装饰元件和具有装饰元件的安全文件的制作方法

装饰元件和具有装饰元件的安全文件的制作方法
【专利说明】装饰元件和具有装饰元件的安全文件
[0001] 本发明涉及一种装饰元件，尤其涉及一种转移膜、层压膜或安全线形式的装饰元 件，以及一种安全文件和一种用于生产此类装饰元件的方法。
[0002] 作为开始，已知在安全文件中使用在倾斜时显示如同彩虹那样的渐变色的微结 构。全息图是这种微结构的最为公知的示例。渐变色是在一阶和更高阶衍射中依赖于波长 的光衍射的基础上生成的。因此，渐变色在零阶衍射中是不可见的（例如，在镜面反射中反 射地查看安全文件时），而是仅在对应于一阶或更高阶衍射的倾角范围内偏离零阶衍射的 倾斜时才变得可见。
[0003] 现在，本发明的目的是提供一种装饰元件以及用于生产装饰元件的方法，该装饰 元件的特征在于夺目的色彩效果。
[0004] 该目的是通过具有微结构的装饰元件来达成的，该微结构在入射光中或在透射光 中生成光学效果，其中该微结构在第一区域中具有底表面和若干基本元件，这些基本元件 分别具有与底表面相比被提升或降低的元件表面以及布置在元件表面与底表面之间的侧 面，其中微结构的底表面限定由坐标轴X和y横跨的底平面，其中基本元件的元件表面分别 与底平面基本平行地延伸，并且其中在第一区域的至少一个或多个第一区划中，基本元件 的元件表面与底表面在坐标轴z的方向上沿与底平面垂直地延伸的方向相隔开第一距离， 该第一距离具体被选择成使得在该一个或多个第一区划中尤其通过在底表面和元件表面 处反射的光在入射光中的干涉和/或尤其通过透过元件表面和底表面的光与透射光的干 涉来产生第一色彩。
[0005] 该目的进一步通过用于生产装饰元件的方法来达成，其中在该方法中将微结构引 入装饰元件，该微结构在入射光中或在透射光中产生光学效果并且在第一区域中具有底表 面和若干基本元件，这些基本元件分别具有与底表面相比被提升或降低的元件表面以及布 置在元件表面与底表面之间的侧面，
[0006] 并且基本元件的元件表面分别与底平面基本平行地延伸，并且其中在第一区域的 至少一个或多个第一区划中，基本元件的元件表面与底表面在与底平面垂直地延伸的方向 上相隔开第一距离，该第一距离具体被选择成使得在该一个或多个第一区划中具体通过在 底表面和元件表面处反射的光在入射光中的干涉和/或具体通过透过元件表面和底表面 的光与透射光的干涉来产生第一色彩。
[0007] 此处的微结构优选涂覆有增强反射的层、尤其涂覆有金属层或高折射率材料，例 如，涂覆有铝或硫化锌（ZnS)。
[0008] 此处，高折射率意指在可见光谱范围中（通常约635nm的波长）具有大于L 7的折 射率的材料。此类高折射率第一材料的示例在表1中列出。这些数值仅是粗略的指导值， 因为实际上存在的层的折射率取决于许多参数，诸如晶体结构、孔隙度等。
[0009] 表 1:
[0010]
[0012] 通过选择微结构的类型，设置在一阶或较高阶衍射中还是在散射光中产生第一色 彩是可能的。周期性的或者至少局部周期性的微结构在一阶或较高阶衍射中产生第一色 彩。随机布置的微结构在散射光中产生第一色彩。
[0013] 在对还可附加地与薄膜层系统相组合的衍射微结构（例如，衍射光栅或散射微结 构）与光的交互的理论描述和实践认识中，存在对充足的理论或现象学描述的需求。以 精确的方式，此类微结构的交互全部通过Maxwell方程形式的精确电磁理论来描述，并且 如果相应系统是充分已知的，则可以计算相应的边界条件，即，衍射效率、波阵面、电磁场、 或者强度分布。然而一般来说，此精确办法难以理解，这是为什么在特定模型内往往附 加地使用现象学描述的原因。此处，可以特别提及：Huygens传播原理（以荷兰物理学家 Christiaan Huygens 命名）和 Fresnel 干涉（以法国物理学家 Augustin-Jean Fresnel 命 名）。在周期性的微结构上出现的光栅衍射是一具体类型的衍射，并且可以在现象学上被理 解为Huygens传播和Fresnel干涉的组合。
[0014] 通过第一距离的相应选择，由此通过在相邻元件表面处反射的光或者透过相邻元 件表面或底表面的光的相长或相消干涉来产生可被人类观察者识别的色彩效果是可能的。
[0015] 第一距离优选被选择成通过在零阶衍射中在底表面和元件表面处反射的光在入 射光中的干涉和/或通过在零阶衍射中透过元件表面和底表面的光与透射光的干涉来产 生色彩，尤其是产生第一色彩或第二色彩。
[0016] 与来自元件表面的光相比，来自底表面的抵达观察者眼睛的光通过不同的光路长 度。基本元件的表面与底表面的表面之间的比值确定光束在不同路径长度情况下干涉的效 率。该比值由此还确定色彩或色彩印象的强度。
[0017] 零阶衍射对应于直接反射或直接透射。直接反射例如在镜子中反射光源时出现。
[0018] 此处已令人惊讶地进一步表明，在零阶衍射中在微结构处衍射或反射的光的色彩 和/或衍射光或散射光的色彩被显著影响，尤其在零阶衍射中产生第二色彩和/或在散射 光中或者在一阶或较高阶衍射中产生第一色彩。由此使提供具有夺目色彩效果的装饰元件 变得可能，该色彩效果还进一步通过高等级的防伪保护来表征。
[0019] 第一距离优选被设置为在一阶或较高阶衍射中或者在散射光中查看时达成期望 的第一色彩。此处，针对反射中的效果，第一距离优选被选择成在150nm与1000 nm之间并 且进一步优选在200nm与600nm之间。对于透射光的效果，第一距离优选被选择在300nm 与4000nm之间并且进一步优选在400nm与2000nm之间。此处，要被设置的距离取决于位 于两个平面之间的材料的折射率。
[0020] 为了达成均匀的色彩印象，结构高度或距离的良好稳定性是必需的。此距离优选 在具有均勾的色彩印象的区域中变化少于+/-50nm、进一步优选少于+/-20nm、更进一步优 选少于+/-l〇nm。底表面和元件表面由此优选地彼此平行地布置，使得第一距离和第二、第 三或第四距离变化不超过+/-50nm、优选少于+/-20nm、进一步优选少于+/-10nm、尤其是在 第一区域中变化。
[0021] 基本元件优选在第一区域中被模制和布置成使得通过散射和/或通过偏离零阶 衍射的衍射来使入射光偏转，或者在偏离零阶衍射的至少一个查看中产生不同于第二色彩 的第一色彩、尤其是与第二色彩互补的色彩。由此，在安全元件被倾斜时，该安全元件在零 阶中具有第二色彩印象和/或色彩效果。同时，在略微偏离零阶的查看中，在安全元件被倾 斜时，该安全元件具有清晰可见的第一色彩印象和/或色彩效果。在许多情形中，第二色彩 印象是第一色彩印象的补色，如以下将进一步详细解释的。
[0022] 在与原色混合时发出（中性的）灰色阴影的色彩被称为是互补的。此处，色彩对在 色彩心理学上被感知为是互补的，即使该色彩对在技术上和物理上并非如此（例如，在RGB 值中，R =红色、G =绿色、B =蓝色）。在本文中，互补指的是色彩心理学方面。
[0023] 色彩进一步优选地意指可见波长范围内的入射光或透射光的频谱变化，例如，在 白光源的情形中红色或蓝色印象。
[0024] 此处，期望的与视觉效果相关的更为引人注目的色彩印象优选是第一色彩印象。
[0025] 通过如上所述地选择基本元件的起伏形状和基本元件与根据第一距离相隔开的 底表面的组合，在一阶或较高阶衍射中或者在散射光中设置微结构的色彩印象。通过相应 地选择基本元件在底平面上的投影的表面尺寸以及微结构的间距（如以下参照若干实施 例示例详细解释的），除了一阶衍射中或者散射光中在零阶衍射处的色彩效果之外，还导致 产生与此色彩效果不同的、人类观察者可见的色彩印象，尤其是补色印象。由此提供的光学 效果与已知的色彩效果明显不同，这些已知的色彩效果例如是通过具有彩虹效应的衍射结 构来产生的，并且由于其在特定程度上夺目的色彩变化作为安全特征而尤其适于在ID文 件或有价值文件中使用。
[0026] 基本元件的模制和布置影响零阶衍射光以及散射光中或者一阶或较高阶衍射光 的分布。基本元件优选被模制和布置在第一区域中，使得入射光的至少10%、进一步优选入 射光的20%与90%之间、并且更进一步优选入射光的30%与70%之间偏转出零阶衍射、尤 其是通过散射或衍射或折射来偏转。通过基本元件的此类模制和布置，在零阶衍射中呈现 的色彩印象与在偏离零阶衍射的查看中呈现的色彩印象之间达成特别显著的色彩变化。
[0027] 已进一步表明，上述色彩印象在基本元件在底平面上的投影的横向延伸在 0. 25 μ m与50 μ m之间、优选在0. 4 μ m与20 μ m之间并且进一步优选在0. 75 μ m与10 μ m 之间、尤其是在每个基本元件在底平面上的投影的所有横向延伸均满足此条件时特别强烈 地出现。
[0028] 此处，基本元件在底平面上的投影意指被基本元件覆盖并且在与底平面垂直地查 看基本元件时得到的表面。
[0029] 进一步有利的是，将相邻基本元件的最小距离选择成不大于500 μπκ尤其选择成 在0. 2 μ m与300 μ m之间、进一步优选在0. 4 μ m与50 μ m之间。已表明，在此参数的这种 选择的情形中，上述色彩印象特别强烈地发生。
[0030] 此处，相邻基本元件的间距意指底平面中的相邻基本元件之间的距离，即，相邻基 本元件在底平面上的投影的间距。相邻基本元件之间的最小距离由此表示相邻基本元件在 底平面上的投影的最小间距，即，在与底平面垂直的俯视图中得到的相邻基本元件的最小 间距。
[0031] 第一区域中或者第一区域的部分区域中具有基本元件的底平面的平均表面覆盖 优选被选择成在30 %与70 %之间、进一步优选在40 %与60 %之间并且特别优选约为50 %。 已表明，在表面覆盖的这种选择的情形中，上述色彩印象特别强烈地发生。
[0032] 此处，具有基本元件的底平面的平均表面覆盖意指基本元件在底平面上的投影在 相应区域的总表面中的表面比例。
[0033] 微结构的侧面优选被定义为一表面，该表面的高度比相邻底表面高至少10%的梯 级高度（相邻元件表面与相邻底表面在与底平面垂直延伸的方向上的间距）并且比相邻元 件表面低至少10%的梯级高度。
[0034] 在周期为p并且侧面的被投影到底平面上的表面面积为△ f的二维结构的情形 中，侧面的被投影到底平面上的表面比例为：
[0035]
[0036] 侧面的此表面比例优选小于50%、进一步优选小于40%、更进一步优选小于 30%、并且尤其优选小于20%。此外，侧面的表面比例优选大于1 %、进一步优选大于3%。 已表明，侧面的表面比例的增加会导致效率降低并且会另外使色彩变得更轻淡、由此变得 较不纯或者包含较多白色。
[0037] 为了使侧面的表面比例小于XX%，平均的侧面角γ必须满足以下条件：
[0038]
[0039] 如果0. 5 μL?高的结构的侧面的表面比例例如小于20%，则在周期为1 μL?的结构 的情形中侧面角必须大于72°，在周期为2 μπι的结构的情形中侧面角必须大于57°，并且 在周期为5 μπι的结构的情形中侧面角必须大于32°。
[0040] 基本元件的侧面的侧面角优选被选择成大于70度、进一步优选大于80度、并且尤 其优选约为90度。
[0041] 侧面角优选意指相对于底平面的朝向基本元件的区域被基本元件的侧面连同底 平面一起围住的角度。
[0042] 基本元件在底平面上的投影的形状优选从以下形状中选择：圆、椭圆、正方形、矩 形、六边形、多边形、字符、字母、符号、或微文字。基本元件中的一个或多个基本元件在底平 面上的投影分别优选以符号或字母或微文字的形状来模制。在不使用辅助手段的情况下人 眼不可见的光学信息项被提供为附加的安全特征。
[0043] 如以下描述的，基本元件优选伪随机地、周期性地和各向同性地或者非周期性地、 但是遵循预定义的函数来布置。
[0044] 根据一优选实施例示例，基本元件被模制和布置在第一区域中，使得它们在零阶 衍射周围在至少一个方向上散射入射光、优选在45度与5度之间的散射角范围内散射、并 且进一步优选在30度与10度的散射角范围内散射。已令人惊讶地表明，可能由于能量守 恒，由微结构以此方式生成的散射光显示与零阶衍射中生成的色彩不同的色彩，尤其显示 其补色。补色特别是在微结构涂覆有增强反射的中和色材料（例如，铝或ZnS)时形成。反 射色彩的材料（诸如举例而言铜）导致非互补的色彩组合。
[0045] 此处，散射角范围意指零阶衍射周围的角度范围，在该角度范围中使反射或透射 的入射光通过散射偏转出零阶衍射。在30度的散射角范围的情形中，由此通过散射在零阶 衍射周围在从正30度到负30度的角度范围内使入射光偏转，并且在10度的散射角范围的 情形中，通过散射使入射光在负10度与正10度之间的角度范围内偏转出零阶衍射。
[0046] 为了达成这个效果，基本元件的模制和/或定位优选在第一区域中或者第一区域 的至少一个第一部分区域中伪随机地变化。已表明，通过基本元件的此类模制或布置，可以 达成相应的散射效果，其中在零阶衍射中或在透射中或在反射中产生的色彩不同于在反射 中或透射中产生的散射光的色彩。伪随机的布置进一步抑制或减少不合期望的衍射效果， 从而可以提供特别夺目的色彩变化。
[0047] 为此，在第一区域中或者在第一区域的至少一个第一部分区域中，优选在分别针 对第一区域或相应的第一部分区域预定义的变化范围内伪随机地改变以下参数中的一个 或多个参数：基本元件的定位、基本元件与最接近的相邻基本元件的间距、基本元件在底平 面上的投影的形状和/或表面面积的大小、基本元件的竖直梯级的数目、以及基本元件在 布置于第一区域或至少一个第一部分区域中的基本元件的底平面上的投影的横向优选方 向。此处，有利的是，这些参数不能采用所有可能的值，而是仅采用来自较窄的预定义的变 化范围的值。
[0048] 已进一步证明有益的是，预定义的变化范围分别包括预定义值集合，优选包括5 到20个值。因此，并非由变化范围构成的所有数值均可被伪随机地选择，而是仅选择针对 相应的变化范围预定义的值。
[0049] 以相等概率伪随机地选择变化范围中的所有值也是可能的。然而，以根据函数 (特别是高斯函数或高斯逆函数）的概率来伪随机地选择变化范围中的值也是可能的且是 优选的。已表明，通过这种选择，可以进一步改进夺目的色彩印象的质量。
[0050] 优选如下选择上述参数的变化范围：
[0051] 参数"基本元件的定位"的变化范围：与相应正常位置的从+/_0. 5 μ m到+/-30 μ m 并且进一步从+广1 μ m到+/-10 μ m的偏离。
[0052] 参数"基本元件与最接近的相邻基本元件的间距"的变化范围：0. 2 μ m到500 μ m、 进一步优选0. 4 μ m到50 μ m、并且更进一步优选0. 5 μ m到10 μ m。
[0053] 参数"基本元件在底平面上的投影的形状"的变化范围：从包括例如字母、不同符 号、或者例如圆、正方形和矩形的预定义形状集合中选择。不同形状的布置可以是随机的， 但是也可以是有不同形状的局部编组。
[0054] 参数"基本元件在底平面上的投影的表面面积的大小"的变化范围：基本元件在 底平面上的投影的至少一个横向尺寸在从0. 5 μπι到30 μπι并且进一步优选在从1 μπι到 10 μ m的变化范围内变化。
[0055] 参数"基本元件在底平面上的投影的横向优选方向"的变化范围：从+180度 到-180度的角度范围、从+90度到-90度的角度范围、从+30度到-30度的角度范围。
[0056] 进一步有利的是，对于布置在第一区域或者第一部分区域中的每个基本元件，通 过由坐标轴X和坐标轴y横跨的二维网格来定义相应基本元件在底平面中的角位置。
[0057] 进一步有利的是，此处根据以下办法来伪随机地改变参数"基本元件的定位":第 一区域或者第一部分区域中的基本元件的位置通过基本元件在由坐标轴X和/或坐标轴y 确定的方向的方向上偏离相应正常位置的伪随机偏移来确定。此处，正常位置优选涉及相 应基本元件在底平面上的投影的质心。
[0058] 通过基本元件的任何其他伪随机的布置来伪随机地改变参数"基本元件的定位" 也是可能的。
[0059] 偏离正常位置的随机偏移的变化范围优选在+D/2与-D/2之间，其中D是基本元 件在底平面上的投影在坐标轴X或坐标轴y的方向上的尺寸。网格的网格宽度优选被选择 成在0. 5 μ m与100 μ m之间，进一步优选在1. 5 μ m与20 μ m之间。
[0060] 根据本发明的另一优选实施例示例，在第一部分区域中的第一区域中和在第一部 分区域中的第二区域中伪随机地变化的参数被选择成是不同的，和/或被改变的参数的至 少一个变化范围被选择成在第一部分区域中的第一区域中和在第一部分区域中的第二区 域中是不同的。通过伪随机地变化的参数的不同变化和/或不同的变化范围，可在第一部 分区域中的第一区域中和在第二部分区域中的第二区域中导致不同的光散射，从而在第一 部分区域中的第一区域中和在第二部分区域中的第二区域中通过偏离零阶衍射的倾斜产 生不同的色彩效果并且由此可以区分这些区域。然而，参数的不同变化还可以被选择成在 第一部分区域中的第一区域中和在第二部分区域中的第二区域中通过偏离零阶衍射的倾 斜来产生对人眼来说看似相同的色彩效果，但是这些区别在显微镜下是可检测到的。例如， 可以通过这些部分区域形成文字或图案，该文字或图案在显微镜下变得可见。这可以被用 作隐藏特征。
[0061] 基本元件在底表面上的投影的形状优选不同于第一区域或第一部分区域中的两 个或更多个基本元件。
[0062] 一个或多个基本元件优选被形成为对称的基本元件。此处，对称的基本元件意指 其中基本元件在底平面上的投影具有对称形状的基本元件，即，关于其投影的形状对称的 基本元件。对称的基本元件的示例为圆、正方形、等边三角形等。
[0063] 进一步有利的是，一个或多个基本元件是非对称的或者各向异性的基本元件。非 对称的或各向异性的基本元件意指其中基本元件在底平面上的投影具有非对称的形状，该 形状在优选方向上的横向尺寸大于投影的与优选方向横切的横向尺寸。非对称的或者各向 异性的基本元件由此意指基本元件在底平面上的投影具有非对称形状的基本元件。其示例 为椭圆、矩形或等边三角形。
[0064] 投影的与优选方向横切的横向尺寸优选比与优选方向横切的横向尺寸大2倍、优 选大5倍以上。
[0065] 非对称的或者各向异性的基本元件的使用使得可以达成取决于照明和查看的散 射角范围。散射角范围尤其取决于基本元件在照明/查看方向上的相应结构大小。这导致 在底平面中旋转安全元件而同时保持视角时散射光的色彩印象发生变化。例如，在由坐标 轴X和Z横跨的平面中查看的情形中，散射光可以呈现青色或淡蓝色或青绿色，并且在底平 面中旋转到y/ζ平面中的情形中可以变成暗蓝光或暗灰色色彩印象。通过非对称基本元件 在优选方向和与优选方向横切的方向上不同的散射行为，最终在装饰元件围绕与底平面垂 直的轴旋转时色彩印象（特别是色彩的亮度或强度）发生变化。
[0066] 根据本发明的一优选实施例示例，第一区域或第一区域的部分区域中的基本元件 是具有相同的优选方向的非对称基本元件。上述色彩效果由此在第一区域或在此部分区域 中出现。
[0067] 根据另一优选实施例示例，第一区域中或者第一区域的部分区域中的基本元件是 其优选方向在预定义的变化范围中伪随机地变化的非对称基本元件。通过这种设计，首先 可以达成散射角范围的扩大，并且取决于变化范围的选择，可以特定的角度来观察上述色 彩效果。变化范围优选通过从正180度到负180度或者正90度到负90度的角度范围来形 成以达成上述第一效果，并且通过从小于正90度到负90度、例如正30度到负30度的角度 范围来形成以达成上述第二效果。
[0068] 根据本发明的另一优选实施例示例，在第一区域中或者在第一区域的第一部分区 域中设置一个或多个第一单元和/或一个或多个第二单元。布置在第一和第二单元中的基 本元件被形成为非对称的基本元件。第一单元的非对称的基本元件具有统一的第一优选方 向，并且第二单元的非对称的基本元件具有统一的第二优选方向。第一和第二优选方向被 选择成是不同的并且优选相差至少5度，进一步优选相差至少10度。
[0069] 在围绕与底平面垂直的轴旋转装饰元件时，在第一和第二单元中产生上述效果。 如果第一和第二单元在其尺寸方面被选择成处于肉眼可见范围内，即，第一和第二单元的 平行于底平面的横向尺寸被选择成大于300 μ m，则在围绕与底平面垂直的