[发明专利]光学可变的形态双折射结构和方法及其读取系统和方法

说明书

本申请是申请号为03156506.9、申请日为2003年9月3日、发明名称为“光学可变的形态双折射结构和方法及其读取系统和方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及光学设备和用于光学设备的读取器，尤其是，涉及衍射光栅光学设备和读取器。

背景技术

在文件和产品安全产业中，期望有一个可由任何消费者容易使用的低成本防伪设备。理想的情况是，该设备的制造成本要低廉，但是不可能复制，并且易于校验，但可适用于大量不同的文件和产品。尽管或许不可能满足这些理想的要求，本发明的各种具体实施例确实提供了低成本的防伪设备，它非常难于被复制或者实行逆向工程，并且具有明显不同于其他光学可变防伪设备的外观。事实上，采用一个偏振滤光器可以很容易观察到根据本发明的各种实施例制成的防伪设备的区别特征。

在一个表面上的光栅层的有效折射率取决于光栅取向和光栅轮廓，以及组成该层的材料的体积性质。具体而言，当光栅周期比入射在光栅上的光的波长小很多时，如果光的电场矢量与光栅线平行而非垂直，有效折射率就越高。如果组成光栅层的材料是金属的，层的反射率取决于电场矢量相对于光栅线的排列。在第一种情形中，光栅层是双折射的，在第二种情形中，光栅层是一个反射偏振滤光器。二者在这里都被称作“形态双折射”。

光栅制作中的一个常见问题是“重影”(ghosting)，这是在跨表面的光栅的位置或深度上的周期性误差。例如，在电子束制备的光栅中，重影可能是由驱动螺杆的不均匀摩擦、定位算法中的舍入误差，或者步进电机中的有限步长造成的。一个没有重影的特高频(短周期)光栅将不显示衍射效果。不过，如果重影具有大于可见光的波长的一半的周期，将呈现衍射效果，在白光中显示彩虹色。不过，在直接反射(0阶衍射)中高频光栅的偏振效果仍然明显。

形态双折射已由几个研究者演示并报道，并且已在商业上采用。例如，Nano-Opto Corporation(纳米光学公司)销售“SubwavePolarization Beam Splitter/Combiner”(子波偏振光束分离器/组合器)和“Broadband Polarizer For Optical Networking Applications”(用于光网络应用的宽带偏振器)，二者都采用了周期比光学波长小的表面起伏光栅。

发明内容

图形组成由高频表面起伏光栅结构形成，该表面起伏光栅结构在表面上的不同区域中具有不同的光栅特征。该光栅结构具有明显比一个光的第一波长短的第一光栅周期，从而入射到该光栅结构上的光的偏振被不同区域中的光栅结构改变了。结果，可以根据表面上不同区域中反射或透射偏振光的排列，来观看图形组成。所述光栅结构还具有一比光的半波长长的第二光栅周期，从而入射到该结构上的光被衍射，并且可以根据从表面衍射的光的排列来观看。可以由一个具有照明子系统(将照射光打到图形组成上)和图像检测子系统(接收和处理从图形组成反射的照射光)的读取器来检测图形组成。

附图说明

图1表示用于产生高频光栅的低频调制的曝光强度随位置的分布，该高频光栅可以产生可见的或者可感觉的衍射效果。

图2表示用于产生高频光栅来影响反射光的偏振的曝光强度随位置的分布。

图3表示根据低频正弦模式进行调幅的高频光栅。

图4a是不同区域具有不同的偏振和衍射性质的图形组成。

图4b、4c和4d是图4a所示的图形组成在具有不同偏振性质的光中曝光的等轴视图。

图4e显示了FBS可被照射来使衍射或“重影”成分可见的一种方法。

图5表示用低频周期性图案线性脉冲调制的高频光栅，用于产生和炫耀衍射光栅(blazed diffraction grating)一样的衍射效果。

图6表示一个高频光栅，其“开”与“关”的比率周期性变化，以便产生和炫耀衍射光栅相同的衍射效果，因为当光栅周期远远小于光的波长时，光栅“开/关”比率有效调制了光栅层的折射率。

图7是根据本发明的一个实施例用于读取FBS特征的读取器设备的示意图。

图8a表示一高频FBS光栅，其各个凹槽具有正弦曲线的形状，该正弦曲线具有比凹槽间的间距长的周期。因为凹槽的组合波阵面的法向表面与凹槽的平均方向(average direction)平行，所形成的低频衍射光栅的取向实际上垂直于高频光栅。