CN112074787B

CN112074787B - 多层光学安全装置

Info

Publication number: CN112074787B
Application number: CN202080001495.3A
Authority: CN
Inventors: 扎伊纳布·本·阿齐扎; 王骁翰; 郝婷; 朱秀玲; 陈建龙
Original assignee: Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI
Current assignee: Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI
Priority date: 2020-07-16
Filing date: 2020-07-28
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2040-07-28
Also published as: CN112074787A

Abstract

一种多层光学安全装置，在底层上有一个共振波导光栅(RWG)层，底层具有全息图。RWG层有多个RWG，用于生成一个或多个图案。每个RWG具有第一和第二RWG部分，分别具有不同光栅周期的衍射光栅，分别用于光耦合入和耦合出。使用RWG可以最大程度地减少对底层产生的全息图像的干扰。当全息图像携带数字数据时，例如在数字全息加密中，在底层使用加密全息图时，此优势特别有用。数字数据可以包含生物特征信息，例如指纹。在单个RWG的每个RWG部分中，光栅中的散射元件是弯曲的，从而提高了观察者观察图案期间方位角的角度容差，而单个RWG在仰角上仍具有选择性。

Description

多层光学安全装置

缩略语清单

RWG共振波导光栅(Resonant waveguide grating)

SRG表面浮雕光栅(Surface relief grating)

技术领域

本发明涉及一种具有用于显示图像和一个或多个图案的多层结构的光学安全装置。特别涉及具有位于底层之上的RWG层的装置，由此使用RWG层避免了对图像的干涉，使得图像基本上不失真地从底层传输到观察者。该图像可以是全息图像，或者甚至是全息加密图像。

背景技术

防伪全息图通常被用作一种防伪手段，用于证明附有防伪全息图的物体的真实性。防伪全息图和其他光学安全组件具有不受电磁干扰篡改和数字数据篡改影响的优点。为了增强安全性，可以在光学安全装置中嵌入多个安全特征，以使人能够独立于不同特征来验证物体的真实性。此外，这些特征可以提供多个级别的安全性。例如，一些特征是可由人类用户视觉验证的有意义的图像(例如公司标志)，以达到普通的安全级别，而其余特征是带有加密数字数据的光学图像，可被专用机器识别，以达到更高级别的安全性。将不同安全级别的多个安全特征集成到光学安全装置中，具有挑战性。

US 8,848,266公开了一种作为多层薄膜体实现的安全元件，用于提供多个安全特征。该安全元件具有体全息图层，在该层中记录有体全息图(volume hologram)，用于提供第一光学可变信息项。该安全元件具有复制层，在该复制层的表面上模制提供第二光学可变信息项的SRG，布置在体全息图层上方。但是，从体全息图产生的全息图像会被SRG干扰，观察者可能会看到被SRG修改的全息图像。

在本领域中，需要一种用多层结构实现的光学安全装置，以提供多个安全特征，同时减少或避免从一层引入到另一层的干扰。

发明内容

本公开的一个方面是提供一种用于显示图像和一个或多个图案的多层光学安全装置。

多层光学安全装置包括光孔、底层和RWG层。光孔被布置成面向观察者，使得观察者可通过光孔看到一个或多个图案。光孔定义了该装置的顶侧。位于顶侧下方的底层用于在底层被照射时生成图像。RWG层位于顶侧和底层之间。RWG层包括多个RWG，被配置为在用通过光孔接收的入射光束照射时产生一个或多个图案。单个RWG包括第一衍射光栅和第二衍射光栅。第一和第二衍射光栅连接到波导。单个衍射光栅具有一个光栅周期。选择该光栅周期，使得具有预选波长和预选传播方向的第一光束在所选光栅周期下与单个RWG共振，从而使第一光束耦合入或耦合出单个RWG。此外，该RWG结构对于不共振的第二光束几乎变得透明，并且允许第二光束不失真地传播，从而避免了第二光束在单个RWG中传播时对第二光束的干扰。它允许入射光束透过RWG层以照射底层。它还避免了RWG层在从底层向光孔传输过程中对图像的干扰。

优选地，单个RWG包括耦合在一起的第一和第二RWG部分。第一RWG部分具有第一衍射光栅，第二RWG部分具有第二衍射光栅。第一和第二衍射光栅具有不同的光栅周期，用于为第一和第二RWG部分设置不同的共振条件，以使各个RWG过滤接收到的入射光束的一部分并生成具有可预测波长的出射光束，并以可预测的出射角度从RWG层离开单个RWG。

各个RWG部分的各个衍射光栅包括一个或两个周期性排列的散射元件。优选地，单个散射元件具有弯曲形状，从而提高观察者观察一个或多个图案时的角度容差。各个散射元件可以是半圆形、半椭圆形或弧形的。

在某些实施例中，第一和第二RWG部分通过共享公共波导而连接在一起。第一RWG部分可以与第二RWG部分分开一定距离。另外，第一和第二RWG部分可以彼此紧邻，并且第一RWG部分的第一衍射光栅可以接触第二RWG部分的第二衍射光栅。

优选地，波导和各个RWG的两个衍射光栅的尺寸被确定为提供单模光学传播。

在某些实施例中，多个RWG大体上均匀地分布在RWG层上。

在某些实施例中，该装置还包括覆盖RWG层的聚合物顶衬，用于将RWG层与顶侧隔离，从而保护RWG层。

在某些实施例中，该装置还包括在底层下面的底衬，用于向底层和RWG层提供机械支撑。底衬可以由软材料形成，使装置具有柔性。

在某些实施例下，底层包括全息图，使得由底层产生的图像是全息图像。该全息图像可以包括一个或多个全息加密图像。在某些实施例中，至少一个全息加密图像被嵌入生物识别信息数据。

在某些实施例中，底层是用相位全息图形成的。

如果一个或多个图案由指定数量的多个图案组成，则可以将多个RWG划分为指定数量的子集，其中RWG的各个子集用于创建各自的图案。不同子集的RWG之间的各个RWG可以交错排列。

在某些实施例中，该装置还包括一个用于观看图像的附加光孔，其位于与顶侧相对的底侧上。

本公开的其他方面通过以下的实施例进行了公开。

附图说明

图1显示了根据本公开的一个示例性实施例的多层光学安全装置。

图2显示了在所公开装置中使用的示例性RWG层，其中RWG层由多个RWG形成，每个RWG具有第一和第二RWG部分，优选地以不同的光栅周期耦合在一起，第一和第二RWG部分用于光耦合入和耦合出。

图3显示了RWG的三个实施例。

图4显示了RWG的光耦合出的强度分布相对于仰角和方位角的模拟结果，用于展示通过使用弧形RWG比线性RWG在观察者观察图案中提供更大的角度容差的优势。

为了说明起见，图5显示了将专用图案嵌入到RWG层中的方案。

图6显示的实验结果表明，与SRG相比，RWG对光束和全息图像的干扰最小。

本领域技术人员将理解，附图中的元素是为了简单和清楚而示出的，并不一定按比例描绘。

具体实施方式

如本说明书和所附权利要求书中所使用的，术语“避免”是指部分或完全排除、避免、阻止、阻碍或延迟跟在术语“避免”之后的后果或现象发生的任何方法。术语“避免”并不意味着一定是绝对的，而是有效地对“避免”之后的后果或现象进行一定程度的避免或预防或减轻。

全息图是一种干涉图案的物理记录，它使用衍射来复制三维光场，产生的全息图像保留了原始场景的深度、视差和其他特征。如本文所使用的，“全息图像”是由全息图生成的图像。全息图像可以是二维或三维图像。全息图像可以用作安全特征。

如本文所使用的，“图案”是二维图像。图案的示例包括二维设计、视觉上可识别的标记、线条艺术图片等。线条艺术图片可以具有纯色背景或透明背景。图案也可以作为一种安全特征。

有时，“仰角”和“方位角”用于描述从光学安全装置上的参考点到图案或图像(如全息图像)的观察者的指向方向。该指向方向也与观察者的观看方向有关。简而言之，仰角与观察者的上下观察方向有关，而方位角与投射在水平面上的观察方向有关。

本文公开了一种多层光学安全装置，其具有用于显示图像和一个或多个图案的多层结构。在本公开中，上述图像和单个图案被视为两个不同的实体。图像是普通图像，可以是自然图像、人工图像、二维图像、三维图像(例如全息图像)等。多层结构在底层上面设有RWG层，这样底层生成的图像就需要通过RWG层。如下文所示，使用RWG层具有避免干涉图像的有用优点，使得可以实现从底层到观察者的图像的基本上无失真的传输。如果图像携带数字数据，则此优势特别有用。

借助图1示出了所公开的多层光学安全装置，其描述了一种示例性的多层光学安全装置100。

在装置100中，各层被允许由通过光孔160到达的入射光束181照射，以产生图像和一个或多个图案。光孔160通常是指允许光通过的开口，并且可以简单地是透明窗口。光孔160还允许携带一个或多个图案的各种光束186、187-1:3穿过，使得观察者190可以看到一个或多个图案。根据装置100的不同实现方式，图像可以或不可以通过光孔160被看到。如果可通过光孔160观看图像，则图像由光束185携带。观察者190是指用于接收一个或多个图案以及可选图像的物体。例如观察者190可以是人类观察者、成像传感器或用于对图像和一个或多个图案进行成像和解码的专用机器。光束186、187-1:3在不同的方向上传播，以对一个或多个图案进行角度复用。注意，光孔160被布置成面对观察者190。此外，光孔160定义了装置100的顶侧101和底侧102。光孔160位于顶侧101上。底侧102与顶侧101相对。参考垂直方向103被定义为从底侧102到顶侧101的指向方向。在说明书和所附权利要求书中，诸如“在...上方”、“在...下方”、“较高”、“上部”、“下部”、“顶部”、“底部”和“水平”等位置和方向性词语是参照参考垂直方向103来解释的。

装置100包括RWG层110和底层120。底层120位于顶面101下方，而RWG层110位于顶面101与底层120之间。

当底层120被照射时，底层120产生图像。对于安全应用而言特别重要的是，底层120可以包含全息图，使得由底层120生成的图像是全息图像。全息图的结构细节和制造方法可以在本领域中找到，例如在US6,141,123中。在下文中，通过考虑底层120包括全息图用于生成全息图像的特定情况来详细说明所公开的装置100的各种优点。除非另有说明，否则这些优点会延续到任何普通图像。

除了从位于顶侧101上光孔160入射的光束181照射底层120之外，底层120的全息图还可能被穿过可选的附加光孔161的从底侧102到达底层120的第二入射光束171照射。除了是反射性的，全息图还可以是透射的。因此，由全息图生成的全息图像可以朝着顶侧101(例如，由光束185携带)或朝着底侧102(例如，由光束175携带)传播。在下文中，通过假设从顶侧101照射底层120并且全息图像从底层120向顶侧101传播来详细阐述所公开装置100的优点。该优点延续到照明方向和全息图像传播方向的其他组合。

RWG层110用于产生一个或多个图案，同时允许一部分入射光束181通过以到达底层120。图2显示RWG层110的示例性结构示意图。RWG层110包括多个RWG 601-625，其被配置以在被照射时产生一个或多个图案。需要注意的是，虽然在图2中示出了以矩形阵列排列的25个RWG 601-625用于说明RWG层110，但是，本公开内容并不局限于该数量的RWG和这种排列形式，可以采用任何数量的RWG以任何方式分布在RWG层110上，例如以环形排列。RWG601-625具有类似的结构。以RWG 617为代表的RWG进行说明。

RWG 617包括波导310、第一衍射光栅320和第二衍射光栅330。第一和第二衍射光栅320、330连接到波导310。波导310由具有高于波导310附近周围环境的折射率的基本透明的电介质形成。通过在波导310的一侧或两侧上周期性地布置多个散射元件321来获得第一衍射光栅320。类似地，通过在波导310的一侧或两侧周期性地布置散射元件331来获得第二衍射光栅330。在图2，显示第一衍射光栅320具有两组周期性排列的散射元件321，分别位于波导310的两个相对的侧面上，两组周期性排列的散射元件321中的每一个都形成波纹状结构。对于第二衍射光栅330也是如此。注意，RWG 617具有沿着方向205的方向。RWG617的方向与第一衍射光栅320中的散射元件321垂直，或者与第二衍射光栅330中的散射元件331垂直。

第一和第二衍射光栅320、330位于波导310的不同部分上。将第一波导部分311定义为波导310的第一部分，在其上铺设有第一衍射光栅320。类似地，将第二波导部分312定义为波导310的第二部分，在其上铺设有第二衍射光栅330。为方便起见，将第一RWG部分301和第二RWG部分302定义为RWG 617的相互不重叠的部分，使得第一RWG部分301具有第一波导部分311和第一衍射光栅320，并且使得第二RWG部分302具有第二波导部分312和第二衍射光栅330。注意，第一RWG部分301和第二RWG部分302是连接在一起的。特别是，第一波导部分311和第二波导部分312连接在一起以实现耦合。

第一和第二衍射光栅320、330中的每一个都以光栅周期为特征，光栅周期是相邻散射元件之间的间隔。光栅周期决定了RWG 617的共振条件。可以选择光栅周期和方向，以使入射光束380特别地以第一预选波长λ₁并以与波导310成第一预选(仰角)角θ_in与RWG 617发生共振，使入射光束380耦合到RWG 617中，并以波导模的形式沿波导310传播，成为波导内光束383。还可以选择光栅周期和方向，使出射光束381具有波长λ₁且与波导310以第二预选(仰角)θ_out与RWG 617共振，从而使波导内光束383从RWG 617中耦合出来，形成出射光束381。从λ₁和θ_in或θ_out确定光栅周期的数学公式可以在本领域中找到，例如在EP 3205512和G.QUARANTA、G.BASSET、O.J.F.MARTIN和B.GALLINET的“共振波导光栅的最新进展”(《激光与电子评论》，2018年7月30日)中。请注意，由于RWG 617通常用于在可见光谱和近红外光谱中与入射光束380相互作用，因此波导310以及第一衍射光栅320和第二衍射光栅330通常为纳米级尺寸，并被实现为纳米结构。

在不失一般性的情况下并且为了说明所公开的装置100，假设第一RWG部分301被配置为耦合入射光束380，第二RWG部分302被配置为耦合出波导内光束383以形成出射光束381。考虑入射光束380(即入射光束181的接收部分)以入射角即θ_in入射在第一RWG部分301上。如果入射光束380的波长和入射角满足第一RWG部分301的共振条件，并且如果最后提到的波长满足第二RWG部分302的共振条件，则第一RWG部分301耦合入射光束380以形成波导内光束383从第一波导部分311传播到第二波导部分312，在该处波导内光束383以预定出射角度即θ_out从第二RWG部分302耦合出，以形成出射光束381。

相反，如果入射光束380不满足第一和第二RWG部分301、302的任何一个共振条件，则入射光束380不与RWG 617相互作用，而只是绕过RWG 617形成旁路光束382。因此，当入射光束380在透过RWG 617传播时，避免了对与RWG 617不共振的入射光束380的干扰。

在所公开装置100中有利地使用了RWG 617中共振条件的存在。入射光束181通常具有多种光谱内容，并且从不同方向到达装置100，至少可以部分地穿过RWG层110，照射底层120。此外，携带全息图像的光束很难或几乎不可能与RWG层110的RWG 601-625共振，从而避免了RWG层110从底层120到光孔160的传输过程中干扰全息图像。全息图像受到来自RWG层110的干扰最小或可忽略不计。通常，RWG层110在共振之外变得几乎透明，允许全息图像的传播而不失真。如果全息图像携带数字数据，例如数字全息加密中的全息加密图像，则该优势尤为重要。(全息加密图像由底层120中的加密全息图生成)。在成功解密全息图像中的加密数据时，需要全息图像几乎无失真的再现。由于全息图像可以被机器接收以解码嵌入在全息图像中的数字数据，因此全息图像的几乎无失真的再现增加了底层120和机器之间的光通道的“通道容量，”从而允许更多数字数据嵌入到全息图像中。

将第一衍射光栅320的光栅周期表示为第一光栅周期323，将第二衍射光栅330的光栅周期表示为第二光栅周期333。如果第一和第二光栅周期323、333取相同的值，则RWG617基本上成为传统的RWG，如G.QUARANTA、G.BASSET、OJF MARTIN和B.GALLINET的论文所述。结果，多个值λ₁会在RWG 617中引起共振，而且θ_in或θ_out的值也会相互影响。这种结果在装置100的某些应用中可能并不可取。

在一个优选实施例中，为了设置共振条件，第一和第二光栅周期323、333被选择为不同。因此，通过适当选择其他RWG参数如波导介电折射率、光栅深度等，将RWG 617配置为仅在一个波长值上发生共振就变得可行。净效果是，RWG 617过滤接收到的入射光束181的一部分，并产生具有可预测波长的出射光束381，并以可预测的出射角从RWG层110离开RWG617。

图6实验性地演示了与使用SRG相比，RWG对光束和全息图像的干扰最小。在图片710a，用第一块施加有一层RWG的平板放置在文字上，可以看到文字的清晰图像，没有明显的失真。在图片710b，将具有一层SRG的第二块平板放置在文字上，但是观察到了模糊图像。当全息图分别放置在RWG层和SRG层下方时，对应产生的全息图像720a、720b，由裸全息图产生的全息图像750被用来作为参考，与全息图像720a、720b作出对比。可以看出，穿过RWG层之后的全息图像720a比穿过SRG层之后的全息图像720b更清晰、更锐利。

在装置100中，一种图案由RWG层110中的特定多个RWG产生。上述多个RWG中的各个RWG被设计成具有各自的λ₁、θ_in和θ_out值。这些值是根据光源195和观察者190的位置、以及图案的颜色分布来获得的。注意，θ_in和θ_out是仰角。光源195和观察者190的位置也提供关于其方位角的信息。因此，这些各RWG的光栅周期和方向被确定。通常，各RWG的方向被调整以与观察者190观察图案的预定或预期方位角相符。

通过设置光路将第一波导部分311和第二波导部分312连接在一起，将第一RWG部分301和第二RWG部分302耦合在一起。实际上，第一和第二RWG部分301、302通过共享波导310而耦合在一起。图3描述了在共享公共波导310中布置第一和第二RWG部分301、302的两个实施例。在RWG 617的第一实现方式617a中，第一RWG部分301与第二RWG部分302间隔开一个距离410，该距离可以选择为短于或长于第一和第二RWG部分301、302的长度。在第一和第二RWG部分301、302之间，没有光栅来改变波导内光束383的传播。在RWG 617的第二实现方式617b中，第一和第二RWG部分301、302彼此紧邻，特别是第一衍射光栅320接触第二衍射光栅330。

如上所述，第一波导部分311和第二波导部分312具有高于周围环境的折射率的共同折射率。通过考虑折射率差异，优选地，第一波导部分311和第二波导部分312以及第一衍射光栅320和第二衍射光栅330的尺寸被设置为允许沿着第一波导部分311和第二波导部分312(或波导310)的单模传播，以获得在生成一个或多个图案时增强光谱/角度选择性的优势。

RWG 617与EP 3,205,512中公开的相似。可以采用EP 3205512中公开的制造方法来制造所公开的装置100的RWG层110。

通常，第一和第二衍射光栅320、330被实现为线性光栅。线性光栅是指其散射元件是呈直线型的光栅。使用线性光栅的RWG称为线性RWG。线性RWG在产生出射光束时，在方位角上角宽很小，这样，如果观察者190稍微改变他或她的左右观察方向，就很容易错过产生的图案。因此，线性RWG为观察者190观察一个或多个图案提供了一个低的角度容差值。发明人已经观察到，如果使散射元件弯曲，则角度容差会增加。

参考图2。在RWG 617中，优选地，第一和第二衍射光栅320、330中的每个散射元件321、331具有弯曲的形状，以便提高观察者190观察一个或多个图案时的角度容差。例如，单个散射元件可以是半圆形、半椭圆形或弧形。图3另外描述了RWG 617的第三实现方式617c(为简单起见被表示为RWG 617c)。RWG 617c具有呈弧形即不完整环形的散射元件321、331。RWG 617c称为弧形RWG。注意，RWG 617c的方向由方向405给出，方向405作为RWG 617c的中心轴线，从第一RWG部分301(用于光耦合入)到第二RWG部分302(用于光耦合出)获得。

图4描述了线性RWG(如510所示)和弧形RWG(如520所示)从RWG层110耦合出来的光的远场强度分布对不同仰角θ和方位角

的仿真结果。分别考虑510和520上的区域511和521。区域511是

对的集合，对于线性RWG来说，每对给出的强度至少是其最高强度的50％。区域521是弧形RWG的相应区域。可以看出，在恒定的θ下，弧形的RWG比线性RWG提供更宽的

范围。结果表明，在图案观察期间，弧形RWG比线性RWG在方位角上提供了更大的角度容差，但是生成的图案在仰角上仍然具有选择性。这一观察结果证明了在形成RWG的第一和第二光栅中使用弯曲散射元件的优势。

图5描述了将专用图案680嵌入到RWG层110中的方案。考虑RWG层110具有RWG 601-625阵列的示例。RWG 601-625中的每一个旨在产生沿特定方向(由仰角θ和方位角

指定)的出射光束，并且该出射光束带有图案680的“像素”。例如，RWG 611再现像素681。如果RGW层110仅打算产生指定的图案680，那么所有的RWG 601-625都是通过确定特定的光栅周期和衍射光栅的方向以及出射光束的出射角(包括仰角和方位角)来设计的，这样就满足了传播向量的连续性条件，即在预选的照射或观察角度下可以看到所有图案像素。通过对不同的RWG 601-625设置不同的光栅周期，可以在指定的图案680上添加多种颜色。通过改变不同RWG601-625相对于照射和观察角度的周期和方向，可以实现多个方位角的图案观察。

如果期望将多个图案嵌入RWG层110中以通过角度复用在不同的观察角度上显示，并且如果有指定数量的这种图案要显示，则可以将多个RWG 601-625划分为指定数量的子集。RWG的各个子集用于创建各自的图案。

在一个实施例中，每个子集中的各个RWG被聚拢在一起，使得各个子集中的各个RWG在RWG层110上形成一个连续区域。为了说明，考虑一个示例，即需要生成两个图案。多个RWG 601-625被分为两个子集。第一个子集具有RWG 601-615。第二子集包括RWG 616-625。在另一个实施例中，不同子集的RWG之间的各个RWG是交织的。再次考虑上述示例。在一种安排中，第一子集包含RWG 601-605、611-615、621-625，第二子集具有RWG 606-610、616-620。注意，在这种安排中，RWG 601-625采用了逐行交错。类似地，也可以使用逐列交错。在另一种安排中，将相邻的RWG分配给不同的子集。例如，第一子集包含RWG 601、603、605、607、609、611、613、615、617、619、621、623、625，而第二子集包含RWG 602、604、606、608、610，612、614、616、618、620、622、624。

如上所述，除了以矩形阵列分布之外，多个RWG 601-625还可以根据分辨率要求以任何形式布置在RWG层110上，例如，沿着一个或多个圆、沿着网格线、作为六边形网格、作为棋盘或随机排列。多个RWG601-625可以大体上均匀地分布在RWG层110上，也可以不均匀地分布。

所公开的装置100的其他实施细节说明如下。

在某些实施例中，底层120形成有全息图，使得从其生成的全息图像包括一个或多个全息加密图像。因此，底层120形成有加密的全息图。可选地，底层120形成有纯相位全息图。在某些实施例中，生物特征信息数据如指纹、掌形和静脉形状，被嵌入到由底层120产生的至少一个全息加密图像中。

具有加密全息图的底层120的制造方法可以在本领域中找到，例如在US 2006/0078113和US 9,798,290中。通常，通过用加密掩码对图像进行编码，可以获得在照射时生成全息加密图像的全息图。在相干光束的照射下，用特定的解密掩码覆盖装置100，可以对全息加密图像进行解密。解密掩模可以放置在顶侧101上，形成携带解密信息的入射光束181。在入射光束181穿过RWG层110之后，这有利地避免了对入射光束181的干涉，入射光束181的相干性不会被破坏，使得嵌入在加密全息图中的加密数据可以被成功解密，从而产生解密的全息图像。在一个实施例中，加密的全息图是透射的，使得解密的全息图像由光束175朝向底侧102传送。成像传感器可以方便地位于底侧102以接收解密的全息图像，该图像包含没有加密的明文数据。需要注意的是，另外，解密掩码可以放置在底侧102上，用相干光照射，然后成像传感器放置在顶侧101上以接收解密的全息图像。

在某些实施例中，装置100还包括覆盖RWG层110的顶衬130，用于将RWG层110与顶侧101隔离，从而保护RWG层110。顶衬130是透明的，并且可以由聚合物形成。

在某些实施例中，该装置还包括在底层120下面的底衬140，用于向底层120和RWG层110提供机械支撑。底衬140可以由软材料形成，使得装置具有柔性。可选地，底衬140也可以由硬材料制成。

在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下，本发明可以以其他具体形式体现。因此，本实施例在所有方面都应被视为是说明性的而非限制性的。本发明的范围是由所附权利要求书而不是前述描述表明，因此，所有在权利要求书的含义和等效范围内的变化都是为了包含在其中。

Claims

1.一种用于显示图像和一个或多个图案的多层光学安全装置，包括：

光孔，其面向观察者，使得所述观察者可通过所述光孔看到所述一个或多个图案，所述光孔确定所述装置的顶侧；

底层，其位于所述顶侧下方，用于在所述底层被照射时生成所述图像；

共振波导光栅（RWG）层，其位于上顶侧和底层之间，所述共振波导光栅层包括多个共振波导光栅，被配置为在用通过所述光孔接收的入射光束照射时生成所述一个或多个图案，单个共振波导光栅包括波导和分别连接到所述波导的第一和第二衍射光栅，单个衍射光栅具有一个光栅周期，其中所述光栅周期被选择为，使得具有预选波长和预选传播方向的第一光束在选定的光栅周期与所述单个共振波导光栅共振，使所述第一光束耦合进或耦合出所述单个共振波导光栅，同时避免在第二光束传播通过所述单个共振波导光栅时，对与所述单个共振波导光栅不共振的所述第二光束的干扰，从而避免所述共振波导光栅层在从所述底层传输到所述光孔的过程中干扰所述图像；

其中所述单个衍射光栅包括一组或两组周期性排列的散射元件，单个散射元件具有弯曲的形状，所述弯曲的形状为半圆形、半椭圆形或不完整环形，从而提高了观察者观察所述一个或多个图案时的角度容差。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述单个共振波导光栅包括耦合在一起的第一和第二共振波导光栅部分，所述第一共振波导光栅部分具有所述第一衍射光栅，所述第二共振波导光栅部分具有所述第二衍射光栅，所述第一和第二衍射光栅具有不同的光栅周期，用于为所述第一和第二共振波导光栅部分设置不同的共振条件，以使所述单个共振波导光栅过滤所述接收的入射光束的一部分，并生成具有可预测波长的出射光束，并以可预测出射角度从所述共振波导光栅层离开所述单个共振波导光栅。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述单个散射元件是半圆形、半椭圆形或弧形的。

4.根据权利要求2所述的装置，其中所述第一和第二共振波导光栅部分通过共享所述波导而连接在一起。

5.根据权利要求4所述的装置，其中所述第一共振波导光栅部分与所述第二共振波导光栅部分隔开一段距离。

6.根据权利要求4所述的装置，其中所述第一共振波导光栅部分的第一衍射光栅接触所述第二共振波导光栅部分的第二衍射光栅。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述单个共振波导光栅的所述波导和所述第一和第二衍射光栅的尺寸被确定为提供单模光学传播。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个共振波导光栅大体上均匀地分布在所述共振波导光栅层上。

9.根据权利要求1所述的装置，还包括：

聚合物顶衬，其覆盖在所述共振波导光栅层上，用于将所述共振波导光栅层与所述顶侧隔离，从而保护所述共振波导光栅层。

10.根据权利要求1所述的装置，还包括：

底衬，其位于所述底层下面，用于为所述底层和所述共振波导光栅层提供机械支撑。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述底衬由软材料形成，从而允许所述装置具有柔性。

12.根据权利要求1所述的装置，其中所述底层包括全息图，使得所述图像是全息图像。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述全息图是纯相位全息图。

14.根据权利要求12所述的装置，其中所述全息图像包括一个或多个全息加密图像。

15.根据权利要求14所述的装置，其中至少一个全息加密图像嵌入有生物特征信息数据。

16.根据权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个图案包括指定数量的多个图案，其中所述多个共振波导光栅被划分为所述指定数量的子集，单个子集的共振波导光栅用于创建各自的图案。

17.根据权利要求16所述的装置，其中在不同子集的共振波导光栅中的各个共振波导光栅是交错的。

18.根据权利要求1所述的装置，还包括：

附加光孔，其位于与所述顶侧相对的底侧上，用于观看所述图像。