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在经典的全息投影系统中,借助空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)对入射光波进行调制,仅在傅里叶透镜的焦平面形成清晰的重构图像。硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCoS)—作为SLM的一种,具有高像素填充率、尺寸小以及衍射效率高等优点。需要指出的是,上述全息投影系统中,当重构平面远离聚焦平面时,全息重构图像会变得越来越模糊,为了扩大全息投影系统重构图像在光场传播方向上的显示范围,许多研究者开展了多平面全息投影的研究工作。尝试了利用不同传播距离的菲涅耳相位全息图或可编程的菲涅耳相位透镜以得到多平面清晰的重建图像。但是上述方法需要调整可编程菲涅耳透镜的焦距或单独计算出相应的菲涅耳相位全息图,影响了系统的可扩展性。为了解决上述问题,本文尝试充分挖掘SLM自身具有的基于像素的可编程相位调制特性,灵活地编码实现大焦深特性衍射光学元件(Diffractive Optical Element,DOE),通过与相位全息图结合共同调制入射光场。论文的主要研究工作及创新点总结如下:1)将轴锥镜的大焦深特性应用于全息投影,在沿着光场传播方向一段范围内均形成比较清晰的全息再现像。首先,利用迭代傅里叶算法生成相位全息图。通过在相位全息图上叠加轴锥镜相位形成新的相位分布,加载至纯相位调制的LCoS上,建立基于轴锥镜的全息投影系统。利用LCoS的可编程性,可以设置不同的轴锥镜参数。以准直后的激光为光源入射LCoS,沿着光场传播方向观测距离焦平面不同位置处的全息再现像。实验结果表明,与基于菲涅尔透镜的全息投影系统相比,通过设定轴锥镜的起始焦距和焦深等参数,可以在一段范围内的连续平面上观察到较为清晰的全息再现像。2)采用LCoS可以实现动态地加载纯相位全息图,然而,由于受到空间带宽积的限制,对于设计具有较小像素特征尺寸的衍射元件存在困难。因此在本文中,进一步使用激光直写系统来制备所需的衍射相位元件(Diffraction Phase Element,DPE)。首先,利用计算机将轴锥镜的相位分布进行相位压缩处理得到衍射轴锥镜,在模拟实验中将生成的相位全息图与衍射轴锥镜的相位分布进行叠加,形成新的相位分布进而观察沿光轴传播方向的菲涅尔衍射再现象的相对强度分布。然后,利用激光直写光刻技术在光刻胶基板上曝光形成所需DPE,在光刻胶中实现了有限的量化相位(台阶数m=2,m=4)。通过对比实验,分别观察了在相位全息图上叠加衍射轴锥镜相位和衍射菲涅耳透镜相位后的重建图像。实验结果表明,在全息投影系统中使用制备的DPE可以在一段范围内的连续平面上同时观察到近似清晰的全息图像。由于激光直写系统可以通过控制曝光量在光刻胶表面制作出所需的光刻结构,并且该系统结构简单,运行稳定,进一步简化了全息投影系统。