CN110109332B - 基于复合天线的可寻址动态超颖表面全息显示方法 - Google Patents
基于复合天线的可寻址动态超颖表面全息显示方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110109332B CN110109332B CN201910501073.1A CN201910501073A CN110109332B CN 110109332 B CN110109332 B CN 110109332B CN 201910501073 A CN201910501073 A CN 201910501073A CN 110109332 B CN110109332 B CN 110109332B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- amplitude
- dynamic
- phase
- holographic
- object plane
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 54
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 47
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 61
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 50
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 claims abstract description 50
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims abstract description 28
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 27
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 18
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims abstract description 9
- 239000000470 constituent Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 claims description 30
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 26
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 26
- 238000006356 dehydrogenation reaction Methods 0.000 claims description 17
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 16
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 8
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 5
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 claims description 5
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 claims description 4
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 3
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000012804 iterative process Methods 0.000 claims description 3
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 3
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000005275 alloying Methods 0.000 claims description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 abstract description 5
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 11
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 11
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 229910012375 magnesium hydride Inorganic materials 0.000 description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 4
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 241000282994 Cervidae Species 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 1
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 150000002343 gold Chemical class 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001093 holography Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 239000012782 phase change material Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000008844 regulatory mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
- G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
- G03H1/0005—Adaptation of holography to specific applications
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
- G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
- G03H1/0005—Adaptation of holography to specific applications
- G03H2001/0088—Adaptation of holography to specific applications for video-holography, i.e. integrating hologram acquisition, transmission and display
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Holo Graphy (AREA)
Abstract
本发明涉及基于复合天线的可寻址动态超颖表面全息显示方法，属于微纳光学和全息显示应用技术领域。本发明利用可寻址的随机像素半图变换Fidoc算法来实现具有定量关系的两幅纯相位全息图的相位恢复，将所选取的两幅图像对应的两个光场相位分布通过迭代联系在一起，并使其满足预先规定的定量关系，以获得再现像可切换的可寻址动态超颖表面全息图。本发明使用纯金V形天线和复合金/镁V形天线两种组成单元构成超颖表面，能够通过改变外部环境控制全息面相位分布的切换，分别再现出两幅不同的再现像，实现动态全息显示。本发明提供了一种近红外波段的亚波长像素、超薄、主动可调、可重复切换、可寻址的动态全息显示方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种动态全息显示方法，尤其涉及一种基于复合天线的可寻址动态超颖表面全息显示方法，属于微纳光学和全息显示应用技术领域。
背景技术
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，能够真正重建出目标光波的场分布而实现图像深度信息的重建，在原理上具有其他显示技术无法比拟的优势，被认为是终极的三维显示方案，在立体显示、干涉测量、数据存储、医疗教学、图像处理和识别等方面具有广泛的应用。近年来，全息原理与微纳光学的结合逐渐成为全息技术中的一个前沿热点领域，相关应用研究也获得了快速的发展。作为一种典型的微纳光学元件，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金属或介质纳米天线阵列构成，其波前调控机制并不依赖光的传播过程，而是精心设计每个单元结构，利用其对入射光场的强烈响应来改变局部光场的振幅和相位，以亚波长尺度对光场的振幅与相位进行高分辨率调制，进而实现对近场与远场的调控，产生特殊的光学效应。因此，超颖表面在调控光学特性时具有极高的自由度，将其与全息原理相结合，把全息图中复杂的振幅和相位分布用二维排布的亚波长结构进行编码，则能够大大促进全息器件的微型化，提高分辨率，增大信息容量，消除高阶衍射级次，增大视场角等。在这一背景下，基于超颖表面实现全息显示的各类方案被陆续提出。但由于材料选择和加工能力等因素的限制，主要的研究工作都在静态显示中展开，即一旦加工完成，超颖表面全息图所调制的振幅和相位将无法进行动态修改，对应的再现像也将无法改变。
近年来，随着技术的发展进步，已有一些主动可调超颖表面的实现方法被报道了出来，为超颖表面全息显示器件突破吋间带宽积的限制提供了新的方向。一种值得注意的方法是使用可机械拉伸的基底，通过在不同的重建平面上预先设定好不同的全息图像，该种超颖表面经过机械拉伸后能够在特定距离上实现重建图像的动态切换，但这一方法对基底材料的物理性质要求较高，且难以保证调制精度。相变材料和二维材料，如GST、石墨烯和黑磷等，也是构建主动可调超颖表面的常用材料，通过适当的外部刺激，如光、热、电流等，这些材料的光学性质将发生相应的变化，此种主动可调超颖表面能够实现较高效率的逐点擦写，但调制能力常常受到材料自身的限制，工作波长带宽较小，且难以实现较大范围的相位调控，且主要利用逐点调控的方式实现器件调制特性的改变，耗时长，可擦写速度慢。最近，基于新型镁材料的主动可调微纳器件为可重构光学元件提供了一种潜在的解决方案。作为一种活性材料，镁在光学频率下表现出优异的金属特性，而当镁被氢化成氢化镁或氢化镁在氧气环境中脱氢变回镁时，其光学性质变化将发生极大变化。因此，镁纳米天线的氢化/脱氢动力学非常适合用于构建动态超颖表面光学系统。但是，已报道的金/镁动态全息超颖表面使用了空间交错排列的金纳米天线与镁纳米天线作为相互独立的亚单元，使用多个亚单元构成一个基本组成单元，这一方法属于空间复用，不可避免地降低了全息图可用的空间带宽积。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术存在的全息图可用的空间带宽积降低了的问题，提出了基于复合天线的可寻址动态超颖表面全息显示方法；该方法使用复合天线作为动态超颖表面的基本组成单元，不存在亚单元的概念，不会降低全息图可用的空间带宽积。
本发明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，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。若需要实现在可切换的两种状态下分别再现出两个不同的再现像，则需要对相位恢复算法的程序结构和处理方式按相应的要求进行调整，以便获得可以再现出不同再现像且能够彼此切换的，具有定量关系的两个光场相位分布，实现动态全息显示。针对超颖表面的设计，需要选取具有固定散射相位的纯金V形天线充当不发生相位切换的非动态像素，并选取氢化/脱氢后具有可切换散射相位的复合金/镁V形天线充当所调制相位可以根据外部环境变化而变化的动态像素，用两种V形天线作为基本组成单元来构建可寻址的动态超颖表面全息图，通过其对入射波前的谐振响应来实现波前调控。最后，利用复合金/镁V形天线中镁片独特的加氢/脱氢特性，通过改变外部环境即可控制全息面相位分布的切换，分别再现出两幅不同的再现像，实现可寻址的动态超颖表面全息显示。
基于复合天线的可寻址动态超颖表面全息显示方法，包括如下步骤：
步骤一、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，并任意选定全息图中随机位置的半数像素作为动态像素。此时的全息面称为全息面A。
步骤二、模拟从全息面A到第一个物平面的传播过程，使用菲涅耳衍射传播公式(1)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。
步骤三、使用Fidoc算法的反馈函数，即公式(2)，对第一个物平面进行振幅替换。
Tn＝M[T+(T-|Tn'|)κ]+γ(1-M)|Tn'| (2)
其中T代表目标图像，Tn'是由n次迭代所得到的振幅信息，M是一个在所有的不考虑区域内为零的二维函数。在物平面只保留步骤二计算所得复振幅的相位信息，用Tn替代Tn'即完成振幅替换。通过优化公式(2)中的参数κ和γ，反馈操作能够更高效地限制振幅，加快收敛速度，并抑制噪声和串扰。
步骤四、模拟从第一个物平面到全息面A的逆传播过程，使用菲涅耳衍射传播公式(1)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A的复振幅。
步骤五、把全息面A的振幅归一化：只保留步骤四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。之后针对步骤一中选中的作为动态像素的随机位置半数像素进行半图变换，即给所述随机位置半数像素减去一个固定的相位延迟α，而其他像素的相位则保持不变。此时的全息面称为全息面B。
步骤六、模拟从全息面B到第二个物平面的传播过程，使用菲涅耳衍射传播公式(1)来计算第二个物平面的复振幅。
步骤七、使用Fidoc算法的反馈函数，即公式(2)对第二个物平面进行振幅替换，只保留步骤六计算所得复振幅的相位信息，而用反馈函数计算所得振幅替换第二个物平面的振幅。
步骤八、模拟从第二个物平面到全息面B的逆传播过程，使用菲涅耳衍射传播公式(1)的逆形式来计算全息面B的复振幅。
步骤九、把全息面B的振幅归一化，只保留步骤八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。之后针对步骤一中选中的作为动态像素的随机位置半数像素进行半图变换，即给所述随机位置半数像素加上一个固定的相位延迟α，而其他像素的相位则保持不变。此时的全息面回到了全息面A。
步骤十、经过步骤二至九的迭代处理之后，即完成了两个再现面与两个全息面之间的迭代过程，将两个彼此独立的不同图像所包含的信息编码到了相位存在定量关系的两张全息图中，且回到了最初的运算起点，即全息面A。此时若未达到预设的循环次数且不满足预设的出口条件，需重复步骤二到九实现循环迭代，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。
上述步骤一至步骤十为本发明提出的随机像素半图变换Fidoc算法。
此时，全息面A和全息面B各自的相位分布，即两张计算机生成全息图，将满足预设的定量关系，即在动态像素相差一个固定的相位延迟α，而在其他像素处无差异。两张计算机生成全息图分别能够用于再现两个彼此独立的不同图像，通过改变外界环境，作为动态像素的随机半数像素的相位将发生切换，即加上或减去一个固定的相位延迟α，此时全息图和再现像也就发生了切换，因此能够实现主动可调的动态全息显示。
实现上述方法的装置为基本组成单元是复合天线和单金属天线的可寻址超颖表面；所述复合天线为金属与镁复合结构，且能够沿轴线对称；所述镁复合在金属的末端；任意选取的动态像素在超颖表面中的对应位置上布置复合天线；其他像素在超颖表面中的对应位置布置单金属天线；所述金属为除镁以外的金属。
所述复合天线和单金属天线为V型结构；
在布置超颖表面时，将V型复合天线和V型单金属天线的对称轴设置在与y轴夹角为45°的位置上，则可通过设计两种V形天线的结构参数，使得在线偏振光入射时，线偏振光的正交偏振态的出射光拥有对相位和振幅的调控能力。
将两种V形天线相对x轴做镜像翻转，能够获取大小为π的附加相移，即均匀覆盖0-2π的相位调制范围。
在所述复合天线末端金属镁表面涂覆钯催化层，用以加速氢化和脱氢过程；
在所述镁和钯之间涂覆钛层，以避免镁和钯的合金化并在氢化过程中释放机械应力；
所述复合天线的金属部分材料为金；
所述复合天线利用镁的氢化/脱氢动力学的通过加氢、脱氢方法实现固定的相位延迟α；
有益效果：
1、本发明公开的基于复合天线的可寻址动态超颖表面全息显示方法，选取单金属天线和复合天线作为动态超颖表面全息图的基本组成单元，将计算机生成全息图对应信息通过亚波长尺寸纳米天线的二维排布进行编码，将传统全息图的尺寸缩小到微米量级，去除了传统全息里存在的多级衍射以及孪生像，扩展了视场角范围。同时，因为是使用单一的一个天线充当一个像素，故而避免了亚单元的出现，从根本上避免了全息图可用的空间带宽积的降低。
2、本发明公开的基于复合天线的可寻址动态超颖表面全息显示方法，利用随机像素半图变换Fidoc算法高效地限制振幅，加快收敛速度，并抑制噪声和串扰，实现较高质量的相位恢复。该算法能够在两张全息图之间设置定量的相位关系，通过数量占全息图总像素数一半的动态像素实现两张纯相位全息图之间的相位转换。
3、本发明公开的基于复合天线的可寻址动态超颖表面全息显示方法，利用镁的氢化/脱氢动力学性质实现动态全息显示，在外部环境发生变化触发相位转换时，能够分别独立再现两个完全不同的再现像，且能够重复切换，因而能够大大提高超颖表面全息图的信息容量，且由于作为动态像素的复合天线的位置是提前确定的，故这些动态像素是可寻址的。
4、本发明公开的基于复合天线的可寻址动态超颖表面全息显示方法，在氢气环境中完成氢化过程后重建出的再现像无法依靠其他方式获得，可应用于特征识别，信息加密和防伪领域。
附图说明
图1为本发明公开的基于复合天线的可寻址动态超颖表面全息显示方法的实施例流程图；
图2为本发明公开的随机像素半图变换Fidoc算法的流程示意图；
图3为本发明公开的可寻址动态超颖表面所选用的基本组成单元的几何形状和尺寸比例示意图；图(a)为纯金V形天线的几何形状和尺寸比例示意图；图(b)为复合金/镁V形天线的几何形状和尺寸比例示意图；
图4为本发明公开的利用复合金/镁V形天线中的镁片的独特的氢化/脱氢动力学性质，实现可寻址的单像素的光场调控信息切换的原理示意图；
图5为实施例所得可寻址动态超颖表面的理想情况再现结果图和实际再现结果图；图(a)和图(b)为具有定量关系的两幅纯相位计算机生成全息图的重建图像，即理想情况下的再现结果；图(c)和图(d)为纯金V形天线与复合金/镁V形天线阵列构成的可寻址动态超颖表面对应的重建图像，两图分别由超颖表面氢化前后的相位分布用菲涅耳衍射传播公式，即公式(1)计算得到，相当于实际结构再现结果图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1
基于复合天线的可寻址动态超颖表面全息显示方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤一、利用可寻址的随机像素半图变换Fidoc算法来实现具有定量关系的两幅纯相位全息图的相位恢复，将所选取的两幅图像对应的两个光场相位分布通过迭代联系在一起，并使其满足预先规定的定量关系，即其中一张全息图中随机位置的半数像素点所调制的相位加上或减去一个常数之后将等于另一张全息图，以获得再现像可切换的可寻址动态超颖表面全息图。
为了验证基于复合天线的可寻址动态超颖表面全息显示方法，选取由计算机图形软件创建的图像鹿和马作为全息再现的目标图像，用所述的随机像素半图变换Fidoc算法获得包含这两个图像相关信息的一组具有定量关系的纯相位计算机生成全息图。算法中使用了菲涅耳变换来模拟光的传播过程，通过迭代过程来优化全息图的相位分布。
如图2所示，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，并任意选定全息图中随机位置的半数像素作为动态像素。此时的全息面称为全息面A。
步骤1.2：模拟从全息面A到第一个物平面的传播过程，使用菲涅耳衍射传播公式(1)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Fidoc算法的反馈函数，即公式(2)，对第一个物平面进行振幅替换。
Tn＝M[T+(T-|Tn'|)κ]+γ(1-M)|Tn'| (2)
其中T代表目标图像，Tn'是由n次迭代所得到的振幅信息，M是一个在所有的不考虑区域内为零的二维函数。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'即完成振幅替换。通过优化公式(2)中的参数κ和γ，反馈操作能够更高效地限制振幅，加快收敛速度，并抑制噪声和串扰。
步骤1.4：模拟从第一个物平面到全息面A的逆传播过程，使用菲涅耳衍射传播公式(1)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A的复振幅。
步骤1.5：把全息面A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。之后针对步骤1.1中选中的作为动态像素的随机位置半数像素进行半图变换，即给所述随机位置半数像素减去一个固定的相位延迟π/3，而其他像素的相位则保持不变。此时的全息面称为全息面B。
步骤1.6：模拟从全息面B到第二个物平面的传播过程，使用菲涅耳衍射传播公式(1)来计算第二个物平面的复振幅。
步骤1.7：使用Fidoc算法的反馈函数，即公式(2)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，而用反馈函数计算所得振幅替换第二个物平面的振幅。
步骤1.8：模拟从第二个物平面到全息面B的逆传播过程，使用菲涅耳衍射传播公式(1)的逆形式来计算全息面B的复振幅。
步骤1.9：把全息面B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。之后针对步骤1.1中选中的作为动态像素的随机位置半数像素进行半图变换，即给所述随机位置半数像素加上一个固定的相位延迟π/3，而其他像素的相位则保持不变。此时的全息面回到了全息面A。
步骤1.10：经过步骤1.2至1.9的迭代处理之后，即完成了两个再现面与两个全息面之间的迭代过程，将两个彼此独立的不同图像所包含的信息编码到了相位存在定量关系的两张全息图中，且回到了最初的运算起点，即全息面A。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。此时，全息面A和全息面B各自的相位分布将满足预设的定量关系，即在动态像素相差一个固定的相位延迟π/3，而在其他像素处无差异。
步骤二：根据步骤一得到的计算机生成全息图，选取具有固定散射相位的纯金V形天线充当不发生相位切换的非动态像素，选取氢化/脱氢后具有可切换散射相位的复合金/镁V形天线充当所调制相位能够根据外部环境变化而变化的动态像素，用两种V形天线作为基本组成单元来构建可寻址的动态超颖表面全息图，通过对入射波前的谐振响应来实现波前调控。在纯相位全息的情况下，散射振幅应该是恒定的，而散射相位应该覆盖0-2π的范围。两种V形天线的光学特性能够通过各自的几何尺寸进行调整，故能够满足超颖表面全息图的要求。此外，复合天线在镁材料氢化/脱氢的两个过程中，其对光场调控需满足：在振幅差异不能太大的前提下，散射相位减小/增加一个定值(本发明中定为π/3)。
图3中的(a)和(b)分别展示了实施例所选用的纯金V形天线和复合金/镁V形天线的几何形状和尺寸比例。在布置可寻址超颖表面阵列时，将两种V形天线的对称轴设置在与Y轴夹角为45°的位置上，则可通过设计V形天线的结构参数，使得在线偏振光入射时，其正交偏振态的出射光拥有对相位和振幅的调控能力。为了均匀覆盖0-2π的相位调制范围，能够将V形天线相对x轴做镜像翻转，获取大小为π的附加相移，同时，散射场的振幅则由天线的尺寸和形状决定，这样就能够通过天线的谐振调制出所需的任意出射波前。复合V形天线的几何结构具有很大的自由度，通过优化金制V形天线的臂长l1、镁片长度l2和两臂的夹角θ，对于给定波长λ0的x偏振或y偏振入射光，正交偏振出射光的相位和振幅具有很大的设计空间。
如图3中的(a)所示，对于纯金V形天线，仅选择一组具有近似相同散射振幅和π/4(8个相位阶次)恒定相位差的结构，以获得整个0-2π的相位覆盖范围即可。而对于复合金/镁V形天线，由于加氢前后各天线的相移差需要恒定，因此选择形状和尺寸时会受到更多的限制，氢化前，当镁片保持金属性质时，复合金/镁V形天线的散射相位应与对应的纯金V形天线一致，这样就能够满足振幅均匀的纯相位全息图的条件；而加氢后，镁片变为氢化镁，所有复合金/镁V形天线的散射相位需同时减小一个定值(本发明中定为π/3)。此外，为了保证再现像的质量，还需注意复合金/镁V形天线加氢前后的振幅差异不能太大。综上所述，复合金/镁V形天线的形状和尺寸必须谨慎选择，最终优化结果如图3中的(b)所示。
步骤三：利用复合金/镁V形天线中镁片独特的加氢/脱氢特性，通过改变外部环境为氧气环境或氢气环境，来控制全息面相位分布的切换，分别再现出两幅不同的再现像，实现可寻址的动态超颖表面全息显示。
实现动态超颖表面全息显示的具体方法如下：首先，第一个再现像能够用纯金V形天线和复合金/镁V形天线构成的超颖表面在不发生任何化学反应的情况下直接重建；而加氢之后，利用复合金/镁V形天线的氢化所造成的相位漂移，能够在超颖表面上调制出新的相位分布，用以重建与加氢前完全不同的一幅再现像，此再现像所包含的信息无法用其他方式进行识别。
在本发明中，纯金V形天线在加氢过程中能够保持其光学性质，而复合金/镁V形天线的相位调制特性，会随着外部环境的变化而变化。
如图4所示，利用精心设计的复合金/镁V形天线中的镁片的独特的氢化/脱氢动力学性质，能够实现可寻址的单像素的光场调控信息的切换。在空气环境中，镁片表现出金属特性，这意味着复合金/镁V形天线可视为具有等离子体共振的单一复合结构，产生散射场Φ1。相反，在氢气环境中，镁片发生化学反应变成氢化镁并失去其金属特性，因此，复合天线所调制出的相位发生了偏移，从而产生了一个新的散射场Φ2。另一方面，利用复合金/镁V形天线在氧气环境中的脱氢过程，能够将氢化镁重新还原为具有金属特性的镁，实现全息图的再次切换，重新产生散射场Φ1，用于第一个再现像的重建。
图5为实施例所得可寻址动态超颖表面的理想情况再现结果图和实际再现结果图。其中(a)和(b)是计算出的鹿和马的纯相位全息图的重建图像，即理想情况再现结果图。(c)和(d)是纯金V形天线和复合金/镁V形天线阵列对应的重建图像，两图分别由超颖表面氢化前后的相位分布用菲涅耳衍射传播公式，即公式(2)计算得到，是本发明公开的基于复合天线的可寻址动态超颖表面全息显示方法的实际再现结果图。实际再现结果与理想结果基本相符，能够满足设计要求。
由此可见，本实施例公开的基于复合天线的可寻址动态超颖表面全息显示方法，使用纯金V形天线和复合金/镁V形天线两种组成单元构成超颖表面，能够通过改变外部环境控制全息面相位分布的切换，分别再现出两幅不同的再现像，实现动态全息显示，提供了一种近红外波段的亚波长像素、超薄、主动可调、可重复切换、可寻址的动态全息显示方法，此外，所述的动态超颖表面加氢后，重建出的再现像所包含的信息无法用其他方式进行识别，可应用于信息加密和防伪领域。
在实际应用中，采用本发明公开的基于复合天线的可寻址动态超颖表面全息显示方法，能够利用镁的氢化/脱氢动力学性质实现动态全息显示，在特定波长的激光束照射下形成独特的视觉效果。当外部环境发生变化触发相位转换时，本发明公开的基于复合天线的可寻址动态超颖表面能够重复切换再现像，获得多层次的防伪特征，大大提高信息容量。值得注意的是，该种可寻址动态超颖表面具有一定的加工难度，且其在氢气环境中完成氢化过程后重建出的再现像无法依靠其他方式获得，这使得其具有极高的伪造难度，不易被仿制。另一方面，由于微纳组成单元的尺寸极小，采用本发明所述方法加工所得的防伪标识的面积也将很小，外表精致，不影响产品外观。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.基于复合天线的可寻址动态超颖表面全息显示方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、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，并任意选定全息图中随机位置的半数像素作为动态像素；此时的全息面称为全息面A；
步骤二、模拟从全息面A到第一个物平面的传播过程，使用菲涅耳衍射传播公式(1)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；
步骤三、使用Fidoc算法的反馈函数，即公式(2)，对第一个物平面进行振幅替换；
Tn＝M[T+(T-|Tn'|)κ]+γ(1-M)|Tn'| (2)
其中T代表目标图像，Tn'是由n次迭代所得到的振幅信息，M是一个在所有的不考虑区域内为零的二维函数；在物平面只保留步骤二计算所得复振幅的相位信息，用Tn替代Tn'即完成振幅替换；通过优化公式(2)中的参数κ和γ，反馈操作能够更高效地限制振幅，加快收敛速度，并抑制噪声和串扰；
步骤四、模拟从第一个物平面到全息面A的逆传播过程，使用菲涅耳衍射传播公式(1)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A的复振幅；
步骤五、把全息面A的振幅归一化：只保留步骤四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；之后针对步骤一中选中的作为动态像素的随机位置半数像素进行半图变换，即给所述随机位置半数像素减去一个固定的相位延迟α，而其他像素的相位则保持不变；此时的全息面称为全息面B；
步骤六、模拟从全息面B到第二个物平面的传播过程，使用菲涅耳衍射传播公式(1)来计算第二个物平面的复振幅；
步骤七、使用Fidoc算法的反馈函数，即公式(2)对第二个物平面进行振幅替换，只保留步骤六计算所得复振幅的相位信息，而用反馈函数计算所得振幅替换第二个物平面的振幅；
步骤八、模拟从第二个物平面到全息面B的逆传播过程，使用菲涅耳衍射传播公式(1)的逆形式来计算全息面B的复振幅；
步骤九、把全息面B的振幅归一化，只保留步骤八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；之后针对步骤一中选中的作为动态像素的随机位置半数像素进行半图变换，即给所述随机位置半数像素加上一个固定的相位延迟α，而其他像素的相位则保持不变；此时的全息面回到了全息面A；
步骤十、经过步骤二至九的迭代处理之后，即完成了两个再现面与两个全息面之间的迭代过程，将两个彼此独立的不同图像所包含的信息编码到了相位存在定量关系的两张全息图中，且回到了最初的运算起点，即全息面A；此时若未达到预设的循环次数且不满足预设的出口条件，需重复步骤二到九实现循环迭代，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；
此时，全息面A和全息面B各自的相位分布，即两张计算机生成全息图，将满足预设的定量关系，即在动态像素相差一个固定的相位延迟α，而在其他像素处无差异；两张计算机生成全息图分别能够用于再现两个彼此独立的不同图像，通过改变外界环境，作为动态像素的随机半数像素的相位将发生切换，即加上或减去一个固定的相位延迟α，此时全息图和再现像也就发生了切换，因此能够实现主动可调的动态全息显示。
2.实现如权利要求1所述方法的装置，其特征在于：所述可寻址动态超颖表面的基本组成单元是复合天线和单金属天线；所述复合天线为金属与镁复合结构，且能够沿轴线对称；所述镁复合在金属的末端；任意选取的动态像素在动态超颖表面中的对应位置上布置复合天线；其他像素在动态超颖表面中的对应位置布置单金属天线；所述金属为除镁以外的金属。
3.如权利要求2所述装置，其特征在于：所述复合天线和单金属天线为V型结构。
4.如权利要求2或3所述装置，其特征在于：在布置所述动态超颖表面时，将V型复合天线和V型单金属天线的对称轴设置在与y轴夹角为45°的位置上，则能够通过设计两种V形天线的结构参数，使得在线偏振光入射时，线偏振光的正交偏振态的出射光拥有对相位和振幅的调控能力。
5.如权利要求4所述装置，其特征在于：将V型复合天线和V型单金属天线相对x轴做镜像翻转，能够获取大小为π的附加相移，即均匀覆盖0-2π的相位调制范围。
6.如权利要求2或5所述装置，其特征在于：在所述复合天线末端金属镁表面涂覆钯催化层，用以加速氢化和脱氢过程。
7.如权利要求6所述装置，其特征在于：在所述镁和钯之间涂覆钛层，以避免镁和钯的合金化并在氢化过程中释放机械应力。
8.如权利要求2或5所述装置，其特征在于：所述复合天线的金属部分材料为金。
9.如权利要求2或5所述装置，其特征在于：所述复合天线利用镁的氢化/脱氢动力学原理，通过加氢、脱氢方法实现固定的相位延迟α。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910501073.1A CN110109332B (zh) | 2019-06-11 | 2019-06-11 | 基于复合天线的可寻址动态超颖表面全息显示方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910501073.1A CN110109332B (zh) | 2019-06-11 | 2019-06-11 | 基于复合天线的可寻址动态超颖表面全息显示方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110109332A CN110109332A (zh) | 2019-08-09 |
| CN110109332B true CN110109332B (zh) | 2020-06-05 |
Family
ID=67494568
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910501073.1A Active CN110109332B (zh) | 2019-06-11 | 2019-06-11 | 基于复合天线的可寻址动态超颖表面全息显示方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110109332B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110442007B (zh) * | 2019-08-14 | 2020-06-05 | 北京理工大学 | 全介质超颖表面彩色印刷和全息加密共同调制方法 |
| CN111123683B (zh) * | 2019-09-05 | 2020-12-25 | 北京理工大学 | 基于光子筛的定量相关振幅全息方法 |
| CN112882369B (zh) * | 2021-02-09 | 2021-12-21 | 北京理工大学 | 基于级联超颖表面全息术的光学秘密共享方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106681026B (zh) * | 2017-02-10 | 2019-03-22 | 北京理工大学 | 基于超颖表面-相变材料的任意偏振动态调控器件及方法 |
| CN107065490B (zh) * | 2017-05-23 | 2019-01-25 | 北京理工大学 | 基于贝里相位超颖表面的多平面全息复用方法 |
| CN107991771B (zh) * | 2017-11-21 | 2019-10-11 | 北京理工大学 | 一种基于超颖表面复振幅调制的衍射级次选择性激发方法 |
| CN109459870B (zh) * | 2018-07-04 | 2020-04-24 | 北京理工大学 | 基于双折射介质超颖表面的多通道矢量全息偏振复用方法 |
-
2019
- 2019-06-11 CN CN201910501073.1A patent/CN110109332B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110109332A (zh) | 2019-08-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110109332B (zh) | 基于复合天线的可寻址动态超颖表面全息显示方法 | |
| CN107065490B (zh) | 基于贝里相位超颖表面的多平面全息复用方法 | |
| Blinder et al. | Signal processing challenges for digital holographic video display systems | |
| Shimobaba et al. | Computer Holography: Acceleration Algorithms and Hardware Implementations | |
| US8395616B2 (en) | Method for rendering and generating computer-generated video holograms in real-time | |
| CN111123683B (zh) | 基于光子筛的定量相关振幅全息方法 | |
| CN103955127A (zh) | 一种相位调制全视差全息体视图实现方法 | |
| Wang et al. | Fast diffraction calculation of cylindrical computer generated hologram based on outside-in propagation model | |
| JP2004309709A (ja) | 計算機合成ホログラム | |
| Pi et al. | Accelerating calculation method for curved computer-generated hologram using look-up table in holographic display | |
| Zeng et al. | Off-axis phase-only holograms of 3D objects using accelerated point-based Fresnel diffraction algorithm | |
| Min et al. | Wigner inverse transform based computer generated hologram for large object at far field from its perspective light field | |
| Cameron et al. | Computational challenges of emerging novel true 3D holographic displays | |
| Xu et al. | Calculation of computer-generated hologram (CGH) from 3D object of arbitrary size and viewing angle | |
| Ma et al. | Generation of three-dimensional optical structures by dynamic holograms displayed on a twisted nematic liquid crystal display | |
| Kondoh et al. | Hidden surface removal in full‐parallax CGHs by silhouette approximation | |
| Zhou et al. | 30.4: Multi‐plane holographic display with a uniform 3D Gerchberg‐Saxton algorithm | |
| CN111443583B (zh) | 一种基于全息图优化分割计算的快速全息图计算方法 | |
| CN110083042B (zh) | 一种基于两个空间光调制器有效利用的大尺寸全息显示方法 | |
| Dong et al. | Vision transformer-based, high-fidelity, computer-generated holography | |
| CN112180707A (zh) | 基于球面自衍射模型的球面纯相位全息图生成方法 | |
| Zhang et al. | Non-iterative Fresnel phase-only hologram generation and multiplexing for dynamic 3D holographic display | |
| Tan et al. | Fast scaled cylindrical holography based on scaled convolution | |
| Karnaukhov et al. | Digital display holograms | |
| Wang et al. | Bi-directional phase compensation to accelerate conical hologram generation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |