[发明专利]基于片上超表面的屏幕显示与AR全息同步的方法及应用

说明书

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。

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；