CN115691299A - 一种非相干光再现多重纵深影像的全息防伪标签及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非相干光再现多重纵深影像的全息防伪标签及其制作方法，该全息防伪标签的结构主要包括基材、信息层、金属膜层、粘合层、离型层。通过本发明方法制得的全息防伪标签可以用日常的非干光源再现，再现像成像清晰、亮度高，易于识别，适合大众防伪，且具有多重纵深影像的加密影像结构，具有很强的观赏性和防伪性。本发明方法使用微纳加工、模压的方法将全息图制作成可以用非干光源再现的、多重纵深影像的加密全息防伪标签，可用传统的模压方式进行量化生产，无需复杂的加工工艺，成品率高，在技术、设备、成本等多方面具有很大优势。

Description

一种非相干光再现多重纵深影像的全息防伪标签及其制作 方法

技术领域

本发明涉及防伪标签制备技术领域，具体涉及一种非相干光再现多重纵深影像的全息防伪标签及其制作方法。

背景技术

若两光源所发出的两束光波叠加能产生干涉，则这两个光源称为相干光源；否则称为非相干光源。普通光源是通过同一原子发光具有瞬时性和间歇性、偶然性和随机性，而不同原子发光具有独立性，因此，普通光源发出的光波不满足想干条件，不是相干光，不能产生干涉现象。而激光光源各发光原子的动作、步调是有次序、有规则、彼此协调的，激光具有很好的相干性，是相干光源。相对于相干光源，非相干光源更普遍存在，更易获得。

图像再现技术是一种有效的二线防伪手段，具体地，将适当的光源照射在防伪元件表面上时，能够在相应的接收屏上观察到特定的图文信息；而直接观察时，不能观察到上述图文信息。因此，这该图像再现技术需要借助一定的条件才能够观察到隐藏的特征。

传统的图像再现技术一般采用衍射光栅，即通过表面微浮雕结构对入射光的衍射，将光线衍射至±1级的位置。经过适当的排布衍射光栅的周期和方向，能够控制衍射光斑的位置，进而将若干光斑组合成具有特定意义的图文。但是由于衍射原理导致存在±1级衍射，一般会在镜面反射的左右出现两个对称的图案，故限制了图文信息的设计。同时，由于衍射方向与入射光的频率严格相关，故该再现技术需要的光线一般为激光。而当采用白光或日光照明时，再现图案的清晰度非常差。

由于非相干光源易于获得，特别是随着智能手机的普及，闪光灯作为非相干白光照明光源得到了广泛的使用，甚至阳光、手电、投影仪光源等多种非相干光源均可以用于白光再现的照明。如何实现白光(如手机上的LED灯、照明射灯等)等非相干光源照射下图像的清晰且独特的立体再现成了亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种非相干光再现多重纵深影像的全息防伪标签及其制作方法，通过本发明方法制得的全息防伪标签可以用日常的非干光源再现，再现像成像清晰、亮度高，易于识别，适合大众防伪，且具有多重纵深影像的加密影像结构，具有很强的观赏性和防伪性。

为实现上述技术方案，本发明提供了一种非相干光再现多重纵深影像的全息防伪标签制作方法，具体包括如下步骤：

S1、使用制图软件设计两幅物图像作为衍射面；

S2、根据菲涅尔衍射积分公式分别计算两个物图像到观察面的光场复振幅分布；

S3、分别提取观察屏上光场复振幅U_A及U_B的相位信息P_A与P_B，将两相位矩阵进行叠加得到目标相位全息图P_AB＝P_A+P_B，将P_AB量化到256灰阶；

S4、用微纳加工设备将量化后的P_AB灰度图制成浮雕型微纳结构母版；

S5、通过模压复制、化学涂布、镀膜、覆膜工序制成多重纵深菲涅尔全息防伪标签。

优选的，所述步骤S2具体包括如下步骤：

S21、设定两个物图像衍射面的物理尺寸为L_x×L_y，像素都为N_x×N_y，两个衍射面在x方向上最高空间频率为U_xmax＝N_x/(2*L_x)，两个衍射面在y方向上最高空间频率为U_ymax＝N_y/(2*L_y)；

S22、使用如下菲涅尔衍射积分公式分别计算两个物图像到观察面的光场复振幅分布：

其中λ为光波波长，k＝2π/λ为波数，d是观察面到物面的距离，j表示虚数单位，

S23、根据如下公式计算得到衍射观察屏x方向最大坐标及y方向最大坐标：

其中，L_xo和L_yo分别为物平面x方向和y方向的尺寸；

S24、分别对两个衍射面进行抽样，生成两个物衍射面，将两个衍射面的相位分别与随机噪音进行叠加，得到初始光场复振幅，分别为U_OA和U_OB；

S25、设定衍射面U_OA到观察面的距离为Z_A，衍射面U_OB到观察面的距离为Z_B，波长可以是可见波段400nm～780nm的任一波长，物光U_OA及物光U_OB在观察屏上的光场复振幅分布可以由以下公式计算：

其中FFT{}表示快速傅里叶变换，则观察面上U_A的最大尺寸为(N_xλZ_A/L_x)×(N_yλZ_A/L_y)，观察面上U_B的最大尺寸为(N_xλZ_B/L_x)×(N_yλZ_B/L_y)。

优选的，所述步骤S5中的多重纵深菲涅尔全息防伪标签包括基材层，所述基材层的下方设置有信息层，所述信息层的下方设置有金属膜层，所述金属膜层的下方设置有粘合层，所述粘合层的下方设置有离型层。

优选的，所述信息层由步骤S4所得到的浮雕型微纳结构母版通过模压而成，信息层通过模压复制到基材层上。

本发明还提供了一种非相干光再现多重纵深影像的全息防伪标签制作方法，具体包括如下步骤：

S1、使用建模工具设计三维模型；

S2、根据抽样定理对模型信息进行层切、抽样，并对各个层高包含的数据进行归一化为二维图像；

S3、分别将每层抽样图像的相位与随机噪声进行叠加，形成与图像灰度成正比的初始场复振幅；

S4、标定中心光波波长，分别对设定的不同纵深的图层的初始场振幅进行菲涅尔衍射积分计算，得到不同纵深图像的在不同像面上的光场复振幅分布；

S5、分别提取各层像面光场的相位信息矩阵，将各层像面的相位进行叠加得到多重图像的数字相位信息数据；

S6、将相位信息数据转量化到256灰阶，得到微纳加工设备可识别的灰阶全息图；

S7、用微纳加工设备将量化后的灰阶全息图制成浮雕型微纳结构母版；

S8、通过模压复制、化学涂布、镀膜、覆膜工序制成多重纵深菲涅尔全息防伪标签。

优选的，所述步骤S2具体包括如下步骤：

S21、对模型进行等厚抽样层切，每层厚度为dz，共切n层，则满足关系式D＝n*dz，其中D是模型总的物理高度；

S22、对每层三维厚度数据在纵高Z轴方向上进行坍塌，转化为二维物图像，设定d为模型顶端到衍射观察面的距离，则第i层二维物图像的衍射距离为z＝i*dz+d。

优选的，所述步骤S3中随机噪声为元素数值范围处理于0-2π二维随机矩阵，矩阵行列数与图像数据行列数相等。

优选的，所述步骤S4中第i层的物图像到观察面的光场复振幅分布U_i采用如下公式计算：

其中λ为光波波长，k＝2π/λ为波数，d_i为模型顶端到第i层衍射观察面的距离，其中 FFT{}表示快速傅里叶变换。

本发明还提供了一种非相干光再现多重纵深影像的全息防伪标签，由本发明提供的方法制得。

本发明提供的一种非相干光再现多重纵深影像的全息防伪标签制作方法的有益效果在于：

(1)通过本发明方法制得的全息防伪标签可以用日常的非干光源再现，再现像成像清晰、亮度高，易于识别，适合大众防伪，且具有多重纵深影像的加密影像结构，具有很强的观赏性和防伪性；

(2)本发明方法使用微纳加工、模压的方法将全息图制作成可以用非干光源再现的、多重纵深影像的加密全息防伪标签，可用传统的模压方式进行量化生产，无需复杂的加工工艺，成品率高，在技术、设备、成本等多方面具有很大优势；

(3)通过本发明方法制得的全息防伪标签可以用普通LED光源进行照射，在垂直于标签板面的方向上呈现不同纵深高度的再现像，再现像能很好地再现立体模型，且成像清晰，当物像为两幅或多幅独立的图像时，且图像之间的物像间隔足够大时，再现像为两个悬浮在标签板面之上不同高度的相互独立的衍射图像，具有很强的观赏性和防伪性；

(4)本发明中信息层的设计方法只需对图像转化成的物光波进行菲涅尔衍射积分计算及傅里叶变换，而不需要加入模拟参考光，能大大减小计算量，降低计算过程的功耗。

附图说明

图1中图1a的图1b分别是实施例1的第一物图像和第二物图像；

图2中图2a是实施例1中第一物像的相位信息灰阶图，图2b是第一实施例中第二物像的相位信息图；

图3为实施例1中第一、第二物像的菲涅尔衍射相位信息的叠加灰阶图；

图4为实施例1的全息防伪标签结构示意图；

图5为非相干光对本实施例1的全息防伪标签进行照射时的显示结构示意图；

图6为实施例2中对立体模型进行层切示意图；

图7为实施例2中层切数据坍塌的、作为不同衍射面的物像信息关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通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，均属于本发明的保护范围。

实施例1：一种非相干光再现多重纵深影像的全息防伪标签制作方法。

参照图1至图5所示，一种非相干光再现多重纵深影像的全息防伪标签制作方法，具体包括：

步骤S1:用制图软件设计两幅物图像作为衍射面，设定两个物图像衍射面的物理尺寸为 L_x×L_y，像素都为N_x×N_y，两物图像尺寸大小优选范围为1.5mm～50mm，本实施例设定两物图像衍射面的物理尺寸为L_x×L_y＝7.5mm×7.5mm，像素都为N_x×N_y＝5000×5000。两个衍射面在x 方向上最高空间频率为：U_xmax＝N_x/(2*L_x)，两个衍射面在y方向上最高空间频率为 U_ymax＝N_y/(2*L_y)，因为本实施例物图像为正方形，所以U_xmax＝U_ymax。

步骤S2：根据菲涅尔衍射积分公式分别计算两个物图像到观察面的光场复振幅分布，原始的菲涅尔衍射积分公式如下：

其中λ为光波波长，k＝2π/λ为波数，d是观察面到物面的距离，j表示虚数单位，

衍射观察屏x方向最大坐标及y方向最大坐标分别是：

其中，L_xo和L_yo分别为物平面x方向和y方向的尺寸。

本实施例中，分别对两个衍射面进行抽样，生成衍射孔分别为“A”、“B”两个字母的两个物衍射面，将两个物衍射面的相位分别与随机噪声进行叠加，得到初始光场复振幅，分别为分别为U_OA和U_OB。设定衍射面U_OA到观察面的距离为Z_A＝150mm，衍射面U_OB到观察面和距离为Z_B＝300mm，波长可以是可见波段400nm～780nm的任一波长，本实施例设定波长值为λ＝532nm。

由上式可知，图像像素N_x、设定的物理尺寸L_xo、L_yo及波长λ一定时，衍射观察屏的最大坐标L_xmax与衍射距离d成正比。本实施例设定的两物图像衍射距离Z_A：Z_B＝1：2，要使两物图像再现像大小相等，则“A”、“B”衍射孔高度要符合L_Aoy:L_Boy＝2:1。因此，设定物图像U_OA的“A”字图样衍射孔高度为L_Ax×L_Ay＝6mm×6mm。物图像U_OB的“B”字图样衍射孔高度为 L_Bx×L_By＝3mm×3mm，如图1a和图1b所示。

基于上述原始公式结合本实例，物光U_OA及物光U_OB在观察屏上的光场复振幅分布可以由以下两计算：

其中FFT{}表示快速傅里叶变换，则观察面上U_A的最大尺寸为(N_xλZ_A/L_x)×(N_yλZ_A/L_y)，观察面上U_B的最大尺寸为(N_xλZ_B/L_x)×(N_yλZ_B/L_y)。

步骤S3：分别提取观察屏上光场复振幅U_A及U_B的相位信息P_A与P_B，量化到256灰阶后相位分布如图2a及2b所示。将两相位矩阵进行叠加得到目标相位全息图P_AB＝P_A+P_B，将P_AB量化到256灰阶，如图3所示。

步骤S4：用微纳加工设备(如光刻机)将量化后的P_AB灰度图制成浮雕型微纳结构母版。

步骤S5：通过模压复制、化学涂布、镀膜、覆膜等系列工序制成如图4所示多重纵深菲涅尔全息防伪标签结构，该结构由上至下依次为基材11、信息层12、金属膜层13、粘合层14、隔离层15。所述基材11作为所述信息层12的载体。所述信息层12由步骤S4所述浮雕型微纳结构母版通过模压而成。所述金属膜层13可以是铝膜，厚度优选值为30nm～50nm，起到增强信息层12衍射率的作用。在所述金属膜层13后涂布一层粘合层14，起到多层膜与离型层15的作用，本实施例使用压敏胶。所述离型层15便于剥离标签并转贴到商品上，本实施例使用的离型材料为树脂。

如图5所示，用非相干光1(如常用的手机LED光源)对本实施例多重纵深菲涅尔全息防伪标签2进行照射时，可以再现清晰的、双重纵深再现像。一个是实像“A”3，一个是实像“B”4，且再现像“B”4悬浮于再现像”A”3之上，两者尺寸相等，而且在垂直于标签板面的方向上呈现不同纵深高度的再现像，再现像能很好地再现立体模型，且成像清晰，当物像为两幅或多幅独立的图像时，且图像之间的物像间隔足够大时，再现像为两个悬浮在标签板面之上不同高度的相互独立的衍射图像，具有很强的观赏性和防伪性。

本实施例中，通过本发明方法制得的全息防伪标签可以用日常的非干光源再现出不同高度的相互独立的衍射图像，再现像成像清晰、亮度高，易于识别，适合大众防伪，且具有多重纵深影像的加密影像结构，具有很强的观赏性和防伪性。而且本发明方法使用微纳加工、模压的方法将全息图制作成可以用非干光源再现的、多重纵深影像的加密全息防伪标签，可用传统的模压方式进行量化生产，无需复杂的加工工艺，成品率高，在技术、设备、成本等多方面具有很大优势。通过本发明方法制得的全息防伪标签可以用普通LED光源进行照射。本发明中信息层的设计方法只需对图像转化成的物光波进行菲涅尔衍射积分计算及傅里叶变换，而不需要加入模拟参考光，能大大减小计算量，降低计算过程的功耗。

实施例2：一种非相干光再现多重纵深影像的全息防伪标签制作方法。

参照图6、图7所示，一种非相干光再现多重纵深影像的全息防伪标签制作方法，主要包括如下步骤：

S1、用三维建模软件制作三维模型；

S2、对三维模型进行等厚抽样层切，每层厚度为dz，共切n层，则满足关系式D＝n*dz，其中D是模型总的物理高度；

S3、对每层三维厚度数据在纵高Z轴方向上进行坍塌，转化为二维物图像，设定d为模型顶端到衍射观察面的距离，则第i层二维物图像的衍射距离为z＝i*dz+d；

S4、分别对每层图像进行菲涅尔衍射积分计算，得出每层物图像到观察面的光场复振幅分布，分别记为U₁、U₂、……U_n；

S5、分别提到相位信息P₁、P₂、……P_n，各层相位信息相叠加得到目标相位全息图 P＝P₁+P₂+……+P_n；

S6、将P量化为256灰阶得到微纳加工设备可识别加工的相位信息灰度图；

S7、用微纳加工设备将量化后的灰阶全息图制成浮雕型微纳结构母版；

S8、通过模压复制、化学涂布、镀膜、覆膜工序制成多重纵深菲涅尔全息防伪标签。

本实施例设定三维模型尺寸为：x×y×z＝20mm×30mm×40mm，模型顶端到观察屏的距离设定100mm，切4层，侧每层高度值为dz＝10mm。对每层三维数据在z轴方向进行坍塌，转化为垂直于z轴的二维物图像，分别记为U_o1、U_o2、U_o3和U_o4，每层二维物图像到的衍射距离分别为d₁＝110mm、d₂＝120mm、d₃＝130mm和d₄＝140mm。分别将每层抽样图像的相位与随机噪声进行叠加，随机噪声为元素数值范围处理于0-2π二维随机矩阵，矩阵行列数与图像数据行列数相等。设定光波长为λ＝532nm，则，波数为k＝2π/λ。分别对每层图像根据以下算式进行菲涅尔衍射积分计算，得出每层物图像到观察面的光场复振幅分布，例如将已知数值代入下列算式，得出U₁的光场复振幅如下：

同理可得U₂、U₃和U₄。分别提取观察屏上光场复振幅U₁、U₂、U₃和U₄的相位信息P₁、P₂、P₃及P₄，将各层相位矩阵进行叠加得到目标相位全息图P＝P₁+P₂+P₃+P₄，将P量化到256灰阶后相位分布如图7的∑面所示。用微纳加工设备(如光刻机)将量化后的P灰度图制成浮雕型微纳结构母版。通过模压复制、化学涂布、镀膜、覆膜等系列工序制成多重纵深菲涅尔全息防伪标签结构，结构和每层特性与实施例1的相同。用非相干光(如常用的手机LED光源) 对本实施例多重纵深菲涅尔全息防伪标签进行照射时，可以再现清晰的、四重纵深的三棱锥再现像。特别地，当层切量n足够多，层与层之间的间距dz足够小，则可以再现出连续清晰的立体三棱锥模型。

本实施例中，通过本发明方法制得的全息防伪标签可以用日常的非干光源再现出连续清晰的立体三棱锥模型，再现像成像清晰、亮度高，易于识别，适合大众防伪，且具有多重纵深影像的加密影像结构，具有很强的观赏性和防伪性。而且本发明方法使用微纳加工、模压的方法将全息图制作成可以用非干光源再现的、多重纵深影像的加密全息防伪标签，可用传统的模压方式进行量化生产，无需复杂的加工工艺，成品率高，在技术、设备、成本等多方面具有很大优势。通过本发明方法制得的全息防伪标签可以用普通LED光源进行照射。本发明中信息层的设计方法只需对图像转化成的物光波进行菲涅尔衍射积分计算及傅里叶变换，而不需要加入模拟参考光，能大大减小计算量，降低计算过程的功耗。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应局限于该实施例和附图所公开的内容，所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种非相干光再现多重纵深影像的全息防伪标签制作方法，其特征在于具体包括如下步骤：

S1、使用制图软件设计两幅物图像作为衍射面；

S2、根据菲涅尔衍射积分公式分别计算两个物图像到观察面的光场复振幅分布；

S3、分别提取观察屏上光场复振幅U_A及U_B的相位信息P_A与P_B，将两相位矩阵进行叠加得到目标相位全息图P_AB＝P_A+P_B，将P_AB量化到256灰阶；

S4、用微纳加工设备将量化后的P_AB灰度图制成浮雕型微纳结构母版；

S5、通过模压复制、化学涂布、镀膜、覆膜工序制成多重纵深菲涅尔全息防伪标签。

2.如权利要求1所述的非相干光再现多重纵深影像的全息防伪标签制作方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括如下步骤：

S21、设定两个物图像衍射面的物理尺寸为L_x×L_y，像素都为N_x×N_y，两个衍射面在x方向上最高空间频率为U_xmax＝N_x/(2*L_x)，两个衍射面在y方向上最高空间频率为U_ymax＝N_y/(2*L_y)；

S22、使用如下菲涅尔衍射积分公式分别计算两个物图像到观察面的光场复振幅分布：

其中λ为光波波长，k＝2π/λ为波数，d是观察面到物面的距离，j表示虚数单位；

S23、根据如下公式计算得到衍射观察屏x方向最大坐标及y方向最大坐标：

其中，L_xo和L_yo分别为物平面x方向和y方向的尺寸；

S24、分别对两个衍射面进行抽样，生成两个物衍射面，将两个衍射面的相位分别与随机噪音进行叠加，得到初始光场复振幅，分别为U_OA和U_OB；

S25、设定衍射面U_OA到观察面的距离为Z_A，衍射面U_OB到观察面的距离为Z_B，波长可以是可见波段400nm～780nm的任一波长，物光U_OA及物光U_OB在观察屏上的光场复振幅分布可以由以下公式计算：

其中FFT{}表示快速傅里叶变换，则观察面上U_A的最大尺寸为(N_xλZ_A/L_x)×(N_yλZ_A/L_y)，观察面上U_B的最大尺寸为(N_xλZ_B/L_x)×(N_yλZ_B/L_y)。

3.如权利要求2所述的非相干光再现多重纵深影像的全息防伪标签制作方法，其特征在于，所述步骤S5中的多重纵深菲涅尔全息防伪标签包括基材层，所述基材层的下方设置有信息层，所述信息层的下方设置有金属膜层，所述金属膜层的下方设置有粘合层，所述粘合层的下方设置有离型层。

4.如权利要求3所述的非相干光再现多重纵深影像的全息防伪标签制作方法，其特征在于，所述信息层由步骤S4所得到的浮雕型微纳结构母版通过模压而成，信息层通过模压复制到基材层上。

5.一种非相干光再现多重纵深影像的全息防伪标签制作方法，其特征在于具体包括如下步骤：

S1、使用建模工具设计三维模型；

S2、根据抽样定理对模型信息进行层切、抽样，并对各个层高包含的数据进行归一化为二维图像；

S3、分别将每层抽样图像的相位与随机噪声进行叠加，形成与图像灰度成正比的初始场复振幅；

S4、标定中心光波波长，分别对设定的不同纵深的图层的初始场振幅进行菲涅尔衍射积分计算，得到不同纵深图像的在不同像面上的光场复振幅分布；

S5、分别提取各层像面光场的相位信息矩阵，将各层像面的相位进行叠加得到多重图像的数字相位信息数据；

S6、将相位信息数据转量化到256灰阶，得到微纳加工设备可识别的灰阶全息图；

S7、用微纳加工设备将量化后的灰阶全息图制成浮雕型微纳结构母版；

S8、通过模压复制、化学涂布、镀膜、覆膜工序制成多重纵深菲涅尔全息防伪标签。

6.如权利要求5所述的非相干光再现多重纵深影像的全息防伪标签制作方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括如下步骤：

S21、对模型进行等厚抽样层切，每层厚度为dz，共切n层，则满足关系式D＝n*dz，其中D是模型总的物理高度；

S22、对每层三维厚度数据在纵高Z轴方向上进行坍塌，转化为二维物图像，设定d为模型顶端到衍射观察面的距离，则第i层二维物图像的衍射距离为z＝i*dz+d。

7.如权利要求6所述的非相干光再现多重纵深影像的全息防伪标签制作方法，其特征在于，所述步骤S3中随机噪声为元素数值范围处理于0-2π二维随机矩阵，矩阵行列数与图像数据行列数相等。

8.如权利要求7所述的非相干光再现多重纵深影像的全息防伪标签制作方法，其特征在于，所述步骤S4中第i层的物图像到观察面的光场复振幅分布U_i采用如下公式计算：

其中λ为光波波长，k＝2π/λ为波数，d_i为模型顶端到第i层衍射观察面的距离，j表示虚数单位，FFT{}表示快速傅里叶变换。

9.一种非相干光再现多重纵深影像的全息防伪标签，其特征在于：由权利要求1-8任一方法制得。

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