CN117687129A - 一种光寻址像素化空间光调制器与空间光场调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光寻址像素化空间光调制器与空间光场调制方法，属于微纳光学领域，本发明根据调控方式设计超像素超表面器件；计算光场调控量的空间分布并将其编码为结构光场分布；利用结构光场编码投影模块生成对应结构光束作用于超像素超表面器件，从而实现目标光场调制；能够实现高精度、高速度的像素化复杂光场调控；本发明提供的超像素超表面器件，借助于晶胞单元的小结构尺寸和优异的光场调控能力，能够实现高精度光场调控；借助于超晶胞的器件设计概念，结合结构光场编码投影模块可以实现像素化的任意光场调控。通过同时照射多个子结构以及对子结构进行复用设计，可增强器件的调制能力如实现复振幅调控等，具有较大的优化和功能挖掘潜力。
Description
技术领域
本发明属于微纳光学领域，更具体地，涉及一种光寻址像素化空间光调制器与空间光场调制方法。
背景技术
激光作为一种新兴强大的显示、加工、探测工具得到了越来越多的重视。其中，如何对光场进行高速高精度的任意调控是进一步挖掘激光应用潜力的关键问题之一。静态的光场调控器件，如传统透镜、衍射光学元件(Diffractive Optical Elements,DOE)、光栅器件和超表面(metasurface)器件，在制造完成后不能改变光场调控效果，只能用于确定场景，缺乏使用灵活性。而当前动态的空间光场调制器件，如液晶空间光调制器(LiquidCrystal Spatial Light Modulator,LC-SLM)和数字微镜器件(Digital MicromirrorDevice,DMD)，受到活性材料、控制电路设计、散热问题和像素间电磁耦合串扰等的限制，器件的单元像素尺寸一般较大(特别对可见光波段为波长的数十倍)，因此不能实现高精度光场调制，无法满足实际需求，如应用此类器件实现的全息显示视场角极小、分辨率极差，实现的激光雷达扫描角度极小、帧率极低。同时，这些常用的光场调控器件往往只能对振幅或相位进行调控，光场调控维度和能力受限。
超表面器件是一种新型的二维微纳光学器件，其单元结构尺寸在亚波长量级，能实现高分辨率、高灵活度的光场调控，但该器件也难以实现动态。目前动态超表面的实现方式主要有主动式超表面和多路复用型超表面两种。主动式超表面应用相变材料(二氧化钒、GST等)、液晶、可拉伸基底或者化学反应等来切换调制效果。其中，基于液晶材料的超表面器件可通过电路动态操控调制效果，但只能实现一维光场调控；基于温控相变材料和化学反应的超表面能够切换的调控效果较少，不能实现像素化调控；已有利用飞秒激光对氧化石墨烯或者相变材料结构进行单像素尺度改性，但***较为复杂、速度较慢。对于多路复用型动态超表面，器件本身是静态的，可在入射光参量变化情况下实现复用显示或多功能。但由于该方案主要通过超表面结构设计和前端入射光编码实现动态，受加工技术等物理实际限制，也难以实现任意的动态光场调控。
专利CN111257990A公开了一种超表面全息器件、超表面动态全息显示装置和方法，采用空间信道复用和选择型超表面，虽然能够实现高帧率高帧数(2N，N为空间信道的数目)的动态全息图像显示，但只能显示在超表面上预制的或者组合的图案，不能实现像素化光场调控。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光寻址像素化空间光调制器与空间光场调制方法，能够实现高精度、高速度的像素化复杂光场调控。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种超像素超表面器件，包括：
多个晶胞结构，一个所述晶胞结构为一个光场调制像素点；
各所述晶胞结构均包括多个亚波长微纳结构，用于在结构光束的作用下产生光场调制量以进行光场调制；
所述光场调制包括相位调制和/或振幅调制。
按照本发明的第二方面，提供了一种光寻址像素化空间光调制器，包括激光光源、结构光场编码投影模块及如第一方面所述的超像素超表面器件；
所述结构光场编码投影模块包括结构光场编码模块，用于根据目标光场的调制量分布将所述激光光源发出的激光光束编码为结构光束；
所述结构光束入射至所述超像素超表面器件中，选择晶胞中与所述目标光场所需的调制量分对应的微纳结构，以实现目标光场调制。
按照本发明的第三方面，提供了一种空间光场调制方法，采用如权利要求第二方面所述的光寻址像素化空间光调制器实现，包括：
确定目标光场调制所需的调制量分布；
根据所述调制量分布对所述激光光束进行编码得到对应的结构光束；
所述对应的结构光束入射至所述超像素超表面器件中，选择晶胞中与所述调制量分布对应的微纳结构，以实现目标光场调制。
按照本发明的第四方面，提供了一种动态全息视频显示方法，采用如第二方面所述的光寻址像素化空间光调制器实现，包括：
确定待显示的全息视频中各帧图像所需的相位调制量分布；
分别根据所述各帧图像的相位调制量分布对所述激光光束进行编码得到对应的结构光束；
所述对应的结构光束入射至所述超像素超表面器件中，选择晶胞中与所述相位调制量分布对应的微纳结构，以实现所述各帧图像的显示。
按照本发明的第五方面，提供了一种动态复振幅全息视频显示方法，采用如第二发明所述的光寻址像素化空间光调制器实现，包括：
确定待显示的复振幅全息视频中各帧图像所需的复振幅调制量分布；
分别根据所述各帧图像的复振幅调制量分布对所述激光光束进行编码得到对应的结构光束；
所述对应的结构光束入射至所述超像素超表面器件中，选择晶胞中与所述复振幅调制量分布对应的微纳结构，以实现所述各帧图像的显示。
按照本发明的第六方面，提供了一种连续聚焦扫描方法，采用如第二方面所述的光寻址像素化空间光调制器实现，包括：
确定实现各待聚焦点所需的相位调制量分布；
分别根据所述各待聚焦点的所需相位调制量分布对所述激光光束进行编码得到对应的结构光束；
所述对应的结构光束入射至所述超像素超表面器件中，选择晶胞中与所述实现各待聚焦点所需的相位调制量分布对应的微纳结构，以实现聚焦效果。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供的光寻址像素化空间光调制器，根据调控方式设计超像素超表面器件；计算光场调控量的空间分布并将其编码为结构光场分布；利用结构光场编码投影模块生成对应结构光束作用于超像素超表面器件，从而实现目标光场调制；能够实现高精度、高速度的像素化复杂光场调控。
2、本发明提供的超像素超表面器件，借助于晶胞单元的小结构尺寸和优异的光场调控能力，能够实现高精度光场调控；借助于超晶胞的器件设计概念，结合结构光场投影可以实现任意像素化的光场调控。进一步，通过同时照射多个子结构以及对子结构进行复用设计，可增强器件的调制能力如实现复振幅调控等，具有较大的优化和功能挖掘潜力。
3、本发明提供的高速结构光场编码投影模块能够实现高速动态结构光束编码投影，即高速动态光场调制。“光寻址”方法的创新性提出，避免了复杂的器件电路设计，降低了对制造材料的要求，并具备超高刷新速度，将有望应用在光束扫描、动态全息显示领域。
附图说明
图1为本发明实施例提供的超像素超表面器件结构示意图；
图2为本发明实施例提供的光寻址像素化空间光调制器的光路示意图；
图3为本发明实施例提供的结构光场分布生成流程示意图；
图4为本发明实施例提供的光寻址像素化空间光调制器示意图；
图5为本发明实施例提供的光寻址像素化空间光调制器实现的聚焦点扫描仿真结果图；
图6中的(a)、(b)、(c)分别为本发明实施例提供的由9个各向异性纳米砖结构组成的可实现复振幅调控的超像素晶胞示意图、利用该晶胞通过选择多个微纳结构同时作用可实现的复振幅响应的实虚部范围示意图、以该晶胞组成超像素超表面实现动态光寻址像素化复振幅全息显示仿真结果图。
图7为本发明实施例提供的光寻址像素化空间光调制器实现的动态纯相位全息显示仿真结果图。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供一种超像素超表面器件，包括：
多个晶胞结构，一个所述晶胞结构为一个光场调制像素点，所述多个晶胞结构组成光场调制像素阵列；
各所述晶胞结构均包括多个亚波长微纳结构，用于在结构光束的作用下产生光场调制量以进行光场调制；
所述光场调制包括相位调制和/或振幅调制。
优选地，所述亚波长微纳结构为各向同性结构或各向异性结。
优选地，各晶胞结构的形状相同，均为多边形。
具体地，超表面器件由多个微纳结构组成的晶胞像素构成。每个像素位置，平铺于晶胞内的微纳结构可以分别实现不同的光场调制。
如图1所示，超像素超表面器件由重复的晶胞结构构成，晶胞结构内排列多个形态结构不同的亚波长微纳结构，可实现多阶光场调制，如相位、幅度调制等。
超像素超表面器件的加工，可以运用聚焦等离子束刻蚀、电子束曝光、光刻工艺或激光加工等方法。
亚波长微纳结构可以是各向同性结构(如圆柱、圆孔等)、各向异性结构(如矩阵孔、矩阵杆、椭圆孔、椭圆杆等)、对称性结构、自由形状结构。其结构可以由电磁场仿真软件利用参数扫描、拓扑优化算法、机器学习优化算法、神经网络算法等方法设计，也可以是实际实验中测试优化得到。构成亚波长结构的材料可以是介质材料(如硅、氮化硅、二氧化钛等)，也可以是金属或半导体材料(如金、银、铝、氮化镓等)，还可包括非线性材料。
在保证晶胞之间密集排列的情况下，晶胞结构可以是矩形、六边形等形状。晶胞内微纳结构的间隔应该足够大，以保证相互间的电磁耦合作用可以忽略。
本发明实施例提供一种光寻址像素化空间光调制器，如图2所示，包括激光光源2、结构光场编码投影模块及如上述任一实施例所述的超像素超表面器件1；
所述结构光场编码投影模块包括结构光场编码模块4，用于根据目标光场的调制量分布将所述激光光源发出的激光光束编码为结构光束；
所述结构光束入射至所述超像素超表面器件1中与所述目标光场的调制量分布对应的晶胞结构使其产生光场调制量，以实现目标光场调制。
优选地，所述结构光场编码投影模块还包括：
扩束模块3，设置于所述激光光源与结构光场编码模块之间，用于对所激光光束进行扩束；
缩束模块5，设置于所述结构光场编码模块与超像素超表面器件之间，用于对所述编码光束进行缩束。
进一步地，可根据超表面作用条件在上述装置中增加偏振相关模块或滤波模块等。
具体地，激光光源用于产生进入结构光场编码投影模块的激光光束；所述滤波扩束模块3、结构光场编码模块4和缩束模块5构成高速结构光场编码投影模块，用于将激光光源发出的激光光束编码为结构光束照射在超像素超表面1上。结构光束选择每个晶胞中的一个或多个结构在该晶胞像素位置对入射光产生调制实现预期的光场调制效果。当在晶胞内选择多个微纳结构时，产生的光场调制量遵循矢量叠加原理。
结构光场编码投影模块用于产生结构光场分布以实现光寻址，也即，所包含的结构光场编码模块用于高速产生结构光束，选择晶胞像素中产生光场调制作用的子结构(即微纳结构)。
当应用于光学波段时，结构光场编码模块4中的核心光场编码器件为DMD器件4-1。DMD包括1920×1080个7.6微米左右大小的微反射镜及处理模块，每一个微反射镜都有可以实现独立偏转，从而影响光的通断，因此，每个微反射镜都可以对入射光进行0/1开关式的独立编码；处理模块用于根据光场调制量分布确定超像素超表面中的晶胞结构的选择信息，并根据信息通过微反射镜将入射激光编码为结构光束。DMD对入射光的编码速度取决于微透镜的偏转速度，因此可以实现9523Hz/s的编码。反射镜4-2用于折叠和调整光入射DMD及超表面的方向使得DMD调制面与超像素超表面平行，并且DMD编码后结构光束正入射在超像素超表面上。
所述扩束和缩束模块包含透镜和物镜构成的4F***，用于对光场的尺寸进行调整，将结构光束转化为精度更高的结构光束。
滤波扩束模块3包括显微物镜3-1、滤波小孔3-2和透镜3-3，用于将激光光源2出射光中高级次衍射光滤除，同时将光束扩束至与DMD调控面的尺寸匹配，光束的放大率为
缩束模块5包括透镜5-1、滤波小孔5-2和显微物镜5-3，将DMD产生的结构光束缩束为高精度的结构光束，可以准确选择超像素超表面中每个晶胞内的单个或多个微纳结构，从而改变光场调制效果，光束的缩束比为
本发明实施例提供一种空间光场调制方法，采用如上述任一实施例所述的光寻址像素化空间光调制器实现，包括：
确定目标光场调制的调制量分布；
根据所述调制量分布对所述激光光束进行编码得到对应的结构光束；
所述对应的结构光束入射至所述超像素超表面器件中与所述调制量分布对应的晶胞结构使其产生光场调制量，以实现目标光场调制。
具体地，首先，根据常用的器件(用于实现光场调制的光学元件)的透过率函数或利用Gerchberg-Saxton(GS)迭代等优化算法，计算得到超像素超表面器件要实现的光场调制分布；
然后，将该调制分布转换为晶胞中的微纳结构选择信息，可选择一个或多个微纳结构；
最后，在子结构(即微纳结构)选择信息基础上进一步生成结构光场分布，以实现空间光场调制。
如图4所示，本发明提供了一种光寻址像素化空间光调制器的总体示意图。通过高速结构光场编码投影模块生成结构光束来选择晶胞中的一个或多个结构从而实现任意目标光场调制。
本发明实施例提供一种动态全息视频显示方法，采用如上述任一实施例所述的光寻址像素化空间光调制器实现，包括：
确定待显示的全息视频中各帧图像的相位调制量分布；
分别根据所述各帧图像的相位调制量分布对所述激光光束进行编码得到对应的结构光束；
所述对应的结构光束入射至所述超像素超表面器件中，选择晶胞中与所述相位调制量分布对应的微纳结构，以实现所述各帧图像的显示。
全息显示有望实现裸眼三维显示，因此成为显示、加工、光操作领域的研究热点。如图5所示，基于本发明提供光寻址像素化空间光调制器及空间光场调制方法，根据GS算法优化得到的纯相位计算全息图，选取每个晶胞内合适的结构并产生结构光场图案。通过切换加载在DMD器件上的结构光场图案，可以实现全息图案的切换。由于该投影***具有高帧率的特点，所以该套全息显示***能实现高速流畅的全息视频显示。
如图1所示，将四个朝向角分别相差45°的微纳结构组成一个晶胞结构，根据几何相位调制原理，这四个各向异性纳米砖结构可提供的四阶几何相位调制量φn分别为：0,π,/>其中n＝1～4。将该晶胞结构重复排列，形成一个用于“光寻址”的超晶胞超表面模板，等待结构光束入射选择该晶胞像素应实现的调制量。通过全息图案的切换实现高速流畅的全息视频显示。
本发明实施例提供一种动态复振幅全息视频显示方法，采用如上述任一实施例所述的光寻址像素化空间光调制器实现，包括：
确定待显示的复振幅全息视频中各帧图像的复振幅调制量分布；
分别根据所述各帧图像的复振幅调制量分布对所述激光光束进行编码得到对应的结构光束；
所述对应的结构光束入射至所述超像素超表面器件中，选择晶胞中与所述复振幅调制量分布对应的微纳结构，以实现所述各帧图像的显示。
具体地，通过选择晶胞内的多个结构实现复振幅调制。
如图6中的(a)所示，将九个朝向角分别相差的微纳结构组成一个晶胞结构，根据几何相位调制原理，这九个各向异性纳米砖结构可提供的九阶几何相位调制量φn分别为：0,/>其中n＝1～9。将该晶胞结构重复排列，形成一个用于“光寻址”的超晶胞超表面模板，等待结构光束入射选择该晶胞像素应实现的调制量。根据矢量叠加原理，单个晶胞像素通过微纳结构的组合能够产生的光场调制量可表示为其中fn为0或1，表示晶胞中该纳米砖结构未选或选中。该种情况下单个晶胞能够实现的不重复的复振幅调制数目为343种，形成照射晶胞的光场分布和复振幅调制量的对应关系数据库。在复振幅调制的实虚部坐标中，可实现的调制范围如图6中的(b)所示。通过单次傅里叶变换计算待显示的全息面的复振幅分布，对于每个像素点处的复振幅值，选择数据库中和该值差距最小的调制量及晶胞照射光场分布作为该像素点处的结构光场分布。遍历每个像素，计算每个像素点处的结构光场分布并组成最终的结构光场图案。通过切换加载在DMD器件上的结构光场图案，可以实现复振幅全息显示图案的切换，如图6中的(c)所示。基于该投影***和显示方案的复振幅全息不仅具有上述纯相位计算全息高帧率、单像素控制等的特点，更优化了重建像的质量，体现出该套空间光场调制方案具备了更强的光场调控能力。
本发明实施例提供一种连续聚焦扫描方法，采用如上述任一实施例所述的光寻址像素化空间光调制器实现，包括：
确定实现各待聚焦点所需的相位调制量分布；
分别根据所述各待聚焦点的相位调制量分布对所述激光光束进行编码得到对应的结构光束；
所述对应的结构光束入射至所述超像素超表面器件中，选择晶胞中与所述实现各待聚焦点所需的相位调制量分布对应的微纳结构，以实现聚焦效果。
连续任意点扫描对激光雷达、粒子操纵等应用场景而言至关重要。为使入射光聚焦在不同空间点(x0,y0,z0)，光场调控器件在每个像素位置(x,y,0)附加的相位量为：
如图7所示，基于本发明提供的光寻址像素化空间光调制器及空间光场调制方法，当编码了含有聚焦光场信息的结构光场分布序列顺序照射到超像素超表面器件上时，可实现在x方向上连续聚焦扫描。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种超像素超表面器件，其特征在于，包括：
多个晶胞结构，一个所述晶胞结构为一个光场调制像素点；
各所述晶胞结构均包括多个亚波长微纳结构，用于在结构光束的作用下产生光场调制量以进行光场调制；
所述光场调制包括相位调制和/或振幅调制。
2.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述亚波长微纳结构为各向同性结构或各向异性结构。
3.如权利要求1所述的器件，其特征在于，各晶胞结构的形状相同，均为多边形。
4.一种光寻址像素化空间光调制器，其特征在于，包括激光光源、结构光场编码投影模块及如权利要求1-3任一项所述的超像素超表面器件；
所述结构光场编码投影模块包括结构光场编码模块，用于根据目标光场的调制量分布将所述激光光源发出的激光光束编码为结构光束；
所述结构光束入射至所述超像素超表面器件中，选择晶胞中与所述调制量分布对应的微纳结构，以实现目标光场调制。
5.如权利要求4所述的调制器，其特征在于，所述结构光场编码投影模块还包括：
扩束模块，设置于所述激光光源与结构光场编码模块之间，用于对所激光光束进行扩束；
缩束模块，设置于所述结构光场编码模块与超像素超表面器件之间，用于对所述编码光束进行缩束。
6.一种空间光场调制方法，其特征在于，采用如权利要求4或5所述的光寻址像素化空间光调制器实现，包括：
确定目标光场调制所需的调制量分布；
根据所述调制量分布对所述激光光束进行编码得到对应的结构光束；
所述对应的结构光束入射至所述超像素超表面器件中，选择晶胞中与所述调制量分布对应的微纳结构，以实现目标光场调制。
7.一种动态全息视频显示方法，其特征在于，采用如权利要求4或5所述的光寻址像素化空间光调制器实现，包括：
确定待显示的全息视频中各帧图像所需的相位调制量分布；
分别根据所述各帧图像的相位调制量分布对所述激光光束进行编码得到对应的结构光束；
所述对应的结构光束入射至所述超像素超表面器件中，选择晶胞中与所述相位调制量分布对应的微纳结构，以实现所述各帧图像的显示。
8.一种动态复振幅全息视频显示方法，其特征在于，采用如权利要求4或5所述的光寻址像素化空间光调制器实现，包括：
确定待显示的复振幅全息视频中各帧图像所需的复振幅调制量分布；
分别根据所述各帧图像的复振幅调制量分布对所述激光光束进行编码得到对应的结构光束；
所述对应的结构光束入射至所述超像素超表面器件中，选择晶胞中与所述复振幅调制量分布对应的微纳结构，以实现所述各帧图像的显示。
9.一种连续聚焦扫描方法，其特征在于，采用如权利要求4或5所述的光寻址像素化空间光调制器实现，包括：
确定实现各待聚焦点所需的相位调制量分布；
分别根据所述各待聚焦点的相位调制量分布对所述激光光束进行编码得到对应的结构光束；
所述对应的结构光束入射至所述超像素超表面器件中，选择晶胞中与所述实现各待聚焦点所需的相位调制量分布对应的微纳结构，以实现聚焦效果。
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