一种白光超表面角谱微分器及角谱微分方法

1.本发明属于光学空间调制器领域，更具体地，涉及一种白光超表面角谱微分器及角谱微分方法。


背景技术：

2.图像处理在生物成像、图形辨认、图形重构等方面都有重要意义，而增大图形的边缘与非边缘区域的对比度对于图形压缩、物体检测、显微观察都能起到非常大的作用。空间微分可以增大图形的边缘与非边缘区域的对比度。利用电学或光学手段可以实现空间微分，其中数字电路虽然可以实现复杂的数据处理，但是在计算速度和能量消耗上都有一定限制或缺点，而光学模拟信号处理可以直接对大面积的光信号进行实时处理，有效减少能量消耗。
3.在传统光学系统中光学模拟计算都是通过透镜及空间滤波器实现的，这些大体积的光学器件不适合用于器件集成。而超表面作为平面器件，体积较小，有利于实现器件的高密度集成。超表面一般由在平面上分布的亚波长人工微纳结构组成，这些亚波长结构可以有效调控电磁波的振幅、相位及偏振，通过合理设计这些亚波长结构可以使超表面具有各种各样的功能，从而完成光学模拟计算，比如空间微分。之前已有的超表面微分器都是空间微分器，是对光学图样本身进行微分计算，而且其中大多数结构基于共振原理，难以宽频工作。
4.在某些情况下，例如光在远场形成全息图像时，光场的空间分布并不具有明显的意义，相对的是光场的角谱分布会形成某种特定图形，在此基础上可能需要对光场的角谱分布进行某种特定的微分处理。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种白光超表面角谱微分器及角谱微分方法，目的在于实现可见光范围内可对光场空间频率进行微分计算的小型平面器件，突破传统光学系统中的诸多限制，丰富超表面微分器的应用范围，拓展超表面微分器的工作带宽。
6.为实现上述目的，本发明一方面提供了一种白光超表面角谱微分器，包括：衬底与纳米柱结构，其中衬底用于支撑纳米柱结构。x或y偏振光经纳米柱结构中单个纳米柱单元调制，其透射光及反射光中y或x偏振成分的局域透射率及局域反射率与该处纳米柱单元的旋转角度θ二倍角的正弦值sin(2θ)成正比。纳米柱结构内纳米柱单元阵列旋转角度的排布为θ＝
±
arcsin[(x/x
max
)m(y/y
max
)n]/2，透射场和反射场分布皆与入射场与空间坐标若干次幂的乘积xmyne(x,y)成正比。光场角谱由光场自身经傅里叶变换得到，例如入射场角谱透射场和反射场的角谱皆与成正比，该白光超表面角谱微分器完成对入射光场角谱的微分运算。其中，x和y分别为垂直于光传播方向平面内、互相垂直的两个方向
的空间坐标，x
max
和y
max
分别为所述白光超表面微分器对应于x，y两个方向的空间坐标最大值，m与n皆为非负整数，分别为入射光角谱对空间频率k
x
和ky的微分阶数。
[0007]
优选地，衬底为石英衬底。
[0008]
优选地，纳米柱结构的材料为硅。
[0009]
优选地，硅纳米柱结构内所有纳米柱单元截面形状及高度一样，为有效提高可见光波段的整体透射效率，纳米柱单元尺寸为长200纳米、宽100纳米、高220纳米，相邻两个纳米柱单元之间的中心距离为280纳米。
[0010]
优选地，该白光超表面角谱微分器可在整个可见光波段内工作，并且不同波长下工作效率不同，该特征是基于在x或y偏振的入射光经所述纳米柱结构中单个纳米柱单元后，透射光与反射光中y或x偏振成分的局域透射率及局域反射率与该处纳米柱单元的旋转角度θ的二倍角的正弦值sin(2θ)成正比这一性质不随波长而变化，但该正比例系数会随波长不同而不同，造成不同波长下的工作效率不同。为了提高工作效率，纳米柱结构与衬底材料可以选择于工作波段内透射率或反射率较高的材料。
[0011]
本发明另一方面提供了一种角谱微分方法，包括以下步骤：
[0012]
以线偏振入射的入射光经过所述白光超表面角谱微分器，产生透射光与反射光，透射光及反射光的角谱与入射光的角谱对应阶数的微分成正比，所述白光超表面角谱微分器完成对入射光角谱的微分运算。
[0013]
优选地，入射光为x偏振或y偏振。
[0014]
优选地，透射光与反射光为与入射偏振正交的偏振成分。
[0015]
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
[0016]
1、本发明主要针对光场的角谱或者说空间频率分布进行微分运算，相比于其它超表面空间微分器，本发明首次将空间频率作为微分对象。
[0017]
2、本发明采用微纳结构直接实现角谱微分功能，相比于传统的分立器件，成本更低，体积更小。可以通过选择合适的衬底材料、纳米柱材料及纳米柱结构尺寸参数来设计工作于各种不同波段的微分器。
[0018]
3、本发明提供的白光超表面角谱微分器结构紧凑，为平面器件，易于提高集成度，适合模块化的工业制作。
[0019]
4、本发明适用的测量范围广，从自然存在的物体到人工设计的结构都可以作为对象进行观察，工作场景丰富。
附图说明
[0020]
图1是本发明提供的一种白光超表面角谱微分器的三维结构示意图；
[0021]
图2是本发明提供的一种白光超表面角谱微分器的俯视图；
[0022]
图3是本发明提供的一种白光超表面角谱微分器的侧视图；
[0023]
图4是本发明提供的白光超表面角谱微分器的对角谱分布进行微分处理的透射式工作方式示意图；
[0024]
图5是本发明提供的白光超表面角谱微分器的对角谱分布进行微分处理的反射式工作方式示意图；
[0025]
图6是本发明提供三种白光超表面角谱微分器在高斯光源入射下的对应结果及对
应的纳米柱单元阵列内纳米柱旋转角度排布，(a)为对应于m＝1，n＝0的角谱微分器及入射结果，(b)为对应于m＝1，n＝1的角谱微分器及入射结果，(c)为对应于m＝3，n＝2的角谱微分器及入射结果；
[0026]
图7是本发明提供的图6中三种白光超表面角谱微分器在角谱分布为五角星图形的光源入射下的对应结果及对应的纳米柱单元阵列内纳米柱旋转角度排布，(a)为对应于m＝1，n＝0的角谱微分器及入射结果，(b)为对应于m＝1，n＝1的角谱微分器及入射结果，(c)为对应于m＝3，n＝2的角谱微分器及入射结果。
具体实施方式
[0027]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
[0028]
本发明提供了一种白光超表面角谱微分器，包括：石英衬底与纳米柱结构。其中石英衬底用于支撑纳米柱结构。x或y偏振光经纳米柱结构调制，其透射光和反射光中y或x偏振成分的局域透射率和反射率与该处纳米柱旋转角度θ二倍角的正弦值sin(2θ)成正比。纳米柱结构内纳米柱单元阵列旋转角度的排布为θ＝
±
arcsin[(x/x
max
)m(y/y
max
)n]/2，透射场和反射场分布皆与入射场与空间坐标若干次幂的乘积xmyne(x,y)成正比，透射场和反射场的角谱皆与成正比。
[0029]
具体地，纳米柱结构内所有纳米柱单元截面形状及高度一样，长200纳米、宽100纳米、高220纳米，相邻两个纳米柱单元的中心距离为280纳米。
[0030]
具体地，该白光超表面角谱微分器可在整个可见光波段内工作，并且不同波长下工作效率不同。为了提高工作效率，纳米柱结构与衬底材料可以选择在工作波段内透射率或反射率较高的材料。
[0031]
以下结合具体实施例及附图进行说明。
[0032]
如图1-3所示，本发明提供的一种白光超表面角谱微分器包括：起到对角谱或者说空间频率进行微分作用的纳米柱结构1与支撑该结构的衬底2。入射的x或y线偏振光从衬底一侧入射，经过纳米柱结构后，其出射光中y或x偏振成分的局域透射率与局域反射率与该处纳米柱单元旋转角度θ的二倍角正弦值sin(2θ)成正比。纳米柱结构内纳米柱单元阵列旋转角排布为θ＝
±
arcsin[(x/x
max
)m(y/y
max
)n]/2，透射场及反射场与入射场和空间坐标的对应级次幂的乘积xmyne(x,y)成正比，透射场角谱与入射场角谱的对应阶数的微分成正比。其中衬底与纳米柱材料皆可选择在工作频段内损耗较低的材料，纳米柱单元的尺寸尽量满足半波片的要求。
[0033]
如图4所示是本发明实施例提供的白光超表面角谱微分器对光场角谱进行微分的透射式工作方式示意图，入射光经过起偏器3，以线偏振入射至白光超表面角谱微分器4上，其透射光被后方的物镜5收集，经检偏器6滤除与入射同偏振的成分，在物镜5焦平面上，光收集器7将得到入射场角谱的微分图像。
[0034]
如图5所示是本发明实施例提供的白光超表面角谱微分器对光场角谱进行微分的
反射式工作方式示意图，入射光经过起偏器3及分束器8，以线偏振入射至白光超表面角谱微分器4上，其反射光经分束器8反射后被物镜9收集，经检偏器10滤除与入射同偏振的成分，在物镜9焦平面上，光收集器11将得到入射场角谱的微分图像。
[0035]
如图6所示是该白光超表面角谱微分器的三个具体实施例在高斯光源入射下的对应结果与对应的硅纳米柱结构俯视图以及纳米柱阵列中每个纳米柱单元的旋转角度值。三个具体实施例白光超表面角谱微分器中，硅纳米柱结构内纳米柱阵列中每个纳米柱单元的旋转角度排布分别为θ＝arcsin(x/x
max
)/2，θ＝arcsin[(x/x
max
)(y/y
max
)]/2，θ＝arcsin[(x/x
max
)3(y/y
max
)2]/2，入射场e(x,y)经过对应的白光超表面角谱微分器后，透射场分别与xe(x,y)，xye(x,y)，x3y2e(x,y)成正比，透射场角谱分别与入射场的角谱a(k
x
,ky)对应阶数的微分成正比。
[0036]
如图7所示是与图6中相同的白光超表面角谱微分器的三个具体实施例在角谱分布为五角星图形的光源入射下的对应结果与对应的硅纳米柱结构俯视图以及纳米柱阵列中每个纳米柱单元的旋转角度值。光源的角谱经过微分运算后，原本角谱中的边缘与周围区域的对比度增大，五角星图形的边缘得到凸显。
[0037]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。