[发明专利]一种超表面全息器件、超表面动态全息显示装置和方法

说明书

本发明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，属于光学全息领域。包括：空间光编码模块用于将激光光束编码为结构光束；超表面全息器件用于根据结构光束开启超表面全息器件的不同空间信道，进行动态全息显示。本发明由多个独立空间信道组合构成静态超表面器件，利用DMD装置产生结构光场选择性开启不同空间信道，帧率和帧数都得到提高。利用空间信道的设计、不同空间信道重构的全息图形不同，将所处相对空间位置考虑进去，最终重构出的图形与开启的信道组合有关，N个信道可以产生2^N种变化。采用DMD对入射光的编码及4F系统对编码光束的缩束，产生照明结构光场，解决了结构光束与超表面器件空间信道严格对应问题。

技术领域

本发明属于光学全息领域，更具体地，涉及一种超表面全息器件、超表面动态全息显示装置和方法。

背景技术

动态全息显示技术是一种非常有前景的裸眼3D显示技术，可以通过复振幅衍射的方式进行成像。实际上，除了单纯用于成像，动态全息技术也被广泛应用于光信息处理、光通信、激光加工等众多领域。传统动态全息技术中用于记录和加载全息图的器件单元像素远远大于波长量级(如工作在可见光波段的空间光调制器单元像素大小为8-13微米，远大于可见光400-800m波长)，因此存在视场角狭窄、多级次像、孪生像等问题。超表面是一种由亚波长结构组成的新型二维平面光学器件，单元结构小于波长，因此由超表面构成的计算全息器件具有显示视场角大、无多级次像等问题，具有非常广阔的应用前景。

目前用于实现超表面动态全息的技术主要分为两类，第一类是利用动态超表面，例如，应用相变材料(如Ge2Sb2Te5，GST)在不同温度下晶态与非晶态的切换实现；或是将超表面器件加工在可拉伸基底上，通过机械方法实现；或是通过化学反应使材料光学性质产生变化来实现；或是通过飞秒激光对氧化石墨烯的覆写来实现。另一类是超表面器件本身是静态、固定的，但入射光场被动态调制，静态超表面器件在不同入射光下被复用。这类方案中，有利用波长复用的方式，不同波长入射超表面器件重构图案发生变化；有利用角度复用，沿不同角度入射的光场重构出不同图案；还有利用偏振复用，包括圆偏振、线偏振以及椭圆偏振光等，不同形式的偏振光照射到超表面器件上，重构出不同的图案；以及复用轨道角动量光束，不同拓扑荷值的光入射时，重构的图案不同。

专利CN105278309B中公开了一种基于微旋转系统的动态超表面全息的实现方法，该方法中每个旋转结构直径为3.5微米，在两个方向上的结构间距为3.8微米和7.8微米，这就导致实际调制像素间隔远大于可见光波长，失去了超表面全息独立调制像素间隔小于波长的优势。另外该种方式中旋转结构最高转速为1500r/min，要实现π相位变化，要旋转90°，可以计算出该发明的极限刷新帧率仅为100fps。

因此，目前光波段还缺乏一种能够实现大帧数、高帧率的超表面动态全息技术。

发明内容

针对现有技术光波段超表面动态全息中帧数少、帧率低的问题，本发明提供了一种超表面全息器件、超表面动态全息显示装置和方法，其目的在于实现大帧数、高帧率的超表面动态全息。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种超表面全息器件，超表面全息器件由多个不同的独立空间信道构成，每个空间信道产生独立的全息图象。

优选地，使用Gerchberg-Saxton迭代算法规划独立空间信道的相位分布或振幅分布。

为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种超表面动态全息显示装置，包括：如第一方面所述的超表面全息器件和空间光编码模块；

空间光编码模块用于将激光光束编码为结构光束；

超表面全息器件用于根据结构光束开启超表面全息器件的不同空间信道，从而进行动态全息显示。

优选地，空间光编码模块由激光光源、空间光编码器件、透镜和物镜构成；其中，