几何相位液晶透镜及其在增强现实显示中的应用

批准号：

62075127

项目类别：

面上项目

资助金额：

59.0 万元

负责人：

李燕

依托单位：

上海交通大学

学科分类：

光学信息获取、显示与处理

结题年份：

2024

批准年份：

2020

项目状态：

已结题

项目参与者：

李燕

关键词：

增强现实液晶三维显示快速响应几何相位

项目摘要

结项摘要

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中文摘要

增强现实（AR）可能成为下一代人机交互平台。然而大多数AR系统用伪三维显示技术，导致立体视觉疲劳，成为限制其大规模应用的重要瓶颈之一。多平面AR显示是解决立体视觉疲劳问题的有效方法。为实现连续景深、视频刷新率的多平面AR显示，迫切需要研发快速响应、体积小、重量轻的变焦透镜。本项目拟研究几何相位(GP)液晶变焦透镜及其在多平面AR显示中的应用。该变焦透镜通过组合切换N个GP液晶透镜元件，可产生2的N次方个不同焦距，在增强现实显示中生成不同深度的像并重构三维物体。本项目将紧紧围绕其中的关键科学问题，从机理上完善GP液晶元件的响应特性模型，研究实现自由相位分布GP液晶元件的光配向方法，探索实现具有高像质、快速响应的GP液晶变焦透镜的理论和方法，最终实现多平面AR显示系统演示。该GP液晶变焦透镜具有响应速度快、焦距多、成像好、轻薄等优点，有望实现深度连续、高像质、小型化的无立体视觉疲劳AR显示。

英文摘要

Augmented reality (AR) is likely to become the next generation human-machine interface. However, in most AR systems today, the stereoscopic three dimensional (3D) display method causes severe visual fatigue, which limits the widespread applications of AR. Multi-plane AR display is an effective method to overcome the abovementioned visual fatigue problem. To realize a multi-plane AR display with continuous depth and video-rate refresh rate, there is a strong demand to develop vari-focus lenses with fast response, small form factor and light weight. In the project, we would study a geometry-phase liquid crystal (GPLC) vari-focus lens and its application in multi-plane augmented reality display. The vari-focus lens can achieve the Nth power of 2 different focal lengths by controlling N GPLC lens elements. Applying the vari-focus lens in an augmented reality display, different image planes could be rendered and 3D images reconstructed. To solve the key scientific problems in the project, we would further establish the physical model of response time in GPLC elements, study the photo-alignment method that enables free phase design for GPLC elements, explore the theory and method for realizing fast-response and high-imaging-quality GPLC vari-focus lens, and finally demonstrate the multi-plane AR display system. The GPLC vari-focus lens offers fast response, multiple focal lengths, good imaging capability as well as being thin and light. Based on that, we could achieve a visual-fatigue-free AR display with continuous depth rendering, high image quality and a small form factor.

近年来，增强现实（AR）技术的涌现，给人们提供了全新的视觉体验，有着比虚拟现实（VR）技术更加丰富沉浸的体验感，可应用于教育、军事训练、医疗等诸多领域。然而，目前大多数AR产品采用的是双目视差的伪三维显示技术，其产生的辐辏矛盾阻碍了AR技术大规模的应用与普及。申请人着手于真三维显示技术中的多平面显示技术的研究。相比于其他真三维显示技术，多平面显示技术可以充分利用成熟的二维显示技术，再配合深度融合技术，即可利用较少的几个离散深度实现连续深度变化。目前大多数使用变焦透镜来实现，但由于采用的变焦透镜响应速度较慢，无法同时实现多个深度，成为限制该技术发展的主要原因之一。几何相位（GP）液晶元件的轻薄、高衍射效率、偏振选择性和电可控等特点，使它们在增强现实显示等诸多领域中展示出较大潜力。因此，申请人等研究快速响应GP液晶透镜，以满足多平面增强现实显示的需求。申请人等系统地优化了制备GP液晶器件的曝光条件、曝光光路，优化了GP液晶器件的响应速度、效率上的波长选择性以及色差等问题。申请人等采用的单步曝光光路可通过调整加载在空间光调制器上的灰阶图实现任意分布的线偏振光场，由此可实现更多更复杂相位分布的GP液晶器件的制备。此外，申请人等提出的聚合物稳定快速响应GP液晶器件的响应速度相比于传统的GP液晶器件提升了30倍，这为实现更多平面的增强现实显示系统提供了可能。进一步，申请人等提出利用多层扭曲结构优化了GP液晶器件的衍射效率，使其入射波长在可见光范围内有着较高的衍射效率，极大的增加了光的利用率，减少了系统中的鬼影；通过优化相位分布以及器件结构参数减小了GP液晶器件的色差，为其之后在彩色显示领域的广泛应用提供了可能性。最后，申请人等利用GP液晶变焦透镜搭建了多平面增强现实显示系统，响应时间<5 ms，景深范围从500 mm到2 m，深度平面个数≥4。