【摘 要】
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增强现实（AR）是一种把虚拟信息和真实世界融合起来的显示技术,将计算机生成的文字、图像应用到真实世界,实现对真实世界的“增强”。由于其虚实交互、沉浸感强等优势,AR被普遍认为是继智能手机之后的下一代显示终端平台,它将会对人类获取信息的方式带来革命性的变化。目前,AR的软硬件技术逐渐成熟,国内外产业正在蓄势发力。全色激光光学引擎具有色域大、亮度高、方向性好、寿命长等优势,应用在AR系统中能够还原出更
【基金项目】
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国家重点研发计划； 华为横向项目；
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增强现实（AR）是一种把虚拟信息和真实世界融合起来的显示技术,将计算机生成的文字、图像应用到真实世界,实现对真实世界的“增强”。由于其虚实交互、沉浸感强等优势,AR被普遍认为是继智能手机之后的下一代显示终端平台,它将会对人类获取信息的方式带来革命性的变化。目前,AR的软硬件技术逐渐成熟,国内外产业正在蓄势发力。全色激光光学引擎具有色域大、亮度高、方向性好、寿命长等优势,应用在AR系统中能够还原出更为逼真、更高质量的图像,还能够保证足够的图像亮度。全息光学元件（HOE）因为其器件轻薄、稳定、制作成本低等优势,能够在保证光学系统紧凑的同时,得到高质量的成像效果,在AR光学硬件的研究工作中受到广泛的关注。并且,窄带宽光谱的激光与全息光学元件的波长选择性质相结合可以实现高透过率和高光效,让虚拟图像不被环境光所淹没。因此,基于全息光学元件的激光AR系统是一个很有前景的技术路径。在国家重点研发计划和华为横向项目的支持下,结合课题组的研究条件,本文对激光AR系统中的全息光学元件的理论与实验进行研究,探索更好显示效果的解决方案,让AR显示行业尽快实现突破。本文的主要研究工作与成果:1.通过仿真研究了全息透镜的色差,对全息透镜系统的成像波长提出了约束条件。理论上给出了离轴全息透镜的成像方程,实现了对像点的精确预测,为全息透镜成像系统的设计提供了理论依据。通过修正后的成像方程可以反推出全息记录的波前条件,为自由曲面HOE的设计打下了理论基础。2.提出并设计了一种基于双波长照明全息透镜的裸眼3D显示系统,它能够在激光AR显示系统的基础上添加分辨率保持的裸眼3D功能。通过实验验证了该原理的有效性,对裸眼3D在AR显示中的应用提供了一个新颖的思路。3.设计并搭建了高效、紧凑的激光白光模组,实现了绿光效率大于95%、红光效率大于90%、蓝光效率大于80%的高耦合效率输出,并且可以实现光源和光机系统的可分离功能。通过激光白光模组、电源模块和光机的设计,搭建了亮度为1210 lm、体积为4.8 L的激光微型光学引擎整机。4.搭建了 HOE的制备平台,实现了峰值衍射效率为96.6%的高衍射效率绿光单色HOE。研究了全色HOE的时序曝光记录条件参数,实现了平均峰值衍射效率为73.4%、标准差为7.9%的高衍射效率、均匀的彩色HOE的制作。将激光微投和全色HOE相结合,搭建了紧凑的全色激光AR显示系统,得到了较好的激光AR显示效果。5.提出了一种自由曲面HOE初始结构的设计方法,它可以通过分块记录HOE的方式进行制备。该自由曲面HOE可以解决像散、畸变以及RGB通道之间图像不重合的问题,消除了传统自由曲面元件制备工艺难的痛点。本文的创新点:1.通过仿真研究了全息透镜的色差,对全息透镜系统的成像波长提出了约束条件。理论上给出了离轴全息透镜的成像方程,实现了对全息透镜像点的精确预测。基于该方程,提出了一种自由曲面HOE的初始结构计算方法,并提出了分块记录的自由曲面HOE的制备方式。该自由曲面HOE既可以解决传统全息透镜成像系统中的像散、畸变、RGB图像不重合等问题,又可以消除传统自由曲面元件制备工艺难的痛点。2.利用了 HOE的波长和角度的选择特性,提出并设计了双波长照明全息透镜的显示系统。它能够在激光AR显示系统的基础上添加分辨率保持的裸眼3D功能。对裸眼3D在AR显示中的应用提供了一个新颖的思路。3.通过混合准直的方式制作了高效率的白光耦合模组,可以实现光源和光机系统的可分离功能。通过激光白光模组、电源模块和光机的设计,搭建了亮度为1210 lm、体积为4.8 L的激光微投。研究了全色HOE的时序曝光记录条件参数,得到了高衍射效率、均匀的全色HOE,其峰值衍射效率为73.4%,标准差为7.9%。将激光微投和全色HOE相结合,搭建了紧凑的全色激光AR显示系统,得到了较好的激光AR显示效果。
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