CN100351675C - 形成含有隐藏图像的点阵衍射图的方法及用其制成的产品 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种形成含有隐藏图像的点阵衍射图的方法，以及由该方法制成的产品。应用本发明的方法记录的点阵衍射图是由两个基元光栅G₁、G₂复合而成复合光栅。根据照明条件、再现图像和再现位置，确定基元光栅的参数，使得该点阵衍射图在一定的单色照明条件下，在距衍射图一定距离的范围内再现出指定图像。

Description

形成含有隐藏图像的点阵衍射图的方法及用其制成的产品

技术领域

本发明涉及一种光学防伪方法及其产品，具体地说，涉及一种形成带有隐藏图像点阵衍射图的方法，该点阵衍射图可在特定条件的单色光照射下在预定的平面上形成衍射图像及其产品。

背景技术

光可变图像光学防伪技术已广泛地应用于防伪领域。在对安全性要求高的产品，例如钞票、信用卡、身份证、护照以及各种有价票券或证卡上，普遍采用了该技术。在商品流通领域，各种名牌产品更是首选该项技术作为防止假冒和维护品牌声誉的手段。其中由衍射图的衍射作用再现出来的图像是一种常见的光可变图像，它包括由白光和激光再现的各类全息图像、点阵图像、e-beam(电子束)图像、各种编码图像以及类似技术形成的图像等。

衍射图一般来说是由浮雕型(可能涂有保护层)衍射光栅构成的，这种衍射光栅可以用模压、注塑等方法进行大规模的批量生产。光可变图像就是通过光栅对照明光的衍射作用再现出来的。因此，它的特征也是由衍射图上的光栅结构决定的。

点阵衍射图是应用最为广泛的一种光可变图像，它是由点状衍射单元阵列组成。换言之，用于构成该点阵衍射图图案的每个像素实际上都是一个衍射光栅。各单元衍射光栅的光栅矢量可以是不同的。对一般点阵衍射图而言，正是由于光栅矢量的变化，使得它具有醒目的动感效果，容易给人以深刻的印象。而且它的亮度高、观察范围广。

中国专利申请01113740.1号公开了一种形成由光栅构成的衍射器件的方法。该方法是使用简单的光栅(余弦光栅或类似的光栅)形成像素，并且各像素衍射光栅的光栅矢量的大小和方向都发生改变。根据该专利申请所述的方法形成的图案可以用于防伪的目的。用该专利申请所公开的方法形成的防伪产品是用常规设备制作的，它的特征是正一级(或负一级)衍射光在距衍射图一定距离的平面内形成再现像。

发明内容

本发明的目的就是提供一种利用复合光栅技术生成带有隐藏图像的点阵衍射图的方法以及利用这种方法制成的防伪产品。在通常的白光照明条件下，在所述点阵衍射图上观察到的是与一般点阵衍射图类似的动态效果，而在特定单色光照明条件下，在距衍射图一定距离的空间范围内能够再现隐藏的图像，例如文字、标志图案等，以及本发明特有的与隐藏图像信息相应的图像。

为实现本发明的上述目的，本发明形成点阵衍射图的方法包括：根据预定的隐藏图像记录点阵衍射图，所述点阵衍射图是由两个基元光栅复合而成的复合光栅。其中，按照如下条件确定所述基元光栅的参数：在用预定的单色光照明条件照射衍射图时，在距衍射图一定距离的空间范围内再现隐藏的图像。

本发明制作的衍射图保留了一般点阵衍射图的动感效果显著、亮度高和观察范围广的特点。此外，由于本发明采用复合光栅构成点阵衍射图的像素，其对制造工艺及设备的要求严格。此外，可以利用本发明制作的产品所特有的在预定的不同照明条件(如入射角)下可以分别呈现变化的特征图像的功能，具有优异的防伪功能，适用于高安全产品的防伪。

附图说明

图1示意性地显示了平行光照明条件下光栅衍射原理；

图2示意性地显示了具有隐藏加密信息的点阵衍射图再现原理。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，先简要地叙述光栅的衍射原理。

图1所示，衍射光栅1位于xoy平面内。假设光栅1为余弦光栅，它的振幅反射率为τ

$\mathrm{\τ}=\frac{1}{2}+\frac{1}{2}\cos (k_G\·r)---\left(2\right)$

其中，k_G为它的光栅矢量，即

    |k_G|＝2πξ                      (3)

k_G与x轴的夹角为φ_G，与z轴的夹角θ_G＝90°。ξ为光栅1的空间频率。

单色平面照明光3的复振幅E_C表示为

    E_C＝E₀exp(jk_C·r)                (4)

其中，k_C为波矢量，它的方向(即光束的传播方向)用球坐标的两个分量θ_C、φ_C表示，它的大小为

         |k_C|＝2π/λ                    (5)

λ为波长。

衍射光4在光栅表面(z＝0)上的复振幅E_I可表示为

$E_I=\frac{1}{2}{E}_0\exp (j{k}_C\·r)+\frac{1}{4}{E}_0\exp [j(k_C+k_G)\·r]$

$+\frac{1}{4}{E}_0\exp [-j(k_C+k_G)\·r]---\left(6\right)$

其中，第一项为零级反射光，第二项和第三项分别为±1级衍射光。由此看出余弦光栅只有零级和±1级衍射光。根据傅立叶光学衍射理论，可以确定各级衍射光的传播方向。

用简单的作图法亦可确定各级衍射光的传播方向。参见图1，假设第m级衍射光束4的波矢量为k_I(m)，它的方向用球坐标的两个分量θ₂(m)、φ₂(m)表示。入射光3的波矢量k_C在光栅1平面内的分量为q_C，衍射光4波矢量的k_I(m)在光栅1平面内的分量q_I(m)。根据(6)，q_C、q_I(m)和k_G之间满足如下关系

    q_I(m)＝mk_G+q_C                (7)

因为衍射过程不改变光的颜色，所以，衍射光4的波矢量大小|k_I(m)|与入射光3的波矢量大小|k_C|相等，即

    |k_I(m)|＝|k_C|＝2π/λ        (8)

以|k_C|为半径，以坐标原点为球心作半球，以坐标原点为起始点作和矢量q_I(m)，然后在q_I(m)末端位置作光栅平面(xoy平面)的垂线，垂线与半球交于一点，从坐标原点到这一交点的矢量即为衍射光4的波矢量k_I(m)。

因为任何平面光栅应用傅立叶分析都可以分解为一系列余弦光栅的代数和，因此，上述分析具有一般性。进一步，应用光学原理，能够确定衍射光4在某一平面(比如z取某一常数)内的光强分布，即衍射图案。例如，常见的激光再现全息图，在一定角度激光照明条件下，在适当的位置能够再现文字或者其他图案。再如，对于一般kG的大小不变而方向可随位置变化的动态点阵衍射图，当用平行单色光束垂直照射时，在与衍射图平行的平面内的再现像是位于一个圆周上的若干亮斑或圆弧。

以上是对反射衍射光栅的分析，同样适用于透射衍射光栅。

利用本发明所述方法制作的点阵衍射图的各像素是一个复合光栅G′，该像素复合光栅G′可以看作是由两个像素基元光栅G₁′、G₂′复合而成。G₁′、G₂′的像素光栅矢量由下面的方法确定。

图2显示了根据本发明的方法所生成的点阵衍射图5的再现原理。

根据本发明的一种实施方案，像素基元光栅G₁′、G₂′是光栅矢量分别为k₁、k₂的余弦光栅。根据光学原理，该像素复合光栅G′的复振幅反射率(或透过率)应为：

    τ(r)＝exp{j[Acos(k₁·r)+Bcos(k₂·r)]}        (9)

其中，A、B表示与记录过程有关的常数，r表示该像素的位置矢量。对于不同的像素约定|k₁|＝|k₂|，但方向是可变的。

为了便于理解和叙述方便，下面我们将由像素复合光栅G′组成的点阵衍射图5整体视为一个复合光栅G，相应地，所有的像素基元光栅G₁′和G₂′分别视为基元光栅G₁和G₂，在这种情况下，只需将k₁和k₂看作是坐标的分段函数，则复合光栅G(即点阵衍射图5)的复振幅反射率(或透过率)仍可用(9)式表示。将上式展开，得到

$\mathrm{\τ}\left(r\right)=\underset{m=0}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{j}^{m+n}{J}_m\left(A\right)J_n\left(B\right)\cos [({\mathrm{mk}}_1+{\mathrm{nk}}_2)\·r]$

$+\underset{m=1}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=-\∞}{\overset{-1}{\mathrm{\Σ}}}{j}^{m+n}{J}_m\left(A\right)J_n\left(B\right)\cos [({\mathrm{mk}}_1+{\mathrm{nk}}_2)\·r]---\left(10\right)$

其中m，n为整数，J表示贝赛尔函数。对于一个实际的衍射图来说衍射级是有限的，也就是说m、n的取值是有限的。这是因为衍射角不会大于90°。

由(10)式可以看出，该复合光栅G可以看作是一系列光栅矢量为k_m，n的子光栅的代数和，用G_m，n分别表示这些子光栅。其中

    k_m，n＝mk₁+nk₂                            (11)

显然，子光栅G_1，0和G_0，1就是基元光栅G₁、G₂。

本发明中，复合光栅G是由两个基元光栅G₁、G₂复合而成。这种复合可以是将两个基元光栅G₁、G₂直接制作在一起，从而形成一个完整的复合光栅G；或者是分别制作两个基元光栅G₁、G₂，在观察时将这两个基元光栅按照预定的位置关系叠在一起。

假设各子光栅的衍射光在空间上是分离的，则各子光栅的衍射情况可以单独分析。考虑子光栅G_1，1，它的复振幅透过率(或反射率)为：

    τ_1，1(r)＝-J₁(A)J₁(B)cos(k_1，1·r)            (12)

根据前面的分析，应用光学原理，可以确定在方位角为θ_C、φ_C的单色平行光照明条件下，G_1，1在z为某一常数的平面内6的衍射图像。

下面说明根据本发明设计制作由复合光栅构成的带有隐藏图像的点阵衍射图的方法。

首先，设定照明条件，即设定入射方位角θ_C、φ_C，波长为λ的单色照明光。同时，确定要再现的图像7和该再现图像的位置。原则上，再现图像7和衍射图5之间的距离没有特别的要求，不过如果距离太小或者太大会给设计和制作带来困难。一般设计为几厘米至上百厘米。

其次，假设再现图像7是由子光栅G_1，1的衍射作用形成的像，根据再现图像7和该图像的位置，应用光学原理，通过编程计算确定点阵衍射图的子光栅G_1，1的复振幅反射率(或透过率)τ_1，1。例如，图像7与τ_1，1之间是一对傅立叶变换对。根据图像7的光强分布和制作工艺对τ_1，1的要求，利用叠代算法计算出符合工艺要求的τ_1，1。

再次，在确定了子光栅G_1，1的复振幅反射率(或透过率)τ_1，1之后，根据(12)式可以计算出k_1，1。这里需要说明，由于A、B是表示与记录过程有关的常数，其取值只是影响到衍射图的衍射效率，即再现图像的明亮程度，而与再现图像本身的内容无关。在实际的工作过程中并不考虑它们的具体数值，而是通过控制曝光量、显影时间等这些工艺参数使衍射图的再现像达到满意的亮度。因此，任意假定一组能够使(12)式成立的A、B的值即可。

根据本发明，基元光栅G₁、G₂的光栅矢量的大小是相等的，即|k₁|＝|k₂|。因此，在k_1，1已确定的情况下，就可以由式(11)进一步确定光栅矢量k₁、k₂。

在确定了光栅矢量k₁、k₂之后，就可以用这两个参量利用光刻工艺制作所要的复合光栅G，即点阵衍射图5。具体地说，在完成设计后，由计算机控制设备完成光刻，然后显影处理，即可得到所要的点阵衍射图，此时称为光学母版。随后交给后面电铸、模压的生产工序进行复制，批量生产。

根据前面的分析，该衍射图5(其中的子光栅G_1，1)在上述给定的照明条件下即可再现图像7。

进一步分析该衍射图5发现，其中的子光栅G_1，-1亦再现图像7的完整信息。这是本发明的特征，是其他技术不具备的。该再现图像7’是一个变形的图像7。如果在上述给定照明条件下将衍射图5绕其法线转动90°，再现像为变形的图像7的倒像。

其它各子光栅衍射光是否出现，取决于具体产品的设计参数。

根据本发明的另外的实施方案，构成所述衍射图5的像素基元光栅G₁′、G₂′也可以不是余弦光栅，这并不影响上述分析过程和结果的正确性，它只是影响到各级衍射光之间光强的相对分布，即影响再现图像的亮度。因此，可完全应用上述方法进行设计，而在制作过程中通过控制工艺参数制作非余弦像素基元光栅的衍射图5。

在实际再现过程中，上述照明条件不是固定不变的，照明光方向(方位角为θ_C、φ_C)和波长λ在一定的范围内是可以改变的，只要能再现出图像即可。当然，这种情况下再现像的位置和大小会随着照明条件而变化。这种变化是光栅衍射的自然特性，是本领域技术人员公知的常识。

另外，在给定照明条件下，再现像是有景深的。也就是说再现像的位置是一个范围，而不是固定值。景深的大小与衍射图的大小、像的设计再现距离等因素有关。一般而言，再现像在设计距离附近一定的范围内都能得到清晰的再现像。

采用本发明的上述方法设计制作的复合光栅既可以是反射式，也可以是透射式的。

当设计制作防伪标识时，可以单独采用本发明的上述方法设计制作，也可以与其它光可变图像(OVD)技术综合设计制作，其中包括各类全息图像、其他类型的点阵图像、e-beam(电子束)图像、或各种编码图像。例如，用其他OVD技术设计制作主景，用本发明的方法设计制作背景；或用一般点阵技术设计制作主景，用本发明的方法设计制作背景；或者用一般点阵技术设计制作大部分标识，用本发明的方法设计制作一些点缀；或者用全息技术与点阵技术结合设计制作防卫标识，某些部分用本发明的方法设计等。

Claims (4)

1.形成含有隐藏图像的点阵衍射图的方法，包括以下步骤：

根据预定的隐藏图像记录点阵衍射图，所述点阵衍射图为两个基元光栅复合而成的复合光栅，

其中，设所述基元光栅的光栅矢量分别为k₁和k₂，且|k₁|＝|k₂|，按照如下条件确定k₁和k₂的方向：在用方位角为θ_C、φ_C，波长为λ的单色照明光照射衍射图时，在距衍射图一定距离的空间范围内再现所述隐藏图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述点阵衍射图是透射式的或者是反射式的。

3.带有防伪标记的产品，其特征在于，所述防伪标记包含利用权利要求1或2所述的方法形成的带有隐藏图像的点阵衍射图。

4.根据权利要求3所述的产品，其特征在于，所述产品上进一步包含有其它光可变图像，所述其它光可变图像包括：各类全息图像、其他类型的点阵图像、电子束图像、或各种编码图像。