[发明专利]光子晶体安全装置

说明书

本发明涉及对安全装置(security device)的改进，所述安全装置 可以以各种不同的形状和尺寸应用于各种鉴别或安全应用领域中。

现在，诸如钞票等的安全文件(security document)常配有一些能 呈现出与角度相关的彩色反射的光学可变装置。基于计算机的桌面印 刷和扫描技术领域的发展刺激了这一点，所述计算机的桌面印刷和扫 描技术领域的发展使得诸如凹版和胶版印刷等传统安全印刷技术越来 越易于被复制或仿造。众所周知的是，现有技术中使用液晶材料或者 薄膜干涉结构来产生这种角度相关的彩色反射。基于液晶的安全装置 的实施例在EP 0435029、WO 03061980和EP 1156934中进行了描述， 使用薄膜干涉结构的安全装置的实施例在US 4186943和US 20050029800中进行了描述。

液晶薄膜和薄膜干涉结构的平面性质导致所观察到的角度相关的 彩色反射呈现出有限的空间变化，例如当将安全装置从正入射偏离至 倾斜时，呈现出简单的从红色到绿色的色变。

光子晶体是折射率在二维或优选为三维内周期性变化的结构化的 光学材料。当受到一波长与折射率的空间调制相匹配的电磁的辐射时， 这些材料呈现出一些有趣的光学效应。布拉格反射可发生在一波长范 围内，所述波长范围取决于入射/传播的方向以及折射率变化的周期。 这导致出现光子“能隙”，所述光子能隙类似于半导体中的电子带隙。 通常，在某一频率范围内的电磁波不能沿晶体内的一特定方向传播， 以这些波长入射的电磁辐射因此被反射。正是由于存在这种部分光子 带隙，导致形成蛋白石宝石中所观察到的发亮的颜色。

通常，至于哪些电磁波可在光子晶体内传播以及哪些电磁波会被 反射，其与波长、传播方向和极化方向有着复杂的相关性。然而，如 果折射率中的调制足够大，某些频率可被禁止在任何晶体方向传播， 并形成完全光子带隙。在这种情况下，光在晶体内任何方向上的传播 都被阻止，并且所述材料表现为一种理想的反射器，使得波长在带隙 范围内的所有光不管其入射方向如何都被完全反射。

存在两种已有文件记载的用于制造一种其折射率达到必要的高度 有序变化的结构的方法——微加工以及自组装。由于微加工的复杂性， 已投入相当大的精力研究由亚微米电介质球体三维阵列组成的自组装 系统。通过使相同尺寸球体的胶状悬浮体在重力的影响下缓慢沉淀， 或者通过施加一外力使球体自然排序，从而形成这种光子晶体。一众 所周知的实例是制造合成的蛋白石结构，其中，通过沉降方法将均匀 尺寸的亚微米二氧化硅球体组织为面心立方晶体结构。

经研究，该技术已经得到进一步的改进，使合成蛋白石作为前驱 体或者模板来进一步定制所述结构。已表明可使用这种系统作为模板 来实现通常所说的倒像蛋白石(inverted opal)的材料。在此，首先用 高折射率的材料填充二氧化硅球体之间的空隙，然后用化学方法溶解 所述二氧化硅以产生一种由高折射率材料的均匀基质间隔开的空气球 体组成的材料。

使用光子晶体产生角度相关的彩色反射在WO 03062900和US 20050228072中进行了描述。所述光子晶体的光学特性可在一更大的 程度上被加以设计以及加以改变(大于平面液晶和薄膜干涉装置的光 学特性)。首先，通过简单调节球体尺寸或者球体间隔从而改变晶格 结构，可以更加轻易地控制反射光的角度和波长相关性。类似地，通 过将结构缺陷引入晶格中，或者通过将纳米颗粒引入到结构中，可设 计或者提高所选择的允许的和不允许的反射/透射。这在原理上给予了 修改和设计能带结构的自由，从而给予了修改和设计反射的波长和空 间相关性的自由。

使用非全息微光学和具有大于一定微米的表面起伏的微结构进行 物品验证和防伪的方法和组合在US2003/0179364中进行了描述。在 US2003/0179364A1的实施方案中，公开了由包含微透镜、非成像收集 器、棱镜、导波器、反光镜、光栅、结构化干扰滤波器和光子晶体微 结构的微光学系统获得的区别光学效应的范围。