安全装置和制造方法
【专利说明】安全装置和制造方法
[0001] 本发明涉及安全装置，例如，用于在有价物品（诸如，钞票、支票、护照、识别卡、真 品证书、印花税票以及其他有价票证(document)或个人标识上使用。还公开了制造这样的 安全装置的方法。
[0002] 有价值的物品且具体地有价票证(诸如，钞票、支票、护照、标识票证、证书以及执 照)常常是伪造者和希望制造其赝品和/或对其内含有的任何数据做出改变的人的目标。这 样的物件通常设置有多个可视安全装置，以用于核对该物件的真实性。实例包括基于一个 或多个图案(诸如，微缩文本、精细线图案、潜像、软百叶窗装置、透镜状装置、波纹(moirg) 干涉装置和波纹放大装置)的特征，这些特征的每个生成一个安全视觉效果。其他已知的安 全装置包括，全息图、水印、凸印、穿孔和颜色偏移或冷光/荧光油墨的使用。对所有这样的 装置共同的是，极其难于或不可能使用可用的复制技术(诸如，复印）复制由装置表现出的 视觉效果。也可以采用表现出非可视效果的安全装置(诸如，磁性材料）。
[0003] -类安全装置是产生光学可变效果的那些安全装置，意味着在不同的视角下装置 的外观不同。这样的装置是特别有效的，因为直接复制(例如，照相复印）将不产生光学可变 效果且因此容易与真正的装置区分开。光学可变效果可以是基于多种不同的机制生成的， 包括全息图和其他衍射装置，以及利用聚焦元件(诸如，透镜）的装置，包括波纹放大器装 置、整体成像装置和所谓的透镜状装置。
[0004] 波纹放大器装置（在 EP-A-1695121、W0-A-94/27254、W0-A-2011/107782以及 TO2011/107783中描述了波纹放大器装置的实例)利用微聚焦元件(诸如，透镜或反射镜)阵 列和对应的微图像元素阵列，其中微聚焦元件和微图像元素阵列的节距和/或它们的相对 位置与微聚焦元件阵列失配，使得由于波纹效应而生成微图像元素的放大版本。每个微图 像元素都是最终观察到的图像的完整的、微型版本，且聚焦元件阵列起作用以选择和放大 每个在下面的微图像元素的一小部分，这些部分由人眼结合使得整个、放大的图像可视化。 此机制有时被称为"合成放大"。
[0005] 整体成像装置与波纹放大器装置的类似之处在于，微图像元素阵列被设置在对应 的透镜阵列下面，每个微图像元素是待被显示的图像的一个微型版本。然而，在此，在透镜 和微图像之间没有失配。而是，通过将每个微图像安排成从相同物件的来自不同查看点的 视图来创建视觉效果。当使装置倾斜时，图像中的不同的图像被透镜放大，从而赋予三维图 像的印象。
[0006] 另一方面，透镜状装置不依赖放大、合成或其他方式。聚焦元件（通常，圆柱形透 镜)阵列覆在对应的图像元素阵列或"切片"上面，图像元素阵列或"切片"中的每一个仅描 绘了待被显示的图像的一部分。两个或更多个不同图像的图像切片被交错，且当通过聚焦 元件查看时，在每个视角下，仅选定的图像切片将被导引朝向查看者。以此方式，将在不同 的角度下查看到不同的复合图像。然而，应理解，通常没有放大发生且观察到的产生的图像 将与在下面的图像切片被形成到的图像具有大体上相同的尺寸。在1^4-4892336、10-八_ 2011/051669、￥0-厶-2011051670、恥-厶-2012/027779以及1^-8-6856462中描述了透镜状装 置的一些实施例。透镜状装置具有的优点是，在不同的视角下可以显示不同的图像，使得动 画视觉效果或其他显著视觉效果成为可能，这在使用波纹放大器技术或整体成像技术时是 不可能的。
[0007] 多数已知的透镜状装置是一维透镜状装置（即，仅当使装置绕一个轴倾斜时，才显 示光学可变效果的装置）。然而，二维透镜状装置也是已知的且在US-A-6483644中公开了实 例，US-A-6483644阐明了实现的结果在视觉上与整体成像装置的结果相当，且通过提供包 括从彼此交织的至少两个图像选择的像素的二维图像元素阵列实现此结果。通过查看屏 (诸如，蝇眼(半球面)透镜阵列)查看到该阵列，使得随着装置倾斜，显示图像中的不同的图 像。这相当于二维透镜状装置。
[0008] 已知的透镜状装置（一维的和二维的）（诸如，上文提及的那些)遇到的问题是，在 某些视角下，图像元素阵列的被导引向查看者的区域会不对应于单个图像元素而是可以包 括与不同的图像有关的两个或可能地更多个图像元素之间的交叉。在将该装置形成在柔性 衬底上的情况下（在安全票证领域通常将是该情况），该问题可能变得更糟，因为当查看该 装置时该装置不可能是完全平坦的，导致查看几何结构的额外变形。这导致视觉混淆，因为 两个或更多个图像的混合同时被显示且通常在空间上彼此重叠。这使得安全装置的视觉冲 击减小。
[0009] 根据本发明，提供了一种安全装置，包括：
[0010] 聚焦元件阵列，每个聚焦元件都适于在至少第一方向上聚焦光，所述聚焦元件在 至少一个维度上被安排在一个规则的网格上；以及
[0011] 图像元素阵列，该图像元素阵列与该聚焦元件阵列重叠，基于限定图像元素位置 的重复的单位单元来安排图像元素，该单位单元的周期性与其上安排有该聚焦元件阵列的 网格的周期性大体上相同，在该单位单元内限定了图像元素位置集合，该单位单元内的每 个图像元素位置被指定承载一个相应的对应图像的一个图像元素；
[0012] 由此，根据视角，该聚焦元件阵列将光从所选择的图像元素位置导引向查看者，使 得随着使该装置倾斜，由所选择的图像元素位置处的图像元素以组合的方式顺序地显示相 应的图像中的不同的图像；
[0013] 其中每个单位单元的一个中心区域被指定承载一个对应的中心图像的图像元素， 该中心区域包括一个或多个图像元素位置，该中心区域大于该单位单元的每个外部区域， 所述外部区域被定位在该中心区域外部且被指定承载其他相应的图像的图像元素，使得向 查看者显示该中心图像的视角范围大于显示每个其他图像的视角范围。
[0014] 本发明还提供了一种制造安全装置的方法，该方法包括提供所述聚焦元件阵列和 形成所述图像元素阵列。
[0015] 通过基于如下一个单位单元安排图像元素，在该单位单元内一个扩大的区域（中 心区域)被指定显示中心图像，减少或消除了视觉混淆且增强该装置的总体视觉印象。这是 因为相较于被提供用于显示每个其他图像的部分，单位单元的一个较大的部分被提供用于 显示中心图像。因此，与将光从任何一个外部区域导引向查看者的情况相比，聚焦元件会将 光从中心区域内导引向在更多查看位置处的查看者。直到使该装置倾斜到如下程度:单位 单元表面的通过聚焦元件导引向查看者的部分下降到达中心区域的周界，才会遇到指定给 不同图像的图像元素位置之间的交叉。结果是形成一种在小倾斜角内呈现清楚的、强烈的、 静态图像而当通过进一步倾斜研究时表现出光学可变效果的装置。
[0016] 应理解，连续地显示每个相应的图像的视角范围是相关的，即，向查看者连续地显 示中心图像的视角范围大于连续地显示每个其他图像的视角范围。例如，在一个实施例中， 当沿着法线查看时以及当绕一个轴倾斜时在每侧最高达+/-5度的角度（即，总共10度)下查 看时，可以显示中心图像，而两个相同的外部图像可能在-15度到-10度之间以及在+10度到 + 15度之间是可见的。虽然相同的外部图像将因此在-15度和+15度处是可见的，但是在介于 中间的视角内不连续地显示该相同的外部图像，因此向查看者显示中心图像的视角范围 (10度)大于显示外部图像的视角范围(每次5度）。
[0017]应理解，该安全装置是透镜状装置的一个实施例，由此，每个图像元素 （image element)是对应的图像的一部分(例如，个体像素，或一组像素），而不是对应的图像的微缩 版本(如在波纹放大器或整体成像类型装置的情况下那样）。每个图像元素集合(填充一个 单位单元)提供每个图像的一部分且对应于一个聚焦元件，这一个聚焦元件将根据视角从 该集合中选择一个图像元素以用于显示给查看者。图像元素全都位于大体上相同的平面中 且聚焦元件能够仅根据视角从图像元素中的任何一个导引光。所选择的横跨聚焦元件阵列 的图像元素和对应的单位单元结合以完全显示可用的图像中的一个，所选择的图像依赖于 视角。聚焦元件优选地不执行任何放大。还应理解，根据待要由该装置显示的特定图像，并 非图像元素阵列的每一个单元中的所有图像元素位置都可以最终承载一个图像元素。如果 对应的图像需要空白，则一些图像元素位置可以保持空白。
[0018] 可以以多种不同方式将中心区域限定在单位单元内。在第一优选实施方案中，中 心区域包括单个中心图像元素位置，该中心图像元素位置大于单位单元限定的其他图像元 素位置中的每一个。因此，中心图像将被划分成的用于合并到图像元素阵列内的部分(图像 元素)大于待要由该装置显示的其他图像中的任何一个的那些部分。此实施方式是有利的， 因为虽然减小了中心区域外部的图像元素位置中的一些或全部的尺寸(相较于先前已知的 安排），但是不必减少它们的数目，以使得通过该装置显示的不同的图像的数目可以维持。 在此情况下，优选地，单位单元的每个外部区域（即，被指定给除了中心图像以外的每个图 像的区域)包括小于中心图像元素位置的单个图像元素位置。
[0019] 如上文所描述的，相对于中心区域外部的那些图像元素位置，中心图像元素位置 的尺寸的任何增加将提高该装置的视觉印象，但是有利地，中心图像元素位置比单位单元 限定的其他图像元素位置的平均尺寸大至少10%且优选地大至少25%。在此，"尺寸"指的 是沿着至少所述第一方向优选地还沿着第二正交方向从图像元素位置的一侧到另一侧的 距离，尽管在面积方面中心图像元素大于其他图像元素也是优选的。如果中心区域外部的 图像元素位置具有多种尺寸，则中心图像元素位置具有的尺度仍应大于那些其他图像元素 位置中的最大尺度。已经发现，诸如上文指示的那些比例在提高视觉稳定性(通过增加中心 图像元素位置的尺寸促进的）和期望的光学可变透镜效果所要求的在单位单元内保持足够 的空间用于承载其他图像之间提供良好平衡。
[0020] 更一般地，在一维装置中，在图像元素是细长的条（Strip)的情况下，图像元素位 置的不同的尺寸将通过图像条的不同的宽度体现，在该情况下宽度是沿着所述第一方向的 尺度。当使装置在所述第一方向上倾斜时，将观察到透镜状效果和上文所描述的视觉稳定 性。在二维装置中，图像元素优选地将不是细长的，例如可以是正方形的或矩形的。在此情 况下，扩大的中心图像元素将通过在至少一个方向（所述第一方向）上但是优选地还在正交 的第二方向上的增大的侧到侧尺度(相对于其他图像元素位置)来体现，以使得在两个倾斜 方向上实现视觉稳定性。
[0021]在一些实施方案中，可以通过仅减小紧邻中心图像元素位置的那些图像元素位置 的尺寸来适应中心图像元素位置的增大的尺寸。因此，中心图像元素位置外部且紧邻该中 心图像元素位置的图像元素位置可以优选地小于朝向单位单元的周界定位的周围的图像 元素位置。这具有的优点是，剩余的图像元素位置可以保持它们的原始尺寸。然而，在此情 况下，将在相对小的倾斜角范围内显示被指定给最小的图像元素位置的图像。由此，调整中 心区域外部的所有图像元素位置的尺寸以适应扩大的中心图像元素位置可以是优选的，在 此情况下，单位单元中除了中心图像元素以外的所有图像元素可以具有大体上相同的尺 寸。
[0022]代替提供一个扩大的图像元素位置以形成中心区域，在其他优选的实施方案中， 中心区域包括由单位单元限定的图像元素位置中的至少两个的子集，该子集中的每个图像 元素位置被指定承载中心图像的相同图像元素的一个复制品。通过在每个单元的中心处提 供被指定承载一个共同的图像（"中心"图像)的相同图像元素的复制品的多个图像元素位 置(形成"子集"），中心区域不包括不同图像元素之间的交叉。由此，取决于视角，无论该子 集的哪个部分被聚焦阵列被导引向一个查看者，都将显示相同的（中心）图像且没有干扰。 仅当使该装置倾斜使得该子集外部的图像元素位置被聚焦元件选择时才将查看到光学可 变效果。在下述情况下此实施方式可以是优选的：存在被限定在每个单位单元内的相对大 数目的图像元素位置使得多个位置可以被指定给该子集同时足够数目的图像元素位置保 持在该子集外部用于承载与中心图像不同的相应的图像的部分。（应理解，该"子集"不包括 单位单元内的所有图像元素位置。）
[0023] 这可以被应用到一维装置或二维装置，然而，在二维装置的情况下，如果当使装置 在两个不同的方向上倾斜时寻求一个不同的效果，则该子集可以被安排成仅沿着一个方向 延伸。然而，优选地，单位单元限定一个二维图像元素位置集合，该二维图像元素位置集合 包括沿着所述第一方向以及第二正交方向安排的图像元素位置，且子集包括图像元素位置 的二维阵列，例如，该子集可以是mXn图像元素位置的矩阵，其中m和η都是至少为2的整数 数字。因此，该子集可以包括沿着所述第一方向安排的至少两个邻近的图像元素位置和沿 着所述第二方向安排的至少两个邻近的图像元素位置。以此方式，对于两个正交方向上的 倾斜角视觉混淆减少了。在一个特别优选的实施方式中，该子集包括的沿着所述第一方向 安排的图像元素位置的数目与沿着所述第二方向安排的图像元素位置的数目大体上相同， 例如，子集可以是mXm图像元素位置的阵列。这是期望的，因为可以在两个轴上将视觉混淆 减少大体上相同的程度。优选地，在此实施方案中，限定在单位单元内的所有图像元素位置 都具有大体上相同的尺寸。
[0024] 在中心区域外部，图像元素位置可以采取许多不同的安排。例如，每个图像元素位 置可以被指定给一个不同的图像，或多组多个图像元素位置可以被指定给每个不同的图 像。因此，优选地，单位单元的每个外部区域包括单个图像元素位置或一组比形成该子集部 分更少的图像元素位置。在后者的情况下，一个组内的每个图像元素位置通常可以承载对 应图像的相同图像元素的一个复制品。
[0025]然而，它被形成为，中心区域被定位成包括单位单元的中心(例如，正方形/矩形单 位单元的对角交叉，或接合六边形单位单元的相对的拐角的两条线的交叉)且这是为了将 中心图像的图像元素安置在每个聚焦元件的中心附近，以使得当在轴上和/或接近于轴上 查看该装置时显示该中心图像。优选地，该子集被定中心在单位单元的中心上，即，该子集 的几何中心与该单位单元的几何中心一致。
[0026] 无论中心区域包括单个扩大的图像元素位置还是(复数个)图像元素位置的子集， 优选的是，出于与上文给出的相同的原因，中心区域比单位单元的外部区域的平均尺寸大 至少10%，优选地大至少25%。如上文所提及的，在此术语"尺寸"指的是沿着至少所述第一 方向从中心区域的一侧到另一侧的距离。如果外部区域具有多种尺寸，则在这个意义上中 心区域仍应大于外部区域中的最大尺寸。在二维装置中，中心区域优选地在所述第一方向 和第二正交方向上具有的侧到侧尺度大于外部区域中的任何一个。
[0027] 优选地，对应于单位单元的中心区域的图像和对应于每个外部区域的图像将全部 是彼此不同的图像。替代地，一些图像可以是相同的，但是优选地，图像元素阵列中没有两 个或更多个邻近的（中心和/或外部）区域将被指定成呈现相同的图像，因为这将有效地增 大相应区域的尺寸且可能无意地导致比被指定给中心图像的区域更大的连续的外部区域。 无论邻近的区域位于一个单位单元内还是位于邻近的单位单元内，这都适用。
[0028] 根据期望的视觉效果，不必使聚焦元件阵列与图像元素阵列配准，这是由于所述 阵列之间的匹配的周期性，因此在没有配准的情况下可以实现光学可变效果，但是对该效 果会存在较少控制。由此，在优选的实施方案中，使聚焦元件阵列和图像元素阵列彼此配 准，优选地使得中心区域与对应的聚焦元件的中心对准，由此当沿着该安全装置的平面的 法线查看该安全装置时显示该中心图像。通过使所述两个阵列配准，可以控制该光学可变 效果，例如，指定将在哪些倾斜角下查看到哪个图像。与上文所描述的单位单元配置结合， 这产生特别强烈的效果，因为如果如所描述的被配准，则当沿着装置法线以及在接近于该 法线的视角下查看时，"中心"图像将是可见的。因为通常将从此视角检查票证(至少在最初 阶段），因此这确保该装置在此默认的且可容易识别的位置中呈现强烈的图像。此外，对配 准的要求提高了装置的安全水平，这是因为增大了生产可接受的假冒版本的难度。
[0029] 有利地，聚焦元件阵列和图像元素阵列被配置成使得当沿着至少第一方向在法线 和阈值角之间的所有角度下查看该安全装置时显示中心图像，该阈值角在距该法线2度到 10度之间，优选地距该法线2.5度到5度之间。超过所陈述的阈值角，该中心图像不再显示且 被指定给中心区域外部的一个区域的一个图像所替换。优选地，可以在距该法线大约+/-15 度的最大倾斜角内查看到通过该装置显示的图像的完整范围。例如可以通过将该装置安装 在一个桌子上且安置一个摄像机以查看通过该装置显示的图像来测量显示每个图像的视 角。测量该桌子和该摄像机之间的相对角且可以通过使该桌子倾斜或使该摄像机在一个合 适的臂上旋转来改变该相对角。因此，为了测量任何一个图像的查看范围，将该摄像机安置 成使得它捕获期望图像的视图且使该桌子或该摄像机倾斜直到通过该摄像机不再看到该 图像为止。测量且记录该摄像机相对于该桌子移动经过的角度。
[0030] 应理解，中心区域不包括单位单元内的所有图像元素位置且因此该单位单元还将 包括中心区域外部被指定承载与中心图像不同的相应图像的部分的区域。如已经解释的， 这些"外部区域"可以每个都包括单个图像元素位置或一组这样的位置。优选地，该单位单 元沿着至少所述第一方向包括外部区域，这是因为聚焦元件能够至少在此方向上聚焦光。 在最简单的情况下，单个外部区域可以被设置在中心区域外部的每侧上，但是优选地，沿着 所述第一方向至少两个外部区域被设置在中心区域的每侧上，使得随着使该装置倾斜可以 适应若干个不同的图像的显示。在特别优选的情况下，沿着所述第一方向将相同数目的外 部区域设置在中心区域的每侧上。无论使该装置沿着所述第一方向在哪个指向（sense)上 倾斜，这都允许显示相同数目的不同的图像。在视觉效果是动画的或三维效果的情况下，这 是特别有利的，因为随着倾斜角改变的外观(视觉)可以在每侧上保持相等。
[0031] 如上所述，当前所公开的图像元素配置适用于一维装置和二维装置。因此，在一些 优选的实施方案中，聚焦元件仅在所述第一方向上聚焦光且优选地是半圆柱形透镜或反射 镜。这形成了一种一维透镜状装置。
[0032] 在其他优选的实施方案中，聚焦元件每个都适于在至少所述第一方向和正交的第 二方向上聚焦光(例如，球面透镜一一下面将讨论其他实施例），且聚焦元件被安排在一个 规则的二维网格上。可以与这样的二维聚焦元件一起使用的图像元素阵列的类型和与一维 聚焦元件一起使用的图像元素阵列的类型相同，例如，在单位单元内仅沿着所述第一方向 安排图像元素位置，在此情况下，最终结果将再次是一种一维透镜状装置。然而，优选地，在 此情况下，单位单元限定一个二维的图像元素位置集合，其中沿着所述第一方向和第二方 向安排所述位置。以此方式，可以实现二维光学可变效果。
[0033] 在二维装置中，中心区域可以在一个或多个方向上(假设它不在所有方向上)延伸 到单位单元的边缘。然而，在优选的实施方案中，沿着至少所述第一方向和第二方向，优选 地沿着所有方向，在中心区域外部，单位单元包括外部区域。这是期望的，以便在使装置在 所述第一方向和第二方向上且优选地在所有方向上倾斜时生成光学可变效果。有利地，沿 着所述第一方向和第二方向，优选地沿着所有方向，在中心区域的每侧上设置至少两个外 部区域。优选地，沿着至少所述第一方向和第二方向，优选地沿着所有方向，在中心区域外 部，单位单元包括相同数目的外部区域。如在一维装置的情况，这些选项允许在每个方向上 倾斜时显示若干个不同的图像，且优选地在每种情况下显示相同数目的不同图像。
[0034] 图像元素阵列的特定布局将至少部分地取决于聚焦元件阵列的布局，但是优选地 每个单位单元大体上对应于聚焦元件中的一个的覆盖区域(在尺寸和/或形状方面）。应理 解，一个聚焦元件的覆盖区域不是必须仅由该元件的