撰稿|由课题组供稿
显示技术作为光电子学领域的重要分支之一在现代人类现代社会中起到至关重要的作用。近年来，三维立体显示、虚拟/增强现实、电子皮肤显示等新兴应用场景发展赋予显示技术更高的商用价值。能够主动发光的光电子元件的显示器为人们生活带来了很多的便利，同时也消耗了极大的能量。因此，依赖于外界环境光源的被动反射显示可以大幅度降低能耗，相关技术包括电子墨水屏，电润湿显示、微机械系统显示技术等。彩色显示技术有助于展示和传递丰富的图像信息，其中色彩的调控式至关重要的。纽约州立大学布法罗分校甘巧强教授领导的美中合作课题组 （主要合作者包括复旦大学武利民教授， 上海理工大学胡海峰、詹其文教授，Texas Tech大学李威教授）近期报道了在微尺度反射曲面结构（microscale concave interfaces，MCI）中产生多级彩虹环的新型干涉机制，并在此基础上提出并加工了宽色域、可调控的反射式智能显示像素阵列，研究了该结构在商用LIDAR系统中的响应[1]。这种结构色机制可以为研究光与物质相互作用，增强智能驾驶安全、传感芯片，防伪技术、被动显示技术提供新的研究方案。该文章近日以“Multiple concentric rainbows induced by microscale concave interfaces for reflective displays” 为题于Applied Materials Today 在线发表。
根据色度学的知识，我们知道“颜色”实际上是人眼对不同光谱的光信号刺激产生的生物响应。目前颜色形成的机制主要有两种，一种是颜料分子对特定光波的吸收机制，另一种源于微结构对不同波长光的选择性反射机制，又称为“结构色”。相比于颜料分子形成的颜色，结构色具有反射率高、色域宽、不易褪色、环保等优势。2019年，美国美国宾夕法尼亚州立大学A. E. Goodling等人基于复合油滴中两种有机物交界提出一种新型MCI结构[2]，并利用该结构发展了新型的显微成像技术[3]。同年，复旦大学武利民教授和甘巧强教授合作开发了能够产生结构色的大面积MCI薄膜方法[4]。以上工作均将MCI结构的颜色产生机制归因于全内反射机制，但基于现有理论都无法解释目前工作中报道的多级彩虹环现象。为了完整阐明MCI结构中的颜色产生机制，该工作基于光线追迹方法建立仿真模型，通过对经历不同全内反射次数的光线的出射方向的计算（如图2A），发现MCI结构中应该存在两种不同的产生结构色的干涉机制：入射点位于小球单侧边缘的不同反射极光线之间的极间干涉机制（multi-bouncing model），以及小球内部正、负时针方向传输的双侧光线干涉机制。将光线追迹的计算结果与光束叠加原理结合计算远场不同空间角度的反射光谱（如图2E-F）。结果表明只考虑极间干涉机制的计算结果无法解释实验中观测到的多级彩虹环现象，而同时考虑两种干涉机制的模型与图2D实验结果吻合，从而在理论上完善了MCI结构中的颜色产生机理。值得注意的是参考文献[2]认为由于MCI结构直径远大于光波长，不存在双侧光线干涉机制。对此，现工作通过对MCI样品在不同光源条件下的系统测量，证明了对于常规白光光源，双侧干涉机制在D=10微米直径的MCI结构中依然成立，并且是形成多级彩虹环的本质原因（不能被简单排除）。
基于反射多级彩虹环在不同空间方位角的颜色分布特性，新工作制备了两种具有主动调控功能的MCI颜色调控单元。将MCI薄膜与介电弹性体执行器（DEA）结合，通过DEA器件控制反射角度，进而控制颜色（如图3A-B）。该工作进一步将MCI薄膜与商用7×4机械翻转点阵模块结合，展示了将MCI薄膜应用于大规模阵列化的反射式显示的可行性（如图3C）。当观察角度不同时，显示阵列的颜色会发生显著的变化。相比于传统的单色显示模块，基于MCI结构可以实现显示颜色的主动调控。该结构有望与数字微镜阵列器件（DMD）结合实现新型微型反射显示技术。
最有趣的是，本工作还探讨了基于大面积MCI薄膜的智能交通标志在LIDAR系统中应用的可行性。现有的自动驾驶系统基于可见和红外成像两种手段确认交通状况。尤其是识别交通标志，主要依赖于可见照相机的图像识别。这类图像识别非常容易受到物理图案的迷惑而导致识别出错，继而引发交通事故。近年来由于智能驾驶判断错误引起的交通事故屡见不鲜。主要原因还是传统交通标志可供图像识别的信号非常有限。基于MCI中结构色的独特机理，UB团队演示了一种特殊的光学信号，有利于未来智能驾驶系统更加准确的判断交通标志。例如图4中所示利用MCI薄膜制备的“STOP”交通标志。当机动车由远及近行驶过程中，车辆相对交通标志的观察角度发生变化。在一个固定的路灯照明条件下，驾驶员会看到一个颜色变化的交通标志，即所谓的虹彩信号。 而对于红外LIDAR系统，红外激光光源和探测器处于汽车上的同一位置，因此照明和观测角度同时发生相同的移动，于是满足了MCI结构的逆反射条件。因此在行驶过程中，LIDAR系统得到的红外图像强度保持不变，与可见部分的变色信号显著不同。结合可见变色和红外稳定两个特性将有助于自动驾驶系统的图像识别软件对交通标志进行更准确的识别判断。
该工作由纽约州立大学布法罗分校、上海理工大学、复旦大学、得克萨斯理工大学、湖北大学合作完成，其中甘巧强教授课题组Jacob Rada博士和上海理工大学胡海峰副教授为共同第一作者，甘巧强教授为通讯作者。
https://doi.org/10.1016/j.apmt.2021.101146
[1] J. Rada, et al., Multiple concentric rainbows induced by microscale concave interfaces for reflective displays, Appl. Mater. Today 24 (2021) 101146
[2] A.E. Goodling, et al., Colouration by total internal reflection and interference at microscale concave interfaces, Nature 566 (2019) 523–527
[3] C.A.C. Chazot, et al., Luminescent surfaces with tailored angular emission for compact dark-field imaging devices, Nature Photonics 14 (2020) 310–315
[4] W. Fan, et al., Iridescence-controlled and flexibly tunable retroreflective structural color film for smart displays, Sci. Adv. 5 (2019) eaaw8755
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