光学全息 图案的光刻胶浮雕结构进行加工。
[0131] 3)二元光学表面微浮雕结构的刻蚀技术
[0132] 在经过涂胶、曝光及显影后，已经在模具钢表面上形成一层图案化的光刻胶表面 微浮雕二元光学全息图掩膜。然后需要通过刻蚀技术把光刻胶的掩膜图案转移到模具钢表 面，形成微浮雕二元光学全息图结构。这一过程主要包括刻蚀、去胶和检测。刻蚀就是把 基片上没有被光刻胶覆盖的模具钢表面刻蚀掉，而使有光刻胶的遮蔽的模具钢区域保存下 来。这样便在模具钢表面得到所需要的微浮雕二元光学全息图结构，这是整个微光学元件 加工过程中非常重要的一个环节。为了得到良好的面形可采用离子束刻蚀及反应离子刻蚀 技术，以获得较高的刻蚀分辨率和良好的刻蚀面形。
[0133] 离子束刻蚀是指使用高能惰性气体离子束轰击元件表面，从而使元件表面被刻 蚀，为纯物理过程，是以离子与材料原子进行动量交换为机理。通过离子撞击材料表面及 材料原子和原子间的级联碰撞过程，离子将其携带的动量或能量转移给材料原子，打破原 子间的结合和产生活化原子的动量矢量反转，形成材料原子的物理溅射。一个入射离子轰 击材料表面的作用范围约为l(T2°Cm3,作用时间约为1(T12秒，通常各种材料原子键合力约为 1~3eV。因此，离子束刻蚀是对材料原子层连续去除的过程。
[0134] 至此，本发明所述的具有表面微浮雕结构的硬币及其压制模具的全息防伪方法已 全部阐述完毕，下面针对本发明的产业化问题进行补充说明。
[0135] 补充说明一：通过试验完善优化工艺，阐述了生产实践对表面微浮雕二元光学全 息结构的优化思路。
[0136] 通过算法的优化与提升，使其适合于金属材料，达到光学设计与金属材质的最佳 匹配；通过试验结果的积累、分析研宄，根据试验效果调整加工参数，对设计加工工艺进行 优化、完善。
[0137] 首先，模具钢表面精细图案结构的设计要充分考虑到刻蚀加工技术的可行性。由 于模具钢硬度高，不宜刻蚀，所需的刻蚀时间很长，在其表面加工出微米量级尺度的微观结 构非常困难，微观结构的边缘容易在长时间的刻蚀操作中遭到破坏。因此，在模具钢表面精 细图案结构的优化过程中，要尽量保证凸起结构的宽度足够大，以提高凸起部分的耐刻蚀 性，防止凸起结构在刻蚀过程中遭到破坏。
[0138] 其次，要充分考虑模具钢压缩硬币时微观结构的弹性形变量。当模具钢表面挤压 硬币表面时，硬币表面会产生弹性形变，当硬币与模具钢分离后，硬币的弹性形变部分释放 会产生硬币表面微观结构改变，使得压制后的硬币表面图案与模具钢表面图案无法完全符 合。因此，需要通过大量实验，对模具钢的图案结构进行修正，以补偿硬币表面在压缩过程 中产生的弹性形变。
[0139] 补充说明二：模具钢表面微浮雕二元光学全息图案结构耐印量的提升，阐述了提 高模具钢表面微浮雕印章耐印量的方法。
[0140] 通过改进光学设计，刻蚀后处理工艺等技术措施，提高耐印量，为应用于铜合金精 制币筑牢技术基础，此项研宄具有重要的实际意义。
[0141] 模具钢表面精细图案结构对硬币反复压制后，精细图案结构的边缘会出现钝化现 象，从而导致后续压制出的硬币表面精细图案结构的退化。通过进一步的矢量衍射理论优 化分析与设计，设计出耐磨损的模具钢表面精细图案结构具有重要的实际意义。通过大量 的实验验证各种结构的耐印量，总结出实用可靠的模具钢表面精细图案结构设计与加工技 术。
[0142] 补充说明三：模具钢表面微浮雕二元光学全息图案结构的产业化途径，阐述了本 技术产业化涉及的问题及处理方法。
[0143] 确定最佳加工参数，形成成熟的工艺步骤和技术路线，减少废品，稳定产品性能， 实现该项目的技术要求。
[0144] 通过理论研宄与优化设计得到几种能够在硬币上压制出防伪微浮雕结构的模具 钢表面精细图案结构，通过大量实验验证这几种微观结构的加工精度，总结出一系列标准 化加工流程、加工参数。
[0145] 此外，对几种模具钢微观结构进行耐印量测试，挑选耐印量最大的结构制定产业 化标准，实现模具钢表面精细图案结构的产业化。
【主权项】
1. 一种具有表面微浮雕结构的硬币及其压制模具的全息防伪方法，其特征在于所述方 法步骤如下： 第一步、硬币表面光学全息图的记录过程： 物体发出的光波与参考光波叠加以后干涉图样的强度转化为硬币表面微浮雕结构的 复振幅反射率，计算公式如下：rH(x，y)为硬币表面微浮雕结构的反射率函数，Ir(x，y)和IJx，y)分别为参考波和物 体光波在Z=z平面的强度； 第二步、硬币表面光学全息图的再现过程： 用原参考光及共轭参考光照射硬币表面微浮雕结构时，分别在不同的角度得到原物的 虚像和实像，其中： 用原参考光照射到硬币表面微浮雕结构后得到的衍射光场表达式：式中的第一项为再现光的〇级衍射光，不包含记录物的信息；第二项为再现光的+1级 衍射光，可显示出物的虚像，第三项为再现光的-1级衍射光，可显示出物的畸变共轭实像； 用共轭参考光照射到全息图后得到的衍射光场表达式：式中的第一项为再现光的0级衍射光，不包含记录物的信息；第二项为再现光的+1级 衍射光，可显示出物的畸变虚像，第三项为再现光的-1级衍射光，可显示出物的赝实像，该 赝实像的相位与物的相位互为相反数； 第三步、硬币表面计算全息图的数值计算： 将第一步记录的光学全息图用计算全息图的方法得到数值结果； 第四步：硬币表面微浮雕二元光学全息图的设计，将计算全息图转化为二元光学表面 微浮雕结构； 第五步：根据硬币表面微浮雕二元光学全息结构确定模具钢表面微浮雕结构； 第六步、采用二元光学加工方法对模具钢表面微浮雕结构进行加工。2. 根据权利要求1所述的具有表面微浮雕结构的硬币及其压制模具的全息防伪方法， 其特征在于所述步骤三中，计算全息的制作和再现过程分为采集、抽样、计算、编码、存储与 再现六个环节。3. 根据权利要求1所述的具有表面微浮雕结构的硬币及其压制模具的全息防伪方法， 其特征在于所述步骤四中，包含以下4个环节： 环节1)根据硬币表面微浮雕结构的复振幅反射率计算公式计算出硬币表面微浮雕结 构的光波复振幅反射率函数； 环节2)根据硬币表面微浮雕结构的复振幅反射率计算公式中的相位差△巾（x，y)的 数值除以/2后取余数所得的数值A巾'（x，y)并替换AMx，y)的数值，使得到相位 值AV(x，y)G[〇,jt/2]; 环节3)将々巾'（1，7)进行量化，2级量化的相位值集合为{0,3!/2}，4级量化的 相位值集合为{〇，n/6，jt/3，jt/2}，8级量化的相位值集合为{0，jt/14，3t/7,3jt/14， 2Jr/7, 5Jr/14, 3Jr/7，Jr/2}，依次类推，n级量化的相位值集合含有n个元素且元素值为 {0，Ji/2(n-l)，3i/(n-l)，33i/2(n-l)，23i/(n-l)，…，Ji/2};当选择了量化级数后，将复 振幅反射率计算公式中的rH(x，y)在各个（x，y)坐标位置的A巾'（x，y)值按照四舍五 入原则转化为该量化级数相位值集合中的元素值； 环节4)将△巾'（x，y)的量化值转化为硬币的表面刻蚀深度：2级量化的相位值集 合为{〇, Ji/2}，对应的硬币的表面刻蚀深度值集合为{0, X/8} ;4级量化的相位值集合为 {〇, jt/6, jt/3, jt/2}，对应的硬币的表面刻蚀深度值集合为{0,入/24,入/12,入/8} ;8级 量化的相位值集合为{〇, Ji/14,Jr/7,3jt/14,2jt/7,5jt/14,3jt/7, jt/2}，对应的硬币的 表面刻蚀深度值集合为{〇，A/56，A/28,3A/56，A/14,5A/56,3A/28，A/8}，依次类 推，n级量化的相位值集合含有n个元素，元素值为{0, 3i/2(n-l)，"(n-l)，3 3i/2(n-l)， 23TAn-l)，…，jt/2}，对应的硬币的表面刻蚀深度值集合为{0，A/8(n-l)，A/4(n-l)， 3入/8(n_l)，A/2(n_l)，…，A/8}，其中A为参考光与再现光的波长。4.根据权利要求1所述的具有表面微浮雕结构的硬币及其压制模具的全息防伪方法， 其特征在于所述步骤六中，二元光学加工主要包含光刻掩模板的加工、紫外光刻技术及刻 蚀的加工技术3个环节。
【专利摘要】本发明公开了一种具有表面微浮雕结构的硬币及其压制模具的全息防伪方法，其步骤如下：第一步、硬币表面光学全息图的记录过程；第二步、硬币表面光学全息图的再现过程；第三步、硬币表面计算全息图的数值计算；第四步：硬币表面微浮雕二元光学全息图的设计，将计算全息图转化为二元光学表面微浮雕结构；第五步：根据硬币表面微浮雕二元光学全息结构确定模具钢表面微浮雕结构；第六步、采用二元光学加工方法对模具钢表面微浮雕结构进行加工。该方法可提升硬币及其加工印章的防伪水平，为大众提供一种新型的、简单快速的一线防伪技术。
【IPC分类】G03H1/22, G03H1/12
【公开号】CN104991433
【申请号】CN201510448483
【发明人】任智斌, 曲荣召, 郑烁, 胡佳盛, 智喜洋
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年7月28日