基于衍射元件的彩色动态激光投影技术研究

摘要

衍射光学元件(Diffractive optical element, DOE)是基于光学衍射原理、计算全息以及微纳加工技术发展起来的一种新型光学元件。相比于传统的光学元件，DOE具有体积小、重量轻、多功能等优点，极大程度地促进了光学系统的小型化与集成化。利用DOE实现激光投影，将极大程度地减小投影系统的体积以及成本，使得投影技术在教育、医疗、广告等领域有更为广泛的应用。然而，现有的基于DOE的激光投影技术受限于DOE的波长选择特性，只能实现单色投影。尽管国内外专家学者报道了许多方法，用于研究多波长DOE，以实现彩色激光投影，但是这些方法还需要进一步的研究，以提高图像重建质量、衍射效率以及防止光场串扰。本论文首先对DOE的单色投影技术进行了深入的研究，并提出了新的相位恢复算法以设计高质量的单波长DOE。其次，本论文在现有的多波长DOE的设计技术基础上提出了两种改进方法，实验证明这两种方法均可用于实现DOE的彩色激光投影。最后，本论文将光学知识与机械控制知识相结合，设计并制作了一套激光模组，实现了基于DOE的彩色动态激光投影的实验。本论文的主要研究工作如下：　　1)针对DOE的图像重建质量受到量化误差的影响这一问题，本论文提出了一种新的相位恢复算法——ETCR算法(Error tracking-control-reduction algorithm)，用于设计高衍射效率、低散斑噪声的DOE。利用该算法设计的2台阶DOE所重建的图像的均方根误差可以减小到0.05，比利用传统的Gerchberg-Saxton(GS)算法以及优化GS算法所重建的图像的均方根误差低5-6倍。同时，仿真与实验结果均验证了该算法的可行性。　　2)提出了一种基于空间分割法的彩色激光投影方法，采用空间分割的方式以及传统的光刻技术将三种不同的浮雕深度分布并排加工在同一片基片上，进而制备得到一片用于彩色激光投影的DOE。使用该方法有效解决了当前DOE彩色激光投影技术存在的轴向串扰严重、散斑噪声明显、衍射效率低等问题。本文开展了实验研究，验证了该方法的可行性。　　3)提出了一种迭代式相位叠加法，解决了原始相位叠加法存在的衍射效率低、图像重建质量差等问题。使用该算法重建的彩色图像的衍射效率相比于原始算法提升了约20%，均方根误差相比于原始算法降低了约20%。采用迭代式相位叠加法设计的DOE可以在整个菲涅尔区的任意距离实现彩色激光投影，相比于空间分割法有更加广泛的应用范围。同时，仿真以及实验结果验证了该方法的可行性。　　4)设计并制备了一个激光模组，采用单片机控制步进电机进而控制DOE的旋转，完成了DOE的彩色动态激光投影实验。8幅“小熊”图像作为目标图像，利用提出的迭代式相位叠加法设计出相应的浮雕深度分布，并利用传统的光刻技术，将获得的8个浮雕深度分布加工到同一片石英基片的8个扇形区域，以制备得到多波长DOE。通过单片机控制步进电机以一定转速启停、旋转，使得白色激光连续的照射这8个扇形区域，进而在菲涅尔区域内投影出动态的彩色图像。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 选题背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 基于衍射元件的全息单色投影研究现状

1.2.2 基于衍射元件的全息彩色投影研究现状

1.3 本章小结

第2章 基于衍射元件的单色投影技术

2.1 引言

2.2 标量衍射理论

2.3 ETCR算法

2.3.1 ETCR算法的原理

2.3.2 误差跟踪控制原理

2.3.3 参数设计

2.3.4 仿真及实验结果

2.3.5 讨论

2.4 本章小结

第3章基于衍射元件的彩色投影技术

3.1 引言

3.2 基于空间分割法的彩色投影技术

3.2.1 设计原理

3.2.2 制备及实验结果

3.3 本章小结

第4章 彩色动态激光投影实验

4.1 相位叠加法原理

4.2 迭代相位叠加法原理

4.2.1 仿真结果

4.2.2 多波长DOE的设计及制备

4.3 激光模组的设计及实验验证

4.4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果