CN111027337A - 一种热辐射信息加载装置、方法及所加载信息的读取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热辐射信息加载装置、方法及所加载信息的读取方法，包括从上到下依次分布的光学涂层、光学天线阵列层、绝缘层、金属背板、衬底，其中，光学天线阵列层附着有若干呈阵列分布的天线簇；所述光学天线阵列层、绝缘层、金属背板共同构成超表面吸收体，用于通过将图像信息加载到光学天线阵列层中天线簇的横向特征尺寸上，对其主动发射的红外热辐射进行调制，实现热辐射信息加载；所述光学涂层用于保护光学天线阵列层，并将光学天线阵列层上所加载的信息在可见光下隐形；该装置所加载的图像信息仅在红外探测器下可以清晰可见，人眼不可见，保密性好。

Description

一种热辐射信息加载装置、方法及所加载信息的读取方法

技术领域

本发明属于微纳光学技术领域，更具体地，涉及一种热辐射信息加载装置、方法及所加载信息的读取方法。

背景技术

信息加载及读取是人类生活、社会生产的关键技术，与人类的工作和生活息息相关。不同的信息加载和读取方法为信息传输提供了更多的可能性。随着社会的发展，信息加载的应用场景越来越广，性能要求也越来越高，研究信息加载方法、装置及所加载的信息具有重要的意义。

传统的信息加载方法将信息固化到一些媒介上，如将文字记录在竹简或纸张上、将信息加载到能够主动发光的LED显示屏上，这些方法所加载的信息在可见光照下均能够方便读取到，使得信息能够广泛的传播，但是该方法的工作波段单一具有局限性，对于存在保密要求的场景并不适用。

为了解决上述问题，现有的信息加载方法使用特定的超表面单元记录信息，并且基于可见光源，在指定照明条件下，通过超表面单元进行读取，得到所加载的信息和干扰信息两种信息。干扰信息用来混淆所加载的信息的读取，相对于传统的信息加载方法起到了一定的加密效果。但是，该方法将信息加载到可见光波段，只要存在一定的可见光，就有大约一半的概率正确读取到所加载的信息，加密效果并不明显。另外，该方法需要主动照明，且对照明光源有较高的要求，适用范围有限，如在蛇类动物的生物试验中由于蛇只能接受红外波段的信息，现有的超表面信息加载方法无法实现将信息加载到红外辐射波段上。更进一步的，在读取所加载的信息时需要主动照明，在照明情况较弱的情况下无法有效的读取加载的信息，受环境影响较大。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种热辐射信息加载装置、方法及所加载信息的读取方法，其目的在于解决现有技术由于将信息加载到可见光波段上而导致的保密性较差的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种热辐射信息加载装置，包括从上到下依次分布的光学涂层、光学天线阵列层、绝缘层、金属背板、衬底，其中，光学天线阵列层附着有若干呈阵列分布的天线簇；

光学天线阵列层、绝缘层、金属背板共同构成超表面吸收体，用于通过将图像信息加载到光学天线阵列层中天线簇的横向特征尺寸上，对其主动发射的红外热辐射进行调制，实现热辐射信息加载；

光学涂层用于保护光学天线阵列层，并将光学天线阵列层上所加载的信息在可见光下隐形；

衬底用于支撑上述超表面吸收体。

进一步优选地，上述超表面吸收体为MIM型超表面吸收体。

进一步优选地，上述天线簇呈圆盘形阵列分布或者呈正方形阵列分布或者呈多边形阵列分布。

进一步优选地，当天线簇呈圆盘形阵列分布时，其横向尺寸为圆盘形阵列的半径；

当天线簇呈正方形阵列分布时，其横向尺寸为正方形阵列的边长；

当天线簇呈多边形阵列分布时，其横向尺寸为多边形阵列的边长。

第二方面，本发明提供了一种基于本发明第一方面所提出的热辐射信息加载装置的热辐射信息加载方法，包括以下步骤：

S1、对待加载的图像信息的灰度值进行量化处理；

S2、测量不同横向尺寸天线簇所对应的超表面吸收体的光谱辐射出射度，并基于光谱辐射出射度和红外探测器的光谱响应，得出不同横向尺寸天线所对应的超表面吸收体发射的红外光辐射被红外探测器接收后所对应的相对灰度值，建立天线簇横向尺寸与图像灰度之间的映射关系；

S3、根据所得映射关系以及待加载图像信息的灰度值，将光学天线阵列层上相应位置处的天线簇横向尺寸设置为相应的大小；

S4、基于不同横向尺寸天线簇所对应的超表面吸收体所发射的红外波段光强信息各不相同的原理，将图像信息加载到红外波段上。

进一步优选地，上述待加载的图像信息为灰度图像信息。

进一步优选地，上述光学天线阵列层上各天线簇的横向尺寸大小与待加载图像中各像素点的灰度值一一对应。

第三方面，本发明提供了一种读取本发明第一部分所提供的热辐射信息加载装置所加载的图像信息方法，包括以下步骤：

(1)将上述热辐射信息加载装置放置在红外探测器的正下方，通过该热辐射信息加载装置将加载有图像信息的红外波段发射到红外探测器上

(2)采用红外探测器读取发射过来的红外波段的光强信息；

(3)对所得红外波段的光强信息进行量化处理，从而将红外波段中的图像信息读取出来。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列下列有益效果：

1、本发明提供了一种热辐射信息加载装置，其光学天线阵列层中天线簇的横向尺寸与待加载图像信息相对应，并且光学天线阵列层、绝缘层、金属背板共同构成超表面吸收体，通过将图像信息加载到其中天线簇的横向特征尺寸上，对其主动发射的红外热辐射进行调制，从而实现热辐射信息加载，该装置所加载的图像信息仅在红外探测器下可以清晰可见，人眼不可见，被可见光探测器读出的概率为零，保密性好。

2、本发明提供了一种热辐射信息加载方法，通过建立天线簇横向尺寸与图像灰度之间的映射关系，并基于待加载图像信息的灰度值，将光学天线阵列层上相应位置处的天线簇横向尺寸设置为相应的大小，通过将光学天线阵列层上各天线簇的横向尺寸与待加载图像信息一一对应，从而将该图像信息加载到红外波段上。该装置所加载的图像信息在可见光下完全不可见，保密性好。并且由于光学天线阵列层、绝缘层、金属背板共同构成MIM型超表面吸收体尺寸处于亚波长量级，能够实现近衍射级别的信息加载密度，从而可以实现大容量的信息加载。

3、本发明所提供的热辐射信息加载方法，通过基于待加载图像信息，将光学天线阵列层上相应位置处的天线簇横向尺寸设置为相应的大小，从而调整热辐射信息加载装置所发射的长波红外的辐射强度，进而能够实现多灰度信息的加载。

4、本发明所提供的热辐射信息加载装置，通过其中的光学涂层可以将装置上加载信息的结构区域进行隐形，使结构区域在可见光下不可见，对长波红外辐射透明，进一步提高保密效果。

5、本发明提供了一种读取本发明所提供的热辐射信息加载装置所加载的图像信息方法，由于热辐射信息加载装置中的超表面吸收体可以主动发射红外热辐射，故本发明所提供的热辐射信息读取方法无需主动照明，在不便提供可见光光照的条件下依然可以将所加载的信息清晰的读取出来，使用方便，另外将信息加载的范围延伸到红外波段上，大大拓展了使用范围。

附图说明

图1是本发明所提供的一种热辐射信息加载装置；

图2是本发明实施例1所提供的待加载多值图像信息；

图3是本发明实施例1所提供的平均辐射出射度与圆盘半径之间的关系曲线；

图4是本发明实施例2所提供的四值图像信息；

图5是本发明实施例2所提供的四种半径大小的圆盘形阵列及其吸收光谱和对应的灰度值示意图；其中，图(a)为存在四种半径大小的圆盘形阵列的光学天线阵列层，图(b)为四种半径大小的圆盘阵列所对应的超表面吸收体的吸收光谱图，图(c)为呈以上四种半径大小的圆盘阵列分布的天线簇所对应的超表面吸收体主动发射的热辐射经红外探测器所显示的灰度图；

图6是本发明所提供的所加载的图像信息的读取装置示意图；

图7是采用本发明所提供的信息读取方法分别读取热辐射信息加载装置上所加载的多值和四值图像信息的结果图；其中，图(a)为采用本发明所提供的信息读取方法读取热辐射信息加载装置上所加载的多值图像信息的结果图；图(b)为采用本发明所提供的信息读取方法读取热辐射信息加载装置上所加载的二值图像信息的结果图。

图8是本发明实施例中分别采用普通相机和本发明所提供的信息读取方法读取热辐射信息加载装置上所加载的二维码图像信息的结果图；其中，图(a)为采用普通相机读取热辐射信息加载装置上所加载的二维码图像信息的结果图，图(b)为采用本发明所提供的信息读取方法读取热辐射信息加载装置上所加载的二维码图像信息的结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种热辐射信息加载装置，如图1所示，包括从上到下依次分布的光学涂层、光学天线阵列层、绝缘层、金属背板、衬底，其中，光学天线阵列层附着有若干呈阵列分布的天线簇；

光学天线阵列层、绝缘层、金属背板共同构成超表面吸收体，用于通过将图像信息加载到光学天线阵列层中天线簇的横向特征尺寸上，对其主动发射的红外热辐射进行调制，实现热辐射信息加载；具体的，上述天线簇呈圆盘形阵列分布或者呈正方形阵列分布或者呈多边形阵列分布。当天线簇呈圆盘形阵列分布时，其横向尺寸为圆盘形阵列的半径；当天线簇呈正方形阵列分布时，其横向尺寸为正方形阵列的边长；当天线簇呈多边形阵列分布时，其横向尺寸为多边形阵列的边长。进一步的，光学天线阵列和金属背板的材料包括金、银、铝、铁、铜、镍、铬，绝缘层的材料包括二氧化硅、硅、氧化铝、锗、氮氧化硅、氮化硅。在本实施例中，使用电子束蒸镀设备在单晶硅片上蒸镀不小于100nm厚的金形成金属背板，使用PECVD设备在金属背板的表面表面沉积300-600nm厚的二氧化硅形成绝缘层，在绝缘层上使用剥离工艺制备形成金属光学天线阵列层，共同构成MIM型超表面吸收体。优选地，上述超表面吸收体为MIM型超表面吸收体。

光学涂层用于保护光学天线阵列层，并将光学天线阵列层上所加载的信息在可见光下隐形；具体的，光学涂层为油墨、油漆等可见光不透明而在长波红外有较高透过率的涂层，具有较高的稳定性，可以作为保护层，与此同时，添加光学涂层后，所加载的信息能够在可见光下隐形。

衬底用于支撑上述超表面吸收体。

第二方面，本发明提供了一种基于本发明第一方面所提出的热辐射信息加载装置的热辐射信息加载方法，包括以下步骤：

S1、对待加载的图像信息的灰度值进行量化处理；具体的，上述待加载的图像信息为灰度图像信息。

S2、测量不同横向尺寸天线簇所对应的超表面吸收体的光谱辐射出射度，并基于光谱辐射出射度和红外探测器的光谱响应，得出不同横向尺寸天线所对应的超表面吸收体发射的红外光辐射被红外探测器接收后所对应的相对灰度值，建立天线簇横向尺寸与图像灰度之间的映射关系；

S3、根据所得映射关系以及待加载图像信息的灰度值，将光学天线阵列层上相应位置处的天线簇横向尺寸设置为相应的大小；

S4、基于不同横向尺寸天线簇所对应的超表面吸收体所发射的红外波段光强信息各不相同的原理，将图像信息加载到红外波段上。

具体的，本发明中信息加载模块中的光学天线阵列层、绝缘层、金属背板共同构成MIM型超表面吸收体，MIM型超表面吸收体辐射电磁波的能力遵循基尔霍夫热辐射定律，即发射率等于吸收率，而MIM型超表面吸收体在8-14μm波长范围内有很高的吸收率，故其在8-14μm波长范围内也有很高的发射率，能够主动发射红外热辐射。当光学天线阵列层中天线簇的横向尺寸发生改变时，局部表面等离子激元谐振频率发生改变，吸收波长发生改变。通过调整光学天线阵列层中天线簇的横向尺寸，MIM型超表面吸收体能发射多种强度的长波红外热辐射，实现二值或多值信息的加载。

为了更清楚说明本发明所提供的一种热辐射信息加载方法，下面结合实施例进行详述：

实施例1、

为了进一步说明本发明所提出的一种热辐射信息加载方法，以多值图像信息为例，在本实施例中，天线簇呈圆盘形阵列分布，具体的，如图2所示，在本实施例中通过本发明所提供的热辐射信息加载方法加载多值图像信息，包括以下步骤：

S1、对待加载的图像信息的灰度值进行量化处理；具体的，本实施例中将待加载的多值图像量化成13个灰度值。

S2、测量不同横向尺寸天线簇所对应的超表面吸收体的光谱辐射出射度，并基于光谱辐射出射度和红外探测器的光谱响应，得出不同横向尺寸天线所对应的超表面吸收体发射的红外光辐射被红外探测器接收后所对应的相对灰度值，建立天线簇横向尺寸与图像灰度之间的映射关系；

具体的，本实施例中，将热辐射信息加载装置加热到333K，测量不同半径大小的圆盘阵列所对应的超表面吸收体在8-14μm波长范围内上的平均辐射出射度，得到平均辐射出射度与圆盘半径之间的关系曲线，所得曲线如图3所示，然后基于平均辐射出射度和红外探测器的光谱响应，通过计算二者的乘积，得到得出该超表面吸收体发射的红外光辐射被红外探测器接收后所对应的相对灰度值，进一步建立圆盘半径与灰度值之间的映射关系。具体的，在本实施例中，将待加载的多值图像量化为13个灰度值，各灰度值与圆盘半径的对应关系如表1所示：

表1

图像灰度	32	48	64	80	96	112	128	144	160	176	192	208	224
														圆盘半径	0.5	0.74	0.87	0.98	1.08	1.18	1.26	1.31	1.37	1.42	1.49	1.57	1.75

S3、根据所得映射关系以及待加载图像信息的灰度值，将光学天线阵列层上相应位置处的天线簇横向尺寸设置为相应的大小；

S4、基于不同横向尺寸天线簇所对应的超表面吸收体所发射的红外波段光强信息各不相同的原理，将图像信息加载到红外波段上。

实施例2、

为了进一步说明天线簇横向尺寸与图像灰度之间的映射关系，以如图4所示的四值图像进行说明，在本实施例中通过本发明所提供的热辐射信息加载方法加载四值图像信息，具体的，根据天线簇横向尺寸与图像灰度之间的映射关系以及待加载图像信息的灰度值，将光学天线阵列层上相应位置处的天线簇横向尺寸设置为相应的大小，本实施例中光学天线阵列层中的天线簇呈圆盘形阵列分布，如图5中的(a)图所示，将其设置为相应的四种半径大小的圆盘阵列，分别为0.9μm、1.1μm、1.3μm、1.6μm，分别对应四值图像的四种灰度值大小。各圆盘阵列所对应的超表面吸收体的吸收光谱图如图5中的(b)图所示，从图中可以看出呈不同半径大小的圆盘阵列分布的天线簇所对应的超表面吸收体的吸收光谱各不相同，圆盘形阵列的半径越大，天线簇所对应的超表面吸收体的平均吸收率越大，其主动发射的热辐射镜长波经红外探测模块和处理模块后所显示的灰度值也就越大。具体的，呈以上四种半径大小的圆盘阵列分布的天线簇所对应的超表面吸收体主动发射的热辐射经红外探测器后所显示的灰度如图5中的(c)图所示，从图中可以看出不同半径大小的圆盘阵列与各灰度值一一对应，圆盘形阵列的半径越大，灰度值越高，灰度也越深。

第三方面，本发明提供了一种读取本发明第一部分所提供的热辐射信息加载装置所加载的图像信息方法，包括以下步骤：

(1)将上述热辐射信息加载装置放置在红外探测器的正下方，通过该热辐射信息加载装置将加载有图像信息的红外波段发射到红外探测器上；

(2)采用红外探测器读取发射过来的红外波段的光强信息；

(3)对所得红外波段的光强信息进行量化处理，从而将红外波段中的图像信息读取出来。

具体的，采用本发明所提供的信息读取方法，基于如图6所示的热辐射信息加载装置所加载的图像信息的读取装置示意图，分别读取加载有图2所示的多值信息和图4所示的二值信息的结果图分别如图7中的图(a)和图(b)所示，从图中可以看出本发明所提供的方法可以将加载的多值图像信息清楚的读取出来。进一步的，以二值图像——二维码图像为例进行说明，如图8所示，分别采用普通相机和本发明第二方面所提供的热辐射信息读取方法读取信息加载模块上所加载的二维码图像信息，其中图(a)为采用普通相机读取到的信息加载模块上所加载的二维码图像信息，图(b)为采用本发明所提供的信息读取方法读取到的所加载的二维码图像信息，从图中可以看出，所加载的图像信息在可见光下完全不可见，但是采用本发明所提供的读取方法能够清晰可见，从侧面可以看出本发明第一方面和第二方面所提供的热辐射信息加载装置及方法的保密性较好。另外，由于热辐射信息加载装置中的超表面吸收体可以主动发送红外热辐射，故本发明所提供的热辐射信息读取方法无需主动照明，在无法提供可见光光照的条件下依然可以将所加载的图像信息清晰的读取出来，不受外界环境的影响，适用范围广。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种热辐射信息加载装置，其特征在于，包括从上到下依次分布的光学涂层、光学天线阵列层、绝缘层、金属背板、衬底，其中，所述光学天线阵列层附着有若干呈阵列分布的天线簇；

所述光学天线阵列层、绝缘层、金属背板共同构成超表面吸收体，用于通过将图像信息加载到光学天线阵列层中天线簇的横向特征尺寸上，对其主动发射的红外热辐射进行调制，实现热辐射信息加载；

所述光学涂层用于保护光学天线阵列层，并将光学天线阵列层上所加载的信息在可见光下隐形；

所述衬底用于支撑上述超表面吸收体。

2.根据权利要求1所述的热辐射信息加载装置，其特征在于，所述超表面吸收体为MIM型超表面吸收体。

3.根据权利要求1所述的热辐射信息加载装置，其特征在于，所述天线簇呈圆盘形阵列分布或者呈正方形阵列分布或者呈多边形阵列分布。

4.根据权利要求3所述的热辐射信息加载装置，其特征在于，当天线簇呈圆盘形阵列分布时，其横向尺寸为圆盘形阵列的半径；

当天线簇呈正方形阵列分布时，其横向尺寸为正方形阵列的边长；

当天线簇呈多边形阵列分布时，其横向尺寸为多边形阵列的边长。

5.一种基于权利要求1-4任意一项所述的热辐射信息加载装置的热辐射信息加载方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对待加载的图像信息的灰度值进行量化处理；

S2、测量不同横向尺寸天线簇所对应的超表面吸收体的光谱辐射出射度，并基于光谱辐射出射度和红外探测器的光谱响应，得出不同横向尺寸天线所对应的超表面吸收体发射的红外光辐射被红外探测器接收后所对应的相对灰度值，建立天线簇横向尺寸与图像灰度之间的映射关系；

S3、根据所得映射关系以及待加载图像信息的灰度值，将光学天线阵列层上相应位置处的天线簇横向尺寸设置为相应的大小；

S4、基于不同横向尺寸天线簇所对应的超表面吸收体所发射的红外波段光强信息各不相同的原理，将图像信息加载到红外波段上。

6.根据权利要求5所述的热辐射信息加载方法，其特征在于，所述待加载的图像信息为灰度图像信息。

7.根据权利要求5所述的热辐射信息加载方法，其特征在于，所述光学天线阵列层上各天线簇的横向尺寸大小与待加载图像中各像素点的灰度值一一对应。

8.一种读取本发明权利要求1-4任意一项所述的热辐射信息加载装置所加载的图像信息方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将上述热辐射信息加载装置放置在红外探测器的正下方，通过该热辐射信息加载装置将加载有图像信息的红外波段发射到红外探测器上；

(2)采用红外探测器读取发射过来的红外波段的光强信息；

(3)对所得红外波段的光强信息进行量化处理，从而将红外波段中的图像信息读取出来。

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