CN113655557A - 一种通过基于超构表面的动态彩色全息器件及其制作方法 - Google Patents
一种通过基于超构表面的动态彩色全息器件及其制作方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113655557A CN113655557A CN202110773269.3A CN202110773269A CN113655557A CN 113655557 A CN113655557 A CN 113655557A CN 202110773269 A CN202110773269 A CN 202110773269A CN 113655557 A CN113655557 A CN 113655557A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- super
- layer
- phase
- liquid crystal
- nano
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 claims abstract description 60
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 19
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 claims abstract description 16
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000001093 holography Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000013461 design Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 72
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 31
- 239000002061 nanopillar Substances 0.000 claims description 19
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 11
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 9
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 claims description 9
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 8
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 8
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 7
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 7
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 claims description 6
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 6
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims description 5
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims description 5
- 239000004988 Nematic liquid crystal Substances 0.000 claims description 4
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 claims description 4
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 4
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 claims description 4
- 239000004568 cement Substances 0.000 claims description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 3
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910007261 Si2N3 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 claims description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 2
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 claims description 2
- CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N hafnium(IV) oxide Inorganic materials O=[Hf]=O CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000001376 precipitating effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 2
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 claims 1
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000012788 optical film Substances 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/32—Holograms used as optical elements
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
- G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
- G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
- G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
- G02F1/1341—Filling or closing of cells
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
- G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
- G03H1/22—Processes or apparatus for obtaining an optical image from holograms
- G03H1/2286—Particular reconstruction light ; Beam properties
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
- G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
- G03H1/26—Processes or apparatus specially adapted to produce multiple sub- holograms or to obtain images from them, e.g. multicolour technique
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Liquid Crystal (AREA)
- Holo Graphy (AREA)
Abstract
本发明公开了一种通过基于超构表面的动态彩色全息器件及其制作方法，动态彩色全息器件由液晶层和超构表面层组成。动态彩色全息器件的制作方法，主要包括超构表面的设计制造方法和液晶的封装方法。本发明将超构表面与液晶的偏振调控功能相结合，实现了器件在同一线偏振光入射的情况下彩色全息图案的动态切换。通过对超构表面上的纳米柱进行仔细设计能过自然实现对不同颜色波长独立控制，从而能使不同波长对应的全息图像成像在同一位置，实现彩色全息。采用电控调谐的方式，调谐过程简单；本发明利用粒子群算法对超构表面上各位置处的纳米结构单元进行相位匹配，它相对其他匹配算法，会更简单容易实现并且没有许多参数的调节。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过基于超构表面的动态彩色全息器件及其制作方法，属于彩色全息显示技术领域。
背景技术
彩色全息显示是一种能够生动地记录和再现彩色的全息像的三维显示技术，其基本原理是通过叠加三个单色全息像来生成彩色全息再现像。与单色全息不同，彩色全息需保证对于不同波长的单色光生成的各全息像能在同一位置进行叠加，但因为全息显示利用的是衍射成像，所以不同波长的光成像位置是不同的，因此需采取特殊的手段让各单色全息像能在同一位置叠加。同时又因为重构的像大小也是与波长相关的，所以需对三个颜色分量对应的图像大小进行相应的缩放确保它们在叠加时有相同的尺寸大小。除此之外，在衍射过程中会不可避免地会产生不必要的衍射光从而影响重构图像的质量，由上，实现彩色全息是具有挑战性的。
近年来提出了一种利用超构表面来实现彩色全息技术的方法，与传统光学元件通过改变光在其中的传播路径来改变相位不同，超构表面是一种新型的平面光学调控元件，通过改变其上周期或非周期性排列的亚波长尺寸大小的散射体的形状、大小、位置和方向能够实现对光波的振幅、相位和偏振的任意调控。
而将超构表面和彩色全息结合在一起能实现特别的优势，其一，利用算法对超构表面上的散射体进行仔细设计能够使各单色图像显示在同一特定位置；其二，由于亚波长像素的尺寸显著减小能消除不需要的高级衍射光从而有助于改善全息图像。
但现如今的超构表面全息技术大部分都是静态的，超构表面一旦制成，最终生成的全息图案便是固定的，而实际应用需要对光学波段的超构表面进行动态调制。于是将双折射液晶与全介质超构表面集成在一起以实现动态调控。
液晶对入射光进行相位调控的基本原理是通过电来调节液晶分子的取向，从而实现不同的相位延迟，即液晶是充当波片来对入射光的偏振态进行调控。
所以将液晶和超构表面集成在一起之后，即将结合超构表面结构旋转角相关的几何相位和液晶分子的偏振调控能力，实现了两个偏振通道的彩色全息切换。本发明的目的是提供一种通过基于超构表面的动态彩色全息器件及其制作方法，通过将设计的多波长通道超构表面与液晶集成在一起，利用电压控制液晶的取向从而对入射的红、绿、蓝(RGB)光进行整体调控，再通过设计好的超构表面对其进行调控从而实现动态彩色全息。
发明内容
本发明采用的技术方案为一种基于超构表面的动态彩色全息器件，由液晶层和超构表面层组成。液晶层包括第一层透明介质衬底，用于供光入射；第一层氧化铟锡透明电极ITO，镀在第一层透明介质衬底上，用于导电，与外部电源连接；第一层光致取向层，涂布在ITO薄膜上；向列相液晶，灌入两层取向层之间的大量间隙中，用于改变光的偏振态；第二层光致取向层，两层取向层之间由充满大量间隙的间隔物支撑；第二层氧化铟锡透明电极，叠设在第二层光致取向层之上，与上述外部电源连接；第二层透明介质衬底，叠设于第二层氧化铟锡透明电极，用于液晶层的光出射。超构表面层包括透明介质衬底，叠设于液晶层的第二层透明介质衬底，用于入射从液晶层出射的光；电介质矩形纳米结构阵列，按一定规律分布在透明介质衬底上，用于调控出射光，以得到最后的全息图案。
TIABC＝(超表面OR超构表面OR metasurface)AND TIABC＝(彩色全息)AND TIABC＝(动态)
一种基于超构表面的动态彩色全息器件的制作方法，主要包括超构表面的设计制造方法和液晶的封装方法。
首先需要获得不同尺寸的纳米柱结构所提供的相应相位，其次根据几何相位原理可知，纳米柱结构面内角度的二倍对应了该结构的相位调制值。通过在介质衬底上按周期排布不同结构尺寸、不同面内旋转角的矩形纳米结构可以构造位置各异的琼斯矩阵，从而对RGB三种颜色波长进行调控，使它们成像在同一位置。同时利用粒子群算法对超构表面所需的相位分布进行不同位置处的结构形状匹配，以还原特定全息图案的相位信息。最终实现彩色全息。而液晶的加入是为了实现动态调控，在不改变入射光的情况下，通过对液晶盒两端的电极加压以改变液晶的取向，从而对入射光实现相位调制以得到与原出射光旋向相反的偏振光，而因本发明中的超构表面是可以对两种特定偏振光入射条件下提供两套不同的相位，从而得到两套不同的彩色全息图案，因此实现了彩色全息的动态调控。
一种基于超构表面的动态彩色全息器件的制作方法：首先是对液晶层的制作，选择透明介质衬底，其上生长有一层ITO透明电极薄膜，在ITO薄膜上涂布光致取向层，然后在取向层上喷撒间隔物(间隔物中有大量间隙用来放置液晶)，同时在带有第二层氧化铟锡透明电极薄膜的顶层透明衬底层上旋涂第二层取向层，之后将涂有取向层的面相对间隔物放置，然后将两片衬底胶装成盒，最后再向间隔物中灌注液晶完成封装并使用导线引出电极。其次是对超构表面的制作，同样是选择透明介质衬底，在其上涂布PMMA，烘烤，使用电子束光刻技术曝光显影，然后使用原子层沉积技术沉淀电介质材料得到电介质纳米结构阵列和材料包覆层，然后使用离子束刻蚀技术去除材料包覆层，最后使用反应离子束刻蚀技术去除PMMA，完成超构表面制作。最后用光学胶将超构表面组装到液晶层外表面，即制得本发明所述的具有动态彩色全息功能的微纳集成器件。
可选的，所述纳米柱结构的材料包括TiO2、HfO2、ZrO2、GaN、Si2N3、Si、GaAs、ZnS或AlN。
本发明公开的一种通过基于超构表面的动态彩色全息器件及其制作方法。该器件由液晶层和超构表面层组成，液晶层包括底层透明介质衬底、第一层氧化铟锡透明电极ITO、第一层光致取向层、向列相液晶、第二层光致取向层和第二层氧化铟锡透明电极，以及顶层透明介质衬底。超构表面层包括透明介质衬底和电介质纳米柱结构阵列。最后通过光学胶将超构表面组装到液晶层外表面。该基于超构表面的动态微纳集成器件先通过对两层氧化铟锡透明电极施加电压，从而使得向列相液晶的取向发生变化，对入射光的波前进行人为的调控，再通过顶层的纳米柱结构阵列调控从液晶层出射的光的相位，最终为实现彩色全息提供技术支持。该器件的实现方法主要包括两大部分：超构表面的设计制造和液晶的封装。相比较现有的超构表面器件而言，本发明具备集成度高，动态的，易加工，多功能等优点。
本发明相对于现有的技术具有如下的优点及效果：
1.通过将超构表面与液晶的偏振调控功能相结合，实现了器件在同一线偏振光入射的情况下彩色全息图案的动态切换。
2.通过对超构表面上的纳米柱进行仔细设计能过自然实现对不同颜色波长独立控制，从而能使不同波长对应的全息图像成像在同一位置，实现彩色全息。
3.本发明采用电控调谐的方式，调谐过程简单，不需要复杂的控制系统，性能稳定，并且结构组成简单，平面结构使得加工简单，可大批量制造。
4.本发明的超构表面可在一定波长范围内使用，通过选择不同的材料，可以在紫外波段、可见光波段和红外波段使用。
5.本发明利用粒子群算法对超构表面上各位置处的纳米结构单元进行相位匹配，它相对其他匹配算法，会更简单容易实现并且没有许多参数的调节。
附图说明
图1为本发明基于超构表面的动态微纳集成器件的组成示意图。
图2为本发明实现动态微纳集成器件全息图切换的示意图。
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，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：
图1为本发明基于超构表面的动态微纳集成器件的组成示意图。其中，1为底层透明介质衬底，2为第一层氧化铟锡透明电极(ITO)，3为第一层光致取向层，4为向列相液晶，5为第二层光致取向层，6为第二层氧化铟锡透明电极，7为顶层透明介质衬底，8为光学胶，9为超构表面中的底层透明介质衬底，10为电介质纳米柱。
图2为本发明实现动态微纳集成器件全息图切换的示意图。其中，11为RGB三种入射线偏振光，12为对应出射的左旋圆偏振光，13为重建的全息图，14为RGB三种入射的同一线偏振光，15为对应出射的右旋圆偏光，16为此状态下重建的全息图。
将每一个纳米柱结构看成一个线性双折射单元，则面内角度为θ的纳米柱结构将会引入一个传递矩阵，在入射光与出射光之间作用，可用以下琼斯矩阵进行表达：
其中，
和
分别是入射光沿纳米结构长轴和短轴的相位延迟，θ为纳米结构的面内旋转角，R(θ)为旋转矩阵。
上述的T(θ)看作与纳米结构尺寸相关的传递矩阵，则入射和出射电场关系可以表达为Eo＝TEi，当圆偏振光入射时，会产生与纳米柱结构面内角度θ相关的附加相位，推导出出射场的表达式为：
其中±表示旋向，分别对应于左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，式中右侧的第一项表示与入射光具有相同极性的圆偏振光束，第二项表示具有相反极性的圆偏振光束，附加的几何相位为2θ。所以将纳米柱结构的面内角度从0°旋转到180°，出射的相反极性圆偏振光的相位即可覆盖0-2π的范围。
为了实现彩色全息图案的切换，考虑设计偏振双通道的全息超构表面，对于不同通道的相位分布，设计一个相位剖面
来控制右旋圆偏振光入射时的相位分布，在给定的Z平面上重建独立的全息图像，设计另一个相位剖面
来控制左旋圆偏振光入射时的相位分布，并且在同一Z平面上重建全息图像。然后通过表达式
将这两个相位剖面组合到一起，并且编码到单一的纳米柱结构，通过入射线偏振光，再对液晶施加不同的电压，实现不同极性圆偏振光的切换，就能实现器件不同偏振通道的彩色全息图像切换显示。
为构造出所需的超构表面，首先需通过FDTD仿真软件跑出包含纳米柱结构的长宽、转角和对应相位信息的数据库，再利用GS迭代算法将所需展示出的全息图案的相位算出来，最后根据得到的相位设计超构表面，即将数据库中的纳米柱结构根据相位匹配到对应的超构表面每一坐标位置处。
因此只需在Matlab软件中应用粒子群算法，从数据库中选取不同位置所需的结构尺寸以匹配相位差，同时满足基础相位和相位差的需求就可以构造出所需的超构表面。
液晶是一种兼有液体和晶体部分性质的中间态，具有液体的流动性和晶体的各项异性，且其内部组织的排列方式对外部环境较为敏感，外加电压的改变能够影响液晶材料的折射率以及极化方向。液晶的折射率可以用式子进行表达：
其中，n为液晶的等效折射率，θ为光入射方向与液晶分子长轴的夹角，no为液晶对于寻常光的折射率，ne为液晶对于非常光的折射率。
光通过液晶的相位延迟可以表达为：
其中，d为液晶层厚度，λ为入射光波长。因此，利用外加电压改变液晶的取向角度，就能实现液晶对入射光的相位调控，完成器件彩色全息图案的切换。
Claims (8)
1.一种基于超构表面的动态彩色全息器件，其特征在于：由液晶层和超构表面层组成；液晶层包括第一层透明介质衬底，用于供光入射；第一层氧化铟锡透明电极ITO，镀在第一层透明介质衬底上，用于导电，与外部电源连接；第一层光致取向层，涂布在ITO薄膜上；向列相液晶，灌入两层取向层之间的大量间隙中，用于改变光的偏振态；第二层光致取向层，两层取向层之间由充满大量间隙的间隔物支撑；第二层氧化铟锡透明电极，叠设在第二层光致取向层之上，与上述外部电源连接；第二层透明介质衬底，叠设于第二层氧化铟锡透明电极，用于液晶层的光出射；超构表面层包括透明介质衬底，叠设于液晶层的第二层透明介质衬底，用于入射从液晶层出射的光；电介质矩形纳米结构阵列，按一定规律分布在透明介质衬底上，用于调控出射光，以得到最后的全息图案。
2.一种基于超构表面的动态彩色全息器件的制作方法，其特征在于：包括超构表面的设计制造方法和液晶的封装方法；
首先需要获得不同尺寸的纳米柱结构所提供的相应相位，其次根据几何相位原理可知，纳米柱结构面内角度的二倍对应了该结构的相位调制值；通过在介质衬底上按周期排布不同结构尺寸、不同面内旋转角的矩形纳米结构构造位置各异的琼斯矩阵，从而对RGB三种颜色波长进行调控，成像在同一位置；同时利用粒子群算法对超构表面所需的相位分布进行不同位置处的结构形状匹配，以还原特定全息图案的相位信息；最终实现彩色全息；而液晶的加入是为了实现动态调控，在不改变入射光的情况下，通过对液晶盒两端的电极加压以改变液晶的取向，从而对入射光实现相位调制以得到与原出射光旋向相反的偏振光，而因本发明中的超构表面是可以对两种特定偏振光入射条件下提供两套不同的相位，从而得到两套不同的彩色全息图案，因此实现了彩色全息的动态调控。
3.一种基于超构表面的动态彩色全息器件的制作方法：首先是对液晶层的制作，选择透明介质衬底，其上生长有一层ITO透明电极薄膜，在ITO薄膜上涂布光致取向层，然后在取向层上喷撒间隔物，间隔物中有大量间隙用来放置液晶，同时在带有第二层氧化铟锡透明电极薄膜的顶层透明衬底层上旋涂第二层取向层，之后将涂有取向层的面相对间隔物放置，然后将两片衬底胶装成盒，最后再向间隔物中灌注液晶完成封装并使用导线引出电极；其次是对超构表面的制作，同样是选择透明介质衬底，在其上涂布PMMA，烘烤，使用电子束光刻技术曝光显影，然后使用原子层沉积技术沉淀电介质材料得到电介质纳米结构阵列和材料包覆层，然后使用离子束刻蚀技术去除材料包覆层，最后使用反应离子束刻蚀技术去除PMMA，完成超构表面制作；最后用光学胶将超构表面组装到液晶层外表面，即制得本发明所述的具有动态彩色全息功能的微纳集成器件。
4.根据权利要求3所述的一种基于超构表面的动态彩色全息器件的制作方法，其特征在于：所述纳米柱结构的材料包括TiO2、HfO2、ZrO2、GaN、Si2N3、Si、GaAs、ZnS或AlN。
5.根据权利要求3所述的一种基于超构表面的动态彩色全息器件的制作方法，其特征在于：将每一个纳米柱结构看成一个线性双折射单元，则面内角度为θ的纳米柱结构将会引入一个传递矩阵，在入射光与出射光之间作用，可用以下琼斯矩阵进行表达：
其中，
和
分别是入射光沿纳米结构长轴和短轴的相位延迟，θ为纳米结构的面内旋转角，R(θ)为旋转矩阵；
上述的T(θ)看作与纳米结构尺寸相关的传递矩阵，则入射和出射电场关系可以表达为Eo＝TEi，当圆偏振光入射时，会产生与纳米柱结构面内角度θ相关的附加相位，推导出出射场的表达式为：
其中±表示旋向，分别对应于左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，式中右侧的第一项表示与入射光具有相同极性的圆偏振光束，第二项表示具有相反极性的圆偏振光束，附加的几何相位为2θ；所以将纳米柱结构的面内角度从0°旋转到180°，出射的相反极性圆偏振光的相位即可覆盖0-2π的范围。
6.根据权利要求3所述的一种基于超构表面的动态彩色全息器件的制作方法，其特征在于：为实现彩色全息图案的切换，考虑设计偏振双通道的全息超构表面，对于不同通道的相位分布，设计一个相位剖面
来控制右旋圆偏振光入射时的相位分布，在给定的Z平面上重建独立的全息图像，设计另一个相位剖面
来控制左旋圆偏振光入射时的相位分布，并且在同一Z平面上重建全息图像；然后通过表达式
将这两个相位剖面组合到一起，并且编码到单一的纳米柱结构，通过入射线偏振光，再对液晶施加不同的电压，实现不同极性圆偏振光的切换，就能实现器件不同偏振通道的彩色全息图像切换显示。
7.根据权利要求3所述的一种基于超构表面的动态彩色全息器件的制作方法，其特征在于：为构造出超构表面，首先需通过FDTD仿真软件跑出包含纳米柱结构的长宽、转角和对应相位信息的数据库，再利用GS迭代算法将所需展示出的全息图案的相位算出来，最后根据得到的相位设计超构表面，即将数据库中的纳米柱结构根据相位匹配到对应的超构表面每一坐标位置处。
在Matlab软件中应用粒子群算法，从数据库中选取不同位置所需的结构尺寸以匹配相位差，同时满足基础相位和相位差的需求构造出所需的超构表面。
8.根据权利要求3所述的一种基于超构表面的动态彩色全息器件的制作方法，其特征在于：利用外加电压改变液晶的取向角度，就能实现液晶对入射光的相位调控，完成器件彩色全息图案的切换。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110773269.3A CN113655557A (zh) | 2021-07-08 | 2021-07-08 | 一种通过基于超构表面的动态彩色全息器件及其制作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110773269.3A CN113655557A (zh) | 2021-07-08 | 2021-07-08 | 一种通过基于超构表面的动态彩色全息器件及其制作方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113655557A true CN113655557A (zh) | 2021-11-16 |
Family
ID=78489240
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110773269.3A Pending CN113655557A (zh) | 2021-07-08 | 2021-07-08 | 一种通过基于超构表面的动态彩色全息器件及其制作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113655557A (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114326350A (zh) * | 2021-12-06 | 2022-04-12 | 武汉大学 | 基于水凝胶纳米微腔实现动态结构色及全息切换的方法 |
| CN114779473A (zh) * | 2022-04-02 | 2022-07-22 | 武汉大学 | 基于液晶-叠层超表面的动态ar显示系统及其显示方法 |
| CN114994809A (zh) * | 2022-08-04 | 2022-09-02 | 中山大学 | 一种透射式动态超构表面器件 |
| US11809055B2 (en) | 2019-02-04 | 2023-11-07 | Elstar Dynamics Patents B.V. | Optical modulator |
| US12001114B2 (en) | 2019-02-04 | 2024-06-04 | Elstar Dynamics Patents B.V. | Optical modulator |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107561857A (zh) * | 2017-09-20 | 2018-01-09 | 南方科技大学 | 一种基于纳米压印制备光学超构表面的方法 |
| CN109884808A (zh) * | 2019-04-18 | 2019-06-14 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于介质柱结构的离轴入射多波长色散调控超表面 |
| US20190294104A1 (en) * | 2018-03-22 | 2019-09-26 | Postech Academy-Industry Foundation | Dielectric based metasurface hologram device and manufacturing method of same and display device having same |
| CN110865475A (zh) * | 2020-01-20 | 2020-03-06 | 南京芯视元电子有限公司 | 一种高衍射效率相位型空间光调制器 |
| CN112015015A (zh) * | 2020-10-26 | 2020-12-01 | 深圳珑璟光电科技有限公司 | 一种显示模组以及显示模组的制备方法 |
| WO2021031807A1 (zh) * | 2019-08-21 | 2021-02-25 | 深圳珑璟光电技术有限公司 | 偏振多通道超构表面光学元件及重建全彩全息图像的方法 |
-
2021
- 2021-07-08 CN CN202110773269.3A patent/CN113655557A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107561857A (zh) * | 2017-09-20 | 2018-01-09 | 南方科技大学 | 一种基于纳米压印制备光学超构表面的方法 |
| US20190294104A1 (en) * | 2018-03-22 | 2019-09-26 | Postech Academy-Industry Foundation | Dielectric based metasurface hologram device and manufacturing method of same and display device having same |
| CN109884808A (zh) * | 2019-04-18 | 2019-06-14 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于介质柱结构的离轴入射多波长色散调控超表面 |
| WO2021031807A1 (zh) * | 2019-08-21 | 2021-02-25 | 深圳珑璟光电技术有限公司 | 偏振多通道超构表面光学元件及重建全彩全息图像的方法 |
| CN110865475A (zh) * | 2020-01-20 | 2020-03-06 | 南京芯视元电子有限公司 | 一种高衍射效率相位型空间光调制器 |
| CN112015015A (zh) * | 2020-10-26 | 2020-12-01 | 深圳珑璟光电科技有限公司 | 一种显示模组以及显示模组的制备方法 |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11809055B2 (en) | 2019-02-04 | 2023-11-07 | Elstar Dynamics Patents B.V. | Optical modulator |
| US12001114B2 (en) | 2019-02-04 | 2024-06-04 | Elstar Dynamics Patents B.V. | Optical modulator |
| US12007660B2 (en) | 2021-06-24 | 2024-06-11 | Elstar Dynamics Patents B.V. | Light modulator, substrate comprising electrodes and smart glazing |
| CN114326350A (zh) * | 2021-12-06 | 2022-04-12 | 武汉大学 | 基于水凝胶纳米微腔实现动态结构色及全息切换的方法 |
| CN114779473A (zh) * | 2022-04-02 | 2022-07-22 | 武汉大学 | 基于液晶-叠层超表面的动态ar显示系统及其显示方法 |
| CN114994809A (zh) * | 2022-08-04 | 2022-09-02 | 中山大学 | 一种透射式动态超构表面器件 |
| CN114994809B (zh) * | 2022-08-04 | 2022-10-28 | 中山大学 | 一种透射式动态超构表面器件 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113655557A (zh) | 一种通过基于超构表面的动态彩色全息器件及其制作方法 | |
| Jiang et al. | When metasurface meets hologram: principle and advances | |
| CN110865475B (zh) | 一种高衍射效率相位型空间光调制器 | |
| Intaravanne et al. | Recent advances in optical metasurfaces for polarization detection and engineered polarization profiles | |
| US20220057749A1 (en) | Method for Holographic Mastering and Replication | |
| Zhan et al. | Pancharatnam–Berry optical elements for head-up and near-eye displays | |
| CN103472521B (zh) | 低扭曲手性液晶偏振光栅和相关制造方法 | |
| US20190064735A1 (en) | Methods and Apparatus for Compensating Image Distortion and Illumination Nonuniformity in a Waveguide | |
| Deng et al. | Recent progress in metasurface-enabled optical waveplates | |
| US20150177688A1 (en) | Apparatus for copying a hologram | |
| CN112147817A (zh) | 一种基于超表面的纯相位空间光调制器 | |
| CN110618535A (zh) | 偏振多通道超构表面光学元件及重建全彩全息图像的方法 | |
| Ren et al. | Non-orthogonal polarization multiplexed metasurfaces for tri-channel polychromatic image displays and information encryption | |
| CN111103731B (zh) | 基于介质超透镜阵列的2d/3d可切换显示装置 | |
| US20230141643A1 (en) | Out-of-plane computer-generated multicolor waveguide holography | |
| CN106054287A (zh) | 一种可见光波段变换的光学器件结构单元及光学器件 | |
| CN104049424A (zh) | 用于全息视频显示的硅基液晶空间光调制器的像素结构 | |
| Deng et al. | Multi-freedom metasurface empowered vectorial holography | |
| Yousefzadeh et al. | Design of a large aperture, tunable, Pancharatnam phase beam steering device | |
| CN113820895A (zh) | 一种基于超构表面的像素化动态全息显示器件及实现方法 | |
| Yang et al. | Gap-plasmon-driven spin angular momentum selection of chiral metasurfaces for intensity-tunable metaholography working at visible frequencies | |
| CN112015015B (zh) | 一种显示模组以及显示模组的制备方法 | |
| Guo et al. | Broad-tuning, dichroic metagrating Fabry-Perot filter based on liquid crystal for spectral imaging | |
| Maruthiyodan Veetil et al. | Nanoantenna induced liquid crystal alignment for high performance tunable metasurface | |
| CN106773089A (zh) | 基于偏振全息光栅的三维显示装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20211116 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |