，即精确扩大多色光的发散角，以及使多色光散射光能量按角度分布均匀且一致，提出了一种基于PSO的改进算法。此算法应用了预优化的初始结构，可以获得更快的收敛速度以及更好的结果。同时还应用了动态权重算法，以获得各个颜色之间整形性能的均衡。利用此算法，设计并加工了一片对双色LED进行整形的DOE，模拟仿真显示，其可以获得15.66％的RMSE以及0.22％的两色RMSE差异。实验获得的结果与仿真接近。 接下来，进行了光学穿透式头戴显示中耦合器的研究。为了解决视场与衍射效率权衡的问题，提出了一种渐变体全息光栅的设计方案，并基于此提出了一种全息波导显示的设计方案。此方案通过在体全息光栅内部产生渐变的光栅周期和光栅倾斜角，改变了局部光栅的角度选择曲线，从而使光线只在目标位置高效率的出射，因此获得了较大的视场、较高的光能利用率以及较高的亮度均匀度。实验证明，此设计方案可以获得20°的视场角、在宽谱光源下31.9％的光能利用率、在激光光源下52.3％的光能利用率，以及较高的亮度均匀度。因此，其有望在将来被广泛的应用于使用增强现实技术的各领域中。 最后总结了本文的研究工作，指出了以后的发展方向。

目录

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致谢

摘要

1绪论

1．1新型显示技术

1．1．1全息显示

1．1．2激光投影显示

1．1．3光场显示

1．1．4光学穿透式头戴显示技术

1．2衍射光学器件在新型显示技术中的应用

1．2．1 DOE光束整形器

1．2．2全息散射屏

1．2．3体全息光栅耦合器

1．3本文主要研究工作

2激光投影显示光束整形器件设计

2．1引言

2．2 DOE设计基础理论

2．2．1 DOE光束整形模型

2．2．2采样问题

2．2．3仿真平台的正确性验证

2．3单波长DOE算法

2．3．1几何变换法

2．3．2迭代傅里叶变换算法

2．3．3全局优化算法

2．4改进单波长DOE设计算法

2．4．1算法原理

2．4．2仿真计算

2．4．3算法分析

2．5本章总结

3光场显示高性能定向散射屏设计

3．1引言

3．2多波长DOE设计算法

3．3基于动态权重与预优化初始值的PSO算法

3．3．1优化目标建模

3．3．2算法描述

3．4数值仿真

3．4．1设计参数和优化结果

3．4．2目标面光强分布仿真结果

3．5实验验证

3．5．1 DOE加工

3．5．2 DOE整形实验结果

3．6分析与讨论

3．6．1仿真结果与实验结果的差异

3．6．2像素尺寸和最大刻蚀深度对结果的影响

3．7本章小结

4用于全患波导显示的渐变体全息光栅设计

4．1引言

4．2 Kogelnik耦合波理论

4．2．1反射式体全息光栅衍射效率计算

4．2．2反射式和透射式体全息光栅的性能差异

4．3工作原理

4．3．1系统概述

4．3．2反射式渐变体全息光栅

4．3．3视场的限制因素

4．4系统参数设计

4．4．1基本参数设计

4．4．2记录光角度设计

4．4．3子视场中心角度设计

4．5 SVVHG曝光系统设计与搭建

4．5．1曝光系统分析

4．5．2初始曝光系统

4．5．3改进的曝光系统

4．5．4曝光系统的搭建

4．5．5曝光参数计算

4．6显示实验

4．6．1 SVVHG测试

4．6．2原型机和显示结果

4．6．3 AR应用实验

4．7分析与讨论

4．7．1均匀性分析

4．7．2全彩色显示

4．8本章小结

5总结与展望

参考文献

作者简历