CN109270815B - 基于几何相位超表面全息的光学信息隐藏方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于几何相位超表面全息的光学信息隐藏方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.构造混合图像：对于两幅图像，选取每个图像指定频率范围内的信息，并将其进行叠加得到混合图像；步骤2.基于混合图像的超表面全息设计：基于工作波长λ，采用电磁仿真软件，以圆偏光垂直照射纳米砖单元基本结构，优化设计出反射交叉偏振转化效率高、反射同向偏振转化效率低的纳米砖参数；将混合图像作为超表面阵列的目标全息图像，用G‑S算法进行相位优化；步骤3.构造纳米砖阵列实现光学信息隐藏：基于步骤2的设计，将优化后的单个纳米砖单元进行排列，即构造出可以实现光学信息隐藏的超表面阵列结构。
Description
技术领域
本发明属于微纳光学领域，具体涉及基于几何相位超表面全息的光学信息隐藏方法。
技术背景
超表面材料是一种新型人工结构材料，由于其能精密的操控电磁波的基本特性(振幅，相位和偏振态)，近年来开始受到了国内外学者的广泛关注，并将其应用于透镜、涡旋光生成器、全息等光学领域。在众多的超表面材料中，几何相位超表面材料具有超强的相位控制能力，其仅仅通过调控纳米砖的转角便能实现连续、任意、精确的相位操控。因此，基于该材料设计的计算全息能再现图案复杂、分辨率和保真度要求较高的目标图像(比如发表在Nature Nanotechnology上的论文：Metasurface holograms reaching 80％efficiency)。
混合图像是指同一幅图像，在近处和远处可观察到不同的内容。这是由于人眼在近处观察混合图像时，视觉分辨率较高，会侧重于观察图像高频信息；在远处观察混合图像时，视觉分辨率较低，侧重于图像的低频信息，从而出现一幅图像呈现两种观察结果。
发明内容
本发明目的在于提供一种新型、简单、易于操作的光学信息隐藏方法，能够基于人眼观察目标的特性和图像的频率信息，通过构造混合图像，同时借助于超表面全息来实现光学信息隐藏。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
本发明提供一种基于几何相位超表面全息的光学信息隐藏方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.构造混合图像：对于两幅图像，选取每个图像指定频率范围内的信息(为避免混淆，各个图像所选取信息的频率范围应尽量不重叠)，并将其进行叠加得到混合图像；步骤2.基于混合图像的超表面全息设计：基于工作波长λ，采用电磁仿真软件，以圆偏光垂直照射纳米砖单元基本结构，优化设计出反射交叉偏振转化效率高、反射同向偏振转化效率低的纳米砖单元参数：单元尺寸C、纳米砖的高度H、长度L、宽度W；将混合图像作为超表面全息的目标图像，用G-S算法进行相位优化；步骤3.构造纳米砖阵列实现光学信息隐藏：基于步骤2的设计，将优化后的单个纳米砖单元进行排列，即构造出可以实现光学信息隐藏的超表面阵列结构。
进一步，本发明提供的基于几何相位超表面全息的光学信息隐藏方法还可以具有以下特征：在步骤1中，混合图像
式中
为待隐藏的图像l1经过低频滤波器滤波后的部分，
为图像l2经过高通滤波器滤波后的部分。
进一步，本发明提供的基于几何相位超表面全息的光学信息隐藏方法还可以具有以下特征：在步骤1中，高通滤波器和低通滤波器都选用高斯滤波器，但不仅限于此。
进一步，本发明提供的基于几何相位超表面全息的光学信息隐藏方法还可以具有以下特征：在步骤1中，为了保证信息隐藏的安全性和可用性，需要在设定高通滤波器的高斯核σhigh和低通滤波器的高斯核σlow时进行参数权衡，选取最优的高斯核参数。具体方法为：首先对混合前的各图像分别进行频谱分析，以1/2增益值对应的频率为初始值，然后结合人眼视觉对比敏感度对参数进行微调。
进一步，本发明提供的基于几何相位超表面全息的光学信息隐藏方法还可以具有以下特征：超表面阵列优选反射式的SOI材料，三层结构分别为晶体硅纳米砖，二氧化硅层，和晶体硅基底，但不仅限于此。
进一步，本发明提供的基于几何相位超表面全息的光学信息隐藏方法还可以具有以下特征：选用的二氧化硅层的厚度为2000nm、顶层硅高度为220nm，工作波长λ优选为633nm。
进一步，本发明提供的基于几何相位超表面全息的光学信息隐藏方法还可以具有以下特征：超表面阵列为周期性排列的纳米砖阵列结构，每一个周期包含多个均匀分布、尺寸相同、朝向不同的纳米砖，每个纳米砖均为长方体形，并且长、宽、高均为亚波长。纳米砖的具体的结构参数，可以按照以下方法优化：采用电磁仿真法，在工作波长下优化单个电介质纳米砖单元的结构参数，即在工作波长下，仿真圆偏振光正入射于单个纳米砖单元，获得反射的交叉偏振转化效率最大同时反射的同向偏振转化效率最小的一组结构参数，即优化后的结构参数。
进一步，本发明提供的基于几何相位超表面全息的光学信息隐藏方法还可以具有以下特征：建立硅纳米砖单元的工作面坐标系，x轴方向和y轴方向分别与介质基底的两组边平行，硅纳米砖单元在x轴方向和y轴方向的周期dx、dy分别为dx＝mλ/[2tan(θx/2)]，dy＝nλ/[2tan(θy/2)]，式中θx和θy分别表示目标全息图像在x轴方向和y轴方向的投影角度，m和n分别表示目标全息图像在x轴方向和y轴方向的像素数。
纳米砖几何相位的调节原理为：纳米砖可等效为半波片，以琼斯矩阵计算，入射的左/右旋圆偏光的琼斯矢量分别为
已知半波片的琼斯矩阵为
其中φ为纳米砖转角，定义为纳米砖长轴(纳米砖长边方向)与x方向的夹角，那么经过纳米砖出射后的光矢量为：
从公式(1)可以看出，出射光经过纳米砖后旋向与入射光相反，但同时经历了一个2φ的相位延迟。因此通过调整纳米砖转角φ的大小就可以调节出射光的相位。
发明的作用与效果
(1)本发明巧妙的利用图像的频率信息，基于人眼观察目标的特性和图像的频率信息，通过构造混合图像，同时借助于几何相位超表面全息来实现光学信息隐藏，仅仅通过改变观测距离便可以实现图像的隐藏和获取，在信息安全的诸多领域有着诱人的应用前景。
(2)本发明提出的光学信息隐藏方法十分简单、易于操作。
(3)由于几何相位超表面材料具有任意的光波操控能力，超强的加工误差容忍度，亚波长的几何尺寸，因此基于超表面材料的光学信息隐藏器件的特点是小型化、轻量级、且易于与其他光子器件集成。
附图说明
图1为本发明实施例中涉及的构造混合图像的过程示意图；
图2为本发明实施例中涉及的硅纳米砖单元的结构示意图；
图3为本发明实施例中针对633nm工作波长优化得到的纳米砖波长响应图；
图4为本发明实施例中超表面阵列的部分俯视图；
图5为本发明实施例中构造的混合图像在近处和远处的观测结果示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明涉及的基于几何相位超表面全息的光学信息隐藏方法的具体实施方案进行详细地说明。
<实施例>
本实施例所提供的基于几何相位超表面全息的光学信息隐藏方法包括如下步骤：
(1)本实施例中选用的图像1为300x300像素的熊猫图案，该图像1为待隐藏图像；选用的图像2为300x300像素的斜条纹。然后如图1所示，把熊猫图像用高斯低通滤波器进行处理，σlow设置为12。由于黑白的条纹图案主要是高频信息，所以没有做处理，直接跟滤波后的熊猫图像进行叠加。
(2)把构造的混合图像选为全息的目标影像，进行超表面全息设计。首先选取工作波长为633nm。然后，针对该波长，采用电磁仿真软件Comsol对如图2所示的硅纳米砖单元10(由介质基底11和介质基底上刻蚀的硅纳米砖12构成)的结构参数进行仿真，仿真以左旋(或者右旋)圆偏光垂直入射、以反射的右旋(或者左旋)圆偏光的转化效率作为优化对象。由于本发明选用的SOI材料的SiO2层厚度为2000nm，顶层硅高度为220nm，因此只需要扫描单元结构尺寸C、纳米砖长度L、宽度W，以期获得最佳参数。经优化计算，得到优化参数为：C＝400nm，L＝270nm、W＝140nm，H＝220nm。从图4中可以看出在对应的中心波长633nm处实现了交叉偏振的高效率转化、且同时实现了同向偏振的有效抑制。
采用G-S相位优化算法，得到全息片的相位分布，从而得到纳米砖12的朝向角φ。
(3)沿单元结构长度和宽度方向上将纳米砖均匀排布得到如图4所示的超表面阵列结构20。
建立硅纳米砖单元10的工作面坐标系，x轴方向和y轴方向分别与硅纳米砖单元10的长轴和短轴相平行，则硅纳米砖单元10在x轴方向和y轴方向的周期dx、dy分别为dx＝mλ/[2tan(θx/2)]，dy＝nλ/[2tan(θy/2)]，其中θx和θy分别表示目标全息图像在x轴方向和y轴方向的投影角度，m和n分别表示目标全息图像在x轴方向和y轴方向的像素数。
单周期内单元结构长、宽方向的单元数满足公式M＝dx/C，N＝dy/C，dx为单元在x方向的周期，dy为单元在y方向的周期，其中M和N为单周期内单元结构长、宽方向的单元数，C为单元结构的边长。
(4)然后由近及远的改变观测距离，则在一定距离处可以看到隐藏在条纹中的全息图。由于人眼的差异，能观测到隐藏图像的距离不一样：如图5所示，当人眼近距离观察混合图像时会主要侧重于细节和边缘等高频信息，所以仅仅会观察到条纹图案；当其远距离观察图像时会侧重于图像的轮廓信息，因此会观察到隐含在条纹中的熊猫。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的基于几何相位超表面全息的光学信息隐藏方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。
Claims (4)
1.一种基于几何相位超表面全息的光学信息隐藏方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.构造混合图像
对于两幅图像，基于人眼观察目标的特性和图像的频率信息，选取每个图像指定频率范围内的信息，并将其进行叠加得到混合图像；混合图像
式中
为待隐藏的图像l1经过低频滤波器滤波后的部分，
为图像l2经过高通滤波器滤波后的部分；所述高通滤波器和低通滤波器都选用高斯滤波器；
步骤2.基于混合图像的超表面全息设计
基于工作波长λ，采用电磁仿真软件，以圆偏光垂直照射纳米砖单元基本结构，优化设计出反射交叉偏振转化效率高、反射同向偏振转化效率低的纳米砖单元结构参数：单元尺寸C、纳米砖的高度H、长度L、宽度W；把构造的混合图像选为全息的目标影像，进行超表面全息设计；首先选取工作波长为633nm，然后，针对该波长，采用电磁仿真软件对硅纳米砖单元的结构参数进行仿真，仿真以左旋圆偏光垂直入射、以反射的右旋圆偏光的转化效率作为优化对象，扫描单元结构尺寸C、纳米砖长度L、宽度W，以获得最佳参数，在对应的中心波长633nm处实现交叉偏振的高效率转化、且同时实现同向偏振的有效抑制；
将混合图像作为超表面阵列的目标全息图像，用G-S算法进行相位优化；
步骤3.获得光学信息隐藏器件
基于步骤2的设计，将优化后的单个纳米砖单元进行排列，即构建出能光学信息隐藏的超表面阵列结构，仅仅通过改变观测距离便可以实现图像的隐藏和获取，
其中，所述超表面阵列采用反射式的SOI材料，三层结构分别为晶体硅纳米砖，二氧化硅层，和晶体硅基底；所述二氧化硅层的厚度为2000nm，顶层硅高度为220nm。
2.根据权利要求1所述的基于几何相位超表面全息的光学信息隐藏方法，其特征在于：
其中，在步骤1中，为了保证信息隐藏的安全性和可用性，需要在设定高通滤波器的高斯核σhigh和低通滤波器的高斯核σlow时进行参数权衡，首先对混合前的各图像分别进行频谱分析，以1/2增益值对应的频率为初始值，然后结合人眼视觉对比敏感度对参数进行微调。
3.根据权利要求1所述的基于几何相位超表面全息的光学信息隐藏方法，其特征在于：
其中，所述超表面阵列为周期性排列的纳米砖阵列结构，每一个周期包含多个均匀分布、尺寸相同、朝向不同的纳米砖。
4.根据权利要求3所述的基于几何相位超表面全息的光学信息隐藏方法，其特征在于：
其中，建立所述硅纳米砖单元的工作面坐标系，x轴方向和y轴方向分别与介质基底的两组边平行，所述纳米砖单元在x轴方向和y轴方向的周期dx、dy分别为dx＝mλ/[2tan(θx/2)]，dy＝nλ/[2tan(θy/2)]，式中θx和θy分别表示目标全息图像在x轴方向和y轴方向的投影角度，m和n分别表示目标全息图像在x轴方向和y轴方向的像素数。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20210316 Termination date: 20210906 |