基于多光谱的超表面热辐射信息加载、读取装置和方法

摘要

本发明公开了一种基于多光谱的超表面热辐射信息加载、读取装置和方法，属于微纳光学领域，加载装置包括：自下而上依次分布的金属背板、绝缘层和光学天线阵列；金属背板、绝缘层和光学天线阵列共同构成频率选择性超表面吸收体；光学天线阵列分布有呈阵列分布的多种天线簇，且各种天线簇横向特征尺寸不同，使频率选择性超表面吸收体发射不同波长的电磁波，将彼此独立的图像信息分别加载到横向特征尺寸不同的光学天线阵列上，并将加载的信息调制到其发射的不同波长的电磁波波长维度中。本发明装置将不同类别的信息加载到不同波长的长波红外热辐射上，载体信息容量和保密性增加；只需要选择相应的滤光片就能将信息读出，操作简单。

权利要求

1.一种基于多光谱的超表面热辐射信息加载装置，其特征在于，包括：自下而上依次分布的金属背板、绝缘层和光学天线阵列；

金属背板、绝缘层和光学天线阵列共同构成频率选择性超表面吸收体；

光学天线阵列分布有呈阵列分布的多种天线簇，且各种天线簇的横向特征尺寸不同，使频率选择性超表面吸收体发射不同波长的电磁波；天线簇横向特征尺寸L与频率选择性超表面吸收体发射波长越长λ满足以下关系：λ＝(n绝缘层+1)*L

其中，n绝缘层为绝缘层折射率；

所述频率选择性超表面吸收体，用于将彼此独立的各类图像信息分别加载到横向特征尺寸不同的光学天线阵列上，并将加载的信息调制到其发射的不同波长的电磁波波长维度当中。

2.根据权利要求1所述的一种基于多光谱的超表面热辐射信息加载装置，其特征在于，横向特征尺寸相同的天线簇对应的频率选择性超表面吸收体在8‑14μm波长范围内只发射一种波长电磁波；通过调整天线簇的横向特征尺寸调整频率选择性超表面吸收体的发射波长。

3.根据权利要求1所述的一种基于多光谱的超表面热辐射信息加载装置，其特征在于，所述绝缘层材料为：硅、锗或氮化硅。

4.根据权利要求1所述的一种基于多光谱的超表面热辐射信息加载装置，其特征在于，所述金属背板和光学天线阵列材料为金、银、铝、铁、铜、镍或铬。

5.根据权利要求1‑4任一项所述的一种基于多光谱的超表面热辐射信息加载装置，其特征在于，所述装置还包括衬底；所述衬底用于支撑上述频率选择性超表面吸收体。

6.根据权利要求1‑4任一项所述的一种基于多光谱的超表面热辐射信息加载装置，其特征在于，所述装置还包括加热器；所述加热器用于对频率选择性超表面吸收体进行加热。

7.一种基于多光谱的超表面热辐射信息读取装置，其特征在于，包括：窄带滤光片和长波红外摄像仪；

所述窄带滤光片位于长波红外摄像仪前方，且其透过率波长与频率选择性超表面吸收体发射的波长对应相同；所述频率选择性超表面吸收体，将彼此独立的各类图像信息分别加载到横向特征尺寸不同的光学天线阵列上，并将加载的信息调制到其发射的不同波长的电磁波波长维度当中；天线簇横向特征尺寸L与频率选择性超表面吸收体发射波长越长λ满足以下关系：

λ＝(n绝缘层+1)*L

其中，n绝缘层为绝缘层折射率。

8.一种基于多光谱的超表面热辐射信息读取方法，其特征在于，包括：S1.采用权利要求1‑6任一项所述热辐射信息加载装置，发射加载有特定图像信息的不同波长的电磁波；

S2.长波红外摄像仪通过窄带滤光片，读取加载有图像信息的一种波长的电磁波；

S3.重复更换窄带滤光片，读取加载有图像信息的另一种波长的电磁波，直至将加载有图像信息的所有波长的电磁波全部读出；

S4.对读取出的电磁波亮度值进行量化处理，从而将不同波长的电磁波中的图像信息读取出来。

说明书

基于多光谱的超表面热辐射信息加载、读取装置和方法

技术领域

[0001] 本发明属于微纳光学领域，更具体地，涉及一种基于多光谱的超表面热辐射信息加载、读取装置和方法。

背景技术

[0002] 信息加载及读取是人类生活、社会生产的关键技术，与人类的工作和生活息息相关。不同的信息加载和读取方法为信息传输提供了更多的可能性。随着社会的发展，信息加
载的应用场景越来越广，性能要求也越来越高，研究信息加载方法、装置及所加载的信息具
有重要的意义。随着大数据时代的到来，增加载体信息容量以及提高信息的保密度是一种
迫切的需求。

[0003] 将不同信息加载到不同波长上是一种常见的拓展载体信息容量以及增加保密的程度的方法。在常见的可见光波段上，不同的波长对应的是不同的颜色。受色盲检测图的启
发：使用不同颜色的笔将不同的信息写在同一张纸的相同位置，信息间彼此重叠不仅能增
加信息的保密性，同时还能增加信息容量。信息读取阶段，只需要在纸张前放置相应的窄带
滤光片便可将某一类信息完好地解读出来，这是一种典型的多光谱信息加载技术。基于多
光谱的信息加载方式不仅能提高信息的保密性，同时还增加载体的信息容量，而且信息读
取过程简单。

[0004] 但是基于可见光多光谱信息加载技术存在以下不足：1、信息读取过程需要使用光源主动照明，且受光源影响大，光源选择错误会使得信息读取信噪比降低，使得读取信息发
生错误甚至完全不能读出。2、工作在可见光波段下，工作波段单一，只需要使用手机拍摄，
并进行简单的数字颜色滤波后就能将信息度读出，保密性比较差。

发明内容

[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于多光谱的超表面热辐射信息加载、读取装置和方法，其目的在于提高加载信息的保密性，同时提高加载的信息
容量。

[0006] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于多光谱的超表面热辐射信息加载装置，包括：自下而上依次分布的金属背板、绝缘层和光学天线阵列；

[0007] 金属背板、绝缘层和光学天线阵列共同构成频率选择性超表面吸收体；

[0008] 光学天线阵列分布有呈阵列分布的多种天线簇，且各种天线簇的横向特征尺寸不同，使频率选择性超表面吸收体发射不同波长的电磁波；

[0009] 频率选择性超表面吸收体，用于将彼此独立的各类图像信息分别加载到横向特征尺寸不同的光学天线阵列上，并将加载的信息调制到其发射的不同波长的电磁波波长维度
当中。

[0010] 进一步地，横向特征尺寸相同的天线簇对应的频率选择性超表面吸收体在8‑14μm波长范围内只发射一种波长电磁波；通过调整天线簇的横向特征尺寸调整频率选择性超表
面吸收体的发射波长。

[0011] 进一步地，天线簇横向特征尺寸L与频率选择性超表面吸收体发射波长越长λ满足以下关系：

[0012] λ＝(n绝缘层+1)*L

[0013] 其中，n绝缘层为绝缘层折射率。

[0014] 进一步地，绝缘层材料为：硅、锗或氮化硅。

[0015] 进一步地，金属背板和光学天线阵列材料为金、银、铝、铁、铜、镍或铬。

[0016] 进一步地，上述装置还包括衬底；所述衬底用于支撑上述频率选择性超表面吸收体。

[0017] 进一步地，上述装置还包括加热器；所述加热器用于对频率选择性超表面吸收体进行加热。

[0018] 本发明还提供了一种基于多光谱的超表面热辐射信息读取装置，包括：窄带滤光片和长波红外摄像仪；

[0019] 窄带滤光片位于长波红外摄像仪前方，且其透过率波长与频率选择性超表面吸收体发射的波长对应相同；频率选择性超表面吸收体，将彼此独立的各类图像信息分别加载
到横向特征尺寸不同的光学天线阵列上，并将加载的信息调制到其发射的不同波长的电磁
波波长维度当中。

[0020] 本发明还提供了一种基于多光谱的超表面热辐射信息读取方法，包括：

[0021] S1.采用上述热辐射信息加载装置，发射加载有特定图像信息的不同波长的电磁波；

[0022] S2.长波红外摄像仪通过窄带滤光片，读取加载有图像信息的一种波长的电磁波；

[0023] S3.更换窄带滤光片，读取加载有图像信息的另一种波长的电磁波，重复上述过程直至将加载有图像信息的所有波长的电磁波全部读出；

[0024] S4.对读取出的电磁波亮度值进行量化处理，从而将不同波长的电磁波中的图像信息读取出来

[0025] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。

[0026] (1)将信息加载到电磁波的频率维度上，使用的不同频率选择性超表面吸收体发射的长波红外热辐射被长波红外热像仪接收后显示的灰度相近，各类信息在热像仪上显示
灰度相近，不使用滤光片直接使用长波红外热像仪只能得到模糊的图像，无法提取任何有
效信息，提高了信息的保密度。

[0027] (2)本发明通过将不同类别的信息加载到不同波长的长波红外热辐射上，从而增加载体信息容量：在一个像素单元中放置不同频率选择性超表面吸收体，某一种频率选择
性超表面吸收体将其将加载到其上的一类信息调制到其主动发射的特定波长的长波红外
热辐射当中，且不同频率选择性超表面吸收体发射的长波红外热辐射间没有串扰。

[0028] (3)本发明提供的频率选择性超表面吸收体能主动发射长波红外辐射，不需要主动照明，对光源没有依赖性，信息读取时只需要选择合适滤光片，即可实现信息读取，便于
操作。

附图说明

[0029] 图1为本发明实施例提供的一种基于多光谱的超表面热辐射信息加载装置结构图；

[0030] 图2为本发明实施例使用的不同半径的金属纳米圆盘阵列的SEM(scanning electron microscope扫描电子显微镜)图片；

[0031] 图3(a)‑3(c)为本发明实施例使用的3种周期‑半径的圆盘阵列加载的三类信息；其中，图3(a)为有效信息pattern1；图3(b)为有效信息pattern2；图3(c)为背景信息或干扰
信息pattern3；

[0032] 图4(a)中实线为pattern1使用的频率选择性超表面吸收体的吸收光谱，虚线为8μm窄带滤光片的透过率；

[0033] 图4(b)中实线为pattern2使用的频率选择性超表面吸收体的吸收光谱，虚线为10μm窄带滤光片的透过率；

[0034] 图4(c)为pattern3使用的频率选择性超表面吸收体的吸收光谱；

[0035] 图5(a)为常温下不使用窄带滤光片直接使用长波红外热像仪拍摄得到的结果；

[0036] 图5(b)为将超表面吸收体加热到60℃后，并在长波红外热像仪前放置中心波长为8μm窄带滤光片后得到的结果；

[0037] 图5(c)为将超表面吸收体加热到60℃后，在长波红外热像仪前放置中心波长为10.6μm的窄带滤光片后得到的结果。

具体实施方式

[0038] 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
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0039] 如图1所示，本发明实施例一提供了一种基于多光谱的超表面热辐射信息加载装置，包括：自下而上依次分布的金属背板、绝缘层和光学天线阵列；金属背板、绝缘层和光学
天线阵列共同构成频率选择性超表面吸收体；光学天线阵列分布有呈阵列分布的多种天线
簇，且各种天线簇的横向特征尺寸不同，使频率选择性超表面吸收体发射不同波长的电磁
波；频率选择性超表面吸收体，用于将彼此独立的图像信息分别加载到光学天线阵列中各
种天线簇的横向特征尺寸上，并将加载的信息调制到其发射的不同波长的电磁波波长维度
当中；其中，绝缘层材料为：硅、锗或氮化硅。金属背板和光学天线阵列材料为金、银、铝、铁、
铜、镍或铬。

[0040] 入射电磁波能激励起光学天线簇中电子气的振荡，进而激发起局域表面等离激元，入射电磁波被束缚在MIM(Metal‑Insulator‑Metal)型超表面吸收体中，以欧姆热损耗
的方式损耗掉，因而超表面吸收体在局域表面等离激元谐振频率处呈现出高吸收特性。频
率选择性超表面吸收体辐射电磁波的能力遵循基尔霍夫热辐射定律，根据霍夫热辐射定
律，发射率ε(λ)等于吸收率A(λ)，由于频率选择性超表面吸收体在8‑14μm波长范围内只对
某一频段的长波红外热辐射有较高的吸收率，相应地，频率选择性超表面吸收体在8‑14μm
波长范围内只发射一种波长电磁波。

[0041] 当天线簇的横向特征尺寸改变时，局域表面等离激元谐振频率发生改变，吸收波长发生改变，一般说来，天线簇横向特征尺寸L越大，频率选择性超表面吸收体发射波长越
长，两者满足关系：λ＝(n绝缘层+1)*L，其中，n绝缘层为绝缘层折射率。因此通过改变天线簇的横
向特征尺寸，能实现超表面吸收体对入射电磁波吸收波长和吸收强度的灵活控制。

[0042] 本发明的光学天线阵列可为圆盘形阵列、正方形直柱形阵列、多边形直柱阵列等，本发明实施例采用如图2所示的金属纳米圆盘形阵列，其横向特征尺寸包括圆盘的周期和
半径，图2中金属纳米圆盘周期‑半径有三种，分别为：周期2μm，半径0.6μm；周期4μm，半径
0.8μm；周期3μm，半径1.05μm；一种周期和半径的圆盘加载一类图像信息，另一种周期和半
径的圆盘加载另一类图像信息，各类图像信息相互独立，从而实现多光谱的超表面热辐射
信息加载，因此图2中三种周期和半径的圆盘一共加载了三类图像信息，如图3(a)‑图3(c)
所示，其中图3(a)和3(b)为有效信息，图3(c)为背景信息。

[0043] 上述装置还可包括加热器，对上述频率选择性超表面吸收体进行加热。

[0044] 上述装置还可包括衬底，用于支撑上述频率选择性超表面吸收体。

[0045] 本发明实施例还提供了一种基于多光谱的超表面热辐射信息读取装置，包括：窄带滤光片和长波红外摄像仪；窄带滤光片位于长波红外摄像仪前方，且其透过率波长与频
率选择性超表面吸收体发射的一种波长对应相同。

[0046] 与上述加载、读取装置对应，本发明实施例还提供了一种基于多光谱的超表面热辐射信息读取方法，包括：

[0047] S1.采用热辐射信息加载装置，发射加载有特定图像信息的不同波长的电磁波；

[0048] S2.长波红外摄像仪通过窄带滤光片，读取加载有图像信息的一种波长的电磁波；

[0049] 具体地，在长波红外热像仪前放置相应的窄带滤光片，当放置光谱透过率为t(λ)的窄带滤光片时，长波红外热像仪接收的光谱辐照度为：

[0050] E(λ)＝Mb(λ,T)*A(λ)*t(λ)

[0051] 其中，Mb(λ,T)为温度T下黑体的光谱辐出度，A(λ)为频率选择性超表面吸收体的吸收光谱；

[0052] 当窄带滤光片的峰值透射波长与某一频率选择性超表面吸收体的峰值吸收波长相对应相等时，能将该波段加载的信息提取出来，如图4(a)‑图4(c)所示。

[0053] S3.重复更换窄带滤光片，读取加载有图像信息的另一种波长的电磁波，直至将加载有图像信息的所有波长的电磁波全部读出；

[0054] S4.对读取出的电磁波亮度值进行量化处理，从而将不同波长的电磁波中的图像信息读取出来。

[0055] 对上述方法和装置的有效性进行验证，得到以下实验结果，其中图5(a)为常温下不添加窄带滤光片，直接使用长波红外热像仪对样品进行拍摄，可以看出，三种频率选择性
超表面吸收体发射的长波红外热辐射被长波红外热像仪接收后所得灰度相近，三类图像信
息被长波红外热像仪接收后混杂一体，图像整体灰度相近，无法区分读出其中任一种信息。
因此，不使用滤光片直接使用长波红外热像仪只能得到模糊的图像，无法获得任何有效信
息；图5(b)为将超表面吸收体加热到60℃后，并在长波红外热像仪前放置中心波长为8μm的
窄带滤光片后得到的结果，和图5(a)进行比较，所得图像清晰可见，读出信息的信噪比有明
显提升，能准确获取有效信息；图5(c)为将超表面吸收体加热到60℃后，并在长波红外热像
仪前放置中心波长为10.6μm的窄带滤光片后得到的结果，和图5(a)进行比较，所得图像清
晰可见，读出信息的信噪比有明显提升，能准确获取有效信息。

[0056] 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。