TWI437276B - 具有至少一表面區域含有光學有效表面起伏微結構之元件、其之用途、其之製法、包含其之保全裝置及保全裝置的用途以及具有該元件的物品 - Google Patents

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Description

具有至少一表面區域含有光學有效表面起伏微結構之元件、其之用途、其之製法、包含其之保全裝置及保全裝置的用途以及具有該元件的物品
本發明乃關於具有獨特顏色外觀的光學裝置，舉例來說，可用作保全文件或物品，防止仿冒與竄改。
本發明尤其關於一種元件，此元件具有至少一光學有效表面起伏微結構的表面，以及製造這些元件的方法。
使用光學裝置來保護產品，避免偽造、非法竄改等，如今已是一項公認的技術。
由於日益增多的詐欺與偽造事件，一直需要新穎的反偽造方法。多年來，全像技術一直是較受歡迎的保全技術。另一方面，此技術應用已超過卅年，因此眾所周知。全像術的全像箔片甚至今日在禮品店也可發現。由於許多人都可以接觸全像技術，此情形表示在安全上便有風險。隨著數位全像印表機的上市，更開啟了輕鬆使用全像術母版系統的大門。這種印表機可製作多種的全像術產品，而僅需很少的全像術設置或雷射打字機的知識。此項裝置製作出的母版，之後可用來打造金屬母版，便能大量地將薄膜複製出來。
因此，最需要的是利用新式的保全特點，增加保全裝置的顏色數目，如此便可和採用全像術的裝置明顯地鑑別出來。此種新式裝置的例子是交替式的光學可變裝置(optically variable device，OVD)。OVD裝置的外觀會隨著觀察角度或照明角度的改變而不同。OVD中的一個子群是變色裝置。變色OVD的顏色會隨著觀察角度或照明角度的改變而跟著變化。著名代表性的變色OVD是膽固醇型或干涉型薄膜，包含由此種薄膜的薄片構成之光學裝置。當傾斜此裝置離開垂直於視線的角度，兩者皆能表現出明顯的顏色變化。彩虹的顏色是標準大量製作的全像術裝置之顯著特徵，但在這一類的變色OVD裝置中並不會被觀察到。
在現代薄膜成分的歷史中，基於光學薄膜上光干涉之變色效應具有悠久的傳統(例如J.A.Dobrowolski，「光學薄膜保全裝置」，源自光學文件保全 ，由R.L.van Renesse編輯，Artechouse Boston 1998年)。可由許多種不同的層狀薄膜系統組成。以法線入射的入射光可獲得其特殊的反射光譜。當入射角增大時，反射或透射光譜會向短波長端移動。多層薄膜系統通常由介電層與金屬層構成，也可單獨由介電材料構成。此種情況下，需要不同折射率的薄膜。
基於干涉薄膜或此種薄膜的薄片之保全裝置，今日已可購得。其範例可於Flex Products公司的美國專利第5,084,351和6,686,042號中找到。
其他的方式採用散射裝置。於OVD中使用均向甚至異向散射效應可大幅增強光學吸引力。特別是異向光散射，於製作對視角敏感的裝置時很有幫助。圖1.1與1.2分別說明均向與異向光散射。
均向結構表面上的反射，如新聞用紙或大部分家用品的表面，並不偏向於任何的方位角度。如圖1.1所示，準直的入射光1被散射表面2重新導向到新出射方向3，其具有獨特的軸對稱出射光散佈與獨特的發散角度4。
然而，異向結構表面以獨特的方式反射光到一定的方向，並會抑制其他方向的光。圖1.2中，準直的入射光1撞擊異向散射表面5，被重新導向到新出射方向6，其具有獨特的出射光散佈7，此視對應的方位角度8、8'而定。
為了用來展示資訊，可製作個別像素的圖案，使其具有異向散射行為與不同的異向指向。採取這種方式，相對應的裝置可包括具有圖案的異向散射表面，用來表現像是文字或圖案…等的影像。由於某個方向的光線會因為特定的像素指向而產生反射或被抑制，便可觀察到具有明與暗像素的影像。此外，當傾斜或旋轉此類裝置時，裝置會展現從正到負的明確視覺變化。此種具有圖案表面的裝置可由下面的例子產生。首先，想要的灰階影像先經由光柵處理，也就是說，以某確定的像素解析度將影像分割成暗區與亮區。接下來，暗區(像素)歸類到第一個指向的異向散射區域，而亮區則歸類到不同指向的異向散射區域，例如垂直於第一個指向上。圖2說明此種指向排列的2×2像素方塊。像素10與10'指向在某個方向，而像素11與11'則指向在交叉的方向上。具有類似此種像素排列的圖案之裝置，從第一個視角看來若為正片效果，則旋轉例如90°時，會翻轉成負片效果。
一種已知用圖案異向性來製造異向散射薄膜的方法敘述於Rolic公司的國際專利申請案WO－2001/29148，其他範例也在Ibn－Elhaj等人的「具有均向和異向奈米皺紋表面型態的光學聚合物薄膜」，2001年自然期刊卷410，796－799頁。製作此類表面結構，是採用所謂的單體皺紋(monomer corrugation，MC)技術。其原理在於一項事實，就是當塗抹特殊的混合物或調和物於基底上，經由交聯作用，例如照射紫外線輻射，導致相分離。之後移除未交聯的成分，留下的便是具有特定表面形態的結構。此型態可藉由對齊下層的對齊層而成為異向，且若使用具有圖案的對齊層，使能產生具有圖案的異向散射表面形態。
如前所述，許多應用上有趣與想要的特徵，特別像保全裝置這一類的應用，便在於特殊的顏色與變色效果。在國際專利申請案WO－2006/007742中，展示基於MC技術的單一範例(範例5)，此範例大體上可達到起伏變化(modulation)的深度，並且深到足以看起來產生粉蠟筆的顏色。然而，儘管MC表面型態的平均起伏變化深度與平均週期性可由多種方式加以調整，這兩個參數卻不能互相獨立。為此，並由於從MC技術所製作出獨特表面起伏變化之形狀的關係，便限制了由MC製出的散射表面的色彩飽和度。更飽和的色彩對許多應用而言非常重要，卻無法利用此類裝置做到。
光學裝置的背景中參考到美國專利公開案第2003/0072412 A1號。此公開案揭示一光學有效表面結構，其包括具有多層結構的基底，此多層結構則包括兩塊地(lands)之間的溝槽。需注意的是美國專利公開案第2003/0072412 A1號所揭示的結構，基本上為週期性的結構。因為特別注意在每個有效週期(記為d)之中，每塊地都是隨機分佈，但是各個週期中使用的卻是相同的隨機圖案。因此儘管同一週期內有隨機分佈，但是在每個週期卻是相同地重複。因此本結構是週期性的。類似的結構揭示於德國專利案第10 2004 003 984 A1號和美國專利公開案第2005/0094277 A1號。
同樣的週期性表面結構揭示於美國專利公開案第2005/0219353 A1號中，在抗反射塗層的段落裡。姑且不論文中提到突出的光學碎片隨機排列這項事實，文中並沒有展示這些光學碎片的非週期性排列。另一方面，所揭示用以製造抗反射塗層結構的實際方法，並不能明確引導至和顯示器有關的突出光學碎片的結構，也就是固定不變的起伏變化深度。
美國專利公開案第2003/0011870 A1號揭示一具有光反射薄膜的基底，其中形成於基材上之多個凸部的高度或凹部的深度，基本上指定成相同的尺寸。多個凸部或凹部的二維形狀指定成獨立的圓形與多邊形，或兩者中擇一的二維形狀。除此以外，多個凸部或凹部以隨機方式、以平面的方向作排列。基底的製作使用一種遮罩，此遮罩之光線可透射或無法透射的部分是以點為單位來製作，點的數目比點區域的數目小。點在每單位中以不規則排列，並包括多個單位。
日本專利公開案第2005－215642號提出用來製造具有高散射亮度的漫射反射體之光罩，以及利用此光罩製造漫射反射體的方法。光罩有一圖案區域，而一單位的圖案區域則置於矩陣中。圖案區域具有矩形光傳導的部位，而有多個置於矩陣中，並且大量圓形而細微的光傳導部位則規則地或隨機地沉積在每個矩形光傳導部位的周圍，並且有光屏蔽部位環繞著圓形而細微的光傳導部位。此外，環繞光傳導部位的帶狀區域並沒有細微的光傳導部位，帶狀區域的寬度為1微米至5微米。
因此，本發明的目的是提出一種表面結構，無需任何附加元件或層狀物，本身就足以同時展現：(a)散射效果，適用於展示影像，而且影像翻轉時會有正負片效果，但卻不會出現彩虹的顏色，以及(b)清晰且飽和的顏色外觀。
本發明另一項目的是提出製作此種表面結構的方法。
因此，根據本發明其中一方面，提出一種元件，此元件具有至少一表面區域，此表面區域有光學有效表面起伏的微結構。此表面起伏微結構的表面起伏變化(transition)，是從底端部位到頂端部位，以及從頂端部位到底端部位；其中在表面的(第一個)側邊方向，每20微米以內，(平均)至少有一次從頂端到底端部位(或反之)的起伏變化；更理想的是額外在表面的第二個側邊方向(垂直於第一個方向)，每200微米以內，平均至少有一次從頂端到底端部位(或反之)的起伏變化；此元件的特徵在於：(i)在(第一個)方向上，起伏變化的側向排列是非週期性的，並且(ii)頂端部位實質上位於同樣高度的頂部起伏平台，底端部位實質上落在同樣高度的底部起伏平台上，使得整個表面上的起伏變化深度基本上是相同的。
為更完備解釋以上所述以及本發明接下來的討論，需要下一些定義：對於嫻熟此技術的人士來說都知道的，週期性函數為一函數，在其獨立變數加上某一明確的週期後，函數值便會重複。相較之下，非週期性函數為一函數，其無法定義函數值重複的明確週期。有許多方法可以求出週期性，其中一種是求出一維或多維的關連函數。
嫻熟此技術的人士也都明白的是，函數的平台是其定義域的一部分，在此範圍內函數值為常數。因此本發明內容中，頂部起伏平台以及底部起伏平台為二塊區域，其中定義出表面的函數在垂直於基底的平面方向上(沿著z方向)，其函數值實質上為常數。值得注意的是，實際具有此種區域，基本上是非連續的或擬連續的(例如在表面結構中之頂端與底端的正弦式起伏變化)，便是一項具鑑別力的特徵。
此二平台的水平線之間的高度差異，於整個表面上是相等的，或基本上是相等的，這表示整個表面上兩平台的高度變化量在z方向通常小於20%，較佳的是小於10%，甚至更理想的是小於5%。存在這些平台，以及此二平台水平線之間的高度差異是相等的，或基本上是相等的這項事實，亦可被績效函數(merit function)量化，以下會再詳述之。
異向軸是表面沿著此方向具有最少起伏變化的方向，因此通常在表面形態中為溝槽的方向，或是類似溝槽的結構之方向。
表面起伏填滿因數定義為：以頂端部位總面積作分子，所有頂端與所有底端部位面積總和為分母的分數。
咸信特徵(i)是為何沒有產生彩虹顏色的主要原因之一，而特徵(ii)主要提供了飽和的顏色外觀。
為進一步說明本發明元件的特質，需引進函數AC(x)：AC(x)是沿著表面起伏微結構至少一個方向上，計算而得的平均一維自相關函數；此方向對異向的表面起伏變化而言，是垂直於異向軸的方向。此自相關函數定義一關連長度，即「自相關長度」，其定義是當自相關函數AC衰減成在x＝0的值10%時，其包絡線之內的長度。本發明文中名詞「非週期性的」(non－periodic)通常使用在以下條件：自相關長度小於頂端與底端部位相鄰起伏變化之間的平均側邊距離的三倍。
根據一項較佳的實施例，起伏變化的側向排列在第二個方向上(也就是垂直於第一個方向)也是非週期性的。
根據另一項較佳實施例，元件所具有的圖案是由具有光學有效表面起伏微結構的多個表面區域所構成。圖案可表現像是文字或圖畫…等的影像，或著可以像是文字或圖畫…等影像的一部分。影像也可能含有不具光學有效表面起伏微結構的區域。此區域因此無法展現飽和的色彩外觀，但這種外觀對於展現表面起伏微結構的區域而言是典型的。
另一方面，本發明乃關於包括此種元件的保全裝置。
本發明另一方面，提出一種製作元件的方法，此元件至少具有一面光學有效表面起伏微結構的表面區域。本方法先製作一遮罩，其具有不同透明度的第一與第二區域之微結構；其中遮罩的(第一個)側邊方向上，每20微米以內(平均)至少有一次從第一到第二區域(或反之)的起伏變化；更好的作法是額外在遮罩的第二個側邊方向上，也就是垂直於第一個方向，每200微米以內，(平均)至少有一次從第一到第二區域(或反之)的起伏變化；其中第一個方向上起伏變化的側向排列是非週期性的。接下來，藉由遮罩的幫助，在樹脂或抗蝕劑的表面形成起伏微結構，以製作出對應於遮罩第一區域的頂端部位，以及對應於遮罩第二區域的底端部位。因此，頂端部位實質上位於頂部起伏平台，而底端部位實質上落在底部起伏平台上，使得整個表面上的起伏變化深度基本上是相同的。
因此本方法的原理可總結為：使用不同透明度的第一與第二區域的微結構，其中遮罩的(第一個)側邊方向上，每20微米以內(平均)至少有一次從第一到第二區域(或反之)的起伏變化，更佳的作法是也在遮罩的第二個側邊方向上，也就是垂直於第一個方向，每200微米以內，(平均)至少有一次從第一到第二區域(或反之)的起伏變化，其中第一個方向上起伏變化的側向排列是非週期性的；此例如能以前述的MC技術來完成。可以大致上採用此微結構之二維、異向形態的圖案，以及在第三維度，也就是垂直於微結構平面的方向，利用二維異向形態圖案當作模版，用來生成更明亮清晰的結構化輪廓，而避免MC技術的缺點或限制。此明亮清晰的輪廓表示最後所生成的結構，其頂端部位實質上位於頂部起伏平台，而底端部位實質上落在底部起伏平台上。
在最極端的情況，這就表示此二維異向形態的圖案(基本上可利用像是MC技術對微結構做切片而得)，沿著第三維度投影，便可在頂部平台剛好得到此二維形態，並在底部平台得到此二維形態的負值，而兩平台之間則是垂直的起伏變化。仍然在本發明中而較不極端的情況，其特徵例如在於像是特定的雙峰分布，而沿著第三維度的方向，其特徵如利用以下將述及的績效函數M來討論。
根據本方法的某較佳實施例，遮罩不同透明度的第一與第二區域微結構，可使用下面的步驟來製作。第一，形態上具有結構化皺紋表面結構的薄膜沉積在一層遮罩材料上。接下來，削減薄膜厚度，直到薄膜具有皺紋表面的較底層區域的材料被清除，而底層的遮罩材料部分可以露出來為止。之後，移除已露出的遮罩部分。
本發明亦關於以上所概述元件的較佳用途。理想上此類元件用作保全裝置的保全元件。保全裝置可施加在或併進保全文件中。保全文件舉例來說像是紙鈔、護照、牌照、股票債券、優待券、支票、信用卡、證照、票券等。保全裝置可進一步施加在或併進商標或產品的防偽裝置上，或加入包裝機構裡，像是包裝紙、包裝箱、信封…等。保全裝置也很適合做成吊牌、安全條、標籤、纖維、線、層積片、補片…等等的形式。
本發明的一項重點是光學有效表面起伏微結構可藉由適當的複製技術來加以複製，此因為相關的光學效果來自於表面起伏變化的界面。只要做出母版，便可利用標準的複製技術來廉價地大量生產此裝置。今日，兩種著名而具成本效益的複製技術是紫外線浮雕與熱浮雕(範例參考M.T.Gale所著之「繞射光學元件之複製技術」，微電子工程，卷34，頁321(1997年))。
根據某較佳實施例，光學有效表面起伏微結構是以單一材料製作。然而，為達到更強的顏色反射，依據本發明的表面起伏微結構通常將鍍上一層反射材料，像是鋁、金、鉻、銅或類似者。
尤其針對保全用途時，必須封住表面起伏微結構以保護裝置不受機械衝擊、污染，以及避免未經許可和非法複製此類裝置。適當的保護與鈍化薄膜為透明的介電材料，或是可進一步增進裝置顏色外觀而具有特定吸收性質的材料。
依照本發明製作的元件也適用於保存高解析度影像、圖形部分、縮影文字和類似的特徵。顏色外觀通常會對觀察的角度敏感，而於大視角時可能會轉變成無色的影像。影像像素的散射性質可加以調整，以使顯著的散射出現在預先定義的方向上。如果製作並據此排列具有此種性質的像素，便可在傾斜或旋轉裝置時，產生明確的正負影像翻轉現象。
更進一步來說，可得到廣泛的顏色範圍，例如，從較低到較深的起伏變化顏色為黃、橘、玫瑰紅、紫、藍與綠色。深度更深的結構會出現更高階的顏色。
所附圖式進一步闡釋本發明。需強調的是各式各樣的特徵不一定依照比例畫出。
圖3是根據本發明之表面起伏微結構12的一個範例，此為12微米見方的原子力顯微術(atomic force microscopy，AFM)三維圖像。此微結構依照底下敘述的方法來製作。
表面的起伏變化建立出從頂端部位13到底端部位14的變遷。頂端部位13與底端部位14的寬度，也就是平台的寬度，通常落在從200奈米到約20微米的範圍。對許多應用而言的一項先決條件，就是表面起伏變化有可能為異向性的。圖3中的微結構也是這種例子。此微結構具有像是溝槽的底端部位，基本上朝Y軸延伸，使得表面起伏變化具有平行於Y軸的異向軸。對異向的起伏變化而言，本發明的表面起伏微結構的頂端與底端部位之側向維度，可採用以下的事實描述：在第一個側邊方向上，每20微米以內，平均至少有一次從底端到頂端部位(或反之)的起伏變化，而在表面的第二個側邊方向(垂直於第一個方向)，每200微米以內，平均至少有一次從頂端到底端部位(或反之)的起伏變化。
圖3中第一個方向對應於和溝槽呈直角的方向，而第二個方向對應於沿著溝槽的方向。在第二個方向上的其他側邊方向，例如平行於溝槽方向，起伏變化可能有頗大的空隙，或對延伸至整個微結構的溝槽而言，甚至是沒有任何起伏變化。
表面起伏微結構可形成一反射面。此反射面舉例來說可由像是鋁、鉻或類似者披覆微結構的金屬薄膜製成。另外也可選擇的是，反射可藉由轉換成具有不同折射率的材料來產生。微結構的表面可暴露在空氣中，或舉例來說，可用介電材料披覆。披覆的媒介物也可以吸收某些顏色，以增進裝置的顏色外觀。
根據本發明的表面起伏微結構之較佳實施例，在表面區域第一個側邊方向上，從頂端部位到底端部位(或反之亦然)，相鄰的起伏變化之間的平均側邊距離落在0.5微米到10微米之間。平均側邊距離能落在0.5微米到5微米之間則更佳。有利的作法是，在第二個側邊方向，也就是垂直於第一個側邊方向，從頂端部位到底端部位的起伏變化之間的平均距離小於100微米，能小於50微米則更佳。
光學起伏變化的深度最好落在100奈米到1000奈米的範圍，能落在100奈米到500奈米則更佳。本發明內容中的光學起伏變化深度，是機械的起伏變化深度與充填表面起伏的材料之折射率的乘積。
根據本發明的表面起伏微結構，其特徵在於非常特定的表面起伏變化。
第一，從頂端到底端部位和從底端到頂端部位的起伏變化，其側向排列是非週期性的。特別是和像是光柵與全像術的表面結構相較之下大不相同。
第二，頂端部位實質上位於同樣的頂部起伏平台，而底端部位實質上落在同樣的底部起伏平台上，使得整個表面上的起伏變化深度基本上是相同的。見圖3，頂部與底部起伏平台在前方截面上以虛線15和16標示。於所展示的範例，起伏變化的深度(或平台對平台的距離)約為290奈米。這第二項獨特、可以說是「二元」的起伏變化，特別是和之前於介紹部分所描述之基於MC技術的已知微結構，相較之下大不相同。
如嫻熟此技術的人員所熟知的，存在有許許多多天然或人工的表面，具有不同均向和異向散射的性質。均向散射表面的著名範例為毛玻璃，例如用於照明系統。此種散射玻璃傳導或反射光，並不偏向於某特定方位角的散射方向。
基於異向表面起伏結構的光學裝置，其光學散射或繞射偏向於某特定方位角的方向。一維的散光器便是屬於此類的光學裝置。其表面起伏z(x,y)只和一個橫軸有關，例如x。表面起伏的異向軸因此會平行於另一橫軸，例如y。在z－x平面上傳導的光會被散射在z－x平面上。其他異向光學散射裝置的範例說明在前述的WO－2001/29148與WO－2006/007742。這些異向散射裝置具有表面溝槽或是圖案，其呈現異向性且散射光主要垂直於細長溝槽或是圖案的軸線。
大部分均向與異向的散光器是打算用在照明系統，因此具有高度的消色差性。和依據本發明的光學裝置相較大不相同，後者保有顏色外觀，並且原理是基於位在兩個散射表面起伏平台的散射與干涉。
表面起伏的異向性能夠增強裝置的亮度，並能產生生栩栩如生的圖像設計，像是根據視角或照明角度不同而有正負片翻轉效果或是移動的圖形元件。
可實行的異向表面起伏圖案之範例，就是根據本發明的起伏微結構，以概要圖說明於圖4.1、圖4.2與圖4.3。每張圖中，兩種異向表面起伏像素20/20'、21/21'與22/22'分別以其對另一半旋轉90°的異向軸來展現。異向軸在左像素中垂直，而在右像素中水平。依據圖4.1，異向圖案被延伸成矩形的溝槽23。依據圖4.2，異向圖案被延伸成圓邊的矩形突起物24。依據圖4.3，異向圖案被延伸成線狀的溝槽23。可觀察到的可見光主要散射或繞射在細長溝槽或突起物。其他根據本發明的異向表面起伏圖案，可匯總於下文中的範例。
為進一步描述此類結構，「表面起伏長寬比例(surface relief aspect ratio，SRAR)」在本發明內容中定義為：異向的表面起伏圖案之平均長度對寬度的比例。SRAR可大大地決定在表面起伏微結構上散射光的方位角的光學外觀。當SRAR＝1時，對應於表面起伏的圖案在至少兩個側邊方向上展現平均相同的延伸，入射光的散射性質幾乎與光的入射角方位沒有關係。因此，若SRAR＝1，當含有表面起伏微結構的元件沿著垂直於元件表面的軸線旋轉時，起伏微結構的表面反射光之強度幾乎不會改變。
對異向的起伏結構而言，也就是SRAR>1，反射光的強度取決於光的入射方位角。為使眼睛能辨識出此種與入射方位角的相關性，SRAR應大於1.1。對於具有不同異向軸的表面起伏結構，為了要增加其圖案的影像設置所能觀察出的對比，SRAR值最好大於2。更佳的SRAR值為大於5。
若SRAR值非常地大，會使大量光散射的方位角度範圍變得較小，從而更難以辨識表面起伏圖案所製作的影像反射光。因此，本發明一項目的是提出一個參數，調整此參數所設計出的表面起伏結構，其表面反射光的光學外觀會對可視方位角度與對比最佳化。在某較佳實施例，SRAR因此小於50，甚至SRAR小於20更好。
進一步發現，依據本發明之表面起伏微結構的較佳實施例，其幾何特徵在於適當地選擇表面起伏的截線與深度性質。以下將說明這些性質。任何實際的表面都可確定出這些性質，若採用AFM影像更佳。
性質之一為表面起伏非常不相關的事實，因此其特徵在於短的自相關長度。
一個用來提供非週期性或非確定性的表面輪廓特徵的有用參數為自相關函數與一個和其有關的自相關長度。表面輪廓的一維或二維自相關函數可認知為：對於平面空間上兩個分開距離x的點，所得出的表面輪廓之可預測性的度量。
函數P(x)的自相關函數AC(x)，像是表面起伏微結構的輪廓，定義為：AC (x )＝∫P (x ')．P (x '＋x )．dx '
自相關函數其他細節與相關的程式議題，可參考像是「C語言數值方法：科學計算的藝術」，作者為William H.Press、Saul A.Teukolsky、William T.Vetterling、Brian P.Flannery－康橋，紐約：康橋大學出版社，1992年。應用自相關函數於影像處理中的圖案辨識，可參考像是「數位影像處理」，作者為William K.Pratt－紐約：威利出版社，2001年。
對非週期性或非確定性的表面輪廓而言，當x的值增加時，自相關函數值會快速地衰減。另一方面，像是可在光柵中發現的決定性的表面輪廓，其自相關值並不會衰減。然而在光柵的例子中，自相關函數值會隨某週期性函數起伏。對於近似週期性的光柵，當x的值增加時，其包絡線值也會衰減。
藉由一維的自相關函數，可定義出單一的獨特數值：自相關長度L。自相關長度是當自相關函數的包絡線衰減至某特定門檻值時的長度。就目前的應用，一個已被證明合適的門檻值為AC(x＝0)的10%。
為了要指定自相關長度L，需要定義另一個參數：平均溝槽到溝槽間的距離P。依據本發明的微結構之自相關長度，一定小於以P為單位的某數值。
因此，依據本發明表面起伏微結構的較佳實施例，其特徵在於：表面起伏在至少在一個方向上(對異向的表面起伏變化而言為垂直於異向軸的方向)具有平均一維自相關函數AC(x)。此函數有一包絡線，於自相關長度內，此包絡線值衰減至AC在x＝0之值的10%，其中自相關長度小於頂端與底端部位相鄰起伏變化間之平均側向距離的三倍。
較佳的表面起伏微結構，其自相關長度小於頂端與底端部位相鄰起伏變化間之平均側向距離的兩倍。更佳的表面起伏微結構，其自相關長度小於頂端與底端部位相鄰起伏變化間之平均側向距離的一倍。
在另一項較佳實施例中，自相關長度(L)大於頂端與底端部位相鄰起伏變化間之平均側向距離的百分之一。
依據本發明的表面起伏微結構具有異向散射的表面起伏變化，其異向軸的求法可基於像是適當的AFM影像或導出的自相關函數。接下來沿著垂直於異向軸的直線計算一維的自相關函數值，最後求其平均值，便可求出平均一維自相關函數。藉由此平均一維自相關函數，便能求出包絡線與自相關長度L。
上述表面起伏微結構的幾何特徵，由以下兩個範例來進一步說明。第一個範例為表面全像技術之表面起伏微結構，為先前技術中所熟知者；相對應的AFM影像與自相關函數見於圖5.1、5.2與5.3。第二個範例為根據本發明的表面起伏微結構，相對應的AFM影像與自相關函數見於圖6.1、6.2與6.3。
圖5.1展示某表面全像技術的表面起伏微結構的15微米×15微米AFM影像。圖5.2為圖5.1的AFM影像之二維自相關函數。明顯地，AFM影像中所見的擾動可見光柵，與整個影像區域以及所有的方向都有相關。其異向軸可從AFM影像或二維自相關函數求得。
圖5.3是平均水平一維自相關函數，其是由沿著垂直於異向軸的直線所算出。自相關函數30有一包絡線，於圖上以虛曲線31標出。圖中可看出在七個側向溝槽至溝槽間的距離(自相關函數的尖峰)之內，包絡線並未衰減到低於自相關函數於位置0的10%。因此，自相關長度(被定義為包絡線衰減到10%)對圖5.1中的表面全像技術而言，遠大於七個側向溝槽至溝槽間的距離。
現在，依據本發明之表面起伏微結構的15微米×15微米AFM影像展示於圖6.1中，其相對應的二維自相關函數展示於圖6.2。有趣而值得注意的是從圖6.2的中間部分，自相關函數便快速衰減，顯示基於本發明的微結構幾乎是沒有相關性。
從圖6.1的AFM影像，可看出根據本發明的微結構，其底端部位具有溝槽的形式，並朝垂直方向延伸。所以其異向軸是垂直的。
圖6.3中，曲線34表示圖6.1的表面起伏微結構沿著垂直於異向軸的直線所算出的平均水平一維自相關函數。和前一範例的先前微結構技術相較之下，此例中的一維自相關函數陡峭地衰減，而其包絡線則實際上與函數本身重疊。因此，包絡線迅速地衰減至小於10%，而對應的自相關長度L則小於一個側邊的溝槽到溝槽的距離。
根據本發明表面起伏微結構的另一項性質為兩個明確的表面起伏平台。藉由基於表面起伏高度(或深度)的長條圖之函數，較佳實施例中兩平台的品質便可加以量化。
理想上，依據本發明的元件為純粹兩個高度水平系統，由平坦的頂端與底端部位構成，兩部位間以獨特的平台到平台間的距離分開。發生在此光學元件的光線散射，將產生兩種形式的散射光束：其一為頂端部位的散射，另一則是底端部位的散射。兩光束會彼此干涉，產生的結果便是顏色效果。
然而實際應用上，製造過程會得到想要與不想要的不規則性，因而污損了頂端與底端部位以及平台間的距離。因此，整個表面起伏微結構上的高度長條圖是很好的統計工具，用來分辨表面起伏的特徵，並且使所要的平台可以被看得出來。長條圖舉例來說可由適合的AFM影像來導出。所用到的數學作業涵蓋於大部分的數學軟體，或在任何現代的影像處理軟體中。
根據本發明表面起伏微結構，因為具有兩個明確的表面起伏平台，故長條圖中應可發現兩個明確的尖峰。進一步的說明見圖7.1與7.2。
圖7.1是已展示於圖3的本發明微結構之AFM影像，圖7.2為對應的長條圖。可清楚看出兩個明確的尖峰。
為了量化表面起伏微結構的另一項性質，引進表面起伏填滿因數。本發明內容中，表面起伏填滿因數定義為頂端部位的總面積對全部頂端與底端部位的完整面積之比率。為求達到好甚至最好的光學性能，通常會使頂端與底端部位大概具有相同的總面積。換言之，頂端與底端部位應該相稱，也就是說，表面起伏填滿因數應該接近0.5。相對應的長條圖會有兩個大小相同的尖峰。對圖7.1所示的微結構來說，圖7.2中的長條圖有些微的不對稱，底端部位的總面積略小於頂端部位的總面積。
一般說來，根據本發明的表面起伏微結構，其表面起伏填滿因數可以落在很大的範圍內。理想上，表面起伏填滿因數在0.05到0.95之間，最好是在0.2到0.8之間。更理想的是，表面起伏填滿因數落在0.3到0.7之間，或是0.4到0.6之間。
再者，一種基於高度長條圖的績效函數，對於定出明確表面起伏平台的特徵很有幫助。一個可行的績效函數M如下：
績效函數M採用的是尖峰寬度與起伏變化的深度之間的關係。平台附近之頂端與底端部位的偏差範圍，應落在起伏變化深度的某明確定義部分之內。△x1 與△x2 為兩個長條圖尖峰的寬度，是以整個尖峰高度的1/e來計算，其中e是自然對數的底(e≒2.72)，d是兩尖峰間的距離(對應於平台至平台的平均距離，或是起伏變化深度)，△x1 、△x2 與d皆標示於圖7.2中。
通常要得出此種高度長條圖，會在第三維方向上選擇取樣寬度。取樣寬度至少比d值要小50倍，能至少比d值小100倍更好。
根據本發明表面起伏微結構的較佳實施例，其具有的績效函數M的數值大於2。M值能大於3.5則更好。
舉例來說，圖7.1與7.2的微結構具有績效函數M值將近4.0。
本發明的另一方面與上述具有表面起伏微結構的元件之製作方法有關。
通常本方法會使用兩項主要步驟。第一項步驟，製作一遮罩，具有不同透明度的第一與第二區域的微結構；其中至少在遮罩的一個側邊方向，每20微米以內，至少有一次從第一到第二區域(或反之)的起伏變化，並且其中起伏變化的側向排列是非週期性的。
第二項步驟，對樹脂或抗蝕劑的表面進行起伏微結構化，此乃藉由遮罩的幫助產生頂端部位(對應於遮罩的第一區域)與底端部位(對應於遮罩的第二區域)；其中頂端部位實質上位於頂部起伏平台，底端部位實質上落在底部起伏平台上，使得整個表面上的起伏變化深度基本上是相同的。
通常遮罩由金屬製成，可用於構造的曝光製程，像是光蝕印或蝕刻製程。
遮罩的第一與第二區域的一種常見形式是完全透明的，例如遮罩中的孔洞。而另一種形式則是非透明的，例如以金屬遮罩的不透明材料來製作。但是嫻熟此技術的人士明白，根據特定的曝光過程，也可能使用到不同透明度區域的遮罩，像是半色調或灰階遮罩。
遮罩較透明或較不透明區域的安排，在製作均向表面起伏微結構時為均向，而在製作異向表面起伏微結構時則為異向。
上述方法的第一步驟，就用來製作遮罩的較佳方法而言，不同透明度的第一與第二區域的微結構使用已知的技術製作，此技術是用來製作具有皺紋形態結構的表面結構。
此種技術之一是基於可交聯與不可交聯的材料混合物的相分離和交聯。要獲得具有皺紋形態結構的表面結構，可製作至少兩種材料的混合物，其中至少一種是可交聯的，而至少另一種是不可交聯的。塗抹此材料在基底上，交聯至少一實質部分的交聯材料，並移除至少一實質部分的非交聯材料。對異向的微結構而言，在交聯過程中，例如藉由底下的指向層或定向基底表面，可維持交聯材料在定向狀態。
更明確地說，適合用來生產合適的遮罩之皺紋形態表面結構，可採用以下的例子製作。在第一步驟中，披覆一光校正薄膜在某合適的基底上。利用具有圖案的線性偏振紫外線光，例如使用一或多個光罩並重複曝光(或是用光罩或偏光罩做單次曝光，而於一步驟中產生具有圖案的輻射，或是用雷射掃瞄法…等)，便可在此光校正薄膜上寫下潛伏的圖案或影像。此種光校正技術的細節舉例來說可於美國專利第5,389,698號中找到。曝光後的光聚合物具有校正液晶混合物與可交聯液晶預聚物的能力。在第二步驟中，具有圖案的對齊層披覆著可交聯與非交聯液晶材料的調和物。接下來交聯此結晶調和物，最好是暴露於光化性輻射(紫外線光)。此步驟會引發相分離並交聯液晶預聚物。下一步，移除非交聯材料，例如使用足量的溶劑來為之，便可得到具有異向表面結構的皺紋薄膜。微皺紋薄膜基本的製造原理與光學行為，揭示於像是國際專利申請案WO－A－2001/29148與WO－A－2004/027500。至於如何製作此種具有異向表面結構的皺紋薄膜，揭示於WO－A－2001/29148與WO－A－2004/027500，此處特別聲明引用。
例如由上述製程所產生的具皺紋形態表面結構的薄膜，可用來製造不同透明度的第一與第二區域的遮罩微結構。為達此目的，此薄膜先置放在一層像是鉻的遮罩材料上。接著，例如用電漿蝕刻，削減薄膜的厚度，直到清除掉薄膜材料在皺紋表面較底層的區域，使得底下遮罩材料的部分可以露出來。最後，藉由像是溼式蝕刻，移除露出來的遮罩。
除了上述方式，其他技術也可用來製作遮罩，以用來根據本發明的方法製作具有表面起伏微結構的元件。
除上述用來製備微皺紋薄膜的方法以外，尚有其他已知的自組式微米與奈米結構化技術可以使用。其中的範例像是共聚物中的自我組織(self organization)或去濕潤(dewetting)。
一種可行的作法是使用電子束寫入機。此種寫入機的電子束直徑可產生非常狹窄的抗蝕曝光區域，並且定位精準到可用在奈米光柵。
再者，金屬或半導體(像是鋁或矽)的電解蝕刻，也可產生多孔的微米與奈米結構表面。
現在要敘述一些可進一步闡釋本發明的範例。
所有範例中，具有不同透明度第一與第二區域微結構的遮罩，皆使用金屬遮罩。製作此遮罩當作光蝕印遮罩或乾式蝕刻遮罩。
範例1：
圖8.1至8.5示範遮罩的製作，其具有不同透明度的第一與第二區域微結構，適合用在本發明的方法來製造具表面起伏微結構的元件。
一塊玻璃或塑膠板41，上面披覆一層金屬層42，作為基底。金屬層材料可為鋁、鉻和類似的金屬，金屬層較佳的厚度為10至50奈米。
在金屬層42之上，置放一層具皺紋形態表面結構的薄膜43(圖8.2)。薄膜43以上述程序製作，並揭示於WO－A－2001/29148與WO－A－2004/027500。局部而言，微結構可為均向或異向。藉由圖案的排列，便可以在薄膜的皺紋表面上雕刻出影像、圖形部分、縮影文字和類似者。
接著將薄膜43進行電漿蝕刻，以露出部分底下的金屬薄膜(圖8.3)。此處理可採用標準的氧電漿。其結果為，薄膜43的厚度被削減，直到披覆金屬層42只被最初薄膜43的上層區域43'的材料所部分覆蓋為止。
下一步驟中，部分露出的金屬層42使用適當的蝕刻溶液進行溼式蝕刻(圖8.4)。藉由此步驟，金屬層42便形成特定的微結構孔洞44，其對應於薄膜43的皺紋表面之較底層區域。如此便建造出一個遮罩，可供根據本發明用以製作具表面起伏微結構的元件所需。如果需要的話，可使用像是氧電漿來移除薄膜43上層所殘留的材料43'(圖8.5)。
範例2：
圖9.1至9.3示範如何利用範例1中的微結構化遮罩，於下一步驟製作元件，使其具有根據本發明之光學有效表面起伏微結構的表面區域。
一玻璃或塑膠基底48，塗敷一層正光阻層49(圖9.1)。像是史普利(Shipley)S1800系列的光阻劑就非常合適。所塗敷的光阻層49厚度會決定表面起伏微結構最後所產生的顏色。通常光阻的厚度介於100奈米與500奈米之間，但也可以更厚。根據光阻的類型，像是在加熱盤上以110℃烘烤一分鐘的步驟，可能是必須的。
接著，將所製備的位於板子41上的微結構化金屬遮罩42緊扣在光阻層49上，並照射紫外線光源50(圖9.2)。光源可採用像是德國Hnle博士的「藍點2號(Bluepoint 2)」紫外線裝置。
調整照射時間，以使顯像之後可得到良好的二元表面輪廓，也就是說，具有兩個明確表面起伏平台51與52的輪廓(圖9.3)。
應瞭解除了正光阻劑以外，負光阻劑也可以用在類似的製程中。
藉由此技術，可得到根據本發明之良好的表面起伏微結構，以及達到快速製造的目的。因為金屬遮罩可以重複使用，而包含顯像步驟在內的光蝕印術也不過是幾分鐘的事情。微結構本身也可以當作光學元件，但更理想的是用作複製技術中的母版。
為比較根據技術現狀(WO－A－2001/29148與WO－A－2004/027500)所製造的具有皺紋形態結構的表面結構，以及根據範例2所製造的結構，兩者之間的性質部分作一定性概要，上述薄膜43(對應於技術現狀的具皺紋形態結構的表面結構)的光學性質將與範例2的最後成品作比較，其結果總結於表1。
範例3：
做為範例2描述方法的另一種選擇，其他的方式也已經過測試。欲獲得良好的成品，可以直接在金屬遮罩上塗敷一層光阻，並控制適當的薄膜厚度。
圖10.1也是位於板子41上所製備的微結構化金屬遮罩42。但是這一次卻是塗敷光阻層55，如圖10.2所示。紫外線透過基底的背面照射，而微結構化金屬遮罩位於上層。
下一步驟進行光阻的顯像過程，便可產生微結構化的光阻層。在此例中，光蝕印術製程可使用正或負光阻。圖10.3是採用正光阻所得到的微結構化光阻層55，而圖10.4則是採用負光阻。
範例4：
另一種製作具有本發明光學有效表面起伏微結構表面的元件之方法，描述如下，並參考圖11.1與11.2。
採用玻璃平板59，塗敷一層可蝕刻材料層60，例如可交聯的預聚物，當作基底。另一種方式則是直接使用像是普列克斯玻璃(plexiglass)的聚合物基底，便無須塗層。
接著於基底的頂端，依照範例1所描述的方式，生成微結構化金屬遮罩61(圖11.1)。
於下一步驟，乾式蝕刻此裝置，以使電漿離子蝕穿金屬遮罩的孔洞。氧是一種合適的電漿蝕刻媒介。聚合物與金屬的蝕刻選擇性很高。因此，即使只有奈米厚度的金屬區域也不會被氧電漿擊垮，所以可製作出微米級或奈米級的溝槽。電漿蝕刻的時間會決定底端部位的深度，也影響最後的顏色外觀。若選用玻璃作為基底，玻璃本身也可當作是蝕刻的阻擋材料。
最後，採用適當的溼式蝕刻溶液，以溼式蝕刻的方式來移除金屬遮罩。
範例5：
如前所述，具有根據本發明之光學有效表面起伏微結構表面的元件，可用作複製技術的母版。例如，依照範例1到4的方法所製備的元件就很合適。製備之後，元件可簡單地暴露在溼式蝕刻浴，用來除去母版表面殘留的金屬區域。
微結構化的母片可用來製作金屬墊片，也就是沉積一層薄的金屬層，像是金、銀或類似者，之後再電鍍一層鎳。複製品是藉由鎳墊片熱浮雕於適當的薄膜聚合物材料來製作，或是用紫外線塑形於適當的紫外線可硬化材料來製作。
再者，微結構化的複製品可以鍍上鋁或類似的材料，以產生好的反射面。對於用作保全裝置的複製品來說，更是特別有用。
最後，此裝置可使用介電鈍化薄膜加以保護，或是直接塗上產品之後的用途所適用的膠水。採用此種方法，微結構的表面起伏變化便填滿了介電材料。
基於上述方法的反射裝置基本上展現單色的反射。根據製備過程的不同，有時候當傾斜樣品時可觀察到顏色的變化。但此種裝置的一個獨特之處便是絕不會看見彩虹的顏色。和標準的全像技術相較之下，此裝置顯著地不同。
範例6：
當然也可以在同一元件中，結合或混和兩種或多種具有不同表面起伏微結構的區域。此種更複雜的元件舉例來說可產生多色的影像，也因為其複雜度的關係，更可以增加安全的程度。
圖12.1到12.4舉例略述一種方法，用來製作含有兩種區域的元件，各區域具有不同的基於本發明之表面起伏微結構。
在包括玻璃或塑膠板65以及可蝕刻材料層66的基底上，依照前述製程步驟，披覆一層微結構化金屬薄膜67(圖12.1)。同樣地，也可以採用具有適當聚合物塗層的玻璃或塑膠平板，抑或像是PMMA(普列克斯玻璃)的聚合物平板。
接下來，對所製備的基底表面施行第一次的電漿蝕刻。所蝕刻的深度會決定第一次最後所呈現的顏色(圖12.2)。
再來，於目前為止所產生的表面起伏微結構上，塗敷一層正光阻層68，並暴露某區域69於紫外光下。藉由顯影光阻，區域69暴露的光阻材料會被沖刷掉。
現在，已位於區域68的微結構進一步施行第二次蝕刻步驟(圖12.4)。此額外的蝕刻步驟會增加深度，並且決定出區域68中微結構的顏色。其結果為，元件將具有兩塊不同的光學有效表面起伏微結構區域69與70。
如果需要的話，可重複以上覆蓋某區域並蝕刻其餘未覆蓋區域的步驟，以產生出三個或更多個具有不同微結構的區域。
所使用的遮罩可製成非常高的解析度，像是具有可小於10微米的像素大小。適當選擇顏色與像素的安排，可製作出顏色混加的影像。
範例7：
根據本發明的表面起伏微結構可製成具有反射性或部分反射性。相對應的範例示範於圖13.1與13.2。
為了要造出強烈的顏色反射，微結構通常披覆一薄層71，像是鋁、金、鉻、銅和類似者的反射材料。此薄膜71的厚度會決定反射與透射的程度，便能製作出高反射或部分反射的裝置。
層71的材料除了可以使用部分反射的金屬薄膜以外，也可以採用高或低折射率的披覆層。高折射率材料的範例像是硫化鋅、硒化鋅、ITO或二氧化鈦。包括高折射率材料的奈米微粒之複合材料也很合適。
另一種作法為，可藉由使用高反射材料並且只披覆部分的微結構，來製得部分反射的裝置。例如，先覆蓋整面微結構，再移除部分的披覆層，以使反射材料只披覆於一部份的微結構上。參見圖13.2，其中反射材料層71'中斷於於某部分72。
圖13.1與13.2也顯示出保護與鈍化薄膜73，例如為透明的介電材料或具有特定吸收性質的材料，可用來進一步加強裝置的顏色外觀。
範例8：
為了示範根據本發明之表面起伏微結構的光學性質，圖14.1與14.2展示某範例元件的反射光譜。元件依照範例4的方法製作(蝕穿微結構化金屬遮罩)，並含有最後鍍上的約20奈米的鋁薄膜，以及透過折射率約1.5的透明鈍化薄膜來測量。
元件光學性質的最顯著特徵在於非鏡面的漫反射顏色，於此例中為綠色。
各式各樣製得的範例元件，以多樣的照明與偵測器角度下所得到的反射光譜，作為鑑別的特徵。所使用的光譜儀是Perkin Elmer Lambda 900並且加裝Pela 1030裝置，可調整試樣的角度與偵測器的角度，以測量反射光譜。通常反射光譜是在波長介於300與800奈米的範圍內測量而得。上述測量皆未使用任何特殊的偏光裝置。前述鏡面反射存在例外的照明與偵測器條件，此對應於鏡面反射幾何的狀況(入射角等於出射角，或是偵測器角度等於兩倍的試樣角度)。
圖14.1為範例元件的反射光譜。照射角或試樣角度SA是30°。此角度為基底平面偏離照射的法線平面之角度，如圖左上角的附圖所示。偵測器角度DA是照射方向與偵測器方向之間的角度，同樣標示於左上角的附圖。
此反射光譜顯示於525奈米處有強烈反射的極大值，另一極大值發生在350奈米處，而極小值發生在400奈米處。這些明確的極大與極小值可造成良好的反射光顏色飽和度。當偵測器角度40°時測得最大反射，也就是偏離鏡面反射20°。而當偵測器角度在30°與50°時，可看出反射光強度的衰減，但是伴隨的波長位移於此例中並不算非常大。
鏡面反射光與非鏡面反射光不同。鏡面反射呈現飽和的洋紅色，圖14.2為其相對應的反射光譜。此例中量測鏡面反射光時，偵測器角度DA為試樣角度SA的兩倍。同樣地，圖中可看出明確的起伏變化，幾乎對應於圖14.1中所見漫反射光譜的互補光譜。要瞭解此現象，可注意圖14.1的量測值中所發生之最大部分的散射。如果不存在主要的顏色敏感散射或吸收波段，則互補光譜將剩餘給鏡面反射。約有4%的背景對應於發生在裝置的保護鈍化層(此例中採用的是玻璃)的無色差反射。如圖14.2所示，鏡面反射光的顏色光譜對於裝置的傾斜也很不敏感。
範例9：
圖15.1與15.2為根據本發明的另一範例元件的反射光譜。此元件依照範例4的方法製作，其散射的顏色是橘色。
參考圖15.1，照射角或試樣角度SA是30°。此反射光譜顯示於583奈米處有強烈反射的極大值，另一極大值發生在380奈米處，而極小值發生在453奈米處。這些極大與極小值可造成鮮明的橘色反射光。當偵測器角度DA為40°時測得最大反射，也就是偏離鏡面反射20°。而當偵測器角度在50°時，可看出反射光強度的衰減，伴隨的波長位移約為30奈米。
圖15.2為相同範例元件的鏡面反射。同樣地，圖中再次可看出明確的起伏變化，幾乎對應於圖15.1中所見漫反射光譜的互補光譜。然而在586奈米處的極小值並沒有非常明確，也就是說，反射光的飽和度並不很高。裝置視覺上看起來的顏色是不飽和的藍色。
1．．．準直的入射光
2．．．均向散射表面
3．．．新的出射方向
4．．．出射光的軸對稱散佈與發散角度
5．．．異向散射表面
6．．．新的出射方向
7．．．出射光的散佈
8、8’．．．方位角度
10、10’．．．像素
11、11’．．．像素
12．．．表面起伏微結構
13．．．頂端部位
14．．．底端部位
15．．．頂部起伏平台
16．．．底部起伏平台
20、20’．．．異向表面起伏像素
21、21’．．．異向表面起伏像素
22、22’．．．異向表面起伏像素
23．．．溝槽
24．．．突起物
25．．．溝槽
30．．．自相關函數
31．．．包絡線
34．．．自相關函數
41．．．玻璃或塑膠板
42．．．金屬層
43．．．具皺紋形態表面結構的薄膜
43’．．．上層區域
44．．．孔洞
48．．．玻璃或塑膠基底
49．．．正光阻層
50．．．紫外線光源
51．．．表面起伏平台
52．．．表面起伏平台
55．．．光阻層
59．．．玻璃平板
60．．．可蝕刻材料層
61．．．微結構化金屬遮罩
65．．．玻璃或塑膠板
66．．．可蝕刻材料層
67．．．微結構化金屬薄膜
68．．．正光阻層
69．．．區域
70．．．區域
71、71’．．．反射材料層
72．．．部分
73．．．保護與鈍化薄膜
DA．．．偵測器的角度
SA．．．試樣的角度
圖1.1示範在均向結構表面上光的反射。
圖1.2相似於圖1.1，但是示範由異向散射表面上的反射，所形成獨特的出射光散佈。
圖2示範具有不同異向指向的像素。
圖3是根據本發明的表面起伏微結構之三維影像(AFM影像)。
圖4.1、圖4.2、圖4.3以概要圖示範可行的異向表面起伏圖案之範例。
圖5.1為先前技術的表面全像技術微結構之AFM影像。
圖5.2為圖5.1 AFM影像的二維自相關函數。
圖5.3是圖5.1 AFM影像之垂直於異向軸的平均水平一維自相關函數。
圖6.1是根據本發明的異向表面起伏微結構之AFM影像。
圖6.2是圖6.1的AFM影像之二維自相關函數。
圖6.3是圖6.1的AFM影像之垂直於異向軸的平均水平一維自相關函數。
圖7.1是圖3中微結構的AFM影像。
圖7.2為圖3與圖7.1中微結構的高度長條圖。
圖8.1至8.5示範遮罩的製作，適用在本發明的方法來製造具有表面起伏微結構的元件。
圖9.1至9.3示範如何將圖8.5中的遮罩用於接觸式光蝕印術以製作元件，使其具有根據本發明之光學有效表面起伏微結構的表面。
圖10.1到10.4示範一種不同的光蝕印術方法來製作本發明的元件。
圖11.1與11.2示範另一種製作本發明元件的方法，其使用透過金屬遮罩的直接蝕刻方式。
圖12.1到12.4略述一種方法，用來製作含有兩種區域的元件，各區域具有不同的表面起伏微結構。
圖13.1與13.2舉例示範根據本發明的表面起伏微結構，其可製成具有反射性或部分反射性。
圖14.1與14.2為根據本發明之具有綠色反射的微結構化元件的非鏡面與鏡面反射光譜。
圖15.1與15.2為根據本發明之具有橘色反射的微結構化元件的非鏡面與鏡面反射光譜。
12．．．表面起伏微結構
13．．．頂端部位
14．．．底端部位
15．．．頂部起伏平台
16．．．底部起伏平台

Claims (20)

  1. 一種具有至少一表面區域之元件，此表面區域具有光學有效表面起伏微結構(12)，此表面起伏微結構的表面起伏變化是從頂端部位(13)到底端部位(14)以及從底端部位(14)到頂端部位(13)，此元件特徵在於在表面區域的第一個側邊方向上，每20微米以內，有至少一次從頂端部位(13)到底端部位(14)(或反之)的起伏變化，並且在表面區域的第二個側邊方向上，也就是垂直於第一個側邊方向，每200微米以內，平均至少有一次從頂端部位到底端部位(或反之)的起伏變化，其中：(i)至少在第一個側邊方向上，起伏變化的側向排列是非週期性的，(ii)頂端部位(13)實質上位於頂部起伏平台(15；51)，而底端部位(14)實質上落在底部起伏平台(16；52)，所以整個表面區域上的起伏變化深度實質上是相同的，以及(iii)表面起伏微結構(12)是異向性的。
  2. 根據申請專利範圍第1項的元件，其具有表面起伏的長寬比例，其特徵在於：表面起伏長寬比例大於1.1且小於50。
  3. 根據申請專利範圍第1或2項的元件，其中在至少一垂直於異向軸的方向上，此表面起伏微結構具有一個平均一維自相關函數AC(x)，而 AC (x )=ʃP (x ')．P (x '+x )．dx '.並且該函數P(x)為表面起伏微結構的輪廓，AC(x)有一包絡線(31)，其值在自相關長度(L)之內衰減成AC於x=0處的10%，其特徵在於：自相關長度(L)小於頂端部位(13)與底端部位(14)的相鄰起伏變化之間的平均側邊距離的兩倍。
  4. 根據申請專利範圍第1至3項任一項的元件，其特徵在於：頂端部位的所有面積與頂端部位和底端部位所有的總面積的比值落於自0.2至0.8的範圍。
  5. 根據申請專利範圍第1至4項任一項的元件，其整面表面起伏微結構的高度長條圖，其中該高度長條圖的橫軸為高度，縱軸為頻率，且具有第一與第二明確的尖峰，故可定義績效函數如下： 以整個尖峰高度的1/e來計算，其中△x1 為第一個尖峰的寬度，△x2 為第二個尖峰的寬度，d是兩尖峰間的距離，其特徵在於：績效函數M大於2。
  6. 根據申請專利範圍第1至5項任一項的元件，其中元件具有多個表面區域構成的圖案，此等表面區域具有光學有效表面起伏微結構。
  7. 根據申請專利範圍第6項的元件，其特徵在於：圖案包括至少兩種表面區域，其具有不同的異向性指向之異向 表面起伏微結構。
  8. 根據申請專利範圍第6項的元件，其特徵在於：圖案包括至少兩種表面區域，其具有不同光學起伏變化深度的表面起伏微結構。
  9. 根據申請專利範圍第1至8項任一項的元件，其特徵在於：金屬層沉積在表面起伏微結構的頂端。
  10. 一種製作具有至少一表面區域之元件的方法，此表面區域具有光學有效表面起伏微結構，本方法包括：製作一遮罩，其具有不同透明度的第一與第二區域之異向性微結構，其中在遮罩的第一個側邊方向上，每20微米以內平均至少有一次從第一到第二區域(或反之)的起伏變化，並且在遮罩的第二個側邊方向上，也就是垂直於第一個側邊方向，每200微米以內，平均至少有一次從第一到第二區域(或反之)的起伏變化，其中在第一個側邊方向上，起伏變化的側向排列是非週期性的；藉由遮罩的幫助，在樹脂或抗蝕劑(49；55；60；66)的表面形成起伏微結構，以製作出對應於遮罩第一區域的頂端部位(13)，以及對應於遮罩第二區域的底端部位(14)，其中頂端部位(13)實質上位於頂部起伏平台(15；51)，而底端部位(14)實質上落在底部起伏平台(16；52)上，使得整個表面區域上的起伏變化深度實質上是相同的。
  11. 根據專利申請範圍第10項的方法，其中遮罩不同透明度的第一與第二區域之微結構，其製作步驟為：將形態上具有結構化皺紋表面結構的薄膜(43)沉積在 一層遮罩材料(42)上；削減薄膜(43)的厚度，直到具有皺紋表面較底層區域之薄膜材料被清除，而底層的遮罩材料部分(44)露出來為止；以及移除已露出的遮罩部分(44)。
  12. 根據專利申請範圍第11項的方法，其中要製作具有皺紋形態結構的表面結構，乃先製作至少兩種材料所構成的混合物，其中至少一種是可交聯的，而至少另一種是不可交聯的，然後塗抹此混合物於遮罩材料層，交聯至少一實質部分的可交聯材料，並移除至少一實質部分的不可交聯材料。
  13. 根據申請專利範圍第10至12項任一項的方法，其係用於製作出根據申請專利範圍第1至9項任一項的元件。
  14. 一種具有至少一表面區域之元件，此表面區域具有光學有效表面起伏微結構，其係使用根據申請專利範圍第10至12項任一項的方法所製成。
  15. 一種製作表面起伏微結構之複製品的方法，其係使用根據申請專利範圍第1至9或14項任一項的元件做為母版。
  16. 一種元件，其包括光學有效表面起伏微結構，且係使用根據申請專利範圍第15項的方法所製成。
  17. 一種保全裝置，其包括根據申請專利範圍第1至9或14或16項任一項之具有光學有效表面起伏微結構的至少一表面區域之元件。
  18. 一種帶有根據申請專利範圍第1至9或14或16項任一項之具有光學有效表面起伏微結構的元件的物品，其中此物品選自紙鈔、護照、牌照、股票債券、優待券、支票、信用卡、證照、票券，以及其中保全裝置的形式可為吊牌、安全條、標籤、纖維、線、層積片或補片。
  19. 一種根據申請專利範圍第17項之保全裝置的用途，其中保全裝置施加或併進商標或產品防偽裝置，並且其中保全裝置的形式可為吊牌、安全條、標籤、纖維、線、層積片或補片。
  20. 一種根據申請專利範圍第1至9或14或16項任一項之具有光學有效表面起伏微結構的元件的用途，其使用於裝飾性的應用。
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