彩色全息波导显示通常采用复杂的多层光栅耦合或多层波导组合的结构, 导致系统的重量和体积较大。针对该问题, 提出了一种单片式、单层光栅双色全息波导显示构型, 该构型采用三组光栅实现光线的输入、输出及出瞳的二维扩展, 并通过严格耦合波理论(RCWA）对光栅槽型和光栅膜系进行了优化设计, 使该构型在较大视场范围内实现对红、绿两种色光较好的均匀显示。

全息波导元件的设计通常会分解为光栅设计和波导设计, 这种设计过程并不直观, 且不适用于加工误差分析。为了解决上述问题, 提出一种全息波导元件的综合分析方法, 以二维出瞳拓展的全息波导显示系统为例, 针对波导上下表面不平行度、光栅结构参数进行误差分析, 以便了解上述误差对成像质量的影响。通过对模型参数的误差分析, 对实际的生产加工过程提出有意义的精度指导。

全息波导显示系统中输出光栅的衍射效率、位置和长度对整个显示系统的光强输出均匀性及能量利用率有重要的影响.通常输出光强均匀性由输出光栅的衍射效率决定, 能量利用率受多重光栅的位置和长度影响.本文以中心视场光束的输出光强均匀为目的, 对相应输出光栅衍射效率的位置分布进行优化与曲线拟合, 得到输出光栅衍射效率随输出位置连续递增的分布曲线, 并应用到所有视场光束.计算结果表明, 相比于传统阶梯状衍射效率分布输出光栅, 全息波导显示系统中采用具有连续衍射效率分布输出光栅时的光强输出均匀性得到明显提升.针对部分衍射光束未能进入出瞳的现象, 提出错位优化法, 按照出瞳大小和使用距离优化各重输出光栅的位置和尺寸, 减小了光栅的无效衍射区域, 提高了出瞳范围内的能量利用率.

为了减小体全息光栅用于全息波导显示时不同视场角下衍射光谱的偏移,提出选择最佳的光栅矢量倾斜角和像源光轴相对于体全息光栅的倾斜角,可以减小衍射光谱的偏移。为了使全息波导显示系统在给定入射角度范围内具有相同的衍射光谱范围,采用三次曝光记录了一层体全息光栅。仿真结果表明,当像源的光谱范围在524～540 nm之间时,该体全息光栅在入射角度范围－3°～3°内的衍射光谱范围相同,提高了给定入射角度范围内衍射光谱范围的一致性,可以应用于全息波导显示系统中。

提出了一种多平面迭代算法, 通过计算多个平面之间光波的前向和后向传播得到全息面的相位分布的恢复, 并且用各个平面上的目标图像的振幅来限定传播过程中的光强。该方法将三维的光场分布离散化为相干光在多个二维平行平面上的同时调制, 大幅减少了全息计算量。利用纯相位空间光调制器加载计算全息图, 在三个屏幕上依次得到三个不同景深的图像, 对于人眼调焦过程进行了模拟, 实现了多平面真三维显示。系统简单, 对于运算处理与显示器件的要求不高, 易于实现。

通过对集成成像串扰特性研究, 提出亚像素的集成成像微透镜阵列的制作方案。为了获得串扰最小, 莫尔条纹干涉最少的3D成像效果最好的子图透镜排列, 以红绿蓝子像素为视点, 设计了不同尺寸的透镜和子像素排列方式。理论分析了传统微透镜阵列和亚像素微透镜阵列的串扰情况, 证明了亚像素方法的可行性。

提出一种双次棱镜耦合输入全息波导显示系统, 介绍了其工作原理, 设计分析了双次棱镜耦合输入消色差原理, 并对模型做出仿真分析。仿真结果表明, 该系统视场角为24°×20°, 出瞳直径为40 mm, 畸变小于2%, 全视场MTF在30 lp/mm处大于0.7, 满足光学系统的成像要求。

提出了一种基于分数傅里叶变换的多平面成像方法。由空间光调制器给出时序加载全息图的同步信号到外部控制电路，外部控制电路根据时序信号控制聚合物分散液晶屏的开关，使非成像位置的聚合物分散液晶屏为开态，让光通过；使成像位置的屏为关态，接收图像。时序加载不同的全息图，在不同屏上得到了不同的像，利用人眼的视觉暂留效应，实现了多平面全息成像的三维显示。该投影方法可以通过控制光学系统参数和计算全息图时的采样条件调节深度范围，系统简单，易于实现。

目前平行光管视差检测多采用五棱镜法, 由于人工读数存在较大的误差, 提出了一种基于圆形匹配与数据融合的大口径平行光管视差自动检测方法。选用高清相机对大口径平行光管分划板成像, 通过大津法二值化、开运算去滤波、边缘检测、圆形匹配、数据融合等方法得到图像圆心所在位置; 最终给出视差计算结果。视差计算的过程中, 可以实现多点测试, 即可以给出视差变换的曲线, 可以给平行光管的调校带来方便。试验表明自动视差测量装置的检测结果准确, 并具有良好的可重复性。

以Kogelnik 耦合波理论为基础，从理论上分析了反射体全息光栅衍射效率的影响因素，提出了采用多光栅重叠衍射拓展体全息光栅角带宽的方法。针对衍射均匀性的要求，分析了多重光栅重叠衍射的物理过程，给出了相邻光栅拼接时的布拉格角偏移量，得到了多重光栅衍射角带宽随光栅重数和折射率调制度的变化关系。理论计算结果表明，多重光栅衍射角带宽与多重光栅数量和光栅折射率调制度均呈现出线性增加的关系。在合适的折射率调制度下，通过增加光栅数量可显著增加衍射角带宽。