专利名称：光学防伪元件及带有该防伪元件的产品的制作方法
技术领域：
本申请涉及光学防伪技术，更具体地，涉及采用微透镜阵列的光学防伪元件及带
有该防伪元件的产品。
背景技术：
光学防伪元件广泛用于钞票、信用卡、护照和有价证券等产品中。目前，在采用微透镜阵列的光学防伪元件中，通常使用球面折射型微透镜和菲涅尔衍射型微透镜。在这种微透镜阵列光学防伪元件中，微图文阵列层置于微透镜阵列的焦平面或其附近，通过微透镜阵列对微图文阵列的莫尔放大作用实现具有一定景深并呈现奇特动态效果的图案。
在例如钞票等有价证券的应用中，由于对防伪元件的厚度具有限制，因此对微透镜的焦距具有限制。例如，当防伪元件的厚度被限制为小于或等于50 i！ m时，微透镜的焦距同样被限制为小于或等于50 i！ m。然而，为了获得相应小的焦距，无论是球面折射型微透镜或是菲涅尔衍射型微透镜，都需要将微透镜单元的直径降低到一定范围内(例如，小于或等于50 i！ m)，阵列的排列周期也相应的减小。由于这种防伪元件对微图文放大倍数等于周期与透镜阵列和微文字阵列之间的排列周期差之比，排列周期差的微小变化可以引起很大的放大倍率的变化，因此，小的排列周期导致微透镜阵列的原版加工和后续批量复制中精度要求大幅提高，增加了制作难度。 因此，期望提供一种微透镜阵列光学防伪元件，能使微透镜在保持小焦距的同时具有较大的直径和排列周期，从而在满足厚度限制的情况下降低生产制造过程中的精度要求。
发明内容
根据本申请一个实施方式的光学防伪元件包括基层，具有相互平行的第一表面和第二表面；谐衍射微透镜阵列，位于所述基层的所述第一表面；以及微图文阵列，位于所述基层的所述第二表面。其中，所述基层为至少局部透明的，且其厚度被设置为使得所述微图文阵列位于所述谐衍射微透镜阵列的焦平面附近。 根据本申请的另一实施方式的光学防伪元件包括基层，包括相互间隔一定距离的
第一部分和第二部分；设置于所述第一部分的谐衍射微透镜阵列；以及设置于所述第二部
分的微图文阵列，其中，所述基层的所述第一部分和所述第二部分均为至少局部透明，并且
所述基层的厚度被设置为当通过折叠将所述第一部分与所述第二部分重合时，所述微图文
阵列位于所述谐衍射微透镜阵列的焦平面附近。 此外，本申请还提供了包括上述光学防伪元件的产品。
图la为根据本申请的一个实施方式使用连续型谐衍射微透镜阵列的光学防伪元件的截面示意 图lb、图lc示出了根据本申请的光学防伪元件中谐衍射微透镜阵列和微图文阵列的一种排列方式； 图ld、图le示出了根据本申请的光学防伪元件中谐衍射微透镜阵列和微图文阵列的另一种排列方式； 图If示出了不同级次的谐衍射微透镜的实施例； 图2为根据本申请的一个实施方式使用阶梯型谐衍射微透镜阵列的光学防伪元件的截面示意图； 图3为根据本申请的一个实施方式使用反射型谐衍射微透镜阵列的光学防伪元件的截面示意图； 图4为根据本申请的一个实施方式包括透明保护层的光学防伪元件的截面示意图； 图5为根据本申请的一个实施方式包括液晶层的光学防伪元件的截面示意 图6a为根据本申请的一个实施方式采用的空间分离的谐衍射微透镜阵列和微图文阵列的光学防伪元件的示意图；以及 图6b为图6a所示的根据本申请的一个实施方式中当空间分离的谐衍射微透镜阵列和微图文阵列重合时的示意图。
具体实施例方式
根据本申请的实施方式，采用谐衍射微透镜阵列来实现光学防伪。 谐衍射微透镜是根据谐衍射光学(也称为高次衍射光学)设计的光学器件。其
原理是取相位的2Ji的高级次来设计衍射元件，使整个波段内的多个波长具有相同的光焦
度。在谐衍射微透镜中，环带间的光程差为设计波长的P倍，其中，P大于l。作为一种特
例，当衍射级次P等于1时，为常规的衍射设计。 下面将参照附图详细描述本申请的示例性实施方式。 图la示出了根据本申请的一个示例性实施方式的光学防伪元件l的截面示意图。如图la所示，光学防伪元件1包括基层2和分别位于基层2的两个相反表面的谐衍射微透镜阵列3和微图文阵列4。基层2的厚度被设置为使得微图文阵列4位于谐衍射微透镜阵列3的焦平面附近。 基层2是至少局部透明的无色或有色介质层。其可以是一层单一的透明介质薄膜，例如PET膜、PVC膜等，也可以是表面带有功能涂层(比如压印层)的透明介质薄膜，还可以是经过复合而成的多层膜。 谐衍射微透镜阵列3由周期性排列的多个谐衍射微透镜构成，并且可例如通过UV模压工艺形成于基层2的一个表面。其加工深度例如可小于15 ii m，优选为0. 5 ii m至8 ii m。
微图文阵列4由周期性排列的多个微图文单元构成。微图文阵列4中的微图文单元与谐衍射微透镜阵列3中的谐衍射透镜的位置相匹配。微图文阵列4可以通过全息模压、印刷、喷墨、压印、激光刻蚀、染色、光致变色、部分金属化或UV复制等方式形成于基层的另一表面。微图文阵列4及其背景也可以由不同结构的微纳结构构成。不同的微纳结构能够产生不同的光学效果，比如抗反射、颜色选择、光变效果等。微图文阵列4及其背景可以是单色的、多色的或彩色的。
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尽管在图la示出了谐衍射微透镜阵列3和微图文阵列4分别位于基层2的两个相反表面，但是，谐衍射微透镜阵列3和微图文阵列4也可以分别形成在两个不同的薄膜上，然后再经过本领域中公知的复合工艺将二者复合在一起。两层膜复合时，带有连续型谐衍射微透镜阵列3的薄膜和带有微图文阵列4的薄膜可以是背对背地复合，即连续型谐衍射微透镜阵列3和微图文阵列4之间的距离为两层膜的厚度加上复合胶的厚度；也可以是带有连续型谐衍射微透镜阵列3的薄膜和带有微图文阵列4的薄膜面向同一方向复合，即连续型谐衍射微透镜阵列3和微图文阵列4之间的距离为其中一层膜的厚度加上复合胶的厚度。 此外，谐衍射微透镜阵列3和微图文阵列4还可根据需要以任何适当的排列形成。尽管本申请以周期性排列为例对本申请的实施方式进行说明，但是应该理解，非周期排列、
对称排列、非对称排列、随机排列等其它任意的排列方式都是可以的，只要微透镜阵列的排列方式与微图文阵列的排列方式相匹配即可。例如，图lb和图lc示出了连续型谐衍射微透镜阵列3和与之相对应的微图文阵列4的一种排列方式，图ld和图le示出了连续型谐衍射微透镜阵列3和与之相对应的微图文阵列4的另一种排列方式。 应该理解，尽管在图la-le所示的实施方式中示出了由连续型谐衍射微透镜构成的连续型谐衍射微透镜阵列3，但是在其它实施方式中，也可采用由其它类型的谐衍射微透镜构成的微透镜阵列。例如，在图2所示的实施方式中，采用了由阶梯型谐衍射微透镜构成的阶梯型微透镜阵列5。 根据本申请的光学防伪元件1使用的谐衍射微透镜阵列3的焦距为5ym至100 ii m，且优选为10 ii m至30 ii m。谐衍射微透镜阵列3中谐衍射微透镜的排列周期为20 ii m至200 ii m，且优选为50 y m至100 y m。微图文阵列4中微图文单元的排列周期与谐衍射微透镜阵列3中谐衍射微透镜的排列周期相匹配。根据再现效果的要求，微图文单元的排列周期可以等于、略大于或者略小于谐衍射微透镜的排列周期。当透过图la所示的谐衍射微透镜阵列3观察时，可以看到放大的、有一定景深并呈现奇特动态效果的图文。再现效果与微透镜阵列3和微图文阵列4的参数之间的关系可参阅中国专利申请200480040733. 2和美国专利公开US2009/0034082中的详细论述。 图lf示出了不同级次的谐衍射微透镜的例子。对于级次为p的谐衍射微透镜，其中心厚度为pA/(n-l)，其中，n为透镜的折射率，A为真空波长。可见，谐衍射微透镜的中心厚度与级次P成正比。 例如，对于焦距为25 ii m、设计波长550nm的常规衍射透镜，中心厚度可为1. 1 y m，透镜的直径可为22ym ;而对于焦距同样为25ym的级次p = 3的谐衍射透镜，在同样的横向加工精度(即最外边的环带具有相同的尺寸)下，中心厚度为3.3ym，透镜直径为36iim。该谐衍射透镜的闪耀波长为550nm，为人眼非常敏感的黄绿色光。因此，在使用该谐衍射透镜时，需要将微图文的颜色相应地设计为黄绿色。类似地，对于P = 5的谐衍射透镜，在同样的横向加工精度下，中心厚度为5. 5ym，透镜直径为52iim。该谐衍射透镜的闪耀波长为458、550、687nm，对应于蓝紫色、黄绿和红色的光。在这种情况下，需要将微图文的颜色相应地设计为蓝紫色、黄绿和/或红色。 由于谐衍射微透镜阵列只对特定一个或几个波长闪耀，而对其它波长产生相差，因此，通过将微图文的颜色选择为与微透镜的闪耀波长对应，可达到防伪要求。从以上说明可见，在保持焦距不变的情况下，可选择具有更大直径的谐衍射微透镜来代替常规的衍射透镜，从而降低了制造过程中的尺寸精度要求并降低了制造难度。 根据本申请的实施方式，对于谐衍射微透镜，可根据具体应用选择具有合适折射率的材料和合适的级次P，从而优化透镜的直径和中心厚度，同时保持透镜的焦距不变。根据本申请的实施方式，可将谐衍射微透镜的级次选择为1至15，优选地，为3至7。
谐衍射微透镜阵列的加工深度除了受所设计的衍射级次影响外，还与形成微透镜的材料折射率有关。例如，谐衍射微透镜阵列可采用高折射率聚合物纳米复合材料制成，从而降低微透镜厚度。根据本申请的实施方式，可将谐衍射微透镜的厚度选择为在O. 3ym到15 ii m的范围内，优选地，在0. 5 ii m至lj 8 ii m的范围内。 图2示出了根据本申请使用阶梯型谐衍射微透镜阵列5的光学防伪元件1的截面
示意图，其中，用阶梯型谐衍射微透镜阵列5代替了图la中的连续型谐衍射微透镜阵列3。
现代制版工艺制作阶梯型的谐衍射微透镜比制作连续型的谐衍射微透镜更加容易，而生产
复制过程是相同的，即模压生产工艺。阶梯的阶数越高，阶梯型谐衍射微透镜阵列5与连续
型的谐衍射微透镜阵列3的性能越接近，可以根据实际要求确定阶梯的阶数。 在上文描述的实施方式中，采用的谐衍射微透镜都是透射型谐衍射透镜。然而，根
据本申请的光学防伪元件还可以采用带有反射层的反射型谐衍射微透镜。 图3示出了根据本申请使用反射型谐衍射微透镜阵列6的光学防伪元件1的截面
示意图。在图3所示的实施方式中，在谐衍射微透镜阵列6的表面涂有或镀有一层或多层
反射层7。反射层7可以是金属反射层、介质反射层或其组合。金属反射层例如可采用铝，
金，银，铬，锌或为合金。介质薄膜例如可以采用Mg&， LiF， Si02， A1203， Ti02， ZnS， Si3N4等
材料形成的Bragg反射镜。反射型谐衍射微透镜阵列6中使用的谐衍射微透镜可以是连续
型也可以是阶梯形的。 在观察时，谐衍射微透镜阵列6所在的平面位于远离人眼的位置，微图文阵列4所在的平面位于人眼和谐衍射微透镜阵列6之间。由于相同的谐衍射微透镜在涂覆了反射层作为反射型透镜使用时，其焦距明显小于作为透射型透镜时的焦距，因此，使用反射型谐衍射微透镜可以大幅地降低透镜的中心厚度。 根据本申请的实施方式，光学防伪元件1还可以具有一个或多个功能层，例如，保护层、液晶层和/或粘结层等。例如，微透镜阵列层上表面、微透镜阵列层下表面、薄膜、微图文上表面、微图文层和微图文下表面都可添加不被微透镜阵列放大的功能层。
图4示出了根据本申请一个实施方式的光学防伪元件l，其进一步包括位于谐衍射微透镜阵列3上的透明保护层8。在该实施方式中，为了保护谐衍射微透镜阵列和增加防伪元件1的使用寿命，在防伪元件1的一个或两个表面涂布、填埋形成一层或多层透明保护层8。当透明保护层8与谐衍射微透镜阵列3直接接触时，透明保护层8的折射率小于微透镜阵列的折射率，且折射率差值不小于0. 3。 图5示出了根据本申请一个实施方式的光学防伪元件l，其进一步包括位于谐衍射微透镜阵列3上的液晶光变层9。液晶光变层9可以在图1至图4对应方案中任何一个防伪元件中使用，即，可以将液晶光变材料涂布在上述的任何一种防伪元件的一个或两个表面。此外，还可以将液晶光变材料涂布在基层2和透射型微透镜3之间，或者基层2和反射型微透镜7之间。液晶层9可覆盖其涂布表面的部分或全部。
此外，还可在防伪元件1的一个或两个表面上涂布粘结层，以便能够与被保护的对象粘结在一起。具体地，可以将粘结胶涂布于上述的任何一种防伪元件的一个或两个表面。粘结层覆盖其涂布表面的部分或全部。当粘结层与谐衍射微透镜直接接触时，粘结层的折射率小于微透镜阵列的折射率，且折射率差值不小于0. 3。 在上述所有的实施方案中，防伪元件1的表面和各中间界面或者界面之间可进一步具有衍射光变特征、干涉光变特征、微纳结构特征、印刷特征、部分金属化特征、荧光特征和用于机读的磁性特征等。 本申请特别适合制作成安全线。安全线的厚度不大于50 m，可用于钞票、护照、有
价证券等各类高安全产品的防伪。 本申请也可用作标签、标识、宽条、透明窗口等，可以通过各种粘结机理粘附在各种物品上，例如转移到钞票、信用卡等高安全产品和高附加值产品上。 带有本申请的光学防伪元件的产品，包括但不限于钞票、信用卡、护照、有价证券等各类高安全产品及高附加值产品，以及各类包装纸、包装盒等。 作为一个特殊的实施方式，谐衍射微透镜阵列和微图文阵列可分别设置在基层的第一部分和第二部分上。第一部分和第二部分均为至少局部透明，且基层的厚度被设置为使得当所述第一部分与所述第二部分重合时，所述微图文阵列位于所述谐衍射微透镜阵列的焦平面附近。图6a和6b示出了根据此实施方式的采用的空间分离的谐衍射微透镜和微图文的示意图。如图6a所示，谐衍射微透镜阵列11和微图文阵列12位于防伪元件10的不同位置，二者重合后呈现放大的微图文，如图6b所示。在这种情况下，谐衍射微透镜的焦距在5 ii m至lj 200 ii m的范围内，优选地，在30 y m到120 y m的范围内。
本申请还提供了带有上文所述的光学防伪元件的产品，所述产品包括但不限于钞
票、信用卡、护照、有价证券等各类高安全产品及高附加值产品，以及各类包装纸、包装盒等。 以上示例性地描述了本申请的某些优选实施方案。而本领域所属技术人员可以理解，在不偏离本申请构思和精神的前提下可以对其作出各种等同变换或修饰。而如此得到的技术方案也应属于本申请的范围。
权利要求
光学防伪元件，包括基层，具有第一表面和第二表面；谐衍射微透镜阵列，位于所述基层的所述第一表面；以及微图文阵列，位于所述基层的所述第二表面；其中，所述基层为至少局部透明的，且其厚度被设置为使得所述微图文阵列位于所述谐衍射微透镜阵列的焦平面附近。
2. 如权利要求1所述的光学防伪元件，其中，所述谐衍射微透镜阵列包括多个谐衍射微透镜，所述微图文阵列包括多个微图文单元，所述多个谐衍射微透镜与所述多个微图文单元的位置相匹配。
3. 如权利要求2所述的光学防伪元件，其中，所述谐衍射微透镜为透射型谐衍射微透镜。
4. 如权利要求2所述的光学防伪元件，其中，所述谐衍射微透镜为带有反射层的反射型谐衍射微透镜。
5. 如权利要求2所述的光学防伪元件，其中，所述谐衍射微透镜的级次为1至15，优选地，为3至7。
6. 如权利要求2所述的光学防伪元件，其中，所述谐衍射微透镜与所述微图文单元均为周期性排列。
7. 如权利要求6所述的光学防伪元件，其中，所述谐衍射微透镜的排列周期在20ym到200iim的范围内，优选地，在50iim到100iim的范围内。
8. 如权利要求2所述的光学防伪元件，其中，所述谐衍射微透镜与所述微图文单元均为非周期性排列。
9. 如权利要求2所述的光学防伪元件，其中，所述谐衍射微透镜的厚度在0. 3ym到15 ii m的范围内，优选地，在0. 5 ii m至lj 8 ii m的范围内。
10. 如权利要求2所述的光学防伪元件，其中，所述谐衍射微透镜的焦距在5ym到100 ii m的范围内，优选地，在10 ii m至lj 30 ii m的范围内。
11. 如权利要求2所述的光学防伪元件，其中，所述微图文单元的颜色与所述谐衍射微透镜的闪耀波长匹配。
12. 如权利要求1所述的光学防伪元件，其中，所述微图文阵列由全息、印刷、喷墨、压印、激光刻蚀、染色、光致变色、部分金属化、UV复制或微纳结构图案之一或其组合构成。
13. 如权利要求1所述的光学防伪元件，进一步包括一个或多个功能层，所述功能层包括保护层、粘结层和/或其组合。
14. 如权利要求1所述的光学防伪元件，进一步包括不被微透镜阵列放大的液晶光变特征、衍射光变特征、干涉光变特征、微纳结构特征、印刷特征、部分金属化特征、荧光特征，以及用于机读的磁性特征。
15. 如权利要求1所述的光学防伪元件，其厚度小于或等于50 ii m。
16. 光学防伪元件，包括基层，包括相互间隔一定距离的第一部分和第二部分；设置于所述第一部分的谐衍射微透镜阵列；以及设置于所述第二部分的微图文阵列，其中，所述基层的所述第一部分和所述第二部分均为至少局部透明，并且所述基层的 厚度被设置为当通过折叠将所述第一部分与所述第二部分重合时，所述微图文阵列位于所 述谐衍射微透镜阵列的焦平面附近。
17. 如权利要求16所述的光学防伪元件，其中，所述谐衍射微透镜阵列包括多个谐衍 射微透镜，所述微图文阵列包括多个微图文单元构成，其中所述多个谐衍射微透镜与所述 多个微图文单元的位置相匹配。
18. 如权利要求17所述的光学防伪元件，其中，所述谐衍射微透镜为透射型谐衍射微 透镜。
19. 如权利要求17所述的光学防伪元件，其中，所述谐衍射微透镜为带有反射层的反 射型谐衍射微透镜。
20. 如权利要求17所述的光学防伪元件，其中，所述谐衍射微透镜的级次为1至15，优 选地，为3至7。
21. 如权利要求17所述的光学防伪元件，其中，所述谐衍射微透镜与所述微图文单元 均为周期性排列。
22. 如权利要求21所述的光学防伪元件，其中，所述谐衍射微透镜的排列周期在20 ii m 到200 ii m的范围内，优选地，在50 ii m到100 y m的范围内。
23. 如权利要求17所述的光学防伪元件，其中，所述谐衍射微透镜与所述微图文单元 均为非周期性排列。
24. 如权利要求17所述的光学防伪元件，其中，所述谐衍射微透镜的厚度在0. 3 ii m到 15 ii m的范围内，优选地，在0. 5 ii m至lj 8 ii m的范围内。
25. 如权利要求17所述的光学防伪元件，其中，所述谐衍射微透镜的焦距在5ym到 200 ii m的范围内，优选地，在30 ii m到120 y m的范围内。
26. 如权利要求17所述的光学防伪元件，其中，所述微图文单元的颜色与所述谐衍射 微透镜的闪耀波长匹配。
27. 如权利要求16所述的光学防伪元件，其中，所述微图文阵列由全息、印刷、喷墨、压 印、激光刻蚀、染色、光致变色、部分金属化、UV复制或微纳结构图案之一或其组合构成。
28. 如权利要求16所述的光学防伪元件，进一步包括一个或多个功能层，所述功能层 包括保护层、粘结层和/或其组合。
29. 如权利要求16所述的光学防伪元件，进一步包括不被微透镜阵列放大的液晶光变 特征、衍射光变特征、干涉光变特征、微纳结构特征、印刷特征、部分金属化特征、荧光特征， 以及用于机读的磁性特征。
30. 包括如权利要求1-29中任一项所述的光学防伪元件的产品。
全文摘要
提供了一种光学防伪元件，包括基层，具有第一表面和第二表面；谐衍射微透镜阵列，位于所述基层的所述第一表面；以及微图文阵列，位于所述基层的所述第二表面。所述基层至少局部透明，且其厚度被设置为使得所述微图文阵列位于所述谐衍射微透镜阵列的焦平面附近。通过谐衍射微透镜阵列对微图文阵列的莫尔放大作用，形成具有景深变化或位置移动等动态效果的图案。本发明可用于钞票、信用卡、护照、有价证券等各类高安全产品和高附加值产品的防伪，产品形式可为安全线、防伪标、宽条、透明视窗等。
文档编号B44F1/12GK101767511SQ201010000540
公开日2010年7月7日 申请日期2010年1月12日 优先权日2010年1月12日
发明者古道明, 孙凯, 张宝利, 朱军, 李万里, 李尚昆, 李晓伟, 李欣毅, 王晓利 申请人:中钞特种防伪科技有限公司;中国印钞造币总公司