ДИФРАКЦИОННАЯ СТРУКТУРА Российский патент 2001 года по МПК G02B5/18 B44F1/10 

Настоящее изобретение относится к дифракционной структуре.

Для применения во многих случаях желательно иметь дифракционную структуру, отражающие свойства которой не зависят от конкретного ограниченного освещения и углов зрения при создании цвета.

Например, в защитных пленках гарантийные голограммы обычно состоят из пластмассового слоя, полученного термоформованием, имеющего отражающую алюминиевую пленку, помещенную на слой, также полученный термоформованием. Голограмма образуется рельефом поверхности. Отсутствие поглощения в структуре и чувствительность голографического изображения к углу зрения приводит к тому, что при рассеянном свете (таком, как тусклый дневной свет или свет в комнатах, освещенных многими лампами), голограмму нельзя увидеть или можно увидеть только в пределах очень узкого диапазона углов зрения.

Дополнительным примером является то, что дифракционным пигментам, таким, как описаны в JP-A-63/172779, помогает применение дифракционной структуры, и они не будут выглядеть "размытыми" и бесцветными в условиях обычного обзора на открытом воздухе. В JP-A-63/172779 описан пигмент, который состоит из множества частиц, каждая из которых имеет на своей поверхности канавки, которые образуют дифракционную решетку. Так как решетки на частицах испытывают сильную зависимость от угла зрения и не имеют внутреннего поглощения, цветовой эффект дифракции будет виден только при сильном, интенсивно направленном освещении, таком, как прямой солнечный свет или освещение прожектором. При рассеянном освещении (например, в облачный день) пигмент, описанный в JP-A-63/172779, будет выглядеть серым.

В EP-A-0303355 описана голограммно/дифракционная среда, имеющая множество расположенных с периодическими промежутками ступенчатых структур, каждая из которых размещена глубоко в среде.

В основу настоящего изобретения положена задача образования дифракционной структуры, которая будет создавать цвет в широком диапазоне углов зрения и освещения.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предусмотрена дифракционная структура, причем структура содержит: по существу плоскую подложку; и ряд граней, образованных в или на указанной подложке, причем плоскость или плоскости, в которых лежат грани, расположенные под углом, отличным от нуля, к плоскости подложки; причем на гранях образована дифракционная решетка, имеющая период 500 нм или менее.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предусмотрен способ изготовления дифракционной структуры, как описано выше, причем способ содержит стадии: (A) изготовляют форму посредством механической обработки подложки путем повторных проходов режущего инструмента, причем инструмент режет подложку все более глубоко при каждом проходе инструмента, чтобы таким образом создать поверхность резания, на которой имеются линии механической обработки; (B) повторяют стадию (A) для того, чтобы получить резанием дополнительную поверхность, на которой имеются аналогичные линии, расположенную напротив указанной первой поверхности, чтобы таким образом создать канавку, на каждой из противоположных поверхностей которой имеются линии механической обработки; (C) изготовляют шаблон из указанной формы; и (D) изготовляют дифракционную структуру из указанного шаблона, причем на каждой грани образуется дифракционная решетка, соответствующая линиям механической обработки на канавках формы.

В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения предусмотрен способ изготовления дифракционной структуры, как описано выше, причем способ содержит следующие стадии: (A) изготовляют форму путем анизотропного травления силиконовой подложки для производства множества граней в форме; (B) покрывают форму кислотоупорным слоем; (C) наносят тонкую структуру дифракционной решетки непосредственно на кислотоупорный слой электронным лучом или ионным лучом; (D) изготовляют шаблон из указанной формы; и (E) изготовляют дифракционную структуру из указанного шаблона.

Предпочтительные черты настоящего изобретения изложены в приведенных ниже пунктах формулы изобретения.

Так, в примере изобретения, структура с призматической поверхностью, состоящей из ряда по существу плоских граней, образована в слое полимера. Эти грани находятся обычно в диапазоне от 1 микрона до 100 микрон в поперечнике и расположены под заданным углом к плоскости слоя полимера. Поверхность с канавками, ряд правильных четырехугольников, пирамид, основания которых представляют собой квадраты, или угловых кубических структур (в которых все грани представляют собой квадраты) являются примерами такой призматической структуры. Дифракционная структура образована на поверхности каждой грани. Эта меньшая структура может представлять собой (не ограничительно) ряд канавок, скрещенную решетку, или 2-мерный ряд впадин и пиков, такой, как известная структура "фасеточный глаз". Меньшая структура обычно имеет размеры в диапазоне от половины размера грани до 0,1 микрон. Эта структура предпочтительно должна быть покрыта металлом, так что она поглощает свет под некоторыми углами падения, но осуществляет сильную дифракцию под другими углами.

Изобретение предусматривает дифракционную структуру, которая создает цвет в широком диапазоне углов зрения и освещения. Дифракционная структура может быть изготовлена простым способом с использованием традиционных пленкообразующих пластиков.

Конструктивные исполнения настоящего изобретения будут описаны при помощи примеров со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает схематический вид примера дифракционной структуры в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 2 - схематический перспективный вид другого примера дифракционной структуры в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 3 - схематический перспективный вид дополнительного примера дифракционной структуры в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 4 - схематический перспективный разрез дифракционной структуры с заполнением полимером;
фиг. 5 - схема, дающая представление о падении луча света на дифракционную структуру;
фиг. 6 - разложение лучей света, падающих на поверхность слоя полимера дифракционной структуры;
фиг. 7 - разложение лучей света, падающих на слой полимера дифракционной структуры;
фиг. 8 - разложение лучей света, падающих на решетку дифракционной структуры;
фиг. 9 - разложение лучей света, отклоняемых решеткой дифракционной структуры;
фиг. 10 - разложение лучей света, покидающих дифракционную структуру; и
фиг. 11 - карта цветов по CIE (Международная комиссия по освещению), показывающая, как изменяется воспринимаемый цвет с изменением угла зрения.

На фиг. 1 показана дифракционная структура 100, образованная подложкой 1, имеющей ряд граней 2. Грани 2 на этом примере образованы треугольными гранями 2 ряда пирамид 3, основания которых представляют собой квадраты. Пирамиды 3 образованы в или на подложке 1, причем их основания в виде квадратов 4 находятся в одной и той же плоскости так, чтобы образовать соответствующие ряды копланарных граней 2. Длина каждой стороны основания в виде квадрата 4 пирамид 3 может находиться в диапазоне от 1 мкм до 100 мкм. На каждой грани 2 пирамид 3 имеется дифракционная структура типа правильной дифракционной решетки 5, образованной канавками или линиями 6, между которыми имеются регулярные промежутки. Дифракционная решетка 5 в этом примере имеет период от 300 нм (т.е. промежуток между последовательными линиями 6 составляет 300 нм) с высотой (т.е. глубиной линий 6) около 100 нм.

Взамен пирамид 3, основания которых представляют собой квадраты, могут быть образованы двухмерные грани 2 как грани пирамид, основания которых представляют собой треугольники правильных четырехгранников (см. фиг. 2), угловых кубических структур (в которых все или по существу все грани являются квадратами), или любых других многогранников или структур, которые образуют ряд идентичных или по существу одинаковых граней, которые выступают из плоскости подложки 1 под углом от 0 до 90^o к плоскости подложки 1.

Вместо дифракционной решетки, на которую нанесены линии, как описано выше, может быть использован как дифракционная решетка 5 2-мерный ряд впадин и выступов, таких, как известная структура "фасеточный глаз", показанная на фиг. 3.

Вообще говоря, длина оснований граней 2 может находиться в диапазоне от 1 мкм до 100 мкм. Впадина дифракционной решетки 5, образованной на грани 2, может быть в диапазоне от 0,1 мкм до приблизительно половины размера грани, при условии, что максимум составляет 0,5 мкм.

Так как решетка дифракционной структуры 5 находится под углом к нормали к подложке 1, могут быть использованы дифракционные решетки менее длины волны, что обеспечивает минимальную дисперсию (т.е. такое минимальное изменение цвета с изменением угла, как только возможно) и исключает некоторые цвета, которые не могут быть отражены, так как длина их волны слишком велика.

Более того, противоположные грани 2 позволяют улавливать цвета с меньшей длиной волны, потому что они отклоняются под большим углом по отношению к граням, чем цвета с меньшей длиной волны.

Таким образом, в предпочтительном конструктивном исполнении имеются два механизма для разделения цветов. Ослепительные цветовые эффекты могут быть получены даже при рассеянном освещении и без использования пигментов или красителей.

Двухмерные структуры граней, как описано, такие, как грани рядов пирамид или четырехгранников, понижают чувствительность дифракционной структуры 100 к повороту структуры 100 как в ее собственной плоскости, так и из ее плоскости, которая наблюдается в структурах с одноименными гранями. Таким образом, как будет показано далее, дифракционная структура 100 по настоящему изобретению будет создавать цветные изображения в широком диапазоне условий освещения и углов зрения.

Использование структуры с V-образной канавкой (т.е. одномерной) для граней 2 означает, что цветовой эффект будет зависеть от угла поворота подложки в ее плоскости, хотя относительная невосприимчивость структуры к повороту из ее плоскости по-прежнему сохраняется.

Пример процесса изготовления дифракционной структуры 100 по настоящему изобретению будет описан ниже.

Сначала цветной металл, такой, как латунь или медь, обрабатывают механическим способом с использованием очень острого алмазного резца (не показан) для образования формы, которая по существу идентична дифракционной структуре 100, которая должна быть получена в конце. Алмазный наконечник резца может иметь угол при вершине 30^o. Резец используется для того, чтобы прорезать канавку на первую глубину, чтобы создать поверхность резания, имеющую длину, равную шагу образуемой дифракционной решетки. Затем резец используется для того, чтобы прорезать канавку на вторую глубину и прорезать поверхность на длину, которая вдвое больше шага дифракционной решетки. Этот процесс повторяется до тех пор, пока канавка не будет прорезана на заданную глубину, причем резец перемещается все глубже в материал формы на такое расстояние, что поверхность резания отрезается на длину, которая равна шагу образуемой дифракционной решетки, при каждом последовательном проходе резца. В результате этих последовательных все более глубоких проходов обрабатывающего резца, структура дифракционной решетки, состоящая из линий, образуется из обычных следов механической обработки, получаемых во время последовательных проходов резца. Канавка, прорезанная таким образом, образует первый ряд граней в материале. Противоположный ряд граней 2' и другие ряды граней, как параллельные, так и перпендикулярные к первому ряду граней, производятся далее путем механической обработки дополнительных канавок подобным образом, причем дополнительные канавки параллельны и перпендикулярны к первой канавке. Угол у вершины между противоположными гранями может быть, например, 90^o, хотя это будет зависеть от геометрии и высоты пирамид 3, четырехгранников или других многогранников, которые образуют грани 2.

Для повышения скорости изготовления может быть использован ряд подобных режущих инструментов для нарезания параллельных рядов канавок для образования граней спаренным способом. Перпендикулярные ряды могут быть нарезаны путем перемещения того же или другого комплекта режущих инструментов перпендикулярно к первому ряду граней.

Альтернативным способом образования формы является следующий. Форма, имеющая ряд 3 пирамид, основания которых представляют собой квадраты, пирамид, основания которых представляют собой треугольники, правильных четырехгранников, угловых кубических структур или других многогранников или структур, изготовляется путем анизотропного травления силикона. Это обеспечивает очень плоские поверхности граней 2. Форма затем покрывается кислотоупорным слоем. Тонкая структура, которая образует дифракционную решетку 5, затем непосредственно наносится на кислотоупорный слой электронным лучом или ионным лучом.

Каким бы путем форма не была образована, форма затем подвергается обработке гальванопластикой для образования жесткого шаблона, который представляет собой негатив формы и, следовательно, также негатив образуемой дифракционной структуры 100. Материал шаблона должен быть достаточно жестким, чтобы иметь возможность выдавливать рельеф из пластического материала или другого материала, из которого образуется дифракционная структура 100. Шаблон может быть, например, из никеля или меди.

Шаблон затем подвергается термоформованию для получения негативного дубликата шаблона из полимера, таким же образом, как обычная коммерческая голограмма. Соответствующие полимеры включают полиметил метакрилат или поликарбонат. Грани 2 дубликата затем покрываются тонким слоем металла, такого как хром, медь, никель или алюминий, для получения дифракционной структуры 100, показанной на фиг. 1. Металлический слой может иметь толщину от 10 до 50 нм и предпочтительно является прерывистым, покрывая маломасштабный рельеф, который образует дифракционную решетку 5, так что дифракционная решетка 5 является частично поглощающей или пропускающей и имеет лишь слабое зеркальное отражение.

Структуру 100 предпочтительно заполняют затем слоем материала 7. Материал слоя 7 является прозрачным и может представлять собой сухой раствор или химически отвержденный полимер, так что структура 100 имеет по существу плоские и параллельные наружные поверхности, а внутренний рельеф структуры заполнен полимером 7, как показано на фиг. 2. Слой полимера 7 обычно может представлять собой адгезив, который используется для фиксации дифракционной структуры 100 к подложке, на которой она смонтирована.

Свет, входящий в слой полимера 7, подвергается дифракции, поглощается или отражается гранями 2. Не подвергшийся дифракции свет либо поглощается дифракционной решеткой 5, либо зеркально отражается. Если он зеркально отражается, он проходит на соседнюю грань 2, где он снова либо поглощается, либо зеркально отражается. Если дифракционная решетка 5 спроектирована так, что только 10% света, падающего на нее, может быть зеркально отражено, только 1% может выйти обратно после двух таких отражений. Если дифракция отсутствует, вся структура 100 является поэтому по существу неотражающей и кажется зрителю черной. Дифракционная решетка 5 может быть спроектирована так, чтобы уменьшить количество света, который зеркально отражается, для чего предусмотрено, чтобы шаг решетки был меньше, чем длина волны света, падающего на решетку, и причем глубина решетки 5 была такой, чтобы обратное отражение гасилось в результате интерференции. Если поверхность решетки покрыта, как указано выше, "тусклым" металлом (т.е. металлом с низкой отражательной способностью, таким как медь, никель или алюминий) или металл является прерывистым в направлении поперек линий 6 решетки 5, то падающий свет скорее поглощается, чем отражается.

Дифракция имеет место, когда длина волны падающего света, угол падения света и период дифракционной решетки связаны следующим соотношением:
λ/η = d·sin(ϕ)+d·sin(θ),
где λ - длина волны света, η - показатель преломления полимера 7, заполняющего дифракционную структуру, ϕ и θ - углы падения и дифракции, соответственно, относительно нормали 8 к грани 2, и d - период дифракционной решетки 5, как показано на фиг. 5.

Воспринимаемый цвет от структуры 100 можно рассчитать путем построения лучей света, которые входят в структуру 100 и выходят из нее посредством дифракции. На фиг. от 6 до 10 показано, как изменяется распределение лучей по мере того, как лучи сначала преломляются на поверхности полимера, когда они входят в полимер, затем подвергаются дифракции на грани и снова преломляются, когда лучи выходят из полимера.

На фиг. 6 показана полярная диаграмма интенсивности падения на поверхность при рассеянном освещении, причем поверхность в этом случае является наружной поверхностью слоя полимера 7. Интенсивность уменьшается в зависимости от косинуса угла падения. Эта зависимость известна как освещение по Ламберту.

В связи с преломлением на границе воздуха и полимера 9 диапазон углов, под которыми лучи света распространяются внутри слоя полимера 7, уменьшается, как показано на полярной диаграмме на фиг. 7.

Как показано на фиг. 8, лучи затем ударяют дифракционную решетку 5 на поверхностях граней 2 в определенном диапазоне углов и часть лучей подвергается дифракции. С целью упрощения этого описания предполагается, что (i) когда дифракция возможна, весь свет подвергается дифракции, и (ii) если дифракция невозможна, свет поглощается или пропускается дифракционной решеткой 5, как описано выше. Необходимо понимать, однако, что на практике эффективность дифракции изменяется с изменением длины волны и угла.

Часть света, который подвергается дифракции посредством дифракционной решетки 5 на конкретной грани 2, экранируется соседней гранью 2 и не покидает дифракционную структуру 100. Полярная диаграмма на фиг. 9 показывает распределение подвергшихся дифракции лучей от одной грани 2 дифракционной системы 100 для трех различных длин волн. Эти длины волн соответствуют пикам чувствительности видимого цвета. Сплошная линия обозначает синий цвет, точечная линия обозначает зеленый цвет и штриховая линия обозначает красный цвет.

По мере того как лучи покидают слой полимера 7, они снова преломляются на границе воздуха и полимера 9. На фиг. 10 показано распределение лучей, покидающих дифракционную структуру 100, которые подверглись дифракции посредством одной грани 2.

Лучи света, покидающие одну грань 2, могут добавиться к лучам от соседней грани 2 для того, чтобы образовать диаграмму на стандартной карте цветов CIE (Международной комиссии по освещению), на которой показано, как изменяется воспринимаемый цвет с изменением угла зрения. Карта представлена на фиг. 11. Когда диапазон угла зрения превышает 80^o (±40^o к нормали к поверхности слоя полимера 9), отклонения от воспринимаемого цвета очень невелики. В этом случае дифракционная структура 100 создает желтый цвет при рассеянном освещении. Путем изменения углов граней (т.е. угла между гранью 2 и поверхностью слоя полимера 9) и периода дифракционной решетки 5 могут быть созданы различные цвета.

Таким образом, настоящее изобретение создает цветовую дифракционную структуру 100, которая поддерживает интенсивный цвет при наблюдении при рассеянном освещении в широком диапазоне углов зрения.

Структура 100 может быть изготовлена при помощи обычной преобладающей технологии на большой поверхности и может быть образована в непрерывной полимерной пленке посредством одностадийного процесса выдавливания рельефа, подобного используемому в производстве голограмм.

Цвет в первую очередь зависит от угла граней и шага дифракционной решетки, причем ни тот, ни другой не изменяются существенно в процессе износа. Дифракционная структура 100 поэтому является идеальной для производства больших объемов материала. Дифракционная структура 100 конкретно применяется в предохранительных пленках на, например, кредитных или дебетных карточках, где требуется много по существу идентичных дифракционных структур 100.

Конструктивное исполнение по настоящему изобретению было описано с конкретными ссылками на показанные примеры. Однако необходимо принять во внимание, что в описанных примерах могут быть выполнены варианты и модификации в пределах диапазона настоящего изобретения.

Дифракционная структура содержит подложку, первый и второй ряды граней, расположенных под углом к плоскости подложки. На каждой грани образована дифракционная решетка с периодом не более 500 нм. Длина оснований граней находится в диапазоне от 1 до 100 мкм, а впадина дифракционной решетки - в диапазоне от 0,1 мкм до половины размера грани. Период дифракционной решетки меньше длины волны, соответствующей воспринимаемому цвету, а противоположные грани выполнены с возможностью улавливания света с меньшей длиной волны. Дифракционную структуру получают путем образования линий механической обработки на поверхности граней или путем нанесения электронным или ионным лучом на защитный слой, расположенный на форме, полученной анизотропным травлением силиконовой подложки. Обеспечивается получение цвета в широком диапазоне углов зрения и освещения. 3 с. и 8 з.п.ф-лы, 11 ил.

1. Дифракционная структура, содержащая по существу плоскую подложку, первый ряд граней, образованных в или на указанной подложке, причем плоскость или плоскости, в которых лежат грани, расположены под углом, отличным от нуля, к плоскости подложки; второй ряд граней, которые лежат по существу во второй плоскости или плоскостях, которые находятся под углом как к первому ряду граней, так и к плоскости подложки, так что грани первого и второго рядов по существу расположены напротив друг друга, причем на каждой грани образована дифракционная решетка, отличающаяся тем, что дифракционная решетка имеет период не более 500 нм, а длина оснований граней находится в диапазоне от 1 до 100 мкм, впадина дифракционной решетки находится в диапазоне от 0,1 мкм до половины размера грани, при условии, что максимум составляет 0,5 мкм, при этом используют дифракционные решетки с периодом менее длины волны, соответствующей воспринимаемому цвету, а противоположные грани выполнены с возможностью улавливания света с меньшей длиной волны. 2. Способ изготовления дифракционной структуры, при котором изготавливают форму путем обработки подложки, в результате которой получают первую поверхность и расположенную напротив нее дополнительную поверхность, образующую канавку, изготавливают шаблон с помощью указанной формы, с помощью указанного шаблона изготовляют дифракционную структуру, содержащую грани, расположенные под углом к поверхности подложки, причем на каждой из указанных граней образуется дифракционная решетка, отличающийся тем, что при изготовлении формы на первой стадии (А) обрабатывают подложку посредством механической обработки путем повторных проходов режущего инструмента, причем инструмент режет подложку все более глубоко при каждом проходе инструмента, образуя первую поверхность резания, на которой имеются линии механической обработки, на второй стадии (В) повторяют стадию (А), образуя дополнительную поверхность, на которой имеются линии механической обработки, а образованная на гранях дифракционная решетка соответствует линиям механической обработки на поверхностях, образующих канавку. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что прорезают дополнительные канавки, расположенные в линию, параллельные первым канавкам, расположенным в линию, которые прорезаны посредством повторяющихся стадий (А) и (В). 4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что дополнительные канавки, расположенные в линию, перпендикулярные к первой канавке, расположенной в линию, прорезают посредством повторяющихся стадий (А) и (В). 5. Способ по п.2, отличающийся тем, что дополнительные канавки, расположенные в линию, параллельные первой канавке, расположенной в линию, прорезают одновременно с первой канавкой, расположенной в линию посредством ряда спаренных режущих инструментов. 6. Способ по п.2 или 5, отличающийся тем, что дополнительные канавки, расположенные в линию, перпендикулярные первой канавке, расположенной в линию, одновременно прорезают посредством ряда спаренных режущих инструментов. 7. Способ изготовления дифракционной структуры, при котором изготавливают форму, содержащую множество граней, изготовляют шаблон с помощью указанной формы, с помощью указанного шаблона изготовляют дифракционную структуру, отличающийся тем, что при изготовлении формы, содержащей грани, осуществляют анизотропное травление силиконовой подложки, покрывают форму защитным слоем и наносят тонкую структуру дифракционной решетки непосредственно на защитный слой электронным лучом или ионным лучом. 8. Способ по любому из пп.2 - 7, отличающийся тем, что шаблон изготовляют путем обработки формы гальванопластикой. 9. Способ по любому из пп.2 - 8, отличающийся тем, что дифракционную структуру изготовляют путем термоформования шаблона. 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что грани дифракционной структуры покрывают слоем металла. 11. Способ по п.10, отличающийся тем, что слой металла поверх граней дифракционной решетки выполнен прерывистым.