JP5251236B2 - 微細凹凸回折構造を有する回折構造体 - Google Patents

Description

本発明は、セキュリティ（偽造防止）の用途に好適な回折格子パターンに関するものである。

回折格子によって構成されるパターンは、通常の印刷技術では表現することのできない指向性のある光沢を有することから、装飾用途や偽造防止を目的としたセキュリティ商品に広く用いられ、より多彩でオリジナリティの高い回折格子パターンを作製することが求められている。

このような要求に応じて、セル（ドット）状の回折格子の集まりによって構成される回折格子パターンが登場した。なお、パターンの構成単位である「セル」および「ドット」は同義語として扱われるが、ここでは形状や大きさに制約を受けないという意味で「セル」という用語に以後統一する。

また、動画像、あるいは視点を変えることによって変化する画像を、平面状の基盤上に表現する方法として、レンチキュラー・レンズを使用する技術、ホログラフィック・ステレオグラム、ホログラムのチェンジングと称される技術等も開発された。

さらに、本出願人からは回折格子を用いたチェンジング技術も提案されている。回折格子を用いたチェンジング技術とは、任意の角度で任意の空間周波数の微小なバイナリー型回折格子からなるセルを用いて、最初の画像を基板上に形成し、次に前記角度と異なる角度で任意の空間周波数の微小なバイナリー型回折格子からなるセルを用いて次の画像を同一の基板上に形成し、以後所望する画像の数だけ上記と同様の操作を繰り返し、次々と画像を同一の基板上に形成するという技術である。当該技術を用いることで、光源、又は観察者、若しくは基盤の３つの要素において各々の相対的な位置を変えることにより、複数画像中の任意の画像を比較的にクリアーに表現することが可能となった。

回折格子パターンを作製する方法としては、レーザー光の２光束干渉による微小な干渉縞（回折格子）を、そのピッチ、方向、及び光強度を変化させて、感光性フィルムに次々と露光する方法、電子ビーム露光装置を用い、且つコンピュータ制御により、平面状の基板が載置されたＸ−Ｙステージを移動させて、基板の表面に回折格子からなる複数の微小なドットを配置することにより、回折格子パターンを作成する方法等も提案されている。
特許第２６３００４７号 特開昭６０−１５６００４号公報 特開平２−７２３２０号公報 米国特許５，０５８，９９２号

しかしながら、上記の回折格子等を応用したセキュリティ商品は、汎用のホログラムでも同様に回折光が射出されて見え方、光り方が似通ってしまい、偽造品の真偽判定をする際に専用の真偽判定器具を使用するか、専門家に判定してもらわなければ判定不能なことが多い。

本発明は、かかる従来技術の問題点を解決するものであり、その課題とするところは従来のホログラムとは異なりオリジナリティが高く、専用の真偽判定器具を用いなくとも、また判定の専門家でなくとも真偽判定が容易に可能な回折構造体を提供することにある。

本発明の請求項１に係る発明は、基材と、回折構造形成層と、反射層とを順次積層した回折構造体であって、該回折構造形成層の反射層と接する面は、表面に頂点間隔が０．０１〜０．１ｍｍの凹凸構造を有する凹凸構造領域を１つ以上含み、該回折構造形成層の該凹凸構造領域を含む面は、表面に頂点間隔が２５０ｎｍ〜４００ｎｍの微細凹凸からなる微細凹凸回折構造を有有し、前記微細凹凸回折構造は、尖った形状の円錐構造が格子状に配置してなるクロスグレーティング構造であり、アスペクト比（深さ／ピッチ）が０．５〜１．５であることを特徴とする回折構造体である。

本発明の請求項２に係る発明は、前記凹凸構造領域の同一領域内においては、前記凹凸構造が均一な頂点間隔で且つ均一な大きさで配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回折構造体である。

本発明の請求項３に係る発明は、前記凹凸構造領域を複数含む回折構造体であって、凹凸構造領域毎に前記凹凸構造の方向が異なっていることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１つに記載の回折構造体である。

本発明の請求項４に係る発明は、前記凹凸構造は、ブレーズド構造であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の回折構造体である。

請求項１に係る発明によれば、回折構造形成層の反射層と接する面の表面に頂点間隔が０．０１〜０．１ｍｍの凹凸構造を有する凹凸構造領域を１つ以上含み、同面に頂点間隔が２５０ｎｍ〜４００ｎｍの微細凹凸からなる微細凹凸回折構造を有するため、従来の回折格子パターンの金属反射とは見え方がまったく異なり、オリジナリティが高く、専門化でなくとも、専用の真偽判定器具を用いずに真偽判定が容易に可能な回折構造体を提供することが可能となる。

請求項２に係る発明によれば、前記微細凹凸回折構造は、アスペクト比（深さ／ピッチ）が０．５〜１．５であるため、黒さ（無反射）及び回折光の強度のバランスが整った回折構造体を提供することが可能となる。

請求項３に係る発明によれば、前記微細凹凸回折構造は、クロスグレーティング構造であることで、黒色（無反射）の色味がより深みを帯びる傾向にあり、金属反射体でありながらも金属反射をしないことを強調できる回折構造体を提供することが可能となる。

請求項４に係る発明によれば、前記凹凸構造領域の同一領域内においては、前記凹凸構造が均一な頂点間隔で且つ均一な大きさで配置されているため、散乱性が低下し、白化を抑制し、よりはっきりと深い黒色が視認できるような回折構造体を提供することが可能となる。

請求項５に係る発明によれば、前記凹凸構造領域を複数含み、且つ凹凸構造領域毎に凹凸構造の方向が異なっているため、オリジナリティが高く、意匠性にも優れた回折構造体を提供することが可能となる。

請求項６に係る発明によれば、前記凹凸構造がブレーズド構造であるため、黒色と回折光が混在せず、シャープなカラーシフトを表現することが可能となる。

以下、本発明における回折構造体の実施形態例を、図面を参照にして詳細に説明する。なお、全ての図面は分かりやすいように、実際の微細凹凸回折構造や凹凸構造の大きさやピッチよりも拡大し、誇張して表現しているものである。

図１は、本発明における回折構造体の基礎となる基礎回折構造体の断面図を示す図である。

基礎回折構造体は、基材２、回折構造形成層３、反射層４をこの順に積層したものである。回折構造形成層３は、反射層４と接する面の表面に頂点間隔が２５０ｎｍ〜４００ｎｍの微細凹凸からなる微細凹凸回折構造５を有している。

図７及び図８は、前記基礎回折構造体の回折光視認性を説明する図である。セキュリティ商品はオバート機能（ライト、偏光板などの道具や検査装置なくても真偽がわかる機能）が望まれており、図７及び図８は天井に固定した光源による回折光視認性を説明した図となっている。

セキュリティ等の用途に使用される従来の回折格子は空間周波数が６６６ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲のものが一般的である。これは、例えば回折格子を有したシートの正面から可視光が入射した際、＋１次、＋２次、−１次、−２次等の回折光が観察者にとって視認し易い角度に射出されるからである。

一方で、前記基礎回折構造体は、従来の回折格子パターンの金属反射とは見え方がまったく異なり、例えば図７のような光源と基礎回折構造体との位置関係では全く回折光が見えず、広い範囲で金属反射を示さずに黒色が視認される。そして、例えば図８のように基礎回折構造体を３０度（角度Ｇ）傾けてみた場合、基礎回折構造体基材の法線に対し６０〜９０度と深い角度付近で観測者は回折光（青〜緑色）現象を確認できる。また、基礎回折構造体をさらに傾けると再帰方向（光源方向）に回折光が近寄ってくることにより、観測者が光源を遮ってしまうため、回折光は確認できたとしても非常に弱いか、若しくは完全に視認不可能となる。

このように、基礎回折構造体は、黒色と区別して視認できる回折光は非常に深い角度でのみ射出されるもので、真偽判定をする際に判定しづらいものであった。なお、従来の一般的な回折格子パターンでは、観測者が光源を遮ることや正反射光を避けるため、観測者と光源間の角度は３０〜４５度程度が適当であると言われている。

図２は、本発明における回折構造体の一実施形態例の断面図を示す図である。

回折構造体は、基材２、回折構造形成層３、反射層４をこの順で積層したものである。基材２の材料としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネイト、トリアセチルセルロース、ポリプロピレン、ポリメタクリル酸メチル、アクリルスチレン共重合体、塩化ビニル等の樹脂シート及びフィルムがあげられる。

回折構造形成層３の材料としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネイト、酢酸セルロース、酢酸酪酸セルロース、酢酸プロピオン酸セルロース、ニトロセルロース、ポリエチレン、ポリプロピレン、アクリルスチレン共重合体、塩化ビニル、ポリメタクリル酸メチルなどの熱可塑性樹脂やポリイミド、ポリアミド、ポリエステルウレタン、アクリルウレタン、エポキシウレタン、シリコーン、エポキシ、メラミン樹脂等の熱硬化性樹脂、及び紫外線又は電子線硬化樹脂として、各種アクリルモノマー、エポキシアクリレート、ウレタンアクリレート、ポリエステルアクリレートなどのオリゴマー、アクリル基やメタクリル基等を有するアクリルやエポキシ及びセルロース系樹脂などの反応性ポリマーがあげられる。

反射層４の材料としては、反射性金属であればよく、アルミニウム、銀、金、白金、ニッケル、鉄、クロム、錫、銅及びそれら合金等があげられる。

回折構造形成層３は、反射層４と接する面の表面に頂点間隔２５０ｎｍ〜４００ｎｍの微細凹凸からなる微細凹凸回折構造５を有している。頂点間隔が４００ｍ以下の微細凹凸回折構造は、例えば平面なシート上に並んでいる場合を想定すると、つまり、前記した基礎回折構造体と同様の状態を想定すると、正面から可視光が入射しても回折せず、基板の法線方向に対し傾いた方向から光が入射した場合には、青色〜緑色の回折光のみが６０〜９０度と非常に深い角度で確認でき、赤色の回折光はほとんど観測されない。しかし、頂点間隔が２５０ｎｍ以上の微細凹凸回折構造では、５００ｎｍ以上の波長の光（青緑色〜赤色）はどの角度から光が入射した場合でも全く回折せず、５００ｎｍ以下の波長の光（青色）についても、基板の法線に対し８０度傾いた深い角度方向から入射光に対し僅かに回折するのみであるため、非常に観察しづらくなる。

なお、この微細凹凸回折構造は、構造の深さが深い程、光閉じ込め効果が働きより黒色が濃く見えるものであり、構造の深さを浅くすれば単なる鏡面となる。また、この微細凹凸の頂点が平らであるより、尖った形状であるほうが、つまりクロスグレーティングを製作時になりやすい円錐形構造であるほうが黒色の濃度が高くなる傾向にある。

さらに、この微細凹凸の頂点間隔が３００ｎｍのとき、つまり微細凹凸回折構造の空間周波数が３３３３本／ｍｍである場合のアスペクト比と黒さ、回折光の明るさの関係を測定した結果を示したのが表１である。

表１によると、黒色と青色〜緑色の回折光とのカラーシフトを利用したセキュリティ商品に当該微細凹凸回折構造を適用する場合、アスペクト比０．５〜１．５の範囲が好ましく、アスペクト比１．０付近が最も好ましい。なお、従来の回折格子ではアスペクト比は０．１〜０．２５の範囲が一般的である。

なお、反射層４は、金属蒸着等の手段によって、回折構造形成層の表面に積層される。反射層の膜厚は、１０ｎｍ以上、好ましくは２０ｎｍ以上とする。反射層の膜厚が１０ｎｍより薄い場合は、光を透過してしまい、反射層としての役割を果たすことができないためである。

また、この回折構造体を、視認する側を反射層側として使用する場合は、反射層の膜厚は、２５０ｎｍ未満、好ましくは１００ｎｍ以下とする。反射層の膜厚が２５０ｎｍ以上の場合は、回折構造形成層の表面に設けられた微細凹凸を埋没させてしまい、回折効果が得られるなるためである。ただし、この回折構造体を、視認する側を基材側として使用する場合は、反射層の厚さの上限は特に定めない。

さらに回折構造形成層１２は、反射層１３と接する面の表面に頂点間隔が０．０１〜０．１ｍｍの凹凸構造７を有する凹凸構造領域を１つ以上含む。凹凸構造の頂点間隔が０．０１ｍｍ以上であれば、回折がほとんど生じないため、前記微細凹凸回折構造の黒色と青色〜緑色の回折の変化に悪影響を及ぼさずに、カラーシフトの視認性及び視覚的効果を高めることができる。ただし、凹凸構造の形状が目視で容易に確認できる大きさであるのはセキュリティ上好ましいことではない故、凹凸構造の頂点間隔は０．１ｍｍ以下とするのが望ましい。また、凹凸構造は同一の凹凸構造領域内では、凹凸形状の高さ、大きさ及び配置が同一であることが望ましい。これにより、散乱性を低下させることができ、白化を抑え、より黒色がはっきりと確認されるようになる。

図３は、本発明における回折構造体の、凹凸構造をブレーズド形状とした一実施形態例の断面図を示す図である。
本願における回折構造体の凹凸構造は当然このブレーズド形状に限定されるものではなく、図２に示すような波形形状等、凹凸構造であればその形状は問わないが、凹凸構造をブレーズド形状とすることで、黒色と回折構造が混在せずに、シャープなカラーシフトを表現することが可能となる。

ここで、回折格子による任意の次数に対する回折現象は以下の式で表される。
ｄ＝ｍλ／（ｓｉｎα−ｓｉｎβ）
ｄは着目した面における格子間隔（空間周波数の逆数）、ｍは回折次数、αは当該面における０次回折光（照明光の透過光あるいは正反射光であり、図３においては正反射光にあたる）の射出角度、βは当該面における１次回折光の射出角度（回折角）である。

図４は、凹凸構造をブレーズド形状とした回折構造体の実施形態例についての入射光と回折光との角度の関係を示す図であり、前記回折現象を表す式から導くことができる。例えば、凹凸構造の鋭角Ｃが３０度で微細凹凸回折構造の頂点間隔が３３３ｎｍのとき、照明が図４のように基材に対して垂直に入射したとき、回折構造形成層が凹凸構造を有する故、赤色光（波長６５０ｎｍ）及び緑色光（波長５５０ｎｍ）は回折現象をおこさず、青色光（波長４５０ｎｍ）のみ回折し、回折角度Ｆは２８度となる。

図５は、前記凹凸構造を有する凹凸構造領域１、凹凸構造領域２という凹凸構造領域を２領域含む回折構造体の一実施形態例を示す図である。

図５（ａ）に示すように、各々の凹凸構造領域の凹凸構造を互いに垂直な方向に向けておけば、観察者１から見た該回折構造体は、図５（ｂ）に示す如く、凹凸構造領域１では黒色から青色〜緑色のカラーシフトが観察され、凹凸構造領域２では黒色のみが観察される。また、観察者２から見た該回折構造体は、図５（ｃ）に示す如く凹凸構造領域１では黒色のみが観察され、凹凸構造領域２では黒色から青色〜緑色のカラーシフトが観察される。なお、図５においては凹凸構造領域を２領域に設定しているが、当然２領域に限定されるものではない。

このように、回折構造体に凹凸構造領域を複数設け、各々の凹凸構造領域が有する凹凸構造の方向を異なるような構成にすることにより、オリジナリティ、意匠性を高めることが可能である。

以下、本発明における回折構造体の製造方法を説明する。

まず、原版をもとにメッキ等により原版のレリーフ形状が再現されたスタンパ（複製用版）を得、前記スタンパにより熱可塑性樹脂にエンボス成形やＵＶ硬貨樹脂でＵＶ形成することで、安価に大量複製することが可能である。

図６に連続成形装置の一例の概略図を示すが、スタンパ（原版）を取り付けたシリンダーと透明基材との間に液体状のＵＶ樹脂を挟んだ状態で、紫外線照射機で硬化するなどして連続形成可能である。また、続いて金属反射層を蒸着、スパッタ又はイオンプレーティング法でアルミニウム等の反射性金属の薄膜を設ける。次いで、ステッカー用途ならば、金属反射層に粘着材を塗布すればよく、スレッド用途ならば、金属反射層上にホットメルト接着剤を塗布し、指定寸法にスリット後、紙に漉き込む。また、スポット転写箔やストライプ転写箔の場合は、予め基材とエンボス形成層との間に剥離層を設け、スレッド用途の場合と同様にホットメルト接着剤を塗布すればよい。

本発明における回折構造体の基礎となる基礎回折構造体の断面を示す図である。 本発明における回折構造体の一実施形態例の断面を示す図である。 凹凸構造をブレーズド形状とした本発明における回折構造体の一実施形態例の断面を示す図である。 凹凸構造をブレーズド形状とした本発明における回折構造体の一実施形態例についての入射光と回折光との角度の関係を示す図である。 凹凸構造領域を２領域含む本発明における回折構造体の一実施形態例を示す図である。 本発明における回折構造を製造する連続形成装置の一例を示す概略図である。 基礎回折構造体の見え方を説明するための図である。 基礎回折構造体の見え方を説明するための図である。

符号の説明

１、基礎回折構造体
２、基材
３、回折構造形成層
４、反射層
５、微細凹凸回折構造
６、回折構造体
７、凹凸構造
８、凹凸構造領域１
９、凹凸構造領域２
１０、ＵＶ樹脂塗布部
１１、ＵＶ樹脂
１２、基材
１３、１５、ニップロール
１４、スタンパを取り付けてあるシリンダー
１６、ＵＶ照射装置
１７、固定光源
１８、観察者
１９、回折光

Claims (4)

1. 基材と、回折構造形成層と、反射層とを順次積層した回折構造体であって、
   該回折構造形成層の反射層と接する面は、表面に頂点間隔が０．０１〜０．１ｍｍの凹凸構造を有する凹凸構造領域を１つ以上含み、
   該回折構造形成層の該凹凸構造領域を含む面は、表面に頂点間隔が２５０ｎｍ〜４００ｎｍの微細凹凸からなる微細凹凸回折構造を有し、
   前記微細凹凸回折構造は、尖った形状の円錐構造が格子状に配置してなるクロスグレーティング構造であり、アスペクト比（深さ／ピッチ）が０．５〜１．５である
   ことを特徴とする回折構造体。
2. 前記凹凸構造領域の同一領域内においては、前記凹凸構造が均一な頂点間隔で且つ均一な大きさで配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回折構造体。
3. 前記凹凸構造領域を複数含む回折構造体であって、
   凹凸構造領域毎に前記凹凸構造の方向が異なっていることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１つに記載の回折構造体。
4. 前記凹凸構造は、ブレーズド構造であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の回折構造体。