基于非线性倍频及偏振特性的全息图像复用方法与系统与流程

本发明涉及全息技术领域，更具体地，涉及一种基于非线性倍频及偏振特性的全息图像复用方法与系统。

背景技术：

目前，计算全息技术中的一个重要研究方向，是运用微纳结构构成的超表面(metasurface)实现全息图像显示。这种计算全息的实现方式是根据微纳结构的线性特性，由包括纳米天线、亚波长量级开口环及其他的微纳结构对全息图的位相进行编码排序而构成的超表面，从而通过在入射光作用下形成的偶极子阵列实现对入射光的位相调制。

利用微纳结构的线性特性进行全息显示，能通过对微纳单元的结构进行编码，形成对位相的调制而实现全息显示。但要通过线性微纳结构实现多图像的全息显示，非目标图像在目标图像进行复现时会形成背景噪声，影响图像复现的信噪比。

目前的研究提出了一种采用非线性材料实现多图像全息显示的方法，运用单个微纳全息干板能复现出三张全息图，但其复现图像数量较少，且研究中仅实现了位相的调制，无法实现复振幅的调制。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的基于非线性倍频及偏振特性的全息图像复用方法与装置。

根据本发明的一个方面，提供一种全息图像复用方法，包括：

S1，基于微纳结构，获取在不同频率上复现不同的全息图像时每幅全息图像的每个像素的位相信息；

S2，基于所述位相信息，对所述微纳结构的位相调制单元进行相应的位相编码调制；

S3，以不同偏振态的入射光入射编码后的微纳结构，获得不同的全息图像的再现影像。

进一步，所述S1进一步包括：

S1.1，确定所述微纳结构的入射光频率；

S1.2，分别计算所述微纳结构的出射光在所述入射光频率的基频和倍频时至少一幅全息图像的每个像素的位相信息。

具体的，所述S2进一步包括：

以所述微纳结构的单个位相调制单元为单位，根据所述位相信息对所述位相调制单元进行位相编码，实现位相调制；或者

以所述微纳结构的每两个位相调制单元为单位，根据所述位相信息对所述位相调制单元进行位相编码，实现双位相调制。

进一步，所述S3进一步包括：

S3.1，基于所述入射光频率，获得圆偏光或线偏光入射光；

S3.2，基于所述圆偏光，分别以右旋光和/或左旋光入射所述微纳结构，获得多幅全息图像的再现影像；或者

基于线偏光，分别以x方向线偏光和/或y方向线偏光入射所述微纳结构，获得多幅全息图像的再现影像。

具体的，所述S1.2进一步包括：

当入射光为圆偏光右旋光时，获取所述出射光基频时的左旋分量的几何位相2θ，和/或所述出射光二倍频时的右旋分量的几何位相θ及左旋分量的几何位相3θ；和/或

当入射光为圆偏光左旋光时，获取所述出射光基频时的左旋分量的几何位相-2θ，和/或所述出射光二倍频时的右旋分量的几何位相-3θ及左旋分量的几何位相-θ；

其中，θ为所述微纳结构的位相调制单元的方位角。

具体的，所述S1.2进一步包括：

当入射光为x方向线偏光时，获取所述出射光基频时的y方向线偏光的几何位相2θ，和/或所述出射光二倍频时的y方向线偏光的几何位相3θ及x方向线偏光的几何位相θ；和/或

当入射光为y方向线偏光时，获取所述出射光基频时的x方向线偏光的几何位相-2θ，和/或所述出射光二倍频时的y方向线偏光的几何位相-θ及x方向线偏光的几何位相-3θ；

其中，θ为所述微纳结构的位相调制单元的方位角。

具体的，所述S2所述双位相调制包括：

当入射光为圆偏光右旋光时，获取所述出射光基频时的左旋分量的几何位相2θ₁、2θ₂；和/或所述出射光二倍频时的右旋分量的几何位相θ₁、θ₂及左旋分量的几何位相3θ₁、3θ₂；

其中，θ₁和θ₂分为所述复振幅调制单元的两个位相调制单元的方位角。

具体的，所述S2所述双位相调制包括：

当入射光为x方向线偏光时，获取所述出射光基频时的y方向线偏光的几何位相2θ₁、2θ₂，和/或所述出射光二倍频时的y方向线偏光的几何位相3θ₁、3θ₂及x方向线偏光的几何位相θ₁、θ₂；

其中，θ₁和θ₂分为所述复振幅调制单元的两个位相调制单元的方位角。

根据本发明的另一个方面，还提供一种全息图像复用装置，所述装置包括依次串联的激光光源、起偏器、凸透镜、微纳结构超表面、检偏器和滤波片；所述装置用于实现线偏光入射光时的位相调制全息图像复用或复振幅全息图像复用；或者

所述装置包括依次串联的激光光源、起偏器、1/4波片、凸透镜、微纳结构超表面、1/4波片、检偏器和滤波片；所述装置用于实现圆偏光入射光时的位相调制全息图像复用或复振幅全息图像复用。

根据本发明的一个方面，还提供一种全息图像复用系统，包括：

获取位相信息模块，用于基于微纳结构，获取在不同频率上复现不同的全息图像时每幅全息图像的每个像素的位相信息；

位相编码调制模块，用于基于所述位相信息，对所述微纳结构的位相调制单元进行相应的位相编码调制；

全息复用再现模块，用于以不同偏振态的入射光入射编码后的微纳结构，获得不同的全息图像的再现影像。

本申请提出一种基于非线性倍频及偏振特性的全息图像复用方法与系统，通过运用微纳结构超表面材料的倍频特性，及不同倍频下极性对应关系形成的位相调制的不同，对微纳结构的位相调制单元进行位相编码调制，而获得多幅全息图像的复现；通过图像筛选消除复现结果的背景噪声的影响。此外，通过两个位相调制单元结合形成一个复振幅调制单元来调制像素元，进行非线性的复振幅调制，获得多图像复振幅调制全息图。

附图说明

图1为本发明一种全息图像复用方法流程图；

图2为本发明所述微纳结构实施例示意图；

图3为本发明一种全息图像复用方法实施例示意图；

图4为本发明入射光线偏光时的全息图像复用装置示意图；

图5为本发明入射光圆偏光时的全息图像复用装置示意图；

图6为本发明一种全息图像复用系统示意图。

附图标记说明

1、位相调制单元，2、微纳结构，3、入射光，4、出射光，5、不同的全息图，6、激光光源，7、起偏器，8、1/4波片，9、凸透镜，10、1/4波片，11、检偏器，12、滤波片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明基于非线性倍频及偏振特性的全息图像复用方法与系统，考虑当入射光入射到方位角为θ的微纳结构的纳米天线单元上，能使出射光形成大小为2θ的几何位相调制；以此对微纳结构的各位相调制单元进行编码，便能实现位相全息图的复现。

同时在计算全息时，利用微纳结构的非线性特性实现对入射光的复用而对多张图像进行全息复现。

根据微纳结构的非线性特性，极化强度P与外电场E满足公式：

其中，ε₀为真空介电常数，χ⁽ⁿ⁾为n阶极化率张量，特殊的，χ⁽¹⁾为线性极化率。由此可知，入射光不同偏振下入射至微纳结构后产生极化效应获得不同分量，各级次极化强度满足：

其中，n＝1,2,3,…，为入射光信号。由此，各级次产生电场频率为入射电场频率的n倍，出射光发生倍频。

其中，利用n＝1的基频分量进行位相调制即为线性调制的基本原理。非线性调制与传统线性调制可通过在复现光路中使用滤波片对进行不同倍频调制后的出射光光波长进行选择而实现。

根据非线性调制原理，一个微纳结构即一个位相调制单元在不同倍频条件下有不同的调制结果。以位相调制为例，相同的微纳结构能对不同倍频的出射光产生大小为微纳结构方向角不同倍数的位相调制结果。

针对不同倍频下同一个微纳结构的不同位相调制产生的结果对全息图像进行编码，便能实现相同频率入射光，不同出射光频率下的不同图像的全息复现。

由于不同图像在不同频率上进行编码，能通过滤波获得某一再现光频率下的再现像，相较于线性调制实现全息显示结果来说，基于非线性特性的微纳全息图很大程度上消除了背景噪声的影响。

如图1所示，一种全息图像复用方法，包括：

S1，基于微纳结构，获取在不同频率上复现不同的全息图像时每幅全息图像的每个像素的位相信息；

S2，基于所述位相信息，对所述微纳结构的位相调制单元进行相应的位相编码调制；

S3，以不同偏振态的入射光入射编码后的微纳结构，获得不同的全息图像的再现影像。

对于非线性微纳结构，其偶极矩能分解为两个面内旋转极距(分别由σ和-σ表示)。因此，两个极化强度分量可表示为：

其中，θ为微纳调制单元的方位角。由此可知，在考察的n次谐频出射光与入射光的偏振态性质不同时，能引入(n-1)σθ的几何位相；偏振态性质相同时，则能引入(n+1)σθ的几何位相。由此可知，当入射到微纳调制结构上的偏振光相同时，由于非线性微纳结构的偏振态特性，同一个调制单元的方位角能在不同频率的出射光形成不同的位相调制结果。

在进行编码时，由于nθ与2π+nθ、-2π+nθ，例如θ与2π+θ、-2π+θ的调制结果相同，2θ与2π+2θ、-2π+2θ的调制结果相同，3θ与2π+3θ、-2π+3θ的调制结果相同，因此，通过算法设计，能使某一方位角满足在各频率下的调制结果，使得同一调制单元的方位角实现大小为方位角的n倍的位相调制，使这些倍数不同的位相调制能对应于不同频率所需复现图像的位相信息。因此，在具体实施时，可通过优化算法对微纳结构的位相调制单元的方位角进行设计，从而在不同出射频率光下获得不同位相全息图。

作为一个可选的实施例，所述S1进一步包括：

S1.1，确定所述微纳结构的入射光频率；

S1.2，分别计算所述微纳结构的出射光在所述入射光频率的基频和倍频时至少一幅全息图像的每个像素的位相信息。

本步骤是对全息图像在不同频率上再现所需要的位相信息进行计算，本发明实现对所述微纳结构的位相调制单元进行调制实现全息图像的复用技术，当然也可以只调制一幅图，因此所述位相信息包括一幅或多幅图像的位相信息。

具体实施时，可运用计算位相全息图的Fidoc算法，对需加载在不同倍频上的不同图像根据其所需的复现光波长条件进行多次迭代计算并进行一定的调整，获得能满足在各频率下的调制结果的位相单元，使其在由微纳结构的位相调制单元的方位角在不同倍率复现时能实现大小为方位角的n倍的位相调制，从而能对应于不同频率所需复现图像的位相信息，获得不同位相全息图。

作为一个可选的实施例，所述S2进一步包括：

以所述微纳结构的单个位相调制单元为单位，根据所述位相信息对所述位相调制单元进行位相编码，实现位相调制；或者

以所述微纳结构的每两个位相调制单元为单位，根据所述位相信息对所述位相调制单元进行位相编码，实现双位相调制。

本发明对全息图像的复用技术，不仅可以实现基于微纳结构的位相调制复用，还可以实现基于微纳结构的复振幅调制。在实现所述复振幅调制时，具体是将所述微纳结构的每两个位相调制单元划分为一个复振幅调制单元，通过对两个位相调制单元调制后的光叠加获得复振幅调制效果，从而实现对全息图像的复振幅调制复用技术。

当入射光频率为ω，在出射光频率为ω的基频下，单个调制单元分别实现2θ₁和2θ₂的位相调制，则调制单元组合形成的像素元的调制结果满足：

其中，A_a为调制后获得的振幅信息，为新的几何位相信息，θ₁和θ₂通过优化算法获得。

对于出射光频率为二次谐频2ω，当出射、入射光的特性相同及不同时，像素元调制结果分别满足：

其中，A_b、A_c为调制后获得的振幅信息，为新的几何位相信息。这样，便通过非线性微纳结构的组合实现多图像复振幅编码。

如图2所示，为本发明所述微纳结构实施例示意图，本实施例中所述微纳结构2由纳米天线结构组成形成超表面，每个金属棒作为一个位相调制单元1，两个位相调制单元1可以组成一个复振幅调制单元。本发明通过对如图2所示的纳米天线的方位角θ进行调制实现位相调制，或者通过两个纳米天线的方位角θ₁和θ₂进行调制实现复振幅调制。

在基于非线性特性的全息复用的过程中，单个纳米天线能在入射光的不同倍频及偏振对应关系下附加大小为nθ的位相进行调制，而整个微纳结构2超表面的位相调制单元则相应的能在不同条件下复现不同的全息图像。

作为一个可选的实施例，所述S3进一步包括：

S3.1，基于所述入射光频率，获得圆偏光或线偏光入射光；

S3.2，基于所述圆偏光，分别以右旋光和/或左旋光入射所述微纳结构，获得多幅全息图像的再现影像；或者

基于线偏光，分别以x方向线偏光和/或y方向线偏光入射所述微纳结构，获得多幅全息图像的再现影像。

本发明实现全息图像的复用时入射光具有不同的偏振态，利用各谐频分量的不同偏振态下相同位相调制单位的不同位相调制结果，使得全息图像的复现数量的大大增加。

具体来说，结合微纳结构的非线性倍频特性及入射光不同的偏振态，对所述微纳结构的位相调制单元进行位相调制及复振幅调制包括第一实施例、第二实施例、第三实施例和第四实施例。

本发明第一实施例，以圆偏光为入射光实现全息图像的位相全息复用。

圆偏光作为入射光时，存在右旋光入射及左旋光入射两种情况；而出射光，也存在左旋分量及右旋分量。

对于公式(4)及公式(5)，定义右旋光时σ＝1，左旋光时σ＝-1。

当入射光为右旋光且频率为ω时，对于频率为ω的基频出射光，n＝1。考察出射光的右旋分量时，与入射光偏振性相同，则引入的几何位相为0；考察左旋分量时，与入射光偏振性相反，则引入2θ的几何位相。对于频率为2ω的出射光，n＝2。考察出射光的右旋分量时，引入的几何位相为θ，考察左旋分量时，引入3θ的几何位相。

当入射光为左旋光且频率为ω时，对于频率为ω的出射光，考察出射光的右旋分量时，引入的几何位相为-2θ，考察左旋分量时，则引入几何位相为0；对于频率为2ω的出射光，考察出射光的右旋分量时，引入的几何位相为-3θ，考察左旋分量时，引入-θ的几何位相。

由于在引入几何位相为0时，不形成位相调制结果，但会形成强背景光场，因而本发明不选择引入几何位相为0进行位相调制的。

针对圆偏光入射情况，当出射光频率为ω时，产生的位相调制情况如下表所示:

当出射光频率为2ω时，产生的位相调制情况如下表所示:

由此，圆偏光入射光能形成六组不同的位相调制方式，分别能通过出射光引入相对所述微纳结构的位相调制单元的方向角的-3，-2，-1，1，2，3倍的位相调制结果。

本发明第二实施例，以线偏光为入射光实现全息图像的位相全息复用。

同样，利用线偏光入射及出射光之间的对应关系，在各倍频下也能获得不同的位相调制结果。通过设置x方向线偏光和y方向线偏光，获得与圆偏光相类似的位相调制结果。

同样的，由于在引入几何位相为0时，不形成位相调制结果，但会形成强背景光场，因而本发明不选择引入几何位相为0进行位相调制的。

当入射光频率为ω，出射光频率为ω基频时，产生的位相调制情况如下表所示:

当出射光频率为2ω时，产生的位相调制情况如下表所示:

由此，线偏光入射光能形成六组不同的位相调制方式，分别能通过出射光引入相对所述微纳结构的位相调制单元的方向角的-3，-2，-1，1，2，3倍的位相调制结果。

本发明第三实施例和第四实施例，利用两个位相调制单元的组合，形成一个复振幅调制单元，获得复振幅调制的像素元。运用微纳材料的非线性特性，同样能在不同调制频率及不同圆偏光下进行复振幅调制。

本发明第三实施例，以圆偏光为入射光实现全息图像的复振幅全息复用。

利用基频及二倍频进行调制，在所述微纳结构的位相调制单元的方向角为θ的条件下，利用单个微纳调制单元在某一圆偏光下对不同频率及偏振态的出射光实现不同的位相调制。以右旋光入射为例，在基频ω时，出射光引入调制位相为2θ；在二倍频时，出射光的右旋分量引入调制位相为θ，右旋分量引入调制位相3θ。通过对不同条件下所述微纳结构的位相调制单元的方位角进行组合编码调制，可以获得复振幅调制的结果。

基于以上分析，通过双位相调制单元实现，由于两个位相调制单元的方位角分别为θ₁和θ₂，当入射光为圆偏光右旋光时，获取所述出射光基频时的左旋分量的几何位相2θ₁、2θ₂；和/或所述出射光二倍频时的右旋分量的几何位相θ₁、θ₂及左旋分量的几何位相3θ₁、3θ₂。

本发明第四实施例，以线偏光为入射光实现全息图像的复振幅全息复用。

利用基频及二倍频进行调制，入射光为x方向线偏光且频率为ω时，在基频ω时，出射光引入调制位相为2θ；在二倍频时，出射光的x方向偏振分量引入调制位相为θ，y方向偏振分量引入调制位相3θ。通过对不同线偏光条件下所述微纳结构的位相调制单元进行组合编码调制，可以获得复振幅调制的结果。

基于以上分析，通过双位相调制单元实现，由于两个位相调制单元的方位角分别为θ₁和θ₂，当入射光为x方向线偏光时，获取所述出射光基频时的y方向线偏光的几何位相2θ₁、2θ₂，和/或所述出射光二倍频时的y方向线偏光的几何位相3θ₁、3θ₂及x方向线偏光的几何位相θ₁、θ₂。

如图3所示，为本发明一种全息图像复用方法实施例示意图，入射光3入射微纳结构2超表面，通过出射光4形成不同的全息图像5。具体步骤包括：

步骤1：对需要再现的对多幅全息图像计算获得每幅全息图像的每个像素的位相信息，根据计算的位相信息对微纳结构的位相调制单元进行了与所述位相信息相对应的编码，即调整每个位相调制单元的方位角，通过排列进行编码，实现在相同全息板上对多幅图像的记录。

步骤2：通过激光光源、起偏器、1/4波片、凸透镜、检偏器、滤波片和微纳结构超表面的组合即可得到所需的线偏振光或圆偏振光作为入射光。具体的组合方式根据入射光是线偏振光或者是圆偏振光而有所不同。

步骤3：入射光经过由线性微纳结构构成的超表面，出射光通过滤波片进行频率筛选，获得所需频率下复现的全息图像。

步骤2中装置的组合方式，根据入射光是线偏振光或者是圆偏振光而有所不同。当入射光是圆偏光时，需要在起偏器后加上1/4波片。而为了对出射光的偏振分量进行筛选，在通过超表面全息图后，出射光需再经过1/4波片后经过检偏器，从而获得设计中所需的与入射光旋向相同或相反的出射光；当入射光是线偏光时，则不需要1/4波片，具体可参看图4和图5。

如图4所示的一种全息图像复用装置，所述装置包括依次串联的激光光源6、起偏器7、凸透镜8、微纳结构2超表面、检偏器11和滤波片12；所述装置用于实现线偏光入射光时的位相调制全息图像复用或复振幅全息图像复用。

如图5所示的一种全息图像复用装置，所述装置包括依次串联的激光光源、起偏器、1/4波片、凸透镜、微纳结构超表面、1/4波片、检偏器和滤波片；所述装置用于实现圆偏光入射光时的位相调制全息图像复用或复振幅全息图像复用。

如图3中，入射光3和出射光4的偏振态可以为：

圆偏光入射情况下，有四种可选情况：①入射光3为右旋光，出射光4为右旋光；②入射光3为右旋光，出射光4为左旋光；③入射光3为左旋光，出射光4为右旋光；④入射光3为左旋光，出射光4为左旋光。根据不同偏振态对应关系的选择，获得不同的相位调制结果。

线偏光入射情况下，有四种可选情况：①入射光3为x方向偏振光，出射光4为x方向偏振光；②入射光3为x方向偏振光，出射光4为y方向偏振光；③入射光3为y方向偏振光，出射光4为x方向偏振光；④入射光3为y方向偏振光，出射光4为y方向偏振光。根据不同偏振态对应关系的选择，获得不同的相位调制结果。

如图6所示，本发明还提供一种全息图像复用系统，包括：

获取位相信息模块，用于基于微纳结构，获取在不同频率上复现不同的全息图像时每幅全息图像的每个像素的位相信息；

位相编码调制模块，用于基于所述位相信息，对所述微纳结构的位相调制单元进行相应的位相编码调制；

全息复用再现模块，用于以不同偏振态的入射光入射编码后的微纳结构，获得不同的全息图像的再现影像。

本发明的主要技术方案包括：

1、根据微纳材料的非线性特性，在一束入射光入射到非线性微纳结构超表面材料上时，在非线性共振条件下产生基频、二倍频、三倍频等多种互不干扰的出射光，通过滤波片对出射光进行筛选获得不同频率下的不同的全息图像，同时降低图像复现时的背景噪声。

2、根据投射到微纳结构上的入射光与不同倍频的出射光极性对应关系发生变化时引入的几何相位不同，从而实现在不同极性对应关系下的不同全息图的复现过程。

3、为了实现复振幅调制，将两个非线性微纳结构相位调制单元进行组合，划分为一个复振幅调制单元，通过两个相位调制结果相加，获得振幅调制及新的相位调制结果。又因为微纳结构的非线性特性，则能实现多图像的复振幅全息显示。

本发明基于微纳结构超表面材料的倍频特性，及不同倍频下极性对应关系形成的位相调制的不同，利用预先计算好的在不同频率上复现不同的全息图像时每幅全息图像的每个像素的位相信息，对微纳结构的位相调制单元进行位相编码调制，而获得多幅全息图像的复现。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。