一种基于单尺寸纳米结构超表面的RGB彩色图像编码方法技术

本发明专利技术公开了一种基于单尺寸纳米结构超表面的RGB彩色图像编码方法，利用纳米砖结构单元的转向角的简并性和十进制与二进制数据的转化关系，通过仅由多个纳米砖结构单元阵列构成的超表面起偏器实现三路信息通道复用，三种信息通道互相独立，分别用来储存R、G、B三种颜色分量的编码信息。本发明专利技术通过改变入射线偏光的偏振方向和检偏器的透光轴的方向，能够实现三个信道之间的转换。三个信道储存的信息互不相关，可以任意设计，满足了RGB彩色图像的信息储存要求。而且本发明专利技术所设计的超表面结构简单、可高度集成，适应于器件小型化、集成化的趋势。势。势。

【技术实现步骤摘要】
一种基于单尺寸纳米结构超表面的RGB彩色图像编码方法


[0001]本专利技术属于微纳光学和偏振光学
，尤其涉及一种基于单尺寸纳米结构超表面的RGB图像编码方法。

技术介绍

[0002]RGB图像中的任何一种色彩都可以由R、G、B三种基色按照不同比例混合表示，因此它的信息编码通常需要三个通道。传统的彩色图像储存显示技术由于像素尺寸大等问题已经满足不了光学系统逐渐微型化的要求，而超表面由于具有亚波长级的结构单元，可以通过合理设计其单元结构的形状和尺寸，对光波的振幅、相位等进行调控，在图像储存和显示方面展现出极高的图像分辨率优势，且超表面体积小、重量轻、结构简单、易于集成化。在基于超表面的彩色图像编码中通常使用多种尺寸的纳米砖组成的超单元为一个像素，其中每种纳米砖分别对R、G、B起作用，但这种方式都不可避免地增加了超表面的设计和加工难度，同时也降低了信息容量。

技术实现思路

[0003]针对现有技术存在的上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种基于单尺寸纳米结构超表面的RGB图像编码方法。本专利技术提出了一种基于单尺寸纳米结构超表面实现RGB信息的编码的方法，利用纳米砖旋转角的简并性和十进制与二进制转换关系，仅通过单尺寸的纳米砖实现了三路信息通道复用，并分别储存RGB的编码信息。本专利技术的方法有效降低了超表面的加工和制造难度，同时也增大了信息容量。
[0004]为达到上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：
[0005]本专利技术的超表面由多个相同的纳米砖结构单元阵列于一平面上构成，所述纳米砖结构单元包括透明基底和纳米砖，透明基底放置于所述平面上，纳米砖沉积于透明基底上。透明基底沉积有纳米砖的一面为边长为C的正方形工作面，边长C为亚波长级；所述纳米砖长L、宽W和高H均为亚波长级；所述L、W和H根据选定的入射光波长通过电磁仿真优化得到；以单元结构直角边为x轴和y轴建立xoy坐标系，纳米砖长边为长轴、短边为短轴，纳米砖的长轴与x轴夹角为纳米砖的转角θ。
[0006]在上述技术方案基础上，作为优选，所述的透明基底为熔融石英玻璃材料，所述的纳米砖为金、银、铝，硅等材料。
[0007]在上述技术方案基础上，通过优化设计，使得某一工作波长下沿纳米砖长轴方向的线偏振光反射率(透射率)极高，同时沿纳米砖长轴方向的线偏振光透射率极(反射率)低。或(和)沿纳米砖短轴方向的线偏振光透射率(反射率)极高，同时沿纳米砖短轴方向的线偏振光反射率(透射率)极低。也就是说，入射光波在工作波长通过纳米砖时，通过优化设计，使得纳米砖为透射工作模式、反射工作模式或者同时为透反射工作模式。
[0008]本专利技术提出的一种基于单尺寸纳米结构超表面的RGB图像编码方法，具体过程为：以入射强度为I0、偏振方向为α1的线偏振光，入射至所述超表面的纳米砖结构单元阵列后，
再经过一个检偏器α2，其出射光强I1被超表面调制，即可得到出射光强I1与入射强度I0之间的关系函数；在纳米砖旋转角的取值范围[0，π]内，存在多个纳米砖旋转角的取值范围对应同一个出射光强的现象，即纳米砖旋转角的简并性。
[0009]将所述的超表面设计为三种不同偏振状态下，能够分别编码RGB图像三个颜色分量灰度值信息的三路通道，同时通过控制入射线偏振光的偏振方向和检偏器的检偏方向，实现三种通道的转换；由于纳米砖旋转角θ具有简并性，在第一种偏振状态下，可以根据通道一的目标图像强度调制函数，得到所有的4种纳米砖结构单元的转角θ的分布，他们在通道一都能够实现相同的连续光强调节效果。将光强范围转化为灰度值范围，获得RGB图像的第一种颜色分量的连续灰度值信息并储存在第一通道。第二种和第三种偏振状态下，上述设计的4种纳米砖结构单元的转角θ在不同的取值范围内容具有较高或较低的出射光强，满足于在通道二和通道三分别编码一幅二值图像的要求。将二进制信息转化为十进制，即可获得RGB图像的第二种颜色分量和第三种颜色分量的连续灰度值信息。
[0010]超表面结构由透明基底和沉积在其上的纳米砖阵列构成，结合纳米砖旋转角的简并性，可在不同入射光偏振方向和检偏器的透光轴方向下实现信息通道的转换，且不同通道间互不相关。设其中入射线偏振光的偏振方向为α1，检偏器透光轴方向(即检偏器的检偏方向)为α2，当α1＝45
°
，α2＝
‑
45
°
，可以设计多个具有不同转角的纳米砖的来储存通道一(即第一通道)的同一个目标灰度值；当α1＝
‑
67.5
°
，α2＝22.5
°
，上述的具有不同转角的纳米砖在通道二(即第二通道)中的有较高或较低的出射光强，这两种光强相差较大的状态可以分别定义为1和0，即储存二值信息；当α1＝
‑
90
°
，α2＝90
°
，上述纳米砖在通道三(即第三通道)也对应着较高或较低的出射光强，且跟通道二相互独立，也可以用来储存二值信息。由于任意的十进制数都可以用8个二进制数来表示，为了使三个信息通道能够分别储存三种颜色分量RGB的连续灰度值信息(0
‑
255)，统一设置一个像素点中包含8个纳米砖单元，在通道一中8个单元对应同一灰度值信息，而在通道二或三时，对应任意一种灰度值的二进制信息。
[0011]在上述技术方案基础上，纳米单元阵列中每个纳米单元结构都等效为一个起偏器，当线偏振光经过超表面起偏器，再经过检偏器后，出射光强可由下式说明：
[0012][0013]其中，θ为纳米砖旋转角。I0为入射偏振光的强度。α1为入射线偏振光的偏振方向。α2为检偏器的透光轴方向。
[0014]对于特定入射线偏振光的偏振方向和检偏器的透光轴方向(α1＝45
°
，α2＝
‑
45
°
)，出射光强为：
[0015][0016]因此，设I0＝4，则通过调节纳米砖的转角，可以实现光强0
‑
1连续的调节。由于纳米砖转角的简并性，即在纳米砖旋转角的取值范围[0，π]内，具有如表1四个范围，都能实现相同范围(0.5
‑
1)的连续光强调节，这段光强变化范围可以经过下面公式转化为颜色灰度值(0
‑
255)：
[0017]g＝[2
×
255
×
(I1‑
0.5)]+1
[0018]其中g表示灰度值，[]表示取整数。
[0019]当α1＝
‑
67.5
°
，α2＝22.5
°
，I0＝4时，出射光强为：
[0020][0021]当α1＝
‑
90
°
，α2＝90
°
，I0＝1时，出射光强为：
[0022]I3＝I
0 sin4θ
[0023]当改变入射线偏振光的偏振方向和检偏器的透光轴方向为另两个通道时，在四种旋转角范围内，第二通道、第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单尺寸纳米结构超表面的RGB图像编码方法，其特征在于：所述超表面由多个尺寸相同、转角不同的纳米砖结构单元阵列于一平面上构成，每个纳米砖结构单元都等效为一个起偏器；当在超表面的入射光路中引入起偏器，在出射光路中引入检偏器，通过设计入射光强度、纳米砖起偏器的转角、引入起偏器的透光轴方向和引入检偏器的透光轴方向，借助转角的简并性原理可以在不同条件下实现三个独立通道的信息编码；第一通道为连续灰度信息记录通道、第二通道为二值图像记录通道、第三通道为二值图像记录通道，利用十进制与二进制数据的转化关系，在第二通道和第三通道里面也记录十进制信息，从而在由多个尺寸相同、转角不同的纳米砖起偏器阵列构成的超表面中同时储存R、G、B三种颜色分量的灰度编码信息。2.如权利要求1所述的一种基于单尺寸纳米结构超表面的RGB图像编码方法，其特征在于：所述纳米砖结构单元包括透明基底和纳米砖，透明基底沉积有纳米砖的一面为边长为C的正方形工作面，边长C为亚波长级；所述纳米砖长L、宽W和高H均为亚波长级；所述L、W和H根据选定的入射光波长通过电磁仿真优化得到；以单元结构直角边为x轴和y轴建立xoy坐标系，纳米砖长边为长轴、短边为短轴，纳米砖的长轴与x轴夹角为纳米砖的转角θ。3.如权利要求1所述的一种基于单尺寸纳米结构超表面的RGB图像编码方法，其特征在于：通过优化设计，能够使得纳米砖具有偏振分光的特性，即入射光波在工作波长通过纳米砖时，偏振方向沿纳米砖长轴的线偏振光发生反射或透射，或者偏振方向沿纳米砖短轴的线偏振光发生反射或透射。4.如权利要求1所述的一种基于单尺寸纳米结构超表面的RGB图像编码方法，其特征在于：在纳米砖转角的取值范围[0，π]内，存在多个纳米砖转角对应同一个出射光强的现象，即纳米砖旋转角的简并性。5.如权利要求1所述的一种基于单尺寸纳米结构超表面的RGB图像编码方法，其特征在于：以入射强度为I0、偏振方向为α1的线偏振光入射纳米砖起偏器，并在出射光路中插入检偏方向为α2的检偏器，得到出射光强I1与所述线偏振光的偏振方向α1、纳米砖转角θ以及检偏器的检偏方向α2之间的函数关系：当设置不同的I0、α1和α2，可以得到三种不同的出射光强函数，通过控制入射线偏振光强度、偏振方向和检偏器的检偏方向，实现三种通道的转换。6.如权利要求5所述的一种基于单尺寸纳米结构超表面的RGB图像编码方法，其特征在于：设定第一种偏振状态下的α1＝45
°
且α2＝
‑
45
°
，即当设定一种偏振态α1＝45
°
的线偏振光入射到纳米砖阵列时，用偏振方向α2＝
‑
45
°
的检偏器能够从出射光中得到第一种颜色分量(红色)的连续灰度值信息，储存在第一通道；其中，所述第一种偏振状态下纳米砖结构单元的转角θ的取值范围分布有4种旋转角范围，分别为[0，22.5
...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓娟，鄢波，邱诚浩，高凡，王圣明，杜蒙恩，蔡萍根，陈乃波，吕斌，李芸，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：