CN105716637A - 一种光学编码器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种光学编码器，包括电介质层和金属层；所述金属层设置于所述电介质层的表面；所述金属层包括至少一个金属结构单元；其中，所述至少一个金属结构单元在所述电介质层上依照以预设编码方式对编码对象编码后得到的编码序列进行分布，所述至少一个金属结构单元与所述编码序列中的各元素一一对应，所述编码序列中不同元素所对应的金属结构单元的透射率和/或反射率不同。本发明利用超材料进行光学编码，在电介质层上设置与编码序列对应的金属结构单元，编码序列中不同元素所对应的金属结构单元的透射率和/或反射率不同，本发明的光学编码器结构简单、体积小、信息存储容量大、传输和读取速度快。
Description
技术领域
本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种光学编码器。
背景技术
超材料(Metamaterial)是一种人工超常电磁介质，其具备天然材料所不具有的超常电磁性质。超材料一般采用人工设计的多个金属结构单元来获得负的介电常数、负的磁导率以及负的折射率，而且这些金属结构单元的尺寸远小于电磁波的波长。超材料的性能除了与组成材料的性能有关以外，还与金属结构单元的尺寸、单元间相互作用密切相关，因此，这些金属结构单元又被称为超原子或者超分子，其应用范围涉及到隐身、成像、传感、偏振控制、光束整形、聚焦、分束、波长选择、超吸收等多种应用领域。
目前，随着智能手机的普及，一维条形码和二维条形码在当今的自动识别技术中占有重要的地位，在现代商业活动中的应用十分广泛，如商品、图书管理、广告推送、网页链接等。传统的一维条形码和二维条形码都是将宽度不等的多个黑条和空白按照一定的编码规则排列来表达某种信息，因此它们的读取不仅需要判断黑条和空白的数目，而且还需要判断黑条和白条的宽度，这就使得传统一维条形码和二维条形码存在读取速度慢、存储容量小、设计难度大的缺点。
发明内容
本发明通过提供一种光学编码器，解决了现有技术中的条形码存在的读取速度慢、存储容量小和设计难度大的技术问题。
本发明实施例提供了一种光学编码器，包括电介质层和金属层；
所述金属层设置于所述电介质层的表面；
所述金属层包括至少一个金属结构单元；
其中，所述至少一个金属结构单元在所述电介质层上依照以预设编码方式对编码对象编码后得到的编码序列进行分布，所述至少一个金属结构单元与所述编码序列中的各元素一一对应，所述编码序列中不同元素所对应的金属结构单元的透射率和/或反射率不同。
可选的，所述金属结构单元呈“二”型、“C”型、“L”型、“I”型或“H”型。
可选的，具有不同透射率和/或反射率的所述金属结构单元对应同一金属结构单元本体，且，通过将所述金属结构单元本体旋转不同角度，得到具有不同透射率和/或反射率的各个所述金属结构单元。
可选的，所述金属结构单元本体呈“二”型。
可选的，所述编码序列为一维编码序列或二维编码序列。
可选的，当所述编码序列为所述一维编码序列时，所述至少一个金属结构单元在所述电介质层上的分布方式为基于所述一维编码序列的一维分布方式。
可选的，当所述编码序列为所述二维编码序列时，所述至少一个金属结构单元在所述电介质层上的分布方式为基于所述二维编码序列的二维分布方式。
可选的，所述预设编码方式为二进制或八进制或十进制或十六进制。
可选的，所述电介质层的材料为硅或二氧化硅或三氧化二铝或二氟化镁或磷化铟或砷化镓或氮化镓。
可选的，所述金属层的材料为金或银或铝或铜。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明利用超材料进行光学编码，在电介质层上设置与编码序列对应的金属结构单元，编码序列中不同元素所对应的金属结构单元的透射率和/或反射率不同，在读码时，将入射光入射到光学编码器上，根据得到的光信号得到编码内容。本发明的光学编码器结构简单、体积小、信息存储容量大、传输和读取速度快。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中一种实施方式下的第一金属结构单元的示意图；
图2为本发明实施例中一种实施方式下的第二金属结构单元的示意图；
图3为本发明实施例中一种实施方式下的编码过程的示意图；
图4为本发明实施例中在波长为0.82μm的x偏振光入射下，金属结构单元本体旋转角度与透射率之间的相对关系图；
图5为本发明实施例中一种实施方式下金属结构单元二维分布图；
图6为本发明实施例中一种实施方式下电磁响应远场强度分布图；
图7为本发明实施例中一种实施方式下得到二维数码矩阵的示意图。
具体实施方式
为解决现有技术中的条形码存在的读取速度慢、存储容量小和设计难度大的技术问题，本发明提供一种光学编码器，利用超材料进行光学编码，在电介质层上设置与编码序列对应的金属结构单元，结构简单、体积小、信息存储容量大、传输和读取速度快。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种光学编码器，用于编码识别。该光学编码器包括电介质层1和金属层2，金属层2设置于电介质层1的表面，金属层2包括至少一个金属结构单元。其中，至少一个金属结构单元在电介质层1上依照以预设编码方式对编码对象编码后得到的编码序列进行分布，至少一个金属结构单元与编码序列中的各元素一一对应，编码序列中不同元素所对应的金属结构单元的透射率和/或反射率不同。其中，电介质层1的材料为硅或二氧化硅或三氧化二铝或二氟化镁或磷化铟或砷化镓或氮化镓，金属层2的材料为金或银或铝或铜。
在本申请中，按照预设编码方式对编码对象进行编码后能够得到编码序列。对于同一编码对象而言，根据不同的预设编码方式进行编码，得到的编码序列不同，预设编码方式可以为二进制或八进制或十进制或十六进制。通常情况下，编码对象的进位计数方式和预设编码方式不同，例如，当编码对象的进位计数方式为十进制，通常并不会再需要对编码对象进行十进制编码，因此，对应的预设编码方式也不会为十进制，预设编码方式可以为二进制。在一具体的实施例下，编码对象为十六进制数187B209，当预设编码方式为二进制时，将编码对象以预设编码方式进行编码后得到编码序列为0001100001111011001000001001，十六进制数187B209能够利用四个二进制数进行表示，在该编码序列中包含元素“0”和元素“1”。
进一步，编码序列中的各元素与电介质层1上的金属结构单元一一对应，电介质层1上的金属结构单元在电介质层1上依照编码序列进行分布，不同元素所对应的金属结构单元的透射率和/或反射率不同，本申请利用金属结构单元的透射率和/或反射率的不同作为不同元素的区分，以进行编码。例如，编码序列中的元素“1”对应第一金属结构单元，编码序列中元素“0”对应第二金属结构单元，第一金属结构单元的透射率与第二金属结构单元的透射率不同，或，第一金属结构单元的反射率与第二金属结构单元的反射率不同，当然，第一金属结构单元的透射率和反射率也可以与第二金属结构单元均不相同，从而实现对不同元素的区分。在根据透射率和/或反射率不同的金属结构单元对不同元素进行区分时，一方面，可以将透射率和/或反射率相对大的金属结构单元与元素“1”对应，并称之为“1”结构单元，同时，将透射率和/或反射率相对小的金属结构单元与元素“0”对应，并称之为“0”结构单元。另一方面，也可以将透射率和/或反射率相对大的金属结构单元与元素“0”对应，同时，将透射率和/或反射率相对小的金属结构单元与元素“1”对应，在本申请中，通过金属结构单元的透射率和/或反射率的不同能够将不同元素进行区分即可。从而，根据编码序列中的不同元素之间的排列关系，将金属结构单元在电介质层1上对应分布。
需要说明的是，对同一垂直入射光的透射率和/或反射率具有显著差异的不同金属结构单元均可以作为对应不同元素的金属结构单元，其中，对应不同元素的不同金属结构单元的透射率之比可以大于10dB，或，对应不同元素的不同金属结构单元的反射率之比大于10dB，当然，也可以选择透射率和反射率之比均大于10dB的不同金属结构单元与不同元素相对应。在一种情况下，具有不同透射率和/或反射率的不同金属结构单元可以对应不同类型的金属结构单元，该金属结构单元呈“二”型、“C”型、“L”型、“I”型或“H”型。例如，若编码序列中包含元素“0”、“1”和“2”，则，将呈“二”型的金属结构单元与元素“0”对应，将呈“C”型的金属结构单元与元素“1”对应，将呈“L”型的金属结构单元与元素“3”对应。但是，采用上述将不同的元素与不同类型的金属结构单元相对应，存在设计复杂的问题。因此，优选的，在本申请中，具有不同透射率和/或反射率的金属结构单元对应同一金属结构单元本体，通过将同一金属结构单元本体旋转不同角度得到具有不同透射率和/或反射率的各个金属结构单元，从而使得光学编码器的结构简单，易于设计。在对金属结构单元本体旋转时，可以顺时针进行旋转，也可以逆时针进行旋转。
进一步，在本申请中，金属结构单元本体可以呈“二”型。当金属结构单元本体呈“二”字型时，金属结构单元本体包括第一金属线和第二金属线，第一金属线与第二金属线在电介质层1上平行，且，第一金属线和第二金属线的长度不同。
下面将以编码对象为十六进制数187B209，预设编码方式为二进制，金属结构单元本体呈“二”型为例，对本申请的光学编码器进行说明。
对编码对象187B209以二进制进行编码后得到的一维编码序列为0001100001111011001000001001，该编码序列中包含“1”和“0”两种元素，因此，可以通过将“二”型金属结构单元本体顺时针或逆时针旋转90°，得到两种不同的金属结构单元，即第一金属结构单元和第二金属结构单元，第一金属结构单元和第二金属结构单元对应同一金属结构单元本体，该金属结构单元本体中第一金属线和第二金属线均为金纳米线，第一金属线的长度a1可以为220nm，第二金属线的长度a2可以为100nm，第一金属线和第二金属线的宽度w均为50nm，第一金属线和第二金属线的厚度t均为20nm。本申请以对应元素“1”的第一金属结构单元为包含的第一金属线和第二金属线位于竖直方向为例，如图1所示，则将第一金属结构单元顺时针旋转90°后得到的第二金属结构单元与元素“0”对应，如图2所示。进一步，将第一金属结构单元和第二金属结构单元依照上述一维编码序列中元素“1”和“0”的排序关系在电介质层1上进行分布，如图3所示。
在建立o-xyz三维直角坐标系后，光学编码器所在表面为xy面，入射光沿z轴负方向垂直入射到光学编码器上。当波长λ为820nm、电场方向沿x轴方向的光波(即x偏振光)垂直入射到上述第一金属结构单元和第二金属结构单元上时，第一金属结构单元的远场强度很强，第二金属结构单元的远场强度很弱，第一金属结构单元的透射率和第二金属结构单元的透射率之间的比值达到13.6dB，可见，第一金属结构单元和第二金属结构单元的透射率相差非常大，第一金属结构单元和第二金属结构单元可以分别代表元素“1”和元素“0”，用于编码二进制数码，同时，由于解码是编码的逆过程，在对光学编码器读取识别时，通常情况下，光强度弱的对应数码“0”，光强度强的对应数码“1”，因此，在利用x偏振光入射到光编码器上后，读取出的数码信息为0001100001111011001000001001，最后再换算成十六进制数码，即实现了对编码对象187B209的读取。
而，当波长λ为820nm、电场方向沿y轴方向的光波(即y偏振光)垂直入射到上述第一金属结构单元和第二金属结构单元上时，两个金属结构单元与x偏振光入射时的情况相反，即，第一金属结构单元的远场强度很弱，第二金属结构单元的远场强度很强。但是，由于第一金属结构单元和第二金属结构单元的透射率仍然相差很大，所以，一方面仍然可以将远场强度弱的第一金属结构单元与元素“1”对应，同时将远场强度强的第二金属结构单元与元素“0”对应。另一方面，若将远场强度弱的第一金属结构单元与元素“0”对应，将远场强度强的第二金属结构单元与元素“1”对应，则，读取出的数码信息为1110011110000100110111110110，其反码为0001100001111011001000001001，最后再换算成十六进制数码，即实现了对编码对象187B209的读取。
需要说明的是，由于在偏振光的垂直照射下，将第一金属结构单元顺时针和逆时针旋转后得到的金属结构单元的电磁响应完全一样，透射率和反射率也是一样的，因此，也可以将第一金属结构单元逆时针旋转90°后得到的金属结构单元与元素“0”对应。另外，当预设编码方式为八进制时，可以在将金属结构单元本体旋转90°的过程中再寻找出6个不同的透射率和/或反射率所对应的旋转角度值，如图4所示，对应八进制的编码序列中八个元素“0”、“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”和“7”的旋转角度分别为0°、29°、33°、39°、43°、51°、64°和90°，从而，将金属结构单元本体旋转对应角度后得到的金属结构单元与不同元素相对应，并在电介质层1上对应分布，以实现光学编码器的八进制编码，同理，能够实现光学编码器的十进制编码。
在本申请中，编码序列不仅可以为一维编码序列，也可以为二维编码序列，当编码序列为一维编码序列时，至少一个金属结构单元在电介质层1上的分布方式为基于一维编码序列的一维分布方式，从而，金属结构单元在电介质层1上排列后得到一维阵列，在x偏振光或y偏振光的垂直照射下，由于不同的金属结构单元的透射光和/或反射光强度不同，因此，在解码读取时，线阵CCD(ChargeCoupledDevice，图像控制器)将在对应的位置探测到不同的光信号，从而读取所编码的内容。当编码序列为二维编码序列时，至少一个金属结构单元在电介质层1上的分布方式为基于二维编码序列的二维分布方式，从而，金属结构单元在电介质层1上排列后得到二维阵列，在解码读取时，面阵CCD将在对应的位置探测到不同的光信号，从而读取所编码的内容。
下面以5×5阶的矩阵A为例对光学编码器中金属结构单元的二维分布方式进行说明。
在5×5阶的矩阵A中：
将元素“1”与第一金属结构单元对应，将元素“0”与第二金属结构单元对应，从而，在元素“1”所在位置放置第一金属结构单元，在元素“0”所在位置放置第二金属结构单元，如图5所示。进一步，当x偏振光入射到二维阵列后，得到如图6所示的电磁响应远场强度分布图，进而，能够如图7所示的二维数码矩阵。
在本申请中，对于光学编码器的加工过程，首先，在硅基板上，采用电子束曝光、光刻工艺，将需要覆盖金属结构单元的图案写进聚甲基丙烯酸酯(PMMA)掩膜层中，利用电子束蒸发沉积设备在掩膜层上蒸镀厚度为20nm的金薄膜。接着，利用金属剥离工艺，将未遭受曝光的PMMA掩膜层及沉积在其上面的金用丙酮溶液去掉，最终得到的光学编码器包含与编码对象的编码序列相对应的信息。
本申请由电介质层1和金属层2所组成的超材料，利用透射强度和/或反射强度的差别来进行编码，具有很强的实用性，不易受外界干扰，同时，结构简单、制作和设计容易。同时，还具有体积小，信息容量大，传输和读取速度快的特点，例如，对于一维的光学条形码，由于每一个金属结构单元的尺寸仅仅是0.4μm，故在长度为1cm的电介质层1上可以拥有2.5×104个字符，每4个字符可以组成一个十六进制数码，因此，在1cm电介质层1上具有6250个十六进制数码，这与其传统的条形码相比，储存的信息量远远大于传统条形码。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
发明利用超材料进行光学编码，在电介质层上设置与编码序列对应的金属结构单元，编码序列中不同元素所对应的金属结构单元的透射率和/或反射率不同，在读码时，将入射光入射到光学编码器上，根据得到的光信号得到编码内容，本发明的光学编码器结构简单、体积小、信息存储容量大、传输和读取速度快。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种光学编码器，其特征在于，包括电介质层和金属层；
所述金属层设置于所述电介质层的表面；
所述金属层包括至少一个金属结构单元；
其中，所述至少一个金属结构单元在所述电介质层上依照以预设编码方式对编码对象编码后得到的编码序列进行分布，所述至少一个金属结构单元与所述编码序列中的各元素一一对应，所述编码序列中不同元素所对应的金属结构单元的透射率和/或反射率不同。
2.如权利要求1所述的光学编码器，其特征在于，所述金属结构单元呈“二”型、“C”型、“L”型、“I”型或“H”型。
3.如权利要求1所述的光学编码器，其特征在于，具有不同透射率和/或反射率的所述金属结构单元对应同一金属结构单元本体，且，通过将所述金属结构单元本体旋转不同角度，得到具有不同透射率和/或反射率的各个所述金属结构单元。
4.如权利要求3所述的光学编码器，其特征在于，所述金属结构单元本体呈“二”型。
5.如权利要求1所述的光学编码器，其特征在于，所述编码序列为一维编码序列或二维编码序列。
6.如权利要求5所述的光学编码器，其特征在于，当所述编码序列为所述一维编码序列时，所述至少一个金属结构单元在所述电介质层上的分布方式为基于所述一维编码序列的一维分布方式。
7.如权利要求5所述的光学编码器，其特征在于，当所述编码序列为所述二维编码序列时，所述至少一个金属结构单元在所述电介质层上的分布方式为基于所述二维编码序列的二维分布方式。
8.如权利要求1所述的光学编码器，其特征在于，所述预设编码方式为二进制或八进制或十进制或十六进制。
9.如权利要求1所述的光学编码器，其特征在于，所述电介质层的材料为硅或二氧化硅或三氧化二铝或二氟化镁或磷化铟或砷化镓或氮化镓。
10.如权利要求1所述的光学编码器，其特征在于，所述金属层的材料为金或银或铝或铜。
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