CN114779473A - 基于液晶-叠层超表面的动态ar显示系统及其显示方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于液晶‑叠层超表面的动态AR显示系统及其显示方法，所述系统由叠层超表面和液晶构成，按照液晶‑叠层超表面顺序依次排布，所述叠层超表面由一个光束导向超表面和两个全息超表面集成在同一平面。利用其实现动态AR全息显示的方法为：确定工作波长；不同偏振入射光经过光束导向超表面分别去向左右两边的全息超表面；集成液晶调节外界电压实现动态AR全息显示。本发明将多个超表面集成在同一平面，只需要进行一次电子束曝光且不存在纳米尺度上的对准问题，同时具有结构简单、尺度小易于集成等优点。集成液晶后实现动态AR全息显示系统，可广泛应用于下一代可穿戴AR显示装置等动态元光学显示领域。

Description

基于液晶-叠层超表面的动态AR显示系统及其显示方法
技术领域
本发明涉及衍射光学和AR显示技术领域，具体涉及一种基于液晶-叠层超表面的动态AR显示系统及其显示方法。
背景技术
面向新一代复杂的多用途元设备和系统，单层超表面所提供的设计自由度已经不能满足需求，因此，多层超表面的引入为元光学和系统创造新的设计空间成为必然，那么多层超表面之间进行级联和耦合是不可避免的。然而，由于实际制造的限制，在纳米尺度上对多层膜对准的精确要求是非常具有挑战性的，从而阻碍了目前最先进的元光学器件集成及其实际应用。另一方面，在向智能光学器件发展的趋势中，动态可调性对元器件的功能也至关重要。各种动态机制，包括声、光、电、热方案，在实现可切换的光学性能上都有所研究。在这些有源调制方法中，电驱动液晶由于其性能稳定、易于获取和具有快速的调制速率，在与元器件集成实现光学性能可调功能上展示了巨大潜力。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供了一种基于液晶-叠层超表面的动态AR显示系统及其显示方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种基于液晶-叠层超表面的动态AR显示系统，其特征在于：该系统由叠层超表面和集成液晶构成，按照液晶-叠层超表面顺序依次排布；
所述叠层超表面由一个光束导向超表面和两个全息超表面集成在同一个平面上，按照全息超表面-光束导向超表面-全息超表面顺序依次排布在同一个平面上；
所述光束导向超表面和全息超表面的单元结构为纳米砖；
所述动态AR全息显示系统对单一波长响应。
作为优选方案，所述叠层超表面均为亚波长尺度。
进一步地，所述纳米砖的材料为硅，基底为二氧化硅。
第二方面，本发明提供一种基于叠层超表面集成液晶的动态AR全息显示方法，其特征在于：利用如上任一所述基于液晶-叠层超表面的动态AR显示系统，包括如下步骤：
S1：确定AR全息显示的波长；
S2：扫描单元结构的长宽，优选合适的单元结构组成光束导向超表面和全息超表面；
S3：根据光栅方程确定光束的偏转角度大于全反射临界角；
S4：将光束导向超表面和两个全息超表面按照全息超表面-光束导向超表面-全息超表面顺序依次集成排列在同一个平面上，组成叠层超表面；
S5：最后将该叠层超表面与液晶按照液晶-叠层超表面顺序依次排列进行集成，实现电驱动实时AR全息显示。
本发明提供的基于叠层超表面集成液晶的电驱动动态AR全息显示系统的应用为：所述基于叠层超表面集成液晶的电驱动动态AR全息显示系统可应用于下一代可穿戴AR显示装置上。
本发明的优点及有益效果如下：
1、同时将多个超表面集成在同一个平面上，只需要进行单次电子束曝光并且没有纳米尺度上的对准问题，且结构简单易于加工，同时还具有超微尺寸，易于集成等重要优点。
2、不同的全息显示图像可以进行独立编码，通过将液晶与超表面进行集成，调节外界电压，就可以实现对AR全息的实时动态调节，设计十分简单。
3、本发明设计的基于叠层超表面集成液晶的电驱动AR全息显示系统，可以实时的切换漂浮在真实场景中的全息图像，可应用于下一代可穿戴AR显示装置等动态元光学显示领域。
附图说明
图1是本发明中叠层超表面单元结构示意图；
图2是本发明实施例中在叠层超表面中的光束追踪仿真效果图；
图3是本发明实施例中实验测量的光路图；
图4是本发明实施例中基于叠层超表面集成液晶的电驱动全息显示实验结果图；
图5是本发明中基于叠层超表面集成液晶的电驱动AR全息显示系统的实验结果图；
图6是本发明中基于叠层超表面集成液晶的电驱动AR全息显示系统示意图；
图中：1-纳米砖；2-基底；H为硅纳米砖的厚度、L为纳米砖长度、W为纳米砖宽度。
具体实施方式
为了更清楚的说明本发明结构以及其实现的功能，下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例为一种基于叠层超表面集成液晶的电驱动AR全息显示系统。
作为实施例，所设计叠层超表面的单元结构图如图1所示，由二氧化硅基底和硅纳米砖组成，上层硅纳米转的长度为L，宽度为W，高度为H。所述叠层超表面由一个光束导向超表面和两个全息超表面集成在同一个平面上，其中光束导向超表面置于中间，它的大小为400×400μm2，两个全息超表面的大小为300×300μm2分别置于光束导向超表面两侧，它们与置于中间的光束导向超表面距离均为710μm。通过精心的扫描结构尺寸，使得光束导向超表面具有最佳的转换效率。构成光束导向超表面的3种单元结构参数分别为L1＝70nm，W1＝110nm，H1＝380nm；L2＝140nm，W2＝100nm，H2＝380nm；L3＝100nm，W3＝140nm，H3＝380nm。构成两个全息超表面的2种单元结构参数分别为L1＝200nm，W1＝100nm，H1＝380nm；L2＝160nm，W2＝160nm，H2＝380nm。采用时域有限差分(FDTD)仿真方法对光路折叠性能进行了光线跟踪，验证了多个超表面间的精确光学耦合。不同偏振入射光经过光束导向超表面后分别被偏转至左右两侧，并分别从两侧的超表面耦合出去，如图2所示。
在本实施例的设计中，通过将液晶与超表面进行集成，实现了动态可调的全息显示。在工作波长633nm处，通过搭建如图3所示的光学测量装置，调节外界电压能够实时切换两幅全息图像，在0V时显示数字“1234”，在5V时显示字母“AB C D”，如图4所示。在本实施例中，该系统能够运用到动态AR全息显示中，可以将不同的全息显示图像独立编码到两侧各自的超表面，并投射到人眼(左眼和右眼)进行动态AR显示。图5示出了所设计系统能够实时切换悬浮在真实场景中的两幅全息图，在施加外界电压0V时，显示数字“78”，在施加外界电压5V时，显示字母“G H”。所设计的基于叠层超表面集成液晶的电驱动AR全息显示系统如图6所示，该系统由叠层超表面集成液晶构成，按照液晶-叠层超表面顺序一次排布；叠层超表面由一个光束光束导向超表面和两个全息超表面集成在同一个平面上，按照全息超表面-光束导向超表面-全息超表面顺序依次排布在同一个平面上；在施加不同电压时，可以切换漂浮在真实场景中的两幅全息图像。

Claims (4)

1.一种基于液晶-叠层超表面的动态AR显示系统，其特征在于：该系统由叠层超表面和集成液晶构成，按照液晶-叠层超表面顺序依次排布；
所述叠层超表面由一个光束导向超表面和两个全息超表面集成在同一个平面上，按照全息超表面-光束导向超表面-全息超表面顺序依次排布在同一个平面上；
所述光束导向超表面和全息超表面的单元结构为纳米砖；
所述动态AR全息显示系统对单一波长响应。
2.根据权利要求1所述基于叠层超表面集成液晶的动态AR全息显示系统，其特征在于：所述叠层超表面均为亚波长尺度。
3.根据权利要求1或2所述基于叠层超表面集成液晶的动态AR全息显示系统，其特征在于：所述纳米砖的材料为硅，基底为二氧化硅。
4.一种基于叠层超表面集成液晶的动态AR全息显示方法，其特征在于：利用如权利要求1至3中任一所述基于液晶-叠层超表面的动态AR显示系统，包括如下步骤：
S1：确定AR全息显示的波长；
S2：扫描单元结构的长宽，优选合适的单元结构组成光束导向超表面和全息超表面；
S3：根据光栅方程确定光束的偏转角度大于全反射临界角；
S4：将光束导向超表面和两个全息超表面按照全息超表面-光束导向超表面-全息超表面顺序依次集成排列在同一个平面上，组成叠层超表面；
S5：最后将该叠层超表面与液晶按照液晶-叠层超表面顺序依次排列进行集成，实现电驱动实时AR全息显示。
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