一种反射式超表面显示器件及彩色图像显示方法技术

本发明专利技术公开了一种反射式超表面显示器件及彩色图像显示方法，该器件由上至下依次设置白光背光源(101)、偏振分光片(102)、金属超表面层(103)、缓冲层(104)、ITO薄膜(105)、调制层(106)、金属反射层(107)、基底层(108)，该器件还包括直流电压源(109)；其中，所述金属超表面层(103)、缓冲层(104)、ITO薄膜(105)、调制层(106)、金属反射层(107)和基底层(108)共同构成滤色结构；改变外界电压源电压可以调制反射光的颜色和亮度，通过时分复用法，实现彩色图像显示。本发明专利技术具有颜色动态调节范围大、像素尺寸小等优点；对超高分辨率显示和全息成像领域具有启示意义和广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种反射式超表面显示器件及彩色图像显示方法
本专利技术涉及等离子激元显示技术，特别是涉及一种反射式超表面显示器件及彩色图像显示方法。
技术介绍
等离子激元纳米结构和材料在光波调制方面表现出很多特殊的光学特性，目前已应用于波前整形、幅值调制、偏振态转换、滤波等领域。等离子激元纳米结构可以用于制作超薄滤色膜，应用于投影显示、三维显示或全息成像，实现像素尺寸在微米甚至纳米量级的超高分辨率成像。在光学成像向集成化和显示器件轻量化的今天，表现出巨大的潜在应用价值。传统透射式或反射式显示器尺寸、重量很大，每个像素包括三个亚像素单元，分别配有红、绿、蓝滤色片，像素颜色由三个亚像素单元的颜色混合而成。等离子激元显示器大大减小了像素尺寸，但多沿用这种空分复用的设计，牺牲了空间面积。目前已有技术中，等离子激元显示器滤色片通常采用亚波长光栅或超表面结构，其中，超表面结构的像素尺寸更小，但现有技术尚不能实现覆盖红、绿、蓝窄带滤波，特别是蓝光波段能量损耗巨大，难以实现全彩色显示。
技术实现思路
技术问题：为解决现有技术的不足，实现超高分辨率显示，提供一种反射式超表面显示器件及彩色图像显示方法。本专利技术的反射式超表面显示器件具有色域广、可实现超高分辨率等优点；适合于高分辨率动态显示方面的实际应用，对超高分辨率显示和全息成像领域具有启示意义和广泛的应用前景。技术方案：本专利技术的一种反射式超表面显示器件由上至下依次设置白光背光源、偏振分光片、金属超表面层、缓冲层、ITO薄膜、调制层、金属反射层、基底层，该器件还包括直流电压源；其中，所述金属超表面层、缓冲层、ITO薄膜、调制层、金属反射层和基底层共同构成滤色结构；所述金属超表面层厚度大于该金属的趋肤深度，小于100nm，由相同几何形状的天线单元周期排列组成，天线单元的周期小于入射光波长，n×n个天线单元构成一个像素单元，n为大于等于2的自然数，像素尺寸在微米至纳米量级；所述缓冲层的厚度小于20nm，材料为电介质，其折射率小于ITO薄膜和调制层材料的折射率；所述ITO薄膜厚度小于50nm；所述调制层的厚度小于入射光波长；所述金属反射层厚度大于100nm；所述直流电压源的正极连接ITO薄膜，地接金属反射层。其中，所述天线单元为凸起结构，几何形状包括但不限于直棒状、V形、H形、U形或C形，几何对称轴与x轴和y轴的夹角均为45°。所述金属超表面层和金属反射层的材料为金、银、铝、铜、金银合金、金铝合金、金铜合金、银铝合金、银铜合金或铜铝合金；所述基底层材料为电介质材料。所述调制层为工作在可见光波段且电光系数数量级在nm/V的电光材料；所述电光材料的响应时间小于2ms。本专利技术的反射式超表面显示器件的彩色图像显示方法法包括以下步骤：1)连接直流电压源将直流电压源的正输出端与ITO薄膜连接，负输出端与金属反射层共同接地；2)调制像素颜色白光背光源的白光入射到超表面器件的金属超表面层，调节直流电压源的电压，以改变调制层的折射率，从而改变交叉偏振反射光的峰值波长，当峰值波长在背光源光谱范围内，反射光为某一种特定颜色；确定红、绿、蓝三基色的作用电压值，利用视觉暂留效应，控制每种基色的电压作用时间比，通过时分复用法，实现彩色显示；3)调制像素亮度白光背光源的白光入射到超表面器件的金属超表面层，调节直流电压源的电压，交叉偏振反射光的峰值波长在背光源光谱范围内，反射特定颜色，为亮状态；将交叉偏振反射光的峰值波长移动至背光源光谱范围外，为暗状态；利用视觉暂留效应，控制亮状态和暗状态的电压作用时间比，实现灰度控制。所述白光背光源经过偏振分光片后转变为一束线偏振宽频光波，垂直入射到金属超表面层。所述交叉偏振反射光为光波被金属超表面层反射后，再经过偏振分光片反射的线偏振窄频光波。所述直流电压源电压的绝对值小于金属超表面层-缓冲层-ITO薄膜-调制层-金属反射层的击穿电压。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的一种反射式超表面显示器件具有色域广、可实现超高分辨率等优点；外接电压源，可以调制反射光的颜色和亮暗状态，利用视觉暂留效应，控制红绿蓝三基色亮状态和暗状态的显示时间比，显示彩色图像。本专利技术适合于高分辨率动态显示方面的实际应用，对超高分辨率显示和全息成像领域具有启示意义和广泛的应用前景。附图说明图1是反射式超表面显示器件工作原理示意图；图2是反射式超表面显示器件单个像素示意图；图3是反射式超表面滤色结构在不同电压偏置条件下的交叉偏振反射光谱曲线；图4是背光源为白光QDEF时的反射式超表面显示器件显示红、绿、蓝、光和暗状态时的光谱曲线；图5是背光源为白光QDEF时的反射式超表面显示器件的色域图。图中包括：白光背光源101、偏振分光片102、金属超表面层103、缓冲层104、ITO薄膜105、调制层106、金属反射层107、基底层108、直流电压源109。具体实施方式以下结合附图通过具体实施方式对本专利技术技术方案作进一步解释说明，但本专利技术的保护范围并不局限于下面的实施例，下面的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，应包括权利要求书中的全部内容；而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求书中的全部内容，本领域的普通技术人员在本专利技术的启示下，在不脱离本专利技术的宗旨和权利要求保护的范围情况下，还可以做出许多形式，这些均属于本专利技术的保护之内。如图1所示，本专利技术的一种反射式超表面显示器件，由上至下依次包括：白光背光源101、偏振分光片102、金属超表面层103、缓冲层104、ITO薄膜105、调制层106、金属反射层107和基底层108，该器件还包括直流电压源109。其中，金属超表面层103、缓冲层104、ITO薄膜105、调制层106、金属反射层107和基底层108共同构成滤色结构。由8×8个天线单元构成的单个像素如图2所示，金属超表面层103由某一特定形状的金属纳米天线在x和y方向周期延拓形成，外接直流电压源109的正输出端与ITO薄膜105连接，负输出端与金属反射层107共同接地调制层106的厚度小于入射光波长。金属超表面层103的材料为金、银、铝、铜、金银合金、金铝合金、金铜合金、银铝合金、银铜合金或铜铝合金；每个天线单元的周期小于入射光波长，厚度大于金属的趋肤深度，小于100nm。金属天线的形状包括且不限于直棒状、V形、H形、U形、C形，几何对称轴与x轴和y轴的夹角均为45°，以保证交叉偏振转化率达到最大；改变天线的长度、宽度、夹角等几何特征，会改变光谱响应。缓冲层104厚度小于20nm，材料为折射率比ITO薄膜和调制层低的电介质，金属-低折射率电介质-高折射率电介质构成金属包层介质波导结构，减小腔体对能量的吸收，缩小反射光谱带宽。ITO薄膜105的厚度小于50nm，用作电极。调制层106为工作在可见光波段的电光材料，电光系数的数量级在nm/V，无电压偏置时的折射率大于2，以保证无电压偏置时的反射光为绿色，加载绝对值近似相等的正负偏压时，反射光为红色或蓝色，目的是控制ITO薄膜和金属反射层之间的电压差，以最小的电压差调制反射光颜色。响应时间小于2ms，这是因为颜色调制和亮度调制时，利用了视觉暂留效应，所以响应时间必须远小于视觉暂留的最小时长。其中，电光材料电光系数的取值由电压幅值、调制层厚度以及材料的击穿阈值共同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种反射式超表面显示器件，其特征在于，该器件由上至下依次设置白光背光源(101)、偏振分光片(102)、金属超表面层(103)、缓冲层(104)、ITO薄膜(105)、调制层(106)、金属反射层(107)、基底层(108)，该器件还包括直流电压源(109)；其中，所述金属超表面层(103)、缓冲层(104)、ITO薄膜(105)、调制层(106)、金属反射层(107)和基底层(108)共同构成滤色结构；所述金属超表面层(103)厚度大于该金属的趋肤深度，小于100nm，由相同几何形状的天线单元周期排列组成，天线单元的周期小于入射光波长，n×n个天线单元构成一个像素单元，n为大于等于2的自然数，像素尺寸在微米至纳米量级；所述缓冲层(104)的厚度小于20nm，材料为电介质，其折射率小于ITO薄膜和调制层材料的折射率；所述ITO薄膜(105)厚度小于50nm；所述调制层(106)的厚度小于入射光波长；所述金属反射层(107)厚度大于100nm；所述直流电压源(109)的正极连接ITO薄膜(105)，地接金属反射层(107)。

【技术特征摘要】
1.一种反射式超表面显示器件，其特征在于，该器件由上至下依次设置白光背光源(101)、偏振分光片(102)、金属超表面层(103)、缓冲层(104)、ITO薄膜(105)、调制层(106)、金属反射层(107)、基底层(108)，该器件还包括直流电压源(109)；其中，所述金属超表面层(103)、缓冲层(104)、ITO薄膜(105)、调制层(106)、金属反射层(107)和基底层(108)共同构成滤色结构；所述金属超表面层(103)厚度大于该金属的趋肤深度，小于100nm，由相同几何形状的天线单元周期排列组成，天线单元的周期小于入射光波长，n×n个天线单元构成一个像素单元，n为大于等于2的自然数，像素尺寸在微米至纳米量级；所述缓冲层(104)的厚度小于20nm，材料为电介质，其折射率小于ITO薄膜和调制层材料的折射率；所述ITO薄膜(105)厚度小于50nm；所述调制层(106)的厚度小于入射光波长；所述金属反射层(107)厚度大于100nm；所述直流电压源(109)的正极连接ITO薄膜(105)，地接金属反射层(107)。2.根据权利要求1所述的一种反射式超表面显示器件，其特征在于，所述天线单元为凸起结构，几何形状包括但不限于直棒状、V形、H形、U形或C形，几何对称轴与x轴和y轴的夹角均为45°。3.根据权利要求1所述的一种反射式超表面显示器件，其特征在于，所述金属超表面层(103)和金属反射层(107)的材料为金、银、铝、铜、金银合金、金铝合金、金铜合金、银铝合金、银铜合金或铜铝合金；所述基底层(108)材料为电介质材料。4.根据权利要求1所述的一种反射式超表面显示器件，其特征在于，所述调制层(106)为工作...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭静菁，屠彦，杨兰兰，王莉莉，张宇宁，王保平，张瑞文，王垒，石在耀，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32