一种基于单尺寸纳米结构超表面的RGB彩色图像编码方法

一种基于单尺寸纳米结构超表面的rgb彩色图像编码方法
技术领域
1.本发明属于微纳光学和偏振光学技术领域，尤其涉及一种基于单尺寸纳米结构超表面的rgb图像编码方法。


背景技术：

2.rgb图像中的任何一种色彩都可以由r、g、b三种基色按照不同比例混合表示，因此它的信息编码通常需要三个通道。传统的彩色图像储存显示技术由于像素尺寸大等问题已经满足不了光学系统逐渐微型化的要求，而超表面由于具有亚波长级的结构单元，可以通过合理设计其单元结构的形状和尺寸，对光波的振幅、相位等进行调控，在图像储存和显示方面展现出极高的图像分辨率优势，且超表面体积小、重量轻、结构简单、易于集成化。在基于超表面的彩色图像编码中通常使用多种尺寸的纳米砖组成的超单元为一个像素，其中每种纳米砖分别对r、g、b起作用，但这种方式都不可避免地增加了超表面的设计和加工难度，同时也降低了信息容量。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于单尺寸纳米结构超表面的rgb图像编码方法。本发明提出了一种基于单尺寸纳米结构超表面实现rgb信息的编码的方法，利用纳米砖旋转角的简并性和十进制与二进制转换关系，仅通过单尺寸的纳米砖实现了三路信息通道复用，并分别储存rgb的编码信息。本发明的方法有效降低了超表面的加工和制造难度，同时也增大了信息容量。
4.为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
5.本发明的超表面由多个相同的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包括透明基底和纳米砖，透明基底放置于所述平面上，纳米砖沉积于透明基底上。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；所述l、w和h根据选定的入射光波长通过电磁仿真优化得到；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角θ。
6.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。
7.在上述技术方案基础上，通过优化设计，使得某一工作波长下沿纳米砖长轴方向的线偏振光反射率(透射率)极高，同时沿纳米砖长轴方向的线偏振光透射率极(反射率)低。或(和)沿纳米砖短轴方向的线偏振光透射率(反射率)极高，同时沿纳米砖短轴方向的线偏振光反射率(透射率)极低。也就是说，入射光波在工作波长通过纳米砖时，通过优化设计，使得纳米砖为透射工作模式、反射工作模式或者同时为透反射工作模式。
8.本发明提出的一种基于单尺寸纳米结构超表面的rgb图像编码方法，具体过程为：以入射强度为i0、偏振方向为α1的线偏振光，入射至所述超表面的纳米砖结构单元阵列后，
再经过一个检偏器α2，其出射光强i1被超表面调制，即可得到出射光强i1与入射强度i0之间的关系函数；在纳米砖旋转角的取值范围[0，π]内，存在多个纳米砖旋转角的取值范围对应同一个出射光强的现象，即纳米砖旋转角的简并性。
[0009]
将所述的超表面设计为三种不同偏振状态下，能够分别编码rgb图像三个颜色分量灰度值信息的三路通道，同时通过控制入射线偏振光的偏振方向和检偏器的检偏方向，实现三种通道的转换；由于纳米砖旋转角θ具有简并性，在第一种偏振状态下，可以根据通道一的目标图像强度调制函数，得到所有的4种纳米砖结构单元的转角θ的分布，他们在通道一都能够实现相同的连续光强调节效果。将光强范围转化为灰度值范围，获得rgb图像的第一种颜色分量的连续灰度值信息并储存在第一通道。第二种和第三种偏振状态下，上述设计的4种纳米砖结构单元的转角θ在不同的取值范围内容具有较高或较低的出射光强，满足于在通道二和通道三分别编码一幅二值图像的要求。将二进制信息转化为十进制，即可获得rgb图像的第二种颜色分量和第三种颜色分量的连续灰度值信息。
[0010]
超表面结构由透明基底和沉积在其上的纳米砖阵列构成，结合纳米砖旋转角的简并性，可在不同入射光偏振方向和检偏器的透光轴方向下实现信息通道的转换，且不同通道间互不相关。设其中入射线偏振光的偏振方向为α1，检偏器透光轴方向(即检偏器的检偏方向)为α2，当α1＝45
°
，α2＝-45
°
，可以设计多个具有不同转角的纳米砖的来储存通道一(即第一通道)的同一个目标灰度值；当α1＝-67.5
°
，α2＝22.5
°
，上述的具有不同转角的纳米砖在通道二(即第二通道)中的有较高或较低的出射光强，这两种光强相差较大的状态可以分别定义为1和0，即储存二值信息；当α1＝-90
°
，α2＝90
°
，上述纳米砖在通道三(即第三通道)也对应着较高或较低的出射光强，且跟通道二相互独立，也可以用来储存二值信息。由于任意的十进制数都可以用8个二进制数来表示，为了使三个信息通道能够分别储存三种颜色分量rgb的连续灰度值信息(0-255)，统一设置一个像素点中包含8个纳米砖单元，在通道一中8个单元对应同一灰度值信息，而在通道二或三时，对应任意一种灰度值的二进制信息。
[0011]
在上述技术方案基础上，纳米单元阵列中每个纳米单元结构都等效为一个起偏器，当线偏振光经过超表面起偏器，再经过检偏器后，出射光强可由下式说明：
[0012][0013]
其中，θ为纳米砖旋转角。i0为入射偏振光的强度。α1为入射线偏振光的偏振方向。α2为检偏器的透光轴方向。
[0014]
对于特定入射线偏振光的偏振方向和检偏器的透光轴方向(α1＝45
°
，α2＝-45
°
)，出射光强为：
[0015][0016]
因此，设i0＝4，则通过调节纳米砖的转角，可以实现光强0-1连续的调节。由于纳米砖转角的简并性，即在纳米砖旋转角的取值范围[0，π]内，具有如表1四个范围，都能实现相同范围(0.5-1)的连续光强调节，这段光强变化范围可以经过下面公式转化为颜色灰度值(0-255)：
[0017]
g＝[2
×
255
×
(i
1-0.5)] 1
[0018]
其中g表示灰度值，[]表示取整数。
[0019]
当α1＝-67.5
°
，α2＝22.5
°
，i0＝4时，出射光强为：
[0020][0021]
当α1＝-90
°
，α2＝90
°
，i0＝1时，出射光强为：
[0022]
i3＝i
0 sin4θ
[0023]
当改变入射线偏振光的偏振方向和检偏器的透光轴方向为另两个通道时，在四种旋转角范围内，第二通道、第三通道对应高出射光强或低出射光强，将出射光强》0.5标记为高光强状态，出射光强《0.5标记为低光强状态。将高光强状态定义为1，低光强状态定义为0，则第二通道、第三通道可以储存二值信息，分别为“00”“11”“01”“10”，实现了三种通道之间相互独立。
[0024]
表1
[0025][0026]
在上述技术方案基础上，为了使第二、三通道能够储存连续的灰度值信息，设计一个像素点中包含8个纳米砖单元。在第一通道时，8个纳米砖对应的灰度值信息相同，但旋转角度可以根据后面通道的要求在四个范围里选择；在第二通道、第三通道时，8个纳米砖分别对应任意g和b通道灰度值的二进制信息。基于上述原理实现了三个通道都能储存连续灰度信息。
[0027]
在上述技术方案基础上，当α1＝45
°
，α2＝-45
°
，i0＝4时为第一通道，储存rgb图像中红色的灰度值信息；当α1＝-67.5
°
，α2＝22.5
°
，i0＝4时为第二通道，储存rgb图像中绿色的灰度值信息；当α1＝-90
°
，α2＝90
°
，i0＝1时为第三通道，储存rgb图像中蓝色的灰度值信息。
[0028]
在上述技术方案基础上，当线偏振光入射至所述超表面起偏器阵列后，再经过一个检偏器，其光强被超表面调制。通过对纳米砖阵列的转角分布设计，可将所述的超表面设计为三种不同偏振状态下，分别展现出rgb图像三个颜色分量的灰度值信息，其中第一通道
可以获得连续灰度值信息，第二通道、第三通道能获取灰度值的二进制信息，需要转化为十进制。因此通过显微镜或放大镜不能直接观测到被编码的图像，转化为十进制后可以得到对应的图像信息。
[0029]
本发明所设计的一种基于单尺寸纳米结构超表面的rgb彩色图像编码方法具有以下优点和积极效果：
[0030]
1、将rgb信息同时存储到一片超表面上，仅仅需要排列单尺寸纳米结构的方位角，不需要组合多个纳米砖结构，因此大大降低了其加工和设计的难度。
[0031]
2、本发明所需要的纳米结构不局限与特定的材料，多种材料均可以实现。
[0032]
3、本发明的工作模式也任意，可以在透射模式下或者在反射模式下工作，也可以实现透射和反射模型下同时工作，在实际应用中具有极大的便利。
[0033]
4、超表面在不同偏振状态下形成的图像信息相互独立，可分别设计，三路信息通道没有任何相关性，可以灵活设计调控每种颜色分量的分布，提供了一种新的储存rgb图像信息的方法。
[0034]
5、本发明的设计方法巧妙，所用结构简单，仅仅需要一种纳米砖结构单元可实现，因此本发明所设计的超表面体积小、重量轻、可高度集成，适应于未来小型化、微型化的发展。
附图说明
[0035]
图1是本实施例中实现三通道储存rgb图像信息的原理图。
[0036]
图2是本实施例中纳米砖结构单元示意图。
[0037]
图3是本实施例中纳米单元结构透反射率扫描图。
[0038]
图4是本实施例中纳米砖旋转角简并性的示意图。
[0039]
图5是本实施例中设计的第一幅rgb图像的三个颜色分量的灰度图。
[0040]
图6是本实施例中设计的第二幅rgb图像的三个颜色分量的灰度图。
[0041]
图7是本实施例中设计的第三幅rgb图像的三个颜色分量的灰度图。
具体实施方式
[0042]
为了更清楚地说明本发明实施例和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
[0043]
下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明。图2中，1-硅纳米砖，2-二氧化硅介质层，l为纳米砖长度，w为纳米砖宽度，h为纳米砖高度，c为纳米砖单元的正方形工作面的边长大小，θ为纳米砖的转角，为纳米砖长轴与x轴之间的夹角。
[0044]
实施例本实施例为一种基于单元尺寸纳米结构超表面的rgb彩色图像编码方法的具体实施过程。
[0045]
本实施例中，纳米单元结构由硅纳米砖，二氧化硅底层构成，选取设计波长为λ＝633nm，针对该波长，通过电磁仿真软件cst对纳米转单元结构进行优化仿真，得到优化后的硅纳米砖的尺寸参数为：长为l＝160nm，宽为w＝91nm，高为h＝560nm，单元结构基底边长为
c＝300nm。二氧化硅底层的厚度为300nm。该结构参数下沿纳米砖长轴和短轴方向的线偏振光的反射率和透射率如图3所示，其中r
l
、t
l
分别代表沿纳米砖长轴方向的线偏振光反射率和透射率，rs、ts分别代表沿纳米砖短轴方向的线偏振光反射率和透射率。由图可知，在工作波长633nm下，r
l
和ts分别高达97.5％和95.9％，同时不想要的t
l
和rs被抑制到5％以下，表明，该优化后纳米砖结构单元可以实现起偏器的功能。
[0046]
借助于纳米砖转角的简并性，即具有在纳米砖旋转角的取值范围[0,pi]内，针对本实施例中α1＝45
°
，α2＝-45
°
，i0＝4的情况，有4种旋转角范围[0,22.5
°
]、[67.5
°
,90
°
]、[90
°
,112.5
°
]、[157.5
°
,180
°
]，能够实现相同范围的连续光强调节，并且可以将光强范围转化为灰度值范围。当改变入射线偏振光的偏振方向和检偏器透光轴方向为第二通道、第三通道时，上述四种旋转角范围分别储存根据光强大小定义的二值信息“00”“11”“01”“10”，如图4所示。为了使第二通道、第三通道能够储存连续的灰度值信息，设计一个像素点中包含8个纳米砖单元。在第一通道时，8个纳米砖对应的灰度值信息相同，但旋转角度可以根据4种旋转角范围[0,22.5
°
]、[67.5
°
,90
°
]、[90
°
,112.5
°
]、[157.5
°
,180
°
]的四个范围里选择；在第二通道、第三通道时，8个纳米砖分别对应任意一种灰度值的二进制信息，如图1所示。因此基于这个原理，可以设计第二通道、第三通道储存连续灰度值信息，且三个通道相互独立，满足rgb图像的编码要求。
[0047]
本实施例针对硅和二氧化硅材料来设计纳米砖起偏器的，预期实现的效果是当α1＝45
°
，α2＝-45
°
，i0＝4时，可以显示出红色分量的灰度值信息；而当α1＝-67.5
°
，α2＝22.5
°
，i0＝4时，生成绿色分量的灰度值的二进制信息；当α1＝-90
°
，α2＝90
°
，i0＝1时，生成蓝色分量的灰度值的二进制信息。这表明通过控制入射光的偏振方向和检偏器的透光轴方向，可以实现三种通道的转换。
[0048]
为了证明本发明不同偏振状态下的储存信息相互独立，满足储存rgb图像信息的要求，三幅图分别展示同一彩色图像的r、g、b三个分量，其中第一幅为连续灰度图像，后两幅为储存灰度值二进制信息的二值图像，而由于三个通道中的像素单元都包含8个纳米砖单元，像素大小都一致，因此三幅图像的大小也一致，如图5所示。此外还设计另两组对比实验，如图6,图7所示。
[0049]
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出任何的修改和改变，都落入本发明的保护范围。