一種光學防偽元件及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明針對現(xiàn)有技術中工藝復雜和兩種鍍層結構難以精確控制鍍層厚度以實現(xiàn)顏色匹配的缺陷，提供一種能夠克服上述缺陷的光學防偽元件及其制備方法。本發(fā)明提供一種光學防偽元件，該光學防偽元件包括基材（3），所述基材（3）包括第一表面（31）和第二表面（32），所述第一表面（31）上的部分區(qū)域為亞波長微浮雕結構、部分區(qū)域為平坦表面結構，所述亞波長微浮雕結構和所述平坦表面結構上均依次層疊有第一介質層、第二介質層和第三介質層，在特定觀察角度下，亞波長微浮雕結構區(qū)域和平坦表面結構區(qū)域的顏色相同，在其他觀察角度，亞波長微浮雕結構區(qū)域和平坦表面結構區(qū)域的顏色不相同。
【專利說明】一種光學防偽元件及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及光學防偽領域，尤其涉及一種光學防偽元件及其制備方法。
【背景技術】
[0002]由于光變鍍層在不同的觀察角度下能夠呈現(xiàn)不同的顏色、便于描述、易于公眾識別且無法利用照相機、掃描儀、打印機等電子設備進行模仿或復制，因此光變鍍層具有很高的防偽能力并被廣泛用于鈔票等高防偽有價證券的公眾防偽。
[0003]為了提高光變鍍層的防偽能力，現(xiàn)有技術多是將兩種光變鍍層組合在一起來實現(xiàn)兩種光變效果。例如，US5766738、US6114018以及US7729026提出了通過選擇適當?shù)墓庾冨儗雍穸扰c顏色來實現(xiàn)光變匹配特征的干涉光變防偽元件。具體地，該干涉光變防偽元件包括兩個光變區(qū)域，其中一個光變區(qū)域包含第一光變結構，另一光變區(qū)域包含第二光變結構，而且在某一個觀察角度下兩個區(qū)域具有匹配的顏色，而在其他觀察角度下兩個區(qū)域都具有不同的顏色。
[0004]為了保證良好的顏色匹配效果，需要精確控制兩個區(qū)域的鍍層厚度。然而，在實際生產(chǎn)中，通常難以精確控制上述干涉光變防偽元件的鍍層厚度以達到顏色匹配的要求，從而導致在設計的匹配角度下顏色有明顯差異，影響了防偽效果。另外，兩種鍍層不能在一次蒸鍍過程中獲得，從而必須增加精確的定位印刷保護膠、脫金屬以及二次蒸鍍光變鍍層等工藝，這增加了工藝復雜度和成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術中存在的上述缺陷，提供一種能夠克服上述缺陷的光學防偽元件及其制備方法。
[0006]本發(fā)明提供一種光學防偽兀件,該光學防偽兀件包括基材，所述基材包括第一表面和第二表面，所述第一表面上的部分區(qū)域為亞波長微浮雕結構、部分區(qū)域為平坦表面結構，所述亞波長微浮雕結構和所述平坦表面結構上均依次層疊有第一介質層、第二介質層和第三介質層，在特定觀察角度下，所述亞波長微浮雕結構區(qū)域和所述平坦表面結構區(qū)域的顏色相同，在其他觀察角度，所述亞波長微浮雕結構區(qū)域和所述平坦表面結構區(qū)域的顏色不相同。
[0007]本發(fā)明還提供一種制備光學防偽元件的方法，該方法包括:
[0008]提供基材，所述基材包括第一表面和第二表面；
[0009]在所述第一表面上形成亞波長微浮雕結構，使得所述第一表面上的部分區(qū)域為所述亞波長微浮雕結構、部分區(qū)域為平坦表面結構；
[0010]在亞波長微浮雕結構區(qū)域和平坦表面結構區(qū)域上同時形成第一介質層；
[0011]在所述第一介質層上同時形成第二介質層；
[0012]在所述第二介質層上同時形成第三介質層。
[0013]由于根據(jù)本發(fā)明的光學防偽兀件的基材的第一表面上形成有亞波長微浮雕結構和平坦表面結構，而且所述亞波長微浮雕結構和所述平坦表面結構上均依次層疊有第一介質層、第二介質層和第三介質層，由于由三層介質層所構成的鍍層結構對入射的白光具有選擇作用，這樣在入射角度變化時，與之對應的光程發(fā)生變化，干涉波段也發(fā)生變化，從而使得亞波長微浮雕結構區(qū)域和平坦表面結構區(qū)域的顏色隨著觀察角度的變化而變化。當通過適當設計由第一介質層、第二介質層和第三介質層構成的鍍層結構、亞波長微浮雕結構的參數(shù)時，可以實現(xiàn)在特定的觀察角度下，亞波長微浮雕結構區(qū)域和平坦表面結構區(qū)域具有相同的顏色，在其他觀察角度下，亞波長微浮雕結構區(qū)域和平坦表面結構區(qū)域的顏色存在明顯的差異。在此說明“相同的顏色”指人眼觀察感知到的顏色相同或相近，并非兩者反射光譜完全相同。
[0014]傳統(tǒng)工藝實現(xiàn)兩區(qū)域顏色相同的方式一般要經(jīng)過“印刷一蒸鍍一脫金屬一蒸發(fā)”的過程，并且在上述工藝中，印刷的定位套準精度、兩次蒸鍍中鍍層厚度的精確控制均存在很大難度。本發(fā)明中涉及的光學防偽元件的結構與制備方法則能夠很好的解決上述問題。本發(fā)明中所涉及的亞波長微浮雕結構區(qū)域和平坦表面結構區(qū)域均可以通過激光直刻或電子束直刻等微加工方法獲得，而激光直刻或電子直刻等技術具有極高的精度，能夠達到納米級別，從而可以實現(xiàn)這兩個區(qū)域的精確套準定位。當亞波長微浮雕結構的參數(shù)決定后，在亞波長微浮雕結構區(qū)域與平坦表面結構區(qū)域上同時依次蒸鍍第一介質層、第二介質層和第三介質層，即可實現(xiàn)兩區(qū)域在特定觀察角度下顏色相同、其他觀察角度下顏色不同的光學效果。因此能夠在不需要分別精確控制兩區(qū)域鍍層厚度的情況下，通過設計適當?shù)腻儗雍穸葋韺崿F(xiàn)很好的防偽效果。另外，由于根據(jù)本發(fā)明的光學防偽元件中的三層介質層能夠在一次蒸鍍過程中形成，所以還簡化了工藝復雜度。
【專利附圖】

【附圖說明】[0015]圖1是根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的光學防偽元件的剖面圖；
[0016]圖2是根據(jù)本發(fā)明的光學防偽元件的不同區(qū)域的顏色坐標隨觀察角度的變化情
況；[0017]圖3是根據(jù)本發(fā)明的光學防偽元件的不同區(qū)域的顏色坐標隨觀察角度的另一變化情況；[0018]圖4是根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的具有鏤空結構的光學防偽元件的剖面圖；
[0019]圖5是根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的光學防偽兀件的又一不意圖；
[0020]圖6是根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的制備光學防偽元件的流程圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖來詳細描述根據(jù)本發(fā)明的光學防偽元件及其制備方法。
[0022]如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的光學防偽元件包括基材3，所述基材3包括第一表面31和第二表面32，所述第一表面31上的部分區(qū)域為亞波長微浮雕結構、部分區(qū)域為平坦表面結構。所述亞波長微浮雕結構和平坦表面結構區(qū)域上均依次層疊有第一介質層101、第二介質層102以及第三介質層103，從而分別形成位于亞波長微浮雕結構區(qū)域的干涉結構10和位于平坦表面結構區(qū)域的干涉結構20。其中，圖1中的坐標z表示垂直方向，坐標X表不水平方向。[0023]由第一介質層101、第二介質層102和第三介質層103構成的三層介質層結構具有法布里-泊羅諧振腔結構，其對入射的白光具有選擇作用，出射光線只包含某些波段的光線，形成特定的顏色；但當入射角度變化時，與之相對應的光程發(fā)生變化，干涉波段發(fā)生變化，導致呈現(xiàn)的顏色也隨之變化，從而呈現(xiàn)光變效果。
[0024]當將根據(jù)本發(fā)明的三層介質層光變結構與亞波長微浮雕結構組合時，干涉與衍射共同作用，可以得到其他波段，這種作用與光線的入射角度相關，同樣獲得一種光變效果。這樣就通過一次蒸鍍光變結構獲得兩種光變效果。當適當選擇亞波長微浮雕結構的特征周期與介質層參數(shù)后，可以實現(xiàn)同色異步現(xiàn)象，即在一個觀察角度下，亞波長微浮雕區(qū)域與無亞波長微浮雕的平面區(qū)域的反射/透射光譜不同但顏色相同或相近；當觀察角度發(fā)生變化時，兩者光變效果不同，各自經(jīng)歷不同的光變過程，產(chǎn)生差別。這將在下文中結合具體參數(shù)進行詳細描述。
[0025]可以利用Maxwell方程計算電場和磁場矢量經(jīng)過各層和各界面處的強度和相位變化，并考慮邊界條件，來獲得各個介質層以及各個界面對光線產(chǎn)生的相位差和強度變化參數(shù)，從而實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的光學防偽元件中的三層介質層鍍層結構的參數(shù)設計。具體計算時，可將介質層各界面考慮為虛擬的等效界面，通過計算組合導納和膜層的特征矩陣獲得光線在鍍層中傳播的全部信息，特別是強度隨波長的變化關系，即鍍層的反射光譜。最后通過將反射光譜與三刺激值函數(shù)進行積分獲得鍍層的在CIE色彩空間中顏色坐標。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的亞波長微浮雕結構具有多項參數(shù)，例如周期、槽深、槽型等，在將亞波長微浮雕結構與三層介質層結構組合時，還需考慮三層介質層鍍層中的各層厚度、材料折射率等參數(shù)。具體設計時，需利用嚴格耦合波法(RCW)、時域有限差分法(FDTD)等矢量衍射理論，結合邊界條件求解麥克斯韋方程組。矢量衍射理論在浙江大學出版社出版的、楊國光編著的《微光學與系統(tǒng)》中有詳細的論述。在設計根據(jù)本發(fā)明的光學防偽元件的結構參數(shù)時，可以從基本理論出發(fā)，根據(jù)問題的具體情況以及要實現(xiàn)光學特征設計算法、編程計算，最終確定各方面設計參數(shù)，例如浮雕結構的槽深、槽型、占空比以及X方向或/和y方向上的特征尺寸，根據(jù)本發(fā)明的鍍層的層數(shù)以及各層厚度、金屬材料、介質材料、基材材料等。然后依據(jù)光學矢量理論，根據(jù)亞波長多層結構鍍層結構的邊界條件編制程序:根據(jù)初始結構參數(shù)進行計算；根據(jù)計算結果優(yōu)化結構參數(shù)；再根據(jù)優(yōu)化后的參數(shù)進行計算、優(yōu)化，直到達到滿意的結果。
[0027]在根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式中，第一介質層101和第三介質層103的折射率大于或等于 1.7，其材料選自例如 ZnS, TiN, Ti02、TiO、Ti2O3' Ti3O5' Ta2O5' Nb2O5' CeO2,Bi203、Cr203、Fe203等中的任意材料或組合,而且,第一介質層101和第三介質層103的厚度可以為IOnm至300nm,優(yōu)選為50nm至200nm。第二介質層102的折射率小于1.7,其材料選自例如Si02、MgF2、Na3A106、Al2O3中的任意材料或組合，而且第二介質層102的厚度可以為50nm 至 IOOOnm,優(yōu)選為 IOOnm 至 500nm。
[0028]在根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式中，所述亞波長微浮雕結構可以為一維光柵且方向可變。而且，所述亞波長微浮雕結構的周期也是可變的，其中，所述亞波長微浮雕結構在X方向和/或y方向上的周期可以為50nm至500nm,優(yōu)選為200nm至400nm。另外，所述亞波長微浮雕結構的槽深也是可變的，其中，所述槽深位于IOnm至500nm的范圍內(nèi)，優(yōu)選位于50nm至200nm的范圍內(nèi)。所述亞波長微浮雕結構的槽型也是可變的，例如，所述槽型可以為正弦形、矩形、鋸齒形中的至少一者。
[0029]下面給出一些具體的結構參數(shù)來進一步描述根據(jù)本發(fā)明的光學防偽元件。
[0030]例如，亞波長微浮雕結構為一維正弦光柵，其特征周期為340nm，溝槽深度為180nm ;第一介質層101為TiN、厚度為50nm，第二介質層102為Al2O3、厚度為180nm，第三介質層103為TiO2、厚度為70nm。圖2給出了這種情況下根據(jù)本發(fā)明的光學防偽元件的干涉結構10和干涉結構20的顏色度坐標隨著觀察角度的變化情況。可以看到，在第一觀察角度為0°時，干涉結構10的顏色坐標為(-3.2，67.8)，呈現(xiàn)黃色；干涉結構20的顏色坐標為(2.4，78.1)，也呈現(xiàn)黃色，兩者的色差ΛΕ為13.2，對于人的視覺而言兩者顏色相同。在第二觀察角度為40°時，干涉結構10的顏色坐標為(1.9，-47.9)，呈現(xiàn)藍色；干涉結構20的顏色坐標為(-24.4,63.9)，呈現(xiàn)綠色，兩者顏色具有顯著的區(qū)別?？梢姡谝挥^察角度為0°時，即垂直觀察亞波長微浮雕結構區(qū)域和平坦表面結構這兩個區(qū)域時，它們的顏色基本相同；隨著觀察角度的增加，兩區(qū)域的顏色差別變大，成為顯著不同的兩種色調(diào)。這樣，通過制版上的適當設計，能夠使覆蓋有亞波長光柵的亞波長微浮雕結構區(qū)域和平坦表面區(qū)域形成特定意義的文字、圖案，實現(xiàn)正視觀察時文字、圖案隱藏于背景中，傾斜觀察時文字、圖案顯現(xiàn)的光學防偽效果。亞波長微浮雕結構區(qū)域和平坦表面結構區(qū)域的顏色進行評價時，采用CIELAB色度空間。CIELAB(CIELab)色度空間是1976年國際照明委員會推薦的均勻顏色空間，1987年我國發(fā)布的GB792-87將LAB空間作為國家標準。目前色彩設計及復制等行業(yè)在色彩校正、計算以及DTP系統(tǒng)中，CIELAB空間已被普遍使用。其中+a表示紅色，-a表示綠色，+b表示黃色，-b表示藍色，L表示亮度。表I給出該示例中的干涉結構10與干涉結構20在0°與40°觀察角度下的L、a、b參數(shù)，分別給出了兩者顏色之間的差別Λ E，其中ΛE利用以下公式獲得:
[0031]Λ E= ((L-L，)2+(a_a，)2+(b_b，)2)1/2
[0032]表I不同觀察角度下干涉結構10與干涉結構20的CIELab坐標
[0033]
【權利要求】
1.一種光學防偽兀件，該光學防偽兀件包括基材(3),所述基材(3)包括第一表面(31)和第二表面(32)，所述第一表面(31)上的部分區(qū)域為亞波長微浮雕結構、部分區(qū)域為平坦表面結構，所述亞波長微浮雕結構和所述平坦表面結構上均依次層疊有第一介質層、第二介質層和第三介質層，在特定觀察角度下，所述亞波長微浮雕結構區(qū)域和所述平坦表面結構區(qū)域的顏色相同，在其他觀察角度，所述亞波長微浮雕結構區(qū)域和所述平坦表面結構區(qū)域的顏色不相同。
2.根據(jù)權利要求1所述的光學防偽元件，其中，所述特定觀察角度是O度或者大于O度的其他值。
3.根據(jù)權利要求1所述的光學防偽元件，其中，所述第一介質層和所述第三介質層的折射率大于或等于1.7。
4.根據(jù)權利要求1所述的光學防偽元件，其中，所述第一介質層和所述第三介質層的厚度為IOnm至300nm。
5.根據(jù)權利要求1所述的光學防偽元件，其中，所述第一介質層和所述第三介質層的厚度為50nm至200nm。
6.根據(jù)權利要求3至5中任一權利要求所述的光學防偽元件，其中，所述第一介質層和所述第三介質層的材料選自 ZnS, TiN, Ti02、TiO、Ti2O3' Ti305、Ta2O5、Nb2O5、Ce02、Bi2O3' Cr2O3'Fe2O3中的任意材料或其組合。
7.根據(jù)權利要求1所述的光學防偽元件，其中，所述第二介質層的折射率小于1.7。
8.根據(jù)權利要求1所述的光學防偽元件，其中，所述第二介質層的厚度為50nm至lOOOnm。
9.根據(jù)權利要求1所述的光學防偽元件，其中，所述第二介質層的厚度為IOOnm至500nm。
10.根據(jù)權利要求7至9中任一權利要求所述的光學防偽元件，其中，所述第二介質層的材料選自Si02、MgF2、Na3A106、Al2O3中的任意材料或其組合。
11.根據(jù)權利要求1所述的光學防偽元件，其中，所述亞波長微浮雕結構為一維光柵且方向可變。
12.根據(jù)權利要求1所述的光學防偽元件，其中，所述亞波長微浮雕結構的周期、槽深和槽型中的至少一者是可變的。
13.根據(jù)權利要求12所述的光學防偽元件，其中，所述亞波長微浮雕結構在X方向和/或y方向上的周期為50nm至500nm。
14.根據(jù)權利要求12所述的光學防偽元件，其中，所述亞波長微浮雕結構在X方向和/或y方向上的周期為200nm至400nm。
15.根據(jù)權利要求12所述的光學防偽元件，其中，所述槽深位于IOnm至500nm的范圍內(nèi)。
16.根據(jù)權利要求12所述的光學防偽元件，其中，所述槽深位于50nm至200nm的范圍內(nèi)。
17.根據(jù)權利要求12所述的光學防偽元件，其中，所述槽型為正弦形、矩形、鋸齒形中的至少一者。
18.根據(jù)權利要求1所述的光學防偽元件，其中，所述基材(3)為透明或非透明、有色或無色的薄膜。
19.根據(jù)權利要求1所述的光學防偽元件，其中，所述基材(3)的第一表面(31)上覆蓋有透明/半透明的涂層，以使光線透過。
20.根據(jù)權利要求1所述的光學防偽元件，其中，所述基材(3)的部分或全部第二表面(32)上覆蓋有吸收層。
21.—種制備光學防偽兀件的方法,該方法包括:提供基材(3 )，所述基材(3 )包括第一表面(31)和第二表面(32 );在所述第一表面(31)上形成亞波長微浮雕結構，使得所述第一表面(31)上的部分區(qū)域為所述亞波長微浮雕結構、部分區(qū)域為平坦表面結構；在亞波長微浮雕結構區(qū)域和平坦表面結構區(qū)域上同時形成第一介質層；在所述第一介質層上同時形成第二介質層；在所述第二介質層上同時形成第三介質層。
22.根據(jù)權利要求21所述的方法，其中，所述亞波長微浮雕結構通過激光雙光束干涉曝光、激光直刻曝光或電子束直刻的方式形成，或者通過紫外澆注、模壓、納米壓印的方式進行批量復制。
23.根據(jù)權利要求21所述的方法，其中，所述第一介質層、所述第二介質層和所述第三介質層通過物理氣相沉積或化學 氣相沉積的方式形成。
【文檔編號】G02B5/18GK103448411SQ201210174818
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年5月30日 優(yōu)先權日:2012年5月30日
【發(fā)明者】張巍巍, 王曉利, 孫凱 申請人:中鈔特種防偽科技有限公司, 中國印鈔造幣總公司