CN114815252B - 基于片上超表面的屏幕显示与ar全息同步的方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微纳光学、集成光子学技术、透明屏幕显示和增强现实显示技术领域，公开了一种基于片上超表面的屏幕显示与AR全息同步的方法及应用。本发明将双原子纳米结构阵列组成的片上超表面集成在波导上方，结合片上干涉原理与迂回相位，实现与双通道透明屏幕显示同步的片上双通道复用全息，同时基于片上超表面的优势，实现双通道复用的AR全息投影显示。本发明工艺简单，设备小型化，多功能显示，易于片上集成；不同通道之间的屏幕显示以及AR全息投影之间没有串扰；展现出与可穿戴设备(眼镜镜片或隐形眼镜)或者手机芯片集成的巨大应用潜力，可广泛用于下一代多通道屏幕显示、AR显示技术、信息存储与加密等领域。

Description

基于片上超表面的屏幕显示与AR全息同步的方法及应用

技术领域

本发明涉及微纳光学、集成光子学技术、透明屏幕显示和增强现实显示技术领域，具体涉及一种基于片上超表面的屏幕显示与AR全息同步的方法及应用。

背景技术

由于在导航、教育、手术、娱乐等各个领域的巨大潜力，用于增强现实(AR)显示的集成光学器件的研究和产业正在蓬勃发展。光波导技术是实现高性能、轻型和紧凑型AR集成光子器件的最有前途的方法之一。通常，传统的光波导器件体积庞大且缺乏对导波的任意控制能力，这给微型集成带来了挑战，并限制了它们的进一步的实际应用。

近年来，由亚波长尺度的二维纳米结构组成的超表面已经实现了各种功能，包括光束偏折控制、超透镜、纳米打印和超全息显示等，这些应用器件具有高光学性能和超紧凑的占地面积，因此受到了极大的关注。除了对空间光进行操纵外，最近将超表面集成到光波导上对导波进行操纵，这些大都集中在近红外区域，从而为光子芯片级设备和微型片上系统提供了新途径。然而，以前大多数的片上超表面主要实现对导波进行提取后的全息相位控制，这限制了它们在具有完全光学可控性和实际多路复用应用中的通用性能。例如，多功能透明显示屏与AR全息显示同步的开发前景广阔，但是由于缺乏编码自由度和合理的设计方法，仍然没有被充分探索。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是通过在波导上方精心排布双原子的纳米结构，并利用其实现一种与AR全息显示同步的多路复用透明屏幕显示技术的方法。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明提供一种片上超表面，其特征在于：包括介质衬底层，所述介质衬底层上的光波导层，所述光波导层上设计有双原子硅纳米砖结构组成的阵列；

所述的双原子硅纳米砖的长宽高均为亚波长尺寸；

所述的双原子硅纳米砖提取导波的强度与双原子纳米砖之间的距离有关；

所述的双原子硅纳米砖具有统一的尺寸；

所述的双原子硅纳米砖的位置由迂回相位计算得到。

第二方面，本发明提供一种基于如权利要求1所述片上超表面的屏幕显示与AR全息同步的方法，其特征在于：包含如下步骤：

S1：由双原子硅纳米结构组成二维阵列位于氮化硅波导上方，二氧化硅作为氮化硅波导的衬底；

S2：以平行于所述光波导层的工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米砖为方形结构，所述方形纳米砖的长轴、短轴均与所述光波导层的工作面平行；所述基于片上超表面的多功能器件中的所有纳米砖的尺寸相同；所述双原子纳米砖能够将导波从波导内提取至自由空间；

S3：双原子纳米砖所提取导波的光强度由双原子之间的距离结合干涉叠加原理确定，所述双原子纳米砖的位置基于迂回相位计算得到；

S4：根据双原子纳米砖提取光的强度信息编码屏幕显示图像，采用四个不同像素的空间复用组合，分别表示x、y通道的“00”“01”“10”和“11”的光学提取强度的四种二进制状态；每个像素中包含四个单元；根据“00”“01”“10”“11”的四种编码态来对x，y通道的透明屏幕显示图像进行空间编码；

S5：然后利用优化的GS算法，生成两个仅相位全息图来重建远场的目标图像；接着结合迂回相位，将前一步得到的相位矩阵换算为位置信息，得到每个像素内对应通道的单元结构内双原子纳米结构的位置排布；

S6：通过将片上干涉原理与迂回相位结合，得到最终实现与全息投影同步的透明屏幕显示的片上超表面二维阵列；

S7：采用波长为λ_x、λ_y的导波分别从波导的x、y方向入射经过波导上方的超表面阵列，能够得到与两幅透明屏幕显示同步的片上双通道全息图。

进一步地，具体步骤如下：

所述S1中：选定分别沿着x、y方向传输导波的波长λ_G、λ_R，同时根据对应的传播常数β_G、β_R计算得到相应的周期P_x、P_y；

所述S2中：根据步骤S1中的周期P_x、P_y，设计具有两种不同距离D₁＝P_x/2、D₂＝P_y/2的双原子纳米砖排布；

根据等式(1)，导波沿着平行于双原子排布方向传输时的提取光强度状态记为“0”，而导波沿着垂直于双原子排布方向传输时的提取光强度状态记为“1”；则D₁提供x方向传输导波时提取光强度的“0”、“1”态，D₂提供y方向传输导波时提取光强度的“0”、“1”态；

所述S3中：将步骤S2中的不同双原子排布的单元结构进行组合，选取4个单元结构作为一个大的像素分别表示对应x，y通道的“00”“01”“10”“11”4种编码态；其中，“00”态的像素对应的4个单元结构内无双原子排布，“01”态和“10”态的像素对应的4个单元结构内分别有一对双原子纳米结构的排布且位于对角线分布，“11”态的像素对应的4个单元结构内的两对双原子纳米结构的排布分别位于对角线排布；

所述S4中：选取两幅二值化的图像作为x，y通道的透明屏幕显示图像，利用步骤S3中的“00”“01”“10”“11”4种编码态对图像进行编码；

所述S5中：采用G-S算法，得到目标远场全息图像的相位矩阵分布，从而根据迂回相位原理和等式(2)，得到对应x通道光强度为“1”的双原子硅纳米砖在单元结构内沿着x方向上的位置信息；同理能够得到y通道方向上光强度为“1”的双原子纳米砖的位置信息；

所述S6中：采用波长为λ_G、λ_R的导波分别从波导的x、y方向入射经过波导上方的超表面阵列，能够得到与两幅透明屏幕显示同步的片上双通道全息图；

所述S7中：利用显微镜能观察到透明屏幕显示的图像；利用手机中的摄像头能直接拍摄到浮动在真实环境中的虚拟图形信息，即AR全息投影的实现；

所述的对绿、红波长的导波响应的单元结构内的双原子纳米结构由硅纳米砖构成，纳米砖的长、宽相等且均为亚波长尺度，且大小完全一致。

更进一步地，采用如上述的基于片上超表面的多功能显示器件的设计方法得到的能够实现与全息投影同步的透明屏幕显示的多功能显示器件作为镜片，集成到AR显示装置中，以实现多通道复用的AR显示，将虚拟全息图像信息投射到真实环境中。

本发明中片上双原子纳米砖提取导波的干涉原理为：

当导波沿着x方向传输经过双原子纳米结构时将会被其提取并解耦合到自由空间，来自同一单元结构内双原子纳米结构的叠加电场E可表示为：

其中x₁/x₂分别表示导波沿x方向传播到每个纳米砖的距离，D＝x₂–x₁代表沿传播方向双原子纳米砖之间的距离。β＝2π·n_eff/λ₀是导波的传播常数，n_eff和λ₀分别为波导的有效折射率和自由空间波长。根据等式(1)，当D＝λ_eff/2(λ_eff＝λ₀/n_eff)时，提取的光学强度将达到最小(记为“0”)，此时处于相消干涉条件；而在D＝0时达到最大值(记为“1”)，处于相长干涉条件。因此，能够通过设计双原子纳米结构之间的距离来操纵其光学提取强度，也为图像显示空间编码的提供了自由度。

本发明中片上双原子纳米砖迂回相位调控原理为：

波导内传输的导波经过双原子纳米结构时将会被其提取并解耦合到自由空间，其相位分布能够由传输导波的相位积累来设计。对于沿着x方向传输的传播常数为β的导波，要实现2π的相位积累，所需的传播长度为S＝2π/β＝λ₀/n_eff＝λ_eff，其中λ₀为自由空间光波长，n_eff为波导的有效折射率。本发明选取S作为双原子纳米结构的周期P＝S，则将双原子纳米结构遍历分布在周期P内0～S的位置时，即可实现0～2π的相位调制。通过计算，纳米砖提取光的迂回相位可表示为：

其中，Δx_m和

为x方向第m个双原子纳米砖在一个周期内沿着x方向的位移和对应的提取相位。因此通过调整双原子纳米砖在波导上方的位置，就能够调节和控制外耦合到自由空间光的位相，由此能够塑造由波导到片外的任意波前，进而实现片上全息功能。

相较于现有技术，本发明具有以下优点和有益效果：

1、在波导上方放置的双原子硅纳米砖，能够将导波提取到自由空间进行操控，双原子结构拓展了光场调控的自由度，所采用的硅纳米结构参数均在波长或亚波长尺度且尺寸相同；

2、通过改变双原子硅纳米砖之间的距离和它们之间的干涉，能够独立地调制近场光散射强度在“0”到“1”之间变化，进而设计“00”“01”“10”“11”两通道的四种态的编码，实现独立的双通道彩色透明屏幕显示，相比于现有其他的需要多层光栅堆叠实现类似屏幕显示相比，这里仅需要波导芯片上的单层超表面结构。

3、同时，进一步引入迂回相位改变双原子纳米砖的位置，即可实现2π范围内相位调制，从而将提取的导波塑造成任意远场波前，以此结合片上双原子干涉，对双原子硅纳米结构的位置和方向同时进行排布设计，从而实现与透明屏幕显示同步的双通道片上全息。

4、由于全电介质结构良好的透明特性以及片上光学传输机理(良好的透明特性能够保证AR显示视场图具有令人满意的成像强度、锐度和清晰度，片上光学传输使得光学零级沿着导波传输方向保证AR视场图免于零级衍射对观察的干扰)，本发明能够基于提出的双原子片上超表面实现与屏幕显示同步的小型化AR全息投影显示，将虚拟图像投射到现实环境中，即在观察到全息图像信息的同时，能够看到外部世界的真实环境信息。

5、工艺简单，设备小型化，多功能显示，易于片上集成；不同通道之间的屏幕显示以及AR全息投影之间没有串扰；这一技术展现出与可穿戴设备(眼镜镜片或隐形眼镜)或者手机芯片集成的巨大潜力，可广泛用于下一代多通道屏幕显示、AR显示技术、信息存储与加密、遥感等领域。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于片上超表面的多功能显示中单元结构的示意图。

图1中：1-双原子纳米砖、2-光波导层、3-介质衬底层。

图2是本发明实施例提供的一种基于片上超表面的多功能显示中单元结构的俯视图。

图2中：D为双原子纳米砖在传播方向上的间隔。

图3是本发明实施例中模拟得到的在633nm的工作波长下随着双原子间隔D从0到340nm变化时，从波导到自由空间的光提取效率的变化。

图3中：周期P_x＝P_y＝340nm。

图4是本发明实施例中提出的双原子纳米砖从x/y方向光学提取入射导波的示意图。

图4中：D＝170nm.

图5是本发明实施例中模拟的TE₀模式分别从x和y方向以633nm的波长入射时的电场分布(E_y)和相位分布图。

图5中：上面一行对应电场分布图，下面一行对应相位分布图。

图6是本发明实施例中将双原子干涉方案设计与片上迂回相位相结合的超表面阵列的局部俯视图。

图6中：其中一个像素由4个单元组成(P_x＝300nm，P_y＝340nm)。

图7是本发明实施例中基于图5展示的原理设计实现将透明屏幕显示与全息投影同步的流程图。

图8是本发明实施例中目标和测量的透明屏幕显示性能。

图8中：绿色“地球仪”和红色“房子”的屏幕显示图像分别对应TE₀模式从x和y方向以560nm和633nm的波长入射得到。比例尺在图中为100μm。

图9是本发明实施例中目标和测量的片上超表面全息性能。

图9中：绿色“葡萄”和红色“菠萝”的全息图像分别对应TE₀模式从x和y方向以560nm和633nm的波长入射得到。

图10是本发明实施例中基于提出片上超表面实现的AR全息投影显示的手机拍摄部分装置以及效果图。

图11是本发明同步透明屏幕显示和片上全息投影的操作示意图。

图11中：片上超表面集成到位于透明基板上的波导上，实现了分别从x和y方向入射导波，同时得到两个不同的透明屏幕显示图像(“地球仪”和“房子”)和两个不同的片上超表面全息投影图像(“葡萄”和“菠萝”)，展示了其能集成在可穿戴设备(眼镜或隐形眼镜)的巨大潜力。

图1、图2中：氮化硅波导的厚度为220nm，二氧化硅衬底的厚度为500μm；W为双原子纳米砖的长度和宽度，H₁为纳米砖高度，P_x为单元结构的x方向的周期，P_y为单元结构的y方向的周期；

图6中：Δx、Δy为双原子纳米砖在单元结构中分别沿x或者y方向移动的距离。

具体实施方式

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

本实施例为一种利用片上超表面实现与AR全息投影同步的透明屏幕显示方法的具体实施过程。

作为实施例，选取精心排布的双原子纳米砖组成片上超表面实现。

图1是单元结构示意图，组成片上超表面的双原子非晶硅纳米砖的单元结构位于Si₃N₄(厚度为220nm)波导(波导也能够选用其他的材料，例如铌酸锂波导，折射率比二氧化硅大。)的上方，波导折射率为～2.05，厚度为～500μm的二氧化硅层作为衬底。图2为双原子非晶硅纳米砖的单元结构的俯视图，其中，D为双原子纳米砖在传播方向上的间隔。入射的导波被纳米砖调制并重新辐射到自由空间。利用电磁仿真软件FDTD Solutions对上图的位于波导上方的双原子超表面的光学散射特性进行仿真，仿真中采用基模TE₀模式作为传播的导波。所采用双原子纳米砖单元结构长度和宽度尺寸为W＝90nm，高度H₁＝380nm，x、y方向的周期分别为P_x＝P_y＝340nm。图3为利用上述的结构参数仿真得到的双原子提取导波到自由空间的提取效率随双原子间隔D变化的对应关系图。能够看出调制光学提取效率随着位移D变化而周期性波动。具体来说，当D＝λ_eff/2(λ_eff＝λ₀/n_eff)时，提取的光学强度将达到最小(记为“0”)，此时处于相消干涉条件；而在D＝0时达到最大值(记为“1”)，处于相长干涉条件。这与等式(1)所展示的结论基本是一致的。因此，这种基于双原子设计的光学干涉为本发明在操纵光学提取强度方面创造了新的自由度。此外，对于沿x方向的导波(图4中a)，双原子纳米结构位于同相位置(如图5中a的电场分布所示)，它们的相位差约为0(如图5中c的相位分布)，这会导致片上相长干涉。然而，对于y方向的情况(图4中b)，双原子纳米结构被异相放置，它们的相位差为～π(如图5中b，图5中d所示)，这表明片上相消干涉。因此，这种双原子排布的定向选择提取光强的性能提供了进行空间编码复用的可能性，且没有串扰。

为了实现透明屏幕显示与超表面全息投影同步，本发明在双原子纳米结构干涉原理的基础上引入了片上迂回相位机制。如图6所示，本发明展示了四个不同像素的空间复用组合，分别表示x、y通道的“00”“01”“10”和“11”的光学提取强度的四种二进制状态。其中，每个像素由四个单元组成，每个单元中P_x＝300nm和P_y＝340nm，以保持不同工作波长下提取波的均匀强度，即屏幕显示图像的强度均匀性。通过将近场干涉效应与迂回相位结合，所提出的双原子片上超表面设计能够在屏幕显示之外展示同步远场AR全息图。透明屏显示与AR全息投影同步设计的流程图如图7所示。

首先，本发明根据图6中“00”“01”“10”“11”的四种编码态来对x，y通道的透明屏幕显示图像“地球仪”和“房子”进行空间编码；然后利用优化的Gerchberg-Saxton(GS)算法，本发明生成两个仅相位全息图来重建“葡萄”和“菠萝”的目标图像。结合迂回相位，根据等式(2)将得到相位矩阵换算为位置信息，得到每个像素内对应通道的单元结构内双原子纳米结构的位置排布。最终，迂回相位信息和提取强度分布都被编码并同时合并到单个集成在波导上的片上超表面设备中。

接下来，本发明采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)和传统的电子束光刻(EBL)制造所设计的集成在波导上的片上超表面。光纤耦合的激光源从波导边缘宽斜照明进行端面耦合。通过旋转样品从另一个方向照射光源，能够触发和捕获另一个通道编码的透明屏幕显示图像。图8展示了与目标图像具有极好一致性的实验透明屏幕显示图像。具体而言，绿色“地球仪”(通道#1)的透明屏幕显示图像由沿x方向的560nm的TE₀导波传输得到，而红色“房子”(通道#2)由y方向的633nm导波传输得到。与以前的多层光栅堆叠显示相比，这里的波导芯片上的单层超表面即能够实现独立的双通道透明屏幕显示功能。

对于全息投影，偏振激光源类似地通过端面耦合方式耦合到波导中，全息图像被投影到远场屏幕。图9展示了与目标全息图像具有良好一致性的实验超表面全息图像。绿色“葡萄”全息图像(通道#3)是由沿x方向传输的560nm的TE₀导波获得的，而红色“菠萝”全息图像(通道#4)则是沿y方向传输的633nm导波获得。最后，为了验证实用的AR全息复用功能，本发明通过手机中的摄像头捕捉真实世界环境中漂浮的虚拟信息，如图10所示。

本发明清楚地观察到漂浮在真实背景图像(武汉大学的地标建筑场景)上的绿色“葡萄”或红色“菠萝”的实际视野，具有比较好的成像强度和清晰度。所提出的基于片上超表面的AR策略与当前的PIC技术兼容，这一技术也将在可穿戴设备(眼镜镜片或隐形眼镜)集成以及下一代新型屏幕显示技术方面展示出巨大的应用潜力。

Claims (3)

1.一种基于片上超表面的屏幕显示与AR全息同步的方法，其特征在于：

所述片上超表面，包括介质衬底层，所述介质衬底层上的光波导层，所述光波导层上设计有双原子硅纳米砖结构组成的阵列；

所述的双原子硅纳米砖的长宽高均为亚波长尺寸；

所述的双原子硅纳米砖提取导波的强度与双原子纳米砖之间的距离有关；

所述的双原子硅纳米砖具有统一的尺寸；

所述的双原子硅纳米砖的位置由迂回相位计算得到；

该方法包含如下步骤：

S1：由双原子硅纳米结构组成二维阵列位于氮化硅波导上方，二氧化硅作为氮化硅波导的衬底；

S2：以平行于所述光波导层的工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米砖为方形结构，所述方形纳米砖的长轴、短轴均与所述光波导层的工作面平行；所述基于片上超表面的多功能器件中的所有纳米砖的尺寸相同；所述双原子纳米砖能够将导波从波导内提取至自由空间；

S3：双原子纳米砖所提取导波的光强度由双原子之间的距离结合干涉叠加原理确定，所述双原子纳米砖的位置基于迂回相位计算得到；

S4：根据双原子纳米砖提取光的强度信息编码屏幕显示图像，采用四个不同像素的空间复用组合，分别表示x、y通道的“00”“01”“10”和“11”的光学提取强度的四种二进制状态；每个像素中包含四个单元；根据“00”“01”“10”“11”的四种编码态来对x，y通道的透明屏幕显示图像进行空间编码；

S5：然后利用优化的GS算法，生成两个仅相位全息图来重建远场的目标图像；接着结合迂回相位，将前一步得到的相位矩阵换算为位置信息，得到每个像素内对应通道的单元结构内双原子纳米结构的位置排布；

S6：通过将片上干涉原理与迂回相位结合，得到最终实现与全息投影同步的透明屏幕显示的片上超表面二维阵列；

S7：采用波长为λ_x、λ_y的导波分别从波导的x、y方向入射经过波导上方的超表面阵列，能够得到与两幅透明屏幕显示同步的片上双通道全息图。

2.如权利要求1所述基于片上超表面的屏幕显示与AR全息同步的方法，其特征在于：具体步骤如下：

所述S1中：选定分别沿着x、y方向传输导波的波长λ_G、λ_R，同时根据对应的传播常数β_G、β_R计算得到相应的周期P_x、P_y；

所述S2中：根据步骤S1中的周期P_x、P_y，设计具有两种不同距离D₁＝P_x/2、D₂＝P_y/2的双原子纳米砖排布；当导波沿着x方向传输经过双原子纳米结构时将会被其提取并解耦合到自由空间，来自同一单元结构内双原子纳米结构的叠加电场E表示为：

其中x₁/x₂分别表示导波沿x方向传播到每个纳米砖的距离，D＝x₂–x₁代表沿传播方向双原子纳米砖之间的距离；β＝2π·n_eff/λ₀是导波的传播常数，n_eff和λ₀分别为波导的有效折射率和自由空间波长；根据等式(1)，导波沿着平行于双原子排布方向传输时的提取光强度状态记为“0”，而导波沿着垂直于双原子排布方向传输时的提取光强度状态记为“1”；则D₁提供x方向传输导波时提取光强度的“0”、“1”态，D₂提供y方向传输导波时提取光强度的“0”、“1”态；

所述S3中：将步骤S2中的不同双原子排布的单元结构进行组合，选取4个单元结构作为一个大的像素分别表示对应x，y通道的“00”“01”“10”“11”4种编码态；其中，“00”态的像素对应的4个单元结构内无双原子排布，“01”态和“10”态的像素对应的4个单元结构内分别有一对双原子纳米结构的排布且位于对角线分布，“11”态的像素对应的4个单元结构内的两对双原子纳米结构的排布分别位于对角线排布；

所述S4中：选取两幅二值化的图像作为x，y通道的透明屏幕显示图像，利用步骤S3中的“00”“01”“10”“11”4种编码态对图像进行编码；

所述S5中：采用G-S算法，得到目标远场全息图像的相位矩阵分布，从而根据迂回相位原理和等式(2)，得到对应x通道光强度为“1”的双原子硅纳米砖在单元结构内沿着x方向上的位置信息；同理能够得到y通道方向上光强度为“1”的双原子纳米砖的位置信息；

其中，Δx_m和Δφ_m(x)为x方向第m个双原子纳米砖在一个周期内沿着x方向的位移和对应的提取相位，P为单元结构的周期；

所述S6中：采用波长为λ_G、λ_R的导波分别从波导的x、y方向入射经过波导上方的超表面阵列，能够得到与两幅透明屏幕显示同步的片上双通道全息图；

所述S7中：利用显微镜能观察到透明屏幕显示的图像；利用手机中的摄像头能直接拍摄到浮动在真实环境中的虚拟图形信息，即AR全息投影的实现；

所述对β_G、β_R波长的导波响应的单元结构内的双原子纳米结构由硅纳米砖构成，纳米砖的长、宽相等且均为亚波长尺度，且大小完全一致。

3.一种基于片上超表面的多功能显示器件的应用方法，其特征在于：采用如权利要求1或2中所述的基于片上超表面的多功能显示器件的设计方法得到的能够实现与全息投影同步的透明屏幕显示的多功能显示器件作为镜片，集成到AR显示装置中，以实现多通道复用的AR显示，将虚拟全息图像信息投射到真实环境中。

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