基于染料掺杂液晶的动态全息三维显示技术

As an ultimate three-dimensional (3D) technology, holographic display is capable of creating lifelike 3D images floating in space. However, due to the lack of updatable recording materials, it is still limited to display the static images. In order to make a transition from static to dynamic, there are many technical bottlenecks have to be settled. In this project, we propose a dynamic holographic display, which is based on the optical holographic method and features a dye-doped liquid crystal. This material exhibits characteristics of fast response and high sensitivity, in terms of the response time and optical nonlinearity. By virtue of its performance, we have fabricated a surface-engineered recording plate, through which the moving real objects or the computer-generated holograms, output by the spatial light modulator, can be recorded and reconstructed in real time. To further render the display with color, we will investigate both the multiplexing and field-sequential color schemes. Their critical issues include the overlapping, crosstalk, and color breakup. From the in-depth study, we will finally obtain optimal solutions regarding the materials, devices and systems, and parameters, models, processes and experimental techniques thereof. Hopefully, our results would be constructive to the development and application of holographic 3D display.

全息显示技术可以在空间中生成栩栩如生的三维立体图像，被认为是一种真三维显示。但传统的全息显示由于缺乏理想的记录介质，还仅局限于静态图像显示，真正实现动态全息三维显示依然存在许多技术难题亟待解决。本项目拟基于光学全息方法，通过研究染料掺杂液晶的响应特性与光敏感度，即响应时间和光学非线性系数，并结合表面配向处理，制备出可快速刷新的全息记录板，从而动态再现实物运动或加载于空间光调制器的视频图像。在此基础上，为进一步实现彩色显示，我们将分别研究基于复用和场序方式的彩色化方案，解决图像重合、串扰和色分离问题。通过以上系统研究，将最终优化出合理的材料、器件和系统的参数、模型、工艺与实验方法，为动态全息三维显示的应用与发展奠定基础。

全息显示技术可以在空间中生成栩栩如生的三维立体图像，被认为是一种真三维显示。但传统的全息显示由于缺乏理想的记录介质，还仅局限于静态图像显示，真正实现动态全息三维显示依然存在诸多技术难题亟待解决。为此，本项目围绕动态光学全息显示开展了系统性的研究，主要包括动态记录材料、全息背光、全息复用等。其中关于动态记录材料，我们提出了染料/量子点掺杂液晶，其响应时间最快可达1.6 ms，衍射效率最高可达30%，驱动电压低于2 V/μm，记录光强小于300 mW/cm2。与其他类型的动态记录材料相比，例如光折变聚合物，液晶类记录材料具有更快的响应时间。关于全息背光，我们提出了两种用于全息显示的平板化相干光源结构。其中基于侧入式的扩束方案可将激光光斑放大至原尺寸的89倍，衍射效率达4.3%。这种平板化的设计理念打破了传统激光光路的束缚，将体积庞大的全息系统简约化、平板化，使得全息显示走向实用化成为可能。关于全息复用，我们研究了角度复用、旋转复用与波长复用，提出了基于时域有限差分法的二维非局域扩散模型。为验证该模型，我们分别在曝光强度为2.5和19.6 mW/cm2时，制备了0度、45度和90度三级复用的全息光栅。通过与实验数据的对比，该模型可从理论上准确描述多级光栅形成的动力学过程。最后，结合上述研究，我们于业界首次实现了刷新速率达60 Hz的彩色动态光学全息显示，并优化出了合理的材料、器件和系统的参数、模型、工艺与实验方法，为动态全息显示的应用与发展提供了支撑性的理论与实验依据。