專利名稱：衍射光的二元光柵結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1和10前序部分中所述的衍射光的二元光柵結(jié)構(gòu)和其在安全元件(Sicherheitselement)中的應(yīng)用。
這種光柵結(jié)構(gòu)具有一種特別高的衍射率和一種鮮明的被衍射光的非對稱性和偏振性，并適合于作為已知平面圖形在視覺上的安全標(biāo)記，該平面圖形由涂覆有衍射結(jié)構(gòu)的平面元件的拼接圖形所組成。
DE 32 06 062 A1示出一種簡單的二元光柵結(jié)構(gòu)和其在安全標(biāo)記上的應(yīng)用。二元光柵結(jié)構(gòu)具有一種由剖面形狀構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)遵循一種簡單的周期性矩形函數(shù)。矩形函數(shù)的占空比(Tastverhaeltniss)，即凹谷寬度相對于矩形結(jié)構(gòu)周期長度的比例，是不變的并且其數(shù)值為50％，由此使被衍射的光包含最大的色飽和。
EP 0 712 012 A1描述了一種包括二元光柵結(jié)構(gòu)的安全標(biāo)記的進(jìn)一步構(gòu)成。安全標(biāo)記的平面元件涂覆有周期性矩形結(jié)構(gòu)。矩形函數(shù)的占空比越過平面元件連續(xù)地從最大值變化到最小值，使得在照射平面元件時色飽和度在平面元件內(nèi)部的某個范圍達(dá)到最大。此外示出非周期性矩形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)以對于衍射結(jié)構(gòu)任意選擇的深度和寬度尺寸設(shè)置，以便提高安全元件的贗品安全性。但是所生成的圖形是非常復(fù)雜的并且使被觀察者難以鑒別真正的安全元件。
由US 4'846'552已知一種電子射線平版印刷方法，用于加工聚焦光學(xué)元件的二元光柵結(jié)構(gòu)。對于占空比為50％的簡單矩形結(jié)構(gòu)也可以通過適當(dāng)?shù)剡x擇結(jié)構(gòu)深度，例如矩形結(jié)構(gòu)周期長度的25％，來實(shí)現(xiàn)對于線性偏振光的高衍射率。二元光柵結(jié)構(gòu)的重要性源于這樣的事實(shí)，即這種結(jié)構(gòu)能夠以更高的精度加工并可以通過模型復(fù)制。
上述的簡單矩形結(jié)構(gòu)可以通過全息照相措施進(jìn)行復(fù)制，其中對于占空比為約50％的對稱矩形結(jié)構(gòu)的復(fù)制只產(chǎn)生較少的衍射率損失。矩形結(jié)構(gòu)越不對稱，復(fù)制的衍射率損失就越嚴(yán)重。按照EP 0 712 012 A1矩形結(jié)構(gòu)的占空比沿著給定方向連續(xù)地變化，具有這種矩形結(jié)構(gòu)的平面元件在復(fù)制中衍射色彩的強(qiáng)度變化代替色飽和變化。因?yàn)橐环N色飽和變化與一種色強(qiáng)度變化在沒有以真正的安全元件為基準(zhǔn)的條件下是難以從視覺上進(jìn)行區(qū)分的，所以不能立刻識別出未經(jīng)授權(quán)的安全元件復(fù)制品。
按照本發(fā)明上述目的通過權(quán)利要求1和10給出的特征來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的有利擴(kuò)展結(jié)構(gòu)由從屬權(quán)利要求給出。


圖10a-c為圖9a-c中的圖形旋轉(zhuǎn)180°后的平面圖形；圖11為平面圖形的另一實(shí)施例；圖12為二維臺型結(jié)構(gòu)。
周期性的二元光柵結(jié)構(gòu)衍射電磁射線。用于從視覺上評價安全標(biāo)記的光柵結(jié)構(gòu)的周期T長度和剖面高度h要適配于可見光的波長λ，其波長λ的光譜在380nm＜λ＜780nm范圍內(nèi)。周期的數(shù)值T為例如從250nm至5000nm范圍之間。條件λ/T≥1被視為“零階(Zero Order)”微觀結(jié)構(gòu)。對于“零階”微觀結(jié)構(gòu)所有衍射階(Beugungsordnung)除零階以外被遏制。而在條件λ/T＜1的條件下射入二元光柵結(jié)構(gòu)的光也在更高的衍射階內(nèi)衍射。如果周期T≤2μm時，這種微觀結(jié)構(gòu)不能以通常的全息照相方法進(jìn)行復(fù)制。
凹谷4的剖面高度h是恒定的。顯微臺型結(jié)構(gòu)2是光學(xué)有效的并具有相互平行的筆直、蜿蜒或彎曲的凹谷4和高臺5。臺型結(jié)構(gòu)2作為周期性光柵結(jié)構(gòu)由其參數(shù)進(jìn)行描述，這些參數(shù)包括相對于辨別方向的方位角周期T或空間頻率f＝1/T、臺型結(jié)構(gòu)2的剖面形狀、剖面高度h。在臺型結(jié)構(gòu)2內(nèi)的幾何剖面高度hG不能與光學(xué)有效的剖面高度h相混淆。如果以折射率n＞1的透明材料充滿凹谷4，則以折射率n乘以幾何剖面高度hG就成為光學(xué)有效的剖面高度h。光學(xué)有效的剖面高度h可以在25nm至5000nm范圍里選擇，其中剖面高度h的優(yōu)選數(shù)值在下限至四分之一波長λ/4。如果在這里所示的基片1具有負(fù)的臺型結(jié)構(gòu)2剖面形狀，則基片1適合于以塑料形成臺型結(jié)構(gòu)2或由非常軟的金屬(Ag，Al，Au，Cu等)進(jìn)行壓印。這一點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)地復(fù)制臺型結(jié)構(gòu)2。較硬金屬，如鋼材、用于硬幣的銅鎳合金等通過已知的金屬蝕刻方法形成結(jié)構(gòu)。
圖2a至2c示出具有臺型結(jié)構(gòu)2的安全元件的不同層合材料8的橫剖面圖。在圖2a中臺型結(jié)構(gòu)2成形在由透亮或透明塑料制成的基膜9上。在一種加工方法中未加工的基膜9在形成臺型結(jié)構(gòu)2之前單面覆蓋至少一層透明的熱塑性漆層10。臺型結(jié)構(gòu)2成形在漆層10里面。在一個經(jīng)濟(jì)的實(shí)施例中漆層10在成形前已經(jīng)被覆蓋一層金屬的或介電的反射層11。對于另一種成形方法，基膜9被通過可紫外光硬化的、透明的漆層10覆蓋。臺型結(jié)構(gòu)2的底模在硬化過程中成形在還是軟的、還可稍微變形的漆層10里面。對于這兩種方法漆層10的厚度大于剖面高度hG(圖1)。如果基膜9只用來作為漆層10的支承層，以便實(shí)現(xiàn)非常薄的層合材料8，則在基膜9與漆層10之間構(gòu)成一個由虛線12在圖2a視圖中表示的分隔層。分隔層可以在將安全元件涂覆到基體上以后實(shí)現(xiàn)去除基膜9。在硬化后涂覆金屬的或介電的反射層11。由反射層11產(chǎn)生的折射率n階躍使具有臺型結(jié)構(gòu)2的分界面14光學(xué)有效。接著在成形面涂覆充滿進(jìn)凹谷的保護(hù)層13。接著對保護(hù)層13的外露表面配上粘接層15，或者保護(hù)層13的材料本身是粘接劑。透過設(shè)置在臺型結(jié)構(gòu)2上的層9、10可以看到安全元件。如果不僅反射層11、保護(hù)層13和可能的粘接層15是透明的，而且安全元件也是透明的，因此適合于保護(hù)在文獻(xiàn)上的特殊標(biāo)記。透過粘接到文獻(xiàn)上的安全元件可以看到該標(biāo)記。
透明材料是光學(xué)明亮的，它能夠透過整個可見光光譜(＝透亮材料)或者只透過某個可見光光譜段(＝彩色材料)。
在圖2b中的層合材料8示出覆蓋層16和基層17的另一種結(jié)構(gòu)，其整個分界面14確定臺型結(jié)構(gòu)2(見圖1)。兩種層16、17的材料在其折射率n1、n2上是不同的并同樣影響到定義臺型結(jié)構(gòu)2的折射率階躍Δn。為了使臺型結(jié)構(gòu)2是光學(xué)有效的并從視覺上識別被衍射的光，必需使整個分界面14上的階躍Δn＝|n1-n2|＞0.1。在一個實(shí)施例中兩個層16、17是透明塑料。在另一實(shí)施例中基層17是金屬基片1(見圖1)，基片上配有透明的充滿凹谷4的由塑料制成的覆蓋層16。
在圖2b的實(shí)施例中左邊塑料層16也覆蓋高臺5，而在實(shí)施例中右邊塑料層16正好只充滿凹谷4。整個的、確定臺型結(jié)構(gòu)2(見圖1)的、位于基片1金屬表面與塑料層之間的分界面14具有高的衍射率E。對于右邊所示的層合材料8實(shí)施例，層17采用銅-鎳合金，如同在硬幣中所使用的那樣，在其表面上通過材料去除、例如通過蝕刻或強(qiáng)烈的激光加工出臺型結(jié)構(gòu)2。
受加工條件的限制，凹谷4的橫截面與理想的矩形形狀具有微小偏差。圖2c示出層合材料8(圖2a)的一個截段。通過層16與17之間的分界面14所確定的凹谷4的側(cè)壁18這樣V形地傾斜，使凹谷4具有梯形橫截面。此外棱邊在很大程度上倒圓，由于繪圖的原因這點(diǎn)在圖2c中未示出。與圖2c所示視圖相反，臺型結(jié)構(gòu)2的純矩形形狀偏差小到使橫截面看上去基本上為矩形。
在圖1中的臺型結(jié)構(gòu)2通過沿著路程x在箭頭19方向上的矩形函數(shù)M(x)(圖4)進(jìn)行描述，箭頭的指向平行于平面6并垂直于凹谷4。
圖3a至3c和圖4作為示例示出周期性矩形函數(shù)R1(x)，R2(x’)，R3(x”)和M(x)，這些函數(shù)表示沿著路程x、x’、x”的兩個前后相繼的周期T。矩形函數(shù)M(x)由至少三個相移的矩形結(jié)構(gòu)R1(x)、R2(x’)、R3(x”)的加法重疊而產(chǎn)生，并具有臺型結(jié)構(gòu)2的周期T。在對M(x)求和時第N個矩形結(jié)構(gòu)R1(x)、R2(x’)、R3(x”)相互間包括這樣的一個相移φ1、φ2、φ3…，使一個矩形結(jié)構(gòu)的高臺5落入第N-1個其他的矩形結(jié)構(gòu)的凹谷4里面。這個條件保證和函數(shù)M(x)是二元光柵結(jié)構(gòu)。
在圖4中周期性矩形函數(shù)M(x)是N＝3的在圖3a至3c中表示的矩形函數(shù)之和。矩形函數(shù)R1在這個示例中具有一個相移φ1＝0°，因此和M(x)＝R1(x)+R2(x+φ2)+R(x+φ3)。
矩形脈沖R的脈沖寬度t與周期長度T的比例稱為占空比t/T。至少一個矩形函數(shù)R具有最高6％的占空比，例如在圖3c視圖中的矩形函數(shù)R3(x”)。在一個實(shí)施例中臺型結(jié)構(gòu)2的這個最小脈沖寬度t最大為入射的可見光波長λ的五分之一。
相移φ1、φ2、φ3、…和脈沖寬度t1、t2、t3、…是這樣確定的，一方面，在所產(chǎn)生的臺型結(jié)構(gòu)2的矩形函數(shù)M(x)中在兩個高臺5之間只有唯一的凹谷4具有大于七分之一周期T的最大寬度w。另一方面，至少一個凹谷4的最小寬度w最寬為波長λ的五分之一。所述參數(shù)，如數(shù)量N、周期T、剖面高度h、相移φ和脈沖寬度t等確定臺型結(jié)構(gòu)2。
臺型結(jié)構(gòu)2的最小結(jié)構(gòu)寬度受加工條件的限制不能超越。由最小結(jié)構(gòu)寬度表示設(shè)置在臺型結(jié)構(gòu)2中的脈沖寬度t和寬度w的最小數(shù)值。所能控制的受加工條件限制的最小結(jié)構(gòu)寬度取決于幾何剖面高度hG，因?yàn)楫?dāng)最小加工寬度大于幾何剖面高度hG一半時的成形將造成大的加工成形困難性。當(dāng)幾何剖面高度hG高至100nm時目前技術(shù)上所能達(dá)到的最小結(jié)構(gòu)寬度為約50nm。
根據(jù)上面提及的條件，構(gòu)成函數(shù)M(x)的矩形函數(shù)R(x)的數(shù)量N按照上面所述根據(jù)周期T和最小結(jié)構(gòu)寬度限制到10，其中N最好為3至5之間。
在一個周期為T的臺型結(jié)構(gòu)2實(shí)施例中，一方面所有高臺5在半周期T/2中的脈沖寬度t之和大于所有凹谷4在相同半周期T/2中的寬度w之和，另一方面所有高臺5在第二個半周期T/2中的脈沖寬度t之和小于所有第二個半周期T/2中的凹谷4寬度w之和。每個半周期T/2包括至少一個凹谷4和一個高臺5。這種臺型結(jié)構(gòu)2具有非對稱的衍射特性并使入射光非對稱地偏轉(zhuǎn)到不同的衍射階。非對稱的臺型結(jié)構(gòu)2從屬于一個辨別方向(光柵矢量)，該方向由一個在平面6內(nèi)垂直于凹谷4示出的箭頭19(圖1)來表示。
上述臺型結(jié)構(gòu)2具有微觀和超微觀結(jié)構(gòu)，即，結(jié)構(gòu)寬度小于光波長λ。對于這種結(jié)構(gòu)標(biāo)量理論不再能夠定性地描述超微觀的臺型結(jié)構(gòu)2的衍射特性。只有采用精確的電磁理論和詳細(xì)的計算，如同例如在海德堡Spring出版社1980年出版的由R.Petit撰寫的書籍“ElectromagneticTheory of Gratings(光柵的電磁理論)”中所敘述的那樣，可以通過花費(fèi)大量的計算描述具有超微觀結(jié)構(gòu)的臺型結(jié)構(gòu)2的衍射特性。在這里標(biāo)量理論失效，因?yàn)閷τ赥E和TM偏振電磁波在入射到二元光柵結(jié)構(gòu)上時光特性是完全不同的。
在TE偏振情況中，其中電場平行于臺型結(jié)構(gòu)2的凹谷4取向，在反射層11(圖2a)中或在分界層14(圖2b)中流動著這樣強(qiáng)的表面流(Oberflaechenstrom)，使臺型結(jié)構(gòu)2起到如同鏡面一般的作用。啟發(fā)性地說，TE偏振波的場沒有進(jìn)入臺型結(jié)構(gòu)2的凹谷4，因此不獲得臺型結(jié)構(gòu)2的效果。在TM偏振情況中，其中電場垂直于凹谷4，即指向臺型結(jié)構(gòu)2的箭頭19(圖1)方向，在層11或14上不這么容易產(chǎn)生表面流。因此TM波的電場可以進(jìn)入凹谷4的深處并通過臺型結(jié)構(gòu)2影響TM波的衍射。
衍射光的二元光柵結(jié)構(gòu)作為剖面形狀具有包括超微觀結(jié)構(gòu)元件的非對稱臺型結(jié)構(gòu)2，在以垂直于臺型結(jié)構(gòu)2的入射光照射時，這種光柵結(jié)構(gòu)顯示出特殊的衍射特性。入射光主要衍射成一個唯一的衍射階，而被衍射光在其余的衍射階中只有微少的、視覺上幾乎感覺不到的強(qiáng)度。在圖5a至5c中作為示例示出由三個周期T＝2μm的臺型結(jié)構(gòu)2在兩個周期T上的矩形函數(shù)M(x)。在橫坐標(biāo)上路程段x上以微米在箭頭19方向上標(biāo)注尺寸，而在縱坐標(biāo)上以納米標(biāo)出幾何剖面高度hG。二元光柵結(jié)構(gòu)按照圖2a埋在一個由塑料(折射率n≈1.5)制成的層合材料里面，其中反射層11(圖2a)由一個約40nm至70nm厚的鋁層構(gòu)成，該鋁層確定臺型結(jié)構(gòu)2。對于波長在λ＝435nm(藍(lán))至550nm(綠)范圍內(nèi)的光，下面描述的偏振和/或反差效應(yīng)比更長波長的偏振和/或反差效應(yīng)更加明顯。
如圖6a所示，由此實(shí)現(xiàn)對光柵結(jié)構(gòu)偏振能力影響的檢驗(yàn)，偏振濾光鏡20從入射到平面圖形21上的光22中濾出所不期望的TE偏振波或TM偏振波。偏振濾光鏡20以相同的作用布置在光柵結(jié)構(gòu)與觀察者眼睛之間，其中衍射光23、23’、24、24’被濾掉。
示例1圖5a中的二元光柵結(jié)構(gòu)具有臺型結(jié)構(gòu)2的剖面形狀，其描述的函數(shù)M(x)由表1中的N＝5個矩形函數(shù)R(x)組合而成。光柵結(jié)構(gòu)、光柵矢量的辨別方向由箭頭19表示。
表1

剖面高度hG為90nm而最小結(jié)構(gòu)寬度為75nm，其中最小結(jié)構(gòu)寬度不僅作為矩形函數(shù)R1的脈沖寬度t＝75nm，而且作為矩形函數(shù)R3和R4之間的凹谷4(圖1)的寬度w＝75nm。所有脈沖寬度明顯小于可見光的波長。
按照圖5a的臺型結(jié)構(gòu)2對于垂直入射光不僅TE偏振波(＝TE波)的大部分而且TM偏振波(＝TM波)的大部分衍射進(jìn)負(fù)一級衍射階。衍射進(jìn)負(fù)一級衍射階中的光強(qiáng)度明顯地、至少5倍地大于在垂直于凹谷4沿光柵矢量方向衍射進(jìn)其余衍射階之一的光。
圖6a示出平面圖形21，該圖形例如由兩個平面元件25、26所組成。矩形背景元件25這樣襯覆圖5所示的二元光柵結(jié)構(gòu)，使其辨別方向(dieausgezeichnete Richtung)平行于箭頭19取向。三角形的內(nèi)部元件26具有與背景元件25相同的二元光柵結(jié)構(gòu)，但是該二元光柵結(jié)構(gòu)的辨別方向與箭頭19取向相反。如果光22垂直入射到平面圖形21的結(jié)構(gòu)上，觀察者進(jìn)行觀察，例如他在與箭頭19相反的方向上在對于波長λ＝435nm(藍(lán))至550nm(綠)的一級衍射階的衍射角下看到，一個在負(fù)一級衍射階的衍射光23中明亮輻射的、藍(lán)色至綠色的背景元件25包括一個在正一級衍射階的衍射光24中微弱發(fā)光的、藍(lán)色至綠色的內(nèi)部元件26。如圖6b所示，如果平面圖形21在其平面里轉(zhuǎn)動180°，在平面圖形21上背景元件25和內(nèi)部元件26的每面積單位的強(qiáng)度、表面亮度相互交換，即，現(xiàn)在背景元件25只將正一級衍射階的光24’(圖6a)偏轉(zhuǎn)到觀察者眼睛，并因此看起來顯得較暗，而在負(fù)一級衍射階的衍射光23’中觀察到的內(nèi)部元件26顯得明亮。光的偏振不影響所觀察到的強(qiáng)度關(guān)系，因?yàn)椴粌HTE波而且TM波主要偏轉(zhuǎn)到負(fù)一級衍射階里面。在圖6a至10c中不同密度的圖象表示被照射平面圖形21的兩個元件25、26的表面亮度。
示例2在圖5b中表示所描述的函數(shù)M(x)的非對稱臺型結(jié)構(gòu)2(圖5a)的剖面形狀，該函數(shù)由表2中的N＝5個矩形函數(shù)R(x)之和得出。
剖面高度hG為150nm，其中最小結(jié)構(gòu)寬度為100nm。最小結(jié)構(gòu)寬度不僅作為矩形函數(shù)R1(x)，R3(x)和R4(x)的脈沖寬度t＝100nm，而且作為位于矩形函數(shù)R5(x)與臺型結(jié)構(gòu)2剖面形狀中的下一周期T(圖5a)的R1(x+T)之間的凹谷4(圖1)的寬度w＝100nm。
表2

按照圖5b的臺型結(jié)構(gòu)2對于垂直入射的光，TE波的大部分衍射進(jìn)一個唯一的負(fù)或正衍射階內(nèi)，而實(shí)際上沒有光進(jìn)入其余衍射階。在其余衍射階中的衍射率ETE例如明顯小于(至少小30倍)在負(fù)一級衍射階中被衍射光的衍射率ETE-1，即ETE-1/ETE≥30或ETE+1/ETE≥30。對于TM波，衍射率ETM在所有的衍射階中比在零階中的衍射率ETM0至少小一個數(shù)量級(ETM0/ETM≥10)，因?yàn)檫@個二元光柵結(jié)構(gòu)對于TM波起到鏡面的作用并使TM波反射到零衍射階中。
圖7a至8c示例性地示出由兩個平面元件25、26組成的平面圖形21。矩形背景元件25襯覆有對稱的光柵結(jié)構(gòu)，例如正弦形的剖面形狀、對稱的矩形函數(shù)的剖面形狀等。三角形的內(nèi)部元件26具有包括在圖5b中所示臺型結(jié)構(gòu)2(圖1)的二元光柵結(jié)構(gòu)，其中在圖7a至8c中二元光柵結(jié)構(gòu)的辨別方向箭頭19從內(nèi)部元件26的尖端指向其基準(zhǔn)線。背景元件25的對稱光柵結(jié)構(gòu)具有與內(nèi)部元件26的二元光柵結(jié)構(gòu)相同的周期T和相同的方位角取向，并在正和負(fù)一級衍射階中具有至少40％的衍射率。
如果非偏振的光22(圖6a)垂直入射到圖7a中所示的平面圖形21的結(jié)構(gòu)上，觀察者進(jìn)行觀察，他在與箭頭19相反的方向上在對于波長λ＝435nm(藍(lán))至550nm(綠)的第一衍射階的衍射角下看到，在被衍射的光23中(圖6a)平面圖形21作為均勻明亮輻射的、藍(lán)色至綠色的平面，因?yàn)楸尘霸?5和內(nèi)部元件26具有幾乎相同的衍射率。因此在兩個元件25、26的公共邊界上的反差消失，并且在背景元件25上的內(nèi)部元件26不能被識別。在圖7a中所示的平面圖形21在平面內(nèi)轉(zhuǎn)過180°以后在圖8a中平面圖形21在非偏振光中變化，其中內(nèi)部元件26作為暗平面從背景元件25中浮起，因?yàn)閮?nèi)部元件26的二元光柵結(jié)構(gòu)以更微小的效率衍射進(jìn)正一級衍射階。而襯覆對稱衍射光柵的背景元件25在轉(zhuǎn)過180°之前和之后對于觀察者在表面亮度上沒有變化。
圖7b和8b示出在線性偏振光內(nèi)觀察的平面元件21，其中TM波由偏振濾光鏡20(圖6a)濾出。在圖7b中內(nèi)部元件26在負(fù)一級衍射階的未削弱衍射光23(圖6a)內(nèi)發(fā)光，而從由背景元件25(圖6a)衍射的衍射光中消除TM波的分量并因此削弱背景元件25的表面亮度(Flaechenhelligheit)。在平面元件21在其平面里轉(zhuǎn)過180°以后背景元件25具有與轉(zhuǎn)動前相同的表面亮度。而內(nèi)部元件26具有比背景元件25明顯更微小的亮度，因?yàn)閺?qiáng)度在正一級衍射階中是小的，如在圖8b中所看到的那樣。
圖7c和8c示出在線性偏振光內(nèi)觀察的平面元件21，其中TE波由偏振濾光鏡20(圖6a)濾出。無論取向0°或180°平面圖形21在TM波光中都具有相同的外觀。背景元件25在兩個取向中具有相同的表面亮度。因?yàn)門E波被濾出，內(nèi)部元件26的表面亮度在兩個取向中例如約以4至6倍明顯弱于背景元件25，因?yàn)槎鈻沤Y(jié)構(gòu)只以微小的效率衍射TE波。
在圖8a至8c的平面元件21中保持表面亮度特性，這與觀察者看到的衍射光是偏振的或非偏振的無關(guān)。
示例3
圖5c的二元光柵結(jié)構(gòu)具有周期T＝2μm的非對稱臺型結(jié)構(gòu)2(圖1)的剖面形狀。臺型結(jié)構(gòu)2的剖面形狀由表3中的N＝3個矩形函數(shù)R(x)之和的函數(shù)M(x)表示。
表3

剖面高度hG為90nm而最小結(jié)構(gòu)寬度為55nm，其中最小結(jié)構(gòu)寬度作為同一周期T(圖1)中矩形函數(shù)R2(x)與R3(x)之間的凹谷4(圖1)的寬度w＝55nm。
按照圖5c的臺型結(jié)構(gòu)2將垂直入射光22(圖6a)優(yōu)選衍射進(jìn)兩個一級衍射階。衍射進(jìn)其余衍射階中的光分量是非常少的。臺型結(jié)構(gòu)2對于線性偏振TE波的衍射率在負(fù)一級衍射階ETE-1中至少兩倍于在正一級衍射階ETE+1中的衍射率。而臺型結(jié)構(gòu)2對于線性偏振TM波的衍射率在正一級衍射階ETM+1中至少兩倍于在負(fù)一級衍射階ETM-1中的衍射率。衍射率在一級衍射階中的較高值不僅對于TE而且對于TM波都至少20倍于衍射光在其余衍射階中的衍射光強(qiáng)度，其中理想的方式是ETE-1+ETM-1≈ETM+1+ETE+1。
圖9a至10c示出由例如兩個平面元件25、26所組成的平面圖形21。與示例1中一樣，矩形背景元件25和三角形內(nèi)部元件26具有相同的二元光柵結(jié)構(gòu)，該光柵結(jié)構(gòu)具有圖5c所示的臺型結(jié)構(gòu)2(圖1)的剖面形狀。在圖9a至10c中這個二元光柵結(jié)構(gòu)的辨別方向在背景元件25中平行于箭頭19取向而在內(nèi)部元件26中從內(nèi)部元件26的基準(zhǔn)線指向其尖端，即，二元光柵結(jié)構(gòu)的辨別方向在背景元件25與在內(nèi)部元件26中是相互反向的。
如果非偏振的光22(圖6a)垂直入射到圖9a中所示的平面圖形21的結(jié)構(gòu)上，觀察者在衍射光23(圖6a)內(nèi)看到平面圖形21作為均勻明亮輻射的、從藍(lán)色到綠色的平面，而與他是否在對于波長λ＝435nm(藍(lán))至550nm(綠)的第一衍射階的衍射角下，沿與箭頭19相反的方向還是如圖10a所示沿箭頭19的方向觀看無關(guān)。背景元件15和內(nèi)部元件26中的光柵結(jié)構(gòu)的衍射率對于非極化的光在兩個一級衍射階內(nèi)大約是相同的。因此在兩個元件25、26的共同邊界27上的反差在兩個方位角0°和180°內(nèi)消失而在背景元件25的平面里不能識別內(nèi)部元件26。
圖9b和10b示出在線性偏振光內(nèi)觀察到的平面元件21，其中TM波通過偏振濾光鏡20(圖6a)濾出。在圖9b中內(nèi)部元件26在負(fù)一級衍射階的未弱化的衍射光23(圖6a)中發(fā)光。而背景元件25的表面亮度減少約三分之二，因?yàn)橹贿€有正一級衍射階的衍射率ETE+1起作用，并且通過偏振濾光鏡20消除TM波的分量。因此使內(nèi)部元件26比背景元件25具有更高的表面亮度。在平面元件21在其平面里轉(zhuǎn)過180°之后，背景元件25與內(nèi)部元件26的表面亮度相互交換，這一點(diǎn)在從圖9b轉(zhuǎn)變到圖10b時從視圖中可以看出。
圖9c和10c示出在線性偏振光內(nèi)觀察到的平面元件21，其中TE波通過在其平面里轉(zhuǎn)過90°的偏振濾光鏡20(圖6a)濾出。通過將偏振濾光鏡轉(zhuǎn)過各90°使背景元件25與內(nèi)部元件26的表面亮度相互交換，使圖9b的視圖轉(zhuǎn)變到圖9c的視圖而圖10b的視圖轉(zhuǎn)變到圖10c。通過平面元件21在其平面里轉(zhuǎn)到0°和180°的位置使背景元件25與內(nèi)部元件26的表面亮度相互交換，從而使圖9c的視圖轉(zhuǎn)變到圖10c的視圖。
在平面元件21的實(shí)施例中內(nèi)部元件26由阿拉伯?dāng)?shù)字符號例如文字或條形碼構(gòu)成，文字和條形碼在偏振光中在背景元件25上是可見的，但是在其余的非偏振日光中是不可識別的。
在圖7a至10c所示的組合中所應(yīng)用的衍射結(jié)構(gòu)(Beugungsstruktur)可以在平面圖形21中產(chǎn)生與觀察者的取向和偏振有關(guān)的圖形，其中在共同的邊界27(圖6b)上的反差是明顯的或消失的。
在圖6b的實(shí)施例中在平面圖形21中這樣設(shè)置至少一個平面元件25，該平面元件在平面元件26、28、29、30的拼接圖形中具有二元光柵結(jié)構(gòu)，使在一個給定的衍射階中至少在方位角方向上平面元件25的TE波和TM波的衍射率之和ETE+ETM基本等于與平面元件25相鄰的平面元件26的TE波和TM波的衍射率之和ETE+ETM，使得在給定的衍射角下被照射的平面元件25、26的顏色和表面亮度是相同的，并且在兩個平面元件25、26的共同邊界27上的反差消失。平面圖形21的這種特性對于安全元件是一種真實(shí)性標(biāo)識，這種標(biāo)識在全息照相復(fù)制時以典型的方式消失。因此這種復(fù)制品是可以識別的。
如同在圖6a的示例中所示的那樣，平面圖形21出于簡單性只包括兩個元件25、26。在實(shí)際的實(shí)施例中平面圖形21按照圖6b包括大量的其它平面元件28至30，為了產(chǎn)生所期望的平面圖形21，除了上面所述的衍射結(jié)構(gòu)以外平面元件還具有任意的衍射結(jié)構(gòu)、鏡像或散射的結(jié)構(gòu)或吸收的表面。
在圖11中示出具有兩個平面部分25、26的平面圖形21。平面元件25的二元光柵例如具有比平面元件26更高的衍射率。為了使在平面圖形21的平面部分25、26之間的共同邊界27上的反差在上述示例2和3中的給定觀察條件下最佳地消失，兩個平面部分25、26的表面亮度必需相互精確地調(diào)整。為此具有優(yōu)點(diǎn)地至少使具有較高衍射率的二元光柵的平面分量減小(這里是在平面元件25內(nèi)部)，以便使平面元件25的表面亮度弱化并最佳地適配另一光弱化的平面元件26。通過至少沿著共同邊界27的最小光柵面31的均勻線光柵或點(diǎn)光柵減小光柵結(jié)構(gòu)在平面元件25中的平面分量。光柵面31例如襯覆有衍射結(jié)構(gòu)，衍射結(jié)構(gòu)將其衍射光偏轉(zhuǎn)到與平面元件25和26的光柵的不同方向上。并非所有的在平面元件25或26內(nèi)部的光柵面31都必須具有相同的光學(xué)活性(Aktivitaet)。光柵面31根據(jù)平面圖形21的要求也可以通過其它光學(xué)活性代替衍射活性，如它們可以通過散射結(jié)構(gòu)或吸收或鏡像平面產(chǎn)生。光柵面31的密度和分量對應(yīng)于所要求的平面元件25表面亮度的弱化，因?yàn)楣鈻琶?1的整體性對于平面元件25上的二元光柵結(jié)構(gòu)的平均衍射率沒有促進(jìn)。因此平均衍射率是更小的。至少光柵面31的尺寸具有優(yōu)點(diǎn)地為小于0.3mm，以便使人眼在正常視覺條件下不能識別到光柵。再一次指出，在圖6a至10c視圖中的光柵只用于區(qū)別具有繪圖措施的表面亮度。
在一個實(shí)施例中光柵面31的結(jié)構(gòu)是含有放映形狀(Kinoform)或傅立葉全息照相的一種信息。只有對于一種單色照射包括光柵面31的平面元件25時才能在上看到或讀出信息。
上述臺型結(jié)構(gòu)2(圖1)的衍射結(jié)構(gòu)具有不能通過已知的全息照相措施進(jìn)行復(fù)制的優(yōu)點(diǎn)。
圖12示出在平面x/y上的光柵結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過由兩個相互加法疊加的矩形函數(shù)M(x)和M(y)構(gòu)成的二元光柵函數(shù)G來確定，其凹谷4(圖1)以交叉角θ進(jìn)行切割。兩個矩形函數(shù)M(x)和M(y)的周期并不需要相同。兩個矩形函數(shù)M(x)和M(y)相互獨(dú)立地沿著坐標(biāo)x和y擴(kuò)展。在一個實(shí)施例中例如在坐標(biāo)x方向上矩形函數(shù)M(x)或M(y)延伸到具有光柵結(jié)構(gòu)G的平面元件25的相鄰平面元件26(圖6a)，由此使該平面元件襯覆有矩形函數(shù)M(x)或M(y)。充滿凹谷4的漆層10(圖2a)和其它層由于繪圖的原因被省略。觀察者在被照射的平面圖形21上(圖6a)以給定衍射角在0°、θ°、180°和180°+θ°的方位角看到具有反差區(qū)別的圖形，其中由箭頭19給出的辨別方向表示方位角0°，而θ表示兩個函數(shù)M(x)和M(y)或坐標(biāo)軸x、y的交叉角。由于技術(shù)上的原因交叉角θ的數(shù)值范圍限定在30°至150°。
權(quán)利要求
1.衍射光的二元光柵結(jié)構(gòu)，它具有一微觀的臺型結(jié)構(gòu)(2)，該臺型結(jié)構(gòu)由被基本為矩形的凹谷(4)所隔開的高臺(5)所組成，其中在所述臺型結(jié)構(gòu)(2)的一個周期(T)內(nèi)周期性重復(fù)的凹谷(4)結(jié)構(gòu)是一個至少三個相移的矩形結(jié)構(gòu)(R)的加法疊加，該矩形結(jié)構(gòu)具有一個所述臺型結(jié)構(gòu)(2)的周期(T)的脈沖寬度(t1；t2；t3…)，其中所述矩形結(jié)構(gòu)(R)相互間具有這樣的相移(φ1；φ2；φ3；…)，使一個所述矩形結(jié)構(gòu)(R)的高臺(5)落入另一矩形結(jié)構(gòu)(R)的凹谷內(nèi)，并且至少一個在兩個高臺(5)之間的凹谷(4)的寬度大于所述周期(T)的七分之一；其特征在于，所述臺型結(jié)構(gòu)(2)具有一數(shù)值為25nm至5000nm范圍之間的光學(xué)有效的剖面高度(h)，所述臺型結(jié)構(gòu)(2)的分界面(14)設(shè)計成用于金屬般地反射某個波長(λ)的可見入射光(22)，所述臺型結(jié)構(gòu)(2)的周期(T)取值在250nm至5000nm范圍之間。
2.如權(quán)利要求1所述的光柵結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述臺型結(jié)構(gòu)(2)的分界面(14)構(gòu)成為反射層(11)，并設(shè)置在一漆層(10)與一保護(hù)層(13)之間。
3.如權(quán)利要求1所述的光柵結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述臺型結(jié)構(gòu)(2)成形在一個金屬表面上并可選擇配有一個填充凹谷(4)的保護(hù)層(16)。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的光柵結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述臺型結(jié)構(gòu)(2)的最小的結(jié)構(gòu)寬度小于入射光(22)的波長(λ)的五分之一。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的光柵結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述臺型結(jié)構(gòu)(2)的周期(T)在平行于凹谷(4)的方向上這樣變化，使凹谷(4)是分離的或蜿蜒的。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的光柵結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述高臺(5)在所述臺型結(jié)構(gòu)(2)的一個周期(T)內(nèi)部的分布是非對稱的，其中在一個半周期中所有高臺(5)的脈沖寬度(t1；t2；t3…)總和小于在另一個半周期中所有高臺(5)的脈沖寬度(t1；t2；t3…)總和，而脈沖寬度(t1；t2；t3…)、矩形結(jié)構(gòu)(R)的數(shù)量N和其相移(φ1；φ2；φ3；…)這些參數(shù)這樣給定，使所述臺型結(jié)構(gòu)(2)對于入射光(22)對于不同的衍射階具有非對稱的衍射率(E)。
7.如權(quán)利要求6所述的光柵結(jié)構(gòu)，其特征在于，在所述臺型結(jié)構(gòu)(2)的一個周期(T)內(nèi)這樣設(shè)計所述高臺(5)的非對稱分布，使不僅光(22)的TE偏振波而且光(22)的TM偏振波非對稱地偏轉(zhuǎn)進(jìn)一個唯一的、給定的負(fù)或正衍射階。
8.如權(quán)利要求6所述的光柵結(jié)構(gòu)，其特征在于，在所述臺型結(jié)構(gòu)(2)的一個周期(T)內(nèi)這樣設(shè)計所述高臺(5)的非對稱分布，使基本上只對于光(22)的TE偏振波在唯一的、給定的負(fù)或正衍射階中的衍射率(ETE)大于在另一衍射階中的衍射率，而對于光(22)的TM偏振波臺型結(jié)構(gòu)(2)起到鏡面作用。
9.如權(quán)利要求6所述的光柵結(jié)構(gòu)，其特征在于，在所述臺型結(jié)構(gòu)(2)的一個周期(T)內(nèi)這樣設(shè)計所述高臺(5)的非對稱分布，使對于光(22)的TE偏振波可在一個給定階的負(fù)衍射階中確定的衍射率(E-TE)至少兩倍于在同一階的正衍射階中的衍射率(E+TE)，而對于光(22)的TM偏振波可在同一給定階中測得的在正衍射階中的衍射率(E+TM)至少兩倍于在負(fù)衍射階中的衍射率(E-TM)。
10.安全元件，它包括一埋入由透明塑料制成的層合材料內(nèi)的平面圖形，該元件具有襯覆有微觀精細(xì)的光柵結(jié)構(gòu)的平面元件(25、26；28；29；30)的拼接圖形結(jié)構(gòu)，這些平面元件衍射、散射或反射某個波長(λ)的入射光(22)，其中所述光柵結(jié)構(gòu)的光學(xué)有效性通過金屬反射層(11)得到強(qiáng)化，其特征在于，至少在所述平面元件(25、26；28；29；30)中的一個平面元件內(nèi)設(shè)置一個二元光柵結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是一個由被基本上矩形凹谷(4)隔開的、具有一個脈沖寬度(t)的高臺(5)所組成的臺型結(jié)構(gòu)(2)，在所述臺型結(jié)構(gòu)(2)的一個周期(T)內(nèi)周期性重復(fù)的凹谷(4)的結(jié)構(gòu)是一個至少三個相移的具有周期(T)的矩形結(jié)構(gòu)(R)的加法疊加，其中矩形結(jié)構(gòu)(R)相互間具有這樣的相移(φ1；φ2；φ3；…)，使一個矩形結(jié)構(gòu)(R)的高臺(5)落入另一矩形結(jié)構(gòu)(R)的凹谷，并且至少一個在兩個高臺(5)之間的凹谷(4)的寬度大于所述周期(T)的七分之一；所述臺型結(jié)構(gòu)(2)在面朝入射光(22)的凹谷(4)內(nèi)具有一光學(xué)有效的、其值在25nm至5000nm范圍之間的剖面高度(h)，而所述臺型結(jié)構(gòu)(2)的周期(T)取值在250nm至5000nm范圍之間。
11.如權(quán)利要求10所述的安全元件，其特征在于，所述臺型結(jié)構(gòu)(2)具有五個非對稱地分布在周期(T)內(nèi)的、具有小于一個波長(λ)五分之一的脈沖寬度(t)的高臺(5)，不僅對于光(22)的TE偏振波而且對于光(22)的TM偏振波所述臺型結(jié)構(gòu)(2)在負(fù)一級衍射階中的衍射率至少5倍于在其余衍射階中的衍射率。
12.如權(quán)利要求10所述的安全元件，其特征在于，所述臺型結(jié)構(gòu)(2)具有五個非對稱地分布在周期(T)內(nèi)的高臺(5)，在周期內(nèi)對于四個所述高臺(5)所述脈沖寬度(t)小于可見入射光(22)波長(λ)的五分之一，而第五個高臺(5)的脈沖寬度(t)大于所述其它四個脈沖寬度(t)的總和，對于垂直的入射光(22)所述臺型結(jié)構(gòu)(2)對于光(22)的TE偏振波在負(fù)一級衍射階中的衍射率至少三十倍于在其余任一衍射階中對于TE偏振波的衍射率，對于光(22)的TM偏振波所述臺型結(jié)構(gòu)(2)起到鏡面作用。
13.如權(quán)利要求10所述的安全元件，其特征在于，所述臺型結(jié)構(gòu)(2)具有三個非對稱地分布在周期(T)內(nèi)的高臺(5)，在周期(T)內(nèi)對于兩個所述高臺(5)所述脈沖寬度(t)小于入射光(22)波長(λ)的五分之一，而第三個高臺(5)的脈沖寬度(t)大于其它兩個脈沖寬度(t)的總和，對于垂直的入射光(22)所述臺型結(jié)構(gòu)(2)對于入射光(22)的TE偏振波在負(fù)一級衍射階中的衍射率至少兩倍于對于入射光(22)的TM偏振波的衍射率，對于正一級衍射階TM偏振波的衍射率至少兩倍于TE偏振波的衍射率，而TE和TM偏振波在正一級衍射階中的衍射率總和基本等于TE和TM偏振波在負(fù)一級衍射階中的衍射率總和。
14.如權(quán)利要求10至13中任一項(xiàng)所述的安全元件，其特征在于，與包括臺型結(jié)構(gòu)(2)的平面元件(25)相鄰的第二平面元件(26)襯覆有一個對稱的衍射光柵，而所述臺型結(jié)構(gòu)(2)和對稱的衍射光柵具有與光柵結(jié)構(gòu)相同的周期(T)和相同的方位角取向。
15.如權(quán)利要求10至13中任一項(xiàng)所述的安全元件，其特征在于，與包括臺型結(jié)構(gòu)(2)的平面元件(25)相鄰的第二平面元件(26)襯覆有相同的臺型結(jié)構(gòu)(2)，而兩個臺型結(jié)構(gòu)(2)在二元光柵結(jié)構(gòu)的辨別方向(19)上是不同的。
16.如權(quán)利要求14或15所述的安全元件，其特征在于，這樣協(xié)調(diào)所述相鄰的平面元件(25、26)的表面亮度，使第一平面元件(25)的表面亮度適應(yīng)于亮度較弱的第二平面元件(26)，其中在第一平面元件(25)中光柵結(jié)構(gòu)的分量通過偏轉(zhuǎn)光(22)的光柵元件(31)的光柵形結(jié)構(gòu)變小，該光柵元件的尺寸小于0.3mm。
全文摘要
一種衍射光的二元光柵結(jié)構(gòu)具有一微觀的臺型結(jié)構(gòu)(2)，其高臺(5)被基本上為矩形橫截面的凹谷(4)所隔開，其中所述凹谷(4)的結(jié)構(gòu)周期性地重復(fù)。在臺型結(jié)構(gòu)(2)的一個周期(T)內(nèi)至少N個凹谷(4)隔開高臺(5)，其中N為整數(shù)并大于2。所述臺型結(jié)構(gòu)(2)是一個由N個相移的矩形結(jié)構(gòu)的加法疊加，所述矩形結(jié)構(gòu)本身具有所述臺型結(jié)構(gòu)(2)的周期(T)。每一個矩形結(jié)構(gòu)具有這樣一個相位移，使一個矩形結(jié)構(gòu)的高臺(5)落入所述N－1個其他的凹谷(4)。此外所形成的臺型結(jié)構(gòu)(2)在兩個高臺(5)之間只有一個唯一的凹谷，該凹谷的寬度大于所述周期(T)的七分之一。所述二元光柵結(jié)構(gòu)適用于光衍射的安全元件，因?yàn)槎鈻沤Y(jié)構(gòu)不能通過全息照相措施復(fù)制。
文檔編號G02B5/18GK1478205SQ01819949
公開日2004年2月25日 申請日期2001年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月3日
發(fā)明者韋恩·R·湯普金, 韋恩 R 湯普金, 勒內(nèi)·斯托布, 斯托布, 亞斯 希林, 安德列亞斯·希林 申請人:Ovd基尼格拉姆股份公司