CN103534622A - 二维周期滤色光栅 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种二维周期滤色光栅，它有连贯的高折射率的，尤其金属的，定义光栅平面的底层(3)，以及在底层(3)上面有由一个个高折射率的，尤其金属的面元件(5)组成的二维规则图样(6)，面元件(5)分别平行于光栅平面延伸以及分别通过中间电介质(4)与底层(3)间隔距离(h)，这一距离大于底层(3)和面元件(5)的厚度，其中，规则图样(6)沿至少两个平行于光栅平面延伸的方向有周期(p1、p2)在100nm与800nm之间，优选地在200nm与500nm之间。
Description
本发明涉及一种二维周期滤色光栅。例如由DE102009012299A1、DE102009012300A1或DE102009056933A1已知用作有价证券的安全元件或防伪元件的一维周期光栅。当光栅型面设计为出现在可见光波长范围内的谐振效应时，它们可以有在子波长范围内的滤色特性。这种滤色特性已知不仅用于反射的子波长结构，而且已知用于透射的子波长结构。这些结构对于射入光束的反射或透射有强的极化影响。当入射光未极化时，明显减弱所述光栅的色饱和。此外，在这种子波长光栅的反射或透射时，颜色与角度有比较大的关系。
在一些科学文献中介绍了二维周期孔结构，它们在子波长范围有入射光的过滤特性。为此可参见下列原始文献：T.W.Ebbesen,H.J.Lezec,H.F.Ghaemi,T.Thio,and P.A.Wolf,，，Extraordinary optical transmission throughsub-wavelength hole arrays“,Nature,667-669(1998);L.Martín-Moreno,F.J.García-Vidal,H.J.Lezec,K.M.Pellerin,T.Thio,J.B.Pendry,and T.W.Ebbesen,“Theory of extraordinary optical transmission through subwavelengthhole arrays”,Phys.Rev.Lett.86(6),1114–1117(2001);W.L.Barnes,A.Dereux,T.W.Ebbesen,“Surface plasmon subwavelength optics”,Nature,Vol424,Issue6950,pp.824-830(2003);J.Bravo-Abad,A.Degiron,F.Przybilla,C.Genet,F.J.Garcia-Vidal,L.Martin-Moreno and T.W.Ebbesen"How light emerges from anilluminated array of subwavelength holes",Nature Physics1,120-123(2006);H.S.Lee,Y.T.Yoon,S.S.Lee,S.H.Kim,and K.D.Lee,“Color filter based on asubwavelength patterned metal grating”,Opt.Express15,15457–15463(2007);C.-P.Huang,Q.-J.Wang,and Y.-y.Zhu,"Dual effect of surface plasmons in lighttransmission through perforated metal films",Phys.Rev.B75,245421(2007)。所述Hole-Arrays(孔组)由不透明的金属薄膜组成。在DE102007016394A1中建议使用这种结构作为有价证券内用于证明真实性的安全元件或防伪元件。
此外已知一些二维周期光栅，它们允许在比较大的视角范围内在高色饱和的情况下在底色为红、绿、蓝时滤色。公开的文献B.-H.Cheong,O.N.Prudnikov,E.-H.Cho,H.-S.Kim,Jaeho Yu,Young-Sang Cho,Hwan-Young Choi,and Sung Tae Shin,“High angular tolerant color filter using subwavelengthgrating”,Appl.Phys.Lett.94,213104(2009)介绍了一种有立方形隆凸的光栅，它有明显的带通特征。这些隆凸由非晶态硅组成并处于玻璃基质上。这种光栅的复制方法表示在公开文献E.-H.Cho,H.-S.Kim,Byoung-Ho Cheong,Prudnikov Oleg,Wenxu Xianyua,Jin-Seung Sohn,Dong-Joon Ma,Hwan-YoungChoi,No-Cheol Park,and Young-Pil Park,"Two-dimensional photonic crystalcolor filter development",Opt.Express17,8621-8629(2009)以及E.-H.Cho,H.-S.Kim,Jin-Seung Sohn,Chang-Youl Moon,No-Cheol Park,and Young-PilPark,"Nanoimprinted photonic crystal color filters for solar-powered reflectivedisplays",Opt.Express18,27712-27722(2010)中。出版物Yan Ye,Yun Zhou,and Linsen Chen,"Color filter based on a two-dimensional submicrometer metalgrating",Appl.Opt.48,5035-5039(2009)以及Yan Ye,Heng Zhang,Yun Zhou,and Linsen Chen,"Color filter based on a submicrometer cascaded grating",Opt.Commun.,283,613-616(2010)建议了一种滤色的二维周期光栅，其中由铝和硫化锌构成的立方形隆凸或铝的立方形隆凸处于高折射层上。迄今未知可用于这种结构的制造方法。在WO2010/126493A1中介绍了一种表面几何形状相同的光栅。然而它没有呈显出明显的滤色特性。最后，由EP1434695B1已知二维周期光栅，它们有光吸收特性。这种结构基于连续的金属膜，所以没有可觉察到的光透射性。已知同样没有滤色恃性。
虽然已知的具有非连贯表面的二维周期子波长光栅，在大的角度公差的同时呈显出明显的滤色特性，然而制造非常麻烦。不可能采用简单的复制方法。因此这种结构不适合作为有价证券尤其钞票的安全元件，因为在这里要求大批量简单地制造。
因此本发明的目的是提供一种二维滤色光栅，它一方面有良好的滤色特性，以及另一方面可以通过经济的复制方法生产。
按本发明此目的通过一种二维周期滤色光栅达到，它有连贯的高折射率的，尤其金属的，定义光栅平面的底层，以及在底层上面有由一个个高折射率的，尤其金属的面元件组成的二维规则图样，面元件分别平行于光栅平面延伸以及分别通过中间电介质与底层间隔距离，这一距离大于底层和面元件的厚度，其中，规则图样沿至少两个平行于光栅平面延伸的方向有周期在100nm与800nm之间，优选地在200nm与500nm之间。
所述光栅设置高折射的底层和排列在底层上面的高折射率的面元件。底层或面元件的高折射特性通过选择恰当的材料达到。在这方面除金属材料外，还可以考虑使用尤其硅、硫化锌或二氧化钛。在本说明书内，术语“金属的”理解为“高折射的”同义词，除非另有明确说明。
对于光栅的作用而言重要之点在于，在连贯的金属层上面布置不连贯的按一种图样排列的面元件。当具有一种有垂直侧面的型面的二维周期光栅垂直地金属蒸镀时，在光栅上侧的平地或台地上形成不封闭的金属膜。在下部光栅面(底面上)构成连贯的金属膜。型面的隆凸在这里仅在台地上金属镀覆。
未蒸镀的光栅结构在这里由电介质金属组成，这种金属例如有折射率约为1.5。在这里，尤其塑料薄膜适合作为基质，例如PET薄膜。实际的基本结构例如同样在塑料内，优选地在UV漆(紫外光固化漆或光固化涂料)内构成。在蒸镀后结构最终用UV漆充填以及用面膜包复。由此存在一种层状结构，其中上侧和下侧有基本上相同的折射率。
此外，镀层不仅限于单个金属层，也可以考虑多层，尤其三层。已知多层涂镀的一维周期光栅通过构成Fabry-Perot(法布里-珀罗)谐振器可以不仅在反射时而且在透射时强烈滤色。在三层的情况下以下的分层是特别优选的：两个半透明金属层和处于它们之间的电介质定距层，或两个高折射层和处于它们之间的低折射层。对于金属层可考虑采用下列材料：Al，Ag，Pt，Pd，Au，Cu和它们的合金。例如ZnS，ZnO，TiO2，ZnSe，SiO，Ta2O5或硅适合作为高折射层。作为低折射层提供SiO2，Al2O3或MgF2。
按一种特别合理的制造方法，首先将一种作为基本结构的电介质恰当结构化，然后镀层。底层在每个面元件下方的区域内有一个孔。这同样是有利的，因为此时即使在透射时也形成光学效果。
优选地，在埋入电介质内埋入光栅，埋入电介质优选地与构成基本结构并将底层与面元件隔开的中间电介质有相同的折射率。折射率可例如在1.4与1.6之间。
事实证明，二维滤色光栅的彩色效果与图样的周期性有关。这可以充分用于产生彩色符号或图像。为此可以局部改变面填充系数和/或在面元件与底层之间的距离。尤其可以将由多个尺寸相同的面元件形成的面元件组设计为能出现期望的彩色效果。于是这一组构成一个子象素。多个子象素通过相应的几何结构设计配备有不同的彩色特性，然后组合成一个象素。这允许表示一个彩色图像。在这里通过相应地局部改变光栅的一个或多个参数(面元件沿两个空间方向的距离以及面元件离底层的距离)可以改变不同的颜色。
通过在子象素区内基色，例如RGB(红绿蓝)色，以象素方式的颜色混合，可以制成真彩色图像。与传统印刷技术相比，这种结构的优点是，在这里可以从事非常精细的直至在微米范围内的结构化。这种精细的结构化特别适合在莫尔放大装置中使用，例如通过将光栅设计为，它为莫尔放大装置提供显微图像。在微型透镜装置中，上述二维周期光栅大的角度公差起十分有利的作用，因为在莫尔放大装置中的微型透镜，在光圈比较大的同时有小的焦距。因此，与迄今已知的一维周期子波长结构相比，在这里所说明的结构与微型透镜相结合呈显出更大的色饱和。
所述二维周期光栅尤其可以使用在有价证券的安全元件(亦即防伪元件)中。它尤其可以集成在安全丝、撕裂丝、安全带、安全条、斑纹或标签中。尤其是，设有光栅的安全元件可以跨越透明的区域或切口。
所述光栅作为安全元件尤其可以是尚不适合流通的有价证券前身的一部分，有价证券除此之外还可以有其他安全元件。有价证券一方面理解为有二维光栅的文件。另一方面有价证券也可以是设有二维光栅的其他文件或物品，从而使这些有价证券有不能复制的真实性特征，以及能检验真实性和防止不希望的复制。有价证券的其他例子是芯片卡或安全卡，例如银行卡或信用卡或证件。
当然，上面列举和下面还要说明的特征，不仅可使用在所说明的组合中，而且也可以使用在其他组合中或单独使用，均不脱离本发明的范围。
下面作为举例借助也公开本发明重要特征的附图更详细地说明本发明。其中：
图1表示滤色光栅第一种实施形式的示意透视图；
图2表示图1所示光栅的进一步发展；
图3表示图2所示光栅的一种变更；
图4-5示意表示滤色光栅的工作方式；
图6表示图3所示光栅的进一步发展；
图7-11表示有关不同滤色光栅过滤特性的曲线图；
图12示意表示用于显示图像的滤色光栅；
图13-15表示不同滤色光栅过滤特性的曲线图。
图1表示滤色光栅1，它例如可用作有价证券内的安全元件或防伪元件。为了制成滤色光栅1，规定载体2有一种型面，它具有垂直侧面。所以载体2意味着是基本结构。所述型面设计为，在载体2上侧构成立柱4的图样6。载体由一种电介质组成并镀覆金属层3，该金属层涂镀为在载体2表面上的底层3以及立柱4上的镀层5。由于侧面垂直，所以侧面没有镀层。
在图样6内，在这里仅作为举例设计为立方形和尤其可以是柱形(不一定是圆柱形)隆凸的立柱4，排列成二维周期光栅的形式，其中沿两个互相垂直的方向在光栅通过底层3确定的光栅平面内存在周期p1和p2。立柱4或隆凸在底面内的尺寸用s1和s2标示。底层3和镀层5有层厚t。排列成图样6的镀层5通过立柱4的高度h离底层3的上侧间隔距离h-t。成型载体2的立柱高度h在这里大于层厚t，所以金属层被间断以及镀层5不连贯。由此形成一种由底层3组成的金属结构，它确定光栅平面，镀层5处于该光栅平面上方。在镀层5与底层3之间的距离在这里通过电介质的立柱4造成。
周期p1和p2处于子波范围内，亦即在100nm与800nm之间，优选地在200nm与450nm或600nm之间的范围内。填充系数s1/p1和s2/p2处于0.2与0.8之间，优选地处于0.3与0.7之间。为了达到与极化无关地滤色，两个空间方向的型面参数选择为尽可能一致，亦即p1=p2以及s1=s2。不过这不是必须的。同样，在所说明的实施例中周期方向彼此垂直。这也是选择的。也可以设想空间不对称地排列型面和周期性。换句话说，图样6不必如图1中所表示的那样是笛卡儿图样。立柱4也可以设计为非对称的。
图2表示一种进一步发展，其中在埋入电介质7内埋入图样6。这有突出的使用优点，因为此时光栅1的表面是光滑的。
图3表示一种光栅1，它的立柱4设计为圆柱形。这种形状与图1或2的结构方式一样特别适用于未极化光的滤色。同样可以有不同于图1的立方形或图3的圆形的变型，例如通过角修圆形成的变型。
图3和4表示在图2所示结构方式的例子中光栅1的工作方式。其中图4表示在光栅上侧9射入射束E时的情况。在图5中表示从下侧10那里入射。光栅1反射射入的射束E形成反射的射束R，以及部分作为透射的射束T发射。在从上侧9与从下侧10照明之间的主要区别在于，从上侧9，射入的射束E首先命中排列成图样6的周期镀层5。反之，从下侧10，则直接照明底层3内孔8的图样。这种区别在反射特性，尤其在颜色印象方面有明显的后果。
通过在结构化的载体2上施加金属层，在镀层5下方，亦即在立柱4的区域内，底层3设有孔8。因此光栅1在金属层3内有Hole-Array(孔组)，在这里孔8的排列由图样6确定。对于立柱4完全垂直的侧面，孔8的排列和尺寸准确地相应于镀层5的排列和尺寸。然而图4和5所示结构方式的底层3也可以补充为多层或被多层替代。在这里尤其有可能是三层(所谓Trilayer)。
已知多层涂覆的一维周期光栅可以通过构成Fabry-Perot谐振器可以不仅在反射时而且在透射时强烈滤色。在三层的情况下以下的分层是特别优选的：两个半透明金属层和处于它们之间的电介质定距层，或两个高折射层和处于它们之间的低折射层。对于金属层可考虑采用下列材料：Al，Ag，Pt，Pd，Au，Cu和它们的合金。例如ZnS，ZnO，TiO2，ZnSe，SiO，Ta2O5或硅适合作为高折射层。作为低折射层提供SiO2，Al2O3或MgF2。
对于光栅1的制造方法可考虑不同的过程或工艺。最简单的制造方法是，首先将具有排列成图样6的隆凸，例如立柱4的电介质载体2作为基本结构构造出，然后镀层。它既可以进行垂直蒸镀，也可以倾斜蒸镀。重要的是，镀层5不连贯，亦即各自独立。
为了制造载体2可以采用模塑成型法，从而可以实现廉价大量生产。
具有光学有效压印的金属安全元件是现有技术已知的。这些压印大于波长以及大多存在于用金属层覆盖的压印漆内。这种安全元件在三种不同的方案中使用：安全丝；埋入纸内并配备有效层的安全膜、传输条(或斑纹)，其中仅将涂覆有效层的压印漆转换在基质上；以及，层合膜，配备有效层并粘结在基质上的薄膜。
这些安全元件的颜色配置可按下列方式进行：将载体膜或压印漆染色，在压印漆下面部分印刷施釉的颜色，在金属层上面部分印刷施釉的颜色，或压印衍射的元件，其中染色通过第一衍射级进行(例如真彩色全息图)。
上述方法用于安全元件有明显的缺点：染色的载体膜只能使用于安全丝和层合膜。在这里只能显现一种颜色。此外，在安全元件内存在多个应不出现颜色的透明区。同样，染色的压印漆不允许构成有明确透明区的安全元件，因为压印漆总是全面存在。同样不可能是多色的设计。转换元件颜色的设计可例如在压印漆的下面有施釉的颜色。这包含的问题一方面是，施釉的颜色必须与压印漆进行良好的粘附连接。另一方面与在它上面印刷的载体膜的粘附只允许很小，以便不影响转换过程。另一个缺点是这种印刷的色层相对于有效压印低的定位精度。因为彩色印刷层与压印不在同一道工序内同时制成，所以在两层的位置上彼此形成偏差。因此在这种主题内染色的分面往往相对于压印主题移动数十毫米。尽管在通过衍射结构染色时避免上述缺点，然而第一级衍射结构的颜色与视角有很大关系。安全元件必须保持相对于光源正确的角度，以使能看到与设计相应的颜色。在其他所有的观察状况下出现其他颜色。此外，与印刷颜色的反射相比，这种结构第一衍射级的强度大多较低。
在这里说明的光栅1在零衍射级内通过二维周期子波长结构达到例如给安全元件上色。由于色彩大的角度公差和光栅型面侧面结构化的可能性，可以避免上述所有缺点。上色的压印结构是颜色强化的，可以相对于其他安全压印结构位置准确地配置，以及可以在比较宽泛的视角下出现期望的均匀色彩。
压印结构在这里一方面可以完全填充设计规定的面积区，并因而制成彩色图像，或它们可以通过它们在交替的小的面积段与其他有效压印结构交错，给其他有效压印结构赋予一种颜色。上色的压印结构也可以被其他有效压印结构叠加。这是可能的，尤其因为在安全元件中使用的许多有效压印结构单个结构的尺寸在700nm与20μm之间，并因而可以无干扰地与典型地至少小2-10倍的上色的压印结构叠加。
最后，上述结构在安全膜中集成在透明区内。当在从前侧和后侧入射光的情况下观察时，这一特征出现不同的颜色。这些透明元件的透射可以与反射的颜色不同。
表1：二维周期光栅的参数
| 结构 | p[nm] | s[nm] | h[nm] | t[nm] |
| a) | 400 | 120 | 300 | 40 |
| b) | 240 | 117 | 300 | 40 |
| c) | 330 | 167 | 300 | 40 |
| d) | 400 | 203 | 310 | 40 |
| e) | 240 | 117 | 300 | 20 |
| f) | 240 | 117 | 300 | 50/45/50 |
上面详细说明的所有光栅在PET膜上成型在UV漆内，用铝蒸镀，以及最后用PET膜包复。PET膜和UV漆的折射率在可见时约等于1.56。
图7至图10表示在上表内用a至d表示的结构的透射或反射特性。图中用R1表示前侧的反射曲线，用R2表示后侧的反射曲线，以及用T表示透射的射束。这些图形分别表示作为波长函数的强度。作为金属使用层厚t为40nm的铝。
这些光栅不仅在反射时而且在透射时显示不同的颜色。在前侧的反射与在后侧的反射有十分明显的差别。这种情况最清楚地显现在光栅c)和d)中。光栅c)在前侧有红的色彩，而后侧呈现蓝色。反之，透射从两侧观察到蓝色。光栅d)则在前侧呈现红色，在后侧呈现绿松石色以及在透射时是绿色。色彩的角度公差在不同入射角时通过反射测量检验。图11表示光栅e)的反射，针对入射角8°(曲线13)、30°(曲线15)和45°(曲线14)。对于该光栅的反射最大值处于蓝色内，以及在改变入射角时仅微量移动。这种光栅对于这些不同的入射角始终呈现蓝色。
可以利用上述取决于型面的上色，以便造成彩色的符号或图像。图12表示一个光栅的三个有不同型面(pR、sR、hR)，(pG、sG、hG)或(pB、sB、hB)的区域，它们在颜色上呈现红、绿和蓝。这些不同的颜色可以通过相应地改变一个或多个型面参数引起。
图示三个区域17、18、19相应于RGB子象素并共同构成一个象素16。在每个区域17、18、19内各自的型面保证造成相应的颜色红、绿或蓝。同时，通过型面选择可以调整在象素16内由区域17、18或19构成的各自RGB子象素的颜色份额。由此赋予象素16期望的颜色。因此，通过在RGB子象素区域17、18、19内的底色在象素16内造成的颜色混合，可以实现真彩色的图像。这种结构与传统的压印技术相比的优点在于，可以直至微米级非常精密地结构化，这尤其在借肋放大装置时是有利的。按图12的光栅允许其中光栅型面侧向改变的显微图像，以便实现显微图像内颜色或强度对比。在这里所说明的结构优选适用于此，因为它们的光学特性的角度公差很大，亦即在入射角改变时它们的颜色几乎没有变化。当与微透镜组结合时这种特性是有利的，因为由观察者可看到的光来自不同的具有不同入射角的光径。
图13表示按结构a的光栅透射或反射特性。
若使用具有按图6的三层镀层的光栅，则得到按图14和15的光学特性。在这里有顺序为50nm ZnS、45nm SiO2和50nm ZnS的三层镀层11。这种光栅在反射时显示与角度无关的蓝的色彩，而在透射时显示黄的色彩。它相应于上列表中的结构f。
不言而喻，在上述说明中术语“上面”或“下面”仅作为举例和理解为在附图中表示相互关系。当然所述结构也可以作如下颠倒：取图5的结构方式为基础，亦即镀层5此时处于底层3下面。如果通过将光栅安置在不透明的材料上则只有反射的射束才对光学效果有贡献时，这样做有特殊的效果。
附图标记清单
1 光栅
2 载体
3 底层
4 立柱
5 镀层
6 图样
7 电介质
8 孔
9 前侧
10 后侧
11、12 多层结构
13、14、15 曲线
16 象素
17、18、19 RGB子象素
h 立柱高度
t 镀层厚度
s1 立柱宽度
s1 立柱深度
p1、p2 周期
A 表面法线
E 射入的射束
R 反射的射束
R1 在前侧反射的射束
R2 在后侧反射的射束
T 透射的射束
Claims (10)
1.一种二维周期滤色光栅，它有连贯的高折射率的，尤其金属的，定义光栅平面的底层(3)，以及在底层(3)上面有由一个个高折射率的，尤其金属的面元件(5)组成的二维规则图样(6)，面元件(5)分别平行于光栅平面延伸以及分别通过中间电介质(4)与底层(3)间隔距离(h)，这一距离大于底层(3)和面元件(5)的厚度，其中，规则图样(6)沿至少两个平行于光栅平面延伸的方向有在100nm与800nm之间，优选地在200nm与500nm之间的周期(p1、p2)。
2.按照权利要求1所述的光栅，其中，在每一个面元件(5)下面的底层(3)有一个孔(8)。
3.按照权利要求1或2所述的光栅，其中，底层(3)和面元件(5)包括一种材料，它含有：Al，Ag，Cu，Cr，Si，Zn，Ti，Pt，Pd，Ta和它们的合金。
4.按照上述权利要求之一所述的光栅，其中，在每一个面元件(5)下面的中间电介质(4)设计为面元件(5)布置其上的立柱，并优选地有折射率在1.4与1.6之间。
5.按照上述权利要求之一所述的光栅，其中，在埋入电介质(7)内埋入光栅，埋入电介质(7)有优选地与中间电介质(4)相同的折射率。
6.按照上述权利要求之一所述的光栅，其中，面元件(5)的规则图样(6)有面填充系数为0.15至0.85，优选地为0.3至0.7。
7.按照上述权利要求之一所述的光栅，其中，面元件(5)处于光栅平面上面的距离(h)平行于光栅平面改变。
8.按照上述权利要求之一所述的光栅，其中，光栅有电介质载体层(2)，它的上侧被结构化为具有基本上垂直于光栅平面延伸的侧面的立柱结构(4)，以及高折射层(3、5)在该电介质载体层(2)上施加为，使侧面不完全涂层。
9.按照上述权利要求之一所述的光栅，其中，为了产生彩色的图像信息，光栅有局部改变的面填充系数和/或局部改变的在面元件(5)与底层(3)之间的距离。
10.按照权利要求9所述的光栅，其中，光栅为莫尔放大装置提供显微图像结构。
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