[发明专利]一种基于超表面材料的近远场双通道图像显示方法

说明书

本发明公开了一种基于超表面材料的近远场双通道图像显示方法，它利用二维码图像识别冗余度、强度调制冗余度和全息设计冗余度，这多种冗余度所赋予的额外设计自由度，通过精心设计纳米结构的转向角，在一片由单种纳米结构组成的超表面的结构表面编码二维码图案的同时，在远场实现无孪生像全息图像的再现。本发明的方法具有很强的扩展性和鲁棒性，不仅拓展到其他的光学平台和工作波段，还可以适用于大面积加工和生产。且由于在近场和远场成像方式不同，其解码条件不同，因此本发明在高端防伪、图像显示等领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于微纳光学技术领域，尤其涉及一种基于超表面的近远场双通道图像显示方法。

背景技术

超表面由于具有超强的光波操控能力，能够对振幅、相位和偏振进行精密调控，是当前高性能、大容量、多功能光学平台的首选。近年来，基于超表面材料的图像显示技术由于其轻量级，小型化，大容量，高密度等特性得到了国内外学者的广泛关注。如2018年，Bao等人通过设计多种纳米结构组成的相关像素，在一片超表面材料表面编码了两幅二维码，通过特定的波长，入射角度来实现两幅二维码图像的解码。同年，Zhang等人在一束激光中编码了一幅二维码图像，需要借助检偏器来实现图像的解码。此外，也有研究者提出了许多基于超表面材料的全息图像显示技术，通过优化设计纳米结构的材料、尺寸及排布方式，在远场实现目标全息图像的再现。此后，有研究者充分挖掘纳米结构中的多种调控自由度，基于由单种纳米结构、变尺寸纳米结构或者叠层结构组成的一片超表面同时实现了近场图像和远场图像的显示。

本发明提出了一种新的超表面近远场双通道图像显示技术。利用单种纳米结构进行超表面阵列排布设计，以实现在超表面材料的表面(近场)编码一幅二维码图像的同时，可以在远处再现一幅无孪生像的全息图像。这种新型的图像显示技术丰富了图像显示的研究领域，也在高端防伪、图像隐藏等领域具有很好的发展前景。

发明内容

为了解决当前基于单种纳米结构超表面实现近远场图像显示技术的限制，本发明的目的在于提供一种基于超表面的近远场双通道图像显示方法，它利用了图像识别、强度调制以及全息设计的冗余度，通过设计单种纳米结构的转向角，实现二值图像和无孪生像全息图像的融合，从而实现了一种新的近远场双通道图像显示技术。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

超表面由多个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由透明基底和沉积在其上的纳米砖组成。纳米砖结构单元的转向角为θ，θ取值范围为[0，π]。所述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；根据选定的工作波长和想要的电磁响应特性，通过电磁仿真优化得到具体的几何尺寸。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向角θ。

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，硅等材料或利用SOI材料来设计纳米单元。

利用纳米结构的强度调控冗余度，二维码和全息图像设计的冗余度，通过排布阵列结构中每一个纳米结构的转向角，可以在一片超表面上实现二维码图像和无孪生像的全息图像的融合。而且两种通道的信息相互独立、可以任意设计，具有很强的灵活性。本发明可应用于高端防伪、偏振显示、图像隐藏等领域。

本发明提供的一种基于超表面材料的近远场双通道图像显示方法，包括以下过程：

1)超表面由多个纳米砖结构单元阵列于一平面上构成，利用纳米砖结构单元的出射光强调制函数和二维码图像的灰度信息，得到出射光强与纳米砖结构单元的转向角在[0,180°]取值范围内的对应关系；