一种基于超表面材料的近远场双通道图像显示方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超表面材料的近远场双通道图像显示方法，它利用二维码图像识别冗余度、强度调制冗余度和全息设计冗余度，这多种冗余度所赋予的额外设计自由度，通过精心设计纳米结构的转向角，在一片由单种纳米结构组成的超表面的结构表面编码二维码图案的同时，在远场实现无孪生像全息图像的再现。本发明专利技术的方法具有很强的扩展性和鲁棒性，不仅拓展到其他的光学平台和工作波段，还可以适用于大面积加工和生产。且由于在近场和远场成像方式不同，其解码条件不同，因此本发明专利技术在高端防伪、图像显示等领域具有广泛的应用前景。图像显示等领域具有广泛的应用前景。图像显示等领域具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超表面材料的近远场双通道图像显示方法


[0001]本专利技术属于微纳光学
，尤其涉及一种基于超表面的近远场双通道图像显示方法。

技术介绍

[0002]超表面由于具有超强的光波操控能力，能够对振幅、相位和偏振进行精密调控，是当前高性能、大容量、多功能光学平台的首选。近年来，基于超表面材料的图像显示技术由于其轻量级，小型化，大容量，高密度等特性得到了国内外学者的广泛关注。如2018年，Bao等人通过设计多种纳米结构组成的相关像素，在一片超表面材料表面编码了两幅二维码，通过特定的波长，入射角度来实现两幅二维码图像的解码。同年，Zhang等人在一束激光中编码了一幅二维码图像，需要借助检偏器来实现图像的解码。此外，也有研究者提出了许多基于超表面材料的全息图像显示技术，通过优化设计纳米结构的材料、尺寸及排布方式，在远场实现目标全息图像的再现。此后，有研究者充分挖掘纳米结构中的多种调控自由度，基于由单种纳米结构、变尺寸纳米结构或者叠层结构组成的一片超表面同时实现了近场图像和远场图像的显示。
[0003]本专利技术提出了一种新的超表面近远场双通道图像显示技术。利用单种纳米结构进行超表面阵列排布设计，以实现在超表面材料的表面(近场)编码一幅二维码图像的同时，可以在远处再现一幅无孪生像的全息图像。这种新型的图像显示技术丰富了图像显示的研究领域，也在高端防伪、图像隐藏等领域具有很好的发展前景。

技术实现思路

[0004]为了解决当前基于单种纳米结构超表面实现近远场图像显示技术的限制，本专利技术的目的在于提供一种基于超表面的近远场双通道图像显示方法，它利用了图像识别、强度调制以及全息设计的冗余度，通过设计单种纳米结构的转向角，实现二值图像和无孪生像全息图像的融合，从而实现了一种新的近远场双通道图像显示技术。
[0005]为达到上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：
[0006]超表面由多个纳米砖结构单元阵列于一平面上构成，所述纳米砖结构单元由透明基底和沉积在其上的纳米砖组成。纳米砖结构单元的转向角为θ，θ取值范围为[0，π]。所述透明基底沉积有纳米砖的一面为边长为C的正方形工作面，边长C为亚波长级；所述纳米砖长L、宽W和高H均为亚波长级；根据选定的工作波长和想要的电磁响应特性，通过电磁仿真优化得到具体的几何尺寸。以单元结构直角边为x轴和y轴建立xoy坐标系，纳米砖长边为长轴、短边为短轴，纳米砖的长轴与x轴夹角为纳米砖的转向角θ。
[0007]在上述技术方案基础上，作为优选，所述的透明基底为熔融石英玻璃材料，所述的纳米砖为金、银、铝，硅等材料或利用SOI材料来设计纳米单元。
[0008]利用纳米结构的强度调控冗余度，二维码和全息图像设计的冗余度，通过排布阵列结构中每一个纳米结构的转向角，可以在一片超表面上实现二维码图像和无孪生像的全
息图像的融合。而且两种通道的信息相互独立、可以任意设计，具有很强的灵活性。本专利技术可应用于高端防伪、偏振显示、图像隐藏等领域。
[0009]本专利技术提供的一种基于超表面材料的近远场双通道图像显示方法，包括以下过程：
[0010]1)超表面由多个纳米砖结构单元阵列于一平面上构成，利用纳米砖结构单元的出射光强调制函数和二维码图像的灰度信息，得到出射光强与纳米砖结构单元的转向角在[0,180
°
]取值范围内的对应关系；
[0011]2)利用纳米砖结构单元在超表面的近场编码一幅二维码图像，由于二维码具有识别和检测的冗余度，将编码得到的二维码图像中的白像素引入一些噪点使其灰度值转变为(0，1]之间的噪点像素，二维码图像依旧能够被识别和检测出来，得到调制后的二维码图像；
[0012]3)由于出射光强调制函数具有冗余度，也即是出射光强调制函数在纳米砖转向角[0,180
°
]取值范围内为非单调函数，同一个出射强度对应多个纳米砖转向角(如果强度调制函数是cos2θ或sin2θ，则对应2个；如果强度调制函数是cos22θ或sin22θ时，则对应4个)；按照步骤2)的方法利用纳米砖结构单元的出射光强调制函数实现调制二维码图像的编码，在二维码图像中引入噪点像素，使二维码图像中白像素的灰度值类型变多，导致与调制二维码图像对应的纳米砖阵列的转向角类型变多，由此能够对应引入得到多种纳米砖转向角的候选信息，多个纳米砖转向角的引入不会改变近场的二维码图像的强度。但是，当圆偏振光入射到该超表面时，其带来的相位分布选择变多(几何相位的相位改变量与纳米砖的转向角存在线性关系)，由此也能够相应地引入得到多种几何相位分布的候选信息，根据得到的多种几何相位分布进行全息变换得到一系列相应的设计全息图像；
[0013]4)基于全息设计冗余度，同一种全息图像对应多种几何相位分布；以全息设计的保真度和二维码图像的保真度为评价指标(即是以设计全息图像与目标全息图像的误差最小为评价指标)，利用模拟退火优化算法，从多种候选的纳米砖转向角取值中挑选出最适合的一种噪点引入方式，从而实现近场二维码图像和远场无孪生像的全息图像的设计和实现。
[0014]步骤3)中，由于几何相位的相位改变量为纳米砖转角的两倍，多种候选纳米砖转向角，相应地引入多种几何相位分布的候选信息。
[0015]在上述技术方案基础上，纳米单元阵列中每个纳米单元结构都等效为一个强度调制器，出射光强能够通过改变纳米结构的转向角实现一个连续的变化。通过设计纳米结构的几何尺寸或者设置引入起偏器和检偏器的偏转向角度，出射光强与纳米砖转向角之间的函数关系可以为cos2θ、sin2θ、cos22θ、sin22θ等多种关系。为了实现目标强度分布，可以排布不同转向角的纳米砖。
[0016]具体地，若偏振方向为α1线偏光经过纳米结构后，出射光强I1可以表示为：
[0017]I1＝I0[A2cos2(θ
‑
α1)+B2sin2(θ
‑
α1)][0018]其中，I0为入射光强，A和B分别为纳米砖长轴和短轴的复透射系数或者反射系数。当纳米砖为起偏器，即A＝1、B＝0或者A＝0、B＝1时，通过设计入射线偏光的偏振方向，即可以实现出射光强调制函数为cos2θ、sin2θ。
[0019]若偏振方向为α1线偏光经过纳米结构后，再经过偏振方向为α2的检偏器，则出射光
强I2可以表示为：
[0020][0021]则通过设计α1、α2和A、B的取值，则可以实现出射光强调制函数为cos22θ、sin22θ。比如，α1＝45
°
，α2＝
‑
45
°
，A＝1，B＝
‑
1(纳米砖为半波片)则出射光强函数为cos22θ。
[0022]若选用光强调制函数cos2θ、sin2θ，需要通过优化设计，使得纳米砖具有偏振分光的特性，即沿着长轴方向入射的线偏光通过纳米砖时几乎全部被反射，沿着短轴方向入射的线偏振光通过纳米砖时几乎全部被透射。或者(和)沿着长轴方向入射的线偏光通过纳米砖时几乎全部被透射本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超表面材料的近远场双通道图像显示方法，其特征在于包括以下过程：1)超表面由多个纳米砖结构单元阵列于一平面上构成，利用纳米砖结构单元的出射光强调制函数和二维码图像的灰度信息，得到出射光强与纳米砖结构单元的转向角在[0,180
°
]取值范围内的对应关系；2)利用纳米砖结构单元在超表面的近场编码一幅二维码图像，由于二维码具有识别和检测的冗余度，将编码得到的二维码图像中的白像素引入一些噪点使其灰度值转变为(0，1]之间的噪点像素，二维码图像依旧能够被识别和检测出来，得到调制后的二维码图像；3)由于出射光强调制函数具有冗余度，也即是出射光强调制函数在纳米砖转向角[0,180
°
]取值范围内为非单调函数，同一个出射强度对应多个纳米砖转向角；按照步骤2)的方法利用纳米砖结构单元的出射光强调制函数实现调制二维码图像的编码，在二维码图像中引入噪点像素，使二维码图像中白像素的灰度值类型变多，并对应引入得到多种纳米砖转向角的候选信息；当圆偏振光入射时，相应地引入多种几何相位分布的候选信息；4)基于全息设计冗余度，同一种全息图像对应多种几何相位分布；以全息设计的保真度和二维码图像的保真度为评价指标，利用模拟退火优化算法，从多种候选的纳米砖转向角取值中挑选出最适合的一种噪点引入方式，从而实现近场二维码图像和远场无孪生像的全息图像的设计和实现。2.如权利要求1所述的一种基于超表面材料的近远场双通道图像显示方法，其特征在于所述纳米砖结构单元包括透明基底和纳米砖，透明基底放置于所述平面上，纳米砖沉积于透明基底上；纳米砖结构单元的转向角为θ，θ取值范围为[0，π]；所述透明基底沉积有纳米砖的一面为边长为C的正方形工作面，边长C为亚波长级；所述纳米砖长L、宽W和高H均为亚波长级；所述L、W和H根据选定的入射光波长通过电磁仿真优化得到；以单元结构直角边为x轴和y轴建立xoy坐标系，纳米砖长边为长轴、短边为短轴，纳米砖的长轴与x轴夹角为纳米砖的转向角θ；所述的透明基底为熔融石英玻璃材料，所述的纳米砖的材料包括金、银、铝或硅。3....

【专利技术属性】
技术研发人员：邓娟，鄢波，高凡，蔡萍根，陈乃波，吕斌，李芸，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：