新型衍射光学波导三维显示关键技术研究

Portable personal 3D display has been extensively investigated during the past years and could be applied to military, industrial, and medical domain. The 3D display based on diffractive optical waveguide is proposed in this project. Diffractive optical waveguide possessing the advantages of light weight, compact size, and flexiable function, can trasmit 3D information and display 3D object for personal use. However, to employ the diffractive optical waveguide as a 3D display device, the following points should be investigated: the suitable methodology of 3D display, the accurate modulation of 3D intensity, the reasonable field of view, the controllable chromatic aberration, and the tunable diffraction efficiency. To solve these issues, we will process the following investigations in this project: 1. Basic principles of the novel diffractive optical waveguide; 2. Methods of accurate 3D intensity modulation; 3. Reasons to limit the field of view, and how to enlarge it by our proposed novel diffractive optical waveguide; 4. Optimizations and modulations of chromatic aberration and diffractive efficiency within the novel diffractive optical waveguide system. The destination of this project will provide a new idea of basic theory and method to realize the personal 3D display with compact size, large field of view, and accurate 3D intensity modulation. It is significant for the next generation display and hopefully it will push forward the updating and upgrading of national display industry.

轻小型个人三维显示是近年来国际显示领域的研究热点，在军事、工业、医疗等领域具有重要的应用前景。本项目提出轻小型个人衍射光学波导三维显示的研究。衍射光学波导具有重量轻、体积小、参数灵活可调等优点，可研制用作新型轻小个人三维显示传输器件。但是目前衍射光学波导用于三维显示仍然存在如下主要问题：三维显示方法问题、精确调制问题、小视场角问题、大色差问题、低效率问题等关键科学问题。针对上述问题，本项目拟研究：1. 新型衍射光波导的基本机理；2. 三维精确调制机制；3. 新型衍射光波导的视场扩大机制；4. 新型衍射光波导的色差和效率调控方案。并最终研制出新型衍射光波导的三维显示原理样机。本项目的研究成果将为轻小型、大视场、基于精确调制的个人三维显示的实现提供新的基础理论和技术方法，将推动我国轻小型显示产品的升级换代，具有重要的理论意义和应用价值。

轻小型个人三维显示近年来持续成为国际显示领域的研究热点，在军事、工业、医疗、教育、娱乐等诸多领域具有广阔的应用前景。本项目针对传统衍射光学波导存在的三维显示不舒适、调制精度低、视场角小、色差大、效率低等关键科学问题，开展深入的研究。完成工作如下：1）在新型衍射光学波导的基本原理方面，提出使用双向误差扩散的多层曲面基底衍射光学元件设计方法，显著提高了曲面衍射光学元件的制作效率；提出了基于复振幅调制的多层自由曲面衍射光学元件设计方法，明显提高了加工精度和效率；提出了一种基于平行平板的新型偏振转换方法，该方法设计简单，实现成本低；提出了一种基于水凝胶的等离子体基元三维波前调制器件，实现温度可控的三维显示效果；2）在精确三维显示调制机制方面，提出了基于复振幅调制的单眼三维头戴显示，实现了连续深度可调的三维近眼显示；提出了高时空带宽积波前调制器的校准方法，提高了三维显示的图像质量；3）在光波导显示关键参数的优化设计方面，提出了可见光和红外光共光路的全息波导显示系统，实现了系统的轻薄化和小型化；提出并搭建了基于定向全息散射元件和曲面镜的同轴波导系统，实现了大出瞳、大视场角和高均匀性的近眼显示；提出并设计了一种基于相变材料的透/反射可切换微聚焦菲涅耳器件，可同时实现切换和聚焦功能；分析了波导表面粗糙度对成像性能的影响，并建立了理论公式；4）在新型衍射光学波导三维显示的原理样机研制方面，研制了基于复振幅调制的紧凑型彩色三维近眼显示系统，可实现彩色三维动态显示。. 发表国内外SCI检索论文26篇，其中IF>3的16篇，出版学术专著3本，申请国家发明专利57项，授权38项。. 培养博士生6名，硕士生17名；1人获全国光学工程学会优秀博士论文奖；1人获 “国际应用光学与光子学技术交流大会”优秀青年论文奖；6人次获国家奖学金，1人次获北京市优秀毕业生。. 共参加国际会议40人次，其中特邀报告22人次，邀请相关领域专家来访交流8人次。