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CN107206724A - 微压印 - Google Patents

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CN107206724A CN201580073295.8A CN201580073295A CN107206724A CN 107206724 A CN107206724 A CN 107206724A CN 201580073295 A CN201580073295 A CN 201580073295A CN 107206724 A CN107206724 A CN 107206724A
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Abstract

一种用于在薄箔中压印光学上衍射的微结构的方法，所述薄箔例如用于包装食品、巧克力、口香糖、礼品、珠宝、衣服、烟草制品、药品中的至少一种，压纹是用压印辊机构产生的，压印辊机构包括至少一个圆柱形压印辊和弧形反向托辊。该方法包括将所述至少一个圆柱形压印辊和所述弧形反向托辊限制在具有相对小的外部尺寸的单个辊架中，该单个辊架设计成承受所述至少一个圆柱形压印辊和所述弧形反向托辊的压力；在所述至少一个圆柱形压印辊中的第一个圆柱形压印辊的表面上使用适合于微结构压印的至少一个凸起的压印元件，其中所述至少一个凸起的压印元件之一包括平台和雕刻在平台(5)的顶部上的图案，其具有高于与其相邻的所述第一圆柱形压印辊的周围表面5m至30m之间的范围内的高度，其中所述图案包括光学上衍射的微结构，其具有在小于30μm的范围内的光栅周期，所述微结构由于处于可见波长范围内的漫射或定向光源而产生衍射图像，该衍射图像在规定的观察角度中具有高对比度和高发光度；和相对于约100mm2的平台区域，在小于80巴的范围内调节所述至少一个圆柱形压印辊对薄箔的压力。

Description

微压印
1技术领域
本发明涉及利用压印辊在诸如内衬(即香烟包内衬)的薄工业纸上进行的微压印。微压印涉及产生尺寸-衍射光栅的周期-在小于30μm范围内的压纹。
2背景技术
2.1 Dell′Olmo的US5862750
例如在Dell′Olmo的公开号US 5862750的美国专利中一般地知晓和描述了纸的微压印。
在Dell′Olmo中，压印参数如下：
ο压印加工温度必须设定在90℃和220℃之间；
ο必须提供适当的湿度水平；
ο两个辊之间施加的表面压力约为20至120kg/mm2。转换成另一个单位，这对应于约1200N的力。
Dell′Olmo的压印参数由于加热、加湿和除湿循环而限制了生产率和速度。该生产率通常达到约60米/分钟。
Dell′Olmo的压印处理装置的外部尺寸与房间尺寸相当，因为该装置需要加湿站和干燥站来达到纸张所需的湿度参数。
2.2 Avantone Oy的WO 2006/016004 A1
公开号WO 2006/016004A1的国际公开文本描述了对于从US 5862750知晓的装置的复杂的替代方案。然而，基于发明人的了解，其在生产中从未实现。
在该现有技术参考文献中，压印参数可以如下：
ο压印需要例如利用红外加热器实现的加热，并且用高温测量设备测量温度；
ο压印压力可以为0.6MPa。这相当于约0.06kg/mm2。
虽然压印参数比US 5862750中更容易实现，例如加热较少、压力较小，但由于采用光刻工艺，Avantone的工艺仍然过于复杂。
2.3 Ball等人的US 7624609 B2
公开号US 7624609B2B的公开文本公开了一种用于离散特征的辊压印系统。讨论了系统的各种实施方案，其中图案特征从工作辊的剩余圆柱形部分移位，从而产生呈高原特征形式的局部表面区域。系统允许使呈高原特征形式的表面区域的这个局部的压力增强，这个局部的压力增加导致跨越高原特征的改进的图案转移。根据申请人，于是接触压力足以允许转移非常精细级别的地形特征，例如衍射光栅。
所描述的过程省略了基本参数的公开，例如散装箔或内衬材料的质量，并且需要多个辊架，因此阻止了有用地应用于工业应用。
2.4被压印的是什么
待压印的物品通常可以是内衬-香烟包内衬-或箔，其通常可以称为薄箔。
箔通常可以具有约5μm至约400μm的厚度，并且可以是薄金属箔，例如铝箔，由纸和/或塑料层和金属箔制成的层压件，以及类似覆金属纸或覆金属层压件的物质。
在一些情况下，这种箔可以用作内衬，其用于例如香烟包装-香烟包内衬-中，并且可以由金属涂布的纸，例如蒸汽涂布的原纸或铝层压纸制成。
这样的箔可以是待微压印和随后被加工的长条形的金属片。
因此，这些箔和内衬是薄而相对无弹性的，即非常硬。它们通常特别适用于食品安全包装，因为它们是高度不透水蒸汽的。
箔和内衬可以使用具有硬钢表面的辊直接和快速地被压印，例如在以上引用的Dell′Olmo现有技术中的情况。
2.5其他压印问题
除了Dell′Olmo所遇到的压印问题之外，当在内衬上通过压印产生定制形状图案时，还发现了许多问题，导致质量不足。
定制形状图案可能占据相对大的表面，并且这种图案的压印所需的高压力可能影响内衬的夹层结构。在高温下，受影响的夹层结构被损坏，并导致在纸的背面发生漆污点。
在多个定制形状图案被压印在内衬的同一表面上的情况下，由于纸张的可变局部延伸，纸张可能容易起皱。这是特别麻烦的，因为定制形状图案的密度增加。
在现有技术中已经提出了各种解决方案来解决压印恒定美观的、令人愉悦的定制图案的问题和起皱的问题。例如，公开号US2008060405A1美国专利和公开号WO9323197A1的国际公开文本公开了允许获得相对高的图案的期望密度的解决方案。然而，这些解决方案将自己限制在利基市场的应用中，例如银行票据的压印，但是对于工业用途而言是不够的，例如在烟草行业中。
3发明内容
本发明的目的是解决现有技术的压印方法和设备中遇到的问题。这特别地通过下列方式实现：适当地调整压印参数-特别是在室温下相对低的压印力和压力，以避免预热，从而选择适当的辊制造和表面技术和适当的内衬或箔材料，并且还选择光栅的特定几何形状和尺寸以获得优质的压印结果。
在第一方面中，本发明提供了一种用于在薄箔中压印光学上衍射的微结构的方法，所述薄箔例如用于包装以下列表中的至少一种，该列表包括食品、巧克力、口香糖、礼品、珠宝、衣服、烟草制品、药品，压纹是用压印辊机构产生的，压印辊机构包括至少一个圆柱形压印辊和弧形反向托辊。该方法包括将所述至少一个圆柱形压印辊和所述弧形反向托辊限制在具有相对小的外部尺寸的单个辊架中，该单个辊架设计成承受所述至少一个圆柱形压印辊和所述弧形反向托辊的压力；在所述至少一个圆柱形压印辊中的第一个圆柱形压印辊的表面上使用适合于微结构压印的至少一个凸起的压印元件，其中所述至少一个凸起的压印元件中的一个包括平台和雕刻在所述平台的顶部上的图案，所述平台具有高于与其相邻的所述第一圆柱形压印辊的周围表面5μm至30μm之间的范围内的高度，其中所述图案包括光学上衍射的微结构，其具有在小于30μm的范围内的光栅周期，所述微结构由于处于可见波长范围内的漫射或定向光源而产生衍射图像，该衍射图像在规定的观察角度中具有高对比度和高发光度；和相对于约100mm2的平台区域，在小于80巴的范围内调节所述至少一个圆柱形压印辊对薄箔的压力。
在优选的实施方案中，该方法还包括从以下列表中的一项或多项中选择薄箔，所述列表包括：薄金属箔、由纸和/或至少一塑料层以及具有不同介电行为的至少一金属箔制成的层压件。
在进一步优选的实施方案中，薄箔是包括纸和金属箔或塑料膜的层压件，其克重为约20至90g/m2。
在进一步优选的实施方案中，薄箔是包括覆金属纸或覆金属塑料膜的层压件，并且其具有约40至90g/m2的克重。
在进一步优选的实施方案中，薄箔由铝制成。
在进一步优选的实施方案中，该方法还包括在所述至少一个圆柱形压印辊中的另一个圆柱形压印辊的表面上提供宏观图案，其布置成在薄箔上压印缎纹(satinating)宏观结构。
在进一步优选的实施方案中，宏观图案通过压上(pin-up)-压上压印获得。
在第二方面中，本发明提供了来自以下列表中的一个的薄箔利用至少一个圆柱形压印辊和弧形反向托辊的压印过程中的应用，该列表至少包括：薄金属箔、由纸和/或至少一塑料层以及至少一金属箔制成的层压件。该应用包括将所述至少一个圆柱形压印辊和所述弧形反向托辊限制在具有相对小的外部尺寸的单个辊架外壳中，该辊架外壳设计成承受所述至少一个圆柱形压印辊和所述弧形反向托辊的压力；在所述至少一个圆柱形压印辊的表面上使用适合于微结构压印的至少一个凸起的压印元件，其中所述至少一个凸起的压印元件中的一个包括平台和雕刻在所述平台的顶部上的图案，所述平台具有高于与其相邻的所述至少一个圆柱形压印辊的周围表面5μm至30μm之间的范围内的高度，其中所述图案包括光学上衍射的微结构，其具有在小于30μm的范围内的光栅周期，所述微结构由于处于可见波长范围内的漫射或定向光源而产生衍射图像，该衍射图像在规定的观察角度中具有高对比度和高发光度；和相对于约100mm2的平台区域，在小于80巴的范围内调节所述至少一个圆柱形压印辊对薄箔的压力。
4附图说明
根据优选实施方案的描述以及附图，将会更好地理解本发明，其中
图1(1)至1(10)示出了光栅变化使用的基本几何形状的示例；
图2至9示出了可以通过利用一个或多个相同的基本几何形状获得的形状；
图10至26示出了通过使用放在一起的基本几何形状可以获得的形状；
图27至49示出了可用于成形激光强度分布以在固体物质表面上实现反射-衍射-光栅的掩模几何形状的示例；
图50示出了根据本发明的凸起的压印元件的示例性实施方案；
图51示出了根据本发明的凸起的压印元件的另一个示例性实施方案；
图52包含从图50中所示的实施方案的上方观察的示意图；
图53示出了根据本发明的凸起的压印元件的另一个示例性实施方案；
图54包含从由宏观结构围绕的凸起的压印元件的上方观察的示意图；
图55示出了根据本发明的凸起的压印元件的另一个示例性实施方案；
图56示出了根据本发明的凸起的压印元件的另一个示例性实施方案；
图57示出了图50中所示结构的反向结构的示例；
图58a和58b示出了待压印材料的示例性变化；
图58c示出了待压印材料的另一个示例；
图59a，59b和59c包括可用于本发明中的辊架的示意图；
图60a，60b和60c代表构造压印辊的可能的示例；和
图61a和61b示出了压印辊的两个示例性实施方案，每个都包括3个压印辊。
5具体实施方式
5.1滚筒
5.1.1概述
用于压印薄箔的微压印辊的表面包括至少一个凸起的压印元件。凸起的压印元件包括平台，其与凸起的压印元件相邻的压印辊表面的距离在5μm至30μm之间。要在薄箔上压印的图案被刻在平台的顶部上。该图案通常是使用光栅的光衍射图案。
使用凸起的压印元件的效果是，与在压印辊的表面上直接具有图案的情况相比，对于相同的局部压印压力，可以减少需要施加在压印辊上的总的力。
可选地，可以在围绕凸起的压印元件的压印辊表面上或者在多个凸起的压印元件之间具有另外的结构，其目的在于打光薄箔。这具有这样的效果：当观察从压印薄箔反射的光时，一方面在被凸起的压印元件压印的部分和打光部分之间提供了改善的对比度差异，另一方面，提高了衍射图案的感知亮度。
5.1.2辊表面
为了进行高速旋转压印，本发明需要硬而弹性的压印表面。要实现的速度的例子对应于约1000包香烟/分钟的内衬的压印。
公开号WO 2010/111798 A1的国际公开文本和公开号WO 2010/111799 A1的国际公开文本-两个都属于本发明的申请人，并且通过引用方式并入本文-公开了使用超硬材料ta-C作为压印辊的层，该层作为涂层沉积，其中超硬材料ta-C代表性地代表硬质材料。
超硬ta-C层是非晶碳膜，其表现得非常适合于各种应用，更特别地不但适用于摩擦学应用，而且也适用于光学衍射应用。特别地，ta-C层能够通过热传导等在不使表面劣化的情况下进行激光雕刻。
所述出版物讨论了适合于在压印辊上构造ta-C层的加工参数，其中使用激光。
更准确地说，两个激光器用于在压印辊上形成Ta-C层的微米和纳米结构。第一激光器(例如波长为248nm的KrF准分子激光器)根据掩模投影技术在ta-C层中产生微结构，并且第二激光器(中心波长为775nm的飞秒激光器)根据焦点技术在ta-C层中产生纳米结构。
所产生的微结构可以是例如具有1至2μm的光栅周期的沟槽状光栅结构，并且纳米结构可以是例如具有约700nm周期的自组织波纹结构，其充当光学衍射光栅。在这方面，光学衍射活性结构的任何周期性阵列都是可能的，其通过用多色光或白光照射时的衍射而产生依赖角度的色散，即分离成光谱色。
对于微结构，公开了例如适用于在压印辊上构造ta-C层的以下加工参数：准分子激光器的脉冲重复频率为30Hz，层上的激光束通量为8J/cm2，每基本区域的激光脉冲数为10。术语基本区域在这里用于指定压印辊或压印模上的表面，其由通过掩模和隔膜成形的激光束构造并且用激光束脉冲串(脉冲序列)成像到涂布有ta-C的压印辊表面上而没有激光束和辊表面的相对运动。
通过逐行扫描表面在压印辊上的ta-C层中产生微结构化波纹，优选地选择线偏移以使得线间距对应于沿着线的各个脉冲的间隔。更准确地说，波纹是由处于确定波长的激光辐照所引起的自组织效应产生的。与波纹相关的微结构的宽度和深度不但取决于波长，而且取决于其他参数。
可以通过用激光束直接写来进一步产生微结构。
5.1.3平台的雕刻
本发明需要一种用于在钢压印辊上制造结构化表面的方法。
公开号WO 2013/041430 A1的国际公开文本-属于本发明的申请人，并且通过引用方式并入本文-公开了这种用于制造钢压印辊的结构化表面的方法。
更准确地说，WO 2013/041430 A1中解决的问题是快速且精确地在钢压印辊上制造具有宏观结构的精细表面，从而允许多种设计可能性，例如可变的齿间距和形状，以及阳-阴辊的工业制造以及最多样的箔材料的多方面应用。
在WO 2013/041430A1中描述的发明表明在特定条件下可以采用何种特定的参数来适当地控制烧蚀过程。WO 2013/041430 A1描述了使得本领域技术人员能够以微压印技术所需的再现精度和质量实现钢辊的雕刻的参数组合。
例如，WO 2013/041430A1描述了一种通过短脉冲激光在钢压印辊上产生结构化表面的方法，该结构化是尺寸为约20μm的微结构化。
5.1.4辊架
本发明需要具有一组压印辊的壳体，其中可以实现非常高的压力。
压印壳体通常容纳经受相互压力的压印辊。壳体也可以被称为辊架、辊框架或压印头。在整个说明书中，将使用术语辊架。
公开号WO 2014/045176 A2的国际公开文本-属于本发明的申请人，并且通过引用方式并入本文-公开了一种辊架和一组压印辊，以及用于获得这样的一组协作的压印辊的方法。
在用于制造一组协作的压印辊的方法中，使用建模装置对压印辊进行参数化，该装置包括试验台，其具有被置于可以测量和设定的液压压力下的一对辊，以便从测量数据确定用于制造压印辊的参数。使用建模装置获得用于制造该组压印辊的参数使得可以将具有多种特性的非常多种的压印图案和箔用作基础，并且通过在该试验台上进行试验，能够有效地缩小最终压印装置的性能范围并预先确定最终压印装置的性能，优选地在没有液压的情况下操作。
WO 2014/045176 A2中的建模装置的一个实施方案具有两个具有硬化金属轴的辊，其具有静压轴承和压力袋，并且能通过调节施加在轴承和压力袋上的液压压力来确定轴的弯曲。最佳接触压力通过试验利用与待使用的压印辊和箔对应的图案来美学地调整，并在轴承和压力袋中测量液压反压力。从该获得的关于压印辊架的数据可以计算要实现的商业压印头的压印辊和反向托辊的几何形状的参数。通过比较压印辊上的期望光学效果和在箔上的压纹的美观结果，通过光学手段进行压印的质量和等级的评价。
计算的目的是确定最终的纯机械辊架中的辊的几何形状，其以这样一种方式对应于压印辊，以使得当用确定的压印结构压印确定的箔时，即使使用非常小的压印元件和高的压印压力，也在箔的整个宽度上实现均匀的压印。压印辊之一的弧度将有助于补偿机械地引起的旋转轴弯曲。这样可以在压印辊的整个表面上实现连续的压力。
WO 2014/045176 A2中描述的技术可以实现非常高的压力，不需要加热辊，辊架的外部尺寸相对小，这使得可以将其用于例如烟草制品行业中的工业生产链中。在优选实施方案中，辊架的相对小的外部尺寸为约20×40×60cm。
在150mm长和1mm宽的表面上，对于每个轴承，实现本发明所需的压力约为15000N-辊的直径约为700mm。
5.2发明的总体描述
本发明提供了一种至少利用雕刻在压印辊的凸起的压印元件上的衍射图案压印薄箔的方法。压印的薄箔可以是由箔或香烟包内衬组成的包装材料，压印的薄箔可用于包装食品、巧克力、口香糖、礼品、珠宝、衣服、烟草制品、药品等。
本发明的压印方法在室温下操作。用于实施压印方法的压印辊设备在优选实施方案中包括一对辊，其中
·第一个辊具有光滑的表面并且呈弧形，和
·第二个辊也具有部分光滑的表面，除了至少具有凸起的压印元件之外，待压印的图案雕刻在所述凸起的压印元件的顶部上。
压印辊设备可以例如通过利用从WO 2014/045176A2中已知的技术来建模和实现，这在上文的部分中被简要讨论。这特别地允许建模和实现第一辊和第二辊，以使得可以获得压印图案所需的压力。在优选实施方案中，第二辊可以是驱动电动辊。
可以利用来自WO 2010/111798A1、WO 2010/111799A1和WO 2013/041430 A1的技术实现在所述至少一个凸起的压印元件的顶部上的图案，其也在上文的相应部分中被简要讨论。特别地，这包括在凸起的压印元件的顶部提供硬质材料表面，其例如由ta-C层制成。此外，这包括通过利用掩模投影技术和/或用于显微结构的聚焦技术和/或宏观构造技术来雕刻硬质材料表面，如从WO 2010/111798 A1、WO 2010/111799 A1和WO 2013/041430 A1中描述和已知的。
凸起的压印元件的平台高于辊的相邻周围表面的高度在5μm至30μm之间的范围内。
通过雕刻平台的硬质材料表面获得的图案包括光学上衍射的微结构，其示例在本说明书的专门部分中描述。
图1至49涉及用作光栅变化的基本几何形状的示例，并将在后面讨论。
然而，图50至61b直接涉及本发明的所描述的实施方案。
图50示出了在压印辊的表面2上突出的凸起的压印元件1的示例性实施方案(图50中未整体示出)。表面2例如由钢构成。表面2和凸起的压印元件1被硬质材料3的层覆盖，例如ta-C材料。凸起的压印元件1包括具有宽度4的平台5，宽度4由双箭头表示以便更好地理解。平台5具有高于与其相邻的压印辊的周围表面的高度d，该高度d具有范围在5μm至30μm之间的值，并且在图1中也覆盖有硬质材料层。平台5包括雕刻在其上的图案，即包括光学上衍射的微结构(图1中未示出)。在压印时，平台5允许实现较高的压印压力，这使得微结构更有效地转移到待压印的材料中。压力在凸起的压印元件1的侧面上变得较小。在侧面的区域中，待压印结构的良好分辨率强烈地取决于侧面的形状。
图51示出了凸起的压印元件1的另一个示例性实施方案，其中凸起的压印元件1构建在形成于不同地基本上平坦的表面2上面的硬质材料3的突出部上，而不是如图50中所示那样构建在表面2的材料的突出部上。
图52包括从表面2上方观察的示意图，其实际上被硬质材料3的层(图52中未示出)和图50的实施方案的凸起的压印元件1覆盖，其中平台5具有圆形形状。
图53示出了凸起的压印元件1的另一个示例性实施方案，其中凸起的压印元件1构建在硬质材料3的突出部上，类似于图51中所示的实施方案。与图50和51中类似，平台5包括微结构(图中未示出)。在图53中，与凸起的压印元件1相邻的压印元件的周围表面承载着多个宏观结构6。在图53的示例中，宏观结构由ta-C制成，但可以容易地用其它材料替代以获得类似的宏观结构。
图54包括从由宏观结构6(各个宏观结构在图54中不可见)覆盖的表面2(图54中未标出)上方观察的示意图。作为示例，平台5是圆形的，类似于图52，然而在不背离本发明的情况下平台5的不同形状是可能的。
图55示出了由表面2上的硬质材料3构成的凸起的压印元件1的另一个示例性实施方案。表面2成形为在与凸起的压印元件1相邻的周围表面上形成宏观结构。如前面的实施方案中那样，微结构(图中未示出)位于平台5上。
图56示出了凸起的压印元件1的另一个示例，其中这是通过将硬质材料3沉积在压印辊的看似随机构造的表面2上而获得的。平台5由表面3的与压印辊的基本表面相距足够远的部分形成，并且酌情被微结构覆盖。虚线所示的条纹1a对应于当结构没有额外的硬涂层和没有微结构时的轮廓，因此其工作原理将会是纯粹的宏观阳模/阴模辊系统。为了获得用于转移微结构的必需的局部压力，覆盖用于纯粹的阳模/阴模(patrix/matrix)压印的轮廓1a的真实轮廓1更突起，例如局部地更突起一高度值ΔX，其等于差ΔX＝X2-X1。该特征对应于例如在其对纯圆柱辊的性质中参考图50所述的凸起的压印元件1和平台5。
图57示出了用于上部部件的辊2，其是图50的反向结构。涂层3施加到阴模辊的表面上并因此具有凹形轮廓。对于这种情况，将微结构施加到阴模辊内部的区域5。在非异型辊表面和阴模结构之间的过渡区域1中，可以基于个案来应用微结构。这个辊架的阳模辊由2a表示。使用正确的阳模，微结构能以与它们在阳模本身上时相同的方式转移。唯一的区别是，在用微结构压印的箔上的表面在这种构型中是朝向阴模取向的。因此，最终产品上的微结构和因而色彩将在明显的轮廓上。因此，更广泛的彩色光学效果是可能的。
图58a-58c示出了用于压印材料的可能的实施方案和用于实现微结构的压印的要求。为了通过压印实现彩色效果，需要具有能够接收微结构的层。根据衍射定律，周期性微结构在反射和/或透射中产生光学彩色效果。
图58a和58b示出了待压印材料的变化，其中下面的支撑材料8不是光学透明的。在表面上有反射层。
图58a示出了反射层是金属层9(例如铝)的实施方案。
图58b示出了另一个实施方案，其中通过交替的衍射指数的介电层10实现反射-这是介质镜的原理。因此，图58b示出了入射光12，光的直接反射部分13，和可能的衍射级14中的两个。
在两个图58a和58b中，微结构由相应的反射层9和10构成。
图58c示出了支撑材料11，其对可见光谱中的光是透明的。因此，入射光15从支撑材料11的后侧到达，透射光束16从与后侧相反的一侧离开。在离开侧上，图58c还示出了在光通过可以形成于离开侧的表面上的微结构的情况下可能发生的衍射级17。
下面描述压印辊和辊架的示例性配置。
图59a包括具有用于压印的两个压印辊19和20的辊架18的示意图。除了凸起区域(图59a中未示出)之外，两个压印辊19和20在宏观尺度(尺度＞0.1)上都是圆柱形的。
图59b包括辊架18的不同实施方案，其具有包括三个压印辊21和22的辊系统。除了凸起区域(图59b中未示出)之外，压印辊21和22在宏观尺度(尺度＞0.1)上是圆柱形的。更具体地，反向托辊22可以是完美圆柱形的，而驱动辊21携带代表标志的凸起区域。
图59c包括具有两个压印辊19和23(也参见图60b)的辊架18的示意图。尽管压印辊19之一被表示为圆柱形的，但反向托辊具有弧形的几何形状。与图59a和b相反，该图中的辊被表示为彼此接触并挤压。在非常高的压印压力下，圆柱辊19将弯曲并且两个辊将提供均匀的压印裂缝，允许均匀的压力分布。
图60a-60c表示构造压印辊的可能的示例。具有用于代表标志的凸起区域的压印辊19在所有3个图中是相同的。
图60a示出了作为圆柱辊的两个辊19和20。反向托辊20是没有其他结构的单纯的圆柱，辊19中的标志由凸起平台27上的微结构28构成。在压印之后，标记出现在被压印的薄片上，如放大图中的附图标记29所示。
图60b示出了反向托辊23做成弧形的可能性。换句话说，辊23仍然是旋转体，但其直径变化。在所需的压印压力如此高以至于再也不能忽视压印辊的弯曲的情况下，则这种弧形辊表现得是非常有效的。
图60c示出了携带标志的辊24和反向托辊25都被配置为具有同步装置(例如齿26)的示例。如果除了标志之外，压印辊包括需要同步工作方式的其它结构，则有利地使用该示例。
图61a和61b示出了允许使用三个压印辊来进行压印的两个示例性实施方案。
图61a在压印辊30上具有由宏观结构36包围的标志区域，宏观结构36例如可以远离标志超过100μm并且不产生彩色效果。这些宏观结构根据阳模/阴模原理与反向托辊33协作。反向托辊33携带对应的宏观结构37，其与压印辊30上的宏观结构36协作以获得宏观压纹结构，其在放大图中在微结构29旁边的附图标记38处示出。微结构29可以利用反向托辊32实现。
通过引用方式并入本文的美国专利US 6176819B1阐述了用于压印的装置的另一可能的实施方案，该装置能够根据压上/压上压印方法实现宏观结构的压印。在一对压印辊之间实现压印过程，该对压印辊设置有相同种类的装齿，其包括在轴向和圆周方向上延伸的多排锥形齿。US 6176819 B1中描述的装置作为例子可以非常好地用于得到本发明中用于宏观压印的合适配置。
图61b示出了用反向托辊34压印微结构的示例。这两个辊的实施方案在图60a-60c中示出。携带标志的辊也可以通过第二反向托辊压印微缎纹结构，因此，辊31和35的区域39和40具有产生缎纹结构的结构。如果在纸上压印，则在微结构29旁边出现缎纹区域41。
在图中部分示出的优选实施方案中，压印的结果可以由背离图61a和61b中所示的辊的配置获得，其中仅有2个辊，即图61a的辊30和33，或者图61b的辊31和35。具有2个辊的配置实际上对应于图59a中所示的配置。使用第二反向托辊如图61a的反向托辊32和图61b的反向托辊34分别取决于驱动辊30和31上的表面轮廓。
5.3光栅结构
本部分描述了通过利用通过本说明书中所述的方法获得的具有凸起的压印元件的辊，通过箔和内衬表面的辊压印而实现的光栅结构的示例。
要实现的光栅结构将被用作反射结构，并且包括波纹光栅，凹槽-隆脊(groove-land)-例如见图27-49-光栅，和闪耀-即锯齿——光栅，它们的结构尺寸范围都在0.3至2.0μm之间。
光栅结构用于产生图案，其为光学上衍射的微结构。当被可见光谱中的漫射或定向光照射时，如果以确定的角度观察，所述微结构产生具有高对比度和高亮度的衍射图像。
光栅
在下文中，术语对比度、发光度和颜色的感知是为了清楚起见而关于它们在整个描述中具有的含义定义的。
对比度
对比度是使对象(或其在图像或显示器中的表示)可区分的亮度和/或颜色的差异。在真实世界的视觉感知中，对比度由相同视野内的对象和其他对象的颜色和亮度的差异决定。图像的最大对比度是对比率或动态范围。
发光度
发光度函数或发光效率函数描述了人类视觉亮度感知的平均光谱敏感度。亮度是视觉感知的属性，其中源似乎是辐射或反射光。换句话说，亮度是由视觉目标的光亮度所引起的感知。这是被观察对象的主观属性/性质。
因此，发光度函数或发光效率基于一对不同颜色的光中哪一个更亮的主观判断来描述对不同波长的光的相对敏感度。在每一种情况下它都不应该被认为是完全准确的，但它非常好地代表了人眼的视觉敏感度，并且它作为实验目的的基准是有价值的。
颜色的感知
彩色视觉或感知是生物或机器基于它们反射、发射或透射的光的波长(或频率)区分对象的能力。可以以各种方式测量和量化颜色；事实上，人类对颜色的感知是主观的过程，其中大脑对当入射光与眼睛中的几种视锥细胞反应时所产生的刺激进行响应。实质上，不同的人以不同的方式看到相同的照明对象或光源。
根据以下事实可以获得和增强明显的光学效果：
·为了实现高亮度，衍射光栅表面(也称为彩色表面)必须大得足够产生高衍射强度，同时通过提供较低的衍射强度或在观察用户可能感知不到的不同方向上衍射-相邻表面似乎是更暗的-或者吸收入射光，或以漫射的方式散射入射光，相邻表面将产生高对比度。这可以例如通过相对于方位观察方向从每个光栅给出不同的取向来实现；
·通过适当选择光栅的周期和光栅的形状，-例如用于一个观察方向的作为凹槽-隆脊光栅的线光栅和用于多个确定的观察方向的具有多个角的柱状横截面的柱状光栅和用于任何观察方向的具有圆形横截面的柱状光栅-和通过适当选择光栅结构的深度，可以增加在一个观察方向上或在多个确定的或随机的观察方向上的各个颜色(例如红色)亮度；
·由于闪耀光栅产生的衍射强度远高于例如凹槽-隆脊光栅，因此如果将具有强亮度的区域实现为闪耀光栅并将相邻区域实现为凹槽-隆脊或柱状光栅，则能获得与相邻表面形成对照的强烈差异和强亮度；
·由于人眼具有依赖于波长的色彩敏感度并因此以不同强度感知处于相同衍射强度(亮度)的各种颜色，所以可能可以通过用衍射光栅产生适当的颜色混合来改善亮度。
5.4光栅几何
待压印到箔和内衬中的图案包括具有各种不同几何形状的各种光栅。在下文中，我们将回顾图案和/或构成图案的光栅的许多优选的实施方案。
应注意，人眼的光学分辨率约为200μm。然而，在从反射光栅处的衍射出现的颜色被感知为非常亮的情况下，已经发现光学分辨率的极限可以升高到70μm至100μm的范围内。
具有在70μm至100μm之间的范围内测量的边的近似正方形或矩形的表面或具有在相同范围内的直径的近似圆形或椭圆形的表面是用衍射光栅产生光谱或混合颜色的最小表面尺寸。
为了使这些颜色具有足够强度的主观感知亮度，用户观察到的表面应选择为比最小尺寸大得多，例如通过并置多个这样的彩色像素-彩色像素是具有最小尺寸的表面-其根据情况在相同的观察方向上或在相同的多个观察方向上衍射颜色。
待观察表面的尺寸应在至少1平方毫米至1平方厘米的范围内，以便达到良好的主观感知亮度。对于用户主观感知的亮度重要的是，调整与周围表面以及与周围表面的尺寸的对比度，所述周围表面的尺寸与待观察表面成比例。
需要被感知为亮的压印标志优选地应该被以较低强度或在不同方向上衍射或散射的表面区域包围，或者如果使用ta-C层，则根本不会衍射。因此，周围的表面区域应包围待观察表面，形成条纹，并且待观察表面与周围的表面区域的比例应在1至3的范围内。
所指示的表面尺寸和表面的比例已经在经验测量下确定。
在此列出了可以通过掩模投影技术制造的衍射光栅的可能的基本几何形状，如上文的部分中所述：
·沿相同方向取向的平行凹槽结构；
·间断的平行凹槽结构；
·多个平行的凹槽结构，其相对于彼此以确定的角度旋转；
·在各种角度下重叠的平行凹槽结构-通过2个叠掩模投影实现的双重构造获得；
·方柱形凹槽结构或相交凹槽结构；
·环形凹槽结构；
·圆柱形的柱或空腔；
·具有六边形横截面的柱或空腔；
·具有三角形横截面的柱或空腔；
·具有平行四边形横截面的柱或空腔。
在掩模投影技术中也可以用基本几何形状作为孔口，孔口用于掩模投影技术中以产生各种形状的表面作为基本表面区域并且可以彼此相邻地定位以形成图像。这种基本的几何形状包括：
·正方形；
·矩形；
·三角形；
·平行四边形；
·六边形；
·圆形和三角形垫；
·圆形和矩形垫-星形；
·椭圆和矩形垫-星形；
·圆形和椭圆形和垫-用于花。
图中示出了许多命名的几何形状。
首先我们将讨论孔口的几何形状。
图1(1)至1(10)示出了基本几何形状的示例。这些形状优选地用位于激光束的光路中的均匀的光斑附近的孔口产生。形状顺序如下：
(1)正方形；
(2)矩形；
(3)三角形；
(4)平行四边形；
(5)六边形；
(6)八边形；
(7)圆形；
(7b)四方枕形；
(7c)三角枕形。当还必须构造由具有形状(7a)的4个圆形基本区域限定的表面时，需要具有(7b)的孔口几何形状(也参见图21(2))。当必须构造由具有形状(7a)的3个三角形基本区域限定的表面时，需要孔口几何形状(7c)(也参见图21(1))。
(8a)椭圆；
(8b)四方枕形；
(8c)三角枕形。在要构造由4个椭圆形基本区域(8a)限定的表面的情况下，需要孔口几何形状(8b)(见图21a(2))。在要构造由3个椭圆形基本区域(8a)限定的表面的情况下，需要孔口几何形状(c)(见图21a(1))。
(9)六角星形；
(10)八角星形。
下面的图2至9是可以另外通过相邻地定位所获得的形状(即，没有分离基本形状的任何距离)，利用类似的孔口几何形状来形成激光束的没有分离间隔的部分。图2(1)和图2(2)示出了通过将正方形的基本几何形状彼此相邻地定位而形成的正方形形状的示例。
图3(1)至3(3)和图4(1)至4(3)示出了通过将矩形的基本几何形状彼此相邻地定位而形成的矩形形状的示例。
图5(1)至5(3)示出了通过将三角形的基本几何形状彼此相邻地定位而形成的三角形形状的示例。
图6和图7示出了通过将平行四边形的基本几何形状彼此相邻地定位而形成的平行四边形形状的示例。
图8和图10示出了通过将可变取向的平行四边形的基本几何形状彼此相邻地定位而形成的立方体-平行四边形形状的示例。
图9示出了通过将六边形的基本几何形状彼此相邻地定位而形成的六边形形状的示例。
下面的图10至26中的形状通过利用来自图1的孔口而获得，其被放在一起而没有分开的间隔。
图10和图11示出了定位成获得较大立方体的平行四边形-三角形形状的示例，如粗线所示。
图12、13和14(1)示出了定位成获得较大的六边形表面的平行六边形形状的示例，如粗线所示。
图14(2)示出了通过将六边形和三角形的基本几何形状彼此相邻地定位而形成的六边形-三角形形状的示例。
图15示出了获得六边形-立方体图案或较大的六边形表面的六边形-平行四边形-三角形形状的示例，如粗线所示。
图16示出了通过将六角星形和六边形的基本几何形状彼此相邻地定位而形成的六角星形-六边形形状的示例。
图17示出了通过将六角星形和三角形的基本几何形状彼此相邻地定位而形成的六角星形-三角形形状的示例。
图18和19示出了通过将六角星形和平行四边形的基本几何形状彼此相邻地定位而形成的六角星形-平行四边形形状的示例。
图20示出了通过将基本几何形状彼此相邻地定位而形成的六角星形-立方体形状的示例。
图21(1)示出了通过将圆形和三角枕形的基本几何形状彼此相邻地定位而形成的圆形-三角枕形形状的示例，图21(2)示出了通过将圆形和四方枕形的基本几何形状彼此相邻地定位而形成的圆形-四方枕形形状的示例。
图21a(1)示出了通过将椭圆形和三角枕形的基本几何形状彼此相邻地定位而形成的椭圆形-三角枕形形状的示例。
图21a(2)示出了通过将椭圆形和四方枕形的基本几何形状彼此相邻地定位而形成的椭圆形-四方枕形形状的示例。
图21b示出了通过将椭圆形和圆形的基本几何形状彼此相邻地定位而形成的椭圆形-圆形形状的示例-在这种情况下，示意性的花形。
图22示出了通过将八边形和正方形的基本几何形状彼此相邻地定位而形成的八边形-正方形形状的示例。
图23示出了通过将八角星形和正方形的基本几何形状彼此相邻地定位而形成的八角星形-正方形形状的示例。
图24示出了通过至少将八角星形的基本几何形状彼此相邻地定位而形成的苜蓿叶-八角星形形状的示例。
图25示出了通过将平行四边形的基本几何形状以三个不同的取向彼此相邻地定位而形成的三维压印-平行四边形-立方体形状的示例。获得的形状图案可以例如是具有相同光栅常数的带槽或凸起的衍射光栅。
图26示出了通过将3个不同取向的具有条带图案的平行四边形的基本几何形状彼此相邻地定位而形成的三维压印立方体图案的示例。相同取向的条带可以例如是具有不同光栅常数的凹槽或凸起的衍射光栅。
其次，我们将讨论掩模的几何形状。
掩模的几何形状将成形激光强度分布-激光流畅度分布-以实现固体物质表面上的反射-衍射-光栅。掩模优选地位于激光束掩模投影系统的均匀的光斑中。
图27-49中以暗色示出的区域代表掩模的不透明区域，即对于激光辐射不透明。换句话说，当以掩模投影系统的缩小比例考虑时，这些区域不会被激光烧蚀消除，从而在基底的表面(固体物质表面)上获得凸起部分-光栅带。白色或明亮区域代表掩模表面的透明部分，即，当以掩模投影系统的缩小比例考虑时，这些区域会被激光烧蚀消除，从而使凹槽-光栅凹槽-出现在基底的表面(固体物质表面)上。
可以通过掩模投影技术(即激光烧蚀)产生的衍射光栅的许多基本几何形状在图27-49的下列序列中示出。
图27和29示出了一致取向的平行凹槽-隆脊结构的示例。
图28示出了中断的平行凹槽-隆脊结构的示例。
图30示出了相对于彼此绕确定的角度旋转的多个凹槽-隆脊结构的示例。
图31至33示出了以各种角度重叠的平行凹槽-隆脊结构的示例。双重结构可以通过连续照射获得。
图34和35示出了方柱结构的示例。
图36和37示出了环形凹槽-隆脊结构的示例，其可以在任何方位角方向上衍射漫射照明并且在巴比涅定理的基础上产生相同的衍射图像。
图38和39示出了圆柱形的柱或空腔结构的示例，其可以在任何方位角方向上衍射并且在巴比涅定理的基础上产生相同的衍射图像。
图40和41示出了六角形柱或空腔的结构的示例，其可以在分别分开60度旋转角度的六个方位角方向上衍射漫射光，并且在巴比涅定理的基础上产生相同的衍射图像。
图42至45示出了不同尺寸的三角形的柱或空腔结构的示例，其可以在分别分开120度旋转角度的三个方位角方向上衍射，其中图42和43中的光栅和图44和45中的光栅分别在巴比涅定理的基础上产生相同的衍射图像。
图46至49示出了平行四边形截面的柱或凹槽结构的示例，其可以在分别分开60度旋转角度的六个方位角方向上衍射漫射光，其中图46和47中的光栅和图48和49中的光栅分别在巴比涅定理的基础上产生相同的衍射图像。
所示出的示例不是对要雕刻在凸起的压印元件的平台上并随后压印在箔和/或内衬中的图像、图案和光栅的穷举。
为了产生印记，通过根据图29至34、图36、图38、图40、图42、图44、，图46和图48的掩模几何形状获得的凸起(隆脊)衍射光栅结构比代表凹槽的对应互补结构更有效。在相同的压力/压印力下，互补结构将具有比凸起结构小的深度，由此衍射强度也较小。在彼此相邻地定位时，两种结构产生对比度的差异，其中凸起结构被感知为更亮。
根据图27至33和根据图36和37的掩模几何形状也可以制作为闪耀光栅-多个三角形掩模或带状掩模，其具有横跨两个不同带宽度的透射曲线的预定路线/梯度。为了实现根据图36和37的环形光栅结构，当使用多个三角形掩模时，闪耀光栅掩模必须绕预定角度δ逐步旋转。因此，每个圆上的三角形透明区域的数量，即它们在圆弧上的距离，必须根据半径以如下方式来调整：在构造时，与半径和光栅凹槽无关，相同数量的激光脉冲局部地冲击，并且以这种方式，与凹槽半径无关地为微结构获得相同直径的凹槽。利用横跨带的两个宽度具有可变透明度的圆形带状掩模，可以在掩模没有预定旋转的情况下实现圆形闪耀光栅，但是透明度也必须随着光栅凹槽的半径减小而从外部至内部减小，以使得闪耀光栅的结构的深度与光栅凹槽的半径无关。
掩模几何形状的结构尺寸，例如凹槽结构的光栅周期，会影响白光光谱各个波长的衍射级(光栅的照度)可以出现在哪个观察角度下。例如，为了使立方体的3个可见平行四边形表面在相同观察角度下和从相同观察方向在各种颜色中可见，对于衍射光栅结构(例如，凹槽和隆脊)的相同取向，(多个)观察角度的结构周期和所需颜色(例如红色，绿色，蓝色)必须针对立方体的各个可见表面被计算，因此在构造时应不同地选择，以使得构成立方体的三个平行四边形在相同的观察角度和相同的强度下在不同的颜色下被感知。
当用白光照明整个结构化表面时，在基本衍射区域的简单或复杂的组成形状的表面中，在相同的观察方向和相同的观察角度下可见的颜色和强度图案/形状被衍射掩模结构的结构取向和周期施加影响。由此，不但能生成多个彩色图案，而且可以生成彩色图像表示。当倾斜或旋转整个结构化表面时，在彩色图案和彩色图像表示中出现各种对应的颜色和强度变化-这些也可以在一定程度上被预先确定。因此，以这种方式，能通过利用移动件的多个相继移动的结构的圆形排列的线性形式，使移动件的运动看起来像整个结构化表面在倾斜或旋转。
5.5根据本发明的待压印内衬的类型
根据本发明，需要仔细选择箔或内衬以获得期望的结果。后者可以被描述为在箔或内衬中的微压纹的制造，其中当箔或内衬被正常的日光照射时，所述微压纹能够实现良好的对比度和亮度。
已经找到了以下相关类型的内衬的解决方案，包括：
·薄金属箔，例如铝箔，
·由纸和/或塑料层和金属箔构成的层压件，和覆金属纸或覆金属塑料膜或层压件或类似物质。
借助于辊上的凸起的压印元件，和凸起的压印元件上被适当选择的图案/标识-考虑到尺寸和雕刻，本发明在用于下列箔和内衬时产生最佳的结果：
·克重为约20至90g/m2的与纸一起层压的任何金属箔或塑料膜；
·克重为40至90g/m2的覆金属纸或覆金属塑料膜，或厚度为6μm至90μm的覆金属塑料膜；
·所述材料的待压印表面可以未涂覆有或涂覆有漆或滑爽涂料；和
·所述材料的表面可以是无光泽的或明亮的类型的，并且可以是有色的。
应注意的是，对于较高的克重，例如，6.3μm/50g/m2的箔/纸层压件，和例如70g/m2的覆金属纸，约60至80巴的压印压力足以获得非常好的压印结果。
5.6纸张上的彩色印记的质量
以下参数对于在压印的箔和内衬上获得质量良好的感知到的彩色印记是重要的：
·照明的强度，即入射光束的强度，必须至少强得使得反射光的反射零阶R足够强，以便人眼能够看到它具有小舌(uvula)的颜色；
·如图1-26中所示的例子那样，通过由衍射光栅覆盖的整个表面获得的反射表面应该很小，以使得眼睛可能在观看距离看不到它；
·暗部和亮部之间的对比度应至少为1∶4；
·压印后的金属涂层的粗糙度对于反射光的强度和散射是决定性的。高加工压力和不良压印、不够深的雕刻具有相反的效果。

Claims (8)

1.一种用于在薄箔中压印光学上衍射的微结构的方法，所述薄箔例如用于包装以下列表中的至少一种，该列表包括食品、巧克力、口香糖、礼品、珠宝、衣服、烟草制品、药品，压纹是用压印辊机构产生的，所述压印辊机构包括至少一个圆柱形压印辊和弧形反向托辊，该方法包括：
将所述至少一个圆柱形压印辊和所述弧形反向托辊限制在具有相对小的外部尺寸的单个辊架中，所述单个辊架设计成承受所述至少一个圆柱形压印辊和所述弧形反向托辊的压力；
在所述至少一个圆柱形压印辊中的第一个圆柱形压印辊的表面(2)上使用适于微结构压印的至少一个凸起的压印元件(1)，其中所述至少一个凸起的压印元件中的一个包括平台(5)和雕刻在所述平台(5)的顶部上的图案，该平台(5)具有高于与其相邻的所述第一圆柱形压印辊的周围表面5μm至30μm之间的范围内的高度(d)，其中所述图案包括所述光学上衍射的微结构，所述微结构具有在小于30μm的范围内的光栅周期，所述微结构由于处于可见波长范围内的漫射或定向光源而产生衍射图像，所述衍射图像在规定的观察角度中具有高对比度和高发光度；和
相对于约100mm2的平台区域，在小于80巴的范围内调节所述至少一个圆柱形压印辊对所述薄箔的压力。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括从以下列表中的一项或多项中选择所述薄箔，所述列表包括：薄金属箔、由纸和/或至少一塑料层以及具有不同介电行为的至少一金属箔制成的层压件。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述薄箔是包括纸和金属箔或塑料膜的层压件，其克重为约20至90g/m2。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述薄箔是包括覆金属纸或覆金属塑料膜的层压件，并且其具有约40至90g/m2的克重。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述薄箔由铝制成。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在所述至少一个圆柱形压印辊中的另一个圆柱形压印辊的表面上提供宏观图案，所述宏观图案布置成在所述薄箔上压印缎纹宏观结构。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述宏观图案通过压上-压上压印获得。
8.来自以下列表中的一个的薄箔在利用至少一个圆柱形压印辊和弧形反向托辊的压印过程中的应用，该列表至少包括：薄金属箔、由纸和/或至少一塑料层以及至少一金属箔制成的层压件，所述应用包括：
将所述至少一个圆柱形压印辊和所述弧形反向托辊限制在具有相对小的外部尺寸的单个辊架外壳中，所述辊架外壳设计成承受所述至少一个圆柱形压印辊和所述弧形反向托辊的压力；
在所述至少一个圆柱形压印辊的表面上使用适于微结构压印的至少一个凸起的压印元件，其中所述至少一个凸起的压印元件中的一个包括平台和雕刻在所述平台的顶部上的图案，该平台具有高于与其相邻的所述至少一个圆柱形压印辊的周围表面5μm至30μm之间的范围内的高度，其中所述图案包括光学上衍射的微结构，所述微结构具有在小于30μm的范围内的光栅周期，所述微结构由于处于可见波长范围内的漫射或定向光源而产生衍射图像，所述衍射图像在规定的观察角度中具有高对比度和高发光度；和
相对于约100mm2的平台区域，在小于80巴的范围内调节所述至少一个圆柱形压印辊对薄箔的压力。
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