一種基于亞波長光柵結(jié)構(gòu)的多色光變器及其實現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于亞波長光柵結(jié)構(gòu)的多色光變器及其實現(xiàn)方法，其方法包括以下步驟：確定基底材料和鍍膜材料折射率；根據(jù)多色變換目標構(gòu)建評價函數(shù)；利用嚴格耦合波理論和全局優(yōu)化算法，結(jié)合評價函數(shù)，優(yōu)化出評價函數(shù)最小值時對應的光柵周期，光柵深度以及鍍膜厚度，以及各個顏色對應的方位角；依照各參數(shù)設置用于防偽的亞波長光柵結(jié)構(gòu)。本發(fā)明基于亞波長光柵結(jié)構(gòu)的多色光變器及其實現(xiàn)方法通過在亞波長光柵結(jié)構(gòu)上鍍一層膜以及相應的處理和計算方法，實現(xiàn)了在多個設計方位角上分別獲得多種不同顏色光的高反射率，增加了偽造難度。本發(fā)明多色光變器及其實現(xiàn)方法可以應用于公眾級防偽和專家級防偽，在光學防偽、包裝裝飾領域具有廣闊的應用前景。
【專利說明】一種基于亞波長光柵結(jié)構(gòu)的多色光變器及其實現(xiàn)方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種防偽領域的光變器裝置及其實現(xiàn)方法，尤其涉及的是一種基于亞波長光柵結(jié)構(gòu)的多色光變器及其實現(xiàn)方法。

【背景技術】
[0002]現(xiàn)有技術中，防偽裝置的應用廣泛，例如用于身份識別的身份證驗證，用于票據(jù)交換的票證防偽，用于金融服務的各種有價證券識別和防偽等，對被識別的防偽對象來說，需要預先設置能夠再現(xiàn)和識別的特征，并進行比對進行鑒別防偽。
[0003]目前，已經(jīng)有將亞波長光柵結(jié)構(gòu)應用于防偽領域的技術，亞波長光柵的特征尺寸小于入射波長，光與亞波長光柵作用時，只產(chǎn)生零級光，經(jīng)設計優(yōu)化后，亞波長光柵表現(xiàn)出高透(反)射率、強波長敏感性和入射角度敏感性等特點，因此被應用于制作窄帶濾波器、抗反射片、偏振器件等?；趯９舱裨碓O計的亞波長光柵，能在不同的觀察方向上呈現(xiàn)出各向異性彩色變化效果，是這些年光學防偽領域的研究熱點。
[0004]亞波長光柵的零級衍射效率會隨著入射光方位角變化，在不同的方位角觀測時不同波段光的反射效率不同，因此亞波長光柵的零級衍射效率對入射光的波長具有選擇性，這種特殊的衍射特性可以用于防偽技術中。
[0005]亞波長光柵的衍射特性須用矢量分析方法進行分析，其衍射效率不同于標量衍射僅依賴于光柵的占空比，還與入射光的波長、入射角、方位角、偏振角、入射區(qū)域和光柵區(qū)域的折射率分布、光柵槽形狀、周期、槽深等參數(shù)有關。需要利用矢量設計理論嚴格耦合波法分析亞波長光柵的入射條件與光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對零級衍射效率的影響。
[0006]許多研究團隊對亞波長光柵結(jié)構(gòu)兩色光變技術進行了研究。1990年，Μ.T.Gale首次在光學安全和防偽系統(tǒng)國際會議(Conference on Optical Security andAnticounterfeiting Systems)上提出一種零級衍射器件 ZOD (Zero Order Device):當器件在自身平面內(nèi)轉(zhuǎn)動90°，反射光從紅轉(zhuǎn)換為綠。改變器件的參數(shù)，也可以出現(xiàn)其它顏色的互換。2003年法國Hologram Industries公司首次將該器件產(chǎn)業(yè)化,應用于烏克蘭農(nóng)業(yè)部管理證書。至今，亞波長兩色光變技術已廣泛應用于護照、身份證、支票、紙幣等防偽領域。在我國，也成功應用到二代身份證、新版駕照上等。蘇州大學陳林森研究員課題組于2008年提出一種埋入式亞波長光柵結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在自身平面轉(zhuǎn)動90°，呈現(xiàn)紅、藍兩色的轉(zhuǎn)換；2012年，該課題組將兩色光變的研究波段拓展到紫外波段，實現(xiàn)綠光與紫外光的轉(zhuǎn)換。天津科技大學的陳永利于2011年提出一種雙光柵結(jié)構(gòu)，以展寬兩色光變技術的共振帶寬、改善其光譜線型；2012年，陳永利提出一種金屬-介質(zhì)亞波長光柵的多層結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對TE波反射紅光、對TM波反射綠光、對自然光反射黃光的光學特性。但是該結(jié)構(gòu)層數(shù)較多，并且需要借助偏振片觀察光變現(xiàn)象?；趤啿ㄩL二元簡單周期矩形結(jié)構(gòu)實現(xiàn)三色及以上光變，目前國內(nèi)外尚未見相關報道。
[0007]根據(jù)亞波長結(jié)構(gòu)的導模共振原理，波導光柵結(jié)構(gòu)利用周期調(diào)制的介質(zhì)折射率使外部傳播波與波導光柵結(jié)構(gòu)所支持的導波模發(fā)生耦合，從而使反射光譜中能量的分布發(fā)生一個急劇的躍變。根據(jù)這一特性，可以獲得特定波段的高反射率。在一個方位角或兩個方位角得到特定波長的高反射率相對比較容易實現(xiàn)，而在三個及以上方位角同時得到三種及以上顏色的波長的高反射率就很困難，目前還是技術研發(fā)的難點。多色光變技術應用于光變圖像防偽領域，勢必以其獨特的視覺效果、復雜的設計原理大大提高產(chǎn)品的防偽性能。因此，對多色光變器的研究一直是本領域普通技術人員的難點和重點，本領域技術還有待于改進和發(fā)展。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種基于亞波長光柵結(jié)構(gòu)的多色光變器及其實現(xiàn)方法，將嚴格耦合波法與全局優(yōu)化算法相結(jié)合，提出一種嵌入式亞波長二元矩形周期結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多色光變器實現(xiàn)方法，在亞波長兩色光變防偽技術的基礎上，實現(xiàn)方位角調(diào)節(jié)的紅、綠、藍三種以上顏色的轉(zhuǎn)換，研究成果可直接用于光變圖像防偽和包裝裝飾領域，突破國內(nèi)外兩色光變技術的局限。
[0009]本發(fā)明的技術方案如下:
[0010]一種基于亞波長光柵結(jié)構(gòu)的多色光變器實現(xiàn)方法，其中，包括以下步驟:
[0011 ] A、確定基底材料及其鍍膜材料折射率；
[0012]B、根據(jù)多色變換目標構(gòu)建評價函數(shù)；
[0013]C、利用嚴格耦合波理論和全局優(yōu)化算法，結(jié)合評價函數(shù)，優(yōu)化出評價函數(shù)最小值時對應的光柵周期，光柵深度以及鍍膜厚度，以及各個顏色對應的方位角；
[0014]D、依照步驟C的各參數(shù)設置用于防偽的亞波長光柵結(jié)構(gòu)。
[0015]所述的多色光變器實現(xiàn)方法，其中，所述亞波長光柵結(jié)構(gòu)的光柵周期為320nm至520nm，光柵深度為80nm至250nm，鍍膜厚度為5nm至130nm，占空比為0.35?0.75。
[0016]所述的多色光變器實現(xiàn)方法，其中，所述的多色光變器采用嵌入式結(jié)構(gòu)設計，用微納壓印方法在基底材料上形成亞波長光柵結(jié)構(gòu)，并在光柵結(jié)構(gòu)表面蒸鍍透明高折射率介質(zhì)，形成兩層嵌合材料結(jié)構(gòu)形成。
[0017]所述的多色光變器實現(xiàn)方法，其中，所述步驟B中的評價函數(shù)采用:
[0018]MF(Φ^ Φ8, ΦΓ, d, T, h) = k1MF_bTM+k2MF_bTE+k3MF_gTM+k4MF_gTE+k5MF_rTM+k6MF_rTE
[0019]
MF=αχ^[?-/7(Α ,00.^,,d,TJi)]"+xx^[0-；7(At,0°^,.,d,Tai)]"
2=1 j=l k=\
[0020]
MF hTE =ax力1-7?(2”90?O)]_ + ^x^[0-77(/lr90c,^,d,T,h)]_ + 7X^[0-/7(A^,90o,^,d,T,h)]"
^=l j=] 、 t=]
[0021]
MF _ =ax —"(々0。為』工1!)]%/^辦0 —"(A,,0o 為,d 工 h)]2 + rX&0 —"(4,0。,么,d,T,l!)]2
j=] i=l k=]
[0022]
MF_gTE=a,±[l
M<=1k=]
[0023]MF —rTM =ax2[l-"(々,(F?，T,h)]_ 十蘆x文[0-"(A尸0。為,d，T，li)]_ +y x丈[0-"(八.，0o,^,d，T，li)]—
k=] j=] 、 ?=)
[0024]
MF —rn =αχ^1 —"(A,r,90'f ,d,T,li)f+/Jx過0-"(Ar90。為,d,T,li)J 十yx玄[0-"U,.,90。,也,4^^
k=] j=] 、 /=1
[0025]其中，Φ,、Φ8、分別表示獲得藍光、綠光、紅光最高反射率的方位角；d為光柵深度，T為光柵周期，h為鍍膜厚度；λ i為藍光波段L1的波長，λ j為綠光波段L2的波長，λ k為紅光波段L3的波長；0°、90°分別代表TM波、TE波的偏振角a、β、Y為權重因子，且滿Mwvwk6 = I, α+β + γ = I。根據(jù)設計要求，m、
1、1(5、1(6在[0.1,0.3]范圍取值，a 在[0.5，0.9]范圍取值，β、Y 在[0.05，0.25]范圍取值。
[0026]所述的多色光變器實現(xiàn)方法，其中，所述步驟C還包括:
[0027]入射平面波在入射介質(zhì)層I區(qū)的歸一化電場可表不為:
[0028]Einc (x, y, z) =u exp {-j Lk0IiiSin Θ cos Φ χ+^η^?η θ sin Φ y+k0niCos θ (z+h)]}
[0029]其中u為歸一化電場矢量振幅，k0 = 2 Ji / λ 0 ；
[0030]用Rm表不m級反射波的歸一化電場矢量振幅,Tm表不m級透射波的歸一化電場矢量振幅，kxm表示m級衍射波矢的X分量，ky表示衍射波矢的γ分量，kzm表示m級衍射波矢的z分量；
[0031]入射介質(zhì)層I區(qū)的總電場可表示為
E1-U cxp {- j[k()n.sin Θ cos沴λ.+ k{)n; sin Θ sin φ ν + UiJii cos0(z + /?)]}
[0032]+^Rh cxp {-.；μΜΧ + kvy - kl zm (z + /;)]}
m
[0033]覆蓋層II區(qū)的總電場可表不為
[0034]馬 I

exp[-J(kw>,x + kyy — U] + X Tnm {-j\Anx + kyy + kllzm (z + h)]}
mm
[0035]基底層IV區(qū)的總電場可表不為
[0036]五IV= ΣΓ,ν? exP.,,x + kyy + (ζ - ^)]}

m
[0037]其中


ιηλ
[0038]kxm =^η;?ηθ^φ-.^-) ky = ^η:?ηθ?ηψ

Jk~n； -k；m —k~v (k~wl +々;:< k?n；)
[0039]khzm = 1--(/ = 1, II, IV)
~.1VkIm +/il nJ (人+K > KnJ)
[0040]其中在I 區(qū)，n〗=Iii,在 II 區(qū)，ηπ = nc,在 IV 區(qū)，nIV = ns ；
[0041]由麥克斯韋旋度方程Vx五=-/Y辦可求出入射介質(zhì)層I區(qū)、覆蓋層II區(qū)、基底層IV區(qū)的的磁場分量；
[0042]將光柵層III區(qū)的電場矢量與磁場矢量表示成空間諧波的傅立葉級數(shù)展開，即

【權利要求】
1.一種基于亞波長光柵結(jié)構(gòu)的多色光變器實現(xiàn)方法，其特征在于，包括以下步驟: A、確定基底材料及其鍍膜材料折射率； B、根據(jù)多色變換目標構(gòu)建評價函數(shù)； C、利用嚴格耦合波理論和全局優(yōu)化算法，結(jié)合評價函數(shù)，優(yōu)化出評價函數(shù)最小值時對應的光柵周期，光柵深度以及鍍膜厚度，以及各個顏色對應的方位角； D、依照步驟C的各參數(shù)設置用于防偽的亞波長光柵結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權利要求1所述的多色光變器實現(xiàn)方法，其特征在于，所述亞波長光柵結(jié)構(gòu)的光柵周期為320nm至520nm,光柵深度為80nm至250nm,鍍膜厚度為5nm至130nm,占空比為0.35 ?0.75。
3.根據(jù)權利要求1所述的多色光變器實現(xiàn)方法，其特征在于，所述的多色光變器采用嵌入式結(jié)構(gòu)設計，用微納壓印方法在基底材料上形成亞波長光柵結(jié)構(gòu)，并在光柵結(jié)構(gòu)表面蒸鍍透明高折射率介質(zhì)，形成兩層嵌合材料結(jié)構(gòu)形成。
4.根據(jù)權利要求1所述的多色光變器實現(xiàn)方法，其特征在于，所述步驟B中的評價函數(shù)米用:
MF(<tb，Φ8, ΦΓ, d，T，h) = k1MF_bTM+k2MF_bTE+k3MF_gTM+k4MF_gTE+k5MF_rTM+k6MF_rTE
MF —bTM = αχ ^[1-/?(；.,.0°,4,d,T.h)]" + /?χ^[θ-d,T,h)]" + y X ^[O-d,T,h)]"
i=\ /=1 ^ k=\ MF _bTE =α><^[?-η(λη90ο^Α,?Μ)]~ ++ γχ^[0-η{λ^90ο,φι.Α,?,]?)]~
f=1 j=] 、 k=] MF =αχ^[1 —"(+,。。，‘(!工!!)]- + ^+ [0-/7(4,00,^,d,T,h)]~
j.=]i=\fc=3 L2LiI,^
MF —gTE =αχ^[\-η(λΓ 90°, φ$, d, T, h)]~ + # x藝[Ο —"(2”90。,成，d，T，li)]- + / χ[[0 — "(2ρ90°?Τ,1ι)]~
/=1 i=l
MF _,.m =ax￡[l-^,0o,f,d,T,h)]2ry6x￡[0-/7(；v0o^.;,d,T,h)]2+yxX[0-17(A(.0o,^,d,Tai)]2 k=\ /=1 i=l I,L22L1
MF _rTe = a X ￡[1 - ^(A/r,90°,f ,d,T,h)]2 + /J x ￡ [o - 77(^, 90°,f, ,d,T,h)] +r x^[0-^(A;,90°,^,d,T,h)]2 k=] /=1 i=1 其中，ΦΙκ Φδ, Φι.分別表示獲得藍光、綠光、紅光最高反射率的方位角；(1為光柵深度，T為光柵周期，h為鍍膜厚度；λ i為藍光波段L1的波長，λ j為綠光波段L2的波長，λ k為紅光波段L3的波長；0°、90°分別代表TM波、TE波的偏振角a、β、Y 為權重因子’且滿足!^+!^+!^+!^+!^+!^= 1，α+β + y = 1，K1'K2、K3、K4、K5、K6 在[0.1,0.3]范圍取值，α在[0.5,0.9]范圍取值，β、Y在[0.05,0.25]范圍取值。
5.根據(jù)權利要求4所述的多色光變器實現(xiàn)方法，其特征在于，所述步驟C還包括: 入射平面波在入射介質(zhì)層I區(qū)的歸一化電場可表示為:
Einc (X，y, z) =u exp {-j Lk0IiiSin Θ cos Φ χ+^η^?η θ sin Φ y+k0niCos θ (z+h) ]} 其中u為歸一化電場矢量振幅，k0 = 2 31 / λ 0 ； 用Rm表不m級反射波的歸一化電場矢量振幅,Tm表不m級透射波的歸一化電場矢量振幅，kxm表示m級衍射波矢的X分量，ky表示衍射波矢的y分量，kzm表示m級衍射波矢的z分量; 入射介質(zhì)層I區(qū)的總電場可表示為
E1 = U exp [-Ak^ni sin 0 οο^φχ + ^ni sin 0 sin φν + kt、n丨 cos0(z-r h)]}
+Σ R\ I: cxP {-./Vy+k,y - kL,,, (z+Λ)]?
m 覆蓋層II區(qū)的總電場可表示為
而=Σ& exp[—Μ?-'.+ kyy — ku ιΗζ)] + [ {-/μ'"Γν + k'.y + kll iH(z + /?)]} mm 基底層IV區(qū)的總電場可表示為
[u = Σ 廠 cxp l~Ak ?"Λ_+k,y+kr., (ζ - ")] I
m 其中
mX
Km = K (fh sin 0 cos 0 ~γ.) ky = ^niSirx Θ sin φ
Jk(,nj -k；m -k； (k:m +k； < k^nt ) I1 = Γ _____ ■ …(/-LU.1V)
+K - Κη? ? +k'y > k^nj)
其中在 I 區(qū)，Ii1 = Iii,在 II 區(qū)，ηπ = nc,在 IV 區(qū)，nIV = ns ；由麥克斯韋旋度方程=可求出入射介質(zhì)層I區(qū)、覆蓋層II區(qū)、基底層IV區(qū)的的磁場分量； 將光柵層III區(qū)的電場矢量與磁場矢量表示成空間諧波的傅立葉級數(shù)展開，即
^iii = Σ f(z K + srm(zK + s,? (z )e.1 cxp[- j(k,,tlx+k,y)]
mI
(^0^2
開III = —j — Σ [R? (z)( + U',m ^eV + u:m (z)( ] ^V1-JikxmX + kvy)] {Mn) m■■ 式中，ε C1為真空介電常數(shù)，Sm(z)、Um(z)為第m級空間諧波場的歸一化電場振幅和歸一化磁場振幅； 根據(jù)麥克斯韋方程得到矩陣形式的耦合波方程組: —οO -MX ^Kx-Uf




左O 夂 I n n ^1-KvC-lKv KvC-lKx「S,^ K KSy ? _ K;-, C 0 0^Jjy _
k02C-K; KvKx —-0 0 _ KK_ 其中，κχ、Ky分別是以kx、ky為對角元素組成的對角陣，C為傅里葉系數(shù)Cp組成的M維方陣，其第(m，P)個元素為cm_p ;由這個方程組可以求出Sx、Sy、Ux、Uy ； 在入射介質(zhì)層與覆蓋層的邊界處、覆蓋層與光柵區(qū)的邊界處、光柵區(qū)與基底層的邊界處運用邊界條件，同時考慮入射層、基底層中電場矢量與光波矢量的正交條件:
KxRix+KyRjy-Klj zRIz 一 O
KxTIVx+KyTIVy+KIV, zTIVz — O 利用以上方程，可求出R和T，即可得到任意偏振波入射一維嵌入式矩形光柵結(jié)構(gòu)各級反射波和透射波的衍射效率:
來I2來丨2)
6.根據(jù)權利要求1所述的多色光變器實現(xiàn)方法，其特征在于，所述光變器采用亞波長二元矩形周期結(jié)構(gòu)三色光變器，并且設定優(yōu)化初始條件為:自然光入射角Θ為40°至50°，偏振角Ψ=0°或90°，入射介質(zhì)為空氣且折射率Iii = 1.0，光柵占空比f為0.35?0.75，基底材料為折射率1在1.45?1.85之間的聚酯材料，鍍膜為折射率η。在1.8?2.5之間的透明高折射率介質(zhì)，采用氧化鋅膜，折射率為2.0 ;通過多次迭代優(yōu)化的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)為:光柵周期T為420nm至460nm,光柵深度d為120nm至200nm,鍍膜厚度h為35nm至75nm，并且在方位角為10°?15°、65°?70°、85°?90°時，分別在藍光波段、綠光波段、紅光波段有較高反射率。
7.根據(jù)權利要求1所述的多色光變器實現(xiàn)方法，其特征在于，所述光變器采用亞波長二元矩形周期結(jié)構(gòu)三色光變器，并且設定優(yōu)化初始條件為:自然光入射角Θ為40°至50°，偏振角Ψ=0°或90°，入射介質(zhì)為空氣且折射率Iii = 1.0，光柵占空比f為0.35?0.75，基底材料為折射率1在1.45?1.85之間的聚酯材料，鍍膜為折射率η。在1.8?2.5之間的透明高折射率介質(zhì)，采用硫化鋅膜，折射率為2.356 ;通過多次迭代優(yōu)化的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)為:光柵周期T為380nm至420nm，光柵深度d為151nm至205nm，鍍膜厚度h為1nm至40nm，并且在方位角為0°?5°、55°?60°、85°?90°時，分別在藍光波段、綠光波段、紅光波段有較高反射率。
8.一種基于亞波長光柵結(jié)構(gòu)的多色光變器，其包括在聚酯材料上形成的一簡單周期的亞波長光柵結(jié)構(gòu)；其特征在于，還包括在該亞波長光柵結(jié)構(gòu)上設置的一層透明覆蓋層，并采用權利要求1至7任一所述的實現(xiàn)方法確定所述光變器。
9.根據(jù)權利要求8所述的基于亞波長光柵結(jié)構(gòu)的多色光變器，其特征在于，所述多色光變器設置在待防偽的證卡上，并用該亞波長光柵結(jié)構(gòu)構(gòu)成一預定的圖案，普通白光照射情況下，當該證卡在自身平面內(nèi)轉(zhuǎn)動時，在預先設定的多個不同方位角該圖案將呈現(xiàn)設定的不同顏色，以此判斷該證卡的真?zhèn)巍?br> 10.根據(jù)權利要求8所述的基于亞波長光柵結(jié)構(gòu)的多色光變器，其特征在于，所述多色光變器設置在待防偽的證卡上，并用該亞波長光柵結(jié)構(gòu)構(gòu)成一預定的圖案，用白光做光源的反射率測量儀對所述防偽證卡上的圖案進行檢測，在預先設定的不同方位角測量不同顏色之較高反射率，以通過是否符合預先設定的反射率分布判斷該證卡的真?zhèn)巍?br> 【文檔編號】G02F1/01GK104166248SQ201410395747
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月12日 優(yōu)先權日:2014年8月12日
【發(fā)明者】徐平, 袁霞, 黃海漩, 楊拓 申請人:深圳大學