增强现实技术是元宇宙重要的人机交互平台，其中光学成像部件和微显示屏是成像质量的关键。目前有5种微显示器件：硅基液晶、硅基OLED、硅基micro LED、digital light processing（DLP）、激光扫描振镜。将着重介绍不同微显示屏的组成结构、工艺流程、硅基驱动方式、发展现状及面临的挑战。在硅基驱动部分，将从像素驱动的不同电路和不同驱动电路的优缺点入手，分析不同显示技术在硅基部分的设计和指标挑战。对目前不同技术所能达到的指标进行汇总比较。讨论硅基背板的设计关注点和发展趋势。最后，对不同微显示芯片的应用场景和发展进行讨论。

为实现光具座上各种光学测量的自动化和数字化, 将硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon, LCOS)微显示器作为目标发生器, 加入到光具座测量系统, 取代传统的分划板, 并以CMOS相机作为图像接收器, 构建了数字光具座光学测量系统, 提高了系统的灵活性和适应性。针对数字光具座系统的特点, 研究了数字图像目标的自动生成方法; 基于数字相关原理, 运用正弦分布的周期目标, 研究了数字图像目标的高精度自动提取算法, 实验数据表明该方法的重复性误差为8×10-5。采用数字拟合求周期的方式, 研究小视场光学系统的焦距测量, 实验结果表明, 该方法相对误差为0.24%, 可用于小视场光学系统焦距测量。

现代光纤通信网络使用波分复用技术极大地提升了网络传输容量。基于硅基液晶技术的波长选择开关使光纤网络运营商在网络节点处可以灵活地调度各个波长信道, 让光纤通信网络在波长级具有可重构性, 大幅降低了网络的传输和运营成本。因此, 波长选择开关已经成为现代光纤通信网络的核心组件。本文回顾了波长选择开关的发展历程, 重点介绍了其在光纤通信网络中扮演的角色, 阐述了硅基液晶器件各项特性对波长选择开关关键技术指标的影响和改进方法。本文从器件、系统和网络等方面对硅基液晶技术在通信系统中的应用进行了系统的综述, 旨在让广大读者对硅基液晶器件和可重构光纤通信网络有比较全面的了解, 并从一定程度上对该领域的研究发展有所促进。

飞秒激光凭借其超短脉宽和极高峰值功率,在微纳加工中发挥了重要的优势,而飞秒激光的加工效率制约其在工业领域的应用。近年来,研究者成功将空间光调制器应用于飞秒激光加工,实现飞秒激光加工效率和灵活性的进一步提高。本文综述了近年来硅基液晶空间光调制器在飞秒激光加工领域的研究进展,主要包括多焦点并行加工、结构光场并行加工和矢量光场加工,分析了三种方法的优势和不足。并从光场均匀性和衍射效率两个方面,讨论了近年来对光场质量的研究。最后探讨了该领域目前存在的问题,并对未来提出了展望。

针对大口径空间天文望远镜稳像精度测试的难题, 提出了一种高时空分辨率运动导星模拟方案。利用硅基液晶作为运动导星模拟源, 结合光束准直系统为空间天文望远镜提供无穷远运动导星, 并且通过在光路中加入物镜来提高模拟导星的运动分辨率。针对望远镜像面结构的特殊分布, 提出利用多路模拟的方法, 分别为望远镜两侧精密导星仪以及巡天像面提供实时运动导星。最后, 对影响运动导星模拟精度的各项误差进行分析, 进而建立了误差模型。仿真结果表明: 在运动导星模拟精度优于0.5″的概率为95%, 时间分辨率为3 ms的前提下, 动态星图星间角距误差小于0.04″, 单星张角小于0.02″。通过实验验证了导星模拟模型的正确性, 该模型基本满足空间天文望远镜稳像精度测试所需运动导星目标高时空分辨率的要求。

提出了一种使用介电突起消除边缘场效应的硅基液晶显示器 (Liquid Crystal on Silicon, LCoS)。在像素电极之间设计介电突起结构来阻隔相邻像素电极之间的串扰电场, 通过对LCoS的液晶分子指向矢分布和边缘场串扰现象进行仿真, 分析了边缘场效应产生的机理及其影响因素, 并对相应反射率和相位进行了计算和对比。具有介电突起的LCoS相比传统LCoS在减少相邻像素边缘反射率和相位干扰上有明显的效果, 反射率始终维持在96%, 相位差保持不变, 对比度大于35∶1的区域接近60°, 整体视角基本不受影响。所提出的介电突起能够很好地消除横向电场对相邻像素内液晶分子取向的影响, 进而提高了LCoS的对比度, 大大改善了显示效果。

金(Au)亚波长光栅被溅射到经典硅基液晶(LCoS)的ITO电极上,它与薄液晶盒和底层铝电极组成复合共振波导结构,简称GLCoS。与基于液晶传播效应的LCoS截然不同,在GLCoS中,上电极的表面等离激元与光栅槽中的TM-FP (TM-Fabry Pérot)共振耦合,诱导一个0阶反射的相位调制;铝(Al)电极既是反射背板又与Au光栅、薄液晶盒组成波导,使共振耦合得到增强。在操控光波阵面的同时,GLCoS也作为电控器件,施加电压改变液晶的折射率,进而控制开腔FP的边缘介质条件,达到有源0~2π相位调制。实验结果表明,本文结构可用于1 μm量级像素的相位空间光调制器,在高空间带宽积的全息视频显示中具有广阔的应用前景。

本文在分析时分灰度法的基础上, 提出一种子帧周期相等, 并且位权重于电压参数的灰度调制方法, 这种方法可以大幅度降低高分辨率LCOS器件的像素时钟频率, 并消除时分灰度调制方法中潜在的闪烁现象。文中根据n位图像数据的比特位数值, 把每帧分割成n个子帧, 像素的灰度将由按照二进制位权重配置的驱动电压参数调制。

根据LED发光特性以及彩色滤光片式硅基液晶芯片特性, 从成像光学的角度导出了复眼照明系统的基本成像公式.在此基础上由彩色滤光片式硅基液晶芯片目标区域的大小及其对光束入射角以及LED经整形以后的光斑尺寸与发散角的要求, 根据推导的复眼系统的基本成像公式计算彩色滤光片式硅基液晶芯片复眼照明系统的初始结构, 利用复眼照明系统中的多重共轭成像关系, 将复眼成像, 中继透镜成像分别优化, 最后将两者通过孔径与中间像匹配的基本要求进行复眼阵列组合, 设计了基于彩色滤光片式硅基液晶芯片的大照度入射光下的复眼照明系统.该系统以较小的复眼数, 在保证彩色滤光片式硅基液晶芯片照明要求的条件下, 较好地解决了照明系统效率、均匀性与大角度问题.与传统计算方法相比, 该方法简单明了.非成像软件的模拟结果证明该方法准确, 均匀性好, 效率高.实验样机结果验证了本文所提方法的正确性和有效性.

为了降低基于硅基液晶拼接的动态星模拟器背景杂散光, 对传统的光学引擎进行优化, 提出一种多偏振分光棱镜组合方式, 并对其光机结构进行设计.阐述了光学引擎照明系统的设计方案, 讨论了降低视场角、增强均匀性的方法.通过Tracepro对照明光学系统进行仿真, 对照明光源设计方案的可行性进行了验证.实验结果表明: 优化后的动态星模拟器杂散光辐照度降低了2.93倍.优化后的光学引擎有效地抑制了背景杂散光, 并且增强了两片反射式硅基液晶对比度的一致性.