CN111292226A - 基于超表面实现结构色图像和连续灰度图像复用的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超表面实现结构色图像和连续灰度图像复用的设计方法，在双波长自然光入射的情况下，在超表面的表面产生一幅结构色图像；在单波长线偏振光入射的情况下，在超表面的表面产生一幅连续灰度图像，最终实现结构色图像和连续灰度图像复用。基于超表面实现结构色图像和连续灰度图像复用的设计方法巧妙，大大提高了信息存储容量和信息显示密度，在光学信息存储、光学防伪、光学信息加密等诸多领域具有潜在的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光学技术领域，尤其涉及一种基于超表面实现结构色图像和连续灰度图像复用的设计方法。
背景技术
在数据通信中，多路复用技术是指一种在发送端将多路信号进行组合，在一条专用的传输信道上实现传输，然后在接收端再恢复原机制或解除终端各信道，将复合信号分离开来的过程。复用技术提高了信道容量和传输效率，更大效率的利用现有硬件设施，降低成本和满足人们日益增长的对信息传输量的要求，因此多路复用技术得到了广泛的应用。其中，在光学信息存储、光学防伪、光学信息加密等诸多领域中，多路复用技术(多信号集成)常用于提高光学信息存储系统的容量和增强光学加密的安全性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于超表面实现结构色图像和连续灰度图像复用的设计方法，通过该方法设计得到的超表面可以实现结构色图像和连续灰度图像复用，大大提高了信息存储容量和信息存储密度。
为实现上述目的，本发明提供的基于超表面实现结构色图像和连续灰度图像复用的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)优化设计分别在不同的波长实现起偏器功能的纳米砖单元结构#1和纳米砖单元结构#2的尺寸参数，使得电场方向沿纳米砖长轴的线偏振光正入射至所述纳米砖单元结构#1时，在波长λ1处反射率最高；正入射至纳米砖单元结构#2时，在波长λ2处反射率最高；同时还要保证纳米砖单元结构#1和纳米砖单元结构#2在波长λ0处具有相同的反射率，即优化设计后的纳米砖单元结构#1和纳米砖单元结构#2有对应两个不同的峰值响应波长λ1和λ2，可以分别在λ1和λ2实现起偏器的功能，同时在波长λ0处反射率相同。
(2)确定纳米砖单元结构#1和纳米砖单元结构#2的位置排布：
选取一幅由M×N个像素组成的双色图像作为结构色图像image1，每个图像只包含两种颜色color1和color2且所有像素亮度相同，像素颜色为color1和color2的位置分别对应放置纳米砖单元结构#1和纳米砖单元结构#2；
(3)确定纳米砖单元结构的方向角排布：再选取一幅由M×N个像素组成具有256级灰度等级的灰度图像image2，该图像只有灰度等级，而没有颜色的变化，图像中所有像素的灰度值构成一个灰度矩阵；设Iin2＝255，灰度矩阵中的每一个灰度值作为Iout2，根据公式Iout2＝(cosΦ)2Iin2可求出所有纳米砖单元结构的方向角，构成方向角矩阵Φ；
(4)按照步骤(1)和(2)在x、y方向上等间隔排列上述纳米砖单元结构#1和纳米砖单元结构#2，各纳米砖单元结构的方向角按照方向角矩阵Φ进行排布，构成超表面；
(5)当两种波长λ1和λ2混合的自然光正入射至超表面时，超表面的表面呈现一幅结构色图像image1；当波长λ0的线偏振光正入射至超表面时，超表面的表面呈现一幅连续灰度图像image2，最终实现结构色图像和连续灰度图像复用。
作为优选方案，所述纳米砖单元结构由基底和基底上的纳米砖构成；所述基底材料选用二氧化硅，纳米砖材料选用银。
进一步地，所述步骤(1)中，纳米砖单元结构#1的尺寸参数包括单元结构中心间隔C1、高度H1、长度L1和宽度W1；纳米砖单元结构#2的尺寸参数包括单元结构中心间隔C2、高度H2、长度L2和宽度W2；所述C1＝C2。
更进一步地，所述步骤(1)中，工作波长λ1、λ2和λ0各不相等。
更进一步地，所述步骤(1)中，当工作波长λ1＝568nm，λ2＝670nm，λ0＝605nm；纳米砖单元结构#1的长度L1为120nm，宽度W1为80nm，高度H1为70nm；纳米砖单元结构#2的长度L2为160nm，宽度W2为60nm，高度H2为70nm；纳米砖单元结构#1的单元结构中心间隔C1和纳米砖单元结构#2的单元结构中心间隔C2均为300nm。
本发明的优点及有益效果如下：
(1)本发明设计方法巧妙简单，通过一个超表面可实现结构色图像和连续灰度图像复用，提高了信息存储容量。
(2)超表面单元结构为亚波长量级，因此基于超表面的光学显示分辨率极高，光学信息存储密度大，应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明中纳米砖单元结构#1和纳米砖单元结构#2的结构示意图；
图2是本发明中可实现结构色图像和连续灰度图像复用的超表面的示意图；
图3是本发明实施例中设计的纳米砖单元结构#1和纳米砖单元结构#2的反射率；
图4是本发明实施例中设计的结构色图像image1；
图5是本发明实施例中设计的连续灰度图像image2；
图6是本发明实施例中设计的超表面的方向角分布示意图；
图7是本发明实施例中实现结构色图像的光路示意图；
图8是本发明实施例中实现连续灰度图像的光路示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细阐述。
1、优化设计两种纳米砖单元结构。
下面以纳米砖单元结构为长方体为例进行说明。两种纳米砖单元结构的长、宽、高均为亚波长。
如图1所示，建立xyz直角坐标系，纳米砖单元结构的长边方向代表长轴，短边方向代表短轴，Φ为纳米砖单元结构的长轴与x轴之间的夹角，即纳米砖单元结构的方向角(Φ的取值范围为0°～180°)，如图1所示。
通过电磁仿真软件优化纳米砖单元结构的尺寸参数，包括纳米砖单元结构#1和纳米砖单元结构#2的单元结构中心间隔C，高度H1和H2、长度L1和L2和宽度W1和W2，使得电场方向沿纳米砖长轴的线偏振光正入射至纳米砖单元结构#1时，在波长λ1处反射率最高；正入射至纳米砖单元结构2时，在波长λ2处反射率最高且λ1≠λ2；同时还要保证这两种结构在波长λ0(λ0≠λ1或λ2)处具有相同的反射率，即优化设计后的纳米砖单元结构#1和纳米砖单元结构#2有对应两个不同的峰值响应波长λ1和λ2，可以分别在λ1和λ2实现起偏器的功能，同时在波长λ0处反射率相同。
2、实现结构色的原理。
优化设计后的两种纳米砖单元结构可以在各自的工作波长下实现起偏器的功能，当入射光为工作波长下的自然光时，由于自然光是无数偏振光的无规则集合，包括垂直于光波传播方向的所有可能的振动方向，沿各个方向振动的光波强度都相同，因此自然光经过纳米砖单元结构后出射光强度Iout1可表示为：
其中，Iin1表示入射的自然光的光强。由式(1)可知，出射光的光强与纳米砖的方向角Φ无关，任意方向角的纳米砖对光强的调制作用是相同的。但是由于纳米砖单元结构#1和纳米砖单元结构#2的尺寸参数不同，峰值响应波长λ1和λ2不同，因此当入射光为两种波长λ1和λ2混合的自然光时，纳米砖单元结构#1和纳米砖单元结构#2反射光的颜色不同。这种由于纳米砖单元结构不同导致光谱响应峰值位置改变进而产生不同的颜色的效果称之为结构色。结构色与纳米砖转角无关，是纳米砖单元结构尺寸变化所产生特殊的颜色效应。
3、实现连续灰度调制的原理。
分别用R1l和R2l表示波长为λ0，电场方向沿纳米砖长轴方向的线偏振光正入射至纳米砖单元结构#1和纳米砖单元结构#2的反射率。当波长为λ0，电场方向沿x轴方向的线偏振光正入射至纳米砖单元结构#1和纳米砖单元结构#2时，由于上述两种结构在该波长下反射率相同，即R1l＝R2l＝Rl，由马吕斯定律可知，反射光的归一化光强可表示为
Iout2＝(cosΦ)2Iin2。 (2)
其中，Φ为纳米砖单元结构的长轴与x轴之间的夹角，即方向角；Iin2表示入射线偏振光的光强。由式(2)可知，通过改变纳米砖单元结构的方向角Φ可以改变反射光的光强。
4、可实现结构色图像和连续灰度图像复用的超表面的设计方法。
(1)确定纳米砖单元结构#1和纳米砖单元结构#2的位置排布：选取一幅由M×N个像素组成的双色图像作为结构色图像image1，每个图像只包含两种颜色color1和color2且所有像素亮度相同，像素颜色为color1和color2的位置对应放置纳米砖单元结构#1和纳米砖单元结构#2；
(2)确定纳米砖单元结构的方向角排布：再选取一幅由M×N个像素组成具有256(0～255)级灰度等级的灰度图像image2，该图像只有灰度等级，而没有颜色的变化。图像中所有像素的灰度值构成一个灰度矩阵。设Iin2＝255，灰度矩阵中的每一个灰度值作为Iout2，根据公式(2)可求出所有纳米砖单元结构的方向角，构成方向角矩阵Φ；
(3)按照步骤(1)和(2)在x、y方向上等间隔排列上述两种纳米砖单元结构，各纳米砖单元结构的方向角按照方向角矩阵Φ进行排布，构成超表面；
(4)当两种波长λ1和λ2混合的自然光正入射至超表面时，超表面的表面呈现一幅结构色图像image1；当波长λ0的线偏振光正入射至超表面时，超表面的表面呈现一幅连续灰度图像image2，最终实现结构色图像和连续灰度图像复用。
其中，衬底为二氧化硅衬底，纳米砖单元结构为银纳米砖，但不限于此。超表面的工作模式为反射式，但不限于此。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本实施例提供的基于超表面实现结构色图像和连续灰度图像复用的设计方法，其预期实现的功能是当两种波长λ1和λ2混合的自然光正入射至超表面时，超表面的表面呈现一幅结构色图像image1；当波长λ0的线偏振光正入射至超表面时，超表面的表面呈现一幅连续灰度图像image2，最终实现结构色图像和连续灰度图像复用。
本实施例中，纳米单元结构由二氧化硅基底，以及刻蚀在基底上的银纳米砖构成，如图1所示。选取的三个设计波长分别为λ1＝568nm，λ2＝670nm，λ0＝605nm；通过电磁仿真软件CST对纳米砖单元结构进行优化仿真，得到优化后的银纳米砖的尺寸参数为：纳米砖单元结构#1的长度L1＝120nm，宽度W1＝80nm，高度H1＝70nm；纳米砖单元结构#2的长度L2＝160nm，宽度W2＝60nm，高度H2＝70nm；单元结构中心间隔C＝300nm。该结构参数下纳米砖单元结构的反射率如图3所示，其中，R1l和R2l分别表示沿长轴方向振动的线偏振光正入射至纳米砖单元结构#1和纳米砖单元结构#2的反射率。由图3可知，R1l在波长为λ1(568nm)处和R2l在波长为λ2(670nm)处均高于90％，同时R1l和R2l在波长为λ0(605nm)处相等，满足设计要求。
可实现结构色图像和连续灰度图像复用的超表面的具体设计步骤如下：
(1)确定纳米砖单元结构#1和纳米砖单元结构#2的位置排布：选取一幅由500×500个像素组成的双色图像作为结构色图像image1，如图4所示。每个图像只包含两种颜色color1和color2且所有像素亮度相同，像素颜色为color1和color2的位置对应放置纳米砖单元结构#1和纳米砖单元结构#2；
(2)确定纳米砖单元结构的方向角排布：再选取一幅由M×N个像素组成具有256(0～255)级灰度等级的灰度图像image2，如图5所示。该图像只有灰度等级，而没有颜色的变化。图像中所有像素的灰度值构成一个灰度矩阵。设Iin2＝255，灰度矩阵中的每一个灰度值作为Iout2，根据公式(2)可求出所有纳米砖单元结构的方向角，构成方向角矩阵Φ，如图6所示；
(3)按照步骤(1)和(2)在x、y方向上等间隔排列上述两种纳米砖单元结构，各纳米砖单元结构的方向角按照方向角矩阵Φ进行排布，构成超表面，其结构示意图如图2所示；
(4)如图7所示，当两种波长λ1和λ2混合的自然光正入射至超表面时，超表面的表面呈现一幅结构色图像image1；如图8所示，当波长λ0的线偏振光正入射至超表面时，超表面的表面呈现一幅连续灰度图像image2，最终实现结构色图像和连续灰度图像复用。
本发明实施例中的基于超表面实现结构色图像和连续灰度图像复用的设计方法至少包括如下技术效果：
当两种波长λ1和λ2混合的自然光正入射至超表面时，超表面的表面呈现一幅结构色图像image1；当波长λ0的线偏振光正入射至超表面时，超表面的表面呈现一幅连续灰度图像image2，最终实现结构色图像和连续灰度图像复用。本发明仅通过单个超表面就可实现结构色图像和连续灰度图像复用，提高了信息存储容量，超表面单元结构为亚波长量级，因此基于超表面的光学显示分辨率极高，光学信息存储密度大，应用前景广阔。
Claims (5)
1.一种基于超表面实现结构色图像和连续灰度图像复用的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)优化设计分别在不同的波长实现起偏器功能的纳米砖单元结构#1和纳米砖单元结构#2的尺寸参数，使得电场方向沿纳米砖长轴的线偏振光正入射至所述纳米砖单元结构#1时，在波长λ1处反射率最高；正入射至纳米砖单元结构#2时，在波长λ2处反射率最高；同时还要保证纳米砖单元结构#1和纳米砖单元结构#2在波长λ0处具有相同的反射率，即优化设计后的纳米砖单元结构#1和纳米砖单元结构#2有对应两个不同的峰值响应波长λ1和λ2，可以分别在λ1和λ2实现起偏器的功能，同时在波长λ0处反射率相同；
(2)确定纳米砖单元结构#1和纳米砖单元结构#2的位置排布：
选取一幅由M×N个像素组成的双色图像作为结构色图像image1，每个图像只包含两种颜色color1和color2且所有像素亮度相同，像素颜色为color1和color2的位置分别对应放置纳米砖单元结构#1和纳米砖单元结构#2；
(3)确定纳米砖单元结构的方向角排布：再选取一幅由M×N个像素组成具有256级灰度等级的灰度图像image2，该图像只有灰度等级，而没有颜色的变化，图像中所有像素的灰度值构成一个灰度矩阵；设Iin2＝255，灰度矩阵中的每一个灰度值作为Iout2，根据公式Iout2＝(cosΦ)2Iin2可求出所有纳米砖单元结构的方向角，构成方向角矩阵Φ；
(4)按照步骤(1)和(2)在x、y方向上等间隔排列上述纳米砖单元结构#1和纳米砖单元结构#2，各纳米砖单元结构的方向角按照方向角矩阵Φ进行排布，构成超表面；
(5)当两种波长λ1和λ2混合的自然光正入射至超表面时，超表面的表面呈现一幅结构色图像image1；当波长λ0的线偏振光正入射至超表面时，超表面的表面呈现一幅连续灰度图像image2，最终实现结构色图像和连续灰度图像复用。
2.根据权利要求1所述的基于超表面实现结构色图像和连续灰度图像复用的设计方法，其特征在于：所述纳米砖单元结构由基底和基底上的纳米砖构成；所述基底材料选用二氧化硅，纳米砖材料选用银。
3.根据权利要求1或2所述的基于超表面实现结构色图像和连续灰度图像复用的设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中，纳米砖单元结构#1的尺寸参数包括单元结构中心间隔C1、高度H1、长度L1和宽度W1；纳米砖单元结构#2的尺寸参数包括单元结构中心间隔C2、高度H2、长度L2和宽度W2；所述C1＝C2。
4.根据权利要求3所述的基于超表面实现结构色图像和连续灰度图像复用的设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中，工作波长λ1、λ2和λ0各不相等。
5.根据权利要求4所述的基于超表面实现结构色图像和连续灰度图像复用的设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中，当工作波长λ1＝568nm，λ2＝670nm，λ0＝605nm；纳米砖单元结构#1的长度L1为120nm，宽度W1为80nm，高度H1为70nm；纳米砖单元结构#2的长度L2为160nm，宽度W2为60nm，高度H2为70nm；纳米砖单元结构#1的单元结构中心间隔C1和纳米砖单元结构#2的单元结构中心间隔C2均为300nm。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113094927A (zh) * | 2021-04-25 | 2021-07-09 | 浙江工业大学 | 一种利用新型光学薄膜实现多通道信息编码的方法 |
| CN114996776A (zh) * | 2022-04-28 | 2022-09-02 | 武汉大学 | 基于双超表面的光学信息加密方法 |
| CN114996776B (zh) * | 2022-04-28 | 2024-04-16 | 武汉大学 | 基于双超表面的光学信息加密方法 |
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