微结构上图案化的纳米结构
阅读说明：本技术 微结构上图案化的纳米结构 (Microstructured patterned nanostructures ) 是由 穆赫辛·凯沙瓦·阿克拉吉 克林特·兰德罗克 于 2019-01-17 设计创作，主要内容包括：本发明描述了光学元件或显示器,所述光学元件或显示器使用在它们上面共形地形成的微结构和纳米结构,所述微结构和纳米结构用于产生光学效果。这样的元件和显示器可以有利于诸如显示和防伪的应用。(Optical elements or displays are described that use micro-and nanostructures conformally formed thereon for producing optical effects. Such elements and displays may be advantageous for applications such as display and anti-counterfeiting.)
技术领域
本发明通常涉及光学元件，特别是涉及使用微结构和纳米结构的光学显示，该微结构和纳米结构用于产生对应用(例如显示和防伪)有利的光学效果。
背景技术
典型的非相干光频率或可见光是真空波长在400至700纳米范围内的电磁辐射，相干长度小于大约10μm。波长范围和相干长度提供了可以与光学部件上的结构特征尺寸相比较的尺寸标度。当光学部件的最小特征尺寸大于波长和相干长度时，可见光与光学部件的相互作用能够通过考虑光的反射和折射来理解。通过控制形状、尺寸和材料，反射和折射能够用于设计具有各种结构和功能的光学部件(例如透镜、镜子、窗户、后向反射镜、滤光片、棱镜等)。
这种光学部件中的最小的一些在微光学领域中。显示是微光学部件的典型应用。例如，漫射片或双凸透镜结构用于建立具有用于液晶显示器的所希望属性的背光，而双凸透镜用于建立3D显示。
一些微光学部件能够产生普通物体不能展现的光学效果。例如，微光学部件可以显示看起来运动的图像，或者显示打开和关闭的图像(也可选择，变得更可见和更不可见)，或者显示颜色变化的图像。这些光学效果可能很难通过普通成像技术来复制，例如照相、复印机或打印机。因此，这种微光学部件能够用于保护重要文件防止伪造。这些文件包括钞票、护照、活动票、身份证、证书等。当用户与这些文件相互作用时，防伪光学装置显示内容，用户可以从该内容来保证确文件是真实的。防伪光学装置还用作未授权人员复制原始文件的障碍。除了保护文件外，还能够以类似方式来保护或提高商品和品牌。这种光学装置可以用作公开的安全特征，其中，验证者(或用户)不需要任何特殊的验证装置来验证真实性。这种光学装置也可以用作装置辅助的安全特征，其中，验证工具或机器用于读取人眼通常看不见的光学编码信息。
很多可用的微光学防伪装置依赖于微透镜或微镜阵列。例如，一种方法采用微透镜阵列来显示单色图标或条，当验证者(或用户)倾斜安全特征时，该单色图标或条似乎在运动。另一实例依赖于工程微镜来显示简单的几何形状，例如实心矩形，它的位置随安全功能部件的倾斜而移动。基于微透镜的特征具有在20μm范围内的典型厚度，因此可能不适合用于在薄安全文件(如钞票)上表面安装。基于微镜的特征能够制造为更薄，但是它们通常对于设计最终光学效果提供有限空间。
制造这种微光学装置的方法为公知，并认为是工业中的标准。光学设计人员设计装置的结构，包括结构轮廓、材料和层。然后，使用各种微制造方法来制造具有所需表面轮廓的母模。这些方法可以包括光刻、蚀刻、微机械加工、激光烧蚀、离子铣削或者熟悉该领域的技术人员已知的任何类似方法。在母晶片上得到的表面轮廓或图案可以使用例如浇铸或压花技术而在更大片材上重新组合或重复。通过重新组合而制造的较大的母片或薄片可以在浇铸或压花机中轧制，该浇铸或压花机能够将图案复制在介质例如塑料薄板上。还能够施加附加的涂层和层，例如金属、粘接剂和清漆，以便形成最终产品。母模的设计和创作通常是非常昂贵的处理，但是对于大批量生产，所有随后的重复和复制处理使得每件最终产品的成本达到很低水平。
当光学部件的至少一个尺寸小于相干长度时，可见光与物体的相互作用可能除了反射和折射之外还导致光干涉和衍射。干涉(构造性或破坏性)长期用于创建滤光器和涂层。衍射长期用于光学仪器例如光谱分析仪中。由于典型的日常可见光的相干长度小于大约10μm，因此在普通照明条件下(也就是在没有激光或相干光源的情况下)观察到干涉和衍射表明与光相互作用的物体有至少一个尺寸小于大约10μm。使用干涉或衍射来显示视觉内容的光学部件可以用作光学防伪装置。这是因为小于大约10μm的尺寸超出了能够由很多普通的成像技术和仪器来精确控制的尺寸范围。
在该尺寸范围内有两种重要类型的光学防伪装置：变色膜和表面全息图。变色膜是由电介质、金属或它们的组合来制造的分层扁平结构。由在层边界处的光反射和折射引起的干涉形成滤光器，该滤光器的颜色随着观察角度而变化。这里，小于入射光的相干长度的尺寸是沿垂直方向(即层的厚度)。一个实例采用光学薄膜技术来保证钞票。这里，关键的挑战是以纳米精度来控制沉积层的厚度，否则薄膜将显示与设计颜色不同的颜色。这样的控制使得大规模制造困难，且最终产品相对昂贵。表面全息图是由金属或电介质覆盖的平面纹理表面，该金属或电介质折射率高于周围介质的折射率。纹理的空间周期性分量小于入射光的相干长度，但是大于波长的一半。由这种表面产生的衍射图案能够显示静态图像，该静态图像的颜色和强度随观察角度而变化。这样的结构还可以显示单色或真彩色的3D图像、动画、图像转换等。这种装置的实例是在***上常见的全息图。表面全息图在本质上和结构上与微光学部件不同，因此它们需要不同的技术来制造母模。不过，两者的批量生产可以通过浇铸、压花和涂覆的类似处理步骤来实现。基于全息图的安全特征认为不太可靠，因为激光全息图领域的技术进步使得全息图更容易由公众得到。
微光学部件的大多数功能能够使用射线或几何光学(将光处理为射线，并能够计算射线的传播方向和效率)来理解和设计。如上所述的干涉和衍射分析可以使用波(或物理)光学装置来完成。不过，当物体的所有尺寸都接近入射光的波长或是更小值时，通常需要麦克斯韦方程组的全解来正确介绍涉及的物理学。由于可见光的波长在亚微米范围内(即在纳米范围内)，因此可见光与这些小物体的相互作用存在于纳米光学领域中。例如，光子晶体是亚波长特征的空间结构，该亚波长特征导致有趣的光学现象，例如，产生光子带间隙、空腔和波导。另一实例是亚波长特征在金属介质中的空间结构，以便能够激发等离子体。等离子体的激发导致光学现象，例如增强或减弱的散射、吸收、反射、透射等。纳米光学现象可以导致能通过肉眼或仪器来观察的异常宏观效果，并因此可以找到在光学安全装置中的应用。这样的实例依赖于由纳米特征的周期性结构而导致的衍射，以便显示反射光学安全特征。这种装置的另一实例有利于表面等离子体的激发，以便显示透射光学安全特征。
发明内容
本发明通常涉及一种新颖的光学装置。例如，这种光学装置可以找到在显示器和防伪装置中的应用。
在本发明的广义方面，一种光学装置包括：平面形基板；多个微结构，这些微结构在平面形基板的至少一部分上制造；以及多个纳米结构，这些纳米结构与微结构的至少一部分共形，以便由入射光产生结构颜色。在所有实施例中，微结构设置成将入射在纳米结构上的光引导至在光学装置上面或下面的空间，该微结构的厚度小于50μm和大于1μm，且纳米结构的至少一个特征尺寸小于500μm。
在本发明的另一广义方面，一种光学装置包括形成在基板上的表面特征，该表面特征的平面内特征尺寸为2μm或更大，高度变化为几微米至50μm，从而确定了微表面，且该表面特征有纹理和涂层，该纹理和涂层与所述表面的至少一部分共形，并有500nm或更小的三维最小特征尺寸，从而确定了多个纳米结构。
在本发明的另一广义方面，一种光学装置包括：平面形基板；多个微尺寸表面特征，这些微尺寸表面特征从平面形基板的平面延伸，且高度变化小于50μm和大于1μm，从而确定了多个微结构；以及用于对入射光产生光学效果的结构性装置，该结构性装置形成在微表面上，并与微表面的一些或全部特征共形。在一个实施例中，光学效果能够是等离子体光学效果。在另一实施例中，光学效果能够是衍射光学效果。
在本发明的另一广义方面，一种用于形成光学装置的方法包括：在模具上形成多个微表面特征，这些微表面特征从模具的平面延伸小于50μm和大于1μm，从而确定了多个微表面；在微结构的微表面上形成多个结构特征，这些结构特征有小于500nm的至少一个特征尺寸，以便形成纳米结构；以及使用模具来在单独的装置基板上压印所述微结构和纳米结构。
本发明的其它方面在下面对本发明的详细说明中阐述。
附图说明
图1是现有技术的光学装置的示意图。
图2是包括微结构的光学装置的示意图，该微结构包括在其上共形的纳米结构。
图3(a)和3(b)是等离子体光学装置的示意图。
图4是包括微结构的另一光学装置的示意图，该微结构有等离子体像素，它产生与图3中不同的光学效果。
图5是包括微结构的另一光学装置的示意图，该微结构有等离子体像素，它产生与图3和图4中不同的光学效果。
图6是包括微结构的另一光学装置的示意图，该微结构有等离子体像素，它产生与图3、图4和图5中不同的光学效果。
图7(a)和7(b)包括与衍射表面相互作用的入射光的示意图。
图8包括与衍射表面的另一实施例相互作用的入射光的示意图。
图9包括实际装置的放大图，该实际装置包括微结构和等离子体纳米结构。
图10包括装置的图像，该装置包括微结构和等离子体纳米结构。
图11是图10中所示的装置的放大图。
图12是包括微结构和衍射纳米结构的装置的图像。
图13包括实际装置的放大图，该实际装置包括微结构和等离子体纳米结构。
具体实施方式
图1以近似相同尺寸比例表示了相关现有技术光学装置的各个总体方面。图1(a)表示了常规微光学装置10，该微光学装置10使用微透镜12来将微墨印刷物14成像给从顶部观察该装置的用户。通过使用透明垫片层16，微墨印刷物布置在离透镜一定距离处。离开墨反射并与垫片物理耦合的光通过垫片和通过微透镜来透射。图1(b)表示了另一常规微光学装置20，该微光学装置20使用布置在基板24上的微镜22来向从顶部观察该装置的用户显示视觉内容。图1(a)和(b)的装置都基于光的反射和折射来工作。图1(c)表示了另一常规装置30，该装置30包括布置在基板34上的一个或多个薄膜层32。该装置基于光学干涉效应来工作。图1(d)表示了另一常规装置40，该装置40包括布置在基板44上的微米或纳米纹理42。该装置可以基于各种光学效果来工作，例如衍射、等离子体(例如由等离子体结构和材料所产生)、光子(例如由光子晶体所产生)、光导和光学天线等。图1中所示的装置的尺寸为大致近似，且附图并不将在描述特殊装置。不过，图1表示和比较了基于上述不同物理原理来工作的现有技术装置结构特征的典型范围。图1是核心光学元件的视图，实际上，所示装置可以有附加层(例如保护漆、粘接剂、释放层等)。
图1(a)和(b)中的微透镜和微镜装置的核心元件是非平坦，也就是，它们有明显的厚度变化，该厚度变化在垫片或基板的上面。尽管厚度变化可能只有几微米，但正是这种厚度变化使得装置能够有光学功能。相比较，图1(c)的装置的薄膜和图1(d)的装置的表面基本接***坦。因此显然，图1中所示的现有技术装置能够分成两个结构类别。在第一类中，装置中的功能元件是非平坦表面，具有几微米或更大的厚度变化(例如图1(a)和(b)中所示)。这些装置不包含任何另外的微纹理或纳米纹理，例如图1(d)的纹理。在第二类中，装置中的功能元件为平坦或接***坦(例如图1(c)和1(d)中所示)。这种装置没有几微米或更大的厚度变化。下面所述的光学装置(类似于第一类)可以有非平坦核心功能元件，具有几微米或更大的高度变化。不过，它们还包括亚微米尺寸的特征，类似于第二类。在这里所述的所有装置中，垫片或基板确定了用于装置的平面(该平面可以但并不必须是严格的平面形；该平面可以是基本为平面，具有在更大尺度上可察觉的弯曲或曲率)。
图2以与图1相同的尺寸比例表示了根据本发明实施例的光学装置100的示意图。尺寸大致近似，该图并不意味着描述用于特殊应用的特殊装置设计。图2有助于阐明公开的发明与图1所示的现有技术光学装置相比的一些结构差异。图2的光学装置包括遍布在装置的功能表面上的微结构和纳米结构。具体地说，两种不同形状的微结构102、104表示为提供于基板106上。(在下文中，术语“基板”将用于还包括如上所述的垫片层，更通常是包括可以直接或间接地在上面形成或支承光学结构的任何结构。)微结构有表面(“微表面”)，纳米结构108、110形成在该表面上。在一个方面，图2的装置包括表面上类似于图1(a)和1(b)的装置：两者都有非平坦功能元件，该非平坦功能元件有几微米或更大的高度变化。在另一方面，图2的装置在表面上类似于图1(d)的装置：两者都有功能元件，该功能元件包括亚微米特征。不过，如下面所述，图2的装置的结构、物理和光学功能遍布适合现有技术的装置类别。最终装置可以包括图2中未示出的结构，例如附加层(如保护层)、粘接剂层，折射率匹配层等；但是该装置的主要功能将由与图2中所示类似的功能元件来确定。
下面介绍可通过公开的光学结构来实现的设想光学效果的一些实例。这些应当认为是结构能够提供的范例功能，且这些实例并不意味着对这些结构将来可能提供的光学效果/功能的任何限制。在下面的说明中，结构的尺度很重要。在大尺度上，该装置类似于平面结构，具有肉眼不容易看到微结构和纳米结构。在这个尺度上，装置可能看起来是平面形(尽管装置可以是柔性，并可能易于弯曲)，且当在后面的权利要求中使用时，术语“平面形”或“大致平面形”是指这样的大尺度特征，除非另外说明。在更小尺度上，微结构是可见(通常利用一些放大仪器)。下面所述的很多微结构在该尺度上并不是平面形，而是三维形。这种微结构的示例尺寸和形状将在后面介绍，但是通常，微结构层的厚度小于50μm和大于1μm。在更小的尺度上，纳米结构变得可见(例如纳米孔、纳米柱、纳米狭缝、纳米盘等)。这些纳米结构自身是三维。根据特殊实施例和应用，纳米结构可以与微结构的全部或一部分连续或以分段的方式共形。下面介绍了这种纳米结构的示例尺寸和形状，但是通常，纳米结构有小于500nm的至少一个特征尺寸。
图3(b)表示了采用等离子体纳米结构108的本发明实施例，该等离子体纳米结构108与微结构102共形，且图3(a)表示了当可见的入射光与平坦等离子体表面相互作用时可能发生的情况。等离子体表面通常由在金属薄膜中(厚度<0.3μm)的金属纳米颗粒、纳米穿孔或纳米天线的结构来制造。该结构可以是周期性地有任何晶胞形状，或者可以是非周期性。颗粒或穿孔可以有任何三维形状，其中，最小特征尺寸为0.5μm或更小。金属可以是铝、金、银、铜、铬、镍或者任何金属或金属合金(对于等离子体应用的规格足够好)。在这些颗粒或穿孔之间的典型平均距离可以在小于入射光的波长的范围内(小于～1.0μm)。对于这些尺寸范围和对于合适设计的结构，等离子体表面可以更多地用作镜状滤波器(与平面衍射表面相比)。也就是，入射光通过等离子体的激发被吸收、透射或反射，且这种现象比衍射更高效地发生。本说明书概述了在本文件中“等离子体表面”的定义。
因为等离子体的激发、它们的特性以及从光它们发射都与波长相关，所以从等离子体表面反射和透射的可见白光有一定的颜色和强度。根据等离子体表面的设计(或几何形状、表面结构或材料)，颜色和强度都变化。大表面能够分成很多像素，各像素利用不同的等离子体结构来不同着色，以便在反射和/或透射中显示可视觉观察的内容。在等离子体表面上显示内容的这种方法主要在学术出版物中报道(例如见Shawn J.Tan等人的PlasmonicColor Palettes for Photorealistic Printing with Aluminum Nanostructures，NanoLetters，v14，p4023，2014)。迄今为止，所有这些报告的一个共同特征是它们是平坦的等离子体表面。也就是，它们在结构上类似于图1(d)或图3(a)所示的装置。
从平坦等离子体表面的反射可以是镜面(即镜状，见图3(a))。因此，较大的平面形等离子体表面看起来非常像镜：当它不直接将入射光反射至观察者的眼睛时，它看起来太暗；当它直接将入射光反射至观察者的眼睛时，它看起来太亮。这种镜状特征使得观察上述等离子体内容非常不愉快，且使得这些内容的应用实际上很难。对于反射等离子体显示器特别是这样。最好的反射显示器(例如常规的纸张和墨)应当有漫射特性，否则它们看起来太光泽而难以使用。
本发明实施例解决了这个问题。图3(b)表示了该结构。这里，使等离子体表面制成为与微表面共形，该微表面对应于一个或多个非平坦的微结构102，与在平坦或平面形基板上形成的等离子体表面(如图3(a)中所示)相反。在整个文件中，“微表面”通常是指厚度小于50微米和大于1微米的微结构层。在图2中表示了两个不同微表面的实例，它们对应于微结构102、104的表面。在图3(b)的装置中，颜色产生机构是通过等离子体表面的作用，但是等离子体内容的视角由微表面的设计来决定。对于图3(b)的特殊实例，微表面的功能是将反射光漫射在较大角度分布上，以便将来自平面等离子体表面的镜状反射转换成更加扩散类型的反射。因此，通过调整微表面，该实施例能够使用等离子体颜色来创建具有所希望光泽的显示。在该装置中，微表面设计的变化能够导致等离子装置的外观类似于其它更普通的物体，例如在纸表面上的印刷墨、不同类型的染料或油漆(例如，单调、半光泽、光泽、金属化等)、不同类型的有色透明表面(类似于彩色玻璃)(例如透明、无光泽等)、不同类型的幻灯片(例如透明、无光泽等)等。微表面的光学功能可以通过使用市场上可获得的光线跟踪软件来精确设计。通常，表面越平滑(越粗糙)，最终装置就预计越有光泽(越无光泽)。在相同装置中，等离子体结构的变化能够导致等离子体装置显示对不同应用有利的不同内容。本文的大部分视图是装置结构的二维横截面。实际装置的微表面可以采用落入规定尺寸内的任何任意凸形或凹形三维形状。图3(b)表示了具有弓形横截面形状的微表面的实施例。这些可以对应于的三维形状是柱形或者有重复的圆顶形状或多个球形形状部分。还能够是其它多种弓形表面。
本发明的另一实施例在图4中表示。在该实施例中，微表面成形为棱锥形状(例如棱锥、楔形或三棱柱)。具有提供图像#1内容的像素的等离子体表面112与棱锥的一个面共形，且具有提供图像#2内容的像素的第二等离子体表面114与棱锥的另一面共形。入射光从棱锥的两个面的镜面反射展示了可由观察者#1看到的图像#1内容以及可由观察者#2看到的图像#2内容。因此，固定在文件或产品上的装置由观察者看起来是能够通过样品倾斜(或者以其它方式改变视角或改变入射光的方向)而从图像#1转换至图像#2。图像#2可能为空白，结果将是显示图像#1的装置通过样品倾斜而打开和关闭。图像#1和#2的面可以通过两种不同类型的等离子体结构而均匀图案化，结果将是显示等离子体颜色#1的装置转换成等离子体颜色#2。两个观察者可以是单个位观察者的两只眼睛，等离子体内容可以包含单个场景/对象的两个透视图；在这种情况下，该装置产生深度幻觉，与当前的三维电视或影院类似。编码图像的数量和它们的观察角度能够通过设计所采用的微表面来选择。显示的内容能够通过利用与微表面共形的等离子体表面来选择。在该实施例中所述的本发明和得到的平台能够产生具有较强不对称性的光学效果；且由于这些效果很少能够通过其它技术来产生，因此该装置有利于用作光学防伪安全特征。
本发明的另一实施例在图5中表示。这里，微表面有至少三个平面(例如平截头体或截头棱锥)。具有提供图像#1内容的像素的等离子体表面118与一个面共形，具有提供图像#2内容的像素的第二等离子体表面120与第二面共形，且具有提供图像#3内容的像素的第三等离子体表面122与第三面共形。入射光从三个面的镜面反射展示了可由观察者#1至#3看到的图像#1至图像#3的内容。因此，固定在文件或产品上的装置由观察者看起来是能够通过样品倾斜而从图像#1转换至图像#3。
如由图4和图5所示，微表面的面数量能够扩展。因此，编码图像的数量可以通过增加微表面的面数量来增加。面数量的增加可能导致相应等离子体表面的像素尺寸减小。这种高面密度微表面的各图像都能够保有动画帧；且生成的样品能够表示通过样品倾斜而显示的动画。根据微结构和纳米结构的光学设计，动画可能显示为二维或三维。用于该实施例的微表面能够是分段线性三维形状，以便使得帧显示保持最大分离，或者是弯曲三维形状，以便帮助显示平滑的动画。
图6表示了本发明的另一实施例。该装置在结构上类似于图4的装置，但是光学功能不同：观察者而不是看反射光，而是看透射光。因为入射光#1和#2穿过图像#1和#2的等离子体像素124、126，所以观察者#1和#2分别看见图像#1和#2的内容。因此，固定在透明平面形基板128上和透射观察的装置由观察者看起来是能够通过样品倾斜而从图像#1转换至图像#2。这样的装置可以安装在聚合物钞票上、开窗钞票上、附接在产品上的透明标签上、或其它类似的材料上，以便保护它们防止假冒活动。编码图像的数量和它们的观察角度能够通过设计所采用的微表面来选择。显示的内容能够通过利用与微表面共形的合适等离子体表面来选择。内容能够是从复杂图像到简单颜色的任何内容。显示的内容能够是任何内容，从简单的颜色切换或转换到在复杂图像之间的切换，再到流畅的动画。
图7(a)表示了当入射光与平坦衍射表面相互作用时可能发生的情况。这种表面能够由金属或电介质纳米颗粒(或结构，例如纳米柱)或纳米穿孔(或纳米孔或柱或光栅)在金属或电介质薄膜(厚度<0.3μm)中的布置来制造。纳米结构的布置能够是周期性，具有任何单元形状。颗粒或穿孔可以有任何三维形状，具有1.0μm或更小的特征尺寸。金属可以是铝、金、银、铜或任何其它金属。电介质可以是树脂、塑料、SiO2、Nb2O5、TiO2、ZnS或其它折射率与周围层折射率不同的材料。布置的周期接近入射光的波长范围(大于～0.3μm和小于-1.0μm)。构成阵列的所有粒子/穿孔可以有相同形状，或者它们可以有不同的形状和尺寸。对于这些尺寸范围，为了合适设计结构，衍射表面将入射可见光的光谱分散成彩虹状光谱(也就是衍射级，图7(a)中表示了其中的一个)。本说明书概括了在整个文件中“衍射表面”的定义。
因为平坦衍射表面将入射光分散至它的光谱内容中，因此表面由观察者在合适固定角度处看起来是彩色。对于特殊的入射角和观察角，感知的颜色取决于衍射表面的设计(或几何形状)。较大衍射表面能够分为很多像素，各像素填充有不同的衍射结构。这种表面能够显示不同内容，范围为从单色的单图像到全彩色三维图像。这种图像的颜色取决于观察角和入射光角。这种装置通过显示随样品倾斜的颜色变化或者通过显示图像开关、或者通过显示三维图像或其它视觉效果而找到了用于光学防伪装置的应用。对于在固定入射光作用下的平坦衍射表面(例如没有微结构(例如图1(a)和1(b)的微结构)的表面)，调整衍射角通常需要改变衍射纳米结构或微结构的设计。
本发明的另一实施例在图7(b)中表示。这里，衍射表面与微表面共形，该微表面有一个或多个微结构。可以通过图7(b)中所示装置而获得的光学效果与可以通过图7(a)中所示装置而获得的光学效果相反。在图7(b)所示的装置中，颜色产生机构通过衍射表面的工作来实现，但是衍射内容的视角由微表面的设计和衍射表面的设计来决定。对于图7(b)的特殊实例，微表面提供两个平面。图像#1的像素通过使得相应衍射表面130与表面#1共形而制造，图像#2的像素通过使得第二衍射表面132与表面#2共形而制造。两个面与平面形基板134形成的角度提供了自由度，利用该自由度，两个衍射面的内容能够在空间上分离。因此，观察者#1看见图像#1的内容，而观察者#2看见图像#2的内容。通俗地说，在相同照明条件下同时看装置的两个观察者可以看见具有不同颜色的两个不同图像。因此，固定在文件或产品上的装置由观察者看起来是能够通过样品倾斜而从图像#1转换至图像#2。编码图像的数量和它们的观察角度能够通过设计合适三维微表面和与它共形的衍射表面而变化。该装置可以显示在衍射内容、动画，三维内容或这些光学效果的组合之间的离散转换。
本发明的另一实施例在图8中表示。这里，衍射表面140与形成在基板138上的微表面142共形，且合适设计成使得衍射射线大量漫射。因此，衍射光看起来是散射光，而不是如图7(a)所示的镜面。与本发明的平坦衍射表面装置(例如图7(a)的装置)相比，图8的装置显示更加漫射的内容。因此，该装置可以看起来是普通纸上的打印物，但是由高光标记来制造，而并不像普通的平坦衍射表面装置可能看起来那样闪现。对于该实施例的装置，特别感兴趣的是周期性在～0.3μm和0.5μm之间衍射表面。对于该周期范围，衍射光的光谱可能缺少光谱的红侧；这帮助装置设计人员在创建有意义的内容时管理漫射衍射。
图9(包括图9(a)和图9(b))是使用本发明制造的实际装置的实例。图9表示了母模的扫描电子显微镜图像，该母模有微表面152和与其它形的等离子体表面150。在该特殊实例中，母模的材料是硅，微表面被设计成柱形切口，具有30μm的宽度和4μm的高度；且等离子体像素设计为纳米孔156的六边形阵列154，具有小于0.4μm的周期性、小于0.3μm的孔径以及～0.15μm的孔深度。图9(b)是相同母模的放大(更大倍数)的扫描电子显微镜图像。在这种尺度下，能够清楚地看见各个纳米孔和它们与微表面的共形。
图9的装置的制造方法包括本领域技术人员公知的微制造和纳米制造步骤。图9的特殊装置的制造开始于抛光的硅晶片。晶片清洁可能存在于表面上的灰尘和污染物(例如有机材料等)。清洁的晶片由较厚层的电子束抗蚀剂来涂覆。然后，涂覆晶片使用电子束光刻机而暴光于微结构的图案。一些更典型的烘烤和显影步骤产生了在硅晶片的抗蚀剂涂层中的微结构图案。这种软图案通过使用干蚀刻机而转印至硬硅上。一些化学清洁和烘烤的更多步骤除去多余的抗蚀剂，并留下清洁硅晶片，该清洁硅晶片上有设计的微结构表面图案。然后，该晶片再涂覆薄层的电子抗蚀剂。然后，重新涂覆的晶片使用电子束光刻机而暴光于等离子体结构的图案。显影、烘烤、干蚀刻和清洁的其它步骤使得等离子体结构(在本例中为纳米孔阵列)形成和转移至微表面上。这些步骤或与这里所述步骤类似的改进步骤能够产生本文所述的所有装置。
图9的装置只是包含特殊设计表面的模具，但是它不包含能够实现功能等离子体装置的其它层(例如金属层)。示例功能装置的照片在图10中表示。这里，在模具上制造后，设计的微结构和纳米结构使用可紫外线固化的树脂而浇铸在不同基板(例如塑料片)上。然后，薄层铝沉积在浇铸的复制件上，且得到的铝涂覆铸件与附加保护层进行层压。这些浇铸或压花、涂覆、层压或其它操作通常能以工业形式获得，它们可以用于装置的大规模生产。图10(a)表示了该装置的俯视图，而图10(b)表示了斜视图。该装置的宽度为8mm。短语“NTS”和斜条显示两种不同的颜色，因为用来制造它们的等离子体像素不同。短语“NTS”看起来在样品倾斜时固定就位，而彩色条158看起来移动它们的位置。该样品在光学显微镜下的照片表示于图11中。微表面包括柱形切口，类似于图9中所示。与微表面共形的各图像像素分成很多子像素。样品使用两种类型的像素。在像素类型1中，所有子像素的等离子体内容相同。光学效果是显示空间固定但漫射的内容，例如短语“NTS”。在像素类型2中，所有子像素的等离子体内容不相同。在本例中，光学效果是显示运动的彩色条。例如，这种装置在光学防伪应用中有重要用途。该实施例的微表面是弯曲的三维形状，以便构成具有非常平滑的运动外观的运动条显示。微表面能够由分段线性三维形状来替换，以便显示更离散的运动。
图12中表示了采用本发明的另一示例装置。该装置的结构类似于图9中所示。不过，区域分成两个部分160、162。在顶部部分160中，微表面由一种衍射纳米结构共形地覆盖，而在底部部分162中，微表面由另一种衍射纳米结构共形地覆盖。这些纳米结构与图9(b)中所示的纳米结构类似，但是它们有更大的周期性，因此衍射(而不是等离子体效果)成为主导。结果是从装置的两个区域出现了两种漫射的衍射色。在该特殊实例中，母模的材料是硅；微表面设计为凸形半圆柱结构，具有30μm的宽度和3.5μm的高度，且长度等于显示区域的总宽度(例如4mm至10cm)；且衍射像素设计为纳米孔的矩形阵列，具有0.4μm和0.5μm的周期性、小于0.25μm的孔径和～0.11μm的孔深度。在图12中表示该母模的UV浇铸复制件，它由～35nm的铝涂覆。从观察侧看，微表面与凹形镜像，纳米结构显示为纳米柱。
图13是使用本发明制造的实际装置的另一实例。它表示了母模的原子力显微镜图像，该母模有微表面和与该微表面共形的等离子体表面。在该特殊实例中，母模的材料是镍；微表面设计为分段线性球形切口，具有40μm的宽度和4μm的总高度；等离子体像素设计为纳米孔和纳米柱的阵列，具有小于0.3μm的周期、小于0.2μm的孔/柱直径、～0.2μm的孔深度和～0.2μm的孔高度。呈现的三维图像清楚地表示了本发明的示例特殊实施例的特征。
尽管已经在本文中表示和叙述了本发明的优选实施例，但是本领域技术人员显然知道，这些实施例只是通过实例来提供。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员将想到很多变化、改变和替换。应当理解，可以采用本文具体介绍的实施例的各种替代方案，包括(但不局限于)微结构和纳米结构的几何形状的变化以及使用光子、等离子体和衍射结构。
本文所述的示例实施例并不是穷举或将本发明的范围限制为公开的精确形式。它们选择和介绍为解释本发明的原理以及它们的应用和实际使用。在不脱离由附加权利要求确定的本发明范围的情况下，在本发明的实践中可以进行很多改变和变化。