CN102197345B - 改进的多轴衍射光栅 - Google Patents

Abstract

通过在感光表面照射来自单个光源的相干光的三个或者更多光束并且将衍射光栅图案映射到感光表面，加强的光干涉图案，例如衍射光栅被结合入感光表面，该感光表面例如是感光乳剂/光刻胶覆盖的玻璃或者可蚀化基片。光干涉图案的映射通过三个或者更多光束的干涉产生，该光束例如是产生合适光谱的激光或者其他光源。映射的感光表面可以用于产生压纹垫片。然后，压纹垫片被用于压纹薄膜或者纸。压纹薄膜/纸可以被金属化并且压到基片上以产生制品，当暴露于白光时，该制品在各种查看角度具有偏移的图案。

Description

改进的多轴衍射光栅

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年11月10日提交的名称为“改进的多轴衍射光栅”的美国临时专利申请号为61/113,032的优先权。

背景技术

本发明涉及压纹垫片(embossing shim)和生产压纹垫片的方法。更具体地说，本发明涉及压纹垫片和制造用于生产衍射表面的压纹垫片的方法，所述衍射表面例如为具有增强的颜色转变或者光可变背景的全息图或者光栅。

包含模压全息图(embossed holographic images)的反光透明、半透明和不透明材料通常使用在安保或者装饰性应用中，例如护照，信用卡，安全通行证，许可证，邮票以及礼品包装，图书插图等等。通过将全息的或者光学可变薄膜粘贴到文件上来实现保护。由于使用传统的印刷技术不容易复制全息的或者光可变薄膜，因此很难仿造或者伪造这些文件。

一般通过金属化(metalize)三维图像的压纹图案生产全息薄膜。传统的压纹加工是将压力施加到材料的任何一侧来改变表面，使材料具有三维或者凸起的效果。换句话说，传统的压纹加工将3D的微观结构图像转移到材料。如图1所示，典型的薄膜压纹机使用两个圆柱形滚轴，即一压纹滚轴和一支承滚轴。具有纹理图案的花纹压模，也被称为压纹垫片，被附接到压纹滚轴上。通常在0.0004和0.001英寸之间的厚度或者更厚的薄膜，在两个滚轴之间被推动或者拉拔。位于压纹滚轴上的凸起或者带纹理的压纹垫片迫使薄膜紧靠支承滚轴以在薄膜中产生压纹印痕。之后，该薄膜能被压在纸，硬纸板，塑料，金属或者其他基片上。

印痕(impression)的压纹侧可以被铝化或者金属化而将3D微观结构转化为反射全息图。一般通过将涂覆感光乳剂的感光基片曝光于来自相干光源的两个光束并将由此产生的干涉图案蚀刻或显像于感光乳剂或者光刻胶中来产生用于压纹垫片的全息图案。

全息图案通常包括例如衍射光栅的光干涉图。衍射光栅是光干涉图案，其中具有规则图样(regularpattern)的部件将光分(衍射)为沿不同方向的多束光。如图2中所示，通过干涉单个激光器发出的相干光的两个扩张光束(expanded beams)来获得形成大幅面彩虹反射薄片/薄膜全息图的单轴衍射光栅。入射光在两个方向上衍射。衍射光栅，其通过将环境光衍射进入其颜色部件来产生彩虹色效应，即“彩虹全息图”，在本领域中是已知的。

为使衍射颜色为可见的，全息图通常需要直接光照。从而，为了查看衍射颜色，必须从相同的角度，即全息图被照亮的角度来查看。因此，从全息图反射的彩虹或者彩虹色的光一般只有在两个方向上是可视的，通常为0度和180度。当从其他方向或者角度查看时，颜色是不可见的并且全息图呈现黑暗或者灰色/银色。因此，视场相对受到限制。

如图3所示的交叉光栅图案，是一般产生的光干涉图案，其中单轴光栅用来产生如前面所述的大幅面彩虹反射薄片/薄膜全息图，然后，两束光相对于初始光栅旋转90度。旋转光束增加了全息图的视场，从而视场或彩虹颜色可以从超过两个角度可见。产生的交叉光栅基于光栅频率(grating frequency)在很多方向(4或者更多个)上衍射光(即，允许颜色是可见的)，增加了视场(field of view)。

当从上方观察时，光在0，90，180和270度的角度上对称地衍射。衍射光束也在某一频率在斜角(对角线)(45，135，225，315)对称地出现。然而，在旋转之后，使用两个扩张的光束并且重复曝光基片仅对称地产生衍射光束。如果需要非对称地输出，在两次曝光之间改变光栅的结构和/或频率。因此，除非频率和/或光栅被改变，或者基片被重复曝光，光/颜色的强度或亮度在某个衍射角减少。

此外，通过两个光束产生的大幅面彩虹衍射光栅加倍易受到振动的影响。两个光束的技术需要基片两次曝光于干涉图案以达到需要的光亮，因此，需要在两次曝光之间对基片进行处理。光束和/或基片的其他处理增加了错误，振动，图像污染或者不均匀的交叉光栅效率的出现机率。

因此，控制光干涉图案例如衍射光栅全息图的视场是需要的，当最小化基片处理时，增加衍射光栅图案的亮度和强度。

发明内容

使用相干光源的三个或者更多光束来产生衍射光栅全息图以产生压纹垫片的加强的光干涉图案，例如加强的衍射光栅全息图，当被暴露于白光时，该衍射光栅全息图具有比现有的全息图更强烈或更强的可视效果。来自单个光源的三个或者更多相干光束朝向感光表面引导，例如光刻胶板(photoresist plate)或烧蚀基片(ablatable substrate)。三个光束相互干涉并在给定基片上产生比现有方法提供的视场更大的视场的衍射光栅全息图，而无需将基片两次曝光于光束并且无需增加对光刻胶板或者烧蚀基片的处理。

在一个实施例中，通过将感光表面曝光于来自相干光源的三个或者更多光束，将光干涉图案例如衍射光栅图案结合入感光表面，例如覆盖感光乳剂/光刻胶的玻璃(“光刻胶板”)。在另一个实施例中，感光表面直接被来自相干光源的三个或者更多光束蚀化。感光表面被电镀以形成金属母垫片。感光金属母垫片被镀镍以用作压纹垫片。当在点光源(例如阳光，白炽灯或荧光)照射(illuminated)时，通过三个或者更多光束的干涉产生光干涉图案的形成，所述三个或者更多光束例如是产生合适光谱的激光，弧光或者其他单色光源。

产生的衍射光栅图案被蚀刻，洗印或者蚀烧到感光表面上。该蚀刻/洗印的感光表面被用于产生压纹垫片。然后，该压纹垫片被用于整个地压纹薄膜或者纸。压纹薄膜/纸可以被金属化并压到基片上以产生全息制品，当暴露于白光时，该全息制品在各种查看角度具有偏移的图案和彩虹色。

本发明的这些和其他特征和优点在下文的详细描述中结合附加的权利要求一起将显而易见。

附图说明

在研究了以下详细的说明书和附图后，本发明的好处和优点对相关技术领域的技术人员来说是更加显而易见的。

图1示出使用压纹垫片的压纹装置；

图2示出由两个光束形成的单轴大幅面彩虹衍射光栅；

图3示出由两个光束产生的双轴大幅面彩虹衍射光栅；

图4示出根据本发明原理产生的大幅面彩虹衍射光栅；

图5示出产生光干涉图案的方法的另一个实施例，其中三个光束变窄地聚焦在一个像素，从而感光表面在XY方向上被转化使得形成多个像素化(pixilated)的全息图以产生较大的全面的全息图，该较大的全面的全息图由根据本发明原理产生的多个全息点(holographic dots)构成。

具体实施方式

虽然本发明可具有各种各样的实施例，在附图中所示的以及下文中描述的是优选的实施例，应当理解为本发明的公开被视为本发明的范例而不意在使本发明受限于说明的具体实施例。

进一步应当理解，本说明书此部分的标题，即“本发明的具体描述”，是美国专利局的要求而不意味着也不应被推断为限制本文公开的主题。

加强的光干涉图案，例如衍射光栅薄片/薄膜全息图通过将来自单一光源的相干光的三个或者更多光束引导或者照射到感光(photodefinable)表面(例如光刻胶板或者可烧蚀(ablatable)的基片)来产生。三个光束相互干涉并且在感光表面产生光干涉图案，该感光表面提供全息图中角度再现(angular playback)的更好地控制，该全息图具有比现有方法产生的视场更大的视场，而无需将感光表面两次曝光于光束并且无需增加对光刻胶板的处理。

现参考图1，显示用于在薄膜或者纸上制造浅的凸出/全息的压纹的装置10。压纹圆柱体或者滚轴12以及支承圆柱体或者滚轴14定位为相互邻近，而压区16形成在两个滚轴12，14之间。薄膜18被推动或者拉拔通过在滚轴12，14之间的压区16。压纹垫片20被围在压纹滚轴12周围。当薄膜18被按压紧靠支承滚轴14和压纹垫片20，压纹图案22形成在薄膜18上。上面描述的使用在装置10上的压纹垫片20具有加强的衍射光栅图案，该加强的衍射光栅图案使用下面描述的方法的实施例来形成。

光干涉图案，例如衍射光栅，由相干光源的光束的干涉产生。下面的表1示出两个光波或者两个光束的光波干涉的正弦波图案的实例。第一正弦波表示光束32。第二正弦波表示光束34，从光波32偏转90度相位。第三正弦波33表示光波32，34的干涉图案。如所示的，两个扩张的光波32，34在交叉点A和B处积极的干涉来产生较大强度的光波33。除了与0，90(π/2)，180(π)，和270(3π/2)度的第一组相似的衍射角组之外，衍射光栅图案30还在特定角度一般为45(π/4)，135(3π/4)，225(5π/4)，和315(7π/4)度(相对于波长干涉)可以产生衍射。

相类似地，下面的表2显示用于来自相干光源的三个光波或者三个光束的光波干涉的正弦波图案的实例。第一正弦波表示光束32。第二正弦波表示光束34，从光波32偏转90度相位，以及第三正弦波表示光束36，从第一二个光束偏转相位。正弦波33显示两个光束32，34的干涉图案，而正弦波35显示光束34，36的干涉图案。如所示出的，两个光波32，34在它们交叉点A和B处叠加来产生较大强度的光波33。

当两个光束34和36在C和D处交汇时，光束34和36还形成干涉图案光波35来产生较大强度的光。除了与第一组0，90(π/2)，180(π)，和270(3π/2)度相关的不同组的衍射角之外，衍射光栅图案30在特定角度一般为45(π/4)，135(3π/4)，225(5π/4)，和315(7π/4)度(关于波长干涉)可以产生衍射。换句话说，可以存在多个衍射角度以获得较宽的视野区域或者增大的视场，所有这些都可以通过一次3光束曝光(3beam exposure)来实现。

本发明的实施例被描述成本发明方法的实施例，并且不意味着使本发明方法受限于描述的实施例。图4示出使用三个光束方法的实施例的衍射光栅图案的例子。当三个光束在特定角度相互干涉时，引起光干涉图案，例如所示的衍射图案。光束的干涉产生衍射光栅图案，最后被映射(map)到压花垫片上，该压花垫片具有有助于产生在所需角度处强烈衍射白光的全息图的特性。

类似于图3中示出的且描述为使用两个光束技术的交叉光栅图案，图4中的交叉光栅图案使用了三个光束技术来实现，对感光表面进行了最小化的处理。光束还可以操纵为控制入射光的衍射来产生全息图的不同的可视效果。例如，可以改变光束的相位角来实现不同衍射图案。还可以在三个光束中的两个光束之间改变相位角来实现非对称的可视效果。在另一个实施例中，使用交叉光栅的三束光的方法，感光表面可以被重复曝光。

图4中所示的第一实施例以这种方式控制三束光432，434，436使在覆盖有薄的感光乳剂(“光刻胶”)的大的玻璃板38上产生三个大的，相对较低能量的点。三个光束432，434，436根据入射的角度相互干涉以在板438的感光乳剂上形成不同的衍射光栅图案430。不同于两个光束的技术，本发明的方法不需要光刻胶板438转动90度来实现相同或者相似的衍射光栅图案。

于是，产生的映射的光刻胶板438被金属化并且电镀以形成具有浅凸出的衍射光栅图案的压纹垫片。压纹垫片与传统的高速全息压纹设备一起使用以在薄膜上形成全息或者压纹图案。然后，压纹薄膜能被金属化并且覆盖到基片上以产生制品，当该制品暴露于白光时具有在各种视角处反射的偏移的图案(shifting product)。

在可选择的实施例中，如图5中所示，塑料薄膜例如聚酰亚胺，而不是光刻胶板，直接被烧蚀进塑料。在此实施例中，光束直接将衍射光栅图案映射到塑料薄膜上，然后，该塑料薄膜可以被镀镍以用作压纹垫片。

三束光被操纵和/或设置为将光束532，534，536聚焦到一个非常小的、从25微米到125微米范围的“点”。该重叠的光束532，534，536包含充足的能量以直接蚀化形成交叉光栅530的塑料薄膜的表面。形成小的交叉光栅530的阵列以形成较大的图像。变窄的光束532，534，536相互干涉以形成正如第一实施例中的衍射光栅530。然而，这些是设置在塑料薄膜538表面的极小的像素(而不是光刻胶板)。塑料薄膜538本身可以使用而无需进一步处理为压纹垫片；然而，将塑料薄膜538镀镍以形成压纹垫片是满足需要的。

产生的镀镍的压纹垫片具有衍射光栅图案的全息的凸出(relief)。其他垫片复制品也产生为用于与传统的高速压纹设备使用。产生的压纹垫片包括具有动态再现(kineticplayback)特性的光图像。

本领域技术人员能够领会本发明方法的优势。本发明方法的3光束技术摆脱了将感光表面曝光两次的需要，并且消除了在曝光之间的所有相关的处理。三光束技术独特地使用光束角度的非对称性来产生特殊效果。此外，三光束技术还允许产生交叉光栅(cross-grating)像素，该交叉光栅像素可以被控制进入常规的图像中而对视场提供巨大改进。

此处提到的所有专利，通过引用结合在本文中，无论在本申请文本中是否具体这样做。

在本申请中，单词“一”可用作包括单数和复数。相反地，在任何合适处对复数项的任何引用，应当包括单数。

如前文所述，可以观察到，可以实行很多修改和变化而不脱离本发明新颖性概念的真实精神和范围。应当理解，阐述的具体的实施例不意味着或者不应当推断为限制。本发明意在通过附加的权利要求书覆盖所有这些落入权利要求范围的修改型。

Claims (12)

1.一种产生用于压纹垫片的加强的光干涉图案的方法，所述方法包括：

在单次曝光中将来自相干光源的至少三个光束引导至感光表面；

在所述单次曝光中通过所述至少三个光束的干涉将所述光干涉图案映射到整个所述感光表面上，其中所述光干涉图案是通过所述单次曝光于所述至少三个光束所产生的遍布所述整个感光表面的衍射交叉光栅；以及

用所述感光表面生产压纹垫片，

其中当在单次曝光中将来自相干光源的三个光束引导至感光表面时，在所述三个光束中的两个光束之间改变相位角来实现非对称的可视效果。

2.权利要求1的所述方法，其中所述感光表面是塑料薄膜。

3.权利要求1的所述方法，其中所述感光表面是光刻胶表面。

4.权利要求2的所述方法，其中所述塑料薄膜被镀镍以用作压纹垫片。

5.权利要求1的所述方法，其中所述至少三个光束是扩张的光束以便在所述单次曝光中通过所述至少三个光束的干涉将所述光干涉图案映射到整个所述感光表面上。

6.权利要求1的所述方法，其中所述至少三个光束中的每一个光束从各自的位置发出，并且每个位置与其他位置隔开，所述位置非线性地设置，从而每一个光束与所述其他光束的每一个光束干涉以形成光干涉图案。

7.一种具有加强光干涉图案的全息压纹垫片，以提供用于在漫射照明条件下的观察，所述压纹垫片包括：

全息图，所述全息图通过将感光表面单次曝光于来自相干光源的至少三个光束的干涉产生，

其中，所述全息图是所述至少三个光束相互干涉在整个所述感光表面上形成的衍射交叉光栅图案，并且其中通过一次曝光于所述至少三个光束在所述整个感光表面上形成所述衍射交叉光栅图案，并且，其中当来自相干光源的三个光束相互干涉以在整个所述感光表面上形成衍射交叉光栅图案时，在所述三个光束中的两个光束之间改变相位角来实现非对称的可视效果。

8.权利要求7的压纹垫片，其中所述感光表面是塑料薄膜。

9.权利要求7的压纹垫片，其中所述感光表面是光刻胶表面。

10.权利要求8的压纹垫片，其中所述塑料薄膜被镀镍以形成所述压纹垫片。

11.权利要求7的压纹垫片，其中所述三个光束是扩张的光束。

12.权利要求7的压纹垫片，其中所述至少三个光束中的每一个光束从各自的位置发出，并且每个位置与其他位置隔开，所述位置非线性地设置，从而每一个光束与所述其他光束的每一个光束干涉以形成光干涉图案。