一种高密度图像集成的超构表面器件的设计及制备方法

技术领域

本发明涉及图像集成技术领域，尤其是一种高密度图像集成的超构表面器件的设计及制备方法。

背景技术

信息的高密度一方面要求器件的微型化，另一方面要求信息容量尽可能大。目前的微型化器件以亚波长尺度的超构表面为代表；现有提升超构表面信息容量的方式包括：多路复用像素，相干像素，动态材料等。但是这些方式存在调控光场的自由度单一，图像器件的信息容量不够高的缺陷。

综上所述，相关技术存在的问题亟需得到解决。

发明内容

本发明的目的在于至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明实施例的一个目的在于提供一种高密度图像集成的超构表面器件的设计及制备方法。

为了达到上述技术目的，本发明实施例所采取的技术方案包括：

一方面，提供一种高密度图像集成的超构表面器件的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

预设五组入射光场的入射条件；

根据所述入射条件，通过预设方程获取像素具体参数；

获取五幅二值图像；将所述五幅二值图像设置为相同的大小和分辨率；

根据所述五幅二值图像，获取对应的像素填充矩阵；

根据所述像素填充矩阵完成超构表面的预设。

进一步地，所述预设五组入射光场的入射条件，包括以下至少之一：

预设所述五组入射光场的波长；

预设所述五组入射光场的入射角；

预设所述五组入射光场的偏振。

进一步地，所述根据所述入射条件，通过预设方程获取像素具体参数，包括：

根据所述五组入射光场的波长和入射角，通过预设方程获取像素具体参数；

所述预设方程为：

其中，I表示光强,γ,θ,λ表示入射光的偏振、入射角和波长，i是虚数单位，

进一步地，所述根据所述像素填充矩阵完成超构表面的预设，包括：

根据所述像素填充矩阵，确定超构表面中纳米柱的设置参量；

根据所述设置参量完成超构表面的预设。

进一步地，包括以下步骤：

将切取到的SOI片和石英片进行清洗；

在清洗后的SOI片的上层生长氧化硅保护层；

在所述SOI片的底层上甩上一层紫外固化胶，将清洗后的石英片贴在所述紫外固化胶上；

将所述SOI片的顶层Si进行研磨减薄；

将所述顶层Si进行蚀刻，并通过浸泡氢氟酸溶解所述氧化硅保护层，得到石英片上的单晶硅衬底；

在所述单晶硅衬底表面甩上一层电子束负胶；

通过溅射仪给甩完胶的单晶硅衬底镀上一层30nm的铝；

通过电子束直写设备，对所述单晶硅衬底进行曝光；

将曝光后的单晶硅衬底浸泡在显影液中；

通过电感耦合等离子体刻蚀系统刻蚀未写结构的部分，得到高密度图像集成的超构表面器件。

进一步地，所述在所述SOI片的底层上甩上一层紫外固化胶，将清洗后的石英片贴在所述紫外固化胶上这一步骤，具体包括：

以4000r/min的转速在SOI片底层均匀地甩上一层紫外固化胶；

将清洗后的石英片贴上去，获得转移片；

对所述转移片的石英片一面进行4h的紫外灯照射；

将所述转移片放进50度恒温干燥箱烘烤3天以上。

进一步地，所述将所述SOI片的顶层Si进行研磨减薄这一步骤，具体包括：

通过pm6研磨机，把所述转移片最上层的SOI的顶层Si研磨减薄到30-50um。

进一步地，所述将所述顶层Si进行蚀刻，并通过浸泡氢氟酸溶解所述氧化硅保护层，得到石英片上的单晶硅衬底这一步骤，具体包括：

通过电感耦合等离子体刻蚀系统将所述转移片顶层的Si全部刻掉；

将刻蚀后的转移片浸泡在体积浓度为10％的氢氟酸中5-6min，去掉SOI片中的氧化硅保护层，得到石英片上500nm厚的单晶硅衬底。

进一步地，所述在所述单晶硅衬底表面甩上一层电子束负胶这一步骤，具体包括：

使用4000r/min的转速在所述单晶硅层表面甩上厚度为200nm的电子束负胶；

通过90摄氏度的热板，对所述电子束负胶烘烤3min。

进一步地，所述将曝光后的单晶硅衬底浸泡在显影液中这一步骤，具体包括：

将曝光后的单晶硅衬底浸泡在TMAH溶液中2min，取出后在去离子水中浸泡1min以去掉多余的显影液。

本发明公开了一种高密度图像集成的超构表面器件的设计及制备方法，具备如下有益效果：

1)更大的信息容量：通过本实施例所制得的超构表面器件有着更大的信息容量，在保证信息密度的前提下，实现了五幅平面图像的集成。

2)可灵活选取光场控制参数，在对入射光参数进设计的时候可以采用任意的参数组合。

3)设计灵活简单，通过设计32组基本的像素，就能在此基础上实现任意五幅二值图像的集成，可以设计出不同的图像集成器件而不需要更复杂的计算量，提高了设计效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员来说，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1为本申请实施例中提供的一种高密度图像集成的超构表面器件的设计方法的流程示意图；

图2为本申请实施例中提供的一种高密度图像集成的超构表面器件的制备方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种超构表面器件的基本结构单元的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的单个像素的空间分布图；

图5为本发明实施例提供的32种像素的排列顺序图；

图6为本发明实施例提供的像素的远场散射的仿真结果图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明实施例的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数，“至少一个”是指一个或者多个，“以下至少一项”及其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项或复数项的任意组合。如果有描述到“第一”、“第二”等只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

需要说明的是，本发明实施例中设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明实施例中的具体含义。例如，术语“连接”可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。

在本发明实施例的描述中，参考术语“一个实施例/实施方式”、“另一实施例/实施方式”或“某些实施例/实施方式”、“在上述实施例/实施方式”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少两个实施例或实施方式中。在本公开中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的示实施例或实施方式。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或实施方式中以合适的方式结合。

需要说明的是，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

超构表面的重要应用之一在图像显示领域。在可见光波段，其人工原子的尺寸可以做到纳米量级，在这样极高的分辨率之下，可以实现较高的信息存储密度。微纳结构对光场的响应会随着入射光场的振幅、波长、角度、偏振等参数的变化以及结构的形状和尺寸的不同呈现不同的振幅和相位响应系数。通过对纳米棒的结构参数进行精密的设计，再将不同结构参数的纳米棒组合成一个完整的超构表面器件，可以对光场进行精密调控，进而使出射的光场具备想要的任意强度分布，使用物镜收集出射光再投射到CCD相机上，就能够观察到图像。通过一些复用技术，可以在同一个单层超构表面上实现多幅图像的集成，比如在几组不同的入射条件下，可以分别在其结构面观察到不同的图像。当今是信息爆炸的时代，人们对信息存储器件的信息密度和安全性的要求与日俱增，高密度的超构表面图像显示-存储器件为人们提供了一种具有巨大潜力的信息处理方式。

图1是本申请实施例提供的一种高密度图像集成的超构表面器件的设计方法的流程图，设计方法包括但不限于步骤101至步骤105。

步骤101、预设五组入射光场的入射条件；

步骤102、根据所述入射条件，通过预设方程获取像素具体参数；

步骤103、获取五幅二值图像；将所述五幅二值图像设置为相同的大小和分辨率；

步骤104、根据所述五幅二值图像，获取对应的像素填充矩阵；

步骤105、根据所述像素填充矩阵完成超构表面的预设。

进一步地，所述预设五组入射光场的入射条件，包括以下至少之一：

预设所述五组入射光场的波长；

预设所述五组入射光场的入射角；

预设所述五组入射光场的偏振。

进一步地，所述根据所述入射条件，通过预设方程获取像素具体参数，包括：

根据所述五组入射光场的波长和入射角，通过预设方程获取像素具体参数；

所述预设方程为：

其中，I表示光强,γ,θ,λ表示入射光的偏振、入射角和波长，i是虚数单位，

进一步地，所述根据所述像素填充矩阵完成超构表面的预设，包括：

根据所述像素填充矩阵，确定超构表面中纳米柱的设置参量；

根据所述设置参量完成超构表面的预设。

参照图3，图3为通过上述制备方法制得的超构表面器件的基本结构单元，下面以该结构单元为例阐述超构表面器件的设计方法。

结构单元中的氧化硅衬底的折射率为1.46.超构表面的基本最小重复单元由5个纳米硅柱组成，具有相同的长宽高，分别是160nm,40nm,600nm。五个纳米柱的横纵坐标分别用(x

纳米柱横坐标x由目标成像强度决定，如图所示的5个纳米棒组成的单个像素单元的出射电场表达式推导如下：

首先考虑光场从下方也就是衬底一方入射，具有一定的波长λ，偏振σ＝γi(γ＝1,-1,0，分别表示右旋/左旋圆偏振，沿x方向的线偏振)，入射角度θ(入射光沿x-z平面入射，θ是波矢k与z轴的夹角)。在透射光场一端，收集沿z轴出射的(使用数值孔径NA＝0.1的物镜收集出射光)、偏振态与入射偏振态正交的光场分量。

当入射光为圆偏振光σ＝γi(γ＝±1)的情况下，上图所示单元的出射光强为：

公式中，I表示光强,γ,θ,λ表示入射光的偏振、入射角和波长，i是虚数单位，

当入射光的偏振沿x方向时像素的出射光场表达式如下：

通过以上两个公式可以看出，电场经过超构表面单元结构后，透射电场的强度受到入射条件和纳米柱的坐标-转角的影响。通过对结构进行精细的设计，可以在不同的入射条件下，使超构表面单元呈现不同的强度。将不同的超构表面像素单元进行组合，可以得到超构表面图像集成器件。经过计算和测试，设计的5个纳米棒组成的超构表面基本像素结构，能够实现5幅二值图像的集成。

为了实现5幅二值图像的集成，需要设计在5种不同的入射条件下能够分别呈现“亮”、“暗”状态的基本像素。5组入射条件的选取为：

表1

因为选用的固定尺寸的纳米柱在633nm具有最高的透射光的偏振转换效率，所以我们统一选用633nm的波长。如果使用其他尺寸的纳米柱或者换用更高效的材料的话，在此也可以选用其他波长。

集成的5幅二值图像分别对应以上5组入射条件。对于位于超构表面图像器件中一特定位置的像素，在5组不同的入射条件下，会有5组不同的出射光场强度表达式：

对于二值图像，出射光场的强度有两种情况吗，分别是0或1，上述强度的表达式的最大值和最小值分别为0和25.当同时考虑5个方程的时候，对同一个像素在5个入射条件下，不能同时取到0或者25的极值，经过调节参数优化运算，同时考虑到最终的成像效果需要足够高的亮暗对比度，最终选定了亮、暗态的目标强度为0.5和10附近，这样最终成像的亮暗对比度也至少有10/0.5＝20。对于一个基本像素，通过把1-5组的入射条件带入，得到如下方程组：

通过求解2

表2

参照图3，图3是单个像素在空间中的分布，将32种像素按照图4的顺序进行排列。然后把像素的gds版图文件导入到FDTD中计算。

参照图5，图4是使用仿真软件FDTD Solutions对像素的远场散射的仿真结果。对照像素结构参数表和像素的排列方式图，不难看出，计算得到的32种基本像素在5组入射条件下的远场散射结果与理论相符。

图2是本申请实施例提供的一种高密度图像集成的超构表面器件的制备方法的流程图，制备方法包括但不限于步骤201至步骤209。

一种高密度图像集成的超构表面器件的制备方法，包括以下步骤：

步骤201、将切取到的SOI片和石英片进行清洗；

步骤202、在清洗后的SOI片的上层生长氧化硅保护层；

步骤203、在所述SOI片的底层上甩上一层紫外固化胶，将清洗后的石英片贴在所述紫外固化胶上；

步骤204、将所述SOI片的顶层Si进行研磨减薄；

步骤205、将所述顶层Si进行蚀刻，并通过浸泡氢氟酸溶解所述氧化硅保护层，得到石英片上的单晶硅衬底；

步骤206、在所述单晶硅衬底表面甩上一层电子束负胶；

步骤207、通过电子束直写设备，对所述单晶硅衬底进行曝光；

步骤208、将曝光后的单晶硅衬底浸泡在显影液中；

步骤209、通过电感耦合等离子体刻蚀系统刻蚀未写结构的部分，得到高密度图像集成的超构表面器件。

进一步作为可选的实施方式，在步骤在所述单晶硅衬底表面甩上一层电子束负胶之后，还包括以下步骤：

通过溅射仪给甩完胶的单晶硅衬底镀上一层30nm的铝。

具体地，为了增强衬底的导电性，使用溅射仪给甩完胶的单晶硅镀上一层厚度30nm左右的铝。

进一步作为可选的实施方式，所述将切取到的SOI片和石英片进行清洗这一步骤，具体包括：

切取面积为1cm*1cm的SOI片以及2cm*2cm的石英片；

将所述SOI片和所述石英片浸泡在浓H2SO4与过氧化氢混合的溶液中10min；

将所述SOI片和所述石英片取出后，用去离子水进行冲洗；

对所述SOI片和所述石英片进行超声清洗10min，并吹干。

具体地，首先切取面积约为1cm*1cm的SOI片以及2cm*2cm的石英片，将其浸泡在浓H2SO4与过氧化氢的体积比为3:1的溶液中10分钟，然后取出，过2道去离子水后，按照丙酮-异丙醇-去离子水的顺序分别对片子超声10分钟。最后取出，吹干。

其中，浓硫酸，是质量分数大于或等于70％的硫酸水溶液，俗称坏水。浓硫酸具有强腐蚀性：在常压下，沸腾的浓硫酸可以腐蚀除铱和钌之外所有金属，其可以腐蚀的金属单质种类的数量甚至超过了王水。硫酸在浓度高时具有强氧化性，这是它与稀硫酸最大的区别之一。同时它还具有脱水性，难挥发性，酸性，吸水性等。与硝酸相似，还原产物受还原剂种类及量影响可能为二氧化硫，硫单质或硫化物。

进一步作为可选的实施方式，所述在清洗后的SOI片的上层生长氧化硅保护层这一步骤，具体包括：

使用电感耦合等离子体化学气相沉积系统在清洗后的SOI片的上层生长300nm-400nm厚的氧化硅保护层。

进一步作为可选的实施方式，所述在所述SOI片的底层上甩上一层紫外固化胶，将清洗后的石英片贴在所述紫外固化胶上这一步骤，具体包括：

以4000r/min的转速在SOI片底层均匀地甩上一层紫外固化胶；

将清洗后的石英片贴上去，获得转移片；

对所述转移片的石英片一面进行4h的紫外灯照射；

将所述转移片放进50度恒温干燥箱烘烤3天以上。

其中，紫外固化胶，又称UV光固化胶，是一种单组份，不含溶剂，UV和可见光固化的粘接胶和密封胶，它可以用各种广泛的光源固化，如点光源、脉冲光源和高密度灯。

进一步作为可选的实施方式，所述将所述SOI片的顶层Si进行研磨减薄这一步骤，具体包括：

通过pm6研磨机，把所述转移片最上层的SOI的顶层Si研磨减薄到30-50um。

进一步作为可选的实施方式，所述将所述顶层Si进行蚀刻，并通过浸泡氢氟酸溶解所述氧化硅保护层，得到石英片上的单晶硅衬底这一步骤，具体包括：

通过电感耦合等离子体刻蚀系统将所述转移片顶层的Si全部刻掉；

将刻蚀后的转移片浸泡在体积浓度为10％的氢氟酸中5-6min，去掉SOI片中的氧化硅保护层，得到石英片上500nm厚的单晶硅衬底。

进一步作为可选的实施方式，所述在所述单晶硅衬底表面甩上一层电子束负胶这一步骤，具体包括：

使用4000r/min的转速在所述单晶硅层表面甩上厚度为200nm的电子束负胶；

通过90摄氏度的热板，对所述电子束负胶烘烤3min。

进一步作为可选的实施方式，所述将曝光后的单晶硅衬底浸泡在显影液中这一步骤，具体包括：

将曝光后的单晶硅衬底浸泡在TMAH溶液中2min，取出后在去离子水中浸泡1min以去掉多余的显影液。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。