[发明专利]基于全息零级和超表面几何相位的灰度纳米印刷设计方法

说明书

本发明公开了一种基于全息零级和超表面几何相位的灰度纳米印刷设计方法，灰度纳米印刷术的信息通道为全息零级，灰度图像信息被编码进超表面上纳米砖阵列的转角排布中；超表面由两层基底、一层反射式纳米砖阵列构成；硅基底上方为二氧化硅基底，二氧化硅基底上排布有周期性排列的硅纳米砖阵列单元，各纳米砖单元大小相同，转角各异；本发明所提出的基于全息零级和超表面几何相位的灰度纳米印刷设计方法，与传统的灰度纳米印刷术相比，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，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，具体涉及一种基于全息零级和超表面几何相位的灰度纳米印刷设计方法。

背景技术

超表面灰度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，现有的超表面灰度纳米印刷术多是基于光的偏振来实现调制，对于基于偏振调制的灰度纳米印刷术，虽然可以实现灰度的任意调控，但是这种偏振调制纳米印刷术的实现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，存在技术上的缺点；再者，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灰度纳米印刷术中，是该领域的空白，且以相位调制为基础的灰度纳米印刷术，不要额外的光学装置就能实现灰度调控，这一特点使得以相位调制为基础的灰度印刷术具有很高的应用前景和实用价值。

传统的超表面灰度纳米印刷术多采用偏振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。但是这种灰度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灰度印刷术的结构紧凑性，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，将会阻碍灰度印刷术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灰度纳米印刷术相结合，实现了一种新型的相位调制灰度印刷术，在保证结构紧凑性——即不增加任何额外的光学器件的同时，实现了灰度的任意调制。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。且超表面加工工艺成熟，结构简单，便于复制，是一个用来实现基于全息零级的灰度纳米印刷术的优秀选择。

发明内容

相较于现有技术，本发明的目的是提供一种基于全息零级和超表面几何相位的灰度纳米印刷设计方法。本发明利用的信息通道为全息零级，通过巧妙的补偿，进行图像的编码加密，其工作位置为超表面的上表面，以全息零级为信息通道具有无色散，偏振不敏感等特性。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于全息零级和超表面几何相位的灰度纳米印刷设计方法，其特征在于：全息零级作为灰度纳米印刷术信息通道，灰度图像信息被编码到超表面上纳米砖阵列的转角排布中；包括如下步骤：

S1：选择目标图像和参考光，并对目标图像进行相应的补偿，得到物光的振幅分布；

S2：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；

S3：根据半波片的性能需求来优化反射式纳米砖阵列中电介质纳米砖的几何参数，其中所述工作波长为可见光波段；

S4：根据计算出的相位分布，确定电介质超表面纳米砖阵列中纳米砖的转角排布。

作为优选方案，所述步骤S1，具体为：

根据相位型光栅的傅里叶级数展开公式，采用第一类贝塞尔函数的逆函数对目标图像对应物光的振幅A_t(x，y)进行补偿：