CN101329828A - 通过旋转展示颜色的结构表面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过旋转展示颜色的结构表面，该结构表面具有基底，该基底具有在其上或在其中形成的金字塔形结构阵列。所述的结构用光学可变的变色涂层涂覆。每一个所述结构形成了具有至少三个倾斜面的金字塔形，并且其中当基底绕着垂直于所述基底的轴旋转至少30度时观察金字塔可以看到一种或多种颜色变化。为了看到颜色变化，所述装置被绕着所述基底的曲线法面旋转，同时保持与光源入射角相同，并保持观察角相同。可以使用各种形式的金字塔，但具有平的表面的金字塔是最适合的。

Description

通过旋转展示颜色的结构表面

技术领域

[01]本发明通常涉及一种形成基底的一部分或在基底上形成的结构阵列，其中当所述基底被旋转或当观察着者绕着所述基底转时，观察结构而感觉到的颜色是变化的。

背景技术

[02]光学可变变色涂层以变色油墨、变色油漆和沉积到基底上的多层涂层的形式为公众所熟知，所述基底具有当入射光角度或观察角度改变时提供可观察到的变色的光学涂层。

[03]变色颜料和着色剂已经被用在众多的应用领域中，范围从汽车油漆到用于保密文件和货币的防伪油墨。这种颜料和着色剂展示了根据入射光的角度变化或当观察者的观察角度改变时变色的特性。通常，为了看到颜色的变化，观察者要改变基底相对于光源的角度以产生变色效果。

[04]本发明的目的是以新颖的创造性的方式利用已知的变色涂层来制造通过旋转展示不同颜色的物品。

发明总结

[05]根据本发明的一个方面，光学可变装置包括具有在其上、其中形成的或由其所支撑的结构阵列的基底，其中所述结构用光学可变的变色涂层涂覆，其中所述结构的每一个形成了金字塔形结构，以及其中每个金字塔形结构具有至少三个倾斜面，以及当基底绕着垂直于所述基底的轴旋转至少30度时观察金字塔可以看到一种或多种颜色变化。

[06]根据本发明的优选实施例，所述的结构的所述面实质上是平坦的和/或者可以具有在其中形成的衍射光栅。

[07]根据本发明的一个主要的方面，提供了在基底内或基底上形成的结构阵列，所述基底上或基底内中的结构具有至少3个竖起的壁，其中每一个壁接触并终止在与它接触相邻的竖起壁的位置，以及其中所述的壁从所述基底形成的底部或所述基底上的底部向内倾斜，其中所述的壁用随着观察角度的变化展示颜色变化的变色涂层涂覆。

[08]应该这样理解，所述金字塔形结构顶点可以在所述基底平面的上面或下面；即是，所述的金字塔形结构可以分别是凸起的或凹陷的。

附图说明

[09]现在参考附图来描述本发明的举例的实施例，其中：

[010]图1a是根据本发明的一个方面的金字塔形单元的等轴侧视图。

[011]图1b是金字塔单元的网格框架模型的正视图和角度视图；具有变色涂层的单元体模型；以及单元体金字塔阵列的表面示图。

[012]图2是模型#1的图片，该图片显示了不同观察角度的25幅图像，所述的观察角度的每一个与其前一个相差15度，以及其中当所述模型被旋转时可以看到颜色变化。

[013]图3是显示实例1的模型#2的图片，该图片显示了不同观察角度的25幅图像，所述的观察角度的每一个与其前一个相差15度，以及其中当所述模型被旋转时可以看到颜色变化。

[014]图4是显示实例2的模型#2的图片，该图片显示了不同观察角度的25幅图像，所述的观察角度的每一个与其前一个相差15度，以及其中当所述模型被旋转时可以看到颜色变化。

[015]图5是显示实例3的模型#2的图片，该图片显示了不同观察角度的25幅图像，所述的观察角度的每一个与其前一个相差15度，以及其中当所述模型被旋转时可以看到颜色变化。

[016]图6a是显示模型#2实例4的轴上视图的图片。

[017]图6b是显示模型#2实例4的轴外视图的图片。

[018]图7是显示实例4的模型#2的图片，该图片显示了不同观察角度的25幅图像，所述的观察角度的每一个与其前一个相差15度，并且其中当所述模型被旋转时可以看到颜色变化。

[019]图8a是显示模型#2实例5的轴上视图的图片。

[020]图8b是显示模型#2实例5的轴外视图的图片。

[021]图9是显示实例5的模型#2的图片，该图片显示了不同观察角度的25幅图像，所述的观察角度的每一个与其前一个相差15度，以及其中当所述模型被旋转时可以看到颜色变化。

[022]图10是举例说明以三个不同的位置旋转并在三个不同的观察角度的高度/底部比率为0.1的模型#3的图片。

[023]图11是举例说明以三个不同的位置旋转并在三个不同的观察角度的高度/底部比率为0.4的模型#3的图片。

[024]图12是举例说明以三个不同的位置旋转并在三个不同的观察角度的高度/底部比率为0.631的模型#3的图片。

[025]图13是举例说明以三个不同的位置旋转并在三个不同的观察角度的高度/底部比率为0.8的模型#3的图片。

[026]图14是举例说明以三个不同的位置旋转并在三个不同的观察角度的高度/底部比率为1.0的模型#3的图片。

[027]图15是显示三个侧面的金字塔阵列的平面图的图片，其中相邻的金字塔之间存在平的网格。

[028]图16是与图15相似的图片，其中所示的金字塔是直立的，用不同颜色的金字塔代表倒转的金字塔。

[029]图17是举例说明具有字母“A”的模型的图片，该字母“A”通过在该区域内没有金字塔而被限定在网格内。

具体实施例

[030]在本发明的一个方面，金字塔形结构的阵列被提供到基底上，其中所述的结构用同样的光学可变变色特殊效果涂层涂覆。该涂层可以是变色油墨、油漆或多层变色涂层。虽然在下面的例子中示出了标准的金字塔形结构，也可以使用截头(frusto)-金字塔或阶梯形金字塔或其它类似金字塔的结构以通过旋转实现新的变色。此外，替代提供直立的金字塔形结构的阵列，可以在基底上形成通过旋转提供相似效果的涂层的、倒转的、凹陷的金字塔。

[031]本发明的一个实施例的令人惊讶的方面是，当相同的均匀厚度的涂层被施加到均匀对称的金字塔形结构的所有面时，相对于观察侧面当迎面观察金字塔的面或外表面时可以看见不同的颜色。例如前面展示了与该金字塔的侧面不同的颜色。当该金字塔绕着垂直于基底的轴旋转时，例如30度，前面和侧面的颜色改变了，并且当进一步旋转时，该侧面看起来呈现了前面的颜色并且反之亦然，使得可以看见不同的颜色。当提供这种结构的阵列时，这个结果是特别令人高兴的，因为这个效果由每个金字塔重复产生，并且视觉倾向于将显示在随后图片中的效果一体化。

[032]现在参考图1a，具有编号1到4的4个直立的倾斜面的金字塔形单元体被显示在了一个支撑所述单元体的底部上。所述的单元体可以是中空的或可以是实心的。这个单元体是根据本发明描述的基本的结构。但是这个单元体的变体也可以被描述并包含本发明的实施例。

通过旋转展示颜色的结构表面的模型

[033]模仿一个具有光学可变的变色类型涂层设计的结构表面的可视模型并使用三维绘制(3-D rendering)软件包进行模拟，该软件包具有使用光学涂层设计软件程序的常规的照明模型。所使用的该照明模型假定完全扩散的照明条件，因此仅仅在法线面(facetnormals)和照相机位置之间的角度需要被认为是由该模型的观察者观察到的接近的颜色。

[034]前述的模型被用于研究通过旋转效应展示某种颜色的结构表面的关键设计参数。

[035]该模型本质地集中在由简单的金字塔形结构组成的微小的复制的表面。尽管，更复杂的几何构造是可能的并且也可以通过旋转效应展示颜色。该模型被用于识别从基底和涂层设计角度来讲重要的关键的设计参数。

涂层设计

[036]用于模拟该结构的性能的涂层设计是包括反射体、电介质和吸收体的光学堆叠以模仿所述结构上的光学可变的变色涂层的性能。

[037]所考虑到的光学设计如下：

(1)铝(100nm)/氟化镁(厚度可变)/铬(6nm)

(2)铝(100nm)/硫化锌(厚度可变)/铬(6nm)

单元体

[038]如图1a所示，使用简单的具有正方形底部的四面金字塔形结构来完成建模，该正方形底部在每一个边上的测量值是一个单位。该金字塔形结构的顶点在底部中心的正上方，其所具有的高出所述底部的高度作为设计变量。

[039]如图1a所示的基本单元体具有编号为(1)和(2)的面，这两个面朝向该金字塔形结构的相对侧，并将被定义为机器方向。因此，所述机器方向是指网格移动的方向。在大多数现存的模型中，这些面将通常被假定具有比处于非机器方向的面(3)和(4)更厚的涂层厚度。

[040]在每个金字塔面上的相关的涂层厚度是来源(source)和涂层几何构型的复杂函数。但是，将会考虑最佳的相关涂层厚度以实现所需的产品形态中的整体视觉外观。

[041]模型#1介绍了通过旋转效应展示颜色的模型，其中金字塔的面或外表面在每个面上具有厚度相同的电介质层。因此如果每个面在相同的角度被观察时，在每个面上的涂层的颜色是相同的。当该结构的每个面上的电介质涂层的厚度没有差异时，在金字塔形结构上可以观察到通过旋转效应的颜色。

[042]在这个例子中，氟化镁(MgF2)层被用作具有360纳米涂层厚度的电介质间隔层，其相当于绿/蓝光学可变颜料(OVP)涂层设计。

[043]当在法线观察位置观察任何面时，可以看到OVP面的颜色，同时从非法线位置观察时，可看见角度颜色。在这种情况下，金字塔的每一个面与基底所成的角度相等，以及所有的面具有相等的电介质层厚度。模型#1显示对于通过旋转效应达到某个颜色而言，在该金字塔形结构的面之间的电介质厚度的差异是不必要的。简而言之，所有的面都可以用相同厚度的涂层涂覆以通过旋转达到所需的颜色效果。

[44]图1b显示了在网格框架模型中所用的金字塔形单元的“正视图”(“Face View”)和“角度视图”。在同一图中的是带有变色涂层的“单元体模型”的视图，其中正视图显示了面的颜色，绿色，并且角度视图显示了来自于同一涂层单元的亮蓝色。图1b的最后一行单元格显示了“单元体金字塔阵列的表面视图”。这个对应于正视图的金字塔阵列显示了绿色的金字塔而角度视图中所示的阵列显示了亮蓝色的金字塔。

[045]图2示出了从0度的最初的正视图开始，以15度的增量旋转通过不同的角度直到旋转360度的起自0度(即正视图)的模型#1的不同角度的颜色变化。

[046]相反，模型#2表现了通过旋转在相邻的面上厚度不等的涂层的颜色。在这个举例的实施例中，在不同的相邻的面上提供了不同的电介质厚度。因此，面或外表面(1)和(2)用厚度相同的涂层涂覆，而面(3)和(4)用不同的厚度相同的涂层材料涂覆。虽然模型#2是代表实际涂层的模拟，具有这些设计参数的这样的涂层可以用合适的源和掩模几何构型(proper source and masking geometry)在真空滚筒涂层机中涂覆。在这个实施例中，机器方向面(1，2)具有相等的电介质厚度，而非机器方向面(3，4)由于在机器中倾斜的涂层角度具有较少的电介质。

[047]在这个实施例中，由于相邻的金字塔面具有明显不同的电介质厚度，每旋转90度就能观察到最大的颜色变化，而不是每旋转45度像所有电介质的厚度都相等的模型#1的情况。提供了模型#2的实例1和实例2作为例子的两个不同情况，其中在每一个中应用了不同的涂层。在模型#2实例1中，提供的比率是指沉积到每个面上的涂层与氟化镁(MgF2)额定设计厚度相比较的相对量。例如，对于模型#2实例1的情况，基本的设计是Al/MgF2(360纳米)/Cr(6纳米)。因此在这种情况下，面1和面2的比率是1，使用下面的涂层设计：Al/MgF2(360纳米)/Cr(6纳米)。对于比率是0.8的面3和面4的情况，使用下面的涂层设计：Al/MgF2(288纳米)/Cr(6纳米)。这个比率与氟化镁(MgF2)电介质间隔层的不同的厚度有关。

表2A

[048]模型#2的第一实例使用0.8的比率用于非机器方向的面。实例2显示了使用0.9的乘数用于非机器方向的面的类似的结构。

表2B

[049]将非机器方向的面的比率降低到0.7导致在90度和270度的角度变成淡红的品红的颜色而不是蓝色。

表2C

模型#2的观察报告

[050]修改轴外的面(3)和面(4)的电介质厚度会对所观察到的颜色有巨大的影响，当将所述基底旋转到这些表面占据绝对的视野的位置时。当对着面(1)和面(2)观察时，由于这些面是倾斜的，存在较小的横截面，并且由于较高角度的观察光学涂层设计而损失了染色性，(90°和270°的旋转角度)修改轴外的面(3)和面(4)的电介质厚度会对颜色有较小的影响。

[051]当由于电介质厚度改变，所述的厚度比率变化时，面(3)和面(4)上的轴外颜色变化剧烈。

[052]在相同的视野中观察的轴上和轴外的面的另外的重要结果是当观察轴上的面时，轴外的面对所观察到的颜色做出了重要的贡献。有一些电介质厚度和具有更吸引人的外观的轴外面的比率的组合，因为下面的一个或两个条件可能出现：

(1)当在轴上观察时，从轴外的面观察到的变色与轴内面的表面颜色很相配，其中所述的颜色具有相似的色彩角；

(2)当在轴外观察时，从轴上的面观察到的变色与轴外面的表面颜色很相配。

[053]下面的例子说明了上述的条件；

[054]在模型2实例4中，使用同样具有基本氟化镁(MgF2)厚度为480纳米的单元体，其与品红到绿色的OVP设计相对应。如在实例1中，0.80的比率被用于轴外表面上的涂层厚度。在这个特例中，条件1和2都符合。这个被显示在图6a和图6b中。

表2D

[055]在这个例子中，轴上的视图显示了与来自轴外的面的蓝色变色协调的品红色设计。在轴外视图中，绿色面的颜色与来自品红色面的绿色变色相协调。

[056]总而言之，模型2实例4通过旋转效应显示了非常强烈的色彩，由于在轴上和轴外的两个观察导致了在两个观察轴上彼此增强的协调色彩。

[057]满足这些需要所需的关键参数是电介质折射率、电介质厚度、轴上到轴外的电介质厚度和单元体设计。优选具有低折射率(也就是低于大约1.6)的电介质，诸如MgF2，因为它们显示了较强烈的颜色变化，需要该颜色变化以实现在轴上和轴外方向获得具有相似色彩角的协调色彩。也可使用高折射率的材料以通过旋转实现具有功能的但结果不是很生动的颜色。

[058]图8a、8b和图9中所示的模型2实例5显示了另一种情况的例子，在此并没有实现协调色彩，即是此处在轴上方向相似色调的颜色并没有出现在观察者面前，并且所观察到的颜色也不是十分生动。在此情况下，在轴外方向仍然存在协调色彩造成在轴外观察到加强的金色。

表2E

模型#3：金字塔高度和观察角度的优化

[059]图10、11、12、13和14所示的这个模型研究了金字塔的高度和观察角度对产品外观的潜在影响。必须被确定的参数之一是表面结构的目标高度。在这个模型中，模拟了四个金字塔高度和三个观察角度以研究对整个产品外观的影响。

表3

观察角度的结论

[060]在本发明的优选实施例中，大部分理想的单元体高度与底部的比率(height tobase ratio)已经被证明是具有0.636的高度与底部比的“黄金金字塔”比率。在我们的模拟中使用的比率中，这个比率显示了基底观察角度的典型范围内的最小量的外观色调变化，所述基底观察角度在所述基底平面上面的范围从25度到65度。发现0.8的高度与底部的比率也是可接受的。

[061]诸如具有0.4的情况的较低的高度与底部的比率导致作为从基底平面观察的视角的函数的大的色调变化。在这个实施例中轴外观察作为观察角度的极度的变黄被增强。诸如1.0的较大的高度与底部的比率也开始显示了作为从基底平面观察的视角的函数的显著的色调变化。

[062]通过进行模拟，我们已经发现最佳的高度与底部的比率看起来在0.6到0.8的范围内。在这种情况下，假设轴外的面总是接受轴内的面所接受的涂层的80％。这可能是不可行的，因为由于涂层几何构型的制约，高度与底部的比率变小了。但是，可以清楚的是，有一个最佳的单元体的高度与底部的比率，当从基底平面观察的视角变化时其产生了最小量的视觉变化。

[063]作为该模型的结果，我们得出这样的结论：

1)为了通过旋转效应在金字塔型结构上实现某种颜色，面上的氟化镁(MgF2)厚度的差异并不是必需的。即使使用相同的涂层厚度也会看到经旋转的颜色。在这种情况下，最大的颜色变化将会出现在45度轴。

2)对于不相等的面上氟化镁(MgF2)的厚度，可以观察到较强的颜色改变，其具有在90度的旋转轴上最大的颜色变化。

3)在通过具有相似的色彩角使面的颜色彼此增强的位置将会观察到通过旋转效应的较强的色彩。

4)当在不同的倾斜角度观察所述基底时，模型3提供了与最佳的高度与底部的比率有关的信息以提供最佳的颜色变化。

[064]该金字塔形的阵列可通过浮雕柔韧性的或刚性的可变形的来自合适的主板(master)的基底来形成。该主板可通过金刚石切割法或其它适当的诸如电子束光刻、离子刻蚀或其它微复制技术的微机械技术制得。我们相信这些技术可以被用来制造主板，该主板可以被用在压花工艺中。在一个实施例中，使用具有用在印刷业中的锯齿状的金字塔和其它形状的网纹棍作为模板用于通过具有释放层的化学镀镍的方法来制造正镍主板(positively nickel master)，接着从镍主板长成镍子体(nickel daughter)图像，其反过来被用于在网纹上浮雕紫外固化漆以形成正金字塔形状。关于网纹辊的信息通常在下面的网址被找到：http://www.harperimage.com/anilox-specify.asp andhttp://www.appliedlaser.co.uk/anilox.htm。

[065]在以前描述的所有实施例中，优选的金字塔的尺寸是低于大约100微米的眼睛的分辨率。因此金字塔的高度优选低于100微米。从安全的角度而言这是重要的，因为关于为什么会发生颜色的变化对观察者而言将不会是显而易见的。

[066]除了提供有视觉吸引力的安全涂层，本发明的实施例通过以线性次序改变金字塔高度来使用线性编码的形式，用于根据所使用的调制角度以产生一个显性的或隐蔽的可读的“条形码”效应。显性图像、符号、词语通过单元体几何构型的变化可以被写入图案。单元的高度、方向、单元大小、面的角度的改造都可以被用于编码信息。图17示出了字母“A”形式的标记，该标记通过暴露这个区域内的基底提供。

[067]在未在附图中示出的本发明的实施例中，可见的标志通过在与其它金字塔成45度的角度定向用于形成标志的金字塔的特定区域来形成，所述的其它金字塔作为安全装置内的对照背景，并且用同样的变色涂层来涂敷所有的金字塔。如此，形成标志的金字塔呈现了与背景金字塔的颜色相区别的第一颜色。当旋转该装置时，颜色发生改变，并且在特定的角度，两个区域的颜色出现交换。

[068]可以设想各种其它的实施例，其中标志或文本形式的标记可以被编码到金字塔阵列内或金字塔之间。金字塔区域同其他区域相比可以具有不同的几何构型，因此提供了视觉区别以限定标志和文本。在一个特定的实施例中，在网上的大部分区域的安全线(security thread)具有相同的金字塔几何构型但在特定区域的一些金字塔具有不同的齿面角。这将会使得当所述装置被旋转时会出现图像。可替代地，可以在某个区域内提供一些具有平顶的截头金字塔(frusto-pyramids)，从而限定了与其他常规形状金字塔相区别的标志或标记。本质上说，所有这些实施例中所需要的是在较大的金字塔区域范围内的一个区域，该较大的金字塔区域以这种方式视觉上可区别以限定标记。

[069]迄今为止，已经描述了具有扁平表面的金字塔，但是具有一个或多个具有在其中形成的衍射凹槽的面的金字塔，也将提供所描述的变色的附加效果。例如，可以提供具有从底部向顶点延伸的表面凹槽的金字塔，并且也可以提供阶梯形的金字塔。该阶梯形的金字塔可以具有小的衍射宽度的台阶，也可以具有较大的台阶。当所述的面以旋转的方式移动时，特别是在该面上具有反射涂层，这些金字塔将会提供引人注目的颜色/消光效果。

[070]这种金字塔即使用例如铝的反射镜膜也可以提供有趣的效果。提供用铝处理的分散在光学可变涂层金字塔内的特意选定的图案的金字塔，以形成与变色涂覆的金字塔相区别的标志或标记。

[071]可以提供各种堆积结构的金字塔。例如图15显示了一个实施例，其中基底的平坦的空间被显示在直立的金字塔之间，而在图16中，并列显示了直立的和倒转的金字塔。

[072]也可以提供相对于图中所示的机器方向是倾斜的金字塔。

[073]也可以蚀刻金字塔的表面以形成衍射表面，如可以蚀刻金字塔阵列中间的平的区域。

Claims (17)

1.一种光学可变装置，包括具有在其上、其中形成的或由其所支撑的结构阵列的基底，其中所述的结构用光学可变的变色涂层涂覆，其中所述的结构中的每一个形成了金字塔形结构并且其中每一个金字塔形结构具有至少三个倾斜面，并且当基底绕着垂直于所述基底的轴旋转至少30度时观察金字塔可以看到多于一种颜色的变化。

2.根据权利要求1所述的光学可变装置，其特征在于，所述的金字塔的尺寸低于眼睛的分辨率。

3.根据权利要求1所述的光学可变装置，其特征在于，所述的金字塔的所述尺寸小于100微米。

4.根据权利要求1所述的光学可变装置，其特征在于，在所述的结构阵列之间提供了不同于所述结构阵列的间隔或结构，以便形成没有经过放大即可分辨尺寸的可见标记。

5.根据权利要求1所述的光学可变装置，其特征在于，具有在其中形成的与所述金字塔形结构阵列相区别的可见的标记。

6.根据权利要求2所述的光学可变装置，其特征在于，至少50％的所述的金字塔形结构的高度与底部的比率在0.4到1.4的范围内。

7.根据权利要求2所述的光学可变装置，其特征在于，第一多个所述金字塔形结构以第一预定的方向被定向，以及其中第二多个所述金字塔形结构分以第二不同的方向被定位，使得所述第一多个结构呈现出与所述第二多个结构不同的颜色。

8.根据权利要求1所述的光学可变装置，其特征在于，第一组邻近的金字塔形结构与第二组邻近的金字塔形结构不同，并且其中所述的第一组和第二组形成了视觉上可区别的标记。

9.根据权利要求1所述的光学可变装置，其特征在于，金字塔形结构的每一个所述面的倾斜与所述基底形成了不同的角度。

10.根据权利要求1所述的光学可变装置，其特征在于，金字塔形结构的每一个所述面的倾斜与所述基底形成了相同的角度。

11.根据权利要求2所述的光学可变装置，其特征在于，所述的多个结构形成了金字塔形结构的阵列以及其中在每一个所述面上的所述光学可变涂层的厚度是同样的实质上均匀的厚度。

12.根据权利要求2所述的光学可变装置，其特征在于，其中在所述金字塔的相邻面上的所述光学可变涂层的所述厚度是不同的厚度。

13.根据权利要求1所述的光学可变装置，其特征在于，所述的涂层是单腔法布里-珀罗结构。

14.根据权利要求1所述的光学可变装置，其特征在于，所述的涂层是多腔法布里-珀罗结构。

15.一种如权利要求1所述的光学可变装置，其中多个金字塔至少是四面体形金字塔、正方形金字塔、五边形金字塔和带有平顶的截头金字塔中的一种。

16.根据权利要求15所述的光学可变装置，其特征在于，在至少多个所述金字塔的至少一个所述面上具有在其中形成的衍射光栅。

17.提供一种通过旋转展示颜色的装置的方法，包括：

a)提供具有在其中或其上形成的小金字塔形阵列或倒转的金字塔形结构，其中所述的金字塔形结构被设定大小，使得它们仅经过放大才能被人眼辨别；以及，

b)用多层变色的涂层涂覆所述金字塔形或倒转的金字塔形结构。

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