硅基液晶全息成像關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、三維顯示技術(shù)能夠提供身臨其境的視覺感受，是信息顯示技術(shù)發(fā)展的必然要求。全息技術(shù)能夠在空間中顯示真實(shí)的立體影像，是最受關(guān)注的三維顯示技術(shù)。計(jì)算全息是通過空間光調(diào)制器（spatial light modulator, SLM）承載計(jì)算全息圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)于物光波前的振幅與相位的重構(gòu)而進(jìn)行三維顯示。在眾多空間光調(diào)制器中，硅基液晶器件(liquid crystalon silicon，LCoS)具有器件集成度高，填充率高，容易實(shí)現(xiàn)更高分辨率與較快的響

2、應(yīng)速度等優(yōu)勢(shì)而被廣泛采用。計(jì)算全息的發(fā)展受制于三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題:1、三維場(chǎng)景描述信息計(jì)算量巨大。2、器件空間帶寬積的限制。3、噪聲影響成像質(zhì)量。因此針對(duì)這些關(guān)鍵科學(xué)問題的解決方案就成為了硅基液晶全息成像的關(guān)鍵技術(shù)。本論文緊緊圍繞這些關(guān)鍵技術(shù)，從硅基液晶器件的調(diào)制特性與全息成像系統(tǒng)的成像特性兩個(gè)方面展開研究。本論文的主要研究成果總結(jié)如下:
　　1、提出了一種具有等效電容結(jié)構(gòu)的高分辨率液晶光柵器件，提高了相位調(diào)制深度，使得衍射效率達(dá)到

3、理論極限值33.86％，提高了光能利用率。提出了具有電介質(zhì)隔斷與局域場(chǎng)增強(qiáng)的高分辨率硅基液晶器件，有效的阻隔了像素間液晶分子的帶動(dòng)作用和補(bǔ)償了邊緣場(chǎng)效應(yīng)造成的液晶排列紊亂，將平均灰度誤差由67灰度降低到30灰度，顯著的改善了成像質(zhì)量。
　　對(duì)于計(jì)算全息，器件的像素間距制約了視場(chǎng)角，而液晶器件微型化的瓶頸問題是邊緣場(chǎng)效應(yīng)。論文對(duì)于邊緣場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行了仿真研究，針對(duì)一維相位光柵與二維相位陣列提出了新的器件結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了邊緣場(chǎng)效應(yīng)。論文設(shè)計(jì)的

4、新型器件是在光柵尋址電極之間設(shè)置等效電容結(jié)構(gòu)，其中條狀接地電極與光柵尋址電極間產(chǎn)生橫向電場(chǎng)，抵制邊緣電場(chǎng);同時(shí)三層接地電極構(gòu)成兩個(gè)串聯(lián)的等效電容結(jié)構(gòu)。由于等效電容結(jié)構(gòu)的調(diào)壓作用，上基板與尋址電極之間的電壓得到進(jìn)一步減小。仿真結(jié)果顯示相位調(diào)制深度達(dá)到了2π，在電壓U=3.7V時(shí)相位調(diào)制深度達(dá)到3.68 rad，從而使衍射效率達(dá)到理論極限值，并且使遠(yuǎn)場(chǎng)衍射類型中零級(jí)能量從82.31％降低到0.983％，大幅減少了光能損失。對(duì)于二維陣列的仿真

5、，針對(duì)邊緣場(chǎng)效應(yīng)的產(chǎn)生原因:液晶分子的黏滯力與像素電場(chǎng)的擴(kuò)展，分別提出在像素間設(shè)置光敏墻壁結(jié)構(gòu)隔斷液晶分子與使用狹縫-臺(tái)階電極提高局域電場(chǎng)的方法予以改善。仿真結(jié)果顯示成像質(zhì)量有了很大的提高。
　　2、提出了一種實(shí)現(xiàn)波前精確控制的方法，利用數(shù)字全息顯微的方法對(duì)SLM進(jìn)行精確的相位表征，并在此基礎(chǔ)上使用伽馬校正的方法對(duì)器件的動(dòng)態(tài)誤差畸變進(jìn)行了矯正，將相位光柵的均方根誤差從1.6319 rad降低到0.2132 rad，優(yōu)化了波前相位分

6、布，提高了全息成像質(zhì)量。
　　硅基液晶器件的動(dòng)態(tài)非線性相位響應(yīng)，即相位調(diào)制量與驅(qū)動(dòng)電壓（加載灰度）的非線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，造成了動(dòng)態(tài)誤差畸變，進(jìn)而降低了成像質(zhì)量。論文分別利用雙縫干涉方法與數(shù)字全息顯微方法進(jìn)行了全局相位測(cè)量與局部相位測(cè)量。從測(cè)量結(jié)果中找出相移與查找表值之間的最佳擬合多項(xiàng)式方程，將上述關(guān)系轉(zhuǎn)化為灰度與查找表值之間的關(guān)系即為校正的伽馬曲線。先后對(duì)非線性電光效應(yīng)與非線性相關(guān)效應(yīng)進(jìn)行了伽馬校正，得到了較好的矯正效果。
　　

7、3、提出了分時(shí)多平面與分區(qū)域多平面兩種空間成像方法，實(shí)現(xiàn)了三維全息顯示。大幅減少了全息計(jì)算量，降低了對(duì)于運(yùn)算處理設(shè)備與顯示器件的要求。
　　全息技術(shù)描述三維物體模型復(fù)雜，計(jì)算量大，對(duì)顯示器件分辨率、空間帶寬積等性能要求高。利用分?jǐn)?shù)階傅里葉變換全息圖描述光的傳播過程，運(yùn)用硅基液晶加載全息圖，配合透鏡及屏幕的使用，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)平面不同深度信息的顯示。提出的兩種多平面成像方法:分時(shí)多平面，將含有不同深度信息的全息圖成像在透鏡后的不同平面上