CN113126465A - 基于双通道偏振复用的三基色彩色全息超表面及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双通道偏振复用的三基色彩色全息超表面及其设计方法。该超表面彩色全息利用两个正交圆偏振通道处理彩色图像R、G、B三个基色成分，且针对各成分波长进行相应的色散补偿，解决了彩色全息图三基色成分的串扰问题，兼具角度复用方式和偏振复用方式的优点。在此基础上，通过对组成超表面的每个周期性纳米单元的相位调控实现了相位型计算全息片，在正入射条件下可在远场呈现一幅彩色全息图。本发明为超表面彩色全息术提供了一种新的方式，可应用于彩色全息显示等领域。

Description

基于双通道偏振复用的三基色彩色全息超表面及其设计方法

技术领域

本发明涉及微纳光学及彩色全息领域，具体涉及一种基于双通道偏振复用的三基色彩色全息超表面及其设计方法。

背景技术

超表面材料具有在亚波长尺度范围内实现电磁波调控的能力，具有成像质量高、空间视场角大、能量利用率高等优势，是实现计算全息术的一种理想编码材料。随着技术的发展和加工工艺的进步，超表面全息术已由单一色彩的全息逐步向彩色全息发展。

实现彩色全息主要是通过不同的复用方式，将彩色图像的不同基色成分分成不同通道进行处理。目前采用较多的是空间复用方式，其将多个具有不同共振波长的纳米砖结构组合成一个超级像素，分别实现对彩色图片R、G、B成分的显示。但由于超级像素尺寸相较于纳米砖尺寸有所增加，会使得全息图的分辨率降低；另外，超级像素里面的纳米砖结构需要根据不同的响应波长进行单独设计，也使超表面的设计加工难度有所增加。在彩色全息显示中，如何消除各波长成分之间的串扰是其中的关键，通过角度复用的方式可以较为方便地获得信噪比较高的彩色全息图。在全息图的设计过程中，利用不同的入射角度为不同的波长成分加入不同频移，再现过程中则通过不同入射角度的复用，可以在指定区域将R、G、B三基色成分再次重合，实现彩色全息。这种设计方法只需采用单一纳米结构，从而能够较好地解决空间复用方法纳米砖结构多、制作加工难度大、图片分辨率低的问题；但是其对不同波长入射光的角度要求高，所以应用场景会受到一定限制。而偏振复用方式则可以较好地解决这一问题，它是利用不同的偏振通道处理不同的波长成分，由于不同偏振通道之间相互正交，因此同样可以避免不同成分之间的干扰。但是目前偏振复用方式多为双波长彩色全息，而对于三基色彩色全息则需要建立三个相互正交的偏振通道，因此显示系统的设计将会复杂很多，实现起来较为麻烦。

发明内容

基于此，本发明提出了一种基于双通道偏振复用的三基色彩色全息超表面及其设计方法。所述超表面的纳米单元仅需采用单一结构尺寸，结合几何相位原理，通过对每个周期性纳米单元的相位调控实现了相位型计算全息超表面，在正入射条件下即可在远场呈现一幅彩色全息图。该超表面结构简单，易于加工。所述的彩色全息超表面设计方法采用大衍射角设计，仅通过两个正交圆偏振通道处理彩色图像R、G、B三个基色成分，且针对各成分对应的不同波长进行相应的衍射色散补偿，解决了彩色全息三基色成分之间的相互串扰问题。该方法同时具有角度复用方式和偏振复用方式的优点，为超表面彩色全息术提供了一种新的方式，具有广阔的应用发展前景。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

第一方面，本发明提供的一种基于双通道偏振复用的三基色彩色全息超表面，其特征在于：由透明基底与周期性纳米砖结构阵列组成；所述周期性纳米砖结构阵列沉积在透明基底上，且纳米砖结构相同(即透明基底上的所有纳米砖长、宽、高相同)，当圆偏振光入射时，反射光中的正交偏振成分会携带一个附加相位，其附加相位与纳米砖转向角相关；通过合理设计纳米砖转向角分布，能将超表面设计成为一个相位型计算全息片；

所述计算全息片将彩色图像的R、G、B三基色成分分为相互正交的右旋圆偏振(RCP)通道和左旋圆偏振(LCP)通道处理，并根据R、G、B成分对应波长的不同分别进行衍射色散补偿；当不同颜色的三束激光同时正入射在超表面上时，在远场特定区域R、G、B三基色成分能够再次重合，从而实现彩色全息。

作为优选方案，所述透明基底划分为多个边长为C的正方形单元结构，边长为亚波长量级，材料为熔融石英玻璃或硅材料；所述纳米砖需沉积在每一个周期性阵列单元结构工作面，其结构尺寸长L、宽W和高H均为亚波长级，材料为电介质材料；以单元结构直角边为x轴和y轴建立xoy坐标系，纳米砖长轴与x轴夹角定义为纳米砖的转向角θ；纳米砖结构尺寸需根据彩色全息图的R、G、B三基色波长成分，通过电磁仿真优化得到。

进一步地，以圆偏振光入射时，反射光中的同向圆偏振光没有附加相位而反向圆偏振光将携带附加相位α＝±2θ；通过改变纳米砖的转向角θ的大小能实现反向圆偏光上的任意相位调制，即可构造相位型计算全息片；

根据目标计算全息图，结合GS算法，利用所述的相位调控量将所述的超表面设计为一个相位型超表面；

在彩色图R、G、B三基色成分对应波长的激光正入射情况下，超表面在远场特定区域能实现彩色全息显示，具体为：所述计算全息片，需要把彩色图像分解为R、G、B三基色成分，分别针对相应波长的入射光设计三幅全息图，然后在空间频域叠加在一起组成一幅最终的目标计算全息图；通过优化设计，在彩色图像R、G、B成分对应的波长下，同向圆偏光反射率应小于反向圆偏振反射率。

更进一步地，所述纳米砖转向角θ的工作范围为0到180°。

所述计算全息片的R、G、B三基色成分需根据各成分对应的波长进行相应的图像缩放处理，其对应变换关系为：

式中T和T′分别表示原始图像和缩放后图像。

所述计算全息片的R、G、B三基色成分需要进行空域和空间频域之间的变换，其变换关系为：

式中，x、y、z为空间坐标，(k_x,k_y,k_z)为该点对应的光传播矢量，

为入射光波数，与入射光波长有关。

对应RCP偏振通道的绿色(G)成分的图像中心应能够在空间旋转180°后和对应LCP偏振通道的红色(R)和蓝色(B)成分的中心重合。

上述超表面由透明基底与沉积之上的周期性纳米砖结构阵列构成，纳米砖能够同时对入射的红(R)、绿(G)、蓝(B)三种颜色的圆偏振光产生相位调制。

在上述技术方案基础上，所述的透明基底划分为多个相同的单元结构，单元结构为边长为C的正方形，为亚波长量级，材料为熔融石英玻璃或硅材料。

在上述技术方案基础上，所述的纳米砖需沉积在每一个单元结构工作面，其结构尺寸长L、宽W和高H均为亚波长级，材料为电介质材料，如硅、二氧化钛等。以单元结构直角边为x轴和y轴建立xoy坐标系，纳米砖长轴与x轴夹角定义为纳米砖的转向角θ。

纳米砖沿长轴、短轴方向上的反射系数可表示为A₁和A₂，当圆偏振光入射时，纳米单元阵列中每个纳米砖对入射光实现的相位调节功能为

即以圆偏振光入射时，反射光中包含两个不同的偏振成分，一部分与入射光旋向相同，不携带附加相位；另一部分是与入射光偏振相垂直的反向圆偏光，携带附加相位，其大小为纳米砖转向角的两倍。通过改变纳米砖的转向角θ可以在正交反向圆偏光上实现任意的相位调制，用于产生相位型计算全息图。

将彩色图像分解为R、G、B三基色成分，分别针对各基色不同波长的入射光设计三幅全息图，然后将其在空间频域叠加在一起，组成一幅最终的目标计算全息图；结合GS算法，利用所述的相位调控量，合理设计纳米砖转向角的分布，将所述的超表面设计为一个相位型超表面，在远场显示一幅彩色全息图像。

第二方面，本发明提供一种基于双通道偏振复用的三基色彩色全息超表面的设计方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1：当圆偏振光入射时，反射光中的正交反向圆偏振成分会携带一个附加相位，用于产生相位型计算全息图。为此，根据彩色全息图R、G、B三基色入射光波长，以纳米砖的同向圆偏振反射率应小于反向圆偏振反射率为目标，通过电磁仿真对纳米砖结构尺寸进行优化。

S2：将彩色图像分解为R、G、B三基色成分，分别针对相应波长的入射光设计三幅全息图，要求R、G、B三基色成分成像在同一空间区域。

S3：由于R、G、B三基色成分的波长不同，不同成分的全息图像大小与波长成正比，为了保证三种基色成分成像大小保持一致，且能最终叠加重合在一起，需要预先根据各成分对应的波长进行相应的图像缩放处理。

S4：由于R、G、B三基色成分的波长不同，在正入射情况下将衍射到不同的角度上，为了保证三种基色成分能在同一空间区域重合而实现彩色全息，需要预先根据波长完成各基色成分目标图像从空域到空间频域的变换；与此同时，需要适当增大远场全息图像的衍射角，以避免三基色成分在空间频域发生重叠的现象。

S5：计算全息片的绿色(G)成分对应入射的RCP偏振通道，红色(R)和蓝色(B)成分对应入射的LCP偏振通道，两通道相互正交，且成像空间相互共轭。因此计算全息片对应的G成分图像中心应能够在空间旋转180°后和R、B成分的中心重合。

S6：在上述R、G、B三基色成分对应的三幅全息图在空间频域的叠加，得到最终的目标计算全息片；结合GS算法，利用所述的相位调控量确定纳米砖阵列的转向角分布。

S7：根据优化得到的纳米砖尺寸和转向角分布，利用光刻工艺将所述的超表面制备为一个相位型彩色全息超表面。

S8：当LCP偏振的红光、蓝光和RCP偏振的绿光同时正入射在上述彩色全息超表面上，将在远场显示出一幅彩色全息图像。

本发明的优点及有益效果如下：

1、本发明所设计的超表面，兼具角度复用方式和偏振复用方式的优点，仅通过单一纳米结构，在正入射条件下即可实现彩色全息的显示，本发明设计灵活，制作工艺简单；

2、纳米单元结构尺寸均为亚波长级，因此本发明所设计的彩色全息超表面重量轻、体积小、高度集成，适应于未来小型化、微型化的发展；

3、该彩色全息超表面为二台阶平面结构，结构简单，可用于工业化生产。

附图说明

图1为本发明实施例1中纳米结构单元的结构示意图；

图2为本发明实施例1中纳米结构单元的俯视图；

图3为本发明实施例1中纳米结构单元反射率扫描图；

图4为本发明实施例1中彩色图像R成分的原始目标图像和预处理后的图像；

图5为本发明实施例1中彩色图像G成分的原始目标图像和预处理后的图像；

图6为本发明实施例1中彩色图像B成分的原始目标图像和预处理后的图像；

图7为本发明实施例1中空间频域和空域的转换原理图；

图8为本发明实施例1中超表面计算全息目标图像；

图9为本发明实施例1中超表面局部纳米结构阵列俯视图；

图10为本发明实施例1中超表面实现彩色全息效果示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明的实施方式和原理设计以及技术效果作进一步地详细阐述。

本发明中基于双通道偏振复用的三基色彩色全息超表面，由多个周期性结构单元分布于一平面上构成；基底为双层透明材料，底层为硅材料，上层为熔融石英玻璃材料；纳米砖的材料为硅材料。当圆偏振光入射时，反射光的正交反向圆偏振方向上会附加一个和纳米砖转向角相关的相位。通过合理设计纳米砖转向角分布，可以实现相位型计算全息片。

结构单元由透明基底和纳米砖组成；透明基底放置于该平面上，纳米砖沉积于透明基底上。结构单元的结构如图1所示，俯视图如图2所示。结构单元的透明基底为边长为C的正方形工作面，由2-厚度2μm的熔融石英玻璃和3-硅材料构成，沉积其上的1-硅纳米砖长、宽和高分别为L、W和H，尺寸均为亚波长级。纳米砖的转向角θ，工作范围为0到180°。

相位型计算全息片由多个纳米单元结构构成，各相邻纳米砖尺寸和中心间隔保持一致。当圆偏振光入射时，纳米单元结构对反射的反向圆偏振光相位调节量为α，α＝±2θ，每个结构单元的转动角θ均可自行设定和优化。纳米单元结构尺寸根据彩色图像R、G、B三基色成分的波长进行优化，使得三基色对应波长的同向圆偏振反射率小于正交的反向圆偏振反射率，且反向圆偏振光在不同波长照射下的反射率相差不大。

以工作波长λ_R＝633nm、λ_G＝532nm和λ_B＝480nm为例，采用电磁仿真软件建模仿真，当纳米砖朝向角为0时，以左旋圆偏振(LCP)光垂直于工作面入射，在工作波长下扫描纳米单元的结构参数，包括L、W、H、C，以正交反向圆偏振光的反射率在波长λ_R、λ_G和λ_B时大于同向圆偏振反射率且相差不大为优化对象，扫描结果如图3所示。此时纳米单元的结构参数为：L＝230nm，W＝80nm，H＝220nm，C＝300nm。因此，在优化好的纳米单元结构参数下，可以使R、G、B三基色的反向圆偏振光反射率依次为0.44、0.24和0.28，同向偏振反射率依次为0.10、0.23和0.004。

以纳米砖中心为原点建立xoy坐标系，如图2所示。当圆偏光入射时(左旋圆偏光或右旋圆偏光的琼斯矢量为

)，经过纳米砖反射后光矢量可表示为：

式中，A₁和A₂分别为纳米砖沿长轴、短轴方向上的反射系数。由上式可知，反射光为一个带有±2θ相位改变量的反向偏振态圆偏光和一个相位未被调制的同向偏振态圆偏光。利用纳米砖转向角θ与反射光相位改变α的关系α＝±2θ，可以通过改变纳米砖转向角调控反射光的相位，从而利用该超表面的相位调制功能，设计一个相位型全息片。

相位型全息片的设计，首先需要把彩色图像分解为R、G、B三基色成分的三幅图像，分别针对三基色相应波长λ_R、λ_G和λ_B设计三幅全息图。以W、H、U三个彩色字母作为远场目标图像进行超表面设计，字母W为红色，字母H为绿色，字母U为蓝色。

首先，将彩色字母W、H、U分成R、G、B三种不同的基色成分图像；

然后，对三幅图像分别根据R、G、B成分对应的不同波长进行图像缩放和色散补偿预处理步骤。图4-6分别为R、G、B成分对应的原始目标图像和预处理后的目标图像对比。

远场全息成像时，全息图的大小正比于入射光波长，因此，为了保证各基色成分最终成像的图像大小保持一致，需要根据波长λ_R、λ_G和λ_B对计算全息片中不同成分的图像进行缩放处理，缩放后各成分的大小为

式中T和T′分别表示目标图像和缩放后图像。即以G成分图像的大小为标准，对R成分图像进行缩小，对B成分图像进行放大。取λ_R＝633nm、λ_G＝532nm和λ_B＝480nm，预处理后，G成分图像大小不变，R成分图像被缩小到目标图像的0.84倍，B成分图像被放大到目标图像的1.11倍。

由于GS算法计算全息片的相位分布是依据光场在空间频域(f_x，f_y)的分布，因此需要将目标图像从空域(x，y)转换到空间频域(T_x，f_y)。为了要在特定空间区域完成彩色图像的显示，需要根据波长的不同完成彩色图像各基色成分的空间频域变换，通过这一变换过程可以补偿衍射过程中不同波长的色散效应。而空间频域坐标与波矢分量之间的关系可表示为

k_x＝2πf_x，k_x＝2πf_y

(k_x，k_y)为光波矢在横向方向上的分量。为此，可以根据光线入射角和空间坐标之间的关系对目标图像进行进一步的预处理。如图7所示，全息图的空间频域和空域之间转换关系可以用光线方程表示

式中，x、y、z为光场某点的空间坐标，(k_x，k_y，k_z)为该点对应的光传播矢量。则计算全息图的空域坐标可表示为

式中

为入射光波数。由于最终需要将各基色成分在空间频域进行叠加，所以为了避免各成分之间的相互干扰，需要适当增大远场全息图像的衍射角，保证三基色成分在空间频域不发生重叠。

设计相位型全息片时，彩色图像的G成分对应RCP入射光，而R和B成分对应正交的LCP入射光。由于RCP通道和LCP通道在成像空间上相互共轭，为使R、G、B三基色成分成像在同一空间区域，需要使彩色图像G成分图像的中心在空间旋转180°后应与R、B成分的中心重合，如图5所示。

接着，将R、G、B成分对应的三幅图像在空间频域叠加起来组成一幅新的计算全息目标图片，如图8所示。其中字母W为彩色图片的R成分，字母H为彩色图片的G成分，字母U为彩色图片的B成分。

最后，结合GS算法，根据图8所示的目标图片，计算得到一个相位型全息片，其相位分布通过超表面结构单元的纳米砖转向角控制。图9为本实施例的超表面局部纳米结构阵列俯视图。

成像时，红、绿、蓝三束激光正入射于超表面工作面。其中绿光为RCP偏振，波长为532nm；红光为LCP偏振，波长为633nm；入射的蓝光为LCP偏振，波长为480nm。在远场即可呈现一个彩色全息图像，如图10所示。

远场彩色全息图像在特定区域再现了W、H、U三个字母，颜色分别对应红色、绿色、蓝色。而其他干扰成分，如红色激光衍射出现的G、B成分(对应红色字母H和U)，绿色激光衍射出现的R、B成分(对应绿色字母W和U)以及蓝色激光衍射出现的R、G成分(对应绿色字母W和H)，由于附加频移的原因，不会出现在全息设计的成像区域，从而在成像区域可以获得信噪比较高的彩色图像。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于双通道偏振复用的三基色彩色全息超表面，其特征在于：由透明基底与周期性纳米砖结构阵列组成；所述周期性纳米砖结构阵列沉积在透明基底上，且纳米砖结构相同，当圆偏振光入射时，反射光中的正交偏振成分会携带一个附加相位，其附加相位与纳米砖转向角相关；通过合理设计纳米砖转向角分布，能将超表面设计成为一个相位型计算全息片；

所述计算全息片将彩色图像的R、G、B三基色成分分为相互正交的右旋圆偏振(RCP)通道和左旋圆偏振(LCP)通道处理，并根据R、G、B成分对应波长的不同分别进行衍射色散补偿；当不同颜色的三束激光同时正入射在超表面上时，在远场特定区域R、G、B三基色成分能够再次重合，从而实现彩色全息。

2.根据权利要求1所述的基于双通道偏振复用的三基色彩色全息超表面，其特征在于：所述透明基底划分为多个边长为C的正方形单元结构，边长为亚波长量级，材料为熔融石英玻璃或硅材料；所述纳米砖需沉积在每一个周期性阵列单元结构工作面，其结构尺寸长L、宽W和高H均为亚波长级，材料为电介质材料；以单元结构直角边为x轴和y轴建立xoy坐标系，纳米砖长轴与x轴夹角定义为纳米砖的转向角θ；纳米砖结构尺寸需根据彩色全息图的R、G、B三基色波长成分，通过电磁仿真优化得到。

3.根据权利要求1或2所述的基于双通道偏振复用的三基色彩色全息超表面，其特征在于：以圆偏振光入射时，反射光中的同向圆偏振光没有附加相位而反向圆偏振光将携带附加相位α＝±2θ；通过改变纳米砖的转向角θ的大小能实现反向圆偏光上的任意相位调制，即可构造相位型计算全息片；

根据目标计算全息图，结合GS算法，利用所述的相位调控量将所述的超表面设计为一个相位型超表面；

在彩色图R、G、B三基色成分对应波长的激光正入射情况下，超表面在远场特定区域能实现彩色全息显示，具体为：所述计算全息片，需要把彩色图像分解为R、G、B三基色成分，分别针对相应波长的入射光设计三幅全息图，然后在空间频域叠加在一起组成一幅最终的目标计算全息图；通过优化设计，在彩色图像R、G、B成分对应的波长下，同向圆偏光反射率应小于反向圆偏振反射率。

4.根据权利要求3所述的基于双通道偏振复用的三基色彩色全息超表面，其特征在于：所述纳米砖转向角θ的工作范围为0到180°。

5.根据权利要求4所述的基于双通道偏振复用的三基色彩色全息超表面，其特征在于：所述计算全息片的R、G、B三基色成分需根据各成分对应的波长进行相应的图像缩放处理，其对应变换关系为：

T’_G＝T_G,

式中T和T'分别表示原始图像和缩放后图像。

6.根据权利要求5所述的基于双通道偏振复用的三基色彩色全息超表面，其特征在于：所述计算全息片的R、G、B三基色成分需要进行空域和空间频域之间的变换，其变换关系为：

式中，x、y、z为空间坐标，(k_x,k_y,k_z)为该点对应的光传播矢量，

为入射光波数，与入射光波长有关。

7.根据权利要求6所述的基于双通道偏振复用的三基色彩色全息超表面，其特征在于：对应RCP偏振通道的绿色(G)成分的图像中心应能够在空间旋转180°后和对应LCP偏振通道的红色(R)和蓝色(B)成分的中心重合。

8.一种设计如权利要求1-2或4-7所述基于双通道偏振复用的三基色彩色全息超表面的方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1：当圆偏振光入射时，反射光中的正交反向圆偏振成分会携带一个附加相位，用于产生相位型计算全息图；为此，根据彩色全息图R、G、B三基色入射光波长，以纳米砖的同向圆偏振反射率应小于反向圆偏振反射率为目标，通过电磁仿真对纳米砖结构尺寸进行优化；

S2：将彩色图像分解为R、G、B三基色成分，分别针对相应波长的入射光设计三幅全息图，要求R、G、B三基色成分成像在同一空间区域；

S3：由于R、G、B三基色成分的波长不同，不同成分的全息图像大小与波长成正比，为了保证三种基色成分成像大小保持一致，且能最终叠加重合在一起，需要预先根据各成分对应的波长进行相应的图像缩放处理；

S4：由于R、G、B三基色成分的波长不同，在正入射情况下将衍射到不同的角度上，为了保证三种基色成分能在同一空间区域重合而实现彩色全息，需要预先根据波长完成各基色成分目标图像从空域到空间频域的变换；与此同时，需要适当增大远场全息图像的衍射角，以避免三基色成分在空间频域发生重叠的现象；

S5：计算全息片的绿色G成分对应入射的RCP偏振通道，红色R和蓝色B成分对应入射的LCP偏振通道，两通道相互正交，且成像空间相互共轭；因此计算全息片对应的G成分图像中心应能够在空间旋转180°后和R、B成分的中心重合；

S6：在上述R、G、B三基色成分对应的三幅全息图在空间频域的叠加，得到最终的目标计算全息片；结合GS算法，利用所述的相位调控量确定纳米砖阵列的转向角分布；

S7：根据优化得到的纳米砖尺寸和转向角分布，利用光刻工艺将所述的超表面制备为一个相位型彩色全息超表面；

S8：当LCP偏振的红光、蓝光和RCP偏振的绿光同时正入射在上述彩色全息超表面上，将在远场显示出一幅彩色全息图像。

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