基于亚波长导模共振理论的微结构阵列实现彩色图像再现的研究

This project utilizes the microstructure array based on the theory of subwavelength guided mode resonance to produce colored images. Those guided mode resonant microstructures are fabricated with the same structure but different period to filter light to meet the need for red, green and blue that served as the three primary colors to display colored images.The method has changed the traditional color ink colored image concept. Because of the excellent characteristics of guided mode resonant grating such as simple structure, high diffraction efficiency and narrowband, monochromatic light of the three primary colors with high purity can be easily achieved. Colored image can be obtained by arranged and distributed those guided mode resonant microstructures. Preliminary simulation results show that the original image can be reproduced realistic with the TE polarized incident light. Combined with chromaticity, the microstructures to extract the 'three primary colors' without the nonpolaring guided mode resonant microstructures are designed and optimized. Then, the model of the diffraction efficiency of the guided mode resonant microstructure and corresponding changes of color in the chromaticity diagram is established. And the effect of reproducing colored image with different distribution of microstructure is analyzed. Moreover, in experiment, lithography technology is explored to reproduce colored images. Owing with the advantages of resources saving, environmental protection,the method of colored image reproduction has the potential for industrial production and application in many fields,such as the printing industry、authentic preservation、anti-counterfeiting and light display.

本项目基于亚波长导模共振理论的微结构阵列实现彩色图像再现，通过结构相同仅周期不同的微结构将光分解成所需要的红、绿、蓝三色光来充当三基色，以此表现图像，改变了传统的用彩色油墨实现图像色彩的概念。由于导模共振微结构的结构简单，具有高衍射效率和窄带宽的性质，容易得到高纯度的单色光，对微结构排列分布处理即可得到彩色图像。初步仿真结果表明在TE偏振光入射下已能够较真实的还原原图像。项目结合色度学，主要研究和设计能产生三基色的无偏振特性导模共振光栅微结构；优化设计基于该微结构颜色显示的纯度设计；建立所设计的导模共振微结构的衍射效率和色品图中颜色的对应变化关系模型；软件设计分析导模共振微结构的排列组合方式对所再现图像的影响；利用光刻技术进行实验制备的探索研究。这种彩色图像再现的方法节省资源、环保，还可以实现普通油墨无法印刷的光变效果，在印刷、真迹保存、防伪、光显示等行业具有巨大的潜在应用价值。

图像是人们表达信息的一种重要手段，通过印刷技术或者微纳制造技术制作的图像可具有彩色，立体以及光变及效果，可以广泛应用于广告、产品包装、室内外装饰等领域。由结构引起的颜色效应一直广受科学家们的关注。项目基于亚波长导模共振理论的微结构阵列实现彩色图像再现，通过结构相同仅周期不同的微结构将光分解成所需要的红、绿、蓝三色光来充当三基色，以此表现图像，改变了传统的用彩色油墨实现图像色彩的概念。通过改变导模共振光栅的周期改变来调整对红、绿、蓝三色光波长的调谐，这在实际的加工中会更容易实现，降低制备难度。结合色度学，主要研究和设计导模共振光栅微结构；优化设计基于该微结构颜色显示的纯度设计；建立所设计的导模共振微结构的衍射效率和色品图中颜色的对应变化关系的数学模型，并使用matlab软件编程进行理论模拟。理论设计分析导模共振微结构的排列组合方式对所再现图像的影响；利用光刻技术进行实验制备的探索研究。探索和总结导模共振器件微结构制备工艺，并对结构性能进行改善。理论模拟光栅周期、光栅槽深、占空比、波导层厚度和折射率对共振峰间距和带宽造成的影响,并加以实验验证。针对实验过程中出现光刻胶残留现象对器件特性的影响进行了分析讨论，分析完善导模共振器件微结构制备误差的调整机理。此外，基于三基色的波长特性，借助电活性弹性体材料设计可调谐导模共振微结构，为后续进一步研究打下基础。采用微纳光学机构的印刷材料，用微纳光栅结构代替化学油墨，完全脱离传统的油墨印刷形式，为实际应用奠定基础。这种彩色图像再现的方法节省资源、环保，还可以实现普通油墨无法印刷的光变效果，在印刷、真迹保存、防伪、光显示等行业具有巨大的潜在应用价值。