一种彩色动态放大安全薄膜 |
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| 申请号 | CN201280075075.5 | 申请日 | 2012-08-03 | 公开(公告)号 | CN104981356B | 公开(公告)日 | 2017-04-12 |
| 申请人 | 苏州苏大维格光电科技股份有限公司; 苏州大学; | 发明人 | 叶燕; 陈林森; 申溯; 周云; 周小红; 胡进; 朱鹏飞; 浦东林; 魏国军; | ||||
| 摘要 | 一种彩色动态放大安全 薄膜 ，包括微透镜阵列层（20）、基材层（21）和微图文层（22）。微图文层由背景区和图文区构成，图文区分布在背景区中。微图文层由上自下依次为半透半反金属层（223）、介质层（230）和金属薄膜层（231）。金属薄膜层为平面结构，图文区的介质层厚度大于背景区的介质层厚度。半透半反金属层厚度一致，在介质层上表面仿形设置，并嵌设在所述基材层的下表面（220）。半透半反金属层、介质层和金属薄膜层构成微腔干涉结构。该彩色动态放大安全薄膜可灵活实现微图文的彩色化输出，可利用压印方式作为大规模快速生产的有效手段，为光学安全薄膜器件提供一种重要的彩色化光学视读方案。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种彩色动态放大安全薄膜，包括微透镜阵列层、基材层和微图文层，各层之间满足莫尔放大成像条件，其特征在于：所述微图文层由背景区和图文区构成，所述图文区分布于背景区中，所述微图文层由上自下依次为半透半反金属层、介质层和金属薄膜层，金属薄膜层为平面结构，所述图文区的介质层厚度大于所述背景区的介质层厚度，所述半透半反金属层厚度一致，在介质层上表面仿形设置，并嵌设在所述基材层的下表面；所述半透半反金属层、介质层和金属薄膜层构成微腔干涉结构。 |
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| 说明书全文 | 一种彩色动态放大安全薄膜技术领域背景技术[0002] 由于证卡票券、品牌商品和重要安全文件涉及到公共安全和/或重要经济利益，需要在其中不断应用新技术、新材料和新概念，以保持防伪技术领先于伪造者。同时，由于证卡票券、商品主要在公众领域流通，其光学防伪技术的主要要求之一即是易于公众识别。基于激光全息技术的光学可变图像因其视觉效果明显，被用于证卡、护照、钞票、债券等的防伪识别，但是，随着激光全息技术的普及，普通光学可变图像的防伪功效逐步降低。 [0003] 近年来，基于莫尔放大原理的微光学元件能够将微米级图像放大数百倍，形成毫米级的可识别图像，同时，呈现的图像能够随着观察视角的改变而具有动态效果，尤其受到金融领域的关注。 [0004] 美国专利和专利申请US5712731、US2005/0180020A1以及US2008/0037131A1中提出将微凸透镜阵列与微图形阵列结合应用于安全器件，其中的微图形阵列是通过凹版印刷的方式得到，最小分辨率为5微米，主要制作方法是，在PET等柔性薄膜上涂布光刻胶，用带有微图文的凸版在光刻胶表面压印深度为数微米深的凹槽，通过刮涂方式将油墨填入凹槽，使得微图文显示相应的颜色。在这种微图文制作方法中，图像的色彩是通过在凹槽中填充颜色油墨获得的，微图文颜色单一，不能形成彩色化显示；微图文特征尺寸为数微米，一般印刷油墨颗粒为几十个微米，因此，需特殊制作的纳米级油墨才能作为填充颜色油墨；为了使得足够多的油墨被填入凹槽，提高微图文与背景之间的对比度，凹槽深度将大于3微米，从而，需要制作大深宽比金属压印模板，在大幅面动态图像制作时，提高了其工艺难度。 [0005] 若以传统的印刷方式制作彩色微图文，以Luscher公司的大幅面丝网和胶印版的顶级成像系统JetScreen2000为例，其具有256个喷嘴构成的喷墨印刷头，可提供700dpi分辨率图像的输出；Autoprint Srl. 公司的子公司Amanda推出新型的热敏喷墨打印机DigitAll，可实现720×720dpi的分辨率图像输出；在数字丝网印刷方面，Scitex的新型超宽幅面Grandjet印刷机分辨率为370×370dpi；Nur公司的Fresco印刷机可达到720dpi的分辨率。因此，以目前打印或印刷的技术水平，不能实现1-2 µm分辨的微图文制作，从而不具有实现莫尔放大的精度，而且低效的打印方式也很难实现微图文的批量化、低成本制作。 [0006] 中国发明专利CN101850680A公开了一种具有动态立体效果的安全薄膜，通过将微透镜阵列层内的各微透镜的中心坐标在微透镜阵列层内随机分布，微透镜阵列层内的微透镜与微图文层内的微图文一一对应设置实现。其中指出，每个微图文可由微纳米结构组成，通过紫外压印在有机薄膜材料上直接制作实现。 [0007] 然而，由于金融防伪产品通常要求在普通自然反射光下观察，因此，动态图案和图案背景应当具有较高的对比度，或图像具有色彩与灰度变化，以及具有定向图像显示等易识别的视觉特征。CN101850680A中采用普通微纳米结构实现的微图文，只能通过印刷方式增加背景色，影响对比度，难以满足上述要求。 发明内容[0009] 为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种彩色动态放大安全薄膜，包括微透镜阵列层、基材层和微图文层，所述微图文层由背景区和图文区构成，所述图文区分布于背景区中，所述微图文层由上自下依次为半透半反金属层、介质层和金属薄膜层，金属薄膜层为平面结构，所述图文区的介质层厚度大于所述背景区的介质层厚度，所述半透半反金属层厚度一致，在介质层上表面仿形设置，并嵌设在所述基材层的下表面；所述半透半反金属层、介质层和金属薄膜层构成微腔干涉结构。 [0010] 上述技术方案由符合莫尔放大条件的微透镜阵列部分和微腔干涉结构两部分构成，通过微腔干涉结构获得在背景色基础上的彩色微图文，并由微透镜阵列放大。微图文与微透镜阵列以符合莫尔放大的条件排列，可获得放大数百倍的图像，并能够实现“上浮”、“下沉”、“变形”、“同位异像”等动态效果。由于通过微腔干涉结构生成背景，因此，动态图案和图案背景之间具有较高的对比度。 [0011] 上述技术方案中，所述金属薄膜层的厚度大于20 nm，半透半反金属层的厚度小于100nm。 [0012] 进一步的技术方案，所述图文区的介质层上表面设置有光栅结构。在设置光栅结构的部分，构成微纳米光栅结构，从而可获得图像的动态光变变化。 [0013] 上述技术方案中，每一所述微透镜单元在微图文层的对应区域，存在一个或多个微图文单元。 [0014] 所述相邻微透镜单元所对应的微图文单元分别采用微腔干涉结构或纳米光栅结构。 [0015] 所述相邻微透镜单元对应的微图文单元采用的微腔干涉结构的腔厚不同或采用的纳米光栅结构的参数不同。 [0016] 所述微透镜单元所对应的多个微图文单元分别采用微腔干涉结构或纳米光栅结构。 [0017] 所述微透镜单元内对应的多个微图文单元采用的微腔干涉结构的腔厚不同或采用的纳米光栅结构的参数不同。 [0018] 通过纳米压印和蒸镀方法制作微腔干涉结构组成微图像或文字，利用微腔干涉结构的厚度变化实现微图文的彩色化，亦可利用相同方法在背景层上制作不同厚度的微腔干涉结构，实现与微图文不同的颜色显示。一种制备方法可以是，利用微纳压印模头在基材层的下表面压制与介质层上表面形状对应的凹坑结构，然后蒸镀一层半透半反金属膜，再镀介质层填平凹坑并镀至所需厚度，最后蒸镀金属薄膜层。根据需要，可以在金属薄膜层表面再镀上一层保护层。 [0019] 采用上述技术方案获得的安全薄膜，其具有的视觉识别特征表现为：(1)动态图像与图像背景具有不同色彩；(2)动态图像在不同区域内具有不同的色彩（由微腔干涉结构的厚度决定）；(3)动态图像背景在不同区域具有不同色彩（由微腔干涉结构的厚度决定）；(4)动态图像背景可以是静态的彩色或单色图像；(5) 通过纳米结构的设计，动态图像背景色彩或图像具有光变色特征，在不同角度范围内显示不同色彩；(6) 通过纳米结构的设计，动态图像背景色彩或图像具有多通道特征，在不同观察平面内显示不同色彩。(7) 通过纳米结构的设计，动态图像背景色彩或图像具有偏振选择性，在不同偏振下显示不同色彩；(8) 通过纳米结构的设计，在同一透镜单元内可观察到不同色彩效果的微图文。 [0020] 上述方案中，通过改变介质层厚或者介质光栅槽深或者光栅结构参数分别获得红（R）、绿（G）、蓝（B）颜色。以三个单元像素为组合，分别形成R、G、B三色像素，背景层提供对比颜色或透明无色，经过微透镜阵列放大的动态图像具有变彩色效果。所述组合包括但不限于三个单元，所述颜色包括但不限于R、G、B三色，所述纳米结构包括但不限于微腔干涉结构，并且所述色块或图案的结构方案除改变光栅结构参数改变颜色输出外，入射光偏振状态的改变、光栅取向或观察平面的变化或者不同的入射角度范围下的颜色显示也不同。 [0021] 上述各层可以形成相互的组合，以提供不同色彩变化的动态放大光学薄膜。 [0022] 由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点： [0023] 1．本发明的微图文层由至少三层结构构成微腔干涉结构，通过改变腔体（介质层）厚度、或者通过微纳光栅通的结构参数变化，可灵活实现微图文的彩色化输出；同时，通过压印方式制作微结构的精度已到纳米级，可实现1-2 µm精度的微图文制作；还可利用压印方式作为大规模快速生产的有效手段。 [0024] 2．本发明基于微腔干涉结构或微纳光栅实现微图文的彩色化输出，不仅能满足微透镜阵列下的莫尔放大条件，更能实现彩色背景下的微图文彩色动态放大输出；还满足了快速生产的需要；通过结构的设计与改变可获得光变色、同位异像等光学效果，视觉识别特征比现有单色安全元件有显著提升，增强其防伪性能；在制作微图文微腔共振或微纳米光栅结构时，能同步完成背景色微腔干涉结构的制作，简化工艺流程；更重要的是，涉及到纳米结构制造、薄膜干涉等重要技术手段，技术门槛亦得以显著提高，为光学安全薄膜器件提供一种重要的彩色化光学视读方案。附图说明 [0025] 图1是实施例一结构示意图； [0026] 图2是实施例一局部剖面图； [0027] 图3是实施例一中微腔干涉结构示意图； [0028] 图4是实施例一中红、绿、蓝三色反射光谱； [0029] 图5是实施例一中60°下三色反射光谱； [0030] 图6至图10是实施例一压印过程中各步骤状态示意图； [0031] 图11是实施例二示意图； [0032] 图12是实施例二剖面图； [0033] 图13是实施例二中四种腔厚反射光谱； [0034] 图14是实施例三示意图； [0035] 图15是实施例四示意图； [0036] 图16是实施例四剖面图； [0037] 图17是微纳米光栅结构示意图； [0038] 图18是实施例五示意图； [0039] 图19是实施例五剖面图； [0040] 图20是TM偏振下微纳米光栅在不同观察角下的反射光谱； [0041] 图21是TM偏振下微纳米光栅在不同观察平面内的反射光谱； [0042] 图22是TE偏振下微纳米光栅在不同观察角下的反射光谱； [0043] 图23是TE偏振下微纳米光栅在不同观察平面内的反射光谱； [0044] 图24微腔干涉结构在不同观察角下的反射光谱。 具体实施方式[0045] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述： [0046] 实施例一： [0047] 将R、B两色的滤色微腔干涉结构压印在微透镜阵列对应的微图文区域，如附图1所示：20、微透镜阵列结构层；21、基材薄膜；22、彩色微图文层；23、颜色背景层。根据莫尔放大原理，形成彩色动态放大图案。 [0048] 该实施例微文字像素点剖面图如附图2所示，彩色图文层22中220为基材下表面，221为微文字B存在的水平面，222为微文字A存在的水平面，223为半透半反金属薄膜层，本实施例中采用镍薄膜，230为折射率为1.5的介质材料填充层，231为高反射金属薄膜层，本实施例中采用金属铝膜层。 [0049] 这样组成彩色微图文层和颜色背景层的微腔干涉结构如图3所示。当231为金属Al薄膜，230为折射率为1.5的介质，223为金属Ni薄膜时，通过改变微腔230的厚度来实现R、G、B三色的颜色输出。如附图2所示，当230厚度为210nm时，反射光呈现红色；当230厚度为165nm时，反射光呈现绿色；当230厚度为130nm时，反射光呈现蓝色，三色反射光谱如附图4所示。在60°观察角下，当230厚度为210nm时，反射光呈现黄色；当230厚度为165nm时，反射光呈现蓝色；当230厚度为130nm时，反射光呈现紫色，如附图5所示。 [0050] 微腔干涉结构可通过压印微图形的模具台阶调整，使得压印的不同微图形获得不同的微腔厚度，如图6至图10所示。参见图6，压印模头50具有不同高度的台阶501和502，在基材21下表面220上压印出两种槽深，参见图7，凹槽511和512深度分别为45 nm和90 nm，然后如图8所示蒸镀一层10nm厚的镍膜52，镀介质填平凹坑后再镀上130 nm厚介质层530，如图9，然后蒸镀一层20 nm厚铝层531，如图10所示，最后根据需要镀上一层保护层。在此工艺流程下，可在制作组成微图文层的微腔干涉结构的同时获得形成背景色的微腔干涉结构。 [0051] 因此，微图文层中微文字A由10 nm镍膜、210 nm厚介质腔和20 nm厚铝层组成，微文字B分别为由10 nm镍膜、165 nm厚介质腔和20 nm厚铝层组成，背景层由10 nm镍膜、130 nm厚介质腔和20 nm厚铝层组成，从而垂直方向观察时微图文层的动态放大图形呈现出蓝色背景下的红色字母A和绿色字母B；60°观察角下，微图文层的动态放大图形呈现出紫色背景下的黄色字母A和蓝色字母B。 [0052] 实施例二： [0053] 将R、G、B三色的滤色微腔干涉结构压印在微透镜阵列对应的微图文区域，如附图11所示：20、微透镜阵列结构层；21、基材薄膜；22、彩色微图文层，该层中存在字母A、B和C组成的微文字阵列；23、无色背景层，根据莫尔放大原理，形成彩色动态放大图案。 [0054] 该实施例剖面图如附图12所示，彩色图文层22中220为基材下表面，621为微文字A存在的水平面，622为微文字B存在的水平面，623为微文字C存在的水平面，223为半透半反金属层，230为折射率为1.49的介质材料填充层，231为全反射金属层。 [0055] 以微腔干涉结构为例，当全反射金属层为金属Al薄膜，介质材料填充层为折射率是1.49的PMMA，半透半反金属层为金属Cr薄膜时，通过改变微腔的厚度来实现R、G、B三色的颜色输出。当微腔厚度为210 nm时，反射光呈现红色；当微腔厚度为170 nm时，反射光呈现绿色；当微腔厚度为130 nm时，反射光呈现蓝色，当微腔厚度为20 nm时，反射光无明显的颜色输出，如附图13所示。其相应的微腔干涉结构制作方法类似于图6至图10所示流程，压印模头在基材上压印出196 nm、156 nm和116nm三种槽深，然后蒸镀一层6 nm厚的Cr膜，用PMMA介质填平后，蒸镀一层30 nm厚铝膜，最后根据需要镀上一层保护层。 [0056] 使微图文层中微文字A由6 nm厚Cr膜、210 nm厚PMMA和30 nm厚铝膜构成的微腔干涉结构组成，微文字B由6 nm厚Cr膜、170 nm厚PMMA和30 nm厚铝膜构成的微腔干涉结构组成，微文字C由6 nm厚Cr膜、130 nm厚PMMA和30 nm厚铝膜构成的微腔干涉结构组成，背景层由6 nm厚Cr膜、20 nm厚PMMA和30 nm厚铝膜构成的微腔干涉结构组成，从而使得微图文层的动态放大图形的呈现白色背景下的红色A、绿色B和蓝色C的彩色文字阵列。 [0057] 实施例三： [0058] 在微图文层上利用压印技术获得由一种腔厚的微腔干涉结构组成的微图文层，镀半透半反金属薄膜后，镀介质膜层将压印槽深填平后再镀全反射金属薄膜层，从而获得单色的微图文层和背景层，微图文层的颜色与背景层的颜色不同。如图14所示，在基材下表面压印一定深度的微图文821，镀半透半反金属层822，镀介质薄膜层830后再蒸镀一层全反射金属薄膜层831，再根据需要覆盖一层介质作为保护层。这样，微图文层与背景层均显示为单一的颜色，且两者的颜色不同，可以根据需要选择不同的颜色显示，例如微图文动态放大图形的颜色偏短波长（偏蓝），背景颜色偏长波长（偏红），从而使得动态放大图形的颜色与背景颜色不同，呈现出红色背景下的蓝色显示。 [0059] 实施例四：通过在微透镜中心轴的左右两旁，放置不同的微图形，可以不同视角下观察到不同的放大图形；通过对左右微图形的微腔厚度的调整，左右不同视场下观察得到的放大图形的颜色不同。 [0060] 如图15所示，在微透镜90对应的微图文区域92，微透镜中心轴的左右两旁分别放置了微图文A和B，其剖面图如图16所示，在微图文层92上，微透镜中心轴的左边921为微文字A的水平位置，微透镜中心轴的右边922为微文字B的水平位置，923为半透半反金属薄膜层，如6 nm的镍膜，930为介质薄膜层，如MgF2，931为全反射金属层，如30 nm厚银膜。 [0061] 这样，微文字A、微文字B分居微透镜中心轴的左右两旁，微文字A、微文字B以及背景层由不同腔厚的微腔干涉结构组成，三者分别呈现不同的颜色。人眼在微透镜阵列的上方观察到同一个微透镜单元内相同背景色下的两种微文字A和B的颜色动态放大图形，并且所显示的微文字A和微文字B的颜色不同，呈同位异像效果。 [0062] 实施例五： [0063] 采用如图17所示微纳米光栅结构同时实现微图文层和背景层的颜色显示，其中100为全反射金属薄膜，101为介质，102为介质光栅，103为半透半反金属薄膜，102中相邻脊区对应位置之间的距离为光栅周期。通过改变微腔101和102的厚度来实现R、G、B三色的颜色输出。 [0064] 与微透镜阵列相结合实现带背景色的微图文彩色放大动态显示，此方案如图18所示，其剖面图如图19所示，其中1120为基材下表面，在基材下表面微透镜对应区域压印槽深至1122，该槽深宽度尺寸<5微米，深65 nm；再在1122上压印周期为250 nm、深度为240 nm的介质光栅结构1121，然后依次镀10 nm半透半反金属镍薄膜1123、165 nm介质膜1130和20 nm全反射金属薄膜1131。由此微文字A即由10 nm半透半反金属层、230 nm介质光栅层、230 nm介质层和20 nm全反射金属薄膜构成，在TM偏振下的反射光谱如图20所示，在±40°内观察时，微文字A呈现红色；在±60°角观察时，微文字A无明显颜色特征。在垂直光栅栅线的平面内（即图19中的φ=0°），40°度观察角下，微文字A呈现红色，在平行光栅栅线的平面内（即图19中的φ=90°），40°观察角下，微文字A无明显颜色特征，表现出明显的双通道特性，如图21所示。 [0065] 其TE偏振下的反射光谱如图22所示，在不同观察角内，其在可见光区域的反射率变化较小，无明显的颜色特征。在垂直光栅栅线的平面内（即图19中的φ=0°），40°度观察角下，微文字A无明显颜色特征，在平行光栅栅线的平面内（即图19中的φ=90°），40°观察角下，微文字A呈现红色，表现出明显的双通道特性，如图23所示。 [0066] 相应的背景则为由10 nm半透半反金属层、165 nm介质层和20 nm全反射金属薄膜层组成的微腔干涉结构，其反射光谱如图24所示，随着入射角度的增大，颜色从绿色向蓝色偏移，垂直观察时，背景呈现绿色；40°角观察时，背景呈现蓝绿色；60°角观察时，背景呈现蓝色。 [0067] 本实施例中两者相组合，垂直观察下呈现绿色背景中红色文字A；40°观察角下呈现蓝绿色背景中的红色文字A；60°观察角下呈现蓝色背景中的黑色文字A示。 [0068] 在40°观察角下，TM偏振光照射下观察到蓝绿色背景中的红色文字A，TE偏振光照射下观察到蓝绿色背景中的白色文字A，表现出明显的偏振分束特性。 [0069] 在垂直光栅栅线的平面内，TM偏振光40°观察角下呈现蓝绿色背景中的红色微文字A显示，在平行光栅栅线的平面内，TM偏振光40°观察角下呈现蓝绿色背景中的白色微文字A显示，表现出明显的双通道特性。 [0070] 上述各实施例中微图文可以为各种形式的文字、图像或文字图像组合；上述各实施例中颜色变化特征，可自由组合实现对带背景色动态微图文的色彩调制。 |
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