专利名称：具有半色调图像的衍射安全元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有半色调图像的衍射安全元件，这在权利要求1的分类部分中得到阐述。
背景技术：
这种安全元件可用于验证文档、钞票、护照及身份证、各种贵重物品等，尽管它们很容易检验，但是它们很难仿制。通常，这种安全元件是用粘合剂固定到要被验证的物品上的。
从EP-A 0 105 099中已知一种图形结构的安全图案，它像镶嵌图案那样构成衍射图像元件。当把该安全图案倾斜和/或在其平面中旋转时可以看到该安全图案的外观会有所变化。
EP-A 0 330 738描述了具有衍射表面部分的安全图案，这些衍射表面部分小于0.3毫米，并且在该安全图案的结构中单独或按行排列。特别是，该表面部分形成其高度小于0.3毫米的文本字符。该表面部分或字母的形状可能只有借助很好的放大镜才能识别。
从EP-A 0 375 833中已知多种衍射安全图案，它们是由要被放置在安全元件中的多个像素构成的，其中各安全图案可以在正常阅读距离处预定的方位上用眼睛直接看到。各安全图案被分割成光栅区域的多个像素，该光栅区域是由安全元件预先确定的。安全元件的光栅区域被细分为多个衍射表面部分，对应于安全图案的数目。在各光栅区域中，与该光栅区域相关的安全图案的像素占据着它们预定的表面部分。
德国专利申请No 1 957 475和CH 653 782揭示了许多精细的具有光衍射效应的浮雕结构，它们的名称是开诺全息照片(kinoform)。开诺全息照片的浮雕结构使光线偏转到预定的立体角中。只有当用基本上相干的光来照射开诺全息照片时，才能够在显示屏上看到该开诺全息照片中所存储的信息。开诺全息照片将白光或日光散射到该开诺全息照片预先确定的立体角中，但是在该角度之外开诺全息照片看上去是暗灰色的。
衍射安全图案被封入塑料材料的复合层中，该复合层被设计用于某一物件。美国专利No 4 856 857描述了该复合层的各种结构，并且适合的材料都列在其中。
另一方面，从美国专利No 6 198 545中得知，通过印刷过程生产出包括多个像素且具有像元或字符的半色调图像，其中在其它的白色像素背景中的黑色成分是这样选择的，使得观察者在30厘米到1米的可视距离处观察半色调图像，并且只有在非常近的距离处或使用放大镜很仔细地观察时才能够识别出像元或字符。该图像合成技术被称为“艺术筛选(artistic screening)”。随着复印技术的分辨率持续改进，对于不带有艺术筛选的半色调图像，很容易生产出优质的复制品。
发明内容
本发明的目的是提供一种衍射安全元件，该衍射安全元件可显示出半色调图案并且很难仿制或复制。
根据本发明，用权利要求1的特征部分所引用的特征来达成上述指定的目的。在所附的权利要求书中阐明了本发明的优势结构。
本发明的想法是要提供一种衍射安全元件，它具有至少两个不同的可识别的图案，其中一个图案是半色调图像，它可以在30厘米到1米的观察距离处被识别出并且是由多个像元图案构成的。像元图案排布在背景中，并且局部地(例如在一个像素中)覆盖由半色调图像中局部表面亮度所预定的一部分背景。背景表面和像元图案的表面都是旋光性元件，比如全息图、衍射光栅、无光泽结构、反射表面等，其中就衍射或反射特性而言，用于像元图案的表面和用于背景的表面是不同的。在使用或不使用帮助(例如，放大镜)的情况下，只能在小于30厘米的阅读距离处识别出半色调图像中的像元图案。在安全元件的另一个实施例中，宽度达25微米的图案条带在半色调图像的表面上扩展成更多的图案。直的和/或曲形的图案条带形成背景图案，例如，连结环图案、象形文字等。在图案条带的表面中，线元排列在背景中。每单位长度的图案条带所对应的线元的表面部分是由像元图案中的局部表面亮度所确定的，图案条带便是通过该表面部分扩展的。线元的表面由于其旋光性元件而不同于背景和/或像元图案的表面。像元图案和线形图案是由字符、线条、编织和卷结图案、字母等组成的。从EP-A 0 105 099和EP-A 0 330 738中看出，安全元件可以与本说明书的公开部分所指的衍射安全图案组合起来。
在下文中将详细描述本发明的实施例，在附图中对各实施例进行解释说明，其中图1示出了具有放大部分的安全元件；图2示出了作为像元中的像元图案的字母；图3示出了安全元件的横截面；图4示出了无光泽结构；图5示出了旋转角δ处的放大部分；图6示出了旋转角δ1处的放大部分；图7示出了旋转角δ2处的放大部分；图8示出了安全元件中的小尺寸图像；图9示出了像元中的详细结构；以及图10示出了带有图案条带的亮度控制。
具体实施例方式
在图1中，标号1表示衍射安全元件，标号2表示图案单元的半色调图像，标号3表示安全元件1中放得很大的一部分，标号4表示像元，标号5表示背景区区域，标号6表示像元图案。半色调图像2的图案单元是像像素那样的像元4，它们构成了表面部分的镶嵌结构。根据照明和观察方向，像元4的表面部分中的精细表面结构调节入射到安全元件1上的光。具有光线调节表面结构的表面部分至少包括背景区域5和像元图案6。该表面结构可具有反射层，以增强光线调节作用。
在图1中，为便于说明，使安全元件1的表面相对于具有坐标轴x和y的坐标系而定向。另外，出于涉及清楚的原因，背景区域5和像元图案6的表面分别在白色图光栅或非光栅中示出，其中与具有由印刷技术所产生的半色调图像的情形不同的是，背景区域5和像元图案6在未指定其照明和观察方向的情况下并不允许有任何与其表面亮度有关的指示。
如图1中经放大的部分3所示，在一个实施例中，安全元件1的表面被分割成多个像元4，这些像元4至少在一个维度上是小于1毫米的，例如，像元4是方形、矩形或六角形，或者是这些表面之一的保角变换。像元4之间的边界在图中示出，这只是出于清楚的原因。各像元4的表面至少具有背景区域5和排列在背景区域5中的像元图案6，其中像元图案6是连续表面部分或也包括一组表面部分。
较佳地，在考虑相邻的像元4所对应的半色调图像2中的位置的表面亮度和/或位置P处的表面亮度的梯度的情况下，与坐标为(xp，yp)的像元4相对应的位置P处的半色调图像2的表面亮度确定在坐标为(xp，yp)的像元6的表面中像元图案6的表面部分。
例如，半色调图像2的原始图像的位置P处的表面亮度越大，坐标为(xp，yp)的像元4中像元图案6的表面部分相应地就越大。所以产生了半色调图像2，在预定的照明和观察方向上所有的像元图案6必须具有相同的光线调节作用，而背景区域5尽可能少地使光线偏转到观察方向上。
如果像元图案6的形状与像元4的形状相似，则像元4中的像元图案6的表面部分可以是在0％和100％的范围中。术语“相似的形状”是指在相应的角度方面完全一样但大小不同的形状。如果像元图案6的边界形状(例如星形)不同于像元4的形状，则像元4中像元图案6的表面部分的范围被限制在上端处，即仍然有一部分背景区域5存在于像元4中。不过，较佳地，为了在像元4中获得像元图案6的必需表面部分，在像元图案6的边界形状中，即便具有不同的尺寸或处于狭窄的条带(对应于表面部分)，也有可能识别出各像元中的像元图案6。半色调图像2的表示基于具有预定的步长的比例，该比例与像元4中像元图案6的表面部分有关，其中注意到原始图像的表面亮度通过该比例转变为半色调图像2。
作为示例，半色调图像2的原始图像在底面7上具有一个折叠的条带8和一个箭头9，箭头9位于条带8的中心。半色调图像2被分割成多个像元4。根据图案单元(例如，底面7、条带8、箭头9等等)，原始图像的表面亮度是与像元4相关联的。如图1所示，底面7、箭头9和条带8的可见表面(在不同的光栅中示出)由于其表面亮度而在原始图像中有所不同。在安全元件1上，观察者至少识别出在不同的表面亮度等级中的原始图像的半色调图像2。因为像元4相对较大，所以为了较好地识别半色调图像2，要从约为0.3米的最小观察距离或更远处来观察安全元件1。在小于30厘米的阅读距离处，观察者仍然可以直接用眼睛或用简单的放大镜识别出预定的像元图案6。例如，在图1中，像元图案6是星形。在安全元件1的其它结构中，相邻的像元图案6是不同的。在小于30厘米的阅读距离处，像元图案6的粗糙光栅会干扰半色调图像2的识别。
在半色调图像2的一个实施例中，像元图案6与所有的像元4相似。在图1所示的示例中，在部分3中，像元4中的星形像元图案6被显示得很小，有些部分包括很低的表面亮度等级，并在此对应于底面7。如果具有更高表面亮度等级且不同于底面7的部分条带8要被表现出来，则像元图案6的表面部分在像元4中相应地大一些。背景区域5和像元图案6的结构都具有一般的衍射表面结构，这种衍射表面结构具有反射层。背景区域5和像元图案6相比，其不同之处至少在于表面结构的一个结构参数，比如方位角、空间频率、剖面形状、剖面深度、凹槽曲率等等，或者背景区域5或像元图案6是透明的，例如作为局部除去反射层的结果，或被彩色层(白色或黑色)覆盖。由此，背景区域5的表面与像元图案6的表面相比，不同之处在于它们表面结构的光线调节作用。在半色调图像的一个实施例中，在背景区域5和/或像元图案6的表面中，表面结构具有依赖于坐标(x，y)的附加结构参数。
除了那个简单的半色调图像2的示例以外，特别是，已知著名人物的代表(例如肖像)适合由于半色调图像2，其中注意到像元图案6有利地具有所示著名人物的参照，例如，由著名人物所写的连续文本的字母和/或用音符所写的音调。
在图2中，在背景区域5的背景中，像元4包括各自的形状为单独字母的像元图案6。像元4排列成行，其方式使像元图案6中的字母包括文本所对应的序列。通过改变字母的厚度和/或大小，可实现字母在像元4的区域中的表面比例，该表面比例是由半色调图像2预先确定的。在字母内，厚度连续或按步变化，如果那样可为半色调图像2提供更好的分辨率的话。如图2所示，示出了字母S和E、U的情形。带有字母的像元4的大小相应地保持很小，使得当离得很近观察时可以读出字母，即，在正常的阅读距离处，但是在所示观察距离处它们将不再能够被读出。在另一个实施例中，像元4是很微小的，其中字母或符号只能通过显微镜来识别。只能通过放大至少20倍才能被识别的文本在下文中被称为“纳米文本”。图2是简化的情形，并未示出像元4的大小，例如，当像元4中成比例的手稿或纳米文本包括具有连续的手稿文本的细长矩形时，该图适合字母。
图3示出了安全元件1的典型横截面。安全元件1是复合层10的一部分，复合层10包括半色调图像2(图1)。复合层10至少包括浮雕层11和保护性漆层12。两个层11和12包括塑料材料并在它们中间装入反射层13。在另一个实施例中，抗划伤的、坚韧且透明的聚乙烯保护层14覆盖浮雕层11的全部侧面，浮雕层11离反射层13很远。对于入射光15而言，至少浮雕层11和可能存在的保护漆层14是至少部分透明的。保护性漆层12本身或位于保护性漆层12侧面(该侧面远离反射层13)上的可选的黏合剂层16适合用于将安全元件1连接到基板17。基板17是要用安全元件1对其加以验证的贵重物件、文档、钞票等。在上述美国No 4 856 857中描述了复合层10另外的结构。该文档总结了适合于复合层10的结构的材料以及适合于反射层13的材料。反射层13是金属(该金属选自铝、银、金、铬、铜、镍、碲等)薄层的形状，并由包括无机电介质(比如，MgF2、ZnS、ZnSe、TiO2、SiO2等)的薄层构成。反射层13也可以包括不同的无机电介质的多层部分或金属与电介质层的组合。反射层13的层厚度和反射层13的材料选择取决于安全元件1是否纯粹是反射式的，像上文提到的只在表面部分中透明，即部分透明，或具有预定的透明度的透明。特别是，碲反射层13适合用于使单个安全元件1具有特色，因为反射碲层在当纤细的激光束在照射位置处通过复合层10的塑料层的效应下会变得透明，并且在不损坏复合层10的情况下产生了一个窗口。以这种方式形成的透明窗口46形成了一个单独的代码。同样，如果要产生单独的半色调图像2，则分别在背景区域5或像元图案6的表面中去除反射层13。
半色调图像2的区区域中的反射层13具有精细的表面结构，该结构用于使入射光15发生衍射。背景区域5的结构是由第一结构18占据的，并且第二结构19被定形为像元图案6的表面。通过使用衍射表面结构，可提供中心结构18、19，这些结构选自衍射光栅、全息图、无光泽结构、开诺全息照片、蛾眼结构以及反射表面。反射表面包括平的、无色的反射镜表面以及像彩色镜面那样使用的衍射光栅。那些彩色反射衍射光栅是线形光栅或交叉光栅的形状并包括大于2300条线/毫米的空间频率f，并且在依赖于其旋光性结构深度T的情况下根据反射定律选择性地反射入射光的各颜色组分。如果旋光性结构深度T在约50纳米的数值以下，则入射光被部分地无色地反射。与复合层10的表面平行的平镜面也要作为一个单一的浮雕结构与精细表面结构组相关联，其中注意到平的、无色反射镜表面的特征在于，空间频率f＝∞或0并且结构深度T＝0。在上述德国专利申请No 1 957 475和CH 653 782中描述了开诺全息照片。
作为示例，上述表面结构之一作为背景区域5在为半色调图像2所提供的整个表面上延伸。随后用预定的颜色来覆盖像元图案6的表面。在复合层10的自由面上，通过墨水喷射印刷或凹板印刷，便在像元图案6的表面上实现了在45处所示的颜色应用。安全元件1的最简单的结构已经提供了这样的优点，即用复制装置产生的安全元件1的复制品与原始的明显不同。在另一种结构中，在背景区域5和像元图案6的表面中的颜色应用45分别直接位于浮雕层11和反射层13之间。与图3所示相反，颜色应用45在背景区域5或像元图案6的全部表面上扩展。同样地，通过上述去除反射层13的操作而产生的窗口46具有背景区域5和像元图案6的全部表面。
作为示例，作为第一结构18的背景区域5中的反射层13具有反射表面，其形状为平镜面或像彩色镜面那样的衍射光栅。当用日光或多色的人造光线来照射时，入射光15以入射角α照射到复合层10上，其中入射角α是在入射光线15的方向和复合层10的法线20之间测得的。在第一结构18处反射的光线21以反射角β离开复合层10，该反射角β是相对于法线20测得的并根据反射定律等于入射角α。只有当观察者以很近的立体角直接看到反射光21中时，背景区域5才能一起给出光印痕，在这种情况下平面镜不加改变地反射日光(即无色地)，而空间频率f大于2300条线/毫米的衍射光栅反射混合的颜色，该混合的颜色是它们中的典型。在复合层10上的半个空间中的其它方向上，背景区域5实际是黑的。
因此，特别是，一种浮雕(它吸收入射光15，被称为“蛾眼结构”，并且其规则排列的、钉形浮雕结构单元在该浮雕的底面之上200纳米到500纳米处投射)适合用于第一结构18。浮雕结构单元彼此间隔400纳米或更少些。具有这种蛾眼结构的表面对从任何方向入射的光线15的反射都小于2％，并且对于观察者而言就是黑的。
在像元图案6中定形的是第二结构19，该结构使入射光15基本上偏移到反射光21的方向以外。空间频率f在100条线/毫米到2300条线/毫米的范围内的线形衍射光栅的精细浮雕满足该条件。对于无色衍射光栅而言，空间频率f是从f＝100条线/毫米到f＝250条线/毫米的范围中选择的。将入射光15分解成多种颜色的衍射光栅具有与空间频率f(f＝500条线/毫米到f＝2000条线/毫米的范围中)相关的较佳数值。在相对于坐标轴x(图1)成方位角θ的情况下，建立光栅矢量k(图1)的定向。关于线形衍射光栅的特殊情形是由那些凹槽曲径形成的，但其形成方式是曲径凹槽平均地看是遵循直线的。那些衍射光栅在方位角方面具有更大的范围，与方位角相关的是，对于观察者而言它们是可视的。
根据反射光的方向上的波长，入射光15在第二结构19处发生衍射，并以光波22、23的形式偏移到负的第一衍射级中，并以光波24、25的形成偏移到正的第一衍射级中，其中蓝紫光波23、24以最小衍射角±ε被衍射到反射光21的方向以外。波长更大的光波22、25相应地以更大的衍射角偏转。
入射光15和法线20定义了一个观察面，在图3中该观察面与该图所在平面一致并平行于坐标轴y。当观察方向和法线20包括反射角β时，观察者的观察方向在该观察平面中，并且观察者的眼睛接收反射背景区域5的反射光21。
如果衍射光栅的光栅矢量k与观察平面平行(在这种情况下观察平面与衍射平面完全相同)，则衍射光栅具有最佳的作用。
在这种情况下，衍射光束21到24在观察平面中，并且根据观察方向，在观察者的眼睛中产生预定的彩色印象。如果光栅矢量k不在观察平面中，即它没有在相对于观察平面约±10°的观察角以内，或者光束21到24不在观察方向上，则观察者观察到作为暗灰表面的衍射光栅或像元图案6的表面，因为在第二结构19处只有很少的光被散射。关于半色调图像2的内容的结构参数做出聪明的选择，因此衍射光栅之一也可以用作背景区域5的第一结构18。另一方面，在下文中会描述，衍射光栅与无光泽结构之一的叠加会使像元图案6的观察角增大。
在图3中，第二结构19的剖面是作为示例示出的，它具有周期性光栅的对称锯齿形剖面。特别是，其它已知剖面之一适合用于结构18、19，例如，非对称的锯齿形剖面、矩形剖面、正弦剖面、类正弦剖面等等，它们形成周期性光栅，并具有直凹槽、曲凹槽或以另外的方式弯曲的或圆形凹槽。由于浮雕层11的材料(折射率n在1.5左右)填入结构18、19，旋光性结构深度T是定形的几何结构深度的n倍。用于结构18和19的周期性光栅的旋光性结构深度T在80纳米到10微米的范围之内，其中出于技术方面的原因，具有大结构深度T的浮雕结构包括与空间频率f有关的一个较低的值。
如果像元图案6的第二结构19必须使入射光15偏移到复合层10上面半个空间的大立体角区区域中，则无光泽结构(例如，开诺全息照片)、各向同性或各向异性的无光泽结构等是有利地适合的。作为光线表面，在无光泽结构所确定的立体角内所有的方向上都可以看到像元图案6。那些精细的浮雕的浮雕结构单元并不像衍射光栅那样规则地排布。用统计参数(比如，平均粗糙度值Ra、关联长度Io等等)来实现无光泽结构的描述。适用于安全元件1的无光泽结构的精细浮雕结构单元具有与平均粗糙度值Ra相关的数值，这些数值在20纳米到2500纳米的范围中。较佳的数值是在50纳米到1000纳米之间。至少在一个方向上，关联长度Io介于200纳米到50000纳米的范围中，较佳地介于1000纳米到10000纳米之间。如果精细浮雕结构单元并不具有任何方位角偏好的方向，则无光泽的结构是各向同性的，出于该原因，在所有的方位角方向上，其强度大于视觉可识别性所预先确定的限值的散射光均匀地分布在无光泽结构的散射能力所预先确定的立体角中。立体角是一个锥，其顶端在复合层10的部分之上，该复合层10被入射光15所照射，并且其轴与反射光21的方向一致。与弱散射无光泽结构相比，强散射无光泽结构使散射光分布在更大的立体角中。如果情况相反，精细浮雕结构单元具有方位角方面较佳的方向，则有一种各向异性的无光泽结构，它各向异性地散射入射光15，其中由各向异性的无光泽结构的散射能力所预先确定的立体角包括形状为椭圆形的横截面，该椭圆形较大的主轴与浮雕结构单元较佳的方向相垂直。与非无色衍射光栅相反，该无光泽结构无色地散射入射光15，即不管其波长，所以散射光的颜色基本上对应于入射到该无光泽结构上的光线15的颜色。对于观察者而言，在日光中，无光泽结构的表面具有很高的表面亮度等级，并且不管该无光泽结构的方位角定向都可以实际地观察到，就像白纸一样。
图4示出了作为示例的、通过无光泽结构之一的横截面，该无光泽结构作为第二结构19被封入浮雕层11和保护性漆层12之间。根据衍射光栅的结构深度T(图3)，无光泽结构的剖面是平均粗糙度数值Ra，但是在无光泽结构的精细浮雕结构单元之间有非常大的差别，其高度H可以约为平均粗糙度数值Ra的10倍。无光泽结构中的高度差值H对于定形操作很重要，因此对应于与周期性衍射光栅有关的结构深度T。无光泽结构的高度差H的值是在上述与结构深度T有关的范围中。
无光泽结构的特别实现方式与“弱作用衍射光栅”叠放在一起。因为介于60纳米到70纳米的较小的结构深度T，弱作用衍射光栅具有较低的衍射效率。适宜使用的空间频率介于f＝800条线/毫米到1000条线/毫米。
周期为0.5微米到3微米并具有螺旋形或圆形凹槽的圆形衍射光栅也可以用于像元图案6。在下文中用术语“衍射散射体”来总结增大观察角的衍射结构。术语“衍射散射体”被用来表示一种结构，该结构选自各向同性和各向异性的无光泽结构；开诺全息照片；具有圆形凹槽的衍射光栅，其凹槽间距为0.5微米到3微米；以及与弱作用衍射光栅叠放在一起的无光泽结构。
回到图3在第一结构中，半色调图像2(图1)是静止的，即在与空间定形有关的宽角度中，在通常的观察条件下，以指定的观察距离并用白色入射光15来照射的时候，该半色调图像2并不变化。只有当近距离观察时观察者才能够注意到该半色调图像被分割成许多像元4(图1)并且像元图案6具有预定的形状。背景区域5中的第一结构18反射或吸收入射光15。像元图案6的第二结构19是衍射散射体之一。第二结构19散射或衍射入射光15，使得像元图案6在衍射散射体所预先确定的大立体角中是可见的。当用白光15来照明安全元件1时，观察者在规定的观察距离处看到所排列的某一灰度中的半色调图像2，因为观察者观察到具有高表面亮度等级中的像元图案6的大表面部分的像元4以及具有更高表面亮度等级的像元图案6的小表面部分的像元4。半色调图像2的可见性基本上就像印在纸上的黑白半色调图像。不过，如果观察方向位于散射或衍射光的立体角之外，则半色调图像2很难识别或者无法被识别或者也可能发生半色调图像的对比颠倒。如果第一结构18具有反射特性，则如果安全元件1精确地定向使得在与反射光21的方向相反的方向上可精确地观察到半色调图像2，则对比度也可以改变。在使安全元件1倾斜之前是明亮的那些像元4现在比之前很暗的像元4更暗，而之前很暗的那些像元4现在在反射光21中明亮了许多，反之亦然。安全元件1绕着与观察面垂直并与安全元件1的平面平行的那个轴实现倾斜移动。
第一和第二结构18和19的组合(在表格1中有所总结)较佳地用于表示半色调图像2。
在第二结构中，选择结构18和19使得安全元件1如果绕着与法线20平行的轴倾斜或在其平面中旋转一个角度，就可以使半色调图像2中的对比度转变。与安全元件1的第一实施例相比，对比度颠倒更容易观察到。背景区域5中的第一结构18是线形衍射光栅，其光栅矢量k具有方位角θ＝0。(图1)，即在坐标轴x的方向上。像元图案6是用衍射散射体之一来覆盖的。观察者绕法线20旋转安全元件1，并在观察距离50厘米或更远处观察所排布的在某一灰度中的半色调图像2，除非第一结构18的光栅矢量k实际平行于观察平面并且观察者的观察方向是在光束21到25之一的方向上。当使以上述方式定向的安全元件1绕与坐标轴x平行的轴倾斜时，对比度颠倒的半色调图像2根据偏转到观察者眼睛中的衍射光束22到25来改变其颜色。在衍射级的衍射光束22到25所未占据的角度范围中，又可以在灰度模式中识别出半色调图像2。
在安全元件1的第三实施例中，两个区域、背景区域5以及像元图案6具有衍射光栅的结构18和19，这些衍射光栅将入射光15分解成各种颜色，并且它们只是在光栅矢量k的方位角θ方面有所不同。光栅矢量k平行于像元图案6的衍射光栅所对应的坐标轴y，即方位角θ分别等于90°和270°。背景区域5的衍射光栅所对应的光栅矢量k在关于方位角的方面不同于像元图案6的光栅矢量k，并且例如分别具有方位角θ等于0°和180°。观察者(其观察方向平行于衍射平面，该衍射平面包括坐标轴y和第一结构18的光栅矢量k)在上述观察距离处观察与原始图像形成对比的衍射颜色之一中的半色调图像2，换句话说，他看到了像元图案6的照亮表面，它具有比背景区域5的散射光更亮的第二结构19。当复合层10在其平面中旋转时，半色调图像2中的对比消失了，以便分别在旋转角α为90°和270°处再现，因为背景区域5中第一结构18的光栅矢量k与观察平面平行，因此背景区域5现在是照亮的。在对比度反转和颜色相同的条件下，观察者是可以观察到半色调图像2的。如果第一和第二结构18、19的空间频率f相差15到25％，则当旋转时不仅半色调图像2中的对比度而且颜色也一起变化。当观察角在衍射级的衍射光束22、23和24、25之外时，半色调图像2会因为缺乏对比度而无法识别。
如果根据位置来选择第一和/或第二结构18、19的空间频率，则半色调图像2在预定的倾斜角处呈现出彩色图像，该彩色图像对应于原始图像的颜色。
在图1的修改的第二和第三实施例中，背景区域5的第一结构18(图3)包括光栅矢量k所对应的不同方向，即它们具有的方位角介于-80°≤θ≤80°的范围中，所以在复合层10的旋转期间，在安全元件1暗的无对比度的图像中，那些结构18(其光栅矢量k精确平行于观察平面)的表面在该方位角范围中带有彩色地被点亮。
在图1的另一个较佳的实施方式中，在背景区域5中使线形衍射光栅定形，使得衍射光栅排列成使其光栅矢量k平行于像元4的行。不过，在像元4的两个相邻的行中，一行与背景区域5的光栅矢量k的方位角θ不同。例如，有三行A、B和C都具有预定的方位角值。对于像元图案6的光栅矢量k而言，背景区域5的光栅矢量k都不与坐标轴y平行。因此，如果半色调图像2的坐标轴y在观察平面中，则观察者会按正确的对比度来观察半色调图像2。像元图案6是亮的，而背景区域5是暗的。当绕法线20(图3)旋转时，如果在与图1相同的照明和观察条件下观察复合层10(图1)，则安全元件1改变其外观。半色调图像2变为暗的无对比度的图像，其中在行A、B和C中，背景表面5(其光栅矢量k精确地平行于观察平面)带有彩色地点亮。
图5示出了图1中的部分3在旋转δ角之后的样子。在指定的观察距离处，半色调图像2会出现暗的无对比度的表面，在该表面上排布着点亮的条带，这些条带是由像元4(图1)的A行26所构成的，其背景区域5的光栅矢量k(图1)在旋转角δ处与复合层10的平面上的观察面的痕迹27平行。
图6示出了一旦B行28中背景区域5的光栅矢量k(图1)与痕迹27平行，在对比度中角度δ1处，B行28的背景区域5就会点亮。A行26的背景区域5现在形成安全元件1(图1)的无对比度暗表面的一部分，因为A行26的光栅矢量k已旋转到观察平面以外。出于同样的原因，在图7中，当旋转角为δ2时，C行28的背景区域5是亮的并且其它行26、28的背景区域是暗的。换句话说，如果在安全元件1(图1)上循环重复地排列顺序为ABC……ABC……等的行26、28、29，则当安全元件1旋转时，彩色条带状的光(这些条带依赖于在背景区域5中所用的第一结构18(图3)的空间频率f)在安全元件1上传播，直到在旋转角δ＝180°和0°处半色调图像2再一次变得可见而没有彩色条带为止，因为像元图案6中的第二结构19(图3)的坐标轴y和光栅矢量k(图1)与痕迹27平行。
如果第二结构19是衍射散射体之一，则半色调图像2是可见的并基本上不依赖于旋转角δ，其中当安全元件1旋转时，行26、28、29的彩色条带开始在半色调图像2上穿行。
当在阅读距离以内观察时，像元4的行26、28、29被分解，并且在与上述相同的条件下，背景区域5和像元图案6(图1)分别是可以识别的。
在图8中，半色调图像2具有一个像标记一样的分界线，其中由边界线30划界的条带8排列在底面7上。和用于底面7的相比，在放大部分3中可以可见的像元4包括用于条带8的像元图案6的更大的表面部分。像元图案6的表面是由衍射散射体之一占据的，并且背景区域5的表面是由衍射结构之一占据的。背景区域5(其第一结构(图3)具有相同的空间频率f并且相互地平行于光栅矢量k(图1)，即包括相同的方位角θ≠90°和270°(图1))并不是以像元4的简单直条纹26(图7)、28(图7)、29(图7)排列的，而是使得具有那些背景区域5的像元4形成这样一个小图像31，以预定的观察角可以观察到该小图像31。如图8所示，小图像31到35表示圆环部分。小图像31到35是由与光栅矢量k(图1)的空间频率f和方位角θ(图1)有关的数值来区分的，这些值用于背景区域5的第一结构18。并不用于小图像31到35的背景区域5具有反射面或蛾眼结构。在指定的观察距离处，观察者看到灰色调的半色调图像2，而不管旋转角δ(图5)。在安全元件1(图1)的表面上，观察者识别出那些小图像31、32、33、34、35，当安全元件1旋转时，它们的光栅矢量在观察面中随意出现，其中可见的小图像31到35的颜色是由空间频率f和安全元件1的倾角来确定的。
例如，当安全元件1绕法线20(图3)旋转时，小图像31到35中的一个或多个按预定的顺序点亮并产生运动学的印象，即当绕法线20(图3)旋转时，小图像31到35的位置(它们是可见的)在安全元件1的表面上传播。当绕坐标轴x倾斜时，小图像31到35的颜色(它们是可见的)会改变。在一个实施例中，那些小图像31到35是这样排布的，使得它们中的某些(标号为31和32)在旋转角δ和倾斜角所确定的安全元件1的定向处形成预定的字符，即小图像31到35有利地用于在空间中建立安全元件1的预定的定向。
小图像31到35并不仅限于简单字符，在一个实施例中，可以是基于像素的图像，比如缩得很小的半色调图像2的复制品或者包括线条和/或表面单元的图。
在半色调图像2的另一个实施例中，小图像31的背景区域5具有反射交叉光栅，它包括空间频率f≥2300条线/毫米，像第一结构18那样。只有当观察者直接看到反射光21(图3)中并识别出混合颜色(这是高频衍射光栅的特征)的小图像31时，观察者才能看到小图像31，或者当考虑到较大的衍射角ε(图3)时，该观察者以相应的倾斜角看到小图像31，并在安全元件1的暗区域中识别出明亮的、蓝绿色的小图像31。
在另一个实施例中，背景区域5具有方位角θ＝0°的衍射光栅，它将入射光15(图3)分解成各种颜色。衍射散射体被定形为像元图案6。在彩色亮度级(该彩色亮度级具有颠倒的对比度并在在那些灰度旋转角以外，这些灰度具有原始图像的对比度)中，半色调图像2在δ＝90°和270°的旋转角处是可见的。
在另一个实施例中，作为第一结构18的背景区域5具有非对称的衍射光栅，其方位角θ＝0°，其凹槽平行于坐标轴y。像元图案6是由相同的非对称衍射光栅占据的，但第二结构19(图3)的光栅矢量k在与第一结构18的光栅矢量k相反地定向，即方位角的直θ＝180°。仅在旋转角δ＝0°和180°处才能够看到半色调图像2，其颜色依赖于空间频率f和观察条件，或者在无色非对称衍射光栅的情况下其颜色为入射光15(图3)的颜色，其中在旋转180°之后，半色调图像2的对比度反转。在那两个旋转角以外，半色调图像2中的对比度消失了。
表格2列出了用于背景区域5和像元图案6的衍射结构的组合，它包括在预定的旋转角数值δ处具有彩色效果的对比度反转或对比度损失。
图9示出了像元4的另一个示例。像元图案6是条带形状的，并呈现出图案的轮廓，此处是星星的结构。如果条带形的像元图案6在其本身中是闭合的，背景区域5被分割成至少两个表面部分。像元图案6的宽度确定像元4中像元图案6的表面部分。所以半色调图像2(图8)并不包括不必要的亮度调制，因为像元4和背景区域5分别过分规则地排列，相邻像元4的像元图案6由于它们相对于坐标系统x、y的定向而彼此不同。在观察距离处，观察者看到半色调图像2，它仅在阅读距离处分解成在像元4中排布的像元图案6。
在安全元件1的另一个示例中，如图9所示的放大部分3，排列在半色调图像2的表面中的是图案条带36，它们在半色调图像2的部分表面上延伸。图案条带36是介于15微米到300微米范围中的宽度B。为了简便，图9示出了互相平行的图案条带36，它们包括线形图案，这种图案包括表面条带40(图10)，例如希腊式的卷结，这在部分3中可以看到。在另一个实施例中，图案条带36中的线形图案是纳米文本的形式，其字母的高度小于图案条带36的宽度B。线形图案的其它实施例包括简单直线或曲线、象形文字序列等等。简单、直的或弯曲的线元的排列也可单独形成线形图案，或与卷结和/或纳米文本和/或象形文字组合起来。线形图案的表面是由衍射图案结构37占据的，并且线宽为5微米到50微米。在图案条带36的表面以内，线形图案只部分地覆盖背景区域5和/或像元图案6，所以由第一和第二结构18(图3)、19(图3)所产生的半色调图像2(图1)并未被显著地弄乱。图案结构37在至少一个结构参数方面不同于第一和第二结构18、19。较佳地，衍射光栅(它们将入射光15(图3)分解成各种颜色并且包括空间频率f，f介于800条线/毫米到2000条线/毫米)适宜用于微型结构37。如果第一和/或第二结构18、19并不被衍射散射体所占据，则衍射散射体也适用于图案结构37。在图案条带36的实施例中，至少图案结构37的光栅矢量的结构参数空间频率f和/或方位角定向是根据位置来选择的，即指定的结构参数是坐标轴(x，y)的函数。
图10详细示出了具有图案条带36的像元4。图案条带36在背景区域5和像元图案6上延伸。作为示例，为了简便，像元图案6是带有分支38、39的U形，两个分支是由连接部分连接的。通过图案条带36的线形图案的表面部分，在像元图案6内，表面亮度是受控的。如图10所示，通过增大图案条带36中线形图案的表面条带40的宽度，在像元图案6内表面亮度会有变化。由于表面条带40的宽度的增大，与连接部分相比，左手分支38中的像元图案6的表面亮度有所减小。为增大与连接部分的亮度相关的像元图案6的亮度，可减小表面条带40的宽度。为了更为有效，衍射光栅必须在表面条带40中包括至少3到5个凹槽，表面条带40的线宽可以小于依赖于空间频率f和光栅矢量k(图1)的方向的一个最小值。像元图案6的亮度的进一步增大使表面条带40分解成多个小点41，所以较大的区区域贡献了像元图案6增大的亮度。关于背景区域5的调制可应用相同的内容，例如在线形区区域42中。
在图9所示的像元4的实施例中，例如，背景区域5中的表面条带40的线宽在整个半色调图像2的表面上都是相等的，同时通过图案条带36中表面条带40的线宽，便可根据半色调图像2的原始图像的线宽来控制像元图案6的表面亮度。因为观察者在没有帮助(例如，放大镜、显微镜等等)的情况下用眼睛是无法辨析表面条带40(图10)和斑点41(图10)的小尺寸的，像元图案6的表面亮度正比于具有第二结构19(图13)的剩余部分。
如果图案条带36包含纳米文本的字母，则如图2所描述的那样，通过增大或减小字母的厚度或通过增大字母间距，来实现表面亮度的控制。
不管图10的结构如何，观察者的眼睛在小于30厘米的正常阅读距离处并且在适宜的观察条件下将图案条带36识别为简单的光线条，因为图案条带36中的图案仅能通过放大镜或显微镜来辨析。当倾斜和/或旋转图案条带36时，从观察者的视点看，改变颜色和/或点亮或者再次黯然失色。关于图案结构37(图9)的结构参数做出合适的选择，半色调图像2(图1)是用日光照明的并排列在指定的观察距离处，它具有彩虹颜色的彩色条带43(图1)，该彩色条带是由多个图案条带36在倾斜或旋转时产生的，该条带43改变颜色和/或看起来要在安全元件1的表面上移动。
在一个实施例中，半色调图像2是镶嵌图案的一部分，该镶嵌图案包括表面单元44，它被独立于半色调图像2的衍射光栅所占据，表面单元44根据上述EP-A 0 105 099使用光学效应。特别是，在一个实施例中，图案条带36是镶嵌图案的部分，该镶嵌图案包括在半色调图像2上延伸的表面单元44。
表格3总结了用于背景区域5的结构18(图3)、19(图3)与37、像元图案6以及图案条带36的较佳组合。
此处所描述的各种实施例的特征可以组合起来。特别是在说明书中，名称“背景区域5”和“像元图案6”或者“第一结构18”和“第二结构19”是可以互换的。
表格表格1
表格2
表格3
权利要求
1.一种具有半色调图像(2)的衍射安全元件(1)，它包括由被封入复合层(10)中的精细表面结构所占据的表面部分，所述复合层(10)至少包括透明浮雕层(11)、保护性漆层(12)和具有所述表面结构的反射层(13)，所述反射层(13)被嵌入所述浮雕层(11)和所述保护性漆层(12)之间，其中所述半色调图像(2)的表面被分割成多个像元(4)，所述像元由所述表面部分组成并且在至少一个维度上小于1毫米，其特征在于，各像元(4)包含所述组背景区域(5)和像元图案(6)中的表面部分中的至少一个，所述像元图案(6)排列在所述暗区域(5)中，所述像元图案(6)的表面与所述像元(4)的表面的比例至少是在考虑到相邻像元(4)的表面亮度的情况下由在所述像元(4)的位置处半色调图像(2)的原始图像的表面亮度来确定的，并且所述背景区域(5)的表面具有第一表面结构(18)，所述像元图案(6)的所有表面具有与所述第一表面结构(18)不同的第二表面结构(19)，所以在光线调制作用下仅仅是在所述复合层(10)上方的半个空间中预定的观察方向上，所述背景区域(5)的表面才不同于所述像元图案(6)的表面。
2.如权利要求1所述的衍射安全元件(1)，其特征在于，在所有的像元(4)中，所述像元图案(6)的形状都是相似的。
3.如权利要求1所述的衍射安全元件(1)，其特征在于，所述像元图案(6)的表面是字母的形状，其中所述像元(4)中的像元图案(6)的表面比例是由所述字母的厚度和/或字符高度来决定的。
4.如权利要求1所述的衍射安全元件(1)，其特征在于，所述表面结构(18；19)是具有光栅矢量(k)的线形衍射光栅，在所述像元图案(6)中光栅矢量(k)是平行的，而所述像元图案(6)的光栅矢量(k)的方位角(θ)与背景区域(5)中的第一表面结构(18)的光栅矢量(k)不同。
5.如权利要求4所述的衍射安全元件(1)，其特征在于，在所述背景区域(5)中具有相同的光栅矢量(k)方位角(θ)的那些像元(4)是根据它们的光栅矢量(k)方位角(θ)在所述半色调图像(2)上排列成行(26；28；29)的。
6.如权利要求5所述的衍射安全元件(1)，其特征在于，在其表面上，所述光栅矢量(k)的方位角(θ)不相同的那些相邻的行(26；28；29)按ABC、ABC的顺序以循环重复方式来排列。
7.如权利要求1所述的衍射安全元件(1)，其特征在于，所述第一表面结构(18)和所述第二表面结构(19)是曲形衍射光栅，它们的空间频率是从150条线/毫米到2000条线/毫米的范围中选择的，所述背景区域(5)和所述像元图案(6)的曲形衍射光栅至少在光栅矢量(k)的方位角(θ)方面有所不同。
8.如权利要求1所述的衍射安全元件(1)，其特征在于，所述第一表面结构(18)和所述第二表面结构(19)是非对称的衍射光栅，其中所述第一表面结构(18)的非对称衍射光栅的光栅矢量(k)在与所述第二表面结构(19)的光栅矢量(k)相反的方向上确定方向。
9.如权利要求1所述的衍射安全元件(1)，其特征在于，所述像元图案(6)的表面中的第二表面结构(19)是选自下组的衍射散射体各向同性和各向异性的无光泽结构；开诺全息照片(kinoform)；具有圆形凹槽的衍射光栅，其凹槽间距介于1到3微米之间；以及与衍射光栅叠加在一起的无光泽结构。
10.如权利要求9所述的衍射安全元件(1)，其特征在于，作为所述第一表面结构(18)的背景区域(5)具有选自下组的一种结构平面镜；交叉光栅，其空间频率大于2300条线/毫米；以及蛾眼结构。
11.如权利要求9所述的衍射安全元件(1)，其特征在于，作为所述第一表面结构(18)的背景区域(5)具有线形衍射光栅，其空间频率介于150条线/毫米到2000条线/毫米的范围中并且光栅矢量(k)相互平行。
12.如权利要求1所述的衍射安全元件(1)，其特征在于，所述第一表面结构(18)和所述第二表面结构(19)是线形或曲形衍射光栅，它们的空间频率(f)不相同。
13.如权利要求1所述的衍射安全元件(1)，其特征在于，宽度(B)介于15微米到300微米之间的图案条带(36)至少在所述半色调图像(2)的表面的一部分上延伸，线宽介于5微米到50微米范围中的图案条带(36)表面条带(40)形成了包括字母、文本、线元以及象形文字等组成的线条图案，所述图案条带(36)的表面中的线条图案的表面条带(40)部分地覆盖背景区域(5)和具有图案结构(37)的像元图案(6)，并且所述图案结构(37)在至少一个结构参数方面与所述第一和第二表面结构(18；19)不同。
14.如权利要求13所述的衍射安全元件(1)，其特征在于，在所有的像元(4)中像元图案(6)都是相同大小的，并且在所述背景区域(5)中所述表面条带(40)的线宽是恒定的，同时用所述图案条带(36)中的表面条带(40)的线宽根据所述半色调图像(2)的原始图像来控制所述像元图案(6)的表面亮度。
15.如权利要求12或13所述的衍射安全元件(1)，其特征在于，所述图案结构(37)的线形衍射光栅的空间频率(f)取决于所述半色调图像(2)的位置。
16.如权利要求1所述的衍射安全元件(1)，其特征在于，所述半色调图像(2)是由独立于所述半色调图像(2)的表面结构所占据的表面部分(44)的镶嵌图案的一部分。
17.如权利要求1所述的衍射安全元件(1)，其特征在于，用黏合剂将所述复合层(10)固定到基板(17)上。
全文摘要
本发明涉及一种具有半色调图像(2)的衍射安全元件(1)，它包括位于多个层(10)所包括的反射层(13)中的衍射结构，该结构介于透明的浮雕层(11)和保护性涂层(12)之间。半色调图像(2)被分割成多个像元(4)，各像元的至少一个维度的尺寸小于1毫米。各像元(4)的表面包括背景区域(5)和图案像元(6)。像元图案(6)所占据的面积相对于像元(4)的总面积的比例决定了在像元(4)的一个点(P)中半色调图像(2)的亮度。背景区区域(5)包括第一衍射结构，该结构并不以和像元图案(6)相同的方式来调节光线。宽度长达0.3毫米的图案条带(36)可进一步在半色调图像(2)的表面上延伸。上述图案条(36)占据背景区区域(5)和/或像元图案(6)的一小部分表面，并在半色调图像(2)上形成彩色条带(43)。
文档编号G02B5/32GK1874901SQ200480031811
公开日2006年12月6日 申请日期2004年11月2日 优先权日2003年11月3日
发明者A·希林, W·R·汤普金 申请人:Ovd基尼格拉姆股份公司