[发明专利]基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法

说明书

本发明公开的基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法，属于微纳光学、图像存储和全息成像应用技术领域。本发明所设计的超颖表面由具有矩形横截面的不同尺寸、不同方位角的介质纳米柱阵列构成。通过偏振旋转矩阵结合介质超颖表面的双折射特性，定制每个单元的琼斯矩阵，实现对出射光束相位和偏振的同时调控。在特定偏振态的入射光照射下，能实现在时空间和动量空间分别存储灰度图像和矢量全息图像的功能。本发明所提出的方法有助于提高全息图的信息容量，可应用于矢量全息、动态全息显示、信息存储以及光学防伪和光学加密等应用场合。

技术领域

本发明涉及一种图像存储方法，尤其涉及基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法，属于微纳光学、图像存储和全息成像应用技术领域。

背景技术

由于超颖表面具有在极短距离内，以亚波长分辨率对出射光的波前进行任意调控的能力，使得它有望成为传统光学元件的替代品。不同种类超颖原子所提供的丰富设计自由度以及多种波前调控工作机理，为超颖表面对出射光的振幅、相位、偏振、频率以及多物理量的灵活调控提供了保障。因此，研究人员将超颖表面应用于超透镜、非线性光学、全息成像、结构色以及光学防伪与加密等应用场合之中。超颖表面由于具有亚波长分辨率的特点，使得基于超颖表面的全息方法与传统全息方法相比具有再现像分辨率高、视场角大以及不存在多级衍射级次干扰等优点。同时，基于超颖表面的全息方法也被应用于实现在特定距离存储不同预设图像的功能。

随着超颖表面全息术的不断发展，研究人员希望利用同一个超颖表面尽可能多的再现出不同的预设独立图像。通过提高全息图的信息容量，促进超颖表面在光学防伪与加密、信息存储等领域得到更广泛的应用。而复用技术是提高全息图信容量的主要方式。近些年来，国内外的研究人员提出了多种巧妙的复用方法，实现了在时空间和动量空间存储不同图像的功能。通过将颜色滤波器以及相位调制片整合到同一超颖表面单元当中，所设计的超颖表面能够在白光光源照射下在时空间呈现出彩色图案。而在红、绿、蓝三种颜色的激光照射下在动量空间实现全息图像的再现。利用优化的介质纳米天线或者基于FP腔的颜色滤波阵列也能够实现将彩色图像和全息图像分别存储在时空间和动量空间的功能。此外，出射光的相位信息也可以作为在时空间实现图像存储的设计自由度。通过对出射光束相位和偏振态分布的同时调控，将不同的相位分布编码到不同偏振通道之中，实现了在时空间和动量空间分别存储相位图像以及全息图像的功能。该方法在时空间编码的相位分布图案无法通过肉眼观察得到，需通过波前传感器才能提取出来，为实现光学防伪与加密提供了新的思路。然而，在上述所有方法中动量空间所存储的全息图像都具有均匀的偏振态分布，这使得它们更容易被观测到。而通过对超颖表面进行更合理的设计，在动量空间实现矢量全息图像的存储能够增加超表面功能的复杂度，提高超颖表面在光学防伪与加密等应用当中的安全防护等级。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法。通过对出射光束相位和偏振态的同时调控，实现在时空间和动量空间分别存储灰度图像和矢量全息图像的功能。本发明所提出的方法有助于提高全息图的信息容量，可应用于矢量全息、动态全息显示、信息存储以及光学防伪和光学加密等应用场合。

本发明目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的基于介质超颖表面的灰度及矢量全息图像的同时存储方法，用于实现灰度及矢量全息图像同时存储的超颖表面由具有矩形横截面的不同尺寸、不同方位角的介质纳米柱阵列构成。通过偏振旋转矩阵结合介质超颖表面的双折射特性，定制每个单元的琼斯矩阵，实现对出射光束相位和偏振的同时调控。选择想要存储的灰度及全息图像，利用改进的GS算法得到全息图。根据所得全息图以及灰度图像对应的偏振态分布，编码确定纳米柱单元的几何尺寸以及方位角，从而生成相应介质超颖表面结构的加工文件。采用电子束刻蚀的微纳加工工艺加工透射型介质超颖表面。在特定偏振态的入射光照射下，所设计的超颖表面能够对出射光的相位和偏振分布进行任意调控。在时空间，出射光束不均匀的偏振态分布基于马吕斯定律能够实现灰度图像的存储。而出射光不同偏振分量所携带的不同相位分布信息，在动量空间能够实现矢量全息图像的再现，该功能可以显著增加光学防伪和加密的复杂度。