阅读说明：本技术 基于超表面微透镜阵列的真三维立体成像技术 (True three-dimensional imaging technology based on super-surface micro-lens array ) 是由 郑国兴 付娆 李子乐 单欣 李仲阳 于 2019-11-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于超表面微透镜阵列的真三维立体成像技术,通过超表面微透镜阵列将一个完整的光波波前在空间上分成许多微小的部分,每一部分都被相应的超表面微透镜聚焦在三维像空间中不同的空间位置,模拟产生三维立体图像的一个体像素点,一系列超表面微透镜聚焦产生就可以得到一系列焦点,空间中这些焦点组成三维立体像素点阵,实现真三维立体成像。本发明不需要任何机械移动装置或雾屏等辅助装置,可直接在空气中投射出三维立体图像,无需佩戴任何额外的观看设备,可实现多人同时多角度观察,具有操作简单、更直观、更真实的优点。(The invention discloses a true three-dimensional imaging technology based on a super-surface micro-lens array, which divides a complete light wave front into a plurality of tiny parts in space through the super-surface micro-lens array, each part is focused at different spatial positions in a three-dimensional image space by a corresponding super-surface micro-lens, an individual pixel point of a three-dimensional image is generated in a simulation mode, a series of focuses can be obtained through the focusing of the super-surface micro-lenses, and the focuses in the space form a three-dimensional pixel lattice, so that true three-dimensional imaging is realized. The invention can directly project three-dimensional images in the air without any mechanical moving device or auxiliary devices such as a fog screen and the like, does not need to wear any additional watching equipment, can realize multi-person multi-angle observation at the same time, and has the advantages of simple operation, more intuition and more reality.)

基于超表面微透镜阵列的真三维立体成像技术

技术领域

本发明涉及微纳光学技术领域，尤其涉及一种基于超表面微透镜阵列的真三维立体成像技术。

背景技术

近年来，随着光学技术、微电子技术和计算机技术的进步，立体显示技术也获得了飞速的发展。显示技术的进步代表人类在追求更真实的视觉享受，二维平面图像显示在某些方面已无法满足人们对于具有物理深度信息的三维物体显示的需求，因此，三维立体显示应运而生，并成为近年来显示领域的一个研究热点。与二维图像显示相比，三维立体成像技术能够真实地再现客观物体，尤其是物体的深度信息，即提供立体图像的三维信息，使观察者获得身临其境的立体视觉，更富于实感性和参与性。目前大多数的三维显示都需要戴上特制的眼镜，使得观察者的视野为仪器所限制。而真三维立体成像技术克服了传统立体显示技术需要借助辅助设备的缺陷，更具真实性，该技术的突破，将在虚拟现实和仿真领域产生革命性的变革，具有重要意义。它可以产生具有真实物理深度的图像，在国民经济、国防建设、生命科学、建筑设计、生物医学工程中有着非常重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于超表面微透镜阵列的真三维立体成像技术，将三维物体的深度信息转化为超表面微透镜阵列焦距信息，进而转化为超表面微透镜的相位分布信息。通过超表面微透镜阵列将一个完整的光波波前在空间上分成许多微小的部分，每一部分都被相应的超表面微透镜聚焦在透射三维像空间中不同的空间位置产生一个焦点，即模拟产生三维立体图像的一个体像素点，一系列超表面微透镜聚焦产生就可以得到由一系列焦点，空间中这些焦点组成三维立体像素点阵，即实现了真三维立体成像。

为实现上述目的，本发明提供的基于超表面微透镜阵列的真三维立体成像技术，其特征在于：包括以下步骤：

(1)确定工作波长λ，通过电磁仿真软件优化纳米砖单元结构的尺寸参数，优化具有半波片特性的纳米砖单元结构，使得工作波长下的圆偏振光正入射至所述纳米砖单元结构时，获得反向圆偏振光的透过率最高的一组尺寸参数；所述纳米砖单元结构由基底和刻蚀在所述基底上的纳米砖构成；所述纳米砖单元结构的尺寸参数包括纳米砖的长度L、宽度W、高度H、单元结构中心间隔C；

(2)假设超表面微透镜阵列包含M×N个超表面微透镜，每个超表面微透镜由t×t个纳米砖单元结构构成，单元结构中心间隔为C，当工作波长下的圆偏振光正入射至超表面微透镜阵列时，三维透射像空间产生的体像素点数量为M×N个；

(3)任意选取透射像空间的第m个体像素点P_m(x_m,y_m,Z_m)，假设该体像素点对应超表面微透镜阵列中第m个微透镜，微透镜的中心坐标为C_m(X_m,Y_m,0)，求出任意一个中心位置坐标为A(X,Y,0)的纳米砖单元结构的相位：

所述m≤M×N；所述第m个超表面微透镜上任意一个中心位置坐标为A(X,Y,0)的纳米砖单元结构的相位为：

其中|X-X_m|≤(t-1)C/2，|Y-Y_m|≤(t-1)C/2；

同理可根据其他构成三维立体图像的体像素点和超表面微透镜中心坐标求出超表面微透镜阵列上所有纳米砖单元结构的相位值，构成相位分布矩阵

(4)由关系式

计算得到纳米砖单元结构的方向角排布矩阵Φ；将(M*t)×(N*t)个尺寸一致、方向角按照方向角排布矩阵Φ排列的纳米砖单元结构在长、宽方向上等间隔排列，构成超表面微透镜阵列；所述步骤4中，超表面微透镜阵列结构由(M*t)×(N*t)个纳米砖单元结构构成。

作为优选方案，所述基底材料选用二氧化硅，纳米砖材料选用硅。

进一步地，所述步骤(1)中，工作波长选用633nm；当工作波长选用633nm时，纳米砖的长度L为150nm，宽度W为60nm，高度H为385nm，单元结构中心间隔C为300nm。

本发明的优点及有益效果如下：

(1)本发明所设计的超表面微透镜阵列结构简单紧凑，体积小、重量轻、便于高度集成，适用于光学系统小型化、微型化的发展趋势。

(2)本发明为真三维立体成像技术，可以提供三维物体的深度信息，用于实现在三维空间中产生真实的立体图像，与现有技术相比，不需要任何机械移动装置及雾屏等辅助设备，可直接在空气中投射出三维立体图像。

(3)本发明无需佩戴任何额外的观看设备，从不同的角度都可以看见该立体图像，而且可实现多人同时多角度观察。实现方法简单，具有操作简单、更直观、更真实的优点。

附图说明

图1是本发明中纳米砖单元结构的示意图；

图2是本发明中设计的纳米砖单元结构的透射率；

图3是本发明中超表面微透镜阵列的相位分布设计的原理示意图；

图4是本发明中由(M*t)×(N*t)个尺寸一致仅方向角不同的纳米砖单元结构在长、宽方向上等间隔排列，构成的超表面微透镜阵列的示意图；

图5是本发明中任意一个超表面微透镜的相位分布示意图；

图6是本发明中三维像空间中任意一个空间位置处体像素点聚焦的仿真效果图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细阐述。

1、优化设计具有半波片功能的纳米砖单元结构。

下面以纳米砖单元结构为长方体为例进行说明。所述纳米砖单元结构的长、宽、高均为亚波长。

如图1所示，建立xyz直角坐标系，纳米砖单元结构的长边方向代表长轴，短边方向代表短轴，Φ为纳米砖单元结构的长轴与x轴之间的夹角，即纳米砖单元结构的方向角(Φ的取值范围为0°～180°)，如图1所示。

通过电磁仿真软件优化纳米砖单元结构的尺寸参数，包括纳米砖单元结构1的高度H、长度L、宽度W和单元结构基底边长C，如图1所示，使得工作波长下的圆偏振光正入射至所述纳米砖单元结构时，获得反向圆偏振光透过率最高的一组尺寸参数，即优化后的尺寸参数，优化设计后的纳米砖单元结构其功能可等效为半波片，可用琼斯矩阵

来表示，当入射光为圆偏光

(左旋圆偏振光取“+”，右旋圆偏振光取“-”)时，经过纳米砖单元结构后的出射光可表示为：

由式(1)可知，出射光仍为圆偏振光，但旋向与入射光相反，且附加了2Φ的相位延迟，即相位延迟量是纳米砖方向角Φ的2倍，因此通过改变纳米砖的方向角可以实现相位调节。

2、超表面微透镜阵列的相位设计方法。

真三维立体成像，图像的每一个三维体像素点位于三维物理空间中的真实位置，体元之间的相对空间位置关系真实地体现在三维立体空间中。观察者可以通过变换观察位置从不同角度看到三维立体图像的不同侧面。多个观察者可以同时从不同角度观察同一三维立体图像，如同观察真实的三维物体一样。真三维立体显示能够带给观察者完备的心理和生理的三维感知信息，为理解三维图像和其中物体之间的空间关系提供了独特的手段。真三维立体成像就是要在三维空间中显示三维立体图像的体像素点，提供给观察者物理景深，这就需要建立三维成像空间。

如图3所示，建立XYZ空间直角坐标系，超表面微透镜阵列位于XOY平面，超表面微透镜阵列包含M×N个超表面微透镜，每个超表面微透镜由t×t个亚波长纳米砖单元结构构成，整个超表面微透镜阵列包含(M*t)×(N*t)个亚波长纳米砖单元结构，单元结构中心间隔为C，任意选取透射像空间的第m个体像素点P_m(x_m,y_m,Z_m)为例进行超表面微透镜相位设计说明，假设该体像素点对应超表面微透镜阵列中第m(m≤M×N)个微透镜，其中心坐标为C_m(X_m,Y_m,0)。超表面微透镜的焦距定义为微透镜中心与聚焦形成的体像素点的光程，可表示为：

其中，n₀表示空气中的折射率。第m个超表面微透镜上任意一个中心位置坐标为A(X,Y,0)的纳米砖单元结构与体像素点的光程可表示为：

其中，|X-X_m|≤(t-1)C/2，|Y-Y_m|≤(t-1)C/2。则该位置处的纳米砖单元结构的相位可表示为：

同理，可根据其他构成三维立体图像的体像素点和超表面微透镜中心坐标根据公式(4)求出超表面微透镜阵列上所有纳米砖单元结构的相位值，构成相位分布矩阵

由关系式

计算得到纳米砖单元结构的方向角排布矩阵Φ。当圆偏振光正入射到所设计的超表面微透镜阵列时，超表面结构的微透镜阵列将一个完整的光波波前在空间上分成许多微小的部分，每一部分都被相应的超表面微透镜聚焦在三维像空间中不同的空间位置产生一个焦点，模拟三维立体图像的一个体像素点，M×N个超表面微透镜聚焦产生就可以在透射像空间得到由M×N个体像素点组成三维立体像素点阵，构成真三维立体图像。其中，所述基底为二氧化硅基底，所述纳米砖单元结构为硅纳米砖，但不限于此。所述超表面阵列结构的工作模式为透射式，但不限于此。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本实施例提供的基于超表面微透镜阵列的真三维立体成像技术，其预期实现的功能是当圆偏振光正入射到所设计的超表面微透镜阵列时，超表面结构的微透镜阵列将一个完整的光波波前在空间上分成许多微小的部分，每一部分都被相应的超表面微透镜聚焦在透射三维像空间中不同的空间位置产生一个焦点，模拟三维立体图像的一个体像素点，所有聚焦产生的体像素点组成三维立体像素点阵，构成真三维立体图像，最终实现真三维立体成像。

本实施例中，纳米单元结构由二氧化硅基底，以及刻蚀在基底上的硅纳米砖构成，如图1所示。选取设计波长为λ＝633nm，针对该波长，通过电磁仿真软件CST对纳米砖单元结构进行优化仿真，得到优化后的硅纳米砖的尺寸参数为：长为L＝150nm，宽为W＝60nm，高为H＝385nm，单元结构基底边长为C＝300nm。该结构参数下纳米砖单元结构的透射率如图2所示，其中，T_cross、T_co分别表示反向圆偏振光和同向圆偏振光的透射率。由图2可知，当入射光波长为设计波长633nm时，携带附加相位延迟的反向圆偏振光的透过率高于87％，而没有附加相位延迟的同向圆偏振光的透过率低于1％，结果表明，该优化后纳米砖单元结构具有半波片功能。

以上述仿真优化好的纳米砖单元结构为基础，针对工作波长λ＝633nm，如图3所示，建立XYZ空间直角坐标系，超表面微透镜阵列位于XOY平面，超表面微透镜阵列包含M×N个超表面微透镜，每个超表面微透镜由t×t个亚波长纳米砖单元结构构成，整个超表面微透镜阵列包含(M*t)×(N*t)个亚波长纳米砖单元结构，单元结构中心间隔为C。任意选取透射像空间聚焦形成的一个体像素点P₁(5μm,5μm,5μm)为例进行超表面微透镜相位设计说明，假设该体像素点对应的超表面微透镜位于阵列中心，则其中心坐标为C₁(0,00)，超表面微透镜由50×50个亚波长纳米砖单元结构构成，单元结构中心间隔为C＝300nm，由式(4)可以求出该超表面微透镜的纳米砖单元结构的相位分布，如图5所示。由关系式

计算得到对应纳米砖单元结构的方向角排布。

根据求得的相位分布，利用瑞利索末菲公式仿真计算得到体像素点P₁的在透射像空间的空间位置，如图6所示，该位置与设计的体像素点的三维空间位置完全吻合，进一步证明了该设计方法的正确性。同理，若已知其他体像素点在像空间中三维位置坐标，根据公式(4)可求出超表面微透镜阵列上所有纳米砖单元结构的相位分布，实现真三维立体成像。

本实施例中，以超表面微透镜阵列中任意一个微透镜为例，当圆偏振光正入射到所设计的超表面微透镜时，该微透镜可以将光波聚焦在三维像空间中任意空间位置，模拟产生三维立体图像的一个体像素点。若超表面微透镜阵列包含M×N个超表面微透镜，则聚焦可以在透射像空间产生M×N个体像素点，组成三维立体像素点阵，最终实现真三维立体成像。

本发明实施例提供的一种基于超表面微透镜阵列的真三维立体成像技术至少包括如下技术效果：

在本发明实施例中，优化具有半波片功能的纳米砖单元结构，使得工作波长的圆偏振光正入射至所述纳米砖单元结构时，获得反向圆偏振光透过率最高的一组尺寸参数，再利用纳米砖单元结构的相位调节功能，实现超表面微透镜的聚焦功能，通过超表面微透镜阵列将一个完整的光波波前在空间上分成许多微小的部分，每一部分都被相应的超表面微透镜聚焦在三维像空间中不同的空间位置，模拟产生三维立体图像的一个体像素点，一系列超表面微透镜聚焦产生就可以得到由一系列焦点，空间中这些焦点组成三维立体像素点阵，构成三维立体图像，最终实现真三维立体成像。