CN102401922B - 一种亚波长金属-介质光栅反射偏振光变膜及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种亚波长金属-介质光栅反射偏振光变膜及制作方法，该亚波长金属-介质光栅反射偏振光变膜包括介质基底层、金属层、光栅层，透明介质层、半透明金属层、透明保护层，所述光栅层为金属材料和介质材料构成的亚波长金属-介质光栅，所述的金属材料和介质材料间隔排列。该光变膜有特殊的反射偏振光变性能，可用于装饰、防伪等领域。在制作工艺上，用纳米压印(或模压)与镀(或涂布)相结合的技术加工，制作过程简便易操作，可以批量生产。制作的光变膜内含有同参数的正弦金属-介质光栅，而光变膜的设计却基于矩形金属-介质光栅结构，它们有相似的颜色特征。
Description
技术领域
本发明涉及一种反射光变膜，具体涉及一种基于亚波长金属-介质光栅的反射偏振光变膜及制作方法。
背景技术
颜色通常由颜料或染料对入射白光的选择性吸收引起。然而，它也可由微结构对入射光的衍射及散射产生，这往往表现为光色变效果，即颜色随观察条件如角度、方位等改变，在装饰、防伪等领域有很好的市场。激光全息、干涉光变薄膜及光变色油墨是目前该技术的主流产品。激光全息的微结构是周期约为1μm的一维光栅，用之衍射的一级光呈现虹彩光色变效果；干涉光变薄膜为由高、低折射率介质材料，或金属、介质材料，构成的周期性多层膜结构，多光束干涉是使之反射或透射光呈色的机理，通常表现为薄膜倾斜时呈现色变效果，但旋转之并不能引起颜色的改变；光变色油墨的呈色机制及色变特性与光变薄膜的相似。这些已为人们的日常生活(装饰)及社会的稳定(防伪)做出了巨大的贡献。然而，随着人们对之物质、审美及反造假技术要求的不断提高，研发一种技术含量高、有独占性和唯一性的新型光变色技术，成为社会发展的迫切需求。
研究表明，用亚波长光栅能产生与现有变色技术不同的色变效果。由于该光栅的周期小于入射白光的波长，仅有反射及透射光能够传播，设计后它能使之反射或透射光产生强烈的偏振及共振性能，可以产生光色变效果。中国专利200410009039.6公开了一种塑钞亚波长光栅导模共振防伪标记及其制作方法，该标记的防伪区域由周期为0.25～0.75μm的一维亚波长光栅构成，在TE偏振白光照射下可在标记前方±15°范围内产生单色或彩色图案；中国专利200810126806.X公开了一种安全线，该安全线包括基层和周期为0.1～2.0μm的一维光栅层，若安全线被旋转90°，可使之反射光呈现颜色变化且再现光是线偏振光；中国专利200910209648.9公开了一种光学防伪元件及 包含该光学防伪元件的光学防伪产品，该元件包括基层和周期为0.1～2.0μm的二维光栅层，当元件被转动时可使之反射光产生第一颜色变化，当元件与一偏振光学器件之间发生相对转动时通过偏振元件即可看到第二颜色变化。上述专利的光栅层均为介质光栅，其内不含任何金属材料，主要用之导波共振机制呈现颜色。
中国专利200810123710.8公开了一种亚波长光栅结构偏振片及制作方法，该偏振片包括透明基底、介质光栅、第一金属层和第二金属层，并通过在透明基底和介质光栅之间增加高折射率介质层，提高偏振片偏振(TM)光的透射效率和消光比；中国专利200910028285.9公开了一种亚波长光栅结构彩色滤光片及其制作方法，该滤光片包括透明基底和位于基底上的三色像素阵列，其特征在于：三色像素阵列由光栅阵列(由介质层和金属层构成，金属层位于介质层的外面)构成，三种周期的光栅：0.36～0.41μm、0.3～0.35μm、0.22～0.26μm，分别用于对入射光中的红、绿、蓝三色进行透射滤光，产生带宽为0.08～0.12μm的透射光谱；中国专利201110049965.6公开了一种高反射率高带宽的亚波长光栅反射镜的制作方法，其先在衬底上依次生长材料层、介质层和金属层，依靠在介质层和金属层界面处激发的表面等离子体模式，用等离子体刻蚀或剥离技术依次将金属层、介质层和材料层刻蚀，形成周期性的条纹光栅结构。上述专利的光栅层内均含有金属，主要用于透射光的偏振及彩色滤光功能。到目前为止，还没有发现用亚波长金属-介质光栅(光栅层由金属和介质材料构成)操控入射的白光使之反射光呈现颜色及与众不同光色变的技术报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的反射偏振光光学变色膜(简称光变膜)。为了描述方便，当光的振动方向与光栅的栅线平行时，称之为“s”偏振光，当其垂直时称之为“p”偏振光。该光变膜的偏振光变性能来源于其内的亚波长金属-介质光栅，主要依靠其偏振分裂特性使之s(光的振动方向平行于光栅沟槽)和p(光的振动方向垂直于光栅沟槽)反射偏振光呈现不同的颜色。当入射白光照射时，其反射光为第一颜色；若用一线偏振片覆盖该光变膜，当偏振片的偏振方向与金属-介质光栅的沟槽平行时(s偏振光)反射光呈现第二颜色，再旋转偏振片90°(p偏振光)，则产生第三色。上述的第一颜色、第二颜色及第三颜色互不相同，第一颜色为第二颜色和第三颜色的颜色合成。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种亚波长金属-介质光栅反射偏振光光变膜，由下向上依次包括：介质基底层、金属层、光栅层，透明介质层、半透明金属层、透明保护层，所述光栅层为金属材料和介质材料构成的亚波长金属-介质光栅，所述的金属材料和介质材料间隔排列。
上述技术方案中，所述的金属材料和介质材料外形尺寸相同，且等间隔排列；所述光栅层的周期Λ为0.25～0.35μm，光栅层的占宽比(金属脊背宽度与周期的比值)f为0.5，光栅层的深度d3和s与p两偏振光色相的差异相对应。
在实际应用中，所述光栅层的金属材料为银，介质材料的折射率n2为1.2～2.3，光栅层的厚度d3为0.02～0.15μm。
上述技术方案中，优选的技术方案为：所述介质基底层的折射率n为1.2～1.8；所述金属层为银，金属层的厚度d4为0.05～0.20μm；所述透明介质层的折射率n1为1.2～2.3，透明介质层的厚度d2为0.05～0.25μm；所述半透明金属层的材料为 Cr或Ni，或二者的合金，半透明金属层的厚度d1为0.005～0.01μm；所述透明保护层的材料折射率n0为1.2～2.0，透明保护层的厚度d0为0.0～1.0μm。
本发明同时提供一种该亚波长金属-介质光栅反射偏振光光变膜设计制作方法，包括下列步骤：
(1)用亚波长光栅模板在一种透明介质膜上模压，形成具有光栅微结构的介质基底层；所述的透明介质膜的折射率n为1.2～1.8，所述的介质基底层上的光栅微结构的沟槽最大深度为0.02～0.15μm；
(2)在介质基底层有光栅微结构的一侧真空蒸镀金属银，所蒸镀银的厚度不小于所述亚波长光栅模板的沟槽的最大深度，形成具有光栅微结构的银光栅图案层；
(3)在银光栅图案层上依次镀或涂布透明介质层、半透明金属层及透明保护层；所述的透明介质层的折射率n1为1.2～2.3，透明介质层的厚度d2为0.05～0.25μm；所述的半透明金属层的材料为铬或镍，或二者的合金，半透明金属层的厚度d1为0.005～0.01μm；所述的透明保护层的材料折射率n0为1.2～2.0，透明保护层的厚度d0为0.0～1.0μm。
在上述步骤(1)中，优先使用的亚波长光栅模板是有正弦光栅条纹的浮雕光栅版，采用激光全息光刻的方法制作，并通过纳米压印的方法在透明介质膜上形成正弦光栅条纹。
在实际生产中，优先选择制作的光变膜的光栅层的材料折射率，按正弦曲线形状分布。
本发明的设计制作方法的总体构思是：
设计时，令d3＝0并根据技术方案的要求确定制作光变膜的材料(如基底层为Ag、半透明金属层为Cr或Ni(或二者合金)、透明介质材料为SiO2、MgF2等)以及Λ、f、d1、d4参数，依据所述光变膜的第三颜色优化参数d2；然后根据所述光变膜的第二颜色优化参数d3即可。
制作时，使用同参数的正弦金属-介质光栅替代所设计光变膜内的矩形光栅即可。在具体实现上，采用先在介质或塑料薄膜上形成正弦光栅图案，然后用镀或涂布的方式制作光变膜。
由于上述技术方案的运用，本发明具有下列特点：
1.本发明的光变膜，含有亚波长金属-介质光栅，其第三颜色来源于Ag层、透明介质层和Cr层形成的Fabry-Perot结构，偏振光色变特性则由亚波长金属-介质光栅的偏振分离特性产生，第二颜色的红移量主要由金属-介质光栅的深度控制。
2.本发明的设计基于有矩形金属-介质光栅的光变膜，而制作的光变膜含有同参数的正弦金属-介质光栅，它们的颜色及变化特性相似，这降低了所述光变膜的加工难度，可以批量生产。
3.本发明的光变膜，可以产生“蓝色-红色”间的偏振颜色变化。对于上述的颜色，入射光可以以0～10°的角度入射，检测角则为与入射角θ相对应的反射角。
4.本发明的光变膜，其颜色变化由s(第二颜色)和p(第三颜色)偏振光引起，在自然光下的颜色(第一色)为上述二者的颜色合成。
5.在制作工艺上，本发明使用纳米压印、镀或涂布的技术加工，制作过程简便易操作，不需要蚀刻工艺，既降低了加工成本，又可批量生产。
6.与传统的光变膜或光变色相比，该光变膜的光变是偏振相关的，且非偏振光照射下也呈现颜色。
7.本发明的光变膜，在s偏振光、p偏振光和自然光下产生不同的颜色，可以用于装饰、显示、防伪等领域。用于防伪时，在自然光下为第一颜色，若在一偏振片下观察则s偏振反射光为第二颜色，p偏振反射光为第三颜色。具体实施时，可以将待隐藏的信息包括图形、图形、字符等用光变膜表示，将该信息隐藏于与光变膜第一颜色相同的背景中，利用偏振片检测隐藏的信息，旋转该偏振片时该信息还能显示特定 的颜色变化效果。
附图说明
图1为入射光的照射及颜色检测的示意图。
图2为本发明实施例中设计的亚波长金属-介质光栅反射偏振光变膜的结构示意图。
图3为本发明制作的亚波长金属-介质光栅光变膜的结构示意图。
图4为本发明实施例一中亚波长金属-介质光栅光变膜的s和p偏振光的反射光谱。
图5为本发明实施例二中亚波长金属-介质光栅光变膜的s和p偏振光的反射光谱。
图6为本发明实施例三中亚波长金属-介质光栅光变膜的s和p偏振光的反射光谱。
图7为本发明实施例四中亚波长金属-介质光栅光变膜的s和p偏振光的反射光谱。
图8为本发明实施例五中亚波长金属-介质光栅光变膜的s和p偏振光的反射光谱。
图9为本发明实施例六中亚波长金属-介质光栅光变膜的s和p偏振光的反射光谱。
图10为本发明实施例七中亚波长金属-介质光栅光变膜的s和p偏振光的反射光谱。
图11为本发明实施例八中亚波长金属-介质光栅光变膜的s和p偏振光的反射光谱。
图12为本发明实施例九中亚波长金属-介质光栅光变膜的s偏振光的反射光谱。
图13为本发明实施例三中亚波长金属-介质光栅光变膜的p偏振光的反射光谱。
图14为本发明实施例中亚波长金属-介质光栅光变膜的加工过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
参见图1，为入射光的照射及颜色检测的示意图。为入射平面1与光栅4所在的平面垂直，与x轴之间的夹角φ为0°或90°。入射光位于入射平面1内，振动方向为u，偏振角ψ为0°或90°。入射光与z轴的的夹角θ为0～15°。当反射光3的振动方向与光栅4的栅线平行时，称之为“s”偏振光，当其垂直时称之为“p”偏振光。在入射光1的反射方向3观测光变膜的颜色。
参见图2，为本发明设计的亚波长金属-介质光栅反射偏振光变膜的结构示意图。该光变膜包括：介质基底层11，透明保护层6，金属层10、光栅层9、透明介质层8和半透明金属层7。光栅层9由金属Ag12和透明介质13构成，光栅层的折射率分布符合矩形光栅14形状。金属层10为Ag。
参见图3，为本发明制作的亚波长金属-介质光栅光变膜的结构示意图。该结构的介质基底11内的正弦曲线边界16与光栅层9内的正弦曲线边界15的形状相同。正弦曲线15和16的峰谷之间的距离为光栅层9的深度为d3，两曲线之间的材料为Ag12，深度为d4。
实施例一：
参见图1和图2，介质基底层11为聚甲酯丙烯酸甲酯(PMMA)，折射率n为1.49；透明保护层6为PMMA，折射率n0为1.49；金属层10为Ag；光栅层9的金属12为Ag，介质13可以利用现有技术中的用于介质基底层的PMMA，折射率n2为1.49；介质层8为PMMA；金属层7为Cr。该光变膜的结构参数为：介质基底层11的深度d4为0.10μm，光栅层9的深度d3为0.06μm，光栅层9的周期Λ为0.3μm，光栅14的占款比f为0.5，介质层8的深度d2为0.16μm，金属层7的深度d1为0.01μm，保护层6的深度d0为0.05μm。入射光2为可见光，波长为0.4-0.7μm，入射角θ为0°；入射平面1的方位角5φ为0°或90°。在此条件下，s和p偏振光的反射效率与波长的关系如图4所示。在0.532μm处p偏振光的光谱有峰，峰效率达到78％，带宽为0.082μm；在0.625μm处s偏振光的光谱有峰，峰效率达到94％，可见带宽为0.13μm；s和p偏振光的峰波长间隔0.093μm。可见，本发明设计的光变膜的p和s偏振光的颜色不同，分别为“绿色”和“红色”，能产生“绿-红”偏振颜色变化。
实施例二：
参见图1和图2，介质基底层11为聚对苯二甲酸已二醇酯(PET)，折射率n为1.65；透明保护层6为氟化镁(MgF2)，折射率n0为1.38；金属层10为Ag；光栅层9的金属12为Ag，介质13为PMMA，折射率n2为1.49；介质层8为PMMA；金属层7为Cr。该光变膜的结构参数为：介质基底层11的深度d4为0.10μm，光栅层9的深度d3为0.1μm，光栅层9的周期Λ为0.3μm，光栅14的占款比f为0.5，介质层8的深度d2为0.16μm，金属层7的深度d1为0.01μm，保护层6的深度d0为0.02μm。入射光2为可见光，波长为0.4-0.7μm，入射角θ为0°；入射平面1的方位角5φ为0°或90°。在此条件下，s和p偏振光的反射效率与波长的关系如图5所示。在0.535μm处p偏振光的光谱有峰，峰效率达到82％，带宽为0.092μm；在0.643μm处s偏振光的光谱有峰，峰效率达到94％，带宽为0.115μm；s和p偏振光的峰波长间隔0.108μm。可见，本发明设计的光变膜的s和p偏振光的颜色不同分别为“绿色”和“红色”；随着光栅深度d3的增加，s和p偏振光谱的峰波长间隔增大，其颜色差异增加。
实施例三：
参见图1和图2，介质基底层11为PMMA，折射率n为1.49；透明保护层6为PMMA，折射率n0为1.49；金属层10为Ag；光栅层9的金属12为Ag，介质13为PMMA，折射率n2为1.49；介质层8为PMMA；金属层7为Cr。该光变膜的结构参数为：介质基底层11的深度d4为0.10μm，光栅层9的深度d3为0.06μm，光栅层9的周期Λ为0.3μm，光栅14的占款比f为0.5，介质层8的深度d2为0.05μm，金属层7的深度d1为0.005μm，保护层6的深度d0为1.0μm。入射光2为可见光，波长为0.4-0.7μm，入射角θ为0°；入射平面1的方位角5φ为0°或90°。在此条件下，s和p偏振光的反射效率与波长的关系如图6所示。在0.478μm处p偏振光的光谱有峰，峰效率达到68％，带宽为0.075μm；在0.538μm处s偏振光的光谱有峰，峰效率达到92％，带宽为0.132μm；s和p偏振光的峰波长间隔0.06μm。可见，本发明设计的光变膜的s和p偏振光的颜色不同，分别为“蓝色”和“绿色”；随着介质层8深度的减小，s和p偏振光谱的峰向短波段平移，且两峰波长的间隔减小。
实施例四：
参见图1和图2，介质基底层11为PMMA，折射率n为1.49；透明保护层6为PMMA，折射率n0为1.49；金属层10为Ag；光栅层9的金属12为Ag，介质13为MgF2，折射率n2为1.38；介质层8为MgF2；金属层7为Cr。该光变膜的结构参数为：介质基底层11的深度d4为0.15μm，光栅层9的深度d3为0.02μm，光栅层9的周期Λ为0.3μm，光栅14的占款比f为0.5，介质层8的深度d2为0.2μm，金属层7的深度d1为0.01μm，保护层6的深度d0为0.05μm。入射光2为可见光，波长为0.4-0.7μm，入射角θ为0°；入射平面1的方位角5φ为0°或90°。在此条件下，s和p偏振光的反射效率与波长的关系如图7所示。在0.496μm处p偏振光的光谱有峰，峰效率达到74％，带宽为0.07μm；在0.582μm处s偏振光的光谱有峰，峰效率达到93％，带宽为0.152μm；s和p偏振光的峰波长间隔0.086μm。可见，本发明设计的光变膜的s和p偏振光的颜色不同，分别为“蓝色”和“黄色”；随着介质层8折射率的减小，s和p偏振光谱的光谱峰向短波段平移。
实施例五：
改变实例四中光栅8的周期Λ为0.35μm，其他参数不变。在此条件下，s和p偏振光的反射效率与波长的关系如图8所示。在此条件下，s和p偏振光的反射效率与波长的关系如图6所示。在0.52μm处p偏振光的光谱有峰，峰效率达到70％，带宽为0.08μm；在0.586μm处s偏振光的光谱有峰，峰效率达到93％，带宽为0.154μm；s和p偏振光的峰波长间隔0.066μm。可见，本发明设计的光变膜的s和p偏振光的颜色不同，分别为“绿色”和“黄色”，能产生“绿-黄”颜色变化。
实施例六：
改变实例四中光栅8的周期Λ为0.25μm，其他参数不变。在此条件下，s和p偏振光的反射效率与波长的关系如图9所示。在0.478μm处p偏振光的光谱有峰，峰效率达到71％，带宽为0.05μm；在0.578μm处s偏振光的光谱有峰，峰效率达到90％，带宽为0.154μm；s和p偏振光的峰波长间隔0.1μm。可见，本发明设计的光变膜的s和p偏振光的颜色不同，分别为“蓝色”和“黄色”，能产生“蓝-黄”颜色变化。
实施例七：
改变实例一中介质层8和介质13为ZrO2，折射率为2.0，其他参数不变。在此条 件下，s和p偏振光的反射效率与波长的关系如图10所示。折射率增加，s和p偏振光的光谱峰均向长波段平移，但p偏振的平移的较快，其光谱峰移到了近红外波段，在0.70μm处的光谱峰效率为45％，带宽为0.035μm。并且s偏振出现了多模共振，即在蓝波段0.432μm处产生光谱峰，峰效率为54％，带宽为0.048μm。p偏振光的光谱有峰移到了近红外波段，在0.70μm处的效率为84％，带宽为0.052μm。可见，本发明设计的光变膜的s和p偏振光的颜色不同，分别为“蓝色”和“红色”，产生“蓝-红”颜色变化。
实施例八：
改变实例一中介质层8和介质13的折射率为1.65，其他参数不变。在此条件下，s和p偏振光的反射效率与波长的关系如图11所示。s偏振光在0.68μm处有光谱峰，峰效率为96％，可见光带宽为0.09μm。p偏振光在0.592μm处有光谱峰，峰效率达80％，带宽为0.095μm。可见，本发明设计的光变膜的s和p偏振光的颜色不同，分别为“橘红色”和“红色”；随着介质层8折射率的增加，s和p偏振光的光谱峰均向长波段平移(与图7比较)。
实施例九：
改变实施例二中的入射角θ，其他参数不变，则θ对s和p偏振光谱的影响分别如图12和13所示。随着θ由0°增大到20°，s偏振光谱的峰向短波段缓慢移动，但位于红光波段，峰效率不小于90％。p偏振光的光谱有两个特征光谱峰(位于0.45～0.53μm和0.53～0.6μm间)，随着θ由0°增大到20°，0.56μm处的峰效率由80％逐渐减小为62％，0.48μm处的峰效率由24％逐渐增大到64％。这些说明，本发明设计的光变膜的s和p偏振光的颜色具有较宽的入射角度范围，能在0°到150°范围内保持颜色不变。
实施例十：
图14是本发明实施例中亚波长金属-介质光栅光变膜的制作过程示意图。第一步，用预制的亚波长金属镍版40(图中以矩形浮雕光栅代替正弦浮雕光栅进行示意说明)以一定的压力压入塑料或介质薄膜41，再将模板抬起脱模，最终在介质薄膜上形成周期性的光栅图案42。第二步，在浮雕光栅图案42上表面通过真空蒸镀或真空磁控溅 射金属Ag层，镀层厚度不小于光栅沟槽的深度，形成Ag光栅图案层43。第三步，在光栅图案层43上表面依次涂布介质层44、半透明金属层45和透明保护层46，即可获得所需的亚波长金属-介质光栅反射偏振光变膜。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种亚波长金属-介质光栅反射偏振光光学变色膜，由下向上依次包括：介质基底层、金属层、光栅层，透明介质层、半透明金属层、透明保护层，其特征在于：所述光栅层为金属材料和介质材料构成的亚波长金属-介质光栅，所述的金属材料和介质材料间隔排列；所述的金属材料和介质材料外形尺寸相同且等间隔排列；所述光栅层的周期Λ为0.25～0.35μm，光栅层的金属脊背宽度与周期的比值f为0.5，光栅层的深度d3和s与p两偏振光色相的差异相对应；所述光栅层的金属材料为银，介质材料的折射率n2为1.2～2.3，光栅层的厚度d3为0.02～0.15μm。
2.根据权利要求1所述的亚波长金属-介质光栅反射偏振光光学变色膜，其特征在于：所述介质基底层的折射率n为1.2～1.8；所述金属层为银，金属层的厚度d4为0.05～0.20μm；所述透明介质层的折射率n1为1.2～2.3，透明介质层的厚度d2为0.05～0.25μm；所述半透明金属层的材料为铬或镍，或二者的合金，半透明金属层的厚度d1为0.005～0.01μm；所述透明保护层的材料折射率n0为1.2～2.0，透明保护层的厚度d0为0.0～1.0μm。
3.一种亚波长金属-介质光栅反射偏振光光学变色膜的制作方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)用亚波长光栅模板在一种透明介质膜上模压，形成具有光栅微结构的介质基底层；所述的透明介质膜的折射率n为1.2～1.8，所述的介质基底层上的光栅微结构的沟槽最大深度为0.02～0.15μm；
(2)在介质基底层有光栅微结构的一侧真空蒸镀金属银，所蒸镀银的厚度不小于所述亚波长光栅模板的沟槽的最大深度，形成具有光栅微结构的银光栅图案层；
(3)在银光栅图案层上依次镀或涂布透明介质层、半透明金属层及透明保护层；所述的透明介质层的折射率n1为1.2～2.3，透明介质层的厚度d2为0.05～0.25μm；所述的半透明金属层的材料为铬或镍，或二者的合金，半透明金属层的厚度d1为0.005～0.01μm；所述的透明保护层的材料折射率n0为1.2～2.0，透明保护层的厚度d0为0.0～1.0μm。
4.根据权利要求3所述的亚波长金属-介质光栅反射偏振光光学变色膜的制作方法，其特征在于：所述步骤(1)中，使用的亚波长光栅模板是有正弦光栅条纹的浮雕光栅版，采用激光全息光刻的方法制作，并通过纳米压印的方法在透明介质膜上形成正弦光栅条纹。
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