CN111751918A - 微结构衍射薄片及制备，包含微结构衍射薄片的防伪装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微结构衍射薄片的制备方法，属于防伪技术领域。包括：1)选取显示图案的静态图片；2)模拟激光光源通过衍射屏后的光线传播过程，利用傅立叶迭代得到衍射屏的位相分布；3)将得到的位相分布作为区域1的微结构；4)重复上述步骤1)‑3)，得到不同图案对应的位相分布作为区域2、区域3...区域N的微结构；5)按图案的动态显示过程将微结构拼接起来；采用精密微结构成形方法将微结构转移到柔性薄片上。本发明还提供包括所述微结构衍射薄片的防伪装置。微结构衍射薄片可以对入射光波进行调制，得到理想的光场分布，将其弯曲形成的圆柱状，并通过中心转轴带动衍射屏转动，从而投影出不同的图案，实现图像的动态显示。

Description

微结构衍射薄片及制备，包含微结构衍射薄片的防伪装置

技术领域

本发明属于防伪技术领域，具体为一种微结构衍射薄片及制备，包含微结构衍射薄片的防伪装置。

背景技术

近年来随着光电产业的蓬勃发展，激光的应用领域日趋广泛，对于光束控制的需求也日益扩大。由于衍射光学元件(Diffractive Optical Elements，DOE)具有厚度薄、重量轻、易于复制等诸多有点，目前已经成为光束控制领域的一个研究热点。利用衍射光学元件进行激光束的光场控制原理是基于光波的衍射理论，采用计算机辅助设计，并结合超大规模集成电路制作工艺，在基片上刻蚀产生两个或多个的台阶深度的浮雕结构。

衍射光学元件有着许多传统光学元件所不具备的优点：⑴高衍射效率：衍射光学元件是一种纯相位调制的光学元件，为了得到高的衍射效率，可以做成多相位阶数浮雕结构。当相位阶数为2、4、8、16时，对应的衍射效率分别为40.5％、81％、94.9％、98.6％。利用亚波长微结构及连续面形可达到接近100％的效率。⑵更多的设计自由度：在传统的折射光学系统中只能通过改变曲面的曲率或者使用不同的光学材料矫正像差。而在衍射光学元件设计中，则可以通过波带片的位置、槽宽、槽深及槽型结构的改变产生任意波面，大大增加的设计变量，从而能设计出传统光学系统不具备的全新功能光学元件。⑶宽广的材料可选性：衍射光学元件是将浮雕面形转移至玻璃、电介质过金属基底上，可用材料范围大；此外，在传统光电系统材料的选取中，一些红外材料如ZnSe和Si等，由于它们有一些不理想的光学特性，故经常被限制使用，而衍射光学则可利用它们并在相当宽广的波段做到消色差。

正是由于衍射光学元件具有以上特征，其可以被应用于防伪显示领域，实现裸眼动态显示功能。由于衍射屏的位相分布复杂，需要专业人员借助计算机经过数小时的计算才能得到一幅图像对应的微结构，并且其制备过程需要精密的微加工仪器和成熟的工艺参数才能保证微结构的准确成形，因此其具有较好的防伪效果，普通人难以对其进行模仿和仿造。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微结构衍射薄片及其制备方法，微结构衍射薄片作为一个衍射屏，可以对入射光波进行调制，从而得到理想的光场分布，将其弯曲形成的圆柱状，并通过中心转轴带动衍射屏转动，从而投影出不同的图案，实现图像的动态显示。

本发明目的通过以下技术方案来实现：

一种微结构衍射薄片的制备方法，包括微结构衍射薄片的设计和微结构衍射薄片的制备：

所述微结构衍射薄片的设计包括：

1)选取想要得到的显示图案的静态图片；

2)模拟激光光源通过衍射屏后的光线传播过程，并利用傅立叶迭代得到衍射屏的位相分布；

3)将得到的位相分布作为区域1的微结构；

4)重复上述步骤1)-3)，得到不同图案对应的位相分布作为区域2、区域3...区域N的微结构；

5)按图案的动态显示过程将得到的微结构拼接起来；

所述微结构衍射薄片的制备为采用精密微结构成形方法将微结构转移到柔性薄片上。

一种微结构衍射薄片的制备方法，所述微结构衍射薄片上微结构高度为0.1μm-2μm；所述静态图片的格式为BMP。

进一步，所述精密微结构成形方法为光学光刻、激光直写、电子束直写、纳米压印中的一种。

进一步，所述柔性薄片为反射材料或透射材料。

进一步，所述反射材料为镍、银、铝中的一种或几种；所述透射材料为将微结构压印到透明材料上实现光线透射，其中透明材料为PET、PVC、PMMA中的一种或几种。

本发明防伪装置有两种可实现的光路方式：反射式和透射式。当采用反射光路时，柔性薄片材料为反射材料；当采用透射光路时，柔性薄片材料为透射材料。实施例1和2也是分别介绍的反射式和透射式，前面制备步骤类似，透射式会在最后把微结构做压印到透明材料上面实现光线透射。

一种微结构衍射薄片，采用上述所述的方法制备得到。

一种微结构衍射薄片的应用，所述微结构衍射薄片在防伪中的应用。

一种防伪装置，包括微结构衍射薄片，转轴，激光器和图像接收屏，所述转轴位于微结构衍射薄片弯曲形成的圆柱状中心，激光器作为光源，光投射到微结构衍射薄片上，经过微结构衍射薄片再投射到图像接收屏。

进一步，所述激光器发射出光的波长为380nm-760nm。

进一步，所述防伪装置的光学系统采用反射式光路和透射式光路。

进一步，所述防伪装置中微结构衍射薄片的单元像素的尺寸宽度为0.8μm-3μm。利用傅立叶变换计算得到的微结构衍射薄片上的相位，或者说图片，是由一系列矩形像素组成的，每个像素的尺寸大小在0.8μm-3μm之间，像素尺寸越小最终得到的衍射图像越清楚，其最小值也受到加工条件的影响。

所述微结构衍射薄片的制备过程如下：

1)将得到的位相分布制备为光刻掩模图形，得到掩模板；

2)在玻璃基底上旋涂光刻胶：向基底中心滴光刻胶，直至光刻胶面积占玻璃基底面积的五分之一到六分之一，低速旋转使光刻胶在基底表面展开，高转速匀胶达到预期的成膜厚度；

进一步，所述光刻胶为AZ1500；所述低速旋转转速为1500-2000rad/min，时间为10-15s；所述高转速为3500-4500rad/min，时间为25-30s。

3)利用接触式静态曝光在光刻胶上得到所需的位相分布，并对曝光后的图形进行显影；

进一步，所述显影温度为22-28℃，时间为30-40s。

4)制备位相微结构的镍板：利用光刻胶上的位相结构为基底进行微电铸，从而得到位相微结构的镍板；

5)利用得到的镍板作为压印模版，以柔性薄片作为基底，在柔性薄片上压印微结构，即可得到微结构衍射薄片。

进一步，微电铸电源工作模式为恒电流方式，电铸添加剂为表面活性剂十二烷基硫酸钠。另外，电流密度对沉积形貌的粗糙度有着显著的影响，过高会增加吸氢反应所形成的气孔等缺陷，过低会延长电铸的沉积时间，本领域技术人员可以根据实际情况对微电铸电源，电流密度等进行设定。

防伪装置的形成：将微结构衍射薄片弯曲成卷状，并根据光路对各部件进行设置，形成防伪装置光路系统。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明制备得到的微结构衍射薄片质量轻、厚度薄、具有韧性，可以根据需要将其进行弯曲和折叠，整体结构可以设计得非常轻便。在将微结构薄片弯曲成一个环形后，可以通过配合转轴带动旋转而投射出不断变化的图案。

本发明制备得到的微结构衍射薄片还可以用于酒瓶或饮料瓶包装，瓶盖侧壁，以及一系列圆柱形的物体表面，作为一种防伪标识。

基于转轴的转动，本发明防伪装置能够实现类似电影的动态图案，例如行走的人像，跳跃的兔子，变化的手势等。

附图说明

图1为实施例1防伪装置光路系统；

图2为待显示图形1；

图3为待显示图形1对应的微结构衍射薄片的位相分布示意图；

图4为待显示图形2；

图5为整个微结构薄片上的不同区域的位相分布示意图；

图6为实施例2防伪装置光路系统；

附图标记：1-微结构衍射薄片，2-微结构，3-转轴，4-激光器，5-图像接收屏。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例防伪装置采用的是反射式光路，光路系统如图1所示，包括微结构衍射薄片1，转轴3，激光器4和图像接收屏5，所述转轴3位于微结构衍射薄片1弯曲形成的圆柱状中心，激光器4作为光源，光投射到微结构衍射薄片1上，经过微结构衍射薄片再投射到图像接收屏5。其中，微结构衍射薄片1上设置有微结构2。光路系统采用的是反射式光路，采用波长为632nm的激光器光源。

微结构衍射薄片的设计过程如下：

选择待显示的图案1，如图2所示，利用MATLAB软件模拟激光光源通过衍射屏后的光线传播过程，并利用傅立叶迭代算法得到衍射屏的位相分布，结果如图3所示，将得到的位相分布作为区域1的微结构。接着选择待显示的图案2，如图4所示，用同样的方法得到其对应的衍射屏位相分布，并作为区域2的微结构。得到的微结构衍射屏的图像是黑白像素组成的图像，黑色表示不透光像素，白色表示透光像素。根据图案的动态显示过程，将两个相位分布拼接在一起排布，得到一个包含两种图案的完整相位分布，如图5所示。

微结构衍射薄片及防伪装置的制备过程如下：

1、将位相分布制备为光刻掩模图形，得到掩模板。

2、在玻璃基底上旋涂光刻胶，采用的光刻胶为AZ1500。向基底中心滴光刻胶，直至光刻胶面积占玻璃基底面积的五分之一到六分之一为止，再通过低速旋转使光刻胶在基底表面展开，其低转速为1500rad/min，时间为10s，最后通过高转速匀胶达到预期的成膜厚度，其高转速为4000rad/min，时间为25s。

3、利用接触式静态曝光在光刻胶材料上得到所需的位相分布。

4、对曝光后的图形进行显影，温度24℃，时间为35s。

5、制备位相微结构的镍板：利用上一步中制作在光刻胶上的位相结构为基底进行微电铸，从而得到位相微结构的镍板。电铸电源工作模式为恒电流方式，电铸添加剂为表面活性剂十二烷基硫酸钠。另外，电流密度对沉积形貌的粗糙度有着显著的影响，过高会增加吸氢反应所形成的气孔等缺陷，过低会延长电铸的沉积时间，本实施例在1A/dm²的平均电流密度下进行，此时的面形粗糙度远小于可见波长。

6、将位相微结构镍板弯曲成卷状，并根据光路对各部件进行设置，形成防伪装置光路系统。

本实施例防伪装置中，随着转轴的转动，可以看到两个设计的人形图像交替出现。当转轴转速达到一定值时，显示的图像给人一种人在行走的感觉，即所谓的动态视觉效果。

实施例2

本实施例中的防伪装置采用的是透射式光路，系统光路如图6所示，包括微结构衍射薄片1，转轴3，激光器4和图像接收屏5，所述转轴3位于微结构衍射薄片1弯曲形成的圆柱状中心，激光器4作为光源，光投射到微结构衍射薄片1上，经过微结构衍射薄片再投射到图像接收屏5。其中，微结构衍射薄片1上设置有微结构2。光路系统采用的是透射式光路，采用波长为532nm的激光器光源。

选择待显示的图案1，如图2所示，利用MATLAB软件模拟激光光源通过衍射屏后的光线传播过程，并利用傅立叶迭代算法得到衍射屏的位相分布，结果如图3所示，将得到的位相分布作为区域1的微结构。接着选择待显示的图案2，如图4所示，用同样的方法得到其对应的衍射屏位相分布，并作为区域2的微结构。得到的微结构衍射屏的图像是黑白像素组成的图像，黑色表示不透光像素，白色表示透光像素。根据图案的动态显示过程，将两个相位分布靠在一起排布，得到一个包含两种图案的完整相位分布，如图5所示。

透射式微结构衍射薄片的设计过程与实施例1中相同，不同的是其材料的选择和制备方法，透射式微结构衍射薄片的制备过程如下：

1、将位相分布制备为光刻掩模图形，得到掩模板。

2、在玻璃基底上旋涂光刻胶，采用的光刻胶为AZ1500。向基底中心滴光刻胶，直至光刻胶面积占玻璃基底面积的五分之一到六分之一为止，再通过低速旋转使光刻胶在基底表面展开，其低转速为1500rad/min，时间为10s，最后通过高转速匀胶达到预期的成膜厚度，其高转速为4000rad/min，时间为25s。

3、利用接触式静态曝光在光刻胶材料上得到所需的位相分布。

4、对曝光后的图形进行显影，温度24℃，时间为35s。

5、制备位相微结构的镍板：利用上一步中制作在光刻胶上的位相结构为基底进行微电铸，从而得到位相微结构的镍板。电铸电源工作模式为恒电流方式，电铸添加剂为表面活性剂十二烷基硫酸钠。另外，电流密度对沉积形貌的粗糙度有着显著的影响，过高会增加吸氢反应所形成的气孔等缺陷，过低会延长电铸的沉积时间，本实施例在1A/dm2的平均电流密度下进行，此时的面形粗糙度远小于可见波长。

6、利用得到的镍板作为压印模版，选择PET材料薄膜作为基底，在PET上压印微结构，压印材料为紫外光固化胶。

7、将得到的微结构薄膜弯曲成卷状，并按照图6所示的系统光路进行设置。

本实施例防伪装置中，随着转轴的转动，可以看到两个设计的人形图像交替出现。当转轴转速达到一定值时，显示的图像给人一种人在行走的感觉，即所谓的动态视觉效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微结构衍射薄片的制备方法，其特征在于，包括微结构衍射薄片的设计和微结构衍射薄片的制备：

所述微结构衍射薄片的设计包括：

1)选取想要得到的显示图案的静态图片；

2)模拟激光光源通过衍射屏后的光线传播过程，并利用傅立叶迭代得到衍射屏的位相分布；

3)将得到的位相分布作为区域1的微结构；

4)重复上述步骤1)-3)，得到不同图案对应的位相分布作为区域2、区域3...区域N的微结构；

5)按图案的动态显示过程将得到的微结构拼接起来；

所述微结构衍射薄片的制备为采用精密微结构成形方法将微结构转移到柔性薄片上。

2.如权利要求1所述一种微结构衍射薄片的制备方法，其特征在于，所述微结构衍射薄片上微结构高度为0.1μm—2μm；所述静态图片的格式为BMP。

3.如权利要求1所述一种微结构衍射薄片的制备方法，其特征在于，所述精密微结构成形方法为光学光刻、激光直写、电子束直写、纳米压印中的一种。

4.如权利要求1所述一种微结构衍射薄片的制备方法，其特征在于，所述柔性薄片为反射材料或透射材料。

5.如权利要求4所述一种微结构衍射薄片的制备方法，其特征在于，所述反射材料为镍、银、铝中的一种或几种；所述透射材料为将微结构压印到透明材料上实现光线透射，其中透明材料为PET、PVC、PMMA中的一种或几种。

6.一种微结构衍射薄片，其特征在于，采用上述权利要求1至5任一项所述的方法制备得到。

7.如权利要求6所述一种微结构衍射薄片的应用，其特征在于，所述微结构衍射薄片在防伪中的应用。

8.一种防伪装置，其特征在于，包括权利要求6的微结构衍射薄片，转轴，激光器和图像接收屏，所述转轴位于微结构衍射薄片弯曲形成的圆柱状中心，激光器作为光源，光投射到微结构衍射薄片上，经过微结构衍射薄片再投射到图像接收屏。

9.如权利要求8所述一种防伪装置，其特征在于，所述激光器发射出光的波长为380nm-760nm。

10.如权利要求8所述一种防伪装置，其特征在于，所述防伪装置的光学系统采用反射式光路和透射式光路。

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