CN105278309B - 一种基于几何超表面的动态全息方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于几何超表面的动态全息方法，属于光学元件、系统及仪器技术领域。在该方法中，光源出射光依次通过起偏器、四分之一波片、几何超表面，最后到达接收屏，所述接收屏尺寸由几何超表面与观察距离决定；几何超表面结构通过MIM模式实现波前相位调制；利用微旋转系统及集成电路对几何超表面进行特定旋转角控制，实现波前的实时调控。本发明所述方法衍射效率高，再现像质清晰，解决了传统动态全息中由于零级光导致衍射效率低下，无法实现快速刷新和大面积显示集成的缺点，具有很好的发展和应用潜力。

Description

一种基于几何超表面的动态全息方法

技术领域

本发明属于光学元件、系统及仪器技术领域，涉及一种基于几何超表面的动态全息方法。

背景技术

全息，自诞生之日起就以其记录信息的完备性而备受关注，它可以很好地对实物进行三维信息记录,并在再现光作用下恢复物体的三维原貌。全息具有诱人的应用前景，在实现动态三维显示方面具有非常大的潜力。传统的动态全息主要分为两类，分别为基于空间光调制器衍射的动态全息和基于特殊材料的动态全息。其中，基于空间光调制器的方法受限于空间光调制器本身，无法实现大尺寸的全息显示，并且由于零级光干扰导致衍射效率低下等问题。而基于材料的全息显示不仅受限于材料的显示尺寸、分辨率、衍射效率等因素，而且很难实现图像的快速刷新。

超表面，一种新兴的微结构，是光学、材料、电磁学等相互交叉渗透的新产物，可通过对其表面结构进行设计以实现各种功能。近年来，将全息与超表面相结合形成超表面全息的新想法被提出。研究表明，超表面全息具有难以比拟的独特优势，不仅可以轻松解决零级光困扰，同时又具有高衍射效率、可大规模集成，以及快速刷新的潜力。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于针对传统动态全息衍射效率低下，难以快速刷新图像以及无法大规模集成的困窘，提供一种基于几何超表面的动态全息新方法，该方法衍射效率高，再现像质清晰，解决了传统动态全息中由于零级光导致衍射效率低下，无法实现快速刷新和大面积显示集成的缺点，具有很好的发展和应用潜力。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于几何超表面的动态全息方法，在该方法中，光源出射光依次通过起偏器、四分之一波片、几何超表面，最后到达接收屏，所述接收屏尺寸由几何超表面与观察距离决定；几何超表面结构通过MIM模式实现波前相位调制；利用微旋转系统及集成电路对几何超表面进行特定旋转角控制，实现波前的实时调控。

进一步，光源经过起偏器出射为线偏光，经过四分之一波片后变为圆偏光并垂直入射至几何超表面；入射光设计为右旋圆偏振光，出射光为左旋圆偏振光。

进一步，所述几何超表面的单元结构为多个小的4层结构矩形单元，从上至下依次为金纳米棒群，氟化美，金和硅基，金纳米棒群所在的柱状结构与圆形旋转结构粘贴在一起，一同转动；四层结构单元上金属纳米棒的转动角度与引入的相位延迟之间主要存在以下关系：

其中φ表示金属纳米棒的旋转角度，表示对入射光波引入的相位延迟；Δ表示纳米金棒之间相互耦合引入的相位延迟，该值与金棒的相互距离密切相关；合理设计每个金棒所在的单元大小，耦合引入的相位延迟可忽略不计。

进一步，若干超表面单元组成一组，组与组中超表面单元排列结构与转动情况皆相同，主要目的是利用完全相同的超表面小组形成达曼光栅，在保持全息像整体尺寸不变的同时增加像素点数，提高成像质量。

进一步，所述微旋转系统由一个个矩形单元拼接而成，其中每一个小的矩形单元又分为两部分，一部分为圆形转动结构，该结构嵌套于每个小矩形内部，另一部分为圆形转动结构以外的部分。

进一步，所述圆形转动结构采用微静电力驱动方式，圆形转动结构可步进，用于实现对置于其上的金纳米棒群进行任意步进角整数倍的旋转；圆形转动结构的转速可通过输入脉冲电压以及频率大小进行控制，脉冲电压越高，频率越快，圆形转动结构转速越快。经过编程的集成电路可通过调节输入脉冲对微旋转系统进行精密控制，从而精密调控几何超表面的位相延迟量，即可通过编程最终实现动态全息

本发明的有益效果在于：本发明所述方法衍射效率高，再现像质清晰，解决了传统动态全息中由于零级光导致衍射效率低下，无法实现快速刷新和大面积显示集成的缺点，具有很好的发展和应用潜力。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为几何超表面实现动态全息的流程图；

图2为几何超表面动态全息示意图；

图3为微旋转单元的俯视图，其中1为偏置端子，2为环形物，3为滑动触点，4为接地端子，5为BDA片，6为支撑梁；

图4为微旋转单元的立体图；

图5为超表面矩形单元的主视图，其中1为金纳米棒群，2为氟化镁层，3为金层，4为硅层；

图6为超表面矩形单元的俯视图；

图7为超表面矩形单元的立体图；

图8为超表面单元与微旋转单元的组合图；

图9为组合单元形成的超表面旋转系统；

图10为超表面旋转系统旋转后的效果图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例：

本发明提供的一种基于几何超表面的动态全息新方法，其实施过程如下：

(1)实施方案由计算机程序控制部分、特定功能的集成电路部分、微旋转系统、几何超表面部分、光源部分以及接收屏组成，如图1。

(2)波长为700nm光源出射光依次经过起偏器和四分之一波片变右旋圆偏振光，并垂直入射在超表面上，出射的左旋圆偏光经由超表面调制后最终投影于接收屏，形成我们所需要的全息图像。计算机控制程序通过集成电路有选择性给予输入脉冲，使微旋转系统转动，如图2。

(3)接收屏为100英寸的电影屏，接收屏像素为1920*1080。几何超表面阵列距接收屏10m，如图2。

(4)微旋转系统由7.8um*3.8um的小矩形单元拼接而成，如图3、图4。每个小的矩形中间为直径3.5um的圆形转动结构。圆形转动结构上金棒群以15*15的形式排列。

(5)圆形转动结构采用微静电力驱动的方式，设计参考BDA(bouncedriveactuator)。其平面图为直径3.5um的圆。圆形转动结构的输入脉冲频率为60kHZ时，其转速为1500r/min，可步进，最终实现对置于其上的金属纳米棒进行任意角度定位。每个超表面单元位于相应的微旋转单元之上，如图8。单元中金属纳米棒所在的柱状结构与圆形旋转结构粘贴在一起，一同转动。

(6)几何超表面具有4层结构，从上至下依次为金纳米棒群，氟化镁层，金层，硅基底。每个金纳米棒所在单元为300nm*300nm，尺寸为200*80*30(长*宽*高)。金棒、氟化镁层以及金层厚度依次为90nm和130nm。几何超表面单元由一个个小矩形组成，每个单元中间为直径3.5um的圆形结构，如图5、6、7。

(7)所有超表面小单元被分为4组，排布及金棒转动方向完全相同的4组超表面以2*2形式排列。主要目的是利用达曼光栅原理在保持图像整体尺寸不变的前提下，增加像素点数，提高成像质量，如图9、10。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种基于几何超表面的动态全息方法，其特征在于：在该方法中，光源出射光依次通过起偏器、四分之一波片、几何超表面，最后到达接收屏，所述接收屏尺寸由几何超表面与观察距离决定；

几何超表面通过MIM模式实现波前相位调制；

利用微旋转系统及集成电路对几何超表面的圆形转动结构进行特定旋转角控制，实现波前的实时调控。

2.根据权利要求1所述的一种基于几何超表面的动态全息方法，其特征在于：光源经过起偏器出射为线偏光，经过四分之一波片后变为圆偏光并垂直入射至几何超表面；入射光设计为右旋圆偏振光，出射光为左旋圆偏振光。

3.根据权利要求2所述的一种基于几何超表面的动态全息方法，其特征在于：所述几何超表面的单元结构为多个小的4层结构矩形单元，从上至下依次为金纳米棒群，氟化镁，金和硅基底，金纳米棒群所在的柱状结构与圆形转动结构粘贴在一起，一同转动；四层结构单元上金纳米棒的转动角度与引入的相位延迟之间主要存在以下关系：

其中φ表示金纳米棒的旋转角度，表示对入射光波引入的相位延迟；Δ表示金纳米棒之间相互耦合引入的相位延迟，Δ值与金纳米棒的相互距离密切相关。

4.根据权利要求3所述的一种基于几何超表面的动态全息方法，其特征在于：若干单元结构组成一组，组与组中单元结构排列结构与转动情况皆相同，主要目的是利用完全相同的超表面小组形成达曼光栅，在保持全息像整体尺寸不变的同时增加像素点数，提高成像质量。

5.根据权利要求3所述的一种基于几何超表面的动态全息方法，其特征在于：所述微旋转系统由一个个矩形单元拼接而成，其中每一个小的矩形单元又分为两部分，一部分为圆形转动结构，该结构嵌套于每个小矩形内部，另一部分为圆形转动结构以外的部分。

6.根据权利要求5所述的一种基于几何超表面的动态全息方法，其特征在于：所述圆形转动结构采用微静电力驱动方式，圆形转动结构可步进，用于实现对置于其上的金纳米棒群进行步进角任意整数倍的旋转；

圆形转动结构的转速可通过输入脉冲电压以及频率大小进行控制，脉冲电压越高，频率越快，圆形转动结构转速越快。