北京理工大学：基于偏振双通道超表面的多层立体显示器件

论文导读

      近日，北京理工大学王涌天教授团队的黄玲玲教授等人提出了一种基于偏振双通道超表面的多层立体显示器件，实现了二维平面信息的立体投放展示。该项研究成果发表在国际著名期刊 Advanced Functional Materials 上，题目为Multifocal plane display based on dual polarity stereoscopic metasurface。

研究背景

      近几年来，从3D电影到虚拟现实，立体显示技术一直都是光学成像领域的热议话题。超表面作为一种新颖的人造微纳光学设备，凭借其设计自由的灵活度、便携小巧集成度高的优点，正在逐渐取代传统光学调制器件来发挥独特作用。对于立体显示来说，超表面的轻便小巧、调制功能丰富的优点更能够为集成化、可佩戴显示的发展提供助力。现如今，立体显示成像技术有多种实现手段，如利用双目视差构建立体视觉效果、利用多视角成像组合实现立体成像、利用多层显示实现立体成像等等。其中利用多层显示实现立体成像的方法解放了对偏振通道、观察角度等物理属性的依赖，能够构建真实立体的空间成像分布。当前的多层立体光学显示设备都依赖于空间光调制器（SLM）、衍射光学元件（DOE）等设备的控制，但受制于调制灵活性的局限，成像效果对应的显示层次数目较少，观察全视场角较小，不便于投入更加丰富的应用场合之中。这也是当前基于超表面立体显示技术发展的痛点。

技术突破

      为了实现更便捷、更丰富、更自由的多层立体成像显示，黄玲玲教授团队应用几何介质超表面设计实现了双通道镜面立体显示成像系统的构建。这种立体显示超表面利用不同衍射级次在三维空间中交错排布，从而将二维图像信息重构成为三维多层立体光场。结合双折射超颖表面的共振相位控制方法，可以实现偏振双通道镜像立体显示，每个通道可控显示层次能够达到10层以上，可观察全视场角达42度。在多层立体显示成像系统中，来自数字微镜器件（DMD）的平面二维图案信息经过立体显示超表面（SMS）在频谱面的特殊控制，能够实现在观察处获得多层立体的光场成像分布。在每个偏振通道下，观察处沿Z轴的10层图案信息对应扭曲光栅的2×5个空间衍射级次。经达曼光栅优化方法可以获得目标衍射级次的能量均匀分布指定点亮对应的成像层次。实验采用时序切换，即通过入射光源信息时序投放对应图案内容，以实现在目标观察位置仅有理想层次图案信息。这种多层立体显示系统支持任意形式立体图像的输出与展示，偏振双通道镜像显示的效果更能够从正反两侧实现立体光场的整体展示。这种新提出的多层立体显示超表面成像系统，利用超薄微纳结构的光学设备实现了光场信息从二维平面到三维立体的维度扩展，大大提高了多层立体显示光学系统的成像精度，实现了灵活偏振控制与立体显示方案的结合探索。这种更加轻薄便捷、功能丰富、自由灵活的立体光场显示设计方案为对未来更广大的立体显示市场需求提供了新的发展契机与思考方向。

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