General technical specifications for micro-nano structural color … · 2019. 4. 1. · ICS...
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团 体 标 准 微纳结构色无墨印品通用技术规范 General technical specifications for micro-nano structural color based inkless presswork 2019-00-00 发布 2019-00-00 实施 中国产学研合作促进会 ICS 13.020.20 Z 04 （根据行业自行修改） T/CAB CSISA 0XXX—2019 发布
Transcript of General technical specifications for micro-nano structural color … · 2019. 4. 1. · ICS...
ICS
团 体 标 准
微纳结构色无墨印品通用技术规范
General technical specifications for micro-nano structural color based
inkless presswork
2019-00-00 发布 2019-00-00 实施
中 国 产 学 研 合 作 促 进 会
ICS 13.020.20 Z 04 （根据行业自行修改）
T/CAB CSISA 0XXX—2019
发布
T/CAB CSISA 00XX—2018
前 言
本标准依据GB/T 1.1—2009 给出的起草规则编制。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利
的责任。
本标准由中国标准化战略创新联盟（T/CAB xx--xxx）提出并归口。
本标准起草单位：苏州印象镭射科技有限公司、北京印刷学院、深圳劲嘉集团股
份有限公司、深圳市冠为科技股份有限公司、上海冠众光学科技有限公司、广东鑫瑞
新材料科技有限公司、四川省宜宾普拉斯包装材料有限公司、广西真龙彩印包装有限
公司、广西真龙天瑞彩印包装有限公司、广州市恒远彩印有限公司、海南赛诺实业有
限公司、常德金鹏印务有限公司、浙江上峰包装新材料有限公司、上海紫江喷铝环保
材料有限公司、上海顺灏新材料科技股份有限公司、中标防伪科技有限公司、 公安
部第一研究所、北京理工大学、苏州大学、好时（中国）投资管理有限公司、 北京
小罐茶业有限公司、中柔凹印技术服务（北京）中心、北京市环境保护科学研究院。
本标准主要起草人：胡祖元、许文才、曹国荣、吕伟、申溯、焦杰明、姜振飞、
郑建武、熊建、肖勇、王培勇、王莎佟、王文娜、黎坛、欧立国、马宏刚、郭玉清、
袁晨、李艳君、李刚、王青、哈流柱、彭立春、江明飞、龚春燕、桑建新、王菊萍、
张云、王敏燕。
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引言
环境、气候和能源问题日益成为人类可持续发展的关注重点，通过技术创新来改
变传统印刷工艺与方法，用物理的方式表达印刷图文色彩，替代用化学色素体现色彩
的传统方式，称之为无墨印品制作方法。该方法具有安全环保价值和良好的社会效益。
印刷业对无墨印品制作方法探索久已有之，改革开放以来，激光全息在包装印刷
领域的应用得到快速发展。随着新材料和新技术的开发与发展，以激光全息为基础的
图文和色彩生成表达方法已经被日新月异的微纳加工制造技术所提升和扩展，从设计
思路、制造设备、加工工艺、到结构色图形文字的色彩表现，都得到了全面的升级。
激光全息只是实现微纳结构色方法之一，以高效率激光直写、电子束、离子束等为代
表的新兴的微纳加工制造技术，实现了包含动态、立体等结构色效果。结构色无墨印
品制作的技术革命性体现在科学原理、设计思路、设备、工艺、材料、生产流程、呈
现效果等方面，作为一项创新性的技术，实现对传统印刷行业技术升级和补充。但是
结构色无墨印品加工技术还没有形成具体的、可行的技术标准，因此，制定结构色无
墨印品加工技术标准，对在印刷行业实现以效率、和谐、持续为目标的绿色发展理念
非常契合，用技术标准来提升和规范一个现代和未来的产业群体，引领和补充绿色印
刷的方向是本团体标准制定的初衷和目的。
本标准制定内容包括：
——规范结构色无墨印刷技术所相关的术语与定义
——对结构色生成方法进行技术分类
——对结构色视觉效果进行技术分类
——对无墨印品技术要求进行规定
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目 次
微纳结构色无墨印品通用技术规范 .................................................................................................. 0
前言 ............................................................................................................................................... 1
引言 ............................................................................................................................................... 2
目 次 ............................................................................................................................................ 3
微纳结构色无墨印品通用技术规范 .................................................................................................. 4
1 范围 ............................................................................................................................................. 4
2 规范性引用文件 ........................................................................................................................... 4
3 术语与定义 .................................................................................................................................. 4
5 结构色视觉效果 ........................................................................................................................... 7
6 技术要求 .................................................................................................................................... 11
附录 A 结构色显性视觉效果名称分类 ........................................................................................... 16
附录 B 结构色隐性效果名称分类 .................................................................................................. 17
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微纳结构色无墨印品通用技术规范
1 范围
本标准规定了微纳结构色无墨印品所涉及的术语与定义、生成方法分类、视觉效果分类以及
生产技术要求。
本标准适用于各类以纸质、塑料、金属及其复合印材为承印材料的结构色印刷，包括全息包
装、激光防伪材料、证卡票签等无墨印品的加工工艺、选材。
本标准可供模压企业、防伪行业和科研院校的科研、开发参考使用。为上下游工艺技术交流、
生产、产品销售提供统一的评价标准。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。以下标准文件对于本文件的应用是必不可少的，
其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T 23808 全息防伪膜
GB/T9851.2 印前术语
GB/T 30328 印后加工材料分类
GB/T 30327 印后加工一般要求
GB/T 23331 能源管理体系要求
GB/T 24001 环境管理体系要求及使用指南
GB/T 30671 纸质印刷品紫外线固化光油上光过程控制要求及检验方法
GB/T 34690.4 印刷技术 胶印数字化过程控制 第4部分：输出文件制作
HJ 209 环境标志产品技术要求塑料包装制品
HJ 2539 环境标志产品技术要求 印刷 第三部分：凹版印刷
YC/T 207 烟用纸张中溶剂残留的测定顶空-气相色谱/质谱联用法
CY/T 87 印刷加工用水基胶粘剂有害物质限量
3 术语与定义
3.1 无墨印品（inkless presswork)
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通过在承印材料上制作微纳结构等方法来呈现图文信息的成品或半成品。
3.2 结构色（structural colour）
又称物理色(physical colour)，是通过光波与微纳结构作用（如折射、衍射、反射、散射和
共振等）而产生的有别于色素着色的光泽色彩。
3.3 承印材料（bearing material)
承载微纳结构的载体，如：薄膜、纸张、塑胶片、皮革、金属制品等。
3.4 全息（holography）
一种采用干涉记录物体振幅和相位信息，通过衍射再现物体信息的理论和方法。
3.5 光干涉（interference)
满足一定条件的两列或两列以上光波相遇叠加，在叠加区域内产生稳定的强弱空间分布。
3.6 光衍射（diffraction）
光波遇到障碍物时偏离原来直线传播方向绕射的物理现象，白光中各颜色波长因偏离角不同
造成各种颜色有规则的分散。
3.7 色散（dispersion）
复色光（白光）通过棱镜、光栅以及其他微纳结构产生的颜色在空间上分离的现象。
3.8 光栅（grating）
一种使入射光的振幅、相位、偏振（或它们的组合）受到空间调制的物理结构。
3.9 光子晶体（photonic crystal）
由周期型排列的不同折射率材料组成的、具有光子带隙的微纳结构。
3.10 光子带隙（photonic band-gap）
又称为光子能带或光子禁带。光波在光子晶体的周期结构内发生散射，散射光之间发生
干涉，形成对特定波长或波段的光波禁阻。
3.11光学薄膜（optical film）
由微纳米级厚度的分层介质构成的、具有界面传播光波功能的薄膜。
3.12 表面等离子波效应（surface plasmon wave）
存在于介质-金属界面间的相干电子震荡现象。
3.13 真彩色（true color）
再现的二维或三维图像的色彩与实物色彩相似。
GB/T 23808 全息防伪膜。
3.14 体视场（stereo field）
将 n幅（n=2，3，4……）平面图文进行记录和再现形成立体视觉效果的空间范围。
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3.15 结构信息层（structure information layer）
承载微纳结构信息的高分子薄膜层。
3.16 热塑性材料（thermo plastics）
在一定温度下具有热熔性，冷却后固化的高分子材料。
3.17 辐射固化材料（radiation curing)
在辐射能量的作用下能够发生交联反应，由液态转化成固态的高分子材料。
3.18 图文分辨力（Image resolution）
设备或材料对影像的细节的辨别或记录能力。通常以线/英寸（dpi）表示
GB/T9851.2 印前术语2.13
3.19 结构分辨率（structure resolution）
设备及加工对微纳结构精度的分辨能力，一般用单位长度内的结构密度、深度和宽度三个维
度数值来表示。通常以线/毫米、微米、纳米，深宽比表示。
3.20 投影直写曝光（direct writing exposure）
直写曝光也称为无掩模曝光(maskless exposure)，通过光电调制器件实现光场的调控曝光。
3.21 无墨印品制模(inkless presswork mold)
无墨印品微纳结构母模的加工过程。
3.22 无墨印品组版（inkless presswork mold recombination）
用热塑或辐射固化方式将不同或相同的微纳结构母模单元进行组合和定位，形成新的模版布
局的母模制作过程。
3.23 卷状母模（reel master film )
用于连续生成带有微纳结构信息层的卷状母模版。
3.24 纳米压印（nano-imprinting lithography）
一种通过热压或者辐射固化等物理接触方式将母模上的微纳结构转移到另一承印材料的纳米
结构制造技术。
3.25 热模压（hot embossing）
在热塑性高分子材料表面，采用一定温度和压力的纳米压印方式，复制微纳结构的连续过程。
3.26 辐射固化模压（radiation embossing）
采用液态聚合高分子材料将母模与承印材料接触，通过辐射固化的纳米压印方式，复制微纳
结构的连续过程。
4 结构色生成方法
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4.1 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。
4.2 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。
4.3 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。
4.4 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。
5 结构色视觉效果
结构色基本呈色原理是通过微纳结构对反射光进行空间管理，包括反射方向、反射波长（颜
色），因此本标准中无墨印品基础底色为透明无色、金属镜面或黑色。
5.1 结构黑色
5.1.1在特定角度范围内因微纳结构对光的衍射或反射强弱引起的黑色视觉效果。
5.1.2在全角度范围内因微纳结构对光的吸收引起的黑色视觉效果。
5.2 结构白色
5.2.1单视角结构白色
周期 10μm~150μm，深度 0.2μm~0.6μm，多频率混合微纳结构排列形成的单向角
度消色扩散，单向多角度白色可用于黑白动态变化图文效果（图 1）。
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图 1 单视角结构白色原理图
5.2.2 多视角结构白色
周期 10μm~150μm，深度 0.2μm~0.6μm，多频率点状或线状混合微纳结构交错排
列，形成多角度消色扩散，呈现白色效果。
图 2 多视角结构白色原理图
5.3 彩色
周期 0.3μm~10μm，深度 0.1μm~0.3μm，单频率光栅，产生光谱分布的衍射色彩
（原理参见图 3）。
图 3 光谱分布衍射色彩原理图
RGB 真彩色，二维或三维图像在设定光照角度下，在一个有限的视场范围内再
现的、与实物色彩相似的颜色。通常将二维或三维图片按照 RGB通道进行分色，再根
据分色通道赋予不同的光栅频率，最后实现衍射视场内的色彩还原（参见图 4）。
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图 4 衍射视场内的真彩色
5.4 立体视觉
微纳结构色无墨印品的裸眼三维立体图像，除了采用传统全息方法以外还可以采
用将 n 幅（n=2，3，4……）水平方向的体视照片通过微纳结构像素点的设计整合，
产生 n 个反射方向，形成水平方向上的体视场，当 n 个体视图中的两幅图分别进入左
右眼后便产生立体视觉效果。
例 2：n=16，不同结构像素所产生的像素组形成立体视场分布（参见图 5、图 6）。
图 5 立体视场分布图
n=16幅图的立体视场分布直线形视场。
图 5
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图 6 衍射视场示意图
5.5 动态衍射光变
以像素点为单位，实现像素内微纳结构的空频和角度连续变化，使图形产生循环
移动、缩放、旋转或其他异形变化。
5.6 透镜效果
5.6.1彩色衍射透镜
一种表面位相型菲涅尔波带片，通过微纳结构形成特定的衍射关系，将不同波长
的光成像在不同位置，从而在白光下产生色散的成像透镜效果，衍射透镜结构（参见
图 7）。
图 7 衍射透镜结构
5.6.2菲涅尔透镜
一种白光消色透镜，将几何光学的折射面进行等深（或等宽）微分至微纳米单元，
通过超精密度电脑数控机床工艺，或半导体光刻工艺，在一个微米级平面上加工微分
的微纳结构透镜曲面，从而产生几何光学成像透镜效果（参见图 8）。
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图 8 菲涅尔透镜结构
5.7 视觉立体浮雕
一种通过微纳米结构设计呈现的视觉立体浮雕效果。
5.7.1 彩色立体浮雕 采用数字衍射光变技术呈现的色彩变幻的立体浮雕效果（参见图 9）。
图 9 彩色立体浮雕视觉及结构
5.7.2金属光泽立体浮雕
一种宽视角浮雕效果，通常不呈现色彩。其设计方法为基于实物测绘或者计算
机图形设计软件生成三维曲面，对三维曲面进行微纳米级等高分层裁切，并将各层平
移集中至一层。其设计方法和结构轮廓与菲涅尔透镜轮廓相似。设计三维曲面时一般
采用低粗糙度表面，因而该结构通常呈现出凸起金属光泽，类似金属立体浮雕感。
图 10 金属光泽立体浮雕视觉及结构
5.8 其他
详见： 附录 A 结构色显性视觉效果名称分类规范
附录 B 结构色隐性视觉效果名称分类规范
6技术要求
6.1 基础图形排版设计
基础图形排版设计宜参照 GB/T 34690.4。
6.2 结构设计
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6.2.1 基础单元色光栅结构设计规则
根据衍射光栅方程：d（sinβ±sinθ）=mλ（m=0，±1，±2……） 式中：d 为光栅周期，β为光线入射角，θ为衍射方向与法线的出射角，m 为衍射级数，λ
为衍射波长） 标准约定：设β=45°，θ=0°，取 m=1，则衍射色彩与光栅周期方程为： dsin45°= λ 根据国际 ISO 12646：2008 三原色基标准波长，R：700nm，G：546.7nm， B：435.8nm 规范三原色基准光栅的周期分别是 dR=990nm，dG=773.2nm，dB=615nm
6.2.2图形编码方法
采用像素单元微纳结构赋值法，通过软件程序控制发出微纳结构加工指令规则编码，n个灰
阶代表 Nθ个空间角度，每一个像素单元代表一类微纳结构（参见图 11）。
图 11 像素单元编码方法
像素单元为每一类微纳结构最小单位。每一个像素单元可以是圆形、矩形、六角形或其他图
像字符。不同周期形状的微纳结构包含在每一个像素单元中。
图形编码举例：灰度编码对应于微纳结构色的变化见图 12。
图 12 灰度与色彩编码关系
注：灰度仅代表一类微纳结构，与颜色无对应关系。
6.2.3计算生成图形结构方法
采用软件编程对图形进行结构化设计，获得黑白二值光栅或类光栅矢量图形。输出格式符合
直写曝光设备要求。
图例：36帧体视图 50°视场角，人物脸部真彩色立体图像计算获得的微纳结构条纹（参见
图 13）。
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图 13 人物脸部结构示意图
6.3 模版制作加工技术
6.3.1面阵干涉
采用两束发散的相干光源在会聚叠加区域获得受图形控制的光栅结构。
图 14面阵干涉示意图
6.3.2点阵干涉
两束相干光源会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 15 点阵干涉工作原理图
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6.3.3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图 16所示。
` 图 16 投影直写曝光原图及形成结构示意图
6.3.4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。
6.3.5 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。
6.3.6拼版
通过计算机程序控制的平台定位设备，采用热压或 UV转印的方法将微纳结构单元
版进行面积扩展、不同图形组合、多印制单元联版。拼版时可加入断张分切的基准线、
定位标志。定位标志应满足后工序设备光电自动化识别要求。
6.4 生产工艺
6.4.1基本要求
6.4.1.1 结构色无墨印品生产企业的能源管理应符合 GB/T 23331标准。
6.4.1.2 生产过程的环境管理应符合 HJ 2539、HJ 209及 GB/T 24001标准。
6.4.2原辅材料要求
原辅材料应符合国家相关环保规定和要求。
6.4.2.1信息层
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信息层主要有热塑性和辐射固化型等高分子材料。
信息涂层采用环保型涂料，检测方法可参照 YC/T 207。信息层采用改性共挤或涂布工艺，在
薄膜生产时将信息层覆合在基膜表面。辐射固化涂层采用环保型 UV胶、电子束固化胶或红外线热
固化胶黏剂。
6.4.2.2 承印材料
承印材料包括薄膜、塑胶片材、纸张、玻璃、马口铁、铝材等，性能应符合 HJ209
的要求。
6.4.3生产过程
基本要求：不应使用 HJ 2539-2014 标准 5.1.3 中表 1 所列出的溶剂。
6.4.3.1模压
在热塑性信息层的塑料膜材上，通过模版压制成型或用等长卷状母模进行拓压复制的工艺。
6.4.3.2 辐射固化
将液态辐射固化树脂涂布在承印材料上，信息层厚度大于微纳结构深度，与微纳
结构模版压合，根据辐射固化树脂的交联反应引发波长特性，辐射固化成型。
6.4.4后加工工艺
6.4.4.1 增强与保护
a）真空镀膜：在微纳结构成型面真空蒸发电镀金属或金属氧化物，膜层厚度 40~100nm。
b）涂布：在微纳结构成型面涂布纳米级金属或氧化物，涂层厚度小于 120nm。
6.4.4.2 复合
将具有微纳结构信息的薄膜复合于承印材料表面，若采用胶黏剂，其性能应符合 CY/T87-2012
印刷加工用随机胶粘剂有害物质限量要求。
6.4.4.3 转移
转移包括整体转移和定位局部转移。 整体转移是将薄膜上制作好的微纳结构信息层整体转移到承印材料表面。
定位局部转移采用印刷、涂布方式，获得图形化、灰度网点化局部定位印制树脂，通过离型
微纳结构材料的复合、固化和剥离，在承印材料上获得局部微纳结构色。 通过转移方法获得的无墨印品，根据应用需求，可选择在表面涂布保护性光油，其过程控制
及检验方法参照 GB/T 30671 的要求。
6.4.4.4 其他后加工工艺
后加工材料要求应符合 GB/T 30328 的要求。 断张、分切、打孔、折盒等后加工工艺要求应符合 GB/T 30327 的要求。
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附录 A 结构色显性视觉效果名称分类
规范名称 现习惯用名
称 视觉效果描述
1 一维光栅 素面 亮度较高,通透性好,通常单方向可见，转 90°消
失
2 二维叠加光
栅 素面 多方向可见色散，衍射呈两维对称分布
3 彩虹全息 彩虹全息 彩虹色，点光源下具有较宽泛的视场角度
4 2D/3D 有景深立体
（全息） 平面图文呈现两层或多层前后空间景深
5 3D 全息立体 真实的三维物体，点光源下清晰呈现，多光源或面
光源照明环境光下比较模糊
6 3D真彩色 三维真彩色 能够在特定光照角度下还原 3D自然色彩如人像、
建筑、天空
7 动态 3D真彩
色
合成动态全
息
能够在特定角度下还原 3D自然色彩，能够表现简
单的人体动作如手势变化，眨眼，小鸟飞翔，白云
飘动等。
8 单向白色 沙银 单个角度视场显现相对灰白色，转 90°变暗
9 动态闪白 动态沙银 多角度呈现灰白明暗变化
10 漫散射白 烧白或雾白 多角度呈现灰白色
11 白光立体 消色全息 呈现黑白立体视觉
12 深纹菲涅尔
透镜 白色猫眼 有高光泽透镜感，可以较呈现清晰的透镜成像效果
13 浅纹透镜 彩色猫眼 有较高光泽彩色透镜感
14 衍射浮雕 激光浮雕 彩色凹凸浮雕立体感
15 亮面金属浮
雕 铂金浮雕 无彩光金属凹凸浮雕立体感
16 哑面浮雕 立体沙银 具有表面喷砂浮雕立体感
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17 光衍变色 DID，蝶影光
变，高频光栅
透明介质在反射光角度具有相对稳定的色彩变化，
或镀铝用于大角度同位图文信息隐藏。
18 同位异像 同位异像 在同一位置不同角度可以看到多幅完整的图像
19 立体旋转 360°旋转 两个平面图文前后分布，随灯光或观测角变化相向
移动，具有较强的立体感。
20 光变超线 动感超线，激
光钞线 0.3mm~0.1mm 线宽具有变化动感的幻彩细线
附录 B 结构色隐性效果名称分类
需要借助工具来识别的非显性视觉信息，多用于二线专业防伪识别
规范名称 现习惯用名称 显示方法描述
1 微缩图文 缩微文字 用 40~100 倍手持放大镜来识别 50μm~100μm宽高文字或图像
2 超精细微缩
图文
超高分辨率微
缩技术
用 100~500 倍显微镜观察识别 50μm~10μm 宽
高文字或图像
3 信息纤维线 纤维线 类似于印钞和票据上的随机纤维线，在 40 倍放
大镜下可以观察到纤维线上隐藏的缩微信息。
4 像元字符 像元光刻
每一个最小的 dpi像素由一个或两个图形或文字
单元组成，可以隐藏在显性技术点阵动态（可变
光学图像 DOVID）中
5 激光再现 激光再现
用小型激光器或激光笔照射隐藏区，可以双向对
称显示或双向异象显示出隐藏的静态图形，也可
以设计成移动照射区投影显示动画图形
6 衍射特征图
形 手机再现
用手机灯光或其他点光源照射，可以显示特定的
衍射图文，在手机显示屏上直接判读。也可以通
过专用手机 APP 扫描自动识别真伪，并链接后
台数据库进行商品溯源
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版权保护文件
版权所有归属于该标准的发布机构。除非有其他规定，否则未经许可，此发行物及其
章节不得以其他形式或任何手段进行复制、再版或使用，包括电子版，影印件，或发
布在互联网及内部网络等。使用许可可于发布机构获取。
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