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如何认识光栅结构色,它的社会价值在哪里?


佛家如是说:“色不异空,空不异色,色即是空,空即是色”,色是指一切能见到或不能见到的事物和现象,而这些事物和现象是由因缘聚合产生,空是事物的本质,有从空中生。如此高深的悟道,绝非没有唯物主义的客观事实作依据的。那么我们今天就从纯物理的角度谈一谈我们能见到的色。

 

(图片来自网络)

 

雨后彩虹,是我们常见到的色,然而它却是天空中无数个透明水分子颗粒聚集在一起经过光学折射产生的色散现象;孔雀的羽毛、蝴蝶的翅膀因为表面的微纳结构产生光的干涉、衍射作用产生斑斓的变化色彩,科学家们进而发现:贝母、昆虫、鸟类的许多自然界色彩原来都与化学染料、色素无关,他们本无色,色从空中生,这些色都是空。

 

(图片来自网络)

 

大多数凭“空”造出来的色都属于物理色,比如我们常见到的光碟表面色彩、钻石的璀璨光彩,肥皂水吹出来彩色泡泡,当这个潘多拉盒子被打开,我们才领悟到“空即是色”,原来只要创造出一种纯物理的结构,就可以出色、出彩。

 

 

(肯尼亚的宽尾煌蜂鸟)

 

一、结构色的社会应用价值

目前绝大多数色彩应用都和化学色素有关,最大的应用就是包装印刷出版,其次是服装印染,汽车家电,需要使用大量含有颜料、染料的油墨油漆,这些艳丽的色彩大多含有重金属等有毒有害物质,即便是纯天然的颜色颜料也具有极大的安全隐患,比如鹤顶红即是剧毒物质,其次,这些颜色的形成度需要大量的有机溶剂去稀释调配,其上色过程无非是印刷、喷涂、浸染、电溶等方式,大量的溶剂需要溢出烘干,能耗和排放对社会环境造成极大的破坏,也影响着从业人员的身体健康。更有甚者,这些挥发性有机物残留(Voc)对商品使用者也会带来危害。
而结构色大多采用物理光热、和压力等方式来形成,相对来说就比较安全,所以我们认为结构显色是未来最安全最环保的色彩表达方式。

 

二、结构色的种类

《微纳结构色无墨印品通用技术规范》T/CAB CSISA0025-2019

 

1 .光栅结构

光栅结构通常采用激光直写、全息干涉、离子/电子束光刻、数控加工(CNC)等方法制备。通过调控光栅周期、角度、深度、折射率、占空比等参数,实现对光的衍射、散射作用形成结构色。

 

2 .光子晶体结构

光子晶体结构制备技术主要有半导体精密加工、电子束光刻、激光直写技术以及自组装法、飞秒激光干涉法等。通过调控晶格常数、折射率等产生光子带隙,阻断特定频率的光波形成结构色。

 

3. 多层光学薄膜结构

采用PVD物理气相沉积等方法在承载体表面蒸镀多层不同厚度、不同折射率的纳米级薄膜层,通过光学干涉形成结构色。光学薄膜膜层的界面呈几何分割,不同薄膜膜层的折射率在界面上可以发生跃变,在膜层内连续。薄膜材料可以是透明介质,也可以是吸收介质。

 

4 .介质-金属纳米结构

采用微纳加工技术在含有金属的材料表面形成纳米结构。通过入射光波与该纳米结构相互作用,激发近场光学效应形成结构色。介质-金属纳米结构包括亚微米光栅、纳米颗粒等与金属材料的组合。调控亚微米光栅周期、取向,以及金属颗粒大小、材料折射率等参数可以呈现不同的结构色。

 

三、为什么光栅结构色能成为目前市场的主流应用

尽管能够产生微纳结构色的方法有很多,但是我们所见到大多数还是光栅结构色,人们通常称之为“镭射”或“激光全息”,原因是我们早期大多采用全息干涉曝光的方法制作一些光栅结构的图文,并能产生一些动态或立体效果,曝光采用的光源是激光,也就是镭射(laser的谐音)。随着科学技术的进步,这些光栅微纳结构目前大多采用半导体投影光刻、电子束直写等方式来实现,还能够用超高精度CNC加工设备来制作带有光滑倾角变化的菲涅尔光栅透镜(俗称猫眼),用灰度曝光等方法来实现带有浮雕立体感的“变异菲涅尔”光栅。这些光栅微纳结构可以制成一个模具,实现批量生产。
相比光子晶体、多层薄膜等微纳结构来说,光栅结构色产出效率高,成本低,还可以很方便的做图形化设计,所以,光栅结构色成为了目前市场上流行的主要结构色种类,尤其在印刷包装领域,因为印刷包装对价格成本控制要求非常高,而正是光栅结构色能够基本满足了包装市场的这一需求。

 

四、如何制作光栅结构色

《微纳结构色无墨印品通用技术规范》T/CAB CSISA0025-2019

 

1. 面阵干涉

采用两束发散的相干光源在汇聚叠加区域获得受图形控制的光栅结构。

 

(图片来自苏州印象

 

2. 点阵干涉

两束相干光源汇聚构成图形的基本像素点,干涉形成微结构光栅,对编码图形文件通过计算机控制平台进行扫描曝光,实现图形化刻录。

 

(图片来自苏州印象)

 

3.投影直写曝光

通过光电调制器件调控光的开关、强度变化或者偏转等调制光场,母版载台的运动与光场调控同步,将计算获得的光栅条纹曝光后形成微纳结构母版。直写曝光的光源包括激光器、激光二极管、LED和汞灯等。
 

通过投影直写曝光加工获得的浮雕微纳结构如下图所示。

 

(图片来自苏州印象)

 

4. 电子束

电子束的波长远小于激光曝光光源的波长,可获得更小量级的微纳结构图形精度。

 

5. 计算机数控精密加工(CNC)

采用计算机控制的超高精度加工机床,用单点金刚石车刀直接切削出类似金字塔阵列、闪耀光栅、菲涅尔透镜以及微透镜阵列等微纳米结构。

 

由此可见,用激光全息、镭射等习惯叫法来表述当下流行的结构色产品是片面的,不具有科学性。

 

五、光栅结构色的优缺点

相比传统的化学油墨、颜料,结构色既有它的很多优点,但也有诸多令人诟病的缺点。我们来列举如下:

 

优点:

1.可变色,在不同的光照角度下可以发生颜色的改变,这是结构色的第一大特点,也是区分结构色或油墨颜料色彩的重要区别,多用于安全防伪领域,也多见于目前时尚流行的手机、穿戴、汽车等CMF装饰行业。

 

(图片来自苏州印象)

 

2.动态变化:这是普通油墨印刷所难以实现的,光栅结构色具有反射角度选择调控能力,可以根据设计需要达到令人匪夷所思的动态变化效果,也称为DOVID(动态颜色光变),菲涅尔圆光栅具有透镜成像作用,能产生类似“猫眼”的转动效果。

 

(图片来自苏州印象)

 

3.立体感:结构色立体可分为微纳结构衍射立体成像和微纳结构反射立体成像,衍射立体成像传统方式就是全息,近年来随着数字光刻技术的发展,以全息技术原理为基础,设计产生具有立体感图像的衍射光栅条纹结构,不但能体现实物3D,还能设计虚拟的空间多维旋转场景,这种衍射立体成像具有一定的视场限制,而且需要单个小发光点照明才能获得最佳效果,优点的景深大,可动态,以及还原物体的真实彩色。

 

(图片来自苏大HPC)

 

另一种反射式立体感是针对浮雕形立体利用菲涅尔透镜原理,对立体浮雕物进行亚微米级等高切割分层,然后通过灰度光刻形成反射立体感,镀铝后俗称“铂金浮雕”,这种通过微纳结构反射形成的立体感,观察角度没有限制,对照明光源也没有无要求,受到广泛的喜爱,但缺点是只能表现浅浮雕,不能表现真正的立体场景,也不能产生色彩,所以只能说是一种金属立体浮雕。

 

(图片来自苏州印象)

 

4.分辨率:由于微纳结构本身是通过类似半导体工艺制成,具有较高的图文分辨能力,因此可以写入非常细小的文字,字符高度可达20微米,精度比普通印刷精度提高了十倍,所以常用于防伪加密。

 

(图片来自苏州印象)

 

缺点:

1.色彩不稳定(相对变色效果是优点),受环境照明光源角度、照明光数量和照明发光面积影响较大,这一点不符合印刷定义的基本条件,所以目前多用于防伪产品或配合印刷使用。
 

2.事实上结构色也可以表现稳定的色彩,比如多层微纳结构薄膜干涉,但是目前由于制造成本比较高,所以只局限于用在手机玻璃防暴膜等高端装饰行业,无法在快销品包装领域推广应用。

 

3.立体感受环境光照明影响较大,有通常的照明条件下,会显得比较模糊,(金属浮雕除外),不清晰这一点又不符合印刷包装通常的标准。

 

4.制版成本较高,由于微纳结构加工设备昂贵,加工时间较长,制版原材料成本也比较高,所以制版(实际上是制模具)成本居高不下,很难适应小批量订单,加工制作周期通常也比较久,不能适应目前小批量、个性化和快速响应的业务订单。

 

综上所说,光栅结构色对图文信息的表达,是一种全新的图文表达方式,有其自身的独特表现,不能和传统的印刷去比较,是完全不同的视觉感受,结构色具有非常好的安全环保特性,还需要从成本和效果两个方面去进一步突破和提高,需要为这项深受大家喜爱的创新技术开辟新的生产制造标准,为此苏州印象于2019年牵头制订了《微纳结构色无墨印品通用技术规范》团体标准T/CAB CSISA0025-2019,并有中国产学研合作促进会正式颁布。
 

 

那么,光栅结构色有哪些衍射特性,如何能够把色彩做得更稳定,目前最流行的光栅结构色有哪些,它的未来主要会在那些领域得到广泛应用,请关注“苏州印象”微信公众号,我们将持续为您介绍。

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