[发明专利]一种超薄单向透光屏幕及其设计方法

权利要求书

1.一种超薄单向透光屏幕，其特征在于包括一层超表面微透镜阵列以及一层表面涂敷可吸收材料的针孔阵列，从超表面微透镜阵列一侧入射的平面光波被超表面微透镜阵列理想聚焦于表面涂敷可吸收材料的针孔阵列的针孔位置，通过针孔传输到针孔阵列另一侧；从针孔阵列一侧入射的平面光波再通过针孔阵列时，大部分被针孔阵列表面的可吸收材料吸收，从针孔位置透过的少量光能量成为杂散光；

所述一层超表面微透镜阵列由透明衬底和透明衬底一侧的亚波长微结构组成，所述透明衬底用于透射入射光，以及支撑亚波长微结构，所述亚波长微结构用于对透明衬底透射的光束实现相位调制，由若干纳米介质柱构成；

所述表面涂敷可吸收材料的针孔阵列由可吸收材料和透明衬底组成，可吸收材料用于对针孔外光波的吸收，透明衬底用于透射光波以及支撑可吸收材料，针孔阵列由透光小孔组成，可吸收材料在针孔位置不涂敷；

所述超表面微透镜阵列能够由传统微透镜阵列以及菲涅尔透镜代替；

所述的超表面微透镜阵列的透明衬底和表面涂敷可吸收材料的针孔阵列的透明衬底为同一个，超表面微透镜阵列和针孔阵列分别位于同一透明衬底的两侧；

所述超表面微透镜阵列与涂敷可吸收材料的针孔阵列表面涂敷一层透明的胶；

所述超表面微透镜阵列的周期与针孔阵列的周期相同，使超表面微透镜阵列的焦斑位于针孔阵列的针孔位置；

所述超表面微透镜阵列工作波段中心波长的像距与超表面微透镜阵列和针孔阵列的光程相等，使超表面微透镜阵列的焦斑束腰位于针孔阵列的每一个针孔中心；

所述针孔阵列的孔径大于微透镜阵列在工作波段的最大焦斑，使得工作波段的所有光束能够通过孔径传输到针孔阵列一侧；

所述超表面微透镜阵列由纳米介质柱组成，纳米介质柱的晶格常数小于工作波长；超表面微透镜阵列亚波长微结构的纳米介质柱排布满足：在整个面每个晶格位置补偿不同的相位，以实现每个面设计的相位分布要求；

一种超薄单向透光屏幕的设计方法，包括以下步骤：

步骤(1)根据超表面微透镜的工作波长、透射光发散角以及超表面微透镜阵列和针孔阵列的最小间距确定超表面微透镜阵列的每个超表面微透镜的口径和数值孔径、针孔阵列的每个针孔大小和周期；每个超表面微透镜口径为透射光显示像素的周期，数值孔径为透射光发散角的正弦值，针孔阵列的周期为每个超表面微透镜的口径，针孔大小为工作波段内超表面微透镜阵列的最大焦斑；

步骤(2)根据步骤(1)得到的每个超表面微透镜的口径和焦距，利用公式(1)得到每个超表面微透镜的相位分布：

式中x,y为超表面透镜上的空间坐标，f为透镜焦距，λ超表面微透镜的工作波长

步骤(3)使用电磁仿真软件计算不同尺寸纳米介质柱的透射幅度和相位，选择纳米介质柱尺寸时，需满足其晶格常数小于工作波长，在工作波长的透射幅度为1，不同尺寸纳米介质柱的透射相位覆盖0～2π；

步骤(4)根据每个超表面透镜组每个晶格位置的相位要求，设计纳米介质柱的排布方式；

步骤(5)在超表面微透镜阵列透明衬底的另一面涂敷可吸收材料；在超表面微透镜阵列的每个聚焦位置开孔并使该位置可吸收材料全部脱落，得到可吸收材料为背景的针孔阵列。