CN114545538A - 光学构件、光学构件加工方法及光学加密方法 - Google Patents

光学构件、光学构件加工方法及光学加密方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种光学构件、光学构件加工方法及光学加密方法，涉及微纳光学技术领域，本发明提供的光学构件，包括：二氧化硅基底和多个横截面为正方形的二氧化钛柱体；多个二氧化钛柱体间隔设置，并分别连接于二氧化硅基底的表面；二氧化钛柱体设有横截面为正方形的镂空腔，镂空腔背离二氧化硅基底的端部设有开口。本发明提供的光学构件、光学构件加工方法及光学加密方法，通过改变镂空腔的横截面面积可以使光学构件在400nm附近单一波长处的透射率从1％变化到90％，能够实现高阶灰度图像加密。

Description

光学构件、光学构件加工方法及光学加密方法
技术领域
本发明涉及微纳光学技术领域，尤其是涉及一种光学构件、光学构件加工方法及光学加密方法。
背景技术
目前利用人工微结构中谐振模式的频率选择特性可以方便的将高阶的光场强度信息编码到某一特定的频率，从而实现对灰度图像的加密。但为了保证信息在自然光照射下不能够被读取，所选取的特定频率通常远离可见光波段，不利于信息的读取。在现有技术中，光场的强度信息被编码到了中红外波段，因此需要价格昂贵的成像设备进行信息的读取和识别。另一方面，在保证信息不能够在自然光照射下被读取的前提下，在可见光波段范围内实现光场强度编码的技术均只能实现二值强度编码，无法实现高阶强度编码。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光学构件、光学构件加工方法及光学加密方法，以缓解现有技术中光学构件无法在可见光波范围内实现高阶光场强度编码，同时在白光照射下隐藏强度编码信息的技术问题。
第一方面，本发明提供的光学构件，包括：二氧化硅基底和多个横截面为正方形的二氧化钛柱体；
多个所述二氧化钛柱体间隔设置，并分别连接于所述二氧化硅基底的表面；
所述二氧化钛柱体设有横截面为正方形的镂空腔，所述镂空腔背离所述二氧化硅基底的端部设有开口。
结合第一方面，本发明提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述二氧化硅基底的表面分为多个方形区，多个所述二氧化钛柱体一一对应地位于多个所述方形区内。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述方形区的边长为240nm～260nm。
结合第一方面，本发明提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述镂空腔横截面的边长为60nm～100nm。
结合第一方面，本发明提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述二氧化钛柱体横截面的边长与所述镂空腔横截面的边长的差值为70nm～90nm。
结合第一方面，本发明提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述镂空腔的侧壁面高度为200nm～220nm。
结合第一方面，本发明提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述二氧化钛柱体的外壁面高度为240nm～260nm。
结合第一方面，本发明提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，多个所述二氧化钛柱体沿所述二氧化硅基底的表面拼接形成灰度图像；
所述二氧化钛柱体作为像素点，具有灰度差的两个像素点所设有的镂空腔的横截面面积具有差值。
第二方面，本发明提供的光学构件加工方法，包括以下步骤：
将多个横截面为正方形的二氧化钛柱体固定于二氧化硅基底的表面；
使所述二氧化钛柱体上形成横截面为正方形的镂空腔，并使所述镂空腔背离所述二氧化硅基底的端部开口。
第三方面，本发明提供的光学加密方法采用上述光学构件，且包括以下步骤：
以所述二氧化钛柱体作为像素点，并改变该像素点所设有镂空腔的横截面面积，以使该像素点灰度达到设定值；
将多个所述二氧化钛柱体沿所述二氧化硅基底的表面拼接形成灰度图像。
本发明实施例带来了以下有益效果：采用多个横截面为正方形的二氧化钛柱体连接于二氧化硅基底的表面，二氧化钛柱体设有横截面为正方形的镂空腔，镂空腔背离二氧化硅基底的端部设有开口，二氧化钛柱体背离二氧化硅基底的端部设有倾斜顶面，自二氧化钛柱体的外侧壁指向镂空腔的方向，倾斜顶面向接近二氧化硅基底的方向倾斜，通过改变镂空腔的横截面面积可以使单一波长处的透射率从1％变化到90％，能够实现高阶灰度图像加密。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或相关技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的光学构件的俯视图；
图2为本发明实施例提供的光学构件的示意图；
图3为本发明实施例提供的光学构件的剖视图；
图4为本发明实施例提供的光学构件的镂空腔横截面的边长、光线波长和透射率的关系曲线图；
图5为本发明实施例提供的光学构件在412nm波长光照下镂空腔横截面的边长与透射率的对应关系图；
图6为本发明实施例提供的光学构件加密示例图像的四阶灰度图；
图7为图6的光学构件在白光照射条件下的示意图；
图8为图6的光学构件在窄带光波入射条件下的示意图。
图标：100-二氧化硅基底；101-方形区；200-二氧化钛柱体；201-镂空腔；202-倾斜顶面。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。公式中的物理量，如无单独标注，应理解为国际单位制基本单位的基本量，或者，由基本量通过乘、除、微分或积分等数学运算导出的导出量。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1、图2和图3所示，本发明实施例提供的光学构件，包括：二氧化硅基底100和多个横截面为正方形的二氧化钛柱体200；多个二氧化钛柱体200间隔设置，并分别连接于二氧化硅基底100的表面；二氧化钛柱体200设有横截面为正方形的镂空腔201，镂空腔201背离二氧化硅基底100的端部设有开口。其中，二氧化钛柱体200背离二氧化硅基底100的端部设有倾斜顶面202；自二氧化钛柱体200的外侧壁指向镂空腔201的方向，倾斜顶面202向接近二氧化硅基底100的方向倾斜。
具体的，多个二氧化硅基底100阵列分布在二氧化硅基底100的表面，二氧化钛柱体200和镂空腔201的横截面皆为正方形，并且，镂空腔201的内接圆与二氧化钛柱体200横截面的内接圆同心，从而保证光学构件各向同性。在此结构基础上，通过改变镂空腔201横截面的面积大小，光学构件在单一波长处的透射率可从1％变化到90％，通过将具有不同横截面面积镂空腔201的二氧化钛柱体200排列组合，可以形成高衬度的灰度图像，且该灰度图像仅在特定波长的窄带光波照射下显现，在白光照射下图像处于隐藏状态。
参见图4，镂空腔201横截面的边长S、光波长和光学构件透射率的关系曲线图，镂空腔201横截面的边长S不同的光学构件作为超表面，在自然光照下颜色趋于一致，但在单一波长处的透射率变化显著。透射率随镂空腔201横截面的边长S变化而变化，故而可以通过设置不同的镂空腔201横截面的边长S，进而使二氧化钛柱体200能够作为高阶灰度图像的像素点。在整个可见光波段范围内，透射光谱只在接近400nm波长处有一个由米氏共振引起的、半峰宽极窄(<10nm)的透射谷，且该透射谷的位置随镂空腔201横截面的边长S的变大会产生一个较小的红移。
参见图5，在波长412nm处，镂空腔201横截面的边长S自60nm变化值100nm，透射率自1％变化到90％，因此，通过改变镂空腔201横截面的边长S，可以大幅度改变任一像素点的灰度值，进而实现高阶灰度图像的加密。
如图1和图2所示，在本发明实施例中，二氧化硅基底100的表面分为多个方形区101，多个二氧化钛柱体200一一对应地位于多个方形区101内。其中，多个方形区101的内接圆与多个二氧化钛柱体200横截面的内接圆一一对应同心，由此可使多个二氧化钛柱体200在二氧化硅基底100的表面上以阵列形式均匀分布。
进一步的，方形区101的边长P为240nm～260nm，二氧化钛柱体200横截面的边长L为130nm～190nm，二氧化钛柱体200横截面的边长L与镂空腔201横截面的边长S的差值为70nm～90nm，镂空腔201横截面的边长S为60nm～100nm。
如图1、图2、图6、图7和图8所示，将多个二氧化钛柱体200按照镂空腔201横截面的边长S尺寸分为四个等级，边长S取值分别为60nm、70nm、80nm和90nm，每个二氧化钛柱体200构成的像素点的灰度随镂空腔201横截面的边长S尺寸变化，故而像素点灰度存在四阶。镂空腔201横截面的边长S为60nm、70nm、80nm和90nm，对应的二氧化钛柱体200透射模式下的RGB值分别为：[251,249,238]、[251,249,233]、[250,248,230]和[250,248,229]。参见图6，以四阶灰度编码形成图像，图像区域内的每个二氧化钛柱体200皆作为像素点，该灰度图像包含280×280个像素点。参见图7，在白光照射条件下图像被隐藏；参见图8，在窄带光波照射条件下灰度图像显现。
如图2和图3所示，镂空腔201的侧壁面高度t0为200nm～220nm，镂空腔201的侧壁面高度t0可取值200nm、205nm、210nm、215nm或220nm。二氧化钛柱体200的外壁面高度t为240nm～260nm，二氧化钛柱体200的外壁面高度t可取值240nm、245nm、250nm、255nm或260nm。
如图1、图2、图3和图6所示，多个二氧化钛柱体200沿二氧化硅基底100的表面拼接形成灰度图像；二氧化钛柱体200作为像素点，具有灰度差的两个像素点所设有的镂空腔201的横截面面积具有差值。
具体的，通过改变镂空腔201的横截面面积，可以对灰度值进行调节。故而，按照镂空腔201的横截面面积的大小对多个二氧化钛柱体200进行划分，由二氧化钛柱体200形成的像素点可形成高阶灰度图像，只有在窄带光波照射的条件下该灰度图像才能显现。
如图1、图2和图3所示，本发明实施例提供的光学构件加工方法包括以下步骤：在二氧化硅基底100的表面加工形成多个横截面为正方形的二氧化钛柱体200；使二氧化钛柱体200上形成横截面为正方形的镂空腔201，并使镂空腔201背离二氧化硅基底100的端部开口。通过光学构件加工方法可加工形成上述实施方式提供的光学构件，该光学构件可用于对灰度图像进行加密，且能够加密高阶灰度图像，衬度较高。
光学构件加工方法的具体操作步骤如下：在二氧化硅基底100的表面旋涂一定厚度的光刻胶，采用电子束曝光技术对光刻胶进行曝光和显影，在光刻胶层产生多个横截面为正方向的镂空区。随后，采用原子层沉积技术在光刻胶层上沉积形成固定厚度的二氧化钛薄膜，之后刻蚀掉光刻胶顶部和底部的二氧化钛，以形成具有镂空腔201的二氧化钛柱体200。在此工艺条件下，可在二氧化钛柱体200背离二氧化硅基底100的端部加工形成倾斜顶面202，沿自二氧化钛柱体200的外侧壁指向镂空腔201的方向，倾斜顶面202向接近二氧化硅基底100的方向倾斜。
如图1、图2、图3和图6所示，本发明实施例提供的光学加密方法采用上述实施方式提供的光学构件，且包括以下步骤：以二氧化钛柱体200作为像素点，并改变该像素点所设有镂空腔201的横截面面积，以使该像素点灰度达到设定值；将多个二氧化钛柱体200沿二氧化硅基底100的表面拼接形成灰度图像。依据镂空腔201的横截面面积将二氧化钛柱体200分类，不同类别的二氧化钛柱体200所对应的灰度值不同，通过将具有不同灰度的像素点进行组合，可以形成灰度图像。在白光照射条件下该灰度图像自动隐藏，在窄带光波照射的条件下该灰度图像显现。
需要说明的是，为了构成高阶灰度图像，可根据镂空腔201的横截面面积对二氧化钛柱体200进行细化分类，以便实现对4阶、5阶、6阶及更高阶的灰度图像加密。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种光学构件，其特征在于，包括：二氧化硅基底(100)和多个横截面为正方形的二氧化钛柱体(200)；
多个所述二氧化钛柱体(200)间隔设置，并分别连接于所述二氧化硅基底(100)的表面；
所述二氧化钛柱体(200)设有横截面为正方形的镂空腔(201)，所述镂空腔(201)背离所述二氧化硅基底(100)的端部设有开口。
2.根据权利要求1所述的光学构件，其特征在于，所述二氧化硅基底(100)的表面分为多个方形区(101)，多个所述二氧化钛柱体(200)一一对应地位于多个所述方形区(101)内。
3.根据权利要求2所述的光学构件，其特征在于，所述方形区(101)的边长为240nm～260nm。
4.根据权利要求1所述的光学构件，其特征在于，所述镂空腔(201)横截面的边长为60nm～100nm。
5.根据权利要求1所述的光学构件，其特征在于，所述二氧化钛柱体(200)横截面的边长与所述镂空腔(201)横截面的边长的差值为70nm～90nm。
6.根据权利要求1所述的光学构件，其特征在于，所述镂空腔(201)的侧壁面高度为200nm～220nm。
7.根据权利要求1所述的光学构件，其特征在于，所述二氧化钛柱体(200)的外壁面高度为240nm～260nm。
8.根据权利要求1所述的光学构件，其特征在于，多个所述二氧化钛柱体(200)沿所述二氧化硅基底(100)的表面拼接形成灰度图像；
所述二氧化钛柱体(200)作为像素点，具有灰度差的两个像素点所设有的镂空腔(201)的横截面面积具有差值。
9.一种光学构件加工方法，其特征在于，所述光学构件加工方法包括以下步骤：
在二氧化硅基底(100)的表面加工形成多个横截面为正方形的二氧化钛柱体(200)；
使所述二氧化钛柱体(200)上形成横截面为正方形的镂空腔(201)，并使所述镂空腔(201)背离所述二氧化硅基底(100)的端部开口。
10.一种光学加密方法，其特征在于，所述光学加密方法采用权利要求1-8任一项所述的光学构件，且包括以下步骤：
以所述二氧化钛柱体(200)作为像素点，并改变该像素点所设有镂空腔(201)的横截面面积，以使该像素点的灰度达到设定值；
将多个所述二氧化钛柱体(200)沿所述二氧化硅基底(100)的表面拼接形成灰度图像。
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