一種超材料體感全息元件及其設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微納光學(xué)及光學(xué)全息技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種超材料體感全息元件及 其設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 體感技術(shù)是近幾年流行的一項主動式人體動作識別技術(shù)，其利用光學(xué)相機(jī)，配合 圖像處理算法，能快速識別出人體運(yùn)動的各項特征，是可應(yīng)用于體感游戲、人機(jī)互動、視頻 監(jiān)控、智能感知等領(lǐng)域的重要科學(xué)技術(shù)。體感技術(shù)中的圖像不是單純的場景圖像，而是利用 了全息技術(shù)，將一束準(zhǔn)直激光照射全息元件，然后在人體上形成隨機(jī)光點陣列，圖像處理算 法對圖像中人體動作的識別，其實是對隨機(jī)光點的辨認(rèn)，由此可見全息元件在體感技術(shù)中 發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
[0003] 目前，體感全息元件的實現(xiàn)方法是在透明的介質(zhì)基底材料上刻蝕不同深度的浮雕 結(jié)構(gòu)，利用深度不同來控制入射光的位相，W實現(xiàn)全息投影。當(dāng)前，只具有一個深度值的二 元臺階結(jié)構(gòu)最常被使用，其制造工藝、復(fù)制技術(shù)也相對簡單；但因為只有0和η的二種簡單 的位相調(diào)節(jié)功能，其圖像信噪比（SNR)很難得到提升，因此給后續(xù)的窄帶濾波、圖像處理等 造成極大的壓力。多臺階結(jié)構(gòu)的全息元件（4、8、16臺階最常見）雖然可W緩解運(yùn)一難題， 但是W工藝復(fù)雜性（需要多步套刻工藝、或者復(fù)雜的電子束直寫工藝）為代價；且對于運(yùn)種 復(fù)雜的多臺階結(jié)構(gòu)，一方面制造誤差會降低性能，另一方面也給器件的復(fù)制造成不小的麻 煩。隨著近年來體感技術(shù)要求的不斷提升，體感的視場角要求越來越大、工作距離范圍越來 越廣，使得運(yùn)一問題更加突出，亟待技術(shù)解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種高信噪比、高均勻性、高效率且工藝 簡單的超材料體感全息元件及其設(shè)計方法，采用該超材料體感全息元件可實現(xiàn)連續(xù)的位相 調(diào)節(jié)。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0006] 一種超材料體感全息元件，包括襯底，襯底的工作面上刻蝕有周期性排列的娃納 米磚陣列單元，娃納米磚陣列單元中娃納米磚的尺寸相同，娃納米磚的朝向角Φ(χ，γ)= Θ(X,y)/2,Θ(X,y)為該娃納米磚所對應(yīng)像素點（X,y)的位相；X和y方向上的相鄰?fù)藜{米 磚的中屯、間隔相同；其中，朝向角即半波片快軸與X方向的夾角；X和y方向即工作面坐標(biāo) 系xoy的X軸和y軸方向。
[0007] 作為優(yōu)選，襯底為烙融石英玻璃襯底。
[0008] 作為優(yōu)選，娃納米磚為非晶娃納米磚。
[0009] 上述娃納米磚的長、寬、高均為亞波長尺度。
[0010] 本發(fā)明體感全息元件的工作波長為遠(yuǎn)紅外波段波長，即工作波長為1460皿~ 1625nm〇
[0011] 為消除娃納米磚對入射光的偏振相關(guān)性，本發(fā)明體感全息元件所設(shè)及的隨機(jī)光 點全息圖案必須滿足旋轉(zhuǎn)對稱，即構(gòu)建隨機(jī)光點全息圖案的平面坐標(biāo)系Xoy'，隨機(jī)光點 (X'，y'）和（-X'，-y'）的光強(qiáng)值相等。
[0012] 娃納米磚的刻蝕可采用標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝實現(xiàn)，具體工藝包括：
[0013] (1)襯底鍛娃薄膜層；似娃薄膜層涂鍛光刻膠；（3)采用電子束直寫或光刻機(jī)曝 光光刻膠；(4)顯影；（5)離子刻蝕，獲得娃納米磚。 陽014] 上述超材料體感全息元件的設(shè)計方法，包括：
[0015] S1確定工作波長、張角設(shè)計值和像素大小，生成旋轉(zhuǎn)對稱的隨機(jī)光點全息圖案；
[0016] S2根據(jù)工作波長，考慮應(yīng)用需求，確定襯底和娃納米磚材料；
[0017] S3娃納米磚陣列單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化：
[0018] 采用電磁仿真法，在工作波長下，W左旋圓偏光或右旋圓偏光垂直入射工作面，W 交叉偏振轉(zhuǎn)化效率最高、同向偏振轉(zhuǎn)化效率最低為優(yōu)化目標(biāo)，掃描娃納米磚的長度、寬度、 高度和中屯、間隔，獲得優(yōu)化的長度、寬度、高度和中屯、間隔；
[0019] S4結(jié)合步驟S3優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)和奈奎斯特采樣定律計算最大張角Θm。,，若最大 張角不小于張角設(shè)計值，執(zhí)行S5;否則，調(diào)整張角設(shè)計值使其小于最大張角Θm。、；
[0020] S5體感全息元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化：
[0021] 依據(jù)屯=Μλ〇/|；2tan(目χ/2)]和dy=Νλ〇/|；2tan(目/2)]計算體感全息元件在 X和y方向的周期屯、dy，根據(jù)周期屯、dy和中屯、間隔得娃納米磚陣列單元X和y方向的娃 納米磚數(shù)；Θy和Θy分別為X和y方向的張角設(shè)計值;MXN為總像素數(shù)；λ。為工作波長；
[0022] S6娃納米磚陣列單元的位相分布優(yōu)化：
[0023] 根據(jù)應(yīng)用需求選擇優(yōu)化指標(biāo)，采用位相分布優(yōu)化法獲得各娃納米磚所對應(yīng)像素點 的位相，像素點位相的一半即對應(yīng)娃納米磚的朝向角；
[0024] S7確定娃納米磚陣列單元數(shù)量，使得體感全息元件能包絡(luò)入射光斑； 陽0巧]上述X和y方向即工作面坐標(biāo)系xoy的X軸和y軸方向。
[00%] 步驟S6中，所述的優(yōu)化指標(biāo)為衍射效率、信噪比、均勻性中的一種或多種。
[0027] 本發(fā)明超材料體感全息元件設(shè)及如下Ξ個技術(shù)原理：
[0028] (1)位相調(diào)節(jié)原理。
[0029] 娃納米磚工作時可等效為半波片，其朝向角Φ即半波片快軸與工作面坐標(biāo)系xoy 的X方向的夾角。W瓊斯矩陣計算，入射的左旋圓偏光和右旋圓偏光的瓊斯矢量分別為
竄中i表示虛部。已知半波片的瓊斯矩陣為
那么經(jīng)娃納米磚 出射后的光矢量可表不為：
[0030]
U)
[0031] 從式（1)可W看出，出射光經(jīng)娃納米磚后，出射光旋向相反，但同時經(jīng)歷了 2Φ的 位相延遲。因此通過調(diào)整娃納米磚朝向角Φ大小，即可調(diào)節(jié)和控制出射光的位相。 陽0巧 似高轉(zhuǎn)化效率。
[0033] 高轉(zhuǎn)化效率指如何讓入射的圓偏光盡可能的轉(zhuǎn)化為具有位相延遲的反向圓偏光。 本發(fā)明可實現(xiàn)高轉(zhuǎn)化效率的奧秘在于，娃納米磚與襯底的材料不同，因此局域在娃納米磚 中的局域電磁波模式將在娃納米磚上下表面形成駐波腔效應(yīng)，當(dāng)優(yōu)化使得滿足駐波增強(qiáng)條 件時，透射率將達(dá)到極大值，從而實現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)化效率。
[0034] 做偏振不敏感。
[0035] 實現(xiàn)位相調(diào)制的光束必須是圓偏光，因此娃納米磚對入射光的偏振態(tài)敏感。根據(jù) 前文闡述可知，旋向相反的圓偏光所經(jīng)歷的位相延遲正好反向，導(dǎo)致其所生成的隨機(jī)光點 全息圖案具有旋轉(zhuǎn)對稱性。因此，如果將隨機(jī)光點全息圖案設(shè)計成旋轉(zhuǎn)對稱，即使隨機(jī)光點 (x'，y'）和的光強(qiáng)值相等，那么無論入射光是左旋圓偏光還是右旋圓偏光，所得 隨機(jī)光點結(jié)果都是一樣的。依據(jù)光學(xué)原理，任意偏振態(tài)的光束均可分解為兩個旋向相反的 圓偏光的線性組合，因此通過隨機(jī)光點全息圖案的旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)計，可使得本來對偏振敏感 的娃納米磚變得對入射光的偏振態(tài)不再敏感。
[0036] 和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下優(yōu)點和積極效果：
[0037] (1)對體感全息器件設(shè)計原理具有重大突破。
[003引本發(fā)明全息元件的每一個像素點中，只需要在工作面上改變娃納米磚朝向角即可 實現(xiàn)0~360°范圍的位相調(diào)制，可等效于連續(xù)位相調(diào)制器件；且工藝簡單，采用傳統(tǒng)二元 臺階結(jié)構(gòu)的浮雕體感全息器件的工藝即可。
[0039] (2)對加工誤差不敏感。
[0040] 傳統(tǒng)體感全息器件的橫向和縱向的加工誤差對器件性能影響較大，特別是零級光 斑對誤差十分敏感。而本發(fā)明體感全息元件由于位相值僅取決于娃納米磚的朝向角，因此 位相值非常準(zhǔn)確，所W對加工誤差的容忍度遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)體感全息器件。
[0041] (3)加工難度低，加工精度高。
[0042] 由于本發(fā)明娃納米磚與襯底的材料不同，因此在刻蝕工藝中無需擔(dān)屯、刻蝕過度問 題，即無需擔(dān)屯、刻蝕氣體會與襯底發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而進(jìn)一步降低了加工難度、并提高了加 工精度。
【附圖說明】
[0043] 圖1是實施例中體感全息元件的娃納米磚陣列單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044] 圖2是實施例中經(jīng)優(yōu)化仿真獲得的轉(zhuǎn)化效率圖； W45] 圖3是實施例中位相分布優(yōu)化流程圖；
[0046] 圖4是實施例優(yōu)化的單周期位相分布圖；
[0047] 圖5是實施例仿真得到的局部隨機(jī)光點分布圖。 W4引 圖中，1-娃納米磚，2-