光学防伪元件及防伪产品的制作方法

本发明涉及防伪技术领域，具体地涉及一种光学防伪元件及防伪产品。

背景技术：

当今，光可变(opticallyvariable)技术广泛用于钞票等高防伪有价证券的公众防伪，该技术具有裸眼可观察的动态图像和颜色变化等特征，且无法利用照相机、扫描仪、打印机等电子设备模仿或复制。全息是一种广泛使用的光可变防伪技术。全息虽然可形成颜色变化和动感特征，但对照明光要求较高，且难以准确描述和判别。

中国专利cn102712207b利用较大尺寸(～10um)的反射性小面设计形成丰富的动感特征，但反射性小面对可见光主要产生几何反射，不能产生颜色特征。中国专利cn103534622a公开入射光遇到周期性结构的金属后发生衍射，光在保持能量不变情况下具有了不同的动量，可以在界面处产生等离子体和相应的光吸收，进而产生颜色特征。但这种吸收所产生的颜色的可视范围非常小，且其不具有动感等更加利于人眼识别的特征。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种光学防伪元件及防伪产品，其可在一般的照明环境下产生带有颜色和颜色变化的防伪特征，还可增加该颜色和颜色变化特征的可视范围。

本发明提供一种光学防伪元件，该光学防伪元件包括：基材；形成于所述基材上的具有预设范围内的倾斜角的光学反射小面；至少部分形成于所述光学反射小面上的亚波长表面微结构；以及形成于所述亚波长表面微结构上的金属膜，其中，所述光学反射小面用于增加所述形成于所述光学反射小面上的亚波长表面微结构的颜色特征的可视范围。

可选的，所述金属膜为金属单层膜或金属多层膜中的一者。

可选的，所述金属单层膜的厚度处于5nm至100nm范围内。

可选的，所述金属单层膜的厚度为10nm。

可选的，所述金属膜为由金、银、铜、铝、铂或钯中的任一者制成的膜或为由金、银、铜、铝、铂以及钯中的一者或多者形成的合金制成的膜。

可选的，所述光学防伪元件还包括：形成于所述金属膜上的反射增强涂层。

可选的，所述预设范围为0度至20度。

可选的，所述预设范围为0度至15度。

可选的，所述亚波长表面微结构为一维光栅或二维光栅中的一者。

可选的，所述亚波长表面微结构的槽的形状为正弦形、矩形或锯齿形中的一者。

可选的，所述亚波长表面微结构的槽的深度处于20nm至200nm范围内。

可选的，所述亚波长表面微结构的槽的深度处于50nm至100nm范围内。

可选的，所述亚波长表面微结构沿其所在的二维平面延伸的两个方向中至少一个方向上的周期处于200nm至500nm范围内。

可选的，所述亚波长表面微结构沿其所在的二维平面延伸的两个方向中至少一个方向上的周期处于300nm至400nm范围内。

可选的，所述光学反射小面的平均取向由该光学反射小面的倾斜角和/或方位角确定。

可选的，所述光学反射小面沿其所在的二维平面内的两个方向中至少一个方向的周期处于5μm至50μm范围内。

可选的，所述光学反射小面沿其所在的二维平面内的两个方向中至少一个方向的周期处于10μm至30μm范围内。

相应的，本发明还提供一种防伪产品，该防伪产品包含上述的光学防伪元件。

可选的，所述防伪产品包括钞票、身份证、银行卡或汇票。

本发明创造性地在具有预设范围内的倾斜角的光学反射小面上形成覆盖有金属膜的亚波长表面微结构，从而可在一般的照明环境下产生带有颜色和颜色变化的防伪特征，还可增加该颜色和颜色变化特征的可视范围。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明一种实施方式提供的光学防伪元件的结构图；

图2是本发明一种实施方式提供的亚波长表面微结构的倾斜角的示意图；

图3是本发明一种实施方式提供的光学防伪元件的结构图；

图4是本发明一种实施方式提供的亚波长表面微结构的剖面图；

图5是本发明一种实施方式提供的亚波长表面微结构的剖面图；

图6是本发明一种实施方式提供的亚波长表面微结构在不同占空比的情况下的反射光谱图；以及

图7是本发明一种实施方式提供的防伪产品。

附图标记说明

1基材2光学反射小面

3亚波长表面微结构4金属膜

70钞票71开窗安全线

72贴标73宽条

730窗口

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

对于光学反射小面，其倾斜角和方位角本质上都是随机分布的，根据光学小面的取向和排布可形成多种特征。这些特征包括：(1)大致随机的光学散射特征，该散射特征产生哑光效果从而消除镜面反射给观察者带来的某种不适；(2)包括滚动、缩放、形状幻变以及根据双眼视差产生的具有立体感的动感特征；以及(3)使得观察者感觉为相对于实际所在的表面向前和/或向后突出的特征。上述具体的光学特征及其产生该光学特征的原理可参考由中国专利cn102712207b、cn102905909b、cn103282212b和cn103229078b所共同定义，其说明书内容均纳入本发明。

对于镀有金属层的亚波长表面微结构，其对可见光选择性吸收从而形成反射和/或透射的颜色，该过程可通过表面等离子体吸收原理来描述。一般情况下，如在平整的金属表面，当光子和电子的能量相同时，由于它们的动量是不同的，故无法发生能量传递，从而无法激发界面处的表面等离子体。然而，当入射光遇到周期性结构的金属时，光会发生衍射，在保持其能量不变情况下具有了不同的动量，若具有某动量的光与金属的周期性结构相匹配，则可以在金属与介质的界面处产生等离子体和相应的光吸收，进而产生颜色特征，但该颜色特征仅限于观察者正对该亚波长表面结构的情况下能被观察到。该吸收特性及颜色特征与周期性结构的结构参数(如周期、深度及截面形状等)、金属和介质的光学性质、金属层和介质层的厚度以及入射光的角度等都有密切的关系。

基于现有技术中的上述光学反射小面和亚波长表面微结构，本发明提供了一种光学防伪元件，相应的结构展示在图1。如图1所示，所述光学防伪元件可包括：基材1；形成于所述基材上的具有预设范围内的倾斜角的光学反射小面2；至少部分形成于所述光学反射小面2上的亚波长表面微结构3；以及形成于所述亚波长表面微结构3上的金属膜4，其中，所述光学反射小面2用于增加所述形成于所述光学反射小面2上的亚波长表面微结构3的颜色特征的可视范围；所述基材1可为纸张、薄膜(如pet膜或镀铝膜等)中的一者。该光学防伪元件创造性地在具有预设范围内的倾斜角的光学反射小面上形成覆盖有金属膜的亚波长表面微结构，从而可在一般的照明环境下产生带有颜色和颜色变化的防伪特征，还可增加该颜色和颜色变化特征的可视范围。

为了使光学反射小面不会对可见光起进行衍射，本发明所提供的所述光学反射小面沿其所在的二维平面(即基材所在的平面)内的两个方向中至少一个方向的周期处于5μm至50μm范围内。优选地，所述光学反射小面沿其所在的二维平面(即基材所在的平面)内的两个方向中至少一个方向的周期处于10μm至30μm范围内。

所述光学反射小面的平均取向可由该光学反射小面的倾斜角和/或方位角确定。如图2所示，所述光学反射小面的倾斜角为该光学反射小面与其所在的二维平面(即基材所在的平面)之间的夹角θ，所述光学反射小面的方位角为该反射光学小面的法向量在其所在的二维平面内的投影和参考方向x之间的夹角如图2所示。本发明中提供的光学反射小面的倾斜角的预设范围可为0度至20度，方位角在0-360度内选择。优选地，所述预设范围可为0度至15度。

所述亚波长表面微结构可为一维光栅或二维光栅中的一者。所述亚波长表面微结构的槽的形状可为正弦形、类正弦形、矩形或锯齿形等多种形状中的一者。二维光栅的栅格分布可以是正交结构、蜂窝结构、二维布拉维点阵结构、随机结构等。应当理解的是，本发明所提供的所述亚波长表面微结构并不局限于以上描述的结构，光学防伪元件中还可以采用这些亚波长表面微结构的拼接或组合。通过对所述亚波长表面微结构进行设计，会实现防伪所需的文字、标识等图案。

可利用时域有限差分法(fdtd)方法和相关的商用软件(如fdtdsolutions软件)对多种简单或复杂的亚波长表面微结构产生的等离子体吸收特征进行计算模拟。该模拟方法可对因等离子体吸收而形成的反射或透射光谱进行较为准确预测，特别是对周期性结构的结构参数，能够进行细致的扫描优化，从而指导亚波长表面微结构和金属膜的设计和选择。

所述亚波长表面微结构沿其所在的二维平面(即该亚波长表面微结构下面对应的光学反射小面所在的平面)延伸的两个方向中至少一个方向上的周期处于200nm至500nm范围内。优选地，所述亚波长表面微结构沿其所在的二维平面延伸的两个方向中至少一个方向上的周期处于300nm至400nm范围内。所述亚波长表面微结构的槽的深度处于20nm至200nm范围内。优选地，所述亚波长表面微结构的槽的深度处于50nm至100nm范围内。

所述金属膜可为由金、银、铜、铝、铁、锡、锌、镍以及铬中的任一者制成的膜或可为由金、银、铜、铝、铁、锡、锌、镍以及铬中的一者或多者形成的合金制成的膜。所述金属膜可为金属单层膜或金属多层膜中的一者。其中，所述金属单层膜的厚度可处于5nm至100nm范围内。

本发明还可通过设计金属膜的厚度使入射光半反射半透射，即可将所述金属单层膜的厚度设计为10nm。如图3所示，当入射光入射到区域a内的覆盖有10nm厚的金属单层膜的所述亚波长表面微结构和区域c内的形成于所述光学反射小面上的覆盖有10nm厚的金属单层膜的所述亚波长表面微结构上时，不仅可以在反射方向观察到所产生的光的颜色，还可以在透射方向观察到所产生的光的颜色，并且可将反射方向和透射方向上观察到的颜色设计为明显不同的颜色。例如反射为红色，而透射为蓝绿色。但两个区域a、c内的颜色特征具有明显的区别：区域a所产生的颜色主要由亚波长表面微结构和金属单层膜决定，在特定条件下可以通过等离子体吸收的物理机制对可见光波段产生选择性吸收，从而产生颜色。当改变观察角度时，吸收的光波长也随之改变，从而颜色也发生变化。等离子体吸收对观察角度非常敏感，这导致颜色变化或消失过快，不利于实际观察。也就是说，观察者可以观察到该颜色特征的可视范围很小，几乎仅限于正对区域a。而区域c所产生的颜色主要由覆盖有金属单层膜的所述亚波长表面微结构和所述光学反射小面决定，所述光学反射小面的随机的倾斜角和/或方位角可改变所述亚波长表面微结构的入射光的角度，从而可使亚波长表面微结构的金属膜界面产生不同的等离子体吸收，进而不仅可使观察者在较大的视野范围观察到所产生的颜色，还可在不同的视野范围内还可观察到不同的颜色，即亚波长表面微结构呈现的颜色受到光学反射小面的调制。也就是说，观察者通过区域c内的结构可在较大的视野范围内通过改变观察视角同时看到动感特征和颜色的变化。此外，当入射光入射到b区域内的覆盖有10nm厚的金属单层膜的光学反射小面时，可产生散射、动感和/或突出于表面(如浮雕)的光学特征。该金属单层膜可作为反射增强涂层，从而大大增加该反射性小面的反射率，动感特征更加显著。

注意，图3中的光学反射小面的倾斜角的预设范围为0度至20度。只有倾斜角在该预设范围内时，观察者通过区域c内的结构可在较大的视野范围内，通过改变观察视角同时看到动感特征和颜色的变化。优选地，所述预设范围为0度至15度，观察者通过区域c内的结构可在较大的视野范围内，通过改变观察视角同时看到更明显的动感特征和颜色的变化。若倾斜角处于预设范围(即0度至20度)之外的其他范围，则观察者通过区域c内的结构仅能观察到非常微弱的动感特征和颜色，并且改变观察视角也很难看到动感特征和颜色的变化。

所述亚波长表面微结构和所述光学反射小面可通过以下步骤进行制备：首先，采用全息干涉法、激光直写技术或电子束刻蚀技术等方法制作母版；然后，根据所述母版，通过电铸工艺制成工作版；最后，再将所述工作母版通过模压、uv复制等生产工艺转移到基材101的表面上。由于所述亚波长表面微结构与所述光学反射小面的尺寸参数存在数量级上的巨大差异，故对母板的光刻胶材料或制作母板的工艺有不同的要求。事实上，将两种结构结合在同一母板或工作版是具有相当的复杂度，难以采用单一的工艺完成，所以在实际操作中，可先采用两步法来制备这两种结构，即先利用全息干涉法或者电子束直刻的方式制作亚波长表面微结构，再通过套刻工艺采用激光直写制作光学反射小面。

所述金属膜可通过热蒸发、电子束蒸发、高频溅射、磁控溅射、离子溅射、反应溅射或离子镀等真空镀膜工艺实现，也可以通过化学镀、电镀或涂布等工艺实现。

图4是本发明一个实施方式所采用的非对称的亚波长表面微结构的剖面图，该亚波长表面微结构表面覆盖有金属单层膜。该亚波长表面微结构为非对称的，即其单元的占空比r＝b/a≠0.5，其中b为在槽的深度h的一半处的单元的宽度，a为单元的最大宽度。入射光i1从该亚波长表面微结构的上表面入射，相当于入射至r＝0.7的亚波长表面微结构，反射光为r1及透射光为t1；而入射光i2从该亚波长表面微结构的下表面入射，相当于入射至r＝0.3的亚波长表面微结构，反射光为r2及透射光为t2。由于该亚波长表面微结构的非对称性，反射光r1和r2是不同的，反射光r1和r2所对应的反射光谱也明显不同，如图6所示。因此，可通过选择非对称的亚波长表面微结构使观察者从上表面和下表面看到不同的反射颜色。

图5是本发明一个实施方式所采用的对称的亚波长表面微结构的剖面图，该亚波长表面微结构表面覆盖有金属单层膜。由于该亚波长表面微结构的对称性(r＝0.5)，无论是从该亚波长表面微结构的上表面还是下表面入射，产生的反射光r3和r4是相同的，所对应的反射光谱也是相同的，如图6所示。若采用的是对称性的亚波长表面微结构，即r＝0.5，由于表面等离子体吸收作用显著地受周围环境(即介质折射率)的影响，因此，可通过在亚波长表面微结构的金属单层膜的上下表面覆盖不同折射率的涂层，实现其上下表面产生不同的反射颜色。但该涂层的厚度需要远大于亚波长表面微结构的槽的深度，例如1-10um，且其远离亚波长表面微结构的表面是平整的(即不具有亚波长表面微结构的起伏的)。例如，采用二维的正弦型亚波长表面微结构，其周期为350nm，深度为100nm，上表面的涂层可采用折射率为1.4的材料，而下表面的涂层可采用折射率为1.7的材料，等离子体吸收的峰位会产生约为140nm的差别，表现在颜色上则为：上表面呈现蓝色，而下表面橘黄色。

具体而言，现将图3中的亚波长表面微结构设计为占空比r＝0.8的类正弦型槽型、周期为400nm、深度为65nm并呈正交的二维网格分布。并且，该亚波长表面微结构上覆盖有15nm铝膜，该铝膜的上、下表面均覆盖折射率为1.45的反射增强涂层，该涂层厚度为2um。从反射角度观察时，区域a的上表面呈现镜面反射观感(即产生仅限于正对区域a)的红色以及下表面呈现镜面反射观感(即产生仅限于正对区域a)的黄色；区域b产生散射、动感和/或突出于表面(如浮雕)的特征，从任意侧面观察均为铝膜的银白色；区域c同时产生散射、动感和/或突出于表面(如浮雕)的特征，以及上、下表面分别呈现为红色和黄色，并且该颜色的彩度和明暗均随观察视角的变化而变化(即受到光学反射小面的调制)，可视范围变大。从透射角度观察，区域a和c呈现蓝色，而区域b为呈现银色，三个区域具有不同的视觉特征，彼此形成强烈的视觉反差，从而保证了光学防伪元件具有较强的防伪能力。

当然，本发明中的所述光学反射小面不限于上述周期性的结构，其他非周期性的结构也是可行的。

综上所述，本发明创造性地在具有预设范围内的倾斜角的光学反射小面上形成覆盖有金属膜的亚波长表面微结构，从而可在一般的照明环境下产生带有颜色和颜色变化的防伪特征，还可增加该颜色和颜色变化特征的可视范围。

本发明还提供一种防伪产品，该防伪产品可包含上述的光学防伪元件。其中，所述光学防伪元件可以开窗安全线、开窗贴条或贴标等方式置于上述防伪产品中。所述防伪产品可包括钞票、身份证、银行卡、汇票或有价证券等具有高附加值的产品。

图7示出了所述光学防伪元件以不同的方式置于钞票70中的情况。所述光学防伪元件可以通过现有技术中的防伪纸张制造工艺形成开窗安全线71，该开窗安全线71分段嵌入钞票70中，某些部分位于钞票70的表面；所述光学防伪元件还可以贴标72的方式粘附在钞票70的表面上；或者所述光学防伪元件还可以宽条73的方式粘附在钞票70的表面上，且该宽条73所在区域内存在窗口730(称为视窗)，该窗口730的形状和尺寸不受限制，例如，圆形、长方形或正方形等各种规则或不规则的形状，以及大于、小于或等于所述宽条宽度的尺寸均是可行的。该窗口730通过将钞票70的局部去除获得，透过窗口730可观察宽条73的透射防伪特征。所述光学防伪元件可使用开窗安全线71、贴标72、宽条73中的任意一者或其任意组合的方式应用于所述钞票70中。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。