CN112882141A - 彩色纳米印刷与全息复用的三通道超表面及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微纳光学技术领域，公开了彩色纳米印刷与全息复用的三通道超表面及其设计方法。超表面由若干个纳米砖结构单元构成，不同组类的纳米砖结构单元在白光入射下具有不同的反射光谱响应；以非偏振白光入射至超表面，反射光在近场显示彩色纳米印刷图像；以偏振角度为0的线偏振光入射至超表面，出射光经过透光轴方向为

的检偏器，在夫琅禾费衍射区显示第一远场全息图像；以圆偏振光入射至超表面，出射光在夫琅禾费衍射区显示第二远场全息图像。本发明能够通过一片超表面显示一幅彩色纳米印刷图像与多幅远场全息图像。

Description

彩色纳米印刷与全息复用的三通道超表面及其设计方法

技术领域

本发明属于微纳光学技术领域，更具体地，涉及一种彩色纳米印刷与全息复用的三通道超表面及其设计方法。

背景技术

自然界中物体呈现的颜色主要有两种：色素色和结构色。色素色是单一物质对光的吸收或反射后直观呈现出的颜色，而结构色则是一种大量有序结构对不同波长的光散射、衍射或干涉后产生的各种颜色。结构色，又称物理色，是一种由光的波长引发的色泽，由于细微结构使光波发生折射、漫反射、衍射或干涉而产生的各种颜色。结构色是一种无需色素的色彩表达方式，具有饱和度高、永不退色、颜色可控等特性，在军事伪装、军事隐身等方面具有广阔应用前景。

超表面材料能够在亚波长尺度对光波电磁场的振幅、相位和偏振态等进行灵活有效的精确调控，具有尺寸小、重量轻、加工方便等优势，已被广泛应用于光学的各个领域。通过改变组成超表面材料的单元结构的尺寸参数，能够使其具备不同的光谱响应，从而实现彩色显示。目前已有大量研究利用超表面分别实现结构色图像显示和全息图像显示。但是通过一片超表面实现一幅彩色纳米印刷图像显示与多幅远场全息图像显示复用的超表面还少有研究。通过超表面实现彩色纳米印刷显示与远场全息复用，在信息密度的提高、信息加密等领域具有重要的应用前景。

发明内容

本发明通过提供彩色纳米印刷与全息复用的三通道超表面及其设计方法，解决现有技术中超表面设计过程复杂、加工误差容忍度差、难以实现复杂图像的复用的问题。

本发明提供彩色纳米印刷与全息复用的三通道超表面，超表面由若干个纳米砖结构单元构成；所述纳米砖结构单元包括基底和设置在所述基底的工作面上的纳米砖；

以平行于所述基底的工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米砖为长方体结构，所述纳米砖的长轴、短轴均与所述基底的工作面平行，所述纳米砖的转向角为所述纳米砖的长轴与x轴的夹角；

不同组类的纳米砖结构单元对应纳米砖的长轴或短轴的尺寸参数不同，不同组类的纳米砖结构单元对应纳米砖的高度尺寸相同；不同组类的纳米砖结构单元在白光入射下具有不同的反射光谱响应，呈现不同的结构色；

每个所述纳米砖单元结构作为一个像素单元，根据彩色纳米印刷图像的颜色对多个组类的纳米砖结构单元进行排布；根据第一远场全息图像对应计算的全息振幅分布得到第一备选转向角和第二备选转向角；根据第二远场全息图像对应计算的复振幅分布在所述第一备选转向角和所述第二备选转向角中选择最终转向角，根据所述最终转向角对每个纳米砖的转向角进行排布；

以非偏振白光入射至所述超表面，反射光在近场显示彩色纳米印刷图像；以偏振角度为0的线偏振光入射至所述超表面，出射光经过透光轴方向为

的检偏器，在夫琅禾费衍射区显示第一远场全息图像；以圆偏振光入射至所述超表面，出射光在夫琅禾费衍射区显示第二远场全息图像。

优选的，所述基底采用氧化铝制成，所述纳米砖采用硅材料制成。

另一方面，本发明提供上述彩色纳米印刷与全息复用的三通道超表面的设计方法，包括以下步骤：

优化设计多个组类的纳米砖结构单元，使多个组类的纳米砖结构单元在白光入射下具有不同的反射光谱响应；设计彩色纳米印刷图像，将每个所述纳米砖单元结构作为一个像素单元，根据所述彩色纳米印刷图像的颜色对多种纳米砖结构单元进行排布；设计第一远场全息图像，根据所述第一远场全息图像对应计算的全息振幅分布得到第一备选转向角和第二备选转向角；设计第二远场全息图像，根据所述第二远场全息图像对应计算的复振幅分布在所述第一备选转向角和所述第二备选转向角中选择最终转向角，根据所述最终转向角对每个纳米砖的转向角进行排布，得到超表面。

优选的，优化设计多个组类的纳米砖结构单元时，扫描纳米砖的长轴和短轴，通过仿真得到各个组类的纳米砖结构单元的光谱反射比，根据光谱反射比计算得到各个组类的纳米砖结构单元反射颜色的色品坐标；

优化设计多个组类的纳米砖结构单元时，扫描纳米砖的长轴和短轴，通过仿真得到各个组类的纳米砖结构单元在设计波长下的长轴透射系数、短轴透射系数。

优选的，所述根据光谱反射比计算得到各个组类的纳米砖结构单元反射颜色的色品坐标的具体实现方式为：

设照明光源的相对光谱功率分布为S(λ)，纳米砖的光谱反射比为ρ(λ)，则颜色刺激函数为

视觉感知的光谱三刺激值为

则CIE色度系统计算得到的颜色三刺激值为：

其中，k为归一化系数，将完全漫反射体和理想透射物体的Y值调整到100，得到：

基于物体的颜色三刺激值计算得到物体的色品坐标：

其中，x、y、z为色品坐标值。

优选的，所述根据彩色纳米印刷图像的颜色对多种纳米砖结构单元进行排布的具体实现方式为：

基于多个组类的纳米砖结构单元在白光入射下呈现的结构色，在所述超表面的不同位置处分别选择与所述彩色纳米印刷图像的设计颜色最接近的一个组类的纳米砖结构单元进行排布，确定所述超表面的所有纳米砖的长轴和短轴的尺寸参数。

优选的，以偏振角度为O的线偏振光波入射至转向角为θ的各向异性结构时，出射波经过透光轴方向为

检偏器，出射光的琼斯矢量为：

其中，A和B分别是沿纳米砖的长轴和短轴的复透射系数；

对于各向异性纳米砖结构，入射光为偏振角度为O的线偏振光时，出射光的复振幅为：

通过改变纳米砖的转向角θ实现对线偏振光的复振幅进行调制。

优选的，所述根据第一远场全息图像对应计算的全息振幅分布得到第一备选转向角和第二备选转向角的具体实现方式为：

根据所述第一远场全息图像以及线偏振光调制

由模拟退火算法确定纳米砖的转向角θ对应的sin2θ的取值，计算出θ在[0，π)内每个纳米砖结构单元的两个备选的转向角，分别记为第一备选转向角θ_a和第二备选转向角θ_b，满足θ_a≠θ_b且sin2θ_a＝sin2θ_b。

优选的，以圆偏振光波入射至各向异性结构时，出射光由第一光波和第二光波组成，所述第一光波为与入射光偏振旋向相同的光波，所述第二光波为与入射光偏振旋向相反的光波；入射的圆偏振光的琼斯矢量为

时，出射光的琼斯矢量为：

其中，A和B分别是沿纳米砖的长轴和短轴的复透射系数，θ为各向异性纳米砖的转向角，σ＝1和σ＝-1分别表示光波偏振态为左旋圆偏振光或者右旋圆偏振光；

对于各向异性纳米砖结构，入射光为圆偏振光时，出射的交叉偏振的圆偏振光的复振幅调制为：

通过改变纳米砖的转向角θ对交叉偏振的圆偏振光的复振幅进行调制。

优选的，所述根据第二远场全息图像对应计算的全息振幅分布在第一备选转向角和第二备选转向角中选择最终转向角的具体实现方式为：

基于所述第二远场全息图像以及圆偏振光交叉偏振调制

由模拟退火算法从所述第一备选转向角θ_a和所述第二备选转向角θ_b中选择最优的转向角分布作为所述最终转向角。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在发明中，优化设计多个组类的纳米砖结构单元，使多个组类的纳米砖结构单元在白光入射下具有不同的反射光谱响应；设计彩色纳米印刷图像，将每个纳米砖单元结构作为一个像素单元，根据彩色纳米印刷图像的颜色对多种纳米砖结构单元进行排布；设计第一远场全息图像，根据第一远场全息图像对应计算的全息振幅分布得到第一备选转向角和第二备选转向角；设计第二远场全息图像，根据第二远场全息图像对应计算的全息振幅分布在第一备选转向角和第二备选转向角中选择最终转向角，根据最终转向角对每个纳米砖的转向角进行排布，得到超表面。本发明能够通过一片超表面显示一幅彩色纳米印刷图像与多幅远场全息图像，提供的超表面设计过程简单，结构色显示图像质量高，不同信息通道之间无串扰，全息图像重建质量高，信息存储密度高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的彩色纳米印刷与全息复用的三通道超表面的设计方法的流程图；

图2是本发明实施例中纳米砖结构单元的结构示意图；

图3是本发明实施例中超表面的结构示意图；

图4是本发明实施例中优化设计的纳米砖结构单元反射光谱仿真结果；

图5是本发明实施例中优化设计的纳米砖结构单元反射颜色色品坐标示意图；

图6是本发明实施例中通道一彩色纳米印刷图像image_c；

图7是本发明实施例中通道二对应的第一远场全息目标图像image_h1的归一化强度分布；

图8是本发明实施例中通道三对应的第二远场全息目标图像image_h2的归一化强度分布；

图9是本发明实施例中转向角的求解示意图；

图10是本发明实施例中优化设计的sin2θ分布；

图11是本发明实施例中优化设计的sin 2θ对应的通道二全息图仿真归一化强度分布；

图12是本发明实施例中优化设计最终转向角分布图；

图13是本发明实施例中设计的超表面的通道二对应的第一远场全息图的仿真归一化强度分布；

图14是本发明实施例中设计的超表面的通道三对应的第二远场全息图的仿真归一化强度分布。

其中，1-基底、2-纳米砖。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例1：

实施例1提供了彩色纳米印刷与全息复用的三通道超表面，超表面由若干个纳米砖结构单元构成；所述纳米砖结构单元包括基底和设置在所述基底的工作面上的纳米砖。

以平行于所述基底的工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米砖为长方体结构，所述纳米砖的长轴、短轴均与所述基底的工作面平行，所述纳米砖的转向角为所述纳米砖的长轴与x轴的夹角。

不同组类的纳米砖结构单元对应纳米砖的长轴或短轴的尺寸参数不同，不同组类的纳米砖结构单元对应纳米砖的高度尺寸相同；不同组类的纳米砖结构单元在白光入射下具有不同的反射光谱响应，呈现不同的结构色。

每个所述纳米砖单元结构作为一个像素单元，根据彩色纳米印刷图像的颜色对多个组类的纳米砖结构单元进行排布；根据第一远场全息图像对应计算的全息振幅分布得到第一备选转向角和第二备选转向角；根据第二远场全息图像对应计算的复振幅分布在所述第一备选转向角和所述第二备选转向角中选择最终转向角，根据所述最终转向角对每个纳米砖的转向角进行排布。

以非偏振白光入射至所述超表面，反射光在近场显示彩色纳米印刷图像；以偏振角度为0的线偏振光入射至所述超表面，出射光经过透光轴方向为

的检偏器，在夫琅禾费衍射区显示第一远场全息图像；以圆偏振光入射至所述超表面，出射光在夫琅禾费衍射区显示第二远场全息图像。

例如，所述基底采用氧化铝制成，所述纳米砖采用硅材料制成。

实施例2：

实施例2提供如实施例1所述的彩色纳米印刷与全息复用的三通道超表面的设计方法，包括以下步骤：

优化设计多个组类的纳米砖结构单元，使多个组类的纳米砖结构单元在白光入射下具有不同的反射光谱响应；设计彩色纳米印刷图像，将每个所述纳米砖单元结构作为一个像素单元，根据所述彩色纳米印刷图像的颜色对多种纳米砖结构单元进行排布；设计第一远场全息图像，根据所述第一远场全息图像对应计算的全息振幅分布得到第一备选转向角和第二备选转向角；设计第二远场全息图像，根据所述第二远场全息图像对应计算的复振幅分布在所述第一备选转向角和所述第二备选转向角中选择最终转向角，根据所述最终转向角对每个纳米砖的转向角进行排布，得到超表面。

其中，优化设计多个组类的纳米砖结构单元时，扫描纳米砖的长轴和短轴，通过仿真得到各个组类的纳米砖结构单元的光谱反射比，根据光谱反射比计算得到各个组类的纳米砖结构单元反射颜色的色品坐标；通过仿真得到各个组类的纳米砖结构单元在设计波长下的长轴透射系数、短轴透射系数。

所述根据光谱反射比计算得到各个组类的纳米砖结构单元反射颜色的色品坐标的具体实现方式为：

设照明光源的相对光谱功率分布为S(λ)，纳米砖的光谱反射比为ρ(λ)，则颜色刺激函数为

视觉感知的光谱三刺激值为

则CIE色度系统计算得到的颜色三刺激值为：

其中，k为归一化系数，将完全漫反射体和理想透射物体的Y值调整到100，得到：

基于物体的颜色三刺激值计算得到物体的色品坐标：

其中，x、y、z为色品坐标值。

其中，所述根据彩色纳米印刷图像的颜色对多种纳米砖结构单元进行排布的具体实现方式为：基于多个组类的纳米砖结构单元在白光入射下呈现的结构色，在所述超表面的不同位置处分别选择与所述彩色纳米印刷图像的设计颜色最接近的一个组类的纳米砖结构单元进行排布，确定所述超表面的所有纳米砖的长轴和短轴的尺寸参数。

以偏振角度为O的线偏振光波入射至转向角为θ的各向异性结构时，出射波经过透光轴方向为

检偏器，出射光的琼斯矢量为：

其中，A和B分别是沿纳米砖的长轴和短轴的复透射系数。

对于各向异性纳米砖结构，入射光为偏振角度为O的线偏振光时，出射光的复振幅为：

通过改变纳米砖的转向角θ实现对线偏振光的复振幅进行调制。

根据所述第一远场全息图像以及线偏振光调制

由模拟退火算法确定纳米砖的转向角θ对应的sin2θ的取值，计算出θ在[0，π)内每个纳米砖结构单元的两个备选的转向角，分别记为第一备选转向角θ_a和第二备选转向角θ_b，满足θ_a≠θ_b且sin2θ_a＝sin2θ_b。

以圆偏振光波入射至各向异性结构时，出射光由第一光波和第二光波组成，所述第一光波为与入射光偏振旋向相同的光波，所述第二光波为与入射光偏振旋向相反的光波；入射的圆偏振光的琼斯矢量为

时，出射光的琼斯矢量为：

其中，A和B分别是沿纳米砖的长轴和短轴的复透射系数，θ为各向异性纳米砖的转向角，σ＝1和σ＝-1分别表示光波偏振态为左旋圆偏振光或者右旋圆偏振光。

对于各向异性纳米砖结构，入射光为圆偏振光时，出射的交叉偏振的圆偏振光的复振幅调制为：

通过改变纳米砖的转向角θ对交叉偏振的圆偏振光的复振幅进行调制。

基于所述第二远场全息图像以及圆偏振光交叉偏振调制

由模拟退火算法从所述第一备选转向角θ_a和所述第二备选转向角θ_b中选择最优的转向角分布作为所述最终转向角。

下面对本发明做进一步的说明。

参见图1，本发明提供的超表面的设计方法主要包括：根据彩色纳米印刷图像(即通道一近场彩色图像)image_c选择不同位置处的纳米砖尺寸(L、W)，根据第一远场全息图像(即通道二全息目标图像)image_h1和先偏振光调制

利用模拟退火算法设计纳米砖两个备选转向角θ_a和θ_b，根据第二远场全息图像(即通道三全息目标图像)image_h2和圆偏振光交叉偏振调制

利用模拟退火算法从两个备选转向角θ_a和θ_b中选择最终合适的转向角θ，输出纳米砖的排布方式，得到超表面。

以非偏振白光入射所述超表面材料，经过超表面后，反射光在近场形成一幅彩色纳米印刷图像image_c；用波长λ的偏振角度为0的线偏振光入射所述超表面材料，出射光波经过透光轴方向为

的检偏器，在夫琅禾费衍射区显示第一远场全息图像image_h1；用波长θ的圆偏振光入射所述超表面材料，在夫琅禾费衍射区显示第二远场全息图像image_h2。

本发明提供的超表面，即构建的纳米砖阵列包括多个纳米砖结构单元，参见图3。纳米砖结构单元如图2所示，包括基底1和设置在所述基底1的工作面上的纳米砖2。所述纳米砖2具有长轴L和短轴W，所述纳米砖的转向角θ为所述纳米砖的长轴L与x轴的夹角。设计基座的工作面的边长C＝400nm，固定纳米砖高度H＝230nm，扫描纳米砖的长轴L和短轴W，仿真得到各尺寸参数的纳米砖结构单元的反射光谱如图4所示。

设照明光源的相对光谱功率分布为S(λ)，纳米砖的光谱反射比为ρ(λ)，则颜色刺激函数为

视觉感知的光谱三刺激值为

则CIE色度系统计算得到的颜色三刺激值为：

其中常数k为归一化系数，对自发光物体是将光源的Y值调整到100，对于非自发光物体通常是将所选标准照明体的Y值调整到100，即将完全漫反射体和理想透射物体的Y值调整到100，即有：

计算出物体颜色的三刺激值后，可计算出物体的色品坐标：

根据各尺寸参数的纳米砖结构单元的反射光谱，计算的得到在标准光源D65照射时的各种纳米砖结构单元的颜色，其色品坐标如图5所示。

选择如图6所示的彩色图像作为通道一彩色纳米印刷图像image_c，根据图6中各像素的颜色以及图5中各种尺寸参数的纳米砖的颜色，来确定超表面上各位置处纳米砖结构单元的长轴L和短轴W。

进一步地，所述纳米砖结构单元的结构参数包括所述纳米砖的长轴L、短轴W和高H以及所述工作面边长C的尺寸，且长轴L与短轴W不相等。当所述纳米砖的长轴L与短轴W不相等时，其沿长轴方向和短轴方向的等效折射率不同，纳米砖呈现各向异性。

以偏振角度为0的线偏振光波入射至朝向角为θ的各向异性结构时，出射波经过透光轴方向为

检偏器，出射光的琼斯矢量为：

式(4)中，A和B分别是沿纳米砖长轴和短轴的复透射系数。所以出射光的复振幅为：

由式(5)可以看出，对于长轴和短轴的复透射系数分别为A和B的纳米砖，可以通过改变其转向角θ来实现对线偏振光的调制，从而实现通道二远场全息image_h1。并且，当θ在[0，π)范围内取值时，总存在θ_a≠θ_b使得sin 2θ_a＝sin 2θ_b，因此对于每个纳米砖结构单元而言，均有两个备选的转向角。如图9所示，其中sin 2θ₁＝sin 2θ₂＞0，满足

其中sin2θ₃＝sin2θ₄＜0，满足

即θ₁、θ₂与θ₃、θ₄不能同时获得，只能获得其中的一组。

选择如图7所示的灰度图像作为通道二远场全息目标图像image_h1，通过模拟退火算法优化设计超表面对应的sin2θ分布，sin2θ可以在[-1，1]范围内连续取值，优化结果如图10所示，对应的只设计通道二全息图的仿真结果如图11所示。与图7设计相符。

以圆偏振光波入射至各向异性结构时，出射光波由两部分组成：一部分是与入射光波偏振旋向相同的光波，另一部分是与入射光波偏振旋向相反的光波。入射圆偏振光的琼斯矢量为

时，出射光波的琼斯矢量为：

式(6)中，A和B分别是沿纳米砖长轴和短轴的复透射系数，θ为各向异性纳米砖的转向角，σ＝1和σ＝-1分别表示光波偏振态为左旋圆偏振光或者右旋圆偏振光。

对于各向异性纳米砖结构，入射圆偏振光波时，出射的交叉偏振圆偏振光的复振幅调制为：

由式(7)可以看出，对于长轴和短轴的复透射系数分别为A和B的纳米砖，可以通过改变其朝向角θ来实现对交叉偏振圆偏振光的复振幅调制，从而实现远场全息。由通道二全息image_h1优化计算得到每个纳米砖结构单元的两个备选的转向角θ_a和θ_b，根据各向异性纳米砖结构单元对交叉偏振圆偏振光的复振幅调制，选择每个纳米砖结构单元最终合适的转向角，从而实现通道三远场全息image_h2。

选择如图8所示的灰度图像作为通道三远场全息目标图像image_h2，根据各向异性纳米砖结构单元对交叉偏振圆偏振光的复振幅调制，通过模拟退火算法优化选择每个纳米砖结构单元最终合适的转向角，优化设计最终转向角分布如图12所示。最终优化设计的超表面对应的通道二远场全息和通道三远场全息仿真结果分别如图13和图14所示，均与设计目标图像相符合。

综上，本发明提供的超表面能够实现一幅彩色纳米印刷图像与多幅远场全息图像显示复用的功能，且设计过程简单，结构色显示图像质量高，不同信息通道之间无串扰，全息图像重建质量高，信息存储密度高。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.彩色纳米印刷与全息复用的三通道超表面及其设计方法，其特征在于，超表面由若干个纳米砖结构单元构成；所述纳米砖结构单元包括基底和设置在所述基底的工作面上的纳米砖；

以平行于所述基底的工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米砖为长方体结构，所述纳米砖的长轴、短轴均与所述基底的工作面平行，所述纳米砖的转向角为所述纳米砖的长轴与x轴的夹角；

不同组类的纳米砖结构单元对应纳米砖的长轴或短轴的尺寸参数不同，不同组类的纳米砖结构单元对应纳米砖的高度尺寸相同；不同组类的纳米砖结构单元在白光入射下具有不同的反射光谱响应，呈现不同的结构色；

每个所述纳米砖单元结构作为一个像素单元，根据彩色纳米印刷图像的颜色对多个组类的纳米砖结构单元进行排布；根据第一远场全息图像对应计算的全息振幅分布得到第一备选转向角和第二备选转向角；根据第二远场全息图像对应计算的复振幅分布在所述第一备选转向角和所述第二备选转向角中选择最终转向角，根据所述最终转向角对每个纳米砖的转向角进行排布；

以非偏振白光入射至所述超表面，反射光在近场显示彩色纳米印刷图像；以偏振角度为0的线偏振光入射至所述超表面，出射光经过透光轴方向为

的检偏器，在夫琅禾费衍射区显示第一远场全息图像；以圆偏振光入射至所述超表面，出射光在夫琅禾费衍射区显示第二远场全息图像。

2.根据权利要求1所述的彩色纳米印刷与全息复用的三通道超表面及其设计方法，其特征在于，所述基底采用氧化铝制成，所述纳米砖采用硅材料制成。

3.如权利要求1-2中任一项所述的彩色纳米印刷与全息复用的三通道超表面及其设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

优化设计多个组类的纳米砖结构单元，使多个组类的纳米砖结构单元在白光入射下具有不同的反射光谱响应；设计彩色纳米印刷图像，将每个所述纳米砖单元结构作为一个像素单元，根据所述彩色纳米印刷图像的颜色对多种纳米砖结构单元进行排布；设计第一远场全息图像，根据所述第一远场全息图像对应计算的全息振幅分布得到第一备选转向角和第二备选转向角；设计第二远场全息图像，根据所述第二远场全息图像对应计算的复振幅分布在所述第一备选转向角和所述第二备选转向角中选择最终转向角，根据所述最终转向角对每个纳米砖的转向角进行排布，得到超表面。

4.根据权利要求3所述的彩色纳米印刷与全息复用的三通道超表面及其设计方法，其特征在于，优化设计多个组类的纳米砖结构单元时，扫描纳米砖的长轴和短轴，通过仿真得到各个组类的纳米砖结构单元的光谱反射比，根据光谱反射比计算得到各个组类的纳米砖结构单元反射颜色的色品坐标；

优化设计多个组类的纳米砖结构单元时，扫描纳米砖的长轴和短轴，通过仿真得到各个组类的纳米砖结构单元在设计波长下的长轴透射系数、短轴透射系数。

5.根据权利要求4所述的彩色纳米印刷与全息复用的三通道超表面及其设计方法，其特征在于，所述根据光谱反射比计算得到各个组类的纳米砖结构单元反射颜色的色品坐标的具体实现方式为：

设照明光源的相对光谱功率分布为S(λ)，纳米砖的光谱反射比为ρ(λ)，则颜色刺激函数为

视觉感知的光谱三刺激值为

则CIE色度系统计算得到的颜色三刺激值为：

其中，k为归一化系数，将完全漫反射体和理想透射物体的Y值调整到100，得到：

基于物体的颜色三刺激值计算得到物体的色品坐标：

其中，x、y、z为色品坐标值。

6.根据权利要求3所述的彩色纳米印刷与全息复用的三通道超表面及其设计方法，其特征在于，所述根据彩色纳米印刷图像的颜色对多种纳米砖结构单元进行排布的具体实现方式为：

基于多个组类的纳米砖结构单元在白光入射下呈现的结构色，在所述超表面的不同位置处分别选择与所述彩色纳米印刷图像的设计颜色最接近的一个组类的纳米砖结构单元进行排布，确定所述超表面的所有纳米砖的长轴和短轴的尺寸参数。

7.根据权利要求3所述的彩色纳米印刷与全息复用的三通道超表面及其设计方法，其特征在于，以偏振角度为0的线偏振光波入射至转向角为θ的各向异性结构时，出射波经过透光轴方向为

检偏器，出射光的琼斯矢量为：

其中，A和B分别是沿纳米砖的长轴和短轴的复透射系数；

对于各向异性纳米砖结构，入射光为偏振角度为0的线偏振光时，出射光的复振幅为：

通过改变纳米砖的转向角θ实现对线偏振光的复振幅进行调制。

8.根据权利要求3所述的彩色纳米印刷与全息复用的三通道超表面及其设计方法，其特征在于，所述根据第一远场全息图像对应计算的全息振幅分布得到第一备选转向角和第二备选转向角的具体实现方式为：

根据所述第一远场全息图像以及线偏振光调制

由模拟退火算法确定纳米砖的转向角θ对应的sin 2θ的取值，计算出θ在[0，π)内每个纳米砖结构单元的两个备选的转向角，分别记为第一备选转向角θ_a和第二备选转向角θ_b，满足θ_a≠θ_b且sin 2θ_a＝sin2θ_b。

9.根据权利要求3所述的彩色纳米印刷与全息复用的三通道超表面及其设计方法，其特征在于，以圆偏振光波入射至各向异性结构时，出射光由第一光波和第二光波组成，所述第一光波为与入射光偏振旋向相同的光波，所述第二光波为与入射光偏振旋向相反的光波；入射的圆偏振光的琼斯矢量为

时，出射光的琼斯矢量为：

其中，A和B分别是沿纳米砖的长轴和短轴的复透射系数，θ为各向异性纳米砖的转向角，σ＝1和σ＝-1分别表示光波偏振态为左旋圆偏振光或者右旋圆偏振光；

对于各向异性纳米砖结构，入射光为圆偏振光时，出射的交叉偏振的圆偏振光的复振幅调制为：

通过改变纳米砖的转向角θ对交叉偏振的圆偏振光的复振幅进行调制。

10.根据权利要求8所述的彩色纳米印刷与全息复用的三通道超表面及其设计方法，其特征在于，所述根据第二远场全息图像对应计算的全息振幅分布在第一备选转向角和第二备选转向角中选择最终转向角的具体实现方式为：

基于所述第二远场全息图像以及圆偏振光交叉偏振调制

由模拟退火算法从所述第一备选转向角θ_a和所述第二备选转向角θ_b中选择最优的转向角分布作为所述最终转向角。

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