CN112526859A - 一种基于反射调制型超构表面的悬浮投影装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于反射调制型超构表面的悬浮投影装置，所述装置包括超构表面，所述超构表面的一侧加工有立方体柱子阵列，所述立方体柱子阵列中的立方体柱子的横截面为正方形，所述正方形的边长范围是10μm～500μm，所述立方体柱子的高范围是50μm～800μm；入射光从所述立方体柱子的一端射入，在所述立方体柱子内进行全反射，从所述立方体柱子的另一端射出。本发明降低了悬浮投影的成本。

Description

一种基于反射调制型超构表面的悬浮投影装置
技术领域
本发明涉及投影技术领域，特别是涉及一种基于反射调制型超构表面的悬浮投影装置。
背景技术
传统的裸眼全息成像技术大都需要一定介质(如水雾等)散射光束从而成像以实现裸眼观测的效果，而近些年提出的空气悬浮投影技术通过堆叠双面镀反射膜的薄玻璃片(或者说金属平板波导)以实现将波导阵列平板一侧的光源在平板另一侧重新收集汇聚成实像的效果。
现有方案需要通过超薄(几微米)光敏胶黏连成百上千片双面镀反射膜的极薄(几百微米)玻璃片形成一块阵列平板。该方案加工步骤繁多，工艺非标准且极其复杂。此外，若要实现两个维度上同时汇聚光源，还需要正交叠加两块同等尺寸的此种薄阵列平板。以上因素造成了目前空气悬浮投影技术造价极其高昂且分辨率不高的问题，不利于该项技术的推广。
2011年由哈佛大学科研小组提出的超构表面以其对光束波前相位和振幅的精确控制以及超薄的特点被全球科研工作者广泛地应用于各种场景。超构表面全息成像是其中非常重要的一个研究方向，主要通过对准直光束波前的相位或者振幅进行调制，实现在远场的全息成像。但由于光学超构表面全息成像需要针对光波调制相位或者振幅，单元结构的设计需要限制在亚波长范围内。此外，此种器件一旦加工完成，调制的模式就固定下来。目前相关工艺很难在几百纳米范围内实现相位或者振幅可调的结构，因而很难实现动态的全息彩色图像。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种基于反射调制型超构表面的悬浮投影装置，降低了悬浮投影的成本，且该装置结构简单，易集成，适用于大批量生产。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于反射调制型超构表面的悬浮投影装置，所述装置包括超构表面，所述超构表面的一侧加工有立方体柱子阵列，所述立方体柱子阵列中的立方体柱子的横截面为正方形，所述正方形的边长范围是10μm～500μm，所述立方体柱子的高范围是50μm～800μm；
入射光从所述立方体柱子的一端射入，在所述立方体柱子内进行全反射，从所述立方体柱子的另一端射出。
可选地，所述立方体柱子阵列中各立方体柱子的侧面相互平行或相互垂直；所述超构表面使用时，所述立方体柱子的正方形截面的一个对角线在竖直方向上的投影与水平面夹角为90度。
可选地，所述超构表面材料为透明的玻璃或者透明的树脂。
可选地，所述正方形边长为200μm，所述立方体柱子高为500μm。
可选地，各所述立方体柱子之间的距离为600μm。
可选地，所述立方体柱子阵列的周期范围是50μm～1000μm。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明放大了传统超构表面单元结构的尺寸，在玻璃或者树脂基底一侧加工立方体柱子阵列，其中，立方体柱子阵列中的立方体柱子的横截面为正方形，入射光从所述立方体柱子的一端射入，在所述立方体柱子内进行全反射，从所述立方体柱子的另一端射出，从而使一块完整的超构表面实现空气悬浮投影。本发明结构设计更加简单，降低了空气悬浮投影装置的成本，易集成，适用于大批量生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于反射调制型超构表面的悬浮投影装置示意图；
图2为本发明一种基于反射调制型超构表面的悬浮投影装置俯视图；
图3为本发明一种基于反射调制型超构表面的悬浮投影装置正视图；
图4为本发明立方体柱子反射调制原理图；
图5为本发明立方体柱子反射成像示意图一；
图6为本发明立方体柱子反射成像示意图二；
图7为本发明基于反射调制型超构表面的悬浮投影装置投影示意图一；
图8为本发明基于反射调制型超构表面的悬浮投影装置投影示意图二。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于反射调制型超构表面的悬浮投影装置，降低了悬浮投影的成本，且该装置具有结构简单、易集成的特点，适用于大批量生产
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明一种基于反射调制型超构表面的悬浮投影装置示意图，如图1所示，一种基于反射调制型超构表面的悬浮投影装置包括超构表面，所述超构表面的一侧加工有立方体柱子阵列，所述立方体柱子阵列中的立方体柱子的横截面为正方形，所述正方形的边长范围是10μm～500μm，所述立方体柱子的高范围是50μm～800μm，所述立方体柱子阵列的周期范围是50μm～1000μm。
入射光从所述立方体柱子的一端射入，在所述立方体柱子内进行全反射，从所述立方体柱子的另一端射出。
所述立方体柱子阵列中各立方体柱子的侧面相互平行或相互垂直；所述超构表面使用时，所述立方体柱子的正方形截面的一个对角线在竖直方向上的投影与水平面夹角为90度。
所述超构表面材料为透明的玻璃或者透明的树脂。
所述正方形边长为200μm，所述立方体柱子高为500μm。
各所述立方体柱子之间的距离为600μm。
所述超构表面玻璃材料的全反射角约为42度。
本发明技术通过适当放大超构表面单个结构单元的尺寸到亚毫米量级，并且将单个单元相位或者振幅调制的功能修改成反射调制的功能，实现了全彩的光学超构表面动态全息投影。该超构表面器件的三维结构如图1所示，图2是超构表面对应的俯视图，图3是超构表面对应的正视图，整个超构表面结构就是基于一定工艺在透明光滑的玻璃或者树脂玻璃等类似材料的某一侧表面上加工出的立方体柱子的阵列。图2的下方放大了部分超构表面，展示了俯视图中圆圈区域内的立方体柱子阵列排布情况，其中，立方体柱子长和宽均为200μm，高为500μm，立方体柱子的阵列周期为600μm，上述立方体柱子阵列的尺寸参数组已成功用于加工和测试(注：立方体柱子阵列不一定按照周期性排布，也可以是非周期的，并不影响该超构表面的功能)。单个柱子可以实现将任意方向入射的光线以对称的方式反射到柱子的另一边，如图4所示。基于图4所示的基本原理，一个点光源发射的所有能被超构表面接收到的光线都会被对称地反射到超构表面另一边并重新汇聚成点光源形成实像，如图5-6所示。观察图5-6可以得出，只要超构表面面积大过一定程度，就可以收集点光源所有向超构表面发射的入射角(以立方体柱子侧壁为界面的入射角)大于全反射角(玻璃材料时大约是42度)的光线。在实际使用中，为了使单个柱子能够对称地汇聚光线在两个正交于传播方向上的能量，单个柱子正方形截面的对角线需要处于竖直方向，换而言之，超构表面上的柱子需要呈45度旋转角，如图2俯视图所示。另外不难看出，物像关于超构表面所在平面对称，所以当物体处于超构表面法线上时，像也在另一侧等距的法线上，肉眼观察时容易物像重叠在一起(图5)，实际使用时可以倾斜放置超构表面，在视线上分离物和像(图6)。将点光源推广成2D光源1(如手机屏幕)，通过本发明超构表面2，可以实现全彩的2D全息成像3，如图7所示，将点光源推广成3D光源4，通过本发明超构表面2，那就可以实现全彩的3D全息成像5，如图8所示。由于所成的像是实像，裸眼就可以观察到悬浮在空气中的全息图像。
本发明仅需要一种光学透明材质即可加工完成，不需要其他材料或者介质；本发明通过已有的标准工艺实现，工艺成熟且有极大的成本优势，因此，本发明可以更容易地实现超高分辨率和更轻薄的设计以适应需要高清和集成的场景。
本发明以单块完整的超构表面结构实现现有技术下需要两块复杂工艺加工而成的复合型平板才能实现的空气投影技术，结构设计上更加优美，简单，易集成。加工方式切合已有标准工艺，成本低，更容易大批量加工生产。更容易实现超高分辨率，适应更多丰富高清的场景。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于反射调制型超构表面的悬浮投影装置，其特征在于，所述装置包括超构表面，所述超构表面的一侧加工有立方体柱子阵列，所述立方体柱子阵列中的立方体柱子的横截面为正方形，所述正方形的边长范围是10μm～500μm，所述立方体柱子的高范围是50μm～800μm；
入射光从所述立方体柱子的一端射入，在所述立方体柱子内进行反射，从所述立方体柱子的另一端射出。
2.根据权利要求1所述的基于反射调制型超构表面的悬浮投影装置，其特征在于，所述立方体柱子阵列中各立方体柱子的侧面相互平行或相互垂直；所述超构表面使用时，所述立方体柱子的正方形截面的一个对角线在竖直方向上的投影与水平面夹角为90度。
3.根据权利要求1所述的基于反射调制型超构表面的悬浮投影装置，其特征在于，所述超构表面材料为透明的玻璃或者透明的树脂。
4.根据权利要求1所述的基于反射调制型超构表面的悬浮投影装置，其特征在于，所述正方形边长为200μm，所述立方体柱子高为500μm。
5.根据权利要求4所述的基于反射调制型超构表面的悬浮投影装置，其特征在于，各所述立方体柱子之间的距离为600μm。
6.根据权利要求1所述的基于反射调制型超构表面的悬浮投影装置，其特征在于，所述立方体柱子阵列的周期范围是50μm～1000μm。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107807416A (zh) * 2017-11-16 2018-03-16 厦门大学 一种基于各向同性陶瓷超构材料的高效率宽带反射镜
CN110264916A (zh) * 2019-06-21 2019-09-20 京东方科技集团股份有限公司 一种投影装置及空中成像设备
CN111273512A (zh) * 2018-12-04 2020-06-12 深圳光峰科技股份有限公司 投影屏幕和投影系统

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10670782B2 (en) * 2016-01-22 2020-06-02 California Institute Of Technology Dispersionless and dispersion-controlled optical dielectric metasurfaces
US10613254B2 (en) * 2017-05-24 2020-04-07 Uchicago Argonne, Llc Ultrathin, polarization-independent, achromatic metalens for focusing visible light
CN111198414B (zh) * 2020-01-13 2021-06-01 电子科技大学 一种自偏置的磁光非互易超构表面器件
CN113703080B (zh) * 2020-05-22 2023-07-28 深圳迈塔兰斯科技有限公司 一种超透镜和具有其的光学系统

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107807416A (zh) * 2017-11-16 2018-03-16 厦门大学 一种基于各向同性陶瓷超构材料的高效率宽带反射镜
CN111273512A (zh) * 2018-12-04 2020-06-12 深圳光峰科技股份有限公司 投影屏幕和投影系统
CN110264916A (zh) * 2019-06-21 2019-09-20 京东方科技集团股份有限公司 一种投影装置及空中成像设备

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