TW202326236A - 超穎透鏡、超穎透鏡組及其影像呈現或解密方法 - Google Patents
超穎透鏡、超穎透鏡組及其影像呈現或解密方法 Download PDFInfo
- Publication number
- TW202326236A TW202326236A TW110148011A TW110148011A TW202326236A TW 202326236 A TW202326236 A TW 202326236A TW 110148011 A TW110148011 A TW 110148011A TW 110148011 A TW110148011 A TW 110148011A TW 202326236 A TW202326236 A TW 202326236A
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- light
- metalens
- wavelength
- image
- metastructure
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 238000010276 construction Methods 0.000 title abstract 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 23
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 10
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 2
- 238000009877 rendering Methods 0.000 claims 3
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 abstract 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 25
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 20
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical class [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 241000283973 Oryctolagus cuniculus Species 0.000 description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 4
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 3
- 241000282405 Pongo abelii Species 0.000 description 3
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 3
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 3
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 3
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 3
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 2
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000001429 visible spectrum Methods 0.000 description 2
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- RKTYLMNFRDHKIL-UHFFFAOYSA-N copper;5,10,15,20-tetraphenylporphyrin-22,24-diide Chemical compound [Cu+2].C1=CC(C(=C2C=CC([N-]2)=C(C=2C=CC=CC=2)C=2C=CC(N=2)=C(C=2C=CC=CC=2)C2=CC=C3[N-]2)C=2C=CC=CC=2)=NC1=C3C1=CC=CC=C1 RKTYLMNFRDHKIL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B3/00—Simple or compound lenses
- G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
- G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Holo Graphy (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Lenses (AREA)
Abstract
本發明係一種超穎透鏡、超穎透鏡組及其影像呈現或解密方法，包括基材與超穎結構層，其中超穎結構層設在基材的一面，超穎結構層設有複數個超穎結構體，各超穎結構體的形狀高度與其所要諧振的光波長有關，超穎透鏡於所要諧振光波長的遠場位置呈現出光型或圖案。超穎透鏡組由複數個超穎透鏡堆疊而成，或多個超穎透鏡陣列組成，超穎透鏡組可於不同諧振的波長的遠場位置呈現出不同諧振光波長的光型、圖案或分辨圖像，而影像影像呈現或解密方法則是將所要諧振的光波長的分辨圖像與多個非諧振光波長的非分辨圖像組成疊構影像，疊構影像經過超穎透鏡或超穎透鏡組於分辨圖像所對應諧振光波長的遠場位置呈現出分辨圖像。
Description
本發明係有關於光學透鏡，尤其有關於超穎透鏡及使用超穎透鏡組，於其諧振的光波長的遠場位置呈現出分辨圖像，或諧振的光波長的聚焦位置進行影像解密的方法。
透鏡在日常生活中是一種被廣泛應用的光學元件，例如在智慧型手機、眼鏡、顯微鏡中透鏡都是必要的元件，然而，透鏡的應用受自然材料的光學特性以及設計原理的限制，因此其具有色差問題，使得工作波段較窄，且裝置體積普遍較大，而超穎介面(Metasurfaces)的光學設計結構雖然可以做到極小，過去一直面臨會由於色散產生色差等問題。
基於上述的原因，有研究人員針對此一問題，提出了改善方案並發表了期刊論文，例如由期刊論文名稱寬頻消色差光學超表面裝置(英文名稱：Broadband achromatic optical metasurface devices)，發表於自然通訊期刊(Nature Communications)，發表日期為西元2017年8月4日，並且也申請專利(以下稱專利前案)，專利名稱為可見光寬頻消色差的超穎透鏡(英文名稱：BROADBAND ACHROMATIC METALENS IN THE VISIBLE SPECTRUM)，其公告號US11,079,520B2(臺灣關聯案件之公告號：I696297)。
專利前案的摘要提到該發明提供了一種光學構件，包括一超穎透鏡陣列。每個超穎透鏡包括複數個奈米結構及一介電層，奈米結構被設置在介電層上。各奈米結構包括由第一相位補償結構所排成的陣列以及一第二相位補償結構所排成的陣列。第一相位補償結構所排成的陣列被設置成圍繞第二相位補償結構所排成的陣列，藉此以定義出單個超穎透鏡。該等第一相位補償結構及該等第二相位補償結構彼此互補並且實質上符合貝比芮原理。
專利前案的結論提到該公開揭露了寬頻消色差的超穎透鏡，其利用一系列以氮化鎵為基礎的共振單元以在可見光頻譜範圍下中運作。結合P-B相位法及整合式共振，讓消色差超穎透鏡能具有所需的相位輪廓。經由USAF解析測試等測試結果，證實了本文所提供的光學構件具有全彩成像性能。前述實驗例的結果顯示出該文的消色差超穎透鏡在可見光頻譜範圍下運作的最寬頻寬範圍。值得注意的是，這種以透射式可見光消色差超穎透鏡是最先進的一種技術。由於其尺寸相當微小，這種消色差超穎透鏡可以應用製作出超穎透鏡陣列，並可以應用於光場相機中進行消色差成像。最後，低成本以及與半導體製程的可兼容性，讓該發明所提供的超穎透鏡及光學構件能可見光頻譜範圍下進行奈米光子學的應用及做為集成式光學元件。
然而，超穎透鏡不因只應用於消除色散產生色差的問題，若開發新式超穎結構體形成一單一超穎透鏡，或者組成超穎透鏡組，當分辨光源經過該超穎透鏡組，將會在所設計之諧振光波長的遠場位置呈現出分辨光源之設計圖案，可進一步地廣泛地應用在不同的領域中，如三維感測(3D Sensing)技術之結構光(Structured Light)、飛時測距(Time of Flight)。甚至於是運用超穎透鏡的色散特性來處理特殊需求的影像處理問題，例如：人們通過圖像可以有效地表示和傳遞重要訊息，但是考慮到圖像的隱私和安全問題，傳送出去圖像應予保密，以免被未經授權的使用者存取圖像。為了保證圖像傳輸的安全性，顯然需要開發安全的圖像方法，而若運用超穎透鏡的色散特性加以運用在圖像的存取及解密，將可進一步增加超穎透鏡的應用範圍。
有鑑於先前技術的問題，本發明提供超穎透鏡對其諧振的光波長，而可在匹配的其諧振的光波長的遠場位置呈現其諧振光波長的光型或圖案，更可進一步將多個諧振的不同的光波長的超穎透鏡組合在一起，用以分別諧振不同光波長，而可在匹配的各自諧振的光波長的遠場位置呈現其諧振的光波長的光型或圖案，甚至可以應用於將所要諧振的光波長的分辨影像與非諧振的光波長的非分辨影像組成的加密影像，透過一個超穎透鏡或超穎透鏡組，可在匹配的各自諧振的光波長的遠場位置呈現其諧振的光波長的分辨影像進行解密，藉以增加超穎透鏡的應用範圍。
本發明係一種超穎透鏡，包括基材與超穎結構層，超穎結構層設有複數個超穎結構體，各超穎結構體形狀設計成其所要諧振的光波長(
)相關，且各超穎結構體之間的間距為介於其所諧振的光波長的二分之一，其間距可誤差容許範圍為
，較佳者為
，各超穎結構體的高度最高為諧振光之光波長的3倍，各超穎結構體的高度誤差容許範圍為
，較佳者為
。當入射光源經過超穎透鏡，將會在超穎透鏡其所諧振光波長所匹配的遠場位置呈現出所諧振光波長的光型或圖案。
其中，各超穎結構體的相位分佈係遵循下列公式：
其中r是與基材表面中心為原點的相對極座標，f為超穎透鏡的焦距到基材表面中心的距離，θ是方位角(Azimuthal angle)，l為角動量之拓譜數(Topological number)，k為波向量，使得超穎透鏡會在其所諧振光波長所匹配的遠場位置呈現出所諧振光波長的漩渦狀光型。
其中，各超穎結構體的相位分佈係遵循下列公式：
其中 x 和 y 是與基材中心為原點的相對坐標，f為超穎透鏡的焦距到基材表面中心的距離，λ是為分辨光源的光波長，使得超穎透鏡會在其所諧振光波長所匹配的遠場位置呈現出所諧振光波長的圖像。
本發明係一種超穎透鏡組，包括多個超穎透鏡，各超穎透鏡係以陣列排列或堆疊而成，各超穎透鏡係於不同的遠場位置呈現出不同光波長的分辨光源圖案。
本發明係一種影像解密方法，係包括下列步驟，接收入射光源，入射光源經過超穎透鏡或超穎透鏡組於所諧振光波長的匹配遠場位置呈現出各自光型或圖案。
其中，入射光源係為疊構影像，疊構影像包括超穎透鏡或超穎透鏡組所諧振的光波長的分辨圖像與多個非屬超穎透鏡或超穎透鏡組所諧振的光波長的非分辨圖像疊構而成，疊構影像經過超穎透鏡或超穎透鏡組於匹配的遠場位置呈現出分辨圖像。
據上所述，針對諧振不同光波長設計的超穎透鏡，會在匹配的遠場位置呈現出光型或圖案，而超穎透鏡組因為組合諧振不同光波長設計的超穎透鏡，所以可在各光波長所匹配的遠場位置呈現出不同波長的分辨光源，進而實現高解析複雜分辨圖像。
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，但並不用於限定本發明。
本發明係一種超穎透鏡，請參閱圖1所示，超穎透鏡1包括基材10與超穎結構層12，基材10係為介電質材料、金屬材料或介電質與金屬混合材料，舉例而言，介電質材料係為藍寶石基板(Sapphire)，超穎結構層12包括複數個超穎結構體120，各超穎結構體120形狀大小與其所諧振的光波長相關，當入射光經過超穎透鏡，將會在超穎透鏡匹配的遠場位置呈現出光型或圖案。
在本發明中，各超穎結構體120形狀大小與其所諧振的光波長的關係為各超穎結構體120的表面積大小與其所要諧振之光波長相關，各超穎結構體120的高度與其所要諧振之光波長相關，以及超穎結構體120的間距與其所要諧振之光波長相關。
進一步而言，各超穎結構體120的高度最高為諧振光之光波長的3倍，各超穎結構體的高度誤差容許範圍為
。舉例而言，各超穎結構體120其所要諧振之光波長為500nm，各超穎結構體120的高度最高可以為1500 nm，進一步而言，若各超穎結構體的高度為1500nm，且誤差容許範圍為
，則各超穎結構體的高度介於1350~1650 nm之間。
又，各超穎結構體120之間的間距d為為其所諧振的光波長的二分之一，其間距可誤差容許範圍為
，舉例而言，假設各超穎結構體120的所要諧振之光波長為100nm，則各超穎結構體120的間距為50 nm，進一步在容許誤差範圍內為
，則各超穎結構體120的間距介於45~55 nm之間。
再者，各超穎結構體120的表面積的半徑進一步為其小於或等於間距d的二分之一，舉例而言，若各超穎結構體120其間距為500nm，在容許誤差範圍內為
，則各超穎結構體120的表面積的半徑介於450~550 nm。
在本發明中，請參閱圖2~3所示，各超穎結構體120係以六角密堆積方式排列在基材10上。各超穎結構體120係為六角柱體，用以形成六邊形諧振元件 (hexagon-resonated elements，簡稱：HRE)。各超穎結構體120係為氮化鎵(GaN)所製成 。但本發明在實際實施時，並不限於此，各超穎結構體120並不限定為六角柱體，也可為多邊形體，且各超穎結構體120也可由其他材料所製成，而各超穎結構體120的排列方式，亦可為如晶格系統的三斜、單斜、正交(斜方)、四方(正方)、三方或等軸方式排列。換言之，只要各超穎結構體120能夠在匹配的遠場位置呈現出光型或圖案或者分辨圖像者，即屬於本發明所稱的各超穎結構體120。
在本發明中，各超穎結構體120的相位分佈係遵循下列公式(1)：
…公式(1)
其中 x 和 y 是與基材10中心為原點的相對坐標，f為超穎透鏡的焦距到基材10中心的距離，λ是為分辨光源的光波長，使得超穎透鏡在匹配的遠場位置呈現出其所諧振的光波長的圖案(如圖4所示)，舉例而言，以如圖4中的紅色兔子影像作為入射光源，而此超穎透鏡的諧振光波長為紅色光波長，由於此種相位分佈不會改變光型，因此可以在超穎透鏡在匹配的遠場位置呈現如圖15的紅色兔子影像60。
在本發明中，請參閱圖3-1所示，超穎透鏡1尚包括圖案層14，圖案層14設在超穎結構層12的表面，當以藍光發光二極體作為入射光源，經過依照公式(1)設計的且具有圖案層14的超穎透鏡，可以在超穎透鏡在匹配的遠場位置呈現如圖案層14相同的藍光圖案，當以藍光發光二極體作為入射光源，經過依照公式(1)設計的超穎透鏡但沒有圖案層14，則超穎透鏡在匹配的遠場位置呈現如圖案層14相同的圖案，而若是。若是以藍光發光二極體作為入射光源，經過依照公式(1)設計的超穎透鏡，可以在超穎透鏡在匹配的遠場位置呈現與入射光源相同的藍光光型。
又，各超穎結構體120的相位分佈係遵循下列公式(2)：
…公式(2)
其中r是與基材表面中心為原點的相對極座標，f為超穎透鏡的焦距到基材表面中心的距離，θ是方位角(azimuthal angle)，l為角動量之拓譜數(Topological number)，k為波向量，使得超穎透鏡會在其所諧振光波長所匹配的遠場位置呈現出所諧振光波長的漩渦狀光型(如圖5所示)。
據上所述，各超穎結構體120進一步可以對其所諧振光波長，以不同的相位分佈公式，而可在匹配的遠場位置呈現出各種不同形狀的光型，或者直接呈現出圖案，而本發明的各超穎結構體120的相位分佈並不以前述的公式(1)或者公式(2)為限，舉凡可以配製成不同的光型或者呈現出圖案，皆屬於本發明所主張的各超穎結構體120。
在本發明中，各超穎結構體120所要分辨光源係為紅色、綠色或藍色的光波長。進一步而言，當分辨光源之為藍光，藍光的光波長為450–495 nm，則次波長約為220 -250 nm，基材10的直徑為 100 μm，焦距為 150 μm，數值孔徑 (NA) 為 0.3，各超穎結構體120的表面積半徑r為28-76奈米。
另當分辨光源之為紅光，紅光的光波長為620–750 nm，較佳者為633 nm，基材10的直徑為 100μm，焦距為 123 μm，數值孔徑 (NA) 為0.4。又當分辨光源之為綠光，綠光的光波長為495–570 nm，較佳者為532 nm，基材10的直徑為100 μm，焦距為 87μm，數值孔徑 (NA) 為0.57。
在本發明中，前述的分辨光源之光波長為450nm為例，當要製作透鏡直徑為100 μm，焦距為 150 μm，數值孔徑 (NA) 為 0.3的超穎透鏡1時，係利用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)在藍寶石(基材10)上生長800nm厚的氮化鎵(GaN)層，然後在其上沉積400 nm厚的二氧化矽(SiO 2 )層。然後將光阻層塗佈到二氧化矽層表面，再於電子束曝光光阻層後，於曝光光阻層蒸鍍45nm的鉻(Cr)層，再使用電感耦合等離子體反應離子蝕刻 (ICP-RIE) 將超穎結構體12的圖案轉移到氮化鎵(GaN)層，再浸入緩衝氧化物蝕刻劑後，即完成超穎透鏡1。
前述的各超穎結構體120的表面積半徑r係在不同的光波長下，各有不同的大小，而此表面積半徑r大小，可以通過軟體(例如：CST STUIDO SUITE)模擬產生。
本發明係一種超穎透鏡組，請參閱圖4所示，超穎透鏡組2包括多個超穎透鏡1相堆疊在一起，每一個超穎透鏡1的超穎結構體係共同諧振同一個光波長，或者是超穎透鏡將所有的超穎結構體分成複數個陣列群組，每一個陣列群組係諧振不同的光波長(如圖4-1所示)，或者是超穎透鏡將所有的超穎結構體分成複數個陣列群組，每一個陣列群組係諧振不同的光波，且將多個具有陣列群組的超穎透鏡堆疊，並且每一層的陣列群組所諧振的光波長交錯排列(如圖4-2所示)，圖4為多個超穎透鏡1相堆疊，其中僅表面出最上層的超穎透鏡1，其餘超穎透鏡1在最上層的超穎透鏡1下方各超穎透鏡1係於其所諧振的光波長所匹配的遠場位置呈現出各自的光型或圖案。
在本發明中，超穎透鏡組2可以在各超穎透鏡1之間設置光學元件(例如：偏光片、二分之一波板或四分之一波板)或電子元件，用以進一步調整超穎透鏡組2輸出的光型或圖案的亮度、清晰度或其他光學特性。
請參閱圖6所示，以實驗證明超穎透鏡組2於其所諧振的光波長所匹配的遠場位置呈現各自的光型或圖案。在圖中使用白色發光二極體作為光源的投影機30，沿光軸依序穿過第一光學元件32、超穎透鏡組2、第二光學元件34及第三光學元件36，隨後，相機38捕獲實驗解密的圖像，其中第一光學透鏡32與第二光學透鏡34為光學物鏡器件，第三光學透鏡36為光衰減元件。
以多個超穎透鏡1相堆疊的超穎透鏡組2為例，請參閱圖7~10所示，將紅色光波長的R字圖像40、綠色光波長的G字圖像42及藍色光波長的B字圖像44疊構形成疊構影像4，從疊構影像4中各個光波長重疊位置依照色彩混合成不同的顏色的光波長呈現在疊構影像4中，例如：紅色、綠色及藍色光波長重疊的位置呈現為白色，當移動相機在不同的遠場位置，就可以分別呈現出不同光波長的分辨光源的圖像，在此示例中紅色、藍色及綠色光緣之光波長的焦距分別為150 μm、123 μm及87μm，分別呈現出R字圖像40、G字圖像42與B字圖像44。
請參閱圖11~14所示，將紅色光波長的另一R字圖像50、綠色光波長的另一G字圖像52及藍色光波長的另一B字圖像54疊構形成疊構影像5，從另一疊構影像5中各個光波長重疊位置依照色彩混合成不同的顏色的光波長呈現在另一疊構影像5中，當移動相機在不同的遠場位置，就可以分別呈現出不同光波長的分辨光源的圖像，在此示例中紅色、藍色及綠色光緣之光波長的焦距分別為150 μm、123 μm及87μm，分別呈現出另一R字圖像50、另一G字圖像52與另一B字圖像54。
請參閱圖15~18所示，將紅色光波長的兔子圖像60、綠色光波長的猩猩圖像62及藍色光波長的熊圖像64疊構形成又另一疊構影像6，從又另一疊構影像6中各個光波長重疊位置依照色彩混合成不同的顏色的光波長呈現在又另一疊構影像6中，當移動相機在不同的遠場位置，就可以分別呈現出不同光波長的分辨光源的圖像，在此示例中紅色、藍色及綠色光緣之光波長的焦距分別為150 μm、123 μm及87μm，分別呈現出兔子圖像60、猩猩圖像62與熊圖像64。
據上所述，針對不同光波長設計的超穎透鏡1可以相互堆疊在一起形成超穎透鏡組2，並且將超穎透鏡組2放置在投影機前方，將可在不同的光波長的遠場位置呈現出不同光波長的分辨光源的圖像。而在前述的示例中以紅色光波長、綠色光波長及藍色光波長的圖像為例，但本發明在實際實施時並不限於此。例如：或者是超穎透鏡將所有的超穎結構體分成複數個陣列群組，每一個陣列群組係諧振不同的光波長，
由於超穎透鏡組2放置在投影機前方，將可在不同的光波長的遠場位置呈現出不同光波長的分辨光源的圖像，故可將此現象應用於影像加密及解密之中，進而可做為一種影像解密方法，係包括下列步驟：
(S101)接收疊構影像4，疊構影像4為多個不同光波長的圖像疊構而成；
(S102)疊構影像4經過超穎透鏡組2於不同的遠場位置呈現出各自所分辨的光源。
以舉例而言，加密方將軍事機密影像的各像素的顏色分別抽離成紅色光波長圖像、綠色光波長圖像及藍色光波長圖像，並且將此紅色光波長圖像與其他影像中的綠色光波長圖像及藍色光波長圖像混合成第一疊構影像，其中紅色光波長圖像屬於分辨圖像，而其他影像中的綠色光波長圖像及藍色光波長圖像則為非分辨圖像。綠色光波長圖像與其他影像中的紅色光波長圖像及藍色光波長圖像混合成第二疊構影像，其中綠色光波長圖像屬於分辨圖像，而其他影像中的紅色光波長圖像及藍色光波長圖像則為非分辨圖像。藍色光波長圖像與其他影像中的紅色光波長圖像及綠色光波長圖像混合成第三疊構影像，其中藍色光波長圖像屬於分辨圖像，而其他影像中的紅色光波長圖像及綠色光波長圖像則為非分辨圖像。
如此，解密方在接收第一疊構影像、第二疊構影像及第三疊構影像後，利用超穎透鏡組2不同的的遠場位置取得紅色光波長圖像、綠色光波長圖像及藍色光波長圖像，再將紅色光波長圖像、綠色光波長圖像及藍色光波長圖像合成即可還原成原來的軍事機密影像。當然加密方也可以進一步將各第一疊構影像、第二疊構影像及第三疊構影像摻雜在一段影片中的不連續時間的畫面中，而且解密方只要知道第一疊構影像、第二疊構影像及第三疊構影像分別出現在影片中的哪一個時間點的畫面中，就可以依照前述過程完成解密。
再者，前述的影像解密方法中超穎透鏡組2的排列方式係為複數個超穎透鏡1堆疊在一起，每一個超穎透鏡1係諧振不同的光波長，或者是各該超穎透鏡1將所有的該超穎結構體120分成複數個陣列群組，每一該陣列群組係諧振不同的光波長，或者是各該超穎透鏡1將所有的該超穎結構體120分成複數個陣列群組，每一該陣列群組係諧振不同的光波，且將具有該些陣列群組的該超穎透鏡1堆疊，並且每一層該超穎透鏡1的該陣列群組所諧振的光波長交錯排列。
此外，前述的影像解密方法中，可以將疊構影像4置換成入射光，入射光使得該超穎透鏡組2接收一入射光會在其所諧振光波長所匹配的遠場位置呈現出所諧振光波長的光型或圖案，而該超穎透鏡組2的排列方式係可為複數個超穎透鏡1堆疊在一起，每一個超穎透鏡1係諧振不同的光波長，或者是各該超穎透鏡1將所有的該超穎結構體120分成複數個陣列群組，每一該陣列群組係諧振不同的光波長，或者是各該超穎透鏡1將所有的該超穎結構體120分成複數個陣列群組，每一該陣列群組係諧振不同的光波，且將具有該些陣列群組的該超穎透鏡1堆疊，並且每一層該超穎透鏡1的該陣列群組所諧振的光波長交錯排列。其中入射光係可為單一波長的光源，而產生如圖5所示的光型，或者是入射光係可為疊構影像
在本發明中，各超穎透鏡1所要分辨光源係可為線偏振光，也就是可以直接接收來自投影機所輸出的光源，改善了傳統僅能接受圓偏振光之缺點。
此外，本發明係將2021年10月29日於公開MDPI期刊發表名稱為「Gallium Nitride Metalens for Image Decryption」之論文、2021年3月22日於科學報告期刊(Scientific Reports) 發表名稱為「High-performance gallium nitride dielectric metalenses for imaging in the visible」之論文，以及2021年7月15日於科學報告期刊(Scientific Reports) 發表名稱為「Polarization‑insensitive GaN metalenses at visible wavelengths」之論文，作為本發明的優惠期主張之證明，並將以上論文之內容引用至本實施方式中。
據上所述，針對不同光波長設計的超穎透鏡1，係在不同的遠場位置呈現出分辨光源，當針對多個不同光波長設計的超穎透鏡1相堆疊在一起形成超穎透鏡組2時，則可同時在不同的遠場位置呈現出不同波長的分辨光源，進而可以應用在將多個不同光波長的圖像疊構而成的疊構影像4，利用超穎透鏡組2進行影像解密。
上列詳細說明係針對本發明的可行實施例之具體說明，惟前述的實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
1:超穎透鏡
10:基材
12:超穎結構層
120:超穎結構體
h:超穎結構體的高度
r:超穎結構體的表面積半徑
d:各超穎結構體之間的間距
2:超穎透鏡組
30:投影機
32:第一光學元件
34:第二光學元件
36:第三光學元件
38:相機
4:疊構影像
40:R字圖像
42:G字圖像
44:B字圖像
5:另一疊構影像
50:另一R字圖像
52:另一G字圖像
54:另一B字圖像
6:又另一疊構影像
60:兔子圖像
62:猩猩圖像
64:熊圖像
圖1係超穎透鏡的部分放大示意圖。
圖2係超穎透鏡的中間部分區域以掃描式電子顯微鏡攝影示意圖。
圖3係超穎透鏡的邊緣部分區域以掃描式電子顯微鏡攝影示意圖。
圖3-1係具有渦漩光型圖案之超穎結構層以光學顯微鏡攝影示意圖。
圖4係超穎透鏡組及其在不同遠場位置呈現不同光波長的圖像示意圖。
圖4-1係另一超穎透鏡組示意圖。
圖4-2係又另一超穎透鏡組示意圖。
圖5係各超穎結構體相位分佈係遵循公式(2)所輸出的漩渦光型。
圖6係投影機發出疊構影像以超穎透鏡組進行解密的架構示意圖。
圖7係以本發明之超穎透鏡組接收的一疊構影像示意圖。
圖8係圖7之疊構影像於紅色之光波長的焦距所呈現的紅色圖像示意圖。
圖9係圖7之疊構影像於綠色之光波長的焦距所呈現的綠色圖像示意圖。
圖10係圖7之疊構影像於藍色之光波長的焦距所呈現的紅色圖像示意圖。
圖11係以本發明之超穎透鏡組接收的另一疊構影像示意圖。
圖12係圖11之疊構影像於紅色之光波長的焦距所呈現的紅色圖像示意圖。
圖13係圖11之疊構影像於綠色之光波長的焦距所呈現的綠色圖像示意圖。
圖14係圖11之疊構影像於藍色之光波長的焦距所呈現的紅色圖像示意圖。
圖15係以本發明之超穎透鏡組接收的又另一疊構影像示意圖。
圖16係圖15之疊構影像於紅色之光波長的焦距所呈現的紅色圖像示意圖。
圖17係圖15之疊構影像於綠色之光波長的焦距所呈現的綠色圖像示意圖。
圖18係圖15之疊構影像於藍色之光波長的焦距所呈現的紅色圖像示意圖。
1:超穎透鏡
10:基材
12:超穎結構體
120:超穎結構體
h:超穎結構體的高度
r:超穎結構體的表面積半徑
d:各超穎結構體之間的間距
Claims (16)
- 一種超穎透鏡，包括： 一基材； 複數個超穎結構體，形狀設計成其所要諧振的光波長( )相關； 其中，超穎透鏡接收一入射光會在其所諧振光波長所匹配的遠場位置呈現出所諧振光波長的光型或圖案。
- 如請求項1所述的超穎透鏡，其中各超穎結構體形狀大小與其所諧振的光波長的關係為各該超穎結構體的表面積大小與其所要諧振之光波長相關，各超穎結構體的高度與其所要諧振之光波長相關，以及超穎結構體的間距與其所要諧振之光波長相關。
- 如請求項1所述的超穎透鏡，其中各該超穎結構體的高度最高為諧振光之光波長的2倍，且各該超穎結構體的高度誤差容許範圍為 。
- 如請求項3所述的超穎透鏡，其中各超穎結構體之間的間距d為其所諧振的光波長的二分之一，其間距可誤差容許範圍為 。
- 如請求項4所述的超穎透鏡，其中各該超穎結構體的表面積的半徑進一步為其小於或等於各超穎結構體之間距。
- 如請求項1所述的超穎透鏡，其中各該超穎結構體的相位分佈係遵循下列公式： 其中 x 和 y 是與該基材中心為原點的相對坐標，f為超穎透鏡的焦距到基材中心的距離，λ 是為分辨光源的光波長。
- 如請求項1所述的超穎透鏡，其中各該超穎結構體的相位分佈係遵循下列公式： 其中r是與基材表面中心為原點的相對極座標，f為超穎透鏡的焦距到基材表面中心的距離，θ是方位角，l為角動量之拓譜數，k為波向量。
- 一種超穎透鏡組，包括多個如請求項1~7任一項之該超穎透鏡，各該超穎透鏡相堆疊在一起，每一該超穎透鏡的各該超穎結構體係共同諧振同一個光波長。
- 一種超穎透鏡組，包括多個如請求項1~7任一項之該超穎透鏡，各該超穎透鏡將所有的該超穎結構體分成複數個陣列群組，每一該陣列群組係諧振不同的光波長。
- 一種超穎透鏡組，包括多個如請求項1~7任一項之該超穎透鏡，各該超穎透鏡將所有的該超穎結構體分成複數個陣列群組，每一該陣列群組係諧振不同的光波，且將具有該些陣列群組的該超穎透鏡堆疊，並且每一層該超穎透鏡的該陣列群組所諧振的光波長交錯排列。
- 一種影像解密方法，係包括下列步驟： 接收一疊構影像，該疊構影像為多個不同光波長的圖像疊構而成； 該疊構影像經過如請求項8所述的該超穎透鏡組於不同的遠場位置呈現出各自所分辨的光源。
- 一種影像解密方法，係包括下列步驟： 接收一疊構影像，該疊構影像為多個不同光波長的圖像疊構而成； 該疊構影像經過如請求項9所述的該超穎透鏡組於不同的遠場位置呈現出各自所分辨的光源。
- 一種影像解密方法，係包括下列步驟： 接收一疊構影像，該疊構影像為多個不同光波長的圖像疊構而成； 該疊構影像經過如請求項10所述的該超穎透鏡組於不同的遠場位置呈現出各自所分辨的光源。
- 一種光呈現方法，係包括下列步驟： 如請求項8所述的該超穎透鏡組接收一入射光會在其所諧振光波長所匹配的遠場位置呈現出所諧振光波長的光型或圖案。
- 一種光呈現方法，係包括下列步驟： 如請求項9所述的該超穎透鏡組接收一入射光會在其所諧振光波長所匹配的遠場位置呈現出所諧振光波長的光型或圖案。
- 一種光呈現方法，係包括下列步驟： 如請求項10所述的該超穎透鏡組接收一入射光會在其所諧振光波長所匹配的遠場位置呈現出所諧振光波長的光型或圖案。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW110148011A TWI796888B (zh) | 2021-12-21 | 2021-12-21 | 超穎透鏡、超穎透鏡組及其影像呈現或解密方法 |
| CN202211474477.4A CN116299795A (zh) | 2021-12-21 | 2022-11-22 | 超透镜、超透镜组及其影像呈现或解密方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW110148011A TWI796888B (zh) | 2021-12-21 | 2021-12-21 | 超穎透鏡、超穎透鏡組及其影像呈現或解密方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TWI796888B TWI796888B (zh) | 2023-03-21 |
| TW202326236A true TW202326236A (zh) | 2023-07-01 |
Family
ID=86692475
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW110148011A TWI796888B (zh) | 2021-12-21 | 2021-12-21 | 超穎透鏡、超穎透鏡組及其影像呈現或解密方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116299795A (zh) |
| TW (1) | TWI796888B (zh) |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10591643B2 (en) * | 2015-11-20 | 2020-03-17 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Light-field imaging using a gradient metasurface optical element |
| TWI649259B (zh) * | 2016-12-05 | 2019-02-01 | 中央研究院 | 寬頻超穎光學裝置 |
| GB2578233A (en) * | 2017-06-02 | 2020-04-22 | Harvard College | Planar achromatic and dispersion-tailored meta-surfaces in visible spectrum |
| TWI728605B (zh) * | 2018-12-20 | 2021-05-21 | 中央研究院 | 用於光場成像的超穎透鏡 |
-
2021
- 2021-12-21 TW TW110148011A patent/TWI796888B/zh active
-
2022
- 2022-11-22 CN CN202211474477.4A patent/CN116299795A/zh active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TWI796888B (zh) | 2023-03-21 |
| CN116299795A (zh) | 2023-06-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gao et al. | Multi-foci metalens for spectra and polarization ellipticity recognition and reconstruction | |
| CN113589535B (zh) | 光学成像系统及头戴式显示设备 | |
| Kim et al. | Pixelated bifunctional metasurface-driven dynamic vectorial holographic color prints for photonic security platform | |
| TWI696297B (zh) | 可見光寬頻消色差的超穎透鏡 | |
| US11711600B2 (en) | Meta-optical device and optical apparatus including the same | |
| Jiang et al. | Low f‐Number Diffraction‐Limited Pancharatnam–Berry Microlenses Enabled by Plasmonic Photopatterning of Liquid Crystal Polymers | |
| JP6083997B2 (ja) | 投射型表示装置 | |
| CN111897036A (zh) | 消色差微透镜阵列超表面 | |
| JP2012242449A (ja) | 位相差素子及びその製造方法 | |
| US10502983B2 (en) | Nanostructured flat lenses for display technologies | |
| US20110109818A1 (en) | Liquid crystal display device, method for manufacturing the same, and projection-type liquid crystal display apparatus with liquid crystal display device | |
| CN109541748A (zh) | 超表面θ调制器件 | |
| US20070217011A1 (en) | Optical element and image projecting apparatus | |
| WO2021212811A1 (zh) | 一种超表面成像装置 | |
| Sun et al. | Broadband Single‐Chip Full Stokes Polarization‐Spectral Imaging Based on All‐Dielectric Spatial Multiplexing Metalens | |
| CN110133758A (zh) | 一种实现多维光操控图像变换的超表面结构设计方法 | |
| US10241239B2 (en) | Lens array substrate, electro-optical device, electronic apparatus, micro-lens substrate manufacturing method, and electro-optical device manufacturing method | |
| JP2015082035A (ja) | 位相差素子及びその製造方法、液晶表示装置、並びに投射型画像表示装置 | |
| US20230221489A1 (en) | Metasurface optical device and optical apparatus | |
| TWI796888B (zh) | 超穎透鏡、超穎透鏡組及其影像呈現或解密方法 | |
| US20240168437A1 (en) | Metasurface structure and related article and method | |
| US20230196947A1 (en) | Metalens, metalens set and method of image construction or decryption thereof | |
| JP2006235312A (ja) | 反射型液晶表示装置 | |
| JP6027199B2 (ja) | 位相差素子及びその製造方法 | |
| TW202403396A (zh) | 光學系統、形成光學系統的方法、形成多色影像的方法 |