CN110853112A - 一种三维手性纳米防伪装置及图案制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维手性纳米防伪装置及图案制作方法，涉及纳米等离子体光学技术领域。首先三维手性纳米防伪结构块采用双层铝圆弧结构作为3D手性彩色像素，其次调整双层铝圆弧结构的圆心角，实现了右旋圆偏振光调色板占32％的sRGB空间和左旋圆偏振光调色板占19％的sRGB空间功能，然后排列三维手性纳米防伪结构块，使排列形成的三维手性纳米防伪装置在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光照射下显示不同的图案，克服现有等离子体光学加密存在的不足，使3D手性彩色印刷在光学安全和文件认证方面具有很好的应用前景。

Description

一种三维手性纳米防伪装置及图案制作方法

技术领域

本发明涉及纳米等离子体光学技术领域，特别是涉及一种三维手性纳米防伪装置及图案制作方法。

背景技术

与常规染料或其他喷墨彩色印刷相比，等离子体彩色印刷显示出优良的光学性质，例如超出光学衍射极限，无毒性、耐久性以及超高分辨率，这对于滤色器，光学显示器件和基于颜色的生物传感器是非常有益的。此外，纳米等离子体彩色还能应用光学防伪与加密。目前，已经研究了各种纳米结构作为用于光学安全应用的彩色印刷，例如，由光栅制成的角度相关彩色印刷，使用催化镁表面的动态彩色印刷，柔性彩色印刷，等离子体增强拉曼彩色印刷和等离子体增强上转换彩色印刷。但是上述技术在手性分子传感、光学安全性以及文件认证(例如护照，身份证和纸币)方面仍然存在加密不足的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种三维手性纳米防伪装置及图案制作方法，克服现有等离子体光学加密存在的不足，使3D手性彩色印刷在光学安全和文件认证方面具有很好的应用前景。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种三维手性纳米防伪装置，包括多个三维手性纳米防伪结构块；每个所述三维手性纳米防伪结构块均设置有上下分布的第一圆弧结构和第二圆弧结构，且所述第一圆弧结构与所述第二圆弧结构之间填充有电介质；其中，所述第一圆弧结构与所述第二圆弧结构的材质均为铝。

可选的，所述第一圆弧结构和所述第二圆弧结构对应的圆心角的变换范围均为50°-150°，且不同所述第一圆弧结构对应的圆心角差为5°的倍数，不同所述第二圆弧结构对应的圆心角差为5°的倍数。

可选的，所述电介质的折射率为1.3。

可选的，所述第一圆弧结构和所述第二圆弧结构的圆心在同一Z轴上。

可选的，所述第一圆弧结构和所述第二圆弧结构的内径均为70nm，所述第一圆弧结构和所述第二圆弧结构的外径均为150nm。

可选的，所述第一圆弧结构和所述第二圆弧结构的高度均为40nm。

可选的，所述第一圆弧结构与所述第二圆弧结构之间的距离为60nm。

本发明还提供了一种三维手性纳米防伪图案制作方法，包括：

获取在左旋圆偏振光下显示的第一图像和在右旋圆偏振光下显示的第二图像；其中，所述第一图像和所述第二图像的像素对应的三维手性纳米防伪结构块相同，且所述第一图像和所述第二图像显示的图案不同；

获取每个三维手性纳米防伪结构块在左旋圆偏振光照射下的颜色和在右旋圆偏振光照射下的颜色；

对所述第一图像和所述第二图像分别进行分割处理，确定所述第一图像的所有连通区域和所述第二图像的所有连通区域；

根据所述第一图像的所有连通区域和所述第二图像的所有连通区域，构建交互信息矩阵M；所述交互信息矩阵M为m行n列的矩阵，所述交互信息矩阵M中的元素用M_ij表示，并当M_ij＝0时，表示当所述第一图像与所述第二图像重合时，所述第二图像的第i块连通区域与所述第一图像的第j块连通区域没有重合，当M_ij＝1时，表示当所述第一图像与所述第二图像重合时，所述第二图像的第i块连通区域与所述第一图像的第j块连通区域有重合；m表示所述第二图像的连通区域个数，1≤i≤m；n表示所述第一图像的连通区域个数，1≤j≤n；

根据所述交互信息矩阵M，以及每个三维手性纳米防伪结构块在左旋圆偏振光照射下的颜色和在右旋圆偏振光照射下的颜色，对所述第一图像和所述第二图像中的连通区域进行填色，排列所述三维手性纳米防伪结构块，使排列形成的三维手性纳米防伪装置在左旋圆偏振光照射下显示第一图像，在右旋圆偏振光照射下显示第二图像。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种三维手性纳米防伪装置及图案制作方法，首先三维手性纳米防伪结构块采用双层铝圆弧结构作为3D手性彩色像素，其次调整双层铝圆弧结构的圆心角，实现了右旋圆偏振光调色板占32％的sRGB空间和左旋圆偏振光调色板占19％的sRGB空间功能，然后排列三维手性纳米防伪结构块，使排列形成的三维手性纳米防伪装置在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光照射下显示不同的图案，克服现有等离子体光学加密存在的不足，使3D手性彩色印刷在光学安全和文件认证方面具有很好的应用前景。

另外，本发明提供的三维手性纳米防伪装置简单，易于制造，并且由于其三维特性，不易被仿造。同时，该三维手性纳米防伪装置采用价格低廉的铝金属，具有很好的经济效用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例三维手性纳米防伪装置的结构示意图；

图2为本发明实施例三维手性纳米防伪结构块在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光照射下的颜色信息图；

图3为本发明实施例三维手性纳米防伪图案制作方法的流程示意图；

图4为本发明实施例图案加密过程和加密结果示意图；

图5为本发明实施例图像分割示意图；

图6为本发明实施例图像连通区域交互示意图；

图7本发明实施例三维手性纳米防伪结构块部分排列示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了克服现有等离子体光学加密存在的不足，本发明提供了一种三维手性纳米防伪装置及图案制作方法。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供了一种三维手性纳米防伪装置及图案制作方法，主要应用3D手性彩色打印，在左旋圆偏振光(LCP)下显示一种图案，同时在右旋圆偏振光(RCP)下显示另一种图案。

本发明提供的三维手性纳米防伪装置，如图1所示，包括多个三维手性纳米防伪结构块；每个所述三维手性纳米防伪结构块均设置有上下分布的第一圆弧结构和第二圆弧结构，且所述第一圆弧结构与所述第二圆弧结构之间填充有电介质；其中，所述第一圆弧结构与所述第二圆弧结构的材质均为铝。所述电介质的折射率为1.3。

所述第一圆弧结构和所述第二圆弧结构对应的圆心角的变换范围均为50°-150°，且不同所述第一圆弧结构对应的圆心角差为5°的倍数，不同所述第二圆弧结构对应的圆心角差为5°的倍数。在图1中，第一圆弧结构对应的圆心角为α，第二圆弧结构对应的圆心角为β，其中α，β的变换范围为50°-150°，每5°增加一次，因此会有21*21＝441个三维手性纳米防伪结构块组合。

所述第一圆弧结构和所述第二圆弧结构的圆心在同一Z轴上。所述第一圆弧结构和所述第二圆弧结构的内径r均为70nm，所述第一圆弧结构和所述第二圆弧结构的外径均R为150nm。

所述第一圆弧结构和所述第二圆弧结构的高度h均为40nm。所述第一圆弧结构与所述第二圆弧结构之间的距离L为60nm。

所述三维手性纳米防伪结构块的阵列周期为350nm。

因为双层铝圆弧结构对左旋圆偏振光(LCP)和右旋圆偏振光(RCP)照明的光学响应存在巨大差异，因此，在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的照射下，不同的三维手性纳米防伪结构块会出现不同的颜色。如图2所示。图2(a)和图2(b)分别是三维手性纳米防伪结构块在左旋圆偏振光(LCP)和右旋圆偏振光下的颜色。其中，每一个色块代表一个三维手性纳米防伪结构块。图2(c)和图2(d)分别是三维手性纳米防伪结构块在CIE-1931中的分布情况。图2(e)代表三维手性纳米防伪结构块的颜色坐标在CIE-1931上的距离。图2(f)是图2(e)的等高线图。

本发明通过调整第一圆弧结构和第二圆弧结构的圆心角，圆心角以5°为间隔从50°到150°，获得两组颜色丰富的调色板，如图2(a)和图2(b)所示，实现了右旋圆偏振光调色板占32％的sRGB空间和左旋圆偏振光调色板占19％的sRGB空间功能，并随着圆心角的增大，同一三维手性纳米防伪结构块在左旋圆偏振光(LCP)和右旋圆偏振光下的颜色差异也变大。

为了实现三维手性纳米防伪装置在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光照射下显示不同的图案，本发明还提供了一种三维手性纳米防伪图案制作方法，如图3所示，包括：

步骤101：获取在左旋圆偏振光下显示的第一图像和在右旋圆偏振光下显示的第二图像；其中，所述第一图像和所述第二图像的像素对应的三维手性纳米防伪结构块相同，且所述第一图像和所述第二图像显示的图案不同。

步骤102：获取每个三维手性纳米防伪结构块在左旋圆偏振光照射下的颜色和在右旋圆偏振光照射下的颜色。

步骤103：对所述第一图像和所述第二图像分别进行分割处理，确定所述第一图像的所有连通区域和所述第二图像的所有连通区域。

步骤104：根据所述第一图像的所有连通区域和所述第二图像的所有连通区域，构建交互信息矩阵M；所述交互信息矩阵M为m行n列的矩阵，所述交互信息矩阵M中的元素用M_ij表示，并当M_ij＝0时，表示当所述第一图像与所述第二图像重合时，所述第二图像的第i块连通区域与所述第一图像的第j块连通区域没有重合，当M_ij＝1时，表示当所述第一图像与所述第二图像重合时，所述第二图像的第i块连通区域与所述第一图像的第j块连通区域有重合；m表示所述第二图像的连通区域个数，1≤i≤m；n表示所述第一图像的连通区域个数，1≤j≤n。

步骤105：根据所述交互信息矩阵M，以及每个三维手性纳米防伪结构块在左旋圆偏振光照射下的颜色和在右旋圆偏振光照射下的颜色，对所述第一图像和所述第二图像中的连通区域进行填色，排列所述三维手性纳米防伪结构块，使排列形成的三维手性纳米防伪装置在左旋圆偏振光照射下显示第一图像，在右旋圆偏振光照射下显示第二图像。

该方法还包括：将图2(a)和图2(b)中的三维手性纳米防伪结构块按照颜色相近到远进行排序，以便后续挑选。

在执行步骤103之前，需要对所述第一图像和所述第二图像进行预处理，使得所述第一图像和所述第二图像的尺寸相同。

在步骤103中是基于所述第一图像和所述第二图像的绘画内容，将这所述第一图像和所述第二图像划分为不同数量的连通区域；例如：第一图像为中国长城图像，第二图像为故宫天坛图像，将故宫天坛图像进行RCP彩色印刷时，将故宫天坛图像划分为27个不同的连通区域；将中国长城图像进行LCP彩色印刷时，将中国长城图像分成29个不同的连通区域。

在步骤104中是将这所述第一图像和所述第二图像重叠以得到这两个图像的交织信息，即每个RCP彩色图像(第二图像)在空间上交错LCP彩色图像(第一图像)的哪些部分。

在步骤105中，当对故宫天坛图像的第i个连通区域进行颜色填充时，从在RCP对应的调色板(图2(b)显示的三维手性纳米防伪结构块在右旋圆偏振光下的颜色)中找到具有相似颜色，如图2(e)和图2(f)中颜色距离小的一些颜色像素，而这些颜色像素(图2(a)显示的三维手性纳米防伪结构块在左旋圆偏振光下的颜色)具有完全不同的颜色。

例如，如图4(a)和图4(b)所示，故宫天坛图像的第4个部分，其在空间上与中国长城图像的第6、7、20、21和其他部分重叠(为了简明扼要，这里只使用第6、7、20、21个部分作为例子)。值得注意的是，中国长城图像的第6、7、20、21个部分是不同的区域，因此它们在左旋圆偏振光照射下应该有不同的颜色，故宫天坛图像的第4个部分是单一区域，它在右旋圆偏振光照射下应该具有相同或至少相似的颜色。在图4(a)和图4(b)的插图中也列出了相应部分的所选LCP颜色(左旋圆偏振光照射下显示的颜色)和RCP颜色(右旋圆偏振光照射下显示的颜色)。其中，相同的位置列出了来自相同像素的相应LCP颜色和RCP颜色(这些颜色也在图4(a)和图4(b)中标记)。在将LCP颜色和RCP颜色填充到相应的部分之后，可以看到中国长城图像中的子区域(第6、7、20、21个部分)的颜色与故宫天坛图像中的相同子区域(第4个部分)的颜色不同。

按照以上原则，继续填充其他连通区域，就会得到图4(c)和图4(d)所示的加密好的图片，中国长城图像仅通过LCP激发(图4(c))显示，而故宫天坛图像仅通过RCP激发(图4(d))显示。

本发明挑选了两幅像素相同的图像，按照如图3所示的方法，将第一图像/第二图像隐藏到左旋圆偏振光(LCP)/右旋圆偏振光(RCP)下的彩色打印图案中，使得在左旋圆偏振光(LCP)的照射下显示的是第一图像，在右旋圆偏振光(RCP)下显示的是第二图像，并且不会出现颜色泄露。

3D手性等离子体彩色印刷通过使用本发明提供的装置能够显示复杂的加密算法和高分辨率彩色图像，并需要高技能的分析专业知识和技术来验证。因此，本发明的3D手性彩色印刷在光学文件安全性和防伪技术具有很好的应用前景。

下面通过一个具体应用案列来说明本发明的技术效果。该具体应用案列包括以下步骤。

第一步，判断两幅图重合部分

如图5(a)和(b)所示，是要用于加密的简笔原始图像，分别为中国长城图像和故宫天坛图像，按照连通区域将这两幅中国长城图像和故宫天坛图像进行分割，如图5(c)和(d)所示。在连通区域分割的过程中，本实施例还把较小的连通区域剔除，不作为一个独立的连通区域。最终，本实施例将把中国长城图像分成了29连通区域，把故宫天坛分成了27个连通区域。

第二，确定中国长城图像和故宫天坛图像的连通区域的重合部分，以便后续进行加密算法的颜色填充。

首先，将中国长城图像和故宫天坛图像预先改成了同样的尺寸，这里为250pixelⅹ300pixel。经过分割以后，用矩阵形式对中国长城图像和故宫天坛图像的分块情况进行描述。例如，中国长城图像分成29块，可以用1～29这29个数字进行标记，并按照每个连通区域的分布情况，生成一个250ⅹ300大小的矩阵。在这个矩阵中，只有1～29这29个数字，每一个相同的数字组成对应的一个连通区域(例如，在矩阵中数字1就代表图案中第一块连通区域的分布情况)。同样，对故宫天坛图像也进行同样的处理，这样，就得到了两个矩阵，这里记为P矩阵和Q矩阵。其中P矩阵代表中国长城图像，Q矩阵代表故宫天坛图像。

然后，找出中国长城图像和故宫天坛图像的连通区域的交互情况。如图6(c)、图6(d)所示，要找到故宫天坛图像的第4块连通区域包含中国长城图像的哪些连通区域，首先在故宫天坛图像对应的Q矩阵中找到所有数字4，并记录下它们的坐标，然后再P矩阵中找到这些坐标对应的数字，如图6(a)所示，找到在中国长城图像的对应位置，进而图6(b)所示找到了第6、7、20、21块连通区域。

按照上述方法，找出故宫天坛图像的所有连通区域包含中国长城图像的哪些部分。为了更加方便的表示这些连通区域的交互信息。对于每一个像素点，它必属于一个连通区域，即它在故宫天坛图像属于一个连通区域，记为第i个连通区域，同时它在中国长城图像属于一个连通区域，记为第j个连通区域，从而构建一个交互信息矩阵M，该交互信息矩阵M为27行29列，每个元素M_ij的i代表右旋加密图片的连通区域数量，这里右旋加密图片为故宫天坛图像，i为1～27，j代表左旋加密图片的连通区域数量，这里左旋加密图片为中国长城图像，j为1～29。交互信息矩阵M的元素值只有0和1，若M_ij＝0，则表示当把故宫天坛图像和中国长城图像放到一起时，右旋加密图片的第i块连通区域和左旋加密图片的第j块连通区域没有任何重合，若M_ij＝1，则表示当把故宫天坛图像和中国长城图像放到一起时，右旋加密图片的第i块连通区域和左旋加密图片的第j块连通区域有重合。

第三，颜色选择

为了填充每个连通区域，需要在图2中找出相应的颜色进行填充。具体的方法为：对于图2(a)中每个三维手性纳米防伪结构块对应的颜色，可以用颜色在CIE 1931色域图中的坐标来进行区分，如果两个颜色坐标相差较远，则表明颜色相差较大。同时，计算对应三维手性纳米防伪结构块的颜色在图2(b)右旋圆偏振光照射下颜色的差异。因此，可以得到任意一个颜色相比于其他颜色在左旋圆偏振光与右旋圆偏振光照射下的颜色差异情况。

例如以故宫天坛图像的连通区域为基准进行色块的填充。如上所述，填充故宫天坛图像的第四块连通区域时，由于在右旋圆偏振光情况下，第4块连通区域为整块区域，因此颜色基本为一种颜色，此时要求选择的三维手性纳米防伪结构块在右旋圆偏振光的照射下，颜色基本相同，而在左旋圆偏振光下，是由4块不同的连通区域部分组成，因此要有四种不相同的颜色。由于已知任意一个三维手性纳米防伪结构块在左旋圆偏振光与右旋圆偏振光照射下与其他三维手性纳米防伪结构块的差异情况，只需要在三维手性纳米防伪装置中寻找4种三维手性纳米防伪结构块，这4种三维手性纳米防伪结构块在左旋圆偏振光照射下，颜色相差较大，而在右旋圆偏振光的照射下，颜色相差较近，满足上述条件的三维手性纳米防伪结构块都可以进行填充。如图7(a)、图7(b)、图7(c)所示，经过计算发现当第一圆弧结构和第二圆弧结构的圆心角度为(65°，145°)、(50°，150°)、(140°，75°)、(140°，80°)时，这4种三维手性纳米防伪结构块产生的颜色符合要求。其他色块填充思想与上述相同。

由对称和非对称等离子体耦合模式，使相同尺寸的双层铝圆弧结构在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光激发下透射不同颜色的光，通过调整双层铝圆弧结构的圆心角，得到左旋圆偏振光和右旋圆偏振光照明中的一系列颜色。在此基础上，本发明采用双层铝圆弧结构作为手性彩色像素，使三维手性纳米防伪结构块在左旋圆偏振光下显示一组像素信息，而在右旋圆偏振光下显示不同的像素信息，并展示了一种新颖的防伪方法，3D手性彩色印刷方法，可以逐像素地同时排列左旋圆偏振光和右旋圆偏振光照射下三维手性纳米防伪结构块。本发明的3D手性彩色像素对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光显示出不同的光学响应和较大的手性二色性，这使3D手性彩色印刷在手性分子传感和光学安全性以及文件认证(例如护照，身份证和纸币)方面具有很好地应用前景。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种三维手性纳米防伪装置，其特征在于，包括多个三维手性纳米防伪结构块；每个所述三维手性纳米防伪结构块均设置有上下分布的第一圆弧结构和第二圆弧结构，且所述第一圆弧结构与所述第二圆弧结构之间填充有电介质；其中，所述第一圆弧结构与所述第二圆弧结构的材质均为铝。

2.根据权利要求1所述的一种三维手性纳米防伪装置，其特征在于，所述第一圆弧结构和所述第二圆弧结构对应的圆心角的变换范围均为50°-150°，且不同所述第一圆弧结构对应的圆心角差为5°的倍数，不同所述第二圆弧结构对应的圆心角差为5°的倍数。

3.根据权利要求1所述的一种三维手性纳米防伪装置，其特征在于，所述电介质的折射率为1.3。

4.根据权利要求1所述的一种三维手性纳米防伪装置，其特征在于，所述第一圆弧结构和所述第二圆弧结构的圆心在同一Z轴上。

5.根据权利要求1所述的一种三维手性纳米防伪装置，其特征在于，所述第一圆弧结构和所述第二圆弧结构的内径均为70nm，所述第一圆弧结构和所述第二圆弧结构的外径均为150nm。

6.根据权利要求1所述的一种三维手性纳米防伪装置，其特征在于，所述第一圆弧结构和所述第二圆弧结构的高度均为40nm。

7.根据权利要求1所述的一种三维手性纳米防伪装置，其特征在于，所述第一圆弧结构与所述第二圆弧结构之间的距离为60nm。

8.一种三维手性纳米防伪图案制作方法，其特征在于，包括：

获取在左旋圆偏振光下显示的第一图像和在右旋圆偏振光下显示的第二图像；其中，所述第一图像和所述第二图像的像素对应的三维手性纳米防伪结构块相同，且所述第一图像和所述第二图像显示的图案不同；

获取每个三维手性纳米防伪结构块在左旋圆偏振光照射下的颜色和在右旋圆偏振光照射下的颜色；

对所述第一图像和所述第二图像分别进行分割处理，确定所述第一图像的所有连通区域和所述第二图像的所有连通区域；

根据所述第一图像的所有连通区域和所述第二图像的所有连通区域，构建交互信息矩阵M；所述交互信息矩阵M为m行n列的矩阵，所述交互信息矩阵M中的元素用M_ij表示，并当M_ij＝0时，表示当所述第一图像与所述第二图像重合时，所述第二图像的第i块连通区域与所述第一图像的第j块连通区域没有重合，当M_ij＝1时，表示当所述第一图像与所述第二图像重合时，所述第二图像的第i块连通区域与所述第一图像的第j块连通区域有重合；m表示所述第二图像的连通区域个数，1≤i≤m；n表示所述第一图像的连通区域个数，1≤j≤n；

根据所述交互信息矩阵M，以及每个三维手性纳米防伪结构块在左旋圆偏振光照射下的颜色和在右旋圆偏振光照射下的颜色，对所述第一图像和所述第二图像中的连通区域进行填色，排列所述三维手性纳米防伪结构块，使排列形成的三维手性纳米防伪装置在左旋圆偏振光照射下显示第一图像，在右旋圆偏振光照射下显示第二图像。

Images