專利名稱:一種激光全息金銀幣的制造方法及該方法制成的產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種貴金屬硬幣的防偽、裝飾結(jié)構(gòu)的制作方法，尤其涉及具有激光全息效果的金銀幣的防偽、裝飾結(jié)構(gòu)的制作方法，用于各種高檔全息金銀幣(章)、金銀工藝品、首飾的制造和防偽。
背景技術(shù)：
由于貴金屬價(jià)格與硬幣面值不相稱，加上其它工業(yè)的發(fā)展，金銀貨源相應(yīng)不足，不再用作一般貨幣參與流通。而作為投資保值收藏的對象，各類精制金銀紀(jì)念幣(章)發(fā)展卻極為迅速，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，金銀紀(jì)念幣(章)的鑄造技術(shù)日益進(jìn)步，工藝水平不斷提高。
激光全息圖像具有獨(dú)特的光學(xué)效果，近幾年被應(yīng)用到金銀紀(jì)念幣(章)上，不但增加了紀(jì)念幣(章)收藏價(jià)值，也大大增加了金銀紀(jì)念幣的防偽技術(shù)性能。
通常的制作方法是，先采用全息攝影技術(shù)、數(shù)碼全息光刻技術(shù)或電子束(e-beam)光刻技術(shù)制作光刻膠全息模板，再經(jīng)過電鑄，得到全息金屬鎳模板；將金屬鎳模板適當(dāng)裁切后，置于金屬壓鑄機(jī)的框槽中，金屬鎳模板的下方是需要成型的金屬幣(章)，通過液壓方式加壓，在金屬表面形成激光全息圖像?；蛘?，如中國發(fā)明專利CN1403308A中公開了一種在金屬表面形成光學(xué)可變圖像的方法，首先制備帶有光學(xué)可變圖像的工作片，工作片硬度為韋氏硬度100-480之間(實(shí)際即采用金屬鎳模板)，再通過金屬冷模壓方式，以5-200噸的壓力沖壓，將全息圖像轉(zhuǎn)移到金屬幣(章)表面。金屬鎳的硬度為100-480HV，采用冷沖模壓方式時(shí)，如果鎳模具板硬度選擇太小，表面槽形容易發(fā)生變形，而硬度太大時(shí)，會導(dǎo)致韌性急劇下降，容易開裂。因此，通常選擇鎳的正常工作硬度為200HV，相對而言，純金、銀表面硬度約為30HV，因此，采用上述方法，模具的重復(fù)利用率較低，對批量制作全息金銀幣不具有可行性。
因而，尋求一種新的在貴金屬硬幣表面制作激光全息圖像的方法，以適于貴金屬硬幣防偽和裝飾的需求。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是提供一種新的將全息圖像轉(zhuǎn)移到金銀幣(章)表面，制作激光全息金銀幣的方法，實(shí)現(xiàn)批量制作，從而降低制作成本。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種激光全息金銀幣的制造方法，首先制作激光全息模具，再通過冷沖模方式將模具表面的全息微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到金銀幣表面，形成激光全息金銀幣，所述激光全息模具采用冷作模具鋼制作，表面硬度在洛氏硬度48～65HRC之間，在所述冷作模具鋼的表面通過刻蝕方法制備所述全息微結(jié)構(gòu)。
上述技術(shù)方案中，所述的刻蝕方法是指超過材料表面損傷閾值的刻蝕方法，并應(yīng)當(dāng)能產(chǎn)生精細(xì)的結(jié)構(gòu)，以便通過控制在模具鋼表面形成所需的全息微結(jié)構(gòu)。
其中，優(yōu)選的技術(shù)方案是，所述刻蝕方法是，采用大功率激光器在鏡面冷作模具鋼表面進(jìn)行超過材料損傷閾值的光蝕，直接制作激光全息圖像模具。
一般地，所述大功率激光器為紫外光輸出的大功率二極管泵浦的固態(tài)激光器的三倍頻351nm/355nm或四倍頻263nm/266nm，單脈沖能量＞3mJ。
在實(shí)際操作時(shí)，需要選擇高硬度、表面易拋光成鏡面的冷作模具鋼基材，首先將表面拋光成鏡面，再進(jìn)行刻蝕；刻蝕時(shí)，將激光束準(zhǔn)直成平行光，經(jīng)過光束整形器件、光闌及透鏡后，由分束元件產(chǎn)生分束光束，再會聚到模具鋼表面，形成亞微米結(jié)構(gòu)的等離子體干涉光場，在模具鋼工作板表面上進(jìn)行超過材料損傷閾值的光蝕，形成具有微米、亞微米結(jié)構(gòu)的激光全息圖像。
也可以采用其它技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)刻蝕，例如，一種可選的技術(shù)方案是，在模具鋼表面均勻涂布光致刻蝕劑，采用中功率激光器(單脈沖能量＞1mJ)，經(jīng)過與上述方法類似的光路，會聚到光致刻蝕劑表面，進(jìn)行干涉光刻，光蝕部分露底，再用感應(yīng)等離子體(ICP)的反應(yīng)刻蝕方法，在超硬金屬材料上獲得具有微米、亞微米結(jié)構(gòu)的激光全息圖像。
上述技術(shù)方案中，對金銀幣表面需要壓印全息圖像的區(qū)域預(yù)整平處理，以保證微結(jié)構(gòu)不受橫向拉力的擠壓。
上述技術(shù)方案中，所述冷作模具鋼表面的全息微結(jié)構(gòu)的條紋深度在0.15～0.3微米之間。
所述的“全息微結(jié)構(gòu)”是指構(gòu)成“激光全息圖像”的結(jié)構(gòu)，“激光全息圖像”是指象素點(diǎn)內(nèi)有微結(jié)構(gòu)調(diào)制的圖像，如一維光柵條紋、二維光柵條紋、定向散班分布條紋等。
冷壓到金銀幣表面的全息圖像是反射型全息圖，僅當(dāng)冷壓深度h＝λ/4時(shí)，λ為照明光的中心波長，全息圖像的衍射效果最高，效果最佳，一般h＝0.15-0.2um，因此，冷壓前金銀幣表面的平整度誤差應(yīng)＜±0.05um。同時(shí)由于金銀材料的延展性強(qiáng)，若直接在金銀幣表面冷壓0.15-0.2um深的結(jié)構(gòu)，微結(jié)構(gòu)易受到橫向拉力的擠壓，導(dǎo)致變形，影響衍射效果。考慮到以上問題，在冷壓前需要對金銀幣需要轉(zhuǎn)移圖像的區(qū)域進(jìn)行預(yù)整平處理，所述預(yù)整平處理的方法是，先采用表面拋光成鏡面的高硬度模具鋼片，對需要處理的區(qū)域進(jìn)行冷壓，壓力一般在10-50噸，優(yōu)選30噸。
在將激光全息模具鋼上圖像以冷壓方式轉(zhuǎn)移到金銀幣表面時(shí)，所施加的壓力一般在10-100噸，優(yōu)選50噸。
上述方案中，所述模具厚度一般在1mm～10mm，優(yōu)選4mm。
采用本發(fā)明的方法獲得的至少一面帶有全息微結(jié)構(gòu)的金銀幣、金銀章，也屬于本發(fā)明要求保護(hù)的對象。
由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明通過刻蝕方法制備激光全息模具，改變了現(xiàn)有技術(shù)中采用光刻+電鑄制備金銀幣的冷沖壓模具的方式，一方面簡化了工藝過程，另一方面，可以采用表面硬度高的冷作模具鋼，模具硬度高，耐磨損，柔韌性好，代替金屬鎳激光圖像模具工作板，可以批量制作全息金銀幣(章)，降低了成本。
2.本發(fā)明提出采用大功率二極管泵浦的固態(tài)激光光源，直接在超硬光滑模具鋼表面進(jìn)行光蝕，直接制作激光全息模具，可進(jìn)一步簡化工藝。
3.本發(fā)明模具鋼表面獲得激光圖像的結(jié)構(gòu)為0.5-10um的條紋，可產(chǎn)生彩虹、銀色、亞純色效果，同時(shí)具有立體、動態(tài)及加密效果。
附圖1是本發(fā)明實(shí)施例一中光蝕系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2是實(shí)施例一中獲得的全息圖像模具結(jié)構(gòu)示意 附圖3a是實(shí)施例二中表面涂布光致刻蝕劑的冷作模具鋼示意圖；附圖3b是實(shí)施例二中冷作模具鋼上光致刻蝕劑被光刻后的示意圖；附圖3c是實(shí)施例二中ICP離子刻蝕后的示意圖；附圖3d是實(shí)施例二中去除光致刻蝕劑后的激光全息模具示意圖；附圖4a-4c實(shí)施例二中冷沖模方式對金銀幣進(jìn)行預(yù)整平處理示意圖；附圖5實(shí)施例三中冷沖模壓激光全息金銀幣示意圖；附圖6制作的激光全息圖像照片。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述實(shí)施例一參見附圖1和附圖2所示，采用高功率激光光源直接在模具鋼表面光蝕制作激光全息圖像模具，準(zhǔn)直大功率激光束經(jīng)過整形光路后入射到分束元件，分束后的±1級光束經(jīng)過聚焦準(zhǔn)直透鏡組，在模具鋼表面形成干涉光場，由于模具鋼表面聚焦的干涉點(diǎn)功率密度高，超過模具鋼的損傷閾值，因此，模具鋼表面形成光柵結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣單元。調(diào)節(jié)激光器工作電流可以改變激光功率，從而可以控制光蝕深度。本方法采用單脈沖光束光蝕，脈寬為20-25ns，熱效應(yīng)不明顯，不影響超硬模具鋼表面質(zhì)量。
本實(shí)施例的光蝕裝置的光路結(jié)構(gòu)示意圖如附圖1，包括大功率二極管泵浦的固態(tài)激光器1(內(nèi)置準(zhǔn)直元件，351nm)，光束整形器2，透鏡3、4，分束元件5，準(zhǔn)直聚焦透鏡組6、7，X-Y平臺8，冷作模具鋼被放置于X-Y平臺上。
獲得的模具表面微結(jié)構(gòu)示意圖見附圖2，分束元件分出兩束光的夾角不同，微結(jié)構(gòu)的線寬d則不同，一般d＝0.5～10um。
本實(shí)施例中，在選擇冷壓模具材料時(shí)，需要考慮到模具的失效及模具的使用壽命。模具必須具有高耐磨性、高硬度、高柔韌性的特點(diǎn)。因此，通常可以選擇的合金結(jié)構(gòu)冷模具鋼有瑞典ASSB XW-10模具鋼，經(jīng)“淬火+回火”熱處理后的工作硬度為62-65HRC，此鋼材淬火變形及應(yīng)力較小，適宜制造形狀復(fù)雜的模具；瑞典ASSB S-136模具鋼，其經(jīng)過萃回火后硬度為48-54HRC，該鋼材的硬度雖沒有冷模具鋼高，但其拋光性能出色，尤適合于激光干涉光蝕；還有德國布德魯斯2083模具鋼等。由于本實(shí)施例對模具鋼直接進(jìn)行光蝕，表面聚焦光點(diǎn)處溫度較高，在選材是主要應(yīng)考慮模具鋼的溫度特性。
上述方案方案一中，所述大功率激光光源采用二極管泵浦的固態(tài)激光器(DPSSL)的三倍頻(351nm/355nm)或四倍頻(263nm/266nm)，脈寬為20-25ns，單脈沖能量＞3mJ。
實(shí)施例二參見附圖3a-3d，一種采用“光刻+刻蝕”制作激光全息模具的方法，包括以下步驟(1)在模具鋼10表面涂布光致刻蝕劑9，如附圖3a。(2)采用類似附圖1所示裝置結(jié)構(gòu)，以中功率二極管泵浦的固態(tài)激光器(351nm)代替高功率激光器1，在光致刻蝕劑表面直接光刻出為微米結(jié)構(gòu)條紋，曝光區(qū)的光致刻蝕劑被完全光蝕，如附圖3b。由于刻蝕點(diǎn)功率遠(yuǎn)低于模具鋼損傷閾值，對模具鋼表面無影響。(3)采用感應(yīng)等離子體(ICP)的反應(yīng)刻蝕方法，刻蝕附圖3b所示結(jié)構(gòu)。無光致刻蝕劑處的模具鋼被刻蝕，如附圖3c所示。(4)再去除模具鋼表面剩余光致刻蝕劑，可得到附圖3d，即制得激光全息模具。
本實(shí)施例中，所述中功率激光光源采用二極管泵浦的固態(tài)激光器(DPSSL)的三倍頻(351nm/355nm)或四倍頻(263nm/266nm)，脈寬為20ns，單脈沖能量＞1mJ。
本實(shí)施例在選擇模具鋼時(shí)，需要考慮模具鋼的抗蝕性能。
實(shí)施例三為了提高全息圖案的模壓質(zhì)量，在金銀幣表面獲得高品質(zhì)的全息圖，本發(fā)明中采用冷沖壓成形方式對金銀幣表面進(jìn)行預(yù)整平處理。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解冷壓模方式。整平處理方法是用表面拋光成鏡面的模具鋼作為整平模具，冷沖壓需要整平區(qū)域。將需要預(yù)處理的金銀幣放置在附圖4a所示的模具內(nèi)，圖4a中11和12分別表示放置鏡面模具鋼的上模和下模，下模端有放置金銀幣的槽，將模具鋼13的鏡面正對金銀幣14上表面，上模下降，如附圖4b所示。由于模具鋼硬度(580-750HB)遠(yuǎn)大于金銀硬度(30HB)，同時(shí)金銀材料的延展性強(qiáng)，給上模施加一定壓力后(優(yōu)選30噸)，處理區(qū)域表面平整度大大提高，接近鏡面，如附圖4c中15所示。
實(shí)施例四與實(shí)施例三的冷沖壓方式相同，將全息圖像轉(zhuǎn)移到金銀幣表面。實(shí)施三中完成對上模的施壓后，上模上升，取出鏡面模具鋼，將激光全息模具鋼置于整平處理后的金銀幣上，模具工作板具有微結(jié)構(gòu)條紋面正對金銀表面，并對準(zhǔn)工作區(qū)，參見附圖5。對上模施加適當(dāng)壓力，壓力為10-100噸(優(yōu)選50噸)，可根據(jù)冷壓深度進(jìn)行調(diào)整。再將上模上升，取出全息模具鋼工作板，即將模具鋼表面的全息圖案轉(zhuǎn)移到金銀幣表面，如附圖5中16。附圖6是制作的激光全息圖像。
在其他金銀物品或金屬材料物品制作全息圖案方法相同，根據(jù)不同材料特性需進(jìn)行壓力調(diào)整。
權(quán)利要求
1.一種激光全息金銀幣的制造方法，首先制作激光全息模具，再通過冷沖模方式將模具表面的全息微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到金銀幣表面，形成激光全息金銀幣，其特征在于所述激光全息模具采用冷作模具鋼制作，表面硬度在洛氏硬度48～65HRC之間，在所述冷作模具鋼的表面通過刻蝕方法制備所述全息微結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的激光全息金銀幣的制造方法，其特征在于所述刻蝕方法是，采用大功率激光器在鏡面冷作模具鋼表面進(jìn)行超過材料損傷閾值的光蝕，直接制作激光全息圖像模具。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的激光全息金銀幣的制造方法，其特征在于所述大功率激光器為紫外光輸出的大功率二極管泵浦的固態(tài)激光器的三倍頻351nm/355nm或四倍頻263nm/266nm，單脈沖能量＞3mJ。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的激光全息金銀幣的制造方法，其特征在于所述冷作模具鋼表面的全息微結(jié)構(gòu)的條紋深度在0.15～0.3微米之間。
5.采用權(quán)利要求
1至4中任一方法所獲得的至少一面帶有全息微結(jié)構(gòu)的金銀幣。
6.采用權(quán)利要求
1至4中任一方法所獲得的至少一面帶有全息微結(jié)構(gòu)的金銀章。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種激光全息金銀幣的制造方法，首先制作激光全息模具，再通過冷沖模方式將模具表面的全息微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到金銀幣表面，形成激光全息金銀幣，其特征在于所述激光全息模具采用冷作模具鋼制作，表面硬度在洛氏硬度48～65HRC之間，在所述冷作模具鋼的表面通過刻蝕方法制備所述全息微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過刻蝕方法制備激光全息模具，簡化了工藝過程，可以批量制作全息金銀幣(章)，降低了成本。
文檔編號G03F7/20GK1994178SQ200610155979
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月30日
發(fā)明者周小紅, 陳林森, 魏國軍, 解正東, 浦東林, 周云, 張恒 申請人:蘇州大學(xué), 蘇州蘇大維格數(shù)碼光學(xué)有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan