专利名称：一种光学防伪元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学防伪领域，尤其涉及一种光学防伪元件。
技术背景
当今，光可变(optically varible)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。
中国专利公开号为1360M4、1423598及1617805的申请公开了多种不同结构的同时具有干涉光变特征和全息的光学防伪元件。它们的共同特点是用光学干涉膜替代了通常全息中的金属反射层，或者干涉光变图像和全息位于透明层或薄膜的两侧，使得同一区域内的干涉光变特征和全息特征同时出现，可以产生一些独特的光学效果。全息光栅的周期为微米量级的，大于可见光的波长，因此，这种全息与干涉光变的组合，其光学效果为两种效果的简单叠加，没有产生新的效果，而且两种效果相互影响，削弱了干涉光变特征，不利于识别，因此只适用于在光变防伪元件作为特征之一小面积使用，不太适合于大面积使用。
公开号为CN101699323A的申请公开了另一种带有光栅层结构光学防伪元件，其光栅层为具有二维表面浮雕光栅的单层介质膜，该防伪元件在偏振镜下观察具有明显光变效果，但是由于其采用的是单层介质膜结构，所以光变效果单一，只有红绿变化，不容易与全息、干涉光变特征集成应用。发明内容
本发明针对现有技术中的上述缺陷，提供一种能够克服上述缺陷的光学防伪元件。
一种光学防伪元件，该光学防伪元件包括基材，所述基材包括第一表面和第二表面，所述光学防伪元件还包括形成于全部或部分所述第一表面上的亚波长浮雕结构以及形成于全部或部分所述亚波长浮雕结构上的多层结构镀层，并且所述多层结构镀层包括由折射率小于1. 8的介质材料形成的介质层。
由于根据本发明的光学防伪元件包括亚波长浮雕结构以及形成于亚波长浮雕结构上的多层结构镀层，所以通过亚波长浮雕结构与多层结构镀层之间的参数匹配，能够实现颜色种类丰富、防伪性好的光学防伪元件。
图1为根据本发明一种实施方式的光学防伪元件的截面示意图2为根据本发明另一实施方式的光学防伪元件的截面示意图3为根据本发明又一实施方式的光学防伪元件的截面示意图4为根据本发明又一实施方式的光学防伪元件的截面示意图5为根据本发明又一实施方式的光学防伪元件的截面示意图6为根据本发明又一实施方式的光学防伪元件的截面示意图7为根据本发明又一实施方式的光学防伪元件的截面示意图8为根据本发明又一实施方式的光学防伪元件的截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图来详细描述根据本发明的光学防伪元件。
如图1所示，根据本发明一种实施方式的光学防伪元件1包括基材2，所述基材2 包括第一表面3和第二表面4，所述光学防伪元件还包括形成于全部或部分所述第一表面3 上的亚波长浮雕结构5以及形成于全部或部分所述亚波长浮雕结构5上的多层结构镀层6， 并且所述多层结构镀层6包括由折射率小于1. 8的介质材料形成的介质层。
通过对亚波长浮雕结构5与多层结构镀层6的参数进行相互匹配设计，能够使得根据本发明的光学防伪元件1在自然光照明条件下，有亚波长浮雕结构5的多层结构镀层6 区域具有区别于没有亚波长浮雕微结构的多层结构镀层6区域的光学特征，所述光学特征可以通过裸眼观察或仪器检测。这里，应当说明的是，本说明书中所述的部分覆盖的尺寸远大于亚波长浮雕结构的特征尺寸，也就是说，覆盖区域内多层结构镀层连续覆盖亚波长浮雕结构，这区别于亚波长光学元件常常采用的由周期排列的金属线构成的光栅及在金属线上有镀层的结构。通过亚波长浮雕结构5与多层结构镀层6的参数匹配，能够实现下述光学特征中的一者或者多者
a、光学防伪元件1中有所述亚波长浮雕结构5的多层结构镀层6区域与具有相同参数但没有亚波长浮雕结构的多层结构镀层6区域颜色不同；
b、光学防伪元件1在自身平面内转动时，有亚波长浮雕结构5的多层结构镀层6 区域颜色发生变化；
C、光学防伪元件1中有亚波长浮雕结构5的多层结构镀层6区域的再现光具有偏振性；
d、在反射光观察条件下，光学防伪元件1中有亚波长浮雕结构5的多层结构镀层 6区域在偏振镜下观察，当偏振镜与光学防伪元件1相对转动时颜色发生变化。
光学防伪元件1的光学特征由亚波长浮雕结构5的周期、槽深、深宽比(即槽深与周期的比值)、占宽比(即光栅峰宽与周期的比值)、槽形以及多层结构镀层6的各层厚度、 材料折射率等参数共同决定，通过对这些参数进行匹配设计，能够呈现所需的光变特征。也就是说，光线照明在覆盖亚波长浮雕结构5的多层结构镀层6的表面上，当满足一定的条件时，使得某些波长的光被强烈反射，另一些波长的光被透射或吸收，从而呈现特定的颜色及偏振特性，即本发明所述的光学特征。
下面将结合本发明的优选实施方式对根据本发明的光学防伪元件的结构进行详细描述。
在根据本发明的一个优选实施方式中，基材2的第一表面3包含若干区域，并且这些若干区域内的亚波长浮雕结构5的结构可以不同，从而具有不同亚波长浮雕结构5的区域会呈现不同的光学特征。如图2所示，其示意性地示出了两种不同的亚波长浮雕结构501 和 502。
在根据本发明的优选实施方式中，亚波长浮雕结构5可以为一维光栅，亚波长浮雕结构5的槽型可以是正弦形、矩形、锯齿形等；亚波长浮雕结构5也可以是变周期、变槽深光栅结构。另外，亚波长浮雕结构5可以为二维光栅，其槽型可以是正弦形、矩形、锯齿形等，并且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。当亚波长浮雕结构5是衍射光栅时，其呈现衍射光变(全息)特征。通过对亚波长浮雕结构5进行设计，会实现防伪所需的文字、标识等图案。应当理解的是，亚波长浮雕结构 5的结构并不局限于上面描述的结构；而且实际的光学防伪元件中可以采用这些亚波长浮雕结构5的组合，如图2所示意性示出的那样。
优选地，亚波长浮雕结构5的槽深(即ζ方向(即垂直方向)上的特征尺寸)为 10nm-500nm,优选为50nm_300nm。另外，亚波长浮雕结构5在χ方向和/或y方向(其中χ 方向和y方向均位于水平面上)上的特征尺寸为50nm-500nm，优选为200nm-400nm，但是， 当一个方向上的特征尺寸满足要求时，另一个方向上的特征尺寸可以不受限制。
优选地，亚波长浮雕结构5的周期和槽深二者之间最好存在着一定的匹配关系， 这种匹配关系可以用深宽比(即槽深与周期的比值)表示，其是根据具体的再现效果通过严格耦合波理论设计计算得到的，优选地，深宽比的范围通常为0. 3-2，优选为0. 4-1。
优选地，亚波长浮雕结构5的占宽比(即光栅峰宽与周期的比值)也是影响光学效果的一个重要参数，其主要影响光学防伪元件1的亮度及对比度，通常要求占宽比为 0. 3-0. 7，优选为 0. 4-0. 6。
此外，亚波长浮雕结构5可以通过全息干涉法、激光直刻技术、电子束刻蚀技术等方法制作母版，通过电铸工艺制成工作版、再通过模压、UV复制等生产工艺转移到基材2的表面上。
在根据本发明的再一优选实施方式中，基材2的第一表面3包含若干区域，并且不同的区域内可以具有不同的多层结构镀层6，如图3所示，其示出了两种多层结构镀层601 和602，从而使得具有不同多层结构镀层6的区域会呈现不同的光学特征，从而构成防伪所需的文字、标识等图案。
下面对根据本发明的光学防伪元件1中所采用的多层结构镀层6的结构进行描述。多层结构镀层6可以采用多层介质膜结构，即由具有高、低折射率的不同介质层构成。 这种结构通常采用入/4膜系设计。而且，各个介质层所采用的材料可以为1%&、310241203、 MgO, HfO2, TiO2, ZnS, ZnO等无机镀膜材料中的一种或多种，当然也可以采用高分子聚合物， 或者无机镀膜材料与高分子聚合物的组合。
多层结构镀层6的结构还可以是金属/介质多层膜结构，通常采用三层结构或五层结构。例如，多层结构镀层6的结构可以包括以下中的至少一者形成于亚波长浮雕结构 5上的第一反射层、形成于所述第一反射层上的第一介质层和形成于所述第一介质层上的第一吸收层；形成于所述亚波长浮雕结构5上的第二吸收层、形成于所述第二吸收层上的第二介质层和形成于所述第二介质层上的第三吸收层；形成于所述亚波长浮雕结构5上的第四吸收层、形成于所述第四吸收层上的第三介质层、形成于所述第三介质层上的第二反射层、形成于所述第二反射层上的第四介质层和形成于所述第四介质层上的第五吸收层； 以及形成于所述亚波长浮雕结构5上的第六吸收层、形成于所述第六吸收层上的第四介质层、形成于所述第四介质层上的第七吸收层、形成于所述第七吸收层上的第五介质层和形成于所述第五介质层上的第八吸收层。简言之，三层结构的多层结构镀层6为反射层、介质层和吸收层，或者为吸收层、介质层和吸收层，前者只能在一面观察光变效果，后者则可以在两面观察光变效果。五层结构的多层结构镀层6为吸收层、介质层、反射层、介质层和吸收层，或者为吸收层、介质层、吸收层、介质层和吸收层，五层结构的多层结构镀层6可以在两面观察光变效果，两面观察到的光变效果可以设计为相同，也可以设计为不同，这由各个反射层、介质层、吸收层的参数和材料决定。
上述的各个反射层一般为厚度较大的金属层，其厚度通常大于20nm，其所采用的材料可以为金、银、铜、铝、铁、锡、锌、镍、铬等中的一者或多者。上述的各个介质层可以是单层介质层，其所采用的介质材料可以选自MgF2、SiO2, A1203、MgO, PMMA, HfO2, TiO2, ZnS, ZnO 等无机镀膜材料以及高分子聚合物，其厚度由要实现的光学效果及材料的折射率决定，一般厚度可以为lOnm-lOOOnm，优选为50nm-800nm。当然，上述的各个介质层也可以是多层介质层，其所采用的介质材料可以选自MgF2、Si02、A1203、MgO, PMMA, HfO2, TiO2, ZnS, ZnO等常见的无机镀膜材料，并且多层介质膜通常采用高、低折射率λ/4膜系设计。上述的各个吸收层所采用的材料可以为金、银、铜、铝、铁、锡、锌、镍、铬等金属或者金属化合物中的一者或多者，厚度通常不超过20nm，优选为5-lOnm，其作用是使照明光部分反射、部分透射和部分吸收。
另外，多层结构镀层6通常可以通过热蒸发、电子束蒸发、高频溅射、磁控溅射、离子溅射、反应溅射、离子镀等真空镀膜工艺实现，也可以通过化学镀、电镀、涂布等工艺实现其中的某些层。
应当理解的是，根据本发明的多层结构镀层6的结构并不局限于上面描述的结构，例如，二层结构(即反射层和介质层)、四层结构(即吸收层、介质层、反射层和介质层) 等结构也是可取的。
在根据本发明的又一优选实施方式中，所述光学防伪元件1还包括位于所述第一表面3与所述亚波长浮雕结构5之间的模压层7，如图4所示。例如，在基材2的第一表面 3涂布模压层7，并然后在模压层7上复制亚波长浮雕结构5。这样就能够改善亚波长浮雕结构5的质量。模压层7的材质可以为环氧树脂、丙烯酸、聚氨酯、聚酰胺、UV固化胶等。
在根据本发明的又一优选实施方式中，所述光学防伪元件1还包括位于所述第一表面3与所述模压层7之间的剥离层9，如图5所示。其中，可以通过涂布的方式形成剥离层9。剥离层9的作用是通过烫印、冷转移等工艺将根据本发明的光学防伪产品转移到承载物上后，使得基材2能够剥离掉。
在根据本发明的又一优选实施方式中，所述光学防伪元件1还包括覆盖在所述多层结构镀层6的表面上的保护层8，如图6所示。其中，可以通过涂布的方式形成保护层8， 从而能够延长根据本发明的光学防伪产品的使用寿命。其中，保护层8的材质可以为环氧树脂、丙烯酸、聚氨酯、聚酰胺、UV固化胶等透明材料。
在根据本发明的一个优选实施方式中，根据本发明的光学防伪元件1还可以具有印刷图文、磁性特征、荧光特征层10，如图7所示。该特征层10可以位于任何一个表面上或者各层之间，或者各层本身具有此类特征。
在根据本发明的又一优选实施方式中，所述光学防伪元件1还包括形成于全部或部分所述第二表面4上的第二亚波长浮雕结构11以及形成于全部或部分所述第二亚波长浮雕结构11上的第二多层结构镀层12，如图8所示。这样，使得根据本发明的光学防伪元件1能够在两个表面(即第一表面3和第二表面4)上都呈现光学特征。而且，第二亚波长浮雕结构11和第二多层结构镀层12的结构可以分别采用亚波长浮雕结构5和多层结构镀层6的结构，所以此处对第二亚波长浮雕结构11和第二多层结构镀层12的结构不再赘述。
另外，关于光学防伪元件1的光变特征及其对应的亚波长浮雕结构5、多层结构镀层6的参数以及它们之间的匹配关系，可以应用严格耦合波法(RCW)、时域有限差分法 (FDTD)等矢量衍射理论进行计算和设计。这些理论均根据边界条件而直接求解麦克斯韦方程组。其中矢量衍射理论在浙江大学出版社出版、杨国光编著的《微光学与系统》中有详细的论述。在设计光学防伪元件1的结构参数时，可以从基本理论出发，根据具体结构的边界条件设计算法、编程计算，即根据要实现的光学特征确定亚波长浮雕结构光学防伪元件的初始结构参数(包括亚波长浮雕结构5、10的横向(χ方向或/和y方向)特征尺寸、槽深、深宽比、占宽比、槽型，多层结构镀层6的层数和各层的厚度、材料折射率与吸收系数， 基材的折射率)。然后依据光学矢量理论，根据亚波长多层结构镀层结构的边界条件编制程序根据初始结构参数进行计算；根据计算结果优化结构参数；再根据优化后的参数进行计算、优化，直到达到满意的结果。
下面给出一些具体的结构参数来进一步描述本发明。例如，根据本发明的光学防伪元件1的亚波长浮雕结构5是周期为^Onm、槽深为80nm、占宽比为0. 5的一维矩形光栅， 多层结构镀层6是三层镀层结构，即反射层Al的厚度为50nm、介质层MgF2的厚度为400nm、 吸收层Cr的厚度为6nm，则从垂直到倾斜60°时观察到的颜色从绿色变到红色，其颜色变化与具有相同镀层参数(Al 50nm,MgF2400nmXr 6nm)的非光栅结构普通镀层是相同的，区别是前者的再现光是偏振的。
再比如，根据本发明的光学防伪元件1的亚波长浮雕结构5是周期为300nm、槽深为200nm、占宽比为0. 5的一维矩形光栅，多层结构镀层6是三层镀层结构，即反射层Al的厚度为30nm、介质层SW2的厚度为600nm、吸收层Cr的厚度为10nm，则直接观察时为咖啡色，通过偏振镜观察，当偏振镜转动到某一位置时为红色，偏振镜转动90°后变为蓝色。
再比如，根据本发明的光学防伪元件1的亚波长浮雕结构5是周期为320nm、槽深为120nm，占空比为0. 7为的一维矩形光栅，多层结构镀层6是三层镀层结构，即反射层Al 的厚度为60nm、介质层TiO2的厚度为150nm、吸收层Cr的厚度为4nm，则当观察方向与光栅方向垂直时为绿色，在自身平面内旋转90° (即观察方向与光栅方向在同一平面内)时为金黄色，而且透过偏振镜观察再现光具有明显的偏振性。
另外，根据本发明的光学防伪元件1中的基材2可以为聚对苯二甲酸二醇酯 (PET)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(BOPP)等透明或者非透明、有色或无色的薄膜，并且其膜层厚度可以为5 μ m-500 μ m,优选为10 μ m-100 μ m。
而且，根据本发明的光学防伪元件可以制作成标识、开窗安全线、贴条等产品形式。为了方便在产品上应用，根据本发明的光学防伪元件1的一面或者两面可以涂有粘结胶，以便可以通过烫印、粘贴、放线等工艺将附着在承载物上。
以上结合本发明的优选实施方式对根据本发明的光学防伪元件进行了详细描述。 但是，本领域技术人员应当理解，在不背离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种变形和修改。例如，根据本发明的光学防伪元件可以同时具有结合图1至图8所描述的特征中的一者或者多者，甚至图1至图8中的全部技术特征。
权利要求
1.一种光学防伪元件，该光学防伪元件包括基材O)，所述基材( 包括第一表面(3) 和第二表面G)，所述光学防伪元件还包括形成于全部或部分所述第一表面C3)上的亚波长浮雕结构(5)以及形成于全部或部分所述亚波长浮雕结构(5)上的多层结构镀层(6)，并且所述多层结构镀层(6)包括由折射率小于1. 8的介质材料形成的介质层。
2.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其中，所述第一表面C3)的不同区域中的所述亚波长浮雕结构(5)的结构不同。
3.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其中，所述亚波长浮雕结构(5)的不同区域中的所述多层结构镀层(6)的结构不同。
4.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其中，所述光学防伪元件还包括位于所述第一表面(3)与所述亚波长浮雕结构(5)之间的模压层(7)。
5.根据权利要求4所述的光学防伪元件，其中，所述光学防伪元件还包括位于所述第一表面(3)与所述模压层(7)之间的剥离层(9)。
6.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其中，所述光学防伪元件还包括覆盖在所述多层结构镀层(6)的表面上的保护层(8)。
7.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其中，所述亚波长浮雕结构( 的槽深与周期的比值为0.3至2。
8.根据权利要求7所述的光学防伪元件，其中，所述亚波长浮雕结构( 的槽深与周期的比值为0.4至1。
9.根据权利要求7所述的光学防伪元件，其中，所述亚波长浮雕结构(5)的槽深为 IOnm 至 500nm。
10.根据权利要求9所述的光学防伪元件，其中，所述亚波长浮雕结构(5)的槽深为 50nm 至 300nm。
11.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其中，所述亚波长浮雕结构(5)在χ方向和 y方向中的至少一个方向上的特征尺寸为50nm至500nm。
12.根据权利要求11所述的光学防伪元件，其中，所述亚波长浮雕结构(5)在χ方向和 y方向中的至少一个方向上的特征尺寸为200nm至400nm。
13.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其中，所述亚波长浮雕结构(5)的光栅峰宽与周期的比值为0.3至0.7。
14.根据权利要求13所述的光学防伪元件，其中，所述亚波长浮雕结构(5)的光栅峰宽与周期的比值为0.4至0.6。
15.根据权利要求1至14中任一项权利要求所述的光学防伪元件，其中，所述多层结构镀层(6)包括以下中的至少一者多层介质层，并且所述多层介质层中的至少一层介质层由折射率小于1.8的介质材料形成；形成于所述亚波长浮雕结构(5)上的第一反射层、形成于所述第一反射层上的第一介质层和形成于所述第一介质层上的第一吸收层；形成于所述亚波长浮雕结构(5)上的第二吸收层、形成于所述第二吸收层上的第二介质层和形成于所述第二介质层上的第三吸收层；形成于所述亚波长浮雕结构(5)上的第四吸收层、形成于所述第四吸收层上的第三介质层、形成于所述第三介质层上的第二反射层、形成于所述第二反射层上的第四介质层和形成于所述第四介质层上的第五吸收层；以及形成于所述亚波长浮雕结构(5)上的第六吸收层、形成于所述第六吸收层上的第四介质层、形成于所述第四介质层上的第七吸收层、形成于所述第七吸收层上的第五介质层和形成于所述第五介质层上的第八吸收层。
16.根据权利要求1至14中任一项权利要求所述的光学防伪元件，其中，所述光学防伪元件还包括形成于全部或部分所述第二表面(4)上的第二亚波长浮雕结构(11)以及形成于全部或部分所述第二亚波长浮雕结构(11)上的第二多层结构镀层(12)。
17.根据权利要求1至14中任一项权利要求所述的光学防伪元件，其中，所述光学防伪元件还包括形成于任何一个表面上的印刷图文、磁性特征层和/或荧光特征层。
全文摘要
本发明针对现有光学防伪元件的颜色种类不够丰富的缺陷，提供一种能够克服上述缺陷的光学防伪元件。一种光学防伪元件，该光学防伪元件包括基材(2)，所述基材(2)包括第一表面(3)和第二表面(4)，所述光学防伪元件还包括形成于全部或部分所述第一表面(3)上的亚波长浮雕结构(5)以及形成于全部或部分所述亚波长浮雕结构(5)上的多层结构镀层(6)，并且所述多层结构镀层(6)包括由折射率小于1.8的介质材料形成的介质层。
文档编号G02B5/18GK102514443SQ20111041005
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月9日 优先权日2011年12月9日
发明者孙凯, 张巍巍, 朱军, 王晓利 申请人:中国印钞造币总公司, 中钞特种防伪科技有限公司