用于光场成像的超构衍射光栅阵列优化_郭晨光.pdf
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1、第 43卷 第 1期2023年 3月光 电 子 技 术OPTOELECTRONIC TECHNOLOGYVol.43 No.1Mar.2023用于光场成像的超构衍射光栅阵列优化郭晨光1,王文雯1,郝绍坤1,林怡彬1,周雄图1,2,张永爱1,2,吴朝兴1,2,郭太良1,2(1.福州大学 物理与信息工程学院,福州 350116;2.中国福建光电信息科学与技术创新实验室,福州 350116)摘 要:为提高矢量光场显示亮度和视角均匀性,提出了一种应用于圆偏振光场成像的超构光栅结构。利用严格耦合波分析,逐像素对超构光栅结构进行仿真,研究了入射光偏振状态、光栅结构、入射角度对-1级光衍射效率的影响规律。仿
2、真结果表明,圆偏振光显示可以使得光栅衍射效率稳定高效,当光栅周期为 500 nm 时,与基于 TE 和 TM 设计的光栅结构相比,圆偏振光设计的光栅结构衍射效率提高了 18.5%和 2.6%;光栅高度和占空比对衍射效率具有明显的影响。综合考虑光栅制备难度、衍射效率和视角均匀性,设计了一种高度为 0.6 m,占空比为 0.4的光栅阵列结构应用于圆偏振光场显示,系统衍射效率可以达到 40%以上,具有较优的综合性能,对超构光栅设计制备和裸眼 3D显示具有一定指导意义。关键词:纳米光栅;衍射效率;严格耦合波分析;光场显示;裸眼 3D显示中图分类号:TN219;O436 文献标志码:A 文章编号:100
3、5-488X(2023)01-0026-08Optimization of Diffraction Metagrating Array for Light Field ImagingGUO Chenguang,WANG Wenwen,HAO Shaokun,LIN Yibin,ZHOU Xiongtu,ZHANG Yon-gai,WU Chaoxing,GUO Tailiang(1.College of Physics and Information Engineering,Fuzhou University,Fuzhou 350116,CHN;2.Fujian Science and Tec
4、hnology Innovation Laboratory for Optoelectronic Information of China,Fuzhou 350116,CHN)Abstract:In order to improve the display brightness and view uniformity of the vector light field,a metagrating structure for circularly polarized light field imaging was proposed.The effect of incident light pol
5、arization state,grating structure and incident angle on the diffraction efficiency of-1st order light were studied by simulating the structure of metagrating pixel by pixel using a rigorous coupled wave analysis method.The simulation results showed that the circularly polarized light display could m
6、ake the diffraction efficiency of the grating stable and efficient.When the grating period was 500 nm,DOI:10.19453/ki.1005-488x.2023.01.005收稿日期:2022-09-26基金项目:福建省自然科学基金(2021J01577);闽都创新实验室自主部署项目(2021ZZ130)作者简介:郭晨光(1998),男,硕士研究生,研究方向为微纳光子器件,3D显示;(E-mail:)王文雯(1997),女,博士研究生,研究方向为光场成像,3D显示;郝绍坤(1998),男,硕
7、士研究生,研究方向为光电功能材料和器件;周雄图(1982),男,教授,研究方向为光电功能材料和器件,3D显示及其应用。(E-mail:)通讯作者研究与试制第 1期郭晨光,等:用于光场成像的超构衍射光栅阵列优化the diffraction efficiency of the grating structure based on the circular polarized light increased by 18.5%and 2.6%compared with TE and TM.The height and duty cycle of grating had a significant i
8、mpact on the diffraction efficiency.Considering the difficulty of metagrating fabrication,diffraction ef-ficiency and viewing angle uniformity,metagratings array structure with the height of 0.6 m and duty cycle of 0.4 was designed for circular polarization.The diffraction efficiency of the system c
9、ould reach more than 40%,and it had better comprehensive performance,which was a guideline for metagrating design and preparation,as well as naked-eye 3D display.Key words:metagrating;diffraction efficiency;rigorous coupled wave analysis(RCWA);light field display;glasses-free three-dimensional displ
10、ay引 言未来显示技术将朝着视觉更加自然,用户更加友好的方向发展。三维(Three-dimensional,3D)显示由于视觉更加逼真,是未来显示技术的一个重要发展趋势。随着元宇宙概念的提出,3D显示作为其重要技术支撑,可以提供更具沉浸感的交互体验,引起广泛的研究关注。裸眼真 3D 显示技术克服了集合调节冲突所致的立体观看视疲劳和需要佩戴助视设备的不方便等问题,具有健康便携,适用性强,应用范围广等特点1-6。光场 3D 显示通过投影阵列或将传统平板显示屏幕与“视角调控器”结合,在重新构建三维物体发光分布的基础上实现,具有连续视角、消除聚焦辐辏冲突等优势。视角调控器是实现光场 3D 显示的关键光
11、学元器件,常用视角调控器主要包括:视差屏障7-9、柱透镜 阵 列10-11、微 透 镜 阵 列12-15、超 构 纳 米 光 栅16-18等。视差屏障和柱透镜阵列最先与平板显示面板结合应用在 3D 移动电子设备领域,但由于其光线方向调控能力与视差屏障透光孔径成反比,光利用率较低是其主要应用瓶颈。为解决视差屏障 3D 显示亮度低的问题,基于柱透镜阵列的光场 3D 显示技术孕育而生,并成为目前商业应用最为广泛和成熟的技术19。然而,柱透镜光场 3D 显示视场角不足、无运动视差,制约了其进一步发展。集成成像3D显示技术采用微透镜阵列作为视角调控器,通过记录和再现来自 3D 物体的光线来实现全视差 3
12、D显示,并提供运动视差信息,但其存在分辨率下降、视场角受限和莫尔条纹严重等问题20。基于衍射光学的矢量光场 3D 显示技术可对出射光方向进行精准调控,使用超材料或超表面的衍射光栅实现高衍射效率和大视场,具有更好的光控制。且其采用非周期性的像素光栅,可有效改善集成成像光场显示的分辨率下降、视场角较小和莫尔条纹等问题。2013 年,Fattal D 等人21提出了一种基于周期性纳米光栅的宽视角指向型背光设计,开启了矢量光场显示的研究,W Wan等人22在此基础上提出基于非周期结构实现会聚视点,实现全息采样 3D显示,极大地降低串扰,消除鬼影。亮度是影响 3D 显示图像的重要因素,因此,超构光栅的衍
13、射效率对获得高性能矢量光场成像至关重要。矢量光场显示将显示的视角图像像素逐一与纳米光栅阵列匹配,每个像素点所对应的光栅的周期和取向各不相同,光栅的周期决定衍射光线偏离中心的角度,光栅的取向决定衍射光线的方向。经过纳米结构对光的方向性调制,视角图像被分离于不同的视点位置,重构 3D 图像。传统的矢量光场 3D 显示一般都是基于液晶显示屏幕设计,其透射光一般为线偏振光,传统的光栅结构设计22,基于 TE 或 TM 偏振设计已获得了较高的衍射效率,但由于偏振状态影响,取向角度变化使得进入光栅的偏振状态发生变化造成衍射效率降低。然而,随着显示技术的多元化发展,在新型显示应用中,包括有机发光二极管(Or
14、ganic light-emitting di-ode,OLED)显 示 和 微 米 级 发 光 二 极 管(Micron light-emitting diode,Micro-LED)显示屏幕出射光通常为圆偏振光(Circularly polarized light,CPL)23-25。圆偏振光显示可以使得光栅阵列不受取向角度的影响,对提高矢量光场显示亮度和视角均匀性具有重要意义。目前基于圆偏振光提高矢量光场显示亮度和视角均匀性的超构纳米光栅的相关研究较少,文章根据严格耦合波分析逐像素单元仿真了圆偏振下光栅高度和占空比对超构光栅系统各个周期的衍射效率的影响,针对圆偏振光源设计了视场角范围为
15、50最优的超构像素结构,来提高矢量光场3D 显示的衍射效率,减少视角之间的亮度差异,为矢量光场显示光栅结构设计与新型显示(OLED,LED等)方式兼容性提供了设计思路。27光 电 子 技 术第 43卷1 建模和仿真方法1.1矢量光场显示原理矢量光场显示是一种利用像素级纳米光栅阵列实现对立体图像重构显示的图像技术,其原理如图 1(a)所示26。超构光栅阵列作为空间光调制器对入射光线进行分光调控,每个超构光栅像素单元通过精准调控-1 级光线,将视角图像分离至各个视点位置,汇聚为多个视点,形成多视角三维显示,最后融合成一幅视角连续并含有三维信息的集成像。矢量光场显示利用非周期性的像素光栅阵列实现对视
16、角图像光线的分离与会聚,根据显示屏幕像素的排布,不同位置的像素单元对应的光栅周期和取向角度也不同,取向角度指的是光栅沟槽方向相对TE偏振的旋转角度,衍射光波矢kd和入射光波矢ki满足如下关系:kd=ki-G(1)其中|G|=2/表示光栅矢量,表示光栅的周期,|kd|=2/,|ki|=2n/,n为光栅基底折射率,以显示屏幕中心为坐标原点建立矢量光场坐标系,可得到像素单元光栅周期和取向角26分别为:=()()x0-x2+()y0-y2+z22()x0-x2+(n sin()x0-x2+()y0-y2+z2-y0+y)2(2)=acr tan|n sin()x0-x2+()y0-y2+z2-y0+y
17、x-x0|(3)其中(x,y,0)是像素光栅中心坐标,(x0,y0,z)为设计的会聚视点的坐标。在矢量光场显示中,光栅负责将像素光线汇聚到成像视点,因此其衍射效率的高低将极大影响系统的能量利用率。为提高光栅阵列的衍射效率,提出了一种适用于圆偏振成像的光栅结构,仿真结构示意图如图 1(b)所示,光栅结构参数包括光栅周期,宽度W=f(f为占空比),脊高为H,基底厚度B。根据光栅的色散理论26,当入射角度2一定时,-1级衍射角度3与光栅周期有关,0级光衍射角度4仅与入射光角度有关,衍射效率与光栅宽W,脊高H有关。参考文献2225设定光栅材料n1为 1.5,透射区域为空气折射率n2为 1,仿真入射光波
18、长 632.8 nm,入射角度2=30。1.2理论模型为了满足显示的需求,实现视角完全分离,像素型纳米光栅的特征尺寸需要达到波长量级,严格耦合波分析(RCWA)作为一种没有近似的严格的矢量计算方法,其精度只依赖于展开谐波数的数量,与 FDTD 相比,在相似的精度下,RCWA 计算时间大大缩短27,考虑到仿真精度和速度设置为 10个谐波数量。求解过程主要分为:(1)通过 Maxwell方程组求解入射区和透射区的电磁场表达式;(2)对光栅区域内介电常数和电磁场作傅里叶级数展开,求出耦合波微分方程组;(3)在不同区域边界处利用电磁场的边界条件,求出各级衍射波的振幅,计算各级衍射波的衍射效率28。第i
19、级反射光衍射效率和第i级透射光衍射效率的表达式分别为:图 1矢量光场中超构光栅结构仿真模型Fig.1Simulation model of metagrating structure in vector light field28第 1期郭晨光,等:用于光场成像的超构衍射光栅阵列优化ri=Re(1i10)RiRi*(4)ti=Re(4i10)TiTi*(5)式中:i为衍射级次;1i和4i为入射区和透射区中第i级衍射光沿着 y方向的波数;10为入射光沿着 y方向的波矢;Ri和Ti为第i级反射光和透射光归一化的振幅;Ri*和Ti*为Ri和Ti的共轭。1.3基于圆偏振光的超构光栅结构设计常见的手机显
20、示屏幕参数设置会聚视点的距离为 200 mm300 mm,根据 1.1矢量光场成像原理利用算法计算求得 RGB 光栅周期范围从 400 nm 到1 100 nm,取向角度范围从 0到 9025-26,29。圆偏振光可以看作是两个振幅相同,极化角和相位差 90的线极化叠加而成,为了准确地仿真光栅在圆偏振光下的衍射效率,这里以互相正交的 TE、TM 偏振态,按照图 2所示流程对超构光栅进行逐周期仿真计算得到 CPL 入射下的-1 级衍射效率变化28,逐周期求解计算纳米光栅 CPL 下的-1 级衍射效率,设计CPL 照射下的最优的纳米光栅阵列结构,设计流程图如图 2所示。2 结果与讨论2.1入射光偏
21、振状态对衍射效率的影响为了研究入射光偏振状态对超构光栅衍射效率的影响,首先分别仿真入射光为 TE 和 TM 偏振状态下超构光栅的衍射效果。当红光(632.8 nm)以2=30角度入射时,以周期为 500 nm 光栅为例进行分析。图 3(a)和(b)分别为 TE 和 TM 偏振下光栅衍射效率随光栅高度和占空比变化的等高线分布图,图中 TE偏振下光栅-1级衍射效率的峰值主要集中在高度 0.83 m 占空比 40%、高度 2.38 m 占空比 40%和高度 3.94 m 占空比 40%处;TM 偏振下光栅-1 级衍射效率峰值主要集中在高度 1.23 m占空比 60%和高度 3.75 m 占空比 60
22、%处。图 3(c)为 CPL 下周期为 500 nm 光栅-1 级衍射效率随占空比和高度的变化规律,光栅的衍射效率的峰值主要集中在高度为 0.7 m 到 1.4 m 和占空比为 40%到 70%的区域内,与 TE 偏振和 TM 偏振入射的衍射效果均有明显不同。亮度是影响 3D 显示图像的重要因素,因此,在衍射效率峰值附近选择光栅结构对获得高性能矢量光场成像至关重要。对于矩形光栅,槽深过高会造成制作困难,从工艺角度选择整数附近的参数便于加工制备,因此选择 TE、TM、CPL最优结构参数为 高 度 0.8 m 占 空 比 40%、高 度 1.3 m 占 空 比65%和高度为 1.1 m占空比为 6
23、0%的光栅结构。根据图 3(a)3(c)分别得到三种偏振下最优的光栅结构,表 1 比较了三种偏振下最优结构光栅在不同偏振下的衍射效率,其中序号 1、2、3 分别为TE、TM 和 CPL偏振下所设计的最优光栅结构。当采用 TE 偏振光源入射高度 0.8 m 占空比 40%的光栅结构时,-1 级衍射效率为 83.8%;当采用 TM偏振光源入射时,-1级衍射效率仅为 28.9%;采用CPL 偏振光源入射时,-1级衍射效率为 56.4%,与TE 偏振光相比衍射效率下降了 26.9%。CPL 偏振光入射高度为 1.1 m 占空比为 60%的光栅结构,-1 级衍射效率为 74.9%,TE 偏振下的-1 级
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