戴 琦，付 嬈，鄧聯(lián)貴，李嘉鑫，鄭國(guó)興

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072)

引言

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。目前，圖像通常需要借助于顯示器、打印機(jī)、膠片記錄儀等圖像輸出設(shè)備顯示。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)。

超表面材料(metasurface)是一種人工設(shè)計(jì)的二維平面結(jié)構(gòu)，由亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)天線構(gòu)成，具備一些天然材料沒有的超常物理性質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)負(fù)折射、負(fù)反射、極化旋轉(zhuǎn)、會(huì)聚成像、復(fù)雜波束、傳播波向表面波轉(zhuǎn)化等物理效應(yīng)[1-4]，是近年來物理學(xué)、信息學(xué)以及相關(guān)交叉學(xué)科的研究重點(diǎn)。通過合理設(shè)計(jì)超表面單元結(jié)構(gòu)的幾何形狀及尺寸參數(shù)，實(shí)現(xiàn)光波的振幅和相位調(diào)制、偏振控制、濾波等功能[5-13]，所以在實(shí)現(xiàn)圖像顯示功能時(shí)，超表面材料將會(huì)發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，為設(shè)計(jì)提供新的方法和思路。2018年，赫瑞瓦特大學(xué)陳獻(xiàn)忠課題組設(shè)計(jì)了基于金屬-電介質(zhì)-金屬(MIM)結(jié)構(gòu)的超表面[14]，將圖像信息編碼為偏振態(tài)的空間分布，圖像信息通過檢偏器之后解碼為光強(qiáng)的分布，實(shí)現(xiàn)了灰度圖像顯示。盡管MIM型超表面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了圖像顯示，但這種多層結(jié)構(gòu)的超表面加工工藝繁瑣、成本較高，不利于集成和大批量生產(chǎn)，并且需要借助檢偏器進(jìn)行解碼才能顯示圖像信息，觀察裝置復(fù)雜，因此實(shí)際應(yīng)用仍面臨許多挑戰(zhàn)。

我們?cè)谠缦鹊墓ぷ髦幸呀?jīng)證明，具有各向異性的納米磚陣列具備偏振分光性能[15]。在本文中，我們進(jìn)一步地將超表面的偏振分光特性與馬呂斯定律相結(jié)合，提出了一種基于超表面實(shí)現(xiàn)超高分辨率圖像存儲(chǔ)與顯示的方法，通過理論分析、仿真及實(shí)驗(yàn)證明，超表面可以精確、連續(xù)地調(diào)制光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)高分辨率灰度圖像的存儲(chǔ)和顯示。這種基于超表面材料的圖像存儲(chǔ)、顯示技術(shù)具有超高分辨率、設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單靈活，而且超表面材料具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，在高密度光信息存儲(chǔ)、信息防偽、信息加密等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

1 原理、設(shè)計(jì)和仿真

超表面由具有相同尺寸、不同方向角的納米磚排列構(gòu)成，圖1(a)為納米磚單元結(jié)構(gòu)示意圖，納米磚單元結(jié)構(gòu)由二氧化硅基底，以及刻蝕在基底上的鋁納米磚構(gòu)成，納米磚的長(zhǎng)邊方向代表長(zhǎng)軸，短邊方向代表短軸，L為納米磚長(zhǎng)度，W為納米磚寬度，H為納米磚高度，CS為納米磚單元大小，Φ為納米磚長(zhǎng)軸與x軸之間的夾角，即納米磚的方向角(Φ的取值范圍為0°～90°)。由于納米磚的長(zhǎng)短軸尺寸存在差異，超表面對(duì)沿長(zhǎng)短軸方向振動(dòng)線偏振光的電磁響應(yīng)也將不同，即具有各向異性。在電磁仿真軟件CST STUDIO SUITE中對(duì)Φ=0°的納米磚單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬，設(shè)入射線偏振光的波矢方向沿z軸，振動(dòng)方向與x軸夾角為45°，設(shè)計(jì)波長(zhǎng)為λ=525 nm，獲得沿納米磚長(zhǎng)軸方向線偏振光分量反射率最大同時(shí)沿短軸方向線偏振光分量反射率最小的一組尺寸參數(shù)，優(yōu)化后鋁納米磚單元結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)為：L=160 nm、W=70 nm、H=70 nm、CS=280 nm，沿納米磚長(zhǎng)軸和短軸方向振動(dòng)的線偏振光的透、反射效率如圖1(b)所示，其中Rl、Tl分別代表沿納米磚長(zhǎng)軸方向振動(dòng)的線偏振光的反射率和透射率，Rs、Ts分別表示沿納米磚短軸方向振動(dòng)的線偏振光的反射率和透射率。由圖1(b)可知，入射光波長(zhǎng)在450 nm～675 nm之間時(shí)，Rl的數(shù)值相對(duì)較高，Rs的數(shù)值相對(duì)較低。尤其是在設(shè)計(jì)波長(zhǎng)525 nm下，Rl高達(dá)63.7%，Rs低至2.3%，仿真結(jié)果表明，該納米磚單元結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)偏振分光的功能，可等效為一個(gè)亞波長(zhǎng)起偏器。

圖1 納米磚單元結(jié)構(gòu)示意圖及納米磚長(zhǎng)軸和短軸方向的透、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

根據(jù)馬呂斯定律，可通過改變金屬納米磚方向角Φ進(jìn)行精確且連續(xù)的強(qiáng)度調(diào)制，其原理可表示為

(1)

若只考慮x軸線偏光入射，(1)式可簡(jiǎn)化為

Iout1=Ioutcos2Φ

(2)

式中：Iout為x軸線偏光在Φ=0°時(shí)的反射光光強(qiáng)；Iout1為納米磚方向角為Φ時(shí)的反射光光強(qiáng)，由(2)式可知，只需改變納米磚的方向角Φ，即可實(shí)現(xiàn)反射光的光強(qiáng)調(diào)制。將光強(qiáng)調(diào)制比定義為Iout1/Iout，為了驗(yàn)證納米磚調(diào)制光強(qiáng)的作用，使用電磁仿真軟件對(duì)納米磚方向角進(jìn)行了從0°到90°，步進(jìn)為5°的掃描。仿真結(jié)果及理論結(jié)果如圖2所示，可以看出，Iout1/Iout的仿真值與理論值十分吻合，證明了通過改變納米磚的方向角，能實(shí)現(xiàn)精確且連續(xù)的光強(qiáng)調(diào)制，可以將圖像的灰度信息編碼為納米磚陣列的方向角排布，而且納米磚單元結(jié)構(gòu)尺寸僅為亞波長(zhǎng)量級(jí)，因此可實(shí)現(xiàn)超高分辨率灰度圖像的存儲(chǔ)與顯示。

圖2 在x軸線偏光入射下納米磚方向角Φ與Iout1/Iout的 關(guān)系曲線(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)

為了驗(yàn)證上述方法的正確性，選取了一幅256等級(jí)的灰度圖像作為目標(biāo)圖像，如圖3所示，該圖像包含375×375個(gè)像素。圖像中所有像素的灰度值構(gòu)成一個(gè)灰度矩陣，設(shè)Iout=255，將灰度矩陣中的每一個(gè)像素的灰度值作為Iout1，根據(jù)式(2)，求出相應(yīng)的納米磚陣列的方向角信息矩陣Φ1。納米磚陣列中部分方向角排布如圖3所示，由于納米磚單元相當(dāng)于一個(gè)亞波長(zhǎng)起偏器，因此納米磚陣列只對(duì)反射光的振幅進(jìn)行調(diào)制，對(duì)相位沒有調(diào)制作用。經(jīng)納米磚陣列調(diào)制后的出射光場(chǎng)振幅分布如圖4所示，橫、縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)納米磚陣列的像素?cái)?shù)。

圖3 原始灰度圖像及方向角矩陣Φ1中的部分元素Fig.3 Original grayscale image and partial elements of orientation angle matrix Φ1

圖4 納米磚陣列調(diào)制后的出射光場(chǎng)振幅分布Fig.4 Amplitude distribution of output light field after modulation by the nanobrick arrays

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

超表面由二氧化硅襯底和襯底上鋁納米磚陣列構(gòu)成，納米磚陣列由375×375個(gè)尺寸為L(zhǎng)=160 nm、W=70 nm、H=70 nm，方向角按照方向角矩陣Φ1進(jìn)行排布的鋁納米磚在x和y方向上以間隔CS=280 nm等間隔排列構(gòu)成。樣片采用電子束光刻技術(shù)制造：在二氧化硅襯底上涂鍍一層約200 nm厚的電子束抗蝕劑，烘烤冷卻后再涂鍍一層導(dǎo)電膠(顯影之前水洗去除)；經(jīng)曝光顯影后，導(dǎo)電膠上將形成所需加工樣片的圖案，此時(shí)圖案上包含各種具有不同方向角的納米磚信息；然后，使用電子束蒸發(fā)設(shè)備蒸鍍一層70 nm厚的鋁薄膜；最后在熱丙酮中去除抗蝕劑及抗蝕劑上附著的金屬就能得到所需要的鋁納米磚結(jié)構(gòu)。

加工的樣片大小為105×105 μm2，單個(gè)像素僅為280×280 nm2大小，分辨率高達(dá)90 714 ppi，樣片的SEM圖如圖5(a)所示。由于該超表面在近場(chǎng)成像，可采用如圖5(b)所示的光學(xué)顯微鏡實(shí)驗(yàn)裝置直接對(duì)樣片進(jìn)行觀察，光源為鹵素?zé)簦陲@微鏡的入射光路中依次加入濾波片和起偏器，采用反射光路進(jìn)行觀測(cè)，即可在目鏡處觀測(cè)到具有高清晰度和對(duì)比度的圖像。

圖5 樣片SEM圖及實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.5 SEM image of the fabricated sample and the experimental setup

為了研究入射光偏振態(tài)對(duì)再現(xiàn)圖像的影響，轉(zhuǎn)動(dòng)起偏器使振動(dòng)方向與x軸夾角分別為0°、30°、60°、90°、120°和150°的線偏振光照射樣片，觀察到反射近場(chǎng)處成像效果如圖6所示，由圖6可見，當(dāng)x軸線偏光正入射到樣片上時(shí)，可以觀察到清晰的灰度圖像，而其他偏振態(tài)的線偏光入射時(shí)，無法清晰再現(xiàn)原始灰度圖像，因此該方法不僅可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)信息的存儲(chǔ)與顯示，而且可拓展至光學(xué)信息防偽、隱藏等諸多應(yīng)用領(lǐng)域。

圖6 不同偏振態(tài)線偏振光照射樣片的反射光成像圖Fig.6 Experimental results of sample with different polarization states of incident light working in reflection

3 結(jié)論

提出一種利用超表面實(shí)現(xiàn)超高分辨率灰度圖像的存儲(chǔ)和顯示的方法，通過理論分析、仿真及實(shí)驗(yàn)證明，僅需改變納米磚的方向角，即可進(jìn)行精確、連續(xù)的灰度調(diào)制，實(shí)現(xiàn)高分辨率灰度圖像的存儲(chǔ)和顯示。這種基于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)簡(jiǎn)單、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，可以克服傳統(tǒng)圖像顯示技術(shù)系統(tǒng)復(fù)雜、像元尺寸大等固有缺陷，進(jìn)而發(fā)展一種微型化、高分辨率、連續(xù)灰度調(diào)控的圖像顯示技術(shù)，在高密度光信息存儲(chǔ)、高端產(chǎn)品防偽、信息加密等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。