CN113156792B - 基于级联超颖表面的平移全息复用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于级联超颖表面的平移全息复用方法，属于微纳光学、全息显示和信道复用应用技术领域。该方法使用一种迭代的梯度下降优化算法获得多张超颖表面全息图的相位分布，并将其通过沉积、光刻、剥离和蚀刻等过程用非晶硅纳米棒天线编码于不同的玻璃基底上。使用该方法进行全息加密时，只有将两张单层超颖表面全息图按照正确的相对平移位置进行堆叠时，才能读取加密信息，能够应用于需要隐藏保密数据的信息安全，加密和防伪等领域。此外，平移全全息复用级联超颖表面系统的全息再现像可以被编码于离散且等距的空间位置之上，这使其具有了用作光学标尺的潜力。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于级联超颖表面的平移全息复用方法，属于微纳光学、全息显示和信道复用应用技术领域。
背景技术
超颖表面通常由亚波长尺寸的金属或介质纳米天线阵列构成，能够以亚波长尺度对光场的振幅与相位进行高分辨率调制，在微纳全息，数据存储，光束整形，偏振控制等领域都具有很大的潜力。其中，将全息原理与超颖表面相结合的超颖表面全息技术的一个重要发展方向，该技术在保留了超颖表面的超薄、紧凑特性，极大地促进了全息器件的微型化的同时，还依靠其超小像素、宽带性质，克服了传统全息技术所面临的带宽窄、视场角小、存在多级衍射级次串扰和孪生像等挑战，极大地提高了目标图像的再现质量。
对于超颖表面全息技术相关器件来说，信息容量是非常重要的属性。作为信息的载体，超颖表面能够以相位和振幅空间分布的形式密集地存储光学信息，其信息容量越高，能够记录的信息就越多。为了提高超颖表面全息元器件的信息容量，在不增加超颖表面的数量及其所包含的像素数目的情况下，拓展出额外的信道用以记录更多目标图像的技术称之为全息复用技术。目前比较常见的超颖表面全息复用技术包括合成谱法、空间复用、位置复用、偏振复用、波长复用和角度复用等，这些方法利用全息算法编写，光学天线的排布方式、结构特征或波前调制机理等不同途径引入了新的自由度，大大增加了超颖表面的信息容量。但与此同时，这些方法各自存在着不同再现像之间串扰较大、再现位置受到限制、复用信道数量有限、加工精度要求较高、需要构造新的编码单元引入新的自由度、降低了可用的空间带宽积等缺陷。这些缺陷增加了超颖表面设计和加工的复杂性，同时也阻碍了超颖表面全息图信息容量的进一步提高，使其无法满足诸如信息存储和实时全息显示等实际应用的需要，大大限制了这些方法的实际应用前景。
另一方面，现有的超颖表面全息复用技术通常使用的都是单层解决方案，通过设计并排布超颖表面上的纳米天线来引入新的自由度，提供额外的复用信道。到目前为止，仅有很少的相关研究展示了使用多层级联超颖表面进行全息复用的可能性([1]Zhou,Y.,Kravchenko,I.I.,Wang,H.,et al.Multifunctional metaoptics based on bilayermetasurfaces[J].Light:Science&Applications,2019,8(1).将两个由各向同性的介质纳米圆柱天线构成的超颖表面级联在一起，加工为多层超颖表面。通过独立改变两层超颖表面中各个介质纳米圆柱天线的半径，并整体设计其在不同波长下的透射率和透射相位，实现了针对波长的全息复用。[2]Chen,K.,Ding,G.,Hu,G.,et al.Directional JanusMetasurface[J].Advanced Materials,2019,32(2).将三层各向异性的正方形开口环阻抗片级联在一起加工为多层超颖表面，每个像素对应的级联在一起的三个阻抗片两两之间经过了45°的旋转，为该多层超颖表面提供了光传播方向上的非对称性，实现了线偏振光的非对称传输和相位调制，并通过空间复用引入了传播方向这一全息复用自由度)。但这些已报道的方法或是存在着设计复杂、加工困难的缺陷，或是降低了可用的空间带宽积，且都是将级联在一起的多个纳米天线作为一个固定的调制单元进行设计，可控性不足，信息容量仍然比较有限。目前，几乎没有使用级联超颖表面之间的相对平移位置作为一个新的全息复用维度的研究和尝试。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于级联超颖表面的平移全息复用方法。该方法能够基于级联超颖表面全息术引入级联全息图的平移全息复用的概念，利用相对平移位置作为一个新的全息复用维度，把处于不同相对平移位置的级联超颖表面视为不同的系统，在其上对不同的全息再现像进行编码。实际应用中，平移全息复用级联超颖表面系统的全息再现像可以被编码于离散且等距的空间位置之上，这使其具有了用作光学标尺的潜力。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
基于级联超颖表面的平移全息复用方法，包括如下步骤：
步骤一、使用迭代的梯度下降优化算法高效且直接地获得构成平移全息复用级联超颖表面系统的两张超颖表面全息图A和B的相位分布。所述的两张超颖表面全息图A和B各自对应一个彼此独立的再现像，且当两张超颖表面全息图以预设距离进行堆叠时，还能够根据不同的相对平移位置再现出多个全新的再现像。
所述的迭代的梯度下降优化算法的具体步骤为：
1)计算具有N×N个像素的超颖表面全息图A级联之前对应的再现像C1，将再现像C1与A的目标图像进行对比，计算均方误差M1；对在级联超颖表面系统中位于前端的超颖表面全息图A进行周期性延展，将A左侧边缘的n列像素复制到右侧进行拼接(n需远小于N)，以便在再现像不发生变化的同时在水平方向上加长超颖表面全息图，获得加长超颖表面全息图A’；
2)计算具有N×N个像素的超颖表面全息图B级联之前对应的再现像C2，将再现像C2与B的目标图像进行对比，计算均方误差M2；
3)当步骤1)得到的加长超颖表面全息图A’与超颖表面全息图B进行级联时，将超颖表面全息图B在水平方向平移，当B左侧边缘与超颖表面全息图A’的左侧边缘对齐时，得到再现像C3，当B右侧边缘与超颖表面全息图A’的右侧边缘对齐时，得到再现像C4；从A’与B的左/右侧边缘对齐的状态，切换到A’与B的右/左侧边缘对齐的状态，B在水平方向上平移了n个像素，因为n远小于N，故两种状态下被B裁剪为正方形的参与级联的A’中的面积是有交叠的；分别将再现像C3、再现像C4与各自的目标图像进行对比，计算均方误差M3和M4；
4)将均方误差M1、M2、M3和M4加在一起，获得总误差；前述过程都在现代机器学习库的自动微分框架内执行，以便跟踪梯度的变化；
5)通过步骤4)所得总误差得到梯度：所述梯度为总误差对两张超颖表面全息图A和B的相位分布的导数；
6)依据步骤5)所得梯度，基于Adam(adaptive moment estimation)梯度下降优化算法对两张超颖表面全息图A和B的相位分布进行更新；
7)重复步骤1)到步骤6)，进行多次迭代，在迭代优化过程中不断更新超颖表面全息图的相位分布，确保最终将梯度收敛至局部最优，找到一组使总误差最小的超颖表面全息图的相位分布。
步骤二、通过介质纳米天线编码步骤一所得的超颖表面全息图的相位分布。
所述编码是通过几何相位调制原理调制相位实现的，具体方法为：使用反旋圆偏振透射率较高的介质纳米天线，根据目标光场的空间相位分布决定超颖表面中各个位置的介质纳米天线的不同面内方位角。基于几何相位的手性选择性的相位调控特性，当左/右旋圆偏入射光入射到方位角为θ的介质纳米天线上时，能够对右/左旋圆偏振出射光形成大小为±2θ的相互共轭的相位调制，其中“+”或“-”是由入射光和出射光的具体偏振态组合(左旋/右旋，右旋/左旋)决定的。
步骤三、通过沉积、光刻、剥离和蚀刻方法将介质纳米天线构成的全介质超颖表面全息图A’和B加工在不同的玻璃基底上，以预设距离进行堆叠，组成所设计的平移全息复用级联超颖表面系统。
步骤二所述的介质纳米天线为非晶硅纳米棒天线。
所述的非晶硅纳米棒天线的形状和尺寸通过严格耦合波分析法(RCWA)或时域有限差分法(FDTD)确定。
有益效果：
1、本发明公开的基于级联超颖表面的平移全息复用方法能够赋予级联超颖表面系统极大的信息容量。不仅组成平移全息复用级联超颖表面系统的两张超颖表面全息图各自对应一个彼此独立的再现像，当这两张超颖表面全息图相隔预设距离进行堆叠时，还能够根据不同的相对平移位置再现出产生多个不同于组成其的两张单层超颖表面全息图所对应再现像的全新的再现像；
2、本发明公开的基于级联超颖表面的平移全息复用方法在加密与防伪领域具有很大的潜力。两张单层超颖表面全息图的再现像与级联超颖表面系统平移前后对应的再现像完全无关，二者之间没有泄露或串扰。只有获知作为复用信道的相对平移位置，将两张单层超颖表面全息图按照正确的相对平移位置进行堆叠时，加密信息才能够被读取。利用这一特性，该种全介质超颖表面能够应用于需要隐藏保密数据的信息安全，加密和防伪等领域；
3、本发明公开的基于级联超颖表面的平移全息复用方法更够利用相对平移位置作为一个新的复用维度，把不同的相对平移位置视为不同的级联超颖表面系统，在其上对作为加密信息的不同的全息再现像进行编码。实际应用中，平移全息复用级联超颖表面系统的全息再现像可以被编码于离散且等距的空间位置之上，这使其具有了用作光学标尺的潜力；
4、本发明公开的基于级联超颖表面全息术的光学秘密共享方法使用了一种基于Adam优化算法的梯度下降优化算法，该算法可以在优化过程中调整学习率，确保将梯度收敛至局部最优。
附图说明
图1为本发明公开的基于级联超颖表面的平移全息复用方法的流程图；
图2为本发明公开的基于级联超颖表面的平移全息复用方法所使用的梯度下降优化算法的流程图；
图3为实施例1所使用的用于观察全息图再现像的实验装置示意图；
图4为实施例1所加工出的平移全息复用级联超颖表面样品的功能示意图和实验再现出的再现像。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1
基于级联超颖表面实现平移全息复用，利用相对平移位置作为一个新的复用维度，把不同的相对平移位置视为不同的级联超颖表面系统，在其上对作为加密信息的不同的全息再现像进行编码。
如图1所示，本实施例包括如下步骤：
步骤一：使用一种迭代的梯度下降优化算法高效且直接地获得构成平移全息复用级联超颖表面系统的两张超颖表面全息图A和B的相位分布。
使用的迭代的梯度下降优化算法的流程图如图2所示，其具体步骤如下：
1)计算具有80×80个像素的超颖表面全息图A级联之前对应的再现像C1，将再现像C1与A的目标图像(阿拉伯数字“1”)进行对比，计算均方误差M1；对在级联超颖表面系统中位于前端的超颖表面全息图A进行周期性延展，将A左侧边缘的5列像素复制到右侧进行拼接，以便在再现像不发生变化的同时在水平方向上加长超颖表面全息图，获得加长超颖表面全息图A’；
2)计算具有80×80个像素的超颖表面全息图B级联之前对应的再现像C2，将再现像C2与B的目标图像(阿拉伯数字“2”)进行对比，计算均方误差M2；
3)当步骤1)得到的加长超颖表面全息图A’与超颖表面全息图B进行级联时，将超颖表面全息图B在水平方向平移，当B左侧边缘与超颖表面全息图A’的左侧边缘对齐时，得到再现像C3，当B右侧边缘与超颖表面全息图A’的右侧边缘对齐时，得到再现像C4；从A’与B的左/右侧边缘对齐的状态，切换到A’与B的右/左侧边缘对齐的状态，B在水平方向上平移了5个像素，因为5远小于80，故两种状态下参与级联的A’中的面积是有交叠的；分别将再现像C3、再现像C4与各自的目标图像(阿拉伯数字“3”和“4”)进行对比，计算均方误差M3和M4；
4)将均方误差M1、M2、M3和M4加在一起，获得总误差；前述过程都在现代机器学习库的自动微分框架内执行，以便跟踪梯度的变化；
5)通过步骤4)所得总误差得到梯度：所述梯度为总误差对两张超颖表面全息图A和B的相位分布的导数；
6)依据步骤5)所得梯度，基于Adam(adaptive moment estimation)梯度下降优化算法对两张超颖表面全息图A和B的相位分布进行更新；
7)重复步骤1)到步骤6)，进行多次迭代，在迭代优化过程中不断更新超颖表面全息图的相位分布，确保最终将梯度收敛至局部最优，找到一组使总误差最小的超颖表面全息图的相位分布。
上述计算过程是一个用显式公式计算的前向过程，其中两个超颖表面之间100微米间隔层的传播使用角谱理论进行模拟，而每张超颖表面全息图以及级联超颖表面系统平移前后对应的全息再现像则通过FFT，即快速傅里叶变换计算得到。
步骤二：采用严格耦合波分析法或时域有限差分法设计组成超颖表面全息图的介质纳米天线。
通过基于严格耦合波分析法和时域有限差分法进行的一系列仿真模拟，选取了非晶硅纳米棒天线作为全介质超颖表面全息图的基本组成单元，使用几何相位调制原理来编码超颖表面全息图的相位分布。
在结构设计过程中，非晶硅纳米棒天线的高度固定为600纳米，x和y方向上的周期固定为500纳米，工作波长设置为800纳米，而后在此条件下以5纳米的步长在70纳米到300纳米的范围内扫描了非晶硅纳米棒天线的长度和宽度。由于使用了几何相位调制原理，故应选择在工作波长下具有高反旋圆偏振透射率和低同旋圆偏振透射率的结构尺寸。考虑到制作精度和结构性能的平衡，该实施例选择了长度为190纳米，宽度为130纳米非晶硅纳米棒天线。
步骤三：通过沉积、光刻、剥离和蚀刻等过程将介质纳米天线构成的两张全介质超颖表面全息图加工在不同的玻璃基底上，相隔预设距离进行堆叠，组成所设计的平移全息复用级联超颖表面系统。
其具体实现方法包括如下步骤：
1)通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，制备600纳米厚的非晶硅薄膜。随后，将聚甲基丙烯酸甲酯抗蚀剂层旋涂于非晶硅薄膜上，并在加热板上以170℃烘烤2分钟以去除溶剂；
2)用标准电子束光刻法制作出所需的结构，随后在1:3的MIBK:IPA溶液中显影样品，并用IPA洗涤，之后通过电子束蒸发涂覆20纳米厚的铬层；
3)在热丙酮中完成剥离过程；
4)利用电感耦合等离子体反应离子刻蚀(ICP-RIE)将所需的结构从铬转换为硅，最后使用标准湿法蚀刻工艺去除残余的铬掩模。
根据设计，实施例所加工出的全介质超颖表面全息图样品A的尺寸为400微米×425微米，包含80×85个像素；全介质超颖表面全息图样品B的尺寸为400微米×400微米，包含80×80个像素。两个样品的像素尺寸均为5微米，每个像素由一个10×10的非晶硅纳米棒天线阵列组成，其栅格周期为500纳米。每个非晶硅纳米棒天线的长度为190纳米，宽度为130纳米。选择较大的像素尺寸是为了便于在实验中将级联堆叠的超颖表面对齐。
该实施例使用图3所展示的实验装置对加工出的全介质平移全息复用级联超颖表面进行实验验证。该实施例加工的样品使用几何相位调制原理实现相位调制，故需要在样品前后分别放置一个线偏振片和四分之一波片的组合，用以制备和选择入射光与透射光所需的圆偏振状态，满足几何相位调制原理独特的手性选择性。样品后方放置了一个显微物镜和一个透镜用以对超颖表面进行放大和成像。由于重建出的全息再现像位于k空间中，需要再放置一个透镜以便用CCD照相机观察傅里叶平面。
实验结果如图4所示，可见全介质超颖表面全息图A和B各自对应一个彼此独立的再现像，即阿拉伯数字“1”和“2”；且当两张全介质超颖表面全息图相隔100微米进行堆叠时，超颖表面全息图B可以在水平方向上平移，将其左侧边缘与超颖表面全息图A的左侧边缘对齐，或将其右侧边缘与超颖表面全息图A的右侧边缘对齐时，所对应的再现像分别为阿拉伯数字“3”和“4”。
综上所述，本实施例提供了一种基于级联超颖表面的平移全息复用方法，能够利用相对平移位置作为一个新的复用维度，把不同的相对平移位置视为不同的级联超颖表面系统，在其上对不同的全息再现像进行编码，应用于加密和防伪领域。实际应用中，平移全息复用级联超颖表面系统的全息再现像可以被编码于离散且等距的空间位置之上，这使其具有了用作光学标尺的潜力。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.基于级联超颖表面的平移全息复用方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、使用迭代的梯度下降优化算法高效且直接地获得构成平移全息复用级联超颖表面系统的两张超颖表面全息图A和B的相位分布；所述的两张超颖表面全息图A和B各自对应一个彼此独立的再现像，且当两张超颖表面全息图以预设距离进行堆叠时，还能够根据不同的相对平移位置再现出多个全新的再现像；
所述的迭代的梯度下降优化算法的具体步骤为：
1)计算具有N×N个像素的超颖表面全息图A级联之前对应的再现像C1，将再现像C1与A的目标图像进行对比，计算均方误差M1；对在级联超颖表面系统中位于前端的超颖表面全息图A进行周期性延展，将A左侧边缘的n列像素复制到右侧进行拼接，n需远小于N，以便在再现像不发生变化的同时在水平方向上加长超颖表面全息图，获得加长超颖表面全息图A’；
2)计算具有N×N个像素的超颖表面全息图B级联之前对应的再现像C2，将再现像C2与B的目标图像进行对比，计算均方误差M2；
3)当步骤1)得到的加长超颖表面全息图A’与超颖表面全息图B进行级联时，将超颖表面全息图B在水平方向平移，当B左侧边缘与超颖表面全息图A’的左侧边缘对齐时，得到再现像C3，当B右侧边缘与超颖表面全息图A’的右侧边缘对齐时，得到再现像C4；从A’与B的左/右侧边缘对齐的状态，切换到A’与B的右/左侧边缘对齐的状态，B在水平方向上平移了n个像素，因为n远小于N，故两种状态下被B裁剪为正方形的参与级联的A’中的面积是有交叠的；分别将再现像C3、再现像C4与各自的目标图像进行对比，计算均方误差M3和M4；
4)将均方误差M1、M2、M3和M4加在一起，获得总误差；前述过程都在现代机器学习库的自动微分框架内执行，以便跟踪梯度的变化；
5)通过步骤4)所得总误差得到梯度：所述梯度为总误差对两张超颖表面全息图A和B的相位分布的导数；
6)依据步骤5)所得梯度，基于Adam梯度下降优化算法对两张超颖表面全息图A和B的相位分布进行更新；
7)重复步骤1)到步骤6)，进行多次迭代，在迭代优化过程中不断更新超颖表面全息图的相位分布，确保最终将梯度收敛至局部最优，找到一组使总误差最小的超颖表面全息图的相位分布；
步骤二、通过介质纳米天线编码步骤一所得的超颖表面全息图的相位分布；
所述编码是通过几何相位调制原理调制相位实现的，具体方法为：使用反旋圆偏振透射率较高的介质纳米天线，根据目标光场的空间相位分布决定超颖表面中各个位置的介质纳米天线的不同面内方位角；基于几何相位的手性选择性的相位调控特性，当左/右旋圆偏入射光入射到方位角为θ的介质纳米天线上时，能够对右/左旋圆偏振出射光形成大小为±2θ的相互共轭的相位调制，其中“+”或“-”是由入射光和出射光的具体偏振态组合决定的；
步骤三、通过沉积、光刻、剥离和蚀刻方法将介质纳米天线构成的全介质超颖表面全息图A’和B加工在不同的玻璃基底上，以预设距离进行堆叠，组成所设计的平移全息复用级联超颖表面系统。
2.如权利要求1所述的基于级联超颖表面的平移全息复用方法，其特征在于：步骤二所述的介质纳米天线为非晶硅纳米棒天线。
3.如权利要求2所述的基于级联超颖表面的平移全息复用方法，其特征在于：所述的非晶硅纳米棒天线的形状和尺寸通过严格耦合波分析法或时域有限差分法确定。
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107065490A (zh) * | 2017-05-23 | 2017-08-18 | 北京理工大学 | 基于贝里相位超颖表面的多平面全息复用方法 |
| CN110363843A (zh) * | 2019-06-18 | 2019-10-22 | 安徽大学 | 基于相移压缩菲涅尔全息的三维图像光学重建方法及系统 |
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Family Cites Families (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5986781A (en) * | 1996-10-28 | 1999-11-16 | Pacific Holographics, Inc. | Apparatus and method for generating diffractive element using liquid crystal display |
| JP4574183B2 (ja) * | 2004-02-13 | 2010-11-04 | パイオニア株式会社 | ホログラム記録媒体 |
| US8797382B2 (en) * | 2009-04-13 | 2014-08-05 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Dynamically reconfigurable holograms for generating color holographic images |
| FR2950986A1 (fr) * | 2009-10-05 | 2011-04-08 | Commissariat Energie Atomique | Superposition d'une image visible et d'un hologramme synthetique |
| JP5358530B2 (ja) * | 2010-07-28 | 2013-12-04 | 日立コンシューマエレクトロニクス株式会社 | 光情報記録再生装置及び再生装置 |
| AU2012100573B4 (en) * | 2012-05-10 | 2013-03-28 | Innovia Security Pty Ltd | An optical security device |
| CN102831567B (zh) * | 2012-07-02 | 2014-08-27 | 湖北联合天诚防伪技术股份有限公司 | 一种防伪图像多层莫尔加密的方法 |
| EP2951647A4 (en) * | 2012-09-25 | 2016-10-19 | Asociación Ct De Investigación Cooperativa En Nanociencias Cic Nanogune | SYNTHETIC OPTICAL HOLOGRAPHY |
| CN102914810A (zh) * | 2012-10-11 | 2013-02-06 | 武汉华工图像技术开发有限公司 | 一种基于莫尔条纹技术的全息母版制作方法及全息图 |
| GB2552551A (en) * | 2016-07-29 | 2018-01-31 | Metamaterial Tech Inc | Metamaterial optical filter and method for producing the same |
| US11467536B2 (en) * | 2016-08-25 | 2022-10-11 | Duke University | Holographic acoustic imaging systems and devices based on a dynamic aperture and methods of use |
| JP2018060133A (ja) * | 2016-10-07 | 2018-04-12 | 株式会社アーティエンス・ラボ | 画像表示媒体作成方法、画像表示媒体、画像表示媒体作成装置、情報認識方法、および、情報表示方法 |
| US10416565B2 (en) * | 2016-12-16 | 2019-09-17 | Intel Corporation | Display device having integrated metamaterial lens |
| CN107037713B (zh) * | 2017-06-06 | 2019-08-06 | 哈尔滨工程大学 | 一种相干可调谐的光学全息 |
| CN107065491B (zh) * | 2017-06-20 | 2019-05-10 | 武汉大学 | 应用于全息防伪的纳米砖阵列全息片及其设计方法 |
| CN109459870B (zh) * | 2018-07-04 | 2020-04-24 | 北京理工大学 | 基于双折射介质超颖表面的多通道矢量全息偏振复用方法 |
| CN109270815B (zh) * | 2018-09-06 | 2021-03-16 | 武汉大学 | 基于几何相位超表面全息的光学信息隐藏方法 |
| CN109407199B (zh) * | 2018-11-08 | 2021-04-20 | 武汉邮电科学研究院有限公司 | 一种全息元件的构造方法、加解密方法、全息元件及装置 |
| CN110083042B (zh) * | 2019-05-07 | 2020-02-11 | 北京航空航天大学 | 一种基于两个空间光调制器有效利用的大尺寸全息显示方法 |
| CN110488591B (zh) * | 2019-07-29 | 2020-10-30 | 武汉大学 | 一种可实现全空间全息的叠层超表面 |
| CN110442007B (zh) * | 2019-08-14 | 2020-06-05 | 北京理工大学 | 全介质超颖表面彩色印刷和全息加密共同调制方法 |
| CN111257990A (zh) * | 2020-03-16 | 2020-06-09 | 华中科技大学 | 一种超表面全息器件、超表面动态全息显示装置和方法 |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107065490A (zh) * | 2017-05-23 | 2017-08-18 | 北京理工大学 | 基于贝里相位超颖表面的多平面全息复用方法 |
| CN111241554A (zh) * | 2018-11-28 | 2020-06-05 | 中国科学院大学 | 基于视觉密码的数字图像加密解密系统 |
| CN110363843A (zh) * | 2019-06-18 | 2019-10-22 | 安徽大学 | 基于相移压缩菲涅尔全息的三维图像光学重建方法及系统 |
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