CN111009181B - 基于超表面实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用的设计方法 - Google Patents

基于超表面实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超表面实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用的设计方法，在单波长线偏振光入射的情况下，通过旋转超表面可以在生成一幅随机防伪图案。在双波长线偏振光入射的情况下，通过旋转检偏器可以生成一幅双色防伪图案，最终实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用。该设计方法巧妙，防伪图案的随机性选择和双波长实现双色防伪图案提高了伪造难度，使之难以复制和仿制，大大提高了防伪安全性。超表面结构简单紧凑，体积小、重量轻，便于集成到高端芯片、手表、钻戒等体积较小的贵重商品，基于本发明设计方法的防伪标签不易被发觉、获取和仿造。

Description

基于超表面实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用的设 计方法
技术领域
本发明涉及微纳光学技术领域，具体是指一种基于超表面实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用的设计方法。
背景技术
现代科学技术的迅速发展和各种假冒伪劣活动的日益猖獗，促进了各种防伪技术的发展，其中，光学防伪是防伪技术中的一个重要分支，广泛应用在社会生活的方方面面，尤其是在货币、有价证券、证照、***、医药、食品、化妆品、服装、农资产品、汽车农机配件、音像制品、软件电脑芯片等出现造假、侵权较多的领域，广泛采用光学防伪技术防止被假冒侵权。但是目前光学防伪标签面积较大，容易发现和获取，进而可以被复制和仿制，使得防伪安全性大大降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于超表面实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用的设计方法，通过该方法设计得到的超表面可以实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用，防伪图案的随机性选择和双波长实现双色防伪图案提高了伪造难度，使之难以复制和仿制，大大提高了防伪安全性。
为实现上述目的，本发明提供的基于超表面实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)优化设计可以在两个不同的工作波长下都可以实现起偏器的功能的纳米砖单元结构的尺寸参数，使得电场方向沿纳米砖长轴的线偏振光正入射至所述纳米砖单元结构时在波长λ1处透过率最低，同时在λ2处透过率较高；而电场方向沿纳米砖短轴的线偏振光正入射至所述纳米砖单元结构时在波长λ2处的透过率最低，同时在λ1处透过率较高，即优化后的纳米砖单元结构的尺寸参数；所述纳米砖单元结构由基底和刻蚀在所述基底上的纳米砖构成；所述纳米砖单元结构的尺寸参数包括纳米砖的高度H、长度L、宽度W和单元结构中心间隔C。
2)选取一幅由M×N个像素组成具有256(0～255)级灰度等级的灰度图像image1，图像中所有像素的灰度值构成一个灰度矩阵。设Iin＝255，灰度矩阵中的每一个灰度值作为Iout0，结合公式Iout0＝(sin2Φ0)2Iin可求四个纳米砖方向角
Figure BDA0002324225840000021
Figure BDA0002324225840000022
和
Figure BDA0002324225840000023
均可得到第m行第n列的像素的灰度值。
3)再选取一幅由M×N个像素组成的灰度值只有0和255的黑白二值图像image2，image2和image1像素位置一一对应。灰度值为0的像素对应比较小的灰度值Ilow，该像素对应的纳米砖方向角选择
Figure BDA0002324225840000024
和
Figure BDA0002324225840000025
中的任意一个；灰度值为255的像素对应比较大的灰度值Ihigh(Ihigh>Ilow)，该像素对应的纳米砖方向角选择
Figure BDA0002324225840000026
和
Figure BDA0002324225840000027
中的任意一个。依次求出所有纳米砖单元结构的方向角，构成方向角矩阵Φ。
4)将M×N个尺寸一致、方向角按照方向角排布矩阵Φ排列的纳米砖单元结构在长、宽方向上等间隔排列，构成可实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用的超表面。
5)单波长入射至超表面生成单色随机防伪图案：当入射光为电场方向沿x轴的波长为λ2的线偏振光，在所述步骤4)中构成的超表面后面放置一个透光轴方向沿y轴的检偏器时，透射光形成一幅灰度图像image1；当超表面顺时针旋转22.5°后，透射光形成一幅随机防伪图案image3；
6)双波长入射至超表面生成双色防伪图案：当电场方向沿x轴的波长为λ1和λ2的线偏振光同时正入射至所述步骤4)中构成的超表面，然后将超表面后面的检偏器透光轴方向旋转90°至沿x轴方向时，透射光形成一幅双色防伪图案image4。
作为优选方案，所述基底材料选用二氧化硅，纳米砖材料选用银。其中，所述衬底为二氧化硅衬底，所述纳米砖单元结构为银纳米砖，但不限于此。所述超表面的工作模式为透射式，但不限于此。
进一步地，所述步骤1)中，工作波长选用λ1＝625nm(红色)和λ2＝500nm(绿色)；纳米砖的长度L为140nm，宽度W为85nm，高度H为70nm，单元结构中心间隔C为340nm。
本发明的优点及有益效果如下：
(1)本发明设计方法巧妙简单，可实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用，防伪图案的随机性选择和双波长实现双色防伪图案提高了伪造难度，使之难以复制和仿制，大大提高了防伪安全性。
(2)超表面结构简单紧凑，体积小、重量轻，便于集成到高端芯片、手表、钻戒等体积较小的贵重商品，基于本发明设计方法的光学防伪标签不易被发觉、获取和仿造。
附图说明
图1是本发明中纳米砖单元结构的示意图；
图2是本发明中实现单色随机防伪图案的原理示意图；
图3是本发明中纳米砖单元结构旋转前后的出射光光强变化曲线图；
图4是本发明中可实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用的超表面结构示意图；
图5是本发明实施例中设计的纳米砖单元结构的透射率和反射率；
图6是本发明实施例中实现单色灰度图的光路示意图及效果图；
图7是本发明实施例中实现单色随机防伪图案的光路示意图及效果图；
图8是本发明实施例中设计的超表面的方向角分布示意图；
图9是本发明实施例中实现双色防伪图案的光路示意图及效果图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细阐述。
1、优化设计可以在两个不同的工作波长下都可以实现起偏器的功能的纳米砖单元结构。
下面以纳米砖单元结构为长方体为例进行说明。所述纳米砖单元结构的长、宽、高均为亚波长。
如图1所示，建立xyz直角坐标系，纳米砖单元结构的长边方向代表长轴，短边方向代表短轴，Φ为纳米砖单元结构的长轴与x轴之间的夹角，即纳米砖单元结构的方向角(Φ的取值范围为0°～180°)，如图1所示。
通过电磁仿真软件优化纳米砖单元结构的尺寸参数，包括纳米砖单元结构1的高度H、长度L、宽度W和单元结构中心间隔C，如图1所示，使得电场方向沿纳米砖长轴的线偏振光正入射至所述纳米砖单元结构时在波长λ1处透过率最低，同时在λ2处透过率较高；而电场方向沿纳米砖短轴的线偏振光正入射至所述纳米砖单元结构时在波长λ2处的透过率最低，同时在λ1处透过率较高，即优化设计后的纳米砖单元结构可以在两个不同的工作波长下都可以实现起偏器的功能。
2、单波长调制光强原理。
如图2所示，则当入射光为电场方向沿x轴的单波长线偏振光，检偏器透光轴方向沿y轴时，由马吕斯定律可知，经过纳米砖单元结构和检偏器后的归一化出射光强度Iout0可表示为：
Iout0＝(sin2Φ0)2Iin。 (1)
其中，Φ0为纳米砖单元结构的长轴与x轴之间的夹角，即方向角；Iin表示入射光的光强。当纳米砖单元结构顺时针旋转22.5°，此时纳米砖单元结构的长轴与x轴之间的夹角Φ1＝Φ0-22.5°，此时经过纳米砖单元结构和检偏器后的归一化出射光强度Iout1可表示为：
Iout1＝(sin2Φ1)2Iin＝(sin(2Φ0-45°))2Iin。 (2)
由式(1)和(2)可知，通过改变纳米砖的方向角可以实现连续的光强调节，纳米砖单元结构旋转前后的出射光光强变化如图3所示。
3、双波长调制双色原理。
分别用Ts1和Tl2表示波长为λ1沿短轴和波长为λ2电场沿长轴方向的线偏振光的透射率。当电场方向沿x轴的波长为λ1和λ2的线偏振光(能量比为1:1)同时正入射至方向角为Φ0的纳米砖单元结构，纳米砖单元结构后面放置的检偏器透光轴方向旋转90°至沿x轴方向时，假设入射光两个波长由马吕斯定律可知，透射光的光强可表示为：
Iout＝(cosΦ0)4TlG+(sinΦ0)4TsR。 (3)
由式(3)可知，通过改变纳米砖单元结构的方向角可以改变透射光λ1和λ2的能量比例，从而改变透射光的颜色。由于入射光仅由两个波长的光组成，因此透射光形成的图像称之为双色图像。
4、纳米砖单元结构方向角排布的设计方法。
(1)选取一幅由M×N个像素组成具有256(0～255)级灰度等级的灰度图像image1，该图像只有灰度等级，而没有颜色的变化。图像中所有像素的灰度值构成一个灰度矩阵。设Iin＝255，灰度矩阵中的每一个灰度值作为Iout0，结合图3，根据公式(1)可求四个纳米砖方向角
Figure BDA0002324225840000051
和
Figure BDA0002324225840000052
均可得到第m行第n列的像素的灰度值。当纳米砖单元结构顺时针旋转22.5°后，这四个方向角对应有两个不同的旋转后的灰度值Iout1。其中，方向角
Figure BDA0002324225840000053
和
Figure BDA0002324225840000054
对应一个比较大的灰度值Ihigh，
Figure BDA0002324225840000055
和
Figure BDA0002324225840000056
对应一个比较小的灰度值Ilow(Ihigh>Ilow)。
(2)再选取一幅由M×N个像素组成的灰度值只有0和255的黑白二值图像image2，image2和image1像素位置一一对应。灰度值为0的像素对应比较小的灰度值Ilow，该像素对应的纳米砖方向角选择
Figure BDA0002324225840000057
和
Figure BDA0002324225840000058
中的任意一个；灰度值为255的像素对应比较大的灰度值Ihigh，该像素对应的纳米砖方向角选择
Figure BDA0002324225840000059
和
Figure BDA0002324225840000061
中的任意一个。依次求出所有纳米砖单元结构的方向角，构成方向角矩阵Φ。
(3)超表面由M×N个尺寸一致，仅方向角不同的纳米砖单元结构在长、宽方向上等间隔排列构成，各纳米砖单元结构的方向角按照方向角矩阵Φ进行排布，超表面的结构示意图如图4所示。
(4)单波长入射至超表面生成单色随机防伪图案。
当入射光为电场方向沿x轴的波长为λ2的线偏振光，超表面后面放置一个透光轴方向沿y轴的检偏器时，透射光形成一幅灰度图像image1。当超表面顺时针旋转22.5°后，透射光形成一幅随机防伪图案image3。
(5)双波长入射至超表面生成双色防伪图案。
当电场方向沿x轴的波长为λ1和λ2的线偏振光同时正入射至超表面，然后将超表面后面的检偏器透光轴方向旋转90°至沿x轴方向时，透射光形成一幅双色防伪图案image4。
其中，所述衬底为二氧化硅衬底，所述纳米砖单元结构为银纳米砖，但不限于此。所述超表面的工作模式为透射式，但不限于此。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本实施例提供的基于超表面实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用的设计方法，其预期实现的功能是当入射光为电场方向沿x轴的波长为λ2＝500nm(绿色)线偏振光，超表面后面放置一个透光轴方向沿y轴的检偏器时，透射光形成一幅灰度图像image1。当超表面顺时针旋转22.5°后，透射光形成一幅随机防伪图案image3。当电场方向沿x轴的波长为λ1＝625nm(红色)和λ2＝500nm(绿色)的线偏振光同时正入射至超表面，然后将超表面后面的检偏器透光轴方向旋转90°至沿x轴方向时，透射光形成一幅双色防伪图案image4。
本实施例中，纳米单元结构由二氧化硅基底，以及刻蚀在基底上的银纳米砖构成，如图1所示。选取的两个设计波长为λ1＝625nm(红色)和λ2＝500nm(绿色)，通过电磁仿真软件CST对纳米砖单元结构进行优化仿真，得到优化后的银纳米砖的尺寸参数为：长为L＝140nm，宽为W＝85nm，高为H＝70nm，单元结构中心间隔为C＝340nm。该结构参数下纳米砖单元结构的透射率和反射率如图5所示，其中，Rll、Tll、Rss和Tss分别表示沿长轴和短轴方向振动的线偏振光的反射率和透射率。由图5可知，电场方向沿纳米砖长轴的线偏振光正入射至所述纳米砖单元结构时在波长为625nm(红色)处透过率低于1％，同时在波长为500nm(绿色)处透过率为83％；而电场方向沿纳米砖短轴的线偏振光正入射至所述纳米砖单元结构时在波长为500nm(绿色)处的透过率低于3％，同时在波长为625nm(红色)处透过率高达97％，即优化设计后的纳米砖单元结构可以在两个不同的工作波长下都可以实现起偏器的功能。
具体设计步骤如下：
(1)选取一幅由500×500个像素组成具有256(0～255)级灰度等级的灰度图像image1，如6所示。该图像只有灰度等级，而没有颜色的变化。图像中所有像素的灰度值构成一个灰度矩阵。设Iin＝255，灰度矩阵中的每一个灰度值作为Iout0，结合图3，根据公式(1)可求四个纳米砖方向角
Figure BDA0002324225840000071
和
Figure BDA0002324225840000072
均可得到第m行第n列的像素的灰度值。当纳米砖单元结构顺时针旋转22.5°后，这四个方向角对应有两个不同的旋转后的灰度值Iout1。其中，方向角
Figure BDA0002324225840000073
和
Figure BDA0002324225840000074
对应一个比较大的灰度值Ihigh，
Figure BDA0002324225840000075
和
Figure BDA0002324225840000076
对应一个比较小的灰度值Ilow(Ihigh>Ilow)。
(2)再选取一幅由500×500个像素组成的灰度值只有0和255的黑白二值图像image2，如图7所示，image2和image1像素位置一一对应。灰度值为0的像素对应比较小的灰度值Ilow，该像素对应的纳米砖方向角选择
Figure BDA0002324225840000077
和
Figure BDA0002324225840000078
中的任意一个；灰度值为255的像素对应比较大的灰度值Ihigh，该像素对应的纳米砖方向角选择
Figure BDA0002324225840000079
和
Figure BDA00023242258400000710
中的任意一个。依次求出所有纳米砖单元结构的方向角，构成方向角矩阵Φ，如图8所示。
(3)超表面由500×500个尺寸一致，仅方向角不同的纳米砖单元结构在长、宽方向上等间隔排列构成，各纳米砖单元结构的方向角按照方向角矩阵Φ进行排布，超表面的结构示意图如图4所示。
(4)单波长入射至超表面生成单色随机防伪图案。
当入射光为电场方向沿x轴的波长为500nm(绿色)线偏振光，超表面后面放置一个透光轴方向沿y轴的检偏器时，透射光形成一幅灰度图像image1。当超表面顺时针旋转22.5°后，透射光形成一幅随机防伪图案image3，原理图和效果图如图7所示。
(5)双波长入射至超表面生成双色防伪图案。
当电场方向沿x轴的波长为500nm(绿色)和625nm(红色)的线偏振光同时正入射至超表面，然后将超表面后面的检偏器透光轴方向旋转90°至沿x轴方向时，透射光形成一幅双色防伪图案image4，原理图和效果图如图9所示。
本发明实施例中的基于超表面实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用的设计方法至少包括如下技术效果：
在单波长线偏振光入射的情况下，通过旋转超表面可以在原本的灰度防伪图案中添加随机防伪图案。在双波长线偏振光入射的情况下，通过旋转检偏器可以实现双色防伪图案，最终实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用。基于超表面实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用的设计方法巧妙，防伪图案的随机性选择和双波长实现双色防伪图案提高了伪造难度，使之难以复制和仿制，大大提高了防伪安全性。超表面结构简单紧凑，体积小、重量轻，便于集成到高端芯片、手表、钻戒等体积较小的贵重商品，基于本发明设计方法的光学防伪标签不易被发觉、获取和仿造。

Claims (3)

1.一种基于超表面实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)优化设计可以在两个不同的工作波长下都可以实现起偏器的功能的纳米砖单元结构，纳米砖单元结构的尺寸参数包括：纳米砖的高度H、长度L、宽度W和单元结构中心间隔C，优化上述尺寸，使得电场方向沿纳米砖长轴的线偏振光正入射至所述纳米砖单元结构时在波长λ1处透过率最低，同时在λ2处透过率较高；而电场方向沿纳米砖短轴的线偏振光正入射至所述纳米砖单元结构时在波长λ2处的透过率最低，同时在λ1处透过率较高，此时即为优化好的纳米砖单元结构的尺寸参数；所述纳米砖单元结构由基底和刻蚀在所述基底上的纳米砖构成；
2)选取一幅由M×N个像素组成具有256级灰度等级的灰度图像image1，图像中所有像素的灰度值构成一个灰度矩阵；设Iin＝255，灰度矩阵中的每一个灰度值作为Iout0，由公式Iout0＝(sin2Φ0)2Iin可知，每一个像素对应有四个不同的纳米砖方向角
Figure FDA0002776200180000011
和
Figure FDA0002776200180000012
均可得到相同的灰度值，其中，下角标m和n表示的是图像的第m行第n列的像素；
3)再选取一幅由M×N个像素组成的灰度值只有0和255的黑白二值图像image2，image2和image1像素位置一一对应；灰度值为0的像素对应比较小的灰度值Ilow，该像素对应的纳米砖方向角选择
Figure FDA0002776200180000013
和
Figure FDA0002776200180000014
中的任意一个；灰度值为255的像素对应比较大的灰度值Ihigh，其中Ihigh>Ilow，该像素对应的纳米砖方向角选择
Figure FDA0002776200180000015
和
Figure FDA0002776200180000016
中的任意一个；依次求出所有纳米砖单元结构的方向角，构成方向角矩阵Φ；
4)将M×N个尺寸一致、方向角按照方向角排布矩阵Φ排列的纳米砖单元结构在长、宽方向上等间隔排列，构成可实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用的超表面；
5)单波长入射至超表面生成单色随机防伪图案：当入射光为电场方向沿x轴的波长为λ2的线偏振光，在所述步骤4)中构成的超表面后面放置一个透光轴方向沿y轴的检偏器时，透射光形成一幅灰度图像image1；当超表面顺时针旋转22.5°后，透射光形成一幅随机防伪图案image3；
6)双波长入射至超表面生成双色防伪图案：当电场方向沿x轴的波长为λ1和λ2的线偏振光同时正入射至所述步骤4)中构成的超表面，然后将超表面后面的检偏器透光轴方向旋转90°至沿x轴方向时，透射光形成一幅双色防伪图案image4。
2.根据权利要求1所述的基于超表面实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用的设计方法，其特征在于：所述基底材料选用二氧化硅，纳米砖材料选用银。
3.根据权利要求1或2所述的基于超表面实现单色随机防伪图案与双色防伪图案复用的设计方法，其特征在于，所述步骤1)中，工作波长选用λ1＝625nm和λ2＝500nm；所述纳米砖的长度L为140nm，宽度W为85nm，高度H为70nm，单元结构中心间隔C为340nm。
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