CN104991433B - 一种具有表面微浮雕结构的硬币及其压制模具的全息防伪方法 - Google Patents

一种具有表面微浮雕结构的硬币及其压制模具的全息防伪方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有表面微浮雕结构的硬币及其压制模具的全息防伪方法，其步骤如下：第一步、硬币表面光学全息图的记录过程；第二步、硬币表面光学全息图的再现过程；第三步、硬币表面计算全息图的数值计算；第四步：硬币表面微浮雕二元光学全息图的设计，将计算全息图转化为二元光学表面微浮雕结构；第五步：根据硬币表面微浮雕二元光学全息结构确定模具钢表面微浮雕结构；第六步、采用二元光学加工方法对模具钢表面微浮雕结构进行加工。该方法可提升硬币及其加工印章的防伪水平，为大众提供一种新型的、简单快速的一线防伪技术。

Description

一种具有表面微浮雕结构的硬币及其压制模具的全息防伪 方法
技术领域
本发明属于光学全息、计算全息、二元光学技术领域，涉及一种具有表面微浮雕结构的硬币及其压制模具的全息防伪方法。
背景技术
目前世界各国普遍使用的货币及纪念币有纸币与硬币两种，相对于纸币而言，硬币的伪造更加不易识别，难辨真伪。而目前已发现的假硬币多为第四套人民币1元币，由于硬币的仿造成本低，该类假硬币模压工艺差、图纹模糊、镀层薄、较易生锈腐蚀，但要在流通环节中及时辨别其真伪仍是较难实现的。
此外，伪造纸币的流通难度大于硬币流通难度。主要是纸币面额一般较大，对纸币防伪知识的普及，点钞机、验钞灯等设备对造假纸币流通形成障碍。而硬币面额小，辨识真假方法较少人关注，反而更容易在市场流通。这也说明了现有硬币防伪技术的落后及实用的硬币防伪技术的应用价值。
最后，对于特殊的纪念币及稀有金属制成的硬币而言，由于其价值很高，仿造此种硬币会给仿造者带来巨大的经济利益。因此，高价值硬币迫切需要新型的具有高科技含量的防伪技术。
因此，提升硬币及其加工模具的防伪技术水平，为大众提供一种新型的、简单快速的一线防伪手段是一项非常具有实际应用价值的技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有表面微浮雕结构的硬币及其压制模具的全息防伪方法，该方法可提升硬币及其加工印章的防伪水平，为大众提供一种新型的、简单快速的一线防伪技术。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种具有表面微浮雕结构的硬币及其压制模具的全息防伪方法，包括如下步骤：
第一步、硬币表面光学全息图的记录过程：
物体发出的光波与参考光波叠加以后干涉图样的强度转化为硬币表面微浮雕结构的复振幅反射率，计算公式如下：
rH(x，y)为硬币表面微浮雕结构的反射率函数，Ir(x，y)和Io(x，y)分别为参考波和物体光波在Z＝z平面的强度。
第二步、硬币表面光学全息图的再现过程：
用原参考光及共轭参考光照射硬币表面微浮雕结构时，分别在不同的角度得到原物的虚像和实像，其中：
用原参考光照射到硬币表面微浮雕结构后得到的衍射光场表达式：
式中的第一项为再现光的0级衍射光，不包含记录物的信息；第二项为再现光的+1级衍射光，可显示出物的虚像，第三项为再现光的-1级衍射光，可显示出物的畸变共轭实像；
用共轭参考光照射到全息图后得到的衍射光场表达式：
式中的第一项为再现光的0级衍射光，不包含记录物的信息；第二项为再现光的+1级衍射光，可显示出物的畸变虚像，第三项为再现光的-1级衍射光，可显示出物的赝实像，该赝实像的相位与物的相位互为相反数。
第三步、硬币表面计算全息图的数值计算：
将第一步记录的光学全息图用计算全息图的方法得到数值结果。计算全息的制作和再现过程分为采集、抽样、计算、编码、存储与再现六个环节。其中的存储环节需要采用二元光学技术实现。
第四步：硬币表面微浮雕二元光学全息图的设计，将计算全息图转化为二元光学表面微浮雕结构，包含以下4个环节：
环节1)根据硬币表面微浮雕结构的复振幅反射率计算公式计算出硬币表面微浮雕结构的光波复振幅反射率函数；
环节2)根据硬币表面微浮雕结构的复振幅反射率计算公式中的相位差Δφ(x，y)的数值除以π/2后取余数所得的数值Δφ′(x，y)并替换Δφ(x，y)的数值，使得到相位值Δφ′(x，y)∈[0，π/2]；
环节3)将Δφ′(x，y)进行量化，2级量化的相位值集合为{0，π/2}，4级量化的相位值集合为{0，π/6，π/3，π/2}，8级量化的相位值集合为{0，π/14，π/7，3π/14，2π/7，5π/14，3π/7，π/2}，依次类推，n级量化的相位值集合含有n个元素且元素值为{0，π/2(n-1)，π/(n-1)，3π/2(n-1)，2π/(n-1)，…，π/2}；当选择了量化级数后，将复振幅反射率计算公式中的rH(x，y)在各个(x，y)坐标位置的Δφ′(x，y)值按照四舍五入原则转化为该量化级数相位值集合中的元素值；
环节4)将Δφ′(x，y)的量化值转化为硬币的表面刻蚀深度：2级量化的相位值集合为{0，π/2}，对应的硬币的表面刻蚀深度值集合为{0，λ/8}；4级量化的相位值集合为{0，π/6，π/3，π/2}，对应的硬币的表面刻蚀深度值集合为{0，λ/24，λ/12，λ/8}；8级量化的相位值集合为{0，π/14，π/7，3π/14，2π/7，5π/14，3π/7，π/2}，对应的硬币的表面刻蚀深度值集合为{0，λ/56，λ/28，3λ/56，λ/14，5λ/56，3λ/28，λ/8}，依次类推，n级量化的相位值集合含有n个元素，元素值为{0，π/2(n-1)，π/(n-1)，3π/2(n-1)，2π/(n-1)，…，π/2}，对应的硬币的表面刻蚀深度值集合为{0，λ/8(n-1)，λ/4(n-1)，3λ/8(n-1)，λ/2(n-1)，…，λ/8}，其中λ为参考光与再现光的波长。
第五步：根据硬币表面微浮雕二元光学全息结构确定模具钢表面微浮雕结构；
第六步、采用二元光学加工方法对模具钢表面微浮雕结构进行加工：
模具钢表面的凹凸结构需要采用二元光学加工技术，二元光学加工技术主要包含光刻掩模板的加工、紫外光刻技术及刻蚀的加工技术3个环节。
本发明利用光学全息、计算全息及二元光学原理通过特殊的工艺途径在金属硬币表面加工隐藏的防伪图像或文字的微浮雕结构，再利用特殊的再现光照射硬币后衍射成像，得到预先设计的防伪图像或文字，提升硬币及用于硬币加工的模具钢印章的防伪水平，从而为大众提供一种新型的、简单快速的一线防伪技术。
附图说明
图1为光学全息记录过程的光路图，8-氦氖激光器，9-分束板，10-全反射镜，11-全息干板，12-扩束镜，13-物体；
图2为光学全息技术的记录过程原理图；
图3为二维平面全息图的再现影像实例图；
图4为三维立体全息图的再现影像实例图；
图5为用原参考光照射硬币表面全息图的再现原理图；
图6为用共轭参考光照射硬币表面全息图的再现原理图；
图7为折射透镜到二元光学表面浮雕透镜的演变原理图，5-普通折射透镜，6-连续浮雕衍射透镜，7-多台阶浮雕二元光学透镜；
图8为光线照射到硬币表面反射浮雕结构不同位置处被反射后的光路图，1-第一光线1，2-第二光线2，3-硬币表面浮雕结构最低的凹陷部位，4-硬币浮雕结构最高的凸起部位；
图9为单台阶表面浮雕结构的光刻刻蚀加工技术的原理图；
图10为四台阶、八台阶表面浮雕结构的套刻刻蚀加工技术原理图；
图11为光刻掩模板的制作原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种具有表面微浮雕结构的硬币及其压制模具的全息防伪新方法，该技术涉及光学全息、计算全息及二元光学的相关原理与技术。具体步骤如下：
第一步：硬币表面光学全息图的记录过程，从原理上阐明该防伪技术的记录方法。
光学全息技术可将物体发出光的全部信息(振幅和相位)记录在介质上，然后通过再现过程利用再现光照射记录介质可还原出原始物的三维图像信息。如图1所示，光学全息技术记录在介质上的图案是物体发出的光与参考光干涉叠加形成的纵横分布的干涉条纹，这些干涉条纹的形状、疏密、强度分布取决于物光波和参考光波的波前特性以及两者之间的相互位置关系。该记录介质上的条纹图案所记录的原始物信息是无法被人眼和显微镜直接观测获取的，只能通过再现光照射方可投射出来。因而全息介质记录的全息图很难被仿造，全息技术已被广泛应用于防伪领域。
实用的光学全息图主要有菲涅耳全息图、夫琅禾费全息图、傅里叶变换全息图三种。其中菲涅耳全息图适合记录普通物体的全息图，而且分析与计算过程相对简单，设计过程也较为简便，所以本发明以菲涅耳全息图进行硬币表面光学全息图的设计。而夫琅禾费全息图、傅里叶变换全息图也可适用于硬币表面光学全息图的设计，只是分析计算的具体过程略有不同。
如图2所示，在Z＝0平面上，已知的物体发出的光波O0(x，y)与已知的参考波R0(x，y)沿Z轴传播到Z＝z位置处后，物光波Oz(x，y)与参考光波Rz(x，y)叠加，用照相方法记录两个波叠加以后干涉图案的强度得到复振幅反射率与曝光强度成正比的反光全息基片。物光波的振幅和相位信息以干涉条纹的形状、疏密和强度的形式“冻结”在感光的全息基片上，这就是波前记录的过程。
全息基片位于Z＝z平面，在全息基片H上设置x，y坐标，物体发出的光波波前Oz(x，y)和参考光波波前Rz(x，y)到达H上的复振幅分别可表示为：
Oz(x，y)＝oz(x，y)exp[iφo(x，y)] (1)；
Rz(x，y)＝rz(x，y)exp[iφr(x，y)] (2)；
式中，Oz(x，y)和Rz(x，y)分别表示全息干板H处的物光波和参考光波的波前(包括振幅和相位)，oz(x，y)和rz(x，y)分别表示全息干板H处的物光波和参考光波的振幅，φo(x，y)和φr(x，y)分别表示全息干板H处的物光波和参考光波的相位，i为虚数单位。
干涉场光振幅Uz(x，y)是二者的相干叠加，H上的总光场：
Uz(x，y)＝Oz(x，y)+Rz(x，y) (3)；
干板记录的是干涉场的光强分布，其曝光光强为：
经线性处理后，底片的反射率函数rH(x，y)与曝光光强成正比：
rH(x，y)∝Iz(x，y) (5)。
对于制作在金属硬币表面的全息图，可令式(5)中的比例系数为1，具体加工实现方法将在第四步详细介绍。所以，
rH(x，y)＝|O|2+|R|2+O·R*+O*·R (6)，
在金属上记录的这种反射率按式(6)分布的结构就是反射式全息照片，又称反射式全息图。
令Ir(x，y)和Io(x，y)分别为参考波和物体光波在Z＝z平面的强度，全息图的复振幅反射率又可写为：
式(7)给出的图案结构为复杂的余弦条纹，观察者无法从该图案中直接观察到所记录的物体，但可通过再现光束照射该余弦条纹图案后再现出记录物体的影像。
第二步：硬币表面光学全息图的再现过程，从原理上阐明该防伪技术的再现方法及再现效果。
将全息照片处照明光波的光振幅表达式写为：
Cz(x，y)＝cz(x，y)·exp[iφc(x，y)] (8)；
Cz(x，y)表示全息干板H处的再现光波的波前(包括振幅和相位)，cz(x，y)分别表示全息干板H处的再现光波的振幅，φc(x，y)表示全息干板H处的再现光波的相位。
再现光波Cz(x，y)照射到反射式全息图H后，反射光场的复振幅U’(x，y)可表示为：
式(9)即为光学全息再现基本方程。为了简化公式，其中的参量均省略了(x，y)变量。
光学全息再现基本方程中与第一项再现光相似，第二项包含物的位相信息，第三项包含物的共轭位相信息。
通常物体发出的光是发散的，所以从各个方向观察都可以看到物体，只不过观察方向不同，观察到的物体的部位也不同。为了充分地与物体发出的光形成干涉光场，参考光应采用发散的球面波，通常可采用发散的球面波。下面分别分析采用原参考光再现(发散的球面波)与共轭参考光(会聚的球面波)再现的再现结果。
1)原参考光再现
此时，再现光Cz(x，y)与参考光Rz(x，y)完全相同，即：
Cz(x，y)＝Rz(x，y) (10)。
将(10)式代入(9)式可得到再现光照射到全息图后的衍射光场表达式(11)：
式(11)中的第一项为再现光的0级衍射光，不包含记录物的信息；第二项为再现光的+1级衍射光，可显示出物的虚像，第三项为再现光的-1级衍射光，可显示出物的畸变共轭实像。
2)共轭光再现
此时，再现光Cz(x，y)与参考光Rz(x，y)的共轭相等，即：
Cz(x，y)＝Rz *(x，y) (12)。
则：
将(13)式代入(9)式可得到再现光照射到全息图后的衍射光场表达式(14)：
式(14)中的第一项为再现光的0级衍射光，不包含记录物的信息；第二项为再现光的+1级衍射光，可显示出物的畸变虚像，第三项为再现光的-1级衍射光，可显示出物的赝实像，该赝实像的相位与物的相位互为相反数。
由于光是独立传播的，再现时在全息图上相互重叠的四项将分别沿三个不同方向传播，这种全息图称为离轴全息图。
根据第二步的分析可知，用发散的球面波及会聚的球面波照射硬币表面光学全息图时，均会得到在不同的方向得到与记录物相同或相似的一个实像与一个虚像。
第三步：硬币表面计算全息图的数值计算，将第一步阐述的光学全息图用计算全息图的方法得到数值结果。
根据第二步的方法可以实现记录物体发出的光与参考光的相干叠加，但在实验操作及生产加工方面遇到了极大的困难。因为物体发出的光与参考光必须达到相当高的精度与稳定度才能满足干涉条件，即曝光时间内物光与参考光的光程差的变化量不得超过记录光波长的十分之一。若记录光波长为0.6微米的红光，全息光路中各元件间的轴向位置误差不能超过0.06微米，这在工程上及生产上是很难保证的。计算全息图的设计方法可解决上述问题，使得全息图的分析与制作摆脱了高精度全息光路难以实现的局限。
计算全息图的发明和成功的制作始于20世纪60年代，该技术引起了观念上的重大变革。计算全息技术克服了光学全息的缺点，使得全息防伪技术的工程化及产业化得到了很大的发展。因为光学全息技术借助参考光、利用光的干涉原理将物体发出光波的振幅和相位以干涉条纹的形式记录下来，此过程称之为光学编码的方法。计算全息技术不用光学的方法而是用人工的方法进行编码制作全息图，这就是计算全息图。计算全息图不仅可以全面地记录光波的振幅和相位，而且能综合出复杂的或者世间根本不存在的物体的全息图，因而具有独特的优点和极大的灵活性。从光学发展的历史来看，计算全息首次将计算机引入光学处理领域，计算全息图成为数字信息和光学信息之间有效的联系环节，为光学和计算机科学的全面结合拉开了序幕。在记录物理上不存在的实物时，只要知道该物体的数学表达式就可能用计算全息记录下这个物体的光波，并再现该物体的像。这种性质非常适宜于信息处理中空间滤波的合成，干涉计量中产生特殊的参考波面，三维虚构物理的显示等，如图3、图4所示。与光学全息相比，计算全息技术的优点是不需要高精度的干涉光路、可记录虚拟物体、再现精度高、抗干扰能力强、噪声小、易于复制等优点。
计算全息的制作和再现过程分为采集、抽样、计算、编码、存储与再现六个环节。
1)采集：采集物体发光信息。对于实际的物体(二维、三维均可)可采用扫描方式记录物体光波复振幅函数；对于虚拟物体(二维、三维均可)可将物体光波复振幅函数直接输入计算机。
2)抽样：用抽样定理将物函数离散化，得到物体光波波面在离散点上的值，其抽样单元数不超过物的空间带宽积。
3)计算：将抽样所得的物体光波波面离散点数据与参考光波波面离散点数据代入公式(1)～(7)，计算物光波数据与参考光波数据在全息平面上的干涉光场分布，便可得到计算全息图的图案。
4)编码：把全息平面上的光波复振幅分布编码成全息图的反射率变化。
5)存储：在计算机控制下，将全息图的反射率变化在绘图设备(如打印机、绘图仪等)上绘图。
6)再现：计算全息的再现与光学全息的再现无本质区别，直接用再现光照射计算全息图即可实现。
但计算全息技术在工程化及产业化过程中遇到了两大技术难点：一是计算全息技术记录在存储介质上的图案信息是光强幅度调制信息，即反射式计算全息图的图案是反光区域与不反光区域交替出现的微观结构，光强衍射效率约为50％，再现物的图案亮度很低；二是计算全息图的制作是利用打印机在胶片上打印出黑白交替的条纹图案，加工精度不高，且无法在硬币上打印出反射式的计算全息图。计算全息技术的缺陷导致该技术在20世纪70年代到80年代间的十年中未得到发展与应用，该技术停滞不前。也就是说，上述的“环节5)存储”是无法用计算全息技术实现的。
第四步：硬币表面微浮雕二元光学全息图的设计，将计算全息图转化为二元光学表面微浮雕结构。
80年代中期，美国MIT林肯实验室率先提出“二元光学”的概念。指出衍射光学元件的表面带有浮雕结构，由于使用本来属于制作集成电路的生产方法，所用的掩模是二元的(微观的凸起和凹陷结构)，且掩模用二元编码形式进行分层，故引出了二元光学的概念。二元光学是指依据光波的衍射理论，利用计算机辅助设计，并用超大规模集成电路制作工艺，在片基上(或传统光学器件表面)刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，形成纯相位、同轴再现、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件的一个新兴学科。它是光学与微电子学相互渗透与交叉的前沿学科。二元光学不仅在变革常规光学元件、变革传统光学技术上具有创新意义，而且能够实现传统光学许多难以达到的目的和功能，因而被誉为“90年代的光学”。它的出现给传统光学设计理论及加技术带来一次革命。
图7所示为折射透镜到二元光学表面浮雕透镜的演变原理，将折射透镜沿垂直方向按照光波波长间隔切分成若干局部表面后叠放在一起可形成连续浮雕衍射透镜，然而连续浮雕衍射透镜是无法加工出来的，需要将其量化成多台阶浮雕二元光学透镜，再利用二元光学的加工技术进行制作加工。
二元光学加工技术可解决第三步的“环节5)存储”所遇到的问题，实现计算全息图的存储，并把计算全息图加工在硬币表面。当多台阶浮雕二元光学表面为反射面时，浮雕表面的所有位置对光的反射率均是一样的，对于光泽的金属硬币的浮雕表面，可认为是100％的反射率。
根据公式(7)可知，当相位差Δφ(x，y)的绝对值从0逐渐增大到π/2时，再现光的光强会从最亮逐渐变为最暗。根据余弦函数的周期性质可知，将相位差Δφ(x，y)的数值除以π/2后取余数所得的数值Δφ′(x，y)作为相位差，即Δφ(x，y)＝Δφ′(x，y)。
在公式(7)中，令再现光波的初始相位为0，当相位差Δφ′(x，y)为最小值0时，rH为最大值1；当相位差Δφ′(x，y)为最大值π/2时，rH为最小值0。总体说来，本步骤包含如下4个环节：
环节1)根据公式(7)计算出硬币表面微浮雕结构的光波复振幅反射率函数；
环节2)将公式(7)的相位差Δφ(x，y)的数值除以π/2后取余数所得的数值Δφ′(x，y)替换公式(7)的Δφ(x，y)的数值，使得到相位值Δφ′(x，y)∈[0，π/2]；
环节3)将Δφ′(x，y)进行量化，2级量化的相位值集合为{0，π/2}，4级量化的相位值集合为{0，π/6，π/3，π/2}，8级量化的相位值集合为{0，π/14，π/7，3π/14，2π/7，5π/14，3π/7，π/2}，依次类推，n级量化的相位值集合含有n个元素且元素值为{0，π/2(n-1)，π/(n-1)，3π/2(n-1)，2π/(n-1)，…，π/2}。当选择了量化级数后，将公式(7)中的rH(x，y)在各个(x，y)坐标位置的Δφ′(x，y)值按照四舍五入原则转化为该量化级数相位值集合中的元素值。
环节4)将Δφ′(x，y)的量化值转化为硬币的表面刻蚀深度。再现光线照射到硬币表面浮雕结构不同位置处反射后的光路图如图8所示，第一光线1照射在硬币表面浮雕结构最低的凹陷部位3后反射，第二光线2照射在硬币浮雕结构最高的凸起部位4后反射，则被硬币表面浮雕结构最低的凹陷部位3与被硬币浮雕结构最高的凸起部位4反射的光线的光程差为π/2，则硬币浮雕结构最低的凹陷部位3反射第一光线1出现暗斑，因此图8所示浮雕反射结构的最低的凹陷部位与最高的凸起部位的相位差为π/4。由于光波长λ对应的相位为2π，所以，图8所示结构的最高点与最低点的高度差为λ/8，其中λ为参考光与再现光的波长。
所以，2级量化的相位值集合为{0，π/2}，对应的硬币的表面刻蚀深度值集合为{0，λ/8}；4级量化的相位值集合为{0，π/6，π/3，π/2}，对应的硬币的表面刻蚀深度值集合为{0，λ/24，λ/12，λ/8}；8级量化的相位值集合为{0，π/14，π/7，3π/14，2π/7，5π/14，3π/7，π/2}，对应的硬币的表面刻蚀深度值集合为{0，λ/56，λ/28，3λ/56，λ/14，5λ/56，3λ/28，λ/8}，依次类推，n级量化的相位值集合含有n个元素，元素值为{0，π/2(n-1)，π/(n-1)，3π/2(n-1)，2π/(n-1)，…，π/2}，对应的硬币的表面刻蚀深度值集合为{0，λ/8(n-1)，λ/4(n-1)，3λ/8(n-1)，λ/2(n-1)，…，λ/8}。
第五步：模具钢表面微浮雕结构的设计。
由于在硬币的生产过程中，硬币的图案是由模具钢的图案压制成的，所以模具钢图案的凹凸结构是与硬币的图案相反的。可将第四步设计出的硬币全息图的凹凸结构颠倒。
在此基础上，还需考虑模具钢压制硬币时，硬币微观结构的弹性应力形变。为了保证能够在硬币上压制出所设计的衍射防伪图案，还需对模具钢表面凹凸结构的深度与宽度进行微调补偿。
第六步：模具钢表面微浮雕结构的加工技术，阐述了加工技术的三个主要环节。
模具钢表面的凹凸结构需要采用二元光学加工技术，二元光学加工技术主要包含光刻掩模板的加工、紫外光刻技术及刻蚀的加工技术3个环节。
图9为单台阶掩模紫外光刻加工技术的原理图。在含有二元光学全息图案掩模板的遮挡下对涂有光刻胶的模具钢表面进行紫外曝光，紫外光透光掩模板的透光部分对基片上的光刻胶进行曝光，曝光后的光刻胶会在显影过程中溶解在显影液中，从而使得相应区域的基片(模具钢)裸露出来。而被掩模板遮挡住的光刻胶不会被曝光，因而不会溶解在显影液中。对显影后的含有部分光刻胶的基片进行刻蚀，将基片裸露部分刻蚀到设计的深度后去掉残留的光刻胶，这样便可在模具钢表面刻蚀出所需的二元全息微观图案。
若需要制作出四台阶、八台阶结构的模具钢表面微浮雕结构，需要用成套的掩模板重复进行曝光、显影、刻蚀操作，如图10所示。以下针光刻掩模板的加工、紫外光刻技术及刻蚀的加工技术这3个环节详细展开介绍。
1)光刻掩模板的加工技术
如图11所示，光刻掩模板可用电子束图形发生器直接曝光生成二元光学全息图案。首先在计算机内绘制掩模图形，并按一定的数据格式存入数据文件，然后由图形发生器转换成控制电子束偏转和位移的量，并驱动电子束对铬和抗蚀层基片表面曝光，经过显影后在抗蚀层上形成掩模图案。再用溶液去掉未被抗蚀层保护的铬层及残留抗蚀层，最后形成黑(有铬区域)白(无铬层区域)图案的掩模板。
2)紫外光刻技术
紫外光刻技术是指在光刻掩模板的遮挡下对涂有光刻胶的模具钢表面进行紫外曝光，显影后在基片上形成所需要的光刻胶表面浮雕结构。曝光的方式主要有接触式曝光、接近式曝光、投影曝光三种。
接触式曝光是使用的最早和最广泛的曝光方式。该方法设备简单、生产效率高。这种方法的缺点是掩模和光刻胶面的直接接触造成对光刻胶面和掩模板的损伤和玷污，降低了掩模的使用寿命。接触式曝光需要操作人员在显微镜下观察和对准并使基片和掩模紧贴，曝光精度受到曝光系统和操作者熟练程度的影响。
接近式曝光是在接触式曝光的基础上发展而来的。这种方法是使光刻掩模与加工基片表面保持很近的距离，利用高度平行的平行光来进行曝光。接近式曝光解决了掩模板和光刻胶面紧贴造成的损伤和玷污问题，提高了光刻胶的抗蚀能力和掩模板的使用寿命。这种方法的缺点使是浮雕图案的分辨率和精度有所下降。
投影光刻属于非接触曝光系统。光源发出的光经聚光系统照射掩模板，所得的像用光学投影的方法通过物镜系统聚焦于基片表面的光刻胶上，使其曝光。投影光刻分为等倍投影和缩小投影两种。其中，等倍投影曝光系统虽然克服了接触曝光中掩模板和胶膜表面摩擦的缺点，但在工艺上尚存在许多问题。例如，有效曝光面积小，分辨率也不高，光路长和有效景深浅等。缩小投影曝光系统是对等倍投影曝光系统的改进。它具有许多优点：
A)掩模板尺寸可以比实际尺寸大的多，因而避免了小图形制板的困难；
B)并且也因此易于对准，对准精度很高；
C)消除了由于掩模板图形线宽过小而产生的光衍射效应；
D)同时光能集中，曝光时间短，所生成的图形的对比度高。
鉴于投影光刻技术的优点，本发明采用投影光刻技术对模具钢表面二元光学全息图案的光刻胶浮雕结构进行加工。
3)二元光学表面微浮雕结构的刻蚀技术
在经过涂胶、曝光及显影后，已经在模具钢表面上形成一层图案化的光刻胶表面微浮雕二元光学全息图掩膜。然后需要通过刻蚀技术把光刻胶的掩膜图案转移到模具钢表面，形成微浮雕二元光学全息图结构。这一过程主要包括刻蚀、去胶和检测。刻蚀就是把基片上没有被光刻胶覆盖的模具钢表面刻蚀掉，而使有光刻胶的遮蔽的模具钢区域保存下来。这样便在模具钢表面得到所需要的微浮雕二元光学全息图结构，这是整个微光学元件加工过程中非常重要的一个环节。为了得到良好的面形可采用离子束刻蚀及反应离子刻蚀技术，以获得较高的刻蚀分辨率和良好的刻蚀面形。
离子束刻蚀是指使用高能惰性气体离子束轰击元件表面，从而使元件表面被刻蚀，为纯物理过程，是以离子与材料原子进行动量交换为机理。通过离子撞击材料表面及材料原子和原子间的级联碰撞过程，离子将其携带的动量或能量转移给材料原子，打破原子间的结合和产生活化原子的动量矢量反转，形成材料原子的物理溅射。一个入射离子轰击材料表面的作用范围约为10-20cm3，作用时间约为10-12秒，通常各种材料原子键合力约为1～3eV。因此，离子束刻蚀是对材料原子层连续去除的过程。
至此，本发明所述的具有表面微浮雕结构的硬币及其压制模具的全息防伪方法已全部阐述完毕，下面针对本发明的产业化问题进行补充说明。
补充说明一：通过试验完善优化工艺，阐述了生产实践对表面微浮雕二元光学全息结构的优化思路。
通过算法的优化与提升，使其适合于金属材料，达到光学设计与金属材质的最佳匹配；通过试验结果的积累、分析研究，根据试验效果调整加工参数，对设计加工工艺进行优化、完善。
首先，模具钢表面精细图案结构的设计要充分考虑到刻蚀加工技术的可行性。由于模具钢硬度高，不宜刻蚀，所需的刻蚀时间很长，在其表面加工出微米量级尺度的微观结构非常困难，微观结构的边缘容易在长时间的刻蚀操作中遭到破坏。因此，在模具钢表面精细图案结构的优化过程中，要尽量保证凸起结构的宽度足够大，以提高凸起部分的耐刻蚀性，防止凸起结构在刻蚀过程中遭到破坏。
其次，要充分考虑模具钢压缩硬币时微观结构的弹性形变量。当模具钢表面挤压硬币表面时，硬币表面会产生弹性形变，当硬币与模具钢分离后，硬币的弹性形变部分释放会产生硬币表面微观结构改变，使得压制后的硬币表面图案与模具钢表面图案无法完全符合。因此，需要通过大量实验，对模具钢的图案结构进行修正，以补偿硬币表面在压缩过程中产生的弹性形变。
补充说明二：模具钢表面微浮雕二元光学全息图案结构耐印量的提升，阐述了提高模具钢表面微浮雕印章耐印量的方法。
通过改进光学设计，刻蚀后处理工艺等技术措施，提高耐印量，为应用于铜合金精制币筑牢技术基础，此项研究具有重要的实际意义。
模具钢表面精细图案结构对硬币反复压制后，精细图案结构的边缘会出现钝化现象，从而导致后续压制出的硬币表面精细图案结构的退化。通过进一步的矢量衍射理论优化分析与设计，设计出耐磨损的模具钢表面精细图案结构具有重要的实际意义。通过大量的实验验证各种结构的耐印量，总结出实用可靠的模具钢表面精细图案结构设计与加工技术。
补充说明三：模具钢表面微浮雕二元光学全息图案结构的产业化途径，阐述了本技术产业化涉及的问题及处理方法。
确定最佳加工参数，形成成熟的工艺步骤和技术路线，减少废品，稳定产品性能，实现该项目的技术要求。
通过理论研究与优化设计得到几种能够在硬币上压制出防伪微浮雕结构的模具钢表面精细图案结构，通过大量实验验证这几种微观结构的加工精度，总结出一系列标准化加工流程、加工参数。
此外，对几种模具钢微观结构进行耐印量测试，挑选耐印量最大的结构制定产业化标准，实现模具钢表面精细图案结构的产业化。

Claims (4)

1.一种具有表面微浮雕结构的硬币压制模具的全息防伪方法，其特征在于所述方法步骤如下：
第一步、硬币表面光学全息图的记录过程：
物体发出的光波与参考光波叠加以后干涉图样的强度转化为硬币表面微浮雕结构的复振幅反射率，计算公式如下：
r H ( x , y ) = I r ( x , y ) + I o ( x , y ) + 2 I r ( x , y ) · I o ( x , y ) cos [ φ r ( x , y ) - φ o ( x , y ) ] = I r ( x , y ) + I o ( x , y ) + 2 I r ( x , y ) · I o ( x , y ) cos [ Δ φ ( x , y ) ]
rH(x，y)为硬币表面微浮雕结构的反射率函数，Ir(x，y)和Io(x，y)分别为参考波和物体光波在Z＝z平面的强度；
第二步、硬币表面光学全息图的再现过程：
用原参考光及共轭参考光照射硬币表面微浮雕结构时，分别在不同的角度得到原物的虚像和实像，其中：
用原参考光照射到硬币表面微浮雕结构后得到的衍射光场表达式：
U ′ ( x , y ) = r z ( o z 2 + r z 2 ) · exp ( iφ r ) + r z 2 o z · exp ( iφ o ) + r z 2 o z · exp [ - i ( φ o - 2 φ r ) ] ,
式中的第一项为再现光的0级衍射光，不包含记录物的信息；第二项为再现光的+1级衍射光，可显示出物的虚像，第三项为再现光的-1级衍射光，可显示出物的畸变共轭实像；
用共轭参考光照射到全息图后得到的衍射光场表达式：
U ′ ( x , y ) = r z ( o z 2 + r z 2 ) · exp ( - iφ r ) + r z 2 o z · exp [ i ( φ o - 2 φ r ) ] + r z 2 o z · exp ( - iφ o ) ,
式中的第一项为再现光的0级衍射光，不包含记录物的信息；第二项为再现光的+1级衍射光，可显示出物的畸变虚像，第三项为再现光的-1级衍射光，可显示出物的赝实像，该赝实像的相位与物的相位互为相反数；
第三步、硬币表面计算全息图的数值计算：
将第一步记录的光学全息图用计算全息图的方法得到数值结果；
第四步：硬币表面微浮雕二元光学全息图的设计，将计算全息图转化为二元光学表面微浮雕结构；
第五步：根据硬币表面微浮雕二元光学全息结构确定模具钢表面微浮雕结构；
第六步、采用二元光学加工方法对模具钢表面微浮雕结构进行加工。
2.根据权利要求1所述的具有表面微浮雕结构的硬币压制模具的全息防伪方法，其特征在于所述步骤三中，计算全息的制作和再现过程分为采集、抽样、计算、编码、存储与再现六个环节。
3.根据权利要求1所述的具有表面微浮雕结构的硬币压制模具的全息防伪方法，其特征在于所述步骤四中，包含以下4个环节：
环节1)根据硬币表面微浮雕结构的复振幅反射率计算公式计算出硬币表面微浮雕结构的光波复振幅反射率函数；
环节2)根据硬币表面微浮雕结构的复振幅反射率计算公式中的相位差Δφ(x，y)的数值除以π/2后取余数所得的数值Δφ′(x，y)并替换Δφ(x，y)的数值，使得到相位值Δφ′(x，y)∈[0，π/2]；
环节3)将Δφ′(x，y)进行量化，2级量化的相位值集合为{0，π/2}，4级量化的相位值集合为{0，π/6，π/3，π/2}，8级量化的相位值集合为{0，π/14，π/7，3π/14，2π/7，5π/14，3π/7，π/2}，依次类推，n级量化的相位值集合含有n个元素且元素值为{0，π/2(n-1)，π/(n-1)，3π/2(n-1)，2π/(n-1)，…，π/2}；当选择了量化级数后，将复振幅反射率计算公式中的rH(x，y)在各个(x，y)坐标位置的Δφ′(x，y)值按照四舍五入原则转化为该量化级数相位值集合中的元素值；
环节4)将Δφ′(x，y)的量化值转化为硬币的表面刻蚀深度：2级量化的相位值集合为{0，π/2}，对应的硬币的表面刻蚀深度值集合为{0，λ/8}；4级量化的相位值集合为{0，π/6，π/3，π/2}，对应的硬币的表面刻蚀深度值集合为{0，λ/24，λ/12，λ/8}；8级量化的相位值集合为{0，π/14，π/7，3π/14，2π/7，5π/14，3π/7，π/2}，对应的硬币的表面刻蚀深度值集合为{0，λ/56，λ/28，3λ/56，λ/14，5λ/56，3λ/28，λ/8}，依次类推，n级量化的相位值集合含有n个元素，元素值为{0，π/2(n-1)，π/(n-1)，3π/2(n-1)，2π/(n-1)，…，π/2}，对应的硬币的表面刻蚀深度值集合为{0，λ/8(n-1)，λ/4(n-1)，3λ/8(n-1)，λ/2(n-1)，…，λ/8}，其中λ为参考光与再现光的波长。
4.根据权利要求1所述的具有表面微浮雕结构的硬币压制模具的全息防伪方法，其特征在于所述步骤六中，二元光学加工主要包含光刻掩模板的加工、紫外光刻技术及刻蚀的加工技术3个环节。
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