專利名稱：具有微觀和宏觀結構的安全元件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及權利要求1的分類部分提出的安全元件。
這樣的安全元件包括塑性材料的薄層復合物，其中至少來自由衍射結構、光散射結構和平面鏡表面組成的組的起伏(relief)結構嵌于所述層復合物中。從所述薄層復合物裁剪下的安全元件粘貼在物品上，用于校驗物品的真實性。
例如，在US No.4856857中描述了所述薄層復合物的結構和可使用的材料。還從GB2129739A中得知借助載膜而被施加于物品上的薄層復合物。
在本說明書的公開部分中提出的配置類型可從EP0429728B1中得知。粘貼在證件上的安全元件具有可從例如EP0105099中得知的并包括用已知的衍射結構來配置的類感光嵌鑲幕(mosaic-like)的表面部分的光學可變表面圖案。從而，不能無清晰痕跡地用從真實的證件剪下或拆下的安全元件提供用于偽造外觀上的真實性的偽造證件，安全輪廓(profile)壓紋在安全元件中以及與證件毗連的部分中。真實的證件由于無縫地從安全元件擴展至證件的毗連部分的安全輪廓而不同。壓紋所述安全輪廓的操作干擾對光學可變表面圖案的識別。特別地，安全元件上的壓紋陽模(embossing punch)的位置在各種證件中不同。
也已知為安全元件提供特征，這些特征使使用常規(guī)全息手段的偽造或復制變得困難或甚至不可能。例如，EP0360969A1和WO99/38038描述了不對稱光柵的配置。其中，在安全元件的表面圖案中，表面單元具有光柵，以不同的方位角使用而形成相對于亮度進行調(diào)制的圖案。相對于亮度進行調(diào)制的圖案在全息復制中不會再現(xiàn)。如在WO 98/26373中所述，如果光柵的結構小于用于復制處理的光的波長，那么不會檢測出這種亞微觀結構，因而也不以相同的方式在復本中再現(xiàn)。
實現(xiàn)了提供對在作為例子而提及的EP0360969A1、WO 98/26373和WO99/38038中所描述的全息復制的預防的保護配置，而這是以困難為生產(chǎn)工藝的困難為代價的。
本發(fā)明的目的是提供一種具有高度抗偽造能力的價廉的、新穎的安全元件，所述偽造例如通過全息復制工藝。
通過一種安全元件來實現(xiàn)上述目的，所述安全元件包括層復合物，所述層復合物具有表面圖案的微觀精細光學有效結構，所述結構嵌入在層復合物的層之間，其中，所述光學有效結構成形在由坐標軸定義的表面圖案的平面中的安全特征的表面部分中的層之間的反射界面中，并且尺寸大于0.4mm的至少一個表面部分具有通過描述宏觀結構的疊加函數(shù)與微觀精細起伏剖面輪廓曲線的正向或負向疊加而形成的衍射結構，其中，疊加函數(shù)、起伏剖面輪廓曲線和衍射結構是坐標軸的函數(shù)，并且起伏剖面輪廓曲線描述了跟隨疊加函數(shù)而保持預定的起伏剖面輪廓曲線的光衍射或光散射的光學有效結構，至少部分穩(wěn)定的疊加函數(shù)在至少部分區(qū)域中彎曲，它不是周期的三角形或矩形函數(shù)，并且同起伏剖面輪廓曲線相比它變化緩慢。
在附加的權利要求中提出本發(fā)明的有利配置。
在下文中詳細地描述本發(fā)明的實施例，并根據(jù)附圖進行說明，附圖中

圖1是安全元件的橫斷面視圖，圖2示出了安全元件的俯視圖，圖3示出了光柵的反射和衍射，圖4示出了對安全元件的照明和觀察，圖5示出了衍射結構中的反射和衍射，圖6示出了不同傾角下的安全特征，圖7示出了疊加函數(shù)及橫斷面中的衍射結構，圖8示出了通過識別標記對安全元件的定向，圖9示出了疊加函數(shù)的局部的傾斜角，圖10示出了通過安全元件中的色彩對比度對所述安全元件的定向，圖11示出了具有對稱疊加函數(shù)的衍射結構，圖12示出了具有色彩變化的安全元件，以及圖13示出了不對稱的疊加函數(shù)。
參考圖1，參考標號1表示層復合物，2表示安全元件，3表示基片，4表示覆蓋層，5表示成形層，6表示保護層，7表示粘合層，8表示反射界面，9表示光學有效結構和10表示反射界面8中的透明位置。層復合物1包括連續(xù)施加于載膜(未示出)上的不同塑性層的多個層部分，其特定的順序典型地包括覆蓋層4、成形層5、保護層6和粘合層7。覆蓋層4和成形層5相對于入射光11是透明的。如果保護層6和粘合層7也是透明的，那么可通過透明位置10觀察到施加于基片3的表面上的標記(這里未顯示)。在一個實施例中，覆蓋層4本身起到載膜的作用，而在另一個實施例中，載膜用于把薄層復合物1施加到基片3并隨后從層復合物1移除，如例如上文提及的GB2129739A中所述的那樣。
成形層5和保護層6之間的公共接觸面是界面8。以光學可變圖案的結構高度Hst將光學有效結構9成形于成形層5中。當保護層6填滿光學有效結構9的凹谷時，界面8與光學有效結構9具有同樣的形狀。為了在光學有效結構9方面獲得高度的有效性，向界面8提供金屬涂層，金屬涂層較佳地包括來自上文提及的US No.4856857的表5中的元素，特別是鋁、銀、金、銅、鉻、鉭等，該金屬涂層作為反射層分隔成形層5和保護層6。在界面8處，對于可見入射光，金屬涂層的導電率提供高度的反射能力。然而，代替金屬涂層，例如上面提及的US No.4856857的表1和表4中列出的已知透明無機電介質之一的一個或更多個層也是適合的，或者反射層具有多層干涉層，如雙層金屬-電介質組合或金屬-電介質-金屬組合。在一個實施例中，構造反射層，即，它僅部分地并在界面8的預定區(qū)域中覆蓋界面8。
以具有光學可變圖案的多個相互并置的副本的長膜幅(film web)的形式按照塑性層壓板來制造層復合物1。例如，從所述膜幅裁剪下安全元件2，并通過粘合層7接合到基片3上。向大多以證件、紙幣、銀行卡、通行證或身份證或其它重要或貴重的物品形式出現(xiàn)的基片3提供安全元件2，以驗證物品的真實性。
圖2示出了具有安全元件2的基片3的一部分。通過覆蓋層4(圖1)和成形層5(圖1)可看到表面圖案12。表面圖案12配置在由坐標軸x、y定義的平面內(nèi)，并包括含有至少一個表面部分13、14、15的安全特征16(feature)，所述表面部分在其輪廓內(nèi)用肉眼是清晰可視的，即，表面部分的尺寸至少在一個方向上大于0.4mm。出于附圖表示的原因，圖2中以雙框線示出安全特征16。在另一個實施例中，由在上文中提及的EP0105099A1中所述的感光嵌鑲幕(mosaic)的表面單元17至19組成的感光嵌鑲幕(mosaic)包圍安全特征16。在表面部分13至15中，且可選地在表面單元17至19中，諸如微觀精細衍射光柵、微觀精細光散射起伏(relief)結構或平面鏡表面之類的光學有效結構9(圖1)成形于界面8(圖1)中。
參考圖3，描述入射在界面8(圖1)上的光線11是怎樣通過光學有效結構9反射并以預定的方式偏轉的。在垂直于具有安全元件2(圖1)的層復合物1的表面并包括表面法線21的衍射平面20中，入射光線11入射到層復合物1中的光學有效結構9上。入射光線11是平行光束，并且包括同表面法線21的入射角α。如果光學有效結構9是與層復合物1的表面具有平行關系的平面鏡表面，那么表面法線21和反射光線22的方向形成反射角β側，其中β＝-α。如果光學有效結構9是已知光柵中的一個，那么光柵將入射光線11偏轉至由光柵的空間頻率f確定的不同的衍射級23至25，其中假設描述光柵的光柵矢量出于衍射平面20中。包含在入射光線11中的波長λ以預定角度偏轉至不同的衍射級23至25。例如，光柵將紫色光線(λ＝380nm)同時地按光束26偏轉至正一級衍射級23、按光束27偏轉至負一級衍射級24、按光束28偏轉至負二級衍射級25。入射光線11的較長波長λ的光分量將在包含相對于表面法線21較大的衍射角的方向上射出(issue)，例如紅色光線(λ＝700nm)偏轉至由箭頭29、30、31標識的方向上。作為光柵衍射的結果，多色的入射光線11散開成入射光線11的不同波長λ的光束，即，光譜的可見部分分別在每個衍射級23或24或25的紫色光束(分別由箭頭26或27或28標識)和紅色光束(分別由箭頭29或30或31標識)之間的范圍內(nèi)。衍射至零級衍射級的光線是以反射角β反射的光線22。
圖4示出了在表面單元17(圖2)至19(圖2)中成形的衍射光柵32，其微觀精細起伏剖面輪廓(profile)R(x，y)具有恒定剖面高度h與空間頻率f的例如正弦的、周期性剖面橫截面。衍射光柵32的平均起伏建立了與覆蓋層4平行配置的表面33的中心面。平行入射的光線11穿過覆蓋層4和成形層5并且在衍射光柵32的光學有效結構9(圖1)處偏轉。波長為λ的平行衍射光束34以觀察者35的視角的方向離開安全元件2，當用平行入射的光線11照射表面圖案12(圖2)時，所述觀察者看見閃閃發(fā)光的彩色表面單元17、18、19。
在圖5中，衍射平面20在圖平面中。衍射結構S(x，y)在安全特征16(圖2)的至少一個表面部分13(圖2)至15(圖2)中成形，衍射結構的中心面33相對于層復合物1的表面局部地彎曲或傾斜。衍射結構S(x，y)是在表面圖案12(圖2)的平面中的坐標x和y的函數(shù)，所述平面平行于層復合物1的表面并且表面部分13、14(圖2)、15位于其中。在每個點P(x，y)上，衍射結構S(x，y)確定相對于表面圖案12的平面的間隔z，其中間隔與表面法線21平行。以更廣泛的意義描述，衍射結構S(x，y)是衍射光柵32(圖4)的起伏剖面輪廓曲線R(x，y)(圖4)和中心面33的明確定義的疊加函數(shù)M(x，y)的和，其中S(x，y)＝R(x，y)+M(x，y)。作為例子，起伏剖面輪廓曲線R(x，y)產(chǎn)生了具有已知的正弦的、不對稱的或對稱的鋸齒狀或矩形形式之一的輪廓的周期性衍射光柵32。
在另一個實施例中，衍射結構S(x，y)的微觀精細起伏剖面輪廓曲線R(x，y)是消光(matt)結構，而不是周期性衍射光柵32。所述消光結構是對入射光線11具有預定散射特性的微觀精細的隨機結構，其中利用各向異性的消光結構而不是光柵矢量，就產(chǎn)生了較佳方向。消光結構將垂直入射光線散射至散射圓錐內(nèi)，該散射圓錐具有由消光結構的散射能力預定的擴散角，以及以反射光線22的方向作為圓錐軸。例如，散射光的強度在圓錐軸上最強，并隨著相對于圓錐軸的距離的增加而減小，在這方面，對于觀察者來說，仍然可察覺到以散射圓錐的母線方向偏轉的光線。在“各向同性的”消光結構的情況中，垂直于圓錐軸的散射圓錐的橫截面是旋轉對稱的。如果橫截面在較佳的方向上翻轉，即橢圓形地變形，具有平行于較佳方向的橢圓的短長軸，那么所述散射結構在這里稱為“各向異性的”。
由于正向或負向的疊加，在疊加函數(shù)M(x，y)的區(qū)域內(nèi)起伏剖面輪廓曲線R(x，y)的輪廓高度h(圖4)不改變，即，起伏剖面輪廓曲線R(x；y)跟隨著疊加函數(shù)M(x，y)。明確定義的疊加函數(shù)M(x，y)可以至少部分微分，并至少在部分區(qū)域中彎曲，即，ΔM(x，y)≠0，周期性地或非周期性地，并且不是周期性的三角形或矩形函數(shù)。周期性的疊加函數(shù)M(x，y)具有最多20線/mm的空間頻率F。為了良好的可見度，疊加函數(shù)M(x，y)的兩個相鄰的極值間的連接部分至少長0.025mm?？臻g頻率F的較佳值限制在最多10線/mm，以及關于相鄰極值的間隔的較佳值最少為0.05mm。從而，同起伏剖面輪廓曲線R(x，y)相比，作為宏觀函數(shù)的疊加函數(shù)M(x，y)在穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)緩慢地變化。
線36(圖2)形成具有中心面33的衍射平面20的剖線，投影在表面圖案12(圖2)的平面上。在位于平行于線36的連接部分上的任一點P(x，y)上，具有穩(wěn)定部分的疊加函數(shù)M(x，y)具有梯度38(grad(M(x，y)))。一般來說，當觀察者35形成光學有效衍射平面20時，梯度38表示衍射平面20中的grad(M(x，y))的分量。在表面部分13、14、15的任一點上，衍射光柵32具有由疊加函數(shù)M(x，y)的梯度38預定的傾角γ。
中心面33的變形引起了新的、有利的光學效應。在例如沿著線36的、表面法線21和法線21’、21”與中心面33的交叉點A、B、C的衍射特性的基礎上，解釋所述效應。為了簡單起見，圖5中未示出位于層復合物1的界面處入射光線11的折射、反射光線22和衍射光束34，并且也不考慮在下文的計算中。在每個交叉點A、B、C上，傾角γ由梯度38確定。法線21’和21”、衍射光柵32(圖4)的光柵矢量和觀察者35的視角方向39配置在衍射平面20內(nèi)。由虛線表示的法線21、21’、21”和平行入射的白色光線11所涉及的入射角α隨傾角γ而變化。以向觀察者35的預定視角方向偏轉的衍射光束34的波長λ也也隨傾角而變化。如果法線21’向離開觀察者35的方向傾斜，那么衍射光束34的波長λ要大于在法線21’向接近觀察者35的方向傾斜的情況。在為了說明而顯示的例子中，從觀察者35的觀點來看，在交叉點A的區(qū)域中衍射的光束34是紅色的(λ＝700nm)。在交叉點B的區(qū)域中衍射的光束34是黃綠色的(λ＝550nm)，以及在交叉點C的區(qū)域中衍射的光束34是藍色的(λ＝400nm)。在所說明的例子中，當傾角γ隨中心面33的曲率而連續(xù)地變化時，沿著表面部分13、14、15上的線36，觀察者35可看見整個可見光譜，光譜色帶垂直于線36在表面部分13、14、15上擴展。因此，可由觀察者35在30cm的距離上察覺到光譜色帶，交叉點A和C之間的間距采用最少2mm或更多。在可見光譜外，表面部分13、14、15的表面是低照度的灰色。當層復合物1繞垂直于圖3的圖平面的傾斜軸傾斜時，入射角α改變。在疊加函數(shù)M(x，y)的區(qū)域內(nèi)，光譜的可見色帶沿著線36連續(xù)移位。如果傾斜運動發(fā)生，例如順時針方向地圍繞層復合物1的傾斜軸41運動，在交叉點A上的衍射光束34的顏色變成黃綠色，在交叉點B上的衍射光束34的顏色變成藍色，在交叉點C上的衍射光束34的顏色變成紫色。當色帶不斷地在表面部分13、14、15上運動時，觀察者35察覺到衍射光34的色彩中的變化。
上述考慮可適用于每個每個衍射級。在表面部分13、14、15上，多少衍射級的多少色帶同時被觀察者看到，取決于衍射光柵32的空間頻率以及表面部分13、14、15內(nèi)的疊加函數(shù)M(x，y)的周期數(shù)和大小。
在另一個實施例中，其中使用消光結構之一來替代衍射光柵32，在反射光線22方向上的觀察者35僅看見白灰?guī)Ф皇巧珟У墓饩€。在傾斜運動中，白灰?guī)Ч饩€像色帶一樣不斷地在表面部分13、14、15上移動。與色帶相反，白灰?guī)Ч鈱τ^察者35是可見的，依賴于消光結構的散射能力，甚至當他的視向39相對于衍射平面20是傾斜的。因此，在下文中，術語“帶40”(圖6a)不僅用以表示衍射級23、24、25的色帶，也用以表示由消光結構產(chǎn)生的白灰?guī)Ч狻?br> 參考圖6a，如果安全特征16上有基準參考，觀察者35(圖5)可更容易地察覺到帶的位移。用作基準參考是配置在表面部分13、14、15上的，例如在中心表面部分14上的識別標記37和/或者用于表面部分13、14、15的預定的定界形狀。有利地，所述基準參考建立了預定的觀察條件，可通過層復合物1(圖1)的傾斜運動來調(diào)整觀察條件，使得以相對于基準參考預定的關系來定位帶40。在識別標記37的區(qū)域內(nèi)，界面8(圖1)的光學有效結構9(圖1)有利地采用通過與表面部分13、14、15寄存(register)的關系復制表面圖案12而成形的光學有效結構9、衍射結構、鏡面或光散射起伏結構的形式。然而，也可使用印在安全特征13上的吸光材料作為用于帶40的移動的基準參考，或通過結構化的反射層制造識別標記37。
在如圖6所示的安全特征16的進一步的實施例中，在兩邊鄰接中心表面部分14的相鄰表面部分13和15作為相互的基準參考。相鄰表面部分13和15都具有衍射結構S*(x，y)。同衍射結構S*(x，y)相反，衍射S*(x，y)是起伏函數(shù)R(x，y)和疊加函數(shù)M(x，y)的差R-M，即，S*(x，y)＝R(x，y)-M(x，y)。由衍射結構S*(x，y)產(chǎn)生的色帶相對于衍射結構S(x，y)的色帶來說具有反色配置，如圖6a中由用于帶40的粗體縱邊所示。為了獲得光學效應的良好可見度而不使用任何輔助，安全特征16沿著坐標軸y或線36的尺寸是至少5mm，并且較佳地大于10mm。沿著坐標軸x的尺寸大于0.25mm，但較佳地為至少1mm。
在圖6a至6c所示的安全特征16的實施例中，橢圓表面部分14具有僅取決于坐標y的衍射結構S(y)，而具有僅取決于坐標y的衍射結構S*(y)的表面部分13和15沿著坐標軸y在橢圓表面部分14的兩邊擴展。疊加函數(shù)為M(y)＝0.5·y2·K，其中K是中心面33的曲率。以同坐標軸y的方向分別充分平行和反平行的關系，定向梯度38(圖5)和衍射光柵32(圖4)的光柵矢量或“各向異性的”消光結構的較佳方向。
一般來說，光柵矢量或消光結構的較佳方向的方位角同梯度38和表面法線21所確定的梯度平面有關。方向角的較佳值是0°和90°。在這個方面，在光柵矢量或較佳方向中，分別相對于較佳值的δ＝±20°的偏移是可容許的，以便在該區(qū)域分別把光柵矢量或較佳方向看作相對于梯度平面充分平行或垂直。在本質上，方向角不限制為特定的較佳值。
在各情況下，曲率K越小，繞傾斜軸41每單位角度的旋轉運動，帶40在箭頭(圖6a和6b中未標號)方向中的移動速度就越高。在圖6a至6c中，帶40顯示變窄，以便清晰地說明運動效應。在未標號的箭頭方向上的帶40的寬度取決于衍射結構S(y)。特別地在色帶的情況中，光譜色配置在表面部分13、14、15的較大部分上擴展，以在例如紅色帶的可見光譜內(nèi)的部分的移動的基礎上觀察到帶40的移動。
圖6b示出在繞傾斜軸41旋轉至預定傾斜角后的安全特征16，在所述預定傾斜角上，兩個外圍的表面部分13、15和中心表面部分14配置在平行于傾斜軸41的線上。所述預定的傾斜角由疊加函數(shù)M(x，y)的選擇確定。在安全元件2(圖2)的一個實施例中，只有當在安全特征16中帶40呈現(xiàn)預定的位置時，即，當觀察者35以由所述預定傾斜角決定的觀察條件觀察安全元件2時，將在表面圖案12(圖2)上看到預定圖案。
在圖6c中，當更進一步的繞傾斜軸41旋轉運動后，安全特征16上的帶40彼此遠離移動，如圖6c中由箭頭(未標號)所示。
將理解到，在另一個實施例中，中心表面部分14和兩個表面部分13和15中的一個的相鄰配置對安全特征16來說就足夠了。
圖7示出了沿著線36(圖2)穿過層復合物1的橫截面，例如在表面部分14(圖2)的區(qū)域內(nèi)。為了層復合物1不變得太厚并因而難于制造或使用，衍射結構S(x；y)的結構高度Hst(圖1)受限制。圖7中以非真實比例的附圖例示了在坐標軸z的左邊的疊加函數(shù)M(y)＝0.5·y2·K，層復合物的高度在其界面中沿z軸延伸。在表面部分14的任一點P(x，y)上，值z＝M(x，y)被限制到預定變量值H＝z1-z0。一旦疊加函數(shù)M(y)在點P1，P2...，Pn中的一點上達到值z1＝M(Pj)，j＝1，2，...，n，，在疊加函數(shù)M(y)中出現(xiàn)不連續(xù)位置，并且在所述不連續(xù)性位置上，在遠離點P0側，疊加函數(shù)M(y)的值減去高度H成為z0，即，用于衍射結構S(x；y)中的疊加函數(shù)M(x；y)的值是函數(shù)值z＝{M(x；y)+C(x；y)}以值H為模-C(x；y)。
在這個方面，函數(shù)C(x；y)的量限制為某一值范圍，例如限制為結構高度Hst的值的一半。因為技術原因而產(chǎn)生的函數(shù){M(x；y)+C(x；y)}以值H為模-C(x；y)的斷層(dislocation)位置不被當做關于疊加函數(shù)M(x；y)的極值。同樣地，在給定配置中，關于H的值可以局部較小。在衍射結構S(x；y)的一個實施例中，局部變化的值H由以下事實確定，即兩個連續(xù)的不連續(xù)位置Pn間的間隔不超過40μm至300μm范圍內(nèi)的預定值。
在表面部分13(圖2)、14、15(圖2)中，衍射結構S(x，y)在坐標軸z的兩邊上擴展，并且不僅僅如圖7所示地位于坐標軸z的右邊。由于疊加效應，結構高度Hst是值H與剖面高度h(圖4)的和，并相當于衍射結構S(x，y)在點P(x；y)處的值。結構高度Hst有利地是小于40μm，關于結構高度Hst的較佳值為小于5μm。疊加函數(shù)M(x，y)的值H限于小于30μm，并且較佳的在范圍H＝0.5μm和H＝4μm之間。在微觀級上，消光結構具有確定散射能力的、并且僅可用諸如平均粗糙度系數(shù)Ra、相關長度lc等等的統(tǒng)計參數(shù)來描述的精細起伏結構單元，在這方面，關于平均粗糙度系數(shù)Ra的值在范圍Ra＝150nm和Ra＝1.5μm之間，而相關長度lc至少在一個方向上在范圍lc＝500nm和lc＝100μm之間。在“各向同性的”消光結構的情況下，統(tǒng)計參數(shù)和較佳方向無關，而在“各向異性的”消光結構的情況下，起伏單元以垂直于較佳方向的相關長度lc定向。衍射光柵32(圖4)的剖面高度h的值處于h＝0.05μm和h＝5μm之間，其中，較佳值在更窄的范圍h＝0.6±0.5μm內(nèi)。衍射光柵32的空間頻率f從f＝300線/mm和3300線/mm之間的范圍中選出。在大約F＝2400線/mm處，僅在零級衍射級內(nèi)仍可觀察到衍射光束34(圖5)，即在反射光線22(圖5)的方向上。
疊加函數(shù)M(x，y)的進一步的例子如下M(x，y)＝0.5·(x2+y2)·K，M(x，y)＝a·{1+sin(2πFx·x)·sin(2πFy·y)}，M(x，y)＝a·x1.5+b·x，M(x，y)＝a·{1+sin(2πFy·y)}，其中，F(xiàn)x和Fy分別為疊加函數(shù)M(x，y)分別在坐標軸x和y方向上的空間頻率F。在安全特征16的另一個實施例中，疊加函數(shù)M(x，y)由另一函數(shù)的預定部分周期性地組成，并且沿線36具有一個或多個周期。
在圖8a中，疊加函數(shù)M(x，y)＝0.5·(x2+y2)·K，即球面的一部分，起伏結構R(x，y)，即“各向同性的”消光結構，在例如具有圓形邊緣的表面部分14中形成衍射結構S(x，y)(圖7)。在日光下，觀察者35(圖5)根據(jù)觀察方向39看見與黑灰背景43相對照的白灰光點42，表面部分14中，點42相對于識別標記37的位置以及點42與背景43之間的對比度取決于觀察方向39。點42的范圍由消光結構的散射能力和疊加函數(shù)M(x，y)的曲率確定。例如在圖8b中，通過繞傾斜軸(41(圖5)傾斜及/或繞層復合物1的表面法線21(圖5)旋轉，將安全元件2(圖2)定向到預定的觀察方向39，以這種方式，點42處于配置在例如具有圓形邊緣的表面部分14的中心的識別標記37內(nèi)。
圖9示出衍射平面20中的衍射結構S(x，y)(圖7)的光衍射效應。起伏結構R(x，y)(圖4)是具有例如正弦剖面輪廓曲線和小于2400線/mm的空間頻率f的衍射光柵32(圖4)。起伏結構R(x，y)的光柵矢量位于衍射平面20中。在安全特征16的表面部分13(圖2)、14(圖2)和15(圖2)中的疊加函數(shù)M(x，y)由衍射結構S(x，y)的效果確定，其中分別以預定視角+θ和-θ入射在層復合物1上的光線11分別被偏轉至正衍射級23(圖3)或負衍射級24(圖3)。在衍射平面20中，波長為λ1的第一光束44包含同入射光線11的視角θ，波長為λ2的第二光束45具有的視角為-θ。觀察者35(圖5)以波長λ1的色彩、在視角θ上察覺到表面部分13、14、15。平面內(nèi)的層復合物1旋轉180°后，表面部分13、14、15以波長λ2的色彩、在視角-θ上呈現(xiàn)在觀察者35的面前。如果中心面33包含局部傾角γ＝0°，則波長λ1和λ2不會產(chǎn)生不同。對于局部傾角γ的其它值，波長λ1和λ2不同。以虛線顯示的傾斜的中心面33的法線21’包括同入射光束11的角α，其中α＝-β＝γ。第一光束44與法線21’所含的衍射角為ξ1，而第二光束45與法線21’所含的衍射角為ξ2。
由于ξk＝asin(sinα+mk·λk·f)并且α＝γ，所以前兩個衍射級()23、24(即mk＝±1)的關系，如下f·(λ1+λ2)＝2·sin(θ)·cos(γ) (1)從此可得出，對于視角θ和空間頻率f的預定值，光束44、45的兩個波長λ1、λ2的和與傾角γ的局部角的余弦值成比例。對于其它級數(shù)m，可簡單地導出公式(1)。對于給定的可觀測的顏色，由空間頻率f確定級數(shù)m和視角θ通過例子，圖10a和10b示出安全特征16的一個實施例，其中，在圖10a中，安全元件2在其平面內(nèi)相對于圖10b中的安全元件2旋轉180°。通過平面中的線36說明衍射平面20(圖9)。在圖10a和10b中，安全特征16包括具有衍射結構S(x，y)＝R(x，y)+M(x，y)的三個表面部分13、14、15，其中，在這三個表面部分13、14、15中，衍射結構S(x，y)由于由等式(1)相對于疊加函數(shù)M(x，y)的局部傾角γ和起伏剖面輪廓曲線R(x，y)的空間頻率f而確定的值而不同。背景區(qū)46毗連至少一個表面部分13、14、15并具有有相同起伏剖面輪廓曲線R(x，y)和空間頻率f的衍射光柵32(圖4)，所述空間頻率f對于背景區(qū)是特定的。起伏剖面輪廓曲線R(x，y)的光柵矢量以同表面部分13、14、15與背景區(qū)46中的線36平行的關系定向。在用白光11(圖9)垂直照明安全元件2時，表面部分13、14、15和背景區(qū)46在安全特征16中、在圖10a所示方向上、在視角θ的位置以同樣的顏色變亮，并且對于觀察者35(圖5)，安全特征16看上去無對比差異的以單色發(fā)亮，例如偏轉的第一光束44(圖9)的波長λ1為例如680nm(紅色)。在圖10b中所示的方向中，在視角-θ上觀察到整個安全特征16。例如，第一表面部分13在波長為λ2的第二光束45(圖9)中發(fā)亮，例如λ2＝570nm(黃色)，第二表面部分14在波長為λ3的第二光束45中發(fā)亮，例如λ3＝510nm(綠色)，以及第三表面部分15在波長為λ4的第二光束45中發(fā)亮，例如λ4＝400nm(藍色)。在衍射光柵32(圖4)的中心面33(圖9)包括具有值γ＝0的傾角γ的背景區(qū)46中，因為對稱的原因，第二光束45也具有波長λ1，即背景表面46再次以紅色發(fā)亮。本實施例的優(yōu)點在于安全特征16的顯著的光學特性，即，在安全元件2的單一預定方向上可見的、并在安全元件2繞表面法線21(圖3)180°旋轉后改變或消失的色對比度。因而安全特征16用來建立具有不可全息復制的安全特征16的安全元件2的預定定向。
僅為簡單起見，假設單色即恒定傾角γ應用于例如每個表面部分13、14、15中。一般來說，表面部分13、14、15具有來自疊加函數(shù)M(x，y)的部分，使得在表面部分13、14、15中的傾角γ在預定方向上連續(xù)變化，并且第二光束45的波長發(fā)自波長λk的兩邊的區(qū)域。代替類似定界的表面部分13、14、15，配置在背景區(qū)46上的表面部分13、14、15形成標識、文本等等。
在圖11中，衍射結構S(x，y)具有更復雜的特性。疊加函數(shù)M(x，y)是對稱的、部分穩(wěn)定的、周期性的函數(shù)，其值根據(jù)z＝M(x，y)而沿坐標軸x變化，M(x，y)沿著坐標軸y具有常值z。例如，矩形表面部分13、14(圖10)、15(圖10)定向成其縱邊同坐標軸x平行，并且細分成寬度為b的窄的部分表面47，該窄的部分表面的縱邊定向成與坐標軸y平行。疊加結構M(x，y)的每個周期1/Fx延伸在t個部分表面47上，例如數(shù)t是在5和10之間的范圍內(nèi)的值。寬度b不應該小于10μm，否則衍射結構S(x，y)在部分表面47上定義得不夠。
相鄰的部分表面47的衍射結構X(x，y)在被加數(shù)起伏剖面輪廓曲線R(x，y)和與部分表面47相關聯(lián)的疊加函數(shù)M(x，y)的部分上不同。第i個部分表面47的起伏剖面輪廓曲線Ri(x，y)在諸如方位、空間頻率、平面高度h(圖4)等的至少一個光柵參數(shù)上，不同于相鄰的部分表面47的兩個起伏剖面輪廓曲線Ri+1(x，y)和Ri-1(x，y)。如果空間頻率Fx和Fy分別為最多10線/mm，但不小于2.5線/mm，那么觀察者35(圖5)不再能用肉眼察覺到表面部分13、14、15上按照疊加函數(shù)M(x，y)的周期的細分。子具有衍射結構S(x，y)的部分表面47的細分和占據(jù)在疊加函數(shù)M(x，y)的每個周期內(nèi)重復。在安全特征16的另一個實施例中，起伏剖面輪廓曲線R(x，y)按照周期性疊加函數(shù)M(x，y)的相角的函數(shù)而連續(xù)變化。
圖11中所示的衍射結構S(x，y)在圖12中所示的安全特征16的實施例中應用，在當安全特征16繞平行于坐標軸y的傾斜軸傾斜時，用白光11照射時，使用新穎的光學效應。安全特征16包括排列在矩形的第二表面部分13上的三角形的第一表面部分14。在第一表面部分14中，衍射結構S(x，y)區(qū)別在于，在疊加函數(shù)M(x，y)的每個周期內(nèi)，起伏剖面輪廓曲線R(x，y)的空間頻率f步進地或連續(xù)地以預定的空間頻率范圍δf，在坐標軸x的方向上變化，其中在第i個部分表面47(圖7)中的空間頻率fi大于在前面的第i-1個部分表面47(圖7)中的空間頻率fi-1。因而，在每個周期內(nèi)，第一部分表面47包含值fA的空間頻率f。對于在該周期的最小值的部分表面47，空間頻率f＝fM并且對于在該周期的結尾處的部分表面47，空間頻率的值為f＝fE，其中fA＜fM＜fE，其中δf＝fE-fA。在第二表面部分13中，衍射結構S(x，y)區(qū)別在于，起伏剖面輪廓曲線R(x，y)的空間頻率在疊加函數(shù)M(x，y)的周期內(nèi)、在坐標軸x的方向上、步進地或連續(xù)地在從一個部分表面47到下一個部分表面降低。在一個實施例中，作為例子，第二表面部分13的衍射結構S**(x，y)＝R(-x，y)+M(-x，y)是第一表面部分14的衍射結構S(x，y)，它是以坐標軸y、z定義的平面的鏡像。衍射平面20(圖9)的光柵矢量和線36(圖11)以實質上平行于傾斜軸41的關系定向在表面部分13、14中。梯度38實質上平行于由坐標軸x和z定義的平面。
在圖12a中，安全特征16在由坐標軸x和y定義的x-y平面內(nèi)，其中觀察方向39(圖5)同坐標軸x形成直角。在垂直入射白光11(圖1)的情況下，在疊加函數(shù)M(x，y)的最小值的區(qū)域內(nèi)照亮部分表面47。因為在衍射結構S(x，y)、S**x，y)中，這些部分表面47包括相同的起伏剖面輪廓曲線R(x，y)和相同的傾角γ≈0°，所以在兩個表面部分13、15衍射到觀察方向39的光束34(圖5)來自可見光譜的相同范圍，例如綠色，使得在第一表面部分14和第二表面部分13間，安全特征16上的色對比度消失。當安全特征16繞傾斜軸41傾斜，色對比度隨著傾斜角增加而變得清晰，如圖12b所示。當安全部件16向左邊傾斜時，第一表面部分14的顏色在紅色的方向上偏移，因為空間頻率f小于fM的具有起伏剖面輪廓曲線R(x，y)的部分表面47變得有效。第二表面部分13的顏色在藍色的方向上偏移，因為空間頻率f大于fM的具有起伏剖面輪廓曲線R(x，y)的部分表面47變得有效。在圖12c中，安全特征16從圖12a所示的位置繞傾斜軸41向右邊傾斜。當向右邊傾斜時，色對比度也明顯地出現(xiàn)，但顏色互換。第一表面部分14的顏色在藍色的方向上偏移，因為空間頻率f大于fM的具有起伏剖面輪廓曲線R(x，y)的部分表面47變得有效，同時第二表面部分13的顏色在紅色的方向上偏移，因為衍射結構S**(x，y)的起伏剖面輪廓曲線R(x，y)的空間頻率f相對于值fM降低的部分表面47(圖11)變得有效。
在圖11中的衍射結構S(x，y)的另一實施例中，每個周期1/Fx的部分表面47中的起伏剖面輪廓曲線R(x，y)包括相同的空間頻率，但由于光柵矢量相對于坐標軸y的方向角，一個部分表面47和另一個部分表面的起伏剖面輪廓曲線相異。在周期1/Fx內(nèi)，方向角步進地或連續(xù)地在例如范圍δ＝±40°內(nèi)變化，其中每個周期的最小值中≈0°。根據(jù)中心面33(圖5)的局部傾角γ(圖5)，從范圍δ中選擇方向角，一方面，在繞傾斜軸41(圖12b和12c)的所有傾角上，第一表面部分14(圖12a)的衍射結構S(x，y)在觀察方向39(圖5)上發(fā)射由空間頻率f預定的色域的衍射光束34(圖5)，例如，從綠色范圍，另一方面，形成鏡像衍射結構S**(x，y)的第二表面部分13(12a)僅以預定的顏色在單一的預定傾斜角上發(fā)亮，例如從綠色范圍中產(chǎn)生的混合色。在其它傾角上，第二表面部分13是黑灰的。對于在這里作為例子而提出的方向角范圍δ±20°，綠色范圍從波長λ＝530nm(≈0°)至波長λ＝564nm。
在圖13中，應用于衍射結構S(x，y)的疊加函數(shù)M(x，y)是在坐標軸x上不對稱的函數(shù)。在周期1/Fx內(nèi)，疊加函數(shù)M(x，y)非周期地從最小值向最大值增加，例如像函數(shù)y＝const·x1.5?？臻g頻率Fx和Fy分別在范圍2.5線/mm直到并包括10線/mm。由于模H運算(圖7)而出現(xiàn)的不連續(xù)位置在這里未顯示。使用上述具有實質上平行于坐標軸x的較佳方向的“各向異性”的消光結構作為起伏剖面輪廓曲線R(x，y)。因此，入射光11(圖5)主要平行于坐標軸y散射出去。衍射結構S(x，y)＝R(x，y)+M(x，y)在第一表面部分14(圖12a)中成形，衍射結構S**(x，y)＝R(-x，y)+M(-x，y)在第二表面部分13(圖12a)中成形。將參考圖12a描述安全特征16的光學效應，光11(圖9)入射在x-y平面上。當安全特征16在x-y平面中時，通過消光結構把高強度的入射光11散射在疊加函數(shù)M(x，y)的最小值的區(qū)域內(nèi)，而衍射結構S(x，y)、S**(x，y)的其它表面部分47的散射效果將被忽視。由表面部分13、14反向散射的光線包含入射光線11(圖5)的顏色，并且在表面部分13和14中具有相同的表面亮度，以便不可能在兩個表面部分13、14間看到任何反差。在圖12b中，入射光線11(圖5)以入射角α入射在繞傾斜軸41向左邊傾斜的安全特征16上。入射光線11(圖5)僅在第二表面部分13內(nèi)散射。在這樣的光照條件下，第一表面部分14的表面亮度小于第二表面部分13中的表面亮度若干數(shù)量級，使得第一表面部分14相對于明亮的第二表面部分13而呈現(xiàn)出灰暗表面。在圖12c中，安全特征16向右傾斜，在這種情況下，兩個表面部分13和14的表面亮度互換。
在圖12a到12c中，代替單個三角形的表面部分14，在第二表面部分13上可排列形成標識、文本等的多個第一表面部分。
更進一步的實施例，代替簡單的數(shù)學函數(shù)，也使用用在硬幣和獎章上的起伏圖像作為衍射結構S(x，y)中的至少部分的穩(wěn)定的疊加函數(shù)M(x，y)，其中，有利的是，起伏剖面輪廓曲線R(x，y)是“各向同性”的消光結構。在這個實施例中，安全元件2的觀察者具有特征表面結構的三維圖像的印象。當旋轉并傾斜安全元件2時，圖像中的亮度分布根據(jù)相對于真實的起伏圖像的預期值而變化，但是凸出的單元不投射陰影。
不脫離本發(fā)明的概念，所有衍射結構S在其結構高度都限制為值Hst(圖1)，如參考圖7所述的那樣。應用于上述特定的實施例中的起伏剖面輪廓曲線R(x，y)和疊加函數(shù)M(x，y)可按需組合以提供其他衍射結構S(x，y)。
在安全元件2中對上述安全特征16的使用具有這樣的優(yōu)勢，即，安全特征16防止了對全息復制安全元件2的企圖。在全息復制中，僅可在改變的形式中觀察到安全特征16表的面上的位置轉移或顏色轉換。
權利要求
1.一種安全元件(2)，包括具有表面圖案(12)的微觀精細光學有效結構(9)的層復合物(1)，所述微觀精細光學有效結構(9)嵌入在層復合物(1)的層(5；6)之間，其中，光學有效構件(9)成形在由坐標軸(x；y)確定的表面圖案(12)的平面中的安全特征(16)的表面部分(13；14；15)中的層(5；6)間的反射界面(8)中，其特征在于尺寸大于0.4mm的至少一個表面部分(13；14；15)具有通過描述宏觀結構的疊加函數(shù)(M)與微觀精細起伏剖面輪廓曲線(R)的正向或負向的疊加而形成的衍射結構(S；S*；S**)，所述疊加函數(shù)(M)、起伏剖面輪廓曲線(R)和衍射結構(S；S*；S**)是坐標軸(x；y)的函數(shù)，并且所述起伏剖面輪廓曲線(R)描述了光衍射或光散射光學有效結構(9)，所述光學有效結構(9)跟隨著所述疊加函數(shù)(M)而保持預定的起伏剖面輪廓曲線(R)，以及至少部分穩(wěn)定的疊加函數(shù)(M)在至少部分區(qū)域中彎曲，不是周期性三角形或矩形函數(shù)，并且同起伏剖面輪廓曲線(R)相比緩慢地變化。
2.如權利要求1所述的安全元件(2)，其特征在于，安全特征(16；16’)具有至少兩個相鄰的表面部分(13；14；15)，并且第一衍射結構(S)在第一表面部分(14)中成形，不同于第一衍射結構(S)的第二衍射結構(S*；S**)在第二表面部分(13；15)中成形，第一表面部分(14)中的光柵矢量或第一起伏剖面輪廓曲線(R)的較佳方向以及第二表面部分(13；15)中光柵矢量或第二起伏剖面輪廓曲線(R)的較佳方向實質上平行。
3.如權利要求1或權利要求2所述的安全元件(2)，其特征在于，疊加函數(shù)(M)是具有空間頻率(F)至多為5線/mm的不對稱的、部分穩(wěn)定的、周期函數(shù)。
4.如權利要求1或權利要求2所述的安全元件(2)，其特征在于，疊加函數(shù)(M)描述了起伏圖像。
5.如權利要求1至權利要求3中任一項所述的安全元件(2)，其特征在于，在衍射結構(S；S*；S**)中，光柵矢量或起伏剖面輪廓曲線(R)的較佳方向實質上平行于由疊加函數(shù)(M)的梯度(38)和垂直于層復合物(1)的表面法線(21)所確定的梯度平面。
6.如權利要求1至權利要求5中任一項所述的安全元件(2)，其特征在于，在第一表面部分(14)中，第一衍射結構(S)從起伏剖面輪廓曲線(R)與疊加函數(shù)(M)的總和形成，并且在第二表面部分(13；15)中，衍射結構(S*)是同樣的起伏剖面輪廓曲線(R)與同樣的疊加函數(shù)(M)的差。
7.如權利要求1至權利要求4中任一項所述的安全元件(2)，其特征在于，在衍射結構(S；S*；S**)中，光柵矢量或起伏曲線(R)的較佳方向實質上垂直于由疊加函數(shù)(M)的梯度(38)和垂直于層復合物(1)的表面法線(21)所確定的梯度平面。
8.如權利要求2或權利要求3或權利要求7中任一項所述的安全元件(2)，其特征在于，在第一表面部分(14)中，第一衍射結構(S)從起伏剖面輪廓曲線(R)與疊加函數(shù)(M)的總和形成，并且在第二表面部分(13；15)中，衍射結構(S**)是第一衍射結構(S)的鏡像。
9.如權利要求1至權利要求8中任一項所述的安全元件(2)，其特征在于，至少一個識別標記(37)配置在至少一個表面部分(13；14；15)上，所述識別標記(37)建立了預定的觀察方向(39)，由衍射光線(34)照亮的并且由于傾斜或旋轉安全特征(16)而在照亮的表面部分(13；14；15)上移位的至少一個帶(40)或點(42)定向于識別標記(37)。
10.如權利要求1至權利要求9中任一項所述的安全元件(2)，其特征在于，在至少一個表面部分(13；14；15)中，衍射結構(S)是疊加函數(shù)(M)和由起伏剖面輪廓曲線(R)描述的、具有空間頻率(f)的衍射結構(32)的和，并且疊加函數(shù)(M)具有局部傾角(γ)，當用白光(11)光(34)垂直照射時，在表面部分(13；14；15)上的衍射光線(34)以相對于入射光線(11)而預定的對稱的視角(+9；-9)偏轉，所述衍射光線(34)包括在一個視角(+9)上的第一波長(λ1)的第一光束(44)和在另一視角(-9)上的第二波長(λ2)的第二光束(45)，對于預定的視角(9)和預定的空間頻率(f)，光束(44；45)的兩個波長(λ1；λ2)的和與局部傾角(γ)的余弦成比例。
11.如權利要求10所述的安全元件(2)，其特征在于，表面部分(13；14；15)毗連安全特征(16)的背景區(qū)(46)，具有起伏剖面輪廓曲線(R)的衍射光柵(32)成形于背景區(qū)(46)中，并且衍射光柵(32)的空間頻率(f)使得在視角(+9；-9)上，第一光束(44)和第二光束(45)都為第一波長(λ1)。
12.如權利要求1至權利要求3中任一項所述的安全元件(2)，其特征在于，在疊加函數(shù)(M)的每個周期內(nèi)，起伏剖面輪廓曲線(R)的方向角()及/或空間頻率(f)根據(jù)疊加函數(shù)(M)的局部傾角(γ)而步進地在部分表面(46)內(nèi)、或連續(xù)地在預定的方向角范圍(δ)或在預定的空間頻率范圍(δf)內(nèi)變化。
13.如權利要求1至權利要求12中任一項所述的安全元件(2)，其特征在于，起伏剖面輪廓曲線(R)是具有大于300線/mm的空間頻率(f)的衍射光柵(32)。
14.如權利要求1至權利要求12中任一項所述的安全元件(2)，其特征在于，起伏剖面輪廓曲線(R)是消光結構。
15.如權利要求1至權利要求14中任一項所述的安全元件(2)，其特征在于，表面部分(13；14；15)中的疊加函數(shù)(M)地相鄰極值彼此遠離至少0.025mm。
16.如權利要求1至權利要求15中任一項所述的安全元件(2)，其特征在于，衍射結構(S；S*；S**)限制為小于40μm的結構高度(Hst)，并且疊加函數(shù)(M)限制為小于30μm的變量值(H)，在衍射結構(S；S*；S**)中使用的疊加函數(shù)(M)的值z等同于{(M)+C(x；y)}以變量值(H)為模-C(x；y)，其中，函數(shù)C(x；y)的量限制為結構高度(Hst)的一半。
17.如權利要求1至權利要求16中任一項所述的安全元件(2)，其特征在于，具有光學有效結構(9)的表面單元(17；18；19)是表面圖案(12)的一部分，并且至少一個表面單元(17；18；19)毗連安全特征(16)。
全文摘要
難以復制的安全元件(2)包括具有表面圖案的微觀精細光學有效結構(9)的層復合物(1)，所述結構嵌入層復合物(1)的層(5；6)之間。在由坐標軸x和y定義的表面圖案的平面中，光學有效結構(9)成形于全息不可復制的安全特征的表面部分中的層(5；6)之間的界面(8)中。在至少一個表面部分中，由微觀精細起伏剖面輪廓曲線(R)和宏觀疊加函數(shù)(M)正向疊加形成光學有效結構(9)。起伏剖面輪廓曲線(R)、疊加函數(shù)(M)和衍射結構(S；S
文檔編號B42D15/10GK1646331SQ03807932
公開日2005年7月27日 申請日期2003年4月3日 優(yōu)先權日2002年4月5日
發(fā)明者R·斯托布, A·希林, W·R·湯普金 申請人:Ovd基尼格拉姆股份公司