微透鏡陣列防偽膜制備的新方法

孫浩杰， 史 勇

（1. 上海出版印刷高等專(zhuān)科學(xué)校 印刷包裝工程系，上海 200093；2. 上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

基于微透鏡陣列的防偽膜技術(shù)[1]是一種新的防偽技術(shù)，它是在傳統(tǒng)幾何光學(xué)透鏡成像定律的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代微納米光學(xué)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)發(fā)展而來(lái)的。這種技術(shù)具有便于觀察和易于識(shí)別的特點(diǎn)，特別是在光線(xiàn)不足的環(huán)境下也可輕易識(shí)別，因此受到人們的青睞。制作微透鏡陣列是微透鏡陣列防偽膜技術(shù)中關(guān)鍵的一步。近些年來(lái)，制備微透鏡的技術(shù)有很多，主要有光刻膠熱熔成形法[2]、各向異性刻蝕法[3]、離子交換法[4]、激光直寫(xiě)法[5]、空間光調(diào)制法[6]、軟硬膜壓印法[7-10]、灰度掩膜紫外光刻法[11]、反應(yīng)離子束刻蝕法[12]、噴墨法[13]等。反應(yīng)離子束刻蝕法中，離子束的均勻度、溫度效應(yīng)、氣體的選擇等很多因素都直接影響微透鏡陣列的品質(zhì)，工藝較為復(fù)雜[12]；光刻膠熱熔成形法，因?yàn)楣饪棠z的黏度是一定的，不同基材其浸潤(rùn)程度不同，導(dǎo)致所制作的微透鏡陣列的品質(zhì)不同[14]；噴墨法對(duì)儀器的精度和樹(shù)脂本身的特性要求都非常高，成本較高[13,15]；灰度掩膜法在配制溶膠凝膠溶液時(shí)需花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，各物質(zhì)之間的配比要嚴(yán)格控制，成本高，且不適合批量生產(chǎn)[16]。Fritze等[17]和黃校軍等[18]利用飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)在鎳板上制作微透鏡陣列，配合壓印技術(shù)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，但是微透鏡的形貌觀感和一致性尚需提高，而且模壓的溫度在139 ℃以上，對(duì)于基材的選型限制較大。張嘉元[19]利用熱熔法制作的微透鏡陣列防偽膜，精度較高，效果較好，基材的下表面是采用離子束濺射鍍膜技術(shù)和紫外壓印技術(shù)制備的濾光片陣列，這種防偽膜能顯示較為豐富的顏色，但工藝較為復(fù)雜，對(duì)于過(guò)程控制要求嚴(yán)格。范廣飛[20]利用光敏記錄層加微透鏡陣列層的方式制作防偽膜，光敏記錄層上圖像加工的手段較單一，光敏記錄層是多層的薄膜結(jié)構(gòu)，加工精度要求很高。

為了解決以上問(wèn)題，本文提出制備微透鏡陣列防偽膜的新方法。該方法通過(guò)光刻膠熱熔成形法和烘烤工序制備及復(fù)制微透鏡陣列，再通過(guò)曝光和顯影方法在微透鏡陣列的PET膜背面做微縮文字陣列，可在同一片PET膜的正背面分別制備出微透鏡陣列和微縮文字陣列，得到具有雙面結(jié)構(gòu)的微透鏡陣列防偽膜。

1 實(shí)驗(yàn)仿真

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

采用PET（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯）作為基材，光刻膠是AZ MIR-700系列中高解像度I線(xiàn)正性光刻膠AZ MIR-703。選取SU-8負(fù)性光刻膠復(fù)制微透鏡陣列。選取250 W的紫外高壓汞燈作為曝光光源，光譜能量分布中心波長(zhǎng)為365 nm，曝光平臺(tái)距離光源102 mm。掩膜版采用正六邊形排列的正六邊形掩膜，如圖1所示，單個(gè)六邊形的外接圓直徑為60 μm，兩個(gè)六邊形邊與邊之間的距離為 10 μm。

圖1 掩膜版幾何示意圖Fig. 1 Geometric diagram of the mask plate

1.2 微透鏡陣列的制備和復(fù)制

在K9玻璃基片上旋涂AZ MIR-703光刻膠，之后在110 ℃的烘箱里對(duì)光刻膠進(jìn)行烘烤。取出烘干的K9玻璃基片，將帶有預(yù)設(shè)圖案的掩膜版放在K9玻璃基片上，用搭建的曝光系統(tǒng)進(jìn)行曝光，并顯影，吹干。獲得K9玻璃基片上棱柱狀的陣列結(jié)構(gòu)，然后將其放入烘箱，以140 ℃的溫度烘烤45 min，由于表面張力作用，光刻膠棱柱結(jié)構(gòu)上表面在坍塌時(shí)形成球面狀，光刻膠微透鏡陣列完成，如圖 2（a）所示。

將聚二甲基硅氧烷PDMS（Polydimethylsiloxane）和固化劑，按體積比1∶10的比例混合均勻，傾倒至微透鏡陣列上，再將其放到熱臺(tái)上以100 ℃的溫度加熱90 min左右。當(dāng)PDMS固化好后，將其揭下，得到完整的PDMS微透鏡陣列倒模，如圖2所示。

在PDMS微透鏡陣列倒模的凹槽填滿(mǎn)SU-8光刻膠，然后將PET（Polyester）膜覆在PDMS上面，曝光，待其冷卻固化后，揭下PDMS，得到帶有微透鏡陣列的PET膜，如圖3所示。

圖2 PDMS微透鏡陣列倒模Fig.2 Inverted mode of the PDMS microlens array

圖3 利用PDMS和PET復(fù)制微透鏡陣列Fig.3 Copying microlens array by use of PDMS and PET

1.3 微縮文字陣列制備

在微透鏡陣列的PET膜背面做微縮文字陣列，微縮文字陣列掩膜版的設(shè)計(jì)方法和微透鏡陣列掩膜版相同，并確定微縮文字陣列的周期和單個(gè)微縮文字的尺寸。將PET膜固定在玻璃基片上，然后將玻璃基片吸附在勻膠機(jī)上進(jìn)行勻膠，如圖4所示，勻膠結(jié)束后將PET膜放在95 ℃加熱臺(tái)上加熱固化60 min。

待AZ 1500光刻膠干后，將掩膜版放在膜表面，用搭建的曝光系統(tǒng)進(jìn)行曝光，取出曝光后的PET膜用顯影液顯影并吹干，獲得PET膜上的微縮文字陣列，即可得到具有雙面結(jié)構(gòu)的微透鏡陣列防偽膜。

2 樣品表征

利用金相顯微鏡觀察熱熔后的微透鏡陣列的表面，如圖5所示?？梢钥吹轿⑼哥R熱熔后的表面，圖中的六邊形邊角分明，六邊形與六邊形之間的間隔很明顯，整個(gè)陣列結(jié)構(gòu)分布十分清晰且均勻。

利用金相顯微鏡觀察微縮文字陣列膜，可顯現(xiàn)微縮文字陣列的形貌，如圖6所示，微縮文字陣列排列規(guī)則，顯影效果較為清晰，能夠分辨出文字的具體內(nèi)容。

圖5 熱熔后微透鏡陣列的表面Fig. 5 Surface of the microlens array after thermal melting

圖6 微縮文字陣列圖Fig. 6 Microtext array diagram

微透鏡陣列防偽膜的最終效果，如圖7所示，可以看出基材背后的微縮文字陣列在基材前表面的微透鏡陣列的作用下，具有了很好的立體效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期。

圖7 微透鏡陣列防偽膜最終效果圖Fig. 7 Final effect of anti-counterfeiting membrane in the microlens array

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 莫爾放大作用的驗(yàn)證

將微透鏡陣列和微縮文字看成兩個(gè)有一定周期結(jié)構(gòu)的光柵，當(dāng)兩光柵夾角為0時(shí)，不產(chǎn)生莫爾條紋；當(dāng)兩光柵的夾角很小時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生明顯的莫爾條紋放大作用。由于微透鏡陣列對(duì)微縮文字的莫爾放大作用[1]，就可以產(chǎn)生特殊的視覺(jué)效果。

因此，將兩片帶有微透鏡陣列的防偽膜重合在一起，可以觀察到在兩片防偽膜相互移動(dòng)的過(guò)程中，由于莫爾放大作用的存在，原來(lái)防偽膜上肉眼觀察不清楚的微透鏡陣列，清晰地呈現(xiàn)在眼前而不需要借助額外的儀器。如圖8所示，圖中的微透鏡陣列均勻有序地排列，隨著兩片防偽膜相互之間位置的不同，放大的倍率也不相同，眼睛觀察到的微透鏡陣列的尺寸也不相同。

3.2 幾何結(jié)構(gòu)尺寸的測(cè)量

借助Bruker公司的三維白光輪廓儀GTK0-X進(jìn)一步測(cè)量微透鏡陣列具體的形貌和尺寸，并以3D圖形直觀呈現(xiàn)，有助于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。圖9是白光輪廓儀選用50倍的物鏡下，微透鏡陣列的表面輪廓圖。從圖9可看出微透鏡陣列表面形貌基本相同。

圖8 微透鏡陣列的莫爾放大作用Fig. 8 Moire amplification of the microlens array

圖9 微透鏡陣列表面的輪廓圖Fig. 9 Profile of the microlens array surface

在軟件界面可以測(cè)量微透鏡的高度和微透鏡底面六邊形外接圓的直徑（以下簡(jiǎn)稱(chēng)微透鏡底面直徑）。如圖10所示，在防偽膜正中心位置，選取采樣區(qū)域，每個(gè)區(qū)域中有若干個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)著一個(gè)微透鏡。圖10（a）顯示的是微透鏡高度的測(cè)量，通過(guò)拉動(dòng)圖中紅、綠箭頭分別置于微透鏡的中心和邊緣處，即為所要測(cè)量的微透鏡的高度。圖10（b）顯示的是微透鏡底面直徑的測(cè)量，通過(guò)拉動(dòng)圖中的紅、綠箭頭分別置于六邊形的兩個(gè)對(duì)角點(diǎn)，即為所要測(cè)的微透鏡的直徑。

根據(jù)以上的方法，選取其中8個(gè)微透鏡并測(cè)量其高度值和其底面直徑值，并記錄數(shù)據(jù)和繪制數(shù)據(jù)圖。如圖11所示，橫坐標(biāo)表示中心采樣區(qū)域的8個(gè)采樣點(diǎn)處的微透鏡，縱坐標(biāo)是高度或者底面直徑的數(shù)值，單位是μm。從數(shù)值的變化趨勢(shì)可以看出，微透鏡底面直徑的尺寸變化和微透鏡高度的變化都較為平緩，說(shuō)明制備的微透鏡陣列的均勻性較好。

同樣方法，選取5個(gè)采樣區(qū)域，如圖12所示。5個(gè)采樣區(qū)域的微透鏡底面直徑的散點(diǎn)圖顯示：微透鏡底面直徑的變化較小，基本在58.5～62 μm的范圍內(nèi)；微透鏡高度變化也很小，基本在15～19 μm范圍內(nèi)。這個(gè)結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明制備的微透鏡陣列的均勻性較好。

圖10 微透鏡陣列結(jié)構(gòu)尺寸的測(cè)量圖Fig.10 Measurement of the structural dimensions of microlens array

圖11 中心采樣區(qū)透鏡尺寸圖Fig. 11 Size of the central sampling area lens

圖12 5個(gè)采樣區(qū)微透鏡底面直徑散點(diǎn)圖Fig. 12 Dispersion of the diameter of bottom surface of the micropermeable mirror in five sampling areas

4 結(jié) 論

介紹了一種微透鏡陣列防偽膜制備的簡(jiǎn)便新方法。先通過(guò)光刻膠熱熔成形法和烘烤工序制備及復(fù)制微透鏡陣列，再通過(guò)曝光和顯影方法在微透鏡陣列的PET膜背面做微縮文字陣列。本實(shí)驗(yàn)中防偽膜反面的微縮文字陣列也是用光刻的方式制作，這就使得微透鏡陣列防偽膜雙面結(jié)構(gòu)的制備使用同一種工藝，減小了實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜度。實(shí)驗(yàn)表征和分析表明，這種方法工藝簡(jiǎn)單，對(duì)材料和設(shè)備的要求不高，工藝參數(shù)穩(wěn)定易于控制，而且不受器件材料的限制。制備的微透鏡陣列防偽膜經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證效果明顯，均勻性好。