一種基于幾何超表面的動(dòng)態(tài)全息方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)元件、系統(tǒng)及儀器技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種基于幾何超表面的動(dòng)態(tài)全 息方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 全息，自誕生之日起就W其記錄信息的完備性而備受關(guān)注，它可W很好地對實(shí)物 進(jìn)行Ξ維信息記錄，并在再現(xiàn)光作用下恢復(fù)物體的Ξ維原貌。全息具有誘人的應(yīng)用前景， 在實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)Ξ維顯示方面具有非常大的潛力。傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)全息主要分為兩類，分別為基于 空間光調(diào)制器衍射的動(dòng)態(tài)全息和基于特殊材料的動(dòng)態(tài)全息。其中，基于空間光調(diào)制器的方 法受限于空間光調(diào)制器本身，無法實(shí)現(xiàn)大尺寸的全息顯示，并且由于零級光干擾導(dǎo)致衍射 效率低下等問題。而基于材料的全息顯示不僅受限于材料的顯示尺寸、分辨率、衍射效率等 因素，而且很難實(shí)現(xiàn)圖像的快速刷新。
[0003] 超表面，一種新興的微結(jié)構(gòu)，是光學(xué)、材料、電磁學(xué)等相互交叉滲透的新產(chǎn)物，可通 過對其表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)W實(shí)現(xiàn)各種功能。近年來，將全息與超表面相結(jié)合形成超表面全 息的新想法被提出。研究表明，超表面全息具有難W比擬的獨(dú)特優(yōu)勢，不僅可W輕松解決零 級光困擾，同時(shí)又具有高衍射效率、可大規(guī)模集成，W及快速刷新的潛力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于針對傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)全息衍射效率低下，難W快速刷新圖 像W及無法大規(guī)模集成的困窘，提供一種基于幾何超表面的動(dòng)態(tài)全息新方法，該方法衍射 效率高，再現(xiàn)像質(zhì)清晰，解決了傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)全息中由于零級光導(dǎo)致衍射效率低下，無法實(shí)現(xiàn)快 速刷新和大面積顯示集成的缺點(diǎn)，具有很好的發(fā)展和應(yīng)用潛力。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0006] 一種基于幾何超表面的動(dòng)態(tài)全息方法，在該方法中，光源出射光依次通過起偏器、 四分之一波片、幾何超表面，最后到達(dá)接收屏，所述接收屏尺寸由幾何超表面與觀察距離決 定；幾何超表面結(jié)構(gòu)通過MIM模式實(shí)現(xiàn)波前相位調(diào)制；利用微旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)及集成電路對幾何 超表面進(jìn)行特定旋轉(zhuǎn)角控制，實(shí)現(xiàn)波前的實(shí)時(shí)調(diào)控。
[0007] 進(jìn)一步，光源經(jīng)過起偏器出射為線偏光，經(jīng)過四分之一波片后變?yōu)閳A偏光并垂直 入射至幾何超表面；入射光設(shè)計(jì)為右旋圓偏振光，出射光為左旋圓偏振光。
[0008] 進(jìn)一步，所述幾何超表面的單元結(jié)構(gòu)為多個(gè)小的4層結(jié)構(gòu)矩形單元，從上至下依 次為金納米棒群，氣化美，金和娃基，金納米棒群所在的柱狀結(jié)構(gòu)與圓形旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)粘貼在一 起，一同轉(zhuǎn)動(dòng)；四層結(jié)構(gòu)單元上金屬納米棒的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與引入的相位延遲之間主要存在W 下關(guān)系：
[0009] 攀與If'音急
[0010] 其中Φ表示金屬納米棒的旋轉(zhuǎn)角度，變表示對入射光波引入的相位延遲；A表示 納米金棒之間相互禪合引入的相位延遲，該值與金棒的相互距離密切相關(guān)；合理設(shè)計(jì)每個(gè) 金棒所在的單元大小，禪合引入的相位延遲可忽略不計(jì)。
[0011] 進(jìn)一步，若干超表面單元組成一組，組與組中超表面單元排列結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)動(dòng)情況皆 相同，主要目的是利用完全相同的超表面小組形成達(dá)曼光柵，在保持全息像整體尺寸不變 的同時(shí)增加像素點(diǎn)數(shù)，提高成像質(zhì)量。
[0012] 進(jìn)一步，所述微旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)由一個(gè)個(gè)矩形單元拼接而成，其中每一個(gè)小的矩形單元 又分為兩部分，一部分為圓形轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)嵌套于每個(gè)小矩形內(nèi)部，另一部分為圓形轉(zhuǎn) 動(dòng)結(jié)構(gòu)W外的部分。
[0013] 進(jìn)一步，所述圓形轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)采用微靜電力驅(qū)動(dòng)方式，圓形轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)可步進(jìn)，用于實(shí) 現(xiàn)對置于其上的金納米棒群進(jìn)行任意步進(jìn)角整數(shù)倍的旋轉(zhuǎn)；圓形轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)速可通過輸 入脈沖電壓W及頻率大小進(jìn)行控制，脈沖電壓越高，頻率越快，圓形轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速越快。經(jīng) 過編程的集成電路可通過調(diào)節(jié)輸入脈沖對微旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行精密控制，從而精密調(diào)控幾何超 表面的位相延遲量，即可通過編程最終實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)全息
[0014] 本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明所述方法衍射效率高，再現(xiàn)像質(zhì)清晰，解決了傳統(tǒng) 動(dòng)態(tài)全息中由于零級光導(dǎo)致衍射效率低下，無法實(shí)現(xiàn)快速刷新和大面積顯示集成的缺點(diǎn)， 具有很好的發(fā)展和應(yīng)用潛力。
【附圖說明】
[0015] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行 說明：
[0016] 圖1為幾何超表面實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)全息的流程圖；
[0017] 圖2為幾何超表面動(dòng)態(tài)全息示意圖；
[0018] 圖3為微旋轉(zhuǎn)單元的俯視圖，其中1為偏置端子，2為環(huán)形物，3為滑動(dòng)觸點(diǎn)，4為接 地端子，5為抓A片，6為支撐梁；
[0019] 圖4為微旋轉(zhuǎn)單元的立體圖；
[0020] 圖5為超表面矩形單元的主視圖，其中1為金納米棒群，2為氣化儀層，3為金層，4 為娃層；
[0021] 圖6為超表面矩形單元的俯視圖；
[0022] 圖7為超表面矩形單元的立體圖；
[0023] 圖8為超表面單元與微旋轉(zhuǎn)單元的組合圖；
[0024] 圖9為組合單元形成的超表面旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)；
[00巧]圖10為超表面旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)后的效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0027] 實(shí)施例：
[0028] 本發(fā)明提供的一種基于幾何超表面的動(dòng)態(tài)全息新方法，其實(shí)施過程如下：
[0029] (1)實(shí)施方案由計(jì)算機(jī)程序控制部分、特定功能的集成電路部分、微旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、幾 何超表面部分、光源部分W及接收屏組成，如圖1。
[0030] (2)波長為700nm光源出射光依次經(jīng)過起偏器和四分之一波片變右旋圓偏振光， 并垂直入射在超表面上，出射的左旋圓偏光經(jīng)由超表面調(diào)制后最終投影于接收屏，形成我 們所需要的全息圖像。計(jì)算機(jī)控制程序通過集成電路有選擇性給予輸入脈沖，使微旋轉(zhuǎn)系 統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2。
[0031] (3)接收屏為100英寸的電影屏，接收屏像素為1920*1080。幾何超表面陣列距接 收屏10m，如圖2。 陽03引 （4)微旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)由7. 8um*3. 8um的小矩形單元拼接而成，如圖3、圖4。每個(gè)小的矩 形中間為直徑3. 5um的圓形轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。圓形轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)上金棒群W15*15的形式排列。
[003引妨圓形轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)采用微靜電力驅(qū)動(dòng)的方式，設(shè)計(jì)參考BDA化ounce化iveactuator)。其平面圖為直徑3. 5um的圓。圓形轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的輸入脈沖頻率 為60kHZ時(shí)，其轉(zhuǎn)速為ISOOr/min，可步進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)對置于其上的金屬納米棒進(jìn)行任意角 度定位。每個(gè)超表面單元位于相應(yīng)的微旋轉(zhuǎn)單元之上，如圖8。單元中金屬納米棒所在的柱 狀結(jié)構(gòu)與圓形旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)粘貼在一起，一同轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0034] (6)幾何超表面具有4層結(jié)構(gòu)，從上至下依次為金納米棒群，氣化儀層，金層，娃基 底。每個(gè)金納米棒所在單元為300nm*300nm，尺寸為200*80*30(長*寬*高）。金棒、氣化 儀層W及金層厚度依次為90nm和130nm。幾何超表面單元由一個(gè)個(gè)小矩形組成，每個(gè)單元 中間為直徑3.Sum的圓形結(jié)構(gòu)，如圖5、6、7。
[0035] (7)所有超表面小單元被分為4組，排布及金棒轉(zhuǎn)動(dòng)方向完全相同的4組超表面 W2巧形式排列。主要目的是利用達(dá)曼光柵原理在保持圖像整體尺寸不變的前提下，增加 像素點(diǎn)數(shù)，提高成像質(zhì)量，如圖9、10。
[0036] 最后說明的是，W上優(yōu)選實(shí)施例僅用W說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通 過上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可W在 形式上和細(xì)節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于幾何超表面的動(dòng)態(tài)全息方法，其特征在于：在該方法中，光源出射光依次 通過起偏器、四分之一波片、幾何超表面，最后到達(dá)接收屏，所述接收屏尺寸由幾何超表面 與觀察距離決定；幾何超表面結(jié)構(gòu)通過Μ頂模式實(shí)現(xiàn)波前相位調(diào)制；利用微旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)及集 成電路對幾何超表面進(jìn)行特定旋轉(zhuǎn)角控制，實(shí)現(xiàn)波前的實(shí)時(shí)調(diào)控。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于幾何超表面的動(dòng)態(tài)全息方法，其特征在于：光源經(jīng) 過起偏器出射為線偏光，經(jīng)過四分之一波片后變?yōu)閳A偏光并垂直入射至幾何超表面；入射 光設(shè)計(jì)為右旋圓偏振光，出射光為左旋圓偏振光。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于幾何超表面的動(dòng)態(tài)全息方法，其特征在于：所述幾 何超表面的單元結(jié)構(gòu)為多個(gè)小的4層結(jié)構(gòu)矩形單元，從上至下依次為金納米棒群，氟化鎂， 金和硅基底，金納米棒群所在的柱狀結(jié)構(gòu)與圓形旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)粘貼在一起，一同轉(zhuǎn)動(dòng)；四層結(jié)構(gòu) 單元上金屬納米棒的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與引入的相位延遲之間主要存在以下關(guān)系：其中Φ表示金屬納米棒的旋轉(zhuǎn)角度，_表示對入射光波引入的相位延遲；△表示納米 金棒之間相互耦合引入的相位延遲，該值與金棒的相互距離密切相關(guān)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于幾何超表面的動(dòng)態(tài)全息方法，其特征在于：若干超 表面單元組成一組，組與組中超表面單元排列結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)動(dòng)情況皆相同，主要目的是利用完 全相同的超表面小組形成達(dá)曼光柵，在保持全息像整體尺寸不變的同時(shí)增加像素點(diǎn)數(shù)，提 高成像質(zhì)量。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于幾何超表面的動(dòng)態(tài)全息方法，其特征在于：所述微 旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)由一個(gè)個(gè)矩形單元拼接而成，其中每一個(gè)小的矩形單元又分為兩部分，一部分為 圓形轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)嵌套于每個(gè)小矩形內(nèi)部，另一部分為圓形轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)以外的部分。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于幾何超表面的動(dòng)態(tài)全息方法，其特征在于：所述圓 形轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)采用微靜電力驅(qū)動(dòng)方式，圓形轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)可步進(jìn)，用于實(shí)現(xiàn)對置于其上的金納米 棒群進(jìn)行步進(jìn)角任意整數(shù)倍的旋轉(zhuǎn)；圓形轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)速可通過輸入脈沖電壓以及頻率大 小進(jìn)行控制，脈沖電壓越高，頻率越快，圓形轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速越快。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于幾何超表面的動(dòng)態(tài)全息方法，屬于光學(xué)元件、系統(tǒng)及儀器技術(shù)領(lǐng)域。在該方法中，光源出射光依次通過起偏器、四分之一波片、幾何超表面，最后到達(dá)接收屏，所述接收屏尺寸由幾何超表面與觀察距離決定；幾何超表面結(jié)構(gòu)通過MIM模式實(shí)現(xiàn)波前相位調(diào)制；利用微旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)及集成電路對幾何超表面進(jìn)行特定旋轉(zhuǎn)角控制，實(shí)現(xiàn)波前的實(shí)時(shí)調(diào)控。本發(fā)明所述方法衍射效率高，再現(xiàn)像質(zhì)清晰，解決了傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)全息中由于零級光導(dǎo)致衍射效率低下，無法實(shí)現(xiàn)快速刷新和大面積顯示集成的缺點(diǎn)，具有很好的發(fā)展和應(yīng)用潛力。
【IPC分類】G03H1/14
【公開號】CN105278309
【申請?zhí)枴緾N201510861786
【發(fā)明人】尹韶云, 鄭倩穎, 劉丹駿, 楊正, 蔡文濤, 孫秀輝, 杜春雷
【申請人】中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院
【公開日】2016年1月27日
【申請日】2015年11月30日