用于rgb和cmyk彩色显示的纳米结构阵列衍射光学元件的制作方法
用于rgb和cmyk彩色显示的纳米结构阵列衍射光学元件的制作方法
【专利说明】
[0001 ] 在先申请
[0002]本申请涉及申请日为2013年5月10日的、美国临时专利申请61/822,166并请求其 优先权，其内容在此整体引作参考。
技术领域
[0003] 本发明整体涉及光学显示，具体来说，本发明涉及使用纳米结构阵列的全色光学 安全显示以及其制造和使用方法。
【背景技术】
[0004] 衍射光栅
[0005] 根据现有技术的一方面，由周期性结构构成的衍射光栅是已知的，所述周期性结 构导致入射光衍射。在这些情形，衍射可能以穿透模式（例如棱镜）或反射模式（例如CD和 DVD)进行，所述衍射可能是因为包括所述周期性结构的基体的透射或反射特性。在这一情 形，所述周期性结构的周节或间隔，通常被称作光栅周期，对漫射角具有逆效应。
[0006] 在现有技术的这一方面中，具有可见光谱(λ)周期率和孔直径小于λ/2的纳米孔阵 列也可以衍射以产生结构色。在一个这样的方面中，纳米特征的物理设置以及点阵类型和 周期率可以限定衍射波长的强度，所述强度可以比利用现有的传统的微尺度光栅所获得的 波长基本上高。对于任何衍射光栅，透射或反射的峰值强度随给定区域的狭缝数(Ν)的函数 而增加，尤其随Ν 2而增加。在一级峰值看到的颜色变得更容易区分，导致更高的色分辨率， 即更鲜艳、更清晰的颜色。例如，带有间隔500nm(纳米)的衍射光栅与间隔lOOOnm(纳米）的 光栅相比呈现四倍的强度，同时产生更清楚区分的彩条。视觉上，纳米级特征显得更亮，在 光线较暗的时候尤其明显，它们特定的颜色随着视角的变化显得更纯色（即颜色较少地呈 "彩虹状"）。衍射光栅将白光分成多个颜色。这些颜色的强度（I)和色分辨率取决于在给定 区域的狭缝的大小和密度，如下式：
[0007]
[0008] 因为它们独特的明亮光学效果，这些纳米级光栅已经用于一些应用中来替代全息 图，例如现有技术的一些安全应用中。
[0009] 彩色显示
[0010] 根据现有技术的另一方面，已知的是，使用一种或多种颜色限定体系来提供宽范 围颜色的彩色光学显示。在一个这一方面，RGB颜色体系或模型使用单独的红、绿、蓝子像素 在电子显示器叠加式限定每一种RGB复合像素的颜色。根据现有技术的又一方面，CMYK颜色 体系或模型使用单独的蓝绿色、品红色、黄色和墨色（或黑色）墨水或子像素在电子显示中 或者在背光或白色基体上印刷显示中删减式限定每一种CMYK像素的颜色或图像子区域。
【发明内容】
[0011]根据本发明的一个实施例，在此公开的一些特征、方面和实例涉及利用纳米结构 阵列的RGB和CMYK全色显示。根据本发明的另一个实施例，一些特征、方面和实例涉及利用 纳米结构阵列制造 RGB和CMYK全色显示的方法。另外的特征、方面和实例在此会详细讨论。 [0012]根据本发明的第一方面，提供一种RGB和/或CMYK全色光学显示装置，其包括多个 纳米结构阵列，这些纳米阵列设置为提供对应图像的多个像素或子区域的宽范围颜色的显 示，其中所述多个纳米结构阵列形成在一个单个的基体层上。
[0013] 根据本发明的另一方面，通过一种光学显示装置，其包括具有一表面的基体和彩 色图像的一第一像素，所述第一像素包括根据叠加式和删减式颜色体系中至少一个的第一 和第二子像素，其中，所述第一子像素包括形成在所述基体之上或之内的一第一光学亚波 长纳米结构阵列，所述第二子像素包括形成在所述基体之上或之内的一第二光学亚波长纳 米结构阵列。
[0014] 在本发明又一辅助方面中，所述光学显示装置可以包括一光学安全装置，所述彩 色图像包括多个光学可见特征并可以操作以验证包括所述光学安全装置的物品。在又一方 面中，所述光学显示装置可以包括一第一纳米结构阵列和一第二纳米结构阵列，所述第一 纳米结构阵列可以操作以衍射一入射光源以限定所述第一子像素的一第一颜色，所述第二 纳米结构阵列可以操作以衍射一入射光源以限定所述第二子像素的一第二颜色。根据本发 明又一方面，所述光学显示装置包括一第一纳米结构阵列和一第二纳米结构阵列，所述第 一纳米结构阵列包括设置为具有纳米结构之间的一第一周期性间隔的一第一周期性点阵 的多个纳米结构，所述第二纳米结构阵列包括设置为具有纳米结构之间的一第二周期性间 隔的一第二周期性点阵的多个纳米结构，其中所述第一周期性间隔不同于所述第二周期性 间隔。
[0015] 根据本发明一辅助方面，提供一种制造 RGB和/或CMYK全色光学显示装置的方法， 所述装置多个纳米结构阵列，所述纳米结构阵列设置为提供对应图像的多个子像素或子区 域的、宽范围颜色的显示。
[0016] 在一特定方面，提供一种制造光学显示装置的方法，包括提供一包括一表面的基 体，在所述基体表面上形成一第一光学亚波长纳米结构阵列以形成彩色图像的一第一像素 的一第一子像素，在所述基体表面上形成一第二光学亚波长纳米结构阵列以形成彩色图像 的一第一像素的一第二子像素，其中，所述第一和第二子像素根据添加式或删减式颜色体 系限定所述彩色图像的所述第一像素的一颜色。
[0017] 在根据本发明的一方面制造光学显示装置的辅助方法中，形成所述第一和第二纳 米结构阵列包括在所述基体表面之内或之上印制、印刷、浮雕、压花、模制、刻蚀或雕刻中的 一种或多种。
[0018] 结合附图和详细描述，本发明的进一步的实施例和优点会显而易见。
【附图说明】
[0019] 现在参考附图描述根据本发明的、使用纳米结构阵列的RGB和/或CMYK全色显示以 及其制造方法，所述显示例如是光学显示装置，附图中：
[0020] 图1示出了根据本发明一个实施例的示例性RGB彩色显示的示意图，其包括多个纳 米结构阵列，所述纳米结构阵列设置为通过衍射反射的或透射的入射白光而产生一 RGB子 像素或图像子区域的红、绿、蓝组成色中的每一个。
[0021] 图2示出了根据本发明一个实施例的示例性纳米结构阵列的示意图，所述纳米结 构阵列提供对入射光的选择性衍射以形成全色RGB和/或CMYK显示的多个颜色。
[0022]图3示出了根据本发明一个实施例的、示例性全色RGB和/或CMYK纳米结构显示的 示意图，其显示包括多个单独像素或图像子区域的全色图像，每一像素包括设置为一个或 多个预定设置的多个纳米结构阵列，以提供每一像素的一理想颜色。
[0023] 图4示出了根据本发明一个实施例的、示例性颜色像素图，其显示由在一预定设置 的多个带状纳米结构阵列颜色条形成的多个RGB和/或CMYK子像素颜色，以显示理想的子像 素颜色。
[0024] 图5示出了根据本发明一个示例性实施例的、示例性正方形和六边形点阵纳米结 构阵列的示意图，用于提供在不同波长、颜色和强度对入射光的选择性衍射。
[0025]图6示出了示例性衍射光栅61和示例性纳米孔阵列62的立体图。
【具体实施方式】
[0026]根据本发明的一个实施例，根据本发明一个方面的全色RGB和/或CMYK彩色显示可 以包括一光学显示装置，其包括一基体，其中所述基体的一表面印制或浮雕(或者其他方式 成型)有多个光学亚波长纳米阵列诸如纳米孔阵列，以利用衍射反射的和/或透射的入射光 来产生高分辨率的图像。在另一实施例中，全色RGB和/或CMYK彩色显示可以应用作为光学 安全装置，所述全色RGB和/或CMYK彩色显示例如是光学显示装置， 其包括一基体，所述基体 印制或浮雕(或者其他方式成型)有多个光学亚波长纳米阵列诸如纳米孔阵列，以产生全色 高分辨率的图像，所述光学安全装置可以用来视觉验证一可能包括所述基体的、单独的物 品（例如文件、货币、部件或其他安全物品）。在一个这样的特定实施例中，一光学安全装置 可以应用或用于视觉验证一物件或物品，例如但不限于钞票、护照、安全文件、票据、安全徽 章和通行证、品牌认证、批发和零售产品的防伪标签或证书以及这些产品的表面。
[0027]根据本发明的一个特定实施例，基于RGB或CMYK的颜色体系或模型可以由根据本 发明的纳米结构显示生成，例如利用纳米结构阵列诸如纳米孔阵列，以形成根据RGB和/或 CMYK颜色体系的单独颜色像素或图像子区域来显示理想颜色的图像。在另一实施例中，所 述纳米孔阵列可以设置和处理为尺寸可以小于一微米的像素或图像子区域，允许产生非常 高分辨率的彩色图像。在本发明的一个这样的实施例中，可以利用亚波长纳米结构阵列(例 如纳米孔阵列）产生的衍射特征和高分辨率图像是独特的，因此使用其他技术来复制如果 不是不可能的话也会非常困难，使得该技术非常适于安全光学元件和/或光学显示应用。在 本公开中，术语像素例如可以包括一颜色图像的任何子区域或多个区域，或者在整个颜色 图像只有一种颜色或视觉效果的情形包括整个颜色图像。
[0028] 现在参考图1，示出了根据本发明一个实施例的示例性RGB彩色显示的示意图，所 述RGB彩色显示例如是光学显示装置，其包括多个纳米结构阵列，所述纳米结构阵列设置为 通过衍射反射的或透射的入射白光而产生一 RGB子像素或图像子区域的红、绿、蓝组成色中 的每一个。在图1所示的示例性显示像素1中，可以通过一第一纳米结构阵列诸如纳米孔阵 列2来显示红色的子像素，所述纳米结构阵列具有一第一阵列设置(包括构成所述阵列的纳 米结构之间的周期率或间隔、阵列点阵的形状和纳米结构的尺寸，所述阵列点阵例如是所 示的示例性正方形点阵阵列，所述纳米结构例如是形成所述阵列的纳米孔）。相应地，绿色 的子像素可以通过一第二纳米结构阵列显示，所述第二纳米结构阵列例如是具有一第二阵 列设置的纳米孔阵列3;蓝色的子像素可以通过一第三纳米结构显示，所述第三纳米结构例 如是具有一第三阵列设置的纳米孔阵列4。在一个实施例中，复合RGB显示像素1的红色、绿 色和蓝色子像素之间的间隔可以理想地设置或设定，使得所述红色、绿色和蓝色子像素足 够远离相邻的子像素以理想地减小和/或避免相邻子像素的纳米结构阵列2、3、4的衍射光 之间的有害的光学干涉，也使得所述红色、绿色和蓝色子像素足够接近相邻子像素以理想 地维持颜色混合作用（例如相长干涉和/或不干涉式颜色混合)来生成所述复合RGB像素1的 理想呈现颜色。
[0029] 在一个实施例中，用于形成一示例性RGB和/或CMYK彩色显示的每一颜色或子像素 的所述纳米结构阵列可以包括可以用于提供对入射光的衍射效果的、任何适当的周期性纳 米结构阵列，以显示理想的颜色，例如周期性亚波长纳米孔阵列或其他纳米结构的周期性 阵列，例如但不限于纳米柱、纳米突块、纳米突起、纳米凹痕或者其他纳米结构，它们可以在 任何适当的基体表面上形成周期性纳米结构阵列，例如通过纳米印制、浇注、浮雕 (embossing)、遮蔽沉积、自组成或任何其他适当的纳米结构形成技术。适当的基体可以包 括但不限于金属、聚合物、复合物、纤维素、非金属或其他适当的基体材料的薄膜、表面或薄 层。在一个替代实施例中，用于在一彩色显示中形成复合RGB和/或CMYK像素单元的所述子 像素纳米结构阵列可以设置成相对于相邻子像素基本上非矩形对齐，包括但不限于六边 形、三角形或其他几何形状的对齐。在一个这样的替代实施例中，用于形成相邻配合子像素 的、所述纳米结构阵列的所述基本上非矩形对齐可以理想地将所述RGB和/或CMYK像素的可 见性限制在有限范围的视角，使得在一特定的或理想的可见范围之外的观察者基本上不能 看到所述像素。
[0030] 现在参考图2,示出了根据本发明一个实施例的示例性纳米结构阵列的示意图，所 述纳米结构阵列提供对入射光的选择性衍射以形成全色RGB和/或CMYK显示的多个颜色，例 如在一光学显示装置上。一示例性的第一纳米结构阵列诸如纳米孔阵列22可以衍射一漫射 的入射光源23,以形成反射的和/或透射的光24的衍射，所述衍射可以被一观看者或观察者 21看到。在一个实施例中，所述观看者看到的、由所述纳米孔阵列22衍射的反射的和/或透 射的光24可以根据所述纳米孔阵列22的周期率和纳米孔尺寸确定。类似地，在一多颜色子 像素颜色体系中，例如RGB和/或CMYK颜色体系，一个或多个纳米结构阵列诸如纳米孔阵列 25可以设置为使得漫射的入射光被衍射以形成一个或多个单独颜色，以产生用于代表在一 纳米结构显示中的理想彩色图像的单独像素或图像子区域的单个的、叠加式和/或删减式 颜色，所述纳米结构显示例如是一光学安全显示。
[0031] 现在参考图3,示出了根据本发明一个实施例的、示例性全色RGB和/或CMYK纳米结 构显示的示意图，其显示包括多个单独像素或图像子区域的全色图像，每一像素或子区域 包括设置为一个或多个预定设置的纳米结构阵列以提供每一像素的一理想颜色。在图3所 示的示例性实施例中，整个示例性图像31理想地在一纳米结构显示示出，所述纳米结构显 示例如是一光学显示装置(一位女士面部的示例性图像）。在一个这样的实施例中，理想的 图像可以被处理，例如通过使用计算机辅助设计软件，以赋值所述图像32的每一像素或子 区域为一个或多个具有预定周期率和纳米结构大小的纳米结构阵列，所述纳米结构例如是 纳米孔。在一个实施例中，每一颜色像素可以赋值为使用RGB和/或CMYK颜色体系的一个或 多个纳米结构阵列33。每一纳米结构阵列的周期率可以基于所述纳米结构产生的理想的一 级衍射色选定。在一个使用RGB体系的特定实施例中，纳米结构的周期率约580nm-600nm，尤 其是600nm，赋值给红色；纳米结构的周期率约480nm-580nm，尤其是500nm，赋值给绿色；纳 米结构的周期率约380nm-480nm，尤其是450nm，赋值给蓝色。在另一特定实施例中，可以通 过选择密集排列的纳米结构阵列来产生黑色像素，其理想地吸收可见光谱的大多数(例如 纳米结构周期率小于或等于约350nm的纳米结构阵列）。或者，如果基体要被印制成暗色或 黑色，黑色像素或区域可以留作空白空间。在又一个特定实施例中，可以使用较小的RGB阵 列的组合来生成白色像素或区域，或者如果图像要生成在白色、浅色或镜像基体上，白色像 素或区域可以留作空白空间。纳米结构阵列的尺寸可以调节以匹配要呈现的图像的理想分 辨率，例如使用任何理想尺寸的像素或图像子区域。在一个特定实施例中，像素尺寸可以例 如在1至5μηι之间。
[0032] 现在参考图4,示出了根据本发明一个实施例的、示例性颜色像素图，其显示由在 一预定设置的多个带状纳米结构阵列颜色条形成的多个RGB和/或CMYK子像素颜色，以显示 理想的子像素颜色。在一个实施例中，单独的像素或子像素的颜色可以利用不同周期率(或 其他阵列设置因素）带状的纳米结构阵列产生间隔较小的相邻颜色带来形成，所述相邻颜 色带代表在一理想颜色体系中理想的像素或子像素的颜色，所述理想颜色体系例如是RGB 和/或CMYK颜色体系。在本发明的一个特定实施例中，颜色条可以理想地间隔较小，例如宽 度1-5μπι(微米）间隔2-4μπι的颜色条。在一个特定实施例中，CMYK颜色体系的颜色像素在全 色纳米结构阵列中可以表征为：蓝绿色像素41具有设置在相邻带的、周期率为约5 20nm和 440nm的纳米结构阵列；品红色像素42具有设置在相邻带的、周期率为约600nm和440nm的纳 米结构阵列;黄色像素43具有设置在相邻带的、周期率为约600nm和500nm的纳米结构阵列； 墨色像素47具有周期率为约300nm的纳米结构阵列。类似地，在一个特定实施例中，示例性 CMYK颜色体系的辅助颜色像素在全色纳米结构阵列中可以表征为:CMYK绿色像素46具有设 置在相邻带的、周期率为约500nm、440nm和600nm的纳米结构阵列；CMYK红色像素45具有设 置在相邻带的、周期率为约600nm、500nm和440nm的纳米结构阵列；CMYK蓝色像素48具有设 置在相邻带的、周期率为约500nm、440nm和600nm的纳米结构阵列；白色像素44具有设置在 相邻带的、周期率为约600nm、500nm和440nm的纳米结构阵列。在又一个实施例中，RGB和/或 CMYK像素可以利用多个纳米结构阵列（例如纳米孔阵列）的基本上相邻的带或其他配合设 置来形成，所述多个纳米结构阵列具有适于产生一理想像素颜色或光学效果的其他周期 率。
[0033] 现在参考图5,示出了根据本发明一个示例性实施例的、示例性正方形和六边形点 阵纳米结构阵列的示意图，用于提供在不同波长或颜色对入射光的选择性衍射。在一个实 施例中，根据本发明的一个全色RGB和/或CMYK纳米结构阵列显示，例如一光学显示装置，可 以包括一个或多个示例性的纳米结构阵列设置，例如示例性的正方形点阵纳米孔阵列51、 52、53和54和示例性的六边形点阵纳米孔阵列55。在一个特定实施例中，阵列51可以包括一 通常平均间隔和尺寸的、具有特定理想周期率的正方形点阵纳米孔阵列；阵列52可以包括 一较宽间隔的、具有特定理想周期率的正方形点阵纳米孔阵列；阵列53可以包括一较窄隔 间隔的或密集排列的、具有特定理想周期率的正方形点阵纳米孔阵列，例如可以用于提供 黑色像素；阵列54可以包括一平均间隔的和较小尺寸的纳米孔的、具有特定理想周期率的 正方形点阵纳米孔阵列；阵列55可以包括一通常平均间隔的和尺寸的纳米孔的、具有特定 理想周期率的六边形点阵纳米孔阵列。在一个实施例中，纳米孔阵列的间隔或周期率可以 选择以确定可以被所述纳米孔阵列优选反射和/或透射的光的主波长。在另一个实施例中， 纳米孔阵列的尺寸可以选择以确定可以被所述纳米孔阵列优选反射和/或透射的光的相对 亮度，和/或被所述纳米孔阵列优选反射和/或透射的光的带宽或波长范围。在又一个实施 例中，纳米孔阵列的形状或点阵几何形状(例如矩形或六边形)可以选择以确定可以被所述 纳米孔阵列优选反射和/或透射的理想视角或视觉范围。
[0034]现在参考图6,示出了根据本发明一个实施例的示例性衍射光栅61和示例性纳米 孔阵列62的立体图。在一个这样的实施例中，衍射光栅61可以包括任何适当微米级或纳米 级基本上线性的特征，所述特征可以与带有适当周期性间隔(优选亚波长周期）的相邻的这 种特征对齐，以形成光学衍射光栅。而且，在另一个这样的实施例中，纳米孔阵列62可以包 括基本上矩形的（或者上面和下面描述的其他点阵几何形状或设置)周期性点阵的纳米孔， 所述纳米孔在一基体表面内延伸和/或延伸穿过一基体表面，以提供适于引起在至少一理 想的光波长的光学衍射的纳米孔阵列。
[0035] 在本发明的一个实施例中，全色RGB和/或CMYK纳米结构阵列显示，例如一光学显 示装置，可以包括多个具有点阵设置的纳米结构阵列，所述点阵设置包括以下至少一个:正 方形、六边形、八边形、五边形、同心的或彭罗斯平铺的(penrose-tiled)(非周期性的）点阵 几何形状。在另一个实施例中，所述纳米结构阵列可以设置为一种或多种适当的点阵几何 形状。
[0036] 在本发明的又一个实施例中，全色RGB和/或CMYK纳米结构阵列显示，例如一光学 显示装置，可以包括多个包含纳米孔的纳米结构阵列，其中，所述纳米孔的几何形状选自以 下一个或多个：圆形、基本上圆形、椭圆形、矩形、三角形或正方形孔几何形状。在另一个实 施例中，所述纳米结构阵列的所述纳米孔可以成型为一种或多种其他适当的孔几何形状。 [0037]在本发明的又一个实施例中，提供一种光学安全装置，其包括一单层基体，所述基 体印制或浮雕有多个亚波长纳米结构(例如纳米孔)阵列，以通过反射的或透射的入射光的 衍射来产生RGB和CMYK颜色范围中至少一个的高分辨率颜色图像，其可以用于视觉验证分 别的、包含所述基体的物件或物品。在又一个这样的实施例中，光学安全装置还可以包括至 少两组纳米结构阵列，例如纳米孔阵列，每一组纳米结构阵列具有在所述阵列的纳米结构 (例如孔)之间的至少一预定周期性间隔（周期率）。在又一个这样的实施例中，光学安全装 置还可以包括彩色图像的多个像素或子区域，其中每一像素包括至少两组纳米结构阵列， 例如纳米孔阵列，每一组纳米结构阵列呈现至少两种不同周期率，以产生至少两种相应的 一级衍射色。在又一个这样的实施例中，光学安全装置还可以包括多个纳米结构阵列，例如 纳米孔阵列，所述纳米结构阵列呈现选自下组的至少一种周期性阵列点阵：正方形、六边 形、八边形、同心的和潘罗斯平铺点阵。在又一个这样的实施例中，光学安全装置还可以包 括多个纳米结构阵列，例如纳米孔阵列，所述纳米结构阵列带有选自下组的特定纳米结构 或孔几何形状的至少一种：圆形、椭圆形、矩形、正方形和三角形。
[0038]在根据本发明的又一实施例中，提供一种产生光学显不装置的方法，所述光学显 示装置例如是光学安全装置，其中所述方法包括:在一垫片或主基体表面写入、控制或产生 多个亚波长纳米结构阵列，例如纳米孔阵列，所述亚波长纳米结构阵列包括至少两个纳米 结构阵列，例如纳米孔阵列，所述纳米结构阵列设置在像素或图像子区域并具有不同的阵 列周期率和/或纳米结构(例如纳米孔)尺寸，以提供单独的像素或图像子区域作为高分辨 率彩色显示的一部分。在一个实施例中，所述纳米结构阵列可以使用电子束蚀刻、或其他适 当的纳米级写入技术和/或装置产生。在另一个实施例中，所述方法还包括通过印刷、印制、 浮雕、压花、模制或其他成型方式将至少两个形成图像帧的纳米孔阵列（例如纳米孔阵列） 成型到适当的单层基体上，以形成所述光学显示装置(例如光学安全装置）。
[0039] 在此描述了本发明的示例性实施例（包括在摘要中所描述)并不意在穷举或限制 本发明的精确形式。它们选来解释本发明的原理、使用和实际应用，以帮助本领域技术人员 理解本发明的教导。
[0040] 根据上面公开的内容，本领域技术人员显然可以理解，可以进行多种等同的变动 和变化实施本发明而不背离本发明范围。
[0041] 在本说明书中，参考"一实施例"、"一个实施例"或类似用语是指结合该实施例描 述的特定特征、结构或特点包括在本公开的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中，术 语"在一实施例中"、"在一个实施例中"或类似用语可以是指同一实施例，也可以不是。而 且，本说明书中描述的特征、结构或特点可以以任何适当的方式结合在一个或多个实施例 中。在具体实施例中，提供了多个特定细节以完全理解本公开的实施例。但是，本领域技术 人员可以理解，本公开的实施例可以实施而无须所述特定细节中某一个或多个，或者可以 利用其他方法、部件、材料等实施。在其他情形，公知的结构、材料或操作未描述或示出，以 免使得本公开不分明。
[0042] 因此，本发明的范围涵盖其他实施例并由所附的权利要求的限定，其中，参考一个 元件时意指"一个或多个"而不是"一个且仅有一个"，除非另有说明。上述描述的优选实施 例和额外的实施例中的 元件的结构性和功能性的等同物在此明确地并入并意在包含在权 利要求书的范围内。而且，不要求一个装置或方法解决本公开的每一个问题，因为这在权利 要求书中涵盖。另外，本公开中的元件、部件或方法步骤中没有一个意在是现有的，无论所 述元件、部件或方法步骤是否在权利要求书中明确记载。但是，可以对形式、材料、工件、制 造材料细节进行多种变化和变动而不背离本发明主旨和范围，这些变化和变动也被本发明 所涵盖，本发明的范围由后附的权利要求限定。
【主权项】
1. 一种光学显不装置，其包括： 具有一表面的一基体;和 彩色图像的一第一像素，所述第一像素包括根据叠加式和删减式颜色体系中至少一个 的第一和第二子像素； 其中，所述第一子像素包括形成在所述基体之上或之内的一第一光学亚波长纳米结构 阵列； 其中，所述第二子像素包括形成在所述基体之上或之内的一第二光学亚波长纳米结构 阵列。2. 根据权利要求1的光学显示装置，其特征在于，所述光学显示装置包括一光学安全装 置，所述彩色图像包括多个光学可见特征并可以操作以视觉验证包括所述光学安全装置的 物品。3. 根据权利要求1或2的光学显示装置，其特征在于，所述第一纳米结构阵列可以操作 以衍射一入射光源以限定所述第一子像素的一第一颜色，所述第二纳米结构阵列可以操作 以衍射一入射光源以限定所述第二子像素的一第二颜色。4. 根据权利要求1-3之一的光学显示装置，其特征在于，所述第一纳米结构阵列包括设 置为具有所述纳米结构之间的一第一周期性间隔的一第一周期性点阵的多个纳米结构，所 述第二纳米结构阵列包括设置为具有所述纳米结构之间的一第二周期性间隔的一第二周 期性点阵的多个纳米结构，其中所述第一周期性间隔不同于所述第二周期性间隔。5. 根据权利要求1-4之一的光学显示装置，其特征在于，所述彩色图像的所述第一像素 的所述第一和第二子像素在所述基体上彼此基本上交叠或互织。6. 根据权利要求1-4之一的光学显示装置，其特征在于，所述彩色图像的所述第一像素 的所述第一和第二子像素在所述基体上彼此位置基本上接近。7. 根据权利要求1-6之一的光学显示装置，其特征在于，所述第一和第二纳米结构阵列 中的每一个包括多个纳米结构，所述纳米结构包括在所述基体的所述表面之上或之内形成 的纳米孔、纳米柱、纳米突起、纳米凹痕中的一个或多个。8. 根据权利要求1-7之一的光学显示装置，其特征在于，所述第一和第二纳米结构阵列 中的每一个包括多个浮雕在所述基体的所述表面之上或者印制在所述基体的上述表面之 内的多个光学亚波长纳米结构。9. 根据权利要求1-8之一的光学显示装置，其特征在于，所述基体包括金属、聚合物、复 合物、纤维素基体材料或它们的组合中至少一个的薄膜、表面或薄层。10. 根据权利要求4的光学显示装置，其特征在于，所述第一和第二周期性阵列点阵中 的每一个包括正方形、六边形、八边形或潘罗斯点阵几何形状中的一种或多种。11. 根据权利要求1-10之一的光学显示装置，其特征在于，所述颜色体系包括一叠加式 RGB颜色体系。12. 根据权利要求1-10之一的光学显示装置，其特征在于，所述颜色体系包括一删减式 CMYK颜色体系。13. 根据权利要求11的光学显示装置，其特征在于，所述第一光学亚波长纳米结构阵列 包括周期间隔约580nm至680nm的多个纳米结构，所述第一子像素包括一红色RGB子像素。14. 根据权利要求11的光学显示装置，其特征在于，所述第一光学亚波长纳米结构阵列 包括周期间隔约480nm至580nm的多个纳米结构，所述第一子像素包括一绿色RGB子像素。15. 根据权利要求11的光学显示装置，其特征在于，所述第一光学亚波长纳米结构阵列 包括周期间隔约380nm至480nm的多个纳米结构，所述第一子像素包括一蓝色RGB子像素。16. 根据权利要求12的光学显示装置，其特征在于，所述第一子像素还包括一第二光学 亚波长纳米结构阵列，其中所述第一子像素的所述第一和第二纳米结构阵列设置为相邻的 带状颜色条，所述第一子像素限定一第一 CMYK子像素颜色。17. 根据权利要求16光学显示装置，其特征在于，所述第一子像素包括一蓝绿色CMYK子 像素，其中所述第一子像素的所述第一和第二纳米结构阵列包括周期性间隔约520nm和 440nm、相邻的多个带状纳米结构阵列。18. 根据权利要求16的光学显示装置，其特征在于，所述第一子像素包括一品红色CMYK 子像素，其中所述第一子像素的所述第一和第二纳米结构阵列包括周期性间隔约600nm和 440nm、相邻的多个带状纳米结构阵列。19. 根据权利要求16的光学显示装置，其特征在于，所述第一子像素包括一黄色CMYK子 像素，其中所述第一子像素的所述第一和第二纳米结构阵列包括周期性间隔约600nm和 500nm、相邻的多个带状纳米结构阵列。20. 根据权利要求16的光学显示装置，其特征在于，所述第一子像素包括一黑色CMYK子 像素，其中所述第一子像素的所述第一和第二纳米结构阵列包括周期性间隔小于或等于约 350nm、相邻的多个带状纳米结构阵列。21. 根据权利要求1-6和8-20之一的光学显示装置，其特征在于，所述第一和第二纳米 结构阵列中的每一个包括形成在所述基体内的多个纳米孔，所述纳米孔包括圆形、基本上 圆形、椭圆形、矩形、三角形或正方形几何形状中的一个或多个。22. -种制造光学显示装置的方法，其包括： 提供一包括一表面的基体； 在所述基体表面上形成一第一光学亚波长纳米结构阵列，以形成彩色图像的一第一像 素的一第一子像素； 在所述基体表面上形成一第二光学亚波长纳米结构阵列，以形成彩色图像的一第一像 素的一第二子像素； 其中，所述第一和第二子像素根据添加式或删减式颜色体系限定所述彩色图像的所述 第一像素的一颜色。23. 根据权利要求22的制造光学显示装置的方法，其特征在于，形成所述第一和第二纳 米结构阵列包括在所述基体表面之内或之上印制、印刷、浮雕、压花、模制、刻蚀或雕刻中的 一种或多种。24. 根据权利要求22或23的制造光学显示装置的方法，其特征在于，形成所述第一和第 二纳米结构阵列包括通过电子束蚀刻写入所述纳米结构阵列。25. 根据权利要求22-24之一的制造光学显示装置的方法，其特征在于，还包括接合所 述基体到一安全物品作为光学安全验证装置。
【专利摘要】提供一种RGB和/或CMYK全色光学显示装置，其包括多个纳米结构阵列，所述纳米结构阵列设置为提供对应一图像的多个像素或子区域的宽范围的颜色的显示，其中所述多个纳米结构阵列可以形成在单个基体层上。一种光学显示装置，其包括一具有一表面的基体和彩色图像的一第一像素，所述第一像素包括根据叠加式和删减式颜色体系中至少一个的第一和第二子像素；其中，所述第一子像素包括形成在所述基体之上或之内的一第一光学亚波长纳米结构阵列；其中，所述第二子像素包括形成在所述基体之上或之内的一第二光学亚波长纳米结构阵列。还提供一种制造RGB和/或CMYK全色光学显示的方法，所述光学显示包括多个设置为根据一颜色体系的子像素的多个纳米结构阵列。
【IPC分类】G07D7/12, B42D25/328, B42D25/30
【公开号】CN105555543
【申请号】CN201480036137
【发明人】克林顿·K·兰德洛克, 巴德尔·欧姆瑞, 英达尔·赵
【申请人】Idit技术集团
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2014年5月12日
【公告号】CA2911760A1, EP2994317A1, US20160107471, WO2014179892A1
【专利说明】
[0001 ] 在先申请
[0002]本申请涉及申请日为2013年5月10日的、美国临时专利申请61/822,166并请求其 优先权，其内容在此整体引作参考。
技术领域
[0003] 本发明整体涉及光学显示，具体来说，本发明涉及使用纳米结构阵列的全色光学 安全显示以及其制造和使用方法。
【背景技术】
[0004] 衍射光栅
[0005] 根据现有技术的一方面，由周期性结构构成的衍射光栅是已知的，所述周期性结 构导致入射光衍射。在这些情形，衍射可能以穿透模式（例如棱镜）或反射模式（例如CD和 DVD)进行，所述衍射可能是因为包括所述周期性结构的基体的透射或反射特性。在这一情 形，所述周期性结构的周节或间隔，通常被称作光栅周期，对漫射角具有逆效应。
[0006] 在现有技术的这一方面中，具有可见光谱(λ)周期率和孔直径小于λ/2的纳米孔阵 列也可以衍射以产生结构色。在一个这样的方面中，纳米特征的物理设置以及点阵类型和 周期率可以限定衍射波长的强度，所述强度可以比利用现有的传统的微尺度光栅所获得的 波长基本上高。对于任何衍射光栅，透射或反射的峰值强度随给定区域的狭缝数(Ν)的函数 而增加，尤其随Ν 2而增加。在一级峰值看到的颜色变得更容易区分，导致更高的色分辨率， 即更鲜艳、更清晰的颜色。例如，带有间隔500nm(纳米)的衍射光栅与间隔lOOOnm(纳米）的 光栅相比呈现四倍的强度，同时产生更清楚区分的彩条。视觉上，纳米级特征显得更亮，在 光线较暗的时候尤其明显，它们特定的颜色随着视角的变化显得更纯色（即颜色较少地呈 "彩虹状"）。衍射光栅将白光分成多个颜色。这些颜色的强度（I)和色分辨率取决于在给定 区域的狭缝的大小和密度，如下式：
[0007]
[0008] 因为它们独特的明亮光学效果，这些纳米级光栅已经用于一些应用中来替代全息 图，例如现有技术的一些安全应用中。
[0009] 彩色显示
[0010] 根据现有技术的另一方面，已知的是，使用一种或多种颜色限定体系来提供宽范 围颜色的彩色光学显示。在一个这一方面，RGB颜色体系或模型使用单独的红、绿、蓝子像素 在电子显示器叠加式限定每一种RGB复合像素的颜色。根据现有技术的又一方面，CMYK颜色 体系或模型使用单独的蓝绿色、品红色、黄色和墨色（或黑色）墨水或子像素在电子显示中 或者在背光或白色基体上印刷显示中删减式限定每一种CMYK像素的颜色或图像子区域。
【发明内容】
[0011]根据本发明的一个实施例，在此公开的一些特征、方面和实例涉及利用纳米结构 阵列的RGB和CMYK全色显示。根据本发明的另一个实施例，一些特征、方面和实例涉及利用 纳米结构阵列制造 RGB和CMYK全色显示的方法。另外的特征、方面和实例在此会详细讨论。 [0012]根据本发明的第一方面，提供一种RGB和/或CMYK全色光学显示装置，其包括多个 纳米结构阵列，这些纳米阵列设置为提供对应图像的多个像素或子区域的宽范围颜色的显 示，其中所述多个纳米结构阵列形成在一个单个的基体层上。
[0013] 根据本发明的另一方面，通过一种光学显示装置，其包括具有一表面的基体和彩 色图像的一第一像素，所述第一像素包括根据叠加式和删减式颜色体系中至少一个的第一 和第二子像素，其中，所述第一子像素包括形成在所述基体之上或之内的一第一光学亚波 长纳米结构阵列，所述第二子像素包括形成在所述基体之上或之内的一第二光学亚波长纳 米结构阵列。
[0014] 在本发明又一辅助方面中，所述光学显示装置可以包括一光学安全装置，所述彩 色图像包括多个光学可见特征并可以操作以验证包括所述光学安全装置的物品。在又一方 面中，所述光学显示装置可以包括一第一纳米结构阵列和一第二纳米结构阵列，所述第一 纳米结构阵列可以操作以衍射一入射光源以限定所述第一子像素的一第一颜色，所述第二 纳米结构阵列可以操作以衍射一入射光源以限定所述第二子像素的一第二颜色。根据本发 明又一方面，所述光学显示装置包括一第一纳米结构阵列和一第二纳米结构阵列，所述第 一纳米结构阵列包括设置为具有纳米结构之间的一第一周期性间隔的一第一周期性点阵 的多个纳米结构，所述第二纳米结构阵列包括设置为具有纳米结构之间的一第二周期性间 隔的一第二周期性点阵的多个纳米结构，其中所述第一周期性间隔不同于所述第二周期性 间隔。
[0015] 根据本发明一辅助方面，提供一种制造 RGB和/或CMYK全色光学显示装置的方法， 所述装置多个纳米结构阵列，所述纳米结构阵列设置为提供对应图像的多个子像素或子区 域的、宽范围颜色的显示。
[0016] 在一特定方面，提供一种制造光学显示装置的方法，包括提供一包括一表面的基 体，在所述基体表面上形成一第一光学亚波长纳米结构阵列以形成彩色图像的一第一像素 的一第一子像素，在所述基体表面上形成一第二光学亚波长纳米结构阵列以形成彩色图像 的一第一像素的一第二子像素，其中，所述第一和第二子像素根据添加式或删减式颜色体 系限定所述彩色图像的所述第一像素的一颜色。
[0017] 在根据本发明的一方面制造光学显示装置的辅助方法中，形成所述第一和第二纳 米结构阵列包括在所述基体表面之内或之上印制、印刷、浮雕、压花、模制、刻蚀或雕刻中的 一种或多种。
[0018] 结合附图和详细描述，本发明的进一步的实施例和优点会显而易见。
【附图说明】
[0019] 现在参考附图描述根据本发明的、使用纳米结构阵列的RGB和/或CMYK全色显示以 及其制造方法，所述显示例如是光学显示装置，附图中：
[0020] 图1示出了根据本发明一个实施例的示例性RGB彩色显示的示意图，其包括多个纳 米结构阵列，所述纳米结构阵列设置为通过衍射反射的或透射的入射白光而产生一 RGB子 像素或图像子区域的红、绿、蓝组成色中的每一个。
[0021] 图2示出了根据本发明一个实施例的示例性纳米结构阵列的示意图，所述纳米结 构阵列提供对入射光的选择性衍射以形成全色RGB和/或CMYK显示的多个颜色。
[0022]图3示出了根据本发明一个实施例的、示例性全色RGB和/或CMYK纳米结构显示的 示意图，其显示包括多个单独像素或图像子区域的全色图像，每一像素包括设置为一个或 多个预定设置的多个纳米结构阵列，以提供每一像素的一理想颜色。
[0023] 图4示出了根据本发明一个实施例的、示例性颜色像素图，其显示由在一预定设置 的多个带状纳米结构阵列颜色条形成的多个RGB和/或CMYK子像素颜色，以显示理想的子像 素颜色。
[0024] 图5示出了根据本发明一个示例性实施例的、示例性正方形和六边形点阵纳米结 构阵列的示意图，用于提供在不同波长、颜色和强度对入射光的选择性衍射。
[0025]图6示出了示例性衍射光栅61和示例性纳米孔阵列62的立体图。
【具体实施方式】
[0026]根据本发明的一个实施例，根据本发明一个方面的全色RGB和/或CMYK彩色显示可 以包括一光学显示装置，其包括一基体，其中所述基体的一表面印制或浮雕(或者其他方式 成型)有多个光学亚波长纳米阵列诸如纳米孔阵列，以利用衍射反射的和/或透射的入射光 来产生高分辨率的图像。在另一实施例中，全色RGB和/或CMYK彩色显示可以应用作为光学 安全装置，所述全色RGB和/或CMYK彩色显示例如是光学显示装置， 其包括一基体，所述基体 印制或浮雕(或者其他方式成型)有多个光学亚波长纳米阵列诸如纳米孔阵列，以产生全色 高分辨率的图像，所述光学安全装置可以用来视觉验证一可能包括所述基体的、单独的物 品（例如文件、货币、部件或其他安全物品）。在一个这样的特定实施例中，一光学安全装置 可以应用或用于视觉验证一物件或物品，例如但不限于钞票、护照、安全文件、票据、安全徽 章和通行证、品牌认证、批发和零售产品的防伪标签或证书以及这些产品的表面。
[0027]根据本发明的一个特定实施例，基于RGB或CMYK的颜色体系或模型可以由根据本 发明的纳米结构显示生成，例如利用纳米结构阵列诸如纳米孔阵列，以形成根据RGB和/或 CMYK颜色体系的单独颜色像素或图像子区域来显示理想颜色的图像。在另一实施例中，所 述纳米孔阵列可以设置和处理为尺寸可以小于一微米的像素或图像子区域，允许产生非常 高分辨率的彩色图像。在本发明的一个这样的实施例中，可以利用亚波长纳米结构阵列(例 如纳米孔阵列）产生的衍射特征和高分辨率图像是独特的，因此使用其他技术来复制如果 不是不可能的话也会非常困难，使得该技术非常适于安全光学元件和/或光学显示应用。在 本公开中，术语像素例如可以包括一颜色图像的任何子区域或多个区域，或者在整个颜色 图像只有一种颜色或视觉效果的情形包括整个颜色图像。
[0028] 现在参考图1，示出了根据本发明一个实施例的示例性RGB彩色显示的示意图，所 述RGB彩色显示例如是光学显示装置，其包括多个纳米结构阵列，所述纳米结构阵列设置为 通过衍射反射的或透射的入射白光而产生一 RGB子像素或图像子区域的红、绿、蓝组成色中 的每一个。在图1所示的示例性显示像素1中，可以通过一第一纳米结构阵列诸如纳米孔阵 列2来显示红色的子像素，所述纳米结构阵列具有一第一阵列设置(包括构成所述阵列的纳 米结构之间的周期率或间隔、阵列点阵的形状和纳米结构的尺寸，所述阵列点阵例如是所 示的示例性正方形点阵阵列，所述纳米结构例如是形成所述阵列的纳米孔）。相应地，绿色 的子像素可以通过一第二纳米结构阵列显示，所述第二纳米结构阵列例如是具有一第二阵 列设置的纳米孔阵列3;蓝色的子像素可以通过一第三纳米结构显示，所述第三纳米结构例 如是具有一第三阵列设置的纳米孔阵列4。在一个实施例中，复合RGB显示像素1的红色、绿 色和蓝色子像素之间的间隔可以理想地设置或设定，使得所述红色、绿色和蓝色子像素足 够远离相邻的子像素以理想地减小和/或避免相邻子像素的纳米结构阵列2、3、4的衍射光 之间的有害的光学干涉，也使得所述红色、绿色和蓝色子像素足够接近相邻子像素以理想 地维持颜色混合作用（例如相长干涉和/或不干涉式颜色混合)来生成所述复合RGB像素1的 理想呈现颜色。
[0029] 在一个实施例中，用于形成一示例性RGB和/或CMYK彩色显示的每一颜色或子像素 的所述纳米结构阵列可以包括可以用于提供对入射光的衍射效果的、任何适当的周期性纳 米结构阵列，以显示理想的颜色，例如周期性亚波长纳米孔阵列或其他纳米结构的周期性 阵列，例如但不限于纳米柱、纳米突块、纳米突起、纳米凹痕或者其他纳米结构，它们可以在 任何适当的基体表面上形成周期性纳米结构阵列，例如通过纳米印制、浇注、浮雕 (embossing)、遮蔽沉积、自组成或任何其他适当的纳米结构形成技术。适当的基体可以包 括但不限于金属、聚合物、复合物、纤维素、非金属或其他适当的基体材料的薄膜、表面或薄 层。在一个替代实施例中，用于在一彩色显示中形成复合RGB和/或CMYK像素单元的所述子 像素纳米结构阵列可以设置成相对于相邻子像素基本上非矩形对齐，包括但不限于六边 形、三角形或其他几何形状的对齐。在一个这样的替代实施例中，用于形成相邻配合子像素 的、所述纳米结构阵列的所述基本上非矩形对齐可以理想地将所述RGB和/或CMYK像素的可 见性限制在有限范围的视角，使得在一特定的或理想的可见范围之外的观察者基本上不能 看到所述像素。
[0030] 现在参考图2,示出了根据本发明一个实施例的示例性纳米结构阵列的示意图，所 述纳米结构阵列提供对入射光的选择性衍射以形成全色RGB和/或CMYK显示的多个颜色，例 如在一光学显示装置上。一示例性的第一纳米结构阵列诸如纳米孔阵列22可以衍射一漫射 的入射光源23,以形成反射的和/或透射的光24的衍射，所述衍射可以被一观看者或观察者 21看到。在一个实施例中，所述观看者看到的、由所述纳米孔阵列22衍射的反射的和/或透 射的光24可以根据所述纳米孔阵列22的周期率和纳米孔尺寸确定。类似地，在一多颜色子 像素颜色体系中，例如RGB和/或CMYK颜色体系，一个或多个纳米结构阵列诸如纳米孔阵列 25可以设置为使得漫射的入射光被衍射以形成一个或多个单独颜色，以产生用于代表在一 纳米结构显示中的理想彩色图像的单独像素或图像子区域的单个的、叠加式和/或删减式 颜色，所述纳米结构显示例如是一光学安全显示。
[0031] 现在参考图3,示出了根据本发明一个实施例的、示例性全色RGB和/或CMYK纳米结 构显示的示意图，其显示包括多个单独像素或图像子区域的全色图像，每一像素或子区域 包括设置为一个或多个预定设置的纳米结构阵列以提供每一像素的一理想颜色。在图3所 示的示例性实施例中，整个示例性图像31理想地在一纳米结构显示示出，所述纳米结构显 示例如是一光学显示装置(一位女士面部的示例性图像）。在一个这样的实施例中，理想的 图像可以被处理，例如通过使用计算机辅助设计软件，以赋值所述图像32的每一像素或子 区域为一个或多个具有预定周期率和纳米结构大小的纳米结构阵列，所述纳米结构例如是 纳米孔。在一个实施例中，每一颜色像素可以赋值为使用RGB和/或CMYK颜色体系的一个或 多个纳米结构阵列33。每一纳米结构阵列的周期率可以基于所述纳米结构产生的理想的一 级衍射色选定。在一个使用RGB体系的特定实施例中，纳米结构的周期率约580nm-600nm，尤 其是600nm，赋值给红色；纳米结构的周期率约480nm-580nm，尤其是500nm，赋值给绿色；纳 米结构的周期率约380nm-480nm，尤其是450nm，赋值给蓝色。在另一特定实施例中，可以通 过选择密集排列的纳米结构阵列来产生黑色像素，其理想地吸收可见光谱的大多数(例如 纳米结构周期率小于或等于约350nm的纳米结构阵列）。或者，如果基体要被印制成暗色或 黑色，黑色像素或区域可以留作空白空间。在又一个特定实施例中，可以使用较小的RGB阵 列的组合来生成白色像素或区域，或者如果图像要生成在白色、浅色或镜像基体上，白色像 素或区域可以留作空白空间。纳米结构阵列的尺寸可以调节以匹配要呈现的图像的理想分 辨率，例如使用任何理想尺寸的像素或图像子区域。在一个特定实施例中，像素尺寸可以例 如在1至5μηι之间。
[0032] 现在参考图4,示出了根据本发明一个实施例的、示例性颜色像素图，其显示由在 一预定设置的多个带状纳米结构阵列颜色条形成的多个RGB和/或CMYK子像素颜色，以显示 理想的子像素颜色。在一个实施例中，单独的像素或子像素的颜色可以利用不同周期率(或 其他阵列设置因素）带状的纳米结构阵列产生间隔较小的相邻颜色带来形成，所述相邻颜 色带代表在一理想颜色体系中理想的像素或子像素的颜色，所述理想颜色体系例如是RGB 和/或CMYK颜色体系。在本发明的一个特定实施例中，颜色条可以理想地间隔较小，例如宽 度1-5μπι(微米）间隔2-4μπι的颜色条。在一个特定实施例中，CMYK颜色体系的颜色像素在全 色纳米结构阵列中可以表征为：蓝绿色像素41具有设置在相邻带的、周期率为约5 20nm和 440nm的纳米结构阵列；品红色像素42具有设置在相邻带的、周期率为约600nm和440nm的纳 米结构阵列;黄色像素43具有设置在相邻带的、周期率为约600nm和500nm的纳米结构阵列； 墨色像素47具有周期率为约300nm的纳米结构阵列。类似地，在一个特定实施例中，示例性 CMYK颜色体系的辅助颜色像素在全色纳米结构阵列中可以表征为:CMYK绿色像素46具有设 置在相邻带的、周期率为约500nm、440nm和600nm的纳米结构阵列；CMYK红色像素45具有设 置在相邻带的、周期率为约600nm、500nm和440nm的纳米结构阵列；CMYK蓝色像素48具有设 置在相邻带的、周期率为约500nm、440nm和600nm的纳米结构阵列；白色像素44具有设置在 相邻带的、周期率为约600nm、500nm和440nm的纳米结构阵列。在又一个实施例中，RGB和/或 CMYK像素可以利用多个纳米结构阵列（例如纳米孔阵列）的基本上相邻的带或其他配合设 置来形成，所述多个纳米结构阵列具有适于产生一理想像素颜色或光学效果的其他周期 率。
[0033] 现在参考图5,示出了根据本发明一个示例性实施例的、示例性正方形和六边形点 阵纳米结构阵列的示意图，用于提供在不同波长或颜色对入射光的选择性衍射。在一个实 施例中，根据本发明的一个全色RGB和/或CMYK纳米结构阵列显示，例如一光学显示装置，可 以包括一个或多个示例性的纳米结构阵列设置，例如示例性的正方形点阵纳米孔阵列51、 52、53和54和示例性的六边形点阵纳米孔阵列55。在一个特定实施例中，阵列51可以包括一 通常平均间隔和尺寸的、具有特定理想周期率的正方形点阵纳米孔阵列；阵列52可以包括 一较宽间隔的、具有特定理想周期率的正方形点阵纳米孔阵列；阵列53可以包括一较窄隔 间隔的或密集排列的、具有特定理想周期率的正方形点阵纳米孔阵列，例如可以用于提供 黑色像素；阵列54可以包括一平均间隔的和较小尺寸的纳米孔的、具有特定理想周期率的 正方形点阵纳米孔阵列；阵列55可以包括一通常平均间隔的和尺寸的纳米孔的、具有特定 理想周期率的六边形点阵纳米孔阵列。在一个实施例中，纳米孔阵列的间隔或周期率可以 选择以确定可以被所述纳米孔阵列优选反射和/或透射的光的主波长。在另一个实施例中， 纳米孔阵列的尺寸可以选择以确定可以被所述纳米孔阵列优选反射和/或透射的光的相对 亮度，和/或被所述纳米孔阵列优选反射和/或透射的光的带宽或波长范围。在又一个实施 例中，纳米孔阵列的形状或点阵几何形状(例如矩形或六边形)可以选择以确定可以被所述 纳米孔阵列优选反射和/或透射的理想视角或视觉范围。
[0034]现在参考图6,示出了根据本发明一个实施例的示例性衍射光栅61和示例性纳米 孔阵列62的立体图。在一个这样的实施例中，衍射光栅61可以包括任何适当微米级或纳米 级基本上线性的特征，所述特征可以与带有适当周期性间隔(优选亚波长周期）的相邻的这 种特征对齐，以形成光学衍射光栅。而且，在另一个这样的实施例中，纳米孔阵列62可以包 括基本上矩形的（或者上面和下面描述的其他点阵几何形状或设置)周期性点阵的纳米孔， 所述纳米孔在一基体表面内延伸和/或延伸穿过一基体表面，以提供适于引起在至少一理 想的光波长的光学衍射的纳米孔阵列。
[0035] 在本发明的一个实施例中，全色RGB和/或CMYK纳米结构阵列显示，例如一光学显 示装置，可以包括多个具有点阵设置的纳米结构阵列，所述点阵设置包括以下至少一个:正 方形、六边形、八边形、五边形、同心的或彭罗斯平铺的(penrose-tiled)(非周期性的）点阵 几何形状。在另一个实施例中，所述纳米结构阵列可以设置为一种或多种适当的点阵几何 形状。
[0036] 在本发明的又一个实施例中，全色RGB和/或CMYK纳米结构阵列显示，例如一光学 显示装置，可以包括多个包含纳米孔的纳米结构阵列，其中，所述纳米孔的几何形状选自以 下一个或多个：圆形、基本上圆形、椭圆形、矩形、三角形或正方形孔几何形状。在另一个实 施例中，所述纳米结构阵列的所述纳米孔可以成型为一种或多种其他适当的孔几何形状。 [0037]在本发明的又一个实施例中，提供一种光学安全装置，其包括一单层基体，所述基 体印制或浮雕有多个亚波长纳米结构(例如纳米孔)阵列，以通过反射的或透射的入射光的 衍射来产生RGB和CMYK颜色范围中至少一个的高分辨率颜色图像，其可以用于视觉验证分 别的、包含所述基体的物件或物品。在又一个这样的实施例中，光学安全装置还可以包括至 少两组纳米结构阵列，例如纳米孔阵列，每一组纳米结构阵列具有在所述阵列的纳米结构 (例如孔)之间的至少一预定周期性间隔（周期率）。在又一个这样的实施例中，光学安全装 置还可以包括彩色图像的多个像素或子区域，其中每一像素包括至少两组纳米结构阵列， 例如纳米孔阵列，每一组纳米结构阵列呈现至少两种不同周期率，以产生至少两种相应的 一级衍射色。在又一个这样的实施例中，光学安全装置还可以包括多个纳米结构阵列，例如 纳米孔阵列，所述纳米结构阵列呈现选自下组的至少一种周期性阵列点阵：正方形、六边 形、八边形、同心的和潘罗斯平铺点阵。在又一个这样的实施例中，光学安全装置还可以包 括多个纳米结构阵列，例如纳米孔阵列，所述纳米结构阵列带有选自下组的特定纳米结构 或孔几何形状的至少一种：圆形、椭圆形、矩形、正方形和三角形。
[0038]在根据本发明的又一实施例中，提供一种产生光学显不装置的方法，所述光学显 示装置例如是光学安全装置，其中所述方法包括:在一垫片或主基体表面写入、控制或产生 多个亚波长纳米结构阵列，例如纳米孔阵列，所述亚波长纳米结构阵列包括至少两个纳米 结构阵列，例如纳米孔阵列，所述纳米结构阵列设置在像素或图像子区域并具有不同的阵 列周期率和/或纳米结构(例如纳米孔)尺寸，以提供单独的像素或图像子区域作为高分辨 率彩色显示的一部分。在一个实施例中，所述纳米结构阵列可以使用电子束蚀刻、或其他适 当的纳米级写入技术和/或装置产生。在另一个实施例中，所述方法还包括通过印刷、印制、 浮雕、压花、模制或其他成型方式将至少两个形成图像帧的纳米孔阵列（例如纳米孔阵列） 成型到适当的单层基体上，以形成所述光学显示装置(例如光学安全装置）。
[0039] 在此描述了本发明的示例性实施例（包括在摘要中所描述)并不意在穷举或限制 本发明的精确形式。它们选来解释本发明的原理、使用和实际应用，以帮助本领域技术人员 理解本发明的教导。
[0040] 根据上面公开的内容，本领域技术人员显然可以理解，可以进行多种等同的变动 和变化实施本发明而不背离本发明范围。
[0041] 在本说明书中，参考"一实施例"、"一个实施例"或类似用语是指结合该实施例描 述的特定特征、结构或特点包括在本公开的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中，术 语"在一实施例中"、"在一个实施例中"或类似用语可以是指同一实施例，也可以不是。而 且，本说明书中描述的特征、结构或特点可以以任何适当的方式结合在一个或多个实施例 中。在具体实施例中，提供了多个特定细节以完全理解本公开的实施例。但是，本领域技术 人员可以理解，本公开的实施例可以实施而无须所述特定细节中某一个或多个，或者可以 利用其他方法、部件、材料等实施。在其他情形，公知的结构、材料或操作未描述或示出，以 免使得本公开不分明。
[0042] 因此，本发明的范围涵盖其他实施例并由所附的权利要求的限定，其中，参考一个 元件时意指"一个或多个"而不是"一个且仅有一个"，除非另有说明。上述描述的优选实施 例和额外的实施例中的 元件的结构性和功能性的等同物在此明确地并入并意在包含在权 利要求书的范围内。而且，不要求一个装置或方法解决本公开的每一个问题，因为这在权利 要求书中涵盖。另外，本公开中的元件、部件或方法步骤中没有一个意在是现有的，无论所 述元件、部件或方法步骤是否在权利要求书中明确记载。但是，可以对形式、材料、工件、制 造材料细节进行多种变化和变动而不背离本发明主旨和范围，这些变化和变动也被本发明 所涵盖，本发明的范围由后附的权利要求限定。
【主权项】
1. 一种光学显不装置，其包括： 具有一表面的一基体;和 彩色图像的一第一像素，所述第一像素包括根据叠加式和删减式颜色体系中至少一个 的第一和第二子像素； 其中，所述第一子像素包括形成在所述基体之上或之内的一第一光学亚波长纳米结构 阵列； 其中，所述第二子像素包括形成在所述基体之上或之内的一第二光学亚波长纳米结构 阵列。2. 根据权利要求1的光学显示装置，其特征在于，所述光学显示装置包括一光学安全装 置，所述彩色图像包括多个光学可见特征并可以操作以视觉验证包括所述光学安全装置的 物品。3. 根据权利要求1或2的光学显示装置，其特征在于，所述第一纳米结构阵列可以操作 以衍射一入射光源以限定所述第一子像素的一第一颜色，所述第二纳米结构阵列可以操作 以衍射一入射光源以限定所述第二子像素的一第二颜色。4. 根据权利要求1-3之一的光学显示装置，其特征在于，所述第一纳米结构阵列包括设 置为具有所述纳米结构之间的一第一周期性间隔的一第一周期性点阵的多个纳米结构，所 述第二纳米结构阵列包括设置为具有所述纳米结构之间的一第二周期性间隔的一第二周 期性点阵的多个纳米结构，其中所述第一周期性间隔不同于所述第二周期性间隔。5. 根据权利要求1-4之一的光学显示装置，其特征在于，所述彩色图像的所述第一像素 的所述第一和第二子像素在所述基体上彼此基本上交叠或互织。6. 根据权利要求1-4之一的光学显示装置，其特征在于，所述彩色图像的所述第一像素 的所述第一和第二子像素在所述基体上彼此位置基本上接近。7. 根据权利要求1-6之一的光学显示装置，其特征在于，所述第一和第二纳米结构阵列 中的每一个包括多个纳米结构，所述纳米结构包括在所述基体的所述表面之上或之内形成 的纳米孔、纳米柱、纳米突起、纳米凹痕中的一个或多个。8. 根据权利要求1-7之一的光学显示装置，其特征在于，所述第一和第二纳米结构阵列 中的每一个包括多个浮雕在所述基体的所述表面之上或者印制在所述基体的上述表面之 内的多个光学亚波长纳米结构。9. 根据权利要求1-8之一的光学显示装置，其特征在于，所述基体包括金属、聚合物、复 合物、纤维素基体材料或它们的组合中至少一个的薄膜、表面或薄层。10. 根据权利要求4的光学显示装置，其特征在于，所述第一和第二周期性阵列点阵中 的每一个包括正方形、六边形、八边形或潘罗斯点阵几何形状中的一种或多种。11. 根据权利要求1-10之一的光学显示装置，其特征在于，所述颜色体系包括一叠加式 RGB颜色体系。12. 根据权利要求1-10之一的光学显示装置，其特征在于，所述颜色体系包括一删减式 CMYK颜色体系。13. 根据权利要求11的光学显示装置，其特征在于，所述第一光学亚波长纳米结构阵列 包括周期间隔约580nm至680nm的多个纳米结构，所述第一子像素包括一红色RGB子像素。14. 根据权利要求11的光学显示装置，其特征在于，所述第一光学亚波长纳米结构阵列 包括周期间隔约480nm至580nm的多个纳米结构，所述第一子像素包括一绿色RGB子像素。15. 根据权利要求11的光学显示装置，其特征在于，所述第一光学亚波长纳米结构阵列 包括周期间隔约380nm至480nm的多个纳米结构，所述第一子像素包括一蓝色RGB子像素。16. 根据权利要求12的光学显示装置，其特征在于，所述第一子像素还包括一第二光学 亚波长纳米结构阵列，其中所述第一子像素的所述第一和第二纳米结构阵列设置为相邻的 带状颜色条，所述第一子像素限定一第一 CMYK子像素颜色。17. 根据权利要求16光学显示装置，其特征在于，所述第一子像素包括一蓝绿色CMYK子 像素，其中所述第一子像素的所述第一和第二纳米结构阵列包括周期性间隔约520nm和 440nm、相邻的多个带状纳米结构阵列。18. 根据权利要求16的光学显示装置，其特征在于，所述第一子像素包括一品红色CMYK 子像素，其中所述第一子像素的所述第一和第二纳米结构阵列包括周期性间隔约600nm和 440nm、相邻的多个带状纳米结构阵列。19. 根据权利要求16的光学显示装置，其特征在于，所述第一子像素包括一黄色CMYK子 像素，其中所述第一子像素的所述第一和第二纳米结构阵列包括周期性间隔约600nm和 500nm、相邻的多个带状纳米结构阵列。20. 根据权利要求16的光学显示装置，其特征在于，所述第一子像素包括一黑色CMYK子 像素，其中所述第一子像素的所述第一和第二纳米结构阵列包括周期性间隔小于或等于约 350nm、相邻的多个带状纳米结构阵列。21. 根据权利要求1-6和8-20之一的光学显示装置，其特征在于，所述第一和第二纳米 结构阵列中的每一个包括形成在所述基体内的多个纳米孔，所述纳米孔包括圆形、基本上 圆形、椭圆形、矩形、三角形或正方形几何形状中的一个或多个。22. -种制造光学显示装置的方法，其包括： 提供一包括一表面的基体； 在所述基体表面上形成一第一光学亚波长纳米结构阵列，以形成彩色图像的一第一像 素的一第一子像素； 在所述基体表面上形成一第二光学亚波长纳米结构阵列，以形成彩色图像的一第一像 素的一第二子像素； 其中，所述第一和第二子像素根据添加式或删减式颜色体系限定所述彩色图像的所述 第一像素的一颜色。23. 根据权利要求22的制造光学显示装置的方法，其特征在于，形成所述第一和第二纳 米结构阵列包括在所述基体表面之内或之上印制、印刷、浮雕、压花、模制、刻蚀或雕刻中的 一种或多种。24. 根据权利要求22或23的制造光学显示装置的方法，其特征在于，形成所述第一和第 二纳米结构阵列包括通过电子束蚀刻写入所述纳米结构阵列。25. 根据权利要求22-24之一的制造光学显示装置的方法，其特征在于，还包括接合所 述基体到一安全物品作为光学安全验证装置。
【专利摘要】提供一种RGB和/或CMYK全色光学显示装置，其包括多个纳米结构阵列，所述纳米结构阵列设置为提供对应一图像的多个像素或子区域的宽范围的颜色的显示，其中所述多个纳米结构阵列可以形成在单个基体层上。一种光学显示装置，其包括一具有一表面的基体和彩色图像的一第一像素，所述第一像素包括根据叠加式和删减式颜色体系中至少一个的第一和第二子像素；其中，所述第一子像素包括形成在所述基体之上或之内的一第一光学亚波长纳米结构阵列；其中，所述第二子像素包括形成在所述基体之上或之内的一第二光学亚波长纳米结构阵列。还提供一种制造RGB和/或CMYK全色光学显示的方法，所述光学显示包括多个设置为根据一颜色体系的子像素的多个纳米结构阵列。
【IPC分类】G07D7/12, B42D25/328, B42D25/30
【公开号】CN105555543
【申请号】CN201480036137
【发明人】克林顿·K·兰德洛克, 巴德尔·欧姆瑞, 英达尔·赵
【申请人】Idit技术集团
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2014年5月12日
【公告号】CA2911760A1, EP2994317A1, US20160107471, WO2014179892A1
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