基于防伪底纹与图像复用的防伪超表面的设计方法技术

本发明专利技术涉及微纳光学及光学防伪技术领域，公开了一种基于防伪底纹与图像复用的防伪超表面的设计方法，包括如下步骤：构建纳米砖阵列，纳米砖阵列包括多个纳米砖结构单元，优化获得功能等效为微纳起偏器、具有不同光谱响应的至少两组纳米砖结构单元的备选尺寸参数，且各组备选尺寸的纳米砖结构在波长λ

Design method of anti-counterfeiting super surface based on anti-counterfeiting shading and image reuse

【技术实现步骤摘要】
基于防伪底纹与图像复用的防伪超表面的设计方法
本专利技术涉及微纳光学及光学防伪
，尤其涉及一种基于防伪底纹与图像复用的防伪超表面的设计方法。
技术介绍
防伪底纹是指完全运用线条进行防伪，能产生丰富的变化，具有防伪造、防扫描等特点，是一种低成本、防伪效果好的一种防伪技术。但是随着科技的进步，采用防伪底纹进行防伪，容易被不法分子破坏防伪标志，甚至篡改、伪造防伪标志，防伪的安全性有待提高。超表面是指一种厚度小于波长的人工层状材料。超表面可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。在超表面的设计中，通过复用技术，能够提高信息密度；在光学防伪领域，通过多通道信息的复用，能够显著提高光学防伪的安全性。目前利用超表面复用的方法可以显著提高利用超表面进行光学防伪的安全性，并且多通道复用的方式也使得超表面的信息密度能够得到提高。而现有技术用于超表面进行防伪的方法，在结构的简单性、设计的灵活性、信息密度以及防伪的安全性等方面还有待提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于防伪底纹与图像复用的防伪超表面的设计方法，本专利技术设计得到的超表面可以在单个超表面上实现灰度图像、防伪底纹及二值图像的复用，可以大大提高信息存储密度以及防伪的安全性。本专利技术解决上述技术问题所采用的方案是：一种基于防伪底纹与图像复用的防伪超表面的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：构建纳米砖阵列，所述纳米砖阵列包括多个纳米砖结构单元，纳米砖结构单元的纳米砖转向角为θ，优化获得纳米砖结构单元具有不同光谱响应的至少两组备选尺寸参数，至少两组备选尺寸的纳米砖结构单元光谱响应的峰值位置不同，但是对入射的电场方向沿纳米砖长轴的线偏振光在波长λ0处的反射率相等，且以波长λ0的线偏振光垂直入射各组备选尺寸的纳米砖结构单元时其功能均等效为微纳起偏器；以强度为I0、偏振方向为α1且波长为λ0的线偏振光依次入射纳米砖结构单元以及透光轴方向与入射光偏振方向垂直的检偏器，得到出射光强与所述线偏振光的偏振方向α1、纳米砖结构单元的纳米砖转向角θ之间的函数关系；设计灰度图像，根据灰度图像显示要求的灰度分布以及上述的函数关系，计算得出所述纳米砖阵列中每个纳米砖结构单元的纳米砖转向角θ在[0,π/2]范围内的两个可选值；设计防伪底纹图像，根据防伪底纹图像显示的强度值结合上述步骤中得到的函数关系从计算出的纳米砖转向角θ的两个可选值中确定出纳米砖阵列中各纳米砖结构单元对应的纳米砖转向角的最终值；设计双色图像，根据双色图像显示的强度要求从上述各种备选尺寸参数中确定出纳米砖结构阵列中各位置处的纳米砖结构单元对应的尺寸参数，再将得到的各位置处对应尺寸的纳米砖结构单元按照上述步骤确定好的相应的纳米砖转向角的最终值进行排布，从而获得所需的超表面材料；以一定的线偏振光入射所述超表面材料，经过相应的检偏器后显示连续灰度图像；当将入射线偏振光旋转特定角度后再入射所述超表面材料再经过相应的检偏器后，显示防伪底纹图像；当以白光入射所述超表面材料，显示双色图像。进一步地，所述纳米砖结构单元包括工作面和设置在所述工作面上的纳米砖，以平行于所述工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米砖上与工作面平行的面上具有长轴L和短轴W，所述纳米砖转向角θ为所述纳米砖的长轴L与x轴正方向的夹角。进一步地，所述纳米砖结构单元的尺寸参数包括所述纳米砖的长轴L、短轴W和高H以及所述工作面边长C的尺寸，且长轴L与短轴W不相等，各纳米砖结构单元的中心间距相等。进一步地，所述至少两组备选尺寸的纳米砖结构单元包括第一组尺寸的纳米砖结构单元和第二组纳米砖结构单元，所述至少两组备选尺寸的纳米砖结构单元尺寸参数的优化方法为：优化得到以电场方向沿纳米砖长轴的线偏振光正入射时在波长λ1处反射率不低于90％的第一组尺寸的纳米砖结构单元的尺寸参数，以电场方向沿纳米砖长轴的线偏振光正入射时在波长λ2处反射率不低于90％的第二组尺寸的纳米砖结构单元的尺寸参数，而以电场方向沿纳米砖长轴的线偏振光正入射这两种尺寸的纳米砖结构单元时，两者在波长λ0处的反射率相等，且λ0≠λ1≠λ2。进一步地，所述纳米砖结构单元功能等效为微纳起偏器，以光强为I0、波长为λ0、偏振方向为α1的线偏振光入射到方向角为θ的纳米砖结构单元，反射光通过检偏方向与入射线偏振光的偏振方向垂直的检偏器，得到出射光的强度I1与α1、θ之间的函数关系为：进一步地，当检偏器的透光轴方向与入射线偏振光的偏振方向垂直时，以波长λ0且电场方向为π/4的单色线偏振光入射所述超表面材料，经过相应的检偏器显示灰度图像；当以波长为λ0、电场方向为π3/8的单色线偏振光入射入射所述超表面材料，经过相应的检偏器后显示防伪底纹图像。确定纳米砖转向角的最终值方法为：当α1为π/4时，则出射光强将灰度图像强度进行归一化，根据灰度图像的归一化强度分布以及I1与θ的函数关系，计算得出所述纳米砖阵列中每个纳米砖结构单元的转向角θ在[0,π/2]范围内的两个可选值θ1和θ2，对应任意强度的θ1和θ2满足θ1+θ2＝π/2；当α1为π3/8，则出射光强该两个可选值对应的出射光强假定I">I′；防伪底纹图像设定为双色图像，防伪底纹图像中任意纳米砖结构单元对应的像素值为0或1；定义像素值1对应的纳米砖结构单元以单色线偏振光入射时出射光强大，显示为亮；定义像素值0对应的纳米砖结构单元以单色线偏振光入射时出射光强小，显示为暗；选取该防伪底纹图像中与灰度图像中任意对应位置的纳米砖结构单元进行比较，若该纳米砖结构单元在该防伪底纹图中对应的像素值为1，则选取该纳米砖结构单元的纳米砖转向角为θ2；若该纳米砖结构单元在该防伪底纹图像中对应的像素值为0，则选取该纳米砖结构单元的纳米砖转向角为θ1。进一步地，双色图像的像素值分别为0或1，选取双色图像上任意一纳米砖结构单元，当该纳米砖结构对应的像素值为0时选择其中一种备选尺寸参数的纳米砖结构单元；当该纳米砖结构单元的像素值为1时选择另一种备选尺寸参数的纳米砖结构单元。进一步地，所述工作面采用二氧化硅制成，所述纳米砖采用银材料制成。本专利技术的另一个目的是提供一种根据上述的基于防伪底纹与图像复用的防伪超表面的设计方法得到的超表面材料。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：1.本专利技术提供的超表面设计算法复杂度低，更简单易行，通过单个超表面实现灰度图像、防伪底纹及双色图像的复用，可显著提高信息密度，且复用的图像可根据需要选择，设计灵活性高；2.本专利技术将防伪底纹与灰度图像、双色图像进行复用，可实现多重防伪，而且超表面尺寸小，隐蔽性高，此外由于防伪底纹只有在特定的情况下出现，不易被模仿和篡改，因此防伪的安全性更高；3.本专利技术设计的超表面结构单元简单，加工制造难度小。附图说明图1为本专利技术实施例中纳米结构单元的结构示意图；图2是本专利技术实施例中优化设计的纳米砖结单元构两组尺寸参本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于防伪底纹与图像复用的防伪超表面的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：/n构建纳米砖阵列，所述纳米砖阵列包括多个纳米砖结构单元，纳米砖结构单元的纳米砖转向角为θ，优化获得纳米砖结构单元具有不同光谱响应的至少两组备选尺寸参数，至少两组备选尺寸的纳米砖结构单元光谱响应的峰值位置不同，但是对入射的电场方向沿纳米砖长轴的线偏振光在波长λ

【技术特征摘要】
1.一种基于防伪底纹与图像复用的防伪超表面的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
构建纳米砖阵列，所述纳米砖阵列包括多个纳米砖结构单元，纳米砖结构单元的纳米砖转向角为θ，优化获得纳米砖结构单元具有不同光谱响应的至少两组备选尺寸参数，至少两组备选尺寸的纳米砖结构单元光谱响应的峰值位置不同，但是对入射的电场方向沿纳米砖长轴的线偏振光在波长λ0处的反射率相等，且以波长λ0的线偏振光垂直入射各组备选尺寸的纳米砖结构单元时其功能均等效为微纳起偏器；
以强度为I0、偏振方向为α1且波长为λ0的线偏振光依次入射纳米砖结构单元以及透光轴方向与入射光偏振方向垂直的检偏器，得到出射光强与所述线偏振光的偏振方向α1、纳米砖结构单元的纳米砖转向角θ之间的函数关系；设计灰度图像，根据灰度图像显示要求的灰度分布以及上述的函数关系，计算得出所述纳米砖阵列中每个纳米砖结构单元的纳米砖转向角θ在[0,π/2]范围内的两个可选值；
设计防伪底纹图像，根据防伪底纹图像显示的强度值结合上述步骤中得到的函数关系从计算出的纳米砖转向角θ的两个可选值中确定出纳米砖阵列中各纳米砖结构单元对应的纳米砖转向角的最终值；
设计双色图像，根据双色图像显示的强度要求从上述各种备选尺寸参数中确定出纳米砖结构阵列中各位置处的纳米砖结构单元对应的尺寸参数，再将得到的各位置处对应尺寸的纳米砖结构单元按照上述步骤确定好的相应的纳米砖转向角的最终值进行排布，从而获得所需的超表面材料；
以一定的线偏振光入射所述超表面材料，经过相应的检偏器后显示连续灰度图像；当将入射线偏振光旋转特定角度后再入射所述超表面材料再经过相应的检偏器后，显示防伪底纹图像；当以白光入射所述超表面材料，显示双色图像。


2.如权利要求1所述的基于防伪底纹与图像复用的防伪超表面的设计方法，其特征在于，所述纳米砖结构单元包括工作面和设置在所述工作面上的纳米砖，以平行于所述工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米砖上与工作面平行的面上具有长轴L和短轴W，所述纳米砖转向角θ为所述纳米砖的长轴L与x轴正方向的夹角。


3.如权利要求2所述的基于防伪底纹与图像复用的防伪超表面的设计方法，其特征在于，所述纳米砖结构单元的尺寸参数包括所述纳米砖的长轴L、短轴W和高H以及所述工作面边长C的尺寸，且长轴L与短轴W不相等，各纳米砖结构单元的中心间距相等。


4.如权利要求2所述的基于防伪底纹与图像复用的防伪超表面的设计方法，其特征在于，所述至少两组备选尺寸的纳米砖结构单元包括第一组尺寸的纳米砖结构单元和第二组纳米砖结构单元，所述至少两组备选尺寸的纳米砖结构单元尺寸参数的优化方法为：优化得到以电场方向沿纳米砖长轴的线偏振光正入射时在波长λ1处反射率不低于90％的第一组尺寸的纳米砖结构单元的尺寸参数，以电场方向沿纳米砖长轴的线偏振光...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑国兴，梁聪玲，李子乐，单欣，李仲阳，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42