全息视频显示的LCOS原理研究

Holographic video (wavefront reconstruction) is the ultimate 3D visualization tool，a SLM whose features go down visible light wavelength dimension and is capable of 2π phase modulation (PM) is an important prerequisite for its practical use. LCOS benefits from the marriage of LC and CMOS technology, combing the holographic diffraction and the physics of liquid crystal photoelectric, is a good candidate for the PM device of holographic video display. Current technology enables PM LCOS has different pixel features from what is needed in one order. Our preliminary studies show that if LCOS structure dimensions shrank to the light wavelength scale, the diffraction efficiency would be extremely low, and this device is no useness. Furthermore, the theory adopted by LCD/LCOS amplitude modulation and the available LCD software simulation tools can not be directly applied to the research and design. In this work a LC theory allowing flexoelectricity and disclination is adopted in modeling and numerical simulation for the LCOS device with visible light characteristics and 2π phase modulation. A prefer embodiment consist of grating with sub-micro and 2D-3D complex geometries electrode, and the other important factors, such as materials, alignment and drive voltage etc, are comprehensively optimized. The computation for 3D inhomogeneous director field, and a novel algorithm applied to the optical behavior analysis of anisotropic, non-periodic boundary conditions, the oblique incidence is focused. In addition, a necessary experiment is carried out for verify the work. Eventually a theoretical model for the LCOS device and numerical simulation software are provided.

全息视频显示（波阵面重构）是3D显示的终极工具；其实用化的一个重要条件是具有可见光波长特征、2π相位调制（PM）的空间光调制器。LCOS嫁接了LC与COMS优势，把全息衍射和液晶光电物理相结合，有望成为全息视频显示的PM器件。 目前PM LCOS器件的像素特征与所需的目标相差一个数量级；但前期研究表明如直接把现有结构缩小到光波长尺度，衍射效率极低，无实用价值。并且，面向振幅调制的LCD/LCOS采用的理论和软件仿真工具不能直接借用于研究与设计。 本申请采用描述挠曲电与向错现象的液晶理论，开展具有可见光波长特征、2πPM像素的LCOS器件建模和数值模拟研究。拟采用子微米尺度、复杂2D-3D几何的光栅电极并综合优化材料、配准、驱动电压等，研究3D非齐次指向矢分布的计算及适用于各向异性、非周期边界条件、斜入射器件光学行为的算法，进行必要的实验验证。最终提供LCOS器件的建模方案和数值模拟程序。

全息视频显示（波阵面重构）是3D显示的终极工具；其实用化的一个重要条件是具有可见光波长特征、2π相位调制的空间光调制器。LCOS嫁接了LC与COMS优势，把全息衍射和液晶光电物理相结合，有望成为全息视频显示的相位调制器件。. 本项目以实现全息视频显示为中心，采用光学和计算相结合的方法开展了深入地研究，具体内容和重要研究成果包括：①建立了新的LCOS器件模型，提出将梯度Metasurface引入到现有的LCOS 像素结构设计中，从而有效地优化全息重构衍射效率。②基于TechWiz 和FDTD Solutions 两款商业软件构建了液晶器件的模拟平台。针对不同模型参数对LCOS 器件模型光学行为的影响，研究了具有亚波长尺度像素单元LCOS 结构的相位调制特性。③提出了一种基于三维总变分稀疏模型复杂三维场景的菲涅耳全息图频域压缩重建方法。所提方法能够提高重构图像的峰值信噪比。给出了一种纯相位菲涅耳计算全息图的反馈迭代算法，结果表明降低了重构误差，提高了全息图重构质量。④提出了基于菲涅耳相位透镜实现多平面全息投影的方法。此外，提出一种改进彩色全息压缩成像方法，建立多波长情形下的压缩测量模型。⑤提出了基于Green函数的强度传输方程法，强度传输方程和迭代融合的相位检索算法，以及适用于部分相干光场的混合相位检索算法。⑥提出了硅基液晶变焦透镜的相位恢复方法，基于正弦光栅调制的相位恢复方法以及基于余弦光栅调制的相位恢复新方法。⑦提出了基于相位割的以及编码衍射图样的相位检索算法。⑧提出了基于奇异值分解的可分离压缩成像方法以及单次曝光频域振幅编码压缩成像方法。这些成果将为对基于SLM的全息视频显示技术的突破产生积极的推动作用。