Full-color holographic near-eye displays
Göze yakın yerleştirilen tam renkli holografik ekranlar
- Tez No: 667697
- Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN ÜREY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 124
Özet
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.
Özet (Çeviri)
Near-eye displays (NEDs) for augmented reality (AR) applications are expected to be the next computing paradigm. NEDs offer to combine computer-generated visuals with our physical world in a seamless fashion. Depth cues and natural blurring of images are all critical for a comfortable 3D experience with near-eye displays. Holography for NEDs is a commonly accepted strong candidate in meeting the human visual system's demands by offering natural depth cues. Holographic near-eye displays (HNEDs) deliver virtual images using computer-generated holograms (CGHs) displayed on spatial light modulators (SLMs). Holographic displays allow for a vast range of optical architectures that are not possible with conventional microdisplay-based designs. However, due to the current technological limitations of SLMs, most existing HNEDs have a limited field of view (FOV) and viewing region around the eye pupil (i.e., eyebox size). However, improving SLMs have a positive impact on improving FOV and eyebox size in HNED design. In this thesis, we propose various solutions for overcoming the current technological limitations of SLMs and HNEDs. We start by offering a paraxial matrix optics-based analysis of a conventional HNED design to formulate the relation between eyebox, FOV, and SLM characteristics. We developed a CGH computation procedure that applies to arbitrary paraxial optical architectures, where the SLM illumination beam can be collimated, converging, or diverging. The virtual or real SLM image as seen by the eyebox plane may form at an arbitrary location. Using this approach, we designed full-color HNEDs with varying FOV and resolution characteristics and proper depth control. We demonstrated a lensless HNED architecture with diverging beam illumination, which provides 3D images within a wide FOV (70°) at retinal resolution (30 cycles-per-degree), exceeding 4,000 resolvable pixels on a line. The experiments using binary holograms imprinted on masks prove that the proposed CGH computation procedure eliminates chromatic aberrations and speckle noise observed in all other laser-based displays. We also designed two systems with 10° and 20° FOV using dynamic SLM. While the first design has a uniform resolution, the second design demonstrates a foveated display, which has gradually degrading resolution across the FOV. To further explore HNED architectures, we analyzed the light source coherence requirements and investigated HNED designs utilizing light-emitting diodes (LEDs). While laser light sources have the highest degree of spatial and temporal coherence, lasers' usage in direct contact with a human may cause health hazards. We show that under certain design restrictions, it is possible to utilize LEDs instead of lasers and get better quality holographic images. We analyzed the effect of LED emission areas on image resolution, quality, and depth perception. Lastly, we designed micro-mirror array (MMA) based thin components and demonstrated that those could be used as off-axis thin lenses in AR displays to reduce size and volume.
Benzer Tezler
- Pinhole imaging based solutions for stereoscopic 3D and head worn displays
İğne deliği görüntüleme temelli stereoskopik 3B ve başa takılan göstergeler için çözümler
AMIRHOSSEIN GHANBARI NIAKI
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Mühendislik BilimleriKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ÜREY
- Derin öğrenme tabanlı yöntemlerle düşük ışıklı görüntü iyileştirme
Low light image enhancement with deep learning based methods
EMİN CİHANGİR US
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ENDER METE EKŞİOĞLU
- Bir dizel motor pistonunun katı modelleme ve simülasyonu
Solid modelling and simulation of a diesel motor piston
SÜLEYMAN GÖKOĞLU
- Bazı kuşburnu (Rosa sp.) türlerinde optimal hasat zamanının ve fitokimyasal değişimlerin belirlenmesi
Determination of optimal harvesting date and phytochemical changes in some rosa species (Rosa sp.)
ÜMİT DÖLEK
Doktora
Türkçe
2013
ZiraatGaziosmanpaşa ÜniversitesiBahçe Bitkileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET GÜNEŞ
- Sayısal fotoğrafta renk yönetimi
Color management in digital photography
NURETTİN SARI
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Güzel SanatlarMimar Sinan Güzel Sanatlar ÜniversitesiFotoğraf Ana Sanat Dalı
PROF. ÇETİN ERGAND