CN111127289B - 带有水印的高低频复用超表面防伪图像的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有水印的高低频复用超表面防伪图像的设计方法，涉及微纳光学技术领域，构建包括多个纳米砖结构单元的纳米砖阵列，通过巧妙设计纳米砖阵列中的纳米砖转向角分布，当线偏振光入射到所述的超表面后，其光强和偏振方向均被调制后作为反射光出射，反射光通过检偏器在近场显示一幅具有高分辨率的混合图像，该混合图像在不同截止频率下可提取出不同的图像信息，再设计一幅水印图像并对纳米砖阵列中的纳米砖转向角进行适当的调整；当旋转检偏器到另一特定的角度，该混合图像上将叠加有水印图像，此时并不影响原混合图像的显示。本发明提供了一种新的图像防伪方式，由于其仿制难度大安全性高可应用于高端产品的防伪技术中。

Description

带有水印的高低频复用超表面防伪图像的设计方法

技术领域

本发明涉及微纳光学的技术领域，具体涉及一种带有水印的高低频复用超表面防伪图像的设计方法。

背景技术

近年来，由于高利润的诱惑使很多不法商贩在制假造假上苦下功夫，生产和销售具有欺诈性的商品，其潜在的危害和风险时时刻刻威胁着消费者和品牌厂商。常规的防伪方法如全息图等，由于造假技术手段的提升已经变得易于复制故其防伪效果欠佳。为了保护企业品牌、保护市场、保护消费者们的合法权益，研究者们对防伪技术不断改进更新。最近使用基于超表面的防伪技术不断被提出，由于其体积极小，易于小型化微型化，因此可嵌入各种类型的产品当中。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，利用超表面特殊的电磁特性并结合一些控制方式可实现具有多重验证方式的防伪技术。但是目前用于超表面进行防伪的方法在结构的简单性、设计的灵活性、信息密度以及防伪的安全性等方面还有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带有水印的高低频复用超表面防伪图像的设计方法，本发明是基于偏振控制的纳米印刷图像显示与空频复用相结合可实现三重验证方式，并且由于复制难度大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。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：

一种带有水印的高低频复用超表面防伪图像的设计方法，包括如下步骤：

构建纳米砖阵列，所述纳米砖阵列包括多个纳米砖结构单元，纳米砖结构单元的纳米砖转向角为θ，优化得到以工作波长的线偏振光垂直入射时其功能等效为起偏器的纳米砖结构单元；

以强度为I₀、偏振方向为α₁的线偏振光依次入射所述纳米砖结构单元以及检偏方向为α₂的检偏器，得到出射光强与所述线偏振光的偏振方向α₁、纳米砖转向角θ以及检偏器的检偏方向α₂之间的函数关系；设计混合图像，根据混合图像显示要求的灰度分布以及上述的函数关系，计算得出所述纳米砖阵列中对应的每个所述纳米砖结构单元中的纳米砖转向角θ值，最后将所述纳米砖阵列中的每个所述纳米砖按得到的各位置处对应的转向角θ值进行排布，从而获得所需的纳米砖阵列；

设计水印图像，根据水印图像显示要求得出所述纳米砖阵列中对应的每个所述纳米砖结构单元的成像灰度值；

预设水印图像的灰度阈值为T_w、混合图像的灰度阈值为T_h，将水印图像和混合图像任意对应的同一位置的像素点的灰度值进行比较，当水印图像上该像素点的灰度值大于T_w时，如果此时混合图像上对应的该像素的灰度值大于T_h，则将该像素点对应的纳米砖阵列上的纳米砖转向角变为-θ；如果此时混合图像上对应的该像素点的灰度值小于或等于T_h，则将该像素点对应的纳米砖阵列上的纳米砖转向角变为π/2+θ；而当水印图像上该像素点的灰度值小于或等于T_w时，则该像素点对应的纳米砖阵列上的纳米砖转向角保持不变，根据上述方法重新调整所述纳米砖阵列中对应的纳米砖转向角后得到可用于防伪的超表面材料；

以线偏振光入射所述超表面材料，经过检偏器在其近场显示出混合图像；当将检偏器旋转特定角度时，继续以该线偏振光入射所述超表面材料再经过检偏器后，在其近场显示出叠加了水印图像的混合图像。

进一步地，所述纳米砖结构单元包括工作面和设置在所述工作面上的纳米砖，以平行于所述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轴的夹角。

进一步地，优化得到所述纳米砖结构单元的方法为：以工作波长的线偏振光垂直入射所述纳米砖结构单元时，偏振方向沿所述纳米砖长轴的线偏振光的反射率和偏振方向沿所述纳米砖短轴的线偏振光的透过率均不低于90％，而偏振方向沿所述纳米砖长轴的线偏振光的透过率和偏振方向沿所述纳米砖短轴的线偏振光的反射率均不高于10％。

进一步地，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。

进一步地，出射光强与所述线偏光偏振方向α₁、纳米砖转向角θ以及检偏器的检偏方向为α₂之间的函数关系为：

进一步地，所述混合图像包含高频分量的第一图像和低频分量的第二图像。

进一步地，利用特定截止频率的高通滤波器对混合图像进行提取，获得混合图像中高频分量对应的第一图像，利用特定截止频率的低通滤波器对混合图像进行提取，获得混合图像中低频分量所对应的第二图像。

进一步地，当检偏器的检偏方向α₂与入射线偏振光的偏振方向α₁之间的夹角为90°时，在所述超表面材料的近场显示混合图像，当检偏器的检偏方向α₂与入射线偏振光的偏振方向α₁之间的夹角为45°时，在所述超表面材料的近场显示叠加了水印图像的混合图像。

进一步地，所述工作面采用二氧化硅制成，所述纳米砖采用银材料制成。

本发明的另一个目的是提供一种根据上述的带有水印的高低频复用超表面防伪图像的设计方法得到的超表面材料。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

1.本发明所提出的设计方法，将基于偏振控制的纳米印刷显示与空间频率复用相结合，利用马吕斯定理可实现多种信息的复用编码和提取，并且可以在超表面材料的近场显示具有高分辨率的图像信息，每个像素的像素尺寸仅几百纳米即为亚波长量级，由于其体积极小，可嵌入各种类型的产品当中；

2.本发明所提出的设计方法所编码复用的三种不同信息的提取手段均不相同，因此可实现三重验证方式，具有加密功能，并且加入具有防伪作用的水印可作为一种应用于高端产品的防伪技术，由于复制难度大，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，可作为防伪标志应用于小型化、微型化的产品当中；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

图1为本发明实施例中纳米结构单元的结构示意图；

图2为本发明实施例中纳米砖结构单元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为本发明实施例中高低频复用图像与水印叠加的原理图；

图5为本发明实施例中超表面材料的高低频复用图像与水印叠加示意图。

具体实施方式

为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

本发明提供一种带有水印的高低频复用超表面防伪图像的设计方法，包括如下步骤：

首先，构建纳米砖阵列；纳米砖阵列包括多个纳米砖结构单元，纳米砖结构单元包括工作面和设置在工作面上的纳米砖，以平行于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，纳米砖上与工作面平行的面上具有长轴L和短轴W，纳米砖的转向角θ为纳米砖的长轴L与x轴的夹角。优化得到以工作波长的线偏振光垂直入射时其功能等效为起偏器的纳米砖结构单元的结构尺寸，具体的方法为：以工作波长的线偏振光垂直入射纳米砖结构单元时，偏振方向沿纳米砖长轴的线偏振光的反射率和偏振方向沿纳米砖短轴的线偏振光的透过率均不低于90％，而偏振方向沿纳米砖长轴的线偏振光的透过率和偏振方向沿所述纳米砖短轴的线偏振光的反射率均不高于10％。

以强度为I₀、偏振方向为α₁的线偏振光依次入射纳米砖结构单元以及检偏方向为α₂的检偏器，得到出射光强与线偏振光的偏振方向α₁、纳米砖转向角θ以及检偏器的检偏方向α₂之间的函数关系；设计混合图像，该混合图像包含高频分量的第一图像和低频分量的第二图像，根据混合图像显示要求的灰度分布以及上述的函数关系，计算得出纳米砖阵列中对应的每个纳米砖结构单元中的纳米砖转向角θ值，最后将纳米砖阵列中的每个纳米砖按得到的各位置处对应的转向角θ进行排布，从而获得所需的纳米砖阵列；

设计水印图像，根据水印图像显示要求得出纳米砖阵列中对应的每个纳米砖结构单元的成像灰度值；

预设水印图像的灰度阈值为T_w、混合图像的灰度阈值为T_h，选择水印图像和混合图像任意对应的同一位置的像素点的灰度值进行比较，当水印图像上该像素点的灰度值大于T_w时，如果此时混合图像上对应的该像素的灰度值也大于T_h，则将该像素点对应的纳米砖阵列上的纳米砖转向角变为-θ，若此时混合图像上对应的该像素点的灰度值小于或等于T_h，则将该像素点对应的纳米砖阵列上的纳米砖转向角变为π/2+θ；而当水印图像上该像素点的灰度值小于或等于T_w时，则该像素点对应的纳米砖阵列上的纳米砖转向角保持不变，根据上述方法重新调整纳米砖阵列中相应的纳米砖转向角后得到可用于防伪的超表面材料；

以线偏振光入射所述超表面材料，经过检偏器在其近场显示出混合图像；当将检偏器旋转特定角度时，继续以该线偏振光入射所述超表面材料再经过检偏器后，在其近场显示出叠加了水印图像的混合图像。

在上述技术方案基础上，通过对超表面材料上纳米砖转向角分布进行巧妙的设计，当线偏振光入射到超表面材料后，其光强和偏振方向均被调制后作为反射光出射，反射光通过检偏器在近场显示一幅具有高分辨率的混合图像，该混合图像基于空间频率复用的原理，将来自两幅不同图像的高频分量和低频分量叠加至一幅图像中而构成，利用高通滤波器或低通滤波器可在不同截止频率下获得对应的高频或低频对应的图像；当旋转检偏器到另一特定的角度，该混合图像上将叠加上用于防伪的水印图像，此时并不影响原混合图像的显示。

下面结合具体的实施例对发明进行更加详细的说明，本发明实施例的纳米砖阵列包括多个纳米砖结构单元，纳米砖结构单元由透明基底和刻蚀在其工作面上的纳米砖构成。本发明中所采用的纳米砖阵列由银-二氧化硅构成的结构，即纳米砖由银材料制成，透明基底由二氧化硅制成。单个纳米单元结构如图1所示，纳米砖结构单元的基底上具有边长为C的正方形工作面，其上刻蚀有一个纳米砖，纳米砖结构单元由1-基底和2-纳米砖构成。以平行于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，纳米砖上与工作面平行的面上的具有长轴L和短轴W，纳米砖还具有与工作面垂直的高H，其中长轴L、短轴W以及高H均为亚波长级。纳米砖结构单元中的纳米砖转向角θ为纳米砖的长轴L与x轴的夹角。

在本实施例中，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，所建的纳米砖结构单元模型中以偏振方向沿纳米砖长轴的x线偏振光和偏振方向沿纳米砖短轴的y线偏振光分别垂直入射纳米砖结构单元。在该工作波长下扫描纳米结构单元的结构参数，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且透过率最低、而偏振方向沿纳米砖短轴的y线偏振光的透过率最高且反射率最低为优化对象。经优化后，在工作波长633nm下，得到纳米砖结构单元的结构参数为：C＝300nm、L＝160nm、W＝80nm、H＝70nm，其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％。

本发明的纳米砖阵列中每一个纳米单元结构都作为一个理想偏振片工作，以单个纳米结构单元为例进行说明，以一束线偏振光入射到纳米单元结构和检偏器，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为纳米砖转向角，α₁为入射线偏振光的偏振方向，α₂为检偏器的检偏方向。

若入射线偏振光的偏振方向保持不变，可通过改变纳米砖转向角θ来实现任意灰度的调制，并且通过旋转出射端的检偏器，在某一特定的角度处可观察到新的信息的叠加。

作为实施例，如果使入射线偏振光的偏振方向α₁和检偏器的检偏方向α₂之间的夹角为

则式(2)可简化为：

当

则式(2)可化简为：

由上式可知，使入射线偏振光的偏振方向保持与X轴夹角为

不变，检偏器的检偏方向在0°和45°两个特定的角度下，出射光的强度分别为I₁和I₂且随纳米砖转向角θ的改变而连续变化。

在本实施例中，如图3所示，我们选取了如图3(f)中的目标混合图像，该混合图像包括两幅图像“猫”(图3(e))和“狗”(图3(d))，其像素尺寸均为500×500。利用空间频率复用的原理，将低频的截止频率设置为30c/i(周期/图像)，将高频的截止频率设置为45c/i，当然在其他实施例中，高频的截止频率和低频的截止频率根据实际需要而定，从而提取图像“狗”的低频分量和图像“猫”的高频部分，图像的低频分量包含更多原图像的轮廓信息而高频分量则涵盖更多图像的细节信息，图3中(d)、(e)分别为图像“狗”和“猫”通过低频滤波和高频滤波后提取的空域图像。将所提取出的高频分量图像和低频分量图像叠加至同一幅图像中构成如图3(f)所示的混合图像，该混合图像同时包含图像“狗”的低频信息和图像“猫”的高频信息。

将图3(f)中的目标混合图像作为一幅连续灰度图像利用基于超表面的纳米印刷显示，根据该混合图像显示要求的各像素点的灰度值结合上述式(2)得到的函数关系，由于式(2)中α₁和α₂已知，故可以根据上述公式和各像素点显示的灰度值可以计算得出纳米砖阵列中各个纳米结构单元的纳米砖转向角θ值，最后将纳米砖阵列中的每个纳米砖按得到的各位置处对应的转向角θ进行排布，从而获得所需的纳米砖阵列。为了简化计算，本实施例将纳米砖转向角θ的所有角度均限定在[0,π/4]之间。

为了提高复制难度和防伪的安全性和可靠性，如图4所示，还设计了一幅用于防伪的水印图像，水印图像的尺寸与混合图像的尺寸相同，同为500×500。防伪的水印图像为一幅灰度图像，根据水印图像的显示要求得出每个像素点的灰度值。

为了使水印图像与混合图像叠加后不相互影响其显示效果，预设水印图像的灰度阈值为T_w、混合图像的灰度阈值为T_h，选择水印图像和混合图像任意对应的同一位置的像素点的灰度值进行比较，当水印图像上该像素点的灰度值大于T_w时，如果此时混合图像上对应的该像素的灰度值也大于T_h，则将该像素点对应的纳米砖阵列上的纳米砖转向角变为-θ；若此时混合图像上对应的该像素点的灰度值小于或等于T_h，则将该像素点对应的纳米砖阵列上的纳米砖转向角变为π/2+θ。而当水印图像上该像素点的灰度值小于或等于T_w时，则该像素点对应的纳米砖阵列上的纳米砖转向角保持不变，根据上述方法重新调整纳米砖阵列中对应的纳米砖转向角后得到能叠加水印图像的超表面材料。

由上述设计方法设计得到的超表面材料样片，当出射端检偏器的检偏方向为0°且入射线偏振光的偏振方向为90°时，在近场可观察到如图4a所示的高低频叠加复用的混合图像，由于人眼视觉系统在不同的距离下对低频信息和高频信息的接收敏感程度不同，因此在较远处可观察到图像“狗”的信息，而在较近处则观察到图像“猫”的信息；当将检偏器的检偏方向转动到45°且入射线偏振光的偏振方向为90°时，在原混合图像上叠加了如图4b所示的防伪水印图像，叠加效果如图4c所示，水印图像的叠加在起到防伪作用的同时并不影响混合图像的观察。

将基于空间频率复用的高低频图像中叠加水印，利用超表面纳米印刷的显示方式，可用于高端产品防伪。这种设计方法所复用的三种图像信息分别可由三种不同的方式提取：见图5，当出射端检偏器的检偏方向为0°且入射线偏光的偏振方向为90°时显示高低频混合图像。当将检偏器的检偏方向转动到45°且入射线偏振光的偏振方向为90°时，所显示的混合图像中叠加了用于防伪的水印图像。对于混合像当使用特定截止频率的高频滤波器和低频滤波器分别进行提取时，可获得不同的图像信息。基于上述设计方法所产生的防伪技术，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。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种带有水印的高低频复用超表面防伪图像的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

构建纳米砖阵列，所述纳米砖阵列包括多个纳米砖结构单元，纳米砖结构单元的纳米砖转向角为θ，优化得到以工作波长的线偏振光垂直入射时其功能等效为起偏器的纳米砖结构单元；

以强度为I₀、偏振方向为α₁的线偏振光依次入射所述纳米砖结构单元以及检偏方向为α₂的检偏器，得到出射光强与所述线偏振光的偏振方向α₁、纳米砖转向角θ以及检偏器的检偏方向α₂之间的函数关系；设计混合图像，根据混合图像显示要求的灰度分布以及上述的函数关系，计算得出所述纳米砖阵列中对应的每个所述纳米砖结构单元中的纳米砖转向角θ值，最后将所述纳米砖阵列中的每个所述纳米砖按得到的各位置处对应的转向角θ值进行排布，从而获得所需的纳米砖阵列；

设计水印图像，根据水印图像显示要求得出所述纳米砖阵列中对应的每个所述纳米砖结构单元的成像灰度值；

预设水印图像的灰度阈值为T_w、混合图像的灰度阈值为T_h，将水印图像和混合图像任意对应的同一位置的像素点的灰度值进行比较，当水印图像上该像素点的灰度值大于T_w时，如果此时混合图像上对应的该像素的灰度值大于T_h，则将该像素点对应的纳米砖阵列上的纳米砖转向角变为-θ；如果此时混合图像上对应的该像素点的灰度值小于或等于T_h，则将该像素点对应的纳米砖阵列上的纳米砖转向角变为π/2+θ；而当水印图像上该像素点的灰度值小于或等于T_w时，则该像素点对应的纳米砖阵列上的纳米砖转向角保持不变，根据上述方法重新调整所述纳米砖阵列中对应的纳米砖转向角后得到可用于防伪的超表面材料；

以线偏振光入射所述超表面材料，经过检偏器在其近场显示出混合图像；当将检偏器旋转特定角度时，继续以该线偏振光入射所述超表面材料再经过检偏器后，在其近场显示出叠加了水印图像的混合图像。

2.如权利要求1所述的带有水印的高低频复用超表面防伪图像的设计方法，其特征在于，所述纳米砖结构单元包括工作面和设置在所述工作面上的纳米砖，以平行于所述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轴的夹角。

3.如权利要求2所述的带有水印的高低频复用超表面防伪图像的设计方法，其特征在于，优化得到所述纳米砖结构单元的方法为：以工作波长的线偏振光垂直入射所述纳米砖结构单元时，偏振方向沿所述纳米砖长轴的线偏振光的反射率和偏振方向沿所述纳米砖短轴的线偏振光的透过率均不低于90％，而偏振方向沿所述纳米砖长轴的线偏振光的透过率和偏振方向沿所述纳米砖短轴的线偏振光的反射率均不高于10％。

4.如权利要求3所述的带有水印的高低频复用超表面防伪图像的设计方法，其特征在于，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。

5.如权利要求1所述的带有水印的高低频复用超表面防伪图像的设计方法，其特征在于，出射光强与所述线偏光偏振方向α₁、纳米砖转向角θ以及检偏器的检偏方向为α₂之间的函数关系为：

6.如权利要求1所述的带有水印的高低频复用超表面防伪图像的设计方法，其特征在于，所述混合图像包含高频分量的第一图像和低频分量的第二图像。

7.如权利要求1所述的带有水印的高低频复用超表面防伪图像的设计方法，其特征在于，利用特定截止频率的高通滤波器对混合图像进行提取，获得混合图像中高频分量对应的第一图像，利用特定截止频率的低通滤波器对混合图像进行提取，获得混合图像中低频分量所对应的第二图像。

8.如权利要求1所述的带有水印的高低频复用超表面防伪图像的设计方法，其特征在于，当检偏器的检偏方向α₂与入射线偏振光的偏振方向α₁之间的夹角为90°时，在所述超表面材料的近场显示混合图像，当检偏器的检偏方向α₂与入射线偏振光的偏振方向α₁之间的夹角为45°时，在所述超表面材料的近场显示叠加了水印图像的混合图像。

9.如权利要求1所述的带有水印的高低频复用超表面防伪图像的设计方法，其特征在于，所述工作面采用二氧化硅制成，所述纳米砖采用银材料制成。

10.一种根据权利要求1-9任意一项所述的带有水印的高低频复用超表面防伪图像的设计方法得到的超表面材料。

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