CN1994178A - 一种激光全息金银币的制造方法及该方法制成的产品 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光全息金银币的制造方法，首先制作激光全息模具，再通过冷冲模方式将模具表面的全息微结构转移到金银币表面，形成激光全息金银币，其特征在于：所述激光全息模具采用冷作模具钢制作，表面硬度在洛氏硬度48～65HRC之间，在所述冷作模具钢的表面通过刻蚀方法制备所述全息微结构。本发明通过刻蚀方法制备激光全息模具，简化了工艺过程，可以批量制作全息金银币(章)，降低了成本。

Description

一种激光全息金银币的制造方法及该方法制成的产品

技术领域

本发明涉及一种贵金属硬币的防伪、装饰结构的制作方法，尤其涉及具有激光全息效果的金银币的防伪、装饰结构的制作方法，用于各种高档全息金银币(章)、金银工艺品、首饰的制造和防伪。

背景技术

由于贵金属价格与硬币面值不相称，加上其它工业的发展，金银货源相应不足，不再用作一般货币参与流通。而作为投资保值收藏的对象，各类精制金银纪念币(章)发展却极为迅速，随着科学技术的发展，金银纪念币(章)的铸造技术日益进步，工艺水平不断提高。

激光全息图像具有独特的光学效果，近几年被应用到金银纪念币(章)上，不但增加了纪念币(章)收藏价值，也大大增加了金银纪念币的防伪技术性能。

通常的制作方法是，先采用全息摄影技术、数码全息光刻技术或电子束(e-beam)光刻技术制作光刻胶全息模板，再经过电铸，得到全息金属镍模板；将金属镍模板适当裁切后，置于金属压铸机的框槽中，金属镍模板的下方是需要成型的金属币(章)，通过液压方式加压，在金属表面形成激光全息图像。或者，如中国发明专利CN1403308A中公开了一种在金属表面形成光学可变图像的方法，首先制备带有光学可变图像的工作片，工作片硬度为韦氏硬度100-480之间(实际即采用金属镍模板)，再通过金属冷模压方式，以5-200吨的压力冲压，将全息图像转移到金属币(章)表面。金属镍的硬度为100-480HV，采用冷冲模压方式时，如果镍模具板硬度选择太小，表面槽形容易发生变形，而硬度太大时，会导致韧性急剧下降，容易开裂。因此，通常选择镍的正常工作硬度为200HV，相对而言，纯金、银表面硬度约为30HV，因此，采用上述方法，模具的重复利用率较低，对批量制作全息金银币不具有可行性。

因而，寻求一种新的在贵金属硬币表面制作激光全息图像的方法，以适于贵金属硬币防伪和装饰的需求。

发明内容

本发明目的是提供一种新的将全息图像转移到金银币(章)表面，制作激光全息金银币的方法，实现批量制作，从而降低制作成本。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种激光全息金银币的制造方法，首先制作激光全息模具，再通过冷冲模方式将模具表面的全息微结构转移到金银币表面，形成激光全息金银币，所述激光全息模具采用冷作模具钢制作，表面硬度在洛氏硬度48～65HRC之间，在所述冷作模具钢的表面通过刻蚀方法制备所述全息微结构。

上述技术方案中，所述的刻蚀方法是指超过材料表面损伤阈值的刻蚀方法，并应当能产生精细的结构，以便通过控制在模具钢表面形成所需的全息微结构。

其中，优选的技术方案是，所述刻蚀方法是，采用大功率激光器在镜面冷作模具钢表面进行超过材料损伤阈值的光蚀，直接制作激光全息图像模具。

一般地，所述大功率激光器为紫外光输出的大功率二极管泵浦的固态激光器的三倍频351nm/355nm或四倍频263nm/266nm，单脉冲能量＞3mJ。

在实际操作时，需要选择高硬度、表面易抛光成镜面的冷作模具钢基材，首先将表面抛光成镜面，再进行刻蚀；刻蚀时，将激光束准直成平行光，经过光束整形器件、光阑及透镜后，由分束元件产生分束光束，再会聚到模具钢表面，形成亚微米结构的等离子体干涉光场，在模具钢工作板表面上进行超过材料损伤阈值的光蚀，形成具有微米、亚微米结构的激光全息图像。

也可以采用其它技术方案来实现刻蚀，例如，一种可选的技术方案是，在模具钢表面均匀涂布光致刻蚀剂，采用中功率激光器(单脉冲能量＞1mJ)，经过与上述方法类似的光路，会聚到光致刻蚀剂表面，进行干涉光刻，光蚀部分露底，再用感应等离子体(ICP)的反应刻蚀方法，在超硬金属材料上获得具有微米、亚微米结构的激光全息图像。

上述技术方案中，对金银币表面需要压印全息图像的区域预整平处理，以保证微结构不受横向拉力的挤压。

上述技术方案中，所述冷作模具钢表面的全息微结构的条纹深度在0.15～0.3微米之间。

所述的“全息微结构”是指构成“激光全息图像”的结构，“激光全息图像”是指象素点内有微结构调制的图像，如：一维光栅条纹、二维光栅条纹、定向散班分布条纹等。

冷压到金银币表面的全息图像是反射型全息图，仅当冷压深度h＝λ/4时，λ为照明光的中心波长，全息图像的衍射效果最高，效果最佳，一般h＝0.15-0.2um，因此，冷压前金银币表面的平整度误差应＜±0.05um。同时由于金银材料的延展性强，若直接在金银币表面冷压0.15-0.2um深的结构，微结构易受到横向拉力的挤压，导致变形，影响衍射效果。考虑到以上问题，在冷压前需要对金银币需要转移图像的区域进行预整平处理，所述预整平处理的方法是，先采用表面抛光成镜面的高硬度模具钢片，对需要处理的区域进行冷压，压力一般在10-50吨，优选30吨。

在将激光全息模具钢上图像以冷压方式转移到金银币表面时，所施加的压力一般在10-100吨，优选50吨。

上述方案中，所述模具厚度一般在1mm～10mm，优选4mm。

采用本发明的方法获得的至少一面带有全息微结构的金银币、金银章，也属于本发明要求保护的对象。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明通过刻蚀方法制备激光全息模具，改变了现有技术中采用光刻+电铸制备金银币的冷冲压模具的方式，一方面简化了工艺过程，另一方面，可以采用表面硬度高的冷作模具钢，模具硬度高，耐磨损，柔韧性好，代替金属镍激光图像模具工作板，可以批量制作全息金银币(章)，降低了成本。

2.本发明提出采用大功率二极管泵浦的固态激光光源，直接在超硬光滑模具钢表面进行光蚀，直接制作激光全息模具，可进一步简化工艺。

3.本发明模具钢表面获得激光图像的结构为0.5-10um的条纹，可产生彩虹、银色、亚纯色效果，同时具有立体、动态及加密效果。

附图说明

附图1是本发明实施例一中光蚀系统的光路结构示意图；

附图2是实施例一中获得的全息图像模具结构示意图；

附图3a是实施例二中表面涂布光致刻蚀剂的冷作模具钢示意图；

附图3b是实施例二中冷作模具钢上光致刻蚀剂被光刻后的示意图；

附图3c是实施例二中ICP离子刻蚀后的示意图；

附图3d是实施例二中去除光致刻蚀剂后的激光全息模具示意图；

附图4a-4c实施例二中冷冲模方式对金银币进行预整平处理示意图；

附图5实施例三中冷冲模压激光全息金银币示意图；

附图6制作的激光全息图像照片。

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：

实施例一：参见附图1和附图2所示，采用高功率激光光源直接在模具钢表面光蚀制作激光全息图像模具，准直大功率激光束经过整形光路后入射到分束元件，分束后的±1级光束经过聚焦准直透镜组，在模具钢表面形成干涉光场，由于模具钢表面聚焦的干涉点功率密度高，超过模具钢的损伤阈值，因此，模具钢表面形成光栅结构的点阵单元。调节激光器工作电流可以改变激光功率，从而可以控制光蚀深度。本方法采用单脉冲光束光蚀，脉宽为20-25ns，热效应不明显，不影响超硬模具钢表面质量。

本实施例的光蚀装置的光路结构示意图如附图1，包括：大功率二极管泵浦的固态激光器1(内置准直元件，351nm)，光束整形器2，透镜3、4，分束元件5，准直聚焦透镜组6、7，X-Y平台8，冷作模具钢被放置于X-Y平台上。

获得的模具表面微结构示意图见附图2，分束元件分出两束光的夹角不同，微结构的线宽d则不同，一般d＝0.5～10um。

本实施例中，在选择冷压模具材料时，需要考虑到模具的失效及模具的使用寿命。模具必须具有高耐磨性、高硬度、高柔韧性的特点。因此，通常可以选择的合金结构冷模具钢有：瑞典ASSB XW-10模具钢，经“淬火+回火”热处理后的工作硬度为62-65HRC，此钢材淬火变形及应力较小，适宜制造形状复杂的模具；瑞典ASSB S-136模具钢，其经过萃回火后硬度为48-54HRC，该钢材的硬度虽没有冷模具钢高，但其抛光性能出色，尤适合于激光干涉光蚀；还有德国布德鲁斯2083模具钢等。由于本实施例对模具钢直接进行光蚀，表面聚焦光点处温度较高，在选材是主要应考虑模具钢的温度特性。

上述方案方案一中，所述大功率激光光源采用二极管泵浦的固态激光器(DPSSL)的三倍频(351nm/355nm)或四倍频(263nm/266nm)，脉宽为20-25ns，单脉冲能量＞3mJ。

实施例二：参见附图3a-3d，一种采用“光刻+刻蚀”制作激光全息模具的方法，包括以下步骤：(1)在模具钢10表面涂布光致刻蚀剂9，如附图3a。(2)采用类似附图1所示装置结构，以中功率二极管泵浦的固态激光器(351nm)代替高功率激光器1，在光致刻蚀剂表面直接光刻出为微米结构条纹，曝光区的光致刻蚀剂被完全光蚀，如附图3b。由于刻蚀点功率远低于模具钢损伤阈值，对模具钢表面无影响。(3)采用感应等离子体(ICP)的反应刻蚀方法，刻蚀附图3b所示结构。无光致刻蚀剂处的模具钢被刻蚀，如附图3c所示。(4)再去除模具钢表面剩余光致刻蚀剂，可得到附图3d，即制得激光全息模具。

本实施例中，所述中功率激光光源采用二极管泵浦的固态激光器(DPSSL)的三倍频(351nm/355nm)或四倍频(263nm/266nm)，脉宽为20ns，单脉冲能量＞1mJ。

本实施例在选择模具钢时，需要考虑模具钢的抗蚀性能。

实施例三：为了提高全息图案的模压质量，在金银币表面获得高品质的全息图，本发明中采用冷冲压成形方式对金银币表面进行预整平处理。本领域普通技术人员可以理解冷压模方式。整平处理方法是用表面抛光成镜面的模具钢作为整平模具，冷冲压需要整平区域。将需要预处理的金银币放置在附图4a所示的模具内，图4a中11和12分别表示放置镜面模具钢的上模和下模，下模端有放置金银币的槽，将模具钢13的镜面正对金银币14上表面，上模下降，如附图4b所示。由于模具钢硬度(580-750HB)远大于金银硬度(30HB)，同时金银材料的延展性强，给上模施加一定压力后(优选30吨)，处理区域表面平整度大大提高，接近镜面，如附图4c中15所示。

实施例四：与实施例三的冷冲压方式相同，将全息图像转移到金银币表面。实施三中完成对上模的施压后，上模上升，取出镜面模具钢，将激光全息模具钢置于整平处理后的金银币上，模具工作板具有微结构条纹面正对金银表面，并对准工作区，参见附图5。对上模施加适当压力，压力为10-100吨(优选50吨)，可根据冷压深度进行调整。再将上模上升，取出全息模具钢工作板，即将模具钢表面的全息图案转移到金银币表面，如附图5中16。附图6是制作的激光全息图像。

在其他金银物品或金属材料物品制作全息图案方法相同，根据不同材料特性需进行压力调整。

Claims (6)

1.一种激光全息金银币的制造方法，首先制作激光全息模具，再通过冷冲模方式将模具表面的全息微结构转移到金银币表面，形成激光全息金银币，其特征在于：所述激光全息模具采用冷作模具钢制作，表面硬度在洛氏硬度48～65HRC之间，在所述冷作模具钢的表面通过刻蚀方法制备所述全息微结构。

2.根据权利要求1所述的激光全息金银币的制造方法，其特征在于：所述刻蚀方法是，采用大功率激光器在镜面冷作模具钢表面进行超过材料损伤阈值的光蚀，直接制作激光全息图像模具。

3.根据权利要求2所述的激光全息金银币的制造方法，其特征在于：所述大功率激光器为紫外光输出的大功率二极管泵浦的固态激光器的三倍频351nm/355nm或四倍频263nm/266nm，单脉冲能量＞3mJ。

4.根据权利要求1所述的激光全息金银币的制造方法，其特征在于：所述冷作模具钢表面的全息微结构的条纹深度在0.15～0.3微米之间。

5.采用权利要求1至4中任一方法所获得的至少一面带有全息微结构的金银币。

6.采用权利要求1至4中任一方法所获得的至少一面带有全息微结构的金银章。

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