CN114895543A - 基于全息零级和超表面几何相位的灰度纳米印刷设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于全息零级和超表面几何相位的灰度纳米印刷设计方法，灰度纳米印刷术的信息通道为全息零级，灰度图像信息被编码进超表面上纳米砖阵列的转角排布中；超表面由两层基底、一层反射式纳米砖阵列构成；硅基底上方为二氧化硅基底，二氧化硅基底上排布有周期性排列的硅纳米砖阵列单元，各纳米砖单元大小相同，转角各异；本发明所提出的基于全息零级和超表面几何相位的灰度纳米印刷设计方法，与传统的灰度纳米印刷术相比，几何相位设计模式更加灵活，填补了灰度纳米印刷术在相位领域的空白，其优势在于设计算法简单，集成度极高，无需任何光学器件的协助，能够用肉眼直观观察，可广泛的应用于图像显示等领域，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及信息光学技术领域，具体涉及一种基于全息零级和超表面几何相位的灰度纳米印刷设计方法。
背景技术
超表面灰度纳米印刷术作为一种新颖的图像显示技术，以其独特且优越的技术特点受到了越来越多的关注，成为现代图像显示技术的重要研究内容之一。然而，现有的超表面灰度纳米印刷术多是基于光的偏振来实现调制，对于基于偏振调制的灰度纳米印刷术，虽然可以实现灰度的任意调控，但是这种偏振调制纳米印刷术的实现是以超表面材料的结构紧凑性的大幅降低为代价的，即通过增加外加光学元件实现的，存在技术上的缺点；再者，相位作为重要的光学参量之一，目前仍未使用在基于超表面的灰度纳米印刷术中，是该领域的空白，且以相位调制为基础的灰度纳米印刷术，不要额外的光学装置就能实现灰度调控，这一特点使得以相位调制为基础的灰度印刷术具有很高的应用前景和实用价值。
传统的超表面灰度纳米印刷术多采用偏振调制的方式进行图像显示，根据马吕斯定理，使得不同偏振方向的线偏光形成不同的强度，从而实现灰度纳米印刷的目的。但是这种灰度纳米印刷术需要外加偏振调制的光学器件——起偏器、检偏器和波片，这些额外的偏振调制器件将会大幅降低超表面灰度印刷术的结构紧凑性，影响其集成度，这与日常生活中对于图像显示的需求相背离，将会阻碍灰度印刷术在实际生活中的应用。
相位，作为重要的光学参量之一，广泛的应用于全息、透镜等光学元件的设计中，将相位调制的方法与灰度纳米印刷术相结合，实现了一种新型的相位调制灰度印刷术，在保证结构紧凑性——即不增加任何额外的光学器件的同时，实现了灰度的任意调制。并且超表面作为新兴的光学材料，以其优越的光学性能受到越来越多的关注，亚波长的结构尺寸能产生较高空间频率的衍射光，更便于通过零级衍射光来实现灰度调制，可以排除非零级衍射光对于图像显示通道的影响。且超表面加工工艺成熟，结构简单，便于复制，是一个用来实现基于全息零级的灰度纳米印刷术的优秀选择。
发明内容
相较于现有技术，本发明的目的是提供一种基于全息零级和超表面几何相位的灰度纳米印刷设计方法。本发明利用的信息通道为全息零级，通过巧妙的补偿，进行图像的编码加密，其工作位置为超表面的上表面，以全息零级为信息通道具有无色散，偏振不敏感等特性。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于全息零级和超表面几何相位的灰度纳米印刷设计方法，其特征在于：全息零级作为灰度纳米印刷术信息通道，灰度图像信息被编码到超表面上纳米砖阵列的转角排布中；包括如下步骤：
S1：选择目标图像和参考光，并对目标图像进行相应的补偿，得到物光的振幅分布；
S2：组合补偿后的振幅分布和相位分布为物光，将物光与参考光进行干涉叠加，计算出干涉强度分布对应的相位分布情况；
S3：根据半波片的性能需求来优化反射式纳米砖阵列中电介质纳米砖的几何参数，其中所述工作波长为可见光波段；
S4：根据计算出的相位分布，确定电介质超表面纳米砖阵列中纳米砖的转角排布。
作为优选方案，所述步骤S1，具体为：
根据相位型光栅的傅里叶级数展开公式，采用第一类贝塞尔函数的逆函数对目标图像对应物光的振幅At(x，y)进行补偿：
其中，Acom(x，y)为补偿后的图像振幅分布，R为参考光的振幅分布，J0为第一类零阶贝塞尔函数。
进一步地，所述步骤S2，具体为：
作为灰度纳米印刷术的电介质超表面上的相位分布
表示为：
其中，If(x，y)为干涉叠加后的强度分布，
为补偿后物光的相位分布。
更进一步地，所述步骤S3，具体为：
利用电磁仿真工具，仿真时，将左旋圆偏光垂直入射于反射式电介质纳米砖和基底的组合，以反射右旋圆偏光的转化效率为优化对象，寻找一组交叉偏振转化效率最高、同向偏振转化效率最低的几何参数。
更进一步地，所述步骤S4，具体为：
根据步骤S2得到的相位分布和步骤S3得到的几何参数，纳米砖单元的转角α(x，y)等于对应单元相位
大小的一半，且振幅分布均一，将优化后的纳米砖单元按照相位分布情况以所述对应关系排布在二氧化硅基底上。
本发明的工作原理如下：
全息零级和超表面几何相位的灰度纳米印刷术采用计算全息的零级作为信息通道。计算全息的设计方式模拟传统相位型全息的干涉记录方式，在计算机中模拟记录两束光波的干涉叠加，并转换为相应的相位分布；当复现光照射到携带相位分布的超表面上时，出射光由多级衍射级构成，其中零级衍射光为图像显示的信息通道；上述复现光强度分布均匀，振幅分布相等，相位分布相等。全息零级和超表面几何相位的灰度纳米印刷术采用超表面材料作为灰度图像显示技术的信息载体。超表面由基底和周期性排布的纳米砖阵列单元共同构成，其功能为半波片，其工作模式为反射或透射(取决于具体的工作性能要求)，其工作距离为超表面材料的表面，工作波长的取值范围为整个可见光波段，此处以反射式灰度纳米印刷术的结构设计为例；
上述电介质纳米砖阵列由在基底上排列成阵列的若干尺寸一致的电介质纳米砖构成；上述电介质纳米砖为亚波长尺寸；上述方位角为电介质纳米砖长轴方向和X轴方向的夹角，上述X轴方向为基底长的方向。上述纳米砖阵列单元中，纳米砖数目与灰度图像的像素数相等，所有纳米砖的尺寸相同，各纳米砖的转角由计算相位全息的相位分布决定；作为优选，上述电介质纳米砖为硅纳米砖。作为优选，上述电介质纳米砖阵列的基底材料为分层排布的二氧化硅和硅。
本发明具有以下优点和有益效果：
1、显示图像的分辨率极高；
2、不需要额外的光学器件的协助，肉眼可以直接观察到图像，保证了超表面器件的超高集成度；
3、基于相位的灰度纳米印刷术弥补了灰度印刷术的技术空白，使之能够适用于更多的应用场景；
4、本发明中的相位算法计算简单，不需要多步迭代算法，对计算的要求很低；
5、本发明中基于全息零级和超表面几何相位的灰度纳米印刷设计方法对于入射光的偏振态不敏感，采用任意偏振光照射均能得到图像信息。
附图说明
图1是本发明实施例中目标图像；
图2是本发明实施例中补偿后物光的振幅分布和相位分布；
图2中：(a)补偿后的振幅；(b)相位分布；
图3是本发明实施例中计算得到的相位分布；
图4是本发明实施例中电介质纳米砖单元结构示意图；
图5是本发明实施例中电介质纳米砖单元的偏振转换效率示意图；
图6是本发明实施例中复现光照射下灰度纳米印刷术的工作示意图；
图中：1、硅纳米砖单元，2、二氧化硅基底，3、硅基底。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。
实施例1
第一步，根据选择的目标图像和第一类贝塞尔函数，对目标图像的振幅分布At(x，y)进行补偿，得到振幅分布Acom(x，y)，如图2所示；
第二步，将补偿后的振幅分布Acom(x，y)与周期分布的相位
相结合作为物光，并将物光O(x，y)与参考光R(x，y)进行干涉叠加，得到干涉条纹的强度分布If(x，y)；根据相位全息图记录原理，将该干涉条纹的强度分布转换为相应的相位分布
如图3所示。
第三步，根据半波片的性能要求来优化超表面电介质纳米砖的结构参数；图4所示为电介质工作单元的结构，由周期大小为C的二氧化硅基底和硅基底、以及一长L、宽W、高H的硅纳米砖组成；硅纳米砖单元与二氧化硅基底以及硅基底的中心在XOY平面的投影重合。本发明所采用的坐标系，以基底长和宽的方向分别为X轴和Y轴方向，以基底高的方向为Z轴方向，XOY平面即基底上表面所在平面。通过优化设计硅纳米砖的几何参数大小，使得硅纳米砖的长轴和短轴方向相位延迟为π且振幅相等的同时，尽量使得振幅最大，即硅纳米砖、二氧化硅基底和硅基底的组合可等效为一个微型的半波片。对于一个半波片来说，其具有很强的相位调控功能，当左旋圆偏光通过一个转角为α的微型半波片时，将会受到纳米砖的相位调制变成旋向相反的右旋圆偏光，并且附加了一个±2α的相位延迟。这就是本发明中超表面的几何相位调制原理。
几何参数包括电介质纳米砖的长度L、宽度W、高度H、以及周期大小C。本步骤利用现有的电磁仿真软件平台完成。交叉偏振指左旋圆偏振光转化为右旋圆偏振光或右旋圆偏振光转化为左旋圆偏振光；同向偏振指左旋圆偏振光或右旋圆偏振光的旋向不发生变化。
本实施例中，优化后的几何参数为：L＝200nm，W＝100nm，H＝220nm，C＝300nm，这里，L、W、H、C分别指反射式纳米砖阵列中电介质纳米砖的长度、宽度、高度、以及周期大小。该几何参数下，反射式纳米砖阵列中电介质纳米砖的宽带响应和偏振转化效率曲线图见图5。当工作波长为633nm时，纳米砖的工作模式接近完美微纳半波片。
本实施例中，电介质纳米砖阵列中纳米砖数目与目标图像像素数保持一致，即一个纳米砖单元对应着一个目标图像的像素，在本实施例中，选取目标图像大小为500*500个像素。
第四步，根据第二步得到的相位分布和转角分布，和第三步优化得到的超表面纳米结构尺寸，将硅纳米砖按照转角分布周期排布在二氧化硅基底上，并最终放置在硅基底上。
第五步(结合图6工作示意图，展示图像信息如何解码)，用一束振幅为C波长为633nm的复现光照明排布后的超表面阵列，出射光场Bout(x，y)可以表示为：
由公式5可以看出，出射光场由很多衍射级共同构成，其中，零级衍射级为所设计的信息通道，用于存储目标图像信息，即：
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出任何的修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于全息零级和超表面几何相位的灰度纳米印刷设计方法，其特征在于：全息零级作为灰度纳米印刷术信息通道，灰度图像信息被编码到超表面上纳米砖阵列的转角排布中；包括如下步骤：
S1：选择目标图像和参考光，并对目标图像进行相应的补偿，得到物光的振幅分布；
S2：组合补偿后的振幅分布和相位分布为物光，将物光与参考光进行干涉叠加，计算出干涉强度分布对应的相位分布情况；
S3：根据半波片的性能需求来优化反射式纳米砖阵列中电介质纳米砖的几何参数，其中所述工作波长为可见光波段；
S4：根据计算出的相位分布，确定电介质超表面纳米砖阵列中纳米砖的转角排布。
2.根据权利要求1所述的基于全息零级和超表面几何相位的灰度纳米印刷设计方法，其特征在于：所述步骤S1，具体为：
根据相位型光栅的傅里叶级数展开公式，采用第一类贝塞尔函数的逆函数对目标图像对应物光的振幅At(x，y)进行补偿：
其中，Acom(x，y)为补偿后的图像振幅分布，R为参考光的振幅分布，J0为第一类零阶贝塞尔函数。
3.根据权利要求1或2所述的基于全息零级和超表面几何相位的灰度纳米印刷设计方法，其特征在于：所述步骤S2，具体为：
作为灰度纳米印刷术的电介质超表面上的相位分布
表示为：
其中，If(x，y)为干涉叠加后的强度分布，
为补偿后物光的相位分布。
4.根据权利要求3所述的基于全息零级和超表面几何相位的灰度纳米印刷设计方法，其特征在于：所述步骤S3，具体为：
利用电磁仿真工具，仿真时，将左旋圆偏光垂直入射于反射式电介质纳米砖和基底的组合，以反射右旋圆偏光的转化效率为优化对象，寻找一组交叉偏振转化效率最高、同向偏振转化效率最低的几何参数。
5.根据权利要求1或2或4所述的基于全息零级和超表面几何相位的灰度纳米印刷设计方法，其特征在于：所述步骤S4，具体为：
根据步骤S2得到的相位分布和步骤S3得到的几何参数，纳米砖单元的转角α(x，y)等于对应单元相位
大小的一半，且振幅分布均一，将优化后的纳米砖单元按照相位分布情况以所述对应关系排布在二氧化硅基底上。
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