CN110376672A - 一种超表面阵列结构及其在图像显示复用中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于微纳光学技术领域，公开了一种超表面阵列结构及其在图像显示复用中的应用，超表面阵列结构包括基底、纳米砖阵列；入射线偏光的偏振方向沿着纳米砖的长轴方向时反射率最高；沿着纳米砖的短轴方向时透射率最高。应用包括：在入射线偏光的偏振方向固定的情况下，将每个纳米砖作为一个像素点，通过调节每个纳米砖的转向角，使每个像素点显示不同的灰度，实现灰度图像的显示。此外，在纳米砖的转向角固定的情况下，通过调整入射线偏光的偏振方向，使纳米砖阵列显示不同的二值图像，实现二值图像的显示复用。本发明解决了现有技术中实现灰度图像显示以及复用的超表面调控难度高、纳米阵列结构复杂、难于加工的问题。

Description

一种超表面阵列结构及其在图像显示复用中的应用

技术领域

本发明涉及微纳光学技术领域，尤其涉及一种超表面阵列结构及其在图像显示复用中的应用。

背景技术

超表面是一种亚波长的层状材料，可以实现对光波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。超表面经过设计后可以实现传统光学器件的很多功能，同时还具有传统光学器件缺少的高度集成、高效率、多自由度等特点。

近年来，超表面成为了学术研究的热点，很多研究者通过改变入射光的偏振态、入射角，纳米砖的尺寸参数等实现了灰度图像的显示，以及图像显示的复用。但这些研究中都存在调控难度高、纳米阵列结构复杂、难于加工等不足，很难得到实际的应用。

发明内容

本申请实施例通过提供一种超表面阵列结构及其在图像显示复用中的应用，解决了现有技术中实现灰度图像显示以及复用的超表面调控难度高、纳米阵列结构复杂、难于加工的问题。

本申请实施例提供一种超表面阵列结构，包括：基底，所述基底上设置有纳米砖阵列；

所述纳米砖阵列包括呈周期性排布的多个尺寸一致的纳米砖，相邻纳米砖的中心点间的距离相同；

所述基底和所述纳米砖均为亚波长尺寸，所述纳米砖为长方体形；

在选定的工作波长下，入射线偏光的偏振方向沿着所述纳米砖的长轴方向时，反射率最高；入射线偏光的偏振方向沿着所述纳米砖的短轴方向时，透射率最高。

优选的，所述基底的材料采用二氧化硅，所述纳米砖的材料采用银。

优选的，所述基底划分为多个尺寸一致的周期性正方形单元结构，每个所述单元结构的工作面上设有一个所述纳米砖。

优选的，所述工作波长为633nm，所述纳米砖的长度为160nm、宽度为80nm、高度为70nm，所述单元结构的工作面的边长为300nm。

利用上述超表面阵列结构，本申请实施例提供一种超表面阵列结构在图像显示复用中的应用，在入射线偏光的偏振方向固定的情况下，将每个所述纳米砖作为一个像素点，通过调节每个所述纳米砖的转向角，使每个像素点显示不同的灰度，实现灰度图像的显示；

其中，所述基底的互相垂直的两边分别为x轴和y轴，所述转向角为所述纳米砖的长轴与x轴的夹角。

优选的，满足以下公式：

I＝I₀cos²(θ-α)

其中，I₀为入射线偏光的光强，θ为转向角，α为入射线偏光与x轴的夹角，I为反射光的光强。

利用上述超表面阵列结构，本申请实施例提供另一种超表面阵列结构在图像显示复用中的应用，在所述纳米砖的转向角固定的情况下，通过调整入射线偏光的偏振方向，使所述纳米砖阵列显示不同的二值图像，实现二值图像的显示复用；

其中，所述基底的互相垂直的两边分别为x轴和y轴，所述转向角为所述纳米砖的长轴与x轴的夹角。

优选的，满足以下公式：

I＝I₀cos²(θ-α)

其中，I₀为入射线偏光的光强，θ为转向角，α为入射线偏光与x轴的夹角，I为反射光的光强。

优选的，所述纳米砖阵列中所述纳米砖包括以下四种转向角：22.5°、67.5°、112.5°、157.5°，在对所述四种转向角的纳米砖的位置进行排布固定后，所述超表面阵列结构可实现：

当α＝0°，即入射光为x线偏光时，所述四种转向角对应的灰度等级分别为1、0、0、1，所述纳米砖阵列显示第一幅二值图像；

当α＝45°，即入射光为45°线偏光时，所述四种转向角对应的灰度等级分别为1，1，0，0，所述纳米砖阵列显示第二幅二值图像；

当α＝90°，即入射光为90°线偏光时，所述四种转向角对应的灰度等级分别为0、1、1、0，所述纳米砖阵列显示第一幅二值图像的灰度反转图像；

当α＝135°，即入射光为135°线偏光时，所述四种转向角对应的灰度等级分别为0、0、1、1，所述纳米砖阵列显示第二幅二值图像的灰度反转图像。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在本申请实施例中，提供的超表面阵列结构的基底上设置有纳米砖阵列，纳米砖阵列包括呈周期性排布的多个尺寸一致的纳米砖，相邻纳米砖的中心点间的距离相同；基底和纳米砖均为亚波长尺寸，纳米砖为长方体形。纳米砖阵列可以实现微型起偏器的功能，在选定的工作波长下，入射线偏光的偏振方向沿着纳米砖的长轴方向时，反射率最高；入射线偏光的偏振方向沿着纳米砖的短轴方向时，透射率最高。因此，本发明提供的超表面阵列结构的结构简单、便于加工。此外，在入射线偏光的偏振方向固定的情况下，将每个纳米砖作为一个像素点，通过调节每个纳米砖的转向角，使每个像素点显示不同的灰度，实现灰度图像的显示。在纳米砖的转向角固定的情况下，通过调整入射线偏光的偏振方向，使纳米砖阵列显示不同的二值图像，实现二值图像的显示复用。即本发明实现灰度图像显示以及复用的超表面调控难度低，方法更为简便，易于操作。

附图说明

为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种超表面阵列结构中基底与纳米砖的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种超表面阵列结构中纳米砖的转向角的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种超表面阵列结构的透反射率图；

图4为本发明实施例提供的一种超表面阵列结构的马吕斯定律曲线图；

图5为本发明实施例提供的一种超表面阵列结构实现二值图像的显示复用的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种超表面阵列结构实现二值图像的显示复用时四种转向角的纳米砖在两种不同方向入射线偏光下对应的灰度等级示意图。

其中，1-纳米砖、2-基底。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

参看图1-图2，本实施例提供了一种超表面阵列结构包括：基底2，所述基底2上设置有纳米砖阵列；所述纳米砖阵列包括呈周期性排布的多个尺寸一致的纳米砖1，相邻纳米砖1的中心点间的距离相同；所述基底2和所述纳米砖1均为亚波长尺寸，所述纳米砖1为长方体形。

纳米砖的尺寸参数是经电磁仿真软件优化得到的，优化后的纳米砖阵列可以实现微型起偏器的功能。在选定的工作波长下，入射线偏光的偏振方向沿着所述纳米砖1的长轴方向时，反射率最高；入射线偏光的偏振方向沿着所述纳米砖1的短轴方向时，透射率最高。

其中，所述基底2的材料采用二氧化硅，所述纳米砖1的材料采用银。

所述基底2划分为多个尺寸一致的周期性正方形单元结构，每个所述单元结构的工作面上设有一个所述纳米砖1。

即超表面阵列结构由透明介质的所述基底2及刻蚀在所述基底2表面的纳米砖阵列组成。通过设计纳米砖阵列可以实现微型起偏器的功能。

在工作波长为633nm下，假设纳米砖转向角θ＝0°，采用电磁仿真软件仿真，入射光包含沿着纳米砖长轴方向的x线偏光和沿着纳米砖短轴方向的y线偏光，扫描纳米单元尺寸参数：长L、宽W、高H和边长CS，以x线偏光的反射率最高、透射率最低，y线偏光透射率最高、反射率最低为仿真优化对象，扫描结果如图3所示。在工作波长633nm下，x线偏光的反射率和y线偏光的透射率均在90％以上，同时x线偏光的透射率和y线偏光的反射率均在10％以下。经电磁仿真软件优化后的纳米单元尺寸参数为：纳米砖的长度L＝160nm，纳米砖的宽度W＝80nm，纳米砖的高度H＝70nm，单元结构的工作面的边长CS＝300nm。因此，在工作波长633nm下，纳米砖尺寸参数为优化参数时，可对x线偏光高效反射，对y线偏光高效透射，实现微型起偏器的功能。

另一方面，本实施例提供了上述超表面阵列结构在图像显示复用中的应用，包括以下两个部分：

(1)灰度图像显示；

(2)二值图像显示复用。

下面对这两个部分分别进行说明。

(1)灰度图像显示。

在入射线偏光的偏振方向固定的情况下，将每个所述纳米砖作为一个像素点，通过调节每个所述纳米砖的转向角，使每个像素点显示不同的灰度，实现灰度图像的显示。

其中，所述基底的互相垂直的两边分别为x轴和y轴，所述转向角为所述纳米砖的长轴与x轴的夹角。

即对于超表面阵列结构，当入射光为x线偏光时(即入射线偏光的偏振方向α＝0°)，在其经过转向角为θ的纳米砖时，其中沿纳米砖长轴的分量将被反射，即反射光的偏振方向被纳米砖调制为与纳米砖长轴同向。同时，反射光的强度也将被调制，且如图4所示，符合马吕斯定律：

I＝I₀cos²(θ-α)

其中，I₀为入射线偏光的光强，θ为转向角，α为入射线偏光与x轴的夹角，I为反射光的光强。

由此可见，当入射线偏光的偏振方向一定时，通过改变纳米砖的转向角，可以改变反射光的光强，实现灰度调制。以超表面阵列结构中每一个纳米砖为一个像素点，通过对每一个纳米砖的转向角进行设计，在每个像素点实现不同的灰度显示，从而实现高分辨率的灰度图像的显示。同理，在透射情况下，也可实现灰度显示的功能。

(2)二值图像显示复用。

在所述纳米砖的转向角固定的情况下，通过调整入射线偏光的偏振方向，使所述纳米砖阵列显示不同的二值图像，实现二值图像的显示复用。

其中，所述基底的互相垂直的两边分别为x轴和y轴，所述转向角为所述纳米砖的长轴与x轴的夹角。

此应用中同样符合马吕斯定律：

I＝I₀cos²(θ-α)

其中，I₀为入射线偏光的光强，θ为转向角，α为入射线偏光与x轴的夹角，I为反射光的光强。

当入射光为x线偏光时，在纳米砖转向角为θ和180°-θ两种情况下，反射光的强度相同；而在入射光为45°线偏光时，两个纳米砖转向角分别为θ和180°-θ的像素点的反射光强度不同。在透射情况下，也有类似的原理。利用这个原理，可以通过纳米砖的设计排布可实现两幅二值图像的显示复用，如图5所示。

基于以上原理，可将纳米砖阵列中的纳米砖设计为数值连续的转向角，在线偏光的入射时，将显示出高分辨率的灰度图像，这种技术可以应用在高密度光存储领域。

例如，如图6所示，所述纳米砖阵列中所述纳米砖包括以下四种转向角：22.5°、67.5°、112.5°、157.5°，在对所述四种转向角的纳米砖的位置进行排布固定后，所述超表面阵列结构可实现：

当α＝0°，即入射光为x线偏光时，所述四种转向角对应的灰度等级分别为1、0、0、1，所述纳米砖阵列显示第一幅二值图像；

当α＝45°，即入射光为45°线偏光时，所述四种转向角对应的灰度等级分别为1，1，0，0，所述纳米砖阵列显示第二幅二值图像；

当α＝90°，即入射光为90°线偏光时，所述四种转向角对应的灰度等级分别为0、1、1、0，所述纳米砖阵列显示第一幅二值图像的灰度反转图像；

当α＝135°，即入射光为135°线偏光时，所述四种转向角对应的灰度等级分别为0、0、1、1，所述纳米砖阵列显示第二幅二值图像的灰度反转图像。

本发明可将图像信息存储到纳米砖阵列上，实现高密度光储存技术。同时，还可将多幅二值图像信息集成到同一纳米砖阵列上，实现信息复用。

本发明实施例提供的一种超表面阵列结构及其在图像显示复用中的应用至少包括如下技术效果：

1、本发明所设计的超表面阵列结构可控制入射光的偏振态，调节入射光的强度，从而实现灰度图像显示和二值图像显示复用两种功能。

2、在二值图像显示复用功能中，仅仅改变入射线光的偏振方向就可以实现图像的转换。相较于同时通过改变入射光角度、波长、偏振态进行图像转换的方式，此种方法更为简便，易于操作。

3、本发明所设计的超表面阵列结构中的所有单元结构尺寸参数均相同，仅改变了纳米砖的偏转角度。这种设计更加易于加工制造，更易投入实际使用。

4、本发明中所设计的超表面阵列结构中单元结构的尺寸结构均为亚波长级，因此具有体积小、质量轻的特点，可高度集成。并且能够符合未来电子器件小型化、轻型化的趋势。此外，超表面阵列结构为二台阶平面结构，降低了加工难度，更易于大规模加工生产。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种超表面阵列结构，其特征在于，包括：基底，所述基底上设置有纳米砖阵列；

所述纳米砖阵列包括呈周期性排布的多个尺寸一致的纳米砖，相邻纳米砖的中心点间的距离相同；

所述基底和所述纳米砖均为亚波长尺寸，所述纳米砖为长方体形；

在选定的工作波长下，入射线偏光的偏振方向沿着所述纳米砖的长轴方向时，反射率最高；入射线偏光的偏振方向沿着所述纳米砖的短轴方向时，透射率最高。

2.根据权利要求1所述的超表面阵列结构，其特征在于，所述基底的材料采用二氧化硅，所述纳米砖的材料采用银。

3.根据权利要求1所述的超表面阵列结构，其特征在于，所述基底划分为多个尺寸一致的周期性正方形单元结构，每个所述单元结构的工作面上设有一个所述纳米砖。

4.根据权利要求3所述的超表面阵列结构，其特征在于，所述工作波长为633nm，所述纳米砖的长度为160nm、宽度为80nm、高度为70nm，所述单元结构的工作面的边长为300nm。

5.一种如权利要求1-4中任一所述的超表面阵列结构在图像显示复用中的应用，其特征在于，在入射线偏光的偏振方向固定的情况下，将每个所述纳米砖作为一个像素点，通过调节每个所述纳米砖的转向角，使每个像素点显示不同的灰度，实现灰度图像的显示；

其中，所述基底的互相垂直的两边分别为x轴和y轴，所述转向角为所述纳米砖的长轴与x轴的夹角。

6.根据权利要求5所述的超表面阵列结构在图像显示复用中的应用，其特征在于，满足以下公式：

I＝I₀cos²(θ-α)

其中，I₀为入射线偏光的光强，θ为转向角，α为入射线偏光与x轴的夹角，I为反射光的光强。

7.一种如权利要求1-4中任一所述的超表面阵列结构在图像显示复用中的应用，其特征在于，在所述纳米砖的转向角固定的情况下，通过调整入射线偏光的偏振方向，使所述纳米砖阵列显示不同的二值图像，实现二值图像的显示复用；

其中，所述基底的互相垂直的两边分别为x轴和y轴，所述转向角为所述纳米砖的长轴与x轴的夹角。

8.根据权利要求7所述的超表面阵列结构在图像显示复用中的应用，其特征在于，满足以下公式：

I＝I₀cos²(θ-α)

其中，I₀为入射线偏光的光强，θ为转向角，α为入射线偏光与x轴的夹角，I为反射光的光强。

9.根据权利要求8所述的超表面阵列结构在图像显示复用中的应用，其特征在于，所述纳米砖阵列中所述纳米砖包括以下四种转向角：22.5°、67.5°、112.5°、157.5°，在对所述四种转向角的纳米砖的位置进行排布固定后，所述超表面阵列结构可实现：

当α＝0°，即入射光为x线偏光时，所述四种转向角对应的灰度等级分别为1、0、0、1，所述纳米砖阵列显示第一幅二值图像；

当α＝45°，即入射光为45°线偏光时，所述四种转向角对应的灰度等级分别为1，1，0，0，所述纳米砖阵列显示第二幅二值图像；

当α＝90°，即入射光为90°线偏光时，所述四种转向角对应的灰度等级分别为0、1、1、0，所述纳米砖阵列显示第一幅二值图像的灰度反转图像；

当α＝135°，即入射光为135°线偏光时，所述四种转向角对应的灰度等级分别为0、0、1、1，所述纳米砖阵列显示第二幅二值图像的灰度反转图像。