[發明專利]一種通過基于超構表面的動態彩色全息器件及其制作方法

在審

• 申請號: 202110773269.3
• 申請日: 2021-07-08
• 公開（公告）號: CN113655557A
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發明（設計）人: 胡躍強;李奧凌;歐香念;李苓;段輝高
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: G02B5/32
• 分類號: G02B5/32;G02F1/1341;G02B1/00;G03H1/22;G03H1/26
• 代理公司: 北京睿博行遠知識產權代理有限公司 11297
• 代理人: 董自亮

本發明公開了一種通過基于超構表面的動態彩色全息器件及其制作方法，動態彩色全息器件由液晶層和超構表面層組成。動態彩色全息器件的制作方法，主要包括超構表面的設計制造方法和液晶的封裝方法。本發明將超構表面與液晶的偏振調控功能相結合，實現了器件在同一線偏振光入射的情況下彩色全息圖案的動態切換。通過對超構表面上的納米柱進行仔細設計能過自然實現對不同顏色波長獨立控制，從而能使不同波長對應的全息圖像成像在同一位置，實現彩色全息。采用電控調諧的方式，調諧過程簡單；本發明利用粒子群算法對超構表面上各位置處的納米結構單元進行相位匹配，它相對其他匹配算法，會更簡單容易實現并且沒有許多參數的調節。

技術領域

本發明涉及一種通過基于超構表面的動態彩色全息器件及其制作方法，屬于彩色全息顯示技術領域。

背景技術

彩色全息顯示是一種能夠生動地記錄和再現彩色的全息像的三維顯示技術，其基本原理是通過疊加三個單色全息像來生成彩色全息再現像。與單色全息不同，彩色全息需保證對于不同波長的單色光生成的各全息像能在同一位置進行疊加，但因為全息顯示利用的是衍射成像，所以不同波長的光成像位置是不同的，因此需采取特殊的手段讓各單色全息像能在同一位置疊加。同時又因為重構的像大小也是與波長相關的，所以需對三個顏色分量對應的圖像大小進行相應的縮放確保它們在疊加時有相同的尺寸大小。除此之外，在衍射過程中會不可避免地會產生不必要的衍射光從而影響重構圖像的質量，由上，實現彩色全息是具有挑戰性的。

近年來提出了一種利用超構表面來實現彩色全息技術的方法，與傳統光學元件通過改變光在其中的傳播路徑來改變相位不同，超構表面是一種新型的平面光學調控元件，通過改變其上周期或非周期性排列的亞波長尺寸大小的散射體的形狀、大小、位置和方向能夠實現對光波的振幅、相位和偏振的任意調控。

而將超構表面和彩色全息結合在一起能實現特別的優勢，其一，利用算法對超構表面上的散射體進行仔細設計能夠使各單色圖像顯示在同一特定位置；其二，由于亞波長像素的尺寸顯著減小能消除不需要的高級衍射光從而有助于改善全息圖像。

但現如今的超構表面全息技術大部分都是靜態的，超構表面一旦制成，最終生成的全息圖案便是固定的，而實際應用需要對光學波段的超構表面進行動態調制。于是將雙折射液晶與全介質超構表面集成在一起以實現動態調控。

液晶對入射光進行相位調控的基本原理是通過電來調節液晶分子的取向，從而實現不同的相位延遲，即液晶是充當波片來對入射光的偏振態進行調控。

所以將液晶和超構表面集成在一起之后，即將結合超構表面結構旋轉角相關的幾何相位和液晶分子的偏振調控能力，實現了兩個偏振通道的彩色全息切換。本發明的目的是提供一種通過基于超構表面的動態彩色全息器件及其制作方法，通過將設計的多波長通道超構表面與液晶集成在一起，利用電壓控制液晶的取向從而對入射的紅、綠、藍(RGB)光進行整體調控，再通過設計好的超構表面對其進行調控從而實現動態彩色全息。

發明內容

本發明采用的技術方案為一種基于超構表面的動態彩色全息器件，由液晶層和超構表面層組成。液晶層包括第一層透明介質襯底，用于供光入射；第一層氧化銦錫透明電極ITO，鍍在第一層透明介質襯底上，用于導電，與外部電源連接；第一層光致取向層，涂布在ITO薄膜上；向列相液晶，灌入兩層取向層之間的大量間隙中，用于改變光的偏振態；第二層光致取向層，兩層取向層之間由充滿大量間隙的間隔物支撐；第二層氧化銦錫透明電極，疊設在第二層光致取向層之上，與上述外部電源連接；第二層透明介質襯底，疊設于第二層氧化銦錫透明電極，用于液晶層的光出射。超構表面層包括透明介質襯底，疊設于液晶層的第二層透明介質襯底，用于入射從液晶層出射的光；電介質矩形納米結構陣列，按一定規律分布在透明介質襯底上，用于調控出射光，以得到最后的全息圖案。

TIABC＝(超表面OR超構表面OR metasurface)AND TIABC＝(彩色全息)AND TIABC＝(動態)