CN100419789C - 具有产生似透镜效果的衍射光学结构的薄层配置结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄层配置结构，尤其是对转移薄膜或层压薄膜。所述配置结构包括放在一边界表面两侧上的至少两层叠置的人造树脂薄层，这表面上装有产生衍射光学效果和透镜型效果(1)(4，5，6，7，8)的一种结构。根据本发明，产生衍身光学效果的所述结构具有一特定的实施例。

Description

具有产生似透镜效果的衍射光学结构的薄层配置结构

技术领域

本发明涉及一种薄层配置结构，尤其是转移薄膜或层压薄膜的实现，这些薄膜呈现出至少两层叠置的材料薄层，在使用中，至少这(或这些)面朝观察者的这层材料薄层具有透明或半透明的外观，并在所述至少两层薄层之间形成界面，该界面的至少一个部分中呈现出放大或是非放大的似透镜效果。

背景技术

在这个意义上，转移薄膜尤其包括所谓的凹凸薄膜，它由底层薄膜和转移薄层构成，为了转移到一基底这转移薄层可与底层薄膜分离。通常，这凹凸薄膜的转移薄膜是由诸清漆薄层组成，在本发明中，它意味着术语“材料薄层”主要指清漆薄层，但有时也指粘合薄层。但是，本发明也包括其它实施例，在其中，“材料薄层”是由周围的空气，或金属的，介质的，或半导体的镀层来形成的。层压薄膜的结构基本上与转移薄膜的结构一致，但是除合成树脂薄层或清漆薄层不能与底层薄膜分离，而是可与底层薄膜一起被固定到基底之外。具有这类薄层配置的转移薄膜和层压薄膜，虽然它们也用于装饰的应用中，但特别是用于安全的目的。

在上面提到的类型的薄层配置是广泛知道的并正开始使用，例如，以具有一致的外形的透镜形式，并最近在市场上的信用卡(Amex-B1ue)中用作安全装置。在这些信用卡中，在相当大直径的区域上显示出似透镜的效果，并基本上具有圆形透镜的形式。在由已知薄层配置的衍射光学结构所产生的似透镜的效果中，采用了通过全息照相技术产生的结构，一般，这结构具有正弦的表面外形。由这种全息照相法制作的透镜具有许多缺点，现离开此事实尚遥远即，当涉及具有圆的或最好是椭圆形状的透镜时，化费较小的技术努力进行全息照相制作具有透镜效果的衍射光学结构是可能的。用全息照相法生产透镜的一个缺点是，例如，在外表上看起来它们不是太明亮，且一般来说，它们显得不规则，特别是在中央区域中，因此，透镜应产生的目视效果显著降低。用全息照相产生的透镜的另一个不利方面就是它实际上不可能用任何大的设计自由度来获得某些彩色效果。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种上面提到类型的薄层的配置，这配置没有已知的，用全息照相法产生的具有正弦表面外形的透镜结构所描述的不利方面，即要设计给出在某种程度上似透镜效果的结构，使它们能在合理的时间、用易加工的技术，以非常精确和变化的形式来生产它们，与用全息照相法生产的结构所产生的效果相比，由于似透镜结构产生的效率和亮度效应有很大的改进，并最后在彩色效果的生产中提供比用全息照相法所生产的结构至少有相当更大的灵活性。

根据本发明，通过该建议来设计产生似透镜效果(在下文称为“透镜结构”)的衍射光学结构，使得包括线频率，和在需要时，其它光栅常数的光栅结构在这结构的表面上连续地变化，以形成双结构，或某个相似的结构达到了本目的在这结构中，各光栅凹槽的其中一个壁彼此平行的延伸并与对交界薄层的主平面的垂直面大致上相平行，同时，至少作为取自整个凹槽壁上的平均值，相对于对交界面薄层主平面的垂直面的各光栅凹槽另一壁之角度基本上是连续变化的，光栅深度(a)不大于10μm。

在本描述中的“双结构”被理解为代表一种结构，在这结构中，光栅凹槽和光栅条具有基本上是矩形的横截面，而对透镜效果的产生，光栅常数从透镜的中央到它的边缘应是连续地变化的，但是，一般来说，它指的是凹槽宽度和条宽度这两者将在双光栅中变化。用合适的掩膜是容易产生足够精细的双光栅，它不仅产生更高的精确度，而且还导致更低的制造成本。

光栅结构的其它要求权利的实施例将较佳地用所谓的“直接写入”工艺过程来产生，这种工艺使用激光束或电子束金属版印刷机。当采用这些方法时，要生产非常精确的光栅结构是很容易的，特别是在本文中要求权利的结构，在这结构中，各光栅凹槽的一个壁在与形成透镜的光栅主平面大致垂直方向上延伸，而另一个壁是呈斜面，造成光栅凹槽朝向光栅底层逐渐变小。在这方面，也有可能形成不具有连续外形的斜壁，而是近于一种台阶式配置，且对许多应用来说，分割成4或8个台阶就可以了。但是，在要求高质量的情况下，也有可能提供，好比说，64个台阶。

现作出关于这种光栅的设计参考，为简单起见，在图1中，图(a)示出正常的，折射透镜的横截面，而中间图(b)用图解示出衍射透镜的横截面，该透镜具有一个壁各光栅凹槽与光栅主平面垂直延伸，而对面的壁倾斜地延伸。在图1的附图(c)中，示出所谓的“双结构”，在这结构中，光栅凹槽和光栅条这两者都显示出矩形的横截面，并在图1c)中可看到，光栅条的宽度和光栅凹槽的宽度从透镜的中央到它的边缘变小。示于图1的所有三个透镜形式，基本上对任何特定的波长产生相同的光学效果。但是，关于本发明所建议的衍射透镜结构的特点在于，与折射透镜不一样，它们根据出现的光的波长建立不同的目视印象。然而，仿造示于图1b)和图1c)设计的衍射透镜的高度比在图1a)中图示的对应折射透镜的厚度要小许多倍。通过本方法，在不需处理极端的薄层厚度的情况下，是第一次有可能把透镜结构集成到一种薄层配置上，对所有的实际应用来说，这薄层的厚度认为是不可能的。

当采用根据本发明的透镜结构时，所得到的第一个优点是可达到的效率比用全息照相法制作的透镜可达到的效率高，这优点必然表示出籍助于该透镜所作出的图片，装饰的效果，或安全效果将更为鲜明。与用全息照法产生的结构相比较，另一个优点是根据本发明的透镜结构可用非常高的精确度来产生，从而显著地改善了目视外观。最后的优点是，用本发明的结构，通过适宜地选择光栅参数(线频率，凹槽深度等)，有可能得到特殊的彩效果，或在透镜结构的整个外形上，在某个预定的程度上来控制彩色效应色。而且，在这方面，应该提到透镜结构与产生光学效果的其它元件相结合的可能性，例如用于获得运动效应，摆动，或类似效应的其它类型的衍射结构，或与用于产生特殊彩色效果的薄膜结构，正如好比说，从光学可变的安全装置中一般已知的组合透镜结构的可能性。本发明的透镜结构，与用全息照相法产生的结构作比较，除了它们小的“厚度”的共同性之外，还具有许多优点。

具有根据本发明透镜结构的薄层配置可产生不仅在反射中，而且还在透射中用于观察恰当的特殊光学效果。为使在透视光中观察成为可能，本发明提出邻近交界面薄层的诸薄层应是透明的，并在它们的折射率中，较佳的要显示出至少为0.2的明确的差别。在折射率中的这个差别，不管光经过薄层配置的事实，会使界面的透镜作用产生明确的可视光学效果。在透射中工作的一个特殊的特点是光栅一侧并不需要覆盖，而是可把它暴露于空气。

这交界面至少在它的某个区域上具有一层加强反射率的薄层，一种适合的加强反射率的薄层是一种金属薄层，例如由气相沉积产生的一种薄层，这仍然是在本发明的范围之内。但是，一定想得到的是考虑具有合适的高折射率的透明的加强反射率的薄层，在这情况中可把这薄层配置制成透明到某个程度。也可使用已知薄层组合的薄膜配置或半导体薄层。

在已知的信用卡中，用全息照相法生产的安全装置，它是用常规的薄层配置来制作的，仅包括单一的、圆形透镜结构。另一方面，采用本发明的衍射透镜结构，就有可能在这薄层配置的表面上放置多个透镜结构，通过这方法可获得更多的有趣的效果(用于装饰应用)或者，在该透镜结构是安全装置的一部分时，可得到加强的安全效果。在后者的情况下，可把多个透镜有利地按栅条的方向来配置这样可较容易作出验证。或者可想象，该透镜至少部分是重叠的区域，在这情况中，甚至可能得到窝套结构使得不同的透镜结构将以观察的不同角度出现。

如果按本发明的建议，透镜结构基本上是圆的，采取同心的栅条线形式，则这种透镜结构即透镜结构配置的制作将是特别的容易。

在实践中，如果透镜结构的直径处于0.15和300mm之间，且较佳的是在3和50mm之间，则已证明是有利的。

如果透镜结构的光栅深度小于5μm，且较佳的是小于3μm，则可容易地把这种光栅结构结合进转移薄膜或层压薄膜的、近似地具有这个厚度的清漆薄层中，这也是本发明提供的。

根据本发明，建议该双结构在透镜结构的整个表面上近似地具有相同的深度。这极大地方便制造。双结构深度的选择影响由观察者注视透镜结构所觉察到的彩色。

最后，如果由观察者所见到的透明薄层是不使用颜料来显出彩色，则是有利的。

附图简述

从参考附图对较佳实施例诸示例的下面描述中，对本发明的其它特性，细节，和优点将是显然的，其中：

图1用图解示出，并在横截面中

a)折射透镜，

b)具有近似三角形横截面的光栅凹槽的衍射透镜，以及

c)具有衍射双结构的透镜；

图2是具有本发明的薄层配置和具有本发明的透镜结构的安全装置或装饰元件的图解顶视图；以及

图3是类似于图2的但以较小的比例的呈现，它示出多个透镜结构的栅条方向上的配置。

具体实施方式

在图1的图解横截面视图中，它示出根据本发明的薄层配置包括两层材料薄层1和2，在它们之间形成界面3，例如，它可以是金属化的，而这可通过，好比说，真空金属气相沉积来获得。对某些应用，材料薄层1和2可用空气形成。在图1中透镜的直径沿X-轴用任意单位来标出，因为透镜结构的确实尺寸或直径是无关的。但是，一般来说，透镜结构的直径处于0.5和300mm之间，较佳的是，在3和50mm之间，焦距长度通常是在透镜直径的值和这个值的5倍之间。

在图1的Y-轴上，利用以弧度代表相位差的值，给出材料薄层1，2的厚度即该结构的高度。通过使用一特定光波长(例如，人类眼睛的最大敏感性的550nm)，就可用已知方法从这相位差计算几何深度(包括计算出对应的折射率)。从图1a)与图1b)和1c)的比较中，在1a)中代表的薄层配置的厚度必须大于在1b)中代表的薄层配置的厚度至少大10倍，并比在图1c)的薄层配置的厚度大近似20倍这一点是清楚的。图1b)和1c)的薄层配置可基本上比图1a)的薄层配置较薄，故必须处理由于界面表面3引起的透镜结构的小的总高度9，它覆盖一个高度，对图1b(对在透射中，n＝1.5/n＝1的系统)的计算它仅是约为波长的两倍，并对图1c)的计算，它近似等于该波长。

通常，薄层配置的薄层1和2是合适成分的清漆薄层，具有至少面向观察者的薄层(在现在的情况下，通常是薄层1)基本是透明的，虽然，如果想要，也可对它着色。对某些应用，薄层中的一层可以是粘结薄层，并可省略面对观察者的薄层。

如果把界面表面3金属化或供以一些其它高反射的镀层来形成，则薄层2同样可以是透明的或半透明或不透明的。另一方面，如果根据本发明的薄层配置是用于透射，例如，作为在基底上的现有可视特性的覆盖薄层，则薄层2也必须是透明的。在这场合下，界面表面3将不具有通常是不透明的金属镀膜。而将选择这两层透明薄层1和2，使得它们的折射率不同(折射率之差，较佳的是，至少为0.2)，这样，不管这两层透明薄层的用途，将看到由界面表面3所产生的效果具有充分光学清晰度。

在1b)中代表的透镜结构，通常是由“直接写入工艺”产生的，就是在这种工艺中，它不是采用激光器，通过切割，把这材料制成与所需要的外形符合的形状，就是采用激光器或电子束金属版印刷机，把根据所需要的外形构成图形的光致抗蚀剂曝光，然后通过使该光致抗蚀剂显影来获得所需要的图形或它的负像。这种方法的优点是提供的优点是能产生非常不同的光栅结构，并特别是非常不同的光栅横截面，例如，对于某些所谓衍射光栅的应用。特别值得注意的事实是，就是在倾斜的光栅凹槽壁4和对透镜结构主平面的垂直面S之间形成的α角，正如在图1b)中清楚地看到的，可从透镜中央到边缘连续地变化，特别要考虑这事实是，对垂直面S平行延伸的光栅凹槽壁5，在由界面3的抛物线部段6，和倾斜的光栅凹槽壁4所形成的基本上光滑的透镜外形中，形成准不连续性。

这种透镜结构，还有计算它们的方法，基本上在该文献中描述，故将不在本文作进一步处理。

现已提出，可能采用一种台阶形状配置来替代如在图1b)中所示的在壁4的高度上连续倾斜，在这配置中，形成台阶的表面接近由倾斜壁4提供的光学效果，这种光栅结构是通过采用所谓的直接写入工艺或采用合适的掩膜技术来产生，台阶的数目根据所需要的结果而变化。对许多应用来说，分割成4或8个台阶是足够的。而当需要较高质量时，好比说，也有可能要提供64个台阶，或等于2的较高次幂的数。

在图1c)中代表的双结构是通过采用合适的掩膜来产生的。如图1c)所示的双结构的实质性特性，在于这个事实即，光栅凹槽7和光栅条8这两者的横截面基本上都是矩形的。示于图1c)结构的另一特殊特性是在整个透镜结构上，光栅深度9是一致的，它特别为制造提供了优点，就是它既不需要对除去材料的介质使用不同的激活次数，也不需要处理对经过掩膜以在基底上起作用的介质的不同强度。

图2是示出一种似透镜元件的图解图(实际上，光栅线的间距要小得多)，它是用于示于图1b)一样的透镜结构来产生的，用图2的顶视图，清楚地示出在个别光栅条之间稳定地减小分隔，和从圆透镜的中心向外到它的边缘处稳定地增加的凹槽出现率。另外，在图2的平面图中见到的凹槽壁4的倾斜，是如何平稳地变化的，并以基本上是连续的方式从透镜的中央向外。垂直于透镜主平面的凹槽壁5，在图2中作为黑线是清晰可见的。

图3示出根据本发明如何在薄层配置中设计衍射透镜结构的另一可能性。

在示于图3的应用示例中，例如，它可在装饰的转移薄膜或层压薄膜中实现，在原则上可具有图2的透镜结构的圆形透镜结构，被分布在许多形成栅格图形的区域中的薄膜表面上。要把配置构成使得在外部的凹槽不被截断，正如具有示于图2的某些外部凹槽的情况那样。反之，图3的透镜结构10，基本上全是圆形的。在图3的薄层配置中，在圆形透镜结构之间、由它们的相近位移形成的球体-方形空间是用合适成形的衍射结构11来填满的，这衍射结构，如果需要，也可产生透镜效果，透镜结构10具有例如会聚透镜的效果，而结构11起到发散透镜的作用，通过这方法，准加强了两种透镜类型的光学效果。

通过合适地组合不同的透镜结构，以产生示出复杂光学效果的薄膜配置显然是可能的，而自然也可能设计其它局部限定的衍射结构，它产生完全不同种类的效果，例如，运动效果，摇动，等。用一系列特殊彩色的薄膜，例如OVI，或用半导体薄层，把该透镜结构和/或其它衍射结构组合起来，以便获得特殊的彩色变换的效果，也是想得到的。

当只把界面表面3部分地金属化时，产生薄层配置的特别有意义的实施例。例如，可实现在具有该透镜结构的记录器中的去金属化。

而且，透镜结构显然并不总是必须是圆形的形状，象在附图中一般画出的那些。通过采用衍射透镜结构获得的一个特殊的优点是它们可在其它形式上被叠置起来(所谓自由形式的表面)，以便得到，例如，具有三维外形的结构。而且，例如，把图2的透镜结构分成部件，并把这些部件用不同的方式放在一起，再次获得非常有意义的光学效果，也是想得到的。

说明书小结

提出一种薄层配置，特别对转移薄膜或层压薄膜，该薄层配置呈现至少两层叠置的合成树脂薄层，在它们之间提供的界面表面具有产生似透镜效果的折射结构，该提出权利要求的新产品是一种具有衍射效应的结构的特殊设计。

Claims (14)

1. 一种薄层配置结构，包括至少两层叠置的材料薄层，其中至少面朝观察者的这层材料薄层是透明的，并在所述至少两层薄层之间形成界面，其中该界面的至少一部分，包括一衍射光学结构，向观察者呈现出放大或非放大的似透镜效果，其特征在于：

衍射光学结构作为透镜结构，这样设计所述衍射光学结构使得包括线频率和其它光栅常数的光栅结构，在该结构的表面上连续地变化以形成双结构或某个类似结构，其中每个光栅凹槽壁之一彼此平行延伸，并平行于相对于界面表面主平面的垂直面，而与相对界面表面主平面的垂直面相对的每个光栅凹槽另一壁的夹角在衍射光学结构的区域上连续地变化，衍射光学结构的光栅深度不多于10μm。

2. 根据权利要求1所述薄层配置结构，其特征在于，邻接界面表面的薄层是透明的，并呈现出不同的折射率。

3. 根据权利要求2所述薄层配置，其特征在于，折射率的差别至少有0.2。

4. 根据权利要求1所述薄层配置结构，其特征在于，至少在该界面表面的某些区域中设置一层加强反射率的薄层。

5. 根据权利要求4所述薄层配置结构，其特征在于，该加强反射率的薄层是金属薄层。

6. 根据在前面的权利要求中的任一项所述薄层配置，其特征在于，一些透镜结构分布在该界面表面的区域上。

7. 根据权利要求6所述薄层配置结构，其特征在于，所述透镜结构是按栅条方向配置的。

8. 根据权利要求1所述薄层配置结构，其特征在于，该透镜结构基本上是圆形的，并具有同心的栅条线。

9. 根据权利要求1所述薄层配置结构，其特征在于，该透镜结构具有的直径在0.15到300mm范围之内。

10. 根据权利要求9所述薄层配置结构，其特征在于，该透镜结构具有的直径在3到50mm范围之内。

11. 根据权利要求1所述薄层配置结构，其特征在于，该衍射光学结构的光栅深度小于5μm。

12. 根据权利要求11所述薄层配置结构，其特征在于，该衍射光学结构的光栅深度小于2μm。

13. 根据权利要求1所述薄层配置结构，其特征在于，该双结构在透镜结构的整个区域上，约有相同的深度。

14. 根据权利要求1所述薄层配置结构，其特征在于，面向观察者的该透明薄层是在不用颜料的情况下被着色的彩色薄层。

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