实现双波长伪彩色编码的多模式超表面及其设计方法与流程

本发明属于微纳光学和偏振光学领域，具体是指一种实现双波长伪彩色编码的多模式超表面及其设计方法。

背景技术：

图像显示是光学领域非常重要的一个方向。利用超表面来实现近场图像显示，能够大大提高图像的分辨率。由于人类视觉分辨灰度的能力较弱，最多不超过20个灰阶，但分辨不同颜色的能力特别强，可以超过一千个层次。因而，把一幅灰度图像的不同灰阶映射为相应的彩色(伪彩色)，即把人眼无法区别的灰度变化，施以不同的彩色，使观察者可以容易地区别不同的层次，因而极大地提高了有用信息的获取量。所以，对灰度图像进行伪彩色处理是一种非常有效的图像增强技术，具有广泛的应用市场和技术再开发前景。基于本发明所提及的伪彩色编码的多模式超表面图像显示方法，在保证超表面显示极高分辨率的同时，在不同灰度和颜色之间建立一种映射，从而将目标灰度图转换为一幅伪彩色图像，极大地提高了图案的可视性。

技术实现要素：

针对传统图像显示的不足，本发明结合偏振理论，通过设计银纳米砖的几何尺寸及阵列的转角从而提供一种能够高效地实现双波长伪彩色编码的多模式超表面及其设计方法。

本发明目的之一在于提供一种实现双波长伪彩色编码的多模式超表面，所述超表面材料纳米砖的转角利用马吕斯定律的变式i＝i0cos⁴θ确定，且转角在0～90°之间分布。所述超表面材料首次通过单一几何尺寸的纳米砖单元结构阵列，实现近场的伪彩色编码，且通过改变样片的转角，能够轻易实现图像颜色的变化。本发明结构与原理简单、易于加工，在伪彩色处理、高分辨率彩色图像显示、光学防伪方面具有很好的应用潜力；

本发明的目的之二在于提供一种实现双波长伪彩色编码的多模式超表面的设计方法，通过利用所述超表面材料的双波长共振特性以及马吕斯定律，巧妙地将灰度反转的红绿灰度图叠加在一起，从而在超表面材料的表面编码一幅伪彩色图案，大大提高图像可用信息量。

为实现上述目的，本发明的方案如下：

第一方面，本发明提供一种实现双波长伪彩色编码的多模式超表面，其特征在于：

所述超表面材料由能够同时对红光和绿光响应的纳米砖形成纳米砖单元阵列，不同纳米砖单元结构之间的间隔为周期cs，不同位置的纳米砖单元对应不同的转角；

所述纳米砖单元结构对红绿线偏光作用相当于透反射复用起偏器；当入射红绿线偏光沿纳米砖长轴偏振时，红光将反射，绿光将透射；当入射红绿线偏光沿纳米砖短轴偏振时，绿光将反射，红光将透射；

设计纳米砖阵列上每个纳米砖的转角，所述纳米砖的转角由马吕斯定律的变式i＝i0cos⁴θ确定，且在0～90°间分布；当入射红绿光通过一个起偏器再通过所述超表面，反射光再通过一个检偏器，将在超表面材料表面形成彩色纳米印刷图案，所形成的彩色纳米印刷颜色是在红绿之间连续变化的；所述起偏器和检偏器均沿x轴偏振。

第二方面，本发明提供一种上述实现双波长伪彩色编码的多模式超表面图像显示的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)根据选定的两种入射光波长，通过电磁仿真软件，当入射线偏光垂直照射纳米砖单元时，沿长轴偏振的红光反射效率高，绿光透射效率高；沿短轴偏振的红光透射效率高，绿光反射效率高为目标，优化出纳米砖单元结构的周期cs、纳米砖单元结构的宽度w，长度l，和高度h；

(2)纳米砖转角定义为纳米砖长轴和x轴的夹角，入射光通过偏振方向为x轴的起偏器入射到样片上，反射光再次经过偏振方向为x轴的检偏器，根据马吕斯定律，反射光中红光光强为ir＝ir0cos⁴θ，绿光光强为ig＝ig0sin⁴θ；式中ir0和ig0分别为入射光中红光和绿光的光强；

(3)选定一幅红色灰度图，根据步骤(2)中红反射光光强公式计算阵列上每个纳米砖的转角，转角范围为0～90°；如果采用红色激光源按照步骤(2)中所述光路入射到超表面上，则将复原出选定的红色灰度图；将光源换成红绿激光，结合红光反射光强公式与绿光反射光强公式，即得到一幅红色分量与绿色分量灰度互补的伪彩色图案；

(4)根据步骤(3)中确定的硅纳米砖阵列结构，采用光刻工艺制备实现双波长伪彩色编码的多模式超表面；

(5)根据步骤(4)中得到的超表面，入射光通过起偏器及检偏器后，将在样片表面观察到彩色纳米印刷图案。

与原灰度图相比，根据所述方法编码出的伪彩色图案可视性大大提高。观察近场的伪彩色编码图案时，需要配置一个起偏器和检偏器，当入射双色光通过起偏器入射到样片上，反射光再经过检偏器，通过显微镜将在超表面材料的表面观察到一幅伪彩色编码纳米印刷图案；

本发明的优点及有益效果如下：

(1)所提供的双波长伪彩色编码多模式超表面实现了对入射光的颜色调制(521.74nm～615.25nm)，入射线偏光沿纳米砖长轴偏振时，红光(487.61thz)反射效率可达92.16％，绿光透射效率可达75.38％；入射线偏光沿纳米砖短轴偏振时，绿光(483.87thz)反射效率可达77.95％，红光透射效率可达91.92％；通过旋转纳米砖可以实现反射(透射)光中红绿分量不同比例的混合。

(2)所提供的双波长伪彩色编码多模式超表面能够在不同灰度和色彩之间建立一种映射，根据马吕思定律变式i＝i0cos⁴θ计算出纳米砖转角后，纳米砖阵列能够将原灰度图编码成一幅伪彩色图案，从而将灰度变化转换成颜色变换，大大提高图案的可视性；

(3)和传统图像显示相比，本发明所提供的图案分辨率大大提升，达到74705dpi，且需要解码过程，具有一定的保密性；

(4)和传统图像显示器件相比，本发明具有体积小、成本低、重量小、能够实现动态调制的优点；

(5)具有超微尺寸结构，可广泛用于光子集成领域；

(6)金属纳米砖阵列结构可沿用标准光刻工艺加工，工艺简单；

(7)为图像显示和加密的设计和制备提供了一种新思路，具有极大的参考价值和应用前景。

附图说明

图1是实施例1中近远场复用超表面的结构单元示意图，转角θ为纳米砖长轴和x轴的夹角；

图2是实施例1中部分银纳米砖阵列结构的三维结构示意图；

图3是实施例1中银纳米砖阵列对入射光的仿真结果图，其中x轴为波长，y轴为反射效率和透射效率，包括长轴反射效率、短轴反射效率、长轴透射效率和短轴透射效率。

图4是实施例1中将红色灰度图像编码成伪彩色图像的原理示意图；

图5是实施例1中对反射近场伪彩色图案进行解码的光路示意图；

图6是实施例1中对透射近场伪彩色图案进行解码的光路示意图；

图中：1、纳米砖；2、衬底；l、纳米砖长轴尺寸；w、纳米砖短轴尺寸；h、纳米砖高度；cs、纳米砖的间距。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细说明。

本发明实施例提供一种实现双波长伪彩色编码的多模式超表面材料，该超表面材料由透明基底即刻蚀在基底表面的纳米单元阵列构成，纳米单元阵列包括多个纳米单元结构(本实施例中所述纳米单元结构即银纳米砖)，通过设计可以将一幅灰度图案编码成伪彩色图案。

图1～2示出了的银纳米砖阵列结构，包括二层，从上至下依次为银纳米砖1，衬底2。其中，银纳米砖阵列1由银纳米砖单元结构周期性排列构成，银纳米砖为长方体，且其长宽高均为亚波长尺寸。单个银纳米砖单元的结构见图1。本实施例中，衬底2为二氧化硅衬底。图2为由纳米砖单元结构组成的纳米砖阵列。

作为实施例，选取521.74nm和615.25nm作为工作波长，采用现有的cststudiosuite电磁仿真工具，在工作波长下优化硅纳米砖单元的结构，使得入射线偏光沿纳米砖长轴偏振时，红光反射效率、绿光透射效率最高；入射线偏光沿纳米砖短轴偏振时，绿光反射效率、红光反射效率最高；通过转动本纳米砖阵列结构，可以实现反射光从红光到绿光的变化，从而在不同灰度和色彩之间建立一种映射。本实施例中，优化后的硅纳米砖长l＝140nm，宽w＝95nm，厚h＝70nm，单元结构内，cs＝340nm；仿真得到的偏振效率图如图3所示，沿长轴偏振的红光反射效率达到90.92％，沿短轴偏振的绿光反射效率达到77.95％；

经过第一步，即可确定单个银纳米砖单元的结构，选定一幅像素为n的颜色范围在红绿之间的彩色图像，如图4a，根据每个像素点灰度值大小以及红光长轴反射效率的马吕斯定律变式ir＝ir0cos⁴θ，确定每个像素点纳米砖的转角θ(0～90°)，如图4b,c。根据计算得到的转角，结合绿光短轴反射效率ig＝ig0sin⁴θ；将红色灰度图及绿色灰度图叠加即可到到编码的伪彩色图案，图4d,e分别为样片0°和90°时的编码图案。

根据确定的硅纳米砖阵列结构，采用光刻工艺制备实现双波长伪彩色编码的多模式超表面材料。根据得到超表面，入射光通过起偏器及检偏器后，将在样片表面观察到彩色纳米印刷图案，反射光路图及透射光路图如图5、6所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。