一种具有三维浮雕效果的防伪薄膜结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有三维浮雕效果的防伪薄膜结构；该薄膜结构由具有不同形貌、不同尺度、不同周期及不同浮雕深度的三维连续面形微浮雕结构组成；通过对微浮雕结构的上述参数进行设计，加工，即可在视觉效果上获得类似于三维“凸起”或“凹下”的雕刻浮雕的效果。该技术可广泛应用于印刷、防伪等领域。
【专利说明】
一种具有三维浮雕效果的防伪薄膜结构
所属技术领域
[0001]本发明涉及一种具有三维浮雕效果的防伪薄膜结构；采用具有三维微纳结构对光线进行反射与散射，可以使得极薄的薄膜结构，获得具有强烈立体感的浮雕显示效果。该技术可广泛应用于包装，显示、防伪等领域。
【背景技术】
[0002]从上世纪90年代开始，微缩文字、三维显示、防伪等技术便得到了迅速发展，主要是以激光全息图为主，但这种技术已经半公开，防伪功能受到挑战。此外还有诸如水印防伪等技术也已经发展了很长时间，基本原理及实现方法也已经基本被大众所了解。迫切需要发展新的防伪技术。
[0003]为此人们提出了基于光学原理的放大显示防伪方法，这种方法的原理是:在正常照明条件下，人眼的极限分辨力为I分，在明视距离250mm条件下，人眼的极限分辨力为
0.072_。一般来说为使眼睛不疲劳，人眼的视角在4分左右，即可以分辨距离为0.3_左右的两个点。在一般情况下，10 X 10个点刻组成简单图案，其大小约在4mmX 4mm左右，其它细小的物体必须采用放大镜或显微镜进行放大才能看清其细微结构。对于小于该尺度的图案必须采用显微镜等辅助工具，这给观察带来很大不便。
[0004]随后，人们又开发出了基于微透镜阵列的三维、动态显示和防伪技术，然而上述技术受到现有像素尺度(150微米)的限制，很难获得流畅的动态显示效果和纤薄的厚度。同理，在三维电视中，也存在上述问题，采用现有像素，三维图像的显示随观测角度成阶段性变化，只有采用更加微小的像素尺寸方可获得流畅的三维动态效果。
[0005]然而，现有的印刷技术如:丝网印刷技术、凸版应刷技术、凹版印刷技术等都只能完成600DPI的分辨力，即每英寸600线对，线条周期最小约40微米左右。对于宽度仅1_2微米甚至更小的线条，采用现有的印刷工艺是根本无法完成的。
[0006]基于现有技术的上述问题，我们提出了一种基于微纳结构的全新的具有三维显示效果的防伪薄膜结构。通过薄膜中的微纳结构对光线进行反射与散射，可使得人们从视觉上获得类似浮雕的三维显示效果，在包装、印刷、防伪等领域具有广泛的应用价值。
【发明内容】
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[0007]本发明的技术解决方案通过以下步骤完成:一种具有三维浮雕效果的防伪薄膜结构，其特征在于包括以下步骤:
[0008]1、一种具有三维浮雕效果的防伪薄膜结构主要依次由基底层、微纳结构层、金属反射层、掩盖层组成。
[0009]2、根据权利要求1所述的具有三维浮雕效果的防伪薄膜结构，其特征在于:所述基底层主要用来承载微纳结构层、金属反射层及掩盖层，基底层的两个表面可以为平面，也可以为具有凸凹结构的磨砂面，其中磨砂面的凸凹结构深度为0-1000微米，典型的深度值在0-100微米之间。
[0010]3、根据权利要求1所述的具有三维浮雕效果的防伪薄膜结构，其特征在于:所述金属反射层为蒸镀于微纳结构层表面的一层金属膜，主要用来对照射到微纳结构层表面的光进行高效率的反射，金属膜的厚度为0-10微米，典型的范围在0-100纳米，当金属膜厚度为O微米时，具有三维浮雕效果的防伪薄膜结构为透射型，此时，微纳结构层与掩盖层必须分别为折射率不同的透光材料，典型的相关材料为PC、PMMA、PET以及其它高分子树脂；当金属反射层厚度不为O时，基底层、微纳结构层、掩盖层可以为相同的透明材料，也可以为不同类型的透明材料，典型的相关材料为PC、PMMA、PET以及其它高分子树脂；金属层可以为金、银、铜及铝等任何可以反射光线的金属；
[0011]4、根据权利要求1所述的具有三维浮雕效果的防伪薄膜结构，其特征在于:所述掩盖层不与金属反射层接触的表面可以为平面，也可以为具有凸凹结构的磨砂面，其中磨砂面的凸凹结构深度为0-1000微米，典型的深度值在0-100微米之间；掩盖层主要用来对微纳结构层及其表面的金属反射层进行掩盖，消除微纳结构及金属反射层所引起的微浮雕起伏特征，同时也对金属反射层进行保护，避免其快速老化。
[0012]5、根据权利要求1所述的具有三维浮雕效果的微纳结构层，其特征在于:所述微纳结构层主要由X，Y方向(即与基底层平行的平面内)尺度在2微米?10000微米的折光单元组成，优选值为50-100微米；在〗方向(即与基底层垂直的方向)，微纳结构层的高度为0.5-100微米，优选值为1-10微米；折光单元的孔径可以为四边形，也可以为六边形；同时折光单元的排列方式可以为四边形排列，也可以为六边形排列，排列方式可以密接排列也可以非密接排列；也可以由其它非规则口径进行密接或不密接排列构成。
[0013]6、根据权利要求5所述的具有三维浮雕效果的微纳结构层的折光单元，其特征在于:每个折光单元由多个具有相同或不同深度、不同倾斜角、不同周期与间距及不同表面形貌的三维齿形折叠浮雕结构组成；
[0014]7、根据权利要求5所述的具有三维浮雕效果的微纳结构层的折光单元，其特征在于:将要实现的目标三维物体在X，Y面内进行分割，将其分割为多个具有相同孔径或不同孔径的子单元(直角左边分割情况下，可表述为NXM个子单元)，微纳结构层的折光单元与三维目标物体在X，Y方向分割后的子单元在X，Y平面内具有相同的孔径形貌，且X，Y坐标一一对应；在此基础上，确定一个基准数值K，将每个子单元内部每一点的浮雕高度值h(X，Y)减去该子单元内部浮雕最低点高度值11_，将得到的子单元内部每个位置的高度值(即:h(X，Y)-h_)减去基准数值K的最大整数倍，留取余数作为(X，Y)点的浮雕高度值；利用该方式对子单元中每一点的高度进行折叠，形成与原先目标三维物体对应子单元反射与折射方向与效果接近和类似的折光单元，有众多的折光单元构成微纳结构层；上述方式为可选但并不是唯一的微纳结构层编码、折叠方式，可产生类似效果的其它微纳结构层编码、折叠方法均属于本专利保护范围。
[0015]8、根据权利要求6所述的组成微纳结构层的折光单元的三维齿形折叠浮雕结构，其特征在于:大部分三维齿形折叠浮雕结构均具有接近直角三角形的剖面轮廓，其中一条边近似平行于基底层，另外一条边近似垂直于基底，第三条边为斜边，斜边所在的三维齿形折叠浮雕结构表面为光线反射面，起主要的反射光线的作用；另外一部分折光单元具有斜面结构，该斜面同样为光线反射面，起主要的反射光线的作用。
[0016]9、根据权利要求8所述的组成微纳结构层的折光单元的三维齿形折叠浮雕结构和斜面结构的光线反射面，其特征在于:光线反射面中包含规则或不规则的微小凸凹结构，该微小凸凹结构的凸凹深度在O微米-100微米，典型的深度在0-5微米之间，当凸凹深度为O微米时，该光线反射面为光滑的斜面。
[0017]10、根据权利要求5所述的具有三维浮雕效果的防伪薄膜结构的微纳结构层，其特征在于:该结构可采用灰度激光直写、DMD灰度投影光刻、液晶灰度投影光刻等装备与手段完成镍模板制作，并以镍模板为基础，采用现有的UV紫外压印或热压印等工艺在基底层表面压印完成；
[0018]本发明最大的特点在于:采用该技术可使得厚度仅为几十微米的薄膜具有类似雕刻浮雕三维结构的显示效果，是一种基于微纳反射结构的全新的三维立体显示效果。
【附图说明】
[0019]图1是本发明实施例一中一种具有镜面三维浮雕效果的防伪薄膜结构的示意图；该结构中标注I为基底层，标注2为微纳结构层，标注3为金属反射层、标注4为掩盖层，图中基底层上下表面，掩盖层上表面均为平面。
[0020]图2所示为实施例一的目标图形一三维“麒麟”，图中黑、白色代表浮雕深度不同。
[0021]图3为本发明实施例一中一种具有三维浮雕效果的防伪薄膜结构的微纳结构层中的11X9个方形折光单元进行紧密拼接构成的图案，图中虚线框为其中一个折光单元；构成该折光单元的是5组三维齿形折叠浮雕结构；图中黑白分别代表浮雕的深度，黑色为高、白色为低；图中实线框为另一个折光单元；构成该折光单元的是斜面结构；图中黑白分别代表浮雕的深度，黑色为高、白色为低；
[0022]图4为本发明实施例一中，图3中虚线框内的折光单元；图中黑白分别代表构成折光单元的三维齿形折叠浮雕结构的深度，黑色为高、白色为低，其表面即为光线反射面；
[0023]图5为本发明实施例一中，图4所示折光单元沿图中虚线剖开，得到的剖面轮廓，剖面轮廓为近似直角三角形，其中标注5为该三角形斜边，其所在的斜面为光线反射面。
[0024]图6，本发明实施例一中实现的镜面反射三维浮雕防伪薄膜及效果。
[0025]图7是本发明实施例二中一种具有漫反射三维浮雕效果的防伪薄膜结构的示意图；该结构中标注6为基底层，标注7为微纳结构层，标注8为金属反射层、标注9为掩盖层，图中基底层下表面，掩盖层上表面为携带有凸凹结构的用于散射的磨砂面。
[0026]图8所示为实施例二的目标图形一三维“骏马”，图中黑、白色代表浮雕深度不同。
[0027]图9为本发明实施例二中，微纳结构层中的一个折光单元；图中黑白分别代表构成折光单元的三维齿形折叠浮雕结构的深度，黑色为高、白色为低，其表面即为光线反射面，光线反射面轮廓为斜面，但其表面携带有微小的凸凹散射微结构。
[0028]图10为本发明实施例二中，图9所示折光单元沿图中虚线剖开，得到的剖面轮廓示意图，剖面轮廓为近似多个直角三角形，其中标注10为该三角形斜边(虚线所示)，其所在的斜面为光线反射面，光线反射面轮廓为斜面，其表面携带有微小的凸凹散射微结构。
[0029]图11，本发明实施例二中实现的漫反射三维浮雕防伪薄膜及效果。
[0030]图12，本发明实施例三中，六边形孔径及六边形拼接的微纳结构层部分折光单元示意图
[0031]图13，本发明实施例四中，不规则孔径及不规则拼接的微纳结构层示意图及其中一个折光单元细节；
[0032]图14，本发明实施例四中，具有透射效果的三维浮雕效果的防伪薄膜结构示意图；该结构中标注11为基底层，标注12为微纳结构层，标注13为掩盖层，
[0033]图15为本实施例中实现的透射型三维微纳防伪薄膜及效果；
【具体实施方式】
[0034]实施例1，一种具有镜面三维浮雕效果的防伪薄膜结构；防伪薄膜结构示意图如图1该结构中标注I为基底层，标注2为微纳结构层，标注3为金属反射层、标注4为掩盖层，图中基底层，掩盖层上表面均为平面。实施例一中基底层为PET薄膜，其厚度为10微米，且上下表面均为平面；
[0035]图2所示实施例一的目标图形为三维“麒麟”，灰度代表深度信息，黑色为高、白色为低
[0036]将该立体浮雕麒麟分割为1000 X 800个子单元，每个子单元X，Y方向尺寸为80微米X80微米；同时，将每个子单元的浮雕高度值减去该子单元内部(即该单元80微米X80微米内部)浮雕最低点的高度值；取5微米为基准，并对其以5微米为基准数值，去除基准数值5微米的整数倍的值，保留其余数的方式进行处理，形成接近原先子单元反射与折射方向与效果的微纳结构层；
[0037]通过传统光刻、电铸及UV工艺，在基底层表面模压形成的微纳结构层，其中的11X9个折光单元如图3所示，其进行紧密拼接构成图案，图中虚线框为其中一个折光单元；图中黑白分别代表浮雕的深度，黑色为高、白色为低；，浮雕高度约为5微米；虚线框内的折光单元放大图见图4 ;图中黑、白色分别代表构成折光单元的三维齿形折叠浮雕结构的深度，黑色为高、白色为低，其表面即为光线反射面；图5所示折光单元沿图中虚线剖开，得到的剖面轮廓，剖面轮廓为近似直角三角形，其中标注5为该三角形斜边，其所在的斜面为光线反射面。
[0038]在微纳结构层表面蒸镀金属铝50纳米作为金属反射层，并在其表面涂布10微米的树脂作为掩盖层，对微纳结构层及金属铝层进行保护及形成相应的三维浮雕薄膜防伪结构，如图6所示；
[0039]实施例2，一种具有漫反射三维浮雕效果的防伪薄膜结构；防伪薄膜结构示意图如图7该结构中标注I为基底层，标注2为微纳结构层,标注3为金属反射层、标注4为掩盖层，图中基底层，掩盖层上表面均为平面。实施例一中基底层为PC薄膜，其厚度为20微米，图中基底层下表面，掩盖层上表面为携带有凸凹结构的用于散射、衍射光的磨砂面。；
[0040]图8所示实施例二的图形为三维“骏马”，灰度代表深度信息，黑色为高、白色为低
[0041]将该立体浮雕骏马分割为800X600个子单元，每个子单元X，Y方向尺寸为50微米X50微米；同时，取10微米为基准，将每个子单元的浮雕高度减去该子单元内部浮雕高度的最低点的高度值，在此基础上，去除基准数值10微米的整数倍的值，保留取其余数的方式进行处理，形成与原子单元具有近似反射与折射方向、效果的微纳结构层；
[0042]通过传统光刻、电铸及UV工艺，在基底层表面模压形成的微纳结构层，微纳结构层中的某个折光单元放大图见图9;图中黑、白色分别代表构成折光单元的三维齿形折叠浮雕结构的深度，黑色为高，白色为低，其表面即为光线反射面；图10所示折光单元沿图中虚线剖开，得到的剖面轮廓，剖面轮廓为近似直角三角形，其中标注10为该三角形斜边，其所在的斜面为光线反射面，其表面携带有用于光散射的微纳结构。
[0043]在微纳结构层表面蒸镀金属铝50纳米作为金属反射层，并在其表面涂布10微米的树脂作为掩盖层对微纳结构层及金属铝层进行保护，并在掩盖层表面通过再次压印，形成磨砂结构，最终获得相应的三维浮雕薄膜防伪结构，如图11所示；
[0044]实施例3，一种具有镜面反射三维浮雕效果的防伪薄膜结构；防伪薄膜结构示意图如实施例中的图1所示，其该结构中标注I为基底层，标注2为微纳结构层，标注3为金属反射层，标注4为掩盖层，图中基底层，掩盖层上表面均为平面。实施例一中基底层为PC薄膜，其厚度为20微米，图中基底层下表面、掩盖层上表面为携带有凸凹结构的用于散射、衍射光的磨砂面。；
[0045]实施例三的目标三维图形为与实施例一相同的三维“麒麟”，见图2，灰度代表深度信息，黑色为高、白色为低
[0046]将该立体浮雕麒麟在X，Y方向按照“蜂窝”排布分割为六边形排布的子单元，每个子单元子孔径为正六边形，六边形对边尺寸为80微米，并进行紧密排布；同时，取10微米为基准，将每个子单元的浮雕高度减去该子单元内部浮雕高度的最低点的高度值，并对其以10微米为基准，取余数的方式进行折叠，最终形成与原结构反射与折射方向、效果接近的微纳结构层，图12为编码完成后微纳结构层的折光单元；
[0047]通过传统光刻、电铸及UV工艺，在基底层表面模压形成的微纳结构层，并在微纳结构层表面蒸镀金属金200纳米作为金属反射层，并在其表面涂布20微米的树脂作为掩盖层对微纳结构层及金属铝层进行保护，形成最终的防伪的三维微纳结构薄膜。
[0048]实施例4，一种具有三维浮雕效果的透射防伪薄膜结构；防伪薄膜结构示意图如实施例中的图1所示；实施例三的目标三维图形为与实施例一相同的三维“麒麟”，见图2，灰度代表深度信息，黑色为高、白色为低
[0049]将该立体浮雕麒麟在X，Y方向随机分割为类似“水立方”建筑外墙的各种密接但不同孔径的子单元(见图13)，将每个子单元的浮雕高度减去该子单元内部浮雕高度的最低点的高度值，并对其以15微米为基准，取余数的方式进行折叠，最终形成与原结构反射与折射方向、效果接近的三维齿形折叠浮雕结构及折光单元；多个折光单元进行拼接组合而成微纳结构层，图13为编码完成后微纳结构层中不规则但相互密接的几个折光单元；
[0050]通过传统光刻、电铸及UV工艺，在基底层表面模压形成的微纳结构层，在此基础上，涂布20微米的与微纳结构层光学折射率存在巨大差距的树脂作为掩盖层对微纳结构层进行保护，形成最终的防伪的三维微纳结构薄膜。
[0051]图14为本实施例中透射型三维微纳防伪薄膜的结构组成示意图；
[0052]图15为本实施例中实现的透射型三维微纳防伪薄膜及效果。
【主权项】
1.一种具有三维浮雕效果的防伪薄膜结构主要依次由基底层、微纳结构层、金属反射层、掩盖层组成。2.根据权利要求1所述的具有三维浮雕效果的防伪薄膜结构，其特征在于:所述基底层主要用来承载微纳结构层、金属反射层及掩盖层，基底层的两个表面可以为平面，也可以为具有凸凹结构的磨砂面，其中磨砂面的凸凹结构深度为0-1000微米，典型的深度值在0-100微米之间。3.根据权利要求1所述的具有三维浮雕效果的防伪薄膜结构，其特征在于:所述金属反射层为蒸镀于微纳结构层表面的一层金属膜，主要用来对照射到微纳结构层表面的光进行高效率的反射，金属膜的厚度为0-10微米，典型的范围在0-100纳米，当金属膜厚度为O微米时，具有三维浮雕效果的防伪薄膜结构为透射型，此时，微纳结构层与掩盖层必须分别为折射率不同的透光材料，典型的相关材料为PC、PMMA、PET以及其它高分子树脂；当金属反射层厚度不为O时，基底层、微纳结构层、掩盖层可以为相同的透明材料，也可以为不同类型的透明材料，典型的相关材料为PC、PMMA、PET以及其它高分子树脂；金属层可以为金、银、铜及铝等任何可以反射光线的金属。4.根据权利要求1所述的具有三维浮雕效果的防伪薄膜结构，其特征在于:所述掩盖层不与金属反射层接触的表面可以为平面，也可以为具有凸凹结构的磨砂面，其中磨砂面的凸凹结构深度为0-1000微米，典型的深度值在0-100微米之间；掩盖层主要用来对微纳结构层及其表面的金属反射层进行掩盖，消除微纳结构及金属反射层所引起的微浮雕起伏特征，同时也对金属反射层进行保护，避免其快速老化。5.根据权利要求1所述的具有三维浮雕效果的微纳结构层，其特征在于:所述微纳结构层主要由X，Y方向(即与基底层平行的平面内)尺度在2微米?10000微米的折光单元组成，优选值为50-100微米；在〗方向(即与基底层垂直的方向)，微纳结构层的高度为0.5-100微米，优选值为1-10微米；折光单元的孔径可以为四边形，也可以为六边形；同时折光单元的排列方式可以为四边形排列，也可以为六边形排列，排列方式可以密接排列也可以非密接排列；也可以由其它非规则口径进行密接或不密接排列构成。6.根据权利要求5所述的具有三维浮雕效果的微纳结构层的折光单元，其特征在于:每个折光单元由多个具有相同或不同深度、不同倾斜角、不同周期与间距及不同表面形貌的三维齿形折叠浮雕结构组成。7.根据权利要求5所述的具有三维浮雕效果的微纳结构层的折光单元，其特征在于:将要实现的目标三维物体在X，Y面内进行分割，将其分割为多个具有相同孔径或不同孔径的子单元(直角左边分割情况下，可表述为NXM个子单元)，微纳结构层的折光单元与三维目标物体在X，Y方向分割后的子单元在X，Y平面内具有相同的孔径形貌，且X，Y坐标一一对应；在此基础上，确定一个基准数值K，将每个子单元内部每一点的浮雕高度值h(X，Y)减去该子单元内部浮雕最低点高度值11_，将得到的子单元内部每个位置的高度值(即:h(X，Y)-h_)减去基准数值K的最大整数倍，留取余数作为(X，Y)点的浮雕高度值；利用该方式对子单元中每一点的高度进行折叠，形成与原先目标三维物体对应子单元反射与折射方向与效果接近和类似的折光单元，有众多的折光单元构成微纳结构层；上述方式为可选但并不是唯一的微纳结构层编码、折叠方式，可产生类似效果的其它微纳结构层编码、折叠方法均属于本专利保护范围。8.根据权利要求6所述的组成微纳结构层的折光单元的三维齿形折叠浮雕结构，其特征在于:大部分三维齿形折叠浮雕结构均具有接近直角三角形的剖面轮廓，其中一条边近似平行于基底层，另外一条边近似垂直于基底，第三条边为斜边，斜边所在的三维齿形折叠浮雕结构表面为光线反射面，起主要的反射光线的作用；另外一部分折光单元具有斜面结构，该斜面同样为光线反射面，起主要的反射光线的作用。9.根据权利要求8所述的组成微纳结构层的折光单元的三维齿形折叠浮雕结构和斜面结构的光线反射面，其特征在于:光线反射面中包含规则或不规则的微小凸凹结构，该微小凸凹结构的凸凹深度在O微米-100微米，典型的深度在0-5微米之间，当凸凹深度为O微米时，该光线反射面为光滑的斜面。10.根据权利要求5所述的具有三维浮雕效果的防伪薄膜结构的微纳结构层，其特征在于:该结构可采用灰度激光直写、DMD灰度投影光刻、液晶灰度投影光刻等装备与手段完成镍模板制作，并以镍模板为基础，采用现有的UV紫外压印或热压印等工艺在基底层表面压印完成。
【文档编号】G09F3/02GK105894950SQ201410698951
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年11月28日
【发明人】王杰芳
【申请人】王杰芳