CN105278026B - 一种超材料体感全息元件及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超材料体感全息元件及其设计方法，该体感全息元件包括衬底，衬底的工作面上刻蚀有周期性排列的硅纳米砖阵列单元，硅纳米砖阵列单元中硅纳米砖的尺寸相同，硅纳米砖的朝向角φ(x,y)＝θ(x,y)/2，θ(x,y)为该硅纳米砖所对应像素点(x,y)的位相；x和y方向上的相邻硅纳米砖的中心间隔相同。本发明可对入射光实现连续的位相调制，工艺简单，具有性能优越、稳定性高、可靠性好、易于制造等突出特点。

Description

一种超材料体感全息元件及其设计方法

技术领域

本发明属于微纳光学及光学全息技术领域，尤其涉及一种超材料体感全息元件及其设计方法。

背景技术

体感技术是近几年流行的一项主动式人体动作识别技术，其利用光学相机，配合图像处理算法，能快速识别出人体运动的各项特征，是可应用于体感游戏、人机互动、视频监控、智能感知等领域的重要科学技术。体感技术中的图像不是单纯的场景图像，而是利用了全息技术，将一束准直激光照射全息元件，然后在人体上形成随机光点阵列，图像处理算法对图像中人体动作的识别，其实是对随机光点的辨认，由此可见全息元件在体感技术中发挥着关键作用。

目前，体感全息元件的实现方法是在透明的介质基底材料上刻蚀不同深度的浮雕结构，利用深度不同来控制入射光的位相，以实现全息投影。当前，只具有一个深度值的二元台阶结构最常被使用，其制造工艺、复制技术也相对简单；但因为只有0和π的二种简单的位相调节功能，其图像信噪比(SNR)很难得到提升，因此给后续的窄带滤波、图像处理等造成极大的压力。多台阶结构的全息元件(4、8、16台阶最常见)虽然可以缓解这一难题，但是以工艺复杂性(需要多步套刻工艺、或者复杂的电子束直写工艺)为代价；且对于这种复杂的多台阶结构，一方面制造误差会降低性能，另一方面也给器件的复制造成不小的麻烦。随着近年来体感技术要求的不断提升，体感的视场角要求越来越大、工作距离范围越来越广，使得这一问题更加突出，亟待技术解决方案。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种高信噪比、高均匀性、高效率且工艺简单的超材料体感全息元件及其设计方法，采用该超材料体感全息元件可实现连续的位相调节。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种超材料体感全息元件，包括衬底，衬底的工作面上刻蚀有周期性排列的硅纳米砖阵列单元，硅纳米砖阵列单元中硅纳米砖的尺寸相同，硅纳米砖的朝向角φ(x,y)＝θ(x,y)/2，θ(x,y)为该硅纳米砖所对应像素点(x,y)的位相；x和y方向上的相邻硅纳米砖的中心间隔相同；其中，朝向角即半波片快轴与x方向的夹角；x和y方向即工作面坐标系xoy的x轴和y轴方向。

作为优选，衬底为熔融石英玻璃衬底。

作为优选，硅纳米砖为非晶硅纳米砖。

上述硅纳米砖的长、宽、高均为亚波长尺度。

本发明体感全息元件的工作波长为远红外波段波长，即工作波长为1460nm～1625nm。

为消除硅纳米砖对入射光的偏振相关性，本发明体感全息元件所涉及的随机光点全息图案必须满足旋转对称，即构建随机光点全息图案的平面坐标系x'oy'，随机光点(x',y')和(-x',-y')的光强值相等。

硅纳米砖的刻蚀可采用标准光刻工艺实现，具体工艺包括：

(1)衬底镀硅薄膜层；(2)硅薄膜层涂镀光刻胶；(3)采用电子束直写或光刻机曝光光刻胶；(4)显影；(5)离子刻蚀，获得硅纳米砖。

上述超材料体感全息元件的设计方法，包括：

S1确定工作波长、张角设计值和像素大小，生成旋转对称的随机光点全息图案；

S2根据工作波长，考虑应用需求，确定衬底和硅纳米砖材料；

S3硅纳米砖阵列单元的结构参数优化：

采用电磁仿真法，在工作波长下，以左旋圆偏光或右旋圆偏光垂直入射工作面，以交叉偏振转化效率最高、同向偏振转化效率最低为优化目标，扫描硅纳米砖的长度、宽度、高度和中心间隔，获得优化的长度、宽度、高度和中心间隔；

S4结合步骤S3优化的结构参数和奈奎斯特采样定律计算最大张角θ_max，若最大张角θ_max不小于张角设计值，执行S5；否则，调整张角设计值使其小于最大张角θ_max；

S5体感全息元件的结构参数优化：

依据d_x＝Mλ₀/[2tan(θ_x/2)]和d_y＝Nλ₀/[2tan(θ_y/2)]计算体感全息元件在x和y方向的周期d_x、d_y，根据周期d_x、d_y和中心间隔得硅纳米砖阵列单元x和y方向的硅纳米砖数；θ_x和θ_y分别为x和y方向的张角设计值；M×N为总像素数；λ₀为工作波长；

S6硅纳米砖阵列单元的位相分布优化：

根据应用需求选择优化指标，采用位相分布优化法获得各硅纳米砖所对应像素点的位相，像素点位相的一半即对应硅纳米砖的朝向角；

S7确定硅纳米砖阵列单元数量，使得体感全息元件能包络入射光斑；

上述x和y方向即工作面坐标系xoy的x轴和y轴方向。

步骤S6中，所述的优化指标为衍射效率、信噪比、均匀性中的一种或多种。

本发明超材料体感全息元件涉及如下三个技术原理：

(1)位相调节原理。

硅纳米砖工作时可等效为半波片，其朝向角φ即半波片快轴与工作面坐标系xoy的x方向的夹角。以琼斯矩阵计算，入射的左旋圆偏光和右旋圆偏光的琼斯矢量分别为其中i表示虚部。已知半波片的琼斯矩阵为那么经硅纳米砖出射后的光矢量可表示为：

从式(1)可以看出，出射光经硅纳米砖后，出射光旋向相反，但同时经历了2φ的位相延迟。因此通过调整硅纳米砖朝向角φ大小，即可调节和控制出射光的位相。

(2)高转化效率。

高转化效率指如何让入射的圆偏光尽可能的转化为具有位相延迟的反向圆偏光。本发明可实现高转化效率的奥秘在于，硅纳米砖与衬底的材料不同，因此局域在硅纳米砖中的局域电磁波模式将在硅纳米砖上下表面形成驻波腔效应，当优化使得满足驻波增强条件时，透射率将达到极大值，从而实现较高的转化效率。

(3)偏振不敏感。

实现位相调制的光束必须是圆偏光，因此硅纳米砖对入射光的偏振态敏感。根据前文阐述可知，旋向相反的圆偏光所经历的位相延迟正好反向，导致其所生成的随机光点全息图案具有旋转对称性。因此，如果将随机光点全息图案设计成旋转对称，即使随机光点(x',y')和(-x',-y')的光强值相等，那么无论入射光是左旋圆偏光还是右旋圆偏光，所得随机光点结果都是一样的。依据光学原理，任意偏振态的光束均可分解为两个旋向相反的圆偏光的线性组合，因此通过随机光点全息图案的旋转对称设计，可使得本来对偏振敏感的硅纳米砖变得对入射光的偏振态不再敏感。

和现有技术相比，本发明具有以下优点和积极效果：

(1)对体感全息器件设计原理具有重大突破。

本发明全息元件的每一个像素点中，只需要在工作面上改变硅纳米砖朝向角即可实现0～360°范围的位相调制，可等效于连续位相调制器件；且工艺简单，采用传统二元台阶结构的浮雕体感全息器件的工艺即可。

(2)对加工误差不敏感。

传统体感全息器件的横向和纵向的加工误差对器件性能影响较大，特别是零级光斑对误差十分敏感。而本发明体感全息元件由于位相值仅取决于硅纳米砖的朝向角，因此位相值非常准确，所以对加工误差的容忍度远超过传统体感全息器件。

(3)加工难度低，加工精度高。

由于本发明硅纳米砖与衬底的材料不同，因此在刻蚀工艺中无需担心刻蚀过度问题，即无需担心刻蚀气体会与衬底发生化学反应，从而进一步降低了加工难度、并提高了加工精度。

附图说明

图1是实施例中体感全息元件的硅纳米砖阵列单元结构示意图；

图2是实施例中经优化仿真获得的转化效率图；

图3是实施例中位相分布优化流程图；

图4是实施例优化的单周期位相分布图；

图5是实施例仿真得到的局部随机光点分布图。

图中，1-硅纳米砖，2-衬底。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式进一步说明本发明技术方案及技术效果。

体感全息元件需要将入射光束分成设定图案的离散随机光点阵列，因此需要采用周期结构设计的衍射光学元件，以便生成分开的衍射级次。本发明体感全息元件采用周期排布的结构形式。本实施例中使体感全息元件工作于投射模式。

图1为本实施例中体感全息元件的硅纳米砖阵列单元结构示意图，其中，1表示硅纳米砖，2表示衬底；L为硅纳米砖1的长度，W为硅纳米砖1的宽度，H为硅纳米砖1的高度，C为x和y方向上相邻硅纳米砖中心的间隔，记为中心间隔；φ为硅纳米砖1的朝向角。

本实施例中，选取远红外波段波长λ₀＝1547.5nm为工作波长；要求器件的衍射图案张角为90°×90°；随机光点全息图案由专业工具生成，要满足旋转对称，即随机光点全息图案中随机光点(x',y')和(-x',-y')的光强值相等；像素总数设计为M×N＝1000×1000。

本实施例的设计过程如下：

第一步，确定体感全息元件基本结构。

确定的体感全息元件基本结构见图1。依据工作波长，考虑转化效率和透过率等因素，选择熔融石英玻璃衬底和无定形硅纳米砖。

第二步，依据工作波长，优化硅纳米砖阵列单元的结构参数。

所述的结构参数包括各硅纳米砖的长、宽、高以及中心间隔。本步骤可采用电磁仿真软件平台，如CST Studio、Comsol等仿真完成。仿真时，以左旋圆偏光或右旋圆偏光垂直入射工作面，以入射圆偏光的转化效率为优化对象，扫描硅纳米砖的长度、宽度、高度和中心间隔以期获得优化结构参数。优化目标为交叉偏振转化效率最高、同向偏振转化效率最低，交叉偏振指出射光旋向与入射光旋向相反，同向偏振指出射光旋向与入射光旋向相同。

经优化，得到优化结构参数为：L＝420nm，W＝220nm，H＝830nm，C＝666.7nm。图2是优化仿真获得的转化效率图，从图中可以看出，工作波长λ₀附近同时实现了交叉偏振转化效率最高和同向偏振转化效率最低。以同向偏振转化率低于5％为临界条件，本设计的工作波长将不限于设计值1547.5nm，在1516nm～1605nm范围内均能高效工作，这足以弥补由于激光器个体差异等因素造成的波长漂移影响。

第三步，依据奈奎斯特采样定律，本实施例体感全息元件能输出的最大张角θ_max＝2tan^-1(λ₀/2C)，将上述硅纳米砖阵列单元的优化结构参数代入θ_max＝2tan^-1(λ₀/2C)，得θ_max＝98.5°，大于张角设计值90°，满足要求。

第四步，设计体感全息元件的结构参数。

依据光栅公式d_x＝Mλ₀/[2tan(θ_x/2)]和d_y＝Nλ₀/[2tan(θ_y/2)]计算体感全息元件的周期，θ_x和θ_y分别为x方向和y方向的张角设计值，θ_x＝θ_y＝90°。由此得x方向和y方向的周期d_x＝774.71μm、d_y＝774.71μm。依据m＝d_x/C和n＝d_y/C得单硅纳米砖阵列单元x方向和y方向的硅纳米砖数m＝1162、n＝1162。

第五步，体感全息元件单硅纳米砖阵列单元的位相分布优化。

可采用经典优化法完成，如G-S法、模拟退火法、杨-顾法等。以衍射效率、信噪比、均匀性等为主要优化指标。下面将以G-S法为例说明位相分布优化流程，见图3，步骤依次如下：

(1)预设初始位相和入射光场分布，做正向衍射变换，得输出平面光场分布；

(2)输出平面引入限制条件，所述的限制条件即以期望的光场振幅分布取代原光场振幅分布，同时保持位相不变；做逆向衍射变换，得到输入平面光场分布；

(3)输入平面引入限制条件，所述的限制条件即以给定的光场振幅分布取代原光场振幅分布，同时保持位相不变；做正向衍射变换，得到输出平面光场分布；

(4)重复步骤(3)和(4)，直至所得输出平面光场分布收敛或循环次数达到预设值。

图4为优化获得的连续位相分布图的局部排布，依据仿真程序估算，其衍射效率可达到66.7％，信噪比为139dB，均匀性为0.000117％。此性能远远超越传统基于刻蚀深度调制的体感全息元件。

第六步，以第五步优化的硅纳米砖阵列单元位相分布，构造硅纳米砖阵列单元中各硅纳米砖的朝向角。

硅纳米砖阵列单元数量取决于入射光斑大小，要求能包络入射光斑以避免能量损失。图5是仿真得到的局部随机光点分布图。

通过上述设计方法优化硅纳米砖的朝向角，可实现将入射激光整形为所需的远场观测随机光点，从而为体感识别提供必要的主动式照明图案。

Claims (2)

1.一种超材料体感全息元件，包括衬底，其特征在于：

衬底的工作面上刻蚀有周期性排列的硅纳米砖阵列单元，硅纳米砖阵列单元中硅纳米砖的尺寸相同，硅纳米砖的朝向角φ(x,y)＝θ(x,y)/2，θ(x,y)为该硅纳米砖所对应像素点(x,y)的位相；x和y方向上的相邻硅纳米砖的中心间隔相同；其中，朝向角即半波片快轴与x方向的夹角；x和y方向即工作面坐标系xoy的x轴和y轴方向；

所述的衬底为熔融石英玻璃衬底；

所述的硅纳米砖为非晶硅纳米砖；

所述的硅纳米砖的长、宽、高均为亚波长尺度；

超材料体感全息元件采用如下方法设计：

S1确定工作波长、张角设计值和像素大小，生成旋转对称的随机光点全息图案；

S2根据工作波长，考虑应用需求，确定衬底和硅纳米砖材料；

S3硅纳米砖阵列单元的结构参数优化：

采用电磁仿真法，在工作波长下，以左旋圆偏光或右旋圆偏光垂直入射工作面，以交叉偏振转化效率最高、同向偏振转化效率最低为优化目标，扫描硅纳米砖的长度、宽度、高度和中心间隔，获得优化的长度、宽度、高度和中心间隔；

S4结合步骤S3优化的结构参数和奈奎斯特采样定律计算最大张角θ_max，若最大张角θ_max不小于张角设计值，执行S5；否则，调整张角设计值使其小于最大张角θ_max；

S5体感全息元件的结构参数优化：

依据d_x＝Mλ₀/[2tan(θ_x/2)]和d_y＝Nλ₀/[2tan(θ_y/2)]计算体感全息元件在x和y方向的周期d_x、d_y，根据周期d_x、d_y和中心间隔得硅纳米砖阵列单元x和y方向的硅纳米砖数；θ_x和θ_y分别为x和y方向的张角设计值；M×N为总像素数；λ₀为工作波长；

S6硅纳米砖阵列单元的位相分布优化：

根据应用需求选择优化指标，采用位相分布优化法获得各硅纳米砖所对应像素点的位相，像素点位相的一半即对应硅纳米砖的朝向角；

S7确定硅纳米砖阵列单元数量，使得体感全息元件能包络入射光斑；

上述x和y方向即工作面坐标系xoy的x轴和y轴方向。

2.权利要求1所述的超材料体感全息元件，其特征在于：

步骤S6中，所述的优化指标为衍射效率、信噪比、均匀性中的一种或多种。