CN104166248A - 一种基于亚波长光栅结构的多色光变器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于亚波长光栅结构的多色光变器及其实现方法，其方法包括以下步骤：确定基底材料和镀膜材料折射率；根据多色变换目标构建评价函数；利用严格耦合波理论和全局优化算法，结合评价函数，优化出评价函数最小值时对应的光栅周期，光栅深度以及镀膜厚度，以及各个颜色对应的方位角；依照各参数设置用于防伪的亚波长光栅结构。本发明基于亚波长光栅结构的多色光变器及其实现方法通过在亚波长光栅结构上镀一层膜以及相应的处理和计算方法，实现了在多个设计方位角上分别获得多种不同颜色光的高反射率，增加了伪造难度。本发明多色光变器及其实现方法可以应用于公众级防伪和专家级防伪，在光学防伪、包装装饰领域具有广阔的应用前景。

Description

一种基于亚波长光栅结构的多色光变器及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种防伪领域的光变器装置及其实现方法，尤其涉及的是一种基于亚波长光栅结构的多色光变器及其实现方法。

背景技术

现有技术中，防伪装置的应用广泛，例如用于身份识别的身份证验证，用于票据交换的票证防伪，用于金融服务的各种有价证券识别和防伪等，对被识别的防伪对象来说，需要预先设置能够再现和识别的特征，并进行比对进行鉴别防伪。

目前，已经有将亚波长光栅结构应用于防伪领域的技术，亚波长光栅的特征尺寸小于入射波长，光与亚波长光栅作用时，只产生零级光，经设计优化后，亚波长光栅表现出高透(反)射率、强波长敏感性和入射角度敏感性等特点，因此被应用于制作窄带滤波器、抗反射片、偏振器件等。基于导模共振原理设计的亚波长光栅，能在不同的观察方向上呈现出各向异性彩色变化效果，是这些年光学防伪领域的研究热点。

亚波长光栅的零级衍射效率会随着入射光方位角变化，在不同的方位角观测时不同波段光的反射效率不同，因此亚波长光栅的零级衍射效率对入射光的波长具有选择性，这种特殊的衍射特性可以用于防伪技术中。

亚波长光栅的衍射特性须用矢量分析方法进行分析，其衍射效率不同于标量衍射仅依赖于光栅的占空比，还与入射光的波长、入射角、方位角、偏振角、入射区域和光栅区域的折射率分布、光栅槽形状、周期、槽深等参数有关。需要利用矢量设计理论严格耦合波法分析亚波长光栅的入射条件与光栅结构参数对零级衍射效率的影响。

许多研究团队对亚波长光栅结构两色光变技术进行了研究。1990年，M.T.Gale首次在光学安全和防伪系统国际会议(Conference on OpticalSecurity and Anticounterfeiting Systems)上提出一种零级衍射器件ZOD(Zero Order Device)：当器件在自身平面内转动90°，反射光从红转换为绿。改变器件的参数，也可以出现其它颜色的互换。2003年法国Hologram Industries公司首次将该器件产业化，应用于乌克兰农业部管理证书。至今，亚波长两色光变技术已广泛应用于护照、身份证、支票、纸币等防伪领域。在我国，也成功应用到二代身份证、新版驾照上等。苏州大学陈林森研究员课题组于2008年提出一种埋入式亚波长光栅结构，该结构在自身平面转动90°，呈现红、蓝两色的转换；2012年，该课题组将两色光变的研究波段拓展到紫外波段，实现绿光与紫外光的转换。天津科技大学的陈永利于2011年提出一种双光栅结构，以展宽两色光变技术的共振带宽、改善其光谱线型；2012年，陈永利提出一种金属-介质亚波长光栅的多层结构，实现对TE波反射红光、对TM波反射绿光、对自然光反射黄光的光学特性。但是该结构层数较多，并且需要借助偏振片观察光变现象。基于亚波长二元简单周期矩形结构实现三色及以上光变，目前国内外尚未见相关报道。

根据亚波长结构的导模共振原理，波导光栅结构利用周期调制的介质折射率使外部传播波与波导光栅结构所支持的导波模发生耦合，从而使反射光谱中能量的分布发生一个急剧的跃变。根据这一特性，可以获得特定波段的高反射率。在一个方位角或两个方位角得到特定波长的高反射率相对比较容易实现，而在三个及以上方位角同时得到三种及以上颜色的波长的高反射率就很困难，目前还是技术研发的难点。多色光变技术应用于光变图像防伪领域，势必以其独特的视觉效果、复杂的设计原理大大提高产品的防伪性能。因此，对多色光变器的研究一直是本领域普通技术人员的难点和重点，本领域技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于亚波长光栅结构的多色光变器及其实现方法，将严格耦合波法与全局优化算法相结合，提出一种嵌入式亚波长二元矩形周期结构实现多色光变器实现方法，在亚波长两色光变防伪技术的基础上，实现方位角调节的红、绿、蓝三种以上颜色的转换，研究成果可直接用于光变图像防伪和包装装饰领域，突破国内外两色光变技术的局限。

本发明的技术方案如下：

一种基于亚波长光栅结构的多色光变器实现方法，其中，包括以下步骤：

A、确定基底材料及其镀膜材料折射率；

B、根据多色变换目标构建评价函数；

C、利用严格耦合波理论和全局优化算法，结合评价函数，优化出评价函数最小值时对应的光栅周期，光栅深度以及镀膜厚度，以及各个颜色对应的方位角；

D、依照步骤C的各参数设置用于防伪的亚波长光栅结构。

所述的多色光变器实现方法，其中，所述亚波长光栅结构的光栅周期为320nm至520nm，光栅深度为80nm至250nm，镀膜厚度为5nm至130nm，占空比为0.35～0.75。

所述的多色光变器实现方法，其中，所述的多色光变器采用嵌入式结构设计，用微纳压印方法在基底材料上形成亚波长光栅结构，并在光栅结构表面蒸镀透明高折射率介质，形成两层嵌合材料结构形成。

所述的多色光变器实现方法，其中，所述步骤B中的评价函数采用：

MF(φ_b，φ_g，φ_r，d，T，h)＝k₁MF__bTM+k₂MF__bTE+k₃MF__gTM+k₄MF__gTE+k₅MF__rTM+k₆MF__rTE

其中，Φ_b、Φ_g、Φ_r分别表示获得蓝光、绿光、红光最高反射率的方位角；d为光栅深度，T为光栅周期，h为镀膜厚度；λ_i为蓝光波段L₁的波长，λ_j为绿光波段L₂的波长，λ_k为红光波段L₃的波长；0°、90°分别代表TM波、TE波的偏振角；K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆、α、β、γ为权重因子，且满足K₁+K₂+K₃+K₄+K₅+K₆＝1，α+β+γ＝1。根据设计要求，K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆在[0.1，0.3]范围取值，α在[0.5，0.9]范围取值，β、γ在[0.05，0.25]范围取值。

所述的多色光变器实现方法，其中，所述步骤C还包括：

入射平面波在入射介质层I区的归一化电场可表示为：

E_inc(x，y，z)＝u exp{-j[k₀n_isinθcosφx+k₀n_isinθsinφy+k₀n_icosθ(z+h)]}

其中u为归一化电场矢量振幅，k₀＝2π/λ₀；

用R_m表示m级反射波的归一化电场矢量振幅，T_m表示m级透射波的归一化电场矢量振幅，k_xm表示m级衍射波矢的x分量，k_y表示衍射波矢的y分量，k_zm表示m级衍射波矢的z分量；

入射介质层I区的总电场可表示为

$\begin{array}{c}{E}_I=\mathrm{u\; exp}\{-j[k_0{n}_i\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φx}+k_0{n}_i\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φy}+k_0{n}_i\cos \mathrm{\θ}(z+h)\left]\right\}\\ +\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{R}_{\mathrm{Im}}\exp \{-j[k_{\mathrm{xm}}x+k_{y}y-k_{I,\mathrm{zm}}(z+h)\left]\right\}\end{array}$

覆盖层II区的总电场可表示为

$E_{\mathrm{II}}=\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{R}_{\mathrm{IIm}}\exp [-j(k_{\mathrm{xm}}x+k_{y}y-k_{\mathrm{II},\mathrm{zm}}z)]+\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{T}_{\mathrm{IIm}}\{-j[k_{\mathrm{xm}}x+k_{y}y+k_{\mathrm{II},\mathrm{zm}}(z+h)\left]\right\}$

基底层IV区的总电场可表示为

$E_{\mathrm{IV}}=\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{T}_{\mathrm{IVm}}\exp \{-j[k_{\mathrm{xm}}x+k_{y}y+k_{\mathrm{IV},\mathrm{zm}}(z-d)\left]\right\}$

其中

$k_{\mathrm{xm}}=k_0(n_i\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}-\frac{m{\mathrm{\λ}}_0}{T})$

$k_{l,\mathrm{zm}}=\left\{\begin{array}{c}\sqrt{k_0^2{n}_l^2-k_{\mathrm{xm}}^2-k_y^2}(k_{\mathrm{xm}}^2+k_y^2\≤k_0^2{n}_l^2)\\ -j\sqrt{k_{\mathrm{xm}}^2+k_y^2-k_0^2{n}_l^2}(k_{\mathrm{xm}}^2+k_y^2>k_0^2{n}_l^2)\end{array}\right.(l=I,\mathrm{II},\mathrm{IV})$

其中在I区，n_I＝n_i，在II区，n_II＝n_c，在IV区，n_IV＝n_s；

由麦克斯韦旋度方程可求出入射介质层I区、覆盖层II区、基底层IV区的的磁场分量；

将光栅层III区的电场矢量与磁场矢量表示成空间谐波的傅立叶级数展开，即

$\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{III}}=\underset{m}{\mathrm{\Σ}}[S_{\mathrm{xm}}\left(z\right)e_x+S_{\mathrm{ym}}\left(z\right)e_y+S_{\mathrm{zm}}\left(z\right)e_z]\exp [-j(k_{\mathrm{xm}}x+k_{y}y)]\\ H_{\mathrm{III}}=-j{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{{\mathrm{\μ}}_0}\right)}^{\frac{1}{2}}\underset{m}{\mathrm{\Σ}}[U_{\mathrm{xm}}\left(z\right)e_x+U_{\mathrm{ym}}\left(z\right)e_y+U_{\mathrm{zm}}\left(z\right)e_z]\exp [-j(k_{\mathrm{xm}}x+k_{y}y)]\end{array}$

式中，ε₀为真空介电常数，S_m(z)、U_m(z)为第m级空间谐波场的归一化电场振幅和归一化磁场振幅；

根据麦克斯韦方程得到矩阵形式的耦合波方程组：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{S}}_x\\ {\stackrel{\·}{S}}_y\\ {\stackrel{\·}{U}}_x\\ {\stackrel{\·}{U}}_y\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}0& 0& -\frac{K_x{C}^{-1}{K}_y}{k_0}& \frac{K_x{C}^{-1}{K}_x-{k_0}^2}{k_0}\\ 0& 0& \frac{{k_0}^2-K_y{C}^{-1}{K}_y}{k_0}& \frac{K_y{C}^{-1}{K}_x}{k_0}\\ -\frac{K_x{K}_y}{k_0}& \frac{{K_x}^2-{k_0}^{2}C}{k_0}& 0& 0\\ \frac{{k_0}^{2}C-{K_y}^2}{k_0}& \frac{K_y{K}_x}{k_0}& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{S}_x\\ S_y\\ U_x\\ U_y\end{array}\right]$

其中，K_x、K_y分别是以k_x、k_y为对角元素组成的对角阵，C为傅里叶系数c_p组成的M维方阵，其第(m，p)个元素为c_m-p；由这个方程组可以求出S_x、S_y、U_x、U_y；

在入射介质层与覆盖层的边界处、覆盖层与光栅区的边界处、光栅区与基底层的边界处运用边界条件，同时考虑入射层、基底层中电场矢量与光波矢量的正交条件：

K_xR_Ix+K_yR_Iy-K_I，zR_Iz＝0

K_xT_IVx+K_yT_IVy+K_IV，zT_IVz＝0

利用以上方程，可求出R和T，即可得到任意偏振波入射一维嵌入式矩形光栅结构各级反射波和透射波的衍射效率：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{Rm}}=\mathrm{Re}\left(\frac{k_{I,\mathrm{zm}}}{k_0{n}_i\cos \mathrm{\θ}}\right)({\left|R_{\mathrm{xm}}\right|}^2+{\left|R_{\mathrm{ym}}\right|}^2+{\left|R_{\mathrm{zm}}\right|}^2)$

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{Tm}}=\mathrm{Re}\left(\frac{k_{\mathrm{IV},\mathrm{zm}}}{k_0{n}_i\cos \mathrm{\θ}}\right)({\left|T_{\mathrm{xm}}\right|}^2+{\left|T_{\mathrm{ym}}\right|}^2+{\left|T_{\mathrm{zm}}\right|}^2)$

所述的多色光变器实现方法，其中，所述光变器采用亚波长二元矩形周期结构三色光变器，并且设定优化初始条件为：自然光入射角θ为40°至50°，偏振角ψ＝0°或90°，入射介质为空气且折射率n_i＝1.0，光栅占空比f为0.35～0.75，基底材料为折射率n_s在1.45～1.85之间的聚酯材料，镀膜为折射率n_c在1.8～2.5之间的透明高折射率介质，具体地但不限于，可以是氧化锌膜(折射率为2.0)；通过多次迭代优化的最佳结构参数为：光栅周期T为420nm至460nm，光栅深度d为120nm至200nm，镀膜厚度h为35nm至75nm，并且在方位角为10°～15°、65°～70°、85°～90°时，分别在蓝光波段、绿光波段、红光波段有较高反射率。

如果设定优化初始条件为：自然光入射角θ为40°至50°，偏振角ψ＝0°或90°，入射介质为空气且折射率n_i＝1.0，光栅占空比f为0.35～0.75，基底材料为折射率n_s在1.45～1.85之间的聚酯材料，镀膜为折射率n_c在1.8～2.5之间的透明高折射率介质，具体地但不限于，可以是硫化锌膜(折射率为2.356)；通过多次迭代优化最终得到最佳结构参数：光栅周期T为380nm至420nm，光栅深度d为151nm至205nm，镀膜厚度h为10nm至40nm，并且在方位角为0°～5°、55°～60°、85°～90°时，分别在蓝光波段、绿光波段、红光波段有较高反射率。

一种基于亚波长光栅结构的多色光变器，其包括在聚酯材料上形成的一简单周期的亚波长光栅结构；其中，还包括在该亚波长光栅结构上设置的一层透明覆盖层，并采用所述的实现方法确定所述光变器。

所述的基于亚波长光栅结构的多色光变器，其中，所述多色光变器设置在待防伪的证卡上，并用该亚波长光栅结构构成一预定的图案，在普通白光照射情况下，该证卡在自身平面内转动时，在预先设定的多个不同方位角该图案将呈现设定的不同颜色，以此判断该证卡的真伪。

所述的基于亚波长光栅结构的多色光变器，其中，所述多色光变器设置在待防伪的证卡上，并用该亚波长光栅结构构成一预定的图案，用白光做光源的反射率测量仪对所述防伪证卡上的图案进行检测，在预先设定的不同方位角测量不同颜色之较高反射率，以通过是否符合预先设定的反射率分布判断该证卡的真伪。

本发明所提供的一种基于亚波长光栅结构的多色光变器及其实现方法，针对目前只能在两个方位角获得两种颜色光的高反射率之光变器，通过在亚波长光栅结构上镀一层膜以及相应的处理和计算方法，实现了在多个设计方位角上分别获得多种不同颜色光的高反射率，从而增加了光变器的视觉效果，并且提高了伪造难度。本发明所述基于亚波长光栅结构的多色光变器，可以广泛应用于证卡(例如身份证、护照、驾驶证、社会保障卡等)、票据(例如债券、支票、股票、发票等)、纸币、名优产品(例如名烟名酒、化妆品、药品、数码产品等)等的防伪，也可用于包装装饰领域。

附图说明

图1为本发明实现方法及其多色光变器的二元矩形周期亚波长结构示意图。

图2为本发明遗传算法与严格耦合波法相结合优化亚波长矩形周期光栅结构参数处理流程图。

图3a为本发明以ZnO为镀层实现方法中Φ＝10°～15°时TE波零级反射率测量示意图、图3b为本发明以ZnO为镀层实现方法中Φ＝10°～15°时TM波零级反射率测量示意图、图3c为本发明以ZnO为镀层实现方法中Φ＝65°～70°时TE波零级反射率测量示意图、图3d为本发明以ZnO为镀层实现方法中Φ＝65°～70°时TM波零级反射率测量示意图、图3e为本发明以ZnO为镀层实现方法中Φ＝85°～90°时TE波零级反射率测量示意图、图3f为本发明以ZnO为镀层实现方法中Φ＝85°～90°时TM波零级反射率测量示意图。

图4a为针对图3a-图3f所示实施例中采用自然光时在方位角为10°～15°时的反射率测量示意图、图4b为针对图3a-图3f所示实施例中采用自然光时在方位角为65°～70°时的反射率测量示意图、图4c为针对图3a-图3f所示实施例中采用自然光时在方位角为85°～90°时的反射率测量示意图。

图5为本发明多色光变器实现方法及其装置的实际应用示例之一。

具体实施方式

以下对本发明的较佳实施例加以详细说明。

本发明实现方法及其光变器根据设计要求构建评价函数，利用严格耦合波理论结合全局优化算法优化亚波长光栅的周期、深度和镀膜厚度的参数，使得在不同方位角处的TE和TM偏振态光，分别在多种颜色波段均获得较高反射率，最终获得一款亚波长光栅结构多色光变器。该器件独特的光学特性，在光学防伪和包装装饰领域将有更为广泛的应用。

严格耦合波法由麦克斯韦方程组及Rayleigh展开式导出入射介质层、覆盖层和基底层电磁场解的表达式，利用傅里叶级数展开光栅层介电常数及电磁场，并通过不同区域边界的电磁场边界条件得到一组无限维耦合波微分方程组，采用特征值法对方程组求解得到各级反射波的衍射效率η_Rm(m为衍射级次，m＝0，±1，±2，…，±M)的数值解。该数值解与入射光参数(偏振角ψ、方位角Φ、入射角θ)、光栅结构参数(占空比f、周期T、槽深d、膜厚h)，以及各区域的折射率相关，因此，各级透射波衍射效率η_Rm可由严格耦合波法通过以上参数进行数值求解。本发明亚波长多色光变器及其实现方法的设计目标就是要确定变量方位角Φ以及光栅的周期T、槽深d、膜厚h，去控制多个颜色波段零级反射波的衍射效率，实现TE波和TM波的零级衍射效率最大。

本发明所述基于亚波长光栅结构的多色光变器及其实现方法较佳实施例中，其嵌入式亚波长二元矩形周期结构如图1所示，本发明所述亚波长光栅在y方向上均匀分布，在x方向上周期分布，且矩形光栅的脊宽为a，周期为T，深度为d，占空比f定义为f＝a/T，顶层的透明覆盖层厚度为h。在z方向上将光栅区域划分为四个水平层：入射介质层I区，z＜-h，折射率为n_i；覆盖层II区，-h≤z＜0，折射率为n_c；光栅层III区，0≤z≤d，由折射率为n_c和n_s的两种介质组成；基底介质层IV区，z＞d，折射率为n_s。其中，光栅周期T为320nm～520nm，光栅深度d为80nm～250nm，镀膜厚度h为5nm～130nm，占空比f为0.35～0.75。

本发明所述多色光变器中，如图1所示，采用了嵌入式结构设计，用微纳压印方法在基底材料上形成亚波长光栅结构，并在光栅结构表面蒸镀透明高折射率介质，采用两层的两种不同材料，底层光栅结构与基底材料一致，顶层为覆膜，形成两层嵌合材料结构。该工艺结构简单，可简化制作工艺，降低生产成本，增加产品稳定性；并且该嵌入式结构防止了反向工程，使之无法获取光栅的结构特点，其原因是去掉覆膜的过程必然会破坏光栅，由此使得仿制更加困难。

如图1所示，波长为λ的线偏振光，波矢为k，偏振角为ψ，以θ角入射到本发明所述二元矩形周期结构的亚波长光栅结构上，此时标量衍射理论不再适用，故采用矢量分析方法中适用于周期结构的严格耦合波法分析其衍射效率：

入射平面波在入射介质层I区的归一化电场可表示为：

E_inc(x，y，z)＝uexp{-j[k₀n_isinθcosφx+k₀n_isinθsinφy+k₀n_icosθ(z+h)]}

其中u为归一化电场矢量振幅，k₀＝2π/λ₀。

用R_m表示m级反射波的归一化电场矢量振幅，T_m表示m级透射波的归一化电场矢量振幅，k_xm表示m级衍射波矢的x分量，k_y表示衍射波矢的y分量，k_zm表示m级衍射波矢的z分量。

入射介质层I区的总电场可表示为

$\begin{array}{c}{E}_I=\mathrm{u\; exp}\{-j[k_0{n}_i\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φx}+k_0{n}_i\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φy}+k_0{n}_i\cos \mathrm{\θ}(z+h)\left]\right\}\\ +\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{R}_{\mathrm{Im}}\exp \{-j[k_{\mathrm{xm}}x+k_{y}y-k_{I,\mathrm{zm}}(z+h)\left]\right\}\end{array}$

覆盖层II区的总电场可表示为

$E_{\mathrm{II}}=\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{R}_{\mathrm{IIm}}\exp [-j(k_{\mathrm{xm}}x+k_{y}y-k_{\mathrm{II},\mathrm{zm}}z)]+\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{T}_{\mathrm{IIm}}\{-j[k_{\mathrm{xm}}x+k_{y}y+k_{\mathrm{II},\mathrm{zm}}(z+h)\left]\right\}$

基底层IV区的总电场可表示为

$E_{\mathrm{IV}}=\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{T}_{\mathrm{IVm}}\exp \{-j[k_{\mathrm{xm}}x+k_{y}y+k_{\mathrm{IV},\mathrm{zm}}(z-d)\left]\right\}$

其中

$k_{\mathrm{xm}}=k_0(n_i\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}-\frac{m{\mathrm{\λ}}_0}{T})$

$k_{l,\mathrm{zm}}=\left\{\begin{array}{c}\sqrt{k_0^2{n}_l^2-k_{\mathrm{xm}}^2-k_y^2}(k_{\mathrm{xm}}^2+k_y^2\≤k_0^2{n}_l^2)\\ -j\sqrt{k_{\mathrm{xm}}^2+k_y^2-k_0^2{n}_l^2}(k_{\mathrm{xm}}^2+k_y^2>k_0^2{n}_l^2)\end{array}\right.(l=I,\mathrm{II},\mathrm{IV})$

其中在I区，n_I＝n_i，在II区，n_II＝n_c，在IV区，n_IV＝n_s。

由麦克斯韦旋度方程可求出入射介质层I区、覆盖层II区、基底层IV区的的磁场分量。

将光栅层III区的电场矢量与磁场矢量表示成空间谐波的傅立叶级数展开，即

$E_{\mathrm{III}}=\underset{m}{\mathrm{\Σ}}[S_{\mathrm{xm}}\left(z\right)e_x+S_{\mathrm{ym}}\left(z\right)e_y+S_{\mathrm{zm}}\left(z\right)e_z]\exp [-j(k_{\mathrm{xm}}x+k_{y}y)]$

$H_{\mathrm{III}}=-j{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{{\mathrm{\μ}}_0}\right)}^{\frac{1}{2}}\underset{m}{\mathrm{\Σ}}[U_{\mathrm{xm}}\left(z\right)e_x+U_{\mathrm{ym}}\left(z\right)e_y+U_{\mathrm{zm}}\left(z\right)e_z]\exp [-j(k_{\mathrm{xm}}x+k_{y}y)]$

式中，ε₀为真空介电常数，S_m(z)、U_m(z)为第m级空间谐波场的归一化电场振幅和归一化磁场振幅。

根据麦克斯韦方程得到矩阵形式的耦合波方程组：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{S}}_x\\ {\stackrel{\·}{S}}_y\\ {\stackrel{\·}{U}}_x\\ {\stackrel{\·}{U}}_y\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}0& 0& -\frac{K_x{C}^{-1}{K}_y}{k_0}& \frac{K_x{C}^{-1}{K}_x-{k_0}^2}{k_0}\\ 0& 0& \frac{{k_0}^2-K_y{C}^{-1}{K}_y}{k_0}& \frac{K_y{C}^{-1}{K}_x}{k_0}\\ -\frac{K_x{K}_y}{k_0}& \frac{{K_x}^2-{k_0}^{2}C}{k_0}& 0& 0\\ \frac{{k_0}^{2}C-{K_y}^2}{k_0}& \frac{K_y{K}_x}{k_0}& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{S}_x\\ S_y\\ U_x\\ U_y\end{array}\right]$

其中，K_x、K_y分别是以k_x、k_y为对角元素组成的对角阵，C为傅里叶系数c_p组成的M维方阵，其第(m，p)个元素为c_m-p。由这个方程组可以求出S_x、S_y、U_x、U_y。

在入射介质层与覆盖层的边界处、覆盖层与光栅区的边界处、光栅区与基底层的边界处运用边界条件，同时考虑入射层、基底层中电场矢量与光波矢量的正交条件：

K_xR_Ix+K_yR_Iy-K_I，zR_Iz＝0

K_xT_IVx+K_yT_IVy+K_IV，zT_IVz＝0

利用以上方程，可求出R和T，即可得到任意偏振波入射一维嵌入式矩形光栅结构各级反射波和透射波的衍射效率：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{Rm}}=\mathrm{Re}\left(\frac{k_{I,\mathrm{zm}}}{k_0{n}_i\cos \mathrm{\θ}}\right)({\left|R_{\mathrm{xm}}\right|}^2+{\left|R_{\mathrm{ym}}\right|}^2+{\left|R_{\mathrm{zm}}\right|}^2)$

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{Tm}}=\mathrm{Re}\left(\frac{k_{\mathrm{IV},\mathrm{zm}}}{k_0{n}_i\cos \mathrm{\θ}}\right)({\left|T_{\mathrm{xm}}\right|}^2+{\left|T_{\mathrm{ym}}\right|}^2+{\left|T_{\mathrm{zm}}\right|}^2)$

以上通过严格耦合波理论计算得到了各级衍射波衍射效率的数值解，该数值解与入射光参数(入射波长λ、偏振角ψ、方位角Φ、入射角θ)、器件结构参数(占空比f、周期T、槽深d、膜厚h)，以及各区域的折射率相关，是一个多变量函数。为减少设计变量，固定入射角，光栅占空比，入射层、覆盖层、基底材料，本发明亚波长三色光变器设计的目标就是要确定变量方位角Φ以及光栅的周期T、槽深d、膜厚h，去控制红、绿、蓝三个波段零级反射波的衍射效率，以实现零级衍射效率最大。根据上述设计目标，设定评价函数为：

MF(φ_b，φ_g，φ_r，d，T，h)＝k₁MF__bTM+k₂MF__bTE+k₃MF__gTM+k₄MF__gTE+k₅MF__rTM+k₆MF__rTE

其中，Φ_b、Φ_g、Φ_r分别表示获得蓝光、绿光、红光最高反射率的方位角，MF_b为获得蓝光最高反射率的子评价函数，MF_g为获得绿光最高反射率的子评价函数，MF_r为获得红光最高反射率的子评价函数。K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆为权重因子，且满足K₁+K₂+K₃+K₄+K₅+K₆＝1。由于自然光可以分解为两振动方向相垂直、光强相等的线偏振光，所以用TE波和TM波的反射率之和的一半(即(□_TE+□_TM)/2)近似表示自然光的反射率。在红、绿、蓝某一波段获得最高反射率，就是要求TE波和TM波在该波段的反射率最大，在另外两个波段的零级反射率最小。因此设定子评价函数为：

其中，η表示特定光栅结构、特定方位角下红、绿、蓝某个波段对TE波或TM波的零级反射率(Zero order reflectivity)，可由严格耦合波法进行数值求解；0°、90°分别代表TM波、TE波的偏振角；λ_i为蓝光波段L₁的波长，λ_j为绿光波段L₂的波长，λ_k为红光波段L₃的波长；α、β、γ为权重因子，且满足α+β+γ＝1。因此，设计的实质即求一组参数(Φ_b、Φ_g、Φ_r，d，T，h)，使评价函数MF为最小。由于评价函数中的零级衍射效率η是一个多变量函数，且只有数值解，不能表达为各参数的显函数，而遗传算法具有跳出局部极值点的机制，特别适合解决多变量、离散变量优化的问题，因此本发明将该方法应用于评价函数MF的优化，得到光栅结构参数和入射光方位角的最优值，以满足设计要求。优化设计的处理流程如图2所示。

评价函数是评价当前结构使各个波段在对应方位角处的总体反射情况，在优化设计过程中当评价函数值越小表明当前的结构越接近理想设计效果。以此设计原理，该评价函数可推广到四色、五色等等方案，相应地，评价函数的项数增加到8个、10个等等，子评价函数的项数增加到4个、5个等等，由此实现针对三色及三色以上的光变器之设计。

全局优化算法可以根据初始结构和评价函数反馈的评价值不断产生新的更优结构，通过多次反复迭代运算，可以获得最接近理想效果的结构参数和各个颜色对应的高反射率方位角。

本发明实现方法及其光变器的具体设计实现步骤为：

1.确定基底材料和镀膜材料折射率；

2.根据三色变换目标构建评价函数，评价函数为：

MF(φ_b，φ_g，φ_r，d，T，h)＝k₁MF__bTM+k₂MF__bTE+k₃MF__gTM+k₄MF__gTE+k₅MF__rTM+k₆MF__rTE

其中，Φ_b、Φ_g、Φ_r分别表示获得蓝光、绿光、红光最高反射率的方位角；d为光栅深度，T为光栅周期，h为镀膜厚度；λ_i为蓝光波段L₁的波长，λ_j为绿光波段L₂的波长，λ_k为红光波段L₃的波长；0°、90°分别代表TM波、TE波的偏振角。

3.利用严格耦合波理论和全局优化算法中的遗传算法，结合评价函数，优化出评价函数最小值时对应的光栅周期，光栅深度以及镀膜厚度，以及各个颜色对应的方位角。

4.根据上述计算所得的参数，包括光栅周期、光栅深度以及镀膜厚度，在防伪产品上设置上述用于防伪的亚波长光栅结构。用电子束曝光技术制作亚波长光栅微结构母版，采用业界成熟的模压工艺一次模压成型，在聚酯材料上形成亚波长光栅微结构，并在微结构表面蒸镀一层透明覆盖膜，该透明覆盖膜的厚度依照所计算出的镀膜厚度h进行设置。同时，为实现防伪检验，可以在检验设备上根据各种颜色对应的方位角设置对应光数据读取装置，并进行相应校验，形成防伪设备。

在具体地实施例中，本发明三色光变器可选用镀膜为折射率在1.8～2.5之间的透明高折射率介质，基底材料为折射率在1.45～1.85之间的聚酯材料，具体地但不限于，可以是聚酯PET材料(折射率为1.65)作为光栅基，光栅上所镀膜为氧化锌(折射率为2.0)，因而利用严格耦合波理论结合全局优化算法，根据设计目标，最终设计出能在三个不同方位角分别使三种不同颜色的TE和TM偏振光获得较高反射率的三色光变器的结构参数。三种不同方位角下TE和TM偏振光的反射效率峰值如下：

表1三色光的最高反射率

对同一波长处的TE波和TM波的反射率相加后取一半(即(□_TE+□_TM)/2)可以近似认为是自然光在该波长处总的反射率。

本发明实现方法利用上述优化设计方法设计方位角用来调节红、绿、蓝三色转换的嵌入式亚波长二元矩形周期结构三色光变器，较佳实施例中，设定优化初始条件为：自然光入射角θ为40°～50°，偏振角ψ＝0°或90°，入射介质为空气(折射率n_i＝1.0)，光栅占空比f为0.35～0.75，基底材料为折射率n_s在1.45～1.85之间的聚酯材料，镀膜为折射率n_c在1.8～2.5之间的透明高折射率介质，具体地但不限于，可以是氧化锌膜(折射率为2.0)。本发明较佳实施例中，通过多次迭代优化最终得到一组最佳结构参数：光栅周期T为420nm至460nm，光栅深度d为120nm至200nm，镀膜厚度h为35nm至75nm。在方位角为10°～15°、65°～70°、85°～90°时，TE波、TM波的反射效率分布分别如图3a-图3f所示，其反射率峰值如表1所示，其中显示了Φ＝10°～15°、Φ＝65°～70°、Φ＝85°～90°时TE波、TM波的最高反射率。由图3a-图3f和表1可知，当入射角相同时，方位角的改变会导致零级衍射光的光谱不同，方位角为10°～15°时，TE波、TM波均在蓝光波段有高反射率；方位角为65°～70°时，TE波、TM波均在绿光波段有高反射率；方位角为85°～90°时，TE波、TM波均在红光波段有高反射率。在这三种方位角，自然光的反射率(即(□_TE+□_TM)/2)分布分别如图4a-图4c所示。

由图4a-图4c可知，方位角为10°～15°、65°～70°、85°～90°时，自然光分别在蓝光波段、绿光波段、红光波段有较高反射率，用肉眼可观察到明显的光变色现象，从而在实际的防伪过程中，可以实现肉眼的防伪识别。

如果设定优化初始条件为：自然光入射角θ为40°～50°，偏振角ψ＝0°或90°，入射介质为空气且折射率n_i＝1.0，光栅占空比f为0.35～0.75，基底材料为折射率n_s在1.45～1.85之间的聚酯材料，镀膜为折射率n_c在1.8～2.5之间的透明高折射率介质，具体地但不限于，可以是硫化锌膜(折射率为2.356)；通过多次迭代优化最终得到最佳结构参数：光栅周期T为380nm至420nm，光栅深度d为151nm至205nm，镀膜厚度h为10nm至40nm，并且在方位角为0°～5°、55°～60°、85°～90°时，分别在蓝光波段、绿光波段、红光波段有较高反射率。

由分析计算可知，本发明设计的嵌入式亚波长二元矩形周期结构三色光变器，可以实现当入射角相同时，在不同的方位角下，零级衍射光在红、绿、蓝三个波段分别有较高的衍射效率；而采用同样的原理，本发明所述光变器可以实现更多方位角调节的多色光变器。

基于严格耦合波法和遗传算法，本发明提出了一种嵌入式亚波长二元矩形周期结构三色光变设计实现方法，设计实现了根据方位角调节的红、绿、蓝三色光变器。当白光入射角为40°～50°时，在预定的方位角，例如可以是但不限于在10°～15°、65°～70°、85°～90°时，本发明亚波长三色光变器分别在蓝光波段、绿光波段、红光波段产生高反射率。随着方位角的改变，人眼能明显观察到红、绿、蓝三种颜色的转换，从而可以应用到防伪装置中。

通过本发明上述实施例可知，利用严格耦合波理论结合遗传算法，优化设计的亚波长光栅结构三色转换器，可以在三个设计方位角分别使蓝、绿、红颜色的光获得高反射率，在各个方位角对应的不同颜色波段内，TE波和TM波都存在高反射峰。

本发明采用可精确计算衍射器件光场衍射分布的电磁矢量理论——严格耦合波理论计算不同偏振态在不同方位角入射多色光变器的零级反射分布，结合全局优化算法，并根据设计目标制定的评价函数，设计优化出所述多色光变器的结构参数(光栅周期T，光栅深度d，镀膜厚度h)和多种颜色光对应的方位角。

本发明多色光变器及其实现方法可以具有以下应用方式：

本发明多色光变器在白光入射条件下，在不同方位角可呈现出人眼可察觉或仪器可探测的各向异性变色效果；其设计原理较为复杂但可实现，工艺精度高，采用嵌入式结构，伪造和仿制很困难；而其中的简单周期结构易于制作，可采用业界成熟的模压工艺批量生产。在光变图像防伪和包装装饰领域具有非常好的应用前景。

具体的应用方案1：公众防伪。将多色光变器置入待防伪的证卡上，用其亚波长光栅结构构成某种图案，在普通白光照射情况下，当将证卡在自身平面内转动时，在设定的不同角度该图案将呈现设定的不同颜色。如图5所示，在a位置，方位角为10°～15°，图案将呈现明亮的蓝色；在b位置，方位角为65°～70°，图案将呈现明亮的绿色；在c位置，方位角为85°～90°，图案将呈现明亮的红色。因此在转动过程中将呈现红、绿、蓝三种颜色的转换，通过肉眼即可识别。如果发现证卡的变色特征与上述预先设定的情况不符，就很容易被公众识别出是伪造的证卡(伪造者很难将多色光变器进行复制到伪造的证卡上去)。

具体的应用方案2：专家级防伪。用白光做光源的反射率测量仪可以进行检测和测量以上防伪证卡上的图案，并在方位角为10°～15°、65°～70°、85°～90°时，分别参见图4a-图4c所示，分别在440nm～480nm(蓝光波段)、540nm～580nm(绿光波段)、640nm～680nm(红光波段)有较高反射率。可通过是否符合该反射率分布，来判断该证卡为真或为假。

本发明所述基于亚波长光栅结构的多色光变器，在自然光入射的情况下，可以通过多色光变器在自身平面的转动，在一定的观察角度下可观察到不同颜色的明亮的反射光。例如，红、绿、蓝(三色)，或者红、黄、绿、蓝(四色)，或者红、黄、绿、蓝、紫(五色)等，视觉效果独特。更多色的光变器可以通过测量设备进行测量判断。

本发明基于亚波长光栅结构的多色光变器及其实现方法中，其独特的光学特性可应用于光变图像防伪领域，具有一线防伪(公众防伪)和二线防伪(专家防伪)特性。作为公众防伪识别方法，由公众手持置入多色光变器的待防伪证卡，在普通白光照射情况下，将证卡在自身平面转动，应在一定的观察角度通过肉眼观察到预先设定的不同颜色的明亮的反射光；作为专家防伪识别方法，用白光做光源的反射率测量仪对以上防伪证卡上的多色光变器进行检测，应在相应的方位角检验到预先设定的不同波长的高反射率曲线。

本发明所述基于亚波长光栅结构的多色光变器，可以广泛应用于证卡(例如身份证、护照、驾驶证、社会保障卡等)、票据(例如债券、支票、股票、发票等)、纸币、名优产品(例如名烟名酒、化妆品、药品、数码产品等)等的防伪，也可用于包装装饰领域。

本发明嵌入式亚波长二元矩形周期结构多色光变实现方法及装置突破了当前国内外两色光变技术的局限，由于亚波长多色光变器的设计原理复杂，工艺精度高，而且采用嵌入式结构，仿制更困难；而其简单周期结构又易于生产加工，可采用业界成熟的模压工艺批量生产，多色光变视觉效果独特。本发明所述亚波长光栅结构多色光变器及其实现方法提出了一种比亚波长两色光变防伪技术更有效、更安全、更重要的防伪手段，在安全防伪、包装装饰领域具有广阔的应用前景。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于亚波长光栅结构的多色光变器实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、确定基底材料及其镀膜材料折射率；

B、根据多色变换目标构建评价函数；

C、利用严格耦合波理论和全局优化算法，结合评价函数，优化出评价函数最小值时对应的光栅周期，光栅深度以及镀膜厚度，以及各个颜色对应的方位角；

D、依照步骤C的各参数设置用于防伪的亚波长光栅结构。

2.根据权利要求1所述的多色光变器实现方法，其特征在于，所述亚波长光栅结构的光栅周期为320nm至520nm，光栅深度为80nm至250nm，镀膜厚度为5nm至130nm，占空比为0.35～0.75。

3.根据权利要求1所述的多色光变器实现方法，其特征在于，所述的多色光变器采用嵌入式结构设计，用微纳压印方法在基底材料上形成亚波长光栅结构，并在光栅结构表面蒸镀透明高折射率介质，形成两层嵌合材料结构形成。

4.根据权利要求1所述的多色光变器实现方法，其特征在于，所述步骤B中的评价函数采用：

MF(φ_b，φ_g，φ_r，d，T，h)＝k₁MF__bTM+k₂MF__bTE+k₃MF__gTM+k4MF__gTE+k₅MF__rTM+k₆MF__rTE

其中，Φb、Φg、Φr分别表示获得蓝光、绿光、红光最高反射率的方位角；d为光栅深度，T为光栅周期，h为镀膜厚度；λ_i为蓝光波段L₁的波长，λ_j为绿光波段L₂的波长，λ_k为红光波段L₃的波长；0°、90°分别代表TM波、TE波的偏振角；K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆、α、β、γ为权重因子，且满足K₁+K₂+K₃+K₄+K₅+K₆＝1，α+β+γ＝1，K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆在[0.1，0.3]范围取值，α在[0.5，0.9]范围取值，β、γ在[0.05，0.25]范围取值。

5.根据权利要求4所述的多色光变器实现方法，其特征在于，所述步骤C还包括：

入射平面波在入射介质层I区的归一化电场可表示为：

E_inc(x，y，z)＝u exp{-j[k₀n_isinθcosφx+k₀n_isinθsinφy+k₀n_icosθ(z+h)]}

其中u为归一化电场矢量振幅，k₀＝2π/λ₀；

用R_m表示m级反射波的归一化电场矢量振幅，T_m表示m级透射波的归一化电场矢量振幅，k_xm表示m级衍射波矢的x分量，k_y表示衍射波矢的y分量，k_zm表示m级衍射波矢的z分量；

入射介质层I区的总电场可表示为

$\begin{array}{c}{E}_I=\mathrm{u\; exp}\{-j[k_0{n}_i\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φx}+k_0{n}_i\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φy}+k_0{n}_i\cos \mathrm{\θ}(z+h)\left]\right\}\\ +\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{R}_{\mathrm{Im}}\exp \{-j[k_{\mathrm{xm}}x+k_{y}y-k_{I,\mathrm{zm}}(z+h)\left]\right\}\end{array}$

覆盖层II区的总电场可表示为

$E_{\mathrm{II}}=\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{R}_{\mathrm{IIm}}\exp [-j(k_{\mathrm{xm}}x+k_{y}y-k_{\mathrm{II},\mathrm{zm}}z)]+\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{T}_{\mathrm{IIm}}\{-j[k_{\mathrm{xm}}x+k_{y}y+k_{\mathrm{II},\mathrm{zm}}(z+h)\left]\right\}$

基底层IV区的总电场可表示为

$E_{\mathrm{IV}}=\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{T}_{\mathrm{IVm}}\exp \{-j[k_{\mathrm{xm}}x+k_{y}y+k_{\mathrm{IV},\mathrm{zm}}(z-d)\left]\right\}$

其中

$k_{\mathrm{xm}}=k_0(n_i\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}-\frac{m{\mathrm{\λ}}_0}{T})$

$k_{l,\mathrm{zm}}=\left\{\begin{array}{c}\sqrt{k_0^2{n}_l^2-k_{\mathrm{xm}}^2-k_y^2}(k_{\mathrm{xm}}^2+k_y^2\≤k_0^2{n}_l^2)\\ -j\sqrt{k_{\mathrm{xm}}^2+k_y^2-k_0^2{n}_l^2}(k_{\mathrm{xm}}^2+k_y^2>k_0^2{n}_l^2)\end{array}\right.(l=I,\mathrm{II},\mathrm{IV})$

其中在I区，n_I＝n_i，在II区，n_II＝n_c，在IV区，n_IV＝n_s；

由麦克斯韦旋度方程可求出入射介质层I区、覆盖层II区、基底层IV区的的磁场分量；

将光栅层III区的电场矢量与磁场矢量表示成空间谐波的傅立叶级数展开，即

$\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{III}}=\underset{m}{\mathrm{\Σ}}[S_{\mathrm{xm}}\left(z\right)e_x+S_{\mathrm{ym}}\left(z\right)e_y+S_{\mathrm{zm}}\left(z\right)e_z]\exp [-j(k_{\mathrm{xm}}x+k_{y}y)]\\ H_{\mathrm{III}}=-j{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{{\mathrm{\μ}}_0}\right)}^{\frac{1}{2}}\underset{m}{\mathrm{\Σ}}[U_{\mathrm{xm}}\left(z\right)e_x+U_{\mathrm{ym}}\left(z\right)e_y+U_{\mathrm{zm}}\left(z\right)e_z]\exp [-j(k_{\mathrm{xm}}x+k_{y}y)]\end{array}$

式中，ε₀为真空介电常数，S_m(z)、U_m(z)为第m级空间谐波场的归一化电场振幅和归一化磁场振幅；

根据麦克斯韦方程得到矩阵形式的耦合波方程组：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{S}}_x\\ {\stackrel{\·}{S}}_y\\ {\stackrel{\·}{U}}_x\\ {\stackrel{\·}{U}}_y\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}0& 0& -\frac{K_x{C}^{-1}{K}_y}{k_0}& \frac{K_x{C}^{-1}{K}_x-{k_0}^2}{k_0}\\ 0& 0& \frac{{k_0}^2-K_y{C}^{-1}{K}_y}{k_0}& \frac{K_y{C}^{-1}{K}_x}{k_0}\\ -\frac{K_x{K}_y}{k_0}& \frac{{K_x}^2-{k_0}^{2}C}{k_0}& 0& 0\\ \frac{{k_0}^{2}C-{K_y}^2}{k_0}& \frac{K_y{K}_x}{k_0}& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{S}_x\\ S_y\\ U_x\\ U_y\end{array}\right]$

其中，K_x、K_y分别是以k_x、k_y为对角元素组成的对角阵，C为傅里叶系数c_p组成的M维方阵，其第(m，p)个元素为c_m-p；由这个方程组可以求出S_x、S_y、U_x、U_y；

在入射介质层与覆盖层的边界处、覆盖层与光栅区的边界处、光栅区与基底层的边界处运用边界条件，同时考虑入射层、基底层中电场矢量与光波矢量的正交条件：

K_xR_Ix+K_yR_Iy-K_I，zR_Iz＝0

K_xT_IVx+K_yT_IVy+K_IV，zT_IVz＝0

利用以上方程，可求出R和T，即可得到任意偏振波入射一维嵌入式矩形光栅结构各级反射波和透射波的衍射效率：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{Rm}}=\mathrm{Re}\left(\frac{k_{I,\mathrm{zm}}}{k_0{n}_i\cos \mathrm{\θ}}\right)({\left|R_{\mathrm{xm}}\right|}^2+{\left|R_{\mathrm{ym}}\right|}^2+{\left|R_{\mathrm{zm}}\right|}^2)$

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{Tm}}=\mathrm{Re}\left(\frac{k_{\mathrm{IV},\mathrm{zm}}}{k_0{n}_i\cos \mathrm{\θ}}\right)({\left|T_{\mathrm{xm}}\right|}^2+{\left|T_{\mathrm{ym}}\right|}^2+{\left|T_{\mathrm{zm}}\right|}^2)$

6.根据权利要求1所述的多色光变器实现方法，其特征在于，所述光变器采用亚波长二元矩形周期结构三色光变器，并且设定优化初始条件为：自然光入射角θ为40°至50°，偏振角ψ＝0°或90°，入射介质为空气且折射率n_i＝1.0，光栅占空比f为0.35～0.75，基底材料为折射率n_s在1.45～1.85之间的聚酯材料，镀膜为折射率n_c在1.8～2.5之间的透明高折射率介质，采用氧化锌膜，折射率为2.0；通过多次迭代优化的最佳结构参数为：光栅周期T为420nm至460nm，光栅深度d为120nm至200nm，镀膜厚度h为35nm至75nm，并且在方位角为10°～15°、65°～70°、85°～90°时，分别在蓝光波段、绿光波段、红光波段有较高反射率。

7.根据权利要求1所述的多色光变器实现方法，其特征在于，所述光变器采用亚波长二元矩形周期结构三色光变器，并且设定优化初始条件为：自然光入射角θ为40°至50°，偏振角ψ＝0°或90°，入射介质为空气且折射率n_i＝1.0，光栅占空比f为0.35～0.75，基底材料为折射率n_s在1.45～1.85之间的聚酯材料，镀膜为折射率n_c在1.8～2.5之间的透明高折射率介质，采用硫化锌膜，折射率为2.356；通过多次迭代优化的最佳结构参数为：光栅周期T为380nm至420nm，光栅深度d为151nm至205nm，镀膜厚度h为10nm至40nm，并且在方位角为0°～5°、55°～60°、85°～90°时，分别在蓝光波段、绿光波段、红光波段有较高反射率。

8.一种基于亚波长光栅结构的多色光变器，其包括在聚酯材料上形成的一简单周期的亚波长光栅结构；其特征在于，还包括在该亚波长光栅结构上设置的一层透明覆盖层，并采用权利要求1至7任一所述的实现方法确定所述光变器。

9.根据权利要求8所述的基于亚波长光栅结构的多色光变器，其特征在于，所述多色光变器设置在待防伪的证卡上，并用该亚波长光栅结构构成一预定的图案，普通白光照射情况下，当该证卡在自身平面内转动时，在预先设定的多个不同方位角该图案将呈现设定的不同颜色，以此判断该证卡的真伪。

10.根据权利要求8所述的基于亚波长光栅结构的多色光变器，其特征在于，所述多色光变器设置在待防伪的证卡上，并用该亚波长光栅结构构成一预定的图案，用白光做光源的反射率测量仪对所述防伪证卡上的图案进行检测，在预先设定的不同方位角测量不同颜色之较高反射率，以通过是否符合预先设定的反射率分布判断该证卡的真伪。