基于偏振双通道超颖表面的多层立体显示系统优化方法

1.本发明涉及一种立体显示光学系统优化方法，尤其涉及一种基于偏振双通道超颖表面的多层立体显示系统优化方法，属于微纳光学、立体显示光学成像领域。


背景技术：

2.随着虚拟现实和增强现实技术逐渐广泛应用社会生活，人们对微型结构3d显示技术的追求热情也日渐高涨。3d显示技术作为一种已经实用化的虚拟现实手段，通常具有庞大的设备规模要求，因此，对于更加精密尺寸的3d显示元件的探索，吸引了人们的注意力。为了实现这一目标，人们运用空间光调制器，衍射光栅，doe元件等等手段，对3d现实技术进行了不同程度的尝试探索。
3.对于普通光栅来说，透镜系统带来的焦距特征会均一作用在所有衍射级次上，不能够实现各个衍射级次的焦面分离。而对于波带片来说。z方向的多焦分离特征具有间距变化的限制，不具有很高的设计灵活度，而且一般很难结合空间分布特征构成复杂有趣的衍射效果扭曲光栅是一种拓展型的光栅概念，它基于基本的光栅方程，结合波带片的z向控制方法，将光栅衍射级次的x-y平面分布进一步拓展为3d空间的多焦分布。不同于波带片的理念。扭曲光栅将空间光栅衍射级次进行倾斜变形，从而实现空间分布与焦距特征的一致控制。扭曲光栅作为一种光场调控手段，具有将平面单层图像信息转化为空间多层信息的能力，从而构成3d显示的效果，它利用波带片z向多焦的设计自由获得多层平面，又利用光栅级次的衍射角度获得多层独立信息的目标综合，真正实现，空间自由多焦成像。扭曲光栅的设计方法被广泛应用到空间多焦成像的设计中，无论在3d现实技术，激光切割技术，以及光镊技术中，都可以通过设计实现自由分布的空间光束特征。将扭曲光栅的设计方法与3d现实技术的设计结合起来，是人们利用微纳结构进行3d显示探索的重要方法。通过初步的尝试，人们已经可以实现3～6层的空间多焦，更加精细深度以及更加复杂光场特性的3d现实技术仍在探索之中。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中立体成像系统体积庞大、结构复杂、调制手段失于灵活、可利用维度低等问题，本发明的主要目的是提供一种基于偏振双通道超颖表面的多层立体显示系统优化方法，在4f系统的频谱面位置布设具有多层立体显示功能的偏振双通道超颖表面，通过偏振双通道超颖表面将二维图像源信息进行三维空间排列以拓展图像信息的展示维度；立体显示超颖表面基于扭曲光栅的控制4f系统出射光束衍射级次空间分布位置构成多层图像信息的平面错位与可控固定间隔；利用超颖表面共振相位特性，实现4f系统出射光束针对同样图像源信息在偏振双通道条件下对衍射级次空间排序的对称显示，使出射立体图案在正交偏振通道下产生镜像立体显示效果，进而能够增强4f系统显示光路的调制灵活性和可控维度，丰富成像系统的控制手段。
5.本发明是通过下述技术方案实现的。
6.本发明公开的基于偏振双通道超颖表面的多层立体显示系统优化方法，包括如下步骤：
7.步骤一：为了控制4f系统出射光束衍射级次空间分布位置构成多层图像信息的平面错位与可控固定间隔，根据所述出射光束衍射级次空间分布位置调控目标，建立在4f成像系统结构之上的一维扭曲光栅，所述一维扭曲光栅根据构建的透过率调控函数调控光场频谱面信息，使4f系统出射光场的衍射级次产生空间交错的显示效果。
8.所述4f系统包括两个对称布设的透镜，所述两个透镜具有前后四个焦点，中心两个焦点重合。所述4f系统用于将位于第一个焦点位置的图像信息重现在最后焦点位置，两透镜之间焦点位置即为光学系统的频谱面，能够配合扭曲光栅调控实现控制4f系统出射光束衍射级次空间分布的目的。
9.建立在4f成像系统结构之上的一维扭曲光栅，通过多焦面自定义距离交错显示，控制出射光束衍射级次空间分布位置构成多层图像信息的x方向错位与z方向的可控固定间隔。其中，入射的图像源信息位于4f系统中的第一个焦点位置，具备一维扭曲光栅控制功能的超颖表面位于4f系统的第二个焦点位置，即光路的中心频谱面位置。在4f系统的第三个焦点位置，产生z轴分布的图像信息呈现规律性空间排布，所述z轴分布的图像信息即4f系统具备多层结构的出射光场，所述第三个焦点位置即最后一个焦点位置。所述立体显示超颖表面通过对4f系统的频谱面控制，使4f系统出射光场的衍射级次产生空间交错的显示效果。所述出射光场衍射级次在光轴附近不同焦距位置显示的内容各不同相同的图案，其余的图案信息则被遮挡在观察范围以外。
10.一维扭曲光栅根据如下透过率调控函数公式(1)调控光场频谱面信息，使4f系统出射光场的衍射级次产生空间交错的显示效果。
[0011][0012]
式中t
1d
代表一维扭曲光栅的总透过率。由于扭曲光栅是纯相位型光学调制期间，所以相位分布表示透过率调控函数调制功能，由达曼光栅方法优化获得。系数cm代表各个衍射级次的能量分布。m代表x方向的衍射级次位置，x表示笛卡尔坐标系的空间位置坐标，r表示柱坐标系的空间位置坐标，表示波数,λ表示波长，fg表示离焦系数。通过相位优化的方法对目标衍射级次激发进行选择，使4f系统出射光场的衍射级次产生空间交错的显示效果。光栅每一个衍射级次通过傅立叶展开的方式进行表示。为了实现不同级次交错重叠效果，除了普通光栅的特征相位以外，扭曲光栅还具有对各个焦距位置的调控限制，即光栅相位控制各个衍射级次的空间张角，即式中λ
x
代表光栅周期即λ
x
＝n
×
d,d表示超颖表面单个天线像素的间隔。扭曲光栅在图像的频域对入射图案进行控制。结合前后透镜4f系统的共同调制。多层焦距间隔由高斯公式计算得到：同样，多层图案错位间隔表示为：dx＝naf0。利用图案错位间隔对dmd图像源进行准确排布，以保证在目标观察位置获得理想间隔对齐的空间图案。
[0013]
步骤二：基于步骤一构建的一维扭曲光栅的透过率调控函数构建二维扭曲光栅，
将x方向和y方向同时进行出射光束衍射级次空间分布位置的调控，使4f系统出射光场的衍射级次产生三维空间交错的显示效果。
[0014]
公式(1)得到的一维光栅已实现一维分布图像的z方向显示，将x方向和y方向同时进行出射光束衍射级次空间分布位置的调控，能够构建二维扭曲光栅，使入射光源信息能够在三维立体空间分布出射，二维扭曲光栅的透过率调控函数如公式(2)
[0015][0016]
式中t
2d
代表二维扭曲光栅的总透过率，相位分布表示透过率调控函数调制功能，由达曼光栅方法优化获得。系数c
mn
代表各个衍射级次的能量分布。m代表x方向的衍射级次位置，n代表y方向的衍射级次位置，(x,y)表示笛卡尔坐标系的空间位置坐标，r表示柱坐标系的空间位置坐标，表示波数,λ表示波长，f
gx
,f
gy
表示x方向和y方向的离焦系数。通过相位优化的方法对目标衍射级次激发进行选择，使4f系统出射光场的衍射级次产生空间交错的显示效果。光栅每一个衍射级次通过傅立叶展开的方式进行表示。为了实现不同级次交错重叠效果，除了普通光栅的特征相位以外，扭曲光栅还具有对各个焦距位置的调控限制，即光栅相位控制各个衍射级次的空间张角，即式中λ代表光栅周期即λ＝n
×
d,d表示超颖表面单个天线像素的间隔。扭曲光栅在图像的频域对入射图案进行控制。结合前后透镜4f系统的共同调制。多层焦距间隔由高斯公式计算得到：同样，多层图案错位间隔表示为：dx＝naf0,dy＝naf0。利用图案错位间隔对dmd图像源进行准确排布，以保证在目标观察位置获得理想间隔对齐的3d空间图案。
[0017]
步骤三：利用超颖表面共振相位特性产生的双通道独立调控功能和上述二维扭曲光栅透过率函数布设超颖表面，通过偏振双通道超颖表面将二维图像源信息进行三维空间排列以拓展图像信息的展示维度，实现4f系统出射光束针对同样图像源信息在偏振双通道条件下对衍射级次空间排序的对称显示，使出射立体图案在正交偏振通道下产生镜像立体显示效果，进而能够增强4f系统显示光路的调制灵活性和可控维度，丰富成像系统的控制手段。
[0018]
结合超颖表面的偏振通道复用功能，得到偏振双通道超颖表面的透过率调控函数如公式(3)(4)所示。
[0019][0020][0021]
其中：t
xx
，t
xx
代表两个偏振通道下的透过率，相位分布表示两个偏振通
道下的透过率调控函数调制功能，由达曼光栅方法优化获得。m代表x方向的衍射级次位置，n代表y方向的衍射级次位置，(x,y)表示笛卡尔坐标系的空间位置坐标，r表示柱坐标系的空间位置坐标，表示波数,λ表示波长，f
gx
,f
gy
表示x方向和y方向的离焦系数。两个偏振通道下的调控参数完全一致，仅离焦系数的符号不同，则可以控制衍射光场出射光束正交偏振镜像对称的效果。
[0022]
还包括步骤四：利用超颖表面调制手段灵活、多维度光参量结合、结构轻薄紧凑的优点，基于偏振双通道超颖表面按照步骤二进行光路布设实现的多层立体显示系统，基于所述多层立体显示系统能够支撑可佩戴显示、虚拟现实等光学成像场景以及光学集成显示设备提升控制灵活性和集成紧凑性。
[0023]
所述多维度光参量包括光场的空间三维信息、频率特征、偏振特征、相位特征等等。
[0024]
有益效果：
[0025]
1、本发明公开一种基于偏振双通道超颖表面的多层立体显示系统优化方法，在4f系统的频谱面位置布设具有多层立体显示功能的偏振双通道超颖表面，通过偏振双通道超颖表面将二维图像源信息进行三维空间排列以拓展图像信息的展示维度。
[0026]
2、本发明公开一种基于偏振双通道超颖表面的多层立体显示系统优化方法，基于扭曲光栅的控制4f系统出射光束衍射级次空间分布位置构成多层图像信息的平面错位与可控固定间隔；利用超颖表面共振相位特性，实现4f系统出射光束针对同样图像源信息在偏振双通道条件下对衍射级次空间排序的对称显示，使出射立体图案在正交偏振通道下产生镜像立体显示效果，进而能够增强4f系统显示光路的调制灵活性和可控维度，丰富成像系统的控制手段。
[0027]
3、本发明公开一种基于偏振双通道超颖表面的多层立体显示系统优化方法，利用超颖表面调制手段灵活、多维度光参量结合、结构轻薄紧凑的优点，基于偏振双通道超颖表面实现的多层立体显示系统，能够支撑可佩戴显示、虚拟现实等光学成像场景以及光学集成显示设备提升控制灵活性和集成紧凑性。所述多维度光参量包括光场的空间三维信息、频率特征、偏振特征、相位特征等。
附图说明
[0028]
图1是本发明公开一种基于偏振双通道超颖表面的多层立体显示系统优化方法流程图；
[0029]
图2是本发明方法成像系统概念示意图；
[0030]
图3是本发明方法步骤一对应一维扭曲光栅基本原理示意图；
[0031]
图4是本发明方法步骤三对应相位优化示意图；图a为目标衍射级次优化能量占比分布示意图；图b为达曼光栅相位周期分布优化结果示意图；图c、d分别为txx，tyy双通道扭曲光栅优化相位排布示意图；
[0032]
图5是本发明实施例提供的实验效果图；图a为入射光源携带的二维数字信息；图b为数字信息轴向多层显示实验结果图；图c为入射光源携带的二维字母信息；图d为字母信息轴向多层显示实验结果图；
[0033]
图6是本发明实施例提供的实验观察位置对比示意图。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图和实施例，对本发明方法做进一步详细说明。
[0035]
实施例1：
[0036]
如附图1所示，本实施例公开的基于偏振双通道超颖表面的多层立体显示系统优化方法，在680nm波长的光照射下对出射光束的相位进行调控，具体实现步骤如下：
[0037]
步骤一：为了控制4f系统出射光束衍射级次空间分布位置构成多层图像信息的平面错位与可控固定间隔，根据所述出射光束衍射级次空间分布位置调控目标，建立在4f成像系统结构之上的一维扭曲光栅，所述一维扭曲光栅根据构建的透过率调控函数调控光场频谱面信息，使4f系统出射光场的衍射级次产生空间交错的显示效果，如图3。
[0038]
实施例中选择x方向目标衍射级次m＝(-2,-1,0,1,2)，4f系统透镜焦距f0＝150mm，一维达曼光栅离焦系数f
gx
＝15/4f0，工作波长λ＝680nm，光栅周期即λ
x
＝12*350nm＝4.2um多层图案错位间隔dx＝naf0＝24m。利用图案错位间隔对dmd图像源进行准确排布，以保证在目标观察位置获得理想间隔对齐的空间图案。
[0039]
步骤二：基于步骤一构建的一维扭曲光栅的透过率调控函数构建二维扭曲光栅，将x方向和y方向同时进行出射光束衍射级次空间分布位置的调控，使4f系统出射光场的衍射级次产生三维空间交错的显示效果。
[0040]
公式(1)得到的一维光栅已实现一维分布图像的z方向显示，将x方向和y方向同时进行出射光束衍射级次空间分布位置的调控，能够构建二维扭曲光栅，使入射光源信息能够在三维立体空间分布出射。实施例中选择x方向目标衍射级次m＝(-2,-1,0,1,2)，y方向目标衍射级次m＝(-1,1)，共10个衍射级次作为优化目标。优化结果与正交偏振情况下透过率函数的相位分布如图4。4f系统透镜焦距f0＝150mm，一维达曼光栅离焦系数f
gx
＝15/4f0，f
gx
＝15/f0,工作波长λ＝680nm，光栅周期即λ
x
＝12*350nm＝4200nm多层图案错位间隔dx＝naf0＝24mm,dy＝naf0＝24mm。多层焦距间隔由高斯公式计算得到：dz＝2f0/15＝20mm。利用图案错位间隔对dmd图像源进行准确排布，以保证在目标观察位置获得理想间隔对齐的空间图案，各层试验观察位置和设定位置的对比情况如图5展示。
[0041]
步骤三：利用超颖表面共振相位特性产生的双通道独立调控功能和上述二维扭曲光栅透过率函数布设超颖表面，通过偏振双通道超颖表面将二维图像源信息进行三维空间排列以拓展图像信息的展示维度，实现4f系统出射光束针对同样图像源信息在偏振双通道条件下对衍射级次空间排序的对称显示，使出射立体图案在正交偏振通道下产生镜像立体显示效果，进而能够增强4f系统显示光路的调制灵活性和可控维度，丰富成像系统的控制手段。
[0042]
在实施例中，以数字和字母作为dmd的图像源信息输入到立体显示光路系统中，在出射光场位置，能够观察到图案的10个部分在不同偏振通道下呈现对称的排列顺序，如图6。
[0043]
步骤四：利用超颖表面调制手段灵活、多维度光参量结合、结构轻薄紧凑的优点，基于偏振双通道超颖表面按照步骤二进行光路布设实现的多层立体显示系统，基于所述多层立体显示系统能够支撑可佩戴显示、虚拟现实等光学成像场景以及光学集成显示设备提
升控制灵活性和集成紧凑性。所述多维度光参量包括光场的空间三维信息、频率特征、偏振特征、相位特征等等。
[0044]
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。