专题特邀：增强现实显示光学引擎中光波导耦出超表面设计_技术资讯_资讯信息

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编者按

《红外与激光工程》编辑部于2023年第7期推出“自由曲面光学系统设计技术”专栏，专栏邀请陈恩果教授为其撰写“增强现实显示光学引擎中光波导耦出超表面设计” 研究论文，文中在AR光学引擎设计中引入一种传输相位型超表面光波导耦出结构，为AR光波导结构设计提供一种可行方案。（查看全文信息请点击文末“阅读原文”）

撰稿人：陈恩果

论文题目：增强现实显示光学引擎中光波导耦出超表面设计（特邀）

作者：陈恩果，陈慷慷，范祯桂，孙志林，林子健，张恺馨，孙捷，严群，郭太良

完成单位：福州大学物理与信息工程学院平板显示技术国家地方联合工程实验室；中国福建光电信息科学与技术创新实验室（闽都创新实验室）

导读

增强现实（Augmented Reality，AR）显示光学引擎是新型显示光学设计领域的研究热点之一，它将虚拟图像投射到现实物理环境中进行显示，在空间上增强、融合和补充了物理世界。AR 近眼显示光学引擎在光学系统集成化和微型化方面有较高要求，眼镜形态的AR近眼显示光学设备是未来必然发展趋势。光学超表面是一种由亚波长单元结构在二维平面上周期排布而成的人工结构阵列，通过单元结构和电磁波的相互作用实现对光场中振幅、相位和偏振的任意调控，同时具有体积小，效率高，结构紧凑等特点，在近眼显示(Near-Eye-Display，NED)应用中具有很大潜力。本文在AR显示光学引擎设计中引入一种传输相位型超表面光波导耦出结构，该超表面单元引入了突变相位，通过对超表面的等相位面调控改变光经过波导耦出的角度，为AR光波导结构设计提供一种可行方案，有望为下一代人机交互显示平台提供解决方案。

研究背景

随着科技发展，头戴显示器开始变得越来越轻、越来越小，逐渐形成了眼镜式或者护目式NED。其中AR是一种将虚拟信息与真实世界相融合进行显示的技术，广泛运用于多媒体、智能交互、传感等多种技术手段，将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息叠加到真实场景中，从而实现对现实场景的“增强”。早在20世纪50年代，AR就已经应用在国防领域，而随着2021年“元宇宙”概念的提出，近眼显示设备被认为是元宇宙的媒介而成为研究热点。近年来，人们对AR显示的需求也在不断提升，对高分辨、高亮度的微型显示设备和小体积、轻重量的近眼显示光学系统需求也越来越迫切。光学引擎模组是AR近眼显示设备的核心组件，其性能是直接影响成像质量和制造成本的关键因素。从技术发展现状看，AR 近眼显示技术多采用双目视差立体透视显示模式，通过不同类型光学模组的设计方案将真实场景与虚拟图像融合显示。传统近眼显示存在视场和体积不能兼顾的技术问题，具有亚波长尺寸的超表面则为AR光学引擎的光调控提供了一条新的可行思路。

主要内容

超表面的光学特性主要是由亚波长结构决定的，因此，通过优化亚波长结构的一系列几何参数( 形状、材料、角度等等) ，获得需要的光学响应( 振幅、相位、偏振态等) ，就能设计相应功能的超表面。基于传输相位原理设计的超表面，通常由各向同性的微纳米结构构成，具有高度对称的特点。由此设计的超表面对入射光偏振不敏感，即微纳米结构的相位响应与入射光的偏振类型无关，且易于获得较高的效率，通过改变单元结构的半径和高度可调节光束的偏转角度，非常适合于光波导型AR光学引擎。

本文采用超表面耦出结构的AR近眼显示光波导结构示意图如图1 所示，图1(a)为入射光在波导全反射角为50°时出射光准直耦出示意图，图1(b) 为20°视场角的出射光示意图，其中采用Micro-LED显示芯片作为近眼显示系统的Micro-projector像源，Micro-LED具有亮度高、高发光效率、低能耗、高反应速度、高对比度与色彩饱和度，被认为是新一代理想显示技术。图1中大面积蓝色部分为光波导结构，波导内填充材料为二氧化硅(SiO₂)(折射率n_c =1.46)，其全反射临界角为43.23°，当入射光在波导内传播角度大于43.23°时可实现全反射(n₀ = 1) ，其耦入部分采用切角为60°的波导，通过改变入射光角度，使入射光在波导内传播角度为50°~75°。

图1 采用超表面耦出结构的AR光波导结构示意图(a) 准直出射；(b) 20°视场角出射

通过FDTD仿真软件设计周期为250 nm，高度为900 nm，半径为50 nm~120 nm的超表面结构，纳米柱材料为氮化硅(Si₃N₄)，衬底为SiO₂。所设AR光波导耦出超表面的角度偏转示意图如图2(a)所示，超表面单元间的相位延迟呈梯度排列，每四个纳米柱为一个周期，结构俯视图如图2(d)所示。超表面由排列在正方形周期单元上的介质柱组成，图2(b) 和2(c) 分别为单元结构的俯视图和侧视图。当入射光准直入射时，仿真出射光偏离z轴-35°（顺时针为﹢，逆时针为﹣）。通过放置监视器或远场计算等方式观察场强分布，通过计算得到偏转效率达77%，偏转效率定义为所设计角度内的能量比总的入射光能量。准直入射时出射光场强分布和角度分布如图3所示。

图 2 (a) 超表面角度偏转示意图；(b)~(c) 具有高度H、半径为R的超表面单元结构的侧视图和俯视图，周期为P；(d)构建的角度偏转超表面的俯视图

图3 准直入射时出射光场强分布和角度分布图；(a) 光场强分布图；(b) 角度分布图

在FDTD简化模拟了AR近眼显示光波导，将光源放在波导内侧模拟全反射入射光，通过改变入射角进行耦出角的变化模拟。首先将偏转角为50°的入射光放在波导内，光经过波导表面上的超表面后出射光耦出角为0°，其光场和角度分布如图4(a)(b)所示，随着偏转角的增大，出射光的耦出角也逐渐增大，文中列出了部分仿真结果，如当入射光偏转角为60°时，出射光耦出角为8°，其光场和角度分布如图4(c)(d)所示；当入射光偏转角为75°时，出射光耦出角为20°，其光场和角度分布如图4(e)(f)所示，因此当入射光角度在50°~75°之间变化时，出射光耦出角变化范围为0°~20°，入射光角度变化和出射光耦出角度变化是一一对应关系，因此可实现20°的视场角，耦出角为0°、﹢8°、﹢20°场强分布和角度分布如图4所示。

此外进一步分析了AR光学引擎光场分布在波导、超表面结构和空气中z轴方向上的动态变化过程。图5 (a)、(b)、(c)分别为入射角50°时光场在波导、超表面结构中和空气的分布图；(d)、(e)、(f)分别为入射角60°时光场在波导、超表面结构和空气的分布图；(g)、(h)、(i)分别为入射角75°时光场在波导、超表面结构中和空气的分布图。从图中可以明显看到，当入射光在波导内传播时，由于光的传播介质为各向同性的均匀介质，没有突变相位的引入，因此入射光在波导内的传播方向不会改变；当光经过超表面时，由于超表面单元引入了突变相位，且相邻单元结构引入的突变相位之差为ΔΦ，等相位面因而产生偏转；在完全经过超表面后由于超表面引入的相位差，光的传播方向由50°~75°偏转至0°~20°。

图4 出射光角度偏转光强和角度分布图。(a)、(b)为耦出角0°的场强分布和角度分布图；(c)、(d)为耦出角+8°的场强分布和角度分布图；(e)、(f)为耦出角+20°的场强分布和角度分布图

图5 (a)、(b)、(c)分别为入射角50°时光场在波导、超表面结构中和耦出超表面的分布图；(d)、(e)、(f)分别为入射角60°时光场在波导、超表面结构中和耦出超表面的分布图；(g)、(h)、(i)分别为入射角75°时光场在波导、超表面结构中和耦出超表面的分布图

结论

本文设计了一种适用于AR近眼显示光波导的超表面耦出结构，利用超表面结构由共振特性引发的相位周期性的梯度变化，通过改变结构半径和高度实现出射光角度偏转，对不同角度入射光产生不同波前调控。结果表明，光在小角度入射时的偏转效率可高达77%，通过改变入射光在波导内的全反射角度，耦出角随着入射角的变化而改变，最终可实现20°视场角。超表面的引入为AR近眼显示光学引擎设计提供了有效方案，对实现重量轻、结构紧凑眼镜形态AR模组有重要意义，有望成为AR 近眼显示光学引擎的潜在发展方向。

作者简介

陈恩果，博士，教授，博士生导师，主要从事微纳显示光学设计研究，具体方向涉及AR/VR近眼显示、Micro-LED微显示与微投影、量子点发光显示等。

Email: ceg@fzu.edu.cn

张恺馨，博士后，主要从事Micro-LED信息显示，半导体光电技术，光学超表面等领域的研究。

Email: 316964@fzu.edu.cn

文章信息

陈恩果,陈慷慷,范祯桂,孙志林,林子健,张恺馨,孙捷,严群,郭太良.增强现实显示光学引擎中光波导耦出超表面设计(特邀)[J].红外与激光工程,2023,52(07):20230342. doi: 10.3788/IRLA20230342

全文链接：http://irla.cn/cn/article/doi/10.3788/IRLA20230342（阅读原文）

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文章转载自微信公众号：光电e+

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