[發明專利]基于全息零級和超表面幾何相位的灰度納米印刷設計方法

有效

• 申請號: 202210560984.3
• 申請日: 2022-05-23
• 公開（公告）號: CN114895543B
• 公開（公告）日: 2023-08-18
• 發明（設計）人: 陳奎先;李子樂;鄭國興
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G03H1/10
• 分類號: G03H1/10;G03H1/18
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 齊晨涵

本發明公開了一種基于全息零級和超表面幾何相位的灰度納米印刷設計方法，灰度納米印刷術的信息通道為全息零級，灰度圖像信息被編碼進超表面上納米磚陣列的轉角排布中；超表面由兩層基底、一層反射式納米磚陣列構成；硅基底上方為二氧化硅基底，二氧化硅基底上排布有周期性排列的硅納米磚陣列單元，各納米磚單元大小相同，轉角各異；本發明所提出的基于全息零級和超表面幾何相位的灰度納米印刷設計方法，與傳統的灰度納米印刷術相比，幾何相位設計模式更加靈活，填補了灰度納米印刷術在相位領域的空白，其優勢在于設計算法簡單，集成度極高，無需任何光學器件的協助，能夠用肉眼直觀觀察，可廣泛的應用于圖像顯示等領域，具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明涉及信息光學技術領域，具體涉及一種基于全息零級和超表面幾何相位的灰度納米印刷設計方法。

背景技術

超表面灰度納米印刷術作為一種新穎的圖像顯示技術，以其獨特且優越的技術特點受到了越來越多的關注，成為現代圖像顯示技術的重要研究內容之一。然而，現有的超表面灰度納米印刷術多是基于光的偏振來實現調制，對于基于偏振調制的灰度納米印刷術，雖然可以實現灰度的任意調控，但是這種偏振調制納米印刷術的實現是以超表面材料的結構緊湊性的大幅降低為代價的，即通過增加外加光學元件實現的，存在技術上的缺點；再者，相位作為重要的光學參量之一，目前仍未使用在基于超表面的灰度納米印刷術中，是該領域的空白，且以相位調制為基礎的灰度納米印刷術，不要額外的光學裝置就能實現灰度調控，這一特點使得以相位調制為基礎的灰度印刷術具有很高的應用前景和實用價值。

傳統的超表面灰度納米印刷術多采用偏振調制的方式進行圖像顯示，根據馬呂斯定理，使得不同偏振方向的線偏光形成不同的強度，從而實現灰度納米印刷的目的。但是這種灰度納米印刷術需要外加偏振調制的光學器件——起偏器、檢偏器和波片，這些額外的偏振調制器件將會大幅降低超表面灰度印刷術的結構緊湊性，影響其集成度，這與日常生活中對于圖像顯示的需求相背離，將會阻礙灰度印刷術在實際生活中的應用。

相位，作為重要的光學參量之一，廣泛的應用于全息、透鏡等光學元件的設計中，將相位調制的方法與灰度納米印刷術相結合，實現了一種新型的相位調制灰度印刷術，在保證結構緊湊性——即不增加任何額外的光學器件的同時，實現了灰度的任意調制。并且超表面作為新興的光學材料，以其優越的光學性能受到越來越多的關注，亞波長的結構尺寸能產生較高空間頻率的衍射光，更便于通過零級衍射光來實現灰度調制，可以排除非零級衍射光對于圖像顯示通道的影響。且超表面加工工藝成熟，結構簡單，便于復制，是一個用來實現基于全息零級的灰度納米印刷術的優秀選擇。

發明內容

相較于現有技術，本發明的目的是提供一種基于全息零級和超表面幾何相位的灰度納米印刷設計方法。本發明利用的信息通道為全息零級，通過巧妙的補償，進行圖像的編碼加密，其工作位置為超表面的上表面，以全息零級為信息通道具有無色散，偏振不敏感等特性。

為了實現上述目的，本發明提供一種基于全息零級和超表面幾何相位的灰度納米印刷設計方法，其特征在于：全息零級作為灰度納米印刷術信息通道，灰度圖像信息被編碼到超表面上納米磚陣列的轉角排布中；包括如下步驟：

S1：選擇目標圖像和參考光，并對目標圖像進行相應的補償，得到物光的振幅分布；

S2：組合補償后的振幅分布和相位分布為物光，將物光與參考光進行干涉疊加，計算出干涉強度分布對應的相位分布情況；

S3：根據半波片的性能需求來優化反射式納米磚陣列中電介質納米磚的幾何參數，其中所述工作波長為可見光波段；

S4：根據計算出的相位分布，確定電介質超表面納米磚陣列中納米磚的轉角排布。

作為優選方案，所述步驟S1，具體為：

根據相位型光柵的傅里葉級數展開公式，采用第一類貝塞爾函數的逆函數對目標圖像對應物光的振幅A_t(x，y)進行補償：