Zero-order diffraction suppression in phase-only holographic Augmented Reality (AR) near-eye displays

Augmented Reality (AR) near-eye displays aim to overlay digital content onto the real world, yet current technologies still face the vergence--accommodation conflict (VAC), limited outdoor readability, and bulky form factors. Holographic near-eye displays based on phase-only spatial light modulators (SLMs) offer a physically grounded route to light-field reconstruction, providing natural focus cues and mitigating VAC. This thesis investigates phase-only computer-generated holography (CGH) as an enabling technology for compact, high-performance AR eyewear. After reviewing system-level requirements for optical see-through AR glasses and the main CGH algorithmic families, a novel wireframe holography method is introduced. The approach represents 3D scenes as line segments using astigmatic phase profiles, producing smooth, low-speckle edges at substantially lower computational cost than dense point clouds---well suited to common AR overlays such as annotations, contours, and wireframe interfaces. A major limitation of pixelated phase-only SLMs is persistent zero-order diffraction (ZOD) from unmodulated light in inter-pixel gaps, which degrades contrast and hinders compact integration. The core contribution of this work is a camera-in-the-loop interferometric technique that suppresses ZOD directly at the hologram level. By synthesizing a corrective beam that destructively interferes with the residual zero-order field, the method achieves $\approx 99\%$ suppression of the central spot without sacrificing field of view, eyebox, or hologram quality, and without Fourier-plane filtering optics. The calibration is performed once per wavelength, enabling time-multiplexed full-color operation. Experimental validation in monochromatic and multi-plane configurations demonstrates artifact-free reconstructions under ambient illumination, supporting the approach for future waveguide-integrated holographic AR engines.

Gli occhiali per la Realtà Aumentata (AR) mirano a sovrapporre contenuti digitali al mondo reale in modo naturale e confortevole. Tuttavia, molte soluzioni attuali soffrono ancora del conflitto vergenza--accomodazione (VAC), risultano poco leggibili in esterno e richiedono ottiche ingombranti. I display olografici near-eye basati su modulatori spaziali di luce (SLM) a sola fase rappresentano una via promettente perch\'e ricostruiscono campi luminosi fisicamente coerenti, fornendo indizi di messa a fuoco realistici e riducendo il VAC. Questa tesi studia l'olografia computazionale a sola fase (computer-generated holography, CGH) come tecnologia abilitante per occhiali AR compatti e ad alte prestazioni. Dopo aver discusso i requisiti di sistema dei display optical see-through e le principali classi di algoritmi CGH, viene introdotto un nuovo metodo di olografia \emph{wireframe}. Le scene 3D sono rappresentate come insiemi di segmenti, modellati con profili di fase astigmatici: in questo modo si ottengono contorni continui e con speckle ridotto, con un costo computazionale molto inferiore rispetto a rappresentazioni basate su nuvole di punti dense. L'approccio \`e particolarmente adatto a contenuti tipici dell'AR, come annotazioni, contorni e interfacce grafiche essenziali. Un limite rilevante degli SLM pixelati a sola fase \`e la diffrazione di ordine zero (ZOD), dovuta alla luce non modulata negli spazi tra i pixel: essa riduce il contrasto e complica l'integrazione in sistemi compatti. Il contributo principale di questo lavoro \`e una tecnica interferometrica \emph{camera-in-the-loop} che sopprime la ZOD direttamente a livello di ologramma. Il metodo sintetizza un fascio correttivo che interferisce distruttivamente con il campo residuo di ordine zero e ottiene una soppressione del punto centrale di circa $\approx 99\%$, senza penalizzare campo visivo, eyebox o qualità di ricostruzione e senza richiedere ottiche di filtraggio nel piano di Fourier. La calibrazione \`e eseguita una sola volta per ciascuna lunghezza d'onda, consentendo in prospettiva il funzionamento a colori tramite multiplexing temporale. La validazione sperimentale, in configurazioni monocromatiche e multi-piano, mostra ricostruzioni prive di artefatti anche in presenza di illuminazione ambientale, indicando la fattibilità dell'approccio per futuri motori AR olografici integrati in guide d'onda.