[论文解读] Transparent matte surfaces enabled by asymmetric diffusion of white light

Hongchen Chu, Xiang Xiong+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2023

Metamaterials and Metasurfaces ApplicationsMaterials Science被引用 3

一句话总结

本文提出了一种新颖的光学超表面设计，通过实现白光的非对称散射，使表面在保持透明的同时呈现哑光外观——在可见光谱范围内最大化反射方向的散射，同时最小化透射方向的散射。利用工业规模的光刻技术，作者展示了可基于环境光照条件在透明与哑光外观之间切换的宏观尺度表面，实现了清晰、无眩光的透明显示，具备宽视角和全彩能力。

ABSTRACT

The traditional wisdom for achieving transparency is to minimize disordered scattering within and on the surface of materials, so as to avoid translucency. However, the lack of disordered scattering also deprives the possibility of achieving a matte surface, resulting in the specular reflection and glare on transparent materials as a severe light pollution issue. In this work, we propose a solution utilizing optical metasurfaces1-2 to overcome this long-existing dilemma. Our approach leverages an asymmetric background in metasurface design to achieve highly asymmetric diffusion of white light, maximizing diffusion in reflection while minimizing it in transmission across the entire visible spectrum. Using industrial lithography, we have created macroscale transparent matte surfaces with both strong matte appearance and clear transparency, defying the conventional belief that these two optical features are incompatible. These surfaces provide a remarkable phenomenon of switching between transparent or matte appearances via the brightness contrast between the front and rear ambient lights. They also support a unique application in transparent displays and augmented reality, offering perfectly preserved clarity, wide viewing angles, full color, and one-sided displays capabilities. Our findings usher in a new era of optical materials where the desirable properties of both transparent and matte appearances can be seamlessly merged.

研究动机与目标

• 解决光学材料中透明性与哑光外观之间长期存在的权衡问题。
• 消除透明表面的镜面反射与眩光，这是光污染的主要来源之一。
• 实现单一材料根据环境光照条件在透明与哑光外观之间动态切换。
• 支持高性能透明显示，具备全彩、宽视角和单侧可视性。
• 在单一可扩展材料系统中融合透明与哑光表面的优良光学特性。

提出的方法

• 设计具有非对称背板结构的光学超表面，以诱导白光的强非对称散射。
• 通过工程设计使超表面在全可见光谱范围内最大化漫反射，同时最小化透射散射。
• 利用工业规模的光刻技术制造宏观尺度的透明哑光表面。
• 利用正面与背面环境光照之间的亮度对比，实现透明与哑光外观之间的动态切换。
• 优化超表面几何结构以实现全宽带、白光工作和均匀的色彩再现。
• 通过在不同照明条件下对反射与透射特性进行光学表征，验证性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一光学材料能否在不损害清晰度的前提下，同时实现高透明度与强哑光外观？
• RQ2 通过工程化非对称光散射，能否将透明性与镜面反射解耦？
• RQ3 如何利用宏观尺度、工业级的制造工艺实现可见光波段复杂超表面设计？
• RQ4 透明表面的外观能否根据环境光照条件动态地在哑光与透明之间切换？
• RQ5 由非对称散射所支持的透明哑光显示，在色彩保真度和视角方面存在何种极限？

主要发现

• 该超表面在全可见光谱范围内，于反射方向呈现强哑光外观，同时在透射方向保持高透明度。
• 表面根据正面与背面环境光照的亮度对比，可实现透明与哑光外观之间的动态切换。
• 成功利用工业规模光刻技术制造出光学性能一致的宏观尺度透明哑光表面。
• 该设计实现了单侧可视的全彩透明显示，具备宽视角，且无眩光。
• 非对称散射机制保持了图像清晰度，适用于增强现实与透明显示等应用。
• 该方法从根本上克服了传统光学材料中透明性与哑光外观之间的固有不相容性。