[发明专利]基于超表面结构色的彩色纳米印刷设计方法

说明书

本发明公开了一种基于超表面结构色的彩色纳米印刷设计方法。所述彩色纳米印刷方案的图像信息分为图像灰度信息和图像颜色信息两部分，其中灰度信息通道为全息零级，图像灰度信息被编码进超表面上纳米砖阵列的转角排布中，颜色信息通道为超表面纳米单元的光谱响应，图像颜色信息被编码进超表面上纳米单元的几何尺寸及排布方式中；本发明所提出的一种基于超表面结构色的彩色纳米印刷设计方法，与传统的彩色纳米印刷术相比，几何相位设计模式更加灵活，填补了灰度纳米印刷术在相位领域的空白，其优势在于设计算法简单，集成度极高，可以无需任何光学器件的协助，能够用肉眼直观观察，可广泛的应用于图像显示等领域，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及信息光学技术领域，具体涉及一种基于超表面结构色的彩色纳米印刷设计方法。

背景技术

超表面纳米印刷术作为一种新颖的图像显示技术，以其独特且优越的技术特点受到了越来越多的关注，成为现代图像显示技术的重要研究内容之一。然而，现有的超表面彩色纳米印刷方案多是基于光的偏振调制和超表面结构色共同实现的，对于偏振调制和光谱调制的纳米印刷方案，虽然可以实现灰度、饱和度和色度的精准调控，但是这种基于偏振调制和光谱调制的纳米印刷术是以超表面材料的结构紧凑性的大幅降低为代价的，即通过增加外加光学元件实现的，存在技术上的限制，将会阻碍具有超高分辨率的超表面纳米印刷术在实际中的应用，这一技术性的限制亟待解决。而相位作为重要的光学参量之一，目前仍未使用在基于超表面的纳米印刷方案中，是该领域的空白，且以相位调制为基础的纳米印刷方案，无需额外的光学装置就能实现灰度调控，将之与超表面结构色结合，可以实现新型的彩色纳米印刷方案，这一特点使得以相位调制为基础的彩色印刷方案具有很高的应用前景和实用价值。

传统的超表面彩色纳米印刷术多采用偏振调制和光谱调制的方式进行图像显示，根据马吕斯定理，使得不同偏振方向的线偏光形成不同的强度，从而实现灰度纳米印刷的目的；根据具有不同的光谱响应的纳米砖单元，实现灰度和饱和度的调制，最终是达成了灰度、饱和度和色度的精准调控。但是这种彩色纳米印刷术需要外加偏振调制的光学器件——起偏器、检偏器和波片，这些额外的偏振调制器件将会大幅降低超表面彩色印刷方案的结构紧凑性，影响其集成度，这与日常生活中对于图像显示的需求相背离，将会阻碍彩色印刷方案在实际生活中的应用。

相位，作为重要的光学参量之一，广泛的应用于全息、透镜等光学元件的设计中，将相位调制的方法与超表面结构色相结合，实现了一种新型的相位调制彩色印刷方案，在保证结构紧凑性——即不增加任何额外的光学器件的同时，实现了色度、饱和度和灰度的精准调制。并且超表面作为新兴的光学材料，以其优越的光学性能受到越来越多的关注，亚波长的结构尺寸能产生较高空间频率的衍射光，更便于通过零级衍射光来实现灰度调制，可以排除非零级衍射光对于图像显示通道的影响。且基于光谱调制的超表面结构色色域丰富，超表面加工工艺成熟，结构简单，便于复制，是一种基于超表面结构色的彩色纳米印刷设计方法的优秀选择。

发明内容

相较于现有技术，本发明的目的是提供一种基于超表面结构色的彩色纳米印刷设计方法，在基于全息零级的灰度印刷术基础上，添加颜色通道实现彩色纳米印刷。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于超表面结构色的彩色纳米印刷设计方法，其特征在于：全息零级作为彩色纳米印刷方案中灰度信息通道，图像灰度信息被编码到超表面上纳米砖阵列的转角排布中；超表面单元的光谱响应作为彩色纳米印刷方案中颜色信息通道，图像颜色信息被编码到超表面上不同纳米砖单元的排布中；包括如下步骤：

步骤S1：读取目标图像的灰度信息与颜色信息；

步骤S2：选择参考光，并对目标图像进行相应的补偿，得到物光的振幅分布；

步骤S3：组合补偿后的振幅分布和相位分布为物光，将物光与参考光进行干涉叠加，计算出干涉强度分布对应的相位分布情况；

步骤S4：根据步骤S3计算出的相位分布，确定电介质超表面纳米砖阵列中纳米砖的转角排布；