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超表面结构在波导型AR中的应用
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波导型ARaugmented reality)是目前低成本、可穿戴、轻薄型AR眼镜的最重要的研究方向之一。目前光栅型波导AR普遍存在耦入效率低,RGB各波长图像传输需要多片分别实现,各颜色均匀性差等缺陷,从而导致系统耗电量高,图像白平衡不尽人意,而针对这些问题的补偿通常牵涉特殊的光栅结构设计和复杂制备工艺,不利于低成本的大规模量产。超表面结构是光栅的技术拓展,在设计上提供了多维度参量和极高的灵活性,可很好的解决目前局限于简单条状光栅中的上述问题,不仅可提高耦入效率,改善图像幅面均匀性,而且有可能实现在单片波导上RGB三色同时传输成像,提供终极轻薄化的AR镜片的实现技术。

本项目研发基于超表面结构的耦入和耦出部分微纳结构的理论设计方案,完成RGB多色的光束方向调制的超表面结构的理论设计和相关计算的实验验证。作为AR波导结构的基本构建元素,该设计方案将为实现下一代轻薄型AR提供有力的技术支撑和波导设计的基本构件。
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超表面波导型AR结构理论设计

超表面高效率耦入结构设计

RGB三色或其中两色的耦入效率

³25%,其他如有高阶耦入的光束,其角度对成像质量无影响。

多色效率均匀性

³80% RGB三色同时耦入;

³80% 采用RGGB双层结构通过分色可以匹配的效率。

可见光透过率

N/A (耦入部分无此要求)

超表面高效率耦出结构设计

RGB三色或其中两色的耦出效率

1%-10%之间可调,调制度由纳米结构深度或宽度等参数决定。

(该指标与AR镜片厚度和耦入偏转角度有关,待有耦入结构特性后做适合系统性能的相关调整)

可见光透过率

³70% (估计值,主要受限于目前可选择的高折射率材料的透过率)

多色效率均匀性

³80% 与耦入结构相匹配的RGB三色同时耦出;

³80% RGGB双层分色匹配效率。

相关超表面耦入出结构的设计验证

电子束直写+ICP刻蚀加工超表面结构的毫米尺度小样片,对上述设计进行准直RGB激光光束的偏折角度和耦入和耦出效率实验测量,对设计实现验证。