Göze yakın yerleştirilen tam renkli holografik ekranlar

Artırılmış gerçeklik (AR) teknolojisi, sürükleyici teknolojilerin bir sonraki dalgası olmak için merkezi bir rol üstlenmektedir. Başa takılan ekranlar (HWD), bilgisayar tarafından oluşturulmuş bilgiyi fiziksel dünya ile sorunsuz bir şekilde harmanlayabilme kapasitesi sayesinde AR ekranlarının gelişimi için harika bir adaydır. İmajların derinlik bulguları ve doğal bulanıklık etkileri, göze yakın yerleştirilen ekranlarda konforlu bir 3 boyutlu deneyim için önemli bir rol oynamaktadır. Hesaplamalı holografik ekranlar, doğal derinlik bulgularını ve görsel konforu sağlayan tek çözümdür. Göze yakın yerleştirilen holografik ekranlar (HNED); bilgisayarda oluşturulmuş hologramları (CGH), uzaysal ışık modülatörü (SLM) üzerinde göstererek sanal imajları kullanıcıya ulaştırır. Holografik ekranlar; geleneksel mikro ekranlar merkezli tasarımların yeterli olmadığı yerde çok geniş çaplı optik mimari seçeneklerini uygulanabilir kılmaktadır. Fakat; mevcut HNED tasarımları, SLM aygıtlarının teknolojik limitlerinden dolayı kısıtlı bir görüş alanı (FOV) ve göz bebeği çevresindeki küçük bir görüntüleme bölgesine (göz kutusu bölgesi) sahiptir. Bu tezde; SLM ve HNED aygıtlarının mevcut teknolojik limitlerinin üstesinden gelecek çeşitli çözümler sunulmaktadır. İlk olarak, HNED aygıtlarının paraksiyal ABCD matris optik merkezli analizlerini gerçekleştirdik ve HNED mimarilerinin FOV ve göz kutusu bölgesini hesaplayacak formülleri geliştirdik. Bu sayede, paraksiyal optik mimarilere uygulanabilir bir CGH hesaplama prosedürü geliştirdik. Bu prosedürde; SLM aydınlatması (yakınsayan veya uzaksayan) paralel hale getirilebilir ve göz kutusu düzleminde görüntülenen SLM imajı istenilen pozisyonda oluşturulabilir, bu görüntü gerçek veya sanal olabilir. Bu yaklaşımı kullanarak; çeşitli FOV ve çözünürlük karakteristiklerine sahip, gerçek derinlik kontrolü olan ve tüm renkleri gösterebilen bir HNED tasarladık. Bu tez kapsamında, 3 boyutlu imajları geniş FOV (70°), yüksek retinal çözünürlük (her derece için 30 döngü), bir çizgi üzerinde 4000 çözülebilir pikseli aşan, uzaksayan ışınlar ile aydınlatılan, lenssiz bir HNED mimarisi sunduk. Maskeler üzerine basılmış ikili hologramlar kullanılan deneylerimiz; CGH hesaplama prosedürünün, lazer tabanlı diğer ekranlarda görülen kromatik bozuklukları ve benek gürültüsünü ortadan kaldırdığını kanıtlamaktadır. Ayrıca 10° ve 20° FOV özelliklerine sahip, dinamik SLM kullanan iki farklı sistem tasarladık. Birinci sistem tekdüze çözünürlük sağlarken; ikinci sistem ise FOV bölgesi dahilinde aşamalı olarak çözünürlüğü azalan bir sistem sunmaktadır. HNED mimarileri konusundaki keşiflerimizi bir adım daha öteye taşımak için; ışık kaynağı tutarlılığı gereksinimlerini analiz ettik ve ışık yayan diyotlardan (LED) faydalanan HNED tasarımlarını inceledik. Lazer ışık kaynakları en yüksek derecede mekânsal ve zamansal tutarlılık sağlamasına rağmen; pahalıdır ve benek gibi istenmeyen yapılara eğilimlidir. Lazer yerine, bazı tasarım kısıtlamaları koşulları ile LED aygıtlarından faydalanılabileceğini ve daha yüksek kaliteli holografik imajlar elde edilebileceğini gösterdik. LED emisyonlarının imaj çözünürlüğü, kalite, derinlik algısı üzerindeki etkilerini analiz ettik. Son olarak, mikro ayna dizisi (MMA) tabanlı ince bileşenler tasarladık ve bunların AR ekranlarda boyutu ve hacmi düşürmek için eksen dışı ince lensler olarak kullanılabileceğini gösterdik.