[发明专利]消除零级光的振幅型超表面计算全息片的设计方法

说明书

本发明公开了一种消除零级光的振幅型超表面计算全息片的设计方法。通过构建新的振幅分布函数，借助于超表面纳米砖的振幅调控特性消除了振幅型计算全息零级像，以获得清晰，无零级，具有较高成像质量的再现像。本发明可应用于高端防伪、图像显示等领域。

技术领域

本发明涉及微纳光学及图像显示的技术领域，具体涉及一种消除零级光的振幅型超表面计算全息片的设计方法。

背景技术

普通照相是根据几何光学成像原理，记录下光波的强度，将空间物体成像在一个平面上，由于丢失了光波的相位，因而失去了物体的三维信息。光学全息利用干涉原理将物体发出的光波以干涉条纹的形式记录，由于在记录介质中储存了物光波的振幅和相位信息，从而能形成与原物体逼真的三维像。然而传统的全息具有很强的零级光，极大的影响了再现像的成像质量，干扰了对再现像的观察。

发明内容

本发明的目的在于提供一种消除零级光的振幅型超表面计算全息片的设计方法，通过该方法设计得到的振幅型计算全息能够消除零级像，提高衍射效率，提升图像的成像质量。

为实现上述目的，本发明第一方面提供一种消除零级光的振幅型超表面计算全息片的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)消除振幅型计算全息零级像的原理

首先根据远场的目标影像和优化算法，如GS算法，得到计算全息片上的原始振幅分布f(x，y)。则远场全息图像的振幅分布为：

由上式(1)可知，远场全息图像的零级像为：

综合(1)-(2)，若则f′的远场全息图像分布为：

当u＝v＝0时，F1(0，0)＝F(0，0)-A₀＝0；因此，f′的远场全息图即为f(x，y)的消去零级的远场全息图；根据上述原理，根据公式可以重新计算得到全息片上的新的振幅分布f′(x，y)；由于f′(x，y)的值域范围是(-1,1)。因此想要消除零级还需要找到能记录负振幅的介质。

(2)超表面振幅调控原理

假设纳米砖琼斯矩阵为旋转角为θ，入射光为线偏振光，琼斯矩阵为则经纳米砖后出射光琼斯矢量为：

化简得：

对于(5)式，当用检偏方向为α₂的检偏器检偏时，出射光的琼斯矩阵为：

此时透射光强为：

当起偏器的偏振方向与检偏器的偏振方向垂直时，透射光强为：

则出射光的振幅为：

若纳米砖为起偏器，则A＝0，B＝1或者A＝1，B＝0，则在纳米砖起偏器转角范围[0°,180°]内，能够实现[-1/2,1/2]范围的连续振幅调控。若纳米砖为半波片，则A＝1，B＝-1，则在纳米砖起偏器转角范围[0°,180°]内，能够实现[-1,1]范围的连续振幅调控。当纳米砖为起偏器时，透射光的出射光强为1/4sin(2θ-2α₁)，当纳米砖为半波片时，透射光的出射光强为sin(2θ-2α₁)，因此基于纳米砖半波片设计的消零级计算全息片相比基于纳米砖起偏器设计的消零级计算全息片具有更高的衍射效率。

(3)纳米砖结构参数优化