[發(fā)明專利]一種可實(shí)現(xiàn)超高分辨率灰度圖像顯示功能的金屬超表面及其應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911056332.0
• 申請(qǐng)日: 2019-10-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110850515A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-02-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 戴琦;鄭國(guó)興;李子樂(lè);李仲陽(yáng);付嬈;鄧娟;鄧聯(lián)貴;李嘉鑫
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B5/00
• 分類號(hào): G02B5/00;G02B5/30
• 代理公司: 武漢科皓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 李煒

本發(fā)明公開(kāi)了一種可實(shí)現(xiàn)超高分辨率灰度圖像顯示功能的金屬超表面及其應(yīng)用。該超表面由多個(gè)單元結(jié)構(gòu)周期性陣列于一平面形成。該單元結(jié)構(gòu)包括襯底和設(shè)置于襯底上的具有旋向角的金屬納米磚。基于金屬納米磚的等離子共振效應(yīng)，通過(guò)特定的納米磚尺寸可設(shè)計(jì)出具有偏振分光的結(jié)構(gòu)；基于馬呂斯定律，可通過(guò)改變旋向角實(shí)現(xiàn)精確、連續(xù)的灰度調(diào)制，并應(yīng)用于超高分辨率灰度圖像顯示。這種基于金屬超表面的圖像顯示技術(shù)設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單靈活，且超表面具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成等優(yōu)勢(shì)，因此可廣泛應(yīng)用于高密度光信息存儲(chǔ)、高端產(chǎn)品防偽、信息加密等領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微納光學(xué)和偏振光學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種可實(shí)現(xiàn)超高分辨率灰度圖像顯示功能的金屬超表面及其應(yīng)用。

背景技術(shù)

圖像在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療診斷、資源、環(huán)境、氣象及交通的管理監(jiān)測(cè)和文化教育等眾多的研究領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用，因此圖像存儲(chǔ)與顯示技術(shù)的研究則顯得尤為重要。傳統(tǒng)圖像顯示技術(shù)由于顯示器件像元尺寸較大，導(dǎo)致圖像分辨率低，難以產(chǎn)生更為復(fù)雜的圖像信息，并且工藝復(fù)雜、體積大，已無(wú)法滿足圖像儲(chǔ)存顯示領(lǐng)域的微型化發(fā)展的要求，需要發(fā)展新的光學(xué)存儲(chǔ)顯示技術(shù)以適應(yīng)目前光學(xué)系統(tǒng)日益微型化、集成化的新趨勢(shì)。超表面(metasurface)作為一種人工二維平面結(jié)構(gòu)，其單元結(jié)構(gòu)在亞波長(zhǎng)量級(jí)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)光波振幅、相位、偏振態(tài)等物理量的精確調(diào)控，因此超表面將為圖像顯示提供新的方法及思路。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種可實(shí)現(xiàn)超高分辨率灰度圖像顯示功能的金屬超表面，以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像灰度信息的無(wú)損保存。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：

一種可實(shí)現(xiàn)超高分辨率灰度圖像顯示功能的金屬超表面，由多個(gè)單元結(jié)構(gòu)周期性排列于一平面形成；

所述單元結(jié)構(gòu)由襯底和設(shè)置于襯底的金屬納米磚構(gòu)成；

通過(guò)對(duì)單元結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化將圖像灰度信息存儲(chǔ)于單元結(jié)構(gòu)中，再經(jīng)周期性排列形成顯示超高分辨率灰度圖像的超表面。

具體的，所述襯底為長(zhǎng)方體，其橫截面為正方形；所述金屬納米磚為長(zhǎng)方體。

具體的，所述單元結(jié)構(gòu)參數(shù)包括納米磚長(zhǎng)L、寬W、高H、旋向角Φ和襯底橫截面邊長(zhǎng)CS。

具體的，所述旋向角Φ是以襯底橫截面的兩直角邊分別為x軸和y軸建立xoy直角坐標(biāo)系，納米磚長(zhǎng)邊為長(zhǎng)軸、短邊為短軸，納米磚的長(zhǎng)軸與x軸形成的夾角。

具體的，所述旋向角Φ的范圍為0～90°。

具體的，所述L、W、H和CS均為亞波長(zhǎng)尺寸。

具體的，所述襯底的材料為透明介質(zhì)，包括二氧化硅；所述金屬納米磚的材料選自鋁、銀、銅和金中的一種。

具體的，采用電磁仿真法，針對(duì)設(shè)計(jì)波長(zhǎng)優(yōu)化單元結(jié)構(gòu)的參數(shù)L、W、H和CS，可設(shè)計(jì)等離子體共振效應(yīng)，改變金屬納米磚的各向異性，使得設(shè)計(jì)波長(zhǎng)處沿長(zhǎng)軸偏振的光反射、沿短軸偏振的光透射。

具體的，通過(guò)改變旋轉(zhuǎn)角Φ可實(shí)現(xiàn)：沿x軸方向偏振的線偏光入射時(shí)，其反射光的振幅及偏振態(tài)被調(diào)制，振幅變?yōu)樵穹笮〉膢cosΦ|倍，并且偏振方向與x軸夾角為Φ；沿y軸方向偏振的線偏光入射時(shí)，其透射光的振幅及偏振態(tài)被調(diào)制，振幅變?yōu)樵穹笮〉膢cosΦ|倍，并且偏振方向與x軸夾角為即實(shí)現(xiàn)單元結(jié)構(gòu)對(duì)光強(qiáng)精確、連續(xù)的調(diào)制。

本發(fā)明的另一目的在于提供上述可實(shí)現(xiàn)超高分辨率灰度圖像顯示功能的金屬超表面在超高分辨率灰度圖像顯示中的應(yīng)用方法：利用根據(jù)金屬納米磚的光強(qiáng)調(diào)制作用將圖像的灰度信息轉(zhuǎn)化為納米磚的旋轉(zhuǎn)角信息，存儲(chǔ)在超表面中，當(dāng)一束光照射超表面時(shí)，具有高分辨率的灰度圖像將出現(xiàn)在超表面的近場(chǎng)附近；其中，x軸線偏光入射，反射近場(chǎng)處成像；y軸線偏光入射，透射近場(chǎng)處成像。

本發(fā)明的原理：