多层全息平板波导显示系统研究

为了实现增强现实头戴显示系统全色显示功能,建立了多层全息平板波导显示系统,并对该系统所采用的衍射原理、光栅常数及对应衍射波长等技术参数进行了研究。首先,根据光栅方程及全反射理论,介绍了全息平板波导入耦合光栅常数与传输光波长之间的限制关系。其次,为了实现光瞳扩展,介绍了转折光栅、出耦合光栅与入耦合光栅之间的限制关系。在此基础上,以550 nm绿光为例仿真设计了单层全息平板波导显示结构。然后,以单层全息平板波导为基础,建立了以685 nm、550 nm和437 nm作为三基色的三层全息平板波导显示系统。最后,使用digital light processing投影系统为光源检验了三层全息平板波导加工样品的出光效果。实验结果表明,三层全息平板波导可以实现光瞳扩展和全色显示。多层全息平板波导能够实现增强现实头戴显示系统全色显示。     

应用于彩色光波导显示中的液晶偏振体光栅结构设计与制备

本文设计并实现了一种三层结构液晶偏振体光栅,对其衍射特性及其在光波导中的耦合情况进行了研究。理论上,选取横向周期为424 nm,根据特定工作波长450 nm、532 nm、633 nm在满足布拉格衍射条件的情况下计算出了相对应的3个纵向周期以实现其厚度方向的叠加。采用有限元法对该器件进行了模拟仿真,计算出了其光谱特性及角度特性,根据红绿蓝三色光色散关系仿真出了其在波导内耦合的入射角与衍射角之间的关系曲线。实验上,本文实现了该液晶偏振体光栅器件的制备并对其进行了系统性能表征,给出了一个初步的光波导耦合实验,演示了其耦合效果。结果表明,所制备的三层液晶偏振体光栅器件在450 nm、532 nm、633 nm下衍射效率最高可达80%以上,对应波长下的角带宽分别为12°、8°、6°,其在波导内耦合的视场经模拟可达到27.81°,是一种良好的光波导耦合器件。     

三色激发聚合物分散液晶体光栅的制备及应用

报道了一种针对红绿蓝三原色激光同时敏感的电控全息聚合物分散液晶光栅(H-PDLC)的制备及其特性研究。通过在预聚物液晶体系中同时加入两组不同的光引发剂和协引发剂,孟加拉红与N-苯基甘氨酸、亚甲基蓝与对甲基苯磺酸水合物,以及纳米银颗粒,实现单片样品三波段激光(632.8、532、441.6 nm)激发写入的体全息光栅。实验测量和研究了该液晶光栅的衍射效率和电光特性。此外,通过显示图像的三原色衍射实现裸眼立体显示中左眼和右眼的图像分束功能。实验结果表明,三色聚合物分散液晶体光栅在红绿蓝三个波段均具有较高的衍射效率和良好的电控开关特性,在裸眼立体显示及相关领域有良好的应用前景。     

波导体全息光栅衍射光谱范围一致性研究

为了减小体全息光栅用于全息波导显示时不同视场角下衍射光谱的偏移,提出选择最佳的光栅矢量倾斜角和像源光轴相对于体全息光栅的倾斜角,可以减小衍射光谱的偏移。为了使全息波导显示系统在给定入射角度范围内具有相同的衍射光谱范围,采用三次曝光记录了一层体全息光栅。仿真结果表明,当像源的光谱范围在524~540nm之间时,该体全息光栅在入射角度范围-3°~3°内的衍射光谱范围相同,提高了给定入射角度范围内衍射光谱范围的一致性,可以应用于全息波导显示系统中。     

增强现实显示衍射光波导的设计

提出了在波矢k空间中设计衍射光波导片的相关理论,系统仿真并研究了光线波长、光栅周期、光栅时钟角、波导基底折射率以及波导基底折射率色散对衍射光波导视场角以及相关设计参数的影响.设计结果表明,当使用宽光谱光源时,光谱带边缘波长的视场存在切割,对显示效果影响不大,衍射光波导片适用于宽光谱光源.波导基底折射率色散对衍射光波导设...     

全息波导板构型优化

经过理论分析和计算,结合加工难度,提出了对全息波导显示系统中全息波导板的优化方法。对28°圆视场、30 mm×30 mm系统出瞳的全息波导显示系统中的全息波导板进行了优化。输入全息光栅尺寸、分束膜尺寸和输出全息光栅尺寸分别为5 mm×30 mm,30 mm×30 mm和30 mm×30 mm,波导板材料、波导板厚度、上波导板厚度和下波导板厚度分别为Ba K7,3 mm,0.75 mm和2.25 mm时,能够满足所要求的全息波导显示系统视场和出瞳性能要求。通过优化得到的系统构型可以应用于全息波导头盔显示器、全息波导平视显示器等。     

基于消色差超构光栅的AR显示光波导

增强现实（AR）技术将计算机生成的虚拟信息融入现实世界,可为使用者提供沉浸式的体验,被认为是下一代显示技术,但依旧存在一些问题。针对AR显示系统中色差、色彩均匀性、光场均匀性等问题,设计一种基于消色差超构光栅的光波导解决方案。仿真超构光栅的耦出响应,在单层超构光栅的情况下,实现了三种波长光（473,532,620 nm）相同角度入射和相同角度出射,消除了色差。采用双层超构光栅,在实现消色差的基础上,进一步实现了对不同波长光的强度比例可调和耦出效率可调,改善了色彩均匀度,有望用于扩瞳。所提基于消色差超构光栅的AR显示光波导设计有望为头戴式AR显示设备提供全新设计思路。     

与波导表面垂直等量发射的线阵全息波导光互联

报道了以玻璃为基、以光致聚合物制造透射体积输出光栅的全息波导光互联,并通过实验绘制了光栅的衍射效率与曝光时间曲线。通过控制各输出光栅的衍射效率,可实现用一束与波导表面垂直的入射光,产生6束与波导表面垂直且能量相等的出射光。输出光栅的最大衍射效率仅需趋于50%。在波长为632.8nm的红光下,测出输出光偏离表面垂直方向的角度为0.43°,输出光的相对强度的最大偏差为11%。     

用于平板波导显示的反射型体全息光栅制备

基于对全息平板波导显示系统中核心全息光学元件的研究,采用双光束干涉法和相应的后处理工艺,在以石英玻璃为基底、重铬酸盐明胶为记录介质的全息干板上制备了具有折射率调制的反射型体全息光栅,并研究了不同曝光强度、折射率调制度、水洗时间对光栅衍射效率的影响.实验结果表明,经441.6 nm的He-Cd激光光源记录以及复杂的后处理...     

基于硅基液晶的空分复用彩色全息显示研究

彩色全息显示是全息显示的一个重要研究目标。研究了使用RGB三色激光的彩色全息显示技术,提出基于空分复用的彩色全息显示方法。全息光电再现像的成像区域大小和成像区域中心位置依赖于RGB三色激光的波长,通过调节RGB三色分量原图大小以及加载数字闪耀光栅实现RGB三色再现图像分量区域大小和成像中心的重合。基于空分复用的方法建立了彩色全息显示系统,最终的彩色全息显示系统利用空间光调制器加载计算生成的24bit全息图再现彩色图像。实验结果验证了该方法的可行性。     

单片式全息波导双色显示优化设计

彩色全息波导显示通常采用复杂的多层光栅耦合或多层波导组合的结构,导致系统的重量和体积较大。针对该问题,提出了一种单片式、单层光栅双色全息波导显示构型,该构型采用三组光栅实现光线的输入、输出及出瞳的二维扩展,并通过严格耦合波理论(RCWA)对光栅槽型和光栅膜系进行了优化设计,使该构型在较大视场范围内实现对红、绿两种色光较好的均匀显示。     

基于超快液晶薄膜的实时动态全息三维视频显示

介绍了在超快液晶薄膜中的实时动态全息视频显示成果,此薄膜不需任何外加电场,而且全息响应在毫秒量级,全息图建立和自擦除时间最快都可达到1ms。利用红绿蓝(RGB)三色激光作为读出光获得了无串扰噪声红绿蓝三色实时动态全息显示视频。基于全息复用技术,在此材料中实现RGB模式彩色全息视频显示。由于此材料易于制成大尺寸显示屏,而且无需任何外加电场,所以由其制成的空间光调制器或其他全息显示器件无需进行像素化,这样就能有效地克服现有空间光调制器的缺陷,其有望在未来被开发成高分辨率、大尺寸、彩色实时动态全息三维视频显示器。     

新型多层波导全息存储结构的设计

提出了一种新型多层波导全息存储结构，该结构由波导输出光栅和体全息层为单元构成，其光的衍射效率得到很大的改善，读出光的耦合效率理论上可达到50%。同时，该结构不同单元记录层的信号读出时串扰很小。有望在全息光存储、三维立体彩色显示等方面得到应用。     

全息波导元件的光线追迹及误差分析

全息波导元件的设计通常会分解为光栅设计和波导设计,这种设计过程并不直观,且不适用于加工误差分析。为了解决上述问题,提出一种全息波导元件的综合分析方法,以二维出瞳拓展的全息波导显示系统为例,针对波导上下表面不平行度、光栅结构参数进行误差分析,以便了解上述误差对成像质量的影响。通过对模型参数的误差分析,对实际的生产加工过程提出有意义的精度指导。     

一维金属亚波长周期光栅的衍射特性

利用严格耦合波理论(RCWA)计算了一维金属亚波长光栅刚好出现一级衍射透射波时的周期/波长比(临界周期点),并利用最小二乘法拟合出临界周期点随光栅基底折射率的变化关系,即y=1/x。为了验证该规律的正确性,选取不同的金属材料、占空比、金属厚度、光栅周期、入射光偏振态进行计算分析。结果表明,对于一维亚波长金属光栅,一级衍射的出现都满足临界周期点的变化规律,并且与入射光的偏振态及波长无关,从而为设计一维金属亚波长光栅提供了仅存在零级衍射的条件。     

亚波长光栅的模态特性与衍射效率及其应用

采用模态理论研究了TE偏振与TM偏振入射光在一维亚波长光栅区域的模式特性,分析了不同传播模态的有效折射率及其差值与入射条件、光栅周期、光栅深度及光栅填充比之间的关系,使用干涉法得到了在考虑光栅凹槽深度的情况下两种模态的光栅衍射效率。应用亚波长光栅的模式特性与光栅衍射效率设计了一种偏振分束器,其特性是在利特罗入射的条件下,单色光波在0级衍射处为TM偏振,在-1级处为TE偏振。     

光折变局域体全息柱透镜变波长读出下的波前转换

研究了用波长为632.8nm的柱面波与平面波记录形成的体全息柱透镜用波长为800nm的平面波重现下的波前转换情况。结合二维耦合波理论,推导了形成于LiNbO3双掺杂晶体中该全息柱透镜的耦合波方程,并求出了其积分形式的解析解,分析了改变读出波长下该透镜的布拉格失配因子的分布情况,讨论了它的几何尺寸和记录柱面光波对其衍射效率的影响,以及柱面衍射光振幅在出射口径上的分布情况。结果表明,记录所形成的全息柱透镜的焦距越长它的衍射效率越高;该透镜厚度的增加会使它的衍射效率增加,但是透镜的衍射口径增加它的衍射效率会降低;衍射光振幅在其出射口径上的分布出现了一定程度的失真,衍射光强度主要集中分布在布拉格失配值较小处对应的位置。最后,进一步讨论了全息透镜记录过程中满足布拉格匹配条件的参考点的选择对光栅衍射性质的影响,结果表明衍射效率不随参考点的改变而改变。     

大范围可调谐液晶/聚合物光栅有机半导体激光器

基于液晶/聚合物光栅,以MDMO-PPV为增益介质,在抽运增益介质层不同位置处对出射激光波长进行粗略调谐,通过施加外部电压对出射激光波长进行精密调谐,最终得到调谐范围为18 nm、可连续精密调谐的液晶/聚合物光栅有机半导体激光器。该研究可为改进可调谐分布反馈有机半导体激光器提供一些新思路。     

增强现实显示的偏振不敏感光栅波导研究

一般的光栅波导式头戴显示器因偏振敏感不能同时使用横电（TE）偏振光和横磁（TM）偏振光进行成像显示。为解决该问题,基于遗传算法与严格耦合波分析法提出了一种偏振不敏感光栅的设计方法。制作了偏振不敏感的光栅波导,进行了光栅波导的衍射效率测量实验。该光栅工作波长为532 nm。耦入光栅对TE偏振光的平均衍射效率从6.1%提高到了21.0%,对TM偏振光的平均衍射效率从13.7%提高到了40.5%,对非偏振光的平均衍射效率从9.9%提高到了30.7%。耦出光栅对TE偏振光的平均衍射效率从3.1%提高到了12.1%,对TM偏振光的平均衍射效率从0.8%提高到了10.7%,对非偏振光的平均衍射效率从1.9%提高到了11.4%。搭建了显示系统样机,测试表明显示效果清晰明亮。实现了30°×22°的大视场角,验证了偏振不敏感光栅波导设计方法和非偏振图像源在增强现实领域的可用性,为波导型增强现实系统的研究与发展提供一定的指导作用。     

基于阵列波导光栅的单纤三重波分复用器

利用阵列波导光栅实现单纤三重波分复用器是一种具有很多优点的方法.ITU G.983标准规定了无源光网络的三个波长为1310,1490和1550nm,由于这三个波长的间距相差很大,光谱范围也大,用普通的AWG设计方法不能达到理想的效果.文中提出了一种基于阵列波导光栅的单纤三重波分复用器的新型设计,利用衍射光栅的频谱周期性,使离第二、三波长较远的第一波长工作在不同的衍射级次,并将第一波长映射到与第二、三波长形成几乎等间距信道的第四波长,从而减小了对光栅自由光谱范围的要求,同时使对应这三个工作信道的输入/输出波导几乎等间距,解决了传统设计方法导致的衍射级次小、器件尺寸大、制作困难等问题.