CN113591357A - 基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法，属于微纳光学、图像存储和全息成像应用技术领域。本发明所设计的超颖表面由具有矩形横截面的不同尺寸、不同方位角的介质纳米柱阵列构成。通过偏振旋转矩阵结合介质超颖表面的双折射特性，定制每个单元的琼斯矩阵，实现对出射光束相位和偏振的同时调控。在特定偏振态的入射光照射下，能实现在时空间和动量空间分别存储灰度图像和矢量全息图像的功能。本发明所提出的方法有助于提高全息图的信息容量，可应用于矢量全息、动态全息显示、信息存储以及光学防伪和光学加密等应用场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种图像存储方法，尤其涉及基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法，属于微纳光学、图像存储和全息成像应用技术领域。
背景技术
由于超颖表面具有在极短距离内，以亚波长分辨率对出射光的波前进行任意调控的能力，使得它有望成为传统光学元件的替代品。不同种类超颖原子所提供的丰富设计自由度以及多种波前调控工作机理，为超颖表面对出射光的振幅、相位、偏振、频率以及多物理量的灵活调控提供了保障。因此，研究人员将超颖表面应用于超透镜、非线性光学、全息成像、结构色以及光学防伪与加密等应用场合之中。超颖表面由于具有亚波长分辨率的特点，使得基于超颖表面的全息方法与传统全息方法相比具有再现像分辨率高、视场角大以及不存在多级衍射级次干扰等优点。同时，基于超颖表面的全息方法也被应用于实现在特定距离存储不同预设图像的功能。
随着超颖表面全息术的不断发展，研究人员希望利用同一个超颖表面尽可能多的再现出不同的预设独立图像。通过提高全息图的信息容量，促进超颖表面在光学防伪与加密、信息存储等领域得到更广泛的应用。而复用技术是提高全息图信容量的主要方式。近些年来，国内外的研究人员提出了多种巧妙的复用方法，实现了在时空间和动量空间存储不同图像的功能。通过将颜色滤波器以及相位调制片整合到同一超颖表面单元当中，所设计的超颖表面能够在白光光源照射下在时空间呈现出彩色图案。而在红、绿、蓝三种颜色的激光照射下在动量空间实现全息图像的再现。利用优化的介质纳米天线或者基于FP腔的颜色滤波阵列也能够实现将彩色图像和全息图像分别存储在时空间和动量空间的功能。此外，出射光的相位信息也可以作为在时空间实现图像存储的设计自由度。通过对出射光束相位和偏振态分布的同时调控，将不同的相位分布编码到不同偏振通道之中，实现了在时空间和动量空间分别存储相位图像以及全息图像的功能。该方法在时空间编码的相位分布图案无法通过肉眼观察得到，需通过波前传感器才能提取出来，为实现光学防伪与加密提供了新的思路。然而，在上述所有方法中动量空间所存储的全息图像都具有均匀的偏振态分布，这使得它们更容易被观测到。而通过对超颖表面进行更合理的设计，在动量空间实现矢量全息图像的存储能够增加超表面功能的复杂度，提高超颖表面在光学防伪与加密等应用当中的安全防护等级。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法。通过对出射光束相位和偏振态的同时调控，实现在时空间和动量空间分别存储灰度图像和矢量全息图像的功能。本发明所提出的方法有助于提高全息图的信息容量，可应用于矢量全息、动态全息显示、信息存储以及光学防伪和光学加密等应用场合。
本发明目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法，用于实现灰度及矢量全息图像同时存储的超颖表面由具有矩形横截面的不同尺寸、不同方位角的介质纳米柱阵列构成。通过偏振旋转矩阵结合介质超颖表面的双折射特性，定制每个单元的琼斯矩阵，实现对出射光束相位和偏振的同时调控。选择想要存储的灰度及全息图像，利用改进的GS算法得到全息图。根据所得全息图以及灰度图像对应的偏振态分布，编码确定纳米柱单元的几何尺寸以及方位角，从而生成相应介质超颖表面结构的加工文件。采用电子束刻蚀的微纳加工工艺加工透射型介质超颖表面。在特定偏振态的入射光照射下，所设计的超颖表面能够对出射光的相位和偏振分布进行任意调控。在时空间，出射光束不均匀的偏振态分布基于马吕斯定律能够实现灰度图像的存储。而出射光不同偏振分量所携带的不同相位分布信息，在动量空间能够实现矢量全息图像的再现，该功能可以显著增加光学防伪和加密的复杂度。
本发明公开的基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法，包括如下步骤：
步骤一：用于实现灰度及矢量全息图像同时存储的超颖表面由具有矩形横截面的不同几何尺寸、不同方位角的介质纳米柱阵列构成。通过偏振旋转矩阵结合介质超颖表面的双折射特性，定制每个单元的琼斯矩阵，实现对出射光束相位和偏振的同时调控。所述的几何尺寸包括纳米柱的长轴长度L、短轴长度W、高度H以及超颖表面单元的周期长度P。
用于实现灰度及矢量全息图像同时存储的超颖表面由具有矩形横截面的不同几何尺寸、不同方位角的介质纳米柱阵列构成。利用琼斯矩阵方法可将超颖表面每个单元所对应的出射与入射光束的琼斯矢量关联在一起。
出射光束的琼斯矢量Eout由公式1计算可得：
其中tij(i＝x或y)为透射系数，j和i分别表示着入射光束和出射光束的偏振方向。当超颖表面单元内的介质纳米柱的透射率较高时，该单元所对应的琼斯矩阵T可视为一个对称的酉矩阵。满足酉矩阵条件的琼斯矩阵T可以根据其本征矢量和本征值矩阵(Δ)进行分解，可分解为：
式中，矩阵V代表着平面内的二维旋转矩阵，旋转角度为θ角。上式可理解为，当入射光(Ein)入射到超颖表面时，入射光的电场矢量Ein在平面内先旋转-θ角度。然后，介质超颖表面对旋转过的电场矢量的x和y分量分别引入相移φx和φy。最后，再将引入过相移的电场矢量旋转θ度。若可对相移φx和φy以及旋转角度θ进行任意的选择，利用介质超颖表面即可实现对出射光场相位和偏振的任意调控。
在纳米柱高度H和周期P固定的情况下，改变纳米柱的长轴长度L和短轴长度W，利用仿真软件进行二维扫描得到不同尺寸纳米柱所对应的透射系数的txx和tyy。仿真时应对入射光的波长、构成纳米柱的材料种类、纳米柱高度H和周期P进行合理的选择，使透射系数的相位
和
能够覆盖0～2π。同时，透射系数的幅值abs(txx)和abs(tyy)应尽量接近于1，使得超颖表面每个单元的琼斯矩阵T满足酉矩阵条件。通过改变纳米柱单元几何尺寸以及方位角，即可通过超颖表面对出射光束的相位和偏振态进行任意地调控。
步骤一所述仿真软件可采用基于严格耦合波分析方法的RCWA、基于时域有限差分方法的FDTD或基于有限元方法的COMSOL。
步骤二：选择想要存储的灰度及全息图像，利用改进的GS算法得到全息图。根据所得全息图以及灰度图像对应的偏振态分布，编码确定纳米柱单元的几何尺寸以及方位角，从而生成相应介质超颖表面结构的加工文件。
首先，选择想要存储的灰度及全息图像，利用改进的GS算法得到全息图所对应的相位分布
根据所选灰度图案的灰度值分布，通过马吕斯定律计算得到出射光束的偏振态分布p。随后，将出射光束的相位分布
以及偏振态分布p代入公式(1)，计算得到超颖表面每个单元所对应的琼斯矩阵T。通过对琼斯矩阵的本征值和本征矢量进行分析，确定超颖表面每个单元内纳米柱所需的相移φx和φy，以及方位角θ。根据步骤一中所得到的透射系数txx和tyy的二维扫描结果，即可确定超颖表面每个单元内纳米柱的长轴长度L以及短轴长度W。在确定纳米柱几何尺寸的过程中，需保证公式(3)所示的误差ε尽量小，使得所设计的超颖表面能够更加准确对出射光的相位和偏振分布进行调控。
ε＝abs(txx-exp(iφx))+abs(tyy-exp(iφy)) (3)
因此，通过上述方法，利用所设计的超颖表面对出射光束相位和偏振态分布的同时调控，能够实现在时空间和动量空间分别存储灰度图像和矢量全息图像的功能。同时，该方法对于入射光的偏振态没有严格的限制。对于任意偏振态的入射光，均可以通过上述方法进行设计，实现多幅图像的存储功能。
步骤三：利用步骤二所得介质超颖表面结构的加工文件，通过电子束刻蚀的微纳加工方法，制备透射型介质超颖表面。通过超颖表面对出射光束相位和偏振态分布的同时调控，实现在时空间和动量空间分别存储灰度图像和矢量全息图像的功能。
有益效果：
1、本发明公开的基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法，通过对出射光束相位和偏振态的同时调控，实现在时空间和动量空间分别存储灰度图像和矢量全息图像的功能。有助于提高全息图的信息容量，可应用于矢量全息、动态全息显示、信息存储以及光学防伪和光学加密等应用场合。
2、本发明公开的基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法，对于任意偏振态的入射光，均能够设计超颖表面实现多幅图像的存储功能。
3、本发明公开的基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法，在动量空间存储的再现像具有矢量偏振特性，该功能可以显著增加光学防伪和加密的复杂度。
4、本发明公开的基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法，通过对纳米柱的组成材料进行合理的选择以及纳米柱结构尺寸的优化设计，可将该方法应用于可见光、近红外和微波波段。
附图说明
图1是本发明的一种基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法流程图；
图2是本发明实施例中基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法的示意图；
图3是本发明实施例中不同尺寸纳米柱透射系数的二维扫描结果；
其中：(a)-矩形纳米柱结构示意图、(b)-透射系数txx振幅扫描结果、(c)-透射系数tyy振幅扫描结果、(d)-透射系数txx相位扫描结果、(e)-透射系数tyy相位扫描结果；
图4是本发明实施例中计算全息图所用算法的流程图；
图5是本发明实施例中实验所用的光路图
其中：1-线偏振片LP1、2-半波片HWP、3-介质超颖表面、4-显微物镜、5-线偏振片LP2、6-透镜、7-CCD；
图6是本发明实施例1中在时空间和动量空间所存储图像的仿真与实验结果。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明。同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，本实施例基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法，具体实现方法如下：
步骤一：用于实现灰度及矢量全息图像同时存储的超颖表面由具有矩形横截面的不同几何尺寸、不同方位角的介质纳米柱阵列构成。通过偏振旋转矩阵结合介质超颖表面的双折射特性，定制每个单元的琼斯矩阵，实现对出射光束相位和偏振的同时调控。所述的几何尺寸包括纳米柱的长轴长度L、短轴长度W、高度H以及超颖表面单元的周期长度P。
所设计的介质超颖表面由不同尺寸、不同方位角的非晶硅纳米柱构成。工作波长为800nm。在纳米柱高度H和周期P固定不变的情况下，利用基于严格耦合波分析的方法(RCWA)，对纳米柱的几何尺寸进行二维扫描(L:60nm～280nm，W:60nm～280nm)，得到不同尺寸纳米柱所对应的透射系数txx和tyy。仿真时非晶硅纳米柱与熔融石英基底折射率分别设置为nSi＝3.802和nsub＝1.5。当x方向线偏振光通过不同尺寸的纳米柱后，由仿真所得电场数据可计算出透射系数txx的幅值abs(txx)与相位
同理，将入射光的偏振方向变为y方向，得到对应的透射系数tyy的幅值abs(tyy)与相位
仿真时应对入射光的波长、构成纳米柱的材料种类、纳米柱高度H和周期P进行合理的选择，使透射系数的相位
和
能够覆盖0～2π。同时，透射系数的幅值abs(txx)和abs(tyy)应尽量接近于1，使得超颖表面每个单元的琼斯矩阵T满足酉矩阵条件。
最终确定纳米柱高度H为600nm，周期P为400nm，长轴长度L和短轴长度W均在60nm～280nm范围内。所设计的超颖表面具有较高的透过率，能够对出射光束的相位和偏振态分布进行任意地调控。
步骤二：选择想要存储的灰度及全息图像，利用改进的GS算法得到全息图。根据所得全息图以及灰度图像对应的偏振态分布，编码确定纳米柱单元的几何尺寸以及方位角，从而生成相应介质超颖表面结构的加工文件。
图2是本发明实施例中基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法示意图；
选择一幅二维码图像和一幅蝴蝶图像分别作为在时空间和动量空间所存储的灰度图像和矢量全息图像。图2中实线和虚线箭头代表着入射光束和出射光束的偏振态信息。当入射光为45°线偏振光时，在时空间观察出射光束的x偏振分量能够得到所存储的二维码灰度图像。而在动量空间存储的蝴蝶图像具有不均匀的偏振态分布，其外部轮廓与内部主体部分分别为x方向线偏振态和y方向线偏振态，所携带的矢量特征可通过旋转检偏器进行验证。
图4为本发明实施例中计算全息图所用算法的流程图。首先，初始化全息面，在循环迭代开始前，将全息图的相位设置为随机相位，振幅设置为二维码图案所对应的振幅分布A1(白色区域为1，黑色区域为0)。全息面到物平面的传播过程通过傅里叶变换进行计算。在物平面只保留计算所得复振幅的相位信息，用蝴蝶轮廓图案的振幅分布T1替代T1’完成振幅替换。物平面到全息面的传播过程通过傅里叶逆变换进行计算。在达到迭代预设次数之后，即可得到全息图
将互补二维码图案的振幅分布A2与蝴蝶内部图案的振幅分布T2代入流程图之中，重复上述步骤得到相应的全息图
最终，总全息图
可通过
计算得到。根据二维码图案的振幅分布A1，通过马吕斯定律计算得到出射光束的偏振态分布p。
利用全息图
和出射光束所需偏振分布p，根据公式(1),(2)即可得到超颖表面单元所需要的相位变化φx和φy以及旋转角度θ。由步骤一中所得的超颖表面单元透射系数txx和tyy的二维扫描结果，确定超颖表面每个单元内纳米柱的几何尺寸。从而生成相应介质超颖表面结构的加工文件。
步骤三：利用步骤二所得介质超颖表面结构的加工文件，通过电子束刻蚀的微纳加工方法，制备透射型介质超颖表面。通过超颖表面对出射光束相位和偏振态分布的同时调控，实现在时空间和动量空间分别存储灰度图像和矢量全息图像的功能。
图5是本发明实施例中实验所用的光路图。通过旋转偏振片LP1和半波片HWP能够控制入射线偏振光的偏振方向。利用显微物镜接收超颖表面的出射光束，并对其进行适当的放大。出射光束的水平分量和竖直分量可通过旋转检偏器LP2进行任意地旋转和切换。当CCD位于透镜后焦面时即可观察到存储于动量空间的矢量全息图像。若去掉透镜，将CCD向前移动使其紧贴检偏器LP2。此时，存储于时空间的二维码图案能够被CCD记录。
图6本发明实施例中仿真与实验时所存储的灰度图像和矢量全息图像。
当45°线偏振光照射到所设计的超颖表面时，出射光束的相位和偏振态分布能够被任意地操控。但出射光具有均匀的振幅分布，在不利用检偏器LP2的情况下，无法用肉眼在时空间观察到任何灰度图像。若将透光轴沿水平方向的检偏器LP2放置在样品后方，由于出射光束具有不均匀的偏振态分布，基于马吕斯定律即可观察到所存储的二维码灰度图案。实验中记录的二维码图案具有较高的对比度，用手机扫描二维码能够立刻得到二维码所存储的信息。将检偏器LP2的透光轴旋转至竖直方向，能够观察到与预设图案互补的二维码灰度图像。
而在动量空间，利用出射光束不同偏振分量具有不同的相位分布信息，能够实现一幅矢量蝴蝶图像的存储。蝴蝶的外部轮廓与内部主体部分分别为x方向线偏振态和y方向线偏振态，旋转检偏器LP2即可分别得到蝴蝶的外部轮廓和内部主体图像。若将检偏器LP2从实验光路中移开，则可以得到一个完整蝴蝶的全息再现图像。虽然得到的蝴蝶图像具有不均匀的偏振态分布，但不借助检偏器LP2依然无法获取图像的矢量偏振特征。除此之外，本方法还可以应用于入射光束和出射光束的偏振态为圆偏或者椭圆偏振态的情况。同时，通过对超颖表面区域进行进一步划分，时空间存储的灰度图像能够具有更多的灰度阶数。而动量空间存储的矢量全息图像则会携带更丰富的偏振信息，可用于提高超颖表面在光学防伪与加密等应用当中的安全防护等级。
本发明公开的基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法，通过对出射光束相位和偏振态的同时调控，能够实现在时空间和动量空间分别存储灰度图像和矢量全息图像的功能。利用检偏器才能够在时空间观察到清晰的灰度图像。而动量空间存储的矢量全息图像具有不均匀的偏振态分布，其偏振信息也需利用检偏器才能够提取出来。本方法有助于提高全息图的信息容量，可应用于矢量全息、动态全息显示、信息存储以及光学防伪和光学加密等应用场合。
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 (4)
1.基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：用于实现灰度及矢量全息图像同时存储的超颖表面由具有矩形横截面的不同几何尺寸、不同方位角的介质纳米柱阵列构成；通过偏振旋转矩阵结合介质超颖表面的双折射特性，定制每个单元的琼斯矩阵，实现对出射光束相位和偏振的同时调控；所述的几何尺寸包括纳米柱的长轴长度L、短轴长度W、高度H以及超颖表面单元的周期长度P；
步骤二：选择想要存储的灰度及全息图像，利用改进的GS算法得到全息图；根据所得全息图以及灰度图像对应的偏振态分布，编码确定纳米柱单元的几何尺寸以及方位角，从而生成相应介质超颖表面结构的加工文件；
步骤三：利用步骤二所得介质超颖表面结构的加工文件，通过电子束刻蚀的微纳加工方法，制备透射型介质超颖表面；通过超颖表面对出射光束相位和偏振态分布的同时调控，实现在时空间和动量空间分别存储灰度图像和矢量全息图像的功能。
2.如权利要求1所述的基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法，其特征在于：步骤一具体实现方法为，
用于实现灰度及矢量全息图像同时存储的超颖表面由具有矩形横截面的不同几何尺寸、不同方位角的介质纳米柱阵列构成；利用琼斯矩阵方法可将超颖表面每个单元所对应的出射与入射光束的琼斯矢量关联在一起；
出射光束的琼斯矢量Eout由公式1计算可得：
其中tij(i＝x或y)为透射系数，j和i分别表示着入射光束和出射光束的偏振方向。当超颖表面单元内的介质纳米柱的透射率较高时，该单元所对应的琼斯矩阵T可视为一个对称的酉矩阵；满足酉矩阵条件的琼斯矩阵T可以根据其本征矢量和本征值矩阵(Δ)进行分解，可分解为：
式中，矩阵V代表着平面内的二维旋转矩阵，旋转角度为θ角；上式可理解为，当入射光(Ein)入射到超颖表面时，入射光的电场矢量Ein在平面内先旋转-θ角度；然后，介质超颖表面对旋转过的电场矢量的x和y分量分别引入相移φx和φy；最后，再将引入过相移的电场矢量旋转θ度；若可对相移φx和φy以及旋转角度θ进行任意的选择，利用介质超颖表面即可实现对出射光场相位和偏振的任意调控；
在纳米柱高度H和周期P固定的情况下，改变纳米柱的长轴长度L和短轴长度W，利用仿真软件进行二维扫描得到不同尺寸纳米柱所对应的透射系数的txx和tyy；仿真时应对入射光的波长、构成纳米柱的材料种类、纳米柱高度H和周期P进行合理的选择，使透射系数的相位
和
能够覆盖0～2π；同时，透射系数的幅值abs(txx)和abs(tyy)应尽量接近于1，使得超颖表面每个单元的琼斯矩阵T满足酉矩阵条件；通过改变纳米柱单元几何尺寸以及方位角，即可通过超颖表面对出射光束的相位和偏振态进行任意地调控。
3.如权利要求1和2所述的基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法，其特征在于：所述仿真软件采用基于严格耦合波分析方法的RCWA、基于时域有限差分方法的FDTD或基于有限元方法的COMSOL。
4.如权利要求1所述的基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法，其特征在于：步骤二具体实现方法为，
首先，选择想要存储的灰度及全息图像，利用改进的GS算法得到全息图所对应的相位分布
根据所选灰度图案的灰度值分布，通过马吕斯定律计算得到出射光束的偏振态分布p；随后，将出射光束的相位分布
以及偏振态分布p代入公式(1)，计算得到超颖表面每个单元所对应的琼斯矩阵T；通过对琼斯矩阵的本征值和本征矢量进行分析，确定超颖表面每个单元内纳米柱所需的相移φx和φy，以及方位角θ；根据步骤一中所得到的透射系数txx和tyy的二维扫描结果，即可确定超颖表面每个单元内纳米柱的长轴长度L以及短轴长度W；在确定纳米柱几何尺寸的过程中，需保证公式(3)所示的误差ε尽量小，使得所设计的超颖表面能够更加准确对出射光的相位和偏振分布进行调控；
ε＝abs(txx-exp(iφx))+abs(tyy-exp(iφy)) (3)
因此，通过上述方法，利用所设计的超颖表面对出射光束相位和偏振态分布的同时调控，能够实现在时空间和动量空间分别存储灰度图像和矢量全息图像的功能；同时，该方法对于入射光的偏振态没有严格的限制；对于任意偏振态的入射光，均可以通过上述方法进行设计，实现多幅图像的存储功能。
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