用于对图像进行光学编码的装置和方法与流程

本发明涉及一种用于图像类型空间信息的光学编码的装置以及一种用于对这种信息进行光学编码的方法；本发明特别适用于防止对贵重物品的伪造。

背景技术：

众所周知，许多装置可防止对宝石、香水瓶、服装、银行卡、钞票等贵重物品的伪造。

这些装置例如包括光学安全元件，其提供根据入射角和/或观察角而变化的视觉效果，例如衍射元件、全息图等。因此可以借助这些光学元件通过使用空间信息(例如图像、字母数字字符等被用作识别信息)来安全地标记贵重物品。

在光学安全元件中，还已知包含金属-电介质界面的等离激元装置，金属层以光栅的形式构造以允许特定波长的入射波与表面等离激元耦合。

例如，美国专利申请20120015118描述了一种用于控制金属颜色的方法，当金属-电介质界面被入射光辐射照射时，在该界面上实施表面等离激元的激发。这种方法特别适用于防止诸如钞票等贵重物品的伪造。更具体地说，上面引用的专利申请描述了一组金属亚波长结构的形成，其被重复排列并且例如通过压印金属表面获得，以便允许入射光波与表面等离激元在给定的共振波长处耦合。所观察到的光学效应(其强烈依赖于入射角和/或观察角)尤其包括金属表面的颜色变化，使得可能出于美学目的和/或防止伪造而在贵重物体上产生颜色可变的金属图案。

然而，以光栅形式蚀刻的耦合结构需要尺寸为十几个波长的量级以获得入射光波与表面等离激元的有效耦合，所述耦合由亚波长结构的集体效应产生。因此，在申请US20120015118中描述的方法不适合于形成用于保护物品的微型标记装置(通常小于几十微米)，以例如防止小物品的伪造。此外，所获得的视觉效果的角度依赖性对于某些应用例如宝石或珠宝来说是强烈的约束，在这些应用中人们试图获得与观察角度无关的颜色。

本说明书试图提出一种光学编码装置，其使得基本单元上的数据的空间编码成为可能，基本单元的尺寸可以在波长的数量级上，特别是允许形成微型标记装置以防止伪造。

技术实现要素：

根据第一方面，本说明书涉及一种用于对至少一个空间信息单元或“图像”进行光学编码的装置，该“图像”可以被分解成像素，每个像素由图像中的位置和至少一个值所定义，图像包括不同值的至少两个像素。本发明的意图在于在至少一个第一观察光谱带中观察编码装置，并且编码装置包括支撑结构和形成在所述支撑结构上的一组金属-电介质-金属类型的等离激元纳米天线，例如：

-每个等离激元纳米天线与包含在所述第一观察光谱带中的至少一个波长谐振，

-等离激元纳米天线在空间上被布置在支撑结构上，使得在图像的一个像素处，包含一个或多个等离激元纳米天线的子集被关联，其在包含于第一观察光谱带的光谱带中的、根据偏振的光学响应对应于所述像素的值。因此，所述一组等离激元纳米天线在所述第一观测光谱带中形成所述图像的至少第一空间编码。

以已知的方式，如果在给定方向上测得的等离激元纳米天线的长度等于λR/2np，那么等离激元纳米天线在给定波长λR(称为谐振波长)下谐振，其中，n是形成金属-电介质-金属结构的电介质材料的折射率，p是非零自然整数。

这种等离激元纳米天线具有局域谐振，也就是说，它能够在横截面上产生以谐振波长为中心的光谱带中的光学响应，所述横截面的表面在谐振波长的平方的数量级上。

在本说明书中，“光学响应”意指在远场(即在大于两倍波长的距离处)测量的光学响应；光学响应可以因测量反射的光流而产生或因测量由于纳米天线的热发射而发射的流而产生。

因此，由于一组等离激元纳米天线的布置，可以对包括一组“像素”(或基本信息元素，其每一个由位置和一个或多个值定义)的空间信息进行编码：布置在支撑结构上给定位置处的等离激元纳米天线的几何参数(形状、尺寸、取向)被选择为在包括在观察光谱带中的光谱带中产生对应于位于图像中相应位置的像素的值的光学响应。

这样的编码装置可以在发射(由外部热源加热的纳米天线的热发射)或反射(在给定入射流的照明下)下观察。在后一种情况下，纳米天线的共振吸收导致反射波的光谱相对于入射波的改变。

观察光谱带可以包括在从UV(300-450nm)到THz(高达300微米) 的波长范围内。

根据一个或多个实施方式，第一空间编码包括灰阶编码；选择与像素相关联的包含一个或多个纳米天线的子集的几何参数以产生在包含于观察光谱带的给定光谱带中根据偏振测量的光学响应，表现出根据位置变化并且对应于像素的值的相对强度(“灰度级”)，其被定义为灰阶中的灰度级。

根据一个或多个实施方式，形成金属-电介质-金属结构的材料构成纳米天线以及所选纳米天线的形式，纳米天线的尺寸和/或取向的变化使得可以通过降低纳米天线的共振吸收或发射的最佳条件来改变给定光谱带中和/或根据给定偏振的光学响应的相对强度。

根据一个或多个实施方式，与像素相关联的等离激元纳米天线子集包括对于相同偏振具有不同谐振波长的等离激元纳米天线；然后，在发射观察的情况下，在涵盖所有谐振波长的光谱带中由每个纳米天线的光学响应的加法合成而获得光学响应，或者在反射观察的情况下，由每个纳米天线的光学响应的减法合成而获得光学响应。在这种情况下，可以通过调节不同波长处谐振纳米天线的存在或不存在来获得灰阶编码。

根据一个或多个实施方式，第一空间编码是图像的“彩色编码”；对于具有至少第一和第二定义值(例如在不同波长处)的图像像素，有可能将每个像素与纳米天线的子集相关联，所述纳米天线的子集在给定偏振下分别在第一观察光谱带中的第一和第二光谱带中具有至少第一和第二光学响应。第一和第二光学响应对应于像素的第一和第二值，以便再现图像的彩色编码。

根据一个或多个实施方式，该组等离激元纳米天线中的至少一部分等离激元纳米天线在第一偏振上谐振，并且该组等离激元纳米天线中的至少一部分等离激元纳米天线根据第二偏振谐振；在这些示例中，在空间上，等离激元纳米天线可以布置在支撑结构上，以形成可根据第一偏振观察的、第一空间信息单元或图像的第一空间编码，以及形成可在第二偏振中观察的、第二空间或图像的第二空间编码。

根据一个或多个实施方式，该组等离激元纳米天线中的至少一部分等离激元纳米天线在一个观察光谱带中谐振，并且该组等离激元纳米天线中的至少一部分等离激元纳米天线根据第二观察光谱带谐振；在这些示例中，在空间上，等离激元纳米天线可以布置在支撑结构上，以形成可在第一观察光谱带中观察的、第一空间信息单元或图像的第一空间编码，以及形成可在第二观察光谱带中观察的、第二空间信息单元或图像的第二空间编码。

根据一个或多个实施方式，等离激元纳米天线根据具有相似形状和尺寸的基本单元进行分布，每个基本单元包括所述包含一个或多个等离激元纳米天线的子集之一，基本单元的尺寸例如对应于像素的尺寸。

根据一个或多个实施方式，可以在相同的基本单元内将对于相同的偏振具有不同谐振波长的等离激元纳米天线组合；然后，在发射观察的情况下，在涵盖所有谐振波长的光谱带中由每个纳米天线的光学响应的加法合成而获得光学响应，或者在反射观察的情况下，由每个纳米天线的光学响应的减法合成而获得光学响应。

根据一个或多个实施方式，可以在相同的基本单元内将对于互相正交的偏振具有不同谐振波长的等离激元纳米天线组合。因此，可以根据第一偏振将第一空间信息单元编码，并根据第二偏振将第二空间信息单元编码。

根据一个或多个实施方式，等离激元纳米天线根据具有相似形状和尺寸的第一基本单元进行分布，每个第一基本单元在第一观察光谱带中具有光学响应，并且第一基本单元根据具有相似形状和尺寸的第二基本单元进行分布，每个第二基本单元在第二观察光谱带中具有光学响应。这个变型尤其使得可以在两个不同的观察光谱带中对两个空间信息单元进行编码。

根据一个或多个实施方式，在空间上，等离激元纳米天线分布在衬底上，以至少在第一观察光谱带中并根据给定的偏振来编码空间信息单元或图像，从而形成QR编码。

根据一个或多个实施方式，在空间上，等离激元纳米天线分布在衬底上，以至少在第一观察光谱带中并根据给定的偏振来编码空间信息单元或图像，从而形成可识别的图案。

根据一个或多个实施方式，该组等离激元纳米天线包括第一连续金属层、在第一金属层上形成的第二连续电介质材料层、被构造用以在局部形成金属-电介质-金属堆叠的第三金属层，从而形成等离激元纳米天线。这样构成的编码装置可以通过简单的工艺实现，并且可以通过“纳米压印”技术进行工业控制。

电介质材料是指在所关注的光谱带中其指数的虚部不超过0.2的任何材料或材料的组合。

根据一个或多个实施方式，编码装置还包括形成支撑结构的衬底，并且第一连续金属材料层被沉积在该衬底上。

作为另一种选择，支撑结构可以直接由第一金属材料层形成。例如，支撑结构可以直接由受保护物品的金属部分形成。

作为另一种选择，对于由于第二电介质材料层的有限厚度(通常小于所考虑的观察光谱带的最小波长的十分之一)而具有减小的横向尺寸的编码装置来说，支撑结构可以直接由第二电介质材料层形成。

根据第二方面，本说明书涉及一种设置有根据前述权利要求中任一项所述的编码装置的受保护物品。受保护物品例如是从以下类别之一选择的物品：珠宝、香水瓶、服装、银行卡、钞票、身份证件(身份证、护照、驾驶执照等)或任何有价值的文件(礼券等)。

根据第三方面，本说明书涉及借助于根据第一方面的编码设备在给定的观察光谱带中对空间信息或图像进行编码的方法。

根据一个或多个实施方式，该编码方法包括：

-将图像分解成像素，每个像素在图像中具有位置；

-给每个像素分配至少一个像素值；

-对于每个像素，确定包含一个或多个等离激元纳米天线的子集，其中，所述子集包含的等离激元纳米天线根据偏振的、在包含于观察光谱带的光谱带中的光学响应对应于该像素的值；

-在支撑结构上生成金属-电介质-金属结构以形成所有的纳米天线。

根据一个或多个实施方式，图像被分解成相同形状和尺寸的像素，编码方法包括：对于每个像素确定由支撑结构上的位置、形状和尺寸所定义的基本单元，所述支撑结构上的位置、形状和尺寸分别对应于图像中该像素的位置、该像素的形状和尺寸；以及对于每个基本单元确定光学响应等于该像素的值的所述纳米天线组。

附图说明

本发明的其他优点和特征在阅读由下面的附图所示的描述后将变得显而易见：

-图1A和图1B是示出根据本说明书的编码装置的两个示例的图；

-图2A和图2B分别表示编码装置的基本单元的一个示例和该基本单元的横截面图；

-图2C至图2E的曲线分别示出了等离激元纳米天线针对3-5μ m波段内不同的谐振波长值的归一化发射和吸收；在不同的谐振波长值处，黑体的光谱辐射与等离激元纳米天线的发射曲线的比较；在矩形平行六面体形状的纳米天线的情况下，作为等离激元纳米天线宽度的函数的光学响应的灰度值的示例；

-图3A至图3H是示出适用于形成根据本说明书的编码装置的 MDM纳米天线的基本图案的图；

-图4A至图4D是示出了用于形成根据本说明书的编码装置的基本单元的由MDM天线的组合形成的图案的图；

-图5A和图5B分别是由包括根据两个正交偏振的谐振纳米天线的一组基本单元形成的根据本说明书的编码设备的示例，以及根据每个偏振在8-12微米波段中观察到的每个基本单元的光学响应；

-图6是根据本说明书的实施方式，由包括根据两个正交偏振的谐振纳米天线的一组基本单元形成并且被布置为编码QR码的根据本说明书的编码装置的示例；

-图7A至图7D为图6所示的编码QR码的编码装置的根据每个偏振、在两个光谱带中的光学响应；

-图8A为根据在发射中观察到的根据本说明书的编码装置的根据第一偏振、在第一光谱带中的第一响应，编码装置包括一组基本单元，该组基本单元包括根据两个正交偏振并且被布置为编码偏振的第一图像和第二偏振的第二图像的谐振纳米填写；

-图8B为其在发射中观察到的第一响应由图8A示出的编码装置根据第二偏振、在第一光谱带中的光学响应；

-图9A至图9E为其在发射中观察到的第一响应由图8A示出的编码装置根据第二偏振、在第一光谱带的光谱子带中的光学响应。

-图10是根据本说明书的示例的编码方法的步骤。

-图11A和图11B为示出适合装置的两个图，所述装置分别用于利用光源通过反射和利用加热装置通过发射对受保护物品进行验证。

具体实施方式

图1A和图1B示出了根据本说明书的编码装置的两个示例。

在这些示例的每一个中，编码装置10包括支撑结构衬底11、沉积在所述衬底上的第一连续金属层12、沉积在金属材料层12上的电介质材料层13和经结构化以形成一组金属“衬垫”400的第二金属层，所述金属“衬垫”400的几何特性被选择为与电介质材料层13一起形成金属-电介质-金属结构(MDM)，每个MDM形成等离激元纳米天线，MDM 将在下文中更详细地描述。

衬底例如选自玻璃、硅或塑料。

电介质材料选自其指数的虚部在所关注的光谱带中不超过0.2的任何材料或材料组合，并且优选不展现出吸收的材料或材料组合。例如，电介质材料层包括氧化物(例如，二氧化硅(SiO₂)、氧化钛 (TiO₂)、氧化镁(MgO₂)、氧化铝(Al₂O₃))、硫化锌(ZnS)、玻璃、塑料或树脂材料(例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，卡普顿(Capton)、苯并环丁烯(BCB)等)、纺织材料(例如丝)或这些材料的两层或更多层的组合，并且可包括或不包括一层空气。这些材料使得可以覆盖从紫外到太赫兹的光谱范围。

第一和第二金属层例如选自金、铝、铜或银。铝和银可以将编码装置的操作扩展到紫外范围(300-450nm)，所有这些材料的工作范围从可见到太赫兹(通常为300μm)。

根据另一个实施方式(附图中未示出)，支撑结构可以由金属层12 和电介质材料层13中的一个形成，在这种情况下，衬底11不是必需的。当通过根据本说明书的编码装置处理要要保护的物品时，连续金属层12可以由所述物品的金属部分形成并且可以形成支撑结构。

如图1A和图1B所示，基于其在支撑结构的平面中的位置来选择衬垫400的几何特性(形状、尺寸、取向)，以用于对由一组像素形成的空间信息单元或“图像”进行编码，所述像素由位置和一个或多个值(例如，灰度级、颜色)定义。

更确切地说，在图1A和图1B所示的实施方式中，衬垫400以具有相似形状和尺寸的一组基本单元100的形式被分组在一起，均匀分布在衬底上。基本单元的形状可以是多种：正方形、矩形、三角形、六边形、八边形等。每个基本单元对应于打算编码的空间信息的一个“像素”，因此基本单元的尺寸适合于像素的尺寸。实践中，可以基于用于验证编码装置的装置来选择像素的尺寸，更确切地说，是基于检测器和检测器上的成像物镜。因此，像素的最小尺寸将约为观察光谱带的最大波长的一半，其对应于成像物镜的衍射极限。根据基本单元的尺寸，每个基本单元可以具有一个纳米天线，或者具有在相同波长或不同波长处谐振的纳米天线的子集。

在图1A和图1B的示例中，每个基本单元包括形成等离激元纳米天线的衬垫400的子集。这些衬垫是矩形平行六面体，其长度限定了谐振波长。它们在图1A的示例中的取向在一个方向上，而在图1B的示例中，这些衬垫是在两个垂直方向上取向的矩形平行六面体。

在图1A的示例中，根据偏振观察光学响应，在发射观察的情况下，光学响应由每个纳米天线的光学响应的加法合成得到，或者在反射观察的情况下，光学响应由每个纳米天线的光学响应的减法合成得到。

在图1B的示例的情况下，基本单元的光学响应根据是观察偏振编码装置TM还是TE而不同，并且如图1A的示例一样，光学响应是根据两种偏振之一由基本单元的每个纳米天线的响应加法合成或减法合成得到。因此，如图1B所示的编码装置使得可以对两个空间信息单元进行编码，根据第一偏振对第一空间信息单元编码并根据第二偏振对第二空间信息单元编码。实践中，对图1B所示的编码装置的观察和对第一和第二空间信息单元的编码可以通过偏光镜在反射或发射下进行，所述偏光镜的轴线根据两种偏振之一来取向。

图2A和图2B分别示出了如图1A或图1B所示的编码装置的基本单元101的图和该基本单元的截面图。

在这个示例中，基本单元格是正方形的，并且边长为。具有平行六面体形状的两个金属衬垫401、402布置在基本单元101上，尺寸分别为(L1，w1)和(L2，w2)，彼此分开距离d，取向为相同方向，所述方向定义了吸收(或发射)波的偏振。图2B示出了衬垫401处的截面图。

衬垫的高度有利地大于金属的表层厚度(对于600nm至12μm的金，通常为25nm)以防止经由上金属层从MDM腔泄漏。

已知，根据纳米天线的长度(分别为L1、L2)和电介质材料的选择，在每个金属衬垫401、402处如此形成的金属-电介质-金属结构形成了具有谐振波长(分别为λ_R1、λ_R2)的等离激元纳米天线。已表明，作为第一近似(参见例如Cui等人，Laser&Photonics Review第500-502 页(2014))，矩形纳米天线的长度L_i根据如下的等式(1)将谐振波长λ_Ri设定为10％：

λ_Ri≈2n_D Li (1)

其中n_D是电介质材料的折射率。

这种纳米天线在所述波长处针对入射光波的所谓横向偏振(TE)(即入射光波中磁场H与测得长度Li的纳米天线方向相垂直的分量(参见图2A))对入射波具有非凡的吸收。这种纳米天线在具有横向偏振的光波的所述波长处也具有非凡的发射，在给定温度T下纳米天线的发射响应(或光谱辐射亮度)是谐振发射(发射率)与来自温度T处的黑体发射(黑体的光谱辐射亮度)的乘积。

图2C因此示出具有不同谐振波长的等离激元纳米天线的吸收(虚线)和发射(实线)曲线。

图2D示出了在373K下的黑体和优化为在不同谐振波长(4、4.5、 5、5.5和6μm)处吸收100％通量(发射率为1)的MDM型等离激元米天线的亮度曲线。

一旦选定材料，这种纳米天线的品质因子Q(等于谐振波长λ_Ri和谐振半宽度(FWHM)之间的比值)以已知的方式取决于若干几何参数，例如电介质材料层的厚度e、纳米天线的宽度l和长度L。通过以电介质材料层的给定厚度e(在λ_Ri/100和λ_Ri/5之间)来工作，从而可以通过改变宽度、长度和取向来改变纳米天线反射或发射的在给定观察波长处的根据给定偏振的光学响应(从0％到100％)。可以使用已知的计算软件(例如)来确定这些参数以获得给定的响应。

因此，纳米天线的工作光谱范围仅取决于电介质材料的选择，并且范围可以从UV(从350nm)到THz(高达300μm)。

在图2A所示的示例中，选择沿相同方向排列但长度不同的两个金属衬垫允许在两个不同谐振波长处如此形成的纳米天线在相同偏振下谐振。这导致在单元101的水平上的光学响应，该光学响应是每个纳米天线的响应的加法或减法合成(取决于编码装置是在发射还是在反射中观察，取决于来自两个由衬垫401、402形成的纳米天线)。

因此，通过如图2A和2B所示的或者在图1A和1B中给出的示例中的矩形平行六面体形状的纳米天线，可以对一个或多个空间信息单元进行根据给定偏振和/或在给定波长处或在给定观察范围内的编码，所述编码可以是彩色或灰阶的、可以在反射或发射下观察。以下段落给出了使用矩形纳米天线的灰阶或彩色编码的示例。

以灰阶进行空间信息编码的示例：

我们从灰阶图像开始，例如二维像素化图像。因此每个像素都与像素值(即灰度值)相关联。

根据第一变型，在反射或发射的情况下，在以观察光谱带中包含的波长λ为中心的光谱测量带中尝试灰度级的再现。

根据第一变型，光谱测量带通常具有λ/10的宽度，并且对应于观察波长处的谐振纳米天线的响应宽度(参见图2C)。实践中，测量可以通过适当的滤镜来完成。

为了获得灰阶，根据该示例，使用了如前所述的矩形金属-电介质- 金属纳米天线。纳米天线的长度L设定最大吸收或热辐射的波长(见公式1)。

通过适当选择电介质的厚度(从而对于所有的纳米天线来说这是一个固定的参数)，因此根据第一示例可以通过改变纳米天线的宽度来获得从“0％”到“100％”的所有吸收或发射水平，使得纳米天线的效率相对于计算的宽度以已知方式发生变化，从而优化响应。例如，在吸收中，“0％”的水平在实践中可以最多对应于金属的残余吸收，典型地在可见光带中为5％，在红外带中为2-3％，以及太赫兹范围为1％，但具有取决于金属性质的可变性。

因此，图2E示出了在反射情况下，在4.2μm处测量的作为等离激元纳米天线宽度w的函数的光学响应，其中纳米天线长度为1.2μm以及二氧化硅电介质材料(厚度为220nm，指数1.4)。在这个示例中，金属是金，并且连续金属层具有大于100nm的均匀厚度，因此是在光学上不透明的。在这个示例中观察到，对于具有约100nm宽度的纳米天线，反射是最小的(吸收是最大的)；通过改变宽度增加了反射，这种增加是由于纳米天线具有更少的吸收。

像素可以被编码在最小尺寸为λ/2的基本单元上，对应于衍射极限 (低于该衍射极限，则不能归因于远场结构化)。如果想要获得边长大于λ的像素，则可以为每个基本单元放置几个纳米天线。例如，如果我们需要像素的边长为N*λ，那么我们可以周期性地重复纳米天线，例如在2个方向上具有λ/2的周期。

根据第二示例，并且在像素尺寸远大于λ的情况下，可以仅凭借纳米天线的密度来获得灰阶。

根据第三示例，还可以通过增加/减小纳米天线的长度来获得典型宽度为λ/10的给定光谱带中的灰阶。事实上，天线的响应通常是洛伦兹型(见图2C)；因此，当天线的长度改变时，谐振波长的波长发生偏移，因此在观察光谱带上的响应较低。

在纳米天线的发射操作的情况下(图2D)，也可以通过修改形成等离激元纳米天线的条的长度来获得灰阶编码，其导致纳米天线的发射曲线在黑体曲线上的位移并因此改变了光学响应。

根据第四示例，可以通过改变平面中的矩形天线的取向来获得灰阶。如果优化的天线沿着u轴，则对于旋转的同一天线，我们将获得的灰阶。

根据第二变型，用于测量光学响应的光谱带可以更宽。在这种情况下，可以通过组合几个纳米天线来获得灰阶，例如几个不同长度的纳米天线，每个纳米天线在观察光谱带中具有各自的谐振波长。然后可以通过根据上述示例之一(天线的宽度、取向、密度)调整每个纳米天线的响应或者通过缺少某些天线来获得灰阶。

根据所描述的任何变型/示例，可以理解，可以对几个独立的空间信息单元进行编码。例如，几个空间信息单元可以被编码在几个观察光谱带中。选择合适的滤镜将允许观察给定的空间信息单元。根据两个正交的偏振可以编码相互独立的空间信息单元。选择合适的偏光镜将允许观察给定的空间信息单元。

空间信息单元的彩色编码的示例：

在这个示例中，我们从一个彩色空间信息单元开始，例如一个像素化的二维图像。对于图像的每个像素，例如可以定义“RGB”(红绿蓝) 水平，其在已识别的多种可能颜色(例如1600万种可能的颜色)中给出颜色。

根据一个示例，对于3种颜色中的每种颜色，可以定义灰阶图像并根据先前描述的灰阶编码方法对其进行编码。因此，对于给定像素，选择具有三个递增波长λ_r1、λ_r2和λ_r3的三个谐振纳米天线。可以通过在每个像素上具有RGB滤镜或分别通过三个滤镜的多光谱照相机用肉眼进行观察。这三个波长有利地在光谱上隔开至少λ_r3/10。每个天线的灰度可以例如通过天线的宽度或其取向(仅限于偏振响应)来确定。如果三个谐振波长之间的光谱间隔很大，则也可以通过改变每个天线的长度来调整每个天线的灰度(即通过改变长度以获得较低的吸收水平)。第二兴趣光谱带中的信号不会被创建。实践中，这通过至少λ_r3/5的光谱分离来反映。

如上所述，像素可以被编码在最小尺寸为λ_r3/2的基本单元上，对应于衍射极限(低于该衍射极限，则不能归因于远场结构化)。

因此有可能在不同的光谱带中编码几个颜色的信息空间单元，例如可见光波段的图像和红外波段的图像。实际上，2个编码像素具有彼此的倍数的尺寸(例如，具有250nm像素的可见编码网格和具有2μm 像素的红外网格)，每个红外像素包含64个可见像素。

也可以根据任何偏振对一个或多个信息空间单元进行编码。

根据任何偏振，还可以在一个或多个光谱带中编码一个或多个灰度信息空间单元和一个或多个颜色信息空间单元。

尽管刚才已经描述了使用由长方体形状的衬垫形成的纳米天线的具体实施方式，但是本领域技术人员已知可以制造不同形状的纳米天线，并且用于形成等离激元纳米天线的金属垫的形状不限于长方体。

因此，图3A至3H示出了，从上面看，适用于形成等离激元纳米天线的金属-电介质-金属结构的一组金属衬垫。如上所示的呈现正方形衬垫类型(图3A)，圆形(图3B)，十字形(图3C)以及具有相同长度并沿着两个垂直轴线的组合矩形(图3D)的结构呈现偏振不敏感响应。

如上所示的呈现矩形形状(图3E)，椭圆形(图3F)，不对称十字(图3G)以及沿着垂直轴的不同长度的几个矩形组合(图3H)的结构具有偏振相关的光学响应。

图3E、3D和3H示出了已经通过图2A至2D描述的长方体形衬垫的组合。如前所述，光学响应可以在“颜色”或灰度上变化。图3C和3G 显示了在俯视图中具有十字形构造的等离激元纳米天线。这些结构具有与图3D(相同长度的矩形)和3G(不同长度的矩形)所示纳米天线的行为基本相似的行为，并具有例如在Cui等人Laser&Photonics Review 8，495(2014)中描述的尺寸规则(rules of sizing)。

例如，已经在Cui等人的Laser&Photonics Review 8,495(2014)中描述了借助方形金属衬垫获得的等离激元纳米天线(参见图3A)。尺寸规则与长方体纳米天线相似，但它们具有与偏振无关的光学响应。在正方形纳米天线的情况下，如前所述，通过在给定的观测光谱带中观察并通过改变正方形的尺寸可以获得灰阶编码。

例如在相同的综述文章Cui等人Laser&Photonics Review 8,495 (2014)中描述了在俯视图中具有圆形形状的等离激元纳米天线。再次，光学响应是偏振无关的，尺寸规则与正方形等离激元纳米天线基本相似。以与正方形纳米天线相同的方式，通过观察给定的观测光谱带和通过改变圆的直径可以获得灰阶编码。

在俯视图中具有椭圆形形状的等离激元纳米天线具有与矩形形状的等离激元纳米天线基本类似的尺寸规则。

其他图案(星形，三角形，更复杂的十字等)也是可能的，但在设计单元的光学响应时具有较小灵活性的缺点。

图4A至4D也以俯视图示出了其中具有不同几何形状的等离激元纳米天线相关联的基本单元。

每个纳米天线具有自己的谐振长度，因此设计的基本单元使得可以根据是否观测到发射或反射编码装置，产生来自不同纳米天线响应的光学响应，其来自于加法或减法合成。在信息的光谱编码的情况下，这允许访问更多数量的光学响应或“颜色”。再次在这个例子中，一些基本单元显示出偏振不敏感的响应(图4A，4A，4C)，而图4D示出了其中“颜色”取决于偏振的示例。

图5至9更详细地图示了根据本描述的编码设备的实施方式。它们实施了矩形纳米天线，但同样可以设计成具有上述不同形状的纳米天线。这种选择将取决于是否希望纳米天线的光学响应是否被偏正。

图5A和图5B示出根据本说明书的编码设备10的应用的示例，其允许根据第一偏振的第一光谱编码和根据第二偏振的第二光谱编码，该装置旨在在给定的光谱带内以反射被观察到。

图5A示出了从上方看到的编码装置10；仅示出在每个单元中排列的基本单元和等离激元纳米天线的形状。编码设备由12个相同的基本单元101-112组成，其大小适合于人们想要编码的信息的像素的大小。每个基本单元内的等离激元纳米天线与根据两个偏振中的每个的响应相关联。水平纳米天线(根据x)编码TM偏振，垂直天线(根据y) 编码TE偏振。在这个示例中，每个等离激元纳米天线具有沿两个垂直方向中的任一方向布置的矩形形状。每个基本单元在一个方向上可以具有多达4个不同长度的等离激元纳米天线，因此在观测的光谱带中具有4个不同的共振波长。

当观察到编码装置在反射或发射中时，每个不同长度纳米天线的存在或不存在使得(根据每个偏振)可以在观察的光谱带中形成2⁴＝16种不同的光学响应。图5B因此示出了作为根据TE和TM偏振中的每一个的每个基本单元计算的波长的函数的光学响应301-312(该光谱分别由实线(TE)和虚线(TM))。

图6表示用于实现在两个光谱带(可见光和红外光)且根据两个偏振(TE，TM)中可观察到的着色的QR型码(“Quick Response”缩写) 或二维条形码型码的编码装置10的示例。图7A，7B和8A，8B示出了每个光谱带中的光学响应。

图6包括第一组基本单元100和第二组基本单元200，每个基本单元200包括基本单元100的子集。

根据两个正交偏振，基本单元100的大小被设定为在可见光波段中形成光学响应。因此，每个基本单元包括沿第一方向(例如平行六面体形状的纳米天线)定向的第一组纳米天线(用于根据第一极化编码第一空间信息单元)，和垂直方向定向的第二组纳米天线(用于编码根据第二极化的第二空间信息单元)。更确切地说，图6中水平(根据x)表示的纳米天线编码“垂直”偏振或TM，并且图6中垂直(根据y)表示的纳米天线编码“水平”偏振(或TE)。在这个例子中，编码是如前所述的“颜色编码”。因此，每个纳米天线可以采用三个长度中的一个长度，允许分别位于蓝色、绿色和红色的三个谐振波长λ_r1，λ_r2和λ_r3中的一个处的谐振吸收。在这个示例中，每个纳米天线或者存在或者不存在，这导致8 种可能的组合形成8种颜色，即红色，深蓝色，绿色，白色，黑色，粉色，浅蓝色和黄色，如图7A和图7B所示。观察可以使用肉眼进行，但也可以使用任何相机/照相设备。

基本单元200的尺寸也根据两个正交偏振而在红外波段(约2至 3μm)中形成光学响应。在该示例中，每个基本单元200包括在第一方向上定向的第一组最多2个纳米天线(用于根据第一偏振编码红外波段中的第一空间信息单元)，和以垂直方向取向的第二组至多2纳米天线 (用于根据第二偏振对红外中的第二空间信息单元进行编码)。在这个例子中，编码也是如前所述的“颜色编码”。每个纳米天线可以从两个长度中取一长度，允许分别位于2-3μm带内的两个谐振波长λ_r4、λ_r5之一处的谐振吸收。在这个例子中，每个纳米天线可以存在或不存在，这导致4种可能的组合形成4种颜色，如图7C和7D所示。使用标准的红外相机可以通过偏光镜观察。

图8A和8B，9A到9E示出了根据本描述的编码设备的发射观察。这是使用长方形平行六面体等离激元纳米天线完成的，所述纳米天线布置在30×30微米的单元上。在这个例子中，衬底是硅，金属是金，电介质是由二氧化硅形成的。下金属层具有200nm的厚度(光学不透明层)。电介质层的厚度为220nm。金属衬垫具有50nm的厚度。天线的宽度为100nm，其方向之一的长度在900和1450nm之间，步长为50nm (以在一个极化中编码11个发射灰度级)，并且在另一方向上具有5 个不同长度。用于在3-5微米的光谱带内可观察的发射的样品的温度为 373℃。在这个例子中，根据第一偏振编码第一图像“Molière”(图8A)，根据第二偏振编码第二图像(由字母“M”、“I”、“N”、“A”、“O”的叠加组成)。因此，图8A和8B是通过两个正交偏振器对加热装置进行发射观察得到的。在这些例子中，通过修改形成等离激元纳米天线的条的长度，在灰度上完成“Molière”的编码，这导致黑体曲线(参见图2D) 上的纳米天线的发射曲线的位移并因此改变光学响应。所有字母的编码在5个不同的光谱带中以灰度完成，分别居中于3.20微米，3.71微米，4.22微米，4.73微米，5.24微米。通过改变每个天线的长度获得每个字母的灰度。图9A至9E因此示出了通过分别以每个波长为中心的滤波器的观察结果。

对于所有这些例子，可以使用图10所示的编码方法。

图10示出了借助于根据本说明书的编码设备(例如如上所述的包括等离子体纳米天线的编码设备)的至少一个信息空间单元或“图像”的编码方法的示例。信息空间单元例如是形成可识别图案的信息空间单元(例如“Molière”或图8A和8B的字母)或形成QR型条形码的空间信息(如通过图6和图7A至图7D所示)，或者可以是表示一维空间信息的图像(例如一维条形码)。在所有情况下，人们寻求使信息的编码适应认证装置，特别是适应检测器的参数(光谱检测带，像素尺寸)和聚焦光学器件的参数(物镜的数值孔径)，例如如所述在图11A和11B中。

首先将图像切成像素或“像素化”(步骤S1)，像素大小取决于检测系统的参数。对于每个图像的每个像素P_j,i，其中i是像素在索引图像j 中的位置，被分配一个值，如前所述，该值可以是在给定观察范围内的灰度，或者“颜色”，即针对不同波长或波长范围的一组多个灰度值 (步骤S2)。然后(步骤S3)，根据先前描述的编码方法，在编码设备的支撑结构上确定位置i处的基本单元，这将使得可以为每个像素形成给定值的光学响应。最后的步骤(S4)包括根据已知的制造方法制造编码装置，例如在衬底上的金属沉积，电介质层的沉积，电子光刻(但可以用UV或纳米压印光刻替代)，用于形成金属衬垫，然后剥离(参见例如Lovesque等人"Plasmonic planar antenna for wideband and efficient linear polarization conversion",Appl.Phys.Lett 104,111105 (2014))。

图11A和11B示出了用于通过根据本说明书的编码设备对安全产品进行认证的设备的两个示例，用于分别进行反射和发射的认证。

根据该描述，图11A中所示的认证装置适用于编码装置10的反射认证。编码装置10例如集成在要被固定的物体(未示出)中。认证装置包括具有发射源20的发射装置，用于发射旨在照射编码装置10的准直光束I.发射源包括例如发射器21和光学准直透镜22。发射器适用于所需的观测光谱波段。例如，发射器是可见光源或红外光源，例如对应于大气发射带的3-5μm或8-12μm的光谱带之一。认证装置还包括具有检测系统30的检测通道，检测系统30用于接收由编码装置反射照明光束I而产生的光束R。检测系统30包括可由例如物镜、光学透镜或这些元件的任何组合形成的光学聚焦元件31，以及用于在观察光谱带中进行检测的检测器32。该检测器例如包括用于在可见光波段观察的 CCD或CMOS相机，像素尺寸为1至10μm。在红外波段中，检测器可以包括例如：微探测器探测器(3-14μm)，MCT探测器(波段I -1.5-5μm)，InGaAs探测器(1-1.8μm)。在一个或多个实施方式中，检测通道还包括一个或多个偏振器50和一个或多个光谱滤波器40。检测系统定义“像素大小”，“像素大小”由聚焦光学器件31的开口或检测器 32的基本检测器的大小限制的。在可见检测系统中，像素尺寸通常为1 至10μm；它受到衍射极限的限制，并且在像素变小时对信噪比有影响。红外探测系统的像素尺寸通常为15μm，但下一代探测器应会降至 10μm。

根据此描述，图11B中所示的认证装置适用于编码装置10的发射认证。它包括基本上类似于图11A中所示的探测通道，但是没有发射通道，因为它是被测量的编码设备的热发射而不是入射光波的反射。根据一个或多个实施方式，认证设备包括加热装置60，其能够在常规红外检测带中的波长处进行热发射。

在可见频带中，编码设备也可以用肉眼进行验证。因此，对于正常视力，个体可以以1弧分的角分辨率来区分图案，这对应于在近点处 (通常在25厘米的距离处)观察到的对象，以看到对象上在7和8μm 之间的像素。使用传统装置(放大镜，显微镜)可以降低到可见衍射极限。

尽管通过许多详细的实施方式进行了描述，但根据本说明书的编码设备和方法包括对于本领域技术人员而言显而易见的各种替代、修改和增强，并且理解这些不同的替代、修改和增强在本发明的以下权利要求限定的范围内。