CN116577848A - 一种基于超表面的多图像加密方法、超表面及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学技术领域，公开了一种基于超表面的多图像加密方法、超表面及其设计方法。本发明利用超表面呈现三通道独立编码的近场纳米印刷图像和三通道独立编码的远场矢量全息图像；利用重叠多波束并引入相位差干涉使超表面额外呈现包括四通道的附加远场矢量全息图像和双通道的附加近场纳米印刷图像在内的六通道的干涉辅助矢量加密图像，使得超表面能够呈现十二通道光学图像。本发明使加密扩展到十二通道近/远场光学图像，扩大了矢量加密的容量，且隐藏安全性高。

Description

一种基于超表面的多图像加密方法、超表面及其设计方法
技术领域
本发明属于光学技术领域，更具体地，涉及一种基于超表面的多图像加密方法、超表面及其设计方法。
背景技术
基于琼斯矩阵多参数控制的矢量全息术被提出并广泛研究，以增加调制空间和信息容量。传统全息术仅控制琼斯矩阵参数的幅值部分用于全息强度构造，相位和偏振部分不受约束。相比之下，矢量全息通过操纵琼斯矩阵中的相位或偏振部分，为光学编码引入了额外的自由度。对于单层超表面，独立的振幅和相位编码基本上只由琼斯矩阵中的四个分量中的三个分量实现。这是因为具有镜像对称的二维平面限制琼斯矩阵中两个非对角分量相同。因此，单层超表面的琼斯矩阵可编程自由度被限制在6，而通过控制不同的输入/输出偏振，加密到三通道全息和三通道纳米印刷的极限。然而，面对基本自由度的极限，矢量全息难以进一步超越单层超表面内最先进的信息通道。例如，大多数以前的矢量全息加密只能实现少数存储通道(≤6)，这表明高需求的实际应用存在容量瓶颈。此外，目前的一些图像加密可以很容易地解密，增强安全性和保真度的信息加密是非常必要的。
发明内容
本发明通过提供一种基于超表面的多图像加密方法、超表面及其设计方法，解决现有技术中矢量加密的容量较低的问题。
第一方面，本发明提供一种基于超表面的多图像加密方法，利用超表面呈现三通道独立编码的近场纳米印刷图像和三通道独立编码的远场矢量全息图像；利用重叠多波束并引入相位差干涉使所述超表面额外呈现六通道的干涉辅助矢量加密图像，使得所述超表面能够呈现十二通道光学图像；所述六通道的干涉辅助矢量加密图像包括四通道的附加远场矢量全息图像和双通道的附加近场纳米印刷图像。
优选的，所述超表面由基底和位于所述基底上的若干具有相同尺寸的纳米砖构成，利用不同位置和旋转角度的纳米砖重构目标琼斯矩阵实现光响应解耦；
由所述目标琼斯矩阵中的三个振幅变量产生所述三通道独立编码的近场纳米印刷图像；利用干涉辅助矢量加密，创建额外的近场加密通道，对附加的两个纳米印刷图像进行加解密；
由所述目标琼斯矩阵中的三个相位变量产生所述三通道独立编码的远场矢量全息图像；将所述三通道独立编码的远场矢量全息图像的重叠区域作为额外的编码空间，通过控制多光束干涉在所述额外的编码空间的相位差，对附加的四个矢量全息图像进行加解密。
优选的，所述基于超表面的多图像加密方法包括以下步骤：
步骤1、设计用于实现光响应解耦的元分子；若干所述纳米砖构成周期性排列的元分子，一个所述元分子包含第一数量的所述纳米砖，所述第一数量大于3，所述纳米砖的位置和旋转角度决定基于迂回相位的光学响应；
步骤2、选取加密目标图像，利用GS算法生成相应的近场/远场图像以及重叠区域的矢量分布，得到所述目标琼斯矩阵；
步骤3、利用融合遗传算法的优化模拟退火算法，基于所述目标琼斯矩阵和元分子相干性的琼斯矩阵，对所述超表面的相位分布进行优化，寻找到最佳的各所述纳米砖的编码参数，所述编码参数包括位置参数和旋转角度参数。
优选的，利用GS算法对琼斯矩阵中的三个相位分量进行编码，以实现远场矢量全息，并通过控制它们的相位差来控制全息图像上任意一点的偏振所对应的远场x偏振和y偏振的加密信息的编码；将远场的电场分布进行叠加，使得远场全息图中不重叠的区域互不影响，重叠区域的相位被同化；通过将相位差进一步叠加到不同的重叠区域，在重叠区域内优化固定相位差矢量全息，生成相应的近场/远场图像以及重叠区域的矢量分布，得到三种优化的矢量分布，形成所述目标琼斯矩阵。
优选的，所述元分子相干性的琼斯矩阵表示为：
其中，J表示元分子相干性的琼斯矩阵，n表示一个元分子包含的纳米砖的数量，P表示元分子周期，xi表示元分子中第i个纳米砖的x轴位置，θi表示元分子中第i个纳米砖的旋转角度；
将所述目标琼斯矩阵与所述元分子相干性的琼斯矩阵的差值作为适应度函数，利用遗传算法迭代优化寻找到最佳的各所述纳米砖的编码参数。
优选的，通过对入射光束和出射光束偏振态的选择，实现十二通道光学图像的再现。
第二方面，本发明提供一种超表面的设计方法，包括以下步骤：
步骤1、构建超表面中的元分子，所述元分子用于实现光响应解耦；所述超表面包括基底和位于所述基底上的若干具有相同尺寸的纳米砖，若干所述纳米砖构成周期性排列的元分子，一个所述元分子包含第一数量的所述纳米砖，所述第一数量大于3，所述纳米砖的位置和旋转角度决定基于迂回相位的光学响应；
步骤2、基于选取的加密目标图像，利用GS算法生成相应的近场/远场图像以及重叠区域的矢量分布，得到目标琼斯矩阵；
步骤3、利用融合遗传算法的优化模拟退火算法，基于所述目标琼斯矩阵和元分子相干性的琼斯矩阵，对所述超表面的相位分布进行优化，寻找到最佳的各所述纳米砖的编码参数，所述编码参数包括位置参数和旋转角度参数；
设计得到的所述超表面能够呈现十二通道光学图像，包括三通道独立编码的近场纳米印刷图像、三通道独立编码的远场矢量全息图像、六通道的干涉辅助矢量加密图像；所述六通道的干涉辅助矢量加密图像包括四通道的附加远场矢量全息图像和双通道的附加近场纳米印刷图像。
优选的，一个所述元分子包含4个所述纳米砖，4个所述纳米砖的y轴位置固定，并沿y轴均匀分布；每个所述纳米砖的编码参数为(x，θ)，x表示纳米砖的x轴位置，θ表示纳米砖的旋转角度，一个所述元分子提供8个变量。
第三方面，本发明提供一种超表面，包括基底和位于所述基底上的若干具有相同尺寸的纳米砖；所述超表面采用如上述所述的超表面的设计方法得到。
优选的，所述基底的材料为二氧化硅，所述纳米砖的材料为硅。
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：
利用超表面呈现三通道独立编码的近场纳米印刷图像和三通道独立编码的远场矢量全息图像；利用重叠多波束并引入相位差干涉使超表面额外呈现包括四通道的附加远场矢量全息图像和双通道的附加近场纳米印刷图像在内的六通道的干涉辅助矢量加密图像，使得超表面能够呈现十二通道光学图像。本发明基于干涉辅助矢量加密的多通道超表面利用重叠区域光束间的相位差，成功地对附加加密矢量图像进行加解密，除非设置特定的输入/输出偏振态联合密钥，否则不会被解密，隐藏安全性高。四通道的附加远场矢量全息图像成功地加密/解密，加密图像串扰低，对比度明显。基于干涉辅助矢量加密的近场纳米印刷被首次实现，实现了多通道附加加密纳米印刷信息。综上，本发明使加密扩展到十二通道近/远场光学图像，扩大了矢量加密的容量，且隐藏安全性高。
附图说明
图1是本发明实施例中构成超表面的基底和纳米砖的结构示意图；
图2是本发明实施例中元分子解耦琼斯矩阵的示意图；
图3是本发明实施例中所选5组任意琼斯矩阵目标，并就琼斯矩阵的三个分量与生成的元分子进行理论上的比较的示意图；
图4是本发明实施例中基于重叠相位差编码的干涉辅助矢量加密策略的改进G-S算法的流程图；
图5是本发明利用融合遗传算法的优化模拟退火算法对干涉辅助矢量加密超表面的相位分布进行优化的流程图；
图6是本发明实施例中进行远场全息加密测量系统的示意图；
图7是本发明实施例中三通道独立编码的远场矢量全息图像对应的模拟结果与实验结果图；
图8是本发明实施例中四通道的附加远场矢量全息图像对应的模拟结果与实验结果图；
图9是本发明实施例中近场纳米印刷图像的实验结果图。
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提供一种基于超表面的多图像加密方法，利用超表面呈现三通道独立编码的近场纳米印刷图像和三通道独立编码的远场矢量全息图像；利用重叠多波束并引入相位差干涉使所述超表面额外呈现六通道的干涉辅助矢量加密图像，使得所述超表面能够呈现十二通道光学图像；所述六通道的干涉辅助矢量加密图像包括四通道的附加远场矢量全息图像和双通道的附加近场纳米印刷图像。
具体的，所述超表面由基底和位于所述基底上的若干具有相同尺寸的纳米砖构成，利用不同位置和旋转角度的纳米砖重构目标琼斯矩阵实现光响应解耦；由所述目标琼斯矩阵中的三个振幅变量产生所述三通道独立编码的近场纳米印刷图像；利用干涉辅助矢量加密，创建额外的近场加密通道，对附加的两个纳米印刷图像进行加解密；由所述目标琼斯矩阵中的三个相位变量产生所述三通道独立编码的远场矢量全息图像；将所述三通道独立编码的远场矢量全息图像的重叠区域作为额外的编码空间，通过控制多光束干涉在所述额外的编码空间的相位差，对附加的四个矢量全息图像进行加解密。
本发明的原理是利用纳米砖排布重构目标琼斯矩阵，实现光响应解耦，由琼斯矩阵中的三个振幅变量产生近场三通道纳米印刷，利用干涉辅助加密实现双通道附加加密纳米印刷；远场全息由琼斯矩阵中的三个相位变量产生的三通道全息，并在两个全息通道重叠区域还产生了新的编码空间，实现四通道加密信息隐藏。利用重叠区域的相互干扰，精确控制两光束间的相位差，成功地对附加加密矢量图像进行加解密。在近场图像的基础上利用计算全息技术和优化算法编码全息相位，确定每个纳米砖的位置和旋转角度，并在保持近场显示的基础上引入宽带的远场全息。
下面结合具体步骤进行说明。
所述基于超表面的多图像加密方法，包括以下步骤：
步骤1、设计用于实现光响应解耦的元分子；若干所述纳米砖构成周期性排列的元分子，一个所述元分子包含第一数量的所述纳米砖，所述第一数量大于3，所述纳米砖的位置和旋转角度决定基于迂回相位的光学响应。
本发明通过编码所述纳米砖的位置参数和旋转角度参数对琼斯矩阵进行6个自由度的解耦，实现超表面基于迂回相位的光学响应。
例如，一个所述元分子包含4个所述纳米砖，4个所述纳米砖的y轴位置固定，并沿y轴均匀分布；每个所述纳米砖的编码参数为(x，θ)，x表示纳米砖的x轴位置，θ表示纳米砖的旋转角度，一个所述元分子提供8个变量。
步骤2、选取加密目标图像，利用GS算法生成相应的近场/远场图像以及重叠区域的矢量分布，得到所述目标琼斯矩阵。
选取目标图像，利用GS算法(Gerchberg-Saxton算法)对琼斯矩阵中的三个相位分量进行编码，以实现远场矢量全息，并通过控制它们的相位差来控制全息图像上任意一点的偏振所对应的远场x偏振和y偏振的加密信息的编码；将远场的电场分布进行叠加，使得远场全息图中不重叠的区域互不影响，重叠区域的相位被同化；通过将相位差进一步叠加到不同的重叠区域，在重叠区域内优化固定相位差矢量全息，生成相应的近场/远场图像以及重叠区域的矢量分布，得到三种优化的矢量分布，形成所述目标琼斯矩阵。
步骤3、利用融合遗传算法的优化模拟退火算法，基于所述目标琼斯矩阵和元分子相干性的琼斯矩阵，对所述超表面的相位分布进行优化，寻找到最佳的各所述纳米砖的编码参数，所述编码参数包括位置参数和旋转角度参数。
利用优化模拟退火算法，在上述GS优化的基础上，对所述超表面的相位分布进行进一步优化，得到目标琼斯矩阵对应的纳米砖参数(x，θ)，实现纳米印刷和全息显示加密的双重功能。
所述元分子相干性的琼斯矩阵表示为：
其中，J表示元分子相干性的琼斯矩阵，n表示一个元分子包含的纳米砖的数量，P表示元分子周期，xi表示元分子中第i个纳米砖的x轴位置，θi表示元分子中第i个纳米砖的旋转角度。将所述目标琼斯矩阵与所述元分子相干性的琼斯矩阵的差值作为适应度函数，利用遗传算法迭代优化寻找到最佳的各所述纳米砖的编码参数。
实施例1提供的一种基于超表面的多图像加密方法通过对入射光束和出射光束偏振态的选择，能够实现十二通道光学图像的再现。
实施例2：
实施例2提供一种超表面的设计方法，包括以下步骤：
步骤1、构建超表面中的元分子，所述元分子用于实现光响应解耦；所述超表面包括基底和位于所述基底上的若干具有相同尺寸的纳米砖，若干所述纳米砖构成周期性排列的元分子，一个所述元分子包含第一数量的所述纳米砖，所述第一数量大于3，所述纳米砖的位置和旋转角度决定基于迂回相位的光学响应。
步骤2、基于选取的加密目标图像，利用GS算法生成相应的近场/远场图像以及重叠区域的矢量分布，得到目标琼斯矩阵。
步骤3、利用融合遗传算法的优化模拟退火算法，基于所述目标琼斯矩阵和元分子相干性的琼斯矩阵，对所述超表面的相位分布进行优化，寻找到最佳的各所述纳米砖的编码参数，所述编码参数包括位置参数和旋转角度参数。
设计得到的所述超表面能够呈现十二通道光学图像，包括三通道独立编码的近场纳米印刷图像、三通道独立编码的远场矢量全息图像、六通道的干涉辅助矢量加密图像；所述六通道的干涉辅助矢量加密图像包括四通道的附加远场矢量全息图像和双通道的附加近场纳米印刷图像。
实施例2提供一种超表面的设计方法最终得到的超表面与实施例1提供的一种基于超表面的多图像加密方法中的超表面的功能是相对应的，即实施例2设计的超表面用于实现多图像加密方法，因此在实施例2的描述中，对与实施例1记载的细节相同的相关内容不再重复说明。
实施例3：
实施例3提供一种超表面，包括基底和位于所述基底上的若干具有相同尺寸的纳米砖；所述超表面采用如实施例2所述的超表面的设计方法得到。
其中，所述基底的材料为二氧化硅，所述纳米砖的材料为硅。
下面对本发明做进一步的说明。
超表面解耦琼斯矩阵的实现原理：在x-z平面上，波长为λ的平面波以的角度从基底一侧入射到超表面，以保证出射一阶衍射垂直于超表面。由于矩形纳米砖的各向异性特性，光响应只发生在沿纳米砖长轴的偏振光分量上。在这里，沿法线方向的电场传播Et等可以表示为：
其中，Exr/Eyr表示来自空气/基底界面处折射光的电场分量。因此，元分子相干性的琼斯矩阵可表示为：
其中，J表示元分子相干性的琼斯矩阵，n表示一个元分子包含的纳米砖的数量，P表示元分子周期，xi表示元分子中第i个纳米砖的x轴位置，θi表示元分子中第i个纳米砖的旋转角度。
由于单层超表面的非对角元素具有镜像对称性如公式(2)所示，琼斯矩阵中总共有6个自由度参数可以任意编码。为了完全解耦自由度，满足公式(2)中的6个方程(每个自由度参数有一个线性方程，6个可独立调控的自由度，共6个方程)，需要至少包含3个纳米砖，在元分子中提供6个变量(即每个纳米砖提供x位置和旋转角度θ两个变量)。因此，元分子包含4个纳米块，共有8个变量时能够提供更大的灵活性来提高编码效率和琼斯矩阵的可解析性。
首先选取所述纳米砖102的材料为硅，所述基底101的材料为二氧化硅，所述纳米砖102的几何尺寸均匀，例如，所述纳米砖102的长度L＝160nm，宽度W＝80nm，高度H＝380nm，结构如图1所示。
设计的元分子包含四个所述纳米砖，可以实现对琼斯矩阵三个参量(Jxx,Jxy/Jyx,Jyy)解耦，xi表示元分子中第i个纳米砖的x轴位置，θi表示元分子中第i个纳米砖的旋转角度，i＝1、2、3、4，如图2所示。优选方案中，所述纳米砖的y轴位置固定，并沿y轴均匀分布，这样可以避免相邻纳米砖之间的空间重叠和影响，以解析琼斯矩阵中的每个振幅/相位分量。例如，元分子的周期P为800nm。
作为计算出的琼斯矩阵变量的准确性和可信度的一个简化的概念证明演示，我们随机选择了计算得到的五个任意琼斯矩阵目标，并就琼斯矩阵三个参量的每个独立分量与我们生成的元分子在庞加莱球中的位置比较。如图3所示，计算结果与琼斯矩阵目标一致，证实了基于琼斯矩阵编码的超表面复用的基本机理。
在图像加密设计上，本发明采用改进的Gerchberg-Saxton(GS)算法生成相应的近场/远场图像以及重叠区域的矢量分布。参见图4，远场加密方面，快速傅里叶变换(FFT)从随机相位生成复振幅分布/>(由快速傅里叶变换计算得到的三个复振幅相加得到)；将位于所述三通道独立编码的远场矢量全息图像的第一重叠区域中的两个附加远场矢量全息图像对应的矢量分布转换为两个相反的相位分布(±Φ/2)，将位于所述三通道独立编码的远场矢量全息图像的第二重叠区域中的另两个附加远场矢量全息图像对应的矢量分布也转换为两个相反的相位分布(±Φ/2)；将上述矢量分布与/>相乘，从得到的结果中提取相应的相位/>将其编码到各个图像通道及其重叠区域，从而得到各自的三个琼斯矩阵分量(Jxx,Jxy/Jyx,Jyy)。其中，A1、A2、A3分别为所述三通道独立编码的远场矢量全息图像的振幅，/> 和/>的最终相位差分别决定了第一重叠区域、第二重叠区域中的图像图案。通过快速傅里叶逆变换(IFFT)提取图像矢量分布，当残差减小到阈值或超过最大循环数时，确定改进GS算法迭代优化过程停止，最终得到了三个优化的矢量相位分布/>用于重建包含重叠区域的单个通道全息图。近场加密方面，将所述三通道独立编码的近场纳米印刷图像的振幅记为A11(“W”)、A21(“H”)、A31(“U”)，编码固定的相位差实现双通道的附加近场纳米印刷图像(“1893”对应/>“2023”对应/>)。这些近场图像在上述GS算法作为近场分布的约束出现，参见图4、图9。
本发明利用典型的通用优化模拟退火算法对干涉辅助矢量加密超表面的相位分布进行优化，最终实现了纳米打印和全息显示加密的双重功能。参见图5，首先随机生成8台阶相位、2台阶振幅的琼斯矩阵作为优化目标(Jxx,Jxy/Jyx,Jyy)，利用公式(2)，根据纳米砖的位置参数与旋转角度参数计算出其对应的琼斯矩阵，将两者(目标琼斯矩阵和计算出的琼斯矩阵)的差值作为适应度函数，迭代优化寻找最佳的纳米砖参数分布，最终实现纳米打印和全息显示加密的双重功能。
本发明从琼斯矩阵的三个相位参数中编码了三个独立编码的远场全息显示。通过协同调谐偏振入射状态和偏振分析状态，由手机摄像头直接捕获三幅独立编码的矢量全息图像如图7所示。图8显示了通过操纵密钥1和密钥2，成功地对四种不同的加密全息图进行加密/解密。实验图像与模拟图像吻合较好，图形形状清晰，无明显的串扰，对比度明显。一方面，通过精确设置输入/输出线性偏振，对“喜爱”和“开始”符号图像进行解密；另一方面，通过设置左/右圆偏振分析仪获取“关注”和“暂停”的符号图像，此时需要在采样后光路中插入四分之一波片。相应的，进行远场全息加密测量的系统示意图如图6所示，沿光路依次设置激光器、孔阑1、起偏器2、透镜3、超表面4、四分之一波片5、检偏器6和相机7(例如，CCD)。
本发明还提出在近场加密中实现干涉辅助加密机制，以创建额外的加密通道。除了上述全息功能外，还将三个独立编码的纳米打印(图9中的a-c)和两个干涉辅助的矢量纳米打印(图9中的d-e)存储在单个超表面上，其中图9中的a-e中的比例尺为80μm(图中的白色横线为比例尺标注示意)。使用光学显微镜(参见图9中的f)插入两个偏振器进行纳米打印表征。具体来说，参见图9，由琼斯矩阵中的三个振幅分量对明亮背景下的三个深色字母图像进行编码，即“W”表示Jxx，“H”表示Jxy/Jyx，“U”表示Jyy；附加的加密图像“1893”和“2023”，只有在正确的输入和输出偏振组合下才能解密。进行实验验证时，参见图9中的f，610nm单色光束由超连续激光器产生，从基底侧斜入射x-z平面，经线性偏光器调节，另一个线性偏振器放置在样品后面，以选择性地分析通过的x或y偏振。对于圆形偏振光，在采样后光路中插入四分之一波片作为左旋/右旋圆偏光检偏器。全息图像由电荷耦合器件(CCD)拍摄。在光学显微系统的10×/0.25物镜下，结合CCD和超连续激光源观察到纳米打印图像。
综上，本发明基于干涉辅助矢量加密策略，采用多波束干涉的方法，在独立编码的近场/远场图像的基础上巧妙地创造了额外的编码空间，并对相位差进行了精确的控制，成功地对附加加密矢量图像进行加解密，使加密扩展到十二通道近/远场光学图像，并显著增强了隐藏安全性。
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)

1.一种基于超表面的多图像加密方法，其特征在于，利用超表面呈现三通道独立编码的近场纳米印刷图像和三通道独立编码的远场矢量全息图像；利用重叠多波束并引入相位差干涉使所述超表面额外呈现六通道的干涉辅助矢量加密图像，使得所述超表面能够呈现十二通道光学图像；所述六通道的干涉辅助矢量加密图像包括四通道的附加远场矢量全息图像和双通道的附加近场纳米印刷图像。
2.根据权利要求1所述的基于超表面的多图像加密方法，其特征在于，所述超表面由基底和位于所述基底上的若干具有相同尺寸的纳米砖构成，利用不同位置和旋转角度的纳米砖重构目标琼斯矩阵实现光响应解耦；
由所述目标琼斯矩阵中的三个振幅变量产生所述三通道独立编码的近场纳米印刷图像；利用干涉辅助矢量加密，创建额外的近场加密通道，对附加的两个纳米印刷图像进行加解密；
由所述目标琼斯矩阵中的三个相位变量产生所述三通道独立编码的远场矢量全息图像；将所述三通道独立编码的远场矢量全息图像的重叠区域作为额外的编码空间，通过控制多光束干涉在所述额外的编码空间的相位差，对附加的四个矢量全息图像进行加解密。
3.根据权利要求2所述的基于超表面的多图像加密方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、设计用于实现光响应解耦的元分子；若干所述纳米砖构成周期性排列的元分子，一个所述元分子包含第一数量的所述纳米砖，所述第一数量大于3，所述纳米砖的位置和旋转角度决定基于迂回相位的光学响应；
步骤2、选取加密目标图像，利用GS算法生成相应的近场/远场图像以及重叠区域的矢量分布，得到所述目标琼斯矩阵；
步骤3、利用融合遗传算法的优化模拟退火算法，基于所述目标琼斯矩阵和元分子相干性的琼斯矩阵，对所述超表面的相位分布进行优化，寻找到最佳的各所述纳米砖的编码参数，所述编码参数包括位置参数和旋转角度参数。
4.根据权利要求3所述的基于超表面的多图像加密方法，其特征在于，利用GS算法对琼斯矩阵中的三个相位分量进行编码，以实现远场矢量全息，并通过控制它们的相位差来控制全息图像上任意一点的偏振所对应的远场x偏振和y偏振的加密信息的编码；将远场的电场分布进行叠加，使得远场全息图中不重叠的区域互不影响，重叠区域的相位被同化；通过将相位差进一步叠加到不同的重叠区域，在重叠区域内优化固定相位差矢量全息，生成相应的近场/远场图像以及重叠区域的矢量分布，得到三种优化的矢量分布，形成所述目标琼斯矩阵。
5.根据权利要求3所述的基于超表面的多图像加密方法，其特征在于，所述元分子相干性的琼斯矩阵表示为：
其中，J表示元分子相干性的琼斯矩阵，n表示一个元分子包含的纳米砖的数量，P表示元分子周期，xi表示元分子中第i个纳米砖的x轴位置，θi表示元分子中第i个纳米砖的旋转角度；
将所述目标琼斯矩阵与所述元分子相干性的琼斯矩阵的差值作为适应度函数，利用遗传算法迭代优化寻找到最佳的各所述纳米砖的编码参数。
6.根据权利要求1所述的基于超表面的多图像加密方法，其特征在于，通过对入射光束和出射光束偏振态的选择，实现十二通道光学图像的再现。
7.一种超表面的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、构建超表面中的元分子，所述元分子用于实现光响应解耦；所述超表面包括基底和位于所述基底上的若干具有相同尺寸的纳米砖，若干所述纳米砖构成周期性排列的元分子，一个所述元分子包含第一数量的所述纳米砖，所述第一数量大于3，所述纳米砖的位置和旋转角度决定基于迂回相位的光学响应；
步骤2、基于选取的加密目标图像，利用GS算法生成相应的近场/远场图像以及重叠区域的矢量分布，得到目标琼斯矩阵；
步骤3、利用融合遗传算法的优化模拟退火算法，基于所述目标琼斯矩阵和元分子相干性的琼斯矩阵，对所述超表面的相位分布进行优化，寻找到最佳的各所述纳米砖的编码参数，所述编码参数包括位置参数和旋转角度参数；
设计得到的所述超表面能够呈现十二通道光学图像，包括三通道独立编码的近场纳米印刷图像、三通道独立编码的远场矢量全息图像、六通道的干涉辅助矢量加密图像；所述六通道的干涉辅助矢量加密图像包括四通道的附加远场矢量全息图像和双通道的附加近场纳米印刷图像。
8.根据权利要求7所述的超表面的设计方法，其特征在于，一个所述元分子包含4个所述纳米砖，4个所述纳米砖的y轴位置固定，并沿y轴均匀分布；每个所述纳米砖的编码参数为(x，θ)，x表示纳米砖的x轴位置，θ表示纳米砖的旋转角度，一个所述元分子提供8个变量。
9.一种超表面，其特征在于，包括基底和位于所述基底上的若干具有相同尺寸的纳米砖；所述超表面采用如权利要求7或8所述的超表面的设计方法得到。
10.根据权利要求9所述的超表面，其特征在于，所述基底的材料为二氧化硅，所述纳米砖的材料为硅。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117055211A (zh) * 2023-08-30 2023-11-14 之江实验室 光学加密结构的设计方法及近远场多偏振态光学加密系统
CN117055211B (zh) * 2023-08-30 2024-03-22 之江实验室 光学加密结构的设计方法及近远场多偏振态光学加密系统

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