一种基于正交圆极化波的双通道全息成像器及其调控方法

1.本发明涉及电磁材料技术领域，特别涉及一种基于正交圆极化波幅相调控的双通道全息成像器及其调控方法。


背景技术：

2.全息成像为实现三维成像最重要的技术手段之一。随着计算机科学和光电子学的飞速发展，计算全息术得到了广泛应用。在电磁领域中，通过调控电磁波的相位信息可实现三维成像，但成像质量不高。而近年来，许多新奇的全息成像器通过精确操控电磁波的幅相信息实现了高质量的全息成像。
3.然而，现有的大部分全息成像器只能通过调控单一极化状态的电磁波的幅相信息来实现单幅图像的重现，而即使利用多层的、较厚的、复杂的结构材料来设计全息成像器，也难以同时在多通道中重现多幅图像，这严重限制了全息成像器适用性和利用率地进一步提升，阻碍了其在工程实践中的应用。因此，亟需设计出能够在多通道中同时重现多幅图像的全息成像器。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述背景技术中提出的技术问题，设计一种基于正交圆极化波幅相调控的双通道全息成像器及其调控方法。
5.本发明实施例提供一种基于正交圆极化波幅相调控的双通道全息成像器，包括：
6.多个结构不同的圆极化幅相调控单元；
7.所述圆极化幅相调控单元，其由上至下依次包括伞形结构、介质基板和金属背板；
8.所述伞形结构，其左臂和右臂的圆弧半径以及中柄的半长均相同，且左臂和右臂圆弧弧度均相同；其左臂和右臂中关于中柄对称地嵌入有阻值不同的左电阻和右电阻；
9.其中，当同频段相互正交的左旋圆极化波和右旋圆极化波入射时，通过改变左电阻和右电阻的阻值分别对左旋圆极化波和右旋圆极化波同极化反射幅值进行调控，通过旋转伞形结构和改变伞形结构两臂弧度对左旋圆极化波和右旋圆极化波同极化反射相位进行调控，及将多个不同结构的圆极化幅相调控单元按照调控后的幅值和相位分布排布形成双通道全息成像器。
10.进一步地，所述圆极化幅相调控单元的周期为p＝10mm。
11.进一步地，所述左臂和所述右臂的圆弧半径、以及所述中柄的半长均为r＝4mm。
12.进一步地，所述左臂、所述右臂和所述中柄的线宽均为w＝0.5mm。
13.进一步地，所述左臂和所述右臂、与所述中柄的相交处到左电阻和右电阻前端的弧度均为β＝75
°
，所述左臂和所述右臂、与中柄相交处到左电阻和右电阻末端的弧度均为γ＝88
°
。
14.进一步地，所述伞形结构除左电阻和右电阻外的结构为金属结构。
15.进一步地，所述介质基板为厚度d＝4mm的f4b介质基板。
16.进一步地，所述f4b介质基板的相对介电常数为2.65，损耗角正切值为0.001。
17.本发明实施例还提供一种基于正交圆极化波的双通道全息成像器的调控方法，包括：
18.扫描伞形结构中左臂或右臂的弧度α，并选定满足以下条件的n组数据值作为弧度α的参数值：每相邻的圆极化幅相调控单元对左旋圆极化波或右旋圆极化波的同极化反射相位存在相位差，n个圆极化幅相调控单元的同极化反射相位能够覆盖180
°
；
19.根据左旋圆极化波和右旋圆极化波入射时在双通道全息成像器产生的不同全息图，推导计算双通道全息成像器上每个位置的圆极化幅相调控单元所需的左旋圆极化波和右旋圆极化波同极化反射相位；按照反射相位需求，从n组数据值中选择具有对应同极化反射相位的圆极化幅相调控单元进行排布；其导公式如下：
[0020][0021][0022]
其中，u(x，y)和u(x0，y0)分别为双通道全息成像器和目标图像的电场分布，(x，y)和(x0，y0)分别为双通道全息成像器和成像平面上的位置坐标，r＝[(x-x0)2 (y-y0)2 l2]
1/2
为双通道全息成像器上的点与成像平面上的点的距离，l为双通道全息成像器与成像平面的垂直距离，k和λ为自由空间中电磁波的波数和波长，cos《n，r》＝l/r为倾斜因子，s为成像平面上的所有点，和分别为左旋圆极化波和右旋圆极化波入射时产生不同全息图所需的同极化反射相位分布，和即为电场分布u(x，y)中的相位分布；
[0023]
根据左旋圆极化波和右旋圆极化波入射时在双通道全息成像器产生的不同全息图，推导计算双通道全息成像器上每个位置的圆极化幅相调控单元的伞形结构所需的旋转角度θ(x，y)；其导公式如下：
[0024][0025]
扫描左电阻或右电阻的阻值，并选定满足以下条件的m组数据值作为左电阻和右电阻阻值的参数值：每相邻的圆极化幅相调控单元之间存在对左旋圆极化波或右旋圆极化波的同极化反射幅值差，m个圆极化幅相调控单元的同极化反射幅值能够覆盖0至1。
[0026]
根据左旋圆极化波和右旋圆极化波入射时在双通道全息成像器产生的不同全息图，推导计算双通道全息成像器上每个位置的圆极化幅相调控单元所需的左旋圆极化波和右旋圆极化波同极化反射幅值；按照反射幅值需求，从m组数据值中选择对应阻值的电阻嵌入到相应位置的圆极化幅相调控单元的左臂或右臂中进行排布。
[0027]
进一步地，所述α的取值范围为90
°
～180
°
。
[0028]
本发明实施例提供的上述基于正交圆极化波幅相调控的双通道全息成像器及其调控方法，与现有技术相比，其有益效果如下：
[0029]
(1)本发明提供的双通道全息成像器，在左旋和右旋圆极化波入射下可同时地重现出两幅独立的高质量全息图像。现有的资料显示，对于多通道全息成像器的研究并不多，其中大多数工作只能调控入射电磁波的相位信息而产生质量不高的全息图像，极个别工作在结构材料厚度大、层数多、设计复杂的情况下可以在不同频段产生不同的全息图像，并且其研究方法与本发明的原理并不相同，本发明提供的双通道全息成像器能够在同频段左旋和右旋圆极化波入射下产生两幅独立的全息图，有效地提升了全息成像器的利用率和适用性。
[0030]
(2)本发明采用的圆极化幅相调控单元分别调控伞形结构左臂和右臂的参数来实现对左旋和右旋圆极化入射波幅相信息的独立调制，极大地降低了不同通道中全息图像之间的相互串扰，保证了所生成多幅全息图像的保真度。
[0031]
(3)本发明提供的圆极化幅相调控单元可独立高效地调控左旋圆极化波和右旋圆极化波的幅相信息，不同的单元排布可以生成不同的全息图像，同时也可实现其他所需的电磁功能(如波束赋形、圆二色性调制、透镜聚焦等)，在通讯、探测、多功能设备设计等领域中也有广阔的应用前景。
[0032]
(4)本发明设计结构简单，层数少，厚度小，原理易行，可采用印刷电路板技术进行样品制备，加工方便且成本低。
附图说明
[0033]
图1为一个实施例中提供的基于正交圆极化波幅相调控的双通道全息成像器示意图；
[0034]
图2为一个实施例中提供的圆极化幅相调控单元的结构示意图；
[0035]
图3为一个实施例提供的圆极化幅相调控单元在圆极化波入射下电流分布的仿真结果；
[0036]
图4为一个实施例提供的圆极化幅相调控单元在圆极化波入射下的同极化反射幅值随左电阻和右电阻阻值变化的仿真结果，其中：(a)是左旋圆极化波入射下的同极化反射幅值，(b)是右旋圆极化波入射下的同极化反射幅值；
[0037]
图5为一个实施例提供的圆极化幅相调控单元在圆极化波入射下的同极化反射相位随左臂和右臂弧度变化的仿真结果，其中：(a)是左旋圆极化波入射下的同极化反射相位，(b)是右旋圆极化波入射下的同极化反射相位；
[0038]
图6为一个实施例提供的12个圆极化幅相调控单元的俯视图和在10ghz时12个圆极化幅相调控单元对圆极化波的同极化反射幅值和相位的仿真结果；
[0039]
图7为一个实施例提供的圆极化幅相调控单元伞形结构旋转θ后的结构示意图；
[0040]
图8为一个实施例提供的双通道全息成像器在10ghz时左旋圆极化波入射下生成字母“l”和右旋圆极化波入射下生成字母“r”所需的幅值和相位分布，其中：(a)是生成字母“l”所需的幅值分布，(b)是生成字母“r”所需的幅值分布，(c)是生成字母“l”所需的相位分布，(d)是生成字母“r”所需的相位分布；
[0041]
图9为一个实施例提供的双通道全息成像器在10ghz时左旋圆极化波入射下生成字母“l”和右旋圆极化波入射下生成字母“r”的理论和仿真成像结果，其中：(a)是左旋圆极化波入射下的理论成像结果，(b)是右旋圆极化波入射下的理论成像结果，(c)是左旋圆极
化波入射下的仿真成像结果，(d)是右旋圆极化波入射下的仿真成像结果；
[0042]
图10为一个实施例提供的样品照片；
[0043]
图11为一个实施例提供的近场测试实验设置图；
[0044]
图12为一个实施例提供的双通道全息成像器在10ghz时左旋圆极化波入射下生成字母“l”和右旋圆极化波入射下生成字母“r”的测试成像结果，其中：(a)是左旋圆极化波入射下的测试成像结果，(b)是右旋圆极化波入射下的测试成像结果。
具体实施方式
[0045]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0046]
一个实施例中，提供的一种基于正交圆极化波幅相调控的双通道全息成像器，该双通道全息成像器包括：
[0047]
多个结构不同的圆极化幅相调控单元10；圆极化幅相调控单元10，其由上至下依次包括伞形结构101、介质基板102和金属背板103；伞形结构101，其左臂1011和右臂1012的圆弧半径以及中柄1013的半长均相同，且左臂1011和右臂1012圆弧弧度均相同；其左臂1011和右臂1012中关于中柄1013对称地嵌入有阻值不同的左电阻和右电阻。
[0048]
参照图1，本发明实施例中提供的一种基于正交圆极化波幅相调控的双通道全息成像器1，双通道全息成像器1由多个不同的圆极化幅相调控单元10组成，其在左旋圆极化波入射下生成字母“l”的全息图，在右旋圆极化波入射下生成字母“r”的全息图。
[0049]
参照图2，圆极化幅相调控单元10，其周期为p＝10mm，包括伞形结构101、介质基板102和金属背板103。伞形结构101的左臂1011和右臂1012的圆弧半径以及中柄1013的半长均为r＝4mm，左臂1011、右臂1012和中柄1013的线宽均为w＝0.5mm，左臂1011和右臂1012圆弧弧度相同且为α。左臂1011和右臂1012中关于中柄1013对称地嵌入着阻值不同的左电阻和右电阻，伞形结构101除两个电阻外均为金属，两个电阻在两臂中的位置相同，且臂与中柄1013相交处到两个电阻前端的弧度均为β＝75
°
，臂与中柄1013相交处到两个电阻末端的弧度均为γ＝88
°
。介质基板102为厚度为d＝4mm的f4b介质基板，其相对介电常数为2.65，损耗角正切值为0.001。
[0050]
即，本发明实施例提供的上述双通道全息成像器，其所包含的圆极化幅相调控单元可通过改变伞形结构中左电阻和右电阻的阻值分别实现对左旋圆极化波和右旋圆极化波同极化反射幅值的操控，而通过旋转伞形结构和改变伞形结构两臂弧度可实现对左旋圆极化波和右旋圆极化波同极化反射相位的独立操控。由多个圆极化幅相调控单元按照特定幅值和相位分布排布而成的双通道全息成像器能够在同频段左旋圆极化波和右旋圆极化波入射下同时生成两幅独立的全息图像，而基于圆极化幅相调控单元对两种正交的圆极化波幅值和相位的独立调控，上述全息成像器的两个成像通道相互串扰小且成像质量高。该发明有效地提升了单一全息成像器的利用率和适用性，具有结构简单、厚度小、层数少和易于加工等优势，不仅在成像领域有重要的应用前景，而且所采用的单元结构和设计方法也可以运用到通讯、传感以及多功能设备设计等领域。
[0051]
基于上述双通道全息成像器，本发明实施例还提供的一种基于正交圆极化波幅相
调控的双通道全息成像器的调控方法，该调控方法包括：
[0052]
s1、通过仿真软件扫描伞形结构101中左臂1011或右臂1012的弧度α，并且α的取值范围为90
°‑
180
°
，选定其中满足以下条件的n组数据值作为左臂1011和右臂1012弧度α的参数值：每相邻的圆极化幅相调控单元10对左旋或右旋圆极化波的同极化反射相位存在相位差，n个圆极化幅相调控单元10的同极化反射相位可以覆盖180
°
。
[0053]
s2、根据左旋和右旋圆极化波入射时在双通道全息成像器1产生的不同全息图推导计算双通道全息成像器1上每个位置的圆极化幅相调控单元10所需的左旋和右旋圆极化波同极化反射相位，按照反射相位需求，从s1中的n组数据值中选择具有对应同极化反射相位的圆极化幅相调控单元10进行排布；推导公式如式(1)和式(2)所示。
[0054][0055][0056]
式(1)和式(2)中，u(x，y)和u(x0，y0)分别为双通道全息成像器1和目标图像的电场分布，(x，y)和(x0，y0)分别为双通道全息成像器1和成像平面上的位置坐标，r＝[(x-x0)2 (y-y0)2 l2]
1/2
为双通道全息成像器1上的点与成像平面上的点的距离，l为双通道全息成像器1与成像平面的垂直距离，k和λ为自由空间中电磁波的波数和波长，cos《n，r》＝l/r为倾斜因子，s为成像平面上的所有点，和分别为左旋和右旋圆极化波入射时产生不同全息图所需的同极化反射相位分布，和即为电场分布u(x，y)中的相位分布。
[0057]
s3、根据左旋和右旋圆极化波入射时在双通道全息成像器1产生的不同全息图推导计算双通道全息成像器1上每个位置的圆极化幅相调控单元10的伞形结构101所需的旋转角度θ(x，y)，推导公式如式(3)所示：
[0058][0059]
s4、通过仿真软件扫描左电阻或右电阻的阻值，选定其中的满足以下条件的m组数据值作为左电阻和右电阻阻值的参数值：每相邻的圆极化幅相调控单元10之间存在对左旋或右旋圆极化波的同极化反射幅值差，m个圆极化幅相调控单元10的同极化反射幅值可以覆盖0至1。
[0060]
s5、根据左旋和右旋圆极化波入射时在双通道全息成像器1产生的不同全息图推导计算双通道全息成像器1上每个位置的圆极化幅相调控单元10所需的左旋和右旋圆极化波同极化反射幅值，按照反射幅值需求，从s4中的m组数据值中选择对应阻值的电阻嵌入到相应位置的圆极化幅相调控单元10的左臂或右臂中进行排布。
[0061]
参照图3，可以看出圆极化幅相调控单元10在左旋圆极化波入射时表面电流分布在伞形结构101的左臂1011，右旋圆极化波入射时表面电流分布在右臂1012，所以可以通过调控左臂1011和右臂1012的参数分别独立地控制左旋圆极化波和右旋圆极化波的幅相信息。
[0062]
参照图4，可以看出圆极化幅相调控单元10在左旋圆极化波入射下的同极化反射幅值只与左电阻的阻值有关，与右电阻无关，而在右旋圆极化波入射下的同极化反射幅值只与右电阻的阻值有关，与左电阻无关，且调整左电阻和右电阻的阻值从0ω到300ω变化可实现对应同极化反射幅值从1到0的调控。需要说明的是，根据左旋和右旋圆极化波入射时产生的全息图像可得到相应圆极化波入射下双通道全息成像器1上所需幅值分布，再根据相应的幅值分布选择对应阻值的电阻嵌入到相应位置的圆极化幅相调控单元10的左臂或右臂中进行排布。
[0063]
参照图5，可以看出圆极化幅相调控单元10在左旋圆极化波入射下的同极化反射相位只与左臂1011的弧度有关，与右臂1012的弧度无关，而在右旋圆极化波入射下的同极化反射相位只与右臂1012的弧度有关，与左臂1011的弧度无关，且调整左臂1011和右臂1012的弧度从90
°
到170
°
变化可实现对应同极化反射相位大约180
°
的相位覆盖。
[0064]
参照图6，可以看出通过优化圆极化幅相调控单元10的左臂和右臂的弧度α，挑选出12个不同的圆极化幅相调控单元10，每相邻两个圆极化幅相调控单元10对圆极化波的同极化反射相位差约为15
°
，12个圆极化幅相调控单元10的同极化反射相位可以覆盖180
°
。因此，根据左旋和右旋圆极化波入射时产生的全息图像推导计算双通道全息成像器1上每个位置的圆极化同极化反射相位，按照此相位需求从12个圆极化幅相调控单元10中选择对应的单元进行排布。同时可以看出所选12个圆极化幅相调控单元10在其两个电阻阻值为0ω时有较高的同极化反射幅值。需要说明的是，根据左旋和右旋圆极化波入射时产生的全息图像可得到相应圆极化波入射下双通道全息成像器1上所需相位分布以及而每个位置的圆极化同极化反射相位为
[0065]
参照图7，结构为伞形结构旋转θ后的圆极化幅相调控单元10。需要说明的是，根据左旋和右旋圆极化波入射时产生的全息图像可得到相应圆极化波入射下双通道全息成像器1上所需相位分布以及而每个位置的旋转角度为
[0066]
图8为双通道全息成像器1在10ghz时左旋圆极化波入射下生成字母“l”和右旋圆极化波入射下生成字母“r”所需的幅值和相位分布，幅值和相位分布根据计算得到，其中，u(x，y)和u(x0，y0)分别为双通道全息成像器1和目标图像的电场分布，(x，y)和(x0，y0)分别为双通道全息成像器1和成像平面上的位置坐标，r＝[(x-x0)2 (y-y0)2 l2]
1/2
为双通道全息成像器1上的点与成像平面上的点的距离，l为双通道全息成像器1与成像平面的垂直距离，k和λ为自由空间中电磁波的波数和波长，cos《n，r》＝l/r为倾斜因子，s为成像平面上的所有点。
[0067]
图9为双通道全息成像器1在10ghz时的理论和仿真成像结果，可以看出当左旋圆极化波入射时，双通道全息成像器1在理论和仿真中均可生成高质量的字母“l”全息图，而当右旋圆极化波入射时，双通道全息成像器1在理论和仿真中均可生成高质量的字母“r”全息图。
[0068]
参照图10和图11，加工制作与仿真模型完全相同的样品，并对其在近场测试环境
中进行测试。
[0069]
图12为双通道全息成像器1在10ghz时的近场测试结果，可以看出当左旋圆极化波入射时，双通道全息成像器1在测试中可生成字母“l”全息图，而当右旋圆极化波入射时，双通道全息成像器1在测试中可生成字母“r”全息图。
[0070]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。