基于反射式偏振复用超颖表面的增强现实显示方法

本发明涉及一种基于反射式偏振复用超颖表面的增强现实显示方法，属于微纳光学、光场调控和近眼显示应用。

背景技术：

1、随着信息技术的快速发展，人们认知世界的途径也更加丰富多样，其中增强现实(augmented reality,ar)显示技术作为下一代新型显示技术，通过在视觉上将计算机生成的虚拟信息与现实场景相叠加，大大改进了我们感知和互动世界的方式，为人类的生活带来巨大便利。近些年来，已经有越来越多的ar显示设备应用于在医疗、教育、娱乐、工程和航空等领域。当前实现ar显示的方案多种多样，如棱镜、birdbath、自由曲面、全息透镜、光波导等方案，其中光波导方案，在清晰度、视场角、显示效率、系统体积等方面均具优势，是目前ar显示最佳的光学显示方案，且有望成为可穿戴ar显示设备的主流光学显示解决方案。尽管已经用波导折叠了光路，传统光学元件的使用还是会使得系统笨重庞大，不利于长时间穿戴。因此为解决这一问题，迫切需要轻薄紧凑的新型光学元件。

2、超表面作为一种超薄的新型平面光学元件，在对于光波的振幅、相位、偏振、角动量等参数上提供了一个灵活操作的平台。通过灵活设计各种超原子结构可以在亚波长尺度上以极高的自由度任意操纵光的波前，进而克服传统衍射光学与折射光学中的各种限制。这种超强的光束调制能力使得超表面在超透镜、光束整形、非线性光学、全息显示、光束偏折等领域都具有着广泛的应用发展。其中光束偏转器，一般作为光栅结构，是能将将光束高效偏转到指定传播方向的光学器件，在ar显示系统中一般作为光学组合器承担着不可替代的作用。近年来，由于金属材料固有的欧姆损耗，用于制造光束偏转器的材料已逐渐由金属共振材料转变为全介质材料，以实现更高的偏转效率。

3、由于超轻薄的形状因子、强大的调制能力以及较高的偏转效率，全介质超原子组成的光束偏转器近年来常被用作光波导显示方案中的光束耦合器件，在近眼显示特别是ar应用中成为关键组件，众多研究者们针对此也做出了许多令人瞩目的工作。然而，在这些工作中，研究者们往往只考虑了超表面光学器件对携带虚拟信息光波的调制引导，忽略了其对现实世界端的影响，这在真正使用时可能会对用户产生不好的视觉体验。同时，当使用反射式光学元件作为虚拟信息与现实信息组合在一起的光耦合器时，如何平衡虚拟图案与现实场景的出瞳亮度也是一件需要仔细考虑的事情。我们一般认为，由于现实场景的光束能量难以调制，因此反射式光耦合器的需要更高的透射率以确保人眼能观看到现实世界。但这无疑会降低人眼接收到虚拟图案的亮度，特别是当处于阳光强烈的环境中，需要显示屏提供一个极其亮的显示图案才能使人眼清晰地看到虚拟图案，这无疑对显示器件的最大显示亮度也提出了一个不小的挑战

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于反射式偏振复用超颖表面的增强现实显示方法，通过扫描并定制每个纳米柱的横截面型以引入梯度相位，实现对不同偏振态入射光束的独立调制，即能分别实现针对x偏振态反射光束的高效定向偏转，以及针对y偏振态透射光束的高效无串扰传输。本发明有助于提高当前头戴式增强现实显示器件的成像质量和系统紧凑性，可应用于近眼显示、生物成像、医疗设备以及成像复用等应用场合。

2、本发明目的是通过下述技术方案实现的。

3、本发明公开的基于反射式偏振复用超颖表面的增强现实显示方法，所述超颖表面由具有矩形横截面的不同尺寸、相同方位角的介质纳米柱阵列构成，用于实现不同偏振态入射光束独立调制。利用传播相位的原理，依据广义斯涅尔定律对不同偏振的透反射光束进行定向偏转或无串扰传输。利用严格耦合波分析算法对单元介质结构进行扫描，得到不同横截面介质纳米柱在不同偏振态入射下的透反射系数。根据目标偏转角度计算反射梯度相位，同时保证透射相位分布均匀，确定纳米柱单元的几何尺寸，从而生成相应超颖表面结构的加工文件。采用电子束刻蚀的微纳加工工艺加工反射型介质超颖表面。在x、y偏振光分别入射到超颖表面时，能分别实现针对x偏振态反射光束的高效定向偏转以及针对y偏振态透射光束的高效无串扰传输。

4、本发明公开的基于反射式偏振复用超颖表面的增强现实显示方法，包括如下步骤：

5、步骤一：用于实现不同偏振态入射光束独立调制的超颖表面由具有矩形横截面的不同尺寸、相同方位角的介质纳米柱阵列构成。利用传播相位的原理，依据广义斯涅尔定律对不同偏振的透反射光束进行定向偏转或无串扰传输。所述几何尺寸包括纳米柱的长轴长度l、短轴长度w、高度h以及超颖表面单元的周期长度p。

6、用于实现增强现实显示的反射式偏振复用超颖表面由具有矩形横截面的不同几何尺寸、相同方位角的介质纳米柱阵列构成。利用广义斯涅尔定律可确定目标偏转角度下所需的相位梯度，进而确定单元结构。

7、广义斯涅尔定律描述如下：当光波在两种介质的界面上沿某一方向具有一定的相位梯度时，会使得光波的传播方向产生改变而偏离传统的折反射定律。仅考虑反射情况时，当一束平面波以θi的角度入射到界面上时，该光束从空间位置a经过两条路径照射在界面上无限接近的两点并最终反射到空间位置b处，则判定所述两条路径的相位差为零，即有：

8、[k0nisinθidx+(φ+dφ)]-[k0nisinθrdx+φ]＝0       (1)

9、式中ni为入射介质的折射率，θr为反射角，φ和φ+dφ为这两条路径所穿过界面位置上的相位不连续度，k0＝2π/λ0，λ0为真空波长。当沿界面的相位梯度是一个恒定值时，对式(1)化简得到广义斯涅尔定律

10、

11、式中dφ/dx就是界面引入的相位梯度。广义斯涅尔定律表明，通过设计界面的相位梯度，操控反射光束沿任意方向传播。当处于空气介质(ni＝1)且正入射(θi＝0)的情况下，反射角的大小仅由入射波长与梯度相位决定：

12、

13、式中p为介质的某一周期值，为界面在周期p下引入的相位变化。

14、针对x偏振态的反射光束实现高效定向偏转，同时针对y偏振态的透射光束进行高效无串扰传输。在纳米柱高度h和周期p固定的情况下，改变纳米柱的长轴长度l和短轴长度w，利用仿真软件进行二维扫描得到不同尺寸纳米柱在不同偏振入射下所对应的透反射系数的rxx和tyy。仿真时应对入射光的波长、构成纳米柱的材料种类、纳米柱高度h和周期p进行合理的选择，使透射系数的相位和能够覆盖0～2π。同时，透反射系数的幅值abs(rxx)和abs(tyy)应尽量接近于1，以保证近眼增强现实显示系统的视觉效果。通过改变纳米柱结构单元的几何尺寸，即通过超颖表面对不同偏振态出射光束的偏转方向进行任意地调控。

15、步骤一所述仿真软件采用基于严格耦合波分析方法的rcwa、基于时域有限差分方法的fdtd或基于有限元方法的comsol。

16、步骤二：根据需求选择反射x偏振态光束所需要的偏转角度，同时保证透射y偏振态光束无串扰传输，计算超颖表面需引入的反射x偏振态梯度相位并确保透射y偏振态相位均匀分布，选取并确定纳米柱单元的几何尺寸，从而生成相应介质超颖表面结构的加工文件。

17、根据反射光束需偏转的角度θr，代入公式(3)即得到所需引入的梯度相位dφ/dx，将梯度相位分为n阶进行表征，每n个结构为一组大单元，只需选取n个结构并进行周期性排列即能够实现反射光束偏转到角度θr。根据广义斯涅尔定律，每个结构所引入的反射相位表示为：

18、

19、式中n为大单元中纳米柱结构的排列顺序。对于透射相位可选取某固定相位值作为标准，选取结构应尽可能接近此相位值，以满足透射相位分布均匀。根据步骤一中所得到的透反射系数tyy和rxx的二维扫描结果，即确定超颖表面每个单元内纳米柱的长轴长度l以及短轴长度w。在确定纳米柱几何尺寸的过程中，需保证公式(5)所示的误差ε尽量小，使得所设计的超颖表面能够更加准确对不同偏振态出射光束的相位分布进行调控。

20、

21、公式(5)中使用复振幅选取结构的原因是，除了要让纳米柱结构透反射系数的相位分布满足条件，其幅值项abs(rxx)和abs(tyy)也应尽量接近于1，以提高反射光束定向偏折以及透射光束无串扰传输的效率，实现高效调制。

22、根据选取的纳米柱单元的长轴长度l以及短轴长度w，生成相应介质超颖表面结构的加工文件。

23、还包括步骤三：利用步骤二所得介质超颖表面结构的加工文件，通过电子束刻蚀的微纳加工方法，制备反射型介质超颖表面。通过超颖表面对不同偏振态出射光束的相位进行同时调控，并作为增强现实显示系统中光学组合器实现ar显示。

24、有益效果：

25、1、本发明公开的基于反射式偏振复用超颖表面的增强现实显示方法，通过对不同偏振态出射光束的相位进行同时调控，实现针对x偏振态反射光束的高效定向偏转，以及针对y偏振态透射光束的高效无串扰传输的功能。有助于同时获得高亮度的虚拟图像和高清无串扰的现实场景，提升ar显示器件的视觉质量。

26、2、本发明公开的基于反射式偏振复用超颖表面的增强现实显示方法，通过超颖表面对不同偏振态出射光束的相位进行同时调控，并作为增强现实显示系统中光学组合器实现ar显示的功能；由于超颖表面具有小型化、轻薄化、易集成化的特点，将超颖表面元件代替传统的光学元件，降低近眼ar显示系统的复杂性和重量，从而使用户获得更舒适的佩戴体验。

27、3、本发明公开的基于反射式偏振复用超颖表面的增强现实显示方法，通过超颖表面耦合元件代替传统光波导ar显示方案中的耦合器件，将超颖表面元件与光波导进行集成，能够进一步实现片上集成光波导ar显示系统，进而提高ar近眼显示系统紧凑性。

28、4、本发明公开的基于反射式偏振复用超颖表面的增强现实显示方法，通过对纳米柱的组成材料进行合理的选择以及纳米柱结构尺寸进行进一步优化，选取色散曲线合适的纳米柱结构并进行周期性排列，并且通过优化后的三维彩色全息图构建虚拟图案，能进一步实现消色差全彩三维ar显示效果。

29、5、本发明公开的基于反射式偏振复用超颖表面的增强现实显示方法，针对不同偏振态出射光束进行同时调控，通过对纳米柱材料及形状尺寸进行合理选择，能近一步应用于生物成像、医疗设备、成像复用等领域。