安全元件的制作方法

专利名称：安全元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学衍射安全元件，如权利要求1的分类部分所阐述的。
这种安全元件可以用于文件的验证，诸如承载价值的文件或债券、支票、纸币、信用卡、所有类型的护照和身份卡、入场券、驾驶执照等等，安全元件例如是通过粘结而固定在文件上的薄层复合材料或分成薄片。
用于彩色拷贝的现代复印机是对由印刷过程制成的文件的严重的潜在危险，因为原物和拷贝之间的视觉差异太小以至于只有配备适当辅助设备的专家才能分辨原物和拷贝，除印刷图像的外表之外这方面常必须参考其它标准，诸如凹版印刷、水印、荧光、具有衍射结构的光学可变安全元件等等。
从EP 0 522 217 B1已知，设置在文件上的反射箔部分实现了对这种文件的未批准拷贝的良好保护。由于拷贝机器将反射表面复制成黑色，具有反射箔的原物与拷贝之间的差异清晰可见。但是，可以理解，反射箔在市场上是易于获得的。因此，这种拷贝中的黑色表面可方便地有粘贴其上的反射箔，从而使拷贝表现得更真实。
DE 44 10 431 A1描述了上述箔部分的进一步发展。安全元件是从分层薄片上切下的箔部分，具有平坦的镜反射层。在表面部分中除去该反射层，其中所述表面部分在箔部分的表面上形成个别标记，从而反射层下设置的黑色层变成是可见的。在由复印机制成的拷贝上，由于除去反射层的表面部分以及拷贝中保留在后面的镜面一律呈黑色，在其余镜表面的复制过程中黑色标记消失。取代平镜面的另一种安全元件具有含标记的全息图结构，在拷贝过程中其表现类似将在以下段落中讨论的衍射结构。因此，在拷贝中，在全息图的被拷贝图像中可以检测到标记。
例如从GB 2 129 739 B的实例中已知，对有价值的文件置以具有含衍射结构(例如全息图，根据EP 0 105 099 A1，EP 0 330 738 A1，EP 0 375 833 A1等含镶嵌状表面图案)的光学可变安全元件。这些安全元件具有根据观察状况变化的图案或图像。从未批准人员的观点，只有以较高的成本才能模仿这些安全元件。可是，文件的彩色拷贝复制安全元件的一个图案或图像，在用于成像过程的复印机中固定的观察条件下它在原物中是可见的。可以理解，在观察条件改变的情况下，不再可能看到拷贝中图案或图像的任何变化，但如果接受者不注意，拷贝很容易被认为是真正的文件EP 0 401 46 A1和US No 4 856 857中描述了用于安全元件的层状物的实施例和可用于该目的的材料。
本发明的目的在于提供一种廉价的光学可变安全元件，它不能通过复印机装置复制并不能用全息方法进行拷贝。
根据本发明，该目标是通过权利要求1的特征部分中所阐述的特点来获得的。本发明的有利结构在所附权利要求书中进行阐述。
以下参考附图更详细地描述本发明的实施例，其中

图1示出一文件，图2示出绕轴倾斜时的文件，图3示出安全元件的横截面的视图，图4示出凹凸结构的界面，图5示出第一观察条件，图6示出第二观察条件，图7a和7b示出具有灰度级的安全元件，以及图8示出凹凸结构。
参考图1，标号1表示文件，2表示安全元件，3表示背景表面，4表示图案要素和5表示文件1的平面内的概念上的倾斜轴。用从上方横向和倾斜的定向人造光照射文件1并垂直从上方观看。安全元件2固定在文件1上。为了识别，安全元件2具有图案25，它包括由背景表面3包围的图案要素4。为了使图1更加清楚，图案25包括单个图案要素4并形成简单的“V”符号。对于图案25，实际实施例包括多个背景表面3和图案4的排列。在指定的照明和观察条件下，由于图案要素4和背景表面3之间没有对比，背景表面3和图案要素4都是暗的，例如金属性的无光泽，所以图案25对于观察者来说是不可见的。相反，如下所述，在漫射日光中或在漫射的室内照明中以及在特定照明条件下，图案要素4从光背景表面3中突出呈暗色，从而观察者可以清晰地看到。
如图2所示，如果将具有安全元件2的文件1绕倾斜轴5倾斜使得背景表面3将光反射到观察者的眼中，则由于图案要素4保持是暗的并从背景表面3中以较高水平的对比度突出，观察者可以识别图案25。在这种观察条件下，实现了对观察者的反射条件。从观察者的角度来说，反射条件下安全元件2在其平面中的旋转不改变图案25的外观，即是说不执行安全元件2的方位定向。
图3示出安全元件2(图2)的横截面，其中剖面平面包括例如倾斜轴5(图2)。安全元件2包括层合成物或层状物6，它包括多个层7、8、9和11。关于层状物6的结构和其的材料的实例可以在EP 0 401 466 A1和US 4 856 857中找到。
在最简单的情况中，层状物6包括至少保护层7、粘合层8和设置在保护层7和粘合层8之间的漆层9。粘合层8将安全元件2结合到文件1上。如果在从漆层9到粘合层8的转变处，边界层处的折射率突然改变，则粘合层8和漆层9间的界面反射通过覆盖层7和漆层9入射的光10。采用US No 4 856 857的表6中的材料，折射率的差太小以至于不能实现强反射。因此通过反射层11增加反射能力，其中反射层11设置在界面处并且它是包括金属或由合适的无机介质层涂覆的金属的薄层(＜0.4微米)，所述介质层设置在金属的侧面上，朝向入射光10。
反射层11的材料包括在US No 4 856 857的表1到5中；表1到6结合在描述中。表5中未提及的碲也适用于反射层11。入射光10表示日光或波长在380nm到780nm之间的可见多色光。
层状物6的另一个实施例中，远离漆层9的层状物6的覆盖层7的表面通过分离层12连接到载体带或条13以便易碎的层状物6转移到文件1上。在将层状物6适当胶合后，可以除去诸如PC或PETP的纸或塑料膜的载体带13，从而通过保护层7和漆层9可看到图案25(图2)。在这方面，关注上述GB 2 129 739 B。
如图3所示，具有几何花纹深度p的凹凸结构14形成于漆层9内，在图案要素4的区域中。在背景表面3的区域中，漆层9形成得光滑和平坦并与层状物6的其它层平行。粘合层8的材料填充凹凸结构14的凹陷。有或没有附加反射层11的界面沿着凹凸结构14和背景表面3的镜面。
凹凸结构14是交叉格栅(cross grating)，它包括两个周期d小于可见光谱(即λ＝380nm和λ＝420nm之间)中短波端处界限波长λ且具有光学有效结构深度h的基格栅，即花纹深度p乘以漆层9的折射率，较佳地在h＝50nm和h＝500nm之间的范围内。这种凹凸结构14吸收图案要素4上入射的几乎所有的可见光10并将小部分的入射光10散射回到图案要素4上的半空间中。被吸收光10的百分比非线性地取决于结构深度h并可以通过在上述50％和约99％的范围内选择结构深度h来加以控制，其中凹凸结构14越浅，相应地越多入射光10被散射回而相应地越少光10被吸收。指定的百分比需要具有诸如铝的反射层11的凹凸结构14。因此，具有各种结构深度h的图案要素4的邻接区域呈现灰分度(grey graduation)。
图4所示的凹凸结构14的实施例是由两个正交的正弦基格栅形成的交叉格栅。沿坐标x延伸的第一基格栅的正弦函数的周期是dx、振幅是hx，而沿坐标y延伸的第二基格栅的正弦函数的周期是dy、振幅是hy。在由坐标x和y限定的平面上，由层状物6(图3)内的交叉格栅形成的界面h(x，y)遵循例如以下的函数h(x，y)＝[hx+hy]·sin2(πx/dx)·sin2(πy/dy)。
其它实施例包括h(x，y)＝hx·sin2(πx/dx)+hy·sin2(πy/dy)，其中矩形或锥形结构用作界面h(x，y)。
在一个实施例中，两个周期dx、dy和结构深度hx、hy是相同的，而在其它实施例中它们是不同的。结构深度h＝[hx+hy]可以选择成大于周期d，但凹凸结构14很难用当前的制造方法来进行制作。界面h(x，y)类似蛋形纸板并在图4中示出。
参考图5，现在讨论第一观察方向上的安全元件2的光学性能。入射光10与安全元件2平面的法线15成约40°的角。在一实例中，具有上述凹凸结构14的图案要素4在可见光范围内吸收多达95％的入射光10，其余的都被散射。相反，反射背景表面3仅吸收约10％的入射光10并将其余的反射。由于图案要素4的表面部分邻接反射背景表面3，所以观察者有很强的对比从而预定图案25中安全元件2的预定背景表面3上设置的图案要素4可便于识别为信息。图案25表示标识、文本、图像或其它图解字符。
图5中的图示对应于复印机装置中的光照条件。根据复印机装置的各模型，入射到文件1和安全元件2上的复印机装置的定向光10与法线15形成约40°到50°范围内的入射角α。文件1将入射光10散射入整个半空间中。结果散射光进入复印机装置的光接收器16，它设置在法线15的方向上。与之相反，从背景表面3反射的光17根据反射法则以相同的角度α偏斜入观察者19的观看方向18且不通过光检测器16。如果光10以相同的入射角α入射到图案要素4上，则相反地，入射光10被吸收；光接收器16和观察者19都记录没有来自图案要素4的光。因此，图案要素4是暗的。
对于入射到层状物6中的光10，背景表面3形成图案25的平坦镜面，而图案要素4作为吸收器表面而耗尽入射光10的大部分。因此，在反射光17中，观察者19以强光表面部分的形式识别背景表面3而将图案要素4识别成图案25的暗表面部分。在反射光17之外的方向上，安全元件2仅散射小部分的入射光10。背景表面3和图案要素4处散射的光的单位表面积的强度水平实际上是相同的量级从而背景表面3和图案要素4之间不存在对比。在用直接入射光10照明的情况中，由背景表面3和图案要素4形成的图案25仅在以镜面反射的反射光17内是可识别的，与印刷过程生产的黑白图像形成对比。
在复印机装置中，背景表面3和图案要素4将入射光10的这种小投影投射到光接收器16中从而复印机装置不加选择地将背景领域3和图案要素4复制成黑表面。这种安全元件2的优势在于复印机装置不能复制由图案要素4表示的信息，而在用直接入射光10按照以反射模式观察背景表面3的方式几乎自动地倾斜安全元件2时，观察者9可以以相对于背景表面3的高对比度看到图案要素4的信息。采用这种方式，在文件1的良好彩色拷贝上，留心的观察者可以方便地区别安全元件2与反射金属箔。通过用周期dx(图4)和dy(图4)在安全元件2上采用凹凸结构14形成进一步的优势，其中dx和dy比可以用于全息复印方法的相干光源的波长短；因此不可能用全息方法制成安全元件2的拷贝。
图6示出对安全元件2的两个观察者19、20的第二照明条件。诸如卤素灯、白炽灯等等的多色发光源21设置在第二观察者20上方并以约60°到80°的较大入射角α将入射光10发射到图案要素4上。如上所述，第一观察者19以反射角α看到背景3(图5)前面的图案要素4的图案25(图2)。如果凹凸结构14的周期dx、dy(图4)分别在半个和整个界限波长λ的区域内；即λ≥d≥λ/2，其中d＝dx或dy，则以较大的衍射角β将部分入射光10偏斜入负一级，作为衍射光22。第二观察者20可以识别衍射光22。衍射光22包括电磁辐射的可见光谱的短波部分。因此，衍射光22取决于衍射角β和蓝绿色到紫色中的周期dx、dy。在强度方面，在相对于法线15的预定衍射角β观察的衍射光22还取决于方位。注意在前述考虑中把保护层7的折射影响忽略不计。
相反，第一观察者19在反射光17的方向上观看并将背景表面3看成发亮的表面部分而将图案要素4看成图案25的暗表面部分。
如果周期dx或dy小于λ/2，则由于凹凸结构14不再衍射可见光22，第二观察者20就不能分别在坐标x或y的方向上看到衍射光22。在这种情况下，以反射角α观察安全元件2的第一观察者19看见不变的深棕色至黑色的图案要素4。
反射角α处可见的图案要素3的颜色取决于反射层11的性质，由于反射层11中材料的各种组合不均匀地反射可见电磁辐射的整个光谱范围内的入射光10。对于从漆层9到反射层11的折射率，深黑图案要素3有利地具有逐渐过渡；通过漆层9和反射层11的金属层24之间的至少一层无机介质23形成该过渡。对于背景表面3的平坦镜面，由介质23和金属层24形成的反射层11没有显著的效果。相反在凹凸结构14的情况中，作为干涉现象的结果，该反射层11使入射光10几乎完全消失，这特别一致地产生于可见电磁辐射的整个光谱范围上。一实例具有50nm厚的ZnS介质层23和100nm厚的铝作为金属层24。进一步的优势是结构深度h，相对于漆层9的折射率n＝1.5，ZnS的较高折射率是n＝2.4，深度是增加了，而其中凹凸结构14的花纹深度p保持一样。
除了不同结构深度h的图案要素4的灰分度，安全元件2实施例中的灰分度还通过各种密度的光栅(rastering)形成，其中光栅点(raster dot)的尺度小于0.4nm。在这方面，光栅点是否排列成图案要素4中的背景领域3或排列成背景领域3中的图案要素4是不重要的。
图7a和7b示出安全元件2内从暗图案要素4到亮发光背景领域3的灰度级的形成的另一个实例。图7a包括在最大0.5mm的间隔的固定光栅中对应于灰度级使用各种尺寸的光栅点。在稍许光亮区域26中光栅点接触，在光亮区域27中光栅点是约0.25mm的平均尺寸而在稍许暗的区域28中光栅点约0.15mm。图7b中，代替点光栅，有最大0.5mm间隔的线光栅。这里相应的线宽提供区域26(图7a)到28(图7a)中的灰分度。
在区域26到28的一个区域中，图案表面4的光栅点具有相同的尺寸。通过凹凸结构14(图6)中适当分级的结构深度h实现了精细的灰分度，它适于黑白照片的复制。
图8示出作为简单实例的安全元件2的两个图案25。在上半安全元件2中，图案25包括含有星30的带29。带29由暗图案要素4形成。带29周围的区域和星30形成光背景表面3。在没有关于以上描述的限制的情况下，背景表面3和图案要素4是可互换的，如下半安全元件2所示。
如果图案25形成用于具有衍射结构的镶嵌表面图案31的背景且其空间频率是每毫米300线到每毫米2000线的范围内的值，图1的安全元件2将仍旧很难伪造。这种镶嵌表面图案31可以从上述EP 0 105 099 A1、EP 0 330 738 A1以及EP 0 375833 A1中了解到。在此并入这些专利说明书的内容。
权利要求
1.一种用于文件(1)验证的安全元件(2)，带有包括多个表面部分的图案(25)并呈层状物(6)的形式，它包括至少一透明保护层(7)、一透明漆层(9)和一粘合层(8)，其中漆层(9)设置在保护层(7)和粘合层(8)之间，折射率在粘合层(8)和漆层(9)之间的界面处骤变，图案(25)的表面部分由背景表面(3)和图案要素(4)组成，其特征在于，在背景表面(3)的区域中，漆层(9)是光滑、平坦的形式，而在图案要素(4)的区域内的漆层(9)中形成具有预定的、光学上有效的结构深度(h)的凹凸结构(14)，背景表面(3)是平坦的镜表面，用于使光(10)入射到层状物(6)中，以及凹凸结构(14)是交叉格栅，它由具有周期(dx；dy)的基格栅形成，而周期(dx；dy)比可见光(10)谱中短波端处的预定界限波长(λ)短，以便图案要素(4)吸收和散射入射光(10)，其中每个凹凸结构(14)中，吸收和散射光的比率是预定地取决于凹凸结构(14)中的光学上有效的结构深度(h)。
2.如权利要求1所述的安全元件(2)，其特征在于，所述凹凸结构(14)的交叉格栅由两个具有彼此基本成直角排列的周期(dx；dy)的基格栅构成。
3.如权利要求1或2所述的安全元件(2)，其特征在于，所述基格栅是正弦的。
4.如权利要求1到3中任一项所述的安全元件(2)，其特征在于，周期(dx；dy)中的至少一个比界限波长(λ)的一半长而比界限波长(λ)短。
5.如权利要求1到4中任一项所述的安全元件(2)，其特征在于，所述界限波长(λ)被选择成在380nm和420nm之间的范围内。
6.如权利要求1到5中任一项所述的安全元件(2)，其特征在于，所述两个基格栅的周期(dx；dy)是相同的值。
7.如权利要求1到6中任一项所述的安全元件(2)，其特征在于，凹凸结构(14)的光学上有效的结构深度(h)的值被选择成在h＝50nm到h＝500nm的范围内。
8.如权利要求1到7中任一项所述的安全元件(2)，其特征在于，所述反射层(11)包括选自铝、银、金、铬、铜、镍和碲的金属。
9.如权利要求8所述的安全元件(2)，其特征在于，在朝向漆层(9)的金属层(24)的一侧上，反射层(11)具有至少一层无机电介质(23)。
10.如权利要求9所述的安全元件(2)，其特征在于，无机电介质(23)的层包括ZnS而金属层(24)包括铝。
11.如权利要求1到10中任一项所述的安全元件(2)，其特征在于，所述图案(25)有具有灰度级的区域(26；27；28)，且具有各种灰度级的区域(26；27；28)的图案要素(4)因凹凸结构(14)的光学上有效的结构深度(h)而相异。
12.如权利要求1到10中任一项所述的安全元件(2)，其特征在于，所述图案(25)有具有灰度级的区域(26；27；28)，所述图案要素(4)在光学上有效的结构深度(h)方面具有统一的值，且区域(26；27；28)因尺寸小于0.4mm的光栅点的密度变化而相异。
13.如权利要求1到12中任一项所述的安全元件(2)，其特征在于，所述图案(25)形成用于马赛克表面图案(31)的背景，它含有从每毫米300线到每毫米2000线的范围内的空间频率的衍射结构。
全文摘要
一种层状物形式的安全元件(2)可以用于文件(1)的验证。层状物具有至少一个透明保护层、透明漆层和粘合层，漆层设置在保护层和粘合层之间。反射层形式的界面将粘合层和漆层分开。该界面被分成具有平坦表面部分区域和具有漆层中形成的凹凸结构的图案(25)的区域。平坦表面部分形成背景表面(3)，它为入射到层状物中的光提供平坦的镜表面，同时具有预定的光学有效结构深度的凹凸结构的区域形成图案要素(4)。图案要素(4)的凹凸结构吸收入射光。在反射的背景表面(3)的反射光中，暗图案要素(4)形成强对比而图案(25)清晰可见。在反射光之外的方向上，背景表面(3)和图案要素(4)之间的对比消失，从而复印机装置将背景表面(3)和图案要素(4)复制成黑色表面。
文档编号B42D15/10GK1568264SQ02820221
公开日2005年1月19日 申请日期2002年9月4日 优先权日2001年10月12日
发明者R·斯淘布, W·R·汤姆普金, A·斯灵 申请人:Ovd基尼格拉姆股份公司