全息具有記錄和重建波前的能力真慢，是裸眼3D顯示、光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和光信息處理的理想手段理茎。但是黑界，傳統(tǒng)全息圖不具備對(duì)虛物全息重建和動(dòng)態(tài)顯示的能力。為了克服這個(gè)困難皂林，在1966年的時(shí)候朗鸠，Brown和Lohman發(fā)明了計(jì)算機(jī)生成全息(computer-generated holography, CGH)，這種技術(shù)使用物理光學(xué)理論來計(jì)算干涉圖案上的相位圖础倍。隨著技術(shù)的發(fā)展烛占，通過使用如空間光調(diào)制器(SLM)或數(shù)字微鏡設(shè)備(DMD)這樣的數(shù)字設(shè)備，CGH也能展示出動(dòng)態(tài)全息顯示的能力。然而犹菇，使用SLM或DMD的CGH長期存在著小視場、孿生像芽卿、多級(jí)衍射的問題揭芍。
大幀數(shù)高幀率可見光動(dòng)態(tài)三維meta-holography
技術(shù)背景：
全息具有記錄和重建波前的能力，是裸眼3D顯示卸例、光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和光信息處理的理想手段称杨。但是，傳統(tǒng)全息圖不具備對(duì)虛物全息重建和動(dòng)態(tài)顯示的能力筷转。為了克服這個(gè)困難姑原，在1966年的時(shí)候呜舒，Brown和Lohman發(fā)明了計(jì)算機(jī)生成全息(computer-generated holography, CGH)锭汛，這種技術(shù)使用物理光學(xué)理論來計(jì)算干涉圖案上的相位圖。隨著技術(shù)的發(fā)展袭蝗，通過使用如空間光調(diào)制器(SLM)或數(shù)字微鏡設(shè)備(DMD)這樣的數(shù)字設(shè)備唤殴，CGH也能展示出動(dòng)態(tài)全息顯示的能力。然而呻袭，使用SLM或DMD的CGH長期存在著小視場、孿生像左电、多級(jí)衍射的問題廉侧。
隨著納米加工技術(shù)的巨大發(fā)展，超材料和超表面引領(lǐng)全息圖研究以及其它研究領(lǐng)域進(jìn)入了工程光學(xué)2.0時(shí)代篓足。超材料由亞波長級(jí)的人造結(jié)構(gòu)(artificial structure)組成段誊，它具有新穎的功能，超出了bulk material的局限性栈拖。三維超材料的加工非常困難连舍，因此，超表面作為光學(xué)器件在可見光區(qū)扮演著重要的角色涩哟。超表面是一種二維超材料索赏，由亞波長納米結(jié)構(gòu)組成，具有調(diào)制光的幅度贴彼、相位和偏振的能力潜腻。超表面的研究可以歸為兩類：靜態(tài)超表面和動(dòng)態(tài)超表面器仗。動(dòng)態(tài)或主動(dòng)超表面的設(shè)計(jì)基于使用不同的超材料和機(jī)制融涣，如相位變化材料(phase-change material)童番、液晶、光誘導(dǎo)(light-induced)威鹿、機(jī)械應(yīng)變(mechanical strain)剃斧、電荷注入(charge injection)忽你、熱光效應(yīng)幼东、化學(xué)和結(jié)構(gòu)方法等。如今檀夹，超表面已被用于制造許多不同類型的功能器件筋粗，如超透鏡(metalens)策橘、分束器炸渡、懸鏈線光學(xué)元件(catenary optical elements)和軌道角動(dòng)量器件等丽已。
超表面全息術(shù)具有大視場蚌堵、高分辨率、高階衍射消除等優(yōu)勢沛婴。超全息(meta-holography)基于物理機(jī)制的不同可以歸為三類：相位型超全息圖(phase-only meta-holograms)吼畏、振幅型超全息圖(amplitude-only holograms)、復(fù)振幅型全息圖(complex-amplitude holograms)嘁灯。大多數(shù)的可見光區(qū)的超全息研究局限于靜態(tài)器件設(shè)計(jì)，只能使用一片超表面顯示單個(gè)幀丑婿。然而性雄，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)是理想超全息平滑顯示基本的需求。要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)羹奉，有兩個(gè)重要的考量需要注意：第1個(gè)是幀數(shù)秒旋，關(guān)系到單個(gè)超全息圖元件可以顯示的不同幀的數(shù)量；第二個(gè)是幀率诀拭。zui終目標(biāo)是迁筛，重建的離散全息幀，可以借助人眼視覺暫留(eye persistence)的效應(yīng)耕挨，以平滑視頻的方式被人感知到细卧。通常認(rèn)為幀率高于24fps就可以被人眼認(rèn)為是連續(xù)的，更高的幀率對(duì)應(yīng)更精細(xì)和更平滑的視頻顯示筒占。但是贪庙，目前仍然缺少在可見光區(qū)有出色顯示質(zhì)量赋铝，并以高幀率和高幀數(shù)呈現(xiàn)平滑全息視頻的高效動(dòng)態(tài)超全息插勤。
基于此，華中科技大學(xué)的Yuxi Wang(一作)和Jinsong Xia(通訊)等人利用DMD和超表面，提出了一種可見光區(qū)基于空間通道多路復(fù)用超表面的超全息技術(shù)农尖，可以實(shí)現(xiàn)2^28個(gè)不同全息幀析恋，以及可達(dá)9523fps的高幀率。由于使用氮化硅納米柱構(gòu)建塊來構(gòu)建超表面盛卡，使得每個(gè)空間通道的調(diào)制效率大于70%。
1)動(dòng)態(tài)空間通道超全息圖(dynamic space channel meta-hologram,DSCMH)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)滑沧。將超表面劃分為N個(gè)不同的空間通道并村，每個(gè)通道包含數(shù)千或數(shù)百萬個(gè)納米柱(見圖1A)。SCMH的設(shè)計(jì)有兩類滓技。第1種是空間通道選擇超全息圖哩牍，在這種設(shè)計(jì)中，如果不同的空間通道同時(shí)打開令漂，所有不同空間通道的重建像會(huì)相互重疊(見圖1B)膝昆。通過控制結(jié)構(gòu)化的激光束以設(shè)計(jì)的順序依次打開不同的空間通道，則全息視頻的連續(xù)幀將按照設(shè)計(jì)好的時(shí)間顯示(見圖1C)叠必。第二種設(shè)計(jì)是空間通道復(fù)用超全息圖荚孵，不同空間通道的重建目標(biāo)像是整個(gè)全息圖的子圖(見圖1D)。不同的空間通道根據(jù)預(yù)定的順序在不同的時(shí)間打開纬朝，因而對(duì)于N-bit的空間通道可以同時(shí)有2^N種組合(見圖1E)收叶。不同的空間通道組合重建出不同的全息圖共苛，通過高速變化結(jié)構(gòu)光判没，以在不同的時(shí)間打開不同的空間通道組合，就能以平滑和精細(xì)的方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)超全息顯示(見圖1G)俄讹。
圖1哆致、動(dòng)態(tài)空間通道超全息圖原理
2)動(dòng)態(tài)SCMH的實(shí)現(xiàn)。用于編碼入射結(jié)構(gòu)激光束的動(dòng)態(tài)光束調(diào)制使用包含DMD患膛、透鏡和顯微物鏡的投影系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。入射光可以被DMD以高達(dá)9523Hz的速度調(diào)制踪蹬。透鏡和顯微物鏡組成4f系統(tǒng)以縮小入射光束來打開超表面的不同空間通道(見圖2A)胞此。氮化硅材料的吸收系數(shù)足夠小，因此它在可見光范圍接近透明跃捣，其折射率接近2漱牵，這遠(yuǎn)大于普通玻璃材料。因此氮化硅材料適合用于設(shè)計(jì)高效超表面疚漆。氮化硅納米柱的高度全為700nm酣胀，矩形晶格周期為500nm刁赦，半徑在90到188nm之間。納米柱的仿真使用有限差分時(shí)域(FDTD)法闻镶。選擇了6個(gè)合適的半徑加工甚脉，氮化硅納米硅的透射系數(shù)和相位響應(yīng)與在633nm時(shí)納米柱半徑的關(guān)系見圖2B。圖2C和D是加工結(jié)果的掃描電鏡圖像铆农。
圖2、動(dòng)態(tài) SCMH 的實(shí)現(xiàn)墩剖『锇迹刻度條,1um
視頻2岭皂、動(dòng)態(tài)空間通道選擇超全息圖顯示結(jié)果
視頻3郊霎、動(dòng)態(tài)三維空間通帶選擇超全息圖顯示結(jié)果
附錄：
光路，DMD為DLP6500FYE
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