基于逆向设计波长解复用的片上集成AR显示元系统及方法与流程

本发明涉及微纳光学、集成光子学技术、光波导技术、增强现实显示，尤其涉及一种基于逆向设计波长解复用的片上集成ar显示元系统。

背景技术：

1、作为最重要的显示技术之一，增强现实(ar)通过虚拟信息增强了人类与现实世界的互动，在交通、教育、医疗保健和娱乐领域具有巨大的发展潜力。光波导技术是实现ar显示设备最有前途的方法，提供了集成光学元件的片上平台以构建多功能、高性能和紧凑的光学系统。然而，目前自由空间光与导波之间的耦合/解耦合光学元件通常体积庞大(如传统耦合器/解耦器中的棱镜和光栅)，严重限制了任意光学操作的自由，功能非常有限。

2、最近，集成到光波导上的超表面，作为新一代的微型光学器件，可以对导波进行操作，并促进自由空间光和片上导波之间的任意转换。片上超表面继承了传统超表面的编码自由度，可以在亚波长尺度上设计光幅度、相位和偏振状态，从而创建各种实用的功能，包括光束控制、光路由器、透镜和全息显示等。然而，实现完全集成的片上元系统并创建任意工程光学功能仍然是未经探索和具有挑战性的。例如，以前大多数的工作仅关注单个耦合器/解耦器组件，缺乏用于片上和自由空间光之间任意编码转换的完整光学集成，以及每个元件间的协同配合。目前，耦合/去耦合元件的功能仍然过于简单，无法对入射光进行定制化操作。

技术实现思路

1、本发明主要目的在于提供一种可以用于片上和自由空间光之间任意编码转换的完整光学集成，实现多通道集成ar显示。

2、本发明所采用的技术方案是：

3、提供一种基于逆向设计波长解复用的片上集成ar显示元系统，包括介质衬底层、光波导层、元光栅结构和纳米砖结构；

4、光波导层设置在介质衬底层之上；

5、元光栅结构，布设在光波导层之上，其采用逆向设计进行结构优化，使得垂直入射元光栅结构的两个不同波长的光束，沿相反的方向进入光波导层；

6、纳米砖结构排布在光波导层上，且在元光栅结构的两侧，为根据迂回相位原理排列的片上超表面纳米砖阵列，使得在光波导层沿相反方向传播的导波经过纳米砖结构时解耦合到自由空间中形成任意的光场，分别实现目标图像的全息显示。

7、接上述技术方案，逆向设计的优化目标为两不同波长的自由空间光耦合进光波导层相反方向的效率以及分离比。

8、接上述技术方案，逆向设计具体采用二进制编码，将待设计区域的元光栅结构分解为长度为200的二进制序列，1和0分别表示对应区域是被硅填充还是空白；利用时域有限差分方法对元光栅进行电磁学仿真，计算耦合效率和分离比的适应度函数；根据适应度函数选择个体，并借助于遗传算子进行组合交叉和变异，产生新的种群；循环此过程，在满足终止条件后输出最佳个体及最优解，得到最终的元光栅结构。

9、接上述技术方案，纳米砖结构的排布具体根据gerchberg-saxton算法计算要实现目标图像全息所需的相位分布矩阵，之后根据迂回相位给出的相位与纳米砖相对位移之间的关系获取纳米砖的位置信息，得到每个单元结构内纳米砖的位置排布。

10、接上述技术方案，介质衬底层为二氧化硅层；光波导层为采用等离子体增强化学气相沉积技术在介质衬底层上沉积的si3n4。

11、接上述技术方案，元光栅结构为一维光栅结构，形成两个相反的光通道，垂直入射元光栅结构的两个不同波长的光束，沿相反的方向进入光波导层；

12、或者元光栅结构为二维光栅，在每个维度上各形成两个相反的光通道。

13、接上述技术方案，纳米砖结构中的纳米砖的长、宽相等且均为亚波长尺度，且大小完全一致。

14、接上述技术方案，以平行于光波导层的工作面的两条边的方向为x轴和y轴，建立xoy坐标系，元光栅和纳米砖的长轴、短轴均与光波导层的工作面平行。

15、本发明还提供一种基于逆向设计波长解复用双颜色通道的ar全息显示方法，其特征在于，其基于上述技术方案的基于逆向设计波长解复用的片上集成ar显示元系统，其将元光栅结构作为波长复用输入耦合器，将纳米砖结构作为解耦器，实现两通道的全息显示。

16、本发明还提供种基于逆向设计波长解复用的片上集成ar显示元系统的应用，其特征在于，将基于逆向设计波长解复用的片上集成ar显示元系统作为镜片，集成到ar显示装置中，实现多波长通道的ar显示，将虚拟全息图像信息投射到真实环境中。

17、本发明产生的有益效果是：本发明在波导上方集成波长解复用的元光栅作为入射耦合器，并利用片上超表面作为输出解耦器，可实现自由空间光和导波之间定制的耦合转换，并利用波长选择性编码光信息进行操作，从而可以实现多通道的全息显示。

技术特征：

1.一种基于逆向设计波长解复用的片上集成ar显示元系统，其特征在于，包括介质衬底层、光波导层、元光栅结构和纳米砖结构；

2.根据权利要求1所述的基于逆向设计波长解复用的片上集成ar显示元系统，其特征在于，逆向设计的优化目标为两不同波长的自由空间光耦合进光波导层相反方向的效率以及分离比。

3.根据权利要求1所述的基于逆向设计波长解复用的片上集成ar显示元系统，其特征在于，逆向设计具体采用二进制编码，将待设计区域的元光栅结构分解为长度为200的二进制序列，1和0分别表示对应区域是被硅填充还是空白；利用时域有限差分方法对元光栅进行电磁学仿真，计算耦合效率和分离比的适应度函数；根据适应度函数选择个体，并借助于遗传算子进行组合交叉和变异，产生新的种群；循环此过程，在满足终止条件后输出最佳个体及最优解，得到最终的元光栅结构。

4.根据权利要求1所述的基于逆向设计波长解复用的片上集成ar显示元系统，其特征在于，纳米砖结构的排布具体根据gerchberg-saxton算法计算要实现目标图像全息所需的相位分布矩阵，之后根据迂回相位给出的相位与纳米砖相对位移之间的关系获取纳米砖的位置信息，得到每个单元结构内纳米砖的位置排布。

5.根据权利要求1所述的基于逆向设计波长解复用的片上集成ar显示元系统，其特征在于，介质衬底层为二氧化硅层；光波导层为采用等离子体增强化学气相沉积技术在介质衬底层上沉积的si3n4。

6.根据权利要求1所述的基于逆向设计波长解复用的片上集成ar显示元系统，其特征在于，元光栅结构为一维光栅结构，形成两个相反的光通道，垂直入射元光栅结构的两个不同波长的光束，沿相反的方向进入光波导层；

7.根据权利要求1所述的基于逆向设计波长解复用的片上集成ar显示元系统，其特征在于，纳米砖结构中的纳米砖的长、宽相等且均为亚波长尺度，且大小完全一致。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的基于逆向设计波长解复用的片上集成ar显示元系统，其特征在于，以平行于光波导层的工作面的两条边的方向为x轴和y轴，建立xoy坐标系，元光栅和纳米砖的长轴、短轴均与光波导层的工作面平行。

9.一种基于逆向设计波长解复用双颜色通道的ar全息显示方法，其特征在于，其基于权利要求1所述的基于逆向设计波长解复用的片上集成ar显示元系统，其将元光栅结构作为波长复用输入耦合器，将纳米砖结构作为解耦器，实现两通道的全息显示。

10.一种基于逆向设计波长解复用的片上集成ar显示元系统的应用，其特征在于，将权利要求1所述的基于逆向设计波长解复用的片上集成ar显示元系统作为镜片，集成到ar显示装置中，实现多波长通道的ar显示，将虚拟全息图像信息投射到真实环境中。

技术总结
本发明公开了一种基于逆向设计波长解复用的片上集成AR显示元系统，包括介质衬底层、光波导层、元光栅结构和纳米砖结构；光波导层设置在介质衬底层之上；元光栅结构，布设在光波导层之上，其采用逆向设计进行结构优化，使得垂直入射元光栅结构的两个不同波长的光束，沿相反的方向进入光波导层；纳米砖结构排布在光波导层上，且在元光栅结构的两侧，为根据迂回相位原理排列的片上超表面纳米砖阵列，使得在光波导层沿相反方向传播的导波经过纳米砖结构时解耦合到自由空间中形成任意的光场，分别实现目标图像的全息显示。

技术研发人员：李仲阳,刘阳,时阳阳,王泽静
受保护的技术使用者：武汉量子技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13