具有虚幻光学效应的光学装置及其制造方法与流程

本发明通常涉及光学可变装置，且更具体地涉及在涂料或印刷过程中使磁性薄片排列或定向，以便得到虚幻光学效应。

背景技术

光学可变装置用在各种装饰和实用的应用中；例如，这样的装置用作在商业产品上的防伪装置。光学可变装置可以用很多方式制造，以实现各种效应。光学可变装置的例子包括印在信用卡和正版软件证明文件上的全息图、印刷在纸币上的色移图像，以及用来增强物品(例如摩托车头盔和轮罩)的表面外观。

光学可变装置可以以压制、冲压、胶合制成膜或箔，或以另外方式粘附到物体上，且也可使用光学可变颜料制成。一种类型的光学可变颜料通常被称为色移颜料，因为使用这样的颜料适当地印刷的图像的表观颜色随着视角和/或照明度的变化而改变。常见的例子是使用色移颜料印刷在美国20美元钞票的右下角中的数字“20”，其用作防伪装置。

光学可变装置也可以由用磁场排列的磁性颜料制成。在使用液体组合物涂覆产品之后，将具有磁场的磁铁放置在基底的下侧，其中所述磁场具有所需配置。分散在液体有机介质中的磁性可排列薄片自定向成平行于磁力线，从初始方向倾斜。这个倾斜从垂直于基底表面的方向变化到初始方向，其包括基本上平行于产品的表面的薄片。定向成平面的薄片将入射光反射回到观察者，而重新定向的薄片并不这样。

已经提出了用于形成包括磁性可排列颜料薄片的图像和防伪装置的各种方法。

kashiwagi等人的美国专利号5630877的专利公开了将成形磁铁放置在基底之下，并使用包含磁性颗粒的涂料溅射基底。因而产生的图像由描画磁铁的形状的窄轮廓线形成，其中磁力线在磁铁的形状处弯曲。

raksha等人的美国专利号7047883的专利公开了，在马蹄形磁铁的两个极之间或在如图1所示的两个分离的磁铁194、196的北极和南极之间，分散在有机粘结剂中并被涂覆到基底上的磁性颗粒的排列。磁铁194、196产生具有基本上平行于基底29的磁力线198的磁场192，该磁场使在流体载体28中的磁性颜料薄片26变平。

bargir等人的wo2011092502专利申请公开了包括放置在块15内部的壳体13的装置(图2a)。壳体13具有弯曲的上表面13a和腔13b，其中永久磁铁12被安装并覆盖有可磁化薄片11。磁铁12被成形为使得它的横向周缘具有标记的形式，在图2a中，磁铁是球。薄片11充当磁场的聚焦元件，并将扰动集中进如图2b所示的层20’内的永久磁铁的横向紧邻区域内。这导致该标记具有非常清晰和界线分明的视觉外观。

gygi等人的ep1990208专利申请公开了将标记磁性转印到用于薄片s的涂层组合物p(图3a，例如包括磁性颜料的油墨或清漆)。该装置包括暴露于由两个永久磁铁31和32所产生的磁场的主体20。主体20由支撑物22和被雕刻有所需图案21a-21c的成形金属件21组成。磁性颜料沿着磁力线排列，并产生雕刻的字符的外观，例如在图3b所示的防伪装置的发光卵形物中的暗的数字。图3c示出印刷在钞票上的防伪装置。

前述方法提供防伪小块(patch)，其中小块与其下的文件的图形设计无关，使得小块可被放置在文件上的任何地方，或从一个文件转移到另一地方。存在有将小块转移到伪造文件上的可能的相关防伪风险。因此，有需要减轻现有防伪小块的缺点，并提供用于形成包括磁性可排列颜料颗粒的图像的新方法。

技术实现要素：

本发明提供了用于在基底上制造图像的方法，其中图像包括标记和框架。该方法包括：用包括磁性可排列薄片的载体覆盖基底的第一表面的至少一部分；用磁性组件的磁场排列磁性可排列薄片，其中所述磁性组件包括具有开口的金属板(metalplate)，其中金属板沿着基底的第二表面被布置；以及使载体固化。框架在开口的边缘处形成，且标记在框架内是可见的。

在本发明的一个方面中，磁性组件包括两个磁铁，所述磁铁被布置成使得一个磁铁的北极和另一磁铁的南极在开口的相对侧处邻近该金属板。

用于使分散在载体中的磁性可排列薄片排列的磁性组件包括具有开口的金属片(metalsheet)以及第一永久磁铁和第二永久磁铁，所述永久磁铁被布置成使得第一永久磁铁的北极和第二永久磁铁的南极在所述开口的相对侧处邻近该金属片。该磁性组件可安装在印刷装置的圆筒(例如张紧装置)内。

附图说明

下面将参考代表本发明的优选实施例的附图对本发明进行更详细的描述，其中：

图1是用于在印刷之后使磁性颜料薄片与基底的平面平行排列的装置的简化侧视图；

图2a是用于磁性地刻印标记的装置的示意图；

图2b是由图2a的装置建立的磁场的示意图；

图3a是磁场的示意图；

图3b是磁感应图案的照片；

图3c是包括图3b所示的磁感应图案的钞票的示意图；

图4是本发明的装置的示意图；

图4a和4b是在磁性组件中的磁铁的示意图；

图5是磁场的示意图；

图6是磁通量密度的曲线图；

图7是制造图像的方法的流程图；

图8是物品的照片；

图9是物品的照片；

图10是物品的照片；

图11是图像的亮度的曲线图；

图12a是根据本发明的一个实施例的印刷装置的简化侧视图；以及

图12b是根据本发明的另一实施例的印刷装置的简化侧视图。

具体实施方式

参考图4，用于制造由磁性可排列颜料颗粒形成的图像的装置包括两个磁铁101和102。磁铁可被封在软磁性扼120中，以便最小化磁场损耗。磁铁可通过任何其它方法，通过使用夹子或粘合剂等，固定在适当的位置上。可磁化金属板或片103被布置在磁铁的顶部上。可替换地，磁铁101和102的顶端可以在板103的侧边缘处，使得板103被布置在磁铁101的端部和磁铁102的端部之间，并邻近于磁铁101的端部和磁铁102的端部。

金属板103具有开口104，开口104可以具有任何期望的形状，例如圆形、正方形或六边形。在金属片103之下的磁铁之间的空间可被填充有任何填充物。永久磁铁101和102被布置成使得磁铁101的北极和磁铁102的南极在开口104的相对侧处邻近且优选地接触金属板103，使得连接磁铁101的北极和磁铁102的南极的线位于板103的平面中，并越过开口104。

作为例子，金属片103是具有0.006”(英寸)的厚度的矩形mu-金属(mu-metal)件，并在中间具有圆孔。图5示出图4所示的磁性组件所产生的磁场的计算机模拟，所述磁场位于印刷到基底114上的印刷油墨115中及其周围，其中所述基底114被布置在金属板103上方。

在图6中绘出沿着金属片103的表面的磁通量密度。曲线图说明通量密度在接近金属片103的边缘处具有最高(0.25t)值121，在此处它接触磁铁101和102。通量密度在到mu-金属片103的中间的孔104的半途点122处几乎降低到零，但随着到孔104的边缘123的距离的减小而再次开始增长，在孔104的边缘123处达到0.05t的值。

包括具有开口的金属板的磁性组件，例如图4所示，可以用于形成具有标记的图像，该标记由在金属板中的开口的边缘处的排列颜料所形成的框架围绕。标记可包括符号、标志或小图像，并可以用常规油墨或以用于形成框架的相同的油墨印刷。开口应足够宽(例如，至少8mm宽)，使得框架可足够大，以包括人的肉眼可见的标记。由框架围绕的标记可印刷在钞票基底上。可使用常规技术来印刷或涂覆标记和形成框架的涂层。

图7是制造包括标记和框架的图像的方法的流程图。该方法包括基底覆盖步骤130：用包括磁性可排列薄片的载体覆盖基底的至少一部分，其中磁性可排列薄片构成油墨或涂料。作为例子，在基底覆盖步骤130期间，以液体或浆糊形式的油墨或涂料115被提供到基底114上。在油墨或涂料中的磁性可排列薄片的浓度优选地在从4wt％到40wt％的范围内。

基底可以是纸、塑料或纸板基底等，且所得物品可以是钞票、信用卡或如在本文所述的将磁性可排列薄片施加到其上的任何其它物体。具有分散在其中的磁性可排列薄片的载体可以被涂覆在基底的分开的区域中或作为连续层。载体可以是透光的、优选为透明的，uv可固化粘结剂。薄片可以是包括磁性材料或可磁化材料的任何颜料，例如多层薄膜磁性可排列薄片、反射磁性可排列薄片、衍射磁性可排列薄片或任何其它特殊效应的磁性可排列薄片。然而，通过真空技术产生的颜料是更优选的，因为它们提供印刷的最亮外观。通过化学方法产生的颜料也可用于这个目的。

磁性可排列颜料薄片可由一个或多个薄膜层(包括一层永久磁性或可磁化材料，例如镍、钴及其合金)形成。术语“磁性”常常用于包括永久磁性材料以及可磁化材料、颜料薄片、油墨等。在颜料薄片中，磁性层可隐藏在优选地由铝制成的两个反射体层之间。此外，可在每个反射体层上设置介电层，且在每个介电层上设置吸收层，从而形成色移薄片。例如在通过引用合并在本文中的美国专利号5,571,624、4,838,648、7,258,915、6,838,166、6,586,098、6,815,065、6,376,018、7,550,197、4,705,356中公开了各种薄膜薄片及其制造方法。

颜料薄片基本上是平面的，然而可包括符号或光栅。薄片具有在50nm和2,000nm之间的厚度，以及在2微米和200微米之间的长度。优选地，薄片的长度在5～500微米的范围内，且厚度在50nm到5微米的范围内。薄片可具有不规则形状。可替换地，成形薄片(例如正方形、六边形或其它选择性地成形的薄片)可用于促进覆盖和增强的光学性能。优选地，颜料薄片是具有在可见光谱中的至少50％且优选地70％的反射率的高度反射薄片。

通常使用在柔性网(也被称为沉积基底)上形成的分层薄膜结构来制造颜料薄片。通过在形成薄涂层结构的领域中公知的方法(例如物理和化学气相沉积等方法)将各种层沉积在网上。薄膜结构接着从网材料被移除，并被破碎成薄膜薄片，其可被添加到聚合介质，例如用作油墨、涂料或喷漆(在本文中被统称为“油墨”)的各种颜料连接料(粘结剂)，并可通过任何常规工艺(在本文被称为“印刷”)被提供到基底的表面。粘结剂优选地是透明粘结剂，但可以用少量常规染料进行染色，且可包括少量附加剂，例如其上具有符号的标记(taggent)非磁性薄片。

在排列步骤132中，使用磁性组件的磁场来排列薄片，所述磁性组件包括具有开口的金属板，同时基底被布置在金属板上方。在我们的例子中，磁性组件包括如图4所示的带有开口104的板103。金属片(转向器)的厚度可在宽范围内改变，并由场的配置和磁铁的等级限定，如在为了所有目的通过引用并入本文的序列号为13/737,836的美国专利申请中所讨论的。优选地，金属片103具有在从0.004"到0.1"的范围内的厚度，并由具有从.01to0.3h/m的范围内的磁导率的材料(例如坡莫合金(permalloy)、mu-金属、纯铁或超透磁合金(supermalloy))制成。在排列步骤期间，基底被沿着金属板布置，使得金属板邻近且本质上平行于基底的表面，磁性油墨被涂敷到的表面与该表面相对。这两个表面可能直接接触。在参考图12a和12b所进一步讨论的印刷装置中，基底和金属板在保持接近和彼此平行的同时，有可能在一段时间内移动到一起。

在油墨或涂料内，通过使用由一个或多个永久磁铁或电磁铁产生的磁场来定向磁性可排列薄片。通常，薄片倾向于沿着所施加的场的磁力线排列，同时油墨仍然是湿的。优选地，当印刷图像仍然在磁场中时，油墨被固化。例如在通过引用并入本文的美国专利号7,047,883和8,343,615的专利中公开了排列磁性可排列薄片的各种方法。有利地，薄片的磁性排列可作为高速印刷工艺的一部分而被执行。印刷图像可在磁性组件附近以从20ft/min到300ft/min的速度在支撑物(例如带或板)上移动。

磁性组件优选地具有如图4、4a和4b所示的两个相反地定向的磁铁或磁铁组。磁铁可被放置在带或板之下或之上，或被嵌入在如下讨论的印刷装置中所使用的辊中。金属板优选地具有基本上平坦的表面，其可能包括轻微的曲率，以相应于印刷装置的圆筒的弯曲表面。

颜料薄片在被磁性排列之后形成至少部分地围绕标记的框架图案。

在固化步骤134中，载体被固化，以便将薄片固定在固化载体(solidifiedcarrier)内的其排列位置上。可使用用于固化载体的任何适当的方法，例如干燥或使用uv或电子束或微波辐射。

在排列步骤132，磁场的磁力线在金属板中的开口的边缘处弯曲。因此，可排列薄片在开口的边缘处形成框架图案；图案反射入射光，以便产生亮框架。

由磁性可排列薄片形成的框架应与标记配准，使得在因而产生的图像中，标记在框架内是可见的。

在一个实施例中，在基底覆盖步骤130中，用具有磁性可排列薄片的载体覆盖基底的至少一部分之前，在基底上印刷或涂覆标记。标记可以不用油墨或涂料(包含薄片的载体)覆盖，或油墨/涂料涂层在标记之上可具有孔。作为例子，基底114(其形式为具有位于防伪扭索状图案141(图8)的中间的数字“10”的钞票基底)被覆盖有包含磁性可排列薄片的湿油墨层115。油墨涂层被施加在环形区域中，使得包含数字“10”的区域未覆盖有磁性油墨。油墨覆盖基底被放置在mu-金属片103的顶部上，且孔104与钞票中的图形图像配准。在排列步骤132之后，沿着在孔的边缘处弯曲的磁力线排列的磁性颗粒产生凸的环形反射体。在油墨涂层的其它部分中，薄片从可磁化片103中的开口104的边缘移除，因而那些薄片没有沿着mu-金属板103的任何排列。由排列的薄片形成的环形反射体产生光源的真实图像。考虑到反射体具有环形形状，它产生虚幻印象：图8中的圆形区域142朝向观察者凸出。在特定的例子中凸出的虚幻高度接近0.0625”。

参考图9，首先用包含金/绿色色移颜料的油墨，将以旭日形图案151和数字“10”的形式的背景印刷在纸基底上。然后，在基底覆盖步骤130中，用包含磁性可排列金/绿色色移颜料的载体，将环152印刷在旭日形图案的顶部上。纸被放置在图4所示的磁性组件的顶部上，且颜料在磁场中排列(步骤132)，且当场仍然被施加时，通过使用uv光固化而使油墨固化(步骤134)。

在一个实施例中，在基底覆盖步骤130中，优选地在固化步骤134之后，用具有磁性可排列薄片的载体覆盖基底的至少一部分之后，将标记印刷或涂覆在基底上。标记可被印刷在用于形成框架的油墨或涂料的涂层之上。换句话说，标记可被印刷到框架的中心。

在又一实施例中，通过反向印刷在覆盖步骤130期间形成标记，其中油墨或涂料不覆盖标记，而是覆盖相邻的区域，并因此限定标记的轮廓。

如图4所示的两个磁铁的相反的定向，其中两个磁铁被布置成使得一个磁铁的北极和另一磁铁的南极在开口104的相对侧处邻近金属板103，确保了在板的开口中磁场的磁力线大部分平行于板103的表面，且只在开口104的边缘处弯曲。因此，磁性薄片在开口的边缘处以弯曲的框架图案排列，且基本上平行于开口104内的基底的表面。

参考图10，mu-金属片被切割有六边形孔并如图4所示放置在两个磁铁的顶部上。如上面参考图7讨论的，用载体中包含磁性可排列薄片的磁性油墨印刷黑色卡(基底)161上的圆圈162。薄片沿着磁力线排列，且油墨被固化。颗粒靠近圆圈162的边缘成陡峭角度(steepangle)排列，且在金属中的六边形切口的边缘处成低角度(lowangle)排列。由于在开口内的低倾斜，六边形163的图像非常亮。边界164将六边形和圆圈的区域分离开，从入射光165的源侧看，边界164具有最亮的外观。圆圈162的外部区域是暗的，因为此处的颗粒几乎垂直于纸的表面。跨越圆圈162的图像亮度的差异在图11中示出。图像在区域162的外部部分中是黑色。亮度在扫描接近边界164时快速增加，并在六边形的中心部分处稍微下降。类似的光学效应在图8示出的样本中被观察到。

参考图10，在金属板中的开口的相对大的尺寸(最少8mm宽)允许亮的中心区域对人的肉眼变得可见，不同于图3b所示的窄线，窄线中不存在这样的亮区域，并且看上去凸出到印刷装置的表面中。图10所示的装置可本身用作虚幻光学印刷装置，这样的装置可用于形成包括标记和框架的图像。标记可被印刷在在磁性油墨的顶部上的亮区域163内，当然，亮区域163可具有不同的形状。可替换地，在区域163(如在图8所示的装置中的)的内部部分处可能不存在磁性油墨，且标记可在印刷磁性油墨之前或之后被印刷在其中。边界164和部分的区域163(该处已提供有磁性油墨)形成围绕标记的亮框架。框架看上去从基底突出。在我们的实验中，框架看上去大约1mm高。

如图4所示的包括具有开口的板和两个相对地定向的磁铁的磁性组件可被安装到印刷装置的圆筒内，使得金属板被布置在圆筒的表面处，优选地与圆筒的表面齐平，且支承具有湿图像的基底的带在圆筒周围弯曲，使得图像在一段时间内与磁性组件一起移动。基底可以是连续纸片、塑料膜或层压片。包括磁性组件的圆筒可以是印刷圆筒、加压辊或张紧装置。

图12a是根据本发明的实施例的印刷装置200的一部分的简化侧视示意图。磁性组件202、204、206、208位于加压辊210内部。磁性组件202包括具有在辊210的表面处的开口231的金属板230和在板之下(如对应于组件202所示的)或在板(未示出)的侧边缘处的磁铁232。其它磁性组件204、206和208可具有与组件202相同的结构。磁性组件的数量可根据圆筒的尺寸而改变。

基底212(例如连续纸片、塑料膜或层压片)在印刷圆筒214和加压辊210之间以高速移动。印刷圆筒提取(takeup)来自源容器216的一个相对厚层212的包含磁性颜料的液体或浆糊状涂料或油墨215。涂料或油墨在具有叶片218的印刷圆筒上可被展开到期望的厚度。在印刷圆筒214和加压辊210之间的图像的印刷期间，加压辊210中的磁性组件使印刷图像220的至少一部分中的磁性颜料薄片定向(即，选择性地排列)。张紧装置222一般用于在基底从加压辊和印刷圆筒出来时，维持所需的基底张力，且使用干燥剂224来干燥基底上的图像。所述干燥剂可以是例如加热器，或者所述油墨或涂料可以是uv可固化的，并使用uv灯来凝固。

图12b是根据本发明的另一实施例的印刷装置200'的一部分的简化侧视示意图。磁性组件202'、204'、206'、208'被安装在张紧装置222'或其它辊中。磁性组件的数量可根据辊的尺寸而改变。磁性组件202'包括具有在辊222'的表面处的开口231'的金属板230'和在板之下(如对应于组件202'所示的)或在板(未示出)的侧边缘处的磁铁232'。其它磁性组件204'、206'和208'可具有与组件202'相同的结构。

在油墨或涂料的流体载体干燥或凝固之前，磁铁使印刷图像中的磁性颜料薄片定向。湿印刷图像219离开加压辊210'和印刷滚筒214，此时薄片未选择性定向，且在薄片被固定之前，湿图像220'由张紧装置222'中的磁性组件206'定向。优选地当薄片仍然在组件206'的磁场中时，干燥器224加速或完成干燥或固化过程。所述干燥器可以是例如加热器，或者所述油墨或涂料可以是uv可固化的，并使用uv灯来凝固。

图12a和12b所示的装置可用于制造图11中所示的图像。相对于图8和9中所示的图像，印刷装置200或200'执行排列步骤132，且可在如上所述的排列步骤之前或之后印刷标记。掩模可被布置在印刷滚筒214和基底212之间，用于印刷例如如上面参考图8所述的磁性油墨的环。

上述方法有利地将由磁性可排列薄片产生的光学效应与常规印刷图形图像组合。虚幻地凸出的框架本身同时用作防伪特征，因为它们难以复制，由于其独特的光学效应而作为装饰元件，以及用于将人眼吸引到由框架围绕的图像，正如扭索状图案强调钞票上的面额数字的方式。该方法允许为有价证券例如钞票制造高级光学防伪装置，其中磁性可排列特征是整体钞票设计的一部分。当图形图像(框架)的磁性定向部分与如图8和9所示的钞票上的相应图形图像(标记)配准时，证券提高了防伪性和视觉吸引力。