CN110111683A - 一种超薄单向透光屏幕及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超薄单向透光屏幕及其设计方法。本发明通过超表面微透镜阵列与表面涂敷可吸收材料组成的针孔阵列组合，实现高对比度光波的非对称透光屏的功能。该装置包括一层超表面微透镜阵列和一层表面涂敷可吸收材料的针孔阵列组成，超表面微透镜阵列实现平行光束的理想聚焦，使焦点落在针孔阵列的针孔位置。表面涂敷可吸收材料的针孔阵列将微透镜阵列一侧的聚焦光束通过针孔传输到针孔阵列一侧，而针孔阵列一侧的输入平行光波大部分会被针孔阵列表面的可吸收材料吸收，降低反射率。整体结构也可以在同一个透明衬底上实现，从而实现超薄单向透光屏设计。

Description

一种超薄单向透光屏幕及其设计方法
技术领域
本发明属于微纳光学、光学薄膜集成以及电子屏幕设计领域，尤其涉及一种超薄单向透光屏幕及其设计方法。
背景技术
电子屏幕是电子产品广泛使用的显示模块，更好的透光率和更低的反射率一直是电子屏幕所追求的目标。传统电子产品的透光屏幕利用偏振片以及玻片来实现低反射率的功能，但是这种方案的透光率的上限也被限定于50％，使得屏幕发光材料的的功耗增加。利用微透镜阵列和涂敷可吸收材料的针孔阵列理论上可以实现接近于0的反射率以及接近100％的透光率，将两部分结合制作在相同衬底上，则可以实现超薄单向透光屏幕的设计。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种超薄单向透光屏幕及其设计方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种超薄单向透光屏幕，包括一层超表面微透镜阵列以及一层表面涂敷可吸收材料的针孔阵列，从超表面微透镜阵列一侧入射的平面波被超表面微透镜阵列理想聚焦于表面涂敷可吸收材料的针孔阵列的针孔位置，通过针孔传输到针孔阵列另一侧。从针孔阵列一侧入射的平面光波在通过针孔阵列时，大部分被针孔阵列表面的可吸收材料吸收，从而降低反射率，从针孔位置透过的少量光能量成为杂散光，但几乎不影响反射光能量；
所述第一层超表面微透镜组阵列由透明衬底和透明衬底一侧的亚波长微结构组成，所述透明衬底用于透射入射光，以及支撑亚波长微结构，所述亚波长微结构用于对透明衬底透射的光束实现相位调制，由若干纳米介质柱构成；
所述表面涂敷可吸收材料的针孔阵列由可吸收材料和透明衬底组成，可吸收材料用于对针孔外光波的吸收；透明衬底用于透射光波以及支撑可吸收材料，针孔阵列由透光小孔组成，可吸收材料在针孔位置不涂敷。
进一步地，所述超表面微透镜阵列可以由传统微透镜阵列以及菲涅尔透镜等衍射光学元件代替。
进一步地，所述超表面微透镜阵列与涂敷可吸收材料的针孔阵列可以制作在同一透明衬底上，减小器件器件厚度以及提高集成度。
进一步地，所述超表面微透镜阵列与涂敷可吸收材料的针孔阵列表面可以涂敷一层透明的胶以提高透射率以及保护超表面微透镜阵列和针孔阵列。
进一步地，所述超表面微透镜阵列的周期与针孔阵列的周期相同，使超表面微透镜阵列的焦斑位于针孔阵列的针孔位置。
进一步地，所述超表面微透镜阵列工作波段中心波长的像距与超表面微透镜阵列和针孔阵列的光程相等，使超表面微透镜阵列的焦斑束腰位于针孔阵列的每一个针孔中心。
进一步地，所述针孔阵列的孔径大于微透镜阵列在工作波段的最大焦斑，使得工作波段的所有光束可以通过孔径传输到针孔阵列一侧。
进一步地，所述针孔阵列表面涂敷得可吸收材料需要对整个工作波段有很好得吸波特性，尽可能减小反射率。
进一步地，所述超表面微透镜阵列由纳米介质柱组成，纳米介质柱的晶格常数小于工作波长，在工作波长的透射幅度接近1，不同尺寸纳米介质柱的透射相位覆盖0～2π。
进一步地，所述超表面微透镜阵列亚波长微结构的纳米介质柱排布满足：在整个面每个晶格位置补偿不同的相位，以实现每个面设计的相位分布要求。
一种超薄单向透光屏幕的设计方法，该方法包括以下步骤：
步骤(1)根据工作波长、透射光发散角以及超表面微透镜阵列和针孔阵列的最小间距，确定超表面微透镜阵列的每个超表面微透镜的口径和数值孔径、针孔阵列的每个针孔大小和周期。每个超表面微透镜口径约为透射光显示像素的周期，数值孔径为透射光发散角的正弦值，针孔阵列的周期为每个超表面微透镜的口径，针孔大小为工作波段内超表面微透镜阵列的最大焦斑。
步骤(2)根据步骤(1)得到的每个超表面微透镜的口径和焦距，利用公式(1)得到每个超表面微透镜的相位分布：
式中x,y为超表面透镜上的空间坐标，f为透镜焦距。
步骤(3)使用电磁仿真软件计算不同尺寸纳米介质柱的透射幅度和相位，选择纳米介质柱尺寸时，需满足其晶格常数小于工作波长，在工作波长的透射幅度接近1，不同尺寸纳米介质柱的透射相位覆盖0～2π。
步骤(4)根据每个超表面透镜组每个晶格位置的相位要求，设计纳米介质柱的排布方式。
步骤(5)在超表面微透镜阵列透明衬底的另一面涂敷可吸收材料。在超表面微透镜阵列的每个聚焦位置开孔并使该位置可吸收材料全部脱落，得到可吸收材料为背景的针孔阵列。
本发明的有益效果是：
通过微透镜阵列与涂敷可吸收材料的针孔阵列的组合，可以实现单向透光的功能，将针孔阵列与微透镜阵列组合于相同的衬底两侧，可以大大减小器件厚度，具备质轻超薄、低反射率、高透射率的特点，大大减少电子屏幕发光元件功率，为电子屏幕高对比度透射提供新的解决思路。
附图说明
图1为超薄单向透光屏在电子屏幕中的应用示意图。
图2(a)为发光元件的透射示意图；
图2(b)为外界光入射的反射示意图。
图3为超表面微透镜阵列的纳米介质柱晶胞图。
图4为超表面微透镜阵列纳米主介质柱不同半径的透射参数，图中h为纳米住的高度，d为纳米柱的直径，p为晶格周期。
图5为人工超表面透镜组阵列可见光显微镜下结构图。
单向具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、2所示，一种超薄单向透光屏幕，如图1所示为其在电子产品中的应用示意图，将超薄单向透光屏放在显示单元和外界保护玻璃之间，可以有效的减少正面的反射率以及较高的光能量透过度。该装置包括一层超表面微透镜阵列以及一层表面涂敷可吸收材料的针孔阵列组成，如图2(a)所示，从超表面微透镜阵列一侧入射的平面光波被超表面微透镜阵列理想聚焦于表面涂敷可吸收材料的针孔阵列的针孔位置，通过针孔传输到针孔阵列另一侧。如图2(b)所示，从针孔阵列一侧入射的平面光波再通过针孔阵列时，大部分被针孔阵列表面的可吸收材料吸收，从而降低反射率，从针孔位置透过的少量光能量成为杂散光，但几乎不影响反射光能量；
所述第一层超表面微透镜阵列由透明衬底和透明衬底一侧的亚波长微结构组成，所述透明衬底用于透射入射光，以及支撑亚波长微结构，所述亚波长微结构用于对透明衬底透射的光束实现相位调制，由若干纳米介质柱构成；
所述表面涂敷可吸收材料的针孔阵列由可吸收材料和透明衬底组成，可吸收材料用于对针孔外光波的吸收，透明衬底用于透射光波以及支撑可吸收材料，针孔阵列由透光小孔组成，可吸收材料在针孔位置不涂敷。
所述的超表面微透镜阵列的透明衬底和表面涂敷可吸收材料的针孔阵列的透明衬底为同一个，超表面微透镜阵列和针孔阵列分别位于同一透明衬底的两侧。
进一步地，所述超表面微透镜阵列可以由传统微透镜阵列以及菲涅尔透镜等衍射光学元件代替。
进一步地，所述超表面微透镜阵列与涂敷可吸收材料的针孔阵列可以制作在同一透明衬底上，减小器件器件厚度以及提高集成度。
进一步地，所述超表面微透镜阵列与涂敷可吸收材料的针孔阵列表面可以涂敷一层透明的胶以提高透射率以及保护超表面微透镜阵列和针孔阵列。
进一步地，所述超表面微透镜阵列的周期与针孔阵列的周期相同，使超表面微透镜阵列的焦斑位于针孔阵列的针孔位置。
进一步地，所述超表面微透镜阵列工作波段中心波长的像距与超表面微透镜阵列和针孔阵列的光程相等，使超表面微透镜阵列的焦斑束腰位于针孔阵列的每一个针孔中心。
进一步地，所述针孔阵列的孔径大于微透镜阵列在工作波段的最大焦斑，使得工作波段的所有光束可以通过孔径传输到针孔阵列一侧。
进一步地，所述针孔阵列表面涂敷得可吸收材料需要对整个工作波段有很好得吸波特性，尽可能减小反射率。
进一步地，所述超表面微透镜阵列由纳米介质柱组成，如图3所示，纳米介质柱的晶格常数小于工作波长，在工作波长的透射幅度接近1，不同尺寸纳米介质柱的透射相位覆盖0～2π，如图4所示。
进一步地，所述超表面微透镜阵列亚波长微结构的纳米介质柱排布满足：在整个面每个晶格位置补偿不同的相位，以实现每个面设计的相位分布要求。如图5所示，为超表面透镜组阵列实验样品图。一种超薄单向透光屏的设计方法，该方法包括以下步骤：
步骤(1)根据超表面微透镜的工作波长、透射光发散角以及超表面微透镜阵列和针孔阵列的最小间距确定超表面微透镜阵列的每个超表面微透镜的口径和数值孔径、针孔阵列的每个针孔大小和周期。每个超表面微透镜口径约为透射光显示像素的周期，数值孔径为透射光发散角的正弦值，针孔阵列的周期为每个超表面微透镜的口径，针孔大小为工作波段内超表面微透镜阵列的最大焦斑。
步骤(2)根据步骤(1)得到的每个超表面微透镜的口径和焦距，利用公式(1)得到每个超表面微透镜的相位分布：
式中x,y为超表面透镜上的空间坐标，f为透镜焦距，λ超表面微透镜的工作波长。
步骤(3)使用电磁仿真软件计算不同尺寸纳米介质柱的透射幅度和相位，选择纳米介质柱尺寸时，需满足其晶格常数小于工作波长，在工作波长的透射幅度接近1，不同尺寸纳米介质柱的透射相位覆盖0～2π。
步骤(4)根据每个超表面透镜组每个晶格位置的相位要求，设计纳米介质柱的排布方式。
步骤(5)在超表面微透镜阵列透明衬底的另一面涂敷可吸收材料。在超表面微透镜阵列的每个聚焦位置开孔并使该位置可吸收材料全部脱落，得到可吸收材料为背景的针孔阵列。

Claims (8)

1.一种超薄单向透光屏幕，其特征在于包括一层超表面微透镜阵列以及一层表面涂敷可吸收材料的针孔阵列，从超表面微透镜阵列一侧入射的平面光波被超表面微透镜阵列理想聚焦于表面涂敷可吸收材料的针孔阵列的针孔位置，通过针孔传输到针孔阵列另一侧；从针孔阵列一侧入射的平面光波再通过针孔阵列时，大部分被针孔阵列表面的可吸收材料吸收，从针孔位置透过的少量光能量成为杂散光；
所述第一层超表面微透镜阵列由透明衬底和透明衬底一侧的亚波长微结构组成，所述透明衬底用于透射入射光，以及支撑亚波长微结构，所述亚波长微结构用于对透明衬底透射的光束实现相位调制，由若干纳米介质柱构成；
所述表面涂敷可吸收材料的针孔阵列由可吸收材料和透明衬底组成，可吸收材料用于对针孔外光波的吸收，透明衬底用于透射光波以及支撑可吸收材料，针孔阵列由透光小孔组成，可吸收材料在针孔位置不涂敷。
2.根据权利要求1所述的一种超薄单向透光屏幕，其特征在于所述的超表面微透镜阵列的透明衬底和表面涂敷可吸收材料的针孔阵列的透明衬底为同一个，超表面微透镜阵列和针孔阵列分别位于同一透明衬底的两侧。
3.根据权利要求2所述的一种超薄单向透光屏幕，其特征在于所述超表面微透镜阵列与涂敷可吸收材料的针孔阵列表面可以涂敷一层透明的胶。
4.根据权利要求3所述的一种超薄单向透光屏幕，其特征在于所述超表面微透镜阵列的周期与针孔阵列的周期相同，使超表面微透镜阵列的焦斑位于针孔阵列的针孔位置。
5.根据权利要求4所述的一种超薄单向透光屏幕，其特征在于所述超表面微透镜阵列工作波段中心波长的像距与超表面微透镜阵列和针孔阵列的光程相等，使超表面微透镜阵列的焦斑束腰位于针孔阵列的每一个针孔中心。
6.根据权利要求5所述的一种超薄单向透光屏幕，其特征在于所述针孔阵列的孔径大于微透镜阵列在工作波段的最大焦斑，使得工作波段的所有光束能够通过孔径传输到针孔阵列一侧。
7.根据权利要求6所述的一种超薄单向透光屏幕，其特征在于所述超表面微透镜阵列由纳米介质柱组成，纳米介质柱的晶格常数小于工作波长；超表面微透镜阵列亚波长微结构的纳米介质柱排布满足：在整个面每个晶格位置补偿不同的相位，以实现每个面设计的相位分布要求。
8.根据权利要求7所述的一种超薄单向透光屏幕的设计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤(1)根据超表面微透镜的工作波长、透射光发散角以及超表面微透镜阵列和针孔阵列的最小间距确定超表面微透镜阵列的每个超表面微透镜的口径和数值孔径、针孔阵列的每个针孔大小和周期；每个超表面微透镜口径约为透射光显示像素的周期，数值孔径为透射光发散角的正弦值，针孔阵列的周期为每个超表面微透镜的口径，针孔大小为工作波段内超表面微透镜阵列的最大焦斑；
步骤(2)根据步骤(1)得到的每个超表面微透镜的口径和焦距，利用公式(1)得到每个超表面微透镜的相位分布：
式中x,y为超表面透镜上的空间坐标，f为透镜焦距，λ超表面微透镜的工作波长
步骤(3)使用电磁仿真软件计算不同尺寸纳米介质柱的透射幅度和相位，选择纳米介质柱尺寸时，需满足其晶格常数小于工作波长，在工作波长的透射幅度接近1，不同尺寸纳米介质柱的透射相位覆盖0～2π；
步骤(4)根据每个超表面透镜组每个晶格位置的相位要求，设计纳米介质柱的排布方式；
步骤(5)在超表面微透镜阵列透明衬底的另一面涂敷可吸收材料；在超表面微透镜阵列的每个聚焦位置开孔并使该位置可吸收材料全部脱落，得到可吸收材料为背景的针孔阵列。
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