摘要：结构光三维成像中广泛使用的数字光处理(DLP)投影仪存在结构复杂、设备体积大及投影非线性等问题,制约了结构光三维成像在高探测精度、小探测场景领域的应用。提出了一种集成超表面阵列和微机电系统(MEMS)二维扫描平台的结构光投影芯片设计。设计了基于几何相位原理的超表面阵列,用于生成格雷码和相移法混合编码结构光条纹。通过二维扫描平台突破单一静态超表面的限制,实现了基于时间编码的结构光条纹投影。结果表明:所设计的超表面结构对入射光具有良好的线性相位调制能力,光源转换效率为88.61%;生成的相移条纹符合正弦分布特性,很好地解决了DLP投影非线性问题;产生的条纹宽度均匀,最小宽度为2 mm,探测精度可达亚毫米级。有限元分析结果表明:所设计的二维平台的最小模态频率为511.91 Hz,抗干扰能力强,响应时间为2.4 ms,帧率为333 Hz,投影速率高。芯片尺寸为3 mm×3 mm。最后设计了芯片的集成制造工艺流程,为高探测精度、高投影速率微型化投影设备的制造提供了理论模型和系统解决方案。

摘要：三维物体的空间结构复杂,光波场很难用具体的函数准确描述,三维显示非常困难。提出一种硅基微机电系统(MEMS)二维扫描平台与超表面元件集成的三维显示技术,利用视觉暂留特性,建立快速三维显示扫描片上结构,理论上实现了物像信息的三维图像的重构。利用层析法实现物体的三维显示,采用Gerchberg-Saxton(GS)算法获得单层二维图像单元相位值,建立基于几何相位原理的二维超表面结构,获得了二维全息平面像。依据空间、时间序列构建了由离散的多层超表面二维全息像形成的物体三维显示。结果表明:所获得的二维全息像峰值信噪比大于20 dB;所设计的片上二维扫描平台在0.1 s内能够完成9幅二维全息像的叠加,三维显示的帧率达11 frame/s。研究成果为快速调制的三维显示提供了微型化的系统级解决方案和理论模型。