基于超颖表面的三重关联混合全息加密方法技术

本发明专利技术公开的基于超颖表面的三重关联混合全息加密方法，属于微纳光学、全息复用领域。本发明专利技术基于全介质的超颖表面产生具有定量相关联的两个振幅全息图和一个相位全息图，将具有定量相关联的两个振幅全息图插值为一副全息图，根据入射波长的敏感性选取可变换像素，将另一个相位全息图携带的信息赋给可变换的像素；根据入射波长的敏感性选择两种各向同性方形纳米柱作为两个工作波长下的振幅遮挡或者透光的像素，根据入射波长的敏感性选取可变换各向异性的矩形纳米柱作为可变换的像素，将三重关联混合全息图集成为单片超颖表面，通过控制波长和偏振组合形成定量关联的三重加密的全息图，充分利用空间带宽积提高信息存储密度。度。度。

【技术实现步骤摘要】
基于超颖表面的三重关联混合全息加密方法


[0001]本专利技术涉及一种基于超颖表面的三重关联混合全息加密方法，属于微纳光学、全息复用领域。

技术介绍

[0002]近年来，作为一种蓬勃发展的平面光学器件，超颖表面作为多功能波前调制器件提供了一条全新的途径，对三维体超材料进行了巨大的革命。超颖表面已成功应用于微型光学，包括波前整形、非对称传输、全息显示、光学加密、非线性光学、光学隐形和大容量存储。特别是，智能算法辅助的超颖表面全息可以克服传统全息所面临的局限性。因为它具有视场大、消除不必要的衍射级次和提高信息容量的优点。通过设计用于设计超颖表面的幅度、相位和偏振，这种优化的全息技术已经实现了多维复用方案。
[0003]在超颖表面全息研究中，纯相位型全息研究占据了主流应用。因为他们可以设计具有多级甚至连续相位的波前分布。基于共振相位或Pancharatnam
‑
Berry(PB)相位原理，超颖表面可以在超薄界面内产生相位差。PB相位则是通过在具有无色散特性的圆偏振光下旋转各向异性纳米天线的方位角来引入的。因此，可以根据生成的相位分布轻松地对结构单元阵列进行编码，而无需查找表方法。通常，纯相位型超颖表面全息图中的振幅分布是均匀的。然而，振幅作为另一个重要的设计自由度，也可以通过智能算法的优化生成全息图和重建目标图像，即振幅全息。特别是，通过调整单个结构周期内纳米天线的透射或反射，可以获得不同的振幅大小。二进制振幅调制，即全透明或全遮挡(1/0)，也可以重建全息图像，从而可以简化加工过程，降低加工难度。特别是，由各向同性纳米孔阵列组成的光子筛结构是许多超颖表面设计方法中的一种有效且方便的振幅调制方法。这种光子筛还可以有效地应用于实现光束整形、涡旋光束等。然而，混合介质振幅滤波器和纳米天线可以打破纯幅度调制或纯相位调制的限制，从而在单个超颖表面内实现振幅
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相位协同调制。

技术实现思路

[0004]本专利技术公开的基于超颖表面的三重关联混合全息加密方法，基于全介质的超颖表面产生具有定量相关联的两个振幅全息图和一个相位全息图，根据所述定量关联关系将具有定量相关联的两个振幅全息图插值为一副全息图，根据入射波长的敏感性选取可变换像素，将另一个相位全息图携带的信息赋给所述可变换的像素；根据入射波长的敏感性选择两种各向同性方形纳米柱作为两个工作波长下的振幅遮挡或者透光的像素，根据入射波长的敏感性选取可变换各向异性的矩形纳米柱作为可变换的像素，将所述三重关联混合全息图集成为单片超颖表面，即基于单片超颖表面实现三重关联混合全息加密。本专利技术通过控制波长和偏振组合形成定量关联的三重加密的全息图，充分利用空间带宽积提高信息存储密度，能够实现全息的彩色显示，便于混合振幅和相位信息加密、多功能成像器件集成。
[0005]本专利技术目的是通过下述技术方案实现的。
[0006]本专利技术公开的基于超颖表面的三重关联混合全息加密方法，包括如下步骤：
[0007]步骤一、根据关联的全息算法Correlated Gerchberg
‑
Saxton(CGS)将两个振幅全息图插值为一副全息图，提高全息图抗噪能力。
[0008]在关联的全息算法CGS中，从全息平面到物平面的全息重建用傅立叶变换表示，即满足式(1)。
[0009]I(x,y)
∝
|F[H(x0,y0)]|2ꢀꢀꢀ
(1)
[0010]其中：I(x,y)是重建平面的强度分布，F表示2
‑
D傅里叶变换，H(x0,y0)全息图在空域的分布。
[0011]改进的相关二进制GS算法通过有限迭代计算生成两个优化的振幅全息图，具体实现方法为：在迭代过程中计算复振幅时，将相位优化为二进制值0或π/2。因此，通过让等于0或1来实现二进制振幅全息图。
[0012]将两个振幅全息图分别定义为振幅全息图A和振幅全息图B。首先，将随机二进制幅度噪声分别添加到二值振幅全息图A和B，提高全息图抗噪能力。在相应像素处的两个振幅全息图A和振幅全息图B中(0,1)的组合被挑选为掩码M。将全息图A中的掩码M的一部分从0翻转到1，而全息图B中的掩码M的剩余像素从1翻转到0，从而实现成为翻转后的振幅全息图A1和振幅全息图B1。此时，得到两个二进制振幅全息图A1与B1之间的严格关联关系，即振幅全息图B1是振幅全息图A1的子集，根据所述振幅全息图A1与振幅全息图B1之间的严格关联关系将两个振幅全息图插值为一副全息图。由于全息图的鲁棒性和冗余特性，基于所述振幅全息图A1或振幅全息图B1重建与原始振幅全息图A或振幅全息图B相同的图像。
[0013]步骤二、通过步骤一得到的两个振幅全息图之间的异或(XOR)运算获得掩模，将所述的掩码作为可变的像素，将另一个相位全息图携带的信息赋给所述可变换的像素。
[0014]通过振幅全息图A1和振幅全息图B1之间的异或(XOR)运算获得掩模，将所述的掩码作为可变的像素，将另一个相位全息图C携带的信息赋给所述可变换的像素。因此全息图C也是A1的子集，关系为
[0015]步骤三、基于步骤一、步骤二建立三幅全息图的三重关联关系。
[0016]所述三重关联关系为：A1＝B1∪C。
[0017]步骤四、根据入射波长的敏感性选择两种尺寸不同的各向同性方形纳米柱作为两个工作波长下的振幅遮挡或者透光的像素，根据入射波长的敏感性选取可变换各向异性的矩形纳米柱作为可变换的像素，将所述三重关联混合全息图根据选择的三种纳米柱集成为单片超颖表面，即基于单片超颖表面实现三重关联混合全息加密。
[0018]所述三种纳米柱为两种尺寸不同的各向同性方形纳米柱和一种各向异性的矩形纳米柱。
[0019]步骤五、根据步骤四得到的单片超颖表面生成加工文件，并加工得到实体超颖表面结构。
[0020]步骤六、根据步骤五加工的实体超颖表面结构，通过控制波长和偏振组合形成定量关联的三重加密的全息图，充分利用空间带宽积提高信息存储密度，实现三重加密的全息重建。
[0021]根据步骤五加工的实体超颖表面结构，通过控制波长和偏振组合形成定量关联的三重加密的全息图，当照明波长为λ1且同偏振时，振幅全息图A图像在远场重建。当波长调
谐到λ2时，振幅全息图B图像出现在远场。振幅全息图A和振幅全息图B全息重建图像中出现不可避免的零级光斑。振幅全息图A和振幅全息图B存在孪生图像，是由于引入了的共轭图像来形成零级点通过高通掩膜过滤掉。基于PB相位原理在交叉偏振下对纯相位全息图进行编码，相位全息图C图像在远场中心重建，没有孪生像。对于多个图像组合，通过控制波长(λ1、λ2)和偏振组合形成定量关联的三重加密的全息图，充分利用空间带宽积提高信息存储密度，实现三重加密的全息重建。
[0022]步骤七、根据步骤一至步骤六，基于超颖表面的三重关联混合全息加密重建，能够实现全息的彩色显示，便于混合振幅和相位信息加密、多功能成像器件集成。
[0023]有益效果：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于超颖表面的三重关联混合全息加密方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、根据关联的全息算法Correlated Gerchberg
‑
Saxton(CGS)将两个振幅全息图插值为一副全息图，提高全息图抗噪能力；步骤二、通过步骤一得到的两个振幅全息图之间的异或(XOR)运算获得掩模，将所述的掩码作为可变的像素，将另一个相位全息图携带的信息赋给所述可变换的像素；步骤三、基于步骤一、步骤二建立三幅全息图的三重关联关系；步骤四、根据入射波长的敏感性选择两种尺寸不同的各向同性方形纳米柱作为两个工作波长下的振幅遮挡或者透光的像素，根据入射波长的敏感性选取可变换各向异性的矩形纳米柱作为可变换的像素，将所述三重关联混合全息图根据选择的三种纳米柱集成为单片超颖表面，即基于单片超颖表面实现三重关联混合全息加密；所述三种纳米柱为两种尺寸不同的各向同性方形纳米柱和一种各向异性的矩形纳米柱。2.如权利要求1所述的基于超颖表面的三重关联混合全息加密方法，其特征在于：还包括步骤五、六，步骤五、根据步骤四得到的单片超颖表面生成加工文件，并加工得到实体超颖表面结构；步骤六、根据步骤五加工的实体超颖表面结构，通过控制波长和偏振组合形成定量关联的三重加密的全息图，充分利用空间带宽积提高信息存储密度，实现三重加密的全息重建。3.如权利要求2所述的基于超颖表面的三重关联混合全息加密方法，其特征在于：还包括步骤七，步骤七、根据步骤一至步骤六，基于超颖表面的三重关联混合全息加密重建，能够实现全息的彩色显示，便于混合振幅和相位信息加密、多功能成像器件集成。4.如权利要求1、2或3所述的基于超颖表面的三重关联混合全息加密方法，其特征在于：步骤一实现方法为，在关联的全息算法CGS中，从全息平面到物平面的全息重建用傅立叶变换表示，即满足式(1)；I(x,y)
∝
|F[H(x0,y0)]|2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中：I(x,y)是重建平面的强度分布，F表示2
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D傅里叶变换，H(x0,y0)全息图在空域的分布；改进的相关二进制GS算法通过有限迭代计算生成两个优化的振幅全息图，具体实...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄玲玲，周宏强，王涌天，李晓炜，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：