基于贝里相位超颖表面的多平面全息复用方法技术

本发明专利技术公开的基于贝里相位超颖表面的多平面全息复用方法，属于微纳光学和全息复用应用领域。本发明专利技术利用3D‑Fienup算法实现相位恢复，将不同图像的再现位置取不同的数值，获得包含全部信息的计算机生成全息图；选取金属偶联极子作为贝里相位超颖表面结构单元，基于贝里相位的调制原理实现相位调制，通过编码与原相位共轭的全息相位剖面，使偏振状态成为复用途径，实现圆偏振选择的全息复用通道；制作出记录计算机生成全息图的超颖表面相位片，选取与其手性正交的出射圆偏振光，光学再现出所记录的三维物体或波面。本发明专利技术提供可见光和近红外波段的亚波长像素、超薄、大视场角、大容量的全息复用方法，此外，能够有效降低串扰、实现圆偏振选择性的全息复用。

【技术实现步骤摘要】
基于贝里相位超颖表面的多平面全息复用方法
本专利技术涉及一种多平面全息复用方法，尤其涉及一种基于贝里相位超颖表面的3D-Fienup全息复用方法，属于微纳光学和全息复用应用

技术介绍
全息技术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实三维图像的技术。通常，全息图记录的并不是一幅图像，而是看似“随机分布”的一系列振幅和相位的分布。全息图的记录可由物体表面的散射光与参考光束相干涉得到；而全息图的再现只需利用参考光波照射全息图，即可重构出虚拟的三维信息。近年来，基于全息技术的应用研究取得很大发展，在立体显示、干涉测量、数据存储、医疗成像、遥感成像、图像处理和识别等方面具有广泛的应用。超颖表面通常是由亚波长尺寸的周期、准周期或随机排列的纳米天线阵列构成，其厚度远小于光波长。通过对超颖单元的设计，使其产生强烈的电磁辐射，对辐射场的相位、振幅、偏振等进行人为调控，基于这样的纳米天线阵列可逐点调控出射光场的波前，从而产生特殊的近远场光学效应。与体超颖材料相比，超颖表面的二维特性能够减小光场与其相互作用的欧姆损耗以及结构对微纳加工工艺的挑战。超颖表面最显著的优点包括：超薄化、超小像素和宽带特性，因此，超颖表面作为一种新型的、紧凑的相位调制器件，有可能在光存储、集成光电子学和量子信息处理等领域获得重要的应用。当前，全息技术中的一个前沿热点领域是将全息原理与微纳光学结合，使全息器件微型化，用以增大信息容量、实现更好的波前操纵等。近些年已报道一些研究成果，如基于表面等离激元记录和显示全息图像、光束整形、数据存储、全息显微成像等。在这一背景下，基于超颖材料或超颖表面实现全息的方案也被陆续提出。已报道的超颖表面研究工作缺乏对光场振幅和相位的独立调控，且器件制备需要依赖于复杂的微纳加工工艺，难以实现可见光波段的全息应用。因此，有必要研究一类新型的超颖表面，利用其简洁的相位调控机理，实现可见光波段的三维相位全息，并克服传统全息面临的挑战，如带宽窄、视场角小、存在多级衍射级次串扰、零级背景光和孪生像等问题。为了提高全息图的容量，在不增加像素数目的情况下，在一张全息图内同时记录两个或者多个物体的技术称之为全息复用技术。通常需要构造新的编码单元，例如对迂回相位计算全息图，在一个编码单元内绘制4个小的矩孔，引入多个自由参数，分别记录多个物体的频谱，增加了编码单元设计的复杂性。由于必须同时考虑全息图的再现质量和信息容量两个方面，目前只有少数全息复用算法被提了出来。现有的全息复用算法一般将不同再现像对应的波前直接叠加在一起，而这会导致出现较大的串扰。另一方面，现有的全息复用算法只能重构少量的图像，信息容量较小，无法满足诸如信息存储和加密等实际应用的需要，且运算量较大，速度慢，远远无法满足实时性的要求。
技术实现思路
针对现有全息复用技术存在的下述技术问题：串扰较大、信息容量较小、运算量较大、不能满足实际应用需要。本专利技术公开的基于贝里相位超颖表面的多平面全息复用方法要解决的技术问题是：提供一种可见光和近红外波段的亚波长像素、超薄、大视场角、大容量的全息复用方法，此外，所述的全息复用方法能够有效降低不同再现像之间的串扰，并且能够实现圆偏振选择性的全息复用。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：为了获得再现物体所对应的计算机生成全息图(CGH)，首先需要选择所要再现的三维物体或波面，按抽样定理进行采样，给出其数学描述或者离散数据，之后使用合适的相位恢复算法来获得这一物体在全息图上的光场相位分布。若需要实现单一全息图再现多个不同物体，则需要对相位恢复算法按相应的要求进行调整，把不同物体的全息图合成在一起，以实现全息复用。本专利技术公开的基于贝里相位超颖表面的多平面全息复用方法，包括如下步骤：步骤一：利用3D-Fienup算法来实现相位恢复，将不同图像的再现位置取不同的数值，以获得包含不同再现位置的多个物体的全部信息的计算机生成全息图(CGH)。所述的相位恢复，又称PR(phaseretrieval)，相位恢复需要利用光场的衍射模型，对输入光场进行衍射计算，得到输出面光场的强度分布，接着，将计算得到的输出面的光场强度与目标场强数据进行比较，以输出面的光场强度与目标场强之间的误差最小为准则，通过搜索或者迭代的方式找到最符合目标场强数据的相位分布。在计算相位全息图时，一般采用迭代法，比较常用的迭代算法有GS(Gerchberg–Saxton)算法及其改进算法Fienup算法和Fidoc算法。GS算法是一种迭代算法，与通过衍射公式直接计算物光波衍射传播到全息图所在平面的解析方法不同，GS算法在全息图平面和物体平面之间构建一个迭代循环，并通过振幅替换在循环中不断优化全息图，最终获得能够满足设计需求的计算机生成全息图(CGH)。在二维GS算法中，光的传播过程是针对夫琅和费衍射，使用傅里叶变换来进行模拟的。在振幅替换过程中使用目标图像的振幅分布T来取代计算得到的振幅分布F。但是传统的二维GS算法只能输出一个无限远平面的重建图像，对于多个平面组成的三维物体，需要用到三维GS算法。三维GS算法中，全息图需要记录三维物体精确的位置信息，再现像位于菲涅耳衍射域，光的传播过程不再使用二维GS算法中的傅里叶变换，而是使用菲涅耳衍射传播公式来进行模拟。菲涅耳衍射传播公式如公式(1)所示：式中U0和Ud分别代表全息面和物平面上的复振幅；x0，y0和x，y分别表示全息面和物平面上的空间坐标，j为虚数单位，k为波矢，d表示全息面和物平面之间的距离,λ则为波长。公式(1)在计算机中可以转换为傅里叶变换的形式，即公式(2)，使用快速傅里叶变换的相关算法来进行加速计算：式中字母所代表的物理量与公式(1)中对应字母相同。使用公式(2)即可较为方便快捷的用菲涅耳衍射传播公式来模拟光的传播过程，并在不依赖于任何参考光的情况下，计算出单个物体的三维信息在全息图上的光场相位分布。利用3D-Fienup算法来实现相位恢复，3D-Fienup算法作为三维GS算法的改进和发展，3D-Fienup算法的特点是在物平面进行振幅替换时引入一个反馈函数：Tn＝T+|T-Tn’|κ，其中T代表目标图像，Tn’是由n次迭代所得到的振幅信息，在物平面用Tn替代Tn’即可完成振幅替换。通过适当选择该公式中的κ值，反馈操作能够更高效地限制振幅，加快收敛速度。使用3D-Fienup算法，能够在不改变相位分布的情况下，通过每个物平面上进行的振幅替换和在全息平面上进行振幅归一化来进一步优化全息图的相位分布，以便得到一个能够在不同位置的平面上重建不同目标图像的纯相位全息图。所述的3D-Fienup算法是一种串行迭代算法，每个目标图像的位置和振幅是生成全息图的关键信息，通过调节反馈函数中的参数κ，能够改善不同再现平面上图像的再现质量，以便改善图像质量的均匀性和平均图像质量。步骤一具体实现方法包括如下步骤：步骤1.1：初始化全息面，在循环迭代开始前，把全息图的相位设置为随机相位，振幅设置为全平面等于1。步骤1.2：模拟从全息面到第一个物平面的传播过程，使用菲涅耳衍射传播公式(2)来计算第一个物平面的复振幅。其中U0和Ud分别代表全息面和物平面上的复振幅；x0，y0和x，y分别表示全息面和物平面上的空间坐标，j为虚数单位，k为波本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于贝里相位超颖表面的多平面全息复用方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：利用3D‑Fienup算法来实现相位恢复，将不同图像的再现位置取不同的数值，以获得包含不同再现位置的多个物体的全部信息的计算机生成全息图(CGH)；步骤二：根据步骤一得到的计算机生成全息图(CGH)，选取金属偶联极子作为贝里相位超颖表面结构单元，基于贝里相位的调制原理实现相位调制，通过编码与原相位共轭的全息相位剖面，使偏振状态成为复用途径，实现圆偏振选择的全息复用通道，进一步增加全息图的信息容量；步骤三：利用标准的电子束刻蚀的微纳加工工艺，制作出以步骤二所述的金属偶联极子作为贝里相位超颖表面结构单元的记录步骤一所述计算机生成全息图的超颖表面相位片，利用不同手性的圆偏振光入射，选取与其手性正交的出射圆偏振光，光学再现出所记录的三维物体或波面。

【技术特征摘要】
1.基于贝里相位超颖表面的多平面全息复用方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：利用3D-Fienup算法来实现相位恢复，将不同图像的再现位置取不同的数值，以获得包含不同再现位置的多个物体的全部信息的计算机生成全息图(CGH)；步骤二：根据步骤一得到的计算机生成全息图(CGH)，选取金属偶联极子作为贝里相位超颖表面结构单元，基于贝里相位的调制原理实现相位调制，通过编码与原相位共轭的全息相位剖面，使偏振状态成为复用途径，实现圆偏振选择的全息复用通道，进一步增加全息图的信息容量；步骤三：利用标准的电子束刻蚀的微纳加工工艺，制作出以步骤二所述的金属偶联极子作为贝里相位超颖表面结构单元的记录步骤一所述计算机生成全息图的超颖表面相位片，利用不同手性的圆偏振光入射，选取与其手性正交的出射圆偏振光，光学再现出所记录的三维物体或波面。2.根据权利要求1所述的基于贝里相位超颖表面的多平面全息复用方法，其特征在于：步骤一具体实现方法包括如下步骤，步骤1.1：初始化全息面，在循环迭代开始前，把全息图的相位设置为随机相位，振幅设置为全平面等于1；步骤1.2：模拟从全息面到第一个物平面的传播过程，使用菲涅耳衍射传播公式(2)来计算第一个物平面的复振幅；其中U0和Ud分别代表全息面和物平面上的复振幅；x0，y0和x，y分别表示全息面和物平面上的空间坐标，j为虚数单位，k为波矢，d表示全息面和物平面之间的距离；步骤1.3：使用3D-Fienup算法的反馈函数Tn＝T+|T-Tn’|κ对第一个物平面进行振幅替换，其中T代表目标图像，Tn’是由n次迭代所得到的振幅信息，在物平面只保留步骤1.2计算所得复振幅的相位信息，用Tn替代Tn’即可完成振幅替换；通过适当选择该公式中的κ值，反馈操作能够更高效地限制振幅，加快收敛速度；步骤1.4：模拟从第一个物平面到全息面的逆传播过程，使用菲涅耳衍射传播公式(2)的逆形式，即调换U0和Ud以及x0，y0和x，y在公式中的位置，并改变d的正负，计算全息面的复振幅；步骤1.5：把全息面的振幅归一化，只保留步骤1.4计算所得复振幅的相位信息，而把振幅设置为全平面等于1；步骤1.6：模拟从全息面到第二个物平面的传播过程，使用菲涅耳衍射传播公式(2)来计算第二个物平面的复振幅；步骤1.7：使用3D-Fienup算法的反馈函数对第二个物平面进行振幅替换，只保留步骤1.6计算所得复振幅的相位信息，而用目标振幅Tn2替换其振幅；步骤1.8：模拟从第二个物平面到全息面的逆传播过程，使用菲涅耳衍射传播公式的逆形式来计算全息面的复振幅；步骤1.9：把全息面的振幅归一化，只保留步骤1.8计算所得复振幅的相位信息，而把振幅设置为全平面等于1；步骤1.10：经过步骤1.1至1.9的迭代处理之后，即完成前两个再现面与全息面之间的迭代过程，将两个不同再现位置的不同图像所包含的信息编码到全息图中，且回到最初的运算起点，即全息面处，若还有更多的再现面，只需在每个循环内加入相应迭代过程即可，此时若未达到预设的循环次数且不满足预设的出口条件，需重复步骤1.2到1.9实现循环迭代；当达到预设的循环次数，或满足预设的出口条件时，则停止循环迭代，获得包含不同再现位置的多个物体的全部信息的计算机生成全息图(CGH)；利用上述步骤1.1至步骤1.10串行程序结构的3D-Fienup算法，即能够得到最终的计算机生成全息图(CGH)，包含不同再现位置的多个物体的全部信息；通过选取多个不同的图像，仅需将不同图像的再现位置取不同的数值，即能够实现同一手性圆偏振光入射下，在菲涅耳衍射区的不同空间位置分别出现前、后再现的全息图，实现空间复用。3.根据权利要求1或2所述的基于贝里相位超颖表面的多平面全息复用方法，其特征在于：步骤二中基于贝里相位的调制原理实现相位调制的具体方法为：根据步骤一得到的计算机生成全息图(CGH)，将上述全息图光场分布的相位信息编码成超颖表面中纳米天线的方位角排布；在实...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄玲玲，魏群烁，王涌天，李晓炜，刘娟，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11