CN110967843A - 一种将防伪底纹图案与空频复用超表面图像复用的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种将防伪底纹图案与空频复用超表面图像复用的方法，该方法利用具有偏振片功能的超表面，可对入射线偏振光的偏振态和强度进行调控，结合马吕斯定理可获得双通道的纳米印刷图像的显示，其中一条通道用于显示基于空频复用的混合图像，该混合图像在不同截止频率下可提取不同的图像信息，从而可将该方法拓宽至三通道的复用。本发明提供了一种新的信息复用的方式，加入防伪底纹图案可广泛应用于高端产品的防伪等领域。

Description

一种将防伪底纹图案与空频复用超表面图像复用的方法

技术领域

本发明属于微纳光学技术领域，尤其涉及一种将防伪底纹图案与空频复用超表面图像复用的方法。

背景技术

超表面作为二维平面材料具有超薄的亚波长结构并且可精确地操控电磁场的相位、振幅以及偏振态等，近年来由于各类器件设备小型化、微型化的发展趋势，超表面以其优越的性能备受研究者们关注。利用超表面特殊的电磁特性并结合一些控制方式可实现很多有趣的功能，例如，利用超表面对线偏振光的偏振态的调控实现图像信息的复用，通过改变入射线偏振光的偏振态实现透镜无像差的双档变焦功能等等。将基于偏振控制的信息复用与空频复用相结合不仅会拓宽信息复用的通道，而且还增加了信息验证的方式，将其应用于图像防伪或信息加密时可大大增加其安全性能，这将在未来具有很好的应用发展前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种将防伪底纹图案与空频复用超表面图像复用的方法，具有偏振片功能的超表面可对入射线偏振光的偏振态进行调控，结合马吕斯定理，在光的出射端通过旋转检偏器便可在两个特定的检偏角度处获得双通道的纳米印刷图像的显示。将其中一条通道用于显示二值的防伪底纹图案，另一条通道显示基于空频复用的混合图像，该混合图像在不同截止频率的滤波器滤波后可提取出不同的图像信息。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种将防伪底纹图案与空频复用超表面图像复用的方法，线偏振光入射于具有偏振片功能的超表面，在出射方向通过转动检偏器获得两条通道，分别在近场显示一幅具有高分辨率的连续灰度混合图像和一幅二值防伪底纹图案，所述的混合图像在高频域和低频域可提取出两幅不同的图像信息，所述的超表面由透明基底和刻蚀在基底上的纳米砖阵列构成。

按上述技术方案，超表面采用银-二氧化硅的材料结构，顶层的银用以刻蚀纳米砖阵列，底层二氧化硅作为透明基底。

按上述技术方案，透明基底可划分为多个纳米单元结构的工作面且其边长为C，每个纳米单元结构均由一个正方形的工作面和刻蚀于该工作面上的一个纳米砖构成，纳米砖的结构尺寸长L、宽W、高H根据入射光波长优化得到，且均为亚波长级。以纳米单元结构工作面的直角边为X轴和Y轴建立坐标系，纳米砖长边为长轴、短边为短轴，纳米砖的长轴与X轴夹角θ为纳米砖的转向角。

按上述技术方案，纳米单元阵列中每个纳米单元结构都等效于一个理想偏振片，当一束线偏振光通过纳米单元结构和检偏器时，其出射光的琼斯矩阵可表示为：

结合马吕斯定理，出射光的光强可表示为：

其中，I₀为入射线偏振光的强度，θ为所述纳米砖的转向角，α₂为检偏器的检偏方向，α₁为入射线偏振光的偏振方向，当入射线偏振光的偏振方向一定，可通过改变θ的大小来实现任意的灰度调制，并且可通过旋转检偏器改变检偏器的检偏方向来获得不同通道的信息。

按上述技术方案，所述的连续灰度混合图案，分别由两幅不同的图像提取其高频信息和低频信息并将这两个空间频域的分量叠加而产生，利用特定截止频率的高通滤波器和低通滤波器，从所述的混合图像中重新获得高频分量或低频分量所对应的图像。

按上述技术方案，当线偏振光入射所述的超表面时，其光强和偏振方向均被调制后作为反射光出射，通过对纳米砖阵列的转向角分布进行设计，可以使所述的具有高分辨率的连续灰度混合图像在近场显示。

本发明产生的有益效果是：1.本发明所提出的复用方法，将基于偏振控制的复用与空间频率复用相结合，在实现三通道复用的同时所复用的图像信息互无串扰影响，并可以通过三种不同方式可分别验证提取对应的具有高分辨率的图像信息。

2.本发明所提出的复用方法所复用的三种通道的提取手段均不相同，因此具有加密功能，并且加入防伪底纹的图案可作为一种应用于高端产品的防伪技术，由于复制和仿造的难度大，作为图像防伪技术时可在很大程度上提高防伪的安全性和可靠性。

3.本发明所采用的超表面材料，其结构尺寸均为亚波长级，因此具有体积小、重量轻、可高度集成等特点，适应于未来小型化、微型化的发展。此外，由于超表面为二维平面材料，因此在加工制造方面较为简单并且可节约成本。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例中纳米单元结构示意图；

图2为本发明实施例中基于半波片的超表面的透射率及反射率扫描图；

图3为本发明实施例中空间频率复用的原理图；

图4为本发明实施例中系统工作原理图。

具体实施方式

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种将防伪底纹图案与空频复用超表面图像复用的方法，超表面由透明基底和刻蚀在基底表面上的纳米单元阵列构成，纳米单元结构阵列包括多个纳米单元，通过设计可以复合基于偏振控制的复用和空频复用两种功能。

本发明实施例中所采用的超表面材料为银-二氧化硅的结构，顶层的银用以刻蚀纳米砖阵列，底层二氧化硅作为透明基底。单个纳米单元结构如图1所示，超表面材料由1-基底和2-纳米砖构成，单元结构的基底为边长为C的正方形工作面，其上刻蚀有一个纳米砖，纳米砖的长边为长轴、短边为短轴，其结构尺寸长L、宽W、高H均为亚波长级，θ为纳米砖的转向角，纳米单元阵列中各相邻的纳米砖尺寸和中心间隔均相同。

以工作波长为λ＝633nm为例，通过电磁仿真软件建模并仿真优化纳米单元结构的性能和参数，以线偏振光垂直于工作面入射，作为实施例，所建的纳米单元结构模型中纳米砖的长轴沿X轴、短轴沿Y轴并分别以x线偏振光和y线偏振光入射。在工作波长下扫描纳米单元的结构参数，包括L、W、H、C，如图2所示，以偏振方向沿纳米砖长轴的x线偏振光的反射率最高透过率最低、偏振方向沿纳米砖短轴的y线偏振光的透过率最高反射率最低为优化对象。当工作波长为633nm，纳米单元的结构参数为：C＝300nm、L＝160nm、W＝80nm、H＝70nm时，x线偏振光的反射率和y线偏振光的透过率均高于90％，而x线偏振光的透过率和y线偏振光的反射率均低于10％。

本发明中所采用的超表面中每一个纳米单元结构均等效为一个理想偏振片，以单个纳米单元结构为例，当一束线偏振光通过纳米单元结构和检偏器时，其出射光的琼斯矩阵可表示为：

结合马吕斯定理，出射光的光强为：

其中，I₀为入射线偏振光的强度，θ为所述的纳米砖的转向角，α₁为入射线偏振光的偏振方向，α₂为检偏器的检偏方向。当入射线偏振光的偏振方向一定，可通过改变θ的大小实现任意的灰度调制，并且通过旋转出射端的检偏器，在两个特定的检偏方向获得不同的图像信息。作为实施例，使入射线偏光的偏振方向α₁和检偏器的检偏方向α₂之间的夹角为

则式(2)可分别简化为：

及

由此可知，当入射线偏振光的偏振方向保持与X轴夹角为

不变时，检偏器的检偏方向在两个特定的角度下，出射光的强度分别为I₁和I₂且随纳米砖的转向角θ的改变而连续变化。

作为实施例，我们选用两幅像素尺寸同为500×500的图像，分别为“猫”和“狗”。利用空频复用的原理，将截止频率设置为10c/i(周期/图像)和30c/i分别提取图像“猫”的低频分量和图像“狗”的高频部分，图像的低频分量包含更多的轮廓信息而高频分量则涵盖更多图像的细节信息，如图3所示，图中d、e分别为图像“猫”和“狗”经过低频滤波和高频滤波后的空域图像。将提取出的高频分量和低频分量结合到同一幅图像中构成如图f所示的混合图像，该混合图像同时具有图像“猫”的低频信息和图像“狗”的高频信息。

将混合图像作为一幅连续灰度图像在其中一通道显示，用于显示该混合图像的超表面纳米砖转向角分布由式(3)所计算设计且所有角度均在[0,π/4]之间。另一通道显示的二值防伪底纹图案所需要的纳米砖转向角分布由式(4)计算所得，在已设计好的混合图像的基础上，如果防伪底纹图案的灰度值为255时，对应像素点的纳米砖转向角变为π/2-θ或π-θ；如果灰度值为0时，对应的像素点的纳米砖转向角保持不变或变为π/2+θ。由上述设计方法设计的超表面不仅可实现基于偏振控制的双通道显示而且结合空频复用可拓展至三通道的信息复用，如图4所示，出射光经过检偏器显示一幅具有连续灰度的混合图像，由于人眼视觉系统在不同距离处对高频和低频信息的敏感程度不同，因此在较远和较近处可分别观察到该混合图像中所包含的“猫”和“狗”两种不同的图像信息；当检偏器的检偏方向改变45°时该图像转换为二值防伪底纹图案。

将防伪底纹图案与空频复用超表面图像相结合，利用超表面纳米印刷的显示方式，可用于高端产品防伪。这种方法所复用的三种图像信息分别可由三种不同的通道提取：当出射端检偏器的检偏方向为某一角度时显示防伪底纹图案，转动检偏器到另一特定角度时显示混合图案。对于混合图案当使用特定截止频率的高频滤波器和低频滤波器时将提取出不同的图像信息。基于上述设计方法所涉及的防伪技术，仿制难度大，验证方式多且安全性和可靠性高，因此在未来将具有很好的应用前景。

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 (6)

1.一种将防伪底纹图案与空频复用超表面图像复用的方法，其特征在于，线偏振光入射于具有偏振片功能的超表面，在出射方向通过转动检偏器获得两条通道，分别在近场显示一幅连续灰度混合图像和一幅二值防伪底纹图案，所述的混合图像在高频域和低频域可提取出两幅不同的图像信息，所述的超表面由透明基底和刻蚀在基底上的纳米砖阵列构成。

2.根据权利要求1所述的将防伪底纹图案与空频复用超表面图像复用的方法，其特征在于，超表面采用银-二氧化硅的材料结构，顶层的银用以刻蚀纳米砖阵列，底层二氧化硅作为透明基底。

3.根据权利要求1或2所述的将防伪底纹图案与空频复用超表面图像复用的方法，其特征在于，透明基底可划分为多个纳米单元结构的工作面且其边长为C，每个纳米单元结构均由一个正方形的工作面和刻蚀于该工作面上的一个纳米砖构成，以纳米单元结构工作面的直角边为X轴和Y轴建立坐标系，纳米砖长边为长轴、短边为短轴，纳米砖的长轴与X轴夹角θ为纳米砖的转向角。

4.根据权利要求3所述的将防伪底纹图案与空频复用超表面图像复用的方法，其特征在于，纳米单元阵列中每个纳米单元结构都等效于一个理想偏振片，当一束线偏振光通过纳米单元结构和检偏器时，其出射光的琼斯矩阵可表示为：

结合马吕斯定理，出射光的光强可表示为：

其中，I₀为入射线偏振光的强度，θ为所述纳米砖的转向角，α₂为检偏器的检偏方向，α₁为入射线偏振光的偏振方向，当入射线偏振光的偏振方向一定，可通过改变θ的大小来实现任意的灰度调制，并且可通过旋转检偏器改变检偏器的检偏方向来获得不同通道的信息。

5.根据权利要求1所述的将防伪底纹图案与空频复用超表面图像复用的方法，其特征在于，所述的连续灰度混合图案，分别由两幅不同的图像提取其高频信息和低频信息并将这两个空间频域的分量叠加而产生，利用特定截止频率的高通滤波器和低通滤波器，从所述的混合图像中重新获得高频分量或低频分量所对应的图像。

6.根据权利要求4所述的将防伪底纹图案与空频复用超表面图像复用的方法，其特征在于，当线偏振光入射所述的超表面时，其光强和偏振方向均被调制后作为反射光出射，通过对纳米砖阵列的转向角分布进行设计，可以使所述的具有高分辨率的连续灰度混合图像在近场显示。

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