CN100418757C - 消色差多层衍射颜料片和箔 - Google Patents

Abstract

本发明提供了带有衍射结构的消色差多层衍射颜料片和箔。衍射颜料片可以在一个反射核心层的相对面上，有一个对称的涂层结构，在反射层的一面上有一个非对称的涂层结构，或可以在反射核心层周围形成一层或多层密封涂层。衍射颜料片可以散入液体介质如涂料或墨水，以生成用于各种物体的衍射成分。箔可以层压到各种物体上或做在一个载体基座上。衍射颜料片和箔可以与各种衍射结构一起生成所需的光学效果。涂在一个物体上的衍射箔和衍射成分在一个消色差背景下呈现一种虹彩的衍射效果。

Description

消色差多层衍射颜料片和箔

技术领域

本发明涉及具有光学效果的颜料片和箔。尤其涉及到在表面有各种衍射效果的衍射颜料片和箔，以生成所需的光学效果。

背景技术

目前已开发出各种各样的颜料片，着色剂和箔并得到广泛的应用。例如，衍射颜料已经用于形成模式表面和安全器件上。由于衍射模式和浮雕的艺术和实用性视觉效果，它们已被广泛地用于实际应用。

由一个衍射光栅生成的虹彩视觉效果是一个很理想的装饰效果。当从衍射光栅被反射时光被分成它的颜色成份而生成了惊人的视觉效果。通常，衍射光栅主要是由在一种材料中的线条或槽做成的一个峰状和槽状的重复结构。当衍射光栅在一个反射表面有具有特定深度的规则间隔的槽时，就会在可见光谱中生成所需的光学效果。

衍射光栅的变色特性和结构已经为大家所知，特别是在连续箔上形成全息图像方面。如上所述的衍射表面的一个特点是在有导向的照明下它们的视觉效果更好。在明显的方向性光源下随着观察角度或照明角度的颜色的连续快速变化，是由每个衍射光束级中光根据波长而产生的角度散射引起的。相反，当用散射光源如普通的室内光线或阴天的光线，来照明衍射着色剂或图案时，并不会揭示多少在衍射着色剂或图像中含有的视觉信息，通常看到的仅仅是从浮雕表面反射出来的彩色或无色背景。

有人曾试图通过在不规则的印刷表面上涂上散入透明涂料中的衍射粒子小碎片来生成光学效果。这些努力包括很多衍射结构，这些结构提供可见光的散射，因此，观察者在相对于衍射表面或照明的不同的观察角度似乎观察到不同的颜色。不过，到目前为止的这些结构都有它的局限性，例如，出现闪烁，就大大地破坏了它的美感。

例如，位于加州洛杉矶的斯伯克佳克特(Spectratek)技术公司生产一种相对较大的衍射片，这种衍射片会根据照明或观察的角度不同生成不同的颜色。不过这种大的衍射片同时也是导致有明显亮点或闪光点的原因。厚的衍射片也容易以一个较大的角度堆在一起，产生色度的损失及颜色变化，而形成闪烁点。这种衍射片在美国第6,242,510号专利中是这样被描述的：“棱镜片18在许多角度反射光束的独特能力随着观察者的角度的变化会产生一个不断变化的图像。它的总体效果可以最好的解释为无数小的，明亮反射，类似晶体碎玻璃的辐射光，或者甚至是闪烁的星光。”(第五段，第56-62行)。

在斯伯克佳克特的文章中所述的这些粒子的最小体积为50×50微米。由于这种相对较大的粒子很容易被看成一个个单个的粒子。另外，由于衍射片的厚度约为12微米，一个50微米的粒子的纵横比只有约4∶1，即使是一个相对较大的100微米的粒子的纵横比也只有8∶1，因此不能进行相互之间以及与基座之间的共同定向。虽然在许多绘画和印刷方法中有对比50微米更小的微粒的公认需求，不管是减小粒子还是增大纵横比，即大于约8∶1，都在市场上买不到。对市场上的衍射片的分析表明它们包括由厚的塑料薄膜层保护的金属箔。金属层形成衍射结构，这些结构包括每毫米约1700到1800线(线/毫米)间隔并且深度约为140nm的线性波动。

在一些应用中，在以连续箔形式的衍射光栅中可以得到的连续的颜色变化比到目前为止由颜料片得到的连续颜色变化更为理想。用来生产带有衍射光栅的粒子的传统的结构和方法使得这种粒子不适合得到由箔结构可得的光学特性。到目前为止，一个结构参数的修改虽然可能对光性能有益，但不可避免地会对另一个重要的特性产生负面影响。当粒子大时，乱取向会引起闪烁效应。如果粒子小但没有很好的定向，各种颜色将不再会泾渭分明，而是看起来像是混在一起。因此，即使是在高度准直的照明下，观察者所看到是一系列被冲洗过的颜色范围，而不是一个连续箔的光亮的，色彩分明的颜色特性。

一种试图提供更均一的颜色，正如在变色安全墨水所需的，在李(Lee)所有的(以下文称为“李”)美国第5,912,767号专利中有描述。李指出为了得到一个均一的外观，需要带有环形排列的衍射特性并且槽的频率为1,600到2,000线/毫米(槽的宽度为0.4到0.6微米)。在一个理想的实施例中，李指出一种改善颜色外观均匀性的方法是根据每个粒子离中心的距离来调制槽的间隔。不过，与相同大小并带有一个简单的线性光栅结构的粒子相比，由于有限的有效线条数(只相当于非常小的20微米粒子的一个次区域)，环形的光栅结构容易造成很低的亮度。而且，李并没有提到粒子的厚度，或槽的深度，及性能的定量，以至提供开发生产这种复杂粒子的有效或经济的方法的动力。

木元(Kimoto)等人所有的(下文简称为“木元”)美国第6,112,388号专利提出了用无机介质层来保护和强化一个金属箔。木元需要一个厚度为1微米的相当厚的介质层，这样，最终的粒子厚度在2.5到3微米之间。由于所需的粒子大小最好是在25到45微米之间，这就使得粒子的纵横比约为10∶1到22∶1。在这种纵横比的低端很容易造成粒子对镀了膜或上了涂料的物体表面的乱取向，再加上相对较大的厚度，会造成一个更粗糙的外表面。粗糙的表面会有损于外观，因此在许多应用，如汽车涂料中特别是问题。虽然加一个较厚的光泽顶部涂层可以部分地掩饰粗糙表面，但会增加成本或生产周期。用增加粒子的大小来扩大纵横比会使这种粒子太大，而不适用于表面喷涂的应用中，同时也会增加可观察的闪烁效果。尽管这种粒子可能会有利于其它涂料或印刷方法，由于金属层的厚度并不足以提高无机材料的坚韧性，所以这些粒子非常易碎。因此，更高纵横比的好处可能在最终产品中得不到。

印花金属衍射片是一种传统的用来生成衍射粒子的方法。不过，为了得到一个永久的调制高度所需的塑炼变形使这种粒子不具有所需的生成明亮特殊颜色的光学特性。例如，加藤(Kato)等人所有的(下文简称“加藤”)美国第6,168,100号专利提出了用一个衍射释放模式浮雕金属片的方法。加藤的图7显示了一个实测槽频率约为1,300线/毫米，深度为约800纳米的衍射片的实际显微图。衍射片看上去起折皱，由于在0.4到1微米之间的金属层的实际厚度比槽的深度还小。由于光学性能要求一个稳定的表面微观结构，浮雕过程必须使金属箔塑性变形，这样相对于箔的厚度就会导致一个很深的槽深度。由于槽的硬化效果，变皱了的结构可能在槽的方向上保持平滑，该衍射片看起来在槽的方向有一个明显的弯曲。

同样，米卡(Miekka)等人所有的美国第5,549,774和5,629,068号专利提出了通过在浮雕金属叶片上使用墨水，如金属薄片墨水，有金属效果的墨水或者带有由光学堆做成的颜料片的墨水，来加强着色剂的光学效果的方法。这些专利建议这些浮雕金属叶片颜料的粒子大小应在10到50微米之间以与着色或印刷技术相容。在具有正弦曲线的线性槽的例子中，衍射特性的频率大于600线/毫米，深度应小于约500纳米。

米卡等人所有的美国第5,672,410号，5,624,076号，6,068,691号，和5,650,248号专利提出了一种用来形成具有金属厚度为10到50纳米的薄浮雕明亮金属粒子的工序。这是通过用铝来金属化一个浮雕释放层的表面完成。这些专利建议衍射特征的频率应在500到1,100线/毫米之间，并且可以用相同的方法来制作与一个浮雕载体膜或基座结构相应的多层薄膜光学堆。不过，可用于薄片的衍射浮雕技术很有限，因为它们会导致不希望有的衍射片变形(弯曲或变得不平)和/或断裂，因此会减小微粒的角度分辨率和总体的亮度。

总而言之，传统的技术提出了各种制造带有衍射光栅结构的粒子的方法，当将这些结构重新构造并应用到物体的表面时，会生成一些颜色散射。不过，传统的衍射微型结构形成一种根据波长的可见光的角度散射特性，粒子微型结构和微机构的其它特性有助于一种带有不希望有的闪烁或闪光表面的粒子。这会在用传统粒子印刷或着色后的物体的最终外观中出现。这种被印刷或着色的物体在外观上明显地受微粒大小、厚度和易碎性限制。传统的衍射微型结构粒子都不能有效地提供一种美观的涂料、印刷墨水或叠片以在一个曲面上提供在一种连续彩虹中的截然不同的颜色。

发明内容

本发明涉及消色差的多层衍射颜料片和箔，以及带有颜料片的衍射成分。衍射颜料片和箔上有衍射结构，如一个衍射光栅模式或一个全息图像模式，这些都是从下面的衍射结构基座上复制而成的。衍射颜料片和箔可以由各种衍射结构做成以生成所需的光学效果。

本发明涉及一种消色差衍射颜料片或箔，包括具有一层或多层反射层的衍射结构，所述反射层的特征在于在散射条件下的平均背景反射率在可见光谱中少于30％。

本发明的一种颜料片或箔形式的多层消色差衍射结构，包括：包括具有反射层的衍射结构，所述反射层的特征在于在散射条件下的平均背景反射率在可见光谱中少于30％；一个上覆所述反射层的第一主表面的第一介质层；及一个上覆所述反射层的相对的第二主表面的第二介质层。

本发明的消色差衍射颜料成分包括一种颜料媒介和带有衍射结构并散入颜料媒介的多个本发明涉及的颜料片。

本发明的一种消色差衍射颜料片，包括含有铝或铬的中心层，中心层有第一主表面和与其相对的第二主表面，上覆中心层的第一和第二主表面的氟化镁层，每个氟化镁层有一个在450纳米或更小时为四分之一波长光学厚度或更小的光学厚度；上覆各氟化镁层的铬层，及覆盖各铬层并有足够的弹性系数和厚度以使衍射颜料片有足够硬度的外层；其中颜料片上有衍射结构并在消色差背景下显示一种彩虹的衍射效果。

特别是，可以制作出具有特殊衍射表面微型结构和物理及微机械特征的衍射颜料片和箔以加强光学效果。根据所需的光学效果，选用合适的衍射微型结构以生成带有最佳衍射效果的颜料片和箔。这些光学效果通过衍射和反射的正确组合来得到，例如随着观察者的位置变化而变化并闪光的强烈醒目的光学效果。在一些实施例中，当衍射成分或箔被涂在一个物体上时，衍射光学效果可以作为一个在一个消色差背景如黑色、暗色背景中的虹彩光学效果被看到。

衍射颜料片可以是做在一个反射核心层的相对面上的一个对称涂层结构，在反射层的一面上的一个非对称涂层结构，或者是环绕一个反射核心层的一层或多层的密封涂层。衍射颜料片可以被散入液体介质中，如涂料或墨水以生成用来涂在各种物体上的衍射成分。箔可以叠压到各种物体或作在一个载体基座上。衍射成分和箔可以被应用于各种物体以增加独特的装饰效果和视觉及非视觉安全效果。

本发明的这些或其它特性通过下列的详细描述和所附的权利要求书将会更为明确，也可以通过实践本发明获得。

附图说明

为了说明本发明的上述及其他优点和特征，将通过参照与附图中相应的具体实施例来对上述本发明进行更为具体的描述。值得一提的是这些图示只表示本发明的典型实施例，不能看作是对本发明的范围的限制，本发明将通过下列的图示进行详细的描述说明：

图1是一个衍射光栅将多色光束分离成它的成分波长的示意图；

图2是一个衍射光栅将多色光束分离成它的成分波长的另一示意图；

图3是可以用来做成本发明的衍射颜料片和箔的一个网光栅或箔光栅的示意图；

图4是根据本发明的一个实施例的一个衍射颜料片的涂层结构的示意图；

图5是根据本发明的另一个实施例的一个衍射颜料片的涂层结构的示意图；

图6是根据本发明的又一个实施例的一个衍射颜料片的涂层结构的示意图；

图7是根据本发明的另一个实施例的一个衍射颜料片的涂层结构的示意图；

图8A和8B为多层涂层粒子的示意图，其中的涂层的一层具有衍射颜料片，其它的涂层有非衍射颜料片；

图9为一个涂层粒子的示意图，带有包括衍射颜料片和附加的非衍射颜料片的至少一层涂层；

图10为根据本发明一个实施例的一个衍射箔的涂层结构的示意图；

图11和12是根据本发明的做在一个网上的衍射箔的另一个构造示意图；

图13为根据本发明另一个实施例的一个衍射颜料片的涂层结构的示意图；

图14为根据本发明另一个实施例的一个衍射箔的涂层结构的示意图；

图15为根据本发明一个实施例的一个衍射干涉结构的涂层结构的示意图；

图16为根据本发明另一个实施例的一个衍射干涉结构的涂层结构的示意图；

图17的曲线表示一个频率为500线/毫米的衍射光栅对不同波长在法线和45度入射角的衍射角度；

图18的曲线表示一个频率为1000线/毫米的衍射光栅对不同波长在法线和45度入射角的衍射角度；

图19的曲线表示一个频率为1400线/毫米的衍射光栅对不同波长在法线和45度入射角的衍射角度；

图20的曲线表示一个频率为2000线/毫米的衍射光栅对不同波长在法线和45度入射角的衍射角度；

图21的曲线表示一个频率为2400线/毫米的衍射光栅对不同波长在法线和45度入射角的衍射角度；

图22的曲线表示一个频率为2500线/毫米和一个频率为3000线/毫米的衍射光栅对不同波长在法线和45度入射角的衍射角度；

图23和24的曲线表示频率为1400线/毫米、具有不同槽深并涂有铝的正弦光栅对各种波长的光在法线和60度入射角的理论效率；

图25和26的曲线表示频率为1000线/毫米，具有不同槽深并涂有铝的正弦和方形光栅的理论效率；

图27-31是根据本发明制造的各种衍射颜料片的扫描电镜照片；

图32是根据本发明制造的一个衍射颜料片的涂层微结构的横截面透射电子显微图；

图33是一个表示本发明的各种衍射颜料的颜色轨迹和染色性的a＊b＊图；

图34是本发明的各种衍射颜料在各种观察角度的亮度曲线；及

图35是本发明的各种衍射颜料在各个波长的反射曲线。

具体实施方式

本发明涉及消色差多层衍射颜料片和箔，以及带有颜料片的衍射成分。衍射颜料片和箔可以用于各种物体以增加独特的装饰效果和视觉及非视觉的安全效果。衍射颜料片和箔上有从带有一个衍射结构的基座上复制而成的衍射结构，如衍射光栅模式或全息图像模式。衍射颜料片或箔可以由各种衍射结构做成以生成所需的光学效果。

术语“消色差”在这里指的是颜料片或箔几乎不生成背景颜色或背景色度。相反，本发明的颜料片和箔的背景在它们的亮度特性中有一种暗影(如黑或灰色)，而几乎没有任何色度特性。当消色差颜料片或箔涂在一个物体上时，衍射光学效果可以看作在暗色背景下的一种虹彩光学效果。例如，在本发明的一些实施例中，涂在一个物体上的衍射箔和衍射成分在由衍射箔或衍射成分生产的消色差暗背景下，如黑色或灰色背景，会显现一个虹彩衍射光学效果。

众所周知，带有高反射金属层的衍射光栅结构将入射射线分成非零级衍射光束，这表明非可见光生成强烈的虹彩颜色，该颜色本身会随着照明的角度和观察者的位置而变化。当入射光具有较强方向性时如明亮的太阳光或点光源，这种光学效果最适合用于装饰用途。在这种情况下观察会看到由一种银色或明亮金属区环绕的一条彩虹。不过，如果照明是从很多不同的角度照射过来的发散光而不是非常准直，明亮的金属色将成为主色。这种高反射层本身的金属外观不仅在一些以装饰为目的的用途中不受欢迎，而且它使一个相对少量的散射光掩盖了直接照射光源所能提供的好处。也就是说，虽然可能有直射光源，但颜色彩虹只有在散射光除去后才能看见。

本发明的好处之一是能够得到用于装饰目的的衍射光栅的整个颜色范围，同时，避免了在其它观察或照明条件下出现的银色或明亮金属外观。本发明在包括直射和散射照明条件下还能获得前面所述的美学效果。

本发明的这些和其它优势可以通过减弱一个衍射结构的背景反射率来获得，使散射光中的颜色弱化成灰色而不是明亮的金属色。通过在结构中加入附加层来调制入射到反射层和来自反射层的辐射光的强度或用不是高度反射的材料来减弱背景反射率。这就生成一种衍射结构，该结构在散射光条件下背景的总平均可见反射率少于约30％。例如，可以通过同时减少在整个可见光谱的反射率来获得衍射结构的一种灰色或中性外观颜色，是在一个光谱波长从约400纳米到约700纳米范围内的绝对反射率的变动不超过约20％。

根据本发明的一个衍射结构，如在一个颜料片或箔中，包括一层或多层的反射层，这些反射层在散射条件下的平均背景反射率在可见光谱(也就是从约400纳米到约700纳米)中少于约30％，最好是在可见光谱中少于约20％。反射率从平均值的变化在约400纳米到约700纳米的波长中最好是小于约5％。反射的颜色在至少一个更高级的衍射光束中能看到。一层或多层的反射层可以选自包括一种金属、金属合金、金属混合物、半导体和它们的混合物中的一种材料，材料本身的反射率小于50％。另外，一层或多层的介质材料可以被置于一层或多层的反射层和照明源之间。

在其他实施例中，选自金属、金属合金、金属化合物、半导体或它们的混合物的一种材料的附加层可以与一层或多层的反射层一起被置于衍射结构中。在一层或多层反射层和照明光源之间的一层吸收层也可以用在衍射结构中。吸收层可以由一种或多种无机材料，或一种或多种有机染料或染料混合物做成。

在另一个实施例中，一层或多层的反射层可以由一个几乎透明的层和另一材料之间的界面形成，这种透明层和其它的材料之间的反射率相差很大。这个实施例还可以包括一个几乎不透明的吸收层，使透明层介于不透明吸收层和照明光源之间。

本发明的好处可以在任意形状的物体上使用带有该衍射结构的一种涂料、墨水或其它表面涂层或叠层来获得。所使用的涂层包括散入一种介质或粘合剂中的许多小板状粒子，其中每个粒子在至少一个表面上有一个衍射光栅结构。光栅结构的频率，或间距和深度经过选择使零级衍射光束的强度被减少，而增加第一或更高级衍射光束的强度。

在本发明的一些实施例中，衍射颜料片可以是在一个反射核心层的相对面上的一个对称的涂层结构，或者由一个环绕反射核心层的密封层做成。衍射颜料片可以被散入液体介质如一种涂料或墨水以生成用于各种的物体上的衍射成分。衍射箔可以被叠压到各种物体上或作在一个载体基座上。衍射颜料片和箔可以由各种衍射结构做成，以生成所需的光学效果。

可以根据所需的光学效果选择合适的光栅微型结构以生成带有最佳衍射效果的衍射颜料片和箔。例如，颜料片或箔可以包括一种更高频率的衍射光栅微型结构，如带有频率高于约1100线/毫米的衍射光栅模式以生成范围更广的光学效果。

在本发明的一些实施例中，衍射颜料片和箔提供醒目的光学效果，这些光学效果由衍射和反射光学的适当混合而生成，并随着观察者的位置不同而变化和闪烁。这种醒目的光学效果包括虹彩效果，还可以用来生成装饰特性和视觉上的安全特性。

在本发明的其他实施例中，可以在衍射颜料片中提供隐蔽的安全特性。在这些实施例中，衍射效果只能在可见波长范围之外被观察到，如在紫外线(UV)或红外线(IR)的波长范围。这种隐蔽的特性可以通过采用一种只在紫外或红外线波长范围内生成衍射效果的光栅生成。例如，在法线入射时，带有光栅频率低于约500线/毫米的颜料片生成的衍射效果在可见光谱内不能被肉眼看到，但在约800纳米到约1600纳米的波长范围内显示衍射效果，并能用一个分析仪器读出。这样，一个传统的红外探测器可以很快并准确地探测到这种衍射颜料片的存在，而不借助任何器具的肉眼就不能够探测到衍射结构的存在。

本发明的颜料片的物理厚度为约500纳米到约2微米(2,000纳米)，最好是约800纳米到约1400纳米(1.4微米)。虽然本发明的颜料片形状不均匀，颜料片可以有一个约为50微米或更小的平均的粒子或主表面的宽度，最好是约25微米或更小。本发明的颜料片的宽度对厚度的纵横比大于约2∶1，最好至少是约10∶1，更为理想的是至少为约25∶1。

根据制作本发明的颜料片的材料，衍射结构或颜料片可以包括一层或多层有足够强度和厚度的附加层，使片状粒子足够结实。当足够结实的粒子的纵横比大于约2∶1时，如为约5∶1或为约20∶1时，颜料粒子将择优排列，使涂膜的任意形状的物体有一个与在连续片或箔上生成的衍射结构几乎相同的外观。

在另一个实施例中，本发明的衍射结构可以生成在连续片或箔上，然后再叠压或吻合到一个需要装饰的物体上。本发明的衍射箔的物理厚度可以从约500纳米到约3微米，最好是从约800纳米到约1200纳米。

颜料片或箔上的衍射结构的线条频率最好大于约1200线/毫米，这样，当从法线入射到离法线至少约60度的位置照明时，相应于第一或更高级的可见波长范围内的光以足够的角度从相同波长范围的更高级的衍射光束中分离出来。另外，衍射结构的振幅，它在光栅中就是槽的深度，使零级衍射光束的强度得以足够地压抑，因而加强更高级衍射光束在所需波长范围和/或入射角度范围内的强度。因此，在本发明的一个实施例中，衍射结构是一个线性炫耀(即，锯齿状)光栅，其频率为至少约1400线/毫米，槽深为至少约140纳米。在本发明的另一个实施例中，衍射结构是一个线性正弦光栅，其频率为至少约2000线/毫米，槽深为至少约100纳米。

本发明的颜料片的最佳纵横比和粒子大小最好是通过在一个基座上淀积多层薄膜层来获得，该基座有一个带有一个可释放的中间涂层的结构表面，这样，从基座表面脱落下来的合适大小的颜料片复制基座的形状。本发明的衍射片和箔可以用传统的众所周知的形成薄膜结构的薄膜淀积技术做成。这些薄膜淀积技术的非限定例包括物理汽相淀积(PVD)，化学汽相淀积(CVD)，它们的等离子加强变形如等离子加强物理汽相淀积(PECVD)或下游等离子加强物理汽相淀积，喷射，电解淀积，以及其它可以形成分离且均一的薄膜层的类似的淀积方法。物理和化学汽相淀积方法提供一个光滑凹凸变化的基座的复制，但又不生成不希望有的表面粗糙度。

在一些实施例中，衍射颜料片被做成具有特定的衍射表面微型结构和物理及微机械特性，这些特性提供加强了的光学效果，并克服现有传统衍射颜料片中的不足。在传统衍射粒子颜料中，被反射的衍射颜色对观察和照明条件非常敏感，以至于衍射粒子必须拥有以下所说的互斥的特性：1)一个小的粒子大小，具有一定的硬度和较高的纵横比，以使所有微粒相互定向并与镀了膜的物体表面几乎平行，或其它合适的排向；2)在衍射颜色特性的角度范围和/或强度上有限制；和3)加强被反射的衍射颜色的亮度，以克服由于小粒子本身导致的亮度的减弱。当其它特性被优化时，本发明的颜料片上的简单线性光栅结构提供一个比现有技术中的更复杂的光栅结构，如同心或空间调制光栅，更亮的亮度。

因此，衍射微粒最好包括结实的小板或片状粒子，这些粒子带有至少一个含有衍射结构的反射层，如在高度上的一个空间调制(相对于由小板或片的主轴所定的参考平面)。因为反射层的机械特性，一个结实的透明表面涂层或一个结实的中心层，颜料片的硬度很高。

在由衍射效果生成一种暗背景的消色差衍射颜料片的一个实施例中，可以淀积一个透明的介质材料如氟化镁作为第一和第三层以在一个第二(中心)不透明层，如铬层上形成坚硬的保护层。或者，第一和第三层可以形成一个几乎环绕中心不透明层的连续介质层的一部分。每个氟化镁(MgF₂)层最好是约250纳米到约450纳米厚，铬层最好是约80纳米到约160纳米厚。这种衍射片的总厚度少于约1400纳米，最好是在约500纳米到约900纳米之间。在这些片中，铬层本身的反射率很低，介质层的光学厚度或它们的折射率并不起很重要的作用，这是由于颜料片的暗背景由低反射率光学特性的铬层生成。换句话说，从低反射率层如铬层开始，用来制作暗消色差衍射颜料片的厚度和介质材料有一个很大的选择范围。

在本发明的另一个实施例中，一个消色差衍射颜料片包括一个含有铝或镁的中心层，中心层带有一个第一主表面和与其相对的第二主表面。一层氟化镁层在中心层的第一和第二主表面上，每层氟化镁层的光学厚度在一个选定的设计波长为四分之一波长。每层的氟化镁层上都有一层铬层，一个外层覆盖每个镁层，该外层有足够的弹性和厚度以使衍射颜料片足够结实。外层为颜料片的一层或多层内层提供了环境保护的作用。最好的是，外层是几乎透明的，而且由一种介质材料如氟化镁组成。

虽然这里大多数的讨论主要是关于衍射光栅，业内人士可以理解，在许多实施例中，全息图像模式可以替代光栅。

衍射光栅设计技术

本发明提供了一种用衍射光栅理论来选择生产带有所需衍射特性的颜料片或箔的合适微型结构的设计技术。在这个技术中，各种光栅形状可以用传统的光学软件进行模拟以抑制和/或控制定向反射强度以及衍射级的空间位置以得到一个最佳的光栅设计。可模拟各种光栅形状，如三角对称形，三角炫耀形，带有不同顶部坪大小的四方形，和带有不同槽频率和深度的正弦曲线光栅。然后用模拟结果来选择用来沉积涂层的光栅基座，以形成下面所述的颜料片和箔。具体模拟结果将在下列例子中进行描述。

衍射光栅理论表明，可以优化零级和后续级的效率，因而可以生产具有所需光学特性的光栅片和箔。这些片或箔有可以根据最终所需的光学效果进行设计的衍射光学特性。由于传统颜料的颜色在大观察角度时褪色很厉害，除了折射、反射、吸收和类似的传统颜料的光学特性的组合外，还可加入衍射效果。得到的衍射颜料即使在大观察角度下也将生成一束很强的衍射光束。

图1和图2是一个传统衍射光栅10的工作示意图，该图显示多色光(白光)被分离(衍射)成它的成分波长(彩虹)。如图1所示，一个以一定的非法线角度入射到一个光栅表面的光束，产生一个零级或镜反射，即一种镜子的效果颜色。衍射光栅10在零级反射周围产生一个第一级衍射(-1第一级和1第一级)。同样地，在比第一级衍射更大的角度生成一个第二级衍射。

图2进一步说明了光入射到一个衍射表面时形成的颜色效果。在这种情况下，入射光垂直于光栅。在围绕镜反射的不同角度产生了对应于一个颜色彩虹的第一级颜色。

对于一套独特的离散角和一个给定的光栅峰间隔“d”，来自每个光栅面的衍射光束与来自任何其它表面的衍射光束同相，使它们同相相加，如方程1所示：

Gmλ＝sinα+sinβ(方程1)

其中G＝1/d是槽的密度或频度，α是入射光束和光栅法线之间的角度，β是衍射光束和光栅法线之间的角度，及m是称为衍射级的一个整数。对于所有的波长(λ)当m＝0，β＝-α时，光栅起到一个镜子的作用，而波长不会相互分离。这就是所说的镜反射或零级。

角度散射是在波长λ和之间的光谱级m的角度宽度

的一种测量。定义为 $\∂\mathrm{\β}/\∂\mathrm{\λ}=m/d\cos \mathrm{\β},$ 这说明槽之间的间隔越小(频率越高)，角度散射就越强。换句话说，对于一个给定级m，波长之间的方向夹角随着槽频率而增加。

对于一个给定的光栅频率，每一个后续级更宽(更强的角度散射)，不过，在低频率光栅中会出现光谱间的重叠。这也会导致序列间的角度散射。槽间的间隔越近，衍射级就会分得更开。换言之，光栅槽之间的间隔决定了序列之间的分离。

在一个大粒子上的光栅将会改善各级清晰度，从而具有更高的分辨力，由于在粒子上有多个光栅线条。分辨力R是用来测量一个光栅分离相邻光谱线的能力。对于一个平面衍射光栅，分辨力R＝mN，其中m为衍射级，N为光栅表面上被照明的所有槽的数量。用Nd代替方程1中的Gm，可得到下列更有意义的方程：

R＝Nd(sinα+sinβ)/λ(方程2)

其中数量Nd是光栅宽度(W)的简单表示。如方程2所示，R并不与直接依存于序列或槽的数量；这些参数包括在光栅的宽度和入射及衍射角中。最大可达分辨力为R_max＝2W/λ。可获的相对于理论分辨力的程度也取决于光栅表面的光学质量。总之，对于一个平面光栅任何大于λ/10的平面度都会导致分辨力的损耗。

当光束偏振与光栅的槽平行时，定义为P偏振或TE偏振光束，而S偏振或TM偏振光束则与光栅槽垂直。

方程1适用于入射和衍射光束垂直于槽的条件(如通常在分光仪器中被称为平面衍射)。如果入射光束不垂直于槽，方程1就要修改为：

Gmλ＝cosε(sinα+sinβ)(方程3)

其中ε是入射光路与垂直于光栅中心的槽的平面之间的角度。从几何角度来说，ε不同于零(光栅的方位角旋转)，衍射光谱位于一个锥形上而不是在平面上，这种情况被称为锥形衍射。

另外，对于一个给定的光栅频率，槽的深度决定各序列的相对强度。

有关衍射光栅理论的前述各点可以用于模拟或设计合适的用来制作本发明的颜料片和箔的衍射光栅结构。例如，分辨力的定义表明在衍射颜料片的情况下，更小的颜料片粒子需要更高的槽频率。而且，抑制和/或控制零级效果，使第一级的强度最大和/或最小可以加强衍射效果，而后续光谱序列之间的重叠可能会减弱衍射效果。

而且，如果围绕垂直于基座平面的一个轴方位旋转一个光栅，就会出现围绕镜反射(零级)的衍射序列锥。在大多数的颜料片应用中，涂料或墨水介质包括一个随机定向的小方位颜料片群。在带有衍射光栅微型结构的颜料片中，颜料片的大小和随机定向是决定颜料片群的光学性能的重要因素。因此，在一个颜料介质中随机方位定向的衍射颜料片如涂料或墨水会生成在非衍射片中不存在的衍射光束环。

另外，当入射光束垂直于光栅的平面(P-偏振)时，光栅在反射和透射的情况下都工作得很好。这样，当衍射结构叠加在充当反射介质和吸收层上时，在光变色或颜色变化堆中会出现复杂的光路。

如前所述，相对于光栅入射能量(效率)的能量大小随着光栅的类型和光栅槽深的变化而变化。因此，可以根据模拟使光栅在特定的波长最佳。这样，用于形成本发明的颜料片和箔的合适的光栅结构可以通过选择特定的线条频率和槽深来获得，而使光栅按需得以优化。对于一个特定的光栅，频率和深度可以根据方程和上述考虑而决定。

在本发明的一些实施例中，所用光栅的结构为具有频率为从约1000到约4000线/毫米衍射光栅模式，最好是从约1400到约3500线/毫米，更好的是从1400到2000线/毫米。而且光栅的槽深为约20纳米到约300纳米，最好是约100纳米到约250纳米。

各种形状的光栅可以用于本发明的光栅结构，如三角对称形光栅，三角炫耀形光栅，方形光栅，正曲光栅等等。光栅也可以是一个带有垂直或非垂直交错槽的横越光栅，这会在不同平面同时生成一线条光谱。

关于选择合适的光栅结构的其它详细内容可以参考申请于2001年7月31号的美国第09/919,346号专利申请，该专利附此作为参考。

现在回到图示中来，其中相同的结构用相同的参考代码，这些图示只是用来帮助理解本发明。图3是一种网或箔衍射光栅20的示意图，该光栅在上表面有一个可以被用来做成本发明的衍射颜料片或箔的衍射结构22。对于一个特定的光栅，可以根据前面的方程和考虑来决定线条频率和深度。例如，可以用一个衍射光栅，使所形成的颜料片或箔有一个衍射结构，其频率和振幅减少一个零级衍射光束的强度，而增加更高级衍射光束中至少一个的强度和颜色对比。在一个实施例中，衍射结构的频率为至少约1,400线/毫米，通过改变表面深度至少约140纳米来提供一个振幅调制。在另一个实施例中，衍射结构可以是约3,000线/毫米或更少，表面深度的变化可以为约220纳米或更少。

一个多层涂层24被置于光栅20的上表面上，如用传统的沉积技术，使衍射结构22被复制到用来形成一个薄膜结构的涂层24上。如图所示，涂层24复制了光栅20的外形，因此，在涂层24的相对面26上有光栅的峰和通道。当涂层24的薄膜结构被用来做成颜料片时，涂层24接着被弄碎并从光栅20上取下，如通过在溶解液中溶解或通过释放层，以形成许多衍射颜料片。衍射结构作在颜料片的一或两个主表面的至少一部分上。当涂层24的薄膜结构被用来做成箔时，薄膜结构做在一个非释放的衍射光栅基座上。

涂层24通常包括一个反射层，和一层或多层的由不同材料做成的并具有比反射层的反射材料更高的弹性系数的各层，这可以增强一个衍射颜料片的硬度。例如，一个介质层可以做在反射层的一个或两个主表面上。介质层可以含有一种几乎透明的介质材料。附加层如一个吸收层可以做在介质层上。

颜料片或箔上的衍射结构可以产生第一和第二级衍射光束的一个方向夹角，使在第一和第二级衍射光束内从约400纳米到约800纳米内没有波长的角度重叠。衍射结构的特征之一是在法线入射时，零级强度与第一级强度的比为至少约0.25，零级和第一级衍射或反射光束的方向夹角为至少约30度。

颜料片或箔上的衍射结构可以是一个衍射光栅模式，该光栅模式的频率为至少约1400线/毫米，深度为至少约140纳米。衍射光栅模式的频率最好是从约1400到3500线/毫米，深度最好是从约140纳米到230纳米。更好的是，衍射光栅模式的频率为从约1400到约1700线/毫米，深度为从约160到约220纳米。

所用的网或箔光栅可以从各种商业来源得到。另外，网或箔光栅可以通过一个热塑膜加工而成，通过加热软化薄膜的表面并将该热塑膜浮雕，然后将薄膜通过浮雕滚筒，以将一种衍射光栅或全息图像传到软化的表面。通过这种方法可以形成几乎无限长度的带有衍射光栅或全息图像的薄膜。或者，在网或箔上的衍射结构可以通过以下的方法来获得，将一卷涂了紫外线可固聚合体的塑料薄膜，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)送入一套对紫外线透明的滚筒，滚筒将一个衍射表面置入紫外线可固聚合体，聚合体接着被经过对紫外线透明的滚筒的紫外光固化。在一个基座上形成浮雕表面的其它方法在米卡等人所有的美国第5,549,774号专利中有说明，该专利附此作为参考。

衍射颜料片

图4是一个由一个多层膜做成的衍射片30的涂层结构。衍射片30是一个带有一个基本对称的薄膜结构的三层设计，包括一个中间反射层32和在反射层32的相对主表面上，但不在至少一个侧面上的相对介质层34和36。或者，衍射片30可以是一个两层设计，包括反射层32和介质层34或36之一。介质层为衍射片30提供加强了的硬度和耐久性。

反射层32可以由各种反射材料组成，如低反射率的金属或金属合金，虽然非金属反射材料也可以用。合适金属材料的非限定例包括，锡，钛，钯，镍，钴，铑，铌，铬，钨，钼，钽和它们的混合物，化合物或合金。在该实施例中，衍射片的背景亮度由反射材料的内在光学特性提供，衍射片在表面会显示衍射效果。

介质层34和36可以由各种介质材料做成，如折射率从约1.2到约4.5的介质材料。合适介质材料的非限定例包括氟化镁，二氧化硅，氧化铝，氟化铝，氟化铈，氟化镧，氟化钕，氟化钐，氟化钡，氟化钙，氟化锂，等等。其它合适的介质材料包括硫化锌，氧化锌，氧化锆，二氧化钛，钻石状碳，氧化铟，氧化铟-锡，五氧化钽，氧化铈，氧化钇，氧化铕，氧化铁如二氧化铁或三氧化铁和氧化铁(粉)，氮化铪，碳化铪，氧化铪，氧化镧，氧化镁，氧化钕，氧化镨，氧化钐，三氧化锑，硅，一氧化硅，三氧化硒，氧化锡，三氧化钨，等等。还可以用上述各种介质材料的混合物或化合物。

反射层32的物理厚度为约40纳米到约200纳米，最好是从约80纳米到约160纳米。介质层34和36每层的物理厚度为约1微米或更小，最好是从约200纳米到约600纳米，更好的是从约250纳米到约450纳米。衍射片30的总厚度少于约1.5微米，最好是少于约1,400纳米，更好是从约500纳米到约900纳米。

在制造与衍射片30相应的许多衍射片的一个方法中，介质层和反射层根据所需的两层或三层的衍射片设计依次被沉积在网或箔光栅上，以形成一个带有一个薄膜结构的多层膜。这种薄膜结构接着被弄碎并从光栅上取下，以做成许多衍射颜料片。

图5是根据本发明的另一个实施例的一个衍射片40的涂层结构。衍射片40是一个带有几乎环绕和密封一个中心反射层44的连续介质层42的两层设计。衍射片40的介质层和反射层可以由相同的材料做成，也可以有与上述衍射片30中所述的相同的厚度。衍射片40的衍射结构的光栅频率和深度可以与上述衍射片30同样决定和做成。

在制造与衍射片40相应的许多衍射片的一个方法中，包括至少一层反射层的一层或多层薄膜层被沉积在一个网或箔光栅上以形成一个衍射薄膜结构，该结构接着被弄碎并从光栅上取下以做成与反射层44对应的许多衍射颜料预备片。如果需要，这些预备片可以再磨碎。接后，预备片在一个密封工序中被涂上介质层42，以做成许多衍射颜料片。如果采用一个密封工序，密封层最好是由一种材料做成并有相同厚度的环绕衍射结构的一个连续层。

现在来看图6，这是根据本发明的另一个实施例的一个消色差多层衍射颜料片50。衍射片50是在反射层52的相对面上带有涂层的一个基本对称的多层薄膜结构。如图所示，第一和第二介质层54a，54b上覆反射层52的相对面，第一和第二吸收层56a，56b分别上覆第一和第二介质层54a，54b。一个衍射光栅结构58复制在衍射片50的所有层中。衍射光栅结构58的光栅频率和深度可以如上所述决定和做成。颜料片50在散射照明条件下的平均反射率小于30％。

当颜料涂到一个物体上时，颜料片50的涂层设计与衍射光栅结构相结合生成一种低亮度的背景，在这中背景下衍射光学效果就可以被肉眼观察到。例如，衍射片50的介质层在一个选定的设计波长下有一个光学厚度，使包括许多相应于衍射片50的颜料片的颜料合成物涂在一个物体上时，在一个消色差背景下显示一个虹彩衍射效果。

衍射片50的反射层52可以由各种反射材料做成，如上面所述的衍射片30的反射层32的材料。另外，反射层52还可以由其它的反射材料如：铝，银，铂或任何其它在可见光谱中有高反射率的材料做成。反射层52的合适厚度为从约40纳米到约200纳米，最好是从约80纳米到约160纳米。

衍射片50中的介质层54a和54b可以由上述关于衍射片30的介质层34和36的各种介质材料做成。衍射片50中的介质层54a和54b以一个选定的光学厚度做得足够薄以避免将干扰颜色和变色特性传到衍射片上。光学厚度是一个众所周知的光学参数，定义为乘积ηd，其中η表示层的折射率，d表示层的物理厚度。通常一层的光学厚度以四分之一波长光学厚度(QWOT)表示，它等于4ηd/λ，其中λ表示在一个QWOT条件下的波长。

因此，在衍射片50中的每个介质层的光学厚度在一个选定的设计波长下如约400纳米或更少时为约2QWOT或更少，最好是在450纳米或更少的波长设计下为约1QWOT或更少。介质层的物理厚度为从约20纳米到约100纳米，最好是从约40纳米到约70纳米。每个介质层可以是相同的材料或不同的材料，可以有相同或不同的光学或物理厚度。

衍射片50的吸收层56a和56b可以由具有所需吸收特性的任何吸收材料做成，包括在电磁光谱的可见部分有均一或非均一吸收的材料。因此，可以用选择性或非选择性吸收材料。例如，吸收层可以由沉积一定厚度的非选择性吸收金属材料做成，这样吸收层至少部分吸收或是半不透明。

适合用于吸收层56a和56b的吸收材料的非限定例包括金属吸收材料，如铬，镍，铝，银，铜，钯，铂，钛，钒，钴，铁，锡，钨，钼，铑，和铌，以及相应的金属氧化物，金属氟化物，金属碳化物，金属氮化物，和金属磷化物。其它合适的吸收材料包括碳，石墨，硅，锗，金属陶瓷，介质矩阵中的金属混合物，和其它在可见光谱中能起到均一或选择性吸收的材料。上述吸收材料的各种化合物，混合物，合成物或合金都可以用来做为衍射片50的吸收层。

适合上述吸收材料的合金例包括镍铬铁合金(Inconel)，不锈钢，耐蚀镍基合金(如镍-钼-铁；镍-钼-铁-铬；镍-硅-铜)和含钛合金，如钛碳混合(Ti/C)，钛钨混合(Ti/W)，钛铌混合(Ti/Nb)，和钛硅混合(Ti/Si)，以及它们的混合物。如上所述，吸收层也可以由吸收性金属氧化物，金属硫化物，金属碳化物，金属氮化物，金属磷化物或它们的混合物组成。例如，一种理想的吸收性硫化材料为硫化银。适合于吸收层的混合物的其它例子包括含钛混合物如氮化钛(TiN)，氮氧化钛(TiN_xO_y)，碳化钛(TiC)，氮碳化钛(TiN_xC_z)，氮氧碳化钛(TiN_xO_yC_z)，硅化钛(TiSi₂)，硼化钛(TiB₂)以及它们的混合物。在氮氧化钛(TiN_xO_y)和氮氧碳化钛(TiN_xO_yC_z)中，最好是x＝0到1，y＝0到1，及z＝0到1，其中在TiN_xO_y中x+y＝1，和在TiN_xO_yC_z中x+y+z＝1。对于氮碳化钛(TiN_xC_z)，最好是x＝0到1及z＝0到1，其中x+z＝1。或者吸收层可以由置于钛矩阵中的含钛合金做成，或由置于含钛合金矩阵中的钛做成。

取决于所用材料的吸收系数，吸收层的物理厚度可为从约3纳米到约50纳米，最好是从约5纳米到约20纳米。每层吸收层可以由相同的或不同的材料做成，可以有相同或不同的物理厚度。

可以通过一个网状镀膜过程来制作对应于颜料片50的许多衍射片，其中各层依此沉积到网状材料上以形成一个薄膜结构。这种薄膜结构接着被弄碎并从网上取下，以形成许多衍射片。

图6还显示了衍射颜料片50的另一种涂层结构(用阴影线画出)，其中，一层或多层的吸收层和介质层在一个密封工序中被涂在反射层52的周围。例如，当用一个密封工序来形成外层吸收层时，吸收层56a和56b形成一个几乎环绕衍射片结构的连续吸收涂层56的一部分。同样地，一个密封工序也可以用来形成下面的介质层，这样介质层54a和54b就形成一个几乎环绕反射层52的连续介质涂层54的一部分。

因此，衍射颜料片50可以体现为一个多层薄膜堆片或一个有一层或多层密封层的多层薄膜密封微粒。

各种涂层工序可以用来制作密封介质和吸收涂层。例如，用来制作介质层的合适理想的方法包括真空蒸汽沉积，溶凝胶水解，在液床中的化学汽相沉积，装满微粒的振动盘中的下游等离子沉积，及电化学沉积。合适的氧化硅(SiO₂)溶凝胶过程在安德斯(Andes)等人所有的美国第5,858,078号专利中有描述，该专利附此作为参考。本发明中有用的合适溶凝胶涂层技术的其它例子在布罗达拉(Brodalla)所有的美国第4,756,771号专利中；金克(Zink)等人于1989年在聚合物材料科技(Polym.Mater.Sci.Eng.，)杂志第61号第204-208页中发表的‘由溶胶-凝胶方法得到的硅酸铝玻璃的光学探头和特性’；和麦可满(McKiernan)等人于1991年在有机聚合物材料(J.Inorg.Organomet.Polym.，)杂志第1期第1号第87-103页中发表的‘由溶胶-凝胶技术得到的硅酸及硅酸铝玻璃中的香豆素染料的发光及激光特性’有说明，这些资料附此作为参考。

用来形成吸收层的合适理想方法包括真空蒸汽沉积，及喷射到一个机械振动微粒床，如在题为<生成加强的干涉颜料片的方法和器具>的美国第6,241,858B1号专利中所述，该专利附此作为参考。或者，吸收层可以通过有机金属成分的高温分解或相关的化学汽相沉积工序进行沉积，该工序可以在液床中进行，如史密德(Schmid)等人所有的美国第5,364,467和5,763,086号专利中所述，这些专利附此作为参考。如果不需要进一步碎磨，这些方法会形成由介质和吸收材料包围的一个密封核心颜料片。在带有多层密封涂层的颜料片的制作中，可以用上述涂层工序的各种混合。合适的吸收材料可以用作一个单一的材料或如果需要，一种包围下面各种不同的吸收材料的外包层围来使用。

在本发明的另一个实施例中，可以提供包括一个薄膜堆结构的非对称衍射片，该结构具有与图6所示的衍射片50的反射层52的一面上的各层相同的层。因此，非对称衍射片包括，如一个反射层，上覆反射层的一个介质层，和上覆介质层的一个吸收层。这些层的每一层可以由相同的材料做成，及有相同的厚度，如上述衍射片50上对应层。另外，非对称衍射片可以通过一个网状涂层工序做成，其中，各层依此被沉积在一个网状材料上以形成一个薄膜结构，各层接着被弄碎，并从网上取下，以形成许多衍射片。

非对称衍射片可以散入一个颜料介质中以生成一种比只含有对称衍射片如颜料片50的一种衍射成分更亮的衍射成分。这是由于在衍射成分中的一些非对称颜料片的反射层面向朝外，在成分中提供了一些光反射。另外，对称和非对称衍射片可以以不同的数量一起散入一个颜料介质中，以生成带有一定亮度的衍射成分。

图7是根据本发明的另一个实施例的一个衍射颜料片60。颜料片60包括在相对主表面上有第一和第二反射层64a和64b的一个中心介质支持层62。通过将介质层插在反射层之间，颜料片60的稳定性和强度得到大大的加强，并增加了硬度。

反射层64a和64b可以由前面所述的任何反射材料做成，其厚度范围与前述的反射层32相同。颜料片60在至少一个表面上有一个衍射结构66。衍射结构66的光栅频率和深度可以根据前述方法决定和制作。

与颜料片60对应的许多衍射片可以通过一个网状涂层工序做成，其中，各层依此被沉积在一个网状材料上以形成一个薄膜结构。该薄膜结构接着被弄碎，并从网上取下，以形成许多衍射片。

颜料片60本身可以用作一个颜料片或一个带有一层或多层附加层68a，68b的反射核心部分。例如，可以将附加介质层加到反射层64a和64b上。这些附加介质层可以增加颜料片60的持久性、硬度和对外界环境的抵制能力。

附加层68a，68b也可以包括如颜料片50中所述的那些介质层，这些层足够薄能够避免将干扰颜色传到衍射片上，及如颜料片50中所述的那些吸收层。如前面所述，这种涂层结构生成一种低亮度的背景，在这背景下可以用肉眼观察到一个衍射光学效果。

附加层68a，68b可以作为网状涂层工序的一部分做成，其中各层依此被沉积在一个网状材料上，释放后形成一个薄膜堆片结构。或者，一层或多层附加层68a，68b，如介质层和吸收层，可以在一个密封工序中作为一个几乎环绕衍射片结构的连续涂层68的一部分做成。

用作支持层62的介质材料最好是无机的，因为已经发现无机介质材料具有好的易碎和硬性。可以使用的各种介质材料包括金属氟化物，金属氧化物，金属硫化物，金属氮化物，金属碳化物，和它们的混合物，等等。介质材料可以是晶体状，非晶体状或半晶体状。这些材料很容易买到并很容易用于物理或化学汽相沉积工序或其它湿化学工序如溶凝胶涂层。

适合支持层62的介质材料的非限定例包括氟化镁，一氧化硅，二氧化硅，氧化铝，二氧化钛，氧化钨，氮化铝，氮化硼，碳化硼，碳化钨，碳化钛，氮化钛，氮化硅，氟化锌，玻璃片，钻石碳，及它们的混合物，等等。或者，支持层62可以由一个事先做好的具有一个高纵横比的介质或陶瓷预备片材料做成，如由玻璃，氧化铝，二氧化硅，碳，云母状氧化铁，镀膜的云母，氮化硼，碳化硼，石墨，氯氧化铋，及它们的各种混合物等等形成的合成薄片。

在另一个实施例中，不使用介质支持层，可以将各种具有一个足够拉压力比的半导体和导体材料作为一个支持层。这些材料例如包括硅，硅化金属，由任何第III，IV，或V族成分组成的半导体化合物，陶瓷复合物或化合物，半导体玻璃，它们的各种混合物，等等。不过，值得一提的是，能提供这里所述的机能，并能起到与玻璃同等特性的结实层的任何支持材料都可以替代这些材料。

支持层62的厚度可以从约10纳米到约1,000纳米，最好是从约50纳米到约200纳米，虽然这些厚度范围并不能作为限制范围。

或者，衍射片60可以做成一个密封的微粒，如图7中的阴影线所示。微粒可以是一个两层设计，其中一层反射层64几乎环绕和密封支持层62。密封的微粒本身可以用作一个颜料微粒，或可以用作一个带有一层或多层附加涂层68的衍射核心层。例如，可以在反射层64上添加一层将其环绕的外层介质层。该外介质层增加了密封微粒的持久性、硬度以及抵制外部环境的能力。附加层68也可以包括如前面所述的衍射片50中的介质层，和吸收层。如前面所述，这种涂层结构生成一种低亮度的背景，在这种背景下可以用肉眼观察到一种衍射效果。

前述实施例的各种修改或组合也在本发明的范围以内。例如，在做衍射片之前，可以在上述每个衍射片的周围，或在一个复合反射薄膜上形成附加介质层，吸收层和/或其它光学涂层，以生成所需的光学特性。这些附加镀膜可以为颜料片提供加强的光学效果。

本发明的衍射片的厚度最好是小于约3微米，更为理想的是小于约2微米。对于长度和宽度，由于用来形成衍射片的碎裂工序，每个衍射片都有一个不同的大小。不过，衍射片的大小，宽度和长度的中数，最好是从约5微米到约200微米，更好是从约5微米到约100微米，最理想的是从约16微米到约22微米。

因为由本发明的颜料片生成的衍射效果完全是几何的，衍射颜色与生成衍射片的背景颜色的物理-化学因素无关。背景颜色是由独特的因素生成，如由萤光，磷光等等电子的激发转换。另外，背景颜色可以由分子轨道之间的转换而形成，如在大多数染料中，或由材料如金属，半导体，颜色中心等等的能级间转换。

衍射效果的可见程度随着光栅频率而变化。例如，具有500线/毫米频率的颜料片涂料失去可见的衍射效果，而具有更高频率如1400或2000线/毫米的颜料片会加强衍射效果。事实上，由多层光学堆得到的衍射片上可以获得高达约3000线/毫米的光栅微型结构频率。由衍射片产生的光学效果可以根据衍射片的几何微结构进行调节。

衍射成分

本发明的衍射颜料片可以散入一个颜料介质以生成一个衍射成分如墨水，涂料等等，这些成分可以广泛地应用于各种物体或纸张上。颜料片也可以散入到如塑料材料的介质中，塑料材料可以被模制或挤压以形成一个具有衍射效果的物体。颜料片还可以散入如化妆成分或汽车涂料中等介质中。

加入一个颜料介质中的衍射颜料片通过入射到固体介质表面的辐射会生成一种预定的光学响应。颜料介质最好包括一种可以通过加热工序如热交叉连接，热固化，或热溶蒸发，或通过光化学交叉连接烘干或硬化的树脂或树脂混合物。有用的颜料介质包括各种聚合成分或有机粘剂如醇酸树脂，聚酯，丙烯酸脂，聚亚安酯，乙烯橡胶，环氧树脂类，苯乙烯，等等。这些树脂的合适例包括丙烯酸三聚氰胺，丙烯酸脂如甲基丙烯酸甲酯，丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)树脂，和含有醇酸树脂的墨水和涂料，以及它们的各种混合物。与颜料介质混合在一起的颜料片生成一种可以直接用作涂料，墨水或可模制塑料材料的衍射成分。衍射成分也可以用作传统涂料，墨水或塑料材料的一种添加剂。

颜料介质最好还包括一种树脂溶剂。通常，一种有机溶剂或水可以用作溶剂。在介质中也可用一种挥发性溶剂。最好是采用既容易挥发又容易稀释的溶剂，如稀释剂作为挥发性溶剂。尤其是，可以通过增加具有低沸点成分，如甲基乙荃酮(MEK)的溶剂量来获得快干的颜料介质。

另外，本发明的衍射片可以有选择地与各种添加材料，如传统的非衍射颜料片，微粒，或不同色度，色彩和亮度的染料混合在一起以获得所需的颜色效果。例如，衍射片可以与其它传统的干涉类型或非干涉类型的颜料混合，以生成其它颜色范围。这种事先混合好的成分可以散入一种聚合介质如涂料，墨水，塑料或其它聚合颜料介质，以用于传统的方法中。

可以与本发明的衍射片混合的合适添加剂材料例包括生成独特颜色效果的非变色高色度或高反射微粒，如氟化镁/铝/氟化镁(MgF₂/Al/MgF₂)微粒，或二氧化硅/铝/二氧化硅(SiO₂/Al/SiO₂)微粒。其它可以与衍射片混合的适合添加剂包括薄层颜料片如多层变色颜料片，铝片，石墨片，玻璃片，氧化铁，氮化硼，云母片，基于干涉涂有氧化钛(TiO₂)的云母片，基于多层膜片状硅基座的干涉颜料片，金属介质或全介质干涉片，等等；及非薄层颜料片如铝粉，碳黑，深蓝，含钴颜料，有机颜料或染料，基于金红石或尖晶石的无机颜料，天然颜料，无机颜料如二氧化钛，滑石，瓷士，等等，和它们的各种混合物。例如，可以加入如铝粉或碳黑的颜料以控制亮度和其它颜色特性。

本发明的消色差衍射颜料片也可以与其它衍射片，如于2001年7月31日申请的美国第09/919,346号专利申请中所述的高反射消色差衍射片混合在一起，该发明附此作为参考。本发明的消色差颜料片也可以与各种有色衍射颜料片混合在一起。这些可以与本发明的衍射片混合在一起的有色或高反射消色差附加衍射片可以有一个对称或非对称的衍射结构。

本发明的颜料片可以很容易，很经济地用于涂料和墨水中，这些涂料和墨水可以用到各种物体和纸张上，如机动车辆，货币和安全文件，家用电器，建筑结构，地板，织物，运动物品，电子包装/外壳，产品包装，饮料罐，等等。衍射片还可以用于制作有色的塑料材料，镀膜成分，挤压零件，静电镀膜，玻璃，和陶瓷材料。

衍射颜料片可以有一个预选的大小，并装入颜料介质中以生成一种适用于印刷工序的墨水，如凹雕，平版印刷，丝网，影印，刀刮，和湿涂覆。衍射颜料片也适合散入传统的涂料介质或树脂，如那些与传统涂料方法相容的衍射片，特别是用于机动车辆涂料，或其它需要一个基座，中间，顶部涂层的结构，等等。衍射颜料片还适用于化妆品成分，叠压薄膜等装饰应用中。

根据本发明的一种镀膜的物体包括一个带有一个表面和上覆该表面的至少一部分的衍射涂层的物体。涂层由包括前述的颜料介质和散入颜料介质的许多衍射颜料片的一种衍射成分组成。镀膜的物体还可以包括一个基础涂层，它可以包括一个预涂层，一层主涂层和/或一个密封涂层，并在涂衍射涂层之前涂在物体上。一层透明的顶部涂层如一层透明涂层可以涂在衍射涂层上。这种涂层结构通常在给机动车辆如汽车涂料时生成。这种涂层结构的其它详细细节在菲利普等人所有的美国第5,571,624号专利中有说明，该专利附此作参考。

或者，涂层的物体还包括一种在衍射涂层下的非衍射涂层，或部分上覆衍射涂层的一个非衍射涂层，因而在物体上形成一种衍射模式。这种涂层结构如图8A和8B所示，该图显示一种多层膜应用，其中涂层之一带有根据本发明的衍射片，其它涂层有非衍射片。例如，图8A所示的是一个包括一个带有衍射涂层104的一个表面部分102的被涂覆制品100。一个非衍射涂层106部分上覆衍射涂层104，因此生成一种在衍射涂层104的外露表面的衍射模式。图8B所示的是一个带有相反涂层结构的涂层物110，其中一个衍射涂层104上覆一个非衍射涂层106。

在另一个实施例中，涂层的物体可以由一个带有衍射片的单个涂层组成。或者，非衍射片也可散入带有衍射片的涂层。例如，图9所示的是一种包括一个带有一个涂层124的表面部分122的涂层物120。涂层124包括被散入颜料介质的许多衍射片126和附加性的非衍射片128。或者，根据某一特定应用的需要，可以将一层透明顶部涂层130涂在涂层124上面，在涂涂层124之前，可以将一个基础涂层132涂在表面部分122上。

带有一个衍射颜料镀膜或染色剂的印刷或不规则形状的物体有一个连续的全息或衍射光栅的外观，这样物体的一个区域内的主色是照明光源和观察者共同作用的结果。涂在一个物体上的本发明的衍射成分也生成一种几乎连续的虹彩衍射效果。当涂在一个曲面物体上时，这些成分还生成一个在散射和反射或方向性照射下可以观察到的几乎均匀和连续的颜色范围。

消色差衍射颜料片在安全文件上适合提供额外的防伪和防复印特性以及在高价值和/或关键零件和原料上提供鉴定特性。例如，颜料片可以用来形成一种光学安全器件，包括一个第一区域，一个第二区域和在第一或第二区域的至少一个上的颜料片组。颜料片有一个包括一系列几乎等间距的线性特征的衍射结构，这些特征减弱零级衍射光束，并足够增加第一或更高级衍射光束，使安全器件的外观由第一或更高级反射引起的光散射主宰。

衍射箔

现在回到图10，该图所示的是一个消色差衍射箔200的涂层结构。衍射箔200做在一个基座202上，它可以是任何合适材料，如一种柔软季戊四醇(PET)网，载体基座，或其它塑料材料，一个衍射结构形成在基座202上，如衍射光栅模式或全息图模式。基座202的合适厚度如为约千分之0.5英寸到约千分之7英寸。

衍射箔200包括一个上覆基座202的反射层204，一个上覆反射层204的介质层206，和一个上覆介质层206的吸收层208。衍射箔200的反射层、介质层和吸收层可以由与上述衍射片30和50的相应层相同的材料组成并有相同的厚度。例如，介质层206的光学厚度在一个选定的设计波长下可以为约2QWOT或更少，在选定的设计波长下，如450纳米或更小的波长时最好是约1QWOT或更少。衍射箔200在消色差背景，如一个暗的低亮度背景下显示一种虹彩的衍射效果。

衍射箔200可以通过一个网状涂层工序做成，其中各层如上所述被依次沉积在一个带有一个衍射结构的网上。各层可以通过用传统的化学汽相沉积或物理CVD或PVD汽相沉积技术沉积到网上的衍射结构上以形成一种薄膜箔，其中衍射结构被复制到箔的各层上。衍射箔200可以做在一个载体基座上，它可以是一个不带释放层的网。另外，箔200也可以做在网的一个释放层上，这样，箔可以随后被取下并粘附到一个物体的一个表面上。

例如，图11是做在一个网222上的衍射箔200，该网有一个带有附加释放层224的衍射结构。反射层204沉积在附加释放层224上，接着沉积介质层206和吸收层208。如果不用释放层，箔200可以粘附到作为一个载体的网222上。如果使用释放层，箔200可以通过一个附加粘接层232，如一种透明粘剂或紫外线固化粘剂粘压到一个透明基座(没有图示)上。在粘压之前，粘接层232可以做在吸收层208和/或透明基座上。

图12是另一个实施例，其中一个带有与箔200相同的薄膜层的消色差衍射箔240，被做在一个带有一个衍射结构和一层附加释放层224的网222上。做箔240时，一层吸收层208沉积在一个网222上，接着沉积一个介质层206和一个反射层204。当不使用释放层时，箔240可以粘接到一个最好是透明的作为载体的网222上。当使用释放层时，箔240可以通过一个粘接层244如一个热贴粘剂，压力敏感粘剂，永固粘剂等等，粘接到一个基座如一个反面242上。粘接层244可以涂到反射层204和/或反面242上。

当使用热粘时，箔的光学堆的排列使光学表面与释放层相邻。因此，例如，当图12中箔240从网222上取下时，吸收层208光学地在反面242的外表面上。在另一个理想的实施例中，释放层224是一个在吸收层208上的透明硬膜，以保护从网222上取下后的下面各层。有关制作和使用光学堆热粘箔的详细说明可以在美国第5,648,165号，第5,002,312号，第4,930,866号，第4,838,648号，第4,779,898号，和第4,705,300号专利中找到，这些专利附此作为参考。

其它衍射片和箔的实施例

在图13所示的根据本发明的另一个实施例中，用一个干涉涂层结构在衍射片250中生成了一种暗色可见外观。衍射片250有一个基本对称的在反射层252的相对面上有涂层的多层薄膜结构。如图所示，第一和第二介质层254a，254b分别上覆反射层的相对面，第一和第二吸收层256a，256b分别上覆第一和第二介质层254a，254b。还有第三和第四介质层257a，257b分别上覆第一和第二吸收层256a，256b。最后，第三和第四吸收层258a，258b分别上覆第三和第四介质层257a，257b。一个衍射光栅结构259被复制在衍射片250的所有层中。衍射光栅结构259的光栅频率和深度可以根据上述方法来决定并制作。

相应于颜料片250的许多衍射片可以通过一个网涂层工序做成，其中各层依次被沉积在一个带有一个衍射结构的网状材料上以形成一种薄膜结构。该薄膜结构随后被弄碎并从网上取下，以形成许多衍射片。

图13还显示了衍射颜料片250的另一个涂层结构(用虚线表示)，其中一层或多层的吸收层和介质层在一个密封工序中涂在反射层252周围。例如，当用一个密封工序来形成外层吸收层时，吸收层258a和258b被作成几乎环绕衍射片结构的一个连续吸收涂层258的一部分。同样，一个密封工序也可以用来形成下面的介质层，使介质层257a和257b被作成几乎环绕下面各层的一个连续介质涂层257的一部分。一个密封工序还可以用来形成下面的吸收层256a和256b，作为一个连续吸收涂层256的一部分，及形成下面的介质层254a和254b，作为一个连续介质涂层254的一部分。

这样，衍射颜料片250可以体现为一个多层薄膜堆片或带有一层或多层密封层的一个多层薄膜密封微粒。

在某些情况下，增加如图13所示的附加外介质层260a和260b是有优势的，它可以上覆外吸收层258a，258b。当吸收涂层258在一个密封工序中做成时，介质层260a和260b可以作成几乎环绕下面各层的一个连续外介质涂层260的一部分。这些外介质层可以用来防止下面的衍射片或箔暴露在环境中。

在另一个实施例中，可以提供包括一个带有与图13中所示的衍射片250的反射层252的一边的各层相同的薄膜堆结构的非对称衍射片。因此，非对称衍射片包括例如，一层反射层，反射层上的第一介质层，第一介质层上的第一吸收层，第一吸收层上的第二介质层，第二介质层上的第二吸收层，和第二吸收层上的一个附加外介质层。

在衍射片250的另一个实施例中所述的非对称干涉结构也可以用来形成如图14所示的衍射箔262。这样，衍射箔262包括一层做在一个附加可取基座263上的反射层264，反射层264上的一个第一介质层266，第一介质层266上的一个第一吸收层268，第一吸收层268上的一个第二介质层270，第二介质层270上的一个第二吸收层272。一个衍射光栅结构274被复制在箔的所有层中。可以在第二吸收层272上做一个附加光学外介质层276以保护下面的箔结构。

图13和14中所示的实施例的各介质层可以用折射率从约1.2到约4.5的材料做成。为了使衍射片或箔器件生成一种衍射且暗的可见外观，介质层的光学厚度通常在选择的设计波长下如约500纳米或更少时为约2QWOT或更少。根据折射率，介质层的物理厚度为从约15纳米到约200纳米，最好是从约20纳米到约150纳米。每层介质层可以由相同的材料或不同的材料做成，并可以有相同或不同的光学或物理厚度。

图13和14的实施例中的吸收层由在可见光谱的大部分中吸收的材料做成。合适的材料例包括金属，金属氧化物和其它上述的吸收材料。根据材料的吸收率，吸收层的物理厚度可以从约2纳米到约50纳米，最好是从约4纳米到约15纳米。每层吸收层可以同相同或不同的材料做成，并可有相同或不同的物理厚度。

图13和14的实施例中的反射层，介质层，和吸收层可以用与上述衍射片30和50中的相对应层相同或相似的材料做成。

根据本发明的另一实施例中，用一个三层干涉结构与一个衍射表面结构结合生成了一种可见的暗衍射外观。如图15所示，以器件280形式存在的这种三层衍射干涉结构有一个带有第一和第二相对表面的一个中心介质层282的对称涂层结构。在介质层282的第一表面上是一个半透明半反射层284a。介质层282的第二表面上是另一个半透明半反射层284b。一个衍射光栅结构286被复制在器件280的所有各层中。衍射光栅结构286的光栅频率和深度可以如上述那样确定并制作。

器件280的三层一起作为一个干涉滤波器。当光通过层284a进入器件时，层284b起反射层的作用，而284a则作为吸收层。相反，当光通过层284b进入器件时，层284a起反射层的作用，而284b则作为吸收层。由于可见波长的破坏性干涉，不管从哪面观察，器件280都呈现暗色。

器件280中的介质层282可以由各种介质材料做成，如前述的衍射片250的介质层材料。一种理想的介质材料是氟化镁。器件280中的介质层282足够薄以避免将干涉颜色和变色特性传入衍射片。因此，介质层282的光学厚度从在约200纳米时的约1QWOT到约500纳米时的约2QWOT，最好是从在约300纳米时的1QWOT到约700纳米时的1QWOT。

器件280的半透明半反射层284a和284b可以由具有所需反射、吸收和透射特性的任何吸收材料组成，包括，在电磁光谱的可见部分中具有均匀吸收或非均匀吸收的材料。因此，选择性吸收材料和非选择性吸收材料都可以使用。例如，吸收材料可以是一种非选择性吸收的金属材料，如铬，其沉积厚度使该层至少部分吸收或半不透明。

器件280可以用在一个载体网上并用作箔。或者，可以通过一个网状镀膜工序做成相对应器件280的许多衍射片，其中各层依次沉积在一个网状材料上以形成一个薄膜结构。该薄膜结构接着被弄碎并从网上取下以形成许多衍射片。

在另一个涂层结构中，可以在一个密封工序中形成器件280，以生成密封片微粒。例如，可以用一个密封工序，使半透明半反射层284a和284b成为几乎环绕介质层的一个连续半透明半反射层的一部分。

根据本发明的另一个实施例，可以用一个五层干涉结构与一个衍射表面结构结合生成一个暗的可见外观。如图16所示，以器件290形式的这种五层干涉结构有一个具有带有第一和第二相对表面的一个中间介质层292的对称涂层结构。上覆介质层292的第一表面的是一个第一半透明/半反射层294a。上覆介质层292第二表面的是一个第二半透明/半反射层294b。一个第一外介质层296a在第一半透明/半反射层294a上，而一个第二外介质层296b在第二半透明/半反射层294b上。衍射光栅结构297被复制在器件290的各层中。衍射光栅结构297的光栅频率和深度可以如前述的方法确定和做成。

器件290的介质层可以由与如前述的衍射片250的相应各层一样的各种介质材料做成。器件290中的介质层292足够薄以避免生成干涉颜色和变色特性。因此，介质层292的光学厚度从在200纳米时的约1QWOT到500纳米时的约2QWOT，最好是从在300纳米时的1QWOT到700纳米时的1QWOT。

外介质层296a和296b可以有一个广泛的物理厚度范围，如从约10纳米到约500纳米，最好是从约50纳米到约250纳米。外介质层296a和296b可以用来保护下面的结构免于暴露于环境下。当外介质层296a和296b的光学厚度与介质层292的光学厚度几乎相同时，外介质层加强结构内的干涉效果。

器件290的半透明/半反射层294a和294b可以由任何具有所需反射、吸收和透射特性的吸收材料做成，包括在电磁光谱的可见部分中具有均匀吸收或非均匀吸收的材料。因此，如上述器件280中所述，选择性吸收材料和非选择性吸收材料都可以使用。

器件290可以用在一个载体网上并用作箔。或者，可以通过一个网状涂层工序做成相对应器件290的许多衍射片，其中各层依次沉积在一个网状材料上以形成一个薄膜结构。该薄膜结构接着被弄碎并从网上取下以形成许多衍射片。

在另一个涂层结构中，可以在一个密封工序中形成器件290，以生成密封片微粒。例如，外介质层296a和296b可以做成几乎环绕下面各层的一个连续外介质层的一部分。另外，可以用一个密封工序，使半透明半反射层294a和294b成为几乎环绕介质层292的一个连续半透明半反射层的一部分。

下列范例用来说明本发明，而不是用来限制本发明的范围。

范例

为了量化一个特定物体的颜色特性，采用由CIE(CommissionInternationale de l′Eclairage)开发的L^＊a^＊b^＊颜色坐标系统(CIE1976)是很有效的，它现在被用作行业标准以准确地描述颜色值。在该系统中，L^＊表示亮度，a^＊和b^＊表示色品坐标。L^＊a^＊b^＊颜色系统被用来生成下面一些例子中的各种a^＊b^＊图表，表示一个特定衍射片的颜色轨迹和色品。在下面的一些例子中，颜色特性也包括表示颜色纯度的色度(C^＊)，和表示随着角度变化的颜色变动的色调(h)。

L^＊a^＊b^＊颜色系统可以通过用参数ΔE_ab对两种测量的颜色差别进行比较，表示在L^＊a^＊b^＊颜色范围内所测得的颜色变化，例如两种不同衍射片之间的颜色不同差别。ΔE_ab的数值通过测得的L^＊a^＊b^＊的值，用下面的公式计算得到：

ΔE_ab＝[(ΔL^＊)²+(Δa^＊)²+(Δb^＊)²]^1/2

其中符号Δ表示所测到的数值差。

在以下例子中所述的拉内塔压降(Laneta drawdowns)用一个村上角度光谱仪(Murakami goniospectrophotometer)来分析得到的。压降(drawdown)指的是滴在纸上的一滴涂料或墨水试样以对颜色进行评估。一般来说，压降是用油灰刀或压舌板的边缘将一球形的涂料或墨水压平以取得涂料或墨水的一层薄膜。或者，通过梅杰(Mayer)滚筒压过拉内塔卡和一球形涂料得到。村上(Murakami)器件在一个选定的结构中对一个固定的照明位置(45°)和可变的观察角度(-80°到80°)提供有关试样在L^＊a^＊b^＊颜色范围内的亮度(L^＊)和a^＊，b^＊的色品坐标信息。

例1到7

衍射光栅相对于入射功率的功率大小随着光栅类型和光栅深度的变化而变化。因此，光栅可以对某个特定的波长优化。对于任何波长在各个衍射序列中的光谱分布可以通过前述方程1得到。

用传统的光学软件模拟了频率从500线/毫米到3000线/毫米的各种衍射光栅(例1到7中)以得到最佳的光栅结构。图17到22是模拟结果，表示图1到7的各种衍射光栅中衍射角与波长之间的关系。特别是，图17-22表示在法线和45度入射角处各种可见波长(400纳米紫色到700纳米红色)的衍射角度。表1列出了具体例子编号与相对应的光栅结构。

表1

例子	图示	光栅结构
			1	17	500线/毫米光栅
2	18	1000线/毫米光栅
			3	19	1400线/毫米光栅
4	20	2000线/毫米光栅
			5	21	2400线/毫米光栅
6	22	2500线/毫米光栅
			7	22	3000线/毫米光栅

如图17所示，对于500线/毫米的光栅(例1)，第二和第三级光谱在法线和45度入射时都重叠。如图18所示，在1000线/毫米的光栅(例2)中，第一和第二级在法线和45度入射时出现重叠。如图19到22所示，在频率等于或高于1400线/毫米的光栅(例3到7)中，不出现重叠。

例8

用传统的光学软件模拟了一个频率为1400线/毫米的涂铝正弦衍射光栅。图23和24的曲线表示波长为400，550和700纳米的光在法线和60度入射时各种槽深度的光栅的理论效率(反射百分比)。模拟的结果表明，接近约160纳米的槽深是获得最小零级和最大第一级分布的一个较好的折衷办法，因此，加强了光栅的衍射效果。

采用相同的标准，对于一个2000线/毫米的光栅，其最佳槽深为约220纳米，而对3000线/毫米的光栅，其最佳槽深为约116纳米。

例9和10

用传统的光学软件模拟了一个频率为1000线/毫米的涂铝正弦衍射光栅(例9)和一个频率为1000线/毫米的涂铝方形衍射光栅(例10)。例10的光栅是对称，光栅顶部的长度与光栅间隔之间的比为0.5。图25和26的曲线为在各种槽深和在550纳米的准法线入射时例9和10中的光栅的理论功率。

模拟的结果表明，对于频率为1000线/毫米的方形光栅，在槽深为约150纳米时得到最大序列数，该深度与最小的零级对应。在相同的频率下，正弦光栅在槽深为约200纳米时，第一级功率最大，零级功率最小。不过，与方形结构不同，正弦光栅中的随后序列不具有相同的模式。但是，与正弦光栅相比，方形结构并不具有很大的优势。在实际应用中，任何这些优势将会变得更不重要，将方形堆箔剥落会比剥落正弦堆箔更难，对于更高的光栅频率，不再存在第二序列。

例11

图27到31是用扫描电子显微镜对根据本发明的各种衍射片拍的照片。特别是，图27所示的衍射片带有频率为1400线/毫米的线性光栅，图28所示的衍射片带有频率为1400线/毫米的十字光栅，及图29所示的衍射片带有频率为2000线/毫米的线性光栅。图30和31是带有一个频率为3000线/毫米的线性光栅的衍射片的照片。图30和31证实了即使是高频率光栅，光栅模式可以转到用来制作光栅衍射片的薄膜堆上。在所有情况下获得的微型结构非常均匀，说明光栅基座具有很好的复制特性。

例12

图32是一个横截面透射电子显微图，表明一个从光栅基座上分离出来的衍射颜料微粒的涂层微型结构。特别是，显微图显示一个用来形成一个包括一个介质层306和一个反射层308的多层涂层结构的频率为2000线/毫米的光栅302。分离区304在光栅302和介质层306之间。介质层306是一个在550纳米时为7QWOT的硫化锌(ZnS)层，反射层308是一个80纳米的铝层。硫化锌层的物理厚度为约410纳米，因而提供了一个物理涂层厚度为约490纳米的薄膜堆。显微图表明涂层与光栅302的轮廓相似，因此可以保持非涂层光栅的衍射光学效果。

例13

通过将下面薄膜层沉积在一个线性衍射光栅聚合网状基座上得到一个衍射箔产品：

铬(Cr)/在330纳米时为1QWOT的氟化镁(MgF₂)/铝(Al)/基座

铬层的厚度为8纳米，铝层的厚度为80纳米。当箔被弯曲或重新定向时，衍射箔产品在所有角度下都有一个黑色背景并具有一种彩虹样的衍射效果。

例14

将下面薄膜层沉积在上覆有一个50纳米的冰晶石(Na₃AlF₆)释放层的一个线性衍射光栅聚合网状基座上，做成了一个消色差的暗色衍射颜料：

铬/在330纳米时为1QWOT的氟化镁/铝/在330纳米时为1QWOT的氟化镁/铬

例15

将下列薄膜层沉积在一个上覆有一个60纳米的氯化钠(NaCl)释放层的2000线/毫米光栅箔上，就做成了一个消色差暗色衍射片：

铬/在330纳米时为1QWOT的氟化镁/铝/在550纳米时为2QWOT的氟化镁/铝/在330纳米时为1QWOT的氟化镁/铬

铬层的厚度为8纳米，铝层的厚度为80纳米。

光栅箔和沉积的各层放在水中，使氯化钠层溶解，因而将薄膜堆转化为衍射片。随后，衍射片被加入一种涂料中并：1)涂在一个拉内塔卡上压降；2)喷到一个带有或没有外层涂层的一个涂料板上；3)在喷到一个带有或没有外层涂层的第二涂料板上之前超声粉碎。尽管衍射片在纸面上的旋转取向是随机，这三种样品都显示衍射基座具有彩虹般的效果。用未磨碎的衍射片做的涂料板比超声磨碎的颜料涂层板提供更明显的衍射效果。颜料背景的低亮度(L^＊)加强了衍射效果的可见性。涂料介质中的一些衍射颜料片也喷到了具有不同形状的物体上以显示它们的装饰效果。

在不考虑由衍射生成的颜色或用散射光观察时，例15的颜料片的涂层设计生成了一种暗灰色的颜料片背景。

例16到19

将下列薄膜层设计沉积到一个上覆有一个释放层的线性光栅箔上就形成了各种消色差的暗衍射颜料片：

在550纳米为1QWOT的氟化镁/8纳米铬/在330纳米为1QWOT的氟化镁/160纳米铝/在330纳米为1QWOT的氟化镁/8纳米铬/在550纳米为1QWOT的氟化镁      (例16)

在480纳米为1QWOT的氟化镁/5纳米铬/在360纳米为1QWOT的氟化镁/80纳米铬/在360纳米为1QWOT的氟化镁/5纳米铬/在480纳米为1QWOT的氟化镁      (例17)

在500纳米为3QWOT的氟化镁/13纳米铬/在500纳米为3QWOT的氟化镁                      (例18)

在500纳米为4QWOT的氟化镁/100纳米铬/在500纳米为4QWOT的氟化镁(例19)

在例16到19中，每个光栅箔和沉积层被放在水中，以溶解释放层，因此将薄膜堆变成衍射片。随后，将这些衍射片加到一个涂料介质中，并涂在拉内塔卡上压降。

表2所示是例16到19的颜料压降生成的颜色数据，及例15的颜色数据作为比较，包括测得的L^＊，a^＊，b^＊，C^＊和h值。

表2

例子	L<sup>＊</sup>	a<sup>＊</sup>	b<sup>＊</sup>	C<sup>＊</sup>	H
						16	29.02	2.79	-3.58	4.54	307.98
19	44.39	0.93	-3.58	3.7	284.54
						18	36.49	0.07	-5.77	5.77	270.73
17	27.26	2.45	1.32	2.78	28.3
						15	43.64	-1.29	-4.16	4.35	252.76

图33的曲线为实测的例15到19的颜料压降在a^＊b^＊颜色范围内的颜色变化。图33的曲线表示除了颜料的暗背景之外还观察到彩虹般的衍射效果。图34的曲线是例15到19的颜料的亮度(L^＊)与观察角度之间的关系。

图35的曲线表示例15到19的颜料的反射与波长之间的关系。表2中所示的颜色数据和图35所示的反射曲线是用一个分光计在8度散射集成球获得的。表2中的颜色数据表明低亮度和色度，及a^＊和b^＊值接近零，还表明颜料压降样品没有呈现一种主色。图35的曲线还表示颜料压降样品是低亮度(反射)的，更说明了颜料压降样品没有呈现一种主色。

本发明还可以体现于其它具体形式中，而不偏离本发明的精神或本质特性。所描述的实施例从各方面只能作为对本发明的说明，而不是限制。因此，本发明的范围由下附权利要求，而不是由上述的说明决定。在权利要求书的等同精神和范围内的所有变化都包括在本发明之内。

Claims (19)

1. 一种消色差衍射颜料片或箔，包括具有反射层的衍射结构，所述衍射结构的特征在于在散射条件下的平均背景反射率在可见光谱中少于30％。

2. 根据权利要求1所述的颜料片或箔，其中衍射结构是一个具有每毫米超过1100条的衍射光栅模式，所述可见光谱的范围从400纳米到700纳米。

3. 根据权利要求1或2所述的颜料片或箔，其中衍射结构能够生成第一和第二阶衍射光束的一个方向夹角，使第一和第二阶衍射光束不存在从400纳米到800纳米波长下的角度重叠。

4. 根据权利要求1或2所述的颜料片或箔，其中反射层有一个第一主表面和与其相对的第二主表面，及至少一个侧面；

一个上覆多层结构的第一主表面的第一介质层；及

一层上覆第一介质层的第一吸收层。

5. 根据权利要求4所述的颜料片或箔，包括一层上覆多层结构的第二主表面的第二介质层；及上覆第二介质层的一个第二吸收层。

6. 根据权利1所述的颜料片或箔，其反射率从平均值的偏差在从400纳米到700纳米下小于5％。

7. 根据权利要求1所述的消色差衍射颜料片或箔，其在从400纳米到700纳米之间的反射率相比平均值的偏差小于5％。

8. 根据权利要求5所述的颜料片或箔，其中第一和第二吸收层形成环绕介质层的一个连续吸收层的一部分。

9. 根据权利要求1所述的消色差衍射箔，其中箔在散射光条件下在从400纳米到700纳米的光谱波长范围内的平均背景反射率小于30％，并且其中箔还包括一个淀积有所述反射层或一层吸收层的网状载体，其中网状载体还包括在网状载体和反射层之间或网状载体和吸收层之间的一个释放层。

10. 根据权利9所述的箔，还包括用来将箔叠放到一个基座上的粘接层。

11. 根据权利要求10所述的箔，其中粘接层选自由热贴粘剂，压力敏感粘剂，永固粘剂，透明粘剂和紫外线(UV)固化粘剂。

12. 根据权利要求11所述的箔，其中粘接层在反射层或吸收层上。

13. 根据权利要求5所述的颜料片或箔，还包括：上覆反射层的第二主表面的第三介质层；上覆第三介质层的第三吸收层；上覆第三吸收层的第四介质层；及上覆第四介质层的第四吸收层。

14. 一种消色差衍射颜料成分，包括一种颜料媒介和带有衍射结构并散入颜料媒介的多个颜料片，每个颜料片如上述权利要求4或5中所述。

15. 一种颜料片或箔形式的多层消色差衍射结构，包括：

包括具有反射层的衍射结构，所述反射层的特征在于在散射条件下的平均背景反射率在可见光谱中少于30％；

上覆所述反射层的第一主表面的第一介质层；及

上覆所述反射层的相对的第二主表面的第二介质层。

16. 根据权利要求15所述颜料片或箔，其中第一和第二介质层的光学厚度在400纳米或更小时为四分之二波长光学厚度或更小。

17. 根据权利要求15所述的颜料片或箔，其中第一和第二介质层形成环绕反射层的一个连续介质层的一部分。

18. 一种消色差衍射颜料成分，包括一种颜料媒介和带有衍射结构并散入颜料媒介的许多颜料片，每个颜料片包括如下限定的多层消色差衍射结构的颜料片的多层结构，

该多层消色差衍射结构包括：

包括具有反射层的衍射结构，所述反射层的特征在于在散射条件下的平均背景反射率在可见光谱中少于30％；

上覆所述反射层的第一主表面的第一介质层；及

上覆所述反射层的相对的第二主表面的第二介质层。

19. 根据权利要求1的消色差衍射颜料片，其中反射层是含有铝或铬的中心层，中心层有第一主表面和与其相对的第二主表面，所述颜料片还包括上覆中心层的第一和第二主表面的氟化镁层，每个氟化镁层有一个在450纳米或更小时为四分之一波长光学厚度或更小的光学厚度；上覆各氟化镁层的铬层，及覆盖各铬层并有足够的弹性系数和厚度以使衍射颜料片有足够硬度的外层；其中颜料片上有衍射结构并在消色差背景下显示一种彩虹的衍射效果。

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