具有亚波长光栅的防伪元件的制作方法

本发明涉及一种用于制造如钞票、支票等有价文件的防伪元件，该防伪元件包括：介质基底；第一周期性线光栅结构，其嵌入在基底中，并由沿纵向延伸并布置在第一平面内的多个第一栅网构成，所述第一栅网具有位于其间的第一栅隙；以及具有相同周期的第二线光栅结构，其嵌入在基底中，并由沿纵向延伸的第二栅网构成，所述第二栅网具有位于其间的第二栅隙；其中第二线光栅结构相对于第一平面在第一线光栅结构上方位于平行的第二平面内，并且其中第二线光栅结构形成为相对于第一线光栅结构是反转的，从而在向第一平面俯视的俯视图中，第二栅网位于第一栅隙上方，并且第二栅隙位于第一栅网上方。

背景技术：

具有周期性线光栅的防伪元件是已知的，例如de102009012299a1、de102009012300a1或de102009056933a1中说明的防伪元件。若光栅轮廓使得在可见光谱范围出现共振效应，则这些防伪元件在亚波长范围内可具有滤色特性。已知的是，反射和透射亚波长结构具有这种滤色特性。所述结构对入射光线的反射或透射具有很强的偏振影响。颜色在很大程度上取决于这种亚波长光栅的反射或透射角度。但是，若入射光是非偏振光，则这些光栅的颜色饱和度会显著弱化。

若光栅轮廓使得在可见光波长范围出现共振效应，则一维周期性光栅在亚波长范围内可具有滤色特性。所述滤色特性取决于入射光的角度。

de3248899c2说明了一种具有与角度相关的滤色特性的亚波长结构。所述光栅具有矩形横截面，并在其上沉积有高折射性(hri)层，其中，对于折射率来说：nhri>n2且n1≈n2≈n3。随着角度θ的变化会出现颜色变化。若光栅相对于入射平面垂直地倾斜(θ>0°；φ＝90°)，则颜色基本保持恒定。角度φ指方位角。以did("衍射识别装置")为名称销售的防伪元件基于所述结构，并利用反射滤色特性。但是需要有光吸收基底才能察觉出色彩效果。

wo2012/019226a1说明了一种同样具有矩形轮廓的压印亚波长光栅，该亚波长光栅压印在由金属颗粒或金属纳米颗粒构成的平台上。所述光栅在透射光中呈现出色彩效果或偏振效果。

而且，已知的是，亚波长光栅是与角度相关的滤色装置，它具有金属或半金属双层构造，例如de102011115589a1或z.ye等人的“compactcolorfilterandpolarizerofdoublelayermetallicnanowiregratingbasedonsurfaceplasmonresonances(基于表面等离子体共振的双层金属纳米线光栅紧凑滤色镜和偏振镜)”，plasmonics，8，555-559(2012)专利文献中所述的亚波长光栅，其中，金属镀层通过汽相沉积实现，并嵌入在介质中。在公开了具有上述特征的防伪元件的文献de102011115589a1中描述的方法基于具有相同周期的两个线光栅的构造，所述线光栅相对于彼此偏移半个周期，并由金属或半金属线(例如厚度为70纳米的硫化锌)构成。

具有大约70纳米厚度的硫化锌镀层的这种已知亚波长结构适合于作为反射滤色装置。因此，该结构必须附加地应用到光吸收基底上才能实现足够的颜色反差，然后才能在反射光中看到。具有金属镀层的亚波长光栅在透射光中呈现出较高的颜色饱和度。由于金属中的光吸收作用，因此它们显得较暗。

镀有薄金属膜的正弦型光栅能导致等离子体共振效应。所述共振导致tm偏振的透射性提高，请参考jourlin等人的文献“spatiallyandpolarizationresolvedplasmonmediatedtransmissionthroughcontinuousmetalfilms(连续金属膜中的空间和偏振分辨等离子体激元中介透射)”；opt.express17，12155-12166(2009)。这种效应可通过附加的薄介质层进一步优化，例如在t.tenev等人的“highplasmonicresonantreflectionandtransmissionatcontinuousmetalfilmsonundulatedphotosensitivepolymer(不平坦光敏聚合物上的连续金属膜处的高等离子体共振反射和透射)”，plasmonics(2013)文献中的说明。wo2012/136777a1中说明的防伪元件基于这种光学效应。

wo2014/033324a2同样说明了一种基于亚波长光栅并呈现出与角度相关的色彩的透射防伪元件。在所述文献中更详细地论述了以高折射方式涂覆的正弦型光栅的光学特性。

已知的具有非连续表面的二维周期性亚波长光栅呈现出滤色特性，但是具有很大的角度容限。因此在倾斜时其色调几乎不变。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提出一种防伪元件，该防伪元件在观察时呈现出随着倾斜而改变的良好色彩效果。

根据本发明，上述目的通过一种用于制造如钞票、支票等有价文件的防伪元件来实现的，该防伪元件包括：

-介质基底，

-第一周期性线光栅结构，其嵌入在所述基底中，并由沿纵向延伸并布置在第一平面内的多个第一栅网构成，所述第一栅网具有位于其间的第一栅隙，和

-具有相同周期的第二线光栅结构，其嵌入在所述基底中，并由沿纵向延伸的第二栅网构成，所述第二栅网具有位于其间的第二栅隙，

-其中第二线光栅结构相对于第一平面在第一线光栅结构上方位于平行的第二平面内，和

-其中第二线光栅结构形成为相对于第一线光栅结构是反转的，从而在第一平面的平面图中，第二栅网位于第一栅隙上方，并且第二栅隙位于第一栅网上方，其中

-所述防伪元件在对其透视观察时产生色彩效果，和

-第一线光栅结构的栅网和第二线光栅结构的栅网分别由双层形成，该双层由高折射性材料层和金属材料层组成。

所述高折射性材料优选是介质或半导体，例如硅(si)、锗(ge)、碳(c)。

根据本发明，使用由线光栅结构组成的双线光栅，所述线光栅结构以彼此互补的方式(即，相对于彼此偏移)在两个平面内上下叠置。90°相移是理想值，当然这必须在制造精度的背景下考虑。由于制造公差，在此可能发生与互补性(即90°相移)的偏差。另外，矩形轮廓可能无法完美地形成，而是通过梯形轮廓来近似，其上平行边比下平行边短。在具有矩形横截面的线光栅结构的情况下，相移对应于半个周期。

线光栅结构由高折射性介质或半金属材料层与金属层的组合构成。栅网的厚度小于调制深度，即，小于线光栅结构的平面间距，因而不产生封闭膜。因此，第一和第二平面的间距大于(0.5x第一层厚度)与(0.5x第二层厚度)的和。

结果发现，在透视时，这种结构的光栅在倾斜时出乎意料地提供可再现且容易察觉的色彩效果。

所述防伪元件可通过如下方式简单地制造为层状结构：首先提供一个基层，在该基层上形成有第一线光栅结构的双层。在该基层上施加介质中间层，该介质中间层覆盖第一线光栅结构，并且比第一线光栅结构的栅网厚。然后可在其上形成偏移的第二线光栅结构，并且用介质覆盖层完善基底，线光栅结构嵌入在该基底中。可替代地，也可以首先在介质基底中形成(例如压印)亚波长光栅，该亚波长光栅的横截面具有矩形轮廓。如果使用所述双层的材料垂直涂镀(例如通过气相沉积)，那么会在平台上和沟槽中产生双层，这样会形成第一和第二栅网。结果，在不同的平面内形成所需的第一和第二栅网。

若第一和第二栅网之间的垂直间距(即，结构的调制深度)在100纳米和500纳米之间，则可获得特别良好的色彩效果。间距的测量基于两个平面，这两个平面例如可由第一和第二线光栅结构的相同朝向的表面(即，例如在栅网的下侧或栅网的上侧的表面)限定。在此，垂直间距当然应垂直于平面测量，即，它指示栅网的相同朝向表面之间的高度差。

用于双层栅网的适当的高折射性材料是与周围基底(即基材)相比具有更高折射率(特别是至少高0.3)的所有材料。双层中的层序是无关紧要的；第一和第二线光栅结构的层序也可以不同。

所述防伪元件在透视观察时呈现出与角度相关的滤色特性。若光栅线垂直于光入射面，则这种角度相关性尤其明显。可以利用该滤色特性来产生多种颜色的图案，使得它们随着旋转位置改变其颜色，或者在平面倾斜时呈现不同的效果。因此，优选在平面的平面图中提供至少两个区域，其中线光栅结构的纵向相对于彼此成一定角度，特别是成直角。在垂直观察时，可以产生呈现一致的颜色且在垂直观察时没有更多结构的图案。在倾斜该防伪元件时，一个区域(例如背景)的颜色会变得不同于另一个区域(例如图案)的颜色。

当然，还可以想到具有多个不同地排列的区域的实施方式。例如，可提出一种改进结构，该改进结构在防伪元件中具有多个区域，其中，各个区域在光栅线的朝向和/或线光栅结构的周期方面彼此不同。因而可提供在透视观察时具有不同色彩效果的图案。

应理解，在不脱离本发明的范围的前提下，上述特征和尚待说明的特征不仅可按规定的组合使用，还可按不同的组合使用或单独使用。

附图说明

下面将参照附图更详细地说明本发明，附图还公开了本发明所必需的特征。在附图中：

图1是具有双线光栅的防伪元件的截面图，其中每个线光栅具有由双层构成的栅网；

图2a-b示出了在观察角度变化时图1中的防伪元件的反射率和透射率的光谱依赖性；

图3a-b示出了在调制深度h变化时图1中的防伪元件的反射率和透射率的光谱依赖性；

图4a-b示出了在调制深度变化时对于与图3a-b不同的材料组合来说图1中的防伪元件的反射率和透射率的光谱依赖性；

图5示出了在双层的层厚变化时对于不同的观察角度来说图1中的防伪元件的反射率和透射率的lch颜色空间中的色值；

图6a-b示出了在层厚度变化时图1中的防伪元件的反射率和透射率的cie1931色图；

图7a-b示出了在观察角度变化时对于与图6a-b不同的层厚来说图1中的防伪元件的反射率和透射率的cie1931色图；

图8a-b示出了在观察角度变化时对于与图7a-b不同的层厚来说图1中的防伪元件的反射率和透射率的cie1931色图；

图9a-b示出了一种防伪元件的两个平面图，该防伪元件构造为具有图1的光栅的图案，但光栅的朝向不同；以及

图10a-b示出了与图9a-b类似的另一种防伪元件实施方式。

具体实施方式

图1以截面图示出了具有双线光栅的防伪元件s，该双线光栅嵌入在基底中，并由两个线光栅结构2、6组成。基底包括介质载体1，在该介质载体1上，布置在平面l1内的第一线光栅结构2结合在介质层(例如压印漆层)中。第一线光栅结构2由具有宽度b的第一栅网3构成，该第一栅网3沿纵向(即，垂直于纸面的方向)延伸。在第一栅网3之间有第一栅隙4，该第一栅隙4具有宽度a。

每个栅网3由双层构成，所述双层由具有厚度t4的高折射材料3a和具有厚度t2的金属材料3b组成。因此，第一栅网3的厚度(垂直于平面l1测量)为t2+t4。在第一栅网3上方的高度h处，在平面l2内有第二线光栅结构6，其具有第二栅网7，第二栅网7同样由双层构成，所述双层由具有厚度t3的高折射性材料7a和具有厚度t1的金属材料7b组成。第二栅网7具有宽度a。第二线光栅结构6在平面l2内相对于第一线光栅结构2相移而成，从而第二栅网7尽可能精确地(在制造精度的背景下)叠置在第一栅隙4之上。同时，位于第二栅网7之间的第二栅隙8处于第一栅网3的上方。

第一栅网3的厚度t2+t4小于高度h，因而栅网3和7不会形成连续膜层。高度h代表光栅结构的调制深度。

在图1的示意性截面图中，第一栅网3的宽度b等于第二栅网7的宽度a。因此，对于周期d来说，每个线光栅结构中的占空系数是50％。但这不是必须的。可按照公式b+a＝d进行任何所需的变化。

另外，在图1的示意性截面图中，厚度为t2＝t4和t1＝t3，并且(t2+t4)＝(t1+t3)。这对于简化生产是有利的，但不是绝对必须的。

调制深度h(即，第一线光栅结构2和第二线光栅结构6之间的高度差(与平面l1和l2的间距对应))大于第一栅网3和第二栅网7的厚度之和，因此在两个线光栅结构2和6之间存在尺寸为h-(t2+t4)的垂直间距。光栅结构可被认为是具有相同轮廓且彼此相距h-(t2+t4)的两个线光栅构造。

所有实施方式中的栅网3、7都由双层形成，所述双层由高折射性、介质或半金属材料3a、a和金属材料3b、7b构成。高折射性材料具有折射率nhri，并且被介质包围，该介质具体而言是介质中间层5和介质覆盖层10。实际上，这些周围材料的折射率通常没有什么差别，并且大约为n1。高折射性材料的折射率nhri高于周围材料的折射率，例如按绝对值来说至少高0.3。

图1的防伪元件s以反射辐射r的形式反射入射辐射e。而且，一部分辐射以透射辐射t的形式透射。反射和透射特性取决于入射角θ，如下文所述。

例如，防伪元件s可通过首先将第一线光栅结构2施加在载体1上然后将中间层5施加在第一线光栅结构2上来制造。然后可以将具有第二栅网7的第二线光栅结构引入到栅隙4中，该栅隙4在此所示为向上的。覆盖层10覆盖防伪元件。层5和10以及载体1的折射率在一些实施方式中基本相同，并且例如可以是n1＝1.5，特别是1.56。

尺寸b、a和t1至t4在亚波长范围内，即，小于300纳米。调制深度优选在100纳米和500纳米之间。

也可以采用如下的制造方法：首先在载体1的上侧产生矩形光栅。换言之，载体1构造为使得具有宽度a的沟槽与具有宽度b的栅网交替布置。随后通过汽相淀积方式在结构化基底上提供所需的镀层，从而形成第一和第二线光栅以及第一和第二线光栅结构。在汽相沉积后，最后以覆盖层覆盖上述结构。这产生了上侧和下侧基本上具有相同折射率的层结构。

结构化基底可通过不同的方式获得。一种方案是使用母版复制。母模例如可复制在薄膜(例如pet膜)上的uv漆层中。这提供了作为介质材料的基底1，该介质材料例如具有1.56折射率。可替代地，也可采用热压印法。

可以使用电子束装置、聚焦离子束或使用干涉光刻法来制造母版或基底本身，并将结构写入光致抗蚀剂中并随后进行显影。

通过光刻法制造的母版的结构可在随后的步骤中蚀刻到石英基底中，以形成尽可能垂直的轮廓侧面。然后使用石英晶片作为预成型件，并且例如可以复制在光敏树脂ormocer中，或者通过电镀成型来复制。也可以利用电镀法在ormocer或镍材中对通过光刻方式制造的原型件进行直接成型。还可以从均一的光栅母版开始通过纳米压印法构成具有不同光栅结构的图案。

亚波长光栅结构和由不同亚波长结构组成的图案的这种制造方法是本领域技术人员已知的，例如在de102011115589a1中所述的制造方法。该文献的此方面内容整体结合在此。

下面将以铝以及高折射性材料硫化锌(zns)和二氧化钛(tio2)为例论述防伪元件在可见波长范围内的光学特性。周围材料是具有n＝1.52的折射率的聚合物。在此还假定栅网的几何轮廓为矩形。在实际应用中出现的与这种理想的矩形形状的微小偏差(例如梯形形状)对光学外观没有显著影响，并且能得到与矩形光栅类似的结果。图2a和图2b示出了具有参数d＝360纳米、h＝220纳米、b＝180纳米以及镀层ta1＝30纳米和tzns＝160纳米的光栅的光谱反射率(图2a)和透射率(图2b)。入射光是非偏振光。

图2a示出了在不同入射角(具体而言是0°、15°和30°)时反射率(y轴)与波长(x轴)的函数关系。图2b类似地示出了透射率。入射角θ在图1中定义。

对于光的垂直入射，光谱反射率显示出在404纳米和672纳米处有两个显著的谷点，其中长波谷点在透射光谱中为尖峰。随着入射角增大，该尖峰会移入长波范围，并且在具有取决于角度的色散的透射光谱中出现另一些尖峰。

图3a和3b涉及调制深度h对透射光谱的影响。该图示出了在光垂直入射时(图3a)和入射角θ＝30°时(图3b)具有镀层tal＝30纳米和tzns＝140纳米的光栅在可见光范围内的透射率与波长的函数关系。调制深度在180纳米和240纳米之间变化。对于垂直入射，能够看到三个尖峰，其中两个短波峰的明显性受调制深度变化的显著影响。蓝色峰的强度强烈提高，并移入绿色中，而波长560纳米处的尖峰的强度显著降低。对于入射角θ＝30°，在调制深度h变化时，可见光范围内的尖峰的位置几乎不变。该光栅具有参数d＝360纳米、b＝180纳米以及镀层tal＝30纳米和tzns＝140纳米，嵌入在n＝1.52且调制深度h＝180纳米-240纳米的介质中。

图4a和4b涉及高折射性材料对光栅的衍射行为的影响。该图示出了具有图3的参数的光栅的透射光谱，但是镀层具有140纳米厚度，并且是二氧化钛(tio2)，而不是硫化锌(zns)。光谱中的蓝色成分显著增加，因为tio2在蓝色范围内的吸收率低得多。另外，红色范围内的透射率整体上升高。对于θ＝30°，这个波长范围内的共振较弱，这也导致较低的光吸收。

为了研究所述防伪元件在lch颜色空间中的颜色特性，将透射或反射光谱与d65标准光的发射曲线和人眼的敏感度进行卷积处理，并计算颜色坐标x、y、z。d65照明大致相当于日光。随后将xyz坐标转换为颜色值lch。这些值可以直接与观察者的色觉的人类色觉相关联：

l*:亮度，

c*:色度(＝颜色饱和度)，和

h°:色调。

图5示出了在入射角θ＝0°和30°时具有参数d＝360纳米、h＝210纳米、b＝180纳米的防伪元件的lch色图(左侧是反射图，右侧是透射图)与硫化锌镀层3a、7a的厚度t3＝t4的关系。从图中能够看出，在倾斜时(即，在角度θ发生变化时)，大约160纳米的硫化锌层厚使透射色度发生特别强烈的变化。另一方面，色调随着厚度的增大而提高。

图5的值被转换为x，y颜色坐标，并在图6a、6b中在cie1931颜色空间内示出。白点被标记为“wp”。三角形限定通常可通过屏幕显现的颜色区域。颜色坐标以轨迹的形式在图中示出。厚度tzns＝200纳米的端点用点状符号表示。在反射光中，由于硫化锌的层厚的变化，色调会发生变化。在从0°倾斜到30°时，颜色会在黄色和红色之间变化。另一方面，在透射光中，颜色空间的一个较大区域被硫化锌厚度的变化所涵盖。虽然de102011115589a1中的没有附加硫化锌镀层的铝光栅会呈现从黄色到洋红色的色移效果，但是在带有180纳米硫化锌镀层的光栅中，这些颜色实际上以相反的顺序出现。

对于嵌入在n＝1.52的介质中、具有参数d＝360纳米、h＝220纳米、b＝180纳米以及层厚tal＝30纳米和tzns＝160纳米的防伪元件，图7a中示出了反射颜色特性，而图7b中示出了透射颜色图。图7a、7b示出了反射(图7a)和透射(图7b)的cie1931颜色图，其中颜色配衬性作为从0°到30°的入射角θ的函数绘出。在此，研究了具有图1的层序的防伪元件的照明和具有相反层序的防伪元件的照明(相当于从反向照明)。前面照明的轨迹标记为“v”，后面照明的相关轨迹标记为“r”。应该指出的是，由于光路的可逆性，这两种情况的透射是相同的。在透射光中，发生从蓝色到绿色的显著色移效果。在反射光中，颜色变化明显较弱。但是，前面的反射颜色与后面的明显不同。当使用这种光栅结构作为防伪特征时，这种效果还加强了防伪性。

图8a和8b示出了与图7a和7b类似的防伪元件的x，y颜色坐标，但是该防伪元件具有不同的光栅参数。数据同样在反射和透射颜色图中作为入射角θ＝0°-30°的函数示出。与图7a和7b相比，光栅周期在此是d＝320纳米。比率b/d同样是0.5。层厚为tal＝30纳米和tzns＝120纳米。在反射光中，在倾斜时绿色色调几乎不变。它主要改变颜色饱和度。但是，在透射光中，色调从红色变为蓝色，颜色饱和度很高。与图7的防伪元件相反，在此能够看出，由于光栅参数的变化(特别是高折射性层的厚度和光栅周期的变化)，可以选择透射光中的倾斜颜色。

由于在垂直于入射面倾斜时不发生变色，因此可以对防伪特征进行图形设计，使得图案15在垂直观察时不可见，而只有在倾斜时才显现。这可以通过以彼此相对旋转90°的方式布置具有相同光栅轮廓的两个光栅区域14、15来实现。图9a和9b中示出了这种布置形式。

区域14中的形成背景的光栅线垂直延伸，而区域15中的形成图案的光栅线水平延伸。在围绕水平轴倾斜防伪元件时，图案会显现。区域的更多朝向也是能够想到的。由于区域的朝向是精细地递增的，因此例如还能够在透射中形成运动效果。对于此方面，例如可参考de102011115589a1。此外，还可以使用具有不同轮廓(例如光栅结构的周期)的区域来形成图案。

而且，金属层或高折射性层可以不在整个面积上形成，而仅在特定的光栅区域中形成。图10a和图10b示出了蝴蝶和数字“12”图案，其中数字“12”周围的正方形区域不包括附加的高折射性镀层(图10b中的区域16)。在垂直观察时，看不到蝴蝶和数字“25”图案，但区域16和17显现不同的颜色。在倾斜时，会附加地显现图案。

所述防伪元件可用作钞票中的透视窗口。还可部分地套印颜色。还可以部分地去除所述双层的一种或两种材料，例如利用超短脉冲通过激光辐照来去除。与高折射性透明全息图的组合也是可能的。这种全息图还可作为反射特征。防伪元件s的一部分可位于吸收基底上，从而所述部分仅用作反射特征，并与防伪元件s的位于透视窗口区域中的另一部分形成反差。

所述防伪元件尤其可用作钞票或其它有价文件中的透视窗口。还可对其进行部分地套印颜色，或者，可以部分地去除光栅区域的金属镀层，或者将光栅区域设计为没有线光栅，从而使这种区域完全覆有金属镀层。与衍射光栅结构(例如全息图)的组合也是可以设想出的。

标号列表

1载体或基底

2第一线光栅结构

3第一栅网

3a高折射性材料

3b金属

4第一栅隙

5中间层

6第二线光栅结构

7第二栅网

7a高折射性材料

7b金属

8第二栅隙

10覆盖层

14-17区域

h调制深度或高度

t1,t2,t3,t4镀层厚度

a,b栅网和栅隙宽度

d周期

s防伪元件

l1,l2平面

e入射辐射

r反射辐射

t透射辐射

θ入射角