一种光学水印成像装置及防伪设备的制作方法

本申请涉及光学加密技术领域，具体而言，涉及一种光学水印成像装置及防伪设备。

背景技术：

微透镜是一种常见的光学元件，它属于被动光学元件，在光学系统中用来会聚、发散光辐射。目前，利用微透镜制作而成的成像薄膜能够广泛的运用到卡片、货币、包装中。但是，现有的微透镜成像薄膜安全性低、容易被仿制。

技术实现要素：

本申请实施例的目的在于提供一种光学水印成像装置及防伪设备，以改善现有的微透镜成像薄膜安全性低、容易被仿制的问题。

本发明是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供一种光学水印成像装置，包括：微透镜层，由多个微透镜排列而成；成像载体，设置在所述微透镜层下方；图文层，设置在所述成像载体下方，所述图文层嵌入有多个微图文结构；每个所述微图文结构中均设置有n个编码区域，且每个所述微图文结构中所设置的n个编码区域的设置位置相同，每个所述微图文结构中的n个编码区域对应一个像素点的成像；每个所述微图文结构中的n个编码区域对应的像素点组合形成水印编码图案。

在本申请实施例中，通过在图文层中的每个微图文结构中均设置n个编码区域，且每个微图文结构中所设置的n个编码区域的设置位置相同，每个微图文结构中的n个编码区域对应一个水印编码图案的像素点的成像，进而使得水印编码图案能够隐藏于图文层中，需要利用人眼的视角暂留效应来完成图案的获取，通过上述方式，提高了微透镜成像薄膜的防伪能力以及安全性，解决了微透镜成像薄膜易被仿制的问题。

结合上述第一方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述多个微透镜采用正六边形交错的排列方式排列。

在本申请实施例中，采用上述正六边形交错排列方式可以使得微透镜在整个微透镜层的占比最大化，在微透镜层面积及微透镜大小和结构确定的情况下，微透镜的排列更加密集，单位面积的微透镜数目越多。进而使得单位面积的聚焦点越多，微透镜成像装置的成像质量越好。

结合上述第一方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述微透镜层的顶部到所述图文层的距离等于所述微透镜的焦距；所述微透镜的焦距为：其中，f表示所述微透镜的焦距，n表示折射率，r表示所述微透镜的曲率半径；所述微透镜的曲率半径为：其中，h表示所述微透镜的厚度，l为所述微透镜的直径。

在本申请实施例中，通过设置微透镜层的顶部到图文层的距离等于微透镜的焦距以便于更好的成像。

结合上述第一方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述微透镜的直径为29微米；相邻的所述微透镜的之间的距离为1微米。

在本申请实施例中，采用直径29微米的微透镜以及设定微透镜层中的微透镜的排列周期为30微米，既易于加工生产且保证了微透镜的成像质量。

结合上述第一方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述图文层中的微图文结构与所述微透镜层中的微透镜在位置上一一对应设置。

在本申请实施例中，通过设置图文层中的微图文结构与所述微透镜层中的微透镜在位置上一一对应设置以便于更好的成像。

结合上述第一方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，每个所述微图文结构中均设置的n个编码区域通过n×m的布尔矩阵将所述水印编码图案进行转化后得到；其中，n表示将所述水印编码图案中的每个像素点划分为所述编码区域的份数；所述水印编码图案中的一个像素点对应一个或者多个微图文结构；m表示每份所述编码区域的像素点。

在本申请实施例中，通过布尔矩阵将水印编码图案进行转换能够实现编码方式在数学上的绝对安全性。

结合上述第一方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，n的数值为2，m的数值为4。

在本申请实施例中，n的数值为2，也即，采用两个角度下来实现的视觉暂留效应效果更佳，以便于人脑还原出水印编码图案。

结合上述第一方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，每个所述微图文结构中设置的2个编码区域的设置位置为：l＝f×tan(θ)；其中，l为每个所述微图文结构中的编码区域距离焦点的距离，f为所述微透镜的焦距，θ表示人眼的视角。

结合上述第一方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，每个所述微图文结构中的第一个编码区域的设置位置对应的人眼视角为30度，每个所述微图文结构中的第二个编码区域的设置位置对应的人眼视角为35度。

在本申请实施例中，水印编码图案的获取为微透镜对编码后的微图文在30度和35度视角下成像结果的叠加，该方式视觉暂留效应明显，以便于人脑还原出水印编码图案。

第二方面，本申请实施例提供一种防伪设备，包括主体以及设置在所述主体上的如上述第一方面实施例提供的光学水印成像装置。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种光学水印成像装置的结构示意图。

图2为本申请实施例提供的一种水印编码图案的示意图。

图3为本申请实施例提供的一种为透镜层的示意图。

图4为本申请实施例提供的一种图文层中的多个微图文结构的示意图。

图5为本申请实施例提供的一种图文层中每个微图文结构设置的第一个编码区域聚焦位置的部分效果图。

图6为本申请实施例提供的一种图文层中每个微图文结构设置的第二个编码区域聚焦位置的部分效果图。

图7为本申请实施例提供的一种防伪设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

鉴于现有的微透镜成像薄膜安全性低、容易被仿制的问题，本申请发明人经过研究探索，提出以下实施例以解决上述问题。

请参阅图1，本申请实施例提供一种光学水印成像装置100。包括：微透镜层10、成像载体20以及图文层30。

其中，微透镜层10由多个微透镜排列而成。成像载体20设置在微透镜层10下方。图文层30设置在成像载体20下方。

于本申请实施例中，图文层30嵌入有多个微图文结构；且每个微图文结构中均设置有n个编码区域(n为大于等于2的整数)，且每个微图文结构中所设置的n个编码区域的设置位置相同，每个微图文结构中的n个编码区域对应一个像素点的成像；每个微图文结构中的n个编码区域对应的像素点组合形成水印编码图案。

需要说明的是，水印编码图案即为自定义的信息验证图案，比如可以是一朵玫瑰花的图像(如图2所示)、企业的图标、logo(logotype，微标或商标)等等，本申请不作限定。通过上述方式构建完成光学水印成像装置100后，当用户的眼睛朝向每个微图文结构中所设置的n个编码区域的设置方向时，通过视角暂留效应即可完成视觉密码的解码，通过人脑的联想功能直接获取得到隐藏的水印编码图案。比如图1所示出的光学水印成像装置100中的每个微图文结构中均设置有2个编码区域(分别为编码区域31和编码区域32)，则通过人眼朝向这两个角度下形成的视角暂留效应即可完成视觉密码的解码，再通过人脑的联想功能直接获取得到隐藏的水印编码图案。

综上所述，本申请实施例所提供的光学水印成像装置100，通过在图文层中的每个微图文结构中均设置n个编码区域，且每个微图文结构中所设置的n个编码区域的设置位置相同，每个微图文结构中的n个编码区域对应一个水印编码图案的像素点的成像，进而使得水印编码图案能够隐藏于图文层中，需要利用人眼的视角暂留效应来完成图案的获取，通过上述方式，提高了微透镜成像薄膜的防伪能力以及安全性，解决了微透镜成像薄膜易被仿制的问题。

下面对上述的光学水印成像装置100的结构进行详细说明。

请参阅图3，于本申请实施例中，上述的微透镜层中的多个微透镜采用正六边形交错的排列方式进行排列。需要说明的是，上述正六边形交错的排列方式可以理解为奇数排的微透镜依次排列，偶数排的微透镜设置在前一排的微透镜的间隙，进而使得任意相邻的上中下三层微透镜(第一层两个，第二层三个，第三层两个微透镜)形成一个正六边形的图案。

采用上述排列方式可以使得微透镜在整个微透镜层的占比最大化，在微透镜层面积及微透镜大小和结构确定的情况下，微透镜的排列更加密集，单位面积的微透镜数目越多。进而使得单位面积的聚焦点越多，微透镜成像装置的成像质量越好。

当然，在其他实施例中，微透镜层中的多个微透镜还可以采用其他的排列方式，比如正交排列、棱形排列，甚至还可以是无规律的排列方式，本申请对此不作限定。

于本申请实施例中，微透镜的直径为29微米；相邻的微透镜的之间的距离为1微米。相应的，微透镜层中的微透镜的排列周期为30微米，也即，相邻的两个微透镜的中心之间的距离为30微米。需要说明的是，微透镜直径与周期越接近，微透镜排列利用越充分，成像质量越好，但在周期一定时，当直径过大时，由于透镜边缘斜率最大，两透镜交界处面积太窄不利于生产加工，因此，于本申请实施例中，采用直径29微米的微透镜以及设定微透镜层中的微透镜的排列周期为30微米，既易于加工生产且保证了微透镜的成像质量。

当然，在其他实施例中，微透镜的直径还可以是20～100微米中的任意数值，相邻的微透镜的之间的距离也可以根据微透镜的直径做适应性的调整，比如当微透镜的直径是50微米时，相邻的微透镜的之间的距离可以2微米，对此，本申请不作限定。

此外，于本申请实施例中，为了能够实现更好的成像，微透镜的成像焦距还满足如下条件，微透镜层的顶部到图文层的距离等于微透镜的焦距。

其中，微透镜的成像焦距为：

公式(1)中，f表示微透镜的焦距，n表示折射率，r表示微透镜的曲率半径；微透镜的曲率半径r的表达式为：

公式(2)中，h表示微透镜的厚度，即光刻深度，l为微透镜的直径。

上述的折射率n由成像载体所决定，于本申请实施例中，成像载体采用的是pet(polyethyleneterephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯)材料，其中，添加有二氧化硅、碳酸钙、硫酸钡、高岭土，进而使得折射率为1.4。于本申请实施例中，微透镜的厚度h为7微米，由此可计算得到微透镜的曲率半径r为18.512微米，微透镜的焦距f为37.545微米。又由于微透镜的厚度h为7微米，微透镜层的顶部到图文层的距离等于微透镜的焦距为37.545微米，因此，成像载体的厚度为30.545微米，为了便于生产，可采用30微米的成像载体。

需要说明的是，由于成像载体的材质不同，使得折射率也有所不同，进而使得微透镜的曲率半径r、微透镜的焦距f也不同，进而需要针对不同情况选择不同参数的微透镜。因此，上述的各项数值仅作为一种实施方式，上述数值并不作为对本申请的限定。

请参阅图4，图文层中嵌入的多个微图文结构为字符“h”，作为一种实施方式，图文层中的微图文结构与微透镜层中的微透镜在位置上一一对应设置。也即，微图文结构也为正六边形交错的排列方式进行排列，且与微透镜在位置上一一对应设置。当然，微图文结构还可以是其他任意的字符或者是微图案，本申请不作限定。

需要说明的是，光学水印成像装置最终的成像效果取决于微透镜层和图文层的排列周期差。具体的，图文层的放大倍率为

公式(3)中，w表示图文层的放大倍率，a表示微图文结构的排列周期，b表示微透镜的排列周期。

示例性的，当微透镜层的排列周期为30微米时，微图文结构的周期可以是29.85微米，则相应的放大倍率近似为200倍。

上述的微透镜层以及图文层均采用的直写式光刻。本申请实施例使用的光刻机采用了“集中高能束”可寻址至40纳米，能够制作精度100纳米的微纳米结构，光刻深度最大为7微米。其中，微图文结构的光刻深度为1.5微米。

光学水印成像装置100可以实现对焦面上不同位置的点进行成像，当正视角观察时，微透镜成的像是微透镜的焦点处，当视线偏转角度为θ时，成像位置距离焦点的距离为：

l1＝f×tan(θ)(4)

公式(4)中，l1为成像位置距离焦点的距离，f为微透镜的焦距，θ表示人眼的视角。

当人眼的观察视线不同时，微透镜层会呈现不同的像，由于微透镜的尺寸是微米级别的结构，因此微透镜对应的各个成像点可以呈现完整的图像，不会出现像素不够的问题。因此，于本申请实施例中，利用微透镜层成像的特性，在图文层中隐藏水印编码图案，进而提高整个光学水印成像装置的安全性。

下面对水印编码图案的编码方式进行详细说明。

本申请实施例所提供的图文层中嵌入有多个微图文结构，每个微图文结构中均设置有n个编码区域，且每个微图文结构中所设置的n个编码区域的设置位置相同，每个微图文结构中的n个编码区域对应一个像素点的成像；每个微图文结构中的n个编码区域对应的像素点组合形成水印编码图案。且水印编码图案中的一个像素点对应一个或者多个微图文结构。

示例性的，假设图2所示出的水印编码图案的尺寸为640*640，则解密出玫瑰花图案至少需要640*640个微透镜。而一般情况下光学水印成像装置的面积为9*9厘米，假设此时微透镜层的周期为30微米的，则微透镜的数量将大于3000*3000个，显然可以实现对图2所示出的水印编码图案的隐藏，且该方案还可具有加密高分辨率图案的优势。而当水印编码图案的像素点与微透镜层的微透镜数量基本一致时，此时水印编码图案中的一个像素点对应一个微图文结构，而当水印编码图案的像素点远小于微透镜层的微透镜数量时，此时水印编码图案中的一个像素点对应多个微图文结构。比如，水印编码图案的尺寸为640*640，而微透镜的数量将大于3000*3000个，则水印编码图案中的一个像素点可以对应4个微透镜。也即，四个微透镜成像解密一个相同的像素。

于本申请实施例中，每个微图文结构中设置的n个编码区域通过n×m的布尔矩阵将水印编码图案进行转化后得到。

其中，n表示将水印编码图案中的每个像素点划分为编码区域的份数；m表示每份编码区域的像素点。比如n可以是2，也可以是3，m可以是4，也可以是6，本申请不作限定。

具体的，视觉编码问题最简单的模型就是假设秘密信息是一系列黑白像素的组合，每个像素被单独处理。每个原始的像素被分到n个编码区域中(一个编码区域对应于一个透明胶片)，其中每个编码区域都包含有m个像素点，这些打印在透明胶片上的黑白像素彼此极为相似，从而人类视觉系统把它们特有的黑或白的贡献平均化。一个原始像素经过上述处理后所得到的结构可以描述为一个n×m的布尔矩阵s＝[sij]，当第i个透明胶片上第j个像素是黑色时sij＝1。当i1,i2,...ir像素对齐重合时即可得到一个结合的编码区域，这个结合的编码区域的黑白通过i1,i2,...ir这m个列向量的布尔或运算得到，设为h(v)，对于满足固定阈值的1≤d≤m，当h(v)≥d，通过人类视觉的判定是黑色，当h(v)≤d-am判定为白色(a≥0)，进而可以通过设置d和a的相对差来判别色差。需要解释的是，上述公式为人类视觉通过布尔矩阵判定黑白的公式，比如10个像素点中7个为黑色，人类视觉的整体感觉为黑，但6个为黑时，人类视觉并不能判定为白，上述公式很好的解决了这个问题，通过该公式可以具体结合实验实现人类视觉对黑白的判定，如10个像素点，视觉感观实验判定7个点黑时为黑，3个点为黑时为白，那么d为7，a为0.4，该公式可以很好的结合实验实现人类矩阵对布尔或结果黑白的判定。

下面以n为2，m为4进行举例说明。也即，此时，每个微图文结构中均设置有2个编码区域，每个编码区域由4个像素点所构成(如图1所示)。也即，该结构可以描述为一个2×4的布尔矩阵s＝[sij]，当把i1,i2两个视角的编码区域成像对齐重合时即可得到一个结合的编码区域。结合的编码区域的黑白(黑为1，白为0)通过i1,i2列向量的布尔或运算得到，即h(v)。对于满足固定阈值的h(v)≥4，通过人类视觉的判定是黑色，当h(v)≤4通过人类视觉的判定是黑色为白色，该具体实施过程采用的是黑白图案。这里黑色代表图文层的染色区域(需要染成黑色)，白色代表透明区域。

具体的布尔矩阵dt的一种实现算法为：

其中，1表示黑色，0表示白色，也即，1表示需要在图文层中上色部分，0为透明部分无需上色。d1和d0代表两种不同的解密结果对应的编码方案，通过布尔或运算对于d1，h(v)＝4，通过布尔或运算对于d0，h(v)＝2。则当水印编码图案的像素点为1时选用d1，当水印编码图案的像素点为0时则选用d0，进而符合人类视觉的判定。

此时，定义(k，n)的视觉密码分案包含两个集合，即包含布尔矩阵集合c0和c1，上述的c0和c1为布尔矩阵d1和d0列交换和行交换后的矩阵集合。当像素值为1时选择c1集合中的一个布尔矩阵，反之选择c0。需要解释的是，(k，n)属于密码学中密钥共享的标准定义，也即，将秘密信息分成n份，仅且当大于等于k份时才能完成解密。

上述的c0和c1布尔矩阵集合需满足三个条件：

1.对于c0中的任意矩阵s，s中的任意k行进行或运算满足h(v)<d-a。

2.对于c1中的任意矩阵s，s中的任意k行进行或运算满足h(v)≥d。

3、对于{1,2,...,n}的满足q<k的任意的子集{i1,i2,...,iq}，q×m矩阵dt(其中t∈(0,1))构成的两个集合在某种意义上是无法区分的，即它们含有相同矩阵的概率是相等的。

也即，为了进一步的提高安全性，在上述实现视觉密码的编码方案，本发明采用matlab(一种商业数学软件)程序实现上述编码过程，对于图2中的每个像素，当像素值为1时选择c1集合中的一个布尔矩阵，反之选择c0集合中的一个布尔矩阵，选择过程是通过matlab程序实现的，可完全随机。图1所示出的即为c0布尔矩阵集合中的一个布尔矩阵的情况，布尔矩阵的第一行数据则对应图1中的左边的一个编码区域，布尔矩阵的第二行数据则对应图1中的右边的一个编码区域。当两个编码区域进行结合，人眼所看的即为白色的像素点。请参阅图5及图6，图5为每个微图文结构中设置的第一个编码区域聚焦位置的部分效果图，图6为每个微图文结构中设置的第二个编码区域聚焦位置的部分效果图。由图可知单一视角下的编码是完全随机的，该原理下的编码方案具有数学上的绝对安全性。

此外，需要说明的是，水印编码图案的嵌入是将编码好的信息嵌入到微图文结构中。在微透镜成像结构中，图文层是周期为29.85的“h”字符图案，在对应的编码位置存在着光刻上色和不上色两种情况，当与编码信息均为上色时微图文结构不做改变，相反时则改变该位置的微图文信息，微图文结构的精度为1*1微米方块，这种水印编码图案的嵌入对原图案的损坏小，经过微透镜成像在其它视角完全不影响原有图案的成像效果，具有安全性高、兼容性好的优点。

于本申请实施例中，每个微图文结构中设置的编码区域的设置位置为：

l＝f×tan(θ)(5)

公式(5)中，l为成像位置距离焦点的距离，f为微透镜的焦距，θ表示人眼的视角。

当微图文结构中设置2个编码区域时，于本申请实施例中，每个微图文结构中的第一个编码区域的设置位置对应的人眼视角为30度，每个微图文结构中的第二个编码区域的设置位置对应的人眼视角为35度。

水印编码图案的获取为微透镜对编码后的微图文在30度和35度视角下成像结果的叠加，视角差应该满足公式

σl＝f×tan(θ1)-f×tan(θ2)(7)

其中，σl为两个视角下的成像点距离，当视角为30度和35度，f＝37.5时，σl＝4.6，图文层的编码精度为1*1微米，每次编码内容为2*2，两次编码内容相邻。经检验，在视角偏转为5度时，视觉暂留效应明显，通过视觉暂留效应即可完成密钥的叠加，当视角在30度和35度的角度下移动时即可完成。最终，由大脑的联想功能可以清晰的看出如图2中的玫瑰花，完成水印编码图案的获取。

当然，在其他实施例中，每个微图文结构的编码区域的设置位置对应的人眼视角可以根据不同情况进行设定，比如还可以是40度等，本申请不作限定。

请参阅图7，基于同一发明构思，本申请实施例还提供一种防伪设备200，包括主体300以及设置在主体300上如上述实施例所提供的光学水印成像装置100。

其中，主体可以是，但不限于烫印薄膜、纸张货币、证卡等等。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。