[发明专利]一种通过基于超构表面的动态彩色全息器件及其制作方法

说明书

本发明公开了一种通过基于超构表面的动态彩色全息器件及其制作方法，动态彩色全息器件由液晶层和超构表面层组成。动态彩色全息器件的制作方法，主要包括超构表面的设计制造方法和液晶的封装方法。本发明将超构表面与液晶的偏振调控功能相结合，实现了器件在同一线偏振光入射的情况下彩色全息图案的动态切换。通过对超构表面上的纳米柱进行仔细设计能过自然实现对不同颜色波长独立控制，从而能使不同波长对应的全息图像成像在同一位置，实现彩色全息。采用电控调谐的方式，调谐过程简单；本发明利用粒子群算法对超构表面上各位置处的纳米结构单元进行相位匹配，它相对其他匹配算法，会更简单容易实现并且没有许多参数的调节。

技术领域

本发明涉及一种通过基于超构表面的动态彩色全息器件及其制作方法，属于彩色全息显示技术领域。

背景技术

彩色全息显示是一种能够生动地记录和再现彩色的全息像的三维显示技术，其基本原理是通过叠加三个单色全息像来生成彩色全息再现像。与单色全息不同，彩色全息需保证对于不同波长的单色光生成的各全息像能在同一位置进行叠加，但因为全息显示利用的是衍射成像，所以不同波长的光成像位置是不同的，因此需采取特殊的手段让各单色全息像能在同一位置叠加。同时又因为重构的像大小也是与波长相关的，所以需对三个颜色分量对应的图像大小进行相应的缩放确保它们在叠加时有相同的尺寸大小。除此之外，在衍射过程中会不可避免地会产生不必要的衍射光从而影响重构图像的质量，由上，实现彩色全息是具有挑战性的。

近年来提出了一种利用超构表面来实现彩色全息技术的方法，与传统光学元件通过改变光在其中的传播路径来改变相位不同，超构表面是一种新型的平面光学调控元件，通过改变其上周期或非周期性排列的亚波长尺寸大小的散射体的形状、大小、位置和方向能够实现对光波的振幅、相位和偏振的任意调控。

而将超构表面和彩色全息结合在一起能实现特别的优势，其一，利用算法对超构表面上的散射体进行仔细设计能够使各单色图像显示在同一特定位置；其二，由于亚波长像素的尺寸显著减小能消除不需要的高级衍射光从而有助于改善全息图像。

但现如今的超构表面全息技术大部分都是静态的，超构表面一旦制成，最终生成的全息图案便是固定的，而实际应用需要对光学波段的超构表面进行动态调制。于是将双折射液晶与全介质超构表面集成在一起以实现动态调控。

液晶对入射光进行相位调控的基本原理是通过电来调节液晶分子的取向，从而实现不同的相位延迟，即液晶是充当波片来对入射光的偏振态进行调控。

所以将液晶和超构表面集成在一起之后，即将结合超构表面结构旋转角相关的几何相位和液晶分子的偏振调控能力，实现了两个偏振通道的彩色全息切换。本发明的目的是提供一种通过基于超构表面的动态彩色全息器件及其制作方法，通过将设计的多波长通道超构表面与液晶集成在一起，利用电压控制液晶的取向从而对入射的红、绿、蓝(RGB)光进行整体调控，再通过设计好的超构表面对其进行调控从而实现动态彩色全息。

发明内容

本发明采用的技术方案为一种基于超构表面的动态彩色全息器件，由液晶层和超构表面层组成。液晶层包括第一层透明介质衬底，用于供光入射；第一层氧化铟锡透明电极ITO，镀在第一层透明介质衬底上，用于导电，与外部电源连接；第一层光致取向层，涂布在ITO薄膜上；向列相液晶，灌入两层取向层之间的大量间隙中，用于改变光的偏振态；第二层光致取向层，两层取向层之间由充满大量间隙的间隔物支撑；第二层氧化铟锡透明电极，叠设在第二层光致取向层之上，与上述外部电源连接；第二层透明介质衬底，叠设于第二层氧化铟锡透明电极，用于液晶层的光出射。超构表面层包括透明介质衬底，叠设于液晶层的第二层透明介质衬底，用于入射从液晶层出射的光；电介质矩形纳米结构阵列，按一定规律分布在透明介质衬底上，用于调控出射光，以得到最后的全息图案。

TIABC＝(超表面OR超构表面OR metasurface)AND TIABC＝(彩色全息)AND TIABC＝(动态)