CN111257990A - 一种超表面全息器件、超表面动态全息显示装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超表面全息器件、超表面动态全息显示装置和方法，属于光学全息领域。包括：空间光编码模块用于将激光光束编码为结构光束；超表面全息器件用于根据结构光束开启超表面全息器件的不同空间信道，进行动态全息显示。本发明由多个独立空间信道组合构成静态超表面器件，利用DMD装置产生结构光场选择性开启不同空间信道，帧率和帧数都得到提高。利用空间信道的设计、不同空间信道重构的全息图形不同，将所处相对空间位置考虑进去，最终重构出的图形与开启的信道组合有关，N个信道可以产生2^N种变化。采用DMD对入射光的编码及4F系统对编码光束的缩束，产生照明结构光场，解决了结构光束与超表面器件空间信道严格对应问题。
Description
技术领域
本发明属于光学全息领域，更具体地，涉及一种超表面全息器件、超表面动态全息显示装置和方法。
背景技术
动态全息显示技术是一种非常有前景的裸眼3D显示技术，可以通过复振幅衍射的方式进行成像。实际上，除了单纯用于成像，动态全息技术也被广泛应用于光信息处理、光通信、激光加工等众多领域。传统动态全息技术中用于记录和加载全息图的器件单元像素远远大于波长量级(如工作在可见光波段的空间光调制器单元像素大小为8-13微米，远大于可见光400-800m波长)，因此存在视场角狭窄、多级次像、孪生像等问题。超表面是一种由亚波长结构组成的新型二维平面光学器件，单元结构小于波长，因此由超表面构成的计算全息器件具有显示视场角大、无多级次像等问题，具有非常广阔的应用前景。
目前用于实现超表面动态全息的技术主要分为两类，第一类是利用动态超表面，例如，应用相变材料(如Ge2Sb2Te5，GST)在不同温度下晶态与非晶态的切换实现；或是将超表面器件加工在可拉伸基底上，通过机械方法实现；或是通过化学反应使材料光学性质产生变化来实现；或是通过飞秒激光对氧化石墨烯的覆写来实现。另一类是超表面器件本身是静态、固定的，但入射光场被动态调制，静态超表面器件在不同入射光下被复用。这类方案中，有利用波长复用的方式，不同波长入射超表面器件重构图案发生变化；有利用角度复用，沿不同角度入射的光场重构出不同图案；还有利用偏振复用，包括圆偏振、线偏振以及椭圆偏振光等，不同形式的偏振光照射到超表面器件上，重构出不同的图案；以及复用轨道角动量光束，不同拓扑荷值的光入射时，重构的图案不同。
专利CN105278309B中公开了一种基于微旋转系统的动态超表面全息的实现方法，该方法中每个旋转结构直径为3.5微米，在两个方向上的结构间距为3.8微米和7.8微米，这就导致实际调制像素间隔远大于可见光波长，失去了超表面全息独立调制像素间隔小于波长的优势。另外该种方式中旋转结构最高转速为1500r/min，要实现π相位变化，要旋转90°，可以计算出该发明的极限刷新帧率仅为100fps。
因此，目前光波段还缺乏一种能够实现大帧数、高帧率的超表面动态全息技术。
发明内容
针对现有技术光波段超表面动态全息中帧数少、帧率低的问题，本发明提供了一种超表面全息器件、超表面动态全息显示装置和方法，其目的在于实现大帧数、高帧率的超表面动态全息。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种超表面全息器件，超表面全息器件由多个不同的独立空间信道构成，每个空间信道产生独立的全息图象。
优选地，使用Gerchberg-Saxton迭代算法规划独立空间信道的相位分布或振幅分布。
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种超表面动态全息显示装置，包括：如第一方面所述的超表面全息器件和空间光编码模块；
空间光编码模块用于将激光光束编码为结构光束；
超表面全息器件用于根据结构光束开启超表面全息器件的不同空间信道，从而进行动态全息显示。
优选地，空间光编码模块由激光光源、空间光编码器件、透镜和物镜构成；其中，
激光光源用于产生进入空间光编码器件的激光光束；
空间光编码器件用于将激光光束编码为结构光束；
所述透镜和物镜构成4F系统，用于将结构光束转化为精度更高的结构光束。
优选地，空间光编码器件为数字微镜器件。
优选地，超表面动态全息显示装置采用空间信道复用型全息动态显示。
优选地，超表面动态全息显示装置采用空间信道选择型全息动态显示。
为实现上述目的，按照本发明的第三方面，提供了一种超表面动态全息显示方法，该方法包括以下步骤；
S1.将激光光束编码为结构光束；
S2.根据结构光束开启如第一方面所述的超表面全息器件的不同空间信道，从而进行动态全全息显示。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明由多个空间信道组合构成的静态超表面器件，利用超表面器件的不同区域作为空间信道，利用高速DMD装置产生结构光场选择性开启不同空间信道，帧率和帧数都得到巨大提高。
(2)本发明利用了空间信道的设计、不同空间信道重构的全息图形不同，将所处的相对空间位置考虑进去，最终重构出的图形与开启的信道组合有关，N个信道可以产生2∧N种变化。
(3)本发明采用DMD对入射光的编码及4F系统对编码光束的缩束作用，产生照明结构光场，解决了结构光束与超表面器件空间信道严格对应问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的超表面全息器件结构示意图；
图2为本发明实施例提供的空间光编码模块结构示意图；
图3为本发明实施例提供的空间信道复用型全息动态显示示意图；
图4为本发明实施例提供的空间信道复用型全息动态显示代表性实验结果；
图5为本发明实施例提供的空间信道选择型全息动态显示示意图；
图6为本发明实施例提供的空间信道选择型全息动态显示表性实验结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，超表面全息器件1是由多个不同的独立空间信道2构成，每个空间信道产生独立的全息图象。每个空间信道由多个亚波长结构3构成。
每个独立空间信道相位或振幅分布的设计，可以运用Gerchberg-Saxton迭代算法或其他优化算法。
超表面全息器件加工方面，可以运用聚焦离子束刻蚀、电子束曝光、光刻工艺或激光加工等方法。
亚波长结构3(如纳米结构)可以是各向同性结构(如圆柱、圆孔等)，也可以是各向异性结构(如矩形孔、矩形杆、椭圆孔、椭圆杆等)。构成亚波长结构的材料可以是介质材料(如硅、氮化硅、二氧化钛等)，也可以是金属或半导体材料(如金、银、铝、氮化镓等)。
空间信道形状是矩形、三角形、圆形等各种形状。每个空间信道可以由空间上分离的几个部分构成，也可以由一个部分构成。判断是否属于一个空间信道的方法是在该信道内的所有亚波长结构都用于重构同一幅全息图。
本发明提供了一种超表面动态全息显示装置包括：如上所述的超表面全息器件和空间光编码模块，所述空间光编码模块用于将激光光束编码为结构光束，所述超表面全息器件用于根据结构光束开启超表面全息器件的不同空间信道，从而进行动态全息显示。
如图2所示，空间光编码模块由激光光源(未示出)、空间光编码器件4、透镜5和物镜6构成，根据想要显示的内容产生特定的高精度结构光束，结构光束用于开启超表面全息器件1的不同空间信道。当超表面动态全息显示装置应用于光学波段时，空间光编码器件4优选数字微镜器件(Digital Mirror Device，DMD)。DMD由1920*1080个10微米左右大小的微反射镜构成，每一个微反射镜都可以实现独立偏转，从而影响光的通断，因此每个微反射镜都可以对入射光进行0-1开关式的独立编码。DMD对入射光的编码速度取决于微透镜的偏转速度，因此可以实现每秒10000帧以上的编码。激光光源产生的激光光束经过空间光编码器件编码后的结构光束经过透镜5和物镜6构成4F系统后，成为高精度的结构光束，可以精准地开启超表面全息器件1上的特定空间信道，从而改变全息重构的图像。
超表面全息器件的每个信道都可以由空间光编码模块控制独立开启或关闭，因此对于一个由N个空间信道构成的超表面器件，信道开启方式共有2N种，因此可以显示的帧数总数为2N。
在本发明中，动态全息显示的帧率取决于空间光编码模块产生的不同结构光束的切换速度。进一步地，结构光束的切换速度取决于空间光编码模块中的光编码器件不同编码图案的切换速度。优选地，编码结构光的器件是数字微镜器件(Digital Mirror Device，DMD)，也可以是其他动态器件，如空间光调制器等。数字微镜器件编码图案的切换速度极快，可以实现每秒钟10000帧以上的切换，因此本发明中动态全息显示的帧率可以达到10000fps以上。
下面用两个实例来进一步说明本发明。
实施例一：空间信道复用型全息动态显示
空间信道复用型全息动态显示适用于图像是由多个子图像的组合形成产生情形，例如，数码管。图像与图像之间是相同子图像的不同组合。如图3所示，超表面全息器件1由28个空间信道构成，每个空间信道全息重构的图形都是“88∶88”数码管的一部分。通过结构光控制开启超表面全息器件1的不同空间信道，就可以显示不同的全息数字。该图中展示的是开启第6/7/9/10/11/12/13/20/21/23/24/25/26/27号信道时，重构的全息图案7为“12∶12”。该实例中，空间信道2总数为N＝28，因此能够显示的不同全息图的数量为228＝268435456。在现有加工条件下，空间信道2总数N可以做到几百甚至几千，因此能够实现非常大数量的帧数。帧率方面，实验中使用的数字微镜器件4可以实现每秒10000次刷新速率，因此本发明可以实现10000fps的高帧率。图4显示了图3实例的一些代表性的实验结果，当数字微镜器件4的编码图形按照第2/4行变化时，重构的全息图案7从“00∶00”变化为“99∶99”。
实施例二：空间信道选择型全息动态显示
空间信道选择型全息动态显示适用于单个图像之间是相互独立的情形。如图5所示，超表面全息器件1由20个空间信道组成，每个空间信道全息重构的图案都是一段连续全息视频中的一帧，该全息视频展示的是“HUST”大写字母在空间中旋转的过程。通过控制结构光开启超表面全息器件1上的不同空间信道，就能够重构出不同的图案7。按照特定顺序开启空间信道，就能够显示流畅的全息视频。在该种工作模式下，每次只能开启一个空间信道，因此是一种空间信道选择型的工作模式。本实例中的帧率仍然取决于DMD器件的刷新速率，即10000fps以上。图6显示了图5实例中显示的全息视频的不同帧。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种超表面全息器件，其特征在于，所述超表面全息器件由多个不同的独立空间信道构成，每个空间信道产生独立的全息图象。
2.如权利要求1所述的超表面全息器件，其特征在于，使用Gerchberg-Saxton迭代算法规划独立空间信道的相位分布或振幅分布。
3.一种超表面动态全息显示装置，其特征在于，包括：如权利要求1或2所述的超表面全息器件和空间光编码模块；
所述空间光编码模块用于将激光光束编码为结构光束；
所述超表面全息器件用于根据结构光束开启超表面全息器件的不同空间信道，从而进行动态全息显示。
4.如权利要求3所述的超表面动态全息显示装置，其特征在于，所述空间光编码模块由激光光源、空间光编码器件、透镜和物镜构成；其中，
所述激光光源用于产生进入空间光编码器件的激光光束；
所述空间光编码器件用于将激光光束编码为结构光束；
所述透镜和所述物镜构成4F系统，用于将结构光束转化为精度更高的结构光束。
5.如权利要求3或4所述的超表面动态全息显示装置，其特征在于，所述空间光编码器件为数字微镜器件。
6.如权利要求3至5任一项所述的超表面动态全息显示装置，其特征在于，所述超表面动态全息显示装置采用空间信道复用型全息动态显示。
7.如权利要求3至5任一项所述的超表面动态全息显示装置，其特征在于，所述超表面动态全息显示装置采用空间信道选择型全息动态显示。
8.一种超表面动态全息显示方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1.将激光光束编码为结构光束；
S2.根据结构光束开启如权利要求1或2所述的超表面全息器件的不同空间信道，从而进行动态全全息显示。
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