CN111028660A - 带有水印的双通道超表面防伪图案设计方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有水印的双通道超表面防伪图案设计方法及其应用。通过巧妙的构建出射光强度函数，可以实现双通道的超表面图像显示，其中一种信息通道记录连续灰度图像，另一个信息通道记录带有水印的连续灰度图像。且两者之间可以通过转动检偏器，实现转换。本发明可应用于高端防伪、图像显示等领域。

Description

带有水印的双通道超表面防伪图案设计方法及其应用

技术领域

本发明涉及微纳光学及图像显示的技术领域，具体涉及一种带有水印的双通道超表面防伪图案设计方法及其应用。

背景技术

随着全球经济的快速发展，假冒伪劣犯罪已经深入到社会经济生活的方方面面，包括服装、货币、身份证、信用卡、证件等。其中光学防伪，由于其具有散射、反射、透射、吸收、衍射等光学特性，可形成特征明确易于描述、效果显著易于识别的视觉效果，被认为在防伪市场上具有巨大的潜力。光变图像按光的衍射、干涉原理可分为衍射光变图像，干涉光变图像。然而，传统的基于干涉和衍射的光学防伪技术已经经过几十年的发展，被造假者所熟知，并且易于被复制。为了保护名优产品，需要大力发展防伪技术新产品，采用新技术、新材料、新工艺或综合防伪手段来进行防范，以满足防伪市场不断增长变化的要求。此外一些高端的小型化商品具很小的空间可以用于编码防伪信息，因此亟需一些小型化、高安全性的防伪设备出现。

发明内容

为了解决现有的问题，本发明的提供一种带有水印的双通道超表面防伪图案设计方法及其应用，通过该方法设计得到的双通道的近场图案被记录在超表面样品表面，跟超表面样品几何尺寸一样，具有极强的隐蔽性，此外双通道信息增加了防伪的安全性。

为实现上述目的，第一方面本发明提供一种带有水印的双通道超表面防伪图案设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)根据通道A的目标图像a和强度调制公式，计算初始的纳米砖方向角。其中，假设纳米砖琼斯矩阵为

方向角为θ，入射光为线偏振光α₁，偏振方向，琼斯矩阵为

则经纳米砖后出射光琼斯矢量为：

化简得：

对于(2)式，当用检偏方向为α₂的检偏器检偏时，出射光的琼斯矩阵为

此时透射光强为：

当起偏器的偏振方向与检偏器的偏振方向垂直时，且起偏器的偏振方向为π/2，检偏器偏振方向为0时，出射光强为：

I₁＝I₀sin²2θ (5)；

其中I₀为入射光强度，I₁入射光依次经过偏振方向为π/2的起偏器、方向角为θ的纳米砖、偏振方向为0的检偏器后出射光强度。

当旋转检偏器，使得其偏振方向为π/4时，出射光强为：

根据目标图像A和强度调制公式，公式(5)，计算得到所有纳米砖的初始方向角均位于区间[0,π/8]内。

2)根据通道B的目标图像b和强度调制公式，公式(5)，以及下列准则，确定纳米砖方向角的变化关系。

(a)若目标图像b的强度相比于目标图像a几乎不变，则对应区域的纳米砖方向角θ保持不变，所有纳米砖转向角位于区间[0,π/8]内。

(b)若目标图像b的强度相比于目标图像a增加，则对应区域的纳米砖方向角θ变为π/2-θ,所有纳米砖转向角位于区间[3π/8,π/2]内。

(c)若目标图像b的强度相比于目标图像a减弱，则对应区域的纳米砖方向角θ变为π-θ,所有纳米砖转向角位于区间[7π/8,π]内。

3)构建超表面单元结构，优化得到纳米砖结构单元的结构参数；

所述超表面单元结构包括基底、设置在所述基底工作面上的纳米砖，所述纳米砖与所述工作面形成纳米砖结构单元；以平行于所述基底工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米砖上与所述工作面平行的面上具有长轴L和短轴W，所述纳米砖转向角θ为所述纳米砖的长轴L与x轴方向的夹角；所述纳米砖结构单元的结构参数包括所述纳米砖的长轴L、短轴W和高H以及所述工作面边长C的尺寸；

4)基于上述的超表面单元结构参数，和得出所述超表面结构阵列中每个所述单元结构中的纳米砖方向角θ值，最后将所述超表面结构阵列中的每个所述结构单元上的计算得到的各位置处对应的所述纳米砖方向角θ值进行排布，从而获得能实现双通道近场显示的超表面材料；

5)在光路中配置起偏器和检偏器，所述起偏器置于超表面结构之前用于产生线偏光，所述检偏器用于超表面结构之后；当起偏器与检偏器的方向垂直，且起偏器的偏振方向为π/2，检偏器偏振方向为0时，可以在超表面样片表面形成连续灰度图案；当光路中其他元件保持不变，仅仅转动检偏器的偏振方向到π/4时，可以在超表面样片表面形成带有水印的连续灰度图像。

作为优选方案，所述超表面单元结构为纳米砖起偏器，优化纳米砖起偏器结构参数的方法为：以偏振方向沿纳米砖长轴的线偏振光发生反射，偏振方向沿纳米砖短轴的线偏振光发生透射为优化目标，在工作波长下扫描所述纳米砖结构单元，通过电磁仿真优化得到目标所需的所述纳米砖结构单元的结构参数。

第二方面，本发明提供一种带有水印的双通道超表面防伪图案设计方法在设计超表面材料中的应用。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点及有益效果：

1)本发明所提出的带有水印的双通道超表面防伪图案设计方法，能够同时在一个超表面上编码两个通道的信息，因此极大的提高了防伪的安全性。

2)本发明所设计的双通道超表面防伪图案与超表面样片的几何尺寸一样，都为微米量级，因此具有很好的隐蔽性，适合于未来小型化、微型化、高安全性的防伪技术发展。

3)本发明所提出的超表面的通道a可以记录连续灰度图像，通道b可以记录带有水印的连续灰度图像，水印信息和连续灰度图像是相互独立的，可以任意设计。

附图说明

图1为本发明中超表面结构单元的结构示意图；

图2为本发明中纳米砖起偏器透反射率扫描图；

图3为本发明中目标图像a；

图4为本发明中目标图像b；

图5为本发明中强度调制函数I₁和强度调制函数I₂；

图6为本发明中实现带水印的双通道超表面防伪图案的光路图。

图中：1、纳米砖；2、基底。

具体实施方式

以下结合具体附图和具体实施例来对本发明作进一步地详细阐述。

超表面单元结构的示意图如图1所示。由图1可知，超表面单元结构包括基底2、沉积在基底上的纳米砖1。纳米砖1与基底2构成纳米砖单元结构。其中，基底由熔融石英玻璃材料制成，纳米砖由银材料制成。

为了使超表面的功能等效为起偏器，可以通过优化纳米砖单元结构的结构参数使得以偏振方向沿纳米砖长轴的线偏振光入射时发生反射，偏振方向沿第纳米砖短轴的线偏振光入射时发生透射。

具体地，以工作波长λ＝633nm为例，采用电磁仿真软件建模仿真，以沿着纳米砖长轴和短轴方向的线偏光同时垂直入射纳米砖结构单元，以沿着纳米砖长轴方向的光反射效率最高且沿着纳米砖短轴方向的光的透射效率最高为优化目标，优选得到的第二纳米砖结构单元的参数为：长轴L＝125nm、短轴W＝60nm、H＝70nm以及工作面边长C＝400nm。在该结构参数下，纳米砖结构单元对分别沿其长轴和短轴方向振动的两偏振态正交的线偏振光的反射和透射效率如图2所示，其中Rx、Ty分别代表沿纳米砖结构单元的长轴方向振动的线偏振光的反射率和沿短轴方向振动的线偏光的透射率，Ry、Tx分别表示沿纳米砖短轴方向振动的线偏振光的反射率和沿纳米砖长轴方向振动的线偏振光透射率。由图2可知，在入射光波长在600nm到650nm之间时，Rx和Ty的数值相对较高，Ry和Tx的数值相对较低。尤其是在工作波长633nm下，Rx约为80％。Ty接近100％，Ry和Tx低于3％。由此可知，该优化后的纳米砖结构单元可以等效为起偏器的功能。

首先根据目标图像a(图3)和强度调制公式＝I₀sin²2θ，计算得到初始的纳米砖旋转角分布。所有角度均位于区间[0,π/8]内。

根据目标图像b(图4)和强度调制公式

以及强度I₁和I₂的关系(图5)，确定纳米砖方向角的变化关系。若目标图像a的强度跟目标图像b相比几何不变，则对应区域的纳米砖方向角θ保持不变，所有纳米砖转向角仍位于区间[0,π/8]内。若目标图像b的强度相比目标图像a强度，则对应区域的纳米砖方向角θ变为π/2-θ,所有纳米砖转向角位于区间[3π/8,π/2]内。若目标图像b的强度相比目标图像a减弱，则对应区域的纳米砖方向角θ变为π-θ,所有纳米砖转向角位于区间[7π/8,π]内。

基于新构建的纳米砖方位角和上述优化的纳米砖单元结构参数，计算得出所述超表面结构阵列中每个所述构单元中的纳米砖转向角θ值，最后将所述超表面结构阵列中的每个所述结构单元上的计算得到的各位置处对应的所述纳米砖转向角θ值进行排布，从而获得能实现带有水印的双通道超表面防伪图案的的超表面材料。图6为实现带水印的双通道超表面防伪图案的光路图。

Claims (3)

1.一种带有水印的双通道超表面防伪图案设计方法及其应用，其特征在于：包括如下步骤：

1)根据通道A的目标图像a强度和强度调制公式，I₁＝I₀sin²2θ，计算纳米砖方向角；其中I₀为入射光强度，I₁入射光依次经过偏振方向为π/2的起偏器、方向角为θ的纳米砖、偏振方向为0的检偏器后出射光强度；当设置I₀＝2时，则得到所有纳米砖的初始角度均位于区间[0，π/8]内；

2)根据通道B的目标图像b和强度调制公式，

以及I₁和I₂的相对关系，确定纳米砖方向角的变换关系；其中，I₂为入射光依次经过偏振方向为π/2的起偏器、方向角为θ的纳米砖、偏振方向为π/4的检偏器后的出射光强度；

由于目标图像b是带有水印的目标图像a，因此相比目标图像a，目标图像b的强度变化可分为三类：强度不变区，强度增加区，强度减弱区：

(a)若目标图像b的强度位于强度不变去，则对应区域的纳米砖方向角θ保持不变，所有纳米砖转向角位于区间[0，π/8]内；

(b)若目标图像b的强度位于强度增加区，则对应区域的纳米砖方向角θ变为π/2-θ，所有纳米砖转向角位于区间[3π/8，π/2]内；

(c)若目标图像b的强度位于强度减弱区，则对应区域的纳米砖方向角θ变为π-θ，所有纳米砖转向角位于区间[7π/8，π]内；

依据上述原则，完成所有纳米砖方向角的变换；

3)构建超表面单元结构，优化得到纳米砖结构单元的结构参数；所述超表面单元结构包括基底、设置在所述基底工作面上的纳米砖，所述纳米砖与所述工作面形成纳米砖结构单元；以平行于所述基底工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米砖上与所述工作面平行的面上具有长轴L和短轴W，所述纳米砖转向角θ为所述纳米砖的长轴L与x轴方向的夹角；所述纳米砖结构单元的结构参数包括所述纳米砖的长轴L、短轴W和高H以及所述工作面边长C的尺寸；

4)基于上述的超表面单元结构参数，和得出超表面结构阵列中每个单元结构中的纳米砖方向角θ值，最后将超表面结构阵列中的每个结构单元上的计算得到的各位置处对应的纳米砖方向角θ值进行排布，从而获得能实现双通道近场显示的超表面材料；

5)在光路中配置起偏器和检偏器；所述起偏器置于超表面结构之前用于产生线偏光，所述检偏器用于超表面结构之后；当起偏器与检偏器的方向垂直，且起偏器的偏振方向为π/2，检偏器偏振方向为0时，可以在超表面样片表面形成连续灰度图案；当光路中其他元件保持不变，仅转动检偏器的偏振方向到π/4时，可以在超表面样片表面形成带有水印的连续灰度图像。

2.根据权利要求1所述的带有水印的双通道超表面防伪图案设计方法，其特征在于：所述超表面单元结构为起偏器，优化纳米砖起偏器结构参数的方法为：

以偏振方向沿纳米砖长轴的线偏振光发生反射，偏振方向沿纳米砖短轴的线偏振光发生透射为优化目标，在工作波长下扫描所述纳米砖结构单元，通过电磁仿真优化得到目标所需的所述纳米砖结构单元的结构参数。

3.一种如权利要求1或2所述的有水印的双通道超表面防伪图案设计方法在设计超表面材料中的应用。

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