面向3D光场显示的衍射型光场调制器研究

To realize the light-field display and enhance the 3D visual effect in mobile equipment. In this project, we propose to study a 3D light-field modulator based diffraction optics. Based on this technology, an overall design and fabrication of diffractive light-field modulator will be achieved. The major works are as follows: (1) The mechanism to form 3D light-field with circular viewing using diffractive light-field modulator will be explored, which includes the generation mechanism of 3D light field and constructing algorithm of 3D light field by diffractive light-field modulator. (2) The design and optimization of 3D light-field display system, which includes the mapping model between the inside and external in light field, the design and optimization of nano-grating structure unit and matching design of parameters in display system. (3) The manufacturing process of diffractive light-field modulator will be explored, which to form a uniform fabrication and transfer method of modulator structure. The 3D display system will be completed to demonstrate the light field display technique. This project will deepen our understanding of diffractive light-field modulation technique, accelerate commercial application process of high quanlity 3D display technique, and provide the key technology and theoretical basis for industrial applications

为了解决现有光场显示技术中难以满足移动显示设备应用的需求，提升3D显示体验效果。本项目提出和研究一种衍射型光场调制器，并在此基础上实现衍射型光场调制器的全局性设计和整体性制备。重点研究：（1）衍射型光场调制器的周视3D光场调控机理，主要包括3D光场的产生机制和衍射型光场调制器的3D光场构建算法。（2）3D光场显示系统的优化设计，主要包括光场内部与外部映射模型，纳米光栅结构单元的优化设计以及系统器件参数的匹配性优化。（3）衍射型光场调制器的实验制备技术和工艺，形成结构的统一制备和结构转移方法，搭建3D光场显示系统，完成3D显示的原理性论证。项目的研究有助于加深人们对衍射型光场显示技术的理解，加速高品质3D显示技术走向市场应用的进程，为光场显示器件的产业化应用奠定基础。

裸眼3D显示能够提供全方位的、立体的视觉冲击感，被认为是信息显示技术的终极目标之一，在医疗、教育、军事、广告、游戏等多个领域都具有巨大的应用价值。3D光场显示作为一种无视觉疲劳的裸眼3D显示技术，被广泛研究，然而目前主流的3D光场显示技术多采用几何光学的光场调制方式，由于几何光学在光线自由度和精度上调制的不足，产生的像差常常引起图像模糊、图像畸变以及各视角亮度分布不均匀等问题，难以在移动显示设备中形成应用。本项目研究和提出了一种由像素型纳米光栅组成的衍射型光场调制器，通过像素型纳米光栅构建空间光场方向信息，结合LCD面板提供的空间光场图像信息，能够形成高精度、高自由度、会聚式的3D光场的构建。项目研究了纳米光栅结构对光的方向性调控机制，完成了3D光场中视觉信息的构建和图像信息的编码，建立了3D光场的构建算法，完成了高品质3D光场显示系统的整体性优化设计方案。最后，基于紫外连续变频光刻系统，制备了6-32英寸衍射型光场调制器，并结合LCD显示面板，搭建完成了16个会聚视点的彩色3D光场显示系统，得到了50°视场角的真彩色3D显示效果，且3D图像视差连续、无鬼影。此外，为了解决3D显示中的辐辏调节矛盾和平行光源等问题，本项目结合超多视点理论，通过纳米光栅结构的高精度调制，实现了点光源照明条件下的超多视点3D光场显示效果，进一步解决了3D显示中的视觉疲劳问题。该项目研究有助于加速高品质3D显示技术走向市场应用的进程，推动国内3D光场显示技术产业的稳步发展。