面向全息视频显示的基于液晶调控等离激元的有源调制器件模型研究

Holographic video display aims to provide a dynamic, real time, true 3D images for observers, which will be one of the most promising tool for 3D visualization. However, due to the small diffraction angles and low resolution, the available devices aren't quite up to holographic video display, even if a lot of researchers has applied kinds of spatial light modulators (SLMs) to show the experimental demonstration of the basic ideas. There are still challenges to obtain an ideal active holographic display component which need the pixel cell to be on the order of visible light wavelength, capable of 2π phase modulation and ultra-high resolution.. In order to fulfill the high space-bandwidth-product requirements of holographic video display, the technologies, such as Surface Plasmon(SP), microelectronic and liquid crystal are combined in this study to design a new component model of active modulation, which could break these parameter limitations of available SLMs. Benefiting from the advantages of high resolution and addressing matrix reached in CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor）technology, we intend to construct high resolution arrays of pixel cell with the delicately designed metallic nanostructure, for the purpose of manipulating the wavefront at a subwavelength scale. The issues about the LC orientation near the nanostructured surfaces and the analysis of surface plasmon polariton modes at the interface between an anisotropic layer and metal interface within a multi-layered system are focused. Electric field induces liquid crystal reorientation, in turn, induces a change in effective refractive index. Finally, the active phase modulation is achieved.

全息视频显示旨在提供观察者动态、实时的真3D图像，将是最有潜力的3D可视化工具之一。目前多数研究者基于空间光调制器（SLM）进行基本概念的实验验证，但是现有器件面临小衍射角和低分辨率等问题，不能很好地适合于全息视频显示。获取一种理想的具有可见光波长特征尺度的像素单元、2π相位调制能力和超高分辨率有源全息显示器件仍然具有挑战性。本申请以实现高空间带宽积的全息视频显示为目的，拟集成表面等离激元、微电子以及液晶（LC）技术设计一种新的有源调制器件模型，期望突破现有SLM器件的参数限制。借助于CMOS技术在高分辨率、寻址等方面优势，探寻特殊设计的金属纳米结构，建立超高分辨率的微纳特征像素单元阵列，实现对波阵面在亚波长尺度的操控。研究纳米结构表面的LC取向问题以及多层体系结构中各向异性层与金属层之间界面表面等离极化激元模的表征，通过电场调控液晶取向，进而引发有效折射率的变化，最终实现有源相位调制。

全息视频显示旨在提供观察者动态、实时的真3D图像，将是最有潜力的3D可视化工具之一。为了实现全息视频显示系统，必须统筹考虑该系统所包括的许多功能模块，例如获取、压缩、传输和显示单元。其中，获取和显示单元无疑是特别重要的，因为3D显示的制作者和观察者直接与它们交互。.本项目围绕非干涉光场的相位信息获取、有源相位调制器件原理和模型以及全息显示系统架构优化等方面展开研究。具体内容和重要研究成果包括：①有源相位调制器件模型方面：在表面等离激元和液晶的电控可调性的基础上提出了一种相位调制器件模型。②微纳尺度光场调控方面：提出了编码叠加相位的超表面用于优化全息重构质量的方法。③计算全息图方面：基于Matlab开发了用于计算全息软件以及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。④全息显示系统优化方面：提出了将可编程轴锥镜的大焦深特性应用于全息显示系统以及给出了投影式全息3D显示系统的架构方案。⑤基于强度测量的相位恢复：提出了基于强度传输方程与图像插值、双波长照明以及空间光调制器相结合的相位恢复方法。这些成果围绕有源相位调制、非干涉相位恢复、全息显示系统架构技术建立了一个理论分析、数值计算和实验系统的初步框架，将为全息视频显示系统的获取和显示单元提供新的技术支持。