一种激光成像防伪标签及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光学防伪和微纳加工领域，具体涉及衍射光学设计和光刻、反应离子刻蚀、纳米压印等微纳米加工手段制备激光投影微纳米结构的防伪标签。
【背景技术】
[0002]防伪技术指为了防止伪造而采取的措施，在一定范围内能准确鉴别真伪，并不容易被仿制和复制的技术。我国每年因为假冒伪劣产品造成的损失达数千亿人民币。打击假冒伪劣产品，提高防伪技术刻不容缓。随着数字扫描设备和彩色打印机的出现，传统防伪技术被复制和破解的门槛越来越低，亟需新型防伪技术的开发，纳米技术防伪为此提供新的解决途径。
[0003]光学防伪具有视觉冲击力强，容易记忆等特点较为适合公众防伪。目前光学防伪标签大部分采用光变的辨别方式，即在不同角度可看到不同图像或者颜色发生变化，多采用凹凸的光栅结构或者多层膜系统来区分白光中不同波段的光来达到变色的效果。其中以激光全息标签使用最为广泛。自I960年第一台激光器发明至今，激光技术已广泛应用到工业，医学、国防和科学研究等领域。激光技术的出现促进了全息术的发展，1969年Benton提出了彩虹全息图术，80年代开始广泛应用于钞票、证卡、护照、证券和社会名优产品的防伪甄别。彩虹全息是用光的干涉和衍射原理将物体的特定波前和以干涉条纹的形式记录下来，用白光再现单色像的一种全息术。特点是记录时在光路的适当位置加狭缝，白光再现时物体和狭缝的再现像因波长的不同而变化，从而在不同位置可以看见不同颜色的像。第一代彩虹全息技术由于技术扩散的原因，已基本失去防伪能力，后续有很多改进型的全息技术，如计算机图像处理改进全息图、采用图像编码加密技术的加密全息图像等。
[0004]激光束由于具有高能量可以直接用于加工，在防伪技术中发展了一套激光微孔防伪技术。即在保护气体作用下，利用高强高密能量的激光脉冲在标签或纸张上烧灼微孔，组合成可识别的特定图案从而达到防伪效果。观察方式一般为平视不见图文，对光可见隐藏的图文；或平视为点阵图像，对光侧视可见多层次图像等。目前仍在广泛使用，特别在钞票和证卡表面。
[0005]从以上两个典型的激光防伪技术以及相关技术可以得知，现有激光多用于记录图像信息或直接用于加工，尚没有使用激光束本身作为防伪信息载体的技术。目前可生产激光全息防伪标识的厂商有数百家，技术的扩散和生产管理的问题，使得有些真的标识不易识别，一些仿真的标识又能以假乱真。这些极大的降低了激光全息防伪标识的防伪性能。同时，在标签的制备工艺中，如何降低成本获得廉价的成品，决定了该标签能否被推广。
【发明内容】
[0006]本发明目的在于为防伪领域提供一种激光投影式防伪标签，通过设计表面介质的微结构，可将激光束转变为图像，而在标签表面无法直接观察到任何信息。同时，本发明将集成电路技术、电镀技术和纳米压印技术相结合，提供一种该激光投影式防伪标签的制备方法。
[0007]本发明采用的技术方案如下:
[0008]一种激光投影式防伪标签，该防伪标签在激光照射下输出防伪图像，所述防伪标签的表面为杂乱无序的纳米级介质微结构，该微结构为二维平面相位调制结构；激光照射在所述微结构上发生透射或反射和衍射，在远场投影面发生干涉相消和干涉增强，从而输出防伪图像；当输出的防伪图像为对称图形时，所述防伪标签表面为单层的完全无序的浮雕微结构，浮雕微结构尺寸与波长相当，最大位相刻蚀深度为2 π ;当输出的防伪图像为非对称图形时，所述防伪标签表面为双层的完全无序的浮雕微结构，双层结构之间的相位差
η。
[0009]上述一种激光投影式防伪标签的制备方法，包括以下步骤:
[0010](1)光学设计:通过光线追迹软件，在已知入射光场和已知输出平面光场条件下，计算入射激光通过的中间光学元件表面的参数，对获得的中间光学元件表面的参数经过数据和图处理后即得到所述防伪标签的表面结构图像；
[0011](2)母模板制作:将计算出的表面结构图像制成光刻掩膜版，使用投影光刻和反应离子刻蚀技术在旋涂有光刻胶的硅片上制备微结构母版，并对表面进行防粘处理；
[0012](3)压印镍模板制作:利用母模板，使用纳米压印技术压制出与母模板结构相反的高分子子模板，再对子模板利用电子束蒸金属镍作为导电层，使用电镀技术获得与母模版相同结构的金属镍模板；
[0013](4)标签加工:使用金属镍模板和纳米压印技术压制透明薄膜，获得透射式防伪标签。
[0014]所述步骤(4)获得透射式防伪标签后，在该防伪标签的背面蒸镀金属层即得反射式防伪标签。优选地，所述金属层的厚度为lOOnm。
[0015]所述透射式防伪标签的微结构深度为Φ λ/2 31 (叫-n。)，所述反射式防伪标签的微结构深度为Φ λ/2 31 2η。，其中，Φ为位相差、λ为入射波长、叫为标签材质折射率、η。为空气折射率。
[0016]进一步地，所述步骤(3)中的高分子子模版采用ΡΜΜΑ，其纳米压印的温度为140°C，压力为0.5Mpa ;纳米压印后保温保压5min，冷却至室温。
[0017]进一步地，所述步骤(4)的透明薄膜采用PC材料，其纳米压印的温度为150°C，压力为0.5MPa ;纳米压印后保温保压2min，冷却至室温。
[0018]与传统的光学防伪技术不同，本发明采用激光投影的方式释放防伪信息，即将激光束转变为防伪信息的载体，通过本发明设计的防伪标签将激光转变为图像。本发明的防伪标签通过光学变换软件运算分解为标签表面的杂乱、无序的微结构，微结构无论在宏观还是微观上都无法分析出任何信息，其作用是对激光束光斑进行散射、衍射和干涉，最终组合成防伪图案。微结构最小尺寸与光波长相当，结构深度大于光波长，因此无法通过光刻和打印技术复制。
[0019]本发明的激光投影式防伪标签，借助普通激光笔作为鉴定手段，投影出来的防伪图标亮度大、视觉冲击力强，区别于普通激光全息标签光变图像反差小、难以鉴别的特点，可有效地提高标签的防伪性能。本发明具有以下有益效果:
[0020](1)防伪标签表面是纳米级介质微结构，在自然光下有轻微的虹彩效果，表面美观。
[0021](2)通过激光照射可以通过透射或者反射再现防伪信息，操作简单，效果直观，视觉冲击力强。使用普通激光笔即可再现防伪信息。
[0022](3)标签表面介质微结构最小尺寸为百纳米级，结构深度可达微米级，形状复杂无序，难以被分析破解。
[0023](4)母模版制作使用光刻、反应离子刻蚀、纳米压印和电镀技术结合，工序复杂，涉及设备多，工艺难度大，可以有效避免被仿制，并保证防伪性能。
[0024](5)标签生产过程使用纳米压印技术，成本低廉，效率高，产量大，可以迅速降低整个标签的工艺成本，易于产品的市场推广。
【附图说明】
[0025]图1是本发明激光投影式防伪标签的表面结构示意图，(a)为下层结构表面，(b)为上层结构表面。
[0026]图2是本发明防伪标签的双层介质微结构切面示意图，1-上层结构，2-下层结构，
3-标签支撑层，4-金属反射层。
[0027]图3是本发明防伪标签的防伪信息再现形式，(a)为透射式标签再现示意图，(b)为反射式标签再现示意图；5_激光笔，6-激光束，7-透射式标签，8-反射式标签，9-再现图像。
[0028]图4是母版投影套刻示意图和RIE过程硅表面形貌演变示意图，(a)为第一次投影曝光示意图和RIE刻蚀硅结果示意图，(b)为第二次套刻曝光示意图和RIE刻蚀硅结果示意图；10_紫外光系统，11-带有套刻的光刻掩膜系统，12-投影缩放光学系统，13-旋涂紫外光刻胶的硅衬底，14- 一次反应离子刻蚀后的母版结构示意图，15-旋涂紫外光刻胶的带有单层刻蚀结构的母版，16- 二次反应离子刻蚀后的双层刻蚀结构母版结构示意图。
[0029]图5是本发明激光投影式防伪标签的制备工艺流程图。
[0030]图6是光学设计原理示意图，17-输入计算机的防伪图像，18-第一透镜，19-计算得到的衍射元件表面结构，20-第二透镜，21-经过衍射元件得到的实际图像。
【具体实施方式】
[0031]本发明使用衍射光学设计结合纳米压