CN101100156A - 一种用于卡证的防伪结构及其识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于卡证的防伪结构，在待防伪的卡证本体上，设置有由光栅结构构成的标识图案，其特征在于：所述标识图案至少包括两种图形区域，该两种图形区域中的光栅结构的取向正交排列，构成双视觉通道；所述光栅结构的光栅周期为300～500纳米，槽形深度为50～150纳米，在光栅结构上填充有透明高折射率介质层，所述介质层的厚度为20～30纳米，介质的折射率大于1.6。本发明的图案视觉特征显著，在公共场所易于识别，可方便快速鉴别证件真伪；同时，采用严格耦合波理论进行计算结构数据，应用电子束或激光干涉光刻技术来制作上述微结构，手段先进，工艺难度高，具有极高的安全性。

Description

一种用于卡证的防伪结构及其识别方法

技术领域

本发明涉及卡证防伪技术和公众安全领域，具体涉及一种利用光栅图像实现的用于卡证的防伪结构，具有颜色转换视觉效果，可适用于公众视读识别防伪，特别适用于国家法定证件或者证卡防伪安全。

背景技术

目前，涉及公共安全的有效证件的假冒伪造现象日益明显，如有价证券、认证标识、法律证件及各种行业内证书等缺乏有效的、高技术的防伪与视读识别手段。

众多企业和相关部门正采用一些防伪技术，如二维条码、激光全息标识、防伪油墨印刷等，但是，随着这些技术的普及与广泛应用，制作方法公开化，出现了仿制相对容易，上述技术的防伪功能明显下降的问题。此外，由于射频集成电路芯片技术的发展，部分卡证采用了智能射频芯片技术，有效提高了卡证的安全性。但是，采用芯片技术的卡证的真伪需要由专业检测仪器和掌握专业技术的人员进行鉴定，防伪成本较高，检测时间长。尤其对于在流动性场合使用的通用证件，需要工作人员在普通工作环境下，快速辨别证件真伪，仅采用芯片防伪技术，显然不合适。因此，对于机动性强的证件和重要文件，需要采用识别方法简易，技术含量高的视读识别方案。

从视读防伪识别的功能要求看，用于视读图形的技术应具有如下几个重要特点：1、易识别，尤其适合公众视觉识别；2、高技术，具有专有性、工艺难度高、专业性强，增加仿制的技术门槛；3、工业化，视读防伪的基本要求是，相对乘载物的价值，应具有较低的费用，必须是采用工业化的制造方法；4、具有隐形二线功能，有利于管理部门的鉴定和认证。

因而，寻求一种新的符合上述功能要求的视读识别防伪方案，是本领域技术人员普遍关注的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有特殊视觉效果的图案，制作难度高，用于类似机动性应用的证件等公共安全证件的防伪，能够在普通环境下进行快速视读识别的防伪结构。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于卡证的防伪结构，在待防伪的卡证本体上，设置有由光栅结构构成的标识图案，所述标识图案至少包括两种图形区域，该两种图形区域中的光栅结构的取向正交排列，构成双视觉通道；所述光栅结构的光栅周期为300～500纳米，槽形深度为50～150纳米，在光栅结构上填充有透明高折射率介质层，所述介质层的厚度为20～30纳米，介质的折射率大于1.6。

上述技术方案中，所述两种图形区域相互不重叠。

进一步的技术方案，设有第三种图形区域，该图形区域由具有定向散射特性的微结构图形组成，构成所述微结构图形的光栅结构的线宽在0.25～10微米范围内随机变化，结构浮雕深度范围为0.15～0.35微米。

上述技术方案中，采用了具有波长选择特性的微纳光栅周期结构和具有波长复合特性的微结构作为图案的基本单元，用于制作卡证上的个性化视读识别图案。对于正交排列的两种光栅结构，通过控制光栅周期、槽形深度和填充介质的折射率，可在亚微米光栅的镜面反射(0级光)方向上获得选择性窄带宽颜色光。对于具有定向散射特性的微结构图形，图形上的微结构(定向散斑)具有波长复合特性，根据光栅衍射理论，当入射光线方向平行于散斑取向方向时，其视觉特征为透明色；当入射光线方向垂直于散斑取向方向时，其视觉特征为金属银色。改变定向散射散斑的微结构取向，可以观察到的图形随着观察角度的变化而产生变化。由此，在白光入射光下，在其图案镜面反射方向观察时，不同微结构图形呈现出橙黄色或蓝绿色、金属银色视觉效果，极易识别；同时，不同微结构的制作技术先进，工艺难度高，安全性高。

上述技术方案中的微结构，可以采用电子束或激光束光刻技术制作，所述高折射率介质采用真空镀膜技术制作。

上述技术方案中，所述具有波长选择特性的微纳周期光栅结构，是指具有亚微米结构的光栅填充高折射率介质后的产物，具有薄膜晶体特性，这种微纳周期光栅结构对白光入射时，仅对满足布拉格衍射角条件(镜面反射)的、白光(从紫色到红色)中某一窄带光波段形成选择反射衍射。所述微纳周期光栅结构包括基层、光栅结构和介质填充层，如附图1所示。衍射(反射)光波的波长与光栅结构的条纹间距T(见附图2)、入射光在光栅峰值面上的投影与栅线面的夹角θ(见附图2)、填充介质的厚度d₁(见附图1)、填充介质折射率n₁、光栅结构槽深d₂(见附图1)等参数有关。

图中1a是类似PET基材(折射率n2)上压印的具有矩形槽型的光栅结构，图中1b是具有高光学折射率的介质层，根据严格耦合波理论(Rigorous CoupleWave，RCW)，由于TM偏振和TE偏振推导过程相似，只给出TE偏振下的情况，即电场矢量垂直于入射面而平行于光栅刻槽方向的偏振下的0级(镜面反射)反射衍射效率。

设入射波为E_r＝exp{-jk₀n₀[sinθx+cosθ(z+d₁)]}    (1)

其中 $k_0=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0},$ 而0区(16)、1区(17)和2区(18)总的电场分布为：

$E_0=E_r+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{R}_i\exp \{-j[k_{\mathrm{xi}}x-k_{0,\mathrm{zi}}(z+d_1)\left]\right\}---\left(2\right)$

$E_1=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{R}_{1i}\exp [-j(k_{\mathrm{xi}}x-k_{1,\mathrm{zi}}z)]+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{T}_{1i}\exp [-j(k_{\mathrm{xi}}x+k_{1,\mathrm{zi}}z)]---\left(3\right)$

$E_2=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{T}_i\exp \{-j[k_{\mathrm{xi}}x+k_{2,\mathrm{zi}}(z-d_2)\left]\right\}---\left(4\right)$

其中k_xi由光栅方程得到： $k_{\mathrm{xi}}=k_0[n_0\sin \mathrm{\θ}-i\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{T}]---\left(5\right)$

k_1，zi，k_2，zi分别是反射衍射波和透射衍射波波矢量的z分量。λ₀为空气(折射率n₀)中的衍射光波长。

$k_{l,\mathrm{zi}}=\left\{\begin{array}{c}{k}_0[n_l^2-{(k_{\mathrm{xi}}/k_0)}^2{]}^{1/2}\\ {-\mathrm{jk}}_0[{(k_{\mathrm{xi}}/k_0)}^2-n_i^2{]}^{1/2}\end{array}\right.,l=\mathrm{0,1,2}---\left(6\right)$

R_i是第i级反射衍射波的复振幅，T_i是第i级透射衍射波(包括倏逝波)的复振幅。R_1i、T_1i分别是在1区内的反射和透射衍射波的振幅。在光栅区(19)，根据常见的耦合波方程，光栅区的电磁场切向分量分布可以写成：

$S_{\mathrm{yi}}\left(z\right)=\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{i,m}\{c_m^{+}\exp (-k_0{q}_{m}z)+c_m^{-}\exp [k_0{q}_m(z-d_2)\left]\right\}---\left(7\right)$

$U_{\mathrm{xi}}\left(z\right)=\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{v}_{i,m}\{-c_m^{+}\exp (-k_0{q}_{m}z)+c_m^{-}\exp [k_0{q}_m(z-d_2)\left]\right\}---\left(8\right)$

构建矩阵V＝WQ，其中Q是由q_m构成的对角矩阵，c_m ⁺，c_m ^-是可以由边界条件确定的未知系数。

在z＝-d₁处，即1区和光栅区的边界处，根据电磁场的切向分量连续，可以得到下列关系：

δ_ir+R_i＝R_1iexp(-jk_1，zid₁)+T_1iexp(jk_1，zid₁)    (9)

jn₀ cosθδ_ir+j(k_0，zi/k₀)R_i＝j(k_1，zi/k₀)R_1iexp(-jk_1，zid₁)-j(k_1，zi/k₀)T_1iexp(jk_1，zid₁)    (10)

写成矩阵形式为：

在z＝0处，即1区和光栅区的边界处，同样可以得到：

$R_{1i,n}+T_{1i,n}=\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{i,m}[c_m^{+}+c_m^{-}\exp (-k_0{q}_m{d}_2)]---\left(12\right)$

$-j(k_{1,\mathrm{zi}}/k_0)R_{1i,n}+j(k_{1,\mathrm{zi}}/k_0)T_{1i,n}=\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{v}_{i,m}[c_m^{+}-c_m^{-}\exp (-k_0{q}_m{d}_2)]---\left(13\right)$

写成矩阵形式为：

$\left[\begin{array}{c}I\\ -j{Y}_1\end{array}\right]\left[R_{\ln }\right]+\left[\begin{array}{c}I\\ {\mathrm{jY}}_1\end{array}\right]\left[T_{\ln }\right]=\left[\begin{array}{cc}W& \mathrm{WX}\\ V& -\mathrm{VX}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{c}^{+}\\ c^{-}\end{array}\right]---\left(14\right)$

在z＝d₂处，即2区和光栅区的边界处：

$\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{i,m}[c_m^{+}\exp (-k_0{q}_m{d}_2)+c_m^{-}]=T_i---\left(15\right)$

$\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{v}_{i,m}[c_m^{+}\exp (-k_0{q}_m{d}_2)-c_m^{-}]=j(k_{2,\mathrm{zi}}/k_0)T_i---\left(16\right)$

写成矩阵形式为：

$\left[\begin{array}{cc}\mathrm{WX}& W\\ \mathrm{VX}& -V\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{c}^{+}\\ c^{-}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}I\\ j{Y}_2\end{array}\right]\left[T\right]---\left(17\right)$

δ_ir是n×n的矩阵，中心元素为1，其余为0。X₁，X₂，X，Y₀，Y₁，Y₂都是对角矩阵，其对角元素分别是exp(-jk_1，zid₁)，exp(jk_1，zid₁)，exp(-q_md)，k_0，zi/k₀，k_1，zi/k₀和k_2，zi/k₀。w_i，m为本征矢量W的元素，构建矩阵V＝WQ，其中Q是由q_m构成的对角矩阵。通过式(11)、(14)、(17)解出R，从而得到反射衍射波的衍射效率：

${\mathrm{DE}}_{\mathrm{ri}}={\left|R_i\right|}^2\mathrm{Re}\left(\frac{k_{0,\mathrm{zi}}}{k_0{n}_0\cos \mathrm{\θ}}\right)---\left(18\right)$

附图3为反射衍射的波长选择性位置与光栅周期的对应关系曲线。在基材PET上形成的光栅槽深d₂范围50nm-150nm，填充的介质层厚度为d₂+20nm，T＝300nm-500nm时，入射在图形上白光的反射衍射光波峰值选择曲线出处于可见光范围内，便于视读识别。由附图3可见，当T＝380nm时，被选择的反射衍射光波长为580nm左右，为橙黄色。与当图形的微纳结构光栅参数决定后，对不同方向入射到图形上的白光，其反射衍射光应满足选择衍射的布拉格条件：2Tcosθ＝λ₀/n₁；式中T为光栅常数。随着入射夹角θ逐渐增大，被选择的光波长向短波方向偏移，表现出蓝绿色。入射光方向垂直与光栅栅线方向的观察示意图如附图4所示，入射光方向平行于光栅栅线方向的观察示意图如附图5所示。

为了增加可视读识别性，还应用可变亮度的金属银色效果，所述具有波长复合特性的微结构是根据二元光学方法设计的具有定向衍射特性的散斑结构。该微结构位相角分布可表示为φ(u，v)，其衍射光场满足：

$F\left\{\exp \right[\mathrm{i\φ}(u,v)\left]\right\}=\mathrm{rect}\left(\frac{x}{2a}\right)\mathrm{rand}(x,y)---\left(19\right)$

再现的光场对入射光进行压缩，衍射后的各色光波叠加成狭缝分布，因此，表现出银白色，再现光路如附图6所示。微结构的定向排列方向可以进行设计，具有不同取向的具有不同的衍射方向，因此，基于该微结构的图像具有变色银效果。所述变色银微结构，线宽：0.25-10um，深度：0.15-0.35um。该微结构的详细光学特性与制作方法已在受理专利200610038417.2中作了详细描述。

具有波长选择特性的微纳光栅结构的反射衍射光呈窄带颜色，而具有波长复合特性的微结构的衍射光呈特殊的金属银色。与激光全息图中的一级衍射彩虹色相比，本发明的颜色特征显著，极易分辨。同时，所述两种微结构是采用电子束光刻或激光光刻技术制作而成，且需要对微结构的槽深等诸多参数进行精确控制，方可达到所述效果，因此，该微结构制成技术先进，难度高，具有极高的安全性。

采用上述防伪结构的卡证的识别方法是：取待识别的卡证，使白光照射在所述标识图案上，在镜面反射方向观察，当入射光线垂直于其中一个图形区域的光栅栅线方向时，该区域图形呈橙黄色，光栅方向与其正交的另一个区域的图形呈蓝绿色；将卡证绕中心法线转动90°观察，前一个图形区域的颜色转为蓝绿色，后一个图形区域的颜色转为橙黄色；符合上述特征，则认定该卡证为真；否则认定该卡证为假。

进一步，对于同时采用正交图案和定向散斑图案的卡证的识别方法可以是，取待识别的卡证，使白光照射在所述标识图案上，在镜面反射方向观察，当入射光线垂直于其中一个图形区域的光栅栅线方向时，该区域图形呈橙黄色，光栅方向与其正交的另一个区域的图形呈蓝绿色；将卡证绕中心法线转动90°观察，前一个图形区域的颜色转为蓝绿色，后一个图形区域的颜色转为橙黄色；绕中心法线方向转动卡证，观察第三图形区域，当入射光线方向平行于散斑取向方向时，第三图形区域为透明色；当入射光线方向垂直于散斑取向方向时，第三图形区域为金属银色；符合上述特征，则认定该卡证为真；否则认定该卡证为假。

在证件的视读识别标识中，通过不同视觉效果图像进行组合，使得在特定视觉方向具有至少一种颜色特征，如黄橙色、蓝紫色、银色或不同颜色的组合，具有显著的识别特征。

由于上述方案的应用，本发明作为一种公共证件视读防伪方案，与现有视读识别方案相比，具有下列优点：

1、本发明的防伪结构由于对微结构的参数的特定选择，获得了具有动态效果的衍射复合的金属银色，与传统彩虹色相比，视觉特征显著，易于识别。

2、采用具有双通道视角的相互正交的两组图形，衍射波长选择再现光波颜色相互转换，对入射光方向有特定要求(镜面反射条件)，从而使得图像的特征颜色应在特定视角下识别，具有防伪特征。

3、具有不同视觉特征的微结构在亚微米量级，采用电子束光刻或激光光刻技术制作而成，需要对微结构的槽深等诸多参数进行精确控制，方可达到所述效果，其制作手段先进，工艺难度高，安全性高。

附图说明

附图1是具有波长选择特性的亚微米结构示意图；

附图2是波长选择特性微结构衍射光路示意图；

附图3是某一填充介质厚度下，微纳结构光栅槽深与选择波长曲线图；

附图4是入射光垂直于光栅栅线是的观察示意图；

附图5是入射光平行于光栅栅线是的观察示意图；

附图6是变色银效果光路示意图；

附图7a-7b是实施例一设计方案图示；

附图8a-8b是实施例二设计方案图示。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：一种用于卡证的防伪结构，在待防伪的卡证本体上，设置有由光栅结构构成的标识图案，所述标识图案至少包括两种图形区域，该两种图形区域中的光栅结构的取向正交排列，构成双视觉通道，两种图形区域相互不重叠；所述光栅结构的光栅周期为300～500纳米，槽形深度为50～150纳米，在光栅结构上填充有透明高折射率介质层，所述介质层的厚度为20～30纳米，介质的折射率大于1.6。其中的微结构，可以采用电子束或激光束光刻技术制作，所述高折射率介质采用真空镀膜技术制作。

参见附图7a，该图像为两种特征微结构组合排布示意图。图中71、72是亚微米光栅结构。当视读方向沿着图示入射光方向时，71部分呈黄橙色，72部分呈蓝紫色。若将视读图像旋转90°，如附图7b所示。则71部分呈现蓝紫色，72部分呈现黄橙色。正视识别时，上述图形呈透明效果。也就是，图形71、图形72在相互正交的双视觉通道上的颜色相互转换；若被告知该图像的视觉特征，在公共场所，即可快速识别证件真伪。

实施例二：一种用于卡证的防伪结构，在待防伪的卡证本体上，设置有由光栅结构构成的标识图案，所述标识图案至少包括两种图形区域，该两种图形区域中的光栅结构的取向正交排列，构成双视觉通道，两种图形区域相互不重叠；所述光栅结构的光栅周期为300～500纳米，槽形深度为50～150纳米，在光栅结构上填充有透明高折射率介质层，所述介质层的厚度为20～30纳米，介质的折射率大于1.6。设有第三种图形区域，该图形区域由具有定向散射特性的微结构图形组成，构成所述微结构图形的光栅结构的线宽在0.25～10微米范围内随机变化，结构浮雕深度范围为0.15～0.35微米。

其中的微结构，可以采用电子束或激光束光刻技术制作，所述高折射率介质采用真空镀膜技术制作。

参见附图8a，该图像为本发明中三种特征微结构组合排布示意图。图中81、82是亚微米光栅结构，83是具有定向散斑分布微结构。当视读方向沿着图示入射光方向时，81部分呈黄橙色，82部分呈蓝紫色，83部分呈透明色。若将视读图像旋转90°，如附图8b所示。则81部分呈现蓝紫色，82部分呈现黄橙色，而83部分呈现金属银色。若被告知该图像的视觉特征，在公共场所，即可快速识别证件真伪。

类似实施例一、实施例二，可根据实际图像设计需要，确定特征微结构的组合。

Claims (5)

1.一种用于卡证的防伪结构，在待防伪的卡证本体上，设置有由光栅结构构成的标识图案，其特征在于：所述标识图案至少包括两种图形区域，该两种图形区域中的光栅结构的取向正交排列，构成双视觉通道；所述光栅结构的光栅周期为300～500纳米，槽形深度为50～150纳米，在光栅结构上填充有透明高折射率介质层，所述介质层的厚度为20～30纳米，介质的折射率大于1.6。

2.根据权利要求1所述的用于卡证的防伪结构，其特征在于：所述两种图形区域相互不重叠。

3.根据权利要求1或2所述的用于卡证的防伪结构，其特征在于：设有第三种图形区域，该图形区域由具有定向散射特性的微结构图形组成，构成所述微结构图形的光栅结构的线宽在0.25～10微米范围内随机变化，结构浮雕深度范围为0.15～0.35微米。

4.权利要求1所述的用于卡证的防伪结构的识别方法，其特征在于：取待识别的卡证，使白光照射在所述标识图案上，在镜面反射方向观察，当入射光线垂直于其中一个图形区域的光栅栅线方向时，该区域图形呈橙黄色，光栅方向与其正交的另一个区域的图形呈蓝绿色；将卡证绕中心法线转动90°观察，前一个图形区域的颜色转为蓝绿色，后一个图形区域的颜色转为橙黄色；符合上述特征，则认定该卡证为真；否则认定该卡证为假。

5.权利要求3所述的用于卡证的防伪结构的识别方法，其特征在于：取待识别的卡证，使白光照射在所述标识图案上，在镜面反射方向观察，当入射光线垂直于其中一个图形区域的光栅栅线方向时，该区域图形呈橙黄色，光栅方向与其正交的另一个区域的图形呈蓝绿色；将卡证绕中心法线转动90°观察，前一个图形区域的颜色转为蓝绿色，后一个图形区域的颜色转为橙黄色；绕中心法线方向转动卡证，观察第三图形区域，当入射光线方向平行于散斑取向方向时，第三图形区域为透明色；当入射光线方向垂直于散斑取向方向时，第三图形区域为金属银色；符合上述特征，则认定该卡证为真；否则认定该卡证为假。

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