CN112666813A - 基于介质超表面实现双相位合成的彩色复振幅调制*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于介质超表面实现双相位合成的彩色复振幅调制***，包括三个单色复振幅调制模组、十字合色棱镜和45°线性偏振器；每个单色复振幅调制模组均包括激光器以及依次设置在激光器的出射光路上且中心点共线的空间滤波器、透镜、线性偏振片、空间光调制器、介质超表面和偏振敏感元件。本发明采用介质超表面实现光的偏振调控，具有单元结构小、设计灵活、损耗低的优点；采用一个有源器件叠加其它无源组件来实现复振幅调制，避免了级联两个有源器件，在光学结构上简单紧凑，同时具有较高的衍射效率；基于空分复用方法实现单色和彩色复振幅调制，具有较强的选择灵活性。

Description

基于介质超表面实现双相位合成的彩色复振幅调制***

技术领域

本发明涉及微纳光学及光场调控技术领域，具体是一种基于介质超表面实现双相位合成的彩色复振幅调制***。

背景技术

随着现代科技的发展，2D显示技术已经不能再满足人们对显示技术的需求，人们对3D显示技术的需求日趋明显。全息术无需任何观察设备就可以提供高质量的图像和精确的人眼观察深度，因此全息显示技术被认为是重构真实三维景象的最佳技术手段之一。空间光调制器是目前动态全息显示中应用最核心的调制器件。然而，采用空间光调制器实现对整个复光场的独立可控调制是困难的，因为目前的空间光调制器仅可以表示有限的复数值集合，其振幅调制和相位调制一般是耦合的，不可以同时独立地调节入射光的振幅和相位。所以市场上的空间光调制器一般分为相位型和振幅型，可以实现相应的独立相位调制和独立振幅调制的特性。

1978年，C.Hsuech提出了采用双相位全息技术对复振幅调制进行研究的非迭代全息编码方法，之后许多研究人员针对复振幅编码方法和硬件方法进行了研究。早期基于器件的光场复振幅调制的想法是通过组合器件或者改造器件来完成。1996年，L.G.Neto采用纯相位和纯振幅的液晶器件级联的方式实现了复振幅的调制。2012年，A.Siemion使用两个纯相位空间光调制器和迭代优化的菲涅尔全息图进行复振幅光场的全息重建。这些方法一般都是通过级联两个有源液晶板并达到像素级对齐来实现复振幅调制，整个***物理长度较长。随着显示技术的发展，空间光调制器的单个像素尺寸趋于减小，像素数趋于增多，***达到像素对齐更加困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于介质超表面实现双相位合成的彩色复振幅调制***，采用介质超表面实现光的偏振态调控，且采用偏振敏感元件实现两束正交偏振光束的共线叠加，进而实现基于双相位编码原理的复振幅调制。

本发明的技术方案为：

一种基于介质超表面实现双相位合成的彩色复振幅调制***，包括第一单色复振幅调制模组、第二单色复振幅调制模组、第三单色复振幅调制模组、十字合色棱镜和45°线性偏振器；

所述十字合色棱镜包括顺次连接的第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面，所述第一单色复振幅调制模组和45°线性偏振器分别位于所述十字合色棱镜相对的第一侧面和第三侧面两侧，所述第二单色复振幅调制模组和第三单色复振幅调制模组对称设置在所述十字合色棱镜相对的第二侧面和第四侧面两侧；

所述第一单色复振幅调制模组、第二单色复振幅调制模组和第三单色复振幅调制模组与所述十字合色棱镜的距离相同；所述第一单色复振幅调制模组、第二单色复振幅调制模组和第三单色复振幅调制模组均包括激光器以及依次设置在所述激光器的出射光路上且中心点共线的空间滤波器、透镜、线性偏振片、空间光调制器、介质超表面和偏振敏感元件；

所述空间滤波器用于对所述激光器输出的光束进行滤波；所述透镜用于对经由所述空间滤波器入射的光束进行扩束；所述线性偏振片用于将经由所述透镜入射的光束调制为单一方向的线偏振光；

所述空间光调制器为纯相位空间光调制器，将所述空间光调制器的像素区域按照像素行或列的奇偶顺序划分为若干个尺寸相同、数量相等的奇数子区域和偶数子区域；当采用双相位编码原理得到两幅纯相位全息图时，其中一幅加载在所述奇数子区域的像素上，另一幅加载在所述偶数子区域的像素上；所述空间光调制器用于根据加载的纯相位全息图，对经由所述线性偏振片入射的光束的相位进行调制；

所述介质超表面紧贴所述空间光调制器设置，用于对经由所述空间光调制器入射的光束，改变其中所有奇数子区域像素调制的光束的偏振态，或者改变其中所有偶数子区域像素调制的光束的偏振态，使其与之前的偏振方向正交；所述偏振敏感元件用于使经由所述介质超表面入射的两束正交偏振光束实现共线叠加；

所述十字合色棱镜用于对经由所述偏振敏感元件入射的光束进行合色；所述45°线性偏振器用于对经由所述十字合色棱镜入射的共线的正交偏振光束进行合成，得到偏振态为45°的出射光束，即得到由两个等振幅纯相位函数线性相加的复振幅函数。

所述的基于介质超表面实现双相位合成的彩色复振幅调制***，所述介质超表面由若干个间隔分布在玻璃基板上的亚波长单元阵列组成，所述亚波长单元阵列在玻璃基板上划分出若干个空白区域，所述亚波长单元阵列和空白区域的尺寸相同、数量相等，并且与所述空间光调制器的奇数子区域和偶数子区域在尺寸和数量上相匹配；

所述偏振敏感元件由若干个尺寸相同、数量相等的第一折射板和第二折射板交替排列组成，所述第一折射板和第二折射板与所述空间光调制器的奇数子区域和偶数子区域在尺寸和数量上相匹配；

所述空间光调制器的奇数子区域和偶数子区域与所述亚波长单元阵列和空白区域一一对齐设置，所述亚波长单元阵列和空白区域与所述第一折射板和第二折射板一一对齐设置。

所述的基于介质超表面实现双相位合成的彩色复振幅调制***，所述亚波长单元阵列由若干个亚波长单元结构周期性排列组成，所述亚波长单元结构为介质椭圆柱纳米天线，所述介质椭圆柱纳米天线的椭圆长轴与经由所述空间光调制器入射的光束的偏振方向之间的夹角为45°。

所述的基于介质超表面实现双相位合成的彩色复振幅调制***，所述偏振敏感元件的厚度满足以下条件：

其中，t表示偏振敏感元件的厚度，Δx表示第一折射板的宽度，β表示入射到第一折射板上的正交偏振光束相对于入射到相邻的第二折射板上的正交偏振光束的偏转角度，表示偏振敏感元件的光轴与波矢方向之间的夹角，n_e表示第一折射板的折射率，n_o表示第二折射板的折射率。

由上述技术方案可知，本发明采用介质超表面实现光的偏振调控，具有单元结构小、设计灵活、损耗低的优点；采用一个有源器件(空间光调制器)叠加其它无源组件(介质超表面、偏振敏感元件和45°线性偏振器)来实现复振幅调制，避免了级联两个有源器件，在光学结构上简单紧凑，同时具有较高的衍射效率；基于空分复用方法实现单色和彩色复振幅调制，具有较强的选择灵活性。

附图说明

图1是本发明的***结构示意图；

图2是本发明的不同坐标平面下的部分***结构示意图；

图3是本发明的空间光调制器的像素结构示意图；

图4是本发明的介质超表面的亚波长单元结构示意图；

图5是本发明的介质超表面的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种基于介质超表面实现双相位合成的彩色复振幅调制***，该***基于RGB三基色原理，包括第一单色复振幅调制模组1、第二单色复振幅调制模组2、第三单色复振幅调制模组3、十字合色棱镜4和45°线性偏振器5。

十字合色棱镜4包括顺次连接的第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面，第一单色复振幅调制模组1和45°线性偏振器5分别位于十字合色棱镜4相对的第一侧面和第三侧面两侧，第二单色复振幅调制模组2和第三单色复振幅调制模组3对称设置在十字合色棱镜4相对的第二侧面和第四侧面两侧。第一单色复振幅调制模组1、第二单色复振幅调制模组2和第三单色复振幅调制模组3与十字合色棱镜4的距离相同。

第一单色复振幅调制模组1包括第一激光器11以及依次设置在第一激光器11出射光路上且中心点共线的第一空间滤波器12、第一透镜13、第一线性偏振片14、第一空间光调制器15、第一介质超表面16和第一偏振敏感元件17。

第二单色复振幅调制模组2包括第二激光器21以及依次设置在第二激光器21出射光路上且中心点共线的第二空间滤波器22、第二透镜23、第二线性偏振片24、第二空间光调制器25、第二介质超表面26和第二偏振敏感元件27。

第三单色复振幅调制模组3包括第三激光器31以及依次设置在第三激光器31出射光路上且中心点共线的第三空间滤波器32、第三透镜33、第三线性偏振片34、第三空间光调制器35、第三介质超表面36和第三偏振敏感元件37。

十字合色棱镜4分别与第一偏振敏感元件17、第二偏振敏感元件27和第三偏振敏感元件37中心点共线。45°线性偏振器5与十字合色棱镜4和第一偏振敏感元件17中心点共线。

由于第一单色复振幅调制模组1、第二单色复振幅调制模组2和第三单色复振幅调制模组3的光路基本相同，因此下面以第一单色复振幅调制模组1为例进行阐述。

如图2所示，第一激光器11出射的光束经过第一空间滤波器12滤波并且经过第一透镜13扩束后入射到第一线性偏振片14，第一线性偏振片14将入射的光束调制为单一方向的线偏振光。以第一线性偏振片14为二维平面，为后面描述方便，将该单一方向的线偏振光称为y偏振光。

第一空间光调制器15为纯相位透射空间光调制器，相位调节范围为0到2π，基于双相位编码原理得到的两幅纯相位全息图可以实时加载在第一空间光调制器15上。

根据双相位编码原理，理论上可以将任何复振幅函数H(x，y)表示成两个等振幅纯相位函数的叠加，即

其中，A(x，y)表示振幅，Φ(x，y)表示相位，ψ(x，y)＝arc cosA(x，y)并且0≤ψ(x，y)≤π/2。

如图3所示，假设第一空间光调制器15的像素为正方形结构，像素数为M×M，水平方向像素间距为Δx，竖直方向像素间距为Δy，且Δx＝Δy，像素活动区长度为d。为后面描述方便，将第一空间光调制器15的像素区域沿水平方向分为M/2个奇数像素列151和M/2个偶数像素列152(也可以沿竖直方向分为奇数像素行和偶数像素行，这里以水平方向为例进行描述)。奇数像素列151和偶数像素列152的宽度以Δx为准，长度为M*Δy。

第一空间光调制器15的透射率函数t(x，y)表示为：

其中，

表示第一空间光调制器15的孔径函数，rect表示矩形函数，

表示卷积运算，q(x,y)和p(x,y)均为中间变量，

表示加载到第一空间光调制器15的像素活动区的相位，根据双相位编码原理，奇数像素列151和偶数像素列152的

值分别为

和

mod表示求余函数，

表示第一空间光调制器15的非活动区引起的常量相位偏移，exp表示指数函数，i表示虚部，

表示二维梳状函数，生成一组衍射复振幅的横向移位。

上述y偏振光穿过第一空间光调制器15实现相位调制。为了将第一空间光调制器15的相邻的奇数像素列151和偶数像素列152的调制函数相加形成宏像素，需要采用第一介质超表面16改变一部分入射光的偏振态，使其出射时与入射时的偏振方向正交。

第一介质超表面16为椭圆形透射介质超表面，紧贴第一空间光调制器15设置。如图2所示，第一介质超表面16由间隔分布在玻璃基板160上的M/2个亚波长单元阵列161组成，亚波长单元阵列161在玻璃基板160上划分出M/2个空白区域162。玻璃基板160采用超薄石英板。每个亚波长单元阵列161和每个空白区域162的宽度均为Δx，长度均为M*Δy。亚波长单元阵列161依次对齐于第一空间光调制器15的奇数像素列151，使奇数像素列151调制的光束的偏振态旋转90°，称之为x偏振光。空白区域162依次对齐于第一空间光调制器15的偶数像素列152，并不改变偶数像素列152调制的光束的偏振态，仍为y偏振光，因此，经由相邻的亚波长单元阵列161和空白区域162出射的光束形成正交偏振。

如图4所示，亚波长单元阵列161由若干个亚波长单元结构1610周期性排列组成，亚波长单元结构1610为介质椭圆柱纳米天线，采用高折射率介质材料例如非晶硅，刻蚀在玻璃基板160上，周期为p，高度为h，长轴为l，短轴为w。

由于介质椭圆柱纳米天线的椭圆长轴和短轴的不对称性，第一介质超表面16在线偏振光的激励下，沿着介质椭圆柱纳米天线的椭圆长轴和短轴的出射光相位存在明显差异。以椭圆长轴沿着x轴、短轴沿着y轴为例进行说明，当y偏振光激励时，假设沿着椭圆长轴的出射光相位为φ_x，沿着椭圆短轴的出射光相位为φ_y，则椭圆长、短轴之间的出射光相位差φ＝φ_x-φ_y。

偏振转换主要发生在介质椭圆柱纳米天线的谐振区域内，通过调节介质椭圆柱纳米天线的参数，可以使其谐振频率发生变化，从而影响出射光相位差φ。所以实现彩色复振幅调制时，对应不同的波长，需要设计不同的介质椭圆柱纳米天线的参数。对于第一介质超表面16，在一定的频率范围内，谐振频率的变化对出射光相位的影响要远远大于对幅度的影响，因此可以粗略地认为沿着介质椭圆柱纳米天线的椭圆长、短轴传播的出射光的幅度值相等，只改变相位。

当介质椭圆柱纳米天线的椭圆长轴相对于x轴旋转角度为α时，琼斯矩阵T表达式为：

其中，V表示实酉矩阵，V^T表示V的转置矩阵，Δ表示特征向量矩阵，R(α)表示平面内几何角度旋转α，R(-α)表示平面内几何角度旋转-α。

出射光E_out＝TE_in(E_in为入射光)，当出射光相位差φ＝π，旋转角α＝45°时，出射光的偏振态相较于入射光发生改变，从y偏振态转化为x偏振态。并且出射光相位差越接近π，偏振转化的效率越高。

如图5所示，亚波长单元结构1610依次排列在与第一空间光调制器15的奇数像素列151对齐的位置上，构成了亚波长单元阵列161，其宽度和长度均与奇数像素列151一致。

如图2所示，第一偏振敏感元件17采用双折射板，由M/2个折射率为n_e的第一折射板171和M/2个折射率为n_o的第二折射板172交替排列组成，每个第一折射板171和每个第二折射板172的宽度均为Δx，长度均为M*Δy。第一折射板171依次对齐于第一介质超表面16的亚波长单元阵列161，第二折射板172依次对齐于第一介质超表面16的空白区域162。

如图1所示，第一偏振敏感元件17的光轴与波矢方向的相对夹角为θ₁(产品加工时确定的参数)，将穿过亚波长单元阵列161入射的光束称为e光，将穿过空白区域162(即直接穿过玻璃基板160)入射的光束称为o光，根据双折射效应，e光光束产生一定的角度偏转，光束偏转角度β₁由tanβ₁＝tanθ₁/(n_e/n_o)²决定，为了使e光光束出射时与o光光束重合即实现共线叠加，第一偏振敏感元件17的厚度t₁需满足条件：t₁＝Δx/tanβ₁。

第一单色复振幅调制模组1的第一偏振敏感元件17出射的光束入射到十字合色棱镜4。当第二单色复振幅调制模组2和第三单色复振幅调制模组3未使用时(相应的激光器关闭)，光束直接穿过十字合色棱镜4入射到45°线性偏振器5，实现单色复振幅调制；当第二单色复振幅调制模组2和第三单色复振幅调制模组3使用时(相应的激光器开启)，十字合色棱镜4对入射的光束进行合色，经过合色的光束再入射到45°线性偏振器5，实现彩色复振幅调制。

根据双相位编码原理，正交偏振的e光光束和o光光束经过第一偏振敏感元件17后重合，成为共线的正交偏振光束，则可以得到由两个等振幅纯相位函数线性相加的复振幅函数。当两束正交偏振光束共线时，为使它们相互干扰，采用45°线性偏振器5对其进行合成，由于45°线性偏振器5的透光轴为45°，则选择偏振态为45°的光束出射，实现复振幅调制。

当第一激光器11选择输出绿光时，第一单色复振幅调制模组1的复振幅光场经过自由空间传播，可以在45°线性偏振器5的成像面得到绿色的全息再现像，以此类推，第二单色复振幅调制模组2和第三单色复振幅调制模组3在成像面可以分别得到红色和蓝色的全息再现像。当采用空分复用方法实现彩色复振幅调制时，采用十字合色棱镜4，三基色合成得到最终的彩色再现像，进而实现彩色复振幅调制，且可以根据需求选择任意单色复振幅调制和彩色复振幅调制。

综上所述，本发明根据双相位编码原理，采用单个空间光调制器加载两幅纯相位全息图在相邻的一对像素上对入射光进行调制，采用介质超表面改变一部分入射光的偏振态，使其出射时与原来的偏振方向正交，再根据光的偏振特性采用偏振敏感元件实现两束正交偏振光束的共线叠加，从而实现将一对像素合成为一个复值的宏像素，最终实现复振幅的调制。

本发明通过无源组件(介质超表面、偏振敏感元件和45°线性偏振器)实现了基于双相位编码原理的复振幅调制，避免了级联两个有源器件(空间光调制器)来实现复振幅调制，在光学结构上简单紧凑，同时具有更高的衍射效率。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于介质超表面实现双相位合成的彩色复振幅调制***，其特征在于：包括第一单色复振幅调制模组、第二单色复振幅调制模组、第三单色复振幅调制模组、十字合色棱镜和45°线性偏振器；

所述十字合色棱镜包括顺次连接的第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面，所述第一单色复振幅调制模组和45°线性偏振器分别位于所述十字合色棱镜相对的第一侧面和第三侧面两侧，所述第二单色复振幅调制模组和第三单色复振幅调制模组对称设置在所述十字合色棱镜相对的第二侧面和第四侧面两侧；

所述第一单色复振幅调制模组、第二单色复振幅调制模组和第三单色复振幅调制模组与所述十字合色棱镜的距离相同；所述第一单色复振幅调制模组、第二单色复振幅调制模组和第三单色复振幅调制模组均包括激光器以及依次设置在所述激光器的出射光路上且中心点共线的空间滤波器、透镜、线性偏振片、空间光调制器、介质超表面和偏振敏感元件；

所述空间滤波器用于对所述激光器输出的光束进行滤波；所述透镜用于对经由所述空间滤波器入射的光束进行扩束；所述线性偏振片用于将经由所述透镜入射的光束调制为单一方向的线偏振光；

所述空间光调制器为纯相位空间光调制器，将所述空间光调制器的像素区域按照像素行或列的奇偶顺序划分为若干个尺寸相同、数量相等的奇数子区域和偶数子区域；当采用双相位编码原理得到两幅纯相位全息图时，其中一幅加载在所述奇数子区域的像素上，另一幅加载在所述偶数子区域的像素上；所述空间光调制器用于根据加载的纯相位全息图，对经由所述线性偏振片入射的光束的相位进行调制；

所述介质超表面紧贴所述空间光调制器设置，用于对经由所述空间光调制器入射的光束，改变其中所有奇数子区域像素调制的光束的偏振态，或者改变其中所有偶数子区域像素调制的光束的偏振态，使其与之前的偏振方向正交；所述偏振敏感元件用于使经由所述介质超表面入射的两束正交偏振光束实现共线叠加；

所述十字合色棱镜用于对经由所述偏振敏感元件入射的光束进行合色；所述45°线性偏振器用于对经由所述十字合色棱镜入射的共线的正交偏振光束进行合成，得到偏振态为45°的出射光束，即得到由两个等振幅纯相位函数线性相加的复振幅函数。

2.根据权利要求1所述的基于介质超表面实现双相位合成的彩色复振幅调制***，其特征在于：

所述介质超表面由若干个间隔分布在玻璃基板上的亚波长单元阵列组成，所述亚波长单元阵列在玻璃基板上划分出若干个空白区域，所述亚波长单元阵列和空白区域的尺寸相同、数量相等，并且与所述空间光调制器的奇数子区域和偶数子区域在尺寸和数量上相匹配；

所述偏振敏感元件由若干个尺寸相同、数量相等的第一折射板和第二折射板交替排列组成，所述第一折射板和第二折射板与所述空间光调制器的奇数子区域和偶数子区域在尺寸和数量上相匹配；

所述空间光调制器的奇数子区域和偶数子区域与所述亚波长单元阵列和空白区域一一对齐设置，所述亚波长单元阵列和空白区域与所述第一折射板和第二折射板一一对齐设置。

3.根据权利要求2所述的基于介质超表面实现双相位合成的彩色复振幅调制***，其特征在于：所述亚波长单元阵列由若干个亚波长单元结构周期性排列组成，所述亚波长单元结构为介质椭圆柱纳米天线，所述介质椭圆柱纳米天线的椭圆长轴与经由所述空间光调制器入射的光束的偏振方向之间的夹角为45°。

4.根据权利要求2所述的基于介质超表面实现双相位合成的彩色复振幅调制***，其特征在于：所述偏振敏感元件的厚度满足以下条件：

其中，t表示偏振敏感元件的厚度，Δx表示第一折射板的宽度，β表示入射到第一折射板上的正交偏振光束相对于入射到相邻的第二折射板上的正交偏振光束的偏转角度，θ表示偏振敏感元件的光轴与波矢方向之间的夹角，n_e表示第一折射板的折射率，n_o表示第二折射板的折射率。

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