超表面图像显示技术研究

戴 琦，付 娆，邓联贵，李嘉鑫，郑国兴

(武汉大学 电子信息学院，湖北 武汉 430072)

引言

图像在工业生产、医疗诊断，资源、环境、气象及交通的管理监测和文化教育等众多的研究领域中具有广泛应用，因此图像存储与显示技术的研究则显得尤为重要。目前，图像通常需要借助于显示器、打印机、胶片记录仪等图像输出设备显示。传统图像显示技术由于显示器件像元尺寸较大，导致图像分辨率低，难以产生更为复杂的图像信息，并且工艺复杂，体积大，已无法满足图像储存显示领域的微型化发展的要求，需要发展新的光学存储显示技术以适应目前光学系统日益微型化、集成化的新趋势。

超表面材料(metasurface)是一种人工设计的二维平面结构，由亚波长结构天线构成，具备一些天然材料没有的超常物理性质，可实现负折射、负反射、极化旋转、会聚成像、复杂波束、传播波向表面波转化等物理效应[1-4]，是近年来物理学、信息学以及相关交叉学科的研究重点。通过合理设计超表面单元结构的几何形状及尺寸参数，实现光波的振幅和相位调制、偏振控制、滤波等功能[5-13]，所以在实现图像显示功能时，超表面材料将会发挥其优势，为设计提供新的方法和思路。2018年，赫瑞瓦特大学陈献忠课题组设计了基于金属-电介质-金属(MIM)结构的超表面[14]，将图像信息编码为偏振态的空间分布，图像信息通过检偏器之后解码为光强的分布，实现了灰度图像显示。尽管MIM型超表面已经实现了图像显示，但这种多层结构的超表面加工工艺繁琐、成本较高，不利于集成和大批量生产，并且需要借助检偏器进行解码才能显示图像信息，观察装置复杂，因此实际应用仍面临许多挑战。

我们在早先的工作中已经证明，具有各向异性的纳米砖阵列具备偏振分光性能[15]。在本文中，我们进一步地将超表面的偏振分光特性与马吕斯定律相结合，提出了一种基于超表面实现超高分辨率图像存储与显示的方法，通过理论分析、仿真及实验证明，超表面可以精确、连续地调制光强，实现高分辨率灰度图像的存储和显示。这种基于超表面材料的图像存储、显示技术具有超高分辨率、设计方法简单灵活，而且超表面材料具有体积小、重量轻、结构紧凑、易于集成等优点，在高密度光信息存储、信息防伪、信息加密等领域具有潜在的应用价值。

1 原理、设计和仿真

超表面由具有相同尺寸、不同方向角的纳米砖排列构成，图1(a)为纳米砖单元结构示意图，纳米砖单元结构由二氧化硅基底，以及刻蚀在基底上的铝纳米砖构成，纳米砖的长边方向代表长轴，短边方向代表短轴，L为纳米砖长度，W为纳米砖宽度，H为纳米砖高度，CS为纳米砖单元大小，Φ为纳米砖长轴与x轴之间的夹角，即纳米砖的方向角(Φ的取值范围为0°～90°)。由于纳米砖的长短轴尺寸存在差异，超表面对沿长短轴方向振动线偏振光的电磁响应也将不同，即具有各向异性。在电磁仿真软件CST STUDIO SUITE中对Φ=0°的纳米砖单元结构进行仿真模拟，设入射线偏振光的波矢方向沿z轴，振动方向与x轴夹角为45°，设计波长为λ=525 nm，获得沿纳米砖长轴方向线偏振光分量反射率最大同时沿短轴方向线偏振光分量反射率最小的一组尺寸参数，优化后铝纳米砖单元结构的尺寸参数为：L=160 nm、W=70 nm、H=70 nm、CS=280 nm，沿纳米砖长轴和短轴方向振动的线偏振光的透、反射效率如图1(b)所示，其中Rl、Tl分别代表沿纳米砖长轴方向振动的线偏振光的反射率和透射率，Rs、Ts分别表示沿纳米砖短轴方向振动的线偏振光的反射率和透射率。由图1(b)可知，入射光波长在450 nm～675 nm之间时，Rl的数值相对较高，Rs的数值相对较低。尤其是在设计波长525 nm下，Rl高达63.7%，Rs低至2.3%，仿真结果表明，该纳米砖单元结构可以实现偏振分光的功能，可等效为一个亚波长起偏器。

图1 纳米砖单元结构示意图及纳米砖长轴和短轴方向的透、反射率Fig.1 Schematic diagram of nanobrick unit structure and its transmittance and reflectivity versus wavelength (450 nm～675 nm) along long and short axis

根据马吕斯定律，可通过改变金属纳米砖方向角Φ进行精确且连续的强度调制，其原理可表示为

(1)

若只考虑x轴线偏光入射，(1)式可简化为

Iout1=Ioutcos2Φ

(2)

式中：Iout为x轴线偏光在Φ=0°时的反射光光强；Iout1为纳米砖方向角为Φ时的反射光光强，由(2)式可知，只需改变纳米砖的方向角Φ，即可实现反射光的光强调制。将光强调制比定义为Iout1/Iout，为了验证纳米砖调制光强的作用，使用电磁仿真软件对纳米砖方向角进行了从0°到90°，步进为5°的扫描。仿真结果及理论结果如图2所示，可以看出，Iout1/Iout的仿真值与理论值十分吻合，证明了通过改变纳米砖的方向角，能实现精确且连续的光强调制，可以将图像的灰度信息编码为纳米砖阵列的方向角排布，而且纳米砖单元结构尺寸仅为亚波长量级，因此可实现超高分辨率灰度图像的存储与显示。

图2 在x轴线偏光入射下纳米砖方向角Φ与Iout1/Iout的 关系曲线(λ=525 nm)Fig.2 Iout1/Iout versus orientation angle Φ (The incident light is x-polarized light and operated at a wavelength of 525 nm)

为了验证上述方法的正确性，选取了一幅256等级的灰度图像作为目标图像，如图3所示，该图像包含375×375个像素。图像中所有像素的灰度值构成一个灰度矩阵，设Iout=255，将灰度矩阵中的每一个像素的灰度值作为Iout1，根据式(2)，求出相应的纳米砖阵列的方向角信息矩阵Φ1。纳米砖阵列中部分方向角排布如图3所示，由于纳米砖单元相当于一个亚波长起偏器，因此纳米砖阵列只对反射光的振幅进行调制，对相位没有调制作用。经纳米砖阵列调制后的出射光场振幅分布如图4所示，横、纵坐标对应纳米砖阵列的像素数。

图3 原始灰度图像及方向角矩阵Φ1中的部分元素Fig.3 Original grayscale image and partial elements of orientation angle matrix Φ1

图4 纳米砖阵列调制后的出射光场振幅分布Fig.4 Amplitude distribution of output light field after modulation by the nanobrick arrays

2 实验验证与结果分析

超表面由二氧化硅衬底和衬底上铝纳米砖阵列构成，纳米砖阵列由375×375个尺寸为L=160 nm、W=70 nm、H=70 nm，方向角按照方向角矩阵Φ1进行排布的铝纳米砖在x和y方向上以间隔CS=280 nm等间隔排列构成。样片采用电子束光刻技术制造：在二氧化硅衬底上涂镀一层约200 nm厚的电子束抗蚀剂，烘烤冷却后再涂镀一层导电胶(显影之前水洗去除)；经曝光显影后，导电胶上将形成所需加工样片的图案，此时图案上包含各种具有不同方向角的纳米砖信息；然后，使用电子束蒸发设备蒸镀一层70 nm厚的铝薄膜；最后在热丙酮中去除抗蚀剂及抗蚀剂上附着的金属就能得到所需要的铝纳米砖结构。

加工的样片大小为105×105 μm2，单个像素仅为280×280 nm2大小，分辨率高达90 714 ppi，样片的SEM图如图5(a)所示。由于该超表面在近场成像，可采用如图5(b)所示的光学显微镜实验装置直接对样片进行观察，光源为卤素灯，在显微镜的入射光路中依次加入滤波片和起偏器，采用反射光路进行观测，即可在目镜处观测到具有高清晰度和对比度的图像。

图5 样片SEM图及实验装置图Fig.5 SEM image of the fabricated sample and the experimental setup

为了研究入射光偏振态对再现图像的影响，转动起偏器使振动方向与x轴夹角分别为0°、30°、60°、90°、120°和150°的线偏振光照射样片，观察到反射近场处成像效果如图6所示，由图6可见，当x轴线偏光正入射到样片上时，可以观察到清晰的灰度图像，而其他偏振态的线偏光入射时，无法清晰再现原始灰度图像，因此该方法不仅可以实现光学信息的存储与显示，而且可拓展至光学信息防伪、隐藏等诸多应用领域。

图6 不同偏振态线偏振光照射样片的反射光成像图Fig.6 Experimental results of sample with different polarization states of incident light working in reflection

3 结论

提出一种利用超表面实现超高分辨率灰度图像的存储和显示的方法，通过理论分析、仿真及实验证明，仅需改变纳米砖的方向角，即可进行精确、连续的灰度调制，实现高分辨率灰度图像的存储和显示。这种基于超表面的图像显示技术设计方法简单灵活，且超表面具有体积小、重量轻、结构简单、易于集成等优点，可以克服传统图像显示技术系统复杂、像元尺寸大等固有缺陷，进而发展一种微型化、高分辨率、连续灰度调控的图像显示技术，在高密度光信息存储、高端产品防伪、信息加密等领域具有巨大的应用价值。