CN118159979A - 光学数字编码解码系统 - Google Patents

Abstract

将光学和数字编码‑解码方法结合起来进行防伪，例如在印刷品防伪中，能起到很好的防伪效果。光学数字编码解码系统使用编码介质(如防伪标签)显示数字数据编码的图像，并使用解码设备对数字数据进行解码或解密，从而在防伪或其他与安全相关的用途中实现更强的验证。图像被编码到编码介质中的谐振波导光栅(RWG)中，从而实现了显示图像的角度复用，并在光学处理不同组的安全相关数据时满足了不同的保密要求。此外，RWG中使用了非周期性衍射光栅，而不是周期性衍射光栅，用于显示供用户查看的选定图像，从而拓宽了这些RWG产生的出射光束的束宽，使用户能够在更大的角度范围内更方便地查看选定图像。

Description

光学数字编码解码系统

缩略语表

IR：红外线

QR：快速反应

RWG：谐振波导光栅

UV：紫外线

技术领域

本公开涉及一种光学-数字编码-解码系统，该系统利用编码介质(如附在物品上的防伪标签)，以光学半隐蔽方式将嵌入数字信息的多个图像传输到解码设备，以对数字信息进行解码或解密，从而执行一些与安全相关的功能，如身份验证。

背景技术

防伪技术被应用于许多领域，如自动文件控制和假货检测。如果产品和物品不具备强大的防伪功能，往往会造成重大的经济损失、健康和安全风险，从而产生不利的社会和经济影响。目前，用于防伪的光学编码-解码系统通常基于使用全息图来证明真伪。然而，假冒相似的复制品可以廉价地避过防伪，使用全息图防伪也缺乏唯一性。同时，由于全息图在不同角度下的颜色偏移较大，在数字阅读器中难以识别，从而导致数字模板匹配困难。总之，全息图防伪的特点不足以应付防伪标签和包装的需求。另外，用于防伪的数字编码-解码系统一般采用复杂的算法进行验证。这些算法通常很复杂，使得用于实施认证的数字编码-解码系统的成本通常比光学系统更高。并且，使用数字编码-解码系统进行防伪不可避免地会给对手发动网络攻击的机会。整体而言，现有的防伪系统缺乏一种将光学和数字编码-解码方法相结合的防伪技术。本领域开发了一种光学数字编码解码系统，可以用于一般的安全相关应用，特别是防伪相关的应用。

发明内容

本文提供了一种光学数字编码-解码系统。该系统中的一个重要组件是编码介质(encoded medium)，用于支持以图像形式对多组数据进行光编码。

本公开的第一方面提供了一种编码介质，用于以角度多路复用方式显示多组图像。

编码介质包括用于显示多个图像的显示区域，以及在显示区域上用于创建多个图像相对应的多个RWG组。显示区域被像素化为一组像素。每个图像被分配到一组子像素，以在显示区域上显示出图像。对于上述多个RWG组而言，单个RWG组与相对于显示区域的出射光束传播方向相关联，每个RWG组被配置为沿出射光束的传播方向传播出射光束。RWG组们被分布在与第一特定图像相关的子像素集中，该图像从多个图像中选出，并将由每个RWG组创建，这样，与第一特定图像相关的子像素集中的每个像素都会被分配给至少一个RWG组。相对应的RWG组进一步提供相对应不同的出射光束传播方向，以实现角度多路复用方式显示多个图像的优势。

优选地，一组像素中的单个像素被划分为多个子像素。多个子像素分别分配给多个RWG组，用于在单个像素中进行RWG成员分配。

在某些实施例中，一组像素中的单个像素被二维分割成多个子像素，使得多个子像素中的各自子像素分布在单个像素上。

在某些实施例中，一组像素中的单个像素被三维分割成多个子像素，使得多个子像素中的各自子像素分布在沿显示区域法线方向形成的多个平面层上。

在某些实施例中，用于将位于某个像素的多个子像素分别分配给多个RWG组的分配方案在一组像素上有所不同，以增加对手在逆向工程编码介质时产生的成本。

优选地，多个RWG组包括一个或多个选定RWG组。单个选定RWG组中的单个RWG成员包括入耦合衍射光栅、出耦合衍射光栅以及连接到入耦合和出耦合衍射光栅的波导。每个入耦合衍射光栅和出耦合衍射光栅都是非周期性衍射光栅，而不是周期性衍射光栅，这使得由单个所选RWG组中的单个RWG成员生成的出射光束的束宽变宽，从而使从多个图像中选出并打算由单个所选RWG组创建的第二特定图像可在更宽的角度范围内观看。

在某些实施例中，非周期性衍射光栅由一个或两个非周期性排列的纳米结构元件形成。纳米结构元件的单个非周期性排列具有由周期性相位轮廓与弱扰动非周期性相位轮廓叠加给出的相位轮廓。

在某些实施例中，弱扰动的非周期性相位轮廓是一个抛物线或四次函数，模数为2π。

在某些实施例中，非周期性衍射光栅由一个或两个非周期排列的纳米结构元件形成。每个纳米结构元件都是弯曲的，而不是线性的，这使得由单个选定RWG组中的单个RWG成员产生的出射光束的束宽进一步加宽。

在某些实施例中，该非周期性衍射光栅由两个非周期性排列的纳米结构元件形成。两个纳米结构元件的非周期性排列分别位于波导的两个相对侧。

在某些实施例中，该非周期性衍射光栅由一个或两个非周期性排列的纳米结构元件形成。每个纳米结构元件的横截面形状可以是矩形、三角形、正弦形和倾斜矩形。

在某些实施例中，多个RWG组中的每个成员RWG包括入耦合衍射光栅、出耦合衍射光栅以及与入耦合和出耦合衍射光栅连接的波导。入耦合衍射光栅和出耦合衍射光栅是光栅周期互不相同的周期性衍射光栅。

在某些实施例中，多个RWG组包括一个或多个选定的RWG组。与单个选定RWG组相关的相应出射光束具有人类可见光谱之外的光谱内容。它使从多个图像中选择并打算由单个选定RWG组创建的第三特定图像对人类不可见，从而使第三特定图像携带隐藏信息。

在某些实施例中，编码介质是附在物品上的防伪标签。多个图像包括用于物品品牌识别的徽标或商标的第一图像，以及包含用于物品认证的数字数据的QR码的第二图像。

本公开的第二个方面是提供一种光学数字编码-解码系统。

该系统包括编码介质的任一实施例和解码设备。编码介质用于以角度多路复用方式显示多个图像。解码设备包括：相机，用于从编码介质光学获取多个图像；以及计算处理器，配置为执行计算过程，以控制照相机获取多个图像并处理所获取的多个图像。

在某些实施例中，解码设备进一步包括用于可控地照亮编码介质的光源。

在某些实施例中，多个图像包括第一和第二图像。第一图像用第一像素化信息体编码。第二图像以第二像素化信息体编码。第二像素化信息体包括加密信息和编码密钥。解码设备存储有：第一组信息数据，用于验证第一像素化信息体；解密密钥，用于解密加密信息；第二组信息数据，用于验证解密后的加密信息；以及解码密钥，用于协助解码多个图像中除第一和第二图像之外的其余图像。此外，计算过程还包括控制相机获取第二图像；从所获取的第二图像中提取加密信息和编码密钥；通过解密密钥解密加密信息以生成解密信息；控制相机获取第一图像；验证第一像素化信息体是否与第一组信息数据匹配；验证解密信息是否与第二组信息数据匹配；响应于发现第一像素化信息体与第一组信息数据相匹配，且解密信息与第二组信息数据相匹配，将解码密钥、第一像素化信息体和编码密钥组合形成用于解码剩余图像的完整解密密钥；控制相机获取剩余图像；以及使用完整解密密钥解码剩余图像。

如以下实施例所示的本公开的其他方面也被公开。

附图说明

图1展示了RWG的典型结构，用于说明目的。

图2展示了根据本公开的一个示例性实施例在所公开的光数字编码-解码系统中使用的编码介质的结构，其中编码介质具有被划分为多个像素的显示区域，单个像素被(二维地)划分为多个用于显示不同图像的子像素。

图3描述了将编码介质显示区域上的像素三维分割成多层子像素的排列方式。

图4A描述了用周期性衍射光栅实现的第一成员RWG的横截面图。

图4B描述了利用周期性衍射光栅实现的第二成员RWG的横截面图。

图5A提供了模拟产生的、由图4A的第一成员RWG生成的出射光束的反射率值与观察角度之间的关系的第一图。

图5B提供了模拟产生的、由图4B的第二成员RWG产生的出射光束的反射率值与观察角度之间的关系的第二图。

图6展示了两个RWG，其中一个使用线性纳米结构元件，另一个使用曲面纳米结构元件，用于拓宽人类观看显示图像的视角范围。

图7展示了编码介质作为防伪标签的一种实际实现方式。

图8展示了所公开的光-数字编码-解码系统的示例性示意模型，其中系统包括编码介质和解码设备，其中解码设备用于解码从已编码介质获得的图像。

图9展示了显示解码设备用于根据本公开的某些实施例处理所获取的图像的计算过程的示例性步骤的流程图。

图10提供了使用所公开的光学数字编码-解码系统实现强身份验证的示例。

本领域普通技术人员会理解，图中元素的说明是为了简单明了的目的，但并不一定按比例绘制。

具体实施方式

光学数字编码解码系统的概念是，在对数据进行编码和解码时，将光学域和数字域混合起来，以达到某些与安全有关的目的。例如，光域和数域的混合可以通过以下方式实现：使用光学技术隐藏数字信息，同时允许目标观察者获取和解码(或解密)隐藏的数字信息，然后使用解码的数字信息修改光学技术的光学过程，以适当的编码或解码方法处理额外的数字信息。如果将光学域和数字域混合用于验证目的，则可使验证更加可靠。通过所公开的光学-数字编码-解码系统提供的更稳健的身份验证在许多应用中都十分有用，例如打印防伪(print anti-spoofing)。

在图8中，显示了这里所考虑的光数字编码-解码系统的示例模型800。在模型800中，编码介质810生成多个角度多路复用图像815。解码设备820从多个角度多路复用图像815中选择一个或多个图像并进行解码。

在开发光学数字编码解码系统时，发明人发现需要编码介质810来支持多组安全相关数据的光学编码。编码介质810可以是具有用于光学显示多组图像的区域的防伪标签、芯片、卡片等。类似于全息编码，有些数据组旨在让用户看得见、看得懂，以实现快速身份验证。有些数据组，如QR码中编码的数据，可由机器(如智能手机)读取并随后解码，以实现可靠的身份验证。而有些数据组则设计成高度隐藏(隐蔽)，不被普通用户发现，目的是让一些专业用户的复杂机器能够读取并解码，以进行非常可靠的身份验证甚至法证分析。为了通过光学处理此类不同的安全相关数据组时实现上述复杂环境的多样性，或满足这些数据组不同的保密要求，发明人发现对这些数据进行光学编码的编码介质810可以通过RWG的方式有利地实现。

在详细介绍本公开的实施例之前，下面将借助图1介绍开发本实施例所需的RWG的技术细节。图1描述了RWG 100的一种典型结构。

如果光束具有一定的波长，并以一定的入射角进入RWG 100，则RWG 100用于反射光束。RWG 100包括波导110、第一衍射光栅120和第二衍射光栅130。第一和第二衍射光栅120,130连接到波导110上。波导110由电介质构成，其折射率高于波导110附近的周围环境。电介质对波长在RWG 100预期工作波长范围内的光束是透过的。第一衍射光栅120是通过在波导110的一侧或两侧布置多个纳米结构元件121、122而获得的。如果纳米结构元件布置在两侧(或一侧)，则第一衍射光栅120具有纳米结构元件121、122(或只有121)。类似地，第二衍射光栅130具有布置在波导310一侧(仅有纳米结构元件131)或两侧(有纳米结构元件131、132)的纳米结构元件。

在第一和第二衍射光栅120,130的每个光栅中，每组纳米结构元件(121、122、131或132)可以周期性排列或非周期性排列。周期性排列的纳米结构元件具有空间不变的光栅周期，这样一来周期性排列的纳米结构元件就形成了周期性衍射光栅。光栅周期是相邻纳米结构元件之间的长度。例如，纳米结构元件121具有第一光栅周期123，纳米结构元件131具有第二光栅周期133。另一方面，纳米结构元件的非周期排列方式，是不同相邻纳米结构元件具有不同的光栅周期。虽然光栅周期不尽相同，但光栅周期通常略有不同或仅有少量异常值，因此可以找到具有代表性的光栅周期。除非另有说明，此处非周期性排列的纳米结构元件的代表性光栅周期也称为光栅周期。纳米结构元件的非周期性排列形成了非周期性衍射光栅。

如图1所示，第一衍射光栅120由分别位于波导310两个相对侧的两个周期性排列的纳米结构元件121,122形成。请注意，两个周期性排列的纳米结构元件121,122各自形成一个波纹结构。第二衍射光栅130的情况也类似。还要注意的是，RWG 100具有沿方向105的取向。RWG 100的方向垂直于第一衍射光栅120中的纳米结构元件121,122或第二衍射光栅130中的纳米结构元件131,132。

第一和第二衍射光栅120,130位于波导110的不同部分。将第一波导部分111定义为波导110的第一部分，其中第一衍射光栅120位于该部分上。同样，将第二波导部分112定义为波导110的第二部分，其中第二衍射光栅130位于该部分上。为方便起见，将第一衍射光栅部分101和第二衍射光栅部分102定义为衍射光栅100的互不重叠部分，这样第一衍射光栅部分101就具有第一波导部分111和第一衍射光栅120，而第二衍射光栅部分102就具有第二波导部分112和第二衍射光栅130。请注意，第一和第二RWG部分101,102是耦合在一起的。特别是，第一和第二波导部分111,112连接在一起，以实现耦合。

第一和第二衍射光栅120,130分别以第一光栅周期123和第二光栅周期133为特征。两个光栅周期123,133共同决定了RWG 100的谐振条件。第一光栅周期123和朝向105可以使专门准备具有第一预选波长λ₁并以相对于波导110的第一预选(仰角)角度θ_in186到达的入射光束180与RWG 100发生谐振，从而使入射光束180耦合到RWG 100中，并作为波导内光束183以波导模式沿波导110传播。因此，第一衍射光栅120被称为入耦合衍射光栅120，第一RWG部分101也被称为入耦合RWG部分101。第二光栅周期133可以使具有波长λ₁并以相对于波导110的第二预选(仰角)角度θ_out187离开的出射光束181与RWG 100发生谐振，导致波导内光束183从RWG 100耦合出来，形成出射光束181。根据λ₁和θ_in186或θ_out187确定光栅周期的数学公式可在本领域找到，例如EP3,205,512和G.QUARANTA、G.BASSET、O.J.F.MARTIN和B.GALLINET，"Recent Advances in Resonant Waveguide Gratings"，Lasers&Electronics Reviews，2018年7月30日。请注意，由于RWG 100通常与可见光谱、近红外光谱以及可能的紫外光谱范围内的入射光束180相互作用，因此波导110以及第一和第二衍射光栅120,130通常以纳米级尺寸设计，并以纳米结构来实现。

考虑入射光束180以入射角，即θ_in186，入射到入耦合RWG部分101。如果入射光束180的波长和入射角满足入耦合RWG部分101的谐振条件，并且如果上面最后提到的波长满足出耦合RWG部分102的谐振条件，那么入耦合RWG部分101将入射光束180耦合进来，以形成从第一波导部分111传播到第二波导部分112的波导内光束183，此时，波导内光束183以预定的出射角即θ_out187从出耦合RWG部分102耦合出去，形成出射光束181。

需要注意的是，实际上出射光束181并非绝对准直的光束。实际上，出射光束181是发散光束，但出射光束181的束宽通常很窄。出射角θ_out187是通过确定出射光束181具有辐射功率密度峰值的方向来确定的。

相反，如果入射光束180不符合任何入耦合和出耦合RWG部分101、102的谐振条件，则入射光束180不会与RWG 100发生相互作用，而只是绕过RWG 100形成旁路光束182。因此，在入射光束180通过RWG 100传播时，避免了与RWG 100不谐振的入射光束180发生干涉。

RWG 100中谐振条件的存在可在以下设置中得到有利利用。首先，如果入射光束180的波长和入射角共同导致RWG 100产生谐振，则RWG 100可用于产生光的反射。通过在形成特定图案的位置安装多个RWG 100的副本，由图案反射的光束就会形成遵循该图案的图像。其次，入射光束180通常具有多种光谱波段，并从不同方向到达RWG 100，如果安装了其他RWG，则至少可以部分穿过RWG 100照亮其他RWG。通过使用不同的RWG组可以显示多个图像，其中每个RWG组都有特定的RWG谐振条件设置，从而使不同的RWG组在不同的出口角度产生不同的图像。因此，可以角度多路复用的方式显示不同的图像。一个显示的图像不会干扰另一个显示的图像。

如果第一和第二光栅周期123,133取相同的值，则RWG 100基本上就变成了G.QUARANTA、G.BASSET、O.J.F.MARTIN和B.GALLINET的论文中所描述的传统RWG。因此，λ₁的多个值可能会在RWG 100中引起谐振，θ_in或θ_out的值也会相互影响。在本公开的主要应用中，这种结果可能并不可取。因此，第一和第二光栅周期123，133需要被选定为不同值，以实现RWG 100独特的谐振条件。理论上，只要适当选择其他RWG参数，如波导介电折射率、光栅深度等，就可以将RWG 100配置为仅在一个波长值下产生谐振。这样做的净效果是，RWG 100过滤部分接受到的入射光束180，并产生具有可预测波长的出射光束181，以可预测的出射角度离开RWG 100。

如上所述，第一和第二波导部分111,112的折射率高于周围环境的折射率。考虑到折射率的差异，可以对第一和第二波导部分111,112以及第一和第二衍射光栅120,130进行尺寸上的设计，以便沿第一和第二波导部分111,112(或波导110)进行单模传播，从而在生成多个图像时提高光谱/角度选择性。

作为图1中所示的一个示例，用于入耦合和出耦合衍射光栅120,130的纳米结构元件121,122,131,132具有矩形截面124,134。在实际实施中，每个纳米结构元件的横截面形状可以选自矩形、三角形、正弦形、斜矩形等。

本公开的第一方面是提供一种编码介质，用于以角度多路复用方式显示多个图像。

图2描述了示例性编码介质200的结构。编码介质200包括显示区域205和多个RWG组。用于在显示区域205中显示的多个图像被存储在编码介质200中，即多个图像被编码在多个RWG组中。每个RWG组都编码多个图像中的一个图像。

显示区域205用于显示多个图像。显示区域205被像素化为一组像素210。多个图像中的单个图像与像素子集相关联，用于在显示区域205上显示图像。像素子集定义了一组像素中的哪些像素被点亮以在显示区域205上形成单个图像。

多个RWG组分别用于在显示区域205上创建多个图像。单个RWG组由多个成员RWG组成，并与相对于显示区域205的出射光束传播方向187相关联。多个成员RWG中的每个成员RWG都被配置为产生沿出射光束传播方向187传播的出射光束181，该光束与单个RWG组相关联。成员RWG分布在像素子集上，其中像素子集与第一特定图像相关联，该图像从多个图像中选择并打算由单个RWG组创建。与第一特定图像相关联的像素子集中的每个像素都被分配给至少一个成员RWG。因此，所有成员RWG通过反射入射到每个成员RWG的入射光束180，共同创建形成了上述第一特定图像的图案。多个RWG组中的各个RWG组进一步配置为提供各自不同的出射光束传播方向，以便在图像显示中对多个图像进行角度复用。

如上所述，单个RWG组中的成员RWG具有相同的出射光束传播方向187。在某些实施例中，单个RWG组中的成员RWG是相同的，每个成员RWG都是通过复制某个RWG模型实现的。因此，所有这些成员RWG都能反射具有相同入射角186的入射光束。在许多实际应用中，更理想的做法是从更宽的入射角度去反射入射光束。这样，就能从环境光中捕捉到更多的光进行反射。在某些实施例中，单个RWG组中的成员RWG在光栅间距上是单独定制的，这样成员RWG就具有各自的入射角度，可以在保持相同出射光束传播方向187的情况下，将更宽角度范围的光束耦合进来。

为了便于编码介质200的实际应用，可首先将一组像素210中的单个像素(例如像素215)划分为多个子像素(例如像素215中的子像素220)。多个子像素被分别分配给多个RWG组，以便在单个像素中进行成员RWG分配。在一个实施例中，多个子像素中的各个子像素被分配到不同的RWG组。因此，编码介质200中不同RWG组的数量就是一个像素中子像素的数量。显示区域205上可支持显示的图像数量就是一个像素中的子像素数量。因此，可以最大限度地利用子像素来显示图像。在另一个实施例中，一个像素中的子像素数量大于编码介质200中使用的多个RWG组中各自RWG组的数量。一个像素中的多于一个的子像素可分配给从多个图像中选择显示的同一图像，这与每个像素只分配一个子像素给图像的情况相比，像素更亮。或者，一个子像素仍可分配给一个RWG组，而一个像素中由于可用RWG组耗尽(即待显示的可用图像耗尽)而未分配的子像素则留待闲置。

如图2所示，显示区域205被划分为10×10的像素阵列210。为便于说明，100个像素中的一个为像素215。像素215被划分为5×5的子像素220阵列。像素215上共有10个RWG231-240。每个RWG 231-240在像素215上以特定波长和特定出射光束传播方向产生一个“光点”，用于显示多幅图像中某幅图像的像素。在与上述特定图像相关联的像素子集上同时显示不同像素上的光点，从而显示该图像。

在某些实施例中，一组像素中的单个像素被二维分割成多个子像素，使得多个子像素中的各个子像素分布在单个像素上。例如，像素215被划分为多个子像素220，这些子像素220被组织为5×5的子像素平面阵列。

不同于对单个像素进行二维分割，也可以对单个像素进行三维分割。在某些实施例中，一组像素中的单个像素被三维分割成多个子像素，使得多个子像素中的各个子像素分布在沿显示区域205的法线方向形成的多个平面层上。作为示例，图3描述了将像素215三维划分为多个子像素层311-315的排列方式。为便于说明，选择了层314，该层是由子像素320组成的5×5平面阵列。层311-315位于沿方向390的不同深度。方向390垂直于显示区域205。除了将层314划分为5×5的子像素平面阵列320之外，还可以选择其他阵列尺寸，如3×5、3×3、3×1和2×2。在某些实施例中，每个层311-315都不再分区，而是只有一个子像素，相当于选择了一个1×1的子像素阵列。多个图像中的不同图像在每个像素的不同层上创建。

为了保持编码介质200的简单设计，在一个实施例中，所有像素210采用相同的分配方案，分别将位于单个像素的多个子像素分配给多个RWG组。或者，在另一个实施例中，将位于某个像素的多个子像素分别分配给多个RWG组的分配方案在一组像素210中各不相同。也就是说，显示区域205上不同像素的各自分配方案中至少有两个是不同的。在一种特殊情况下，所有各自的分配方案都是随机生成的，因此几乎可以肯定任何两个各自的分配方案都是不同的。虽然编码介质200的设计变得更加复杂，但在一组像素210上使用不同的分配方案具有增加竞争对手尝试对编码介质200进行逆向工程成本的优势。阻止或阻碍对手发现编码介质200的安全特征，或多个图像中携带的任何隐蔽信息，是非常重要的。

每个RWG组中的单个成员RWG的设计和实现细节详述如下。

单个成员RWG采用上文描述的RWG 100的模型。单个成员RWG包括入耦合衍射光栅120、出耦合衍射光栅130以及与入耦合和出耦合衍射光栅120,130连接的波导110。

在某些实施例中，入耦合和出耦合衍射光栅120,130是光栅周期互不相同的周期性衍射光栅，因此第一和第二光栅周期123,133不同。通过将周期性衍射光栅用于入耦合和出耦合衍射光栅120,130，可以将出射光束181的束宽控制得非常窄。

一方面，非常窄的光束宽度在数据隐藏方面是有利的，因为这在一定程度上阻碍了对手捕捉所显示的图像，特别是如果所显示的图像被故意设计成没有容易识别的特征的噪音状的话。另一方面，如果具有单个成员RWG的某个RWG组所显示的图像是供合法用户查看的，那么非常窄的波束宽度会阻碍合法用户快速捕捉所显示的图像。即使眼睛稍有移动，也很容易错过显示的图像。这会给用户带来不便，降低编码介质200的可用性。

对于从多个图像中选择出来的、并打算由合法用户观看的某些图像，可能需要拓宽由属于与单个所选图像相对应的RWG组的每个成员RWG产生的出射光束181的光束宽度。发明人发现，尽管在出射光束181中观察到每个成员RWG提供的最大透射率略有降低，但使用非周期性衍射光栅而不是使用周期性衍射光栅能够拓宽光束宽度。

在某些优选实施例中，多个RWG组中的一个或多个选定RWG组被配置成为一个或多个选定RWG组中的每个成员RWG产生的出射光束181提供更宽的光束宽度。考虑单个选定RWG组中的一个成员RWG，该成员RWG采用上述RWG 100的模型，包括入耦合衍射光栅120、出耦合衍射光栅130，以及与入耦合和出耦合衍射光栅120,130相连的波导110。其中，每个入耦合和出耦合衍射光栅120,130都是非周期性衍射光栅，而不是周期性衍射光栅。这使得由该部件RWG产生的出射光束181的光束宽度变宽。因此，从多个图像中选择并打算由单个选定的RWG组创建的第二特定图像可在更宽的角度范围内供人观看。

为便于说明，图4A和图4B分别描述了第一成员RWG 435a和第二成员RWG 435b的横截面视图，其中第一成员RWG 435a用周期性衍射光栅实现，而第二成员RWG 435b用非周期性衍射光栅实现。第一成员RWG 435a由第一入耦合衍射光栅420a和第一出耦合衍射光栅430a组成。第一入耦合衍射光栅420a是周期性衍射光栅，包括均匀分布的纳米结构元件的第一和第二排列421a,422a。第一出耦合衍射光栅430a也是周期性衍射光栅，包括均匀分布的纳米结构元件的第三和第四排列431a,432a。请注意，如果第一入耦合衍射光栅420a,430a和第一出耦合衍射光栅420a,430a是单面的而非双面的，则不存在均匀分布的纳米结构元件的第二和第四排列422a,432a。第二成员RWG 435b由第二入耦合衍射光栅420b和第二出耦合衍射光栅430b构成。相反，第二入耦合衍射光栅420b是一种非周期性衍射光栅，包括具有非均匀光栅周期的纳米结构元件的第五和第六排列421b,422b。同样，第二出耦合衍射光栅430b是非周期性衍射光栅，包括具有非均匀光栅周期的纳米结构元件的第七和第八排列431b,432b。还要注意的是，如果第二入耦合和第二出耦合衍射光栅420b,430b是单面而不是双面，则不存在纳米结构元件的第六和第八排列422b,432b。

虽然纳米结构元件的第五至第八排列421b,422b,431b,432b是纳米结构元件的非周期排列，但这些纳米结构元件排列421b,422b,431b,432b接近周期排列。优选地，在形成第五至第八排列421b,422b,431b,432b时，纳米结构元素的单个非周期排列的相位轮廓由周期相位轮廓与弱扰动的非周期性相位轮廓叠加给出。具体来说，非周期相位轮廓是“弱扰动”的，即在相位轮廓中，与线性相位周期项相比，非线性非周期项的相位变化/扰动很小。

对于第二成员RWG 435b而言，纳米结构元件的第五和第六排列421b,422b属于第二入耦合衍射光栅420b，它们共享一组光栅周期。同样，纳米结构元件的第七和第八排列431b,432b属于第二出耦合衍射光栅430b，它们共享另一组光栅周期。非周期性衍射光栅的光栅周期分布函数需要被确定。首先，请注意周期衍射光栅的相位轮廓由以下公式给出

其中，表示周期性衍射光栅的相位轮廓，/>表示衍射光栅上纳米结构元素的相位，P为光栅周期，x为纳米结构元素与衍射光栅边界的距离。参照图1，x是沿着方向105测量的。然后，由/>与/>叠加给出非周期性衍射光栅的相位轮廓/>即弱扰动非周期性相位轮廓。由此可知

请注意，由于非周期相位轮廓是弱扰动的，因此与/>相比是很小的。在某些实施例中，/>由以下公式给出

其中：f是公式(3)中由定义的透镜抛物面相位轮廓的焦距；λ是入射光的波长。除了抛物线函数，四次函数也是设计/>的另一种选择。在某些实施例中，弱扰动的周期相位轮廓是模数为2π的抛物线或四次函数。

图5A和图5B分别提供了在波长为550nm的出射光束的测试条件下，通过模拟获得的第一成员RWG 435a(使用周期性衍射光栅)和第二成员RWG 435b(使用非周期性衍射光栅)产生的出射光束的反射率值与观察角度的关系图。如图5A所示，在使用周期性衍射光栅的情况下，半最大反射率点与最大反射率点的夹角为2.5°。如果使用非周期性衍射光栅而不是周期性衍射光栅，则半最大反射点会扩大到4.0°，如图5B所示。相比之下，在使用周期性衍射光栅的情况下，由于最大反射点的数值较低，经调整后发现相应的半最大反射点为3.5°。上述结果表明，使用非周期性衍射光栅比使用周期性衍射光栅能为用户提供更宽的视角。

除了使用非周期性衍射光栅而不是周期性衍射光栅外，还可以通过使用弯曲的纳米结构元件而不是线性元件来进一步拓宽出射光束181的波束宽度。图6展示了第一RWG635a和第二RWG 635b。第一RWG 635a采用线性(即直线)纳米结构元件621a,631a，分别用于入耦合和出耦合衍射光栅620a,630a。第一RWG 635a的方向为680a。第二RWG 635b采用弯曲(例如半圆形)纳米结构元件621b,631b，分别用于入耦合和出耦合衍射光栅620b,630b。第二RWG 635b的方向为680b。美国专利第11,358,407号表明，第二RWG 635b可为用户提供比第一RWG 635a更宽的视角。

在某些情况下，可能需要为多个图像中的一个或多个选定图像提供更高的数据隐藏能力，以避免一个或多个选定图像引起对手的注意。如上所述，一种方法是通过在成员RWG中使用周期性衍射光栅实现出射光束181，使其保持非常窄的光束宽度。除此以外，还可以通过有意将一个或多个选定图像设置为不可见来提高数据隐藏能力。发明人注意到，红外光可用于存储只有特殊设备读取器/传感器(如InGaAs)才能在红外环境下读取的图案或图像，因此可以产生人眼无法看到的真正隐蔽特征。事实上，它为潜在的侵权者尝试欺骗这种光学防伪系统时造成了额外的障碍。此外，RWG 100的谐振发生在红外区域非常窄的带宽上。因此，侵权者很难知道使用正确的波长来生成红外隐蔽图像。

在某些实施例中，一个或多个所选图像通过以下安排使人类用户无法看到。一个或多个选定图像由多个RWG组中的一个或多个选定RWG组生成。与单个选定RWG组相关的相应出射光束，被配置或设计为具有人类可见光谱之外的光谱内容。例如，相应的出射光束可以产生在接近红光的近红外波段或接近紫光的紫外波段。因此，这将导致从多个图像中选出并打算由单个选定的RWG组创建的第三特定图像对人类不可见。因此，第三图像可以携带隐藏信息。

图7展示了编码介质200的实际实现方式，作为示例进行说明。编码介质200以安全标签700的形式实现，该安全标签700附着在特定物品上。防伪标签700可用于确定物品是真品。特别是，防伪标签700中的多个图像包括第一图像710和第二图像720。第一图像710可以是用于识别物品品牌的徽标或商标。第二图像720可以是QR码，其中包含用于物品认证的数字数据。

本公开的第二个方面是提供一种基于使用编码介质200的任意实施例的光数字编码解码系统。

图8描述了示例性光学数字编码-解码系统800的示意模型。系统800包括编码介质810和解码设备820。

编码介质810用于以角度多路复用方式显示多个图像815。具体而言，编码介质810实现为上述公开的编码介质200的任意一个实施例。此外，还打算在多个图像815中的一个或多个图像中编码数字数据。

解码设备820用于对显示的多个图像815进行解码。解码设备820包括相机830和计算处理器840。相机830用于光学地获取从编码介质810发送的多个图像815。计算处理器840被配置为执行用于控制相机830以获取多个图像815和处理所获取的多个图像815的计算过程。

注意，当编码介质810被具有覆盖多个图像815的光谱内容的光谱成分的光照射时，编码介质810显示多个图像815。在某些实施例中，解码设备820还包括用于可控地照亮编码介质810的光源850。光源850可由计算处理器840控制。通常，光源850是低相干光源，配置为产生用于照亮编码介质810的低相干光或闪光灯。

在某些实施例中，解码设备820是智能手机。

图9描述了显示根据本公开的某些实施例的计算过程的示例性步骤的流程图。计算过程在以下条件下开发。多个图像815包括第一和第二图像。第一图像用第一像素化信息体进行编码。第二图像以第二像素化信息体进行编码。第二像素化信息体包括加密信息和编码密钥。解码设备820存储有：用于验证第一像素化信息体的第一组信息数据、用于解密加密信息的解密密钥、用于验证解密后的加密信息的第二组信息数据、以及用于协助解码多个图像815中除第一和第二图像之外的剩余图像的解码密钥。

由计算处理器840执行的计算过程包括步骤910、920、930、940、950、960、970、980和990。在步骤910中，控制相机830获取第二图像。在步骤920中，从所获取的第二图像中提取加密信息和编码密钥。在步骤930中，用解密密钥对加密信息进行解密，得到解密信息。然后在步骤940中控制相机830获取第一图像。在步骤950中，验证第一组像素化信息体是否与第一组信息数据相匹配。在步骤960中，验证解密信息是否与第二组信息数据匹配。步骤970检查第一像素化信息体是否与第一组信息数据匹配，解密信息是否与第二组信息数据匹配。如果发现两个匹配都得到确认，则进一步执行步骤970，将解码密钥、第一像素化信息体和编码密钥结合起来，形成用于解码其余图像的完整解码密钥。在步骤980中，控制相机830以获取剩余图像。然后，步骤990使用完整解密密钥对剩余图像进行解码。

图10提供了使用所公开的系统800实现强身份验证的示例，其中编码介质810是图7所示的安全标签700。该示例中采取了四个步骤。

第一步，解码设备820(智能手机)扫描防伪标签700的第二图像720上的验证QR码。通过使用存储在智能手机820中的公钥检查扫描获得的QR码的真实性。具体来说，在第二步中，使用存储的公钥对获取的QR码内的数字签名进行验证和解密。第三步，在执行解密过程后，扫描防伪标签700以恢复部分加密密钥。第四步，将恢复的部分加密密钥与第二步中获得的解密信息和智能手机820中存储的信息相结合，形成完整的解密密钥。然后使用完整解密密钥解密机密数据。

本发明可以在不脱离其精神或基本特征的前提下以其他具体形式体现。因此，本发明的实施方案在所有方面均应视为示例性的，而非限制性的。本发明的范围由所附的权利要求书而不是前述的描述来指示，因此，在权利要求书的含义和等效范围内的所有变化均应包含在权利要求书中。

Claims (17)

1.一种用于以角度多路复用方式显示多个图像的编码介质，该编码介质包括:

被像素化为一组像素的显示区域，每个图像与像素子集相关联以用于在显示区域上进行图像显示；以及

多个谐振波导光栅组，分别用于在所述显示区域上创建所述多个图像；单个谐振波导光栅组与相对于所述显示区域的出射光束传播方向相关联，并由多个成员谐振波导光栅组成，每个成员谐振波导光栅被配置为产生沿所述出射光束传播方向传播的出射光束；所述成员谐振波导光栅分布在与从所述多个图像中选择的第一特定图像相关联的所述像素子集中，并意在由所述单个谐振波导光栅组创建，从而使得所述第一特定图像相关联的所述像素子集中的每个像素，都被分配以所述成员谐振波导光栅中的至少一个，其中对应的谐振波导光栅组进一步被配置为提供不同的相应出射光束传播方向，以便在图像显示中对所述多个图像进行角度复用。

2.根据权利要求1所述的编码介质，其中所述一组像素中的单个像素被划分为多个子像素，该多个子像素分别分配给所述多个谐振波导光栅组，用于在所述单个像素中进行成员谐振波导光栅分配。

3.根据权利要求2所述的编码介质，其中所述一组像素中的所述单个像素被二维分割成所述多个子像素，使得该多个子像素中的各个子像素分布在所述单个像素上。

4.根据权利要求2所述的编码介质，其中所述一组像素中的单个像素被三维分割成所述多个子像素，使得该多个子像素中的各个子像素分布在沿所述显示区域的法线方向形成的多个平面层上。

5.根据权利要求2所述的编码介质，其中用于将位于某一像素的所述多个子像素分别分配给多个RWG组的分配方案在所述一组像素上有所不同，以增加对手在逆向工程所述编码介质时产生的成本。

6.根据权利要求1所述的编码介质，其中

所述多个RWG组包括一个或多个选定RWG组；

单个选定RWG组中的单个成员RWG包括入耦合衍射光栅、出耦合衍射光栅以及与入耦合衍射光栅和出耦合衍射光栅相连的波导；以及

所述入耦合衍射光栅和所述出耦合衍射光栅中的每一个都是非周期衍射光栅，而不是周期衍射光栅，从而使由所述单个所选RWG组中的所述单个成员RWG生成的所述出射光束的束宽变宽，从而使从所述多个图像中选出并打算由所述单个所选RWG组创建的第二特定图像可在更宽的角度范围内观看。

7.根据权利要求6所述的编码介质，其中所述非周期性衍射光栅由一个或两个非周期性排列的纳米结构元件形成，单个非周期性排列的纳米结构元件具有由周期性相位轮廓与弱扰动非周期性相位轮廓叠加给出的相位轮廓。

8.根据权利要求7所述的编码介质，其中所述弱扰动非周期性相位轮廓是抛物线或四次函数，模数为2π。

9.根据权利要求6所述的编码介质，其中所述非周期性衍射光栅由一个或两个非周期排列的纳米结构元件形成，其中每个纳米结构元件都是弯曲的而不是线性的，从而导致由所述单个选定RWG组中的所述单个成员RWG产生的所述出射光束的束宽进一步加宽。

10.根据权利要求6所述的编码介质，其中所述非周期衍射光栅由两个非周期排列的纳米结构元件形成，所述两个非周期排列的纳米结构元件分别位于所述波导的两个相对侧。

11.根据权利要求6所述的编码介质，其中所述非周期衍射光栅由一个或两个非周期排列的纳米结构元件形成，每个纳米结构元件具有选自矩形、三角形、正弦形和斜矩形的截面形状。

12.根据权利要求1所述的编码介质，其中

所述多个RWG组中的每个成员RWG包括入耦合衍射光栅、出耦合衍射光栅、以及与入耦合和出耦合衍射光栅相连的波导；以及

所述入耦合衍射光栅和所述出耦合衍射光栅是光栅周期互不相同的周期衍射光栅。

13.根据权利要求1所述的编码介质，其中：

多个RWG组包括一个或多个选定的RWG组；以及

与单个选定RWG组相关联的相应出射光束具有人类可见光谱之外的光谱内容，导致从所述多个图像中选定并打算由所述单个选定RWG组创建的第三特定图像对人类不可见，从而允许该第三特定图像携带隐藏信息。

14.根据权利要求1所述的编码介质，其中：

所述编码介质是附在物品上的防伪标签；以及

所述多个图像包括：

用于所述物品品牌识别的徽标或商标的第一图像；以及

QR代码的第二图像，该QR代码包含用于所述物品验证的数字数据。

15.一种光学数字编码解码系统，包括：

如权利要求1所述的编码介质，用于以角度多路复用方式显示多个图像；以及

解码装置，包括：

相机，用于从所述编码介质光学获取所述多个图像；以及

计算处理器，被配置用于执行计算过程，以控制所述相机获取所述多个图像并处理所获得的所述多个图像。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述解码设备进一步包括用于可控地照亮所述编码介质的光源。

17.根据权利要求15所述的系统，其中：

所述多个图像包括第一图像和第二图像，第一图像用第一像素化信息体编码，第二图像用第二像素化信息体编码，该第二像素化信息体包括加密信息和编码密钥；

所述解码设备存储有用于验证所述第一像素化信息体的第一组信息数据、用于解密所述加密信息的解密密钥、用于验证解密后的加密信息的第二组信息数据，以及用于协助解码除第一图像和第二图像之外的所述多个图像中的其余图像的解码密钥；以及

所述计算过程包括：

控制所述相机获取所述第二图像；

从获取到的所述第二图像中提取所述加密信息和所述编码密钥；

使用所示解密密钥对所述加密信息进行解密，生成解密信息；

控制所述相机获得所述第一图像；

验证所述第一组像素化信息体是否与所述第一组信息数据相匹配；

验证所述解密信息是否与所述第二组信息数据匹配；

响应于发现所述第一像素化信息体与所述第一组信息数据相匹配，且所述解密信息与所述第二组信息数据相匹配时，将所述解码密钥、所述第一像素化信息体和所述编码密钥组合在一起，形成用于解码所述其余图像的完整解密密钥；

控制所述摄像机获取所述其余图像；以及

使用所述完整解密密钥解码所述其余图像。