CN110568540A - 一种具有双图显示功能的微纳波片阵列及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有双图显示功能的微纳波片阵列及其构建方法，具有双图显示功能的微纳波片阵列，包括多个纳米结构单元，纳米结构单元包括方形的工作面和刻蚀在工作面的纳米砖，将平行于工作面相邻两条边的方向分别定义为x轴和y轴建立xoy坐标系，将纳米砖与工作面平行的面的相邻两条边分别定义为长边L和宽边W，纳米砖的转向角为纳米砖的长边L与x轴的夹角θ，多个纳米结构单元中的纳米砖以不尽相同的尺寸在多个工作面上排列形成纳米砖阵列，纳米砖阵列中每个纳米结构单元等效为一个波片，波片快慢轴相位差可以实现0到π内任意值。本发明具有两种工作模式，可分别独立调控图像灰度并互不影响，实现简单，不需要复杂的光学装置。

Description

一种具有双图显示功能的微纳波片阵列及其构建方法

技术领域

本发明涉及微纳米光学的技术领域，具体涉及一种具有双图显示功能的微纳波片阵列及其构建方法。

背景技术

超表面由于其具有亚波长微纳结构，可对电磁场振幅、相位、偏振态等进行逐点的精确操控等优势备受关注。作为二维平面材料，超表面可设计为平面光学器件，目前已经研制出具有多种功能的超表面材料器件，如透镜、光栅、全息片等。另外通过结合一些控制方式可以在一片超表面上实现更多的功能，例如，可以通过改变入射光的入射角来产生不同的全息图像，利用入射光偏振态的变化实现双档变焦等等。微纳波片作为相位调节元件，被广泛应用于光波波前操控。将微纳半波片与起偏检偏器件结合，可以实现偏振显示与图案隐藏，然而，将各种波片集成至一片超表面以实现更为强大的功能还未被提出和研究。基于此，本发明通过整合多种尺寸的微纳结构，使其等效为快慢轴相位差可覆盖0至π的各种波片，并结合马吕斯定律，通过巧妙设计，可以使同一片超表面在不同的工作模式下显示出不同的灰度图案。两幅图案相互独立，互不影响，本发明为偏振复用显示技术提供了新的思路。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种具有双图显示功能的微纳波片阵列，当由微纳波片构成的超表面工作于不同模式时，其显示的灰度图案不同。

本发明的目的之二在于提供一种具有双图显示功能的微纳波片阵列的构建方法，通过巧妙设计，可以使同一片超表面在不同的工作模式下显示出不同的灰度图案。

本发明实现目的之一所采用的方案是：一种具有双图显示功能的微纳波片阵列，包括多个纳米结构单元，所述纳米结构单元包括方形的工作面和刻蚀在所述工作面的纳米砖，将平行于所述工作面相邻两条边的方向分别定义为x轴和y轴建立xoy坐标系，将所述纳米砖与工作面平行的面的相邻两条边分别定义为长边L和宽边W，所述纳米砖的转向角为纳米砖的长边L与x轴的夹角θ，多个所述纳米结构单元中的纳米砖以不尽相同的尺寸在多个所述工作面上排列形成纳米砖阵列，所述纳米砖阵列中每个纳米结构单元等效为一个波片，波片快慢轴相位差可以实现0到π内任意值。

优选地，所述工作面采用二氧化硅材料制成，所述纳米砖阵列采用二氧化钛材料制成。

优选地，所述纳米砖阵列中每个纳米砖的高度相同，长度和宽度不尽相同。

优选地，所述纳米砖的长边L、宽边W以及高H的尺寸均为亚波长级。

本发明实现目的之二所采用的方案是：一种具有双图显示功能的微纳波片阵列的构建方法，包括如下步骤：

1)采用电磁仿真法，以工作波长的线偏振光垂直入射纳米结构单元，在工作波长下扫描所述纳米结构单元的结构参数，得到所述工作面和所述纳米砖阵列中多种纳米砖的几何参数，所述几何参数包括工作面的边长C以及纳米砖的长边L、宽边W、高H的尺寸，得出若干单元结构长短边透过率相同，相位差可覆盖0至π的范围；

2)利用电磁仿真得到当偏振方向沿纳米砖长边L方向的光波入射时，透射光的相位改变量为当偏振方向沿纳米砖宽边W方向的光波入射时，透射光的相位改变量为则纳米结构单元等效的波片快慢轴相位差为当θ＝0时该纳米结构单元琼斯矩阵为

当入射光偏振方向与x轴夹角为0时，入射光通过纳米砖转角为θ的纳米结构单元后，由检偏方向沿y轴的检偏器检偏，得到的光场琼斯矩阵为

即出射光光强为

此种情况为第一工作模式；

当入射光偏振方向与x轴夹角为-π/4时，入射光通过纳米砖转角为θ的纳米结构单元后，由检偏方向与x轴夹角为π/4的检偏器检偏，得到的光场琼斯矩阵为

即出射光光强为

此种情况为第二工作模式；

根据计算可得，两种工作模式下光强之和为

当波片快慢轴相位差在0至π的范围内变化时，I的取值范围为0至1；

3)选取两幅灰度图像，按照两幅图像对应像素灰度之和的最大值进行归一化，得到两幅图像灰度分布分别为I₁、I₂，即max(I₁+I₂)＝1；

4)按照I₁+I₂的值选取纳米砖阵列中每个纳米结构单元的快慢轴相位差，使I＝I₁+I₂；

5)设定纳米砖阵列中每个纳米结构的θ值，使sin²2θ＝I₁/(I₁+I₂)；

6)当按照第一工作模式工作时，能显示出灰度分布为I₁的图像；当按照第二工作模式工作时，能显示出灰度分布为I₂的图像。

本发明具有以下优点和有益效果：

1.本发明的具有双图显示功能的微纳波片阵列，具有两种工作模式，可分别独立调控图像灰度并互不影响，当由微纳波片构成的超表面工作于不同模式时，其显示的灰度图案不同，实现简单，不需要复杂的光学装置。

2.本发明所采用的微纳波片构成的超表面，体积小、重量轻、可高度集成等特点，适应于未来小型化、微型化的发展；此外，由于超表面为二维平面材料，因此在加工制造方面较为简单并且可节约成本；

3.本发明的具有双图显示功能的微纳波片阵列，所产生的灰度图像分辨率高，可达6万DPI(Dots Per Inch，每英寸点数)以上，远超传统图像显示技术；

4.本发明的构建方法，通过整合多种尺寸的微纳结构，使其等效为快慢轴相位差可覆盖0至π的各种波片，并结合马吕斯定律，通过巧妙设计，可以使同一片超表面在不同的工作模式下显示出不同的灰度图案，两幅图案相互独立，互不影响，本发明为偏振复用显示技术提供了新的思路。

附图说明

图1为本发明实施例中的纳米结构单元的结构示意图；

图2为本发明实施例中纳米砖长宽变化时仿真得到的快慢轴相位差；

图3为本发明实施例中纳米砖长宽变化时仿真得到的I的取值；

图4为本发明实施例中由微纳波片构成的超表面中纳米砖的转角分布示意图；

图5为本发明实施例中基于微纳波片的偏振复用显示技术在工作模式1情况下显示的图像；

图6为本发明实施例中基于微纳波片的偏振复用显示技术在工作模式2情况下显示的图像。

具体实施方式

为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种具有双图显示功能的微纳波片阵列，包括多个纳米结构单元，如图1所示。所述纳米结构单元包括方形的工作面1和刻蚀在所述工作面的纳米砖2，以平行于所述工作面的两条边的方向分别为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米砖上与所述工作面平行的面上的两条边分别为长边L和宽边W，所述纳米砖的转向角为所述纳米砖的长边L与x轴的夹角θ，多个所述纳米结构单元中的纳米砖以不尽相同的尺寸在多个所述工作面上排列形成纳米砖阵列，阵列中每个纳米结构单元等效为一个波片，波片快慢轴相位差可以实现0到π内任意值。所述工作面1采用二氧化硅材料制成，所述纳米砖2采用二氧化钛材料制成。所述纳米阵列中每种纳米砖的高度相同，长度和宽度不尽相同。所述纳米砖的长边L、宽边W以及高H的尺寸均为亚波长级。

实施例2

一种具有双图显示功能的微纳波片阵列的构建方法，包括以下步骤：

1)采用电磁仿真法，以工作波长的线偏振光垂直入射纳米结构单元，在工作波长下扫描所述纳米结构单元的结构参数，优选得到所述工作面和所述纳米砖阵列中多种所述纳米砖的几何参数，所述几何参数包括工作面的边长C以及各种纳米砖的长边L、宽边W、高H的尺寸，优选得出的若干单元结构长短边透过率相同，相位差可覆盖0至π的范围，最终得C＝400nm，H＝800nm；

2)对于具有不同结构参数的纳米结构单元，利用电磁仿真得到当偏振方向沿纳米砖长边方向的光波入射时，透射光的相位改变量为当偏振方向沿纳米砖短边方向的光波入射时，透射光的相位改变量为则纳米结构单元等效的波片快慢轴相位差为长宽变化时仿真得到的快慢轴相位差如图2所示。当θ＝0时该纳米结构单元琼斯矩阵为

当入射光偏振方向与x轴夹角为0时，入射光通过纳米砖转角为θ的纳米结构单元后，由检偏方向沿y轴的检偏器检偏，得到的光场琼斯矩阵为

即出射光光强为

此种情况为第一工作模式；

当入射光偏振方向与x轴夹角为-π/4时，入射光通过纳米砖转角为θ的纳米结构单元后，由检偏方向与x轴夹角为π/4的检偏器检偏，得到的光场琼斯矩阵为

即出射光光强为

此种情况为第二工作模式；

根据计算可得，两种工作模式下光强之和为

当波片快慢轴相位差在0至π的范围内变化时，I的取值范围为0至1，纳米砖长宽变化时仿真得到的I的取值如图3所示；

3)选取两幅灰度图像，按照两幅图像对应像素灰度之和的最大值进行归一化，得到两幅图像灰度分布分别为I₁、I₂，即max(I₁+I₂)＝1；

4)按照I₁+I₂的值选取纳米砖阵列中每个纳米结构单元的快慢轴相位差，使I＝I₁+I₂；

5)设定纳米砖阵列中每个纳米结构的θ值，使sin²2θ＝I₁/(I₁+I₂)，最终计算得到的纳米砖的转角分布示意图如图4所示；

6)当按照第一工作模式工作时，能显示出灰度分布为I₁的图像，如图5所示；当按照第二工作模式工作时，能显示出灰度分布为I₂的图像，如图6所示，两幅图案相互独立，互不影响。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种具有双图显示功能的微纳波片阵列，其特征在于：包括多个纳米结构单元，所述纳米结构单元包括方形的工作面和刻蚀在所述工作面的纳米砖，将平行于所述工作面相邻两条边的方向分别定义为x轴和y轴建立xoy坐标系，将所述纳米砖与工作面平行的面的相邻两条边分别定义为长边L和宽边W，所述纳米砖的转向角为纳米砖的长边L与x轴的夹角θ，多个所述纳米结构单元中的纳米砖以不尽相同的尺寸在多个所述工作面上排列形成纳米砖阵列，所述纳米砖阵列中每个纳米结构单元等效为一个波片，波片快慢轴相位差可以实现0到π内任意值。

2.根据权利要求1所述的具有双图显示功能的微纳波片阵列，其特征在于：所述工作面采用二氧化硅材料制成，所述纳米砖阵列采用二氧化钛材料制成。

3.根据权利要求1所述的具有双图显示功能的微纳波片阵列，其特征在于：所述纳米砖阵列中每个纳米砖的高度相同，长度和宽度不尽相同。

4.根据权利要求1所述的具有双图显示功能的微纳波片阵列，其特征在于：所述纳米砖的长边L、宽边W以及高H的尺寸均为亚波长级。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的具有双图显示功能的微纳波片阵列的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)采用电磁仿真法，以工作波长的线偏振光垂直入射纳米结构单元，在工作波长下扫描所述纳米结构单元的结构参数，得到所述工作面和所述纳米砖阵列中多种纳米砖的几何参数，所述几何参数包括工作面的边长C以及纳米砖的长边L、宽边W、高H的尺寸，得出若干单元结构长短边透过率相同，相位差可覆盖0至π的范围；

2)利用电磁仿真得到当偏振方向沿纳米砖长边L方向的光波入射时，透射光的相位改变量为当偏振方向沿纳米砖宽边W方向的光波入射时，透射光的相位改变量为则纳米结构单元等效的波片快慢轴相位差为当θ＝0时该纳米结构单元琼斯矩阵为

当入射光偏振方向与x轴夹角为0时，入射光通过纳米砖转角为θ的纳米结构单元后，由检偏方向沿y轴的检偏器检偏，得到的光场琼斯矩阵为

即出射光光强为

此种情况为第一工作模式；

当入射光偏振方向与x轴夹角为-π/4时，入射光通过纳米砖转角为θ的纳米结构单元后，由检偏方向与x轴夹角为π/4的检偏器检偏，得到的光场琼斯矩阵为

即出射光光强为

此种情况为第二工作模式；

根据计算可得，两种工作模式下光强之和为

当波片快慢轴相位差在0至π的范围内变化时，I的取值范围为0至1；

3)选取两幅灰度图像，按照两幅图像对应像素灰度之和的最大值进行归一化，得到两幅图像灰度分布分别为I₁、I₂，即max(I₁+I₂)＝1；

4)按照I₁+I₂的值选取纳米砖阵列中每个纳米结构单元的快慢轴相位差，使I＝I₁+I₂；

5)设定纳米砖阵列中每个纳米结构的θ值，使sin²2θ＝I₁/(I₁+I₂)；

6)当按照第一工作模式工作时，能显示出灰度分布为I₁的图像；当按照第二工作模式工作时，能显示出灰度分布为I₂的图像。