CN110568557A - 基于偏振控制的信息复用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于偏振控制的信息复用方法，利用蕴含在Malus定律中的出射光强的简并性，借助于各向异性微纳结构，通过改变入射光和检偏器的偏振态，实现不同图像的转换，包括如下步骤：构建微纳结构单元并确定其结构参数；构建微纳结构阵列，根据在微纳结构阵列的表面设定以偏振方向为α₁的线偏振光入射而显示的第一图像，得出所有转向角组合，基于蕴含在Malus定律中的出射光强的简并性和在微纳结构阵列的表面设定以偏振方向为的线偏振光入射而显示的第二图像，最终确定每个微纳结构的转向角θ。本发明操作简单，仅仅利用一种纳米砖结构即可以实现图像转换功能，且产生的两幅图像没有任何相关性，也无法相互推断，应用领域广泛。

Description

基于偏振控制的信息复用方法

技术领域

本发明涉及微纳光学的技术领域，具体涉及一种基于偏振控制的信息复用方法。

背景技术

机器学习、云计算、大数据等新兴科学技术的出现使得信息复用技术备受关注。其中，基于光的振幅、相位、偏振特性的光学信息复用技术具有很大的潜力。当前的光学信息复用技术大体上可以分为两类，基于光波响应的复用和空间响应复用。前者通过优化微纳结构尺寸使其在不同入射光条件下响应不同，这种方法对加工要求高，且图像很容易失真。空间响应复用是通过交错排布具有独特响应的微纳阵列，这种方法不仅会降低图像分辨率，而且会使得微纳结构阵列不够紧凑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于偏振控制的信息复用方法，该复用方式操作简单，仅仅利用一种尺寸的微纳结构即可以实现图像转换功能，因此在高端防伪、偏振显示、图像隐藏等领域具有很好的发展前景。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：

一种基于偏振控制的信息复用方法，包括如下步骤：

S1：构建微纳结构单元；所述微纳结构单元包括基底以及设置在所述基底工作面上且具有各向异性的微纳砖，以平行于所述工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述微纳砖上与所述工作面平行的面上具有长轴L和短轴W，所述微纳砖的转向角为所述微纳砖的长轴L与x轴的夹角θ；

S2：根据工作波长λ确定所述微纳砖结构单元的结构参数，所述结构参数包括：所述工作面的边长C以及所述微纳砖的长轴L、短轴W、高H的尺寸，其中，所述微纳砖的长轴L与短轴W尺寸不相等；

S3：构建微纳结构阵列，所述微纳结构阵列包括多个微纳结构单元；设定以偏振方向为α₁的线偏振光入射至所述微纳结构阵列再经过偏振方向与该入射线偏振光偏振方向垂直的检偏器后而显示的第一图像，根据出射光强和微纳结构单元的特性得出微纳砖的转向角具有多个出射光强相同的自由度，将该具有出射光强相同的多个转向角作为微纳砖转向角的多种候选角度，再设定以偏振方向为的线偏振光入射至所述微纳结构阵列再经过偏振方向与该入射线偏振光偏振方向垂直的检偏器后而显示的第二图像，然后根据第二图像成像的出射光强要求，确定每个所述微纳结构单元上的所述微纳砖的转向角θ是以多种候选角度中的哪一个角度设置在所述基底工作面上，以使得构建的所述微纳结构阵列既能满足所述第一图像的出射光强要求也能满足所述第二图像的出射光强要求。

进一步地，以偏振方向为的线偏振光入射所述微纳结构阵列并经过偏振方向与该线偏振光偏振方向垂直的检偏器产生与所述第一图像互补的第三图像，以偏振方向为线偏振光入射所述微纳结构阵列并经过偏振方向与该线偏振光偏振方向垂直的检偏器产生与所述第二图像互补的第四图像。

进一步地，所述微纳结构单元为纳米量级的超表面材料或者毫米量级的图案化延迟器。

进一步地，微纳砖的多种候选角度为： 其中，α₁为入射线偏振光的偏振方向，I₀为入射线偏振光的强度，I₁为出射光强，A,B分别为当沿着微纳结构长轴L、短轴W的线偏振光入射时的复透过或反射系数。

进一步地，确定微纳砖结构单元的结构参数的方法为以工作波长λ的圆偏光垂直入射微纳砖结构单元，采用电磁仿真软件优选出反向偏振光的转化效率大于同向偏振光的反射效率的微纳结构单元的结构参数。

进一步地，确定微纳砖结构单元的结构参数的方法为以工作波长λ的线偏光垂直入射微纳砖结构单元，采用电磁仿真软件优选得到沿着纳米砖长轴L方向垂直入射的线偏光的反射效率大于其透射效率且沿着纳米砖短轴W方向垂直入射的线偏光的透射效率大于其反射效率的微纳砖结构单元的参数。

本发明涉及的技术原理如下：

线偏光经过微纳结构单元和检偏器后的出射光强公式为：

其中，θ为微纳砖转向角，I₀为入射线偏振光的强度，A,B为当沿着微纳结构单元的长轴L和短轴W的线偏振光入射时的复透过或反射系数，α₁为入射线偏振光的偏振方向，α₂为检偏器的透光轴方向。

而由于微纳结构单元为各向异性结构(A≠B)，即需要保证微纳砖的长轴L与短轴W不相等，故微纳砖的横截面可以为长方形或者椭圆形的等非对称的形状，且起偏器和检偏器的偏振方向垂直(α₂＝α₁+π/2),出射光强公式可简化为：

对于一个选定的入射线偏光方向，通过改变微纳结构单元的转向角，可以实现出射光强的连续任意调控。

根据上述数学函数中蕴含的出射光强度简并性，即在同样的出射光强下，该微纳结构单元具有多个转向角的自由度。根据上述出射光强公式，我们可以得出该微纳结构单元具有四种转向角的自由度，4种转向角分别为： 上述四种转向角对应一个相同的出射光强I₁。即当微纳结构单元中的微纳砖以上述四种角度在工作面上任意排布，采用偏振方向为α₁的线偏振光入射所述微纳结构阵列时，在微纳结构阵列的表面产生的出射光强相同。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

1、本发明利用蕴含在Malus定律中的出射光强的简并性，借助于各向异性微纳结构，通过改变入射光和检偏器的偏振态，实现不同图像的转换；本发明中的微纳结构阵列在不同偏振状态下形成的两幅图像相互独立且可分别设计，该两幅图像没有任何相关性，也无法相互推断，可应用于偏振显示、加密、高端防伪等领域，为未来的安全技术提供一种新的方法和途径；

2、本发明的设计方法巧妙，所用结构简单，仅仅需要一种几何尺寸的微纳结构即可以实现图像转换功能

3、本发明所产生的第一图像可以为任意、连续灰度图像。第二图像为类似二值图像，且第二图像的背景图案的花纹可以是位置随机，大小随机的三角形、圆形、正方形，花纹位置，不易于被模仿和伪造，因此用户可以自定义图案，并以此为唯一标识，应用于高端手表、奢侈品、芯片等需要防伪的器件，具有广泛的应用前景。

4、本发明的微纳结构单元只需要为各向异性结构就可以实现，不需要是起偏器或者半波片，因此本发明具有很强的加工误差容忍度；

5、本发明的微纳结构可以是几何尺寸为纳米量级的超表面材料，由于超表面体积小、重量轻、可高度集成，适应于未来与小型化、微型化的器件集成；本发明的微纳结构也可以是几何尺寸为毫米量级的图案化延迟器，由于图案化延迟器可以批量生产和大面积加工，因此可以用于生产肉眼直接可见的大面积图案，具有很好的商业化应用潜力。

附图说明

图1是本发明实施例1中SOI纳米砖半波片单元的结构示意图；

图2是本发明实施例1中SOI纳米砖半波片单元结构的透反射率扫描图；

图3是本发明实施例1中SOI纳米砖半波片转向角简并性的示意图。

图4是本发明实施例1中设计的第一图像和第二图像，其中(a)为第一图像，(b)为第二图像；

图5是本发明实施例1基于偏振控制复用的效果图，(a)为第一图像，(b)为第二图像；

图6是本发明实施例2中Ag纳米砖起偏器单元的结构示意图；

图7是本发明实施例2中Ag纳米砖起偏器单元结构的透反射率扫描图；

图8是本发明实施例2中设计的第一组的第一图像和第二图像，其中(a)为第一图像，(b)为第二图像；

图9是本发明实施例2中设计的第二组的第一图像和第二图像其中(a)为第一图像，(b)为第二图像。

具体实施方式

为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1：

本发明提供一种基于偏振控制的信息复用方法，包括如下步骤：

首先，构建纳米结构单元，如图1所示，纳米结构单元包括基底工作面以及设置在工作面上且具有各向异性的纳米砖3，该工作面为正方形。在本实施例中，基底由透明的SOI材料制成，即基底包括硅基底1和设置在硅基底1上的二氧化硅介质层2，纳米砖3刻蚀在二氧化硅介质层2的工作面上，纳米砖3由硅材料制成。以平行于工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，纳米砖上与工作面平行的面上的具有长轴L和短轴W，其中长轴L和短轴W不相等，纳米砖的转向角为微纳砖的长轴L与x轴的夹角θ。

其次，选取设计波长为λ＝633nm，针对该波长，通过电磁仿真软件CST对纳米砖结构单元进行优化仿真。如图1所示，在本实施例中优化仿真得到反射光的反向偏振转化效率最高且同向偏振转化效率最低的纳米砖结构单元的结构参数。在上述的波长为λ＝633nm下，优选得到的纳米砖结构单元的参数为：工作面的边长为C＝400nm，纳米砖的长轴L＝180nm，短轴W＝100nm，高H＝220nm，二氧化硅介质层的厚度为2000n。

在上述结构参数下，纳米砖3对左旋或者右旋圆偏振入射光的同向和反向偏振转化效率如图2所示，其中R_co、R_cro分别代表沿纳米砖反射的同向和反向偏振转化效率。由图2可以看出，在工作波长633nm下，R_cro高达80％，同时不想要的R_co被抑制到1％以下。同时由上可知，该优化后纳米砖结构单元可以实现半波片的功能。

最后构建纳米砖结构阵列，该纳米砖结构阵列包括多个纳米结构单元。在该纳米砖结构阵列中每个纳米结构单元都等效为一个半波片(A＝1，B＝-1)，针对本实施例中α₂＝α₁+π/2＝π/4的情况，当偏振方向为α₁＝-π/4的线偏振光入射经过半波片再经过偏振方向为π/4的检偏器后，出射光强I₁＝I₀cos²2θ。见图3，由于出射光强的简并性，即其具有在纳米砖转向角的取值范围[0,π]内，有4种转向角设计自由度θ₁、θ₂、θ₃、θ₄，该四种转向角对应同一个出射光强，即在该四种角度下，强度调节量相同，由此可在出射光光强相同的情况下获得纳米砖的四种转向角的设计自由度，将上述四种转向角作为纳米砖转向角的候选角度。

见图4(a)，设定以偏振方向为-π/4的线偏振光入射纳米砖结构阵列再经过偏振方向为π/4的检偏器后而显示的第一图像，根据想要生成的第一图像(假如包含M个像素)，确定纳米砖结构阵列的4^M种候选旋转角(在该实施例中，每一个像素对应一个纳米砖结构单元，当然也可以将一个像素对应多个纳米砖结构单元)。再根据设定的以偏振方向为-π/8的线偏振光入射纳米砖结构阵列再经过偏振方向为3π/8的检偏器后而显示的第二图像为目标图像，见图4(b)，最后确定每个纳米砖结构单元中的纳米砖的转向角θ是以4^M种候选旋转角中的哪一种角度设置在其对应的基底工作面上，从而可以使得纳米砖结构阵列既能满足第一图像的出射光强要求也能满足第二图像的出射光强要求。纳米砖阵列上的纳米砖转向角调整完毕后，以偏振方向为0°的线偏振光入射纳米砖结构阵列再经过偏振方向为π/2的检偏器后，会产生与第一图像互补的第三图像；而以偏振方向为π/8的线偏振光入射纳米砖阵列再经过偏振方向为5π/8的检偏器时，会产生与第二图像互补的第四图像。

本实施例针对SOI材料来设计纳米砖半波片的，预期实现的效果是当α₂＝α₁+π/2＝π/4时，可以清晰地看到第一幅灰度图像，如图5(a)所示，但是当α₂＝α₁+π/2＝3π/8时，设计的第二幅完全不相关的图像被生成，如图5(b)所示。由此可以看出，本发明可以通过控制入射光的偏振方向和检偏器的透光轴方向，可以实现图像转换。第一图像和第二图像互不相关，可以依据需求唯一设计，使得其不宜不易被模仿和伪造。

此外，本发明产生的第一图像可以为任意、连续灰度图像，第二图像为类似二值图像，且第二图像的背景图案的花纹位置和花纹大小可以随机生成，因此用户可以自定义图案，并以此为唯一标识，应用于高端手表、奢侈品、芯片等需要防伪的器件，具有广泛的应用前景。本实施例的背景花纹是大小和位置随机的圆形。

实施例2

本发明提供一种基于偏振控制的信息复用方法，包括如下步骤：

首先，构建纳米砖结构单元，见图6，每个纳米砖结构单元包括透明的基底4和刻蚀在基底4正方形工作面上且具有各向异性的Ag纳米砖5。以平行于工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，纳米砖4上与工作面平行的面上的两条边分别为长边L1和短边W1，其中长轴L1和短轴W1不相等，纳米砖4的转向角为纳米砖的长边L与x轴的夹角φ。

选取设计波长为λ＝633nm，针对该波长，通过电磁仿真软件CST对纳米砖结构单元进行优化仿真，在本实施例中优化仿真出沿着纳米砖长边L1方向的线偏光的反射效率最高且沿着纳米砖短边W1方向的线偏光的透射效率最高的纳米砖结构单元的结构参数。在上述的波长为λ＝633nm下，优选得到的纳米砖结构单元的参数为：工作面边长C1＝300nm，纳米砖长边L1＝160nm，短边W1＝80nm，高H＝70nm。

在上述结构参数下，纳米砖结构单元对分别沿其长轴和短轴方向振动的两偏振态正交的线偏振光的反射和透射效率如图7所示，其中R_x、T_y分别代表沿纳米砖结构单元的长轴方向振动的线偏振光的反射率和透射率，R_y、T_x分别表示沿纳米砖结构单元的短轴方向振动的线偏振光的反射率和透射率。由图7可知，在入射光波长在550nm到700nm之间时，R_x和T_y的数值相对较高，R_y和T_x的数值相对较低。尤其是在工作波长633nm下，R_x和T_y高于90％，R_y和T_x低于10％，表明，该优化后纳米砖单元结构可以等效为起偏器的功能。

构建纳米砖结构阵列，该纳米砖结构阵列包括多个纳米砖结构单元。由于纳米砖阵列中每个纳米结构单元都等效为一个起偏器(A＝1，B＝0)，针对本实施例中α₂＝α₁+π/2＝π/2的情况，当α₁＝0线偏光经过纳米砖结构单元再经过与线偏光的偏振方向垂直的α₂＝π/2检偏器后，出射光强由于纳米砖转向角的简并性，即其具有在纳米砖转向角的取值范围[0,π]内，有4种转向角φ₁、φ₂、φ₃、φ₄，该四种转向角对应同一个出射光强，即在该四种角度下，强度调节量相同，由此可在出射光光强相同的情况下获得纳米砖的四种转向角的设计自由度。

针对图8(a)、图9(a)，我们先根据第一图像(包含N个像素)确定纳米砖转向角的4^N种候选角度(每一个像素对应一个纳米砖单元，也可以一个像素对应对个纳米砖单元)。再根据设定的以偏振方向为α₁＝-π/8的线偏振光入射再经过偏振方向3π/8的检偏器后而显示的第二图像为目标图像，如图8(b)和图9(b)所示，最后确定每个纳米砖结构单元中的纳米砖的转向角是以4^N种候选角度中的哪一种角度设置在对应的基底工作面上，从而可以使得纳米砖阵列既能满足第一图像的出射光强要求也能满足第二图像的出射光强要求。纳米砖阵列上的纳米砖转向角调整完毕后，以偏振方向为α₁＝-π/4的线偏振光入射纳米砖结构阵列再经过偏振方向为π/4的检偏器后，会产生与第一图像互补的第三图像；而以偏振方向为-3π/8的线偏振光入射纳米砖阵列再经过偏振方向为π/8的检偏器时，会产生与第二图像互补的第四图像。

此外，从图8和图9可以看出，第一图像和第二图像完全不相关，因此，通过本发明形成的两幅图像相互独立，可分别设计，两幅图像没有任何相关性，无法相互推断，可应用于偏振显示、加密、高端防伪等领域。此外，第二图像的背景图案的花纹可以是位置随机，大小随机的三角形、正方形，不易于被模仿和伪造，因此用户可以自定义图案，并以此为唯一标识。本发明为未来的安全技术提供一种新的方法和途径。

当然，本发明的微纳结构也可以是几何尺寸为毫米量级的图案化延迟器，由于图案化延迟器可以批量生产和大面积加工，因此可以用于生产肉眼直接可见的大面积图案。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于偏振控制的信息复用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：构建微纳结构单元；所述微纳结构单元包括基底以及设置在所述基底工作面上且具有各向异性的微纳砖，以平行于所述工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述微纳砖上与所述工作面平行的面上具有长轴L和短轴W，所述微纳砖的转向角为所述微纳砖的长轴L与x轴的夹角θ；

S2：根据工作波长λ确定所述微纳砖结构单元的结构参数，所述结构参数包括：所述工作面的边长C以及所述微纳砖的长轴L、短轴W、高H的尺寸，其中，所述微纳砖的长轴L与短轴W尺寸不相等；

S3：构建微纳结构阵列，所述微纳结构阵列包括包括多个微纳结构单元；设定以偏振方向为α₁的线偏振光入射至所述微纳结构阵列再经过偏振方向与该入射线偏振光偏振方向垂直的检偏器后而显示的第一图像，根据出射光强和微纳结构单元的特性得出微纳砖的转向角具有多个出射光强相同的自由度，将该具有出射光强相同的多个转向角作为微纳砖转向角的多种候选角度，再设定以偏振方向为的线偏振光入射至所述微纳结构阵列再经过偏振方向与该入射线偏振光偏振方向垂直的检偏器后而显示的第二图像，然后根据第二图像成像的出射光强要求，确定每个所述微纳结构单元上的所述微纳砖的转向角θ是以多种候选角度中的哪一个角度设置在所述基底工作面上，以使得构建的所述微纳结构阵列既能满足所述第一图像的出射光强要求也能满足所述第二图像的出射光强要求。

2.如权利要求1所述的基于偏振控制的信息复用方法，其特征在于，以偏振方向为的线偏振光入射所述微纳结构阵列并经过偏振方向与该线偏振光偏振方向垂直的检偏器产生与所述第一图像互补的第三图像，以偏振方向为线偏振光入射所述微纳结构阵列并经过偏振方向与该线偏振光偏振方向垂直的检偏器产生与所述第二图像互补的第四图像。

3.如权利要求1所述的基于偏振控制的信息复用方法，其特征在于，所述微纳结构单元为纳米量级的超表面材料或者毫米量级的图案化延迟器。

4.如权利要求1所述的基于偏振控制的信息复用方法，其特征在于，微纳砖的多种候选角度为： 其中，α₁为入射线偏振光的偏振方向，I₀为入射线偏振光的强度，I₁为出射光强，A,B分别为当沿着微纳结构长轴L、短轴W的线偏振光入射时的复透过或反射系数。

5.如权利要求1所述的基于偏振控制的信息复用方法，其特征在于，确定微纳砖结构单元的结构参数的方法为以工作波长λ的圆偏光垂直入射微纳砖结构单元，采用电磁仿真软件优选出反向偏振光的转化效率大于同向偏振光的反射效率的微纳结构单元的结构参数。

6.如权利要求1所述的基于偏振控制的信息复用方法，其特征在于，确定微纳砖结构单元的结构参数的方法为以工作波长λ的线偏光垂直入射微纳砖结构单元，采用电磁仿真软件优选得到沿着纳米砖长轴L方向垂直入射的线偏光的反射效率大于其透射效率且沿着纳米砖短轴W方向垂直入射的线偏光的透射效率大于其反射效率的微纳砖结构单元的参数。