一种基于超表面的全视场平面三维显示装置

1.本发明属于微纳光学、三维投影显示、生物光子学领域，尤其涉及一种基于超表面的全视场平面三维显示装置，在活体生物显示、昆虫个体活动观察等应用领域研究中有巨大价值。


背景技术：

2.全视场活体生物三维显示成像技术一直是生物光子学中的难题，也是研究昆虫等生物个体活动以及群体活动的关键。在传统的生物学个体活动的研究中，需要使用真实的活体放置在透明隔板相隔的空间中观察生物视觉对个体活动的影响。例如，在研究对小丑鱼的性别转化中，需要使用透明隔箱来观测生物水域虚拟的雌性是否会抑制青年雌雄同体小丑鱼的性别转化。在这种方案中，生物可观察视场有限，并且很难进行生物间的近距离观测。


技术实现要素：

3.本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于超表面的全视场平面三维显示装置。本方案通过偏振复用的平面超表面，可以将一个空间的活体生物进行全视场的投射到另一个空间，投影到新空间的光场包含物体的三维信息，并且这个三维实像可以被真实物体碰撞、接触、穿插，为生物光子学的研究等领域提供了新的工具，具有多领域的应用价值。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种基于超表面的全视场平面三维显示装置，从上至下依次包括一层拥有透射和反射光波调制功能的超表面、支撑结构以及一层平面反射镜；所述的超表面由各向异性的微纳结构组成，对不同偏振态的光子有不同的透射以及反射响应；所述的各向异性的微纳结构由透明衬底和衬底上的亚波长微结构组成，所述透明衬底用于透射入射光场，以及支撑亚波长微纳结构；所述的亚波长微纳结构为纳米介质柱，对于入射的光波可实现透反射系数的调制；所述的平面反射镜由金属薄膜构成，上面涂敷或键合一层透明材料，该平面反射镜用于实现对光线的反射和成像空间的压缩；所述的支撑结构用于固定平面反射镜以及超表面，并保证相对距离为设计距离。
5.所述超表面的纳米介质柱为各向异性结构，在x和y方向的尺寸不同，并且具有一定的旋转角度；对透射光和反射光分别进行相位和振幅调制，并且对于左右旋光，通过对结构的旋转以及结合琼斯矩阵来实现不同的调制效果。
6.所述超表面的纳米介质柱的晶格常数小于工作波长，对于一种偏振态，其透射率大于80%，无相位梯度调制，对于入射偏振态的正交偏振态，反射率大于80%，并转化为原入射偏振态，反射相位覆盖0~2π。
7.所述超表面的纳米介质柱排布满足：对于高反射的偏振态，相位分布由射线光学仿真软件优化得到，使得被观测物体发出的光线通过反射镜的反射成3维的实像于超表面上方。
8.所述的一种基于超表面的全视场平面三维显示装置，对于高透射的偏振态，超表面将入射的光波信息完全透过，不进行调制，从而在器件中实现照明光的输入和成像光输出。
9.所述基于超表面的全视场平面三维显示装置，实现方法包括以下步骤：步骤(1) 根据设计指标要求以及工艺限制，确定超表面的工作波长、视场角、焦距参数；所述的超表面对于反射光偏振态的焦距需小于超表面与反射镜的间距，焦距决定了系统的放大倍数；步骤(2) 根据步骤（1）得到的孔径和焦距，利用公式（1）或者射线光学仿真软件优化，得到超表面的相位分布：
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(1)式中，x，y为超表面透镜上的空间坐标，f为透镜焦距，λ为超表面透镜的工作波长；步骤(3) 使用电磁仿真软件计算不同尺寸纳米介质柱的透反射幅度和相位，选择纳米介质柱尺寸时，需满足其晶格常数小于工作波长，在工作波长的设计偏振态反射幅度接近1，并将其转化为正交偏振态，不同尺寸纳米介质柱的反射相位覆盖0~2π，对其正交偏振态透射幅度接近1，相位恒定；步骤(4) 根据超表面透镜成像部分每个晶格位置的相位要求，设计纳米介质柱的排布方式；步骤(5) 制备平面反射镜：在平面衬底上镀一层金属薄膜，透明材料涂敷或者键合固定在反射镜上，起到保护的作用；步骤(6) 制备支撑结构，其固定间距为设计间距。
10.本发明的有益效果是：该发明可以在平面框架中将物体的三维信息全视场地投射到装置外，在装置外不同角度可观测到被观测物体不同侧面的三维信息。该投影像为实像，可被装置外的真实物体碰撞、接触、穿插，使得生物光子学中观测影像对生物个体的影响成为可能。相比于传统的3d镜显示方案，该发明上下表面皆为平面，利于被观测物体的放置和移动，并且不需要开孔进行照明和透过成像光束，使得物体正上方的光线也可以被全部收集，扩大了观测视场。
附图说明
11.图1为超表面的各向异性单元结构图。
12.图2为超表面结构在不同偏振下的透射率和反射系数，其中(a)部分为对x偏振光的透射率，(b) 部分为不同结构尺寸对y偏振光的反射系数。
13.图3为设计装置的工作示意图，对于左旋偏振光，有较高的反射系数和相位调制功能，对于右旋偏振光，有较高的透射率。
14.图4为设计装置的一组射线光束仿真结果。
15.图5为传统3d镜的成像示意图。
具体实施方式
16.下面结合附图对本发明作进一步说明。
17.如图1-5所示，一种基于超表面的全视场平面三维显示装置，由一层超表面、平面反射镜以及支撑装置组成（支撑装置未画出）。
18.所述超表面由各向异性亚波长微纳结构组成，超表面由各向异性的微纳结构组成，其对不同偏振态的光子有不同的透射以及反射响应。微纳结构由透明衬底和衬底一侧的亚波长微结构组成。所述的亚波长微纳结构对于入射的光波可实现透反射系数的调制，由大量纳米介质柱构成；所述透明衬底用于透射入射光场以及支撑亚波长微纳结构，每个微纳结构的晶格周期p小于波长，其在x和y方向的尺寸不同，如图1所示，并且可以通过旋转使其对不同的正交偏振态（如左右旋的园偏振以及椭圆偏振态）拥有不同的响应。
19.所述的平面反射镜由金属薄膜，如银镜、金镜等构成，上面可涂敷或键合一层透明材料对其起保护作用。该反射层实现对光线的反射和成像空间的压缩。
20.所述的支撑结构起到固定反射镜以及超表面的作用，保证其相对距离为设计距离。
21.进一步地，所述超表面纳米柱为各向异性结构，其在x和y方向的尺寸不同，如图1所示，并且可以有一定的旋转角度；各向异性的结构可以对透射光和反射光分别进行相位和振幅调制，并且对于左右旋光来说，也可以通过对结构的旋转以及结合琼斯矩阵来实现不同的调制效果。
22.进一步地，超表面纳米柱的晶格常数小于工作波长，对于一种偏振态，其透射率大于80%，无相位梯度调制功能，如图2的(a) 部分所示，对于其正交偏振态，其反射率大于80%，并将其转化为正交偏振态，其相位覆盖0~2π，如图2的(b) 部分所示。
23.进一步地，对于超表面介质柱排布满足：对于高反射的偏振态，其相位分布可由射线光学仿真软件优化得到，使得被观测物体发出的光线可以通过反射镜的反射成像于超表面上方，如图3所示，并且这个像是一个3维的实像，通过不同的观察角度可以得到物体不同角度的立体图像。
24.进一步地，对于高透射的偏振态，超表面可将入射的光波信息完全透过，不对其进行调制，在器件中实现照明光的输入和成像光输出的作用，如图3所示。
25.一种基于超表面的全视场平面三维显示方法，包括以下步骤：步骤(1) 根据设计指标要求以及工艺限制，确定超表面的工作波长、视场角、焦距等参数。
26.所述的超表面对于反射光偏振态的焦距需小于超表面与反射镜的间距，其焦距决定了系统的放大倍数。
27.步骤(2) 根据步骤（1）得到的孔径和焦距，利用公式（1）或者射线光学仿真软件优化，得到超表面的相位分布：
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(1)式中，x，y为超表面透镜上的空间坐标，f为透镜焦距，λ为超表面透镜的工作波长。
图4为一组结构的光线追迹结果，其将物体实像透射在超表面上方。
28.步骤(3) 使用电磁仿真软件计算不同尺寸纳米介质柱的透反射幅度和相位，选择纳米介质柱尺寸时，需满足其晶格常数小于工作波长，在工作波长对于设计偏振态光子的反射幅度》80%，不同尺寸纳米介质柱的透射相位覆盖0~2π，对于其正交偏振态透射幅度》80%，相位恒定。
29.步骤(4) 根据超表面透镜成像部分每个晶格位置的相位要求，设计纳米介质柱的排布方式。
30.步骤(5) 制备平面反射镜：可使用金属反射镜，在平面衬底上镀一层金属薄膜，可增加透明材料涂敷或者键合的方法固定在反射镜上，起到保护的作用。
31.步骤(6) 制备支撑结构，其起到固定超表面和金属反射镜的作用，其固定间距为设计间距，可留开口或者通道供被观测物体放入。
32.相比于传统的3d镜显示方案，如图5所示，该发明上下表面皆为平面，利于被观测物体的放置和移动，并且不需要开孔进行照明和透过成像光束，使得物体正上方的光线也可以被全部收集，扩大了观测视场。
33.上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。

技术特征：
1.一种基于超表面的全视场平面三维显示装置，其特征在于，从上至下依次包括一层拥有透射和反射光波调制功能的超表面、支撑结构以及一层平面反射镜；所述的超表面由各向异性的微纳结构组成，对不同偏振态的光子有不同的透射以及反射响应；所述的各向异性的微纳结构由透明衬底和衬底上的亚波长微结构组成，所述透明衬底用于透射入射光场，以及支撑亚波长微纳结构；所述的亚波长微纳结构为纳米介质柱，对于入射的光波可实现透反射系数的调制；所述的平面反射镜由金属薄膜构成，上面涂敷或键合一层透明材料，该平面反射镜用于实现对光线的反射和成像空间的压缩；所述的支撑结构用于固定平面反射镜以及超表面，并保证相对距离为设计距离。2.根据权利要求1所述的一种基于超表面的全视场平面三维显示装置，其特征在于，所述超表面的纳米介质柱为各向异性结构，在x和y方向的尺寸不同，并且具有一定的旋转角度；对透射光和反射光分别进行相位和振幅调制，并且对于左右旋光，通过对结构的旋转以及结合琼斯矩阵来实现不同的调制效果。3.根据权利要求2所述的一种基于超表面的全视场平面三维显示装置，其特征在于，所述超表面的纳米介质柱的晶格常数小于工作波长，对于一种偏振态，其透射率大于80%，无相位梯度调制，对于入射偏振态的正交偏振态，反射率大于80%，并转化为原入射偏振态，反射相位覆盖0~2π。4.根据权利要求3所述的一种基于超表面的全视场平面三维显示装置，其特征在于，所述超表面的纳米介质柱排布满足：对于高反射的偏振态，相位分布由射线光学仿真软件优化得到，使得被观测物体发出的光线通过反射镜的反射成3维的实像于超表面上方。5.根据权利要求4所述的一种基于超表面的全视场平面三维显示装置，其特征在于，对于高透射的偏振态，超表面将入射的光波信息完全透过，不进行调制，从而在器件中实现照明光的输入和成像光输出。6.根据权利要求1-5所述一种基于超表面的全视场平面三维显示装置，其特征在于，实现方法包括以下步骤：步骤(1) 根据设计指标要求以及工艺限制，确定超表面的工作波长、视场角、焦距参数；所述的超表面对于反射光偏振态的焦距需小于超表面与反射镜的间距，焦距决定了系统的放大倍数；步骤(2) 根据步骤（1）得到的孔径和焦距，利用公式（1）或者射线光学仿真软件优化，得到超表面的相位分布：
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(1)式中，x， y为超表面透镜上的空间坐标，f为透镜焦距，λ为超表面透镜的工作波长；步骤(3) 使用电磁仿真软件计算不同尺寸纳米介质柱的透反射幅度和相位，选择纳米介质柱尺寸时，需满足其晶格常数小于工作波长，在工作波长的设计偏振态反射幅度接近1，并将其转化为正交偏振态，不同尺寸纳米介质柱的反射相位覆盖0~2π，对其正交偏振态透射幅度接近1，相位恒定；
步骤(4) 根据超表面透镜成像部分每个晶格位置的相位要求，设计纳米介质柱的排布方式；步骤(5) 制备平面反射镜：在平面衬底上镀一层金属薄膜，透明材料涂敷或者键合固定在反射镜上，起到保护的作用；步骤(6) 制备支撑结构，其固定间距为设计间距。

技术总结
本发明公开了一种基于超表面的全视场平面三维显示装置。本发明包括超表面、平面镜以及支撑结构；所述超表面由各向异性亚波长微纳结构组成，其可对正交偏振态实现独立的透射以及反射振幅和相位的调制；所述的平面反射镜由金属薄膜构成，其上面可增加透明材料进行保护；所述的支撑结构对制作材料没有限制，其主要负责固定反射镜以及设计超表面。本发明通过超表面对光波不同偏振态的自由调制能力，将被观测物体的三维信息投影到装置外，充分发挥了超表面平面化、轻薄化以及偏振可控的优势，为生物光子学中活体实时三维观测提供新的实现方案，为超表面在生物光子学中的应用开辟新的思路。思路。思路。


技术研发人员：陈瑞 马云贵 胡欢 周毅
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/9/22