CN111025430A - 超表面阵列结构及其在灰度可调的图像显示复用中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超表面阵列结构及其在灰度可调的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；在工作波长下，当线偏光入射到超表面阵列上时，沿纳米砖长轴方向上的反射率最高，沿纳米砖短轴方向上的透射率最高。此种超表面阵列结构可以实现灰度任意可调的二值图像显示复用。超表面阵列中的每一个纳米砖可对应于所显示图像中的像素点。在选定了显示复用的两幅二值图像的情况下，超表面阵列中的纳米砖仅有四种取值。两幅二值图像可以在不同光照条件(线偏光偏振方向及检偏器透光轴方向)下分别显示。同时，可以通过调节入射线偏光偏振方向、纳米砖转向角及检偏器透光轴方向来改变各幅图像中的灰度值。

Description

超表面阵列结构及其在灰度可调的图像显示复用中的应用

技术领域

本发明涉及微纳光学领域，尤其涉及一种超表面阵列结构及其在灰度可调的图像显示复用中的应用。

背景技术

超表面是一种亚波长的人工层状材料，可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。超表面在经过设计后可以实现传统光学器件的很多功能，并同时具备高度集成、高效率、多自由度等特点。

近年来，许多研究者通过对超表面材料的设计实现了灰度图像显示及复用的功能。但在目前已有的技术中，存在着显示复用中图像灰度无法灵活调控、纳米阵列结构复杂等缺点，在实际应用中存在着局限和不足。

发明内容

本发明实施例通过提供一种超表面阵列结构及其在灰度可调的图像显示复用中的应用，解决了二值图像显示复用中灰度值无法灵活调控、纳米阵列结构复杂、难于加工的问题。

为实现上述目的，本发明的方案如下：

第一方面，本发明提供的超表面阵列结构，其特征在于：包括基底和在所述基底上设有的纳米砖阵列；

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纳米砖；

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。

作为优选方案，所述工作波长为672nm，所述纳米砖的长度L为145nm、纳米砖的宽度W为70nm、纳米砖的高度H为70nm，所述单元结构工作面的边长为400nm；所述基底的材料采用二氧化硅，所述纳米砖的材料采用银。

第二方面，本发明还提供一种上述的超表面阵列结构在灰度可调的图像显示复用中的应用，其特征在于：在所需复用显示的两幅图像确定的情况下，通过调整纳米砖转向角、入射线偏光的偏振方向及检偏器透光轴的方向，可对所显示的两幅二值图像的灰度独立地进行调节，实现二值图像显示复用的灰度调控；

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

满足以下公式：

其中，I₀为入射线偏光的光强，θ为纳米砖转向角，α₁为入射线偏光与x轴的夹角，α₂为检偏器透光轴与x轴的夹角，I为反射光的光强。

进一步地，所述纳米砖转向角包括以下四种转向角：θ、90°-θ、90°+θ、180°-θ，其中θ的取值范围为[0°，45°]；在对所述四种转向角的纳米砖位置进行排布固定后，所述超表面阵列结构可实现：

在确定了纳米砖转向角后，在第一种入射线偏光偏振方向和检偏器透光轴组合下，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；

在第二种入射线偏光偏振方向和检偏器透光轴组合下，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；

同时，可通过调节纳米砖转向角θ，入射线偏光偏振方向和起偏器透光轴方向来改变上述显示的二值图像中灰度等级0,1分别对应的实际灰度值。

利用上述超表面阵列结构，本发明在将所述纳米砖阵列中每一个纳米砖的转向角设计确定后，通过调节入射线偏光的偏振方向及检偏器透光轴的方向，可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。同时，通过对纳米砖转向角、入射光偏振方向、检偏器透光轴的方向进行调整，可以实现对原二值图像的灰度调控，且两复用二值图像之间的灰度调控是独立的。

所述纳米砖阵列中所述纳米砖转向角包括以下四种角度：θ、90°-θ、90°+θ和180°-θ，其中θ的取值范围为[0°，45°]。

在选定所需复用显示的两幅二值图像后，根据图像中灰度等级为0或1的像素分布，可设计出所述四种转向角的纳米砖的分布。同时，根据两幅二值图像灰度等级0、1所需对应的实际灰度值，可对θ及分别对两幅图像的α₁、α₂进行调节。

例如，若使θ＝22.5°，在α₁＝-22.5°和α₂＝22.5°的条件下，将显示第一幅二值图像，其灰度等级0、1对应的实际灰度值分别为0、

在α₁＝22.5°和α₂＝67.5°的条件下，将显示第二幅二值图像，其灰度等级0、1对应的实际灰度值分别为0、

接下来，若使θ＝0°，在α₁＝0°和α₂＝0°的条件下，显示的第一幅二值图像中，灰度等级0、1对应的实际灰度值分别为0、I₀。在在α₁＝0°和α₂＝90°的条件下，显示的第二幅二值图像中，灰度等级0、1对应的实际灰度值都为0，即第二幅图像为全黑。

本发明的优点及有益效果如下：

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，从而实现二值图像显示复用和复用二值图像灰度的独立调控两种功能。

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及检偏器透光轴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。

附图说明

图1为本发明中超表面阵列结构中基底与纳米砖结构示意图；

图2为本发明中超表面阵列结构中纳米砖转向角的示意图；

图3为本发明中超表面阵列结构的透反射率图；

图4为本发明中超表面阵列结构实现灰度可调的二值图像显示复用的光路图；

图5为本发明中超表面阵列结构实现灰度可调的二值图像的显示复用时四种转向角的纳米砖在两种不同的情况下的灰度等级示意图；

图6为本发明中超表面阵列结构实现灰度可调的二值图像显示复用的示意图。

图中：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本发明作进一步地详细阐述。

参看图1-图2，本发明实施例提供的超表面阵列结构包括：基底2，基底2上设置有纳米砖阵列；纳米砖阵列包括多个呈周期性排布的纳米砖1，相邻纳米砖1的中心点间的距离相同；基底2和纳米砖1均为亚波长尺寸，纳米砖为长方体形。

纳米砖的尺寸参数是通过电磁仿真软件优化得到的，优化后得到的纳米砖可以实现起偏器的功能。在选定的工作波长下，入射线偏光中偏振方向沿着纳米砖1长轴方向的成分将被高效率反射；入射线偏光中偏振方向沿着纳米砖1短轴方向的成分将被高效率透射。

其中，基底2采用二氧化硅材料，纳米砖1采用银材料。

基底2可划分为多个尺寸相同的周期性正方形单元结构，每个单元结构的工作面上设有一个纳米砖1。

即超表面阵列结构由透明介质的基底2及刻蚀在基底2表面的纳米砖阵列组成。通过设计纳米砖阵列的结构尺寸可以实现起偏器的功能。

在工作波长672nm下，若纳米砖转向角θ＝0°，采用电磁仿真软件仿真，入射光中包含了偏振方向沿纳米砖长轴方向的x线偏光和偏振方向沿纳米砖短轴方向的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线偏光的透射率最高，反射率最低为优化对象，扫描结果如图3所示。在工作波长672nm下，x线偏光的反射率在85％以上，y线偏光的透射率在90％以上，同时x线偏光的透射率和y线偏光的反射率都在15％以下。经电磁仿真软件优化后得到的纳米单元尺寸参数为：纳米砖长L＝145nm，纳米砖宽W＝80nm，纳米砖高H＝70nm，单元结构的工作面的边长CS＝400nm。因此，在工作波长672nm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灰度可调的图像显示复用中的应用，包括以下两个部分：

(1)二值图像显示复用；

(2)两幅图像灰度的独立调控。

下面对这两个部分分别进行说明。

(3)二值图像复用。

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及光路中位于超表面阵列结构之后的检偏器透光轴的方向，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。

其中，基底的互相垂直的两边分别为x轴和y轴，转向角为纳米砖长轴与x轴的夹角。

每个纳米砖对应的出射光光强符合以下公式：

其中，I₀为入射线偏光的光强，θ为转向角，α₁为入射线偏光与x轴的夹角，α₂为检偏器透光轴与x轴的夹角，I为反射光的光强。

当入射线偏光的偏振方向为α₁，检偏器透光轴方向为α₂，且α₁+α₂＝0°时，转向角为θ和180°-θ的纳米砖反射光强度相同，转向角为90°-θ和90°+θ的纳米砖反射光强度相同；而在α₁+α₂＝90°时，转向角为θ和90°-θ的纳米砖反射光强度相同，转向角为90°+θ和180°-θ的纳米砖反射光强度相同。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实现两幅二值图像的显示复用，如图5所示。

(1)两幅图像灰度的独立调控。

在实现了两幅二值图像的显示复用的基础上，还可以通过调节纳米砖转向角和两幅图像对应的入射光偏振方向、检偏器透光轴的方向来独立地对两幅二值图像的灰度进行调控。

此应用中同样符合以下公式：

其中，I₀为入射线偏光的光强，θ为转向角(取值范围为

)，α₁为入射线偏光与x轴的夹角，α₂为检偏器透光轴与x轴的夹角，I为反射光的光强。

在复用的两幅二值图像已确定的情况下，每个像素点所对应的灰度等级已知，则像素点所对应的纳米砖转向角在θ、90°-θ、90°+θ和180°-θ中的选择也将确定下来。

在保证在显示第一幅图像时α₁+α₂＝0°，显示第二幅图像时α₁+α₂＝90°两个条件不变的情况下，可通过对θ及两幅图像的α₁、α₂进行调节来改变两幅二值图像中0、1灰度等级对应的实际灰度值。

例如，若使θ＝22.5°，在α₁＝-22.5°和α₂＝22.5°的条件下，将显示第一幅二值图像，其灰度等级0、1对应的实际灰度值分别为0、

在α₁＝22.5°和α₂＝67.5°的条件下，将显示第二幅二值图像，其灰度等级0、1对应的实际灰度值分别为0、

接下来，若使θ＝0°，在α₁＝0°和α₂＝0°的条件下，显示的第一幅二值图像中，灰度等级0、1对应的实际灰度值分别为0、I₀。在在α₁＝0°和α₂＝90°的条件下，显示的第二幅二值图像中，灰度等级0、1对应的实际灰度值都为0，即第二幅图像为全黑。如图6所示。

Claims (4)

1.一种超表面阵列结构，其特征在于：包括基底和在所述基底上设有的纳米砖阵列；

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纳米砖；

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：所述工作波长为672nm，所述纳米砖的长度L为145nm、纳米砖的宽度W为70nm、纳米砖的高度H为70nm，所述单元结构工作面的边长为400nm；所述基底的材料采用二氧化硅，所述纳米砖的材料采用银。

3.一种如权利要求2所述的超表面阵列结构在灰度可调的图像显示复用中的应用，其特征在于：在所需复用显示的两幅图像确定的情况下，通过调整纳米砖转向角、入射线偏光的偏振方向及检偏器透光轴的方向，可对所显示的两幅二值图像的灰度独立地进行调节，实现二值图像显示复用的灰度调控；

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

满足以下公式：

其中，I₀为入射线偏光的光强，θ为纳米砖转向角，α₁为入射线偏光与x轴的夹角，α₂为检偏器透光轴与x轴的夹角，I为反射光的光强。

4.根据权利要求3所述的超表面阵列结构在灰度可调的图像显示复用中的应用，其特征在于：所述纳米砖转向角包括以下四种转向角：θ、90°-θ、90°+θ、180°-θ，其中θ的取值范围为[0°，45°]；在对所述四种转向角的纳米砖位置进行排布固定后，所述超表面阵列结构可实现：

在确定了纳米砖转向角后，在第一种入射线偏光偏振方向和检偏器透光轴组合下，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；

在第二种入射线偏光偏振方向和检偏器透光轴组合下，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；

同时，可通过调节纳米砖转向角θ，入射线偏光偏振方向和起偏器透光轴方向来改变上述显示的二值图像中灰度等级0,1分别对应的实际灰度值。

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