[发明专利]基于超表面阵列结构的灰度掩模复用技术

权利要求书

1.一种基于超表面阵列结构的灰度掩模复用方法，其特征在于：首先设计像素单元二值掩模，每个像素单元包含N×N个纳米砖单元结构(1)，纳米砖单元结构(1)只有0和1两种透过率，然后保持像素单元内的纳米砖单元结构(1)个数不变，通过改变像素单元二值掩模透过部分的纳米砖单元结构(1)的个数来控制像素单元的透射率，从而实现像素单元的灰度调制；此外，通过改变入射线偏振光的偏振状态，灰度掩模的像素单元透射率发生改变，实现灰度掩模复用；

具体包括以下步骤：

1)优化设计可等效为微型起偏器的纳米砖单元结构(1)：确定工作波长，通过电磁仿真软件优化纳米砖单元结构(1)的尺寸参数，使得工作波长下任意偏振态的线偏振光正入射至纳米砖单元结构(1)时，沿纳米砖单元结构(1)的长轴方向振动的线偏振光分量透过率最小，同时沿纳米砖单元结构(1)的短轴方向振动的线偏振光分量透过率最大；

2)纳米砖单元结构(1)对应的透过率编码：选取方向角Φ为22.5°、67.5°、112.5°和157.5°的四种纳米砖单元结构(1)，入射光为θ＝0°和θ＝45°的线偏振光；当入射光为θ＝0°的线偏振光时，所述四种方向角的纳米砖单元结构(1)对应的透过率分别为0、1、1、0；当入射光为θ＝45°的线偏振光时，所述四种方向角的纳米砖单元结构(1)对应的透过率分别为0、0、1、1，即当入射线偏振光偏振态改变时，纳米砖单元结构(1)对应的透过率也会发生改变，可以形成00、10、11、01四种编码；

3)设计像素单元二值掩模实现灰度调制：像素单元二值掩模包含N×N个纳米砖单元结构(1)，改变透过部分的纳米砖单元结构(1)的个数K来控制像素单元的透射率，其中K＝0，1，2，…N²，所述透过部分的透过率为1，从而实现像素单元N²+1级灰度等级的灰度调制，因此可以将灰度信息编码为像素单元二值掩模的0-1透过率矩阵；

4)灰度掩模复用设计：选取两幅由M×M个像素组成具有N²+1级灰度等级的灰度掩模图像image1和image2，图像中所有像素的灰度值构成灰度矩阵G₁和G₂；灰度矩阵每一个元素对应于灰度掩模中的一个像素单元二值掩模，将包含M×M个元素的G₁和G₂灰度矩阵根据步骤3)转换为包含M*N×M*N个元素的两个0-1透过率矩阵T₁和T₂；

5)T₁和T₂的元素位置一一对应，将T₁和T₂矩阵联立生成透过率编码信息，由步骤2)中的编码信息对应求出仅包含22.5°、67.5°、112.5°和157.5°这四种方向角信息的方向角矩阵Φ；

6)将M*N×M*N尺寸一致、方向角按照方向角矩阵Φ排列的纳米砖单元结构(1)在x、y方向上等间隔排列，构成超表面阵列结构。

2.根据权利要求1所述的基于超表面阵列结构的灰度掩模复用方法，其特征在于：所述步骤1)中，纳米砖单元结构(1)的尺寸参数包括纳米砖的长度L、宽度W、高度H、单元结构基底边长C；

所述步骤6)中，所述超表面阵列结构由衬底(2)和刻蚀在所述衬底(2)上的纳米砖阵列构成；所述衬底(2)材料选用二氧化硅，所述纳米砖单元结构(1)材料选用二氧化钛。

3.根据权利要求2所述的基于超表面阵列结构的灰度掩模复用方法，其特征在于：所述步骤1)中工作波长选用365nm；所述工作波长选用365nm时，纳米砖的长度L为150nm，宽度W为60nm，高度H为190nm，单元结构基底边长C为200nm。