[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

权利要求书

1.一种基于片上超表面的屏幕显示与AR全息同步的方法，其特征在于：

所述片上超表面，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；

该方法包含如下步骤：

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；

S5：然后利用优化的GS算法，生成两个仅相位全息图来重建远场的目标图像；接着结合迂回相位，将前一步得到的相位矩阵换算为位置信息，得到每个像素内对应通道的单元结构内双原子纳米结构的位置排布；

S6：通过将片上干涉原理与迂回相位结合，得到最终实现与全息投影同步的透明屏幕显示的片上超表面二维阵列；

S7：采用波长为λ_x、λ_y的导波分别从波导的x、y方向入射经过波导上方的超表面阵列，能够得到与两幅透明屏幕显示同步的片上双通道全息图。

2.如权利要求1所述基于片上超表面的屏幕显示与AR全息同步的方法，其特征在于：具体步骤如下：

所述S1中：选定分别沿着x、y方向传输导波的波长λ_G、λ_R，同时根据对应的传播常数β_G、β_R计算得到相应的周期P_x、P_y；

所述S2中：根据步骤S1中的周期P_x、P_y，设计具有两种不同距离D₁＝P_x/2、D₂＝P_y/2的双原子纳米砖排布；当导波沿着x方向传输经过双原子纳米结构时将会被其提取并解耦合到自由空间，来自同一单元结构内双原子纳米结构的叠加电场E表示为：

其中x₁/x₂分别表示导波沿x方向传播到每个纳米砖的距离，D＝x₂–x₁代表沿传播方向双原子纳米砖之间的距离；β＝2π·n_eff/λ₀是导波的传播常数，n_eff和λ₀分别为波导的有效折射率和自由空间波长；根据等式(1)，导波沿着平行于双原子排布方向传输时的提取光强度状态记为“0”，而导波沿着垂直于双原子排布方向传输时的提取光强度状态记为“1”；则D₁提供x方向传输导波时提取光强度的“0”、“1”态，D₂提供y方向传输导波时提取光强度的“0”、“1”态；

所述S3中：将步骤S2中的不同双原子排布的单元结构进行组合，选取4个单元结构作为一个大的像素分别表示对应x，y通道的“00”“01”“10”“11”4种编码态；其中，“00”态的像素对应的4个单元结构内无双原子排布，“01”态和“10”态的像素对应的4个单元结构内分别有一对双原子纳米结构的排布且位于对角线分布，“11”态的像素对应的4个单元结构内的两对双原子纳米结构的排布分别位于对角线排布；

所述S4中：选取两幅二值化的图像作为x，y通道的透明屏幕显示图像，利用步骤S3中的“00”“01”“10”“11”4种编码态对图像进行编码；

所述S5中：采用G-S算法，得到目标远场全息图像的相位矩阵分布，从而根据迂回相位原理和等式(2)，得到对应x通道光强度为“1”的双原子硅纳米砖在单元结构内沿着x方向上的位置信息；同理能够得到y通道方向上光强度为“1”的双原子纳米砖的位置信息；

其中，Δx_m和Δφ_m(x)为x方向第m个双原子纳米砖在一个周期内沿着x方向的位移和对应的提取相位，P为单元结构的周期；

所述S6中：采用波长为λ_G、λ_R的导波分别从波导的x、y方向入射经过波导上方的超表面阵列，能够得到与两幅透明屏幕显示同步的片上双通道全息图；

所述S7中：利用显微镜能观察到透明屏幕显示的图像；利用手机中的摄像头能直接拍摄到浮动在真实环境中的虚拟图形信息，即AR全息投影的实现；

所述对β_G、β_R波长的导波响应的单元结构内的双原子纳米结构由硅纳米砖构成，纳米砖的长、宽相等且均为亚波长尺度，且大小完全一致。

3.一种基于片上超表面的多功能显示器件的应用方法，其特征在于：采用如权利要求1或2中所述的基于片上超表面的多功能显示器件的设计方法得到的能够实现与全息投影同步的透明屏幕显示的多功能显示器件作为镜片，集成到AR显示装置中，以实现多通道复用的AR显示，将虚拟全息图像信息投射到真实环境中。