CN111158076B - 一种实现三维显示的叠层超表面及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微纳光学及三维显示技术领域，公开了一种实现三维显示的叠层超表面及其设计方法，叠层超表面包括基底层、第一纳米砖阵列层、隔离层、第二纳米砖阵列层；基底层划分为多个尺寸一致的单元结构，每个单元结构的工作面上设有一个第一纳米砖，一个第二纳米砖与一个第一纳米砖对应设置，隔离层用于将第一纳米砖和第二纳米砖隔离开；圆偏振光入射至基底层，并依次通过第一纳米砖阵列层、隔离层、第二纳米砖阵列层后出射，生成第一目标全息图像和第二目标全息图像。本发明能够同时显示出人眼的左视图和右视图，利用视差效应观察到三维立体显示效果。

Description

一种实现三维显示的叠层超表面及其设计方法

技术领域

本发明涉及微纳光学及三维显示技术领域，尤其涉及一种实现三维显示的叠层超表面及其设计方法。

背景技术

传统显示技术中所展现的均为平面图像，其无法提供和真实物体三维特性一致的信息，沉浸式体验不足。基于此，三维显示技术受到了越来越广泛的重视。

三维显示主要分为空间显示和平面显示两类。空间三维显示技术难度大、成本高、技术复杂、应用局限性较大。平面三维显示技术近年来得到了大力发展，其通常为图像对立体显示技术。尽管分类繁多，不过最基本的原理却是相似的，利用人的左右眼分别接收不同画面，然后大脑经过对图像信息进行叠加重生、构成一个具有前后、上下、左右、远近等立体方向效果的影像。近年来，随着超表面的提出，各种显示技术有望朝着小型化、微型化发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现三维显示的叠层超表面及其设计方法，以同时显示出人眼的左视图和右视图，利用视差效应即可观察到三维立体显示效果。

本申请实施例提供一种实现三维显示的叠层超表面，包括：基底层、第一纳米砖阵列层、隔离层、第二纳米砖阵列层；

所述基底层划分为多个尺寸一致的单元结构，所述第一纳米砖阵列层包括多个尺寸一致的第一纳米砖，所述第二纳米砖阵列层包括多个尺寸一致的第二纳米砖，所述第二纳米砖和所述第一纳米砖的数量相同；每个所述单元结构的工作面上设有一个所述第一纳米砖，一个所述第二纳米砖与一个所述第一纳米砖对应设置，所述隔离层用于将所述第一纳米砖和所述第二纳米砖隔离开；

圆偏振光入射至所述基底层，并依次通过所述第一纳米砖阵列层、所述隔离层、所述第二纳米砖阵列层后出射，生成第一目标全息图像和第二目标全息图像。

优选的，所述单元结构的工作面为正方形，所述第一纳米砖、所述第二纳米砖均为长方体形，所述单元结构、所述第一纳米砖、所述第二纳米砖均为亚波长级；以所述单元结构的两直角边为x轴和y轴；以所述第一纳米砖的长边为第一长轴，以所述第一纳米砖的短边为第一短轴；以所述第二纳米砖的长边为第二长轴，以所述第二纳米砖的短边为第二短轴。

优选的，所述隔离层位于所述基底层和所述第二纳米砖阵列层之间，并包覆所述第一纳米砖阵列层。

优选的，所述隔离层的厚度为入射的所述圆偏振光的半个波长。

优选的，所述基底层和所述隔离层均采用熔融石英玻璃材料制成，所述第一纳米砖和所述第二纳米砖均采用硅材料制成。

优选的，所述第一纳米砖用于实现四分之一波片的功能，所述第二纳米砖用于实现半波片的功能。

优选的，所述第一纳米砖对入射的所述圆偏振光的作用表示为：

式中，θ1为所述第一纳米砖的转向角，所述第一纳米砖的转向角为所述第一长轴与x轴的夹角；

所述圆偏振光经过所述第一纳米砖后得到第一透射光、第二透射光，所述第一透射光、所述第二透射光的能量相等；所述第一透射光的相位调制量为0，所述第二透射光的相位调制量为2θ1。

优选的，所述第二纳米砖对入射的所述第一透射光、所述第二透射光的作用表示为：

式中，θ2为所述第二纳米砖的转向角，所述第二纳米砖的转向角为所述第二长轴与x轴的夹角；

所述第二纳米砖对所述第一透射光的相位调制量为2θ2，所述第二纳米砖对所述第二透射光的相位调制量为-2θ2；

所述第一透射光经过所述第一纳米砖、所述第二纳米砖后的第一相位调制量为2θ2，所述第二透射光经过所述第一纳米砖、所述第二纳米砖后的第二相位调制量为2(θ1-θ2)。

另一方面，本申请实施例提供实现三维显示的叠层超表面的设计方法，包括以下步骤：

以所述单元结构的两边为x轴和y轴建立xoy坐标系，选取入射的所述圆偏振光的工作波长，选取所述第一纳米砖和所述第二纳米砖的材料；

基于所述工作波长，基于所述第一纳米砖和所述第二纳米砖的材料，采用电磁仿真软件建模仿真，在所述第一纳米砖、所述第二纳米砖的转向角均为0时，以所述圆偏振光垂直于所述工作面入射，在所述工作波长下，扫描获得所述单元结构、所述第一纳米砖、所述第二纳米砖的尺寸参数；

以人眼的左视图为所述第一目标全息图像，获得第一相位调制量；以人眼的右视图为所述第二目标全息图像，获得第二相位调制量；

根据所述第一相位调制量、所述第二相位调制量获得所述第一纳米砖的转向角、所述第二纳米砖的转向角。

优选的，所述扫描获得所述单元结构、所述第一纳米砖、所述第二纳米砖的尺寸参数包括：

以同向圆偏光透过率和反向圆偏光透过率相等作为优化对象，获得所述单元结构的尺寸参数、所述第一纳米砖的尺寸参数；

以同向圆偏光透过率低于第一预设透过率，反向圆偏光透过率高于第二预设透过率为优化对象，获得所述第二纳米砖的尺寸参数。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在本申请实施例中，提供的实现三维显示的叠层超表面包括：基底层、第一纳米砖阵列层、隔离层、第二纳米砖阵列层；基底层划分为多个尺寸一致的单元结构，第一纳米砖阵列层包括多个尺寸一致的第一纳米砖，第二纳米砖阵列层包括多个尺寸一致的第二纳米砖，第二纳米砖和第一纳米砖的数量相同；每个单元结构的工作面上设有一个第一纳米砖，一个第二纳米砖与一个第一纳米砖对应设置，隔离层用于将第一纳米砖和第二纳米砖隔离开；圆偏振光入射至基底层，并依次通过第一纳米砖阵列层、隔离层、第二纳米砖阵列层后出射，生成第一目标全息图像和第二目标全息图像。本发明提供的一种实现三维显示的叠层超表面可同时显示出人眼的左视图和右视图，利用视差效应即可观察到三维立体显示效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种实现三维显示的叠层超表面中纳米单元结构的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种实现三维显示的叠层超表面中第一纳米砖透过率扫描图；

图3为本发明实施例提供的一种实现三维显示的叠层超表面中第二纳米砖透过率扫描图；

图4为通过本发明实施例提供的一种实现三维显示的叠层超表面得到的左视图；

图5为通过本发明实施例提供的一种实现三维显示的叠层超表面得到的右视图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本实施例提供了一种实现三维显示的叠层超表面，包括基底层、第一纳米砖阵列层、隔离层、第二纳米砖阵列层，所述基底层划分为多个尺寸一致的单元结构，所述第一纳米砖阵列层包括多个尺寸一致的第一纳米砖，所述第二纳米砖阵列层包括多个尺寸一致的第二纳米砖，所述第二纳米砖和所述第一纳米砖的数量相同；每个所述单元结构的工作面上设有一个所述第一纳米砖，一个所述第二纳米砖与一个所述第一纳米砖对应设置，所述隔离层用于将所述第一纳米砖和所述第二纳米砖隔离开；即一个单元结构、一个第一纳米砖、一个第二纳米砖及对应的隔离层构成一个纳米单元结构，所述纳米单元结构如图1所示。

圆偏振光入射至所述基底层，并依次通过所述第一纳米砖阵列层、所述隔离层、所述第二纳米砖阵列层后出射，生成第一目标全息图像和第二目标全息图像。

即当圆偏振光入射至该叠层超表面时，一半能量的光衍射产生第一目标全息图像，对应人眼的左视图，另一半能量的光衍射产生第二目标全息图像，对应人眼的右视图。

所述基底层划分为多个单元结构，每个所述单元结构的工作面为边长为C的正方形，边长C为亚波长级，每个所述工作面上均设有一个所述第一纳米砖，所述第一纳米砖为长方体形，所述第一纳米砖的结构尺寸长L1、宽W1和高H1均为亚波长级，结构尺寸是根据选定的入射的圆偏振光的工作波长、纳米砖的材料，通过电磁仿真优化得到。

以所述单元结构的两直角边为x轴和y轴，建立xoy坐标系，以所述第一纳米砖的长边为第一长轴、短边为第一短轴，所述第一长轴与x轴的夹角为第一纳米砖的转向角θ1。

所述隔离层用于将所述第一纳米砖与所述第二纳米砖隔离开，即通过所述隔离层衔接所述第一纳米砖和所述第二纳米砖。一种具体的设计中，所述隔离层在所述基底层和所述第二纳米砖阵列层之间，并包覆所述第一纳米砖阵列层。

所述第一纳米砖和所述第二纳米砖之间的距离如果太近会产生耦合，距离如果太远会发生衍射，因此，所述隔离层的厚度可设为入射的圆偏振光的工作波长的半个波长到一个波长的范围之间，优选为半个波长。

所述第二纳米砖为长方体形，所述第二纳米砖的结构尺寸为长L2、宽W2和高H2均为亚波长级，是根据选定的入射的圆偏振光的工作波长、纳米砖的材料，通过电磁仿真优化得到。所述第二纳米砖的长边为第二长轴、短边为第二短轴，所述第二长轴与x轴的夹角为第二纳米砖的转向角θ2。

所述基底为透明基底，所述基底和所述隔离层均可以采用熔融石英玻璃材料制成，所述第一纳米砖和所述第二纳米砖的制作材料包括但不限于硅、二氧化钛、氮化硅等。

在上述技术方案的基础上，通过优化设计，在工作波长下，所述第一纳米砖对透射光起到四分之一波片的功能。通过优化设计，在工作波长下，所述第二纳米砖对透射光起到半波片的功能。

以入射的圆偏振光的工作波长λ＝633nm，纳米砖的材料采用硅为例，采用电磁仿真软件建模仿真，当所述第一纳米砖的转向角、所述第二纳米砖的转向角均为0时，以圆偏振光垂直于工作面入射，在工作波长下扫描获得单元结构、第一纳米砖、第二纳米砖的结构参数，包括L1、W1、H1、L2、W2、H2、C。

具体的，以同向圆偏光透过率和反向圆偏光透过率相等为优化对象(圆偏振光旋向有两种，左旋和右旋。同向圆偏光透过率指以某一种旋向的圆偏光入射时，透过的光中旋向相同的部分所占的能量比率；反向圆偏光透过率指以某一种旋向的圆偏光入射时，透过的光中旋向相反的部分所占的能量比率)，优化得到所述单元结构、所述第一纳米砖的结构参数为：L1＝160nm，W1＝80nm，H1＝350nm，C＝300nm。此时，两种圆偏光透过率几乎相等，如图2所示。因此，在优化好的纳米单元结构参数下，可以使所述第一纳米砖等效为四分之一波片。

在C＝300nm情况下，以同向圆偏光透过率低于第一预设透过率(一般可设置第一预设透过率为5％)，反向圆偏光透过率高于第二预设透过率(一般可设置第二预设透过率为80％)为优化对象，优化得到所述第二纳米砖的结构参数为：L2＝210nm，W2＝90nm，H2＝350nm。此时，反向圆偏光透过率高于90％，同向圆偏光透过率接近于0，如图3所示。因此，在优化好的纳米单元结构参数下，可以使所述第二纳米砖等效为半波片。

当圆偏振光(此处指某一种旋向的圆偏振光，即左旋或者右旋)入射至所述第一纳米砖时，其透射光可以表示为：

即透射光一部分旋向不发生改变，没有相位调制，记为第一透射光；另一部分旋向发生改变，且产生了相位调制，相位调制量为

记为第二透射光；所述第一透射光、所述第二透射光的能量相等。

当圆偏振光从所述第一纳米砖出射后，所述第一透射光、所述第二透射光分别入射至第二纳米砖，即透射光继续透过所述第二纳米砖且相位会受到调制，调制量由下式说明：

所述第二纳米砖对所述第一透射光的相位调制量为2θ2，所述第二纳米砖对所述第二透射光的相位调制量为-2θ2。

即所述第一透射光经过所述第一纳米砖、所述第二纳米砖后的相位调制量为

所述第二透射光经过所述第一纳米砖、所述第二纳米砖后的相位调制量为

由于圆偏振光入射至所述叠层超表面时，两部分透射光相位调制量不同(第一透射光的整体相位调制量为

第二透射光的整体调制量为

)。因此，以人眼的左视图、右视图分别为第一目标全息图像、第二目标全息图像，优化设计得到

的值，从而计算出所述第一纳米砖的转向角θ1和所述第二纳米砖的转向角θ2。

具体的，以人眼的左视图为第一目标全息图像，如图4所示，采用GS算法可以优化得到

的分布；以人眼的右视图为第二目标全息图像，如图5所示，采用GS算法可以优化得到

的分布。根据

与θ1、θ2的关系计算得到所述第一纳米砖的转向角θ1和所述第二纳米砖的转向角θ2。

综上，本发明提供的一种实现三维显示的叠层超表面可同时显示出人眼的左视图和右视图，利用视差效应即可观察到三维立体显示效果，可广泛用于高端显示、虚拟现实、增强现实等领域。

本发明实施例提供的一种实现三维显示的叠层超表面至少包括如下技术效果：

(1)本发明所提出的叠层超表面，两个目标全息图像可任意设计，设计灵活，无串扰。

(2)本发明所提出的叠层超表面产生的全息图像可以产生两个视图，实现了一种全新的显示方案。

(3)本发明中的纳米单元结构尺寸均为亚波长级，因此本发明所设计的叠层超表面体积小、重量轻、可高度集成，适应于未来小型化、微型化的发展。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种实现三维显示的叠层超表面，其特征在于，包括：基底层、第一纳米砖阵列层、隔离层、第二纳米砖阵列层；

所述基底层划分为多个尺寸一致的单元结构，所述第一纳米砖阵列层包括多个尺寸一致的第一纳米砖，所述第二纳米砖阵列层包括多个尺寸一致的第二纳米砖，所述第二纳米砖和所述第一纳米砖的数量相同；每个所述单元结构的工作面上设有一个所述第一纳米砖，一个所述第二纳米砖与一个所述第一纳米砖对应设置，所述隔离层用于将所述第一纳米砖和所述第二纳米砖隔离开；

圆偏振光入射至所述基底层，并依次通过所述第一纳米砖阵列层、所述隔离层、所述第二纳米砖阵列层后出射，生成第一目标全息图像和第二目标全息图像；

所述单元结构的工作面为正方形，所述第一纳米砖、所述第二纳米砖均为长方体形，所述单元结构、所述第一纳米砖、所述第二纳米砖均为亚波长级；以所述单元结构的两直角边为x轴和y轴；以所述第一纳米砖的长边为第一长轴，以所述第一纳米砖的短边为第一短轴；以所述第二纳米砖的长边为第二长轴，以所述第二纳米砖的短边为第二短轴；

所述第一纳米砖对入射的所述圆偏振光的作用表示为：

式中，θ1为所述第一纳米砖的转向角，所述第一纳米砖的转向角为所述第一长轴与x轴的夹角；

所述圆偏振光经过所述第一纳米砖后得到第一透射光、第二透射光，所述第一透射光、所述第二透射光的能量相等；所述第一透射光的相位调制量为0，所述第二透射光的相位调制量为2θ1；

所述第二纳米砖对入射的所述第一透射光、所述第二透射光的作用表示为：

式中，θ2为所述第二纳米砖的转向角，所述第二纳米砖的转向角为所述第二长轴与x轴的夹角；

所述第二纳米砖对所述第一透射光的相位调制量为2θ2，所述第二纳米砖对所述第二透射光的相位调制量为-2θ2；

所述第一透射光经过所述第一纳米砖、所述第二纳米砖后的第一相位调制量为2θ2，所述第二透射光经过所述第一纳米砖、所述第二纳米砖后的第二相位调制量为2(θ1-θ2)。

2.根据权利要求1所述的实现三维显示的叠层超表面，其特征在于，所述隔离层位于所述基底层和所述第二纳米砖阵列层之间，并包覆所述第一纳米砖阵列层。

3.根据权利要求1所述的实现三维显示的叠层超表面，其特征在于，所述隔离层的厚度为入射的所述圆偏振光的半个波长。

4.根据权利要求1所述的实现三维显示的叠层超表面，其特征在于，所述基底层和所述隔离层均采用熔融石英玻璃材料制成，所述第一纳米砖和所述第二纳米砖均采用硅材料制成。

5.根据权利要求1所述的实现三维显示的叠层超表面，其特征在于，所述第一纳米砖用于实现四分之一波片的功能，所述第二纳米砖用于实现半波片的功能。

6.一种如权利要求1-5中任一所述的实现三维显示的叠层超表面的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

以所述单元结构的两边为x轴和y轴建立xoy坐标系，选取入射的所述圆偏振光的工作波长，选取所述第一纳米砖和所述第二纳米砖的材料；

基于所述工作波长，基于所述第一纳米砖和所述第二纳米砖的材料，采用电磁仿真软件建模仿真，在所述第一纳米砖、所述第二纳米砖的转向角均为0时，以所述圆偏振光垂直于所述工作面入射，在所述工作波长下，扫描获得所述单元结构、所述第一纳米砖、所述第二纳米砖的尺寸参数；

以人眼的左视图为所述第一目标全息图像，获得第一相位调制量；以人眼的右视图为所述第二目标全息图像，获得第二相位调制量；

根据所述第一相位调制量、所述第二相位调制量获得所述第一纳米砖的转向角、所述第二纳米砖的转向角。

7.根据权利要求6所述的实现三维显示的叠层超表面的设计方法，其特征在于，所述扫描获得所述单元结构、所述第一纳米砖、所述第二纳米砖的尺寸参数包括：

以同向圆偏光透过率和反向圆偏光透过率相等作为优化对象，获得所述单元结构的尺寸参数、所述第一纳米砖的尺寸参数；

以同向圆偏光透过率低于第一预设透过率，反向圆偏光透过率高于第二预设透过率为优化对象，获得所述第二纳米砖的尺寸参数。

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