CN110618535B - 偏振多通道超构表面光学元件及重建全彩全息图像的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种偏振多通道超构表面光学元件及重建全彩全息图像的方法。该偏振多通道超构表面光学元件是由介质衬底和其上的各向异性的电介质纳米结构阵列组成，通过调控各个位置的纳米结构的面内尺寸和面内角度实现最多三个独立的偏振通道的全息图像的编码，且该超构表面具有宽带可用的性质，通过选择不同电介质材料，可以在不同波段内实现高效率的多通道偏振多通道全息。通过将全彩图片的三原色分量耦合进可见光波段偏振多通道超构表面的三个独立偏振通道，可以实现近零串扰的全彩全息显示。

Description

偏振多通道超构表面光学元件及重建全彩全息图像的方法

技术领域

本发明涉及微纳光学及光学全息领域，特别是涉及一种偏振多通道超构表 面光学元件及重建全彩全息图像的方法。

背景技术

超构表面可以允许人们在二维平面进行光波的相位、幅值、偏振等任意的 调控，赋予了设计新型光学元件的极大自由度。所以，近些年，基于超构表面 的透镜、光线偏折器、偏振转换器、全息超构表面都被提出来并广泛研究。其 中，由于大视场角、高密度、分辨率高等特点，使得基于超构表面的全息技术 得到广泛关注，并基于此，发展出各种多通道超构表面全息，其中，交错单元、 多平面、多角度等策略通常波长多通道应用，例如彩色全息或多波长超透镜。 然而，在不利用其它空间自由度情况下难以实现超低串扰彩色全息。事实上， 与传统的DOE元件相比，超构表面的特点是偏振的亚波长调节，而且，基于 两个正交入射偏振态的多通道器件理论上可以完全抑制通道之间的串扰，实现 双功能应用。然而，先前基于PB相位的交错单元或各向异性的结构表面尚未 充分探索双折射超构表面单元的自由度，不能实现三个独立的偏振通道的全息 图像的编码和高效率的多通道偏振多通道全息。

发明内容

本发明的目的是提供一种偏振多通道超构表面光学元件及重建全彩全息 图像的方法，能够实现三个独立的偏振通道的全息图像的编码和高效率的多通 道偏振多通道全息。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种偏振多通道超构表面光学元件，包括：介质衬底和各向异性的电介质 纳米结构阵列，所述各向异性的电介质纳米结构阵列设置在所述介质衬底上， 所述各向异性的电介质纳米结构阵列包含多个纳米柱。

可选的，所述介质衬底采用石英衬底、氧化铝衬底、玻璃衬底或金刚石衬 底。

可选的，所述纳米柱采用矩形纳米柱、椭圆形纳米柱、不对称十字形纳米 柱或L形纳米柱。

可选的，所述纳米柱的结构材料采用TiO₂、HfO₂、ZrO₂、GaN、Si₂N₃、 Si、GaAs、ZnS或AlN。

可选的，所述纳米柱的高度范围为200nm-1500nm，所述纳米柱在所述 介质衬底表面的尺寸为20nm-1000nm，所述纳米柱在所述介质衬底表面任意 设置。

一种基于偏振多通道超构表面元件的重建全彩全息图像的方法，包括：

获取纳米柱的长轴尺寸、短轴尺寸以及纳米柱在介质衬底表面的面内角 度，其中，所述长轴尺寸、所述短轴尺寸和所述面内角度在单元周期内任意调 控；

通过在介质衬底上按周期排布不同所述长轴尺寸、所述短轴尺寸和所述面 内角度的纳米结构单元构造位置各异的琼斯矩阵，完成三个独立面相位分布的 编码，所述琼斯矩阵包含三个独立的相位信息，所述三个独立的相位信息通过 三个不同的入射光和出射光的偏振组合进行独立重构；

将三原色灰度图像信息通过全息相位恢复算法计算得到相位分布，并耦合 到三个独立的偏振通道中；

将所述三原色灰度图像通过预补偿算法匹配所述偏振通道中的信息，得到 全彩色全息图像。

可选的，所述将所述三原色灰度图像通过预补偿算法匹配所述偏振通道中 的信息，得到全彩色全息图像，具体包括：

将所述三原色灰度图像采用色差预补偿算法和畸变预补偿算法匹配所述 偏振通道中的信息，得到全彩色全息图像。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提出的偏振多通道超构表面光学元件是由介质衬底和其上的各向 异性的电介质纳米结构阵列组成，通过调控各个位置的纳米结构的结构参数 (面内尺寸和面内角度)实现最多三个独立的偏振通道的全息图像的编码，且 该超构表面具有宽带可用的性质，通过选择不同电介质的材料，可以在不同波 段内(如红外波段、可见光波段及紫外波段)实现高效率的多通道偏振多通道 全息。通过将全彩图片的三原色分量耦合进可见光波段偏振多通道超构表面的 三个独立偏振通道，可以实现近零串扰的全彩全息显示。本发明提出的多通道 偏振多通道超构表面一方面可用于偏振信息加密和数据防伪；另外，该元件为 平面二维结构，结构组成简单、体积轻薄，可大批量生产；最后，该彩色全息 显示技术具有超大视场角、近零串扰、超高分辨率等优点，可以广泛应用在全 息投影、近眼显示等行业。

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 本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性 的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明偏振多通道超构表面光学元件组成示意图；

图2为本发明实现偏振多通道全彩全息的超构表面的示意图；

图3为本发明基于偏振多通道超构表面元件的重建全彩全息图像的方法 流程图；

图4为本发明超构表面单个单元的示意图；

图5为本发明单个单元在x偏振光下的相位分布和透射率分布；

图6为实施例1中超构表面的扫描电镜图；

图7为实施例1中超构表面的仿真图和光学表征结果图；

图8为实施例2中超构表面的扫描电镜图；

图9为实施例2中超构表面的仿真图和光学表征结果图；

图10为实施例3中彩色全息编码示意图；

图11为实施例3中超构表面的仿真图和光学表征结果图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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做出创造 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。

本发明的目的是提供一种偏振多通道超构表面光学元件及重建全彩全息 图像的方法，能够实现三个独立的偏振通道的全息图像的编码和高效率的多通 道偏振多通道全息。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和 具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明偏振多通道超构表面光学元件组成示意图。如图1所示，一 种偏振多通道超构表面光学元件包括：介质衬底1和各向异性的电介质纳米结 构阵列，所述各向异性的电介质纳米结构阵列设置在所述介质衬底1上，所述 各向异性的电介质纳米结构阵列包含多个纳米柱2。

所述介质衬底1采用石英衬底、氧化铝衬底、玻璃衬底或金刚石衬底。

所述纳米柱2采用矩形纳米柱、椭圆形纳米柱、不对称十字形纳米柱或L 形纳米柱。所述纳米柱2的结构材料采用TiO₂、HfO₂、ZrO₂、GaN、Si₂N₃、 Si、GaAs、ZnS或AlN。所述纳米柱2的高度范围为200nm-1500nm，所述 纳米柱2在所述介质衬底表面的尺寸为20nm-1000nm，所述纳米柱在所述介 质衬底表面任意设置。

一种全彩全息图像采集系统包括：偏振多通道超构表面光学元件、光源和 接收屏，所述偏振多通道超构表面光学元件包括介质衬底1和各向异性的电介 质纳米结构阵列，所述光源位于所述介质衬底1一侧，所述接收屏位于所述各 向异性的电介质纳米结构阵列的一侧，所述光源发出的光通过所述介质衬底1 和所述各向异性的电介质纳米结构阵列到达所述接收屏形成全彩全息图。

所述光源包括入射y轴偏振的蓝色光源、入射x轴偏振的绿色光源和入射 x轴偏振的红色光源。所述全彩全息图包括蓝色全息分量、绿色全息分量和红 色全息分量。

图2为本发明实现偏振多通道全彩全息的超构表面的示意图。其中，1为 介质衬底，2为纳米柱，3为入射y轴偏振的蓝色光源，4为入射x偏振的绿 色光源，5为入射x偏振的红色光源，6为单个单元，7为出射x偏振的红光， 8出射y偏振的绿光，9出射y偏振的蓝光，10为全彩全息图，11为红色全息 分量，12为绿色全息分量，13为蓝色全息分量。

图3为本发明基于偏振多通道超构表面元件的重建全彩全息图像的方法 流程图。如图3所示，一种基于偏振多通道超构表面元件的重建全彩全息图像 的方法，包括：

步骤101：获取纳米柱的长轴尺寸、短轴尺寸以及纳米柱在介质衬底表面 的面内角度，其中，所述长轴尺寸、所述短轴尺寸和所述面内角度在单元周期 内任意调控；

步骤102：通过在介质衬底上按周期排布不同所述长轴尺寸、所述短轴尺 寸和所述面内角度的纳米结构单元构造位置各异的琼斯矩阵，完成三个独立面 相位分布的编码，所述琼斯矩阵包含三个独立的相位信息，所述三个独立的相 位信息通过三个不同的入射光和出射光的偏振组合进行独立重构；

步骤103：将三原色灰度图像信息通过全息相位恢复算法计算得到相位分 布，并耦合到三个独立的偏振通道中；

步骤104：将所述三原色灰度图像通过预补偿算法匹配所述偏振通道中的 信息，得到全彩色全息图像，具体包括：

将所述三原色灰度图像采用色差预补偿算法和畸变预补偿算法匹配所述 偏振通道中的信息，得到全彩色全息图像。

将一个纳米柱看成一个纳米结构，将每个纳米结构看成一线性双折射单 元，双折射单元可以通过控制长轴和短轴的相位调控和面内旋转角度，构造一 个任意的对称琼斯矩阵，从而实现单个纳米结构对偏振和相位的任意调控，且 矩阵中含有三个不同相位，并可以通过不同入射和出射的偏振组合来独立地重 构。而单个各向异性的亚波长纳米结构可以看作一个双折射单元，通过任意选 择长轴和短轴的尺寸以及面内旋转角度即可构造任意的琼斯矩阵，所以可以实 现多达三个独立相位的编码，并通过入射和出射偏振的组合可以实现三个独立 相位的重构。进一步在不同位置构造不同尺寸的纳米结构以实现设计相位分 布，则可以构造实现三个独立信息的编码的超构表面元件。利用此特点，将不 同全息图加密到超构表面对应通道上，则可实现偏振多通道可切换全息加密。 另外，该元件在一定波长范围内使用。将彩色图像三原色分量耦合到三个独立 偏振通道，通过波长、入射/出射偏振组合即可实现全彩全息显示。

参数选择：

通过三个独立相位，求解由琼斯矩阵构建的相位与结构参数关系的方程 组，得到三个结构参数。

推导过程如下：

将每个纳米结构看成线性双折射单元，则每个单元可用琼斯矩阵进行表达

其中，φ_x和φ_y是两个轴的相位延迟，由结构尺寸D₁，D₂分别决定；R由面 内角θ表达，R为旋转矩阵。

入射和出射电场关系可以表达为E₀＝JE_i。因此琼斯矩阵可以通过两个轴 相位延迟和面内角进行表达：

则可以简化为

其中三个独立相位φ₁，φ₂，φ₃可以通过求解方程组(3)得到φ_x，φ_y，θ， 则可得到对应的D₁，D₂，θ三个结构参数。

由于提出的超构表面可以编码三个独立相位信息，所以通过三个独立信息 进行组合，即可得到

种不同的信息组合。

图2显示了实现偏振多通道全彩全息的超构表面的示意图。首先通过考虑 琼斯矩阵的不同灵活性来探索不同数量的偏振通道的全息超构表面。通过具有 三个独立结构参数的TiO₂矩形纳米柱阵列实现表面：长度(D₁)、宽度(D₂) 和面内取向角(θ)。通过固定取向角而控制长度和宽度，可以将两个独立的 相位编码带到单个纳米柱并通过两个正交入射偏振态进行重构。因此，可以用 不同的偏振输入切换两个独立的远场全息图像。此外，为了进一步考虑取向角 并充分利用纳米柱的参数自由度，还可以利用输入和输出偏振态的不同组合来 实现三个独立信息。结果，超构表面可以重建多达七个与偏振相关的信息组合。此外，值得注意的是，所提出的超构表面可在一定的波长范围内使用。利用此 性质，将三原色的灰度图像信息耦合到三个独立的偏振通道中，并通过预补偿 算法匹配三通道信息，重建全彩色全息图像，如图2显示。由于信息被耦合到 三个独立的输入/输出偏振组合中，因此自然地消除了其他信道的串扰图像以 实现信道之间接近零的串扰。

预补偿算法包括色差预补偿和畸变预补偿，色差是图像的视场角或大小与 波长呈正比，为了使得三个颜色分量大小一致，需对目标图案根据波长进行缩 放，缩放倍数与波长呈反比。由于超构表面形成的图案视场角很大，导致远场 很大的球面畸变，所以需对目标图案根据视场角大小进行反向的球面畸变校 正，以实现远场无畸变全息图案。

图4为本发明超构表面单个单元的示意图。超构表面由TiO₂的亚波长矩 形纳米柱构成，TiO₂是可见光范围内的高折射率电介质材料。纳米柱以方形重 复单元排列，具有周期性，包含多个超构表面单元。如图4示出了具有三个独 立可调结构参数(D₁，D₂，θ)和固定高度H的单个超构表面单元。亚波长 纳米柱的矩形横截面导致沿着两个轴具有不同的有效折射率，因此，每个纳米 柱可以看作线性双折射单元，其可以在正交线性偏振上产生不同的相位。如果 无振幅调控，则可以使用琼斯矩阵来描述超构表面单元。因此，如果自由选择结构参数可以充分利用琼斯矩阵的自由度，则单个单元可以完成控制极化和相 位。

x偏振光和y偏振光(φ_x，φ_y)的相移是实现偏振复用功能的关键，其覆 盖0-2π范围。沿纳米柱轴线入射的正常线性偏振光不会改变偏振但会产生相 移。这意味着相移可以表示为纳米柱D₁和D₂的大小的函数。因此，通过有限 差分时域法在532nm波长下模拟在x偏振下没有旋转(θ＝0)的纳米柱的相 移φ_x，如图5所示。图5为本发明单个纳米结构单元在x偏振光下的相位分布 和透射率分布。在模拟中设定400nm的单位周期和800nm的纳米柱的高度。 另外，由于对称性，可以通过如图5所示的x偏振结果的转置简单地获得y 偏振下的φ_y。利用这样的数据库，可以通过适当地选择D₁和D₂来实现0-2π中 任何φ_x和φ_y组合范围。

实施例1：

考虑偏振相关多路复用表面的两种方案。首先，如果超构表面单元没有旋转， 输出电场可以分别在x和y偏振光下得到。因此，两个独立的相位轮廓可以被编 码成单个超构表面并且通过两个正交入射偏振来切换。图6为实施例1中超构表 面的扫描电镜图，图6中示出了实施例1的TiO₂全息超构表面方案的扫描电子 显微镜(SEM)图的俯视图和斜视图；图7是实施例1中超构表面的仿真图和光 学表征结果图，如图7所示，“HUNAN”和“UNIVERSITY”的两个离轴图像被编 码在超构表面，证明双通道全息超构表面的功能。

实施例2：

为了充分利用琼斯矩阵的灵活性，通过自由选择纳米柱的三个参数，包括 旋转角度。那么输出电场可以包括φ₁，φ₂和φ₃的信息。在x和y偏振光下，相 位φ₁，φ₂和φ₃是φ_x，φ_y和θ的函数。图8为实施例2中超构表面的扫描电镜图， 图8示出了实施例2的TiO₂全息超构表面方案的扫描电子显微镜(SEM)图 的俯视图和斜视图。图9为实施例2中超构表面的仿真图和光学表征结果图， 如图9所示，“X”、“Y”和“Z”的三个离轴图像被编码在超构表面，证明三通道 全息超构表面的功能。

实施例3：

由于所提出的超构表面可以支持三个独立的偏振相关信息，并且可以在一 定波长范围内使用，所以可以结合三原色原理来实现偏振多通道全彩全息。图 10为实施例3中彩色全息编码示意图，图10示出了偏振多通道彩色全息超构 表面生成过程。首先，将目标彩色图像分成对应于波长633nm(R)，532nm(G) 和450nm(B)的三个三色分量。之后，得到图像对应的相位分布，然后将其 耦合到三个独立的偏振信道中。基于相位分布，找到对应具有最接近相位响应 的结构参数和取向角形成的超构表面的布局图。然后制作并表征了400μm×400μm的超构表面编码的信息的彩色图像。图11为实施例3中超构表 面的仿真图和光学表征结果图，即超构表面编码的信息的彩色图像。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1.本发明可以通过单个结构组成的超构表面实现多达三个独立信息和七 个独立信息组合的编码，使得结构更加紧凑，空间利用率更高。

2.本发明的超构表面元件结构组成简单，平面结构使得加工简单，可大批 量制造。

3.本发明的超构表面在一定波长范围内使用，通过选择不同的材料，可以 在紫外波段、可见光波段和红外波段使用。

4.本发明实现的全彩全息具有高效率、大视场角、近零串扰的优点，使得 超构表面彩色全息更加接近实际使用场景。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是 与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施 例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的 一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变 之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种基于偏振多通道超构表面元件的重建全彩全息图像的方法，所述方法应用于一种偏振多通道超构表面光学元件，所述元件包括：介质衬底和各向异性的电介质纳米结构阵列，所述各向异性的电介质纳米结构阵列设置在所述介质衬底上，所述各向异性的电介质纳米结构阵列包含多个纳米柱，其特征在于，所述方法包括：

获取纳米柱的长轴尺寸、短轴尺寸以及纳米柱在介质衬底表面的面内角度，其中，所述长轴尺寸、所述短轴尺寸和所述面内角度在单元周期内任意调控；

通过在介质衬底上按周期排布不同所述长轴尺寸、所述短轴尺寸和所述面内角度的纳米结构单元构造位置各异的琼斯矩阵，完成三个独立面相位分布的编码，所述琼斯矩阵包含三个独立的相位信息，所述三个独立的相位信息通过三个不同的入射光和出射光的偏振组合进行独立重构；

将三原色灰度图像信息通过全息相位恢复算法计算得到相位分布，并耦合到三个独立的偏振通道中；

将所述三原色灰度图像通过预补偿算法匹配所述偏振通道中的信息，得到全彩色全息图像，具体包括：

将所述三原色灰度图像采用色差预补偿算法和畸变预补偿算法匹配所述偏振通道中的信息，得到全彩色全息图像。

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