光学可变的形态双折射结构和方法及其读取系统和方法
专利名称：光学可变的形态双折射结构和方法及其读取系统和方法
技术领域：
本发明涉及光学设备和用于光学设备的读取器，尤其是，涉及衍射 光栅光学设备和读取器。
背景技术：
在文件和产品安全产业中，期望有一个可由任何消费者容易使用的 低成本防伪设备。理想的情况是，该设备的制造成本要低廉，但是不可 能复制，并且易于校验，但可适用于大量不同的文件和产品。尽管或许 不可能满足这些理想的要求，本发明的各种具体实施例确实提供了低成 本的防伪设备，它非常难于被复制或者实行逆向工程，并且具有明显不 同于其他光学可变防伪设备的外观。事实上，釆用一个偏振滤光器可以 很容易观察到根据本发明的各种实施例制成的防伪设备的区别特征。
在一个表面上的光栅层的有效折射率取决于光栅取向和光栅轮廓， 以及组成该层的材料的体积性质。具体而言，当光栅周期比入射在光栅 上的光的波长小很多时，如果光的电场矢量与光栅线平行而非垂直，有 效折射率就越高。如果组成光栅层的材料是金属的，层的反射率取决于 电场矢量相对于光栅线的排列。在第一种情形中，光栅层是双折射的， 在第二种情形中，光栅层是一个反射偏振滤光器。二者在这里都被称作 "形态双折射"。
光栅制作中的一个常见问题是"重影"(ghosting),这是在跨表 面的光栅的位置或深度上的周期性误差。例如，在电子束制备的光栅中， 重影可能是由驱动螺杆的不均匀摩擦、定位算法中的舍入误差，或者步
进电机中的有限步长造成的。
一个没有重影的特高频(短周期)光栅将 不显示衍射效果。不过，如果重影具有大于可见光的波长的一半的周期， 将呈现衍射效果，在白光中显示彩虹色。不过，在直接反射(o阶衍射) 中高频光栅的偏振效果仍然明显。
形态双折射己由几个研究者演示并报道，并且已在商业上釆用。例
如，Nano-Opto Corporation (纳米光学公司)销售 "Subwave Polarization Beam Splitter/Combiner"(子波偏振光束分离器/组合 器)禾口 "Broadband Polarizer For Optical Networking Applications" (用于光网络应用的宽带偏振器)，二者都釆用了周期比光学波长小的 表面起伏光栅。
发明内容
图形组成由高频表面起伏光栅结构形成，该表面起伏光栅结构在表 面上的不同区域中具有不同的光栅特征。该光栅结构具有明显比一个光 的第一波长短的第一光栅周期，从而入射到该光栅结构上的光的偏振被 不同区域中的光栅结构改变了。结果，可以根据表面上不同区域中反射 或透射偏振光的排列，来观看图形组成。所述光栅结构还具有一比光的 半波长长的第二光栅周期，从而入射到该结构上的光被衍射，并且可以 根据从表面衍射的光的排列来观看。可以由一个具有照明子系统(将照 射光打到图形组成上)和图像检测子系统(接收和处理从图形组成反射 的照射光)的读取器来检测图形组成。
图l表示用于产生高频光栅的低频调制的曝光强度随位置的分布，该 高频光栅可以产生可见的或者可感觉的衍射效果。
图2表示用于产生高频光栅来影响反射光的偏振的曝光强度随位置
的分布。
图3表示根据低频正弦模式进行调幅的高频光栅。 图4a是不同区域具有不同的偏振和衍射性质的图形组成。
图4b、 4c和4d是图4a所示的图形组成在具有不同偏振性质的光中曝 光的等轴视图。
图4e显示了FBS可被照射来使衍射或"重影"成分可见的一种方法。
图5表示用低频周期性图案线性脉冲调制的高频光栅，用于产生和炫 耀衍射光栅(blazed diffraction grating) —样的衍射效果。
图6表示一个高频光栅，其"开"与"关"的比率周期性变化，以便 产生和炫耀衍射光栅相同的衍射效果，因为当光栅周期远远小于光的波 长时，光栅"开/关"比率有效调制了光栅层的折射率。
图7是根据本发明的一个实施例用于读取FBS特征的读取器设备的示 意图。
图8a表示一高频FBS光栅，其各个凹槽具有正弦曲线的形状，该正弦 曲线具有比凹槽间的间距长的周期。因为凹槽的组合波阵面的法向表面 与凹槽的平均方向(average direction)平行，所形成的低频衍射光栅
的取向实际上垂直于高频光栅。
图8b表示类似于图8a中的高频FBS光栅，不同的是凹槽的组合波阵面 的法向表面与凹槽的平均方向之间有一个角度，结果低频成分衍射光栅 的取向与高频光栅之间存在一个角度。
图9a表示一块位于诸如玻璃之类的基板之上的分层材料，按照和层 成一角度将块切割。层的厚度明显小于光的半波长，交替的层由在诸如 强碱溶液之类的选定溶剂中具有明显不同的溶解度的材料组成。
图9b表示图9a中的块的一部分，显示了层的已曝光端的有效周期取 决于切割块时所沿的角度。
图10表示在选定的溶剂中进行了差异蚀刻后图9b中的块的部分。被
蚀刻的表面是一个光栅，其周期取决于层的间距和切割层所沿的角度。
具体实施例方式
正如在这里所使用的那样，术语"形态双折射"用于表示，由于表 面的轮廓形状处于子波长尺度上，通过对具有不同偏振的光进行不同的200710149158.5
说明书第4/10页
延迟来改变光的偏振的性质，和通过对具有不同偏振的光进行不同的吸 收或者反射来改变光的偏振的性质。
根据本发明的一个实施例，具有受控重影的形态双折射结构("FBS") 被制作成标签、文件或产品上的标记。FBS的偏振性质和由于FBS中的重 影所致的衍射性质按照图形设计或者其他可识别的图案的形式来布置。 因为伪造者会发现难于复制这样的FBS或者对其实行逆向工程，通过在普 通白光中透过一个偏振滤光器来察看FBS和在一个点光源照射下观察由 FBS衍射的光(由于重影)，可以确定标记的真实性。
图1显示了用以将PMMA抗蚀剂在电子束中曝光的一种方式，这是集成 电路制造工业中公知的工艺。图l中的y轴表示曝光的强度，x轴表示沿抗 蚀剂的截面的曝光位置。 一般而言，在抗蚀剂上的每个点处的电子束的 电流强度、能量和持续时间确定了在随后的显影期间抗蚀剂被蚀刻的深 度。在图1中，曝光100的强度以一个长周期110进行周期性改变，以便产 生一个低频光栅。相反，如图2中所示那样，当P應A抗蚀剂层在随位置采 用短周期205快速改变的电子束中曝光时，将产生高频光栅。
在本发明的一个优选的实施例中，通过调制用于刻划高频成分的电 子束中的电子束电流，可以实现组合的高频和低频曝光，来在基板315上 产生调幅的高频光栅，如图3中所示那样。这样高频成分在300处强度最 大，在305处强度最小。高频成分的周期320是高频曝光之间的距离，低 频成分的周期310是高频成分的强度的低频变化的峰之间的距离310。低 频成分产生"重影"，并充当具有和低频成分相同的光栅频率的衍射光 栅。因此，在本发明的一个优选的实施例中，通过采用受控的周期和取 向来改变电子束电流，有意引入了重影。优选使用窄电子束，例如直径 近似为O. l微米或者更小的电子束。
作为对调制用于刻划高频成分的电子束电流的另选方案，通过首先 曝光没有调制的高频图案，然后接着重叠低频曝光，可以获得组合的高 频曝光和低频曝光。也可以采用其他技术。
另选地，两个高频光栅可以被重叠，将一个按照和另一个成一角度 旋转。两个高频光栅间的莫尔(Moire)干涉产生了一个低频光栅，其周
期和取向取决于两个光栅中每个的取向和周期。如果由此产生的低频光 栅具有比可见光的半波长长的周期，其将充当衍射光栅，而高频光栅成 分则充当偏振光栅。可以通过光致抗蚀剂在采用高频光栅图案的光中的 顺序曝光、通过电子束曝光，或者通过循序将两个高频光栅图案压印到 一表面上来形成两个重叠的高频光栅。
FBS的另一个可选的实施例可以包括几个区域410、 405、 400，其中 至少一个区域包括一个高频光栅，并且至少另一个区域包括一个低频光 栅。在这种情形中，高频包含区域的性质可以通过在偏振光中观看来检 测，而低频包含区域的性质可以通过观看从该区域发出的衍射光来检测。
通过将一层PMMA抗蚀剂在组合了高频和低频成分的电子束图案中曝 光，并且按照分别为每个或者每组点确定的方向来在表面上的每一点处 定向高频成分，可以制作出具有例如图4a中所示的图形设计的形式的 FBS。例如，如图4a中所示那样，灰度等级图像可以被表示为FBS像素的 阵列，其中光栅取向的角度从区域400中的水平到区域405中的垂直，变 化了90度。结果，当通过一个垂直的偏振滤光器来观看该FBS图像时，像 素显示为从黑到白变化的灰度等级像素，如图4e中所示那样。图4a中所 示的FBS图像可广泛用于任何文件和事物，包括卡片、支票、货币、信用 卡、礼品卡、访问控制卡、商品使用说明书、贴花纸、不干胶标签、标 签、鉴定证书、信封、包裹、药物容器、药物胶囊、执照、牌照、车辆 使用证、赠券、腕带、官方文件、职称证书、光学记录介质、CD-ROM、 DVD、注模成型产品、压模成型产品、压纹产品、压延产品、护照、保密 封条、篡改显示印章(tamper-evident seal)、硬币、代币、票券、过 境单、封装膜和封装元件。
如果低频"重影"成分基本上等同于全息图中的光栅图案，那么在 合适的光(例如从白色点光源或者单色光源发出的光)中观看时，FBS将 显示一幅全息图像。事实上，这样的全息图像"重影"图案可以通过首 先将抗蚀剂在具有高频光栅成分的电子束中曝光以提供偏振成分，接着 将抗蚀剂进行全息曝光，最后再显影来生成。所得的全息衍射图案实际 上就是高频光栅的低频幅度调制。
当FBS在抗蚀剂中形成后，优选地用诸如镍等合适的材料来电镀抗蚀
剂的表面。如果使用镍，电镀的厚度大约为50微米。接着剥离抗蚀剂上
的镍来提供一个"镍垫片"。将镍垫片缠绕在一个被加热的滚筒上，用 来压制出热塑性膜。接着在一个真空金属化器中将热塑性膜铝化，并将
金属化膜转化成标签。图4b、 4c和4d分别表示在非偏振的光中(图4b)、 在沿一个方向的偏振光中(图4c)和在沿垂直方向的偏振光中(图4d) 观看到的完成后的标签。图4e表示在非偏振光中观看相同的标签，其中 从区域464、 466和468中衍射出的光线的颜色取决于光源460的位置和观 察者的视点。
在另选的实施例中，可以采用除去电子束之外的其他方法来形成原 始的FBS，例如XUV微光刻、近场(near-field)光学微光刻、自组装蛋 白质结构或者高折射率介质中的光学干涉。
在另选的实施例中，"重影"可以在FBS形成之后的步骤中添加，而 非在形成没有重影的FBS的同一步骤中添加。例如，可以通过首先将抗蚀 剂层在采用高频图案的电子束、XUV或者光中曝光，然后接着将同样的层 在采用低频图案的光或其他辐射中曝光，来创建重影。在下一步骤中添 加重影的一个好处是，可以独立于高频光栅结构的方向和取向，更加容 易地独立控制重影。
另选地，可以采用如在美国专利No. 4，758，296和4,906,315中所述 的UV压纹工艺或者连续铸造工艺来复制FBS。 UV压纹工艺的优点是不会由 于树脂的热胀冷縮降低逼真度。
图5和6显示了将"重影"引入高频光栅中的另选的方法。在图5中， 在基板510上形成的特征的宽度和间距在特征500和特征505之间变化。在 图6中，在基板610上形成的特征的宽度在特征600和特征605之间变化， 但是特征的中心到中心的间距保持恒定。在图6的重影中，如果光栅是透 射光栅，由于特征宽度的变化，包含特征600和605的压纹层的有效折射 率从600到605发生渐变。如果变化的周期大于光的波长，这个有效折射 率的变化将产生等同于"炫耀"衍射光栅的效果。
在本发明进一步的实施例中，设计了图7中所示的读取器，用于自动
识别FBS (例如前面提到的实施例中的一个)。例如，读取器可以使用透 镜系统735来对具有不同偏振化区域725、 730的FBS 720成像。照射光束 740由光束分离器700偏转到FBS 720上。从FBS 720反射出的成像光束745 通过光束分离器700和透镜系统735之后到达图像检测器705。
照射光束740是偏振光，这可以通过在从光源715发出的照射FBS 720 的非偏振光的光路中放置一个偏振滤光器710来生成。接着可以旋转偏振 滤光器710来揭示FBS的偏振性质。另选地，可以采用偏振照明光源715来 代替非偏振光源715和偏振滤光器710，并且可以旋转照明光源715的偏振 以便揭示FBS的偏振性质。读取器可以包括信号处理电子设备750和对比 子系统754，用来处理并解释当偏振滤光器710或者偏振照明光源715旋转 时FBS的外观的变化。然后，所解释的FBS的外观上的变化可由诸如计算 机之类的对比系统754来与保存在存储器中的参考模板对比，以便确认 FBS 720是真实的。读取器也可以包括一个装置，用于将FBS由于重影发 出的衍射光线成像，并且将该衍射光线图像与另一个参考模板对比。如 果所解释的变化与参考模板相匹配，可以判断FBS是真实的。
一种采用图7中的读取器来观察FBS发出的衍射光线的方法是，将光 束分离器700倾斜大约12.5°而非45°，并且在图7中将其向左移动。这将使 由光源715发出的光按大约45'的角入射到FBS上。结果，衍射到垂直方向 的光线将由透镜735成像到图像传感器705上。通过相对于FBS，改变光束 分离器700的倾斜角度或者旋转或倾斜整个读取器装置，可以选择不同成 分的衍射光线。
当然，本发明的各种实施例可以与其他安全设备、特征和标记联合 使用，或者只是作为图形设备或新奇品使用。例如，全息图可以在一个 或多个子区域中包括FBS，或者FBS可以被涂上一层具有高折射率的材料 或具有低折射率的材料，或者可以被金属化并且某些部分的金属被除去， 或者压制到可压纹材料的表面上的多个隔离区。FBS也可以与其他安全特 征一起使用来提供文件或产品上的"分层"或多重安全特征，其中其他 安全特征包括红外线荧光墨水、微标签(microtaggant)、磁性墨水、
DNA标签、色彩可变墨水、凹版印刷、UV荧光墨水、RFID芯片、"杂混邮 戳"(scrambled indicia)、向上转换标签(upconversiontaggant)， 等。
可以采用任何合适的复制装置来制造FBS的复制品，包括热压g、 UV 铸造、压模成型、电子成型、溶剂铸造、注模成型、环氧树脂铸^和喷 涂成型等。不过优选的复制方式是UV铸造。
根据本发明的一个实施例，没有重影但有具有不同取向的区域的FBS 可以充当安全设备使用。具有比可见光的半波长略短的高频周期的FBS可 以充当近UV中的衍射光栅使用，它将具有可以和高频周期更短的FBS相区 别的衍射特性。
通过在一个表面上的不同区域中，提供低频"重影"光栅的不同取 向角和周期，有可能构建类似于点矩阵全息图，显示动态效果、彩色效 果、三维效果和角度复合效果的衍射图像。给定这里所揭示的高频光栅 的受控重影的基本原理，熟练的全息图设计师或光栅设计师可以设计FBS 结构来产生通常在全息图中观察到的那些效果。
诸如图2中所示的高频光栅，或者由几个这样的光栅形成的图形组 合，可以通过采用诸如上面讨论的那些方法在基板上形成，然后可在基 板上涂上光致抗蚀剂，将其在全息干涉图案中曝光，接着显影并蚀刻。 所形成的起伏图案(relief pattern)将产生由高频光栅所致的偏振效 果，和由全息曝光所致的衍射效果；并且通过分别控制高频光栅的形成 和全息千涉图案的形成，这两种效果基本上是独立可控的。例如，可以 使用电子束照射PMMA抗蚀剂来形成高频偏振光栅图像。所形成的偏振光 栅可以通过镍电子成形法来复制，可以在电子成形后的镍复制品上涂上 一层诸如Shipley 1450正抗蚀剂之类的光致抗蚀剂，涂层的厚度正好足 够填充偏振光栅的凹槽来产生一个水平表面。然后采用标准方法将涂有 抗蚀剂的复制品进行全息曝光，接着采用标准方法来显影已曝光的光致 抗蚀剂，以使最小蚀刻深度延伸至光栅脊的顶部，而最大蚀刻深度延伸 到光栅脊的顶部之下，但在凹槽的底部之上。所得的起伏图案就是一个
用低频全息光栅调幅的高频偏振光栅。所得的起伏图案可以用电子成型 法来复制，并用于生产聚合物复制品。
在另一个例子中，可以将镍高频光栅压制到光致抗蚀剂表面来产生
对应的光致抗蚀剂光栅图案；然后可将光致抗蚀剂曝光为全息干涉图案，
来产生全息图调制的光致抗蚀剂偏振光栅。
如果高频光栅是弯曲的，仍将充当偏振器，并产生对FBS有用的效果。 例如，由同心圆组成的光栅将产生典型的沙漏型偏振图像，当通过一个 旋转的偏振滤光器观看时，该图像也将旋转。通过考虑偏振角度，熟练 的图形设计师可以设计出通过旋转被观察或入射的光的偏振而运动的图 像。
如果高频光栅由图8a中所示的具有低频周期805的正弦曲线凹槽或 脊800组成，并且如果正弦曲线按照如图8a和8b中所示那样层叠以形成具 有(标准)周期850的高频光栅，光栅将有对应于光栅的集总低频周期的 周期810和方向815的重影成分。如果正弦曲线按照如图8a中所示那样正 交地层叠，重影周期和正弦曲线的周期精确相同。如果正弦曲线按照如 图8b中所示那样的倾斜方式层叠，重影周期将变长，重影的方向将和在 正交层叠正弦曲线集中出现的重影成一个角度。
图9a、 9b和10显示了制作高频光栅的另选方法。首先在基板900上制 作出一个叠层(920和910)，这两种层由在选定的溶剂中具有不同的溶 解度的材料组成。例如，可以通过交替的真空淀积和溶剂涂覆步骤来制 备铝和聚苯乙烯的交替层。然后可以沿角度915切割该叠层，产生图9b中 所示的楔形块。图9b中的层的边沿形成了一个表面图案，其周期是层的 厚度和切割角度的函数。接着在合适的溶剂中蚀刻该切块，该溶剂将按 不同的速率来蚀刻两种材料。例如，甲乙酮可用来蚀刻聚苯乙烯，而对 铝没有作用。图10中显示了差异蚀刻的结果，其中，层1010的边沿伸出 在层1020的边沿之外。
一种制作图9a中所示的叠层的方法是用一厚层光致抗蚀剂涂覆一个 基板，并且将该光致抗蚀剂在驻波图案中曝光，该驻波图案是通过深UV 光穿过光致抗蚀剂并从一个表面(例如基板的前表面或后表面)反射回
来穿过光致抗蚀剂来形成的。光致抗蚀剂在驻波图案中的曝光将生成具
有不同的溶解度的布拉格平面叠层(stack of Bragg planes)。
在一些应用中，希望控制高频光栅的深度。例如，在透射偏振光栅 中，结构的双折射能力取决于光栅的深度。在反射偏振光栅中，在某些 情况下，光栅深度和随被影响的光的波长而变化的偏振的角度或类型之 间存在一个关系。可以通过控制电子束曝光的能量、电流强度或持续时 间来控制高频光栅的深度。另选地，可以通过采用一层具有受控厚度的 电子抗蚀剂来控制光栅深度。在图10的光栅中，通过控制诸如溶剂浓度、 温度或蚀刻时间之类的蚀刻条件可以控制光栅的深度。典型情况下，光 栅的优选深度近似为光栅最易影响的光的波长的一半，但在某些应用中， 最佳的深度可以不是半个波长，比如可以是四分之一波长。
本发明中所用的高频光栅可以釆用除去电子抗蚀剂的电子束曝光之 外的方法来制造。例如，如图9a、 9b和10中所示的那样，可以构建一块 诸如二氧化硅和PMMA交替的分层材料，将其按照和层成一角度的方向切 片。然后可以蚀刻切片暴露的面，从而不同的材料蚀刻程度不同，形成 了光栅，其周期由层的厚度和切片相对于层的角度确定。通过这种方法, 有可能构建如图9a和9b中所示的光栅，其周期短至几个纳米。通过制作 一个如上所述的镍电铸模，然后分步重复，加热镍电铸模并将其压制到 聚合物表面上，可以复制出最终的高频光栅。电铸模的取向可以随位置 而改变，.以控制最终的小光栅的镶嵌图案。采用这种方法，也可能制作 周期小到可以偏振和衍射x射线的光栅。
根据前面所述内容，可以明白，尽管为了演示起见，这里描述了本 发明的具体实施例，不过在不偏离本发明的精神和范围的条件下，可以 进行各种修改。因此，本发明并不限于附加的权利要求所限制的内容。
权利要求
1.一种防伪系统，其包括形成在表面起伏光栅上的图形组成，该表面起伏光栅的图案中既有偏振成分，又有衍射成分；以及读取器，包括照明子系统，可以操作来将照射光打在图形组成上；图像检测子系统，可以操作来接收和处理从图形组成反射的照射光；图像解释子系统，可以操作来接收由成像子系统检测和处理的反射光的信号指示，该图像解释子系统确定了表面起伏光栅的偏振和衍射成分的图案的特征；以及对比子系统，其被耦合到图像解释设备上，该对比子系统将表面起伏光栅的偏振和衍射成分的图案的特征与一组参考特征相对比，并且据此确定图形组成的真实性。
2. 根据权利要求l所述的防伪系统，其中偏振和衍射成分图案中至 少一个在至少一个预定区域内是基本随机的。
3. —种用于读取在图案中同时具有偏振和衍射成分的表面起伏光栅 中形成的图形组成的读取器，该读取器包括照明子系统，可以操作来将照射光打在图形组成上； 图像检测子系统，可以操作来接收和处理从图形组成反射的照射光； 图像解释子系统，可以操作来接收由成像子系统检测和处理的反射光的信号指示，该图像解释子系统确定了表面起伏光栅的偏振和衍射成分的图案的特征。
4. 根据权利要求3所述的读取器，进一步包括一耦合到图像解释设 备上的对比子系统，该对比子系统将表面起伏光栅图案的偏振和衍射成 分的图案的特征与一组参考特征相对比。
全文摘要
一种包括同时具有衍射和偏振性质的表面起伏结构的防伪设备。反射光的偏振由精制的光栅结构的取向和构成来控制，该光栅结构的最短周期比可见光的波长短很多；衍射由具有第二取向的光栅结构的较长周期成分来控制。通过用偏振光照射该设备并观看反射光，或者用非偏振光照射该设备并通过滤光器来观看反射光，可以发现该设备的偏振性质的存在和排列。因为这种设备难于复制或者精确地进行逆向工程，设备的真实性可以由设备中偏振性质和衍射性质的存在和排列来判断。
文档编号B42D15/10GK101114033SQ200710149158
公开日2008年1月30日 申请日期2003年9月3日 优先权日2003年5月6日
发明者史蒂夫·马格鲁 申请人:史蒂夫·马格鲁
技术领域：
本发明涉及光学设备和用于光学设备的读取器，尤其是，涉及衍射 光栅光学设备和读取器。
背景技术：
在文件和产品安全产业中，期望有一个可由任何消费者容易使用的 低成本防伪设备。理想的情况是，该设备的制造成本要低廉，但是不可 能复制，并且易于校验，但可适用于大量不同的文件和产品。尽管或许 不可能满足这些理想的要求，本发明的各种具体实施例确实提供了低成 本的防伪设备，它非常难于被复制或者实行逆向工程，并且具有明显不 同于其他光学可变防伪设备的外观。事实上，釆用一个偏振滤光器可以 很容易观察到根据本发明的各种实施例制成的防伪设备的区别特征。
在一个表面上的光栅层的有效折射率取决于光栅取向和光栅轮廓， 以及组成该层的材料的体积性质。具体而言，当光栅周期比入射在光栅 上的光的波长小很多时，如果光的电场矢量与光栅线平行而非垂直，有 效折射率就越高。如果组成光栅层的材料是金属的，层的反射率取决于 电场矢量相对于光栅线的排列。在第一种情形中，光栅层是双折射的， 在第二种情形中，光栅层是一个反射偏振滤光器。二者在这里都被称作 "形态双折射"。
光栅制作中的一个常见问题是"重影"(ghosting),这是在跨表 面的光栅的位置或深度上的周期性误差。例如，在电子束制备的光栅中， 重影可能是由驱动螺杆的不均匀摩擦、定位算法中的舍入误差，或者步
进电机中的有限步长造成的。
一个没有重影的特高频(短周期)光栅将 不显示衍射效果。不过，如果重影具有大于可见光的波长的一半的周期， 将呈现衍射效果，在白光中显示彩虹色。不过，在直接反射(o阶衍射) 中高频光栅的偏振效果仍然明显。
形态双折射己由几个研究者演示并报道，并且已在商业上釆用。例
如，Nano-Opto Corporation (纳米光学公司)销售 "Subwave Polarization Beam Splitter/Combiner"(子波偏振光束分离器/组合 器)禾口 "Broadband Polarizer For Optical Networking Applications" (用于光网络应用的宽带偏振器)，二者都釆用了周期比光学波长小的 表面起伏光栅。
发明内容
图形组成由高频表面起伏光栅结构形成，该表面起伏光栅结构在表 面上的不同区域中具有不同的光栅特征。该光栅结构具有明显比一个光 的第一波长短的第一光栅周期，从而入射到该光栅结构上的光的偏振被 不同区域中的光栅结构改变了。结果，可以根据表面上不同区域中反射 或透射偏振光的排列，来观看图形组成。所述光栅结构还具有一比光的 半波长长的第二光栅周期，从而入射到该结构上的光被衍射，并且可以 根据从表面衍射的光的排列来观看。可以由一个具有照明子系统(将照 射光打到图形组成上)和图像检测子系统(接收和处理从图形组成反射 的照射光)的读取器来检测图形组成。
图l表示用于产生高频光栅的低频调制的曝光强度随位置的分布，该 高频光栅可以产生可见的或者可感觉的衍射效果。
图2表示用于产生高频光栅来影响反射光的偏振的曝光强度随位置
的分布。
图3表示根据低频正弦模式进行调幅的高频光栅。 图4a是不同区域具有不同的偏振和衍射性质的图形组成。
图4b、 4c和4d是图4a所示的图形组成在具有不同偏振性质的光中曝 光的等轴视图。
图4e显示了FBS可被照射来使衍射或"重影"成分可见的一种方法。
图5表示用低频周期性图案线性脉冲调制的高频光栅，用于产生和炫 耀衍射光栅(blazed diffraction grating) —样的衍射效果。
图6表示一个高频光栅，其"开"与"关"的比率周期性变化，以便 产生和炫耀衍射光栅相同的衍射效果，因为当光栅周期远远小于光的波 长时，光栅"开/关"比率有效调制了光栅层的折射率。
图7是根据本发明的一个实施例用于读取FBS特征的读取器设备的示 意图。
图8a表示一高频FBS光栅，其各个凹槽具有正弦曲线的形状，该正弦 曲线具有比凹槽间的间距长的周期。因为凹槽的组合波阵面的法向表面 与凹槽的平均方向(average direction)平行，所形成的低频衍射光栅
的取向实际上垂直于高频光栅。
图8b表示类似于图8a中的高频FBS光栅，不同的是凹槽的组合波阵面 的法向表面与凹槽的平均方向之间有一个角度，结果低频成分衍射光栅 的取向与高频光栅之间存在一个角度。
图9a表示一块位于诸如玻璃之类的基板之上的分层材料，按照和层 成一角度将块切割。层的厚度明显小于光的半波长，交替的层由在诸如 强碱溶液之类的选定溶剂中具有明显不同的溶解度的材料组成。
图9b表示图9a中的块的一部分，显示了层的已曝光端的有效周期取 决于切割块时所沿的角度。
图10表示在选定的溶剂中进行了差异蚀刻后图9b中的块的部分。被
蚀刻的表面是一个光栅，其周期取决于层的间距和切割层所沿的角度。
具体实施例方式
正如在这里所使用的那样，术语"形态双折射"用于表示，由于表 面的轮廓形状处于子波长尺度上，通过对具有不同偏振的光进行不同的200710149158.5
说明书第4/10页
延迟来改变光的偏振的性质，和通过对具有不同偏振的光进行不同的吸 收或者反射来改变光的偏振的性质。
根据本发明的一个实施例，具有受控重影的形态双折射结构("FBS") 被制作成标签、文件或产品上的标记。FBS的偏振性质和由于FBS中的重 影所致的衍射性质按照图形设计或者其他可识别的图案的形式来布置。 因为伪造者会发现难于复制这样的FBS或者对其实行逆向工程，通过在普 通白光中透过一个偏振滤光器来察看FBS和在一个点光源照射下观察由 FBS衍射的光(由于重影)，可以确定标记的真实性。
图1显示了用以将PMMA抗蚀剂在电子束中曝光的一种方式，这是集成 电路制造工业中公知的工艺。图l中的y轴表示曝光的强度，x轴表示沿抗 蚀剂的截面的曝光位置。 一般而言，在抗蚀剂上的每个点处的电子束的 电流强度、能量和持续时间确定了在随后的显影期间抗蚀剂被蚀刻的深 度。在图1中，曝光100的强度以一个长周期110进行周期性改变，以便产 生一个低频光栅。相反，如图2中所示那样，当P應A抗蚀剂层在随位置采 用短周期205快速改变的电子束中曝光时，将产生高频光栅。
在本发明的一个优选的实施例中，通过调制用于刻划高频成分的电 子束中的电子束电流，可以实现组合的高频和低频曝光，来在基板315上 产生调幅的高频光栅，如图3中所示那样。这样高频成分在300处强度最 大，在305处强度最小。高频成分的周期320是高频曝光之间的距离，低 频成分的周期310是高频成分的强度的低频变化的峰之间的距离310。低 频成分产生"重影"，并充当具有和低频成分相同的光栅频率的衍射光 栅。因此，在本发明的一个优选的实施例中，通过采用受控的周期和取 向来改变电子束电流，有意引入了重影。优选使用窄电子束，例如直径 近似为O. l微米或者更小的电子束。
作为对调制用于刻划高频成分的电子束电流的另选方案，通过首先 曝光没有调制的高频图案，然后接着重叠低频曝光，可以获得组合的高 频曝光和低频曝光。也可以采用其他技术。
另选地，两个高频光栅可以被重叠，将一个按照和另一个成一角度 旋转。两个高频光栅间的莫尔(Moire)干涉产生了一个低频光栅，其周
期和取向取决于两个光栅中每个的取向和周期。如果由此产生的低频光 栅具有比可见光的半波长长的周期，其将充当衍射光栅，而高频光栅成 分则充当偏振光栅。可以通过光致抗蚀剂在采用高频光栅图案的光中的 顺序曝光、通过电子束曝光，或者通过循序将两个高频光栅图案压印到 一表面上来形成两个重叠的高频光栅。
FBS的另一个可选的实施例可以包括几个区域410、 405、 400，其中 至少一个区域包括一个高频光栅，并且至少另一个区域包括一个低频光 栅。在这种情形中，高频包含区域的性质可以通过在偏振光中观看来检 测，而低频包含区域的性质可以通过观看从该区域发出的衍射光来检测。
通过将一层PMMA抗蚀剂在组合了高频和低频成分的电子束图案中曝 光，并且按照分别为每个或者每组点确定的方向来在表面上的每一点处 定向高频成分，可以制作出具有例如图4a中所示的图形设计的形式的 FBS。例如，如图4a中所示那样，灰度等级图像可以被表示为FBS像素的 阵列，其中光栅取向的角度从区域400中的水平到区域405中的垂直，变 化了90度。结果，当通过一个垂直的偏振滤光器来观看该FBS图像时，像 素显示为从黑到白变化的灰度等级像素，如图4e中所示那样。图4a中所 示的FBS图像可广泛用于任何文件和事物，包括卡片、支票、货币、信用 卡、礼品卡、访问控制卡、商品使用说明书、贴花纸、不干胶标签、标 签、鉴定证书、信封、包裹、药物容器、药物胶囊、执照、牌照、车辆 使用证、赠券、腕带、官方文件、职称证书、光学记录介质、CD-ROM、 DVD、注模成型产品、压模成型产品、压纹产品、压延产品、护照、保密 封条、篡改显示印章(tamper-evident seal)、硬币、代币、票券、过 境单、封装膜和封装元件。
如果低频"重影"成分基本上等同于全息图中的光栅图案，那么在 合适的光(例如从白色点光源或者单色光源发出的光)中观看时，FBS将 显示一幅全息图像。事实上，这样的全息图像"重影"图案可以通过首 先将抗蚀剂在具有高频光栅成分的电子束中曝光以提供偏振成分，接着 将抗蚀剂进行全息曝光，最后再显影来生成。所得的全息衍射图案实际 上就是高频光栅的低频幅度调制。
当FBS在抗蚀剂中形成后，优选地用诸如镍等合适的材料来电镀抗蚀
剂的表面。如果使用镍，电镀的厚度大约为50微米。接着剥离抗蚀剂上
的镍来提供一个"镍垫片"。将镍垫片缠绕在一个被加热的滚筒上，用 来压制出热塑性膜。接着在一个真空金属化器中将热塑性膜铝化，并将
金属化膜转化成标签。图4b、 4c和4d分别表示在非偏振的光中(图4b)、 在沿一个方向的偏振光中(图4c)和在沿垂直方向的偏振光中(图4d) 观看到的完成后的标签。图4e表示在非偏振光中观看相同的标签，其中 从区域464、 466和468中衍射出的光线的颜色取决于光源460的位置和观 察者的视点。
在另选的实施例中，可以采用除去电子束之外的其他方法来形成原 始的FBS，例如XUV微光刻、近场(near-field)光学微光刻、自组装蛋 白质结构或者高折射率介质中的光学干涉。
在另选的实施例中，"重影"可以在FBS形成之后的步骤中添加，而 非在形成没有重影的FBS的同一步骤中添加。例如，可以通过首先将抗蚀 剂层在采用高频图案的电子束、XUV或者光中曝光，然后接着将同样的层 在采用低频图案的光或其他辐射中曝光，来创建重影。在下一步骤中添 加重影的一个好处是，可以独立于高频光栅结构的方向和取向，更加容 易地独立控制重影。
另选地，可以采用如在美国专利No. 4，758，296和4,906,315中所述 的UV压纹工艺或者连续铸造工艺来复制FBS。 UV压纹工艺的优点是不会由 于树脂的热胀冷縮降低逼真度。
图5和6显示了将"重影"引入高频光栅中的另选的方法。在图5中， 在基板510上形成的特征的宽度和间距在特征500和特征505之间变化。在 图6中，在基板610上形成的特征的宽度在特征600和特征605之间变化， 但是特征的中心到中心的间距保持恒定。在图6的重影中，如果光栅是透 射光栅，由于特征宽度的变化，包含特征600和605的压纹层的有效折射 率从600到605发生渐变。如果变化的周期大于光的波长，这个有效折射 率的变化将产生等同于"炫耀"衍射光栅的效果。
在本发明进一步的实施例中，设计了图7中所示的读取器，用于自动
识别FBS (例如前面提到的实施例中的一个)。例如，读取器可以使用透 镜系统735来对具有不同偏振化区域725、 730的FBS 720成像。照射光束 740由光束分离器700偏转到FBS 720上。从FBS 720反射出的成像光束745 通过光束分离器700和透镜系统735之后到达图像检测器705。
照射光束740是偏振光，这可以通过在从光源715发出的照射FBS 720 的非偏振光的光路中放置一个偏振滤光器710来生成。接着可以旋转偏振 滤光器710来揭示FBS的偏振性质。另选地，可以采用偏振照明光源715来 代替非偏振光源715和偏振滤光器710，并且可以旋转照明光源715的偏振 以便揭示FBS的偏振性质。读取器可以包括信号处理电子设备750和对比 子系统754，用来处理并解释当偏振滤光器710或者偏振照明光源715旋转 时FBS的外观的变化。然后，所解释的FBS的外观上的变化可由诸如计算 机之类的对比系统754来与保存在存储器中的参考模板对比，以便确认 FBS 720是真实的。读取器也可以包括一个装置，用于将FBS由于重影发 出的衍射光线成像，并且将该衍射光线图像与另一个参考模板对比。如 果所解释的变化与参考模板相匹配，可以判断FBS是真实的。
一种采用图7中的读取器来观察FBS发出的衍射光线的方法是，将光 束分离器700倾斜大约12.5°而非45°，并且在图7中将其向左移动。这将使 由光源715发出的光按大约45'的角入射到FBS上。结果，衍射到垂直方向 的光线将由透镜735成像到图像传感器705上。通过相对于FBS，改变光束 分离器700的倾斜角度或者旋转或倾斜整个读取器装置，可以选择不同成 分的衍射光线。
当然，本发明的各种实施例可以与其他安全设备、特征和标记联合 使用，或者只是作为图形设备或新奇品使用。例如，全息图可以在一个 或多个子区域中包括FBS，或者FBS可以被涂上一层具有高折射率的材料 或具有低折射率的材料，或者可以被金属化并且某些部分的金属被除去， 或者压制到可压纹材料的表面上的多个隔离区。FBS也可以与其他安全特 征一起使用来提供文件或产品上的"分层"或多重安全特征，其中其他 安全特征包括红外线荧光墨水、微标签(microtaggant)、磁性墨水、
DNA标签、色彩可变墨水、凹版印刷、UV荧光墨水、RFID芯片、"杂混邮 戳"(scrambled indicia)、向上转换标签(upconversiontaggant)， 等。
可以采用任何合适的复制装置来制造FBS的复制品，包括热压g、 UV 铸造、压模成型、电子成型、溶剂铸造、注模成型、环氧树脂铸^和喷 涂成型等。不过优选的复制方式是UV铸造。
根据本发明的一个实施例，没有重影但有具有不同取向的区域的FBS 可以充当安全设备使用。具有比可见光的半波长略短的高频周期的FBS可 以充当近UV中的衍射光栅使用，它将具有可以和高频周期更短的FBS相区 别的衍射特性。
通过在一个表面上的不同区域中，提供低频"重影"光栅的不同取 向角和周期，有可能构建类似于点矩阵全息图，显示动态效果、彩色效 果、三维效果和角度复合效果的衍射图像。给定这里所揭示的高频光栅 的受控重影的基本原理，熟练的全息图设计师或光栅设计师可以设计FBS 结构来产生通常在全息图中观察到的那些效果。
诸如图2中所示的高频光栅，或者由几个这样的光栅形成的图形组 合，可以通过采用诸如上面讨论的那些方法在基板上形成，然后可在基 板上涂上光致抗蚀剂，将其在全息干涉图案中曝光，接着显影并蚀刻。 所形成的起伏图案(relief pattern)将产生由高频光栅所致的偏振效 果，和由全息曝光所致的衍射效果；并且通过分别控制高频光栅的形成 和全息千涉图案的形成，这两种效果基本上是独立可控的。例如，可以 使用电子束照射PMMA抗蚀剂来形成高频偏振光栅图像。所形成的偏振光 栅可以通过镍电子成形法来复制，可以在电子成形后的镍复制品上涂上 一层诸如Shipley 1450正抗蚀剂之类的光致抗蚀剂，涂层的厚度正好足 够填充偏振光栅的凹槽来产生一个水平表面。然后采用标准方法将涂有 抗蚀剂的复制品进行全息曝光，接着采用标准方法来显影已曝光的光致 抗蚀剂，以使最小蚀刻深度延伸至光栅脊的顶部，而最大蚀刻深度延伸 到光栅脊的顶部之下，但在凹槽的底部之上。所得的起伏图案就是一个
用低频全息光栅调幅的高频偏振光栅。所得的起伏图案可以用电子成型 法来复制，并用于生产聚合物复制品。
在另一个例子中，可以将镍高频光栅压制到光致抗蚀剂表面来产生
对应的光致抗蚀剂光栅图案；然后可将光致抗蚀剂曝光为全息干涉图案，
来产生全息图调制的光致抗蚀剂偏振光栅。
如果高频光栅是弯曲的，仍将充当偏振器，并产生对FBS有用的效果。 例如，由同心圆组成的光栅将产生典型的沙漏型偏振图像，当通过一个 旋转的偏振滤光器观看时，该图像也将旋转。通过考虑偏振角度，熟练 的图形设计师可以设计出通过旋转被观察或入射的光的偏振而运动的图 像。
如果高频光栅由图8a中所示的具有低频周期805的正弦曲线凹槽或 脊800组成，并且如果正弦曲线按照如图8a和8b中所示那样层叠以形成具 有(标准)周期850的高频光栅，光栅将有对应于光栅的集总低频周期的 周期810和方向815的重影成分。如果正弦曲线按照如图8a中所示那样正 交地层叠，重影周期和正弦曲线的周期精确相同。如果正弦曲线按照如 图8b中所示那样的倾斜方式层叠，重影周期将变长，重影的方向将和在 正交层叠正弦曲线集中出现的重影成一个角度。
图9a、 9b和10显示了制作高频光栅的另选方法。首先在基板900上制 作出一个叠层(920和910)，这两种层由在选定的溶剂中具有不同的溶 解度的材料组成。例如，可以通过交替的真空淀积和溶剂涂覆步骤来制 备铝和聚苯乙烯的交替层。然后可以沿角度915切割该叠层，产生图9b中 所示的楔形块。图9b中的层的边沿形成了一个表面图案，其周期是层的 厚度和切割角度的函数。接着在合适的溶剂中蚀刻该切块，该溶剂将按 不同的速率来蚀刻两种材料。例如，甲乙酮可用来蚀刻聚苯乙烯，而对 铝没有作用。图10中显示了差异蚀刻的结果，其中，层1010的边沿伸出 在层1020的边沿之外。
一种制作图9a中所示的叠层的方法是用一厚层光致抗蚀剂涂覆一个 基板，并且将该光致抗蚀剂在驻波图案中曝光，该驻波图案是通过深UV 光穿过光致抗蚀剂并从一个表面(例如基板的前表面或后表面)反射回
来穿过光致抗蚀剂来形成的。光致抗蚀剂在驻波图案中的曝光将生成具
有不同的溶解度的布拉格平面叠层(stack of Bragg planes)。
在一些应用中，希望控制高频光栅的深度。例如，在透射偏振光栅 中，结构的双折射能力取决于光栅的深度。在反射偏振光栅中，在某些 情况下，光栅深度和随被影响的光的波长而变化的偏振的角度或类型之 间存在一个关系。可以通过控制电子束曝光的能量、电流强度或持续时 间来控制高频光栅的深度。另选地，可以通过采用一层具有受控厚度的 电子抗蚀剂来控制光栅深度。在图10的光栅中，通过控制诸如溶剂浓度、 温度或蚀刻时间之类的蚀刻条件可以控制光栅的深度。典型情况下，光 栅的优选深度近似为光栅最易影响的光的波长的一半，但在某些应用中， 最佳的深度可以不是半个波长，比如可以是四分之一波长。
本发明中所用的高频光栅可以釆用除去电子抗蚀剂的电子束曝光之 外的方法来制造。例如，如图9a、 9b和10中所示的那样，可以构建一块 诸如二氧化硅和PMMA交替的分层材料，将其按照和层成一角度的方向切 片。然后可以蚀刻切片暴露的面，从而不同的材料蚀刻程度不同，形成 了光栅，其周期由层的厚度和切片相对于层的角度确定。通过这种方法, 有可能构建如图9a和9b中所示的光栅，其周期短至几个纳米。通过制作 一个如上所述的镍电铸模，然后分步重复，加热镍电铸模并将其压制到 聚合物表面上，可以复制出最终的高频光栅。电铸模的取向可以随位置 而改变，.以控制最终的小光栅的镶嵌图案。采用这种方法，也可能制作 周期小到可以偏振和衍射x射线的光栅。
根据前面所述内容，可以明白，尽管为了演示起见，这里描述了本 发明的具体实施例，不过在不偏离本发明的精神和范围的条件下，可以 进行各种修改。因此，本发明并不限于附加的权利要求所限制的内容。
权利要求
1.一种防伪系统，其包括形成在表面起伏光栅上的图形组成，该表面起伏光栅的图案中既有偏振成分，又有衍射成分；以及读取器，包括照明子系统，可以操作来将照射光打在图形组成上；图像检测子系统，可以操作来接收和处理从图形组成反射的照射光；图像解释子系统，可以操作来接收由成像子系统检测和处理的反射光的信号指示，该图像解释子系统确定了表面起伏光栅的偏振和衍射成分的图案的特征；以及对比子系统，其被耦合到图像解释设备上，该对比子系统将表面起伏光栅的偏振和衍射成分的图案的特征与一组参考特征相对比，并且据此确定图形组成的真实性。
2. 根据权利要求l所述的防伪系统，其中偏振和衍射成分图案中至 少一个在至少一个预定区域内是基本随机的。
3. —种用于读取在图案中同时具有偏振和衍射成分的表面起伏光栅 中形成的图形组成的读取器，该读取器包括照明子系统，可以操作来将照射光打在图形组成上； 图像检测子系统，可以操作来接收和处理从图形组成反射的照射光； 图像解释子系统，可以操作来接收由成像子系统检测和处理的反射光的信号指示，该图像解释子系统确定了表面起伏光栅的偏振和衍射成分的图案的特征。
4. 根据权利要求3所述的读取器，进一步包括一耦合到图像解释设 备上的对比子系统，该对比子系统将表面起伏光栅图案的偏振和衍射成 分的图案的特征与一组参考特征相对比。
全文摘要
一种包括同时具有衍射和偏振性质的表面起伏结构的防伪设备。反射光的偏振由精制的光栅结构的取向和构成来控制，该光栅结构的最短周期比可见光的波长短很多；衍射由具有第二取向的光栅结构的较长周期成分来控制。通过用偏振光照射该设备并观看反射光，或者用非偏振光照射该设备并通过滤光器来观看反射光，可以发现该设备的偏振性质的存在和排列。因为这种设备难于复制或者精确地进行逆向工程，设备的真实性可以由设备中偏振性质和衍射性质的存在和排列来判断。
文档编号B42D15/10GK101114033SQ200710149158
公开日2008年1月30日 申请日期2003年9月3日 优先权日2003年5月6日
发明者史蒂夫·马格鲁 申请人:史蒂夫·马格鲁
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