JP2013514539A - 回折格子を使用して色パターンを生成する方法及びデバイス - Google Patents

Abstract

光照射を通して回折格子を用いて人間の眼に見える技術用途向けの色パターンを作成する方法において、ナノ秒範囲又はピコ秒若しくはフェムト秒範囲の少なくとも１つのレーザー装置によるレーザー微細構造化プロセスによって、固体表面上に回折格子アレイが直接生成される。各回折格子アレイは、長手方向寸法が眼の分解能力を下回る値を有する、スペクトル色を生成する限定された回折格子構造である少なくとも１つの画素８１、８２、８３を含む副領域８１で構成される。この色生成回折格子構造を固体表面に直接適用することによって、エンボス加工用具から宝石まで及ぶ多種多様な装飾及び認証の発展性が可能になる。

Description

本発明は、請求項１の前提部分による、回折格子を用いて色パターンを生成する方法及びデバイスに関するものである。定義上、用語「色パターン」は、特に人間の眼に色を生成する、表面に対するあらゆる種類の修正を包含する。生成される色は、排他的でなく広い意味で、回折格子に対応する多色光の回折によって作成される混合色である。色又は混合色はそれぞれ、構造体、標識、ロゴ、又は認証特徴（authentication features）としての特定の用途に現れることがある。

格子構造を用いたスペクトル色及び原色の生成、並びにしたがって混合色の生成は長年知られている。それらの代表的な実例として、国際公開第２００６／０６６７３１号、国際公開第９８／２３９７９号、又は欧州特許出願公開第０５８５９６６号明細書といった参考文献を引用してもよい。従来技術のこれら及び更に他の参考文献は全て、比較的軟質な合成基板にレーザー又は電子線リソグラフィを施すことによって格子構造が生成されるという共通点を有する。これらのリソグラフィ方法は、文献によって良く知られている格子構造を生成するのに、複数の部分的に複雑なプロセス工程を必要とする。

これは、楕円構造を開示している米国特許出願公開第２００６／００１８０２１号明細書による回折に基づく光回折格子構造にも当てはまる。

一方で高い審美的要件を満たすべきであり、他方では物品の認証に役立つべきである光学的特徴が使用される、多数の応用分野が知られている。かかる一連の用途は、例えば、一般にエンボス・ローラを用いてエンボス加工される、煙草、食品、又は薬品の包装フォイル、或いは、例えば時計のケース、ガラス若しくはサファイアの時計の蓋、又は硬貨の一部であってもよい装飾物の表面である。特に、包装フォイルでは、金属化層を更に削減するか又は完全に除外した場合、色付きパターンがより一層目立つことがある。前述のエンボス加工用具又は装飾物に関しては、構造化されるのは金属面であり、エンボス加工用具の場合は硬質材料層である。これは、例えば、本発明の出願人による国際公開第２００７／０１２２１５号に開示されている。

この背景において、本発明の１つの目的は、より高い回折強度及びより輝度の高いスペクトル色を有するとともに、エンボス・ローラ又はエンボス金型などのエンボス加工用具に、且つそれらから包装フォイル又は装飾物にまで適用される、色パターンを生成する格子構造を生成する方法及びデバイスを提供することである。この目的は、請求項１に記載の方法及び請求項１３に記載のデバイスによって達成される。

本発明を、例示的実施例の図面を参照して以下により詳細に説明する。

国際公開第２００６／０６６７３１号 国際公開第９８／２３９７９号 欧州特許出願公開第０５８５９６６号明細書 米国特許出願公開第２００６／００１８０２１号明細書 国際公開第２００７／０１２２１５号

固体表面に回折格子アレイを直接作成する、２つのレーザー装置を有する本発明によるデバイスの概略図である。 マスクとダイヤフラムの組み合わせを用いたレーザー光線強度成形を示す図である。 好ましいブレーズド格子構造を示す断面図である。 図３のブレーズド格子構造を作成するための第１のマスクを示す図である。 図３のブレーズド格子構造を作成するための第２のマスクを示す図である。 三角形の柱又は窪み状の断面を有する柱格子又はめくら穴格子（blind hole grating）の形態の別の回折格子を示す図である。 関連する色画素を備えた回折格子アレイを示す図である。 人間の眼では分解できない、複数の異なる色画素領域で形成された副領域を示す図である。

図１では、２つのレーザー装置を備えた回折格子を生成するデバイスが示され、図面左側のものは、例えばブレーズド格子アレイを生成するのに適したエキシマー・レーザー装置であり、右側のレーザー装置は、一方では格子構造を生成するマスク及び／又はダイヤフラムを作成するのに役立ち、他方では、直接作用する波形格子構造（directly acting ripple grating structures）を生成するか、或いは、エキシマー・レーザーによって生成した格子構造を波形間の間隔のばらつきに基づく第２の格子構造と重ね合わせるような、フェムト秒（１０００兆分の１秒）又はピコ秒（１兆分の１秒）レーザー装置である。

２４８ナノメートル（ｎｍ）の波長を有するＫｒＦエキシマー・レーザーを備える第１のレーザー装置Ｌ１は、マスク投射技術によって固体表面の微細構造を生成するのに役立ち、７７５ｎｍの中心波長又はその周波数２逓倍若しくは周波数３逓倍の波長を有するフェムト秒レーザー１５を備える第２のレーザー装置Ｌ２は、固体表面にナノ構造を、例えば波形格子構造を生成するか、或いは集光技術にしたがってマスクを作成するのに役立つ。本出願の目的のため、用語「固体」は、レーザーを用いて微細構造の回折格子をその表面に生成することができる任意の基板、例えばガラス、ガラス若しくはサファイア製の時計の蓋、セラミックス、適切な合成材料、及び宝石若しくは硬貨の主に金属の表面、並びに特に、包装ホイル及び有機固体をエンボス加工するためのエンボス金型及びエンボス・プレートなど、エンボス加工用具の硬質材料コート表面を含むことを意味する。表面は、予め前処理され、化学的又は機械的に処理され、構造化されていてもよい。硬質材料コーティングとしては、例えば、四面体結合アモルファス炭素（ｔａ−Ｃ）、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、又は類似の硬質材料が想到されてもよい。

微細構造は、例えば、１〜２μｍの格子周期を有するいわゆるブレーズド格子であってもよく、ナノ構造は、例えば、光回折格子として作用する、３００ｎｍ〜１０００ｎｍの周期を有する自己組織化波形構造であってもよい。後述するように、光を照射したときの回折によって角度依存性の分散を生成する、即ちスペクトル色へと分離する、回折光学活性構造（diffraction-optically active structures）のあらゆる周期的アレイが可能である。

図１では、ここではビーム２が長方形の断面を有する、第１のレーザーであるエキシマー・レーザー１が示される。このレーザー光線の強度は減衰器３によって調節し変更することができる。ホモジナイザー３Ａ及び視野レンズ３Ｂを用いて、レーザー光線の断面全体にわたって一様な強度分布が均一スポット（homogenous spot）ＨＳに作られる。微細構造を生成するのに求められるレーザー光線の断面全体にわたる強度プロファイルは、均一スポットＨＳに配置されたマスク１８を用いてこの一様な強度分布から成形される。

マスクの後に、且つ好ましくはマスクと接触して配置されるダイヤフラム６の開口部の幾何学形状により、マスク１８によって成形されたレーザー光線の強度プロファイルの断面幾何学形状又は輪郭形状が生成される。マスク１８及びダイヤフラム６は、マスク及びダイヤフラムの交換装置内に位置する。

ＫｒＦエキシマー・レーザーの代わりに、１９３ｎｍの波長を有するＡｒＦエキシマー・レーザー、１５７ｎｍの波長を有する蛍石（Ｆ_２）レーザー、又は３０８ｎｍの波長を有するＸｅＣｌエキシマー・レーザーを、第１のレーザー１として使用することができる。

フェムト秒レーザーの代わりに、１０６４ｎｍの波長又はその周波数２逓倍波長５３２ｎｍ若しくはその周波数３逓倍波長２６６ｎｍを有するＮｄ：ＹＡＧタイプのピコ秒レーザーを、第２のレーザー１５として使用することができる。

マスク１８及びダイヤフラム６によって成形されたレーザー光線は、図２も見ると、偏向ミラー７に衝突し、偏向ミラー７によってレーザー光線に適した結像光学系８を通して光線が案内され、光学系が微細構造に適したレーザー強度プロファイルを、エンボス・ローラ１０上のｔａ−Ｃ層の表面９に予め定められた例えば８：１の結像スケールで結像する。回転方向を示す矢印１１によって、エンボス・ローラ１０が予め定められた角度だけその長手方向軸線を中心にして回転できることが示される。エンボス・ローラ１０は移動デバイス（displacing device）３２上に配置される。

レーザー光線の出力を、したがってその強度を調節し、監視し、且つ安定させるため、レーザー光線のごく一部はビーム分光器４を用いて、減衰器３及び／又はレーザー１の制御のためのデータを送達する電力計５上へと方向付けられる。この電力計５は、図１の二重矢印によって示されるレーザー光線強度プロファイル測定デバイス５Ａと選択的に交換されてもよい。デバイス５及び５Ａは、均一スポットＨＳにおける、即ちマスク面におけるレーザー光線の出力及び強度分布を適正に測定できるようにするため、ビーム分光器４からの距離が均一スポットＨＳに位置するマスク１８と同じ距離に位置付けられる。カメラ２６は微細構造化プロセスを観察するのに役立つ。この目的のため、偏向ミラー７は、波長２４８ｎｍのエキシマー・レーザー放射は反射するが可視光は透過する干渉層系を有する。

エンボス・ローラ１０の全表面積にわたって構造化されたｔａ−Ｃ層上に結像光学系８によって結像される、レーザー光線の結像面の正確に決められた位置を調節することを目的として、エンボス・ローラの理想的な幾何学形状からの位置及び製造に関係する偏差は、エンボス・ローラの位置調査用のデバイス１６を用いて、例えば三角法による測定方法を用いて測定される。次に、これらの測定データは、構造化プロセスの間、移動デバイス３２を用いてエンボス・ローラ１０の自動調節に使用され、かつ、移動デバイス３２のｚ軸の補正制御に使用される。

図１による例示的な実施例の説明で簡潔に上述したように、マスク投射技術によるエキシマー・レーザー構造化プロセスに求められる強度プロファイルは、マスク及びダイヤフラムを用いて成形される。

このプロセスについては、図２を参照してより詳細に後述する。均一スポットＨＳにおけるレーザー光線２９の均一な強度分布７４から、微細構造をエンボス・ローラ１０上のｔａ−Ｃ層に生成するのに求められるレーザー光線断面全体にわたる強度プロファイルは、均一スポットＨＳに位置付けられたマスク１８を用いて成形される。この概略図では、マスク１８は、グリッド状に配置された透明領域１９とレーザー光線に対して不透明な表面領域２０とを有し、したがって、立方体状の強度プロファイル部分を有するグリッド状の強度プロファイル７５を形成する。

レーザー光線の方向でマスクの後に、且つ好ましくはマスクと接触して配置されるダイヤフラム６は、その開口部又は透明表面領域の幾何学形状によって、マスク１８によって成形されたレーザー光線の強度プロファイルの断面形状を生成する。この図では、ダイヤフラム開口部６Ｔ又はレーザー光線に対して透明な不透明部分６Ｐ内のダイヤフラムの表面領域、部分の形状は三角形であり、結果として、ダイヤフラムの後は、レーザー光線２９Ａの強度プロファイル７６は三角形の断面形状を呈する。

図２では、マスク１８の格子周期及び厚さ、並びにマスクの後のレーザー光線強度プロファイル７５、７６の直方体状の強度プロファイル部分の間隔は、ｘ座標方向で大幅に拡大した縮尺で示されている。マスクによって成形されたレーザー光線２９Ａを用いて固体表面９に、例えばエンボス・ローラ１０上のｔａ−Ｃ層に、例えば０．５〜５μｍの格子周期を有する格子構造を生成するため、マスク投射系の結像比が８：１である実例では、マスクの格子周期の寸法は４〜２０μｍである。実際には、均一スポットＨＳの表面領域、及び例えば８ｍｍ×８ｍｍ＝６４ｍｍ^２のマスク１８の構造化領域のサイズが等しい場合、構造化されたマスク領域は、図２の概略図とは対照的に、２０００〜４００の格子周期を有する縞状格子から成り、それによって成形されたレーザー光線は２０００〜４００の立方体状強度プロファイル部分から成る。

以下マスク構造と称する、マスク１８の透明表面領域のサイズ、形状、間隔、位置、及び数によって、ｔａ−Ｃ層において予め定められた光学効果を有する微細構造を作成するためのレーザー光線強度プロファイルが決定される。また、ダイヤフラム６によって、レーザー光線強度プロファイルの断面形状が、したがって、エンボス・ローラ上の微細構造化領域要素（microstructured area element）の幾何学形状が決定される。用語「領域要素」は、ここでは、マスク及びダイヤフラムによって成形され、レーザー光線及びローラ表面を相対移動させることなく、レーザー光線パルス・シーケンスにおいてｔａ−Ｃコーティングしたローラ表面上に結像されるレーザー光線によって構造化される、エンボス・ローラ又はエンボス金型上の表面を指すのに使用される。

結果として、マスク構造の変型によって、特にレーザー光線の光学軸を中心にして予め定められた角度だけマスクを回転させることによって、マスクによって成形され、焦点光学系８を用いてエンボス・ローラのｔａ−Ｃ層上に結像されたレーザー光線強度プロファイルの向きを変化させることができ、したがって、多色光で照射した際の微細構造化領域要素の光学効果、例えば視野方向及び視野角並びに色及び強度を変化させることができる。

レーザー光線の光学軸を中心にして予め定められた角度だけダイヤフラム６を回転させることによって、焦点光学系を用いてエンボス・ローラ上のｔａ−Ｃ層に結像した、ダイヤフラムによって成形されたレーザー光線の断面形状の向きが変化し、したがってエンボス・ローラの表面上のレーザー構造化領域要素の向きが変化する。

微細構造化領域要素は、特定のパターンにしたがって並置されるか、或いは予め定められた角度だけマスクを回転させた後、この予め定められた角度で同じ微細構造と重ね合わされてもよい。更に、異なるマスクが使用される場合、異なる微細構造を領域要素内で重ね合わせることができる。それらが並置される場合、領域要素は同じ又は異なる表面形状及び微細構造を有してもよい。

白色光放射、近日光（near-sunlight）が回折されると、又は例えば昼光色の蛍光灯若しくは電球（以下、「光」と略称する）によって回折格子に多色光が照射されると、波長依存の回折角により、いわゆる回折角度分散（diffraction angular dispersion）が、即ち光子が特定波長を有するスペクトル色への、即ち単色光への分離が生じる。したがって、回折次数がいずれも重なっていなければ、これらのスペクトル色のみが回折光において観察される。

本発明によれば、回折格子アレイを用いて、回折格子アレイの１つ又は複数の予め定められた視野角及び１つ又は複数の予め定められた方位角視野方向（azimuthal viewing directions）で見ることができるスペクトル色の複数の光子波長が重なり合うことによって、混合色が作成される。人間の眼の分解能力を下回る微視的な副領域＝色画素領域に異なる格子周期を有する、固体表面の回折格子アレイを用いて、回折格子アレイに光を照射すると、異なるスペクトルで見える赤色、緑色、及び青色という３つの異なるスペクトル原色波長（primary spectral colour wavelengths）の光子から、混合色が好ましくは生成される。スペクトル原色の波長は意図される用途に応じて選択される。したがって、混合色が人間の眼に見える場合、例えば、スペクトル原色の赤色の波長λｒｅｄが６３０ｎｍ、緑色の波長λｇｒｅｅｎが５３０ｎｍ、青色の波長λｂｌｕｅが４３０ｎｍであるのが有利である。

回折格子アレイは、例えば、赤色、緑色、及び青色に対する感度を主に有する３つの異なる種類の視色素を含む人間の眼の錐体光受容体に相似して、赤色、緑色、及び青色の原色を生成する色画素回折格子領域で構成されてもよい。適用可能な回折格子のタイプは、例えば、マスク投射技術にしたがってエキシマー・レーザー構造化によって生成される、例えば溝及びリブで成る格子（groove and rib gratings）、柱グリッド格子（column grid gratings）、及びブレーズド格子、或いは集光技術にしたがってフェムト秒若しくはピコ秒レーザー照射によって、又は両方の構造の重ね合わせによって生成される、予め定められ調節された波形格子周期を有する自己組織化波形格子である。

光入射の、又は拡散照射の際の予め定められた角度についてはそれぞれ、色画素領域内での回折格子の格子周期及び向きによって、スペクトル色の回折方向が、したがって個々の色画素の原色の視野角及び方位角視野方向が決定する。この点において、少なくとも１つの方位角視野方向における少なくとも１つの視野角で有効な色混合を達成するため、混合色の各波長について、少なくとも１つの回折次数の回折角及び回折方向が同じであるように、混合色の波長を選択し、アレイの回折格子を整列させるべきである。

以下、ブレーズド格子構造の作成、並びにブレーズド格子構造を作成するのに適したマスクの生成について、図３〜図８を参照して記載する。ブレーズド格子では、分離関数の最大値及びしたがって最高強度の最大値は常に段差法線（step normal）ＳＮに対する反射方向に常に位置するので、分離関数の最大値及びしたがって最高強度の最大値を、段差の傾斜の変化を通して、即ちブレーズ角α_Ｂの変化を通して、０次の回折次数の最大値からより高い回折次数の最大値へとシフトさせることができる。α_Ｂが変化しても、回折周期ｇ及び入射光の入射角α_ｅが一定に保たれる限り、異なる回折次数の回折角α_ｍ＝視野角、即ち格子回折の最大値の位置は変わらないままである。更に、図３では、ｓはブレーズド格子側面、ｈはブレーズド格子高さ、ｅＳは入射光線、ＧＮは格子法線、及びＳＮは段差法線を表す。

格子表面のほぼ全体が、より正確には段差幅ｓに格子の溝（furrow）長さ及び溝の数を掛けて得られる表面が、回折に利用されるので、回折強度、及びしたがって回折スペクトル色の観察される輝度は、単純な縞状格子における回折、すなわち溝及びリブで成る格子における回折よりもブレーズド格子の方が大幅に高い。

図３のブレーズド格子構造は図４のマスクによって生成され、このマスクは石英ガラス基板から成り、不透明表面はフェムト秒レーザー又はＦ_２レーザー光線によって生成されてもよく、一方で上述のエキシマー・レーザーの照射及びマスクの同時走査によりブレーズド格子構造を生成する透過性の三角形領域については割愛する。フェムト秒レーザー・パルス又は蛍石レーザー・パルスで照射することによって、入射光が散乱するが吸収されないように、石英基板の表面が粗面化され修正される。用語「修正された」は、ここでは、基板の材料密度、構造、及び屈折率の変更を指す。このように、かかるマスクの非常に低い熱負荷、高い寸法精度、及び非常に長い寿命が確保される。

集光技術によるフェムト秒レーザー又はマスク投射技術によるＦ_２レーザーを用いて石英ガラス基板にマスクを生成する際、透過性の透明三角形領域とは別の非透明領域は、最小限可能な焦点又は結像断面Ｆで走査し、小さなグレーの丸で図４に示されるfsレーザー又は小さな黒丸で示されるＦ_２レーザーのレーザー・パルスを重ね合わせることによって生成される。小さな正方形は、レーザー光線の正方形断面形状が同様に使用されてもよいことを示す。このように、白で示される透過性の三角形領域を除いて、図４にグレーで示される表面積全体が走査される。より具体的には、走査された領域の表面は、これらの領域がエキシマー・レーザーの入射レーザー光線部分を強力に散乱し、したがってレーザー光線に対して不透明領域として作用するようにして、適切な量のレーザー光線を用いて粗面化され修正される。

結像比８：１は、ここでは、このマスクを用いてエキシマー・レーザー・マスク投射技術にしたがってブレーズド格子を生成するのに使用されるので、量Ｇは透過性の三角形の底辺であり、格子定数ｇの８倍に等しい。それに相応して、Ｈは高さ、φは透過性の三角形の底角、Ｉはマスク走査方向での透過性の三角形間の距離である。Ｆ_２レーザー装置が使用される場合、２５：１の異なる結像比が使用される。

或いは、ブレーズド格子構造は、図５による縞状マスク７９を用いて生成されてもよく、縞状マスクはブレーズド格子溝を生成するのに求められる２つの異なる縞幅を有し、その透過率は、予め定められた線形関数又は階段関数にしたがって各縞幅にわたって０と１の間及び１と０の間で変わる。ここではやはり、８ｇ及び８ｇ×ｓｉｎα_Ｂの表示は、マスク投射技術にしたがってブレーズド格子構造を作成するのに使用される結像比８：１から得られる。

fs又はＦ_２レーザー装置を用いて作成されてもよい適切なマスクの生成には、多数の可能な変形例がある。選択されたマスクは、第１のレーザー装置Ｌ１においてブレーズド格子構造を生成するための、即ちマスク投射技術によるエキシマー・レーザー１のための交換デバイス内に、適切なダイヤフラムと併せて置かれる。ダイヤフラムは、マスクと同じ生成技術にしたがって生成することができる。マスク又はダイヤフラムの基板として、石英ガラス（ＳｉＯ_２）、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、フッ化カルシウム（ＣａＦ_２）、又はフッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）を使用できる。

フェムト秒レーザーを使用して、格子構造に配置され、混合されうるスペクトル色を作成できるようにする波形を生成することができる。各スペクトル色を作成するための所望の格子定数を生成する、異なる波形間隔を調節可能に作成するため、基板の面は、波形作成中のレーザー光線に対して所定の角度だけ傾けられる。

上述したように、眼は２００μｍ×２００μｍの領域を辛うじて分解することができるため、正方形の色画素の最大辺長は２００μｍ÷３＝６６．７μｍよりも小さくなければならない。そうすると、混合色を生成するため、２００μｍ×２００μｍの副領域は、赤色、緑色、及び青色の原色に対して少なくとも９つの正方形の色画素を含み、各色画素は定義上、単一のスペクトル色を原色として含む。したがって、色画素の辺長が３３．３３μｍの場合、図８による副領域８１は、赤色、緑色、及び青色の原色に対して合計３６個の正方形の色画素８２、８３、８４を含む。

これらの指標により、特定の副領域において、例えば、眼には見えないが適応された分光計では検出可能な、異なる色の１つ又は数個のみの色画素が特定の副領域に点在する、新しい種類の認証特徴が可能になる。

以下、図８の副領域８１による格子構造の例示的な計算を示す。正方形の色画素の辺長が３３．３３μｍであり、光入射が垂直で、且つ赤色、緑色、及び青色の回折角＝視野角α_ｍが３０°であって、格子周期の計算値がｇ_ｒｅｄ＝１．２６μｍ、ｇ_{ｇｒｅｅｎ}＝１．０６μｍ、ｇ_ｂｌｕｅ＝０．８６μｍである場合、赤色画素の正方形は２９の格子周期を、緑色画素の正方形は３８の格子周期を、青色画素の正方形は４７の格子周期を含む。

色画素の回折強度は、回折周期の数、即ち色画素内の格子溝長の合計数、及び原色の波長の関数である。強度は、表面積のサイズ又は個々の原色色画素の数それぞれによってのみ制御することができる。その際、光源などの異なる因子を、即ち、放射波長範囲にわたって異なる強度特性を有し、したがって各スペクトル色の強度に影響する、例えば日中、朝、又は夜の日光、昼光色蛍光灯、電球などを考慮する必要がある。更に、人間の眼、即ち、原色の選択波長に対する人間の眼の明所視スペクトル感度を考慮する必要がある。

ＤＩＮ ５０３３標準カラー・チャートに基づいた計算によれば、白色は、例えば、２００μｍ×２００μｍの副領域が３３．３３μｍ×３３．３３μｍの画素表面積を有する３６個の色画素で作られるとき、それぞれ、１４個の赤色画素８２、１０個の緑色画素８３、及び１２個の青色画素８４で構成されるという画素配置で、視野方向で格子回折によって、生成される上述のスペクトル色である赤色、緑色、及び青色から得られる。同じ計算にしたがって、ピンク色は、２２個の赤色画素８２、３個の緑色画素８３、及び１１個の青色画素８４という画素配置で得られる。同じ計算に基づいて、肌色は、２１個の赤色画素８２、７個の緑の画素８３、及び８個の青色画素８４という画素配置で得られる。

人間の眼の分解能力への言及は、生成されたスペクトル色及び混合色が同様に機械可読及び機械解析可能でないことを意味するものではない。特に、一般的に可能な限り小さくあるべき認証特徴の場合、機械読取りは特に適切である。

光の入射が予め定められた角度の場合、色画素領域内の回折格子の格子周期及び向きによって、スペクトル色の回折方向が、したがって個々の画素の原色の視野角及び方位角視野方向が決定される。その際、少なくとも１つの方位角視野方向における少なくとも１つの視野角で有効な色混合を達成するため、混合色の各波長について、少なくとも１つの回折次数の回折角及び回折方向が同じであるように、混合色の個々の波長に対して異なる格子周期を選択し、アレイの回折格子を整列させるべきである。

図３によれば、ブレーズド格子７７では、α_Ｂは、回折格子溝の傾斜角（ブレーズ角）であり、回折角α_ｍは、格子法線ＧＮと、それぞれの回折次数ｚの回折された単色光線部分ｇＳの強度最大値の回折方向との間の角度であり、したがって、予め定められた入射角α_ｅにおけるこの光線部分の視野角α_ｍ及び視野方向ｇＳを示す。

回折角α_ｍは、入射光の波長によって、入射角α_ｅによって、且つ格子周期ｇによって決まる。回折された単色光線部分の「方位角視野方向」ａＢという用語は、格子法線ＧＮから始まる、格子法線から且つ回折方向ｇＳから広がる面と、方位角α_ｚによって特徴付けられる格子面ＧＥとの交線の方向を指す（図７も参照）。図７において、ｓＢは、回折光線の視野方向を示す。

したがって、混合色の視野角は、更に、異なる色画素タイプの一致した格子周期にも依存し、視野方向は、格子構造の向きによって、即ち混合色を作成するのに求められる異なる色画素領域における格子溝ＧＦの向きによって決まる。混合色は、人間の眼にはもう分解できない、十分な数の異なる色画素領域によって形成される最大でも２００μｍ×２００μｍの副領域内で作成する必要がある。

色画素内の格子溝ＧＦが複数の方位角配向を有する場合、複数の視野方向を実現することができる。例えば、副領域に含まれる原色の画素の半分にある格子構造が、画素の他方の半分にある格子構造に垂直に配置される場合、特に格子を拡散白色光で照射する際、２つの方位角視野方向ａＢも互いに垂直である（図８を参照）。しかし、この目的のため、副領域内の色画素の総数の半分で、混合色を生成するのに十分でなければならない。しかし、この場合、混合色は、２つの方位角視野方向それぞれで強度が低減して知覚されることになる。

また、この手法によって、互いから１２０°ずれた３つの方位角視野方向を実現することができる。図６によれば、柱グリッド格子８０を活用して、即ち、様々な断面形状、例えば円形、三角形、四角形、六角形、及び様々な寸法の隆起又は補完的な窪みの形態の柱Ｐによって、複数の方位角視野方向を実現することができる。例えば、三角形の柱又は窪みの断面により、２／３π＝１２０°ずれた３つの方位角視野方向aBが得られる。

原色に対して異なる画素サイズが選択された場合、より大きな画素の辺長は最小画素の辺長の整数倍にする必要があり、それによって最大限可能な混合色強度を達成するために、副領域を色画素で完全に満たすことができるようになる。強度の低減、即ち暗色化効果は、例えば、ｔａ−Ｃ層基板の場合は構造化されていない、又は光波長を吸収若しくは異なる方向に回折する格子構造を有する副領域に、画素領域を挿入することによって達成することができる。

例えばブレーズド格子は溝及びリブで成る格子よりも高い強度を生成するので、混合色の作成のために原色の強度を制御するために、色画素の数及び表面積、並びに視野方向における画素の回折次数の選択に加えて、副領域の原色の画素における異なる回折格子タイプを利用することができる。

本発明によれば、回折格子アレイは、金属、金属合金、ガラス、硬質表面を有する合成材料、並びにｔａ−Ｃ層、又は硬金属、炭化タングステン若しくは炭化ホウ素などの炭化物などの他の硬質材料など、固体の表面に適用される。より具体的には、回折格子アレイは、耐摩耗性硬質材料に、例えば、色効果を有する認証特徴、色パターン、又は標識を包装フォイルにエンボス加工するエンボス加工用具に適用することができるが、エンボス加工用具に対する回折格子構造のネガは、エンボス加工すべき材料の性質及びエンボス加工パラメータに基づいた微細構造の断面形状及び寸法で設計すべきであり、エンボス加工されたポジは、意図される回折光学効果に最適な回折格子パターンを表すことは明らかである。

エキシマー・レーザーの光線経路に任意の所望のマスク及び任意の所望のダイヤフラムを入れることを可能にする、ダイヤフラム及びマスクの交換デバイスを備えた第１のレーザー装置Ｌ１により、異なる格子定数を有する多種多様な異なる格子構造だけでなく、格子構造領域の外形の多数の可能な設計もできるようになる。したがって、正方形、長方形、三角形、平行四辺形、六角形などの、又は場合によっては円形の複数の副領域で構成された構造化領域要素の形状を設計することが可能であり、これらの領域要素中では色及び混合色を作成するための最も多様な格子構造が可能である。特定の配列では、例えば、３つの平行四辺形又は複数の光線を有する星で構成された三次元に見える立方体パターンを作成することも可能である。

更に、２つのレーザー装置によって最も多様な格子構造を重ね合わせることが可能になり、例えば、特に認証特徴として使用されてもよい色及び混合色の別の組み合わせを作成するため、最初に、エキシマー・レーザーを用いてパターンの形に配置された特定の格子構造及び領域要素を生成し、その上に、フェムト秒レーザーを用いて波形格子構造を適用することができる。また、異なる視野角、又は段階的若しくは連続的な色変化、又は格子周期若しくは格子溝の向きを段階的に変えることによる、回折格子パターンの傾斜や回転による色パターン若しくは色画像の出現と消失を実現することができる。

Claims (19)

1. 光の照射による回折格子を用いた色パターンの作成方法であって、
   レーザー微細構造化プロセスにおいて、少なくとも１つのレーザー装置によるナノ秒範囲又はピコ秒若しくはフェムト秒範囲の照射によって、回折格子アレイが固体表面上に直接生成され、
   各回折格子アレイが、眼の分解能力よりも小さい長手方向寸法を有する副領域で構成され、
   各副領域が少なくとも１つの画素を含み、前記画素が単一のスペクトル色を生成する限定された回折格子構造であり、
   前記スペクトル色が選択された格子パラメータで、及び少なくとも１つの所定の方位視野角（ａＢ）において所定の回折角（αｍ）となる入射角（α_ｅ）で回折されることを特徴とする、作成方法。
2. 各副領域が、同じ方位視野角（ａＢ）において同じ回折角（αｍ）となる２つの異なるスペクトル色を生成する異なる格子定数をそれぞれ有する、少なくとも２つの画素を含むことを特徴とする、請求項１に記載の作成方法。
3. 少なくとも１つの予め定められた視野方向における差異で混合色を生成するようにして、画素領域及び／又は画素数が選択されることを特徴とする、請求項２に記載の作成方法。
4. 意図される用途にしたがって、赤色、緑色、及び青色のスペクトル原色の波長が選択され、前記混合色が人間の眼に見える場合、３色が、波長６３０ｎｍの赤色、波長５３０ｎｍの緑色、及び波長４３０ｎｍの青色であることを特徴とする、請求項２又は請求項３に記載の作成方法。
5. 前記副領域が２００μｍの最大長手方向寸法を有し、関連するピクセル領域が６６．６７μｍの最大長手方向寸法を有することを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の作成方法。
6. 前記画素が線形若しくは環状のブレーズド格子、線形若しくは環状の溝及びリブで成る格子、又は円形若しくは多角形の断面を有する柱状格子であることを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の作成方法。
7. 前記格子が、エキシマー・レーザーの光線経路にあるマスク及びダイヤフラムの回転式交換デバイスに配置されたマスクを用いて、レーザー・マスク投射法によって生成されることを特徴とする、請求項６に記載の作成方法。
8. 前記マスクが、集光技術にしたがってフェムト秒レーザーを用いて、又はマスク投射技術にしたがって蛍石レーザーを用いて生成され、表面の粗面化及び修正によって非透明領域が生成されるようにして基板の表面が照射され、前記基板が、石英ガラス（ＳｉＯ_２）、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、フッ化カルシウム（ＣａＦ_２）、又はフッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）であることを特徴とする、請求項７に記載の作成方法。
9. 前記画素が、ピコ秒又はフェムト秒レーザーによって生成される波形の形態の回折格子を含むことを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の作成方法。
10. 前記画素が、前記格子及び前記波形構造を重ね合わせることによって得られることを特徴とする、請求項６及び請求項９に記載の作成方法。
11. 複数の副領域を並置して、標識、画像、ロゴ、又は認証特徴が形成されることを特徴とする、請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載の作成方法。
12. 前記固体表面が、包装ホイルをエンボス加工するエンボス・ローラ又はエンボス金型の硬質材料で被覆された表面であり、前記硬質材料の被覆が、ｔａ−Ｃ、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）、炭化ケイ素（ＳｉＯ）、又は類似の硬質材料から成ることを特徴とする、請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載の作成方法。
13. 請求項１から請求項１２までのいずれか一項に記載の作成方法を実施する装置であって、
    ブレーズド格子、溝及びリブから成る格子、又は柱グリッド格子を生成する第１のレーザー装置（Ｌ１）が、２４８ｎｍの波長を有するＫｒＦエキシマー・レーザー（１）、又は１９３ｎｍの波長を有するＡｒＦエキシマー・レーザー、又は１５７ｎｍの波長を有する蛍石レーザー、又は３０８ｎｍの波長を有するＸｅＣｌエキシマー・レーザーを備え、
    前記波形構造を生成する第２のレーザー装置（Ｌ２）が、７７５ｎｍの中心波長若しくは周波数２倍若しくは周波数３倍の波長を有するフェムト秒レーザー（１５）、又は１０６４ｎｍの波長若しくは周波数２倍若しくは周波数３倍の波長を有するＮｄ：ＹＡＧタイプのピコ秒レーザーを備えることを特徴とする、装置。
14. 前記第１のレーザー（１）とその結像光学系（８）との間に少なくとも１つのマスクとダイヤフラムの組み合わせ（１８、６）が配置され、
    多数のマスクとダイヤフラムの組み合わせが回転式交換デバイス内に配置され、
    前記回転式交換デバイスが、前記マスク（１８）の１つ及び前記ダイヤフラム（６）の１つの両方を互いに他と独立して前記レーザー（１）の前記光線経路（２９）に置くように適合され、
    前記マスク（１８）及び前記ダイヤフラム（６）が、直線的に又は回転して転位可能且つ自己を中心にして回転可能な状態でホルダ内に配置されることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
15. 前記マスク（６）が、ブレーズド格子を生成する三角形マスク（７８）又は縞状マスク（７９）であることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
16. 包装ホイル上の回折光学的に有効な領域をエンボス加工するエンボス・ローラ又はエンボス金型上の領域を構造化するようになっている、請求項１３から請求項１５までのいずれか一項に記載の装置。
17. 被覆された又は被覆されていない時計部品、ガラス若しくはサファイア製の時計の蓋、硬貨、又は装飾物の部分上に、回折光学的に有効な標識又は認証特徴を生成するようになっている、請求項１３から請求項１５までのいずれか一項に記載の装置。
18. 請求項１６にしたがって構造化された前記エンボス・ローラ又はエンボス金型を用いてエンボス加工された包装ホイルであって、
    スペクトル色の色画素又は混合色を作成する異なる色の色画素を含むことを特徴とする、回折光学的に有効な領域及び／又は認証特徴を有する、包装ホイル。
19. 回折光学的に有効な領域、認証特徴、及び／又はロゴが設けられていない場所に光沢が与えられることを特徴とする、請求項１８に記載の包装ホイル。

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