CN111984209B - 可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面及其设计方法 - Google Patents

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CN111984209B CN202010908513.8A CN202010908513A CN111984209B CN 111984209 B CN111984209 B CN 111984209B CN 202010908513 A CN202010908513 A CN 202010908513A CN 111984209 B CN111984209 B CN 111984209B
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Abstract

本发明公开了一种可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面及其设计方法，所述超构表面包括介质衬底，介质衬底上集成有各向异性的纳米像素阵列，每个纳米像素包括三组双元纳米结构，每组双元纳米结构包括两个完全相同的硅纳米块，利用所述设计方法将两幅彩色打印图像和两幅全息图像的信息附加到超构表面的振幅、相位和偏振态里，使用双元纳米结构对图像的振幅、相位、偏振态进行任意调控，使超构表面能在任意的两个正交偏振态下分别显示一套彩色打印图像和全息图像，实现双套图像显示的目的，在图像显示和偏振调控等领域具有广泛的应用前景。

Description

可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面及其设计方法
技术领域
本发明属于微纳光学技术领域，特别是涉及一种可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面及其设计方法。
背景技术
超构表面是一层人工设计的微纳结构，具有亚波长厚度，能够在微纳尺度范围内对光场的振幅、相位和偏振态进行灵活调控，超构表面的这种性质使其在光学领域具有非常广泛的应用，如偏振转换、全息成像、涡旋光产生等；超构表面具备的亚波长周期、高分辨率显示、大视角场和高效率等优点，都是传统显示技术无法实现的，最近人们提出一种同时显示彩色打印和全息图像的方案，能够将两种显示技术集成在一个结构中，然而该方案只能在单一的特定偏振态(如线偏振或圆偏振)条件下观测，且只能集成显示单个彩色打印图像和单个全息图像，极大地限制了超构表面结构在图像显示方面的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面，利用双元纳米结构实现对振幅、相位和偏振态的独立调控，可分解产生任意两个正交椭圆偏振态，能将一套彩色打印与全息图像集成显示在其中一种椭圆偏振态下，同时在其正交椭圆偏振态下，还可以集成显示另一套彩色打印与全息图像，突破了特定偏振态下观测以及图像数目的限制。
本发明的目的还在于提供一种可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面的设计方法，通过以打印图像的振幅为超构表面振幅信息，以全息图像为目标图像，求解超构表面的相位，将超构表面的振幅和相位附加到任意正交椭圆偏振态，进而确定超构表面硅纳米块的位置和转角，得到可显示两套打印图像和全息图像的超构表面。
本发明所采用的技术方案是，可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面，包括介质衬底，所述介质衬底上集成有数个各向异性的纳米像素阵列，每个纳米像素包括三组双元纳米结构，每组双元纳米结构包括两个完全相同的硅纳米块。
进一步的，所述介质衬底为石英衬底、玻璃衬底或蓝宝石衬底。
进一步的，所述纳米像素之间的间距为4μm～8μm。
进一步的，所述三组双元纳米结构包含的硅纳米块的高度均为600nm，宽度均为40nm，长度分别为170nm、105nm和75nm。
可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面的设计方法，包括以下步骤：
步骤1，任取两幅彩色打印图像和两幅彩色全息图像，将彩色打印图像和全息图像分解成红绿蓝三基色下的三组分量图像，每组分量图像都包括两幅打印图像和两幅全息图像；
步骤2，将所有图像均分成M×N个像素单元，各组分量图像的两幅打印图像中第m行、第n列像素单元的振幅分别记作
Figure BDA0002662369090000021
两幅全息图像中第m行、第n列像素单元的振幅分别记作
Figure BDA0002662369090000022
1≤m≤M，1≤n≤N；
步骤3，将各组分量图像的
Figure BDA0002662369090000023
作为超构表面的振幅，以
Figure BDA0002662369090000024
作为目标图像的振幅，计算振幅为
Figure BDA0002662369090000025
的超构表面对应的最终相位
Figure BDA0002662369090000026
和
Figure BDA0002662369090000027
获得各组分量图像中第m行、第n列像素单元对应的超构表面的复振幅
Figure BDA0002662369090000028
和
Figure BDA0002662369090000029
其中i为虚数，e为指数函数；
步骤4，给定任意两个正交的椭圆偏振态|αβ>＝[cosα,sinαeiβ]T和|αβ>0＝[sinαe-iβ,-cosα]T，将各组分量图像对应的
Figure BDA00026623690900000210
和
Figure BDA00026623690900000211
分别附加到两个椭圆偏振态上得到
Figure BDA00026623690900000212
和
Figure BDA00026623690900000213
再叠加
Figure BDA00026623690900000214
得到三组分量图像下的
Figure BDA00026623690900000215
Figure BDA00026623690900000216
Amn、δmn和|μν>＝[cosμ,sinμeiν]T分别为叠加后超构表面的振幅、相位和偏振态；
其中T表示矩阵的转置，α、β、μ、ν均为表征偏振态的参数，0≤(α，μ)≤π/2、0≤(β，ν)≤2π；
步骤5，根据三组分量图像下的
Figure BDA00026623690900000217
分别确定打印图像中第m行、第n列像素单元对应的超构表面上三组双元纳米结构的横坐标和转角；
步骤6，重复步骤3～步骤5获得各组分量图像中所有像素单元对应的双元纳米结构的横坐标和转角；
步骤7，取数个长度分别为170nm、105nm和75nm，宽度均为40nm，高度均为600nm的硅纳米块，将两个相同的硅纳米块组成双元纳米结构，将三组不同长度硅纳米块组成的双元纳米结构组成纳米像素，按照上述横坐标和转角排布在各像素单元对应的介质衬底上，各组双元纳米结构的纵向间距为300nm，各纳米像素单元的间距为4μm～8μm。
进一步的，所述步骤3中计算振幅为
Figure BDA0002662369090000031
的超构表面对应的最终相位
Figure BDA0002662369090000032
和
Figure BDA0002662369090000033
的步骤如下：
步骤31，给两幅全息图像添加随机相位分布
Figure BDA0002662369090000034
得到两幅全息图像的复光场
Figure BDA0002662369090000035
其中i为虚数，exp为指数函数；
步骤32，对
Figure BDA0002662369090000036
进行逆菲涅尔变换得到超构表面的复光场
Figure BDA0002662369090000037
和
Figure BDA0002662369090000038
用打印图像的振幅
Figure BDA0002662369090000039
替换超构表面的振幅
Figure BDA00026623690900000310
得到复光场
Figure BDA00026623690900000311
和
Figure BDA00026623690900000312
步骤33，对复光场
Figure BDA00026623690900000313
和
Figure BDA00026623690900000314
进行菲涅尔变换得到全息图像的复光场
Figure BDA00026623690900000315
和
Figure BDA00026623690900000316
保持全息图像的相位不变，使用目标图像的振幅
Figure BDA00026623690900000317
代替
Figure BDA00026623690900000318
得到更新后全息图像的复光场
Figure BDA00026623690900000319
和
Figure BDA00026623690900000320
步骤34，重复步骤32、步骤33两百次，得到振幅
Figure BDA00026623690900000321
对应的最终相位分布为
Figure BDA00026623690900000322
和
Figure BDA00026623690900000323
进一步的，所述步骤5中
Figure BDA00026623690900000324
与双元纳米结构中各纳米块的横坐标、转角计算公式如下：
Figure BDA00026623690900000325
其中k为表示双元纳米结构中硅纳米块数目的变量，k＝1,2，λ为入射波长，γ为入射角度，
Figure BDA00026623690900000326
为第k个纳米块的转角，
Figure BDA00026623690900000327
xk为第k个纳米块在纳米像素中的横坐标，0≤xk≤λ/sinγ。
本发明的有益效果是：1、本发明将两套彩色打印图像和彩色全息图像的信息附加到超构表面的振幅、相位和偏振态里，利用双元纳米结构实现对任意振幅、相位和偏振态的独立调控，可分解产生任意的正交椭圆偏振态，实现双套彩色打印和全息成像的集成显示；2、本发明将彩色打印图像与全息图像分解为三基色分量图像，并将分量图像的信息分别附加到超构表面，使用三组双元纳米结构对超构表面的振幅、相位和偏振态进行独立调控，能够对图像的色度、饱和度和亮度进行任意调控，完全呈现真实世界的真色彩；3、本发明采用亚波长级结构，有利于器件的小型化和集成化，在图像显示和偏振调控等领域具有广泛的应用前景。
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的光器件结构示意图。
图2是任意两个正交的偏振态叠加生成任意振幅、相位和偏振态分布的示意图。
图3是本发明的双元纳米结构图。
图4是本发明的光器件扫描电镜图。
图5是本发明的光器件实验图。
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。
可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面包括介质衬底，所述介质衬底为石英衬底、玻璃衬底或蓝宝石衬底，如图4所示介质衬底上集成有各向异性的电介质纳米像素阵列，每个纳米像素包括三组双元纳米结构，各双元纳米结构包括两个完全相同的硅纳米块；纳米像素之间的间距为4μm～8μm，纳米像素间距过小时相邻纳米像素间的相位会发生干扰串扰，使超构表面显示的图像发生变形，显示效果不佳，间距过大会降低超构表面的衍射效率，影响超构表面的实际应用；所述三组双元纳米结构的硅纳米块高度均为600nm、宽度均为40nm，长度分别为170nm、105nm和75nm，三组双元纳米结构分别只对红、绿、蓝光波长具备光响应。
可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面设计方法，具体包括以下步骤：
步骤1，任取两幅彩色打印图像和两幅彩色全息图像，将彩色打印图像和全息图像分解成红绿蓝三基色下的三组分量图像，各组分量图像均包括两幅打印图像和两幅全息图像；
步骤2，将所有图像均分成M×N个像素单元，各组分量图像的两幅打印图像中第m行、第n列像素单元的振幅分别记作
Figure BDA0002662369090000051
两幅全息图像中第m行、第n列像素单元的振幅分别记作
Figure BDA0002662369090000052
1≤m≤M，1≤n≤N；
步骤3，将各组分量图像的
Figure BDA0002662369090000053
作为超构表面的振幅信息，以
Figure BDA0002662369090000054
作为目标图像的振幅，计算振幅为
Figure BDA0002662369090000055
的超构表面对应的最终相位
Figure BDA0002662369090000056
和
Figure BDA0002662369090000057
获得各组分量图像中第m行、第n列像素单元对应的超构表面的复振幅
Figure BDA0002662369090000058
和
Figure BDA0002662369090000059
其中i为虚数，e为指数函数；
步骤4，如图2所示，给定任意两个正交椭圆偏振态|αβ>＝[cosα,sinαeiβ]T和|αβ>0＝[sinαe-iβ,-cosα]T，将各组分量图像对应的
Figure BDA00026623690900000510
和
Figure BDA00026623690900000511
分别附加到两个正交椭圆偏振态上得到
Figure BDA00026623690900000512
和
Figure BDA00026623690900000513
再叠加
Figure BDA00026623690900000514
和
Figure BDA00026623690900000515
得到三组分量图像下的
Figure BDA00026623690900000516
Amn、δmn和|μν>＝[cosμ,sinμeiν]T分别为叠加后超构表面的振幅、相位和偏振态；
其中T表示矩阵的转置，α、β、μ、ν均为表征偏振态的参数，0≤(α，μ)≤π/2、0≤(β，ν)≤2π，比如α＝0、β＝0表示的是两个正交的线偏振态；
步骤5，
Figure BDA00026623690900000517
与双元纳米结构中各纳米块的横坐标、转角存在如下关系：
Figure BDA00026623690900000518
其中k为表示双元纳米结构中硅纳米块数目的变量，k＝1,2，λ为入射波长，γ为入射角度，
Figure BDA00026623690900000519
为第k个纳米块的转角，
Figure BDA00026623690900000520
如图3所示为超构表面第m行、第n列的像素单元，以纳米像素单元的横边为X轴、纵边为Y轴，xk为第k个纳米块在纳米像素中的横坐标，0≤xk≤λ/sinγ；
根据三组分量图像下的
Figure BDA00026623690900000521
分别确定打印图像中第m行、第n列像素单元对应的超构表面上三组双元纳米结构的横坐标和转角；
步骤6，重复步骤3～步骤5获得各组分量图像中所有像素单元对应的超构表面的纳米像素结构；
步骤7，取数个长度分别为170nm、105nm和75nm，宽度均为40nm，高度均为600nm的硅纳米块，将两个相同的硅纳米块组成双元纳米结构，将三组不同长度硅纳米块组成的双元纳米结构组成纳米像素，按照上述横坐标和转角排布在各像素单元对应的介质衬底上，各组双元纳米结构件的纵向间距为300nm，各纳米像素单元的间距为4μm～8μm。
各组纳米块的尺寸使其分别只对红绿蓝波长单独响应，即分别对应于三基色分量，避免了不同波长之间的串扰，将三组硅纳米块的纵向间距设为300nm，避免了硅纳米块间的结构重叠。
所述步骤3计算超构表面的相位分布，具体包括以下步骤：
步骤31，给两幅全息图像添加随机相位分布
Figure BDA0002662369090000061
得到两幅全息图像的复光场
Figure BDA0002662369090000062
其中i为虚数，exp为指数函数；
步骤32，对
Figure BDA0002662369090000063
进行逆菲涅尔变换得到超构表面的复光场
Figure BDA0002662369090000064
和
Figure BDA0002662369090000065
用打印图像的振幅
Figure BDA0002662369090000066
替换超构表面的振幅
Figure BDA0002662369090000067
得到复光场
Figure BDA0002662369090000068
和
Figure BDA0002662369090000069
步骤33，对复光场
Figure BDA00026623690900000610
和
Figure BDA00026623690900000611
进行菲涅尔变换得到全息图像的复光场
Figure BDA00026623690900000612
和
Figure BDA00026623690900000613
保持其相位不变，使用目标图像的振幅
Figure BDA00026623690900000614
代替
Figure BDA00026623690900000615
Figure BDA00026623690900000616
得到更新后全息图像的复光场
Figure BDA00026623690900000617
和
Figure BDA00026623690900000618
步骤34，重复步骤32、步骤33两百次，得到振幅
Figure BDA00026623690900000619
对应的最终相位分布为
Figure BDA00026623690900000620
和
Figure BDA00026623690900000621
显然具备所述振幅和相位信息的超构表面能够显示两套不同的打印图像和全息图像。
图1是可显示双套彩色打印图像和全息图像的超构表面，其在椭圆偏振态|αβ>下，在结构平面处显示出数字彩色打印图像，在远场显示伞状全息图像，在|αβ>的正交椭圆偏振态|αβ>0下，在结构平面处显示出字母彩色打印图像，在远场显示花状全息图像，图5为图1所示超构表面的实验图，超构表面在波长分别为671nm、532nm和473nm的激光的共同作用下，在两个正交椭圆偏振态下分别观测到两套不同的彩色打印图像和彩色全息图像，说明本发明设计的超构表面能够在两个任意正交椭圆偏振态照射下，在结构平面处和远场能分别显示两套打印图像和全息图像。
目前集成显示彩色打印图像和全息图像的超构表面，在设计时仅能在一个偏振态下控制其振幅和相位，使其只能在特定的线偏振态或圆偏振态下显示一套打印图像和全息图像，也仅能对振幅、相位和偏振态中的一个或两个因素进行独立调控，本发明能对光场的振幅、相位和偏振态进行独立调控，分解产生任意两个正交椭圆偏振态，并可在两正交椭圆偏振态下分别显示一套打印图像和全息图像的集成，突破了特定偏振态下观测以及图像数目的限制；本发明还将彩色打印图像和全息图像分解成三基色分量图像，再将分解图像的信息附加超构表面的振幅、相位、偏振态里时，能够对图像的色度、饱和度和亮度进行任意调控，完全呈现真实世界的真色彩。
本发明提出的可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面拓展了其在图像显示领域的应用范围，不仅提升了图像显示信息的容量，还为新应用带来可能，比如通过佩戴不同的偏振眼镜，可以让不同观测者观察到完全不同的图像信息，实现一物二用的功能。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，任取两幅彩色打印图像和两幅彩色全息图像，将彩色打印图像和全息图像分解成红绿蓝三基色下的三组分量图像，每组分量图像都包括两幅打印图像和两幅全息图像；
步骤2，将所有图像均分成M×N个像素单元，各组分量图像的两幅打印图像中第m行、第n列像素单元的振幅分别记作
Figure FDA0003903984400000011
两幅全息图像中第m行、第n列像素单元的振幅分别记作
Figure FDA0003903984400000012
1≤m≤M，1≤n≤N；
步骤3，将各组分量图像的
Figure FDA0003903984400000013
作为超构表面的振幅，以
Figure FDA0003903984400000014
作为目标图像的振幅，计算振幅为
Figure FDA0003903984400000015
的超构表面对应的最终相位
Figure FDA0003903984400000016
和
Figure FDA0003903984400000017
获得各组分量图像中第m行、第n列像素单元对应的超构表面的复振幅
Figure FDA0003903984400000018
和
Figure FDA0003903984400000019
其中i为虚数，e为指数函数；
步骤4，给定任意两个正交的椭圆偏振态|αβ>＝[cosα,sinαeiβ]T和|αβ>0＝[sinαe-iβ,-cosα]T，将各组分量图像对应的
Figure FDA00039039844000000110
和
Figure FDA00039039844000000111
分别附加到两个椭圆偏振态上得到
Figure FDA00039039844000000112
和
Figure FDA00039039844000000113
再叠加
Figure FDA00039039844000000114
得到三组分量图像下的
Figure FDA00039039844000000116
Figure FDA00039039844000000115
Amn、δmn和|μν>＝[cosμ,sinμeiν]T分别为叠加后超构表面的振幅、相位和偏振态；
其中T表示矩阵的转置，α、β、μ、ν均为表征偏振态的参数，0≤(α，μ)≤π/2、0≤(β，ν)≤2π；
步骤5，根据三组分量图像下的
Figure FDA00039039844000000117
分别确定打印图像中第m行、第n列像素单元对应的超构表面上三组双元纳米结构的横坐标和转角；
步骤6，重复步骤3～步骤5获得各组分量图像中所有像素单元对应的双元纳米结构的横坐标和转角；
步骤7，取数个长度分别为170nm、105nm和75nm，宽度均为40nm，高度均为600nm的硅纳米块，将两个相同的硅纳米块组成双元纳米结构，将三组不同长度硅纳米块组成的双元纳米结构组成纳米像素，按照上述横坐标和转角排布在各像素单元对应的介质衬底上，各组双元纳米结构的纵向间距为300nm，各纳米像素单元的间距为4μm～8μm。
2.根据权利要求1所述的可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面的设计方法，其特征在于，所述步骤3中计算振幅为
Figure FDA0003903984400000021
的超构表面对应的最终相位
Figure FDA0003903984400000022
和
Figure FDA0003903984400000023
的步骤如下：
步骤31，给两幅全息图像添加随机相位分布
Figure FDA0003903984400000024
得到两幅全息图像的复光场
Figure FDA0003903984400000025
其中i为虚数，exp为指数函数；
步骤32，对
Figure FDA0003903984400000026
进行逆菲涅尔变换得到超构表面的复光场
Figure FDA0003903984400000027
和
Figure FDA0003903984400000028
用打印图像的振幅
Figure FDA0003903984400000029
替换超构表面的振幅
Figure FDA00039039844000000210
得到复光场
Figure FDA00039039844000000211
和
Figure FDA00039039844000000212
步骤33，对复光场
Figure FDA00039039844000000213
和
Figure FDA00039039844000000214
进行菲涅尔变换得到全息图像的复光场
Figure FDA00039039844000000215
和
Figure FDA00039039844000000216
保持全息图像的相位不变，使用目标图像的振幅
Figure FDA00039039844000000217
代替
Figure FDA00039039844000000218
得到更新后全息图像的复光场
Figure FDA00039039844000000219
和
Figure FDA00039039844000000220
步骤34，重复步骤32、步骤33两百次，得到振幅
Figure FDA00039039844000000221
对应的最终相位分布为
Figure FDA00039039844000000222
和
Figure FDA00039039844000000223
3.根据权利要求1所述的可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面的设计方法，其特征在于，所述步骤5中
Figure FDA00039039844000000227
与双元纳米结构中各纳米块的横坐标、转角计算公式如下：
Figure FDA00039039844000000224
其中k为表示双元纳米结构中硅纳米块数目的变量，k＝1,2，λ为入射波长，γ为入射角度，
Figure FDA00039039844000000225
为第k个纳米块的转角，
Figure FDA00039039844000000226
xk为第k个纳米块在纳米像素中的横坐标，0≤xk≤λ/sinγ。
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