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干涉与衍射膜防伪技术综述

干涉与衍射膜防伪是通过透过薄膜的折射光与衍射光、薄膜表面的反射光或两种光混合作用所产生的效应来实现防伪的一种薄膜防伪技术。其防伪效果是由白光入射到多层薄膜内随薄膜表面旋转产生变化的干涉色光以及设计在薄膜内的几何图案的衍射效应共同产生的。干涉与衍射膜目前主要作为颜料用于防伪油墨中。 一、干涉型光变油墨 干涉型光变油墨是现代防伪油墨中最复杂的一种，也是现今流行的高科技防伪产品。这种油墨首先由美国、加拿大、瑞士等国研制和应用，是一种新型防伪油墨，其价格昂贵，销售控制比较严格。下面谨就该油墨的制造原理及应用做一介绍。 1.光变油墨的组成 光变油墨是一种反射型油墨，具有珠光和金属效应，彩色复印机和扫描仪都不可能复制出这种效果。用光变油墨印制的产品，油墨色块可呈现对应的颜色，如品红－蓝、绿－蓝、青－绿等，如果将油墨印迹倾斜45°左右，则可以使图案由一个色相变为另一而且具有摆角限制功能个色相。由于只有印刷品上的墨膜较厚时，才可能出现明显的色漂移现象，所以其印刷特征是任何其啃咬玩具他油墨和印刷方式所无法效仿的。 干涉变色油墨的颜料由光学干涉薄膜构成，光学薄膜是按膜系结构的要求，在高真空的条件下把不同折射率的材料依次交替积淀在同一载体上形成，并以分子或原子的形式蒸发到载体上。为保证膜层的均匀性和致密性，必须严格控制蒸发速度的一致性；为了控制膜系的颜色指标，必须将膜层厚度的误差控制在埃(1埃＝nm)的范围内，使其具有可见光学薄膜的精密性和特殊性。膜系设计在满足光谱要求的前提下，膜层数应尽可能少，以降低生产成本。目前较理想的光干涉颜料膜由5层对称式结构组成，膜厚1μm左这样测试出来的结果肯定不准确了右，中间是不透明的反射层，两边是对称的透明无色介质层和半透明金属层，膜片两面都具有同样的干涉色。改变透明介质层的厚度，能改变膜系的颜色以获得各种颜色的光干涉颜料。由于干涉膜是在高真空下采用无色或透明无机材料制成的，美式插头所以生成的光干涉颜料性能稳定、结构致密、不褪色、耐侯性极强、抗剪切性好，并可按油墨对粒径的要求任意改变其大小。 1975年，加拿大率先成功地研制出了光干涉多层复合膜，这种复合膜能够对日光有选择地吸收和反射。目前国际上还有以天然云母片和金属铝片为基础，用化学包覆法制取干涉颜料和利用液晶片制取干涉颜料的，但这些颜料主要用在涂料行业，颜色种类现场总线和物理特性都无法与光干涉颜料相比，难以满足印刷油墨对片状颜料的苛刻要求。 2.干涉型变色油墨的变色原理 光变油墨是一种原理简单而制造困难的技术产品。对于光变油墨而言，其色彩来自两个方面，第一，当白光照射在油墨膜层表面时，油墨表面和内部选择性地吸收其中某些波长的可见光波使反射光呈现颜色；第二，光线照射到油墨表面后其中一部分被表面反射回去(如图1中光线1)，另一部分光透过油墨层，经墨膜第二界面反射再透过油墨第一表面返回入射空间(如图1中光线2)，这两束反射光和透射光都来自同一光波，它们满足干涉条件，能产生干涉而呈色，干涉型油墨的呈色就是根据第二点原理设计出来的。 随着观察角度的改变，油墨会产生颜色变化，如图1所示，来自光源的一束光入射到透明薄膜或薄片表面，部分光反射，部分光线经折射进入薄膜；进入薄膜的光在其下表面又产生反射和折射。设薄膜折射率为n1，厚度为h，薄膜上下层折射率分别为n0、n2，由图1可计算出光束1和光束2的光程差（如式①）。 由于光波在不同介质表面反射产生的半波损失可以通过公式②计算。 由光的干涉原理知道，当光束1和光束2的光程差△为光波波长λ的整数倍,即2λ＝△时，光波在油墨表面产生相长干涉。此外，由于固着在印刷品上的墨膜厚度h及折射率、空气与连结料或承印材料的折射率及半波损失是不变的，所以随着观察角度的改变，光束1与2间的光程差△也发生改变。为了满2λ＝△,产生相长干涉的光束波长也发生相应改变，从而产生颜色改变。这就是光变油墨的变色原理。 干涉光变色油墨的颜料由干涉薄膜构成。对于单层薄膜而言，由于光的透射，分配到反射光束的能量损失很多，这样会使干涉显色很弱而无法达到效果。此外，从图1可以看出，实际上经过薄膜透射的光束还要经过薄膜与承印材料间所形成的连结料膜的折射和界面的反射，这个过程同样会产生干涉显色反应。然而，印刷于承印材料上的油墨墨膜各处不可能完全一致，这必然会影响墨层的显色效果。从干涉原理可知，只有同一厚度的墨膜才会产生某一波长(颜色)的相长干涉而显色；如果大面积印刷中不同位置墨膜厚度不同，产生的相长干涉的光波波长(颜色)也不同。这样观察到的油墨色彩就是来自这些不同部位的不同波长的干涉光束的叠加，且它们是来自不同光源的不相干光束，所以导致干涉显色效果严重下降。为了增强油墨中颜料薄膜的干涉显色性，降低连结料及其他材料的干扰显色，我们可以设计多层增反膜油墨颜料来解决此问题。 由前面讨论我们知道，对于自然光(复色光)我们可以采用干涉方法，使复色光通过某一薄膜层后，复色光中某一波长的光线反射增强。由增反膜原理可知，要想得到此结果，光学膜的折射率n1、空气的折射率n0和连结料的折射率n2必须满足公式③的条件。 颜料(光学)膜的光学厚度必须满足公式④的条件。 式中h指介质厚度，即单层薄膜的光学厚度为入射光λ/4的奇数倍。膜层材料的折射率n1应在n0和n2之间，如公式③。然而实际上这两个条件很难满足，因为很难得到这样的材料。 采用多层高折射介质膜可以解决上述问题。由式③可知，要提高膜层材料的折射率n1，需要提高基层材料的折射率n2。多层镀膜就是在基底上先镀一层高折射膜，称为H膜，然后再镀一层低折射率的膜，称为L膜，最后镀一层高反射膜，称为H膜，如此间隔地镀膜就得到多层复合膜。 同样，每层膜的光学厚度都是入射光波λ/4的奇数倍，且nH和NL应相差较大，如nH(H)膜用InS(硫化铟，n=2.4)，nL(L)膜可用MgF2(氟化镁，n=1.38)。同理，将L膜与H膜排列顺序反向排列，就可以产生与增透膜效果相异、相同批量的多层增反膜，这两种复合膜都可以随着视角的变化产生奇妙的效果。如果事先在底基上覆盖一层高分子物质，这种材料至少可以溶于一种溶剂中，例如丙烯酸树脂可溶于丙酮。在这种材料上，通过真空镀膜，在严格控制下可得到符合要求的多层复合膜。将镀了膜的多层复合膜放入预先选择好的溶剂中，多层复合膜可分别剥离，形成细小的碎片。这种碎片的上下表面积与其侧面积的比例至少为3∶1，然后将此碎片经真空干燥，即制成光变颜料。这种多层薄膜碎各个软件和硬件系统的复杂性和相互依赖性使保护的必要性和及时提供故障检验变的更加重要片能够有选择地吸收一部分光波，反射出剩下的光波而呈现颜色。将这些多层薄膜碎片加入专门设计的连结料中，再加上透明染料及其他填充料，就可以制造出光变油墨。 二、光变油墨的应用 由于光变油墨的印制品所具有的动态变色效果难于复制，加之其设计和生产技术极具专业性，制作工艺复杂，投资大，因此世界上已有70多个国家将其用于货币防伪。我国1999年版100元人民币即使用了光变油墨防伪技术，3年多以来，该防伪标记在假币上至今未被仿制，成为辨认真假人民币的重要防伪标记。此外还可广泛用于各类有价证券、著名商标、证件、票据及产品包装等印刷品的防伪。 1.印刷特点 光变油墨采用的连结料和溶剂都具有特殊性，为了达到光变效果，必须使印在承印物上的油墨中的每个干涉薄片平行排列，并浮在连结料表面，如图2所示。 由干涉型变色油墨的呈色原理决定，油墨的颜料颗粒一般较大，而且变色薄片必须平行浮于墨膜的上表面，这就要求墨层相对较厚，因此所采用的印刷方式以丝印刷和凹版印刷为宜，并且丝的目数不能太高，在印刷过程中要经常清洗版；采用凹版印刷时，同样要注意防止颜料堵版。 2.干涉薄膜防伪设计与制作工艺 （1）防伪蒸镀设计 我们知道，当一束单色平行光垂直照射一个小孔时，在离小孔较远处将看到一个边界线模糊的略大的光斑，光斑内有一圈圈光环，我们称之为衍射环。根据光的衍射现象，我们可以通过单层和多重掩膜蒸镀进行几何图案和色彩的设计。为了按照设计要求，使薄膜旋转而产生变色、变形的图案，我们可以在涂膜时设计各层膜的厚度、几何图案及其特定的变色规律。 如果在薄膜蒸镀时，通过掩膜片控制局部镀膜厚度，即可以得到彩色图案,如图3所示。图中A罩(掩膜片)只允许在圆孔处蒸镀薄膜，那么可以采用多层膜镀膜方式，通过控制整体镀膜厚度和交替蒸镀高、低折射率膜，将得到具有圆形图案的干涉膜。如果在镀膜过程中我们采用带有两种图案的掩膜片进行交替镀膜，我们还将得到具有衍射效应的有色几何图案衍射干涉膜。此外，还可以把所需文字或图案分割成多片掩膜图案进行镀膜，形成彩色文字或图案的干涉膜，如图4所示。 （2）制作原理与工艺 防伪膜制作的工艺方法可以分为蒸镀和激光蚀刻两大类，根据防伪膜制作工艺的不同，完成上述防伪膜制作的工艺过程也有所不同。 ①蒸镀工艺 此工艺可以分为下列几个阶段： a.防伪膜彩色几何图案设计。其中包括与颜色相关的镀膜厚度设计；废旧泡沫造粒机废品打造量5474万吨图案位置设计；图案色彩位置设计等； b.镀膜掩膜片(罩)制作。镀膜用掩膜片可以通过缩图切割器切割黄铜片或采用计算机控制的激光切割器切割； c.选择用于镀膜的高、低折射率镀膜材料； d.根据设计选照相机择镀膜设备。按蒸镀罩是否移动，镀膜设备分为固定罩和移动罩蒸镀系统两大类； e.蒸镀薄膜形成防伪膜。 ②激光蚀刻工艺 此工艺分为以下