TWI545337B - 包含藉由旋轉以展現色彩的結構化表面之光學可變裝置及提供其之方法 - Google Patents

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Description

包含藉由旋轉以展現色彩的結構化表面之光學可變裝置及提供其之方法
本發明一般而言係關於形成一基板之部分或形成在一基板上之結構之一陣列，其中當觀看該等結構時所覺察的色彩隨旋轉基板或隨檢視器圍繞基板旋轉而變化。
以沉積在一基板上之色移油墨、色移油漆及多層塗層的形式，熟知光學可變色移塗層，其中當入射光之角或視角改變時該光學塗層提供一可觀察色移。
色移顏料及著色劑已用於許多應用，範圍從汽車油漆到用於安全文件及貨幣的防偽油墨。此類顏料及著色劑展現隨入射光角度之變更、或隨觀察者視角之偏移而改變色彩之特性。一般而言，為看見色彩中之一偏移，一觀察者相對於光源偏移該基板之角度用以建立一色移效應。
本發明之一目標為係以一新穎及發明方式利用已知色移塗層以便於產生藉由旋轉以展現改變色彩之一物體。
依據本發明之一態樣，一種光學可變裝置包括具有形成於其上、其中或從而受到支撐的結構之一陣列之一基板，其中該等結構以一光學可變色移塗層塗布，其中該等結構之每一者形成一錐體結構而且其中各錐體結構具有至少三個傾斜面並且其中當觀看該等錐體時所看見的一或多個色彩隨圍繞正交於基板之一軸旋轉該基板至少30度而變化。
依據本發明之一較佳具體實施例，該等結構之面實質上係 平面及/或可具有形成於其中之一繞射光柵。
依據本發明之一廣泛態樣，提供形成於一基板內或上之結構的一陣列，其中該等結構具有至少三個直立壁，其中各壁在其接觸一鄰近直立壁之一位置接觸並終止，且其中該等壁從形成該基板或在該基板上之一基座向內傾斜，其中該等壁係以隨視角之一改變而展現一色移之一色移塗層塗布。
應瞭解，該錐體結構之頂點可在該基板之平面上或下；亦即，該錐體結構可分別凸起或凹進。
在本發明之一態樣中，在一基板上提供錐體結構之一陣列，其中，該等結構係以一相同光學可變色移特殊效應塗層塗布。該塗層可為一色移油墨、油漆或一多層色移塗層。雖然在以下範例中顯示標準錐體結構，但可利用圓錐體或階梯錐體或其他錐體狀結構用以藉由旋轉達到新穎色移。此外，代替提供直立錐體結構之一陣列，可在基板中形成塗布、倒、埋頭錐體，從而藉由旋轉提供類似效應。
本發明之一具體實施例之一令人驚奇的態樣係當相同均一厚度塗層施加至一均一對稱錐體結構之所有面時，當「迎面」觀看錐體之琢面或面相對於觀看側琢面時，會看見不同色彩。例如，前面展現與該錐體之側琢面一不同的色彩。當圍繞正交於該基板之一軸旋轉該錐體時，(例如)與30度一樣小，前及側琢面的色彩改變，而且在進一步旋轉後，該等側琢面顯現為具有該等前琢面之色彩且反之亦然，故會看 見不同色彩。當提供此類結構之一陣列時此效應尤其令人高興，因為該效應由各錐體重製且視力傾向於整合如隨後圖式中所顯示之效應。
現參考圖1，具有以1至4編號之4個直立傾斜壁之一錐體單位胞格(pyramidal unit cell)係顯示在支撐該單位胞格之一基座上。該單位胞格可為內側中空或可為實心的。此單位胞格係依據本發明所說明之基本結構。然而，此單位胞格之變體亦將加以說明且包含本發明之具體實施例。
藉由旋轉以展現色彩的結構化表面之模型化
配合使用一光學塗層設計軟體程式的自訂照明模型，使用一3－D呈現套裝軟體來模型化及模擬具有一光學可變色移類型塗層設計之結構化表面的一視覺模型。所使用的照明模型採用完全擴散照明條件，因此僅需要考量介於琢面法線與相機位置之間的角度，以大致估計藉由該模型之檢視器所觀察的色彩。
上述模型化係用於研究藉由旋轉效應展現一色彩的一結構化表面的關鍵設計參數。
該模型化實質上著重於由一簡單錐體結構組成之一微複製表面。然而，更複雜的幾何結構係可行的且亦將藉由旋轉效應展現色彩。該模型化係用於識別從基板及塗層設計觀點係重要的關鍵設計參數。
塗層設計
用於模型化該結構之效能之該塗層設計係由一反射器、介電質及吸收器組成之一光學堆疊，其用以模擬結構上之 一光學可變色移塗層之效能。
考量之光學設計係如下：
(1)鋁(100奈米)/氟化鎂(可變厚度)/鉻(6奈米)
(2)鋁(100奈米)/硫化鋅(可變厚度)/鉻(6奈米)
單位胞格
使用如圖1中所顯示的具有在每側測量為一單位之一正方形基座之簡單的四側錐體結構來執行模型化。該錐體結構之頂點居中在該基座上，其中在該基座之上的高度為一設計變數。
顯示在圖1中之該基本單位胞格在該錐體結構之相對側上具有編號為(1)與(2)的面。該等面(1)與(2)界定為在切削(machine)方向上。因此，該切削方向稱為腹板行進之方向。在大多數所揭示之模型中，將採用此等面以一般具有比在非切削方向上之面(3)及(4)一更大的塗層厚度。
在每一錐體面之相對塗層厚度係來源與塗層幾何結構之一複雜函數。然而，為達到想要的以一產品形式之總視覺外觀，將考量最佳相對塗層厚度。
模型#1揭示藉由旋轉效應展現色彩之一模型，其中該等錐體琢面或面在每一面上具有相等厚度的介電質。因此，若各面以相同角度觀看，則該塗層之色彩在各面上相同。當在該結構之各面上介電質塗層厚度不存在差別時，在一錐體結構上觀察藉由旋轉效應之色彩。
在此實例中，一MgF2層係用於具有360奈米之一塗層厚度之介電質間隔層，其對應於一綠色/藍色光學可變顏料 (OVP)塗層設計。
當在一通常觀看位置觀察任何面時觀察該OVP面色彩而當從非通常位置觀看時該角度色彩係可見的。在此情況下，所有面軸及角軸與具有相同介電質厚度的各面相等。模型#1解說不要求在該錐體結構之面中的介電質厚度中之差別以達到藉由旋轉效應之一色彩。更簡單而言，所有面可採用一相同厚度之塗層來塗布以達到藉由旋轉之色彩的所需效應。
以下表1顯示在一線柵框架模型中所使用的該錐體胞格之一「面視圖」及一「角視圖」。以下在相同表中係具有色移塗層之該「單位胞格模型」的一視圖，其中面視圖解說面色彩(綠色)且角視圖解說從相同塗布胞格看見之一淡藍色。表1中之胞格的最後列顯示「單位胞格錐體之陣列的表面視圖」。對應於面視圖之錐體的陣列顯示綠色錐體而在角視圖中顯示的陣列顯示淡藍色錐體。
圖2顯示從0度(即，面視圖)以15度之增量旋轉通過各種角度並從在0度之原始面視圖高達旋轉之360度的模型#1之色彩行進的不同角度之圖。
相反，模型#2表示在鄰近面上塗層厚度不相等情況下藉由旋轉之色彩。在此範例性具體實施例中，在不同鄰近琢面上提供一不同介電質厚度。因此，琢面或面(1)與(2)係採用相同厚度之塗層塗布且面(3)與(4)係採用不同相同厚度之塗層材料塗布。雖然模型#2係表示實際塗布之一模擬，但具有此等設計參數之此類塗層可採用適當來源及在一真空滾動塗佈機中的遮罩幾何結構塗布。在此具體實施例中，切削方向面(1、2)具有相等介電質厚度而非切削方向面(3、4)由於在切削中之傾斜塗層角度而具有較少的介電質。
在此具體實施例中，因為鄰近錐體面具有顯著不同的介電質厚度，所以每旋轉90度而非如其中所有介電質厚度相等的模型#1之情況下的每旋轉45度觀察到最大色彩行進。藉由模型#2之情況1及情況2例示，提供兩個不同實例，其中各實例中應用不同塗層。在模型#2情況1中，所提供之比率稱為相比較於一標稱MgF2 設計厚度而沉積在各面上之塗層的相對量。經由範例，對於模型#2情況1，該基底設計係Al/MgF2 (360奈米)/Cr(6奈米)。因此，在面1與面2比 率為1之此實例中，使用以下塗層設計：Al/MgF2 (360奈米)/Cr(6奈米)。對於其中比率為0.8之面3及4，使用以下塗層設計：Al/MgF2 (288奈米)/Cr(6奈米)。該比率係關於MgF2 介電質間隔層中之不同厚度。
模型#2之第一情況對於非切削方向面使用0.8之一比率。情況2顯示對於非切削方向面使用0.9乘數之一類似組態。
降低非切削方向面比率至0.7產生至微紅深紅色彩的偏移而非在90與270度角之藍色。
模型#2觀察
當該基板旋轉進其中此等面支配視場之一位置中時，修改該等離軸面(3)與(4)之介電質厚度對所觀察色彩具有一較強的影響。當觀看相對面(1)與(2)時，(旋轉角度90∘與270∘)改變離軸面(3)與(4)之介電質厚度對色彩具有較小的影響，因為此等面係傾斜的，揭示一較小的橫斷面，並且由於光學塗層設計之較高角度觀看而喪失色度。
在面(3)與(4)上之離軸色彩隨厚度比率改變而強烈變化，因為該介電質厚度在改變。
在相同視場中係可觀察之同軸及離軸面的另一輸入結果在於當觀看同軸面時，該離軸面對於觀察色彩具有顯著貢獻。存在介電質厚度與具有一更吸引人的外觀之離軸面比率的某些組合，因為可出現以下條件之一或兩者：(1)當同軸觀看時，從該離軸琢面所觀察之偏移色彩較佳與該同軸琢面之面色彩協調，其中該等色彩具有一類似色調角度；(2)當離軸觀看時，從該同軸琢面所觀察之偏移色彩較佳 與該離軸琢面之面色彩協調。
以下範例解說以上條件：在模型2情況4中，使用具有480奈米之一基座MgF2 厚度之相同單位胞格，其對應於一深紅至綠色OVP設計。如在情況1中一樣，對於在離軸面上之塗層厚度使用0.80比率。在此特定情況下，條件1與2皆得到滿足。此係在圖6a及6b顯示。
在此範例中，同軸視圖顯示與來自離軸面之藍色偏移色彩協調的深紅色設計。在離軸視圖中，該綠色面色彩較佳與來自該深紅色面之綠色偏移色彩協調。
一般而言，模型2情況4顯示藉由旋轉效應之一極強色彩，因為同軸觀看及離軸觀看兩者產生在兩觀看軸中彼此增強之協調色彩。
需要滿足此等要求之關鍵參數為介電質折射率、介電質厚度、同軸至離軸介電質厚度及單位胞格設計。具有一較低(即，在約1.6以下)折射率之介電質(例如，MgF2 )係較 佳，因為其展現在同軸及離軸方位上達到具有類似色調角度的協調色彩所要求之一較強色彩偏移。高折射率材料亦可用於達到具有功能性但較少引人注目的結果之藉由旋轉的色彩。
顯示在圖8a、8b及圖9中之模型2情況5顯示另一情況之一範例，其中未實現協調色彩，即，其中類似色調之色彩未向同軸方位處的檢視器揭示而且所觀察之色彩並不相當引人注目。在此情況下，協調色彩仍出現在離軸方位上，從而產生離軸視圖上的增強金色。
模型#3：錐體高度及視角之最佳化
藉由圖10、11、12與13解說之此模型研究錐體之高度與視角對產品外觀的潛在影響。必須決定的參數之一係該表面結構的目標高度。在此模型中，模擬四個錐體高度及三個視角用以研究對整個產品外觀的影響。
視角結論
在本發明之一較佳具體實施例中，最理想的單位胞格高度對基座比率已證明為具有0.636的高度對基座比率之「黃金錐體」比率。在用於模擬之比率中，此比率顯示在基板視角之一典型範圍(其在基板平面上範圍從25度至65度)上外觀色彩變更之最少量。亦發現0.8的高度對基座比率係可接受的。
較低的高度對基座比率(例如，具有0.4的情況)產生與自基板平面之視角成函數關係的較大色調改變。在此具體實施例中，離軸之極端發黃視為視角增加。較大高度對基座比率(例如，1.0)亦開始顯示與自該基板平面之視角成函數關係的顯著色調變更。
通過執行模擬，已發現最佳高度對基座比率顯現為在0.6至0.8的範圍中。在此情況下，假定該離軸面係在始終接收同軸面在接收的塗層之80%。此可能不可行，因為高度對基座比率由於塗層幾何結構之約束而變小。然而，清楚地，存在單位胞格之一最佳高度對基座比率，其在來自 該基板平面之視角改變時產生視覺變更之最小量。
作為模型化之結果，推斷出：1)為在一錐體結構上達到藉由旋轉效應之一色彩，不要求面上之MgF2 厚度的一差別。即使在相等的塗層厚度情況下，藉由旋轉之色彩仍係可觀察的。在此情況下，最大色彩行進將出現在45度軸上。
2)對於不相等的琢面MgF2 厚度，一更強色移經觀察在90度的旋轉軸上具有最大色彩行進。
3)將在琢面色彩藉由具有類似色調角度而彼此增強之情形中觀察藉由旋轉效應之一更強色彩。
4)模型3提供與最佳高度對基座比率相關之資訊，以在不同傾斜角度觀看該基板時提供最佳色彩行進。
該錐體陣列可藉由從一適當母版浮花壓製一彈性或剛性可變形基板而形成。可藉由鑽石切割或其他適當微切削(micromachining)技術(例如，電子束微影、離子研磨)或其他微複製技術來製造該母版。據信可採用此等技術製造可用於浮花壓製程序中之母版。在一具體實施例中，使用在印刷貿易中用作一模板的具有鋸齒形錐體及其他形狀之一花紋網目輥輪(anilox roller)，以經由具有一脫模層的無電極鍍鎳而製造一正鎳母版，隨後從該鎳母版成長一鎳子體影像，其依次係用於在一腹板(web)上浮花壓製一紫外線可固化漆用以製造正錐體形狀。當前可在網際網路http：//www.harperimage.com/anilox－specify.asp與http：//www.appliedlaser.co.uk/anilox.htm中找到關於花紋網 目輥輪之資訊。
在迄今所說明之所有具體實施例中，較佳地，該等錐體之尺寸係在眼解析度以下。因此，該等錐體之高度較佳係在100微米以下。從一安全觀點看此係重要的，因為關於為何出現一色移對於一觀察者係不明顯的。
除提供視覺吸引人之安全塗層外，本發明之具體實施例藉由以一線性順序改變錐體之高度而使用線性編碼之形式以根據所使用的調變之程度來建立一明顯或隱蔽可讀「條碼」效應。明顯影像、符號、字可藉由對單位胞格進行幾何結構之變更而寫入該圖案中。胞格高度、方位、胞格尺寸、琢面角度的改變均可用於編碼資訊。圖17顯示藉由在此區域中曝露基板而提供的以一字母「A」形式之標誌。
在未顯示在圖式中的本發明之一具體實施例中，藉由將用於形成一標識語之錐體的一特定區域以45度定向至用作安全裝置內一對比背景的其他錐體並以一相同色移塗層塗布所有錐體而形成一可見標識語。以此方式，形成該標識語之錐體以截然不同於該等背景錐體之色彩的一第一色彩顯現。隨裝置旋轉，該等色彩改變，而且以一特定角度，該兩個區域之色彩顯現為切換。
可預想各種其他具體實施例，其中以一標識語或文字形式之標誌可在錐體之陣列內或錐體之間編碼。錐體之區域可具有與其他錐體不同的幾何結構，從而提供一視覺差別以便於界定一標識語或文字。在一特定具體實施例中，在一安全線中，在該腹板上之大多數區域具有相同錐體幾何 結構，但在某些區域，該等錐體之一些具有不同的面角度。此在裝置旋轉時將允許顯現一影像。或者，一些就截頭錐體可具有平頂，在一區域內，從而界定可區別於其他規則形狀之錐體的一標識語或標誌。實質上，在所有此等具體實施例中所需要的係在以界定標誌之一形式視覺上可區別的錐體之一更大區域內的一區域。
迄今，已說明具有平坦表面之錐體，然而，具有形成於其中之繞射槽的一或多個面之錐體將對所說明之色移提供額外效應。例如，可提供具有自基座至頂點延伸的面槽之錐體，且亦可提供階梯錐體。該等階梯錐體可在較小繞射寬度具有階梯或該等階梯錐體可更大。此等錐體將隨面旋轉移動尤其隨該等面上的反射塗層而提供有趣的色彩/消光效應。
此類錐體甚至將以(例如)鋁之一鏡塗層提供有趣效應。可以有意分散在該光學可變塗布錐體內之一選定圖案提供鋁化錐體以便於形成可自色移塗布錐體區別之一標識語或標誌。
可提供錐體之各種包裝組態。例如，圖15顯示其中該基板之平面空間係顯示在直立錐體之間的一具體實施例，而且在圖16中，直立及倒錐體係顯示為並置的。
亦可提供相對於在圖式中顯示之切削方向而偏斜之錐體。
該等錐體面亦可經蝕刻用以形成如在錐體陣列中之平面區域的繞射表面。
1‧‧‧面
2‧‧‧面
3‧‧‧面
4‧‧‧面
結合該等圖式現說明本發明之範例性具體實施例，其中：圖1係依據本發明之一態樣的一錐體胞格之等角圖。
圖2係模型#1之圖，其以不同視角顯示25個視圖，每一視圖與前一者相差15度而且其中色彩行進係視為該模型旋轉。
圖3係顯示情況1的模型#2之圖，其以不同視角顯示25個視圖，每一視圖與前一者相差15度而且其中色彩行進視係為該模型旋轉。
圖4係顯示情況2的模型#2之圖，其以不同視角顯示25個視圖，每一視圖與前一者相差15度而且其中色彩行進係視為該模型旋轉。
圖5係顯示情況3的模型#2之圖，其以不同視角顯示25個視圖，每一視圖與前一者相差15度而且其中色彩行進視為該模型旋轉。
圖6a係顯示模型#2情況4之一同軸視圖的圖式。
圖6b係顯示模型#2情況4之一離軸視圖的圖式。
圖7係顯示情況4的模型#2之圖，其以不同視角顯示25個視圖，每一視圖與前一者相差15度而且其中色彩行進係視為該模型旋轉。
圖8a係顯示模型#2情況5之一同軸視圖的圖式。
圖8b係顯示模型#2情況5之一離軸視圖的圖式。
圖9係顯示情況5的模型#2之圖，其以不同視角顯示25個 視圖，每一視圖與前一者相差15度而且其中色彩行進視為該模型旋轉。
圖10係解說具有0.1之高度/基座比率在三個不同位置且以三個不同視角旋轉的模型#3之圖式。
圖11係解說具有0.4之高度/基座比率在三個不同位置且以三個不同視角旋轉的模型#3之圖式。
圖12係解說具有0.631之高度/基座比率在三個不同位置且以三個不同視角旋轉的模型#3之圖式。
圖13係解說具有0.8之高度/基座比率在三個不同位置且以三個不同視角旋轉的模型#3之圖式。
圖14係解說具有1.0之高度/基座比率在三個不同位置且以三個不同視角旋轉的模型#3之圖式。
圖15係顯示三個側面錐體之一陣列的一平面圖之圖式，其中該平坦腹板出現在鄰近錐體之間。
圖16係類似於顯示直立錐體的圖15之圖式的圖式，其中一不同色彩之錐體表示倒錐體。
圖17係解說藉由使錐體在此區域中缺乏而使字母「A」界定於該腹板內之一模型之一圖式。
1‧‧‧面
2‧‧‧面
3‧‧‧面
4‧‧‧面

Claims (17)

  1. 一種光學可變裝置，其包括具有形成於其上、其中或從而受到支撐的結構之一陣列之一基板，其中該等結構係以一光學可變色移塗層塗布，其中該等結構之每一者形成具有至少三個傾斜面之一錐體結構，且其中當該等錐體結構圍繞正交於該基板之一軸旋轉至少30度時，可看見該光學可變裝置之一色彩偏移，其中所看見的該色彩偏移係由該陣列之每一錐體結構所重製。
  2. 如請求項1之光學可變裝置，其中該等錐體結構之尺寸係在眼解析度以下。
  3. 如請求項1之光學可變裝置，其中該等錐體結構之尺寸係小於100微米。
  4. 如請求項1之光學可變裝置，其中在結構之該陣列之間提供不同於結構之該陣列的空間或結構以便於形成可見標誌，其經調整尺寸而在無放大情況下可辨識。
  5. 如請求項1之光學可變裝置，其具有自錐體結構之該陣列可辨別且形成於其中之可見標誌。
  6. 如請求項2之光學可變裝置，其中該等錐體結構之至少50%的高度對基座比率係在0.4至1.4的範圍中。
  7. 如請求項2之光學可變裝置，其中結構之該陣列包含第一複數個錐體結構及第二複數個錐體結構，其中該第一複數個錐體結構在一第一預定方向上定向且其中該第二複數個錐體結構在一第二不同方向上定向以使得該第一複數個錐體結構顯現為與該第二複數個錐體結構一不同 的色彩。
  8. 如請求項1之光學可變裝置，其中結構之該陣列包含第一組鄰近錐體結構及第二組鄰近錐體結構，其中該第一組不同於該第二組，且其中該第一組及該第二組之該等鄰近錐體結構形成視覺上可辨別標誌。
  9. 如請求項1之光學可變裝置，其中一錐體結構之該等面的每一者之斜率與該基板形成一不同角。
  10. 如請求項1之光學可變裝置，其中一錐體結構之該等面的每一者之該斜率與該基板形成一相同角。
  11. 如請求項2之光學可變裝置，其中該複數個結構形成錐體結構之一陣列且其中在該等面之每一者上之該光學可變塗層的厚度係一實質上相同均一厚度。
  12. 如請求項2之光學可變裝置，其中在該錐體之鄰近面上之該光學可變塗層的該厚度係一不同厚度。
  13. 如請求項1之光學可變裝置，其中該塗層係一單腔法布裏-珀羅(Fabry-Perot)結構。
  14. 如請求項1之光學可變裝置，其中該塗層係一多腔法布裏-珀羅結構。
  15. 如請求項1之光學可變裝置，其中該等錐體結構係四面體錐體、正方形錐體、五邊形錐體及具有平頂之一平截頭體錐體之至少一者。
  16. 如請求項15之光學可變裝置，其中在至少複數個該等錐體結構上之該等面的至少一者具有形成於其中之一繞射光柵。
  17. 一種提供藉由旋轉以展現色彩之一光學可變裝置之方法，其包括：a)提供具有形成於其中或其上之小錐體或倒錐體結構之一陣列的一基板，其中該等錐體結構經定尺寸以使得其在放大之幫助下僅能為肉眼辨識；以及b)以一多層光學可變色移塗層塗布該等錐體或倒錐體結構，使得當該等錐體或倒錐體結構圍繞正交於該基板之一軸旋轉至少30度時，可看見該光學可變裝置的一色彩偏移，其中所看見的該色彩偏移係由該陣列之每一錐體結構所重製。
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