一种基于空频复用的超表面图像防伪方法与流程

本发明属于微纳光学技术领域，尤其涉及一种基于空频复用的超表面图像防伪方法。

背景技术：

由于仿造技术和手段的日益精细，为了保护企业品牌和消费者利益，防伪技术越来越重要。为了达到防伪的目的，防伪技术需能在准确鉴别真伪的同时又不易被仿制。近年来，超表面由于其超薄的亚波长结构、可对电磁场振幅、相位、偏振态等进行精确地操控的优势备受关注。作为二维平面材料，超表面可通过结合一些控制方式来实现很多的功能，例如，可以通过改变入射光偏振态来产生不同图像的超表面全息图，利用入射光圆偏振态的变化实现透镜的双档变焦功能等等。目前，有很多研究者利用超表面材料控制偏振态来实现一些具体的功能，但基于超表面纳米印刷并且同时叠加空间频率复用的设计尚未被提出和研究。由于该方法复制难度大，我们考虑将其作为一种图像防伪方法加以应用，这种基于空间频率复用的超表面防伪将会在未来具有很好的应用发展前景。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于空频复用的超表面图像防伪方法，作为图像防伪可提供可靠的防伪方法和手段，很大程度地提高防伪的安全性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于空频复用的超表面图像防伪方法，将处于不同的空间频域的两幅不同图像结合为一副混合图像，结合具有偏振片功能的超表面，在近场显示具有高分辨率的连续灰度混合图像，所述的混合图像通过两种不同的滤波器后，可提取出两幅不同的图像，超表面包括基底和刻蚀在其上的纳米砖阵列。

按上述技术方案，超表面采用银-二氧化硅的材料结构，顶层的银用以刻蚀纳米砖阵列，底层二氧化硅作为基底。

按上述技术方案，基底可划分为多个边长为c的纳米单元结构的工作面，每个纳米单元结构均由一个正方形的工作面和该工作面上刻蚀的一个纳米砖构成，纳米砖其结构尺寸长l、宽w、高h根据入射光波长设定，通过电磁仿真优化得到，且均为亚波长级。以单元结构直角边为x轴和y轴建立坐标系，纳米砖长边为长轴、短边为短轴，纳米砖的长轴与x轴夹角θ为纳米砖的转向角。

按上述技术方案，所述的纳米单元阵列中每个纳米单元结构具有偏振片功能，所述的纳米砖长轴的方向等效于偏振片的透光轴。以x线偏振光入射为例，出射线偏振光的偏振方向平行于纳米砖长轴，即与x轴呈θ角。

按上述技术方案，所述的出射线偏振光通过检偏器后符合马吕斯定理，即

i＝i0(cosθ)²

其中，i0为经超表面后出射光光强，θ为入射线偏光的偏振方向与纳米砖长轴方向的夹角，i为经检偏器后线偏光的光强，可以通过改变θ的大小实现任意的灰度调节。

按上述技术方案，分别对两幅不同的图像提取其高频信息和低频信息，并将这两个空间频域的分量叠加，从而产生一副混合图像，利用高通滤波器和低通滤波器，可以从所述的混合图像中得到高频分量或低频分量所对应的图像。

按上述技术方案，当线偏光入射所述超表面时，其光强和偏振方向均被调制后作为反射光出射，通过对纳米砖阵列的转向角分布进行设计，可以使所述的具有高分辨率的连续灰度混合图像在近场显示。

本发明方法将两幅不同图像分别提取其高频信息和低频信息，两种空间频率信息叠加在一副混合图案中，联合空间频率复用的原理与超表面的功能，具有半波片功能的超表面可以控制线偏振光的偏振方向，并结合马吕斯定律可在近场实现连续灰度图像的显示。将其应用于图像防伪时，超表面所显示的混合图案可分别在高频和低频两个空间频域中提取出两幅不同的高分辨率图像。

本发明产生的有益效果是：1.本发明所提出的超表面图像防伪方法，利用空间频率复用，可在获得一个具有高分辨率的混合图像的同时，分别从高频通道和低频通道获得两种不同的图像信息，两条通道所对应图像信息互不影响，可利用特定的方式进行提取验证。

2.本发明所提出的超表面图像防伪方法由于具有两种信息图案并且其提取空频通道也需进行特殊设置，因此具有加密功能，复制和仿造难度大，作为图像防伪可提供可靠的防伪方法和手段，很大程度地提高防伪的安全性。

3.本发明所采用的超表面材料，其结构尺寸均为亚波长级，因此具有体积小、重量轻、可高度集成等特点，适应于未来小型化、微型化的发展。此外，由于超表面为二维平面材料，因此在加工制造方面较为简单并且可节约成本。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例中纳米单元结构示意图；

图2为本发明实施例中银纳米砖偏振片的原理示意图；

图3为本发明实施例中基于半波片的超表面的透射率及反射率扫描图；

图4为本发明实施例中空间频率复用的原理图。

图5为本发明实施例示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种基于空频复用的超表面图像防伪方法的设计原理，通过将空间频率复用和超表面纳米印刷相结合，实现高安全性的图像防伪。

本发明实施例中所采用的超表面材料为银-二氧化硅的结构，顶层的银用以刻蚀纳米砖阵列，底层二氧化硅作为基底。单个纳米单元结构如图1所示，超表面材料由1-基底和2-纳米砖构成，单元结构的基底为边长为c的正方形工作面，其上刻蚀有一个纳米砖，纳米砖的长边为长轴、短边为短轴，其结构尺寸长l、宽w、高h均为亚波长级，θ为纳米砖的转向角。本发明提出的图像防伪方法所采用的超表面为由多个所述的纳米单元结构构成的纳米单元阵列，且纳米单元阵列中各相邻的纳米砖尺寸和中心间隔均相同。

以工作波长为λ＝633nnm为例，采用电磁仿真软件建模并仿真，以线偏振光垂直于工作面入射，作为实施例，所建的纳米单元结构模型中纳米砖的长轴沿x轴、短轴沿y轴并分别以x线偏振光和y线偏振光入射。在工作波长下扫描纳米单元的结构参数，包括l、w、h、c，以偏振方向沿纳米砖长轴的x线偏振光的反射率最高透过率最低、偏振方向沿纳米砖短轴的y线偏振光的透过率最高反射率最低为优化对象，扫描结果如图3所示。当工作波长为633nm时，x线偏振光的反射率和y线偏振光的透过率均高于90％，而x线偏振光的透过率和y线偏振光的反射率均低于10％，此时纳米单元的结构参数为：c＝300nm、l＝160nm、w＝80nm、h＝70nm。

本发明中所采用的超表面中每一个纳米单元结构均等效为一个偏振片，以单个纳米单元结构为例，如图2所示，以基底工作面的两个直角边为x轴和y轴建立坐标系，为简化说明，以强度为i0的x线偏振光入射为例，，经过纳米砖后，出射线偏振光的偏振方向发生改变，对于反射线偏振光，其偏振方向沿纳米砖长轴的方向，相对原偏振方向偏转了θ的角度，因此可对每个纳米单元结构的纳米砖的转向角θ进行设计调节，从而使通过各个纳米单元结构的线偏振光的偏振方向都不尽相同。

根据马吕斯定理，即：

其中，i0为经超表面后出射光光强，为入射线偏光的偏振方向与纳米砖长轴方向的夹角，i为经检偏器后线偏光的光强，可以通过改变的大小实现任意的灰度调节，即当检偏器的检偏方向保持不变时，以一个纳米单元结构作为一个像素，可以通过控制各个纳米单元结构的纳米砖转向角θ来对每个像素的连续灰度调控从而实现一个高分辨率的连续灰度图像的显示。

基于上述原理，可对超表面纳米印刷所显示的灰度图像进行任意设计。本发明提出一种基于空频复用的图像防伪方法，该方法将两幅图像的不同空间频域的分量提取并叠加起来合成一幅混合图像。作为实施例，我们选用两幅像素尺寸同为784×743的图像，分别为“老虎”和“熊猫”。图3为本发明实施例中基于半波片的超表面的透射率及反射率扫描图。如图3、图5所示。在空间频域中将图像“老虎”的低频分量和图像“熊猫”的高频分量提取，他们的截止频率分别设置为35c/i(周期/图像)和60c/i，图像的低频分量包含更多的轮廓信息而高频分量涵盖更多的细节信息，如图4所示，图中d、e分别为图像“老虎”和“熊猫”经过低频滤波和高频滤波后的空域图像。将已提取的高频分量和低频分量结合，可获得一副混合图像，如图中f所示，该混合图像同时包含“老虎”的低频信息和“熊猫”的高频信息。由于人眼视觉系统在不同距离处对不同的空间频率敏感程度不同，因此可以发现混合图像f在较远处和较近处分别可观察到“老虎”和“熊猫”两个不同的图像。

本发明发法中，基于上述原理，将基于半波片的超表面纳米印刷与空频复用的方法相结合，将所述的混合图像利用超表面显示，可应用于图像防伪。两幅图像所提供的高频信息和低频信息可作为两种验证方式，将小画幅的混合图像作为标志刻蚀在所需防伪的产品上，所观察到的图案为具有低频信息的“老虎”图像，当利用放大设备放大该图像时会进一步观察到具有高频信息的“熊猫”图像以及其精细的花纹，并且利用超表面纳米印刷的显示方式，使该防伪方式仿制难度大，安全性高，因此在未来将具有很好的应用发展前景。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。