偏振多通道超构表面光学元件及重建全彩全息图像的方法技术

本发明专利技术公开一种偏振多通道超构表面光学元件及重建全彩全息图像的方法。该偏振多通道超构表面光学元件是由介质衬底和其上的各向异性的电介质纳米结构阵列组成，通过调控各个位置的纳米结构的面内尺寸和面内角度实现最多三个独立的偏振通道的全息图像的编码，且该超构表面具有宽带可用的性质，通过选择不同电介质材料，可以在不同波段内实现高效率的多通道偏振多通道全息。通过将全彩图片的三原色分量耦合进可见光波段偏振多通道超构表面的三个独立偏振通道，可以实现近零串扰的全彩全息显示。

【技术实现步骤摘要】
偏振多通道超构表面光学元件及重建全彩全息图像的方法
本专利技术涉及微纳光学及光学全息领域，特别是涉及一种偏振多通道超构表面光学元件及重建全彩全息图像的方法。
技术介绍
超构表面可以允许人们在二维平面进行光波的相位、幅值、偏振等任意的调控，赋予了设计新型光学元件的极大自由度。所以，近些年，基于超构表面的透镜、光线偏折器、偏振转换器、全息超构表面都被提出来并广泛研究。其中，由于大视场角、高密度、分辨率高等特点，使得基于超构表面的全息技术得到广泛关注，并基于此，发展出各种多通道超构表面全息，其中，交错单元、多平面、多角度等策略通常波长多通道应用，例如彩色全息或多波长超透镜。然而，在不利用其它空间自由度情况下难以实现超低串扰彩色全息。事实上，与传统的DOE元件相比，超构表面的特点是偏振的亚波长调节，而且，基于两个正交入射偏振态的多通道器件理论上可以完全抑制通道之间的串扰，实现双功能应用。然而，先前基于PB相位的交错单元或各向异性的结构表面尚未充分探索双折射超构表面单元的自由度，不能实现三个独立的偏振通道的全息图像的编码和高效率的多通道偏振多通道全息。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种偏振多通道超构表面光学元件及重建全彩全息图像的方法，能够实现三个独立的偏振通道的全息图像的编码和高效率的多通道偏振多通道全息。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种偏振多通道超构表面光学元件，包括：介质衬底和各向异性的电介质纳米结构阵列，所述各向异性的电介质纳米结构阵列设置在所述介质衬底上，所述各向异性的电介质纳米结构阵列包含多个纳米柱。可选的，所述介质衬底采用石英衬底、氧化铝衬底、玻璃衬底或金刚石衬底。可选的，所述纳米柱采用矩形纳米柱、椭圆形纳米柱、不对称十字形纳米柱或L形纳米柱。可选的，所述纳米柱的结构材料采用TiO2、HfO2、ZrO2、GaN、Si2N3、Si、GaAs、ZnS或AlN。可选的，所述纳米柱的高度范围为200nm-1500nm，所述纳米柱在所述介质衬底表面的尺寸为20nm-1000nm，所述纳米柱在所述介质衬底表面任意设置。一种基于偏振多通道超构表面元件的重建全彩全息图像的方法，包括：获取纳米柱的长轴尺寸、短轴尺寸以及纳米柱在介质衬底表面的面内角度，其中，所述长轴尺寸、所述短轴尺寸和所述面内角度在单元周期内任意调控；通过在介质衬底上按周期排布不同所述长轴尺寸、所述短轴尺寸和所述面内角度的纳米结构单元构造位置各异的琼斯矩阵，完成三个独立面相位分布的编码，所述琼斯矩阵包含三个独立的相位信息，所述三个独立的相位信息通过三个不同的入射光和出射光的偏振组合进行独立重构；将三原色灰度图像信息通过全息相位恢复算法计算得到相位分布，并耦合到三个独立的偏振通道中；将所述三原色灰度图像通过预补偿算法匹配所述偏振通道中的信息，得到全彩色全息图像。可选的，所述将所述三原色灰度图像通过预补偿算法匹配所述偏振通道中的信息，得到全彩色全息图像，具体包括：将所述三原色灰度图像采用色差预补偿算法和畸变预补偿算法匹配所述偏振通道中的信息，得到全彩色全息图像。根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术提出的偏振多通道超构表面光学元件是由介质衬底和其上的各向异性的电介质纳米结构阵列组成，通过调控各个位置的纳米结构的结构参数(面内尺寸和面内角度)实现最多三个独立的偏振通道的全息图像的编码，且该超构表面具有宽带可用的性质，通过选择不同电介质的材料，可以在不同波段内(如红外波段、可见光波段及紫外波段)实现高效率的多通道偏振多通道全息。通过将全彩图片的三原色分量耦合进可见光波段偏振多通道超构表面的三个独立偏振通道，可以实现近零串扰的全彩全息显示。本专利技术提出的多通道偏振多通道超构表面一方面可用于偏振信息加密和数据防伪；另外，该元件为平面二维结构，结构组成简单、体积轻薄，可大批量生产；最后，该彩色全息显示技术具有超大视场角、近零串扰、超高分辨率等优点，可以广泛应用在全息投影、近眼显示等行业。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术偏振多通道超构表面光学元件组成示意图；图2为本专利技术实现偏振多通道全彩全息的超构表面的示意图；图3为本专利技术基于偏振多通道超构表面元件的重建全彩全息图像的方法流程图；图4为本专利技术超构表面单个单元的示意图；图5为本专利技术单个单元在x偏振光下的相位分布和透射率分布；图6为实施例1中超构表面的扫描电镜图；图7为实施例1中超构表面的仿真图和光学表征结果图；图8为实施例2中超构表面的扫描电镜图；图9为实施例2中超构表面的仿真图和光学表征结果图；图10为实施例3中彩色全息编码示意图；图11为实施例3中超构表面的仿真图和光学表征结果图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术的目的是提供一种偏振多通道超构表面光学元件及重建全彩全息图像的方法，能够实现三个独立的偏振通道的全息图像的编码和高效率的多通道偏振多通道全息。为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1为本专利技术偏振多通道超构表面光学元件组成示意图。如图1所示，一种偏振多通道超构表面光学元件包括：介质衬底1和各向异性的电介质纳米结构阵列，所述各向异性的电介质纳米结构阵列设置在所述介质衬底1上，所述各向异性的电介质纳米结构阵列包含多个纳米柱2。所述介质衬底1采用石英衬底、氧化铝衬底、玻璃衬底或金刚石衬底。所述纳米柱2采用矩形纳米柱、椭圆形纳米柱、不对称十字形纳米柱或L形纳米柱。所述纳米柱2的结构材料采用TiO2、HfO2、ZrO2、GaN、Si2N3、Si、GaAs、ZnS或AlN。所述纳米柱2的高度范围为200nm-1500nm，所述纳米柱2在所述介质衬底表面的尺寸为20nm-1000nm，所述纳米柱在所述介质衬底表面任意设置。一种全彩全息图像采集系统包括：偏振多通道超构表面光学元件、光源和接收屏，所述偏振多通道超构表面光学元件包括介质衬底1和各向异性的电介质纳米结构阵列，所述光源位于所述介质衬底1一侧，所述接收屏位于所述各向异性的电介质纳米结构阵列的一侧，所述光源发出的光通过所述介质衬底1和所述各向异性的电介质纳米结构阵列到达所述接收屏形成全彩全息图。所述光源包括入射y轴偏振的蓝色光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种偏振多通道超构表面光学元件，其特征在于，包括：介质衬底和各向异性的电介质纳米结构阵列，所述各向异性的电介质纳米结构阵列设置在所述介质衬底上，所述各向异性的电介质纳米结构阵列包含多个纳米柱。/n

【技术特征摘要】
1.一种偏振多通道超构表面光学元件，其特征在于，包括：介质衬底和各向异性的电介质纳米结构阵列，所述各向异性的电介质纳米结构阵列设置在所述介质衬底上，所述各向异性的电介质纳米结构阵列包含多个纳米柱。


2.根据权利要求1所述的偏振多通道超构表面光学元件，其特征在于，所述介质衬底采用石英衬底、氧化铝衬底、玻璃衬底或金刚石衬底。


3.根据权利要求1所述的偏振多通道超构表面光学元件，其特征在于，所述纳米柱采用矩形纳米柱、椭圆形纳米柱、不对称十字形纳米柱或L形纳米柱。


4.根据权利要求3所述的偏振多通道超构表面光学元件，其特征在于，所述纳米柱的结构材料采用TiO2、HfO2、ZrO2、GaN、Si2N3、Si、GaAs、ZnS或AlN。


5.根据权利要求2所述的偏振多通道超构表面光学元件，其特征在于，所述纳米柱的高度范围为200nm-1500nm，所述纳米柱在所述介质衬底表面的尺寸为20nm-1000nm，所述纳米柱在所述介质衬底表面任意设置。


6.一种基于权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡跃强，段辉高，李苓，罗栩豪，李鑫，马国斌，徐晓波，
申请(专利权)人：深圳珑璟光电技术有限公司，湖南大学，湖南大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44