基于全息光学元件的透射式全息显示中的两个关键问题研究

With the rapid development of virtual reality and augmented reality technology, the status of 3D display has become more and more important, and has been widely used in many fields. In recent years, the augmented reality 3D display has obtained a great achievement and becomes the top priority in the wearable display field. The project is to propose the new solutions to solve two critical problems, which are astigmatism aberration and low optical efficiency issues are existed in the optical see-through holographic 3D display system. First, to solve the astigmatism aberration, which is caused by the non-symmetric diffraction characteristics of the holographic optical element imaging system, the aberration is analyzed using ray tracing and compensated by applying pre-distortion in the Fourier hologram generation for 3D images. Then, based on the angular multiplexing technique of volume hologram a multi-functional holographic optical element, which is simultaneously performs the optical functions of a mirror and a lens, is to adopted in the system. To achieve an optimized optical recording condition of mirror lens holographic optical element, the characteristics of photopolymer to be measured. The optimized recording condition, which is time-scheduled iterative exposure are adopted to improve the optical efficiency, resolution and contrast ratio of optical see-through holographic display system. Finally, the project intends to verify the proposed methods through the experiments that the diffraction efficiency, resolution and astigmatism aberration will be measured and analyzed. The research results will be provides a theoretical basis for the realization of the optical see-through holographic 3D display system.

随着虚拟现实和增强现实技术的迅猛发展，3D显示的地位日渐重要起来，其在很多领域都有非常广泛的作用。其中，增强现实3D显示在近几年更是取得了巨大的进展，成为穿戴式技术领域的重中之重。本课题针对现有光学透射式全息3D显示系统所存在的像差及光能利用率低的关键问题，提出全新的解决方案。首先,针对基于全息光学元件的全息显示成像系统中的像差及像散问题，通过衍射光线追迹及方向畸变量的计算推导，探索一种傅立叶变换计算全息像差补偿生成方法。其次，从设计一种集反光和成像为一体的全息光学元件角度复用结构出发，研究角度复用二重光栅写入方法。通过优化基于photopolymer的二重光栅最佳写入条件,研制一种高效率虚实融合元件，进而提高系统分辨率、光能利用率以及对比度。最后，拟将通过实验对提出方案进行验证，并对衍射效率、分辨率及畸变进行测试及分析，为实现光学透射式全息3D显示系统提供理论依据。

本课题面向未来透射式、可穿戴、柔韧性、三维立体等多样的显示应用需求，以提高像质、光能利用率以及实现全光场显示为主要目的，开展了基于全息光学元件的透射式全息显示关键理论的研究，研究进展总结如下。.首先，针对离轴光学显示系统中存在的全息透镜衍射成像像差，研究了图像源从LCoS微显示器，再通过全息透镜到观察窗的衍射路径，计算出全息成像方向畸变量。通过方向畸变量与像散衍射距离的计算推导，提出了像差补偿傅立叶计算全息图生成方法。全息图生成时，通过引入衍射方向的距离偏移量补充了衍射常量，完成了再现像的衍射像差校正。并通过光学再现平台验证像差补偿全息图生成方法的有效性。.其次，针对透射式全息显示系统中的虚实融合的光学双通道问题，设计了一种集反光和成像为一体的反射全息透镜结构。通过分析记录材料光学特性，得到基于光致聚合物的全息光栅衍射效率与曝光时间、曝光量、入射角等参数的调制关系，利用时间调度循环曝光法优化了二重光栅角度复用写入条件，研制了一种用于全息透射式3D显示的多功能单波长全息光学元件。提出的迭代法在一个光致聚合物中重复曝光，在材料饱和时间内用一系列短曝光时间记录若干个全息光栅。这种方法采用增量记录技术计算光致聚合物的记录周期，有效地稳定了单光栅的调制，减小了各角衍射效率的差异，获得了较高的效率。.最后，通过光学实验平台，验证了本课题提出的两个关键科学问题解决方法的合理性和有效性，完成了对基于全息光学元件的透射式全息三维显示的光能利用率、像质等主要技术指标测试。课题组研制的多功能全息元件衍射效率可达76%以上，其成像三维信息最高光能利用率可达44%。同时，再现的虚拟计算全息图像完美校正了全息光学元件成像畸变，实现了真实物体与虚拟三维信息的融合，证实了本课题AR三维显示的平台的显示效果。.在众多的基于全息光学元件的成像三维显示技术中，本课题中提出的基于多功能全息光学元件的全息三维显示降低了增强显示环境对光学元件的设计要求，较为简单有效。我们认为计算全息技术与全息光学元件成像技术的有机结合是目前AR 3D应用中信息显示的有效手段，也是未来头戴显示技术发展的主要趋势。