可用于3D全息显示的立体视觉超表面材料

人眼的立体视觉来自于左眼和右眼观看同一物体时存在着视差，这一原理被用在3D显示领域，典型的应用比如有立体电影。其原理为，通过两台摄像机沿不同角度拍摄同一场景，然后在屏幕上以不同偏振态的光线投射，带有偏振眼镜的观众的左眼和右眼将观看到不同的影像。然而，立体电影通常需要两台以上的摄像机，和两套独立的放映系统，因此系统的体积、重量、功耗和成本都较高。

最近，武汉大学电子信息学院的郑国兴课题组发明了一种基于超表面材料的立体全息显示技术。这种全息显示技术，只需要一片薄薄的毫米量级大小的玻璃全息片，就可以把两种不同偏振态的全息图案投射到远场，配合偏振眼镜即可感受立体视觉。具有结构简单而紧凑、可批量复制等特点的立体视觉全息技术，为全息显示提供了一种全新的工作模式，在信息光学的诸多领域有着诱人的应用前景。

立体视觉超表面是由大小不同的电介质纳米砖阵列组成，不同大小的纳米砖对应的等效折射率也不相同，因此可用于调制入射光波的相位。由于在水平方向和垂直方向可以独立的调制入射光波的相位，立体视觉超表面可以让水平和垂直方向振动的入射激光分别生成一套全息图，且这两套全息图的偏振态相互垂直，实现了偏振复用的功能。基于以上原理，我们设计出4台阶相位量化的偏振独立超表面材料；作为应用实例，我们设计了一款独立偏振的衍射光学扇出元件，仿真得到了两种不同排布的22均匀光点、但却是同一个扇出元件生成的，从而证实了这种器件独特的相位调制特性。最后，我们提出了利用超表面实现立体视觉傅里叶全息的设想，以设计武汉大学校徽全息图为例，给出了校徽中四层深度信息对应的全息设计效果，并进行了局部图案的仿真验证，从而证实了利用立体视觉超表面的偏振复用特性、实现不同全息图案的可行性。

上述成果发表在最近一期的Optics Express(“Depth perception based 3D holograms enabled with polarization-independent metasurfaces”, Optics Express, 26(9), 2018: 11843-11849)上，并受到中国发明专利的保护(应用于傅里叶三维全息的硅纳米砖阵列结构及其设计方法，CN201610363922.8)。该工作得到国家自然科学基金(11574240、11774273)、湖北省杰青(2016CFA034)、及武汉邮科院光纤通信技术和网络国家重点实验室开放基金(OCTN-201605)等的资助。

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