CN111025629A - 偏振调控与空频复用结合的超表面及其设计方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种偏振调控与空频复用结合的超表面及其设计方法与应用，涉及微纳光学技术领域。本发明所使用的超表面其功能等效于半波片，可对入射线偏振光的偏振态进行调控，通过转动超表面样片，出射光经过检偏器可产生两种不同的图像信息，基于空频复用的混合图像作为其中一种图像信息，由于混合图像在不同截止频率的滤波器滤波后可提取不同的图像信息，从而可将基于偏振控制的双通道显示拓展至三通道的复用。本发明将防伪图案作为偏振控制的另一通道叠加在空频复用的混合图像中可广泛应用于高端产品的防伪等领域。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光学领域，具体是指一种偏振调控与空频复用结合的超表面及其设计方法与应用。
背景技术
近年来，超表面因其优越的电磁特性以及紧凑的亚波长结构得到研究者们的广泛关注，由于超表面可以通过较为简单的设计就可对电磁场的振幅、相位以及偏振态进行精确地操控，因此被设计为各类器件用于小型化和微型化的设备当中。利用超表面特殊的电磁特性可以通过一些不同的控制方式而获得不同的响应，例如，通过入射两束偏振方向正交的线偏振光而实现透镜无像差的双档变焦功能等。将偏振控制用于基于超表面的纳米印刷当中可实现多通道的信息复用，与空频复用相结合不仅可拓宽信息复用的通道还增加了信息验证的方式，应用于防伪中时由于复制难度大且安全性高，因此在图像防伪及信息加密等领域将具有很好的发展前景。
发明内容
本发明提出一种偏振调控与空频复用结合的超表面及其设计方法与应用。对于入射线偏光可调制其偏振方向，结合马吕斯定理，出射光通过检偏器可在近场显示一幅具有高分辨率的连续灰度混合图像，该混合图像被不同截止频率的滤波后可提取出不同的图像信息。转动超表面样片，混合图像的对比度发生改变并且在其上叠加了一个防伪图案。
基于以上提出的发明内容，本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种偏振调控与空频复用结合的超表面，其特征在于：所述超表面由基底和刻蚀在其上的纳米砖阵列构成；所述基底可划分为多个工作面，每个纳米单元结构均由一个边长为C的正方形工作面和刻蚀在其上的一个纳米砖构成，所述纳米砖为长L、宽W、高H的长方体，且其特征尺寸均为亚波长级由入射光波长优化获得；以纳米单元结构工作面的直角边为X轴和Y轴建立坐标系，以纳米砖长边为长轴、短边为短轴，纳米砖的长轴与X轴夹角θ为纳米砖的方位角；所述纳米单元阵列中每个纳米单元结构的功能都等效于一个半波片。
作为优选方案，所述超表面采用SOI材料，即硅-二氧化硅-硅的材料结构；所述超表面顶层的硅用以刻蚀纳米砖阵列，超表面底层二氧化硅-硅作为基底。
第二方面，本发明提供一种将防伪图案叠加在空频复用超表面图像中的方法，其特征在于：该方法利用如权利要求1或2所述的偏振调控与空频复用结合的超表面，包括以下步骤：
(1)优化纳米单元结构参数及特性：确定工作波长λ，利用电磁仿真软件根据所选定的工作波长对纳米单元结构进行扫描；为获得具有半波片功能的纳米单元结构，当圆偏振光入射时，优化对象为出射光中的同向偏振比例最小、交叉偏振比例最大，由此可优化出的纳米单元结构具有接近理想的半波片功能；
(2)选取两幅互不相关的图像，以两个不同的截止频率分别提取这两幅图像的高频分量和低频分量，并将提取的两种分量叠加至一幅图像中产生一幅连续灰度混合图像；
(3)结合马吕斯定理，每个纳米单元结构均可对入射的线偏振光进行局部偏振调控，通过改变纳米单元结构中的纳米砖的转角而实现任意的灰度调制；提取混合图像中每个像素的灰度值并利用马吕斯定理计算各像素点所需的纳米砖转向角，确定用于显示混合图像的方位角分布；
(4)选取一幅二值防伪图案，该图案像素尺寸小于混合图像，将防伪图案叠加至混合图像中，无叠加的部分保持原方位角不变，叠加的部分则需进行判断替换；二值防伪图案任意一像素若其灰度值为0，则原混合图像对应的像素处方向角变为π/2-θ或π-θ；若灰度值为255，则该处像素的方位角变为θ或π/2+θ；由此组成一个新的纳米砖阵列方位角分布；
(5)以一束线偏振光入射到所设计的超表面样片上，出射光通过检偏器在近场显示一幅具有高分辨率的混合图像；当转动超表面样片至一定角度，原混合图像上将叠加一幅图案且无叠加的部分的对比度发生翻转变化。
作为优选方案，所述纳米单元阵列中每个纳米单元结构的功能等效为一个半波片，以一束线偏振光通过纳米单元结构和检偏器时，其出射光的琼斯矩阵可表示为：
结合马吕斯定理，出射光的光强可表示为：
I＝I0[cos(2θ-α2-α1)]2
其中，I0为入射线偏振光的强度，θ为所述纳米砖的方位角，α1为入射线偏振光的偏振方向，α2为检偏器的检偏方向。当入射线偏振光的偏振方向一定，可通过改变θ来实现任意的灰度调制，并且可通过旋转超表面样片来实现另一通道信息的叠加。
第三方面，本发明提供一种如上述将防伪图案叠加在空频复用超表面图像中的方法在利用超表面纳米印刷的显示方式用于高端产品防伪当中的应用，其特征在于：所述超表面样片以纳米印刷的方式在近场显示一幅基于空间频率复用的高分辨率灰度混合图像，将防伪图案叠加到空频复用超表面图像中，即利用超表面纳米印刷的显示方式用于高端产品的防伪当中。
在上述技术方案基础上，通过设计所述超表面上每个纳米单元中纳米砖的方位角，可使入射线偏振光被反射后通过检偏器在近场显示具有高分辨率的连续灰度混合图像，该混合图像是分别将两幅不同的图像提取的高频信息和低频信息叠加于同一幅图像中构成的，通过特定截止频率的高通滤波器和低通滤波器后，可提取并重新获得高频分量和低频分量所对应的图像。当超表面样片转动一定的角度后，原混合图像对比度改变并且在其上叠加了一幅用于防伪的二值图像。
本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明所提出的设计方法，将基于偏振复用控制的纳米印刷与空间频率复用相结合，可实现多通道的信息复用并且可以通过不同的方式对相应的图像信息进行验证
(2)本发明所提出的设计方法所复用的三种通道的提取手段均不相同，因此具有加密功能，并且在原有图像中叠加入防伪图案可作为一种应用于高端产品的防伪技术，由于复制和仿造的难度大，作为图像防伪技术时可在很大程度上提高防伪的安全性和可靠性。
(3)本发明所采用的超表面材料，其结构尺寸均为亚波长级，因此具有体积小、重量轻、可高度集成等特点，适应于未来小型化、微型化的发展。此外，由于超表面为二维平面材料，因此在加工制造方面较为简单并且可节约成本。
附图说明
图1为本发明实施例中纳米单元结构示意图。
图2为本发明实施例中具有半波片功能的纳米单元结构的反射率扫描图。
图3为本发明实施例中空间频率复用的原理图。
图4为本发明实施例中系统的工作原理图。
图中：1-纳米砖；2-二氧化硅层、3-硅层(2、3为基底构成)。
具体实施方式
下面将结合附图具体说明本发明的实施方式和原理设计以及技术效果。
本发明实施例中的将防伪图案叠加在空频复用超表面图像中的方法，超表面由基底和刻蚀在基底上的纳米单元阵列构成，纳米单元结构阵列包括多个纳米单元结构，通过设计可以利用偏振调控实现在基于空频复用超表面图像上叠加一幅防伪图案。
本发明中所采用的超表面为SOI材料，即硅-二氧化硅-硅的材料结构，顶层的硅用以刻蚀纳米砖阵列，底层的二氧化硅-硅作为基底。单个纳米单元结构如图1所示，超表面材料由纳米砖1和基底构成(二氧化硅层2和二氧化硅层3)，单个纳米单元结构的基底为边长为C的正方形工作面，其上刻蚀有一个纳米砖，纳米砖的长边为长轴、短边为短轴，其结构尺寸长L、宽W、高H均为亚波长级，θ为纳米砖的方位角，纳米单元阵列中各相邻的纳米砖尺寸和中心间隔均相同。
以工作波长为λ＝633nm为例，通过电磁仿真软件建模并仿真优化纳米单元结构的性能和参数，以线偏振光垂直于工作面入射，作为实施例，所建的纳米单元结构模型中纳米砖的长轴沿X轴、短轴沿Y轴并以圆偏振光入射，这里作为实施例以左旋圆偏振光入射为例。在工作波长下扫描纳米单元结构的结构参数，包括L、W、H、C，如图2所示，以出射光中与入射光旋向相同的同向偏振反射率最低、与入射光旋向相反的交叉偏振反射率最高为优化对象。当工作波长为633nm，纳米单元的结构参数为：C＝300nm、L＝200nm、W＝100nm、H＝220nm时，出射光中交叉偏振的反射率最高，此时所仿真的纳米单元结构的功能等效为半波片。
本发明中所采用的超表面中每一个纳米单元结构均等效为一个半波片，以单个纳米单元结构为例，当一束线偏振光通过纳米单元结构和检偏器时，其出射光的琼斯矩阵可表示为：
结合马吕斯定理，出射光的光强为：
I＝I0[cos(2θ-α2-α1)]2 (2)
其中，I0为入射线偏振光的强度，θ为纳米砖的方位角，α1为入射线偏振光的偏振方向，α2为检偏器的检偏方向。当入射线偏振光的偏振方向一定，可通过改变θ的大小实现任意的灰度调制。当将超表面样片以光轴为中心旋转
时，出射光的光强变化为：
作为实施例，使入射线偏光的偏振方向α1和检偏器的检偏方向α2之间的夹角为
则式(2)和式(3)可分别简化为：
I1＝I0cos22θ (4)
及
由此可知，当入射线偏振光的偏振方向保持不变时，超表面样片在两个特定的角度下，出射光的强度分别为I1和I2且随纳米砖的方位角θ的不同而连续变化。
本实施例中，选用两幅像素尺寸同为500×500的图像，分别为“狗”和“牛”。利用空间频率复用的原理，将截止频率分别设置为低频10c/i(周期/图像)和高频25c/i，提取图像“狗”的低频分量和图像“牛”的高频部分，如图3所示，低频分量主要包含图像的轮廓信息而高频分量则主要体现图像的细节信息，图中d、e分别为图像“狗”和“牛”经过低频滤波和高频滤波后的空域图像。将提取出的低频分量和高频分量结合到同一幅图像中构成如图f所示的混合图像，该混合图像同时具有图像“狗”的低频信息和图像“牛”的高频信息。由于人眼视觉系统在较近处对高频信息敏感而在较远处对低频信息更加敏感，因此当处于不同的距离处，可以分别观察到混合图像中所包含的“狗”和“牛”的图像信息。
基于上述原理，将混合图像作为一幅连续灰度图像根据其灰度分布来设计超表面的纳米砖阵列的方位角分布，用于显示该混合图像的超表面纳米砖方位角分布由式(4)所计算设计且所有角度均在[0,π/4]之间。选取一幅像素尺寸小于原混合图像的二值防伪图案，本实施例中，选取了一幅像素尺寸为300×300的防伪图案，结合式(5)对光强的计算，在已设计好的混合图像的方位角分布的基础上，如果二值防伪图案位于以原混合图像中心为中心的像素尺寸为300×300的范围外，则对应像素点的纳米砖方位角不变。若防伪图案位于300×300的范围内，当二值防伪图案的灰度值为0时，对应的像素点的纳米砖方位角转变为π/2-θ或π-θ；若灰度值为255时，则对应的像素点的纳米砖的方位角保持不变或者变为π/2+θ。如图4所示，由上述设计方法设计的超表面样片可以以纳米印刷的方式在近场显示一幅基于空间频率复用的高分辨率灰度混合图像，该混合图像可在不同距离处观察到不同的图像信息，此外当以光轴为中心旋转超表面样片
时，原混合图像的对比度发生改变并且在图像中心像素尺寸为300×300的范围内叠加了一幅用于防伪的二值图案。
将防伪图案叠加到空频复用超表面图像中，利用超表面纳米印刷的显示方式，可用于高端产品的防伪当中。这种方法所产生的三种图像信息分别可由三种不同的方式提取：当超表面样片在某一角度时显示一幅空频复用的灰度混合图像，转动超表面样片到另一特定角度时在原图像上显示出叠加的防伪图案。对于混合图案当使用特定截止频率的高频滤波器和低频滤波器时将提取出不同的图像信息，此外在不同的距离处也可观察到不同的空域图像。基于上述设计方法所涉及的防伪技术，验证方式多，仿制难度大且安全性和可靠性高，因此在未来将具有很好的应用前景。
Claims (5)
1.一种偏振调控与空频复用结合的超表面，其特征在于：所述超表面由基底和刻蚀在其上的纳米砖阵列构成；所述基底可划分为多个工作面，每个纳米单元结构均由一个边长为C的正方形工作面和刻蚀在其上的一个纳米砖构成，所述纳米砖为长L、宽W、高H的长方体，且其特征尺寸均为亚波长级由入射光波长优化获得；以纳米单元结构工作面的直角边为X轴和Y轴建立坐标系，以纳米砖长边为长轴、短边为短轴，纳米砖的长轴与X轴夹角θ为纳米砖的方位角；所述纳米单元阵列中每个纳米单元结构的功能都等效于一个半波片。
2.根据权利要求1所述的偏振调控与空频复用结合的超表面，其特征在于：所述超表面采用SOI材料，即硅-二氧化硅-硅的材料结构；所述超表面顶层的硅用以刻蚀纳米砖阵列，超表面底层二氧化硅-硅作为基底。
3.一种将防伪图案叠加在空频复用超表面图像中的方法，其特征在于：该方法利用如权利要求1或2所述的偏振调控与空频复用结合的超表面，包括以下步骤：
(1)优化纳米单元结构参数及特性：确定工作波长λ，利用电磁仿真软件根据所选定的工作波长对纳米单元结构进行扫描；为获得具有半波片功能的纳米单元结构，当圆偏振光入射时，优化对象为出射光中的同向偏振比例最小、交叉偏振比例最大，由此可优化出的纳米单元结构具有接近理想的半波片功能；
(2)选取两幅互不相关的图像，以两个不同的截止频率分别提取这两幅图像的高频分量和低频分量，并将提取的两种分量叠加至一幅图像中产生一幅连续灰度混合图像；
(3)结合马吕斯定理，每个纳米单元结构均可对入射的线偏振光进行局部偏振调控，通过改变纳米单元结构中的纳米砖的转角而实现任意的灰度调制；提取混合图像中每个像素的灰度值并利用马吕斯定理计算各像素点所需的纳米砖转向角，确定用于显示混合图像的方位角分布；
(4)选取一幅二值防伪图案，该图案像素尺寸小于混合图像，将防伪图案叠加至混合图像中，无叠加的部分保持原方位角不变，叠加的部分则需进行判断替换；二值防伪图案任意一像素若其灰度值为0，则原混合图像对应的像素处方向角变为π/2-θ或π-θ；若灰度值为255，则该处像素的方位角变为θ或π/2+θ；由此组成一个新的纳米砖阵列方位角分布；
(5)以一束线偏振光入射到所设计的超表面样片上，出射光通过检偏器在近场显示一幅具有高分辨率的混合图像；当转动超表面样片至一定角度，原混合图像上将叠加一幅图案且无叠加的部分的对比度发生翻转变化。
4.如权利要求3所述的将防伪图案叠加在空频复用超表面图像中的方法，其特征在于：所述纳米单元阵列中每个纳米单元结构的功能等效为一个半波片，以一束线偏振光通过纳米单元结构和检偏器时，其出射光的琼斯矩阵可表示为：
结合马吕斯定理，出射光的光强可表示为：
I＝I0[cos(2θ-α2-α1)]2
其中，I0为入射线偏振光的强度，θ为所述纳米砖的方位角，α1为入射线偏振光的偏振方向，α2为检偏器的检偏方向。当入射线偏振光的偏振方向一定，可通过改变θ来实现任意的灰度调制，并且可通过旋转超表面样片来实现另一通道信息的叠加。
5.一种如权利要求4所述将防伪图案叠加在空频复用超表面图像中的方法在利用超表面纳米印刷的显示方式用于高端产品防伪当中的应用，其特征在于：所述超表面样片以纳米印刷的方式在近场显示一幅基于空间频率复用的高分辨率灰度混合图像，将防伪图案叠加到空频复用超表面图像中，即利用超表面纳米印刷的显示方式用于高端产品的防伪当中。
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