二維周期濾色光柵的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種二維周期濾色光柵，它有連貫的高折射率的，尤其金屬的，定義光柵平面的底層(3)，以及在底層(3)上面有由一個個高折射率的，尤其金屬的面元件(5)組成的二維規則圖樣(6)，面元件(5)分別平行于光柵平面延伸以及分別通過中間電介質(4)與底層(3)間隔距離(h)，這一距離大于底層(3)和面元件(5)的厚度，其中，規則圖樣(6)沿至少兩個平行于光柵平面延伸的方向有周期(p1、p2)在100nm與800nm之間，優選地在200nm與500nm之間。
【專利說明】二維周期濾色光柵
[0001]本發明涉及一種二維周期濾色光柵。例如由DE9A1、DE0A1或DE3A1已知用作有價證券的安全元件或防偽元件的一維周期光柵。當光柵型面設計為出現在可見光波長范圍內的諧振效應時，它們可以有在子波長范圍內的濾色特性。這種濾色特性已知不僅用于反射的子波長結構，而且已知用于透射的子波長結構。這些結構對于射入光束的反射或透射有強的極化影響。當入射光未極化時，明顯減弱所述光柵的色飽和。此外，在這種子波長光柵的反射或透射時，顏色與角度有比較大的關系。
[0002]在一些科學文獻中介紹了二維周期孔結構，它們在子波長范圍有入射光的過濾特性。為此可參見下列原始文獻:T.W.Ebbesenj H.J.Lezecj H.F.Ghaemij T.Thioj andP.A.Wolf,,, Extraordinary optical transmission through sub-wavelength holearrays “，Nature, 667-669 (1998) ; L.Martin-Morenoj F.J.Garcia-Vidalj H.J.Lezecj K.M.PellerinjT.ThiojJ.B.Pendryj and T.W.Ebbesenj “Theory of extraordinaryoptical transmission through subwavelength hole arrays，，，Phys.Rev.Lett.86 (6)，1114 - 1117 (2001) ; W.L.Barnes, A.Dereuxj T.W.Ebbesen，“Surfaceplasmon subwavelength optics，，，Nature, Vol424, Issue6950，pp.824-830 (2003) ; J.Bravo-Abadj A.Degironj F.Przybillaj C.Genet, F.J.Garcia-Vidalj L.Martin-Morenoand T.W.Ebbesen^How light emerges from an illuminated array of subwavelengthholes"，Nature Physics I，120-123 (2006) ; H.S.Lee, Y.T.Yoon, S.S.Lee，S.H.Kimj andK.D.Lee, “Color filter based on a subwavelength patterned metal grating”，Opt.Expressl5, 15457 - 15463 (2007) ; C.-P.Huang, Q.-J.Wang, and Y.-y.Zhuj "Dual effect ofsurface plasmons in light transmission through perforated metal films"，Phys.Rev.B75，245421 (2007)。所述Hole-Arrays (孔組)由不透明的金屬薄膜組成。在DE4A1中建議使用這種結構作為有價證券內用于證明真實性的安全元件或防偽元件。
[0003]此外已知一些二維周期光柵，它們允許在比較大的視角范圍內在高色飽和的情況下在底色為紅、綠、藍時濾色。公開的文獻B.-H.Cheongj 0.N.Prudnikovj E.-H.Choj H.-S.Kimj Jaeho Yuj Young-Sang Choj Hwan-Young Choi, and Sung Tae Shin，“Highangular tolerant color filter using subwavelength grating，，，Appl.Phys.Lett.94，213104(2009)介紹了一種有立方形隆凸的光柵，它有明顯的帶通特征。這些隆凸由非晶態娃組成并處于玻璃基質上。這種光柵的復制方法表不在公開文獻E.-H.Choj H.-S.KimjByoung-Ho CheongjPrudnikov Oleg,Wenxu XianyuajJin-Seung SohnjDong-JoonMaj Hwan-Young Choi, No-Cheol `Park, and Young-Pil Park，"Two-dimensional photoniccrystal color filter development"，Opt.Expressl7，8621-8629(2009)以及 Ε._Η.Choj H.-S.KimjJin-Seung SohnjChang-Youl Moon,No-Cheol Park,and Young-PilPark，〃Nanoimprinted photonic crystal color filters for solar-powered reflectivedisplays", Opt.Expressl8, 27712-27722 (2010)中。出版物 Yan Yej Yun Zhou, andLinsen Chen, "Color filter based on a two-dimensional submicrometer metalgrating"，Appl.0pt.48，5035-5039 (2009)以及 Yan Ye，Heng Zhang, Yun Zhou, andLinsen Chen,〃Color filter based on a submicrometer cascaded grating' Opt.Commun.，283，613-616 (2010)建議了一種濾色的二維周期光柵，其中由鋁和硫化鋅構成的立方形隆凸或鋁的立方形隆凸處于高折射層上。迄今未知可用于這種結構的制造方法。在W02010/126493A1中介紹了一種表面幾何形狀相同的光柵。然而它沒有呈顯出明顯的濾色特性。最后，由EP1434695B1已知二維周期光柵，它們有光吸收特性。這種結構基于連續的金屬膜，所以沒有可覺察到的光透射性。已知同樣沒有濾色恃性。
[0004]雖然已知的具有非連貫表面的二維周期子波長光柵，在大的角度公差的同時呈顯出明顯的濾色特性，然而制造非常麻煩。不可能采用簡單的復制方法。因此這種結構不適合作為有價證券尤其鈔票的安全元件，因為在這里要求大批量簡單地制造。
[0005]因此本發明的目的是提供一種二維濾色光柵，它一方面有良好的濾色特性，以及另一方面可以通過經濟的復制方法生產。
[0006]按本發明此目的通過一種二維周期濾色光柵達到，它有連貫的高折射率的，尤其金屬的，定義光柵平面的底層，以及在底層上面有由一個個高折射率的，尤其金屬的面元件組成的二維規則圖樣，面元件分別平行于光柵平面延伸以及分別通過中間電介質與底層間隔距離，這一距離大于底層和面元件的厚度，其中，規則圖樣沿至少兩個平行于光柵平面延伸的方向有周期在IOOnm與800nm之間，優選地在200nm與500nm之間。
[0007]所述光柵設置高折射的底層和排列在底層上面的高折射率的面元件。底層或面元件的高折射特性通過選擇恰當的材料達到。在這方面除金屬材料外，還可以考慮使用尤其硅、硫化鋅或二氧化鈦。在本說明書內，術語“金屬的”理解為“高折射的”同義詞，除非另有明確說明。
[0008]對于光柵的作用而言重要之點在于，在連貫的金屬層上面布置不連貫的按一種圖樣排列的面元件。當具有一種有垂直側面的型面的二維周期光柵垂直地金屬蒸鍍時，在光柵上側的平地或臺地上形成不封閉的金屬膜。在下部光柵面(底面上)構成連貫的金屬膜。型面的隆凸在這里僅在臺地上金屬鍍覆。
[0009]未蒸鍍的光柵結構在這里由電介質金屬組成，這種金屬例如有折射率約為1.5。在這里，尤其塑料薄膜適合作為基質，例如PET薄膜。實際的基本結構例如同樣在塑料內，優選地在UV漆(紫外光固化漆或光固化涂料)內構成。在蒸鍍后結構最終用UV漆充填以及用面膜包復。由此存在一種層狀結構，其中上側和下側有基本上相同的折射率。
[0010]此外，鍍層不僅限于單個金屬層，也可以考慮多層，尤其三層。已知多層涂鍍的一維周期光柵通過構成Fabry-Perot (法布里-珀羅)諧振器可以不僅在反射時而且在透射時強烈濾色。在三層的情況下以下的分層是特別優選的:兩個半透明金屬層和處于它們之間的電介質定距層，或兩個高折射層和處于它們之間的低折射層。對于金屬層可考慮采用下列材料:A1, Ag, Pt，Pd，Au，Cu 和它們的合金。例如 ZnS, ZnO, TiO2, ZnSe, SiO, Ta2O5 或硅適合作為高折射層。作為低折射層提供Si02，Al2O3或MgF2。
[0011]按一種特別合理的制造方法，首先將一種作為基本結構的電介質恰當結構化，然后鍍層。底層在每個面元件下方的區域內有一個孔。這同樣是有利的，因為此時即使在透射時也形成光學效果。[0012]優選地，在埋入電介質內埋入光柵，埋入電介質優選地與構成基本結構并將底層與面元件隔開的中間電介質有相同的折射率。折射率可例如在1.4與1.6之間。
[0013]事實證明，二維濾色光柵的彩色效果與圖樣的周期性有關。這可以充分用于產生彩色符號或圖像。為此可以局部改變面填充系數和/或在面元件與底層之間的距離。尤其可以將由多個尺寸相同的面元件形成的面元件組設計為能出現期望的彩色效果。于是這一組構成一個子象素。多個子象素通過相應的幾何結構設計配備有不同的彩色特性，然后組合成一個象素。這允許表示一個彩色圖像。在這里通過相應地局部改變光柵的一個或多個參數(面元件沿兩個空間方向的距離以及面元件離底層的距離)可以改變不同的顏色。
[0014]通過在子象素區內基色，例如RGB(紅綠藍)色，以象素方式的顏色混合，可以制成真彩色圖像。與傳統印刷技術相比，這種結構的優點是，在這里可以從事非常精細的直至在微米范圍內的結構化。這種精細的結構化特別適合在莫爾放大裝置中使用，例如通過將光柵設計為，它為莫爾放大裝置提供顯微圖像。在微型透鏡裝置中，上述二維周期光柵大的角度公差起十分有利的作用，因為在莫爾放大裝置中的微型透鏡，在光圈比較大的同時有小的焦距。因此，與迄今已知的一維周期子波長結構相比，在這里所說明的結構與微型透鏡相結合呈顯出更大的色飽和。
[0015]所述二維周期光柵尤其可以使用在有價證券的安全元件(亦即防偽元件)中。它尤其可以集成在安全絲、撕裂絲、安全帶、安全條、斑紋或標簽中。尤其是，設有光柵的安全元件可以跨越透明的區域或切口。
[0016]所述光柵作為安全元件尤其可以是尚不適合流通的有價證券前身的一部分，有價證券除此之外還可以有其他安全元件。有價證券一方面理解為有二維光柵的文件。另一方面有價證券也可以是設有二維光柵的其他文件或物品，從而使這些有價證券有不能復制的真實性特征，以及能檢驗真實性和防止不希望的復制。有價證券的其他例子是芯片卡或安全卡，例如銀行卡或信用卡或證件。
[0017]當然，上面列舉和下面還要說明的特征，不僅可使用在所說明的組合中，而且也可以使用在其他組合中或單獨使用，均不脫離本發明的范圍。
[0018]下面作為舉例借助也公開本發明重要特征的附圖更詳細地說明本發明。其中:
[0019]圖1表示濾色光柵第一種實施形式的示意透視圖；
[0020]圖2表示圖1所示光柵的進一步發展；
[0021]圖3表示圖2所示光柵的一種變更；
[0022]圖4-5示意表示濾色光柵的工作方式；
[0023]圖6表示圖3所示光柵的進一步發展；
[0024]圖7-11表示有關不同濾色光柵過濾特性的曲線圖；
[0025]圖12示意表示用于顯示圖像的濾色光柵；
[0026]圖13-15表示不同濾色光柵過濾特性的曲線圖。
[0027]圖1表示濾色光柵1，它例如可用作有價證券內的安全元件或防偽元件。為了制成濾色光柵1，規定載體2有一種型面，它具有垂直側面。所以載體2意味著是基本結構。所述型面設計為，在載體2上側構成立柱4的圖樣6。載體由一種電介質組成并鍍覆金屬層3，該金屬層涂鍍為在載體2表面上的底層3以及立柱4上的鍍層5。由于側面垂直，所以側面沒有鍍層。[0028]在圖樣6內，在這里僅作為舉例設計為立方形和尤其可以是柱形(不一定是圓柱形)隆凸的立柱4，排列成二維周期光柵的形式，其中沿兩個互相垂直的方向在光柵通過底層3確定的光柵平面內存在周期P1和p2。立柱4或隆凸在底面內的尺寸用S1和S2標示。底層3和鍍層5有層厚t。排列成圖樣6的鍍層5通過立柱4的高度h離底層3的上側間隔距離h-t。成型載體2的立柱高度h在這里大于層厚t，所以金屬層被間斷以及鍍層5不連貫。由此形成一種由底層3組成的金屬結構，它確定光柵平面，鍍層5處于該光柵平面上方。在鍍層5與底層3之間的距離在這里通過電介質的立柱4造成。
[0029]周期P1和P2處于子波范圍內，亦即在IOOnm與800nm之間，優選地在200nm與450nm或600nm之間的范圍內。填充系數S17Zp1和s2/p2處于0.2與0.8之間，優選地處于
0.3與0.7之間。為了達到與極化無關地濾色，兩個空間方向的型面參數選擇為盡可能一致，亦即P1=P2以及S1=S215不過這不是必須的。同樣，在所說明的實施例中周期方向彼此垂直。這也是選擇的。也可以設想空間不對稱地排列型面和周期性。換句話說，圖樣6不必如圖1中所表示的那樣是笛卡兒圖樣。立柱4也可以設計為非對稱的。
[0030]圖2表示一種進一步發展，其中在埋入電介質7內埋入圖樣6。這有突出的使用優點，因為此時光柵I的表面是光滑的。
[0031]圖3表示一種光柵1，它的立柱4設計為圓柱形。這種形狀與圖1或2的結構方式一樣特別適用于未極化光的濾色。同樣可以有不同于圖1的立方形或圖3的圓形的變型，例如通過角修圓形成的變型。
[0032]圖3和4表示在圖2所示結構方式的例子中光柵I的工作方式。其中圖4表示在光柵上側9射入射束E時的情況。在圖5中表示從下側10那里入射。光柵I反射射入的射束E形成反射的射束R，以及部分作為透射的射束T發射。在從上側9與從下側10照明之間的主要區別在于，從上側9，射入的射束E首先命中排列成圖樣6的周期鍍層5。反之，從下側10，則直接照明底層3內孔8的圖樣。這種區別在反射特性，尤其在顏色印象方面有明顯的后果。
[0033]通過在結構化的載體2上施加金屬層，在鍍層5下方，亦即在立柱4的區域內，底層3設有孔8。因此光柵I在金屬層3內有Hole-Array (孔組)，在這里孔8的排列由圖樣6確定。對于立柱4完全垂直的側面，孔8的排列和尺寸準確地相應于鍍層5的排列和尺寸。然而圖4和5所示結構方式的底層3也可以補充為多層或被多層替代。在這里尤其有可能是三層(所謂Trilayer)。
[0034]已知多層涂覆的一維周期光柵可以通過構成Fabry-Perot諧振器可以不僅在反射時而且在透射時強烈濾色。在三層的情況下以下的分層是特別優選的:兩個半透明金屬層和處于它們之間的電介質定距層，或兩個高折射層和處于它們之間的低折射層。對于金屬層可考慮采用下列材料:A1，Ag，Pt，Pd，Au，Cu和它們的合金。例如ZnS，ZnO, TiO2, ZnSe,SiO, Ta2O5或硅適合作為高折射層。作為低折射層提供SiO2, Al2O3或MgF2。
[0035]對于光柵I的制造方法可考慮不同的過程或工藝。最簡單的制造方法是，首先將具有排列成圖樣6的隆凸，例如立柱4的電介質載體2作為基本結構構造出，然后鍍層。它既可以進行垂直蒸鍍，也可以傾斜蒸鍍。重要的是，鍍層5不連貫，亦即各自獨立。
[0036]為了制造載體2可以采用模塑成型法，從而可以實現廉價大量生產。
[0037]具有光學有效壓印的金屬安全元件是現有技術已知的。這些壓印大于波長以及大多存在于用金屬層覆蓋的壓印漆內。這種安全元件在三種不同的方案中使用:安全絲；埋入紙內并配備有效層的安全膜、傳輸條(或斑紋)，其中僅將涂覆有效層的壓印漆轉換在基質上；以及，層合膜，配備有效層并粘結在基質上的薄膜。
[0038]這些安全元件的顏色配置可按下列方式進行:將載體膜或壓印漆染色，在壓印漆下面部分印刷施釉的顏色，在金屬層上面部分印刷施釉的顏色，或壓印衍射的元件，其中染色通過第一衍射級進行(例如真彩色全息圖)。
[0039]上述方法用于安全元件有明顯的缺點:染色的載體膜只能使用于安全絲和層合膜。在這里只能顯現一種顏色。此外，在安全元件內存在多個應不出現顏色的透明區。同樣，染色的壓印漆不允許構成有明確透明區的安全元件，因為壓印漆總是全面存在。同樣不可能是多色的設計。轉換元件顏色的設計可例如在壓印漆的下面有施釉的顏色。這包含的問題一方面是，施釉的顏色必須與壓印漆進行良好的粘附連接。另一方面與在它上面印刷的載體膜的粘附只允許很小，以便不影響轉換過程。另一個缺點是這種印刷的色層相對于有效壓印低的定位精度。因為彩色印刷層與壓印不在同一道工序內同時制成，所以在兩層的位置上彼此形成偏差。因此在這種主題內染色的分面往往相對于壓印主題移動數十毫米。盡管在通過衍射結構染色時避免上述缺點，然而第一級衍射結構的顏色與視角有很大關系。安全元件必須保持相對于光源正確的角度，以使能看到與設計相應的顏色。在其他所有的觀察狀況下出現其他顏色。此外，與印刷顏色的反射相比，這種結構第一衍射級的強度大多較低。[0040]在這里說明的光柵I在零衍射級內通過二維周期子波長結構達到例如給安全元件上色。由于色彩大的角度公差和光柵型面側面結構化的可能性，可以避免上述所有缺點。上色的壓印結構是顏色強化的，可以相對于其他安全壓印結構位置準確地配置，以及可以在比較寬泛的視角下出現期望的均勻色彩。
[0041]壓印結構在這里一方面可以完全填充設計規定的面積區，并因而制成彩色圖像，或它們可以通過它們在交替的小的面積段與其他有效壓印結構交錯，給其他有效壓印結構賦予一種顏色。上色的壓印結構也可以被其他有效壓印結構疊加。這是可能的，尤其因為在安全元件中使用的許多有效壓印結構單個結構的尺寸在700nm與20 μ m之間，并因而可以無干擾地與典型地至少小2-10倍的上色的壓印結構疊加。
[0042]最后，上述結構在安全膜中集成在透明區內。當在從前側和后側入射光的情況下觀察時，這一特征出現不同的顏色。這些透明元件的透射可以與反射的顏色不同。
[0043]表1:二維周期光柵的參數
[0044]

結構 P [nm] s [nm] h [nm] t [nm]
a)￥0 120 300 40
b)240 Τ?7 300 40
7) 330 167 300 40
d) 400 203 Η0 40
【權利要求】
1.一種二維周期濾色光柵，它有連貫的高折射率的，尤其金屬的，定義光柵平面的底層(3)，以及在底層(3)上面有由一個個高折射率的，尤其金屬的面元件(5)組成的二維規則圖樣(6)，面元件(5)分別平行于光柵平面延伸以及分別通過中間電介質(4)與底層(3)間隔距離(h)，這一距離大于底層(3)和面元件(5)的厚度，其中，規則圖樣(6)沿至少兩個平行于光柵平面延伸的方向有在IOOnm與800nm之間，優選地在200nm與500nm之間的周期(P1、P2)。
2.按照權利要求1所述的光柵，其中，在每一個面元件(5)下面的底層(3)有一個孔⑶。
3.按照權利要求1或2所述的光柵，其中，底層(3)和面元件(5)包括一種材料，它含有:A1, Ag，Cu，Cr, Si，Zn，Ti，Pt，Pd，Ta 和它們的合金。
4.按照上述權利要求之一所述的光柵，其中，在每一個面元件(5)下面的中間電介質(4)設計為面元件(5)布置其上的立柱，并優選地有折射率在1.4與1.6之間。
5.按照上述權利要求之一所述的光柵，其中，在埋入電介質(7)內埋入光柵，埋入電介質(7)有優選地與中間電介質(4)相同的折射率。
6.按照上述權利要求之一所述的光柵，其中，面元件(5)的規則圖樣(6)有面填充系數為0.15至0.85，優選地為0.3至0.7。
7.按照上述權利要求之一所述的光柵，其中，面元件(5)處于光柵平面上面的距離(h)平行于光柵平面改變。
8.按照上述權利要求之一所述的光柵，其中，光柵有電介質載體層(2),它的上側被結構化為具有基本上垂直于光柵平面延伸的側面的立柱結構(4)，以及高折射層(3、5)在該電介質載體層(2)上施加為，使側面不完全涂層。
9.按照上述權利要求之一所述的光柵，其中，為了產生彩色的圖像信息，光柵有局部改變的面填充系數和/或局部改變的在面元件(5)與底層(3)之間的距離。
10.按照權利要求9所述的光柵，其中，光柵為莫爾放大裝置提供顯微圖像結構。
【文檔編號】G02B5/20GK103534622SQ201280023180
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年5月10日 優先權日:2011年5月16日
【發明者】H.洛赫比勒, M.海姆 申請人:德國捷德有限公司