可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面及其设计方法，所述超构表面包括介质衬底，介质衬底上集成有各向异性的纳米像素阵列，每个纳米像素包括三组双元纳米结构，每组双元纳米结构包括两个完全相同的硅纳米块，利用所述设计方法将两幅彩色打印图像和两幅全息图像的信息附加到超构表面的振幅、相位和偏振态里，使用双元纳米结构对图像的振幅、相位、偏振态进行任意调控，使超构表面能在任意的两个正交偏振态下分别显示一套彩色打印图像和全息图像，实现双套图像显示的目的，在图像显示和偏振调控等领域具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面及其设计方法
本专利技术属于微纳光学
，特别是涉及一种可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面及其设计方法。
技术介绍
超构表面是一层人工设计的微纳结构，具有亚波长厚度，能够在微纳尺度范围内对光场的振幅、相位和偏振态进行灵活调控，超构表面的这种性质使其在光学领域具有非常广泛的应用，如偏振转换、全息成像、涡旋光产生等；超构表面具备的亚波长周期、高分辨率显示、大视角场和高效率等优点，都是传统显示技术无法实现的，最近人们提出一种同时显示彩色打印和全息图像的方案，能够将两种显示技术集成在一个结构中，然而该方案只能在单一的特定偏振态(如线偏振或圆偏振)条件下观测，且只能集成显示单个彩色打印图像和单个全息图像，极大地限制了超构表面结构在图像显示方面的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面，利用双元纳米结构实现对振幅、相位和偏振态的独立调控，可分解产生任意两个正交椭圆偏振态，能将一套彩色打印与全息图像集成显示在其中一种椭圆偏振态下，同时在其正交椭圆偏振态下，还可以集成显示另一套彩色打印与全息图像，突破了特定偏振态下观测以及图像数目的限制。本专利技术的目的还在于提供一种可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面的设计方法，通过以打印图像的振幅为超构表面振幅信息，以全息图像为目标图像，求解超构表面的相位，将超构表面的振幅和相位附加到任意正交椭圆偏振态，进而确定超构表面硅纳米块的位置和转角，得到可显示两套打印图像和全息图像的超构表面。本专利技术所采用的技术方案是，可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面，包括介质衬底，所述介质衬底上集成有数个各向异性的纳米像素阵列，每个纳米像素包括三组双元纳米结构，每组双元纳米结构包括两个完全相同的硅纳米块。进一步的，所述介质衬底为石英衬底、玻璃衬底或蓝宝石衬底。进一步的，所述纳米像素之间的间距为4μm～8μm。进一步的，所述三组双元纳米结构包含的硅纳米块的高度均为600nm，宽度均为40nm，长度分别为170nm、105nm和75nm。可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面的设计方法，包括以下步骤：步骤1，任取两幅彩色打印图像和两幅彩色全息图像，将彩色打印图像和全息图像分解成红绿蓝三基色下的三组分量图像，每组分量图像都包括两幅打印图像和两幅全息图像；步骤2，将所有图像均分成M×N个像素单元，各组分量图像的两幅打印图像中第m行、第n列像素单元的振幅分别记作两幅全息图像中第m行、第n列像素单元的振幅分别记作1≤m≤M，1≤n≤N；步骤3，将各组分量图像的作为超构表面的振幅，以作为目标图像的振幅，计算振幅为的超构表面对应的最终相位和获得各组分量图像中第m行、第n列像素单元对应的超构表面的复振幅和其中i为虚数，e为指数函数；步骤4，给定任意两个正交的椭圆偏振态|αβ>＝[cosα,sinαeiβ]T和|αβ>0＝[sinαe-iβ,-cosα]T，将各组分量图像对应的和分别附加到两个椭圆偏振态上得到和再叠加得到三组分量图像下的Amn、δmn和|μν>＝[cosμ,sinμeiν]T分别为叠加后超构表面的振幅、相位和偏振态；其中T表示矩阵的转置，α、β、μ、ν均为表征偏振态的参数，0≤(α，μ)≤π/2、0≤(β，ν)≤2π；步骤5，根据三组分量图像下的分别确定打印图像中第m行、第n列像素单元对应的超构表面上三组双元纳米结构的横坐标和转角；步骤6，重复步骤3～步骤5获得各组分量图像中所有像素单元对应的双元纳米结构的横坐标和转角；步骤7，取数个长度分别为170nm、105nm和75nm，宽度均为40nm，高度均为600nm的硅纳米块，将两个相同的硅纳米块组成双元纳米结构，将三组不同长度硅纳米块组成的双元纳米结构组成纳米像素，按照上述横坐标和转角排布在各像素单元对应的介质衬底上，各组双元纳米结构的纵向间距为300nm，各纳米像素单元的间距为4μm～8μm。进一步的，所述步骤3中计算振幅为的超构表面对应的最终相位和的步骤如下：步骤31，给两幅全息图像添加随机相位分布得到两幅全息图像的复光场其中i为虚数，exp为指数函数；步骤32，对进行逆菲涅尔变换得到超构表面的复光场和用打印图像的振幅替换超构表面的振幅得到复光场和步骤33，对复光场和进行菲涅尔变换得到全息图像的复光场和保持全息图像的相位不变，使用目标图像的振幅代替得到更新后全息图像的复光场和步骤34，重复步骤32、步骤33两百次，得到振幅对应的最终相位分布为和进一步的，所述步骤5中与双元纳米结构中各纳米块的横坐标、转角计算公式如下：其中k为表示双元纳米结构中硅纳米块数目的变量，k＝1,2，λ为入射波长，γ为入射角度，为第k个纳米块的转角，xk为第k个纳米块在纳米像素中的横坐标，0≤xk≤λ/sinγ。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术将两套彩色打印图像和彩色全息图像的信息附加到超构表面的振幅、相位和偏振态里，利用双元纳米结构实现对任意振幅、相位和偏振态的独立调控，可分解产生任意的正交椭圆偏振态，实现双套彩色打印和全息成像的集成显示；2、本专利技术将彩色打印图像与全息图像分解为三基色分量图像，并将分量图像的信息分别附加到超构表面，使用三组双元纳米结构对超构表面的振幅、相位和偏振态进行独立调控，能够对图像的色度、饱和度和亮度进行任意调控，完全呈现真实世界的真色彩；3、本专利技术采用亚波长级结构，有利于器件的小型化和集成化，在图像显示和偏振调控等领域具有广泛的应用前景。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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术的光器件结构示意图。图2是任意两个正交的偏振态叠加生成任意振幅、相位和偏振态分布的示意图。图3是本专利技术的双元纳米结构图。图4是本专利技术的光器件扫描电镜图。图5是本专利技术的光器件实验图。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。可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面包括介质衬底，所述介质衬底为石英衬底、玻璃衬底或蓝宝石衬底，如图4所示介质衬底上集成有各向异性的电介质纳米像素阵列，每个纳米像素包括三组双元纳米结构，各双元纳米结构包括两个完全相同的硅纳米块；纳米像素之间的间距为4μm～8μm，纳米像素间距过小时相邻纳米像素间的相位会发生干扰串扰，使超构表面显示的图像发生变形，显示效果本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面，其特征在于，包括介质衬底，所述介质衬底上集成有数个各向异性的纳米像素阵列，每个纳米像素包括三组双元纳米结构，每组双元纳米结构包括两个完全相同的硅纳米块。/n

【技术特征摘要】
1.可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面，其特征在于，包括介质衬底，所述介质衬底上集成有数个各向异性的纳米像素阵列，每个纳米像素包括三组双元纳米结构，每组双元纳米结构包括两个完全相同的硅纳米块。


2.可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面，其特征在于，所述介质衬底为石英衬底、玻璃衬底或蓝宝石衬底。


3.根据权利要求1所述的可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面，其特征在于，所述纳米像素之间的间距为4μm～8μm。


4.根据权利要求1所述的可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面，其特征在于，所述三组双元纳米结构包含的硅纳米块的高度均为600nm，宽度均为40nm，长度分别为170nm、105nm和75nm。


5.如权利要求1～4任一项所述的可显示双套彩色打印和全息图像的超构表面的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，任取两幅彩色打印图像和两幅彩色全息图像，将彩色打印图像和全息图像分解成红绿蓝三基色下的三组分量图像，每组分量图像都包括两幅打印图像和两幅全息图像；
步骤2，将所有图像均分成M×N个像素单元，各组分量图像的两幅打印图像中第m行、第n列像素单元的振幅分别记作两幅全息图像中第m行、第n列像素单元的振幅分别记作1≤m≤M，1≤n≤N；
步骤3，将各组分量图像的作为超构表面的振幅，以作为目标图像的振幅，计算振幅为的超构表面对应的最终相位和获得各组分量图像中第m行、第n列像素单元对应的超构表面的复振幅和其中i为虚数，e为指数函数；
步骤4，给定任意两个正交的椭圆偏振态|αβ>＝[cosα,sinαeiβ]T和|αβ>0＝[sinαe-iβ,-cosα]T，将各组分量图像对应的和分别附加到两个椭圆偏振态上得到和再叠加得到三组分量图像下的Amn、δmn和|μν>＝[cosμ,sinμeiν]T分别为叠加后超构...

【专利技术属性】
技术研发人员：包燕军，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东;44