[发明专利]水印防伪超表面装置及其设计方法

权利要求书

1.一种水印防伪超表面装置，其特征在于：

所述超表面由能够同时对红光和绿光响应的纳米砖形成纳米砖单元阵列组成，不同纳米砖单元结构之间的间隔为周期CS，不同位置的纳米砖单元对应不同的转角θ；所述转角θ为纳米砖长轴和x轴的夹角；

所述纳米砖单元结构对线偏光作用相当于起偏器；当入射红绿线偏光沿纳米砖长轴偏振时，红光将反射，绿光将透射；当入射红绿线偏光沿纳米砖短轴偏振时，绿光将反射，红光将透射；

偏振方向是指相对于x轴而言，所述x轴为衬底上表面的一条边：

①当入射光源是绿光时，依次通过一个偏振方向为0°的起偏器、水印防伪超表面和一个偏振方向为90°的检偏器时，将在水印防伪超表面的上表面观察到一幅单色连续灰度图案；将检偏器偏振方向转为135°，将看到单色灰度图案不变，但是在表面又叠加了一层防伪水印；

②当入射光源为红绿双色光时，依次通过一个偏振方向为0°的起偏器、水印防伪超表面和一个偏振方向为0°的检偏器时，将在水印防伪超表面的上表面观察到一幅叠加了防伪水印且为彩色的图案。

2.根据权利要求1所述的水印防伪超表面装置，其特征在于：

当双色光入射时，近场的彩色印刷图像实现红绿光之间连续的颜色调节；

当单色光入射时，近场灰度图案实现灰度的连续调节；

利用马吕斯定律I＝I₀cos²(θ)以及相关变式，能够在单色光照射情况下，实现水印的叠加与隐藏。

3.一种如权利要求1或2所述水印防伪超表面装置的设计方法，其特征在于：包含以下步骤：

(1)根据选定的两种入射光波长，通过电磁仿真软件，当入射线偏光垂直照射纳米砖单元时，沿长轴偏振的红光反射效率高，绿光透射效率高；沿短轴偏振的红光透射效率高，绿光反射效率高为目标，优化出纳米砖单元结构的周期CS、纳米砖单元结构的宽度W，长度L，和高度H；

(2)考虑单色绿光入射的情况，定义纳米砖的转角θ为纳米砖长轴和x轴的夹角，当起偏器偏振方向为0°，检偏器方向为90°；则反射绿光光强为I₁＝I₀sin²(2θ)，反射绿光光强I₁为θ的函数，且周期为π/2，即在0～π之间，根据这种入射情况下的单色目标图案，每个像素点的灰度有四个不同的转角作为候选转角；

旋转检偏器至135°，则反射绿光光强为观察光强I₁和I₂的函数图像，当0θπ/8时，I₁≈I₂；3π/8θπ/2时，I₁I₂；7π/8θπ时，I₁I₂；对于光强I₁而言，区间0θπ/8，3π/8θπ/2，7π/8θπ对应的强度是相等的，因此当入射光源改为红绿双色光时，当需叠加暗水印的区域，选择转角范围7π/8θπ；当需叠加亮水印的区域，选择转角范围3π/8θπ/2；当需不叠加水印的区域，选择转角范围0θπ/8；

由此实现单色光入射情况下，检偏器从90°转到135°时，能够在原图不变的基础上叠加亮与暗两种水印；由于所设计的纳米砖能够对红绿光同时响应，当入射光为红绿光，且起检偏器均为0°时，水印防伪超表面的上表面能够观察到一幅颜色介于红绿之间的彩色图案；

(3)根据步骤(2)确定的银纳米砖阵列结构，采用光刻工艺制备水印防伪超表面；

(4)当入射光为绿光，起偏器偏振方向为0°，检偏器方向为90°时，将在近场观察到一幅单色图案；将检偏器旋转至135°，将看到单色图案上叠加了亮和暗两种水印；将入射光切换为红绿光，检偏器旋转至0°，将看到一幅水印与背景颜色不同的图片。