专利名称：光学变化元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种例如在文件安全领域中应用的光学变化元件，用于提供确定的并且容易识别和说明的安全特征，以进行真实性识别。
背景技术：
例如WO 97/19821描述了一种光学变化的平面图案，它具有至少一个图形构形的特征。每个特征配有一些确定类型的表面区域。在通过可视光照射时可以看出图像结构中的特征，它们具有不同视角下的明点和暗点。上述表面区域具有格栅结构，其线数大于250线/mm，因此在可视区域内得到明显可见的衍射效果。
例如由EP 0 105 099 B1已知一种包括一个衍射光学安全元件的文件。该安全元件具有一个通过入射光的衍射产生至少一个彩色图案的衍射结构，该彩色图案显示出一个可视觉检验的真实性特征。该衍射结构这样构成，当衬底在其平面上以一个确定的旋转方向并以一个确定的速度旋转时，在给定的照射和观察方向情况下调节的彩色图案以局部给定的速度沿着给定的轨迹移动。
EP 0 375 833 B1公开了一个具有一个图形的光学变化的平面图案，其中，平面图案被分成m个光栅场，它们包括具有多于10线/mm的光学有效的衍射元件。在这种已知的光学变化的平面图案中，每个光栅场具有一个小于0.3mm的最大尺寸并且分隔成各具有一个衍射元件的N个分场。每个衍射元件对应于N个图形中的一个图形的一个给定的像素。一个立体结构的参数在N个衍射元件的每个元件中由相对于一个部分表面的从属性确定，因此N个图形的每个图形在平面图案的一个给定的观察方向上是可见的。
US-A 3 858 977描述了一种光学干涉安全元件。这个已知的元件具有一个衬底和一个滤光镜，该滤光镜具有至少一个光学干涉层。该光学干涉层具有一个已知的光谱反射特性和与此不同的已知的光谱透射性，这两种特性随着光线入射角变化。可以构成一个有价文件如纸币的表面区域的衬底具有一个表面区段，它紧邻滤光镜并且是彩色的，用以吸收一部分透过滤光镜的光线。
如上所述光学变化平面图案那样构成的光学变化平面图案可以按照设计和工艺选择根据视角产生不同的视觉上的光学变化的效果，如一个三维体或透视体、运动效果、图像跃变或类似效果。在围绕一个确定的空间轴旋转或倾翻平面图案或配有这种平面图案的元件时，许多设计元件显示出彩虹色。
但是在整个彩虹光谱上的这种近乎连续的过渡在一些安全应用中存在缺陷，它与规定尽可能确定的并且容易识别和说明的安全特征的真实性识别的目的是不符的。就是说，这种连续的色彩过渡或彩色变换存在一种确定性问题。此外，在安全应用与商业应用之间的功能性和显现图像方面需要一个明确的特征界线，以防止通过简单的模仿或通过将商业标识转移到安全文件上进行造假。
发明内容
因此本发明的目的是，实现一种光学变化元件，它对于观察者来说在旋转或倾翻时不会导致一种连续的色彩过渡的印象，而是产生一种确定的、几乎间断的色彩变换的印象。
按照本发明这个目的由此得以实现，即，一个光学变化平面图案的一些部分表面具有包括不同的散射、反射或衍射特征的消色差表面结构且与一个薄膜结构相互重叠地组合。这个目的还通过一种安全元件得以实现，它具有一个包括两个或多个部分表面的光学变化的平面图案，所述部分表面具有包括不同的散射、反射或衍射特征的消色差表面结构并且与一个薄膜结构相互间重叠地结合。
在此，消色差表面结构是一些对于观察者来说基本上无色的表面结构。例如对于消色差表面结构是宏观结构、消色差炫耀结构(非对称结构)、对称结构，如正弦光栅、无光泽结构或开诺全息照片。在这些不同形式的消色差表面结构中，所述消色差特性分别通过表面结构的不同结构实现。例如在开头引用的文献WO 97/19821中公开了一些消色差结构。
在消色差炫耀结构如锯齿光栅和消色差对称结构如正弦光栅中，表面结构的周期不短于1.5μm。炫耀结构的特点是，它们总是可以局部地通过线性函数描述(锯齿形，矩形)并因此起到翻转镜的作用。
所述表面结构的单个结构的尺寸范围优选在2μm至10μm范围。这些表面结构的典型深度位于500nm至2μm范围。出于加工技术方面的原因由这个尺寸范围的结构宁愿采用较大的结构。
因此这些消色差结构位于一个区域内，在该区域内衍射现象对光学特性只有微小的影响并且所述结构基本上起到翻转镜的作用。例如对于消色差炫耀结构的构造可以从1998年的SPIE 3314卷第194至202页上的由Renen Staub等人的文章“用于OVD的非标准衍射结构”中得出。
宏观结构同样基本通过反射起作用。一个宏观结构能够通过一个假想基准面的座标x和y的逐个连续且可微分的函数M(x，y)表示。该函数M(x，y)描述了一个至少在局部区域内弯曲的表面，其中在局部区域内ΔM(x，y)＝0，并且函数M(x，y)不是周期的三角或矩形函数。一个宏观结构具有一个三维立体形状，它可以由复杂的图案构成并且例如形成标识或符号的形状。一个宏观结构的相邻极值通常相隔至少0.1mm。
无光泽结构显示出随机的表面轮廓特征，其中所述结构的平均深度和横向尺寸可以通过统计的特征参数描述。在此在不同的择优方向上呈现不同的结构参数。重要的结构参数例如是平均深度和相关长度。这种无光泽结构可以通过具有统计特性的工艺过程加工。对于这些工艺过程涉及例如湿法腐蚀、金刚石粉研磨、喷砂等类似工艺。
对于无光泽结构平均粗糙度系数的典型统计值是20nm至2000nm，最好是50nm至500nm。对于无光泽结构相关长度的典型统计值是200nm至50000nm，最好是500nm至10000nm。
开诺全息照片是通过衍射效果产生一种由使用者确定的散射特性的结构。
按照本发明的光学变化平面图案尤其用于安全元件如文件、纸币、信用卡或类似物品。所述安全元件由薄膜结构与消色差衍射表面结构的结合构成，由此可以使薄膜结构的视觉效果与衍射表面结构的视觉效果特别好地相互协调。
按照本发明的光学变化平面图案的优选扩展结构在从属权利要求中给出。
所述光学变化平面图案的一种优选实施形式是，所述消色差表面结构由具有不同散射特性的无光泽结构构成。
在此一个特别有意义的可能性在于，这样构成无光泽结构，使部分表面的散射特性在色彩和对比变换方面是不同的。由此产生的光学效果能够实现光学特征的一个特别好的界线。
所述无光泽结构在其平均深度和/或在其相关长度方面是不同的，由此可以实现另一有利的光学效果。通过参数平均深度和相关长度能够确定散射锥的宽度和散射锥的形状。通过具有上述不同参数的无光泽结构的部分表面可以使部分表面具有不同形状的散射锥。
所述无光泽结构可以由各向同性的无光泽结构构成。在此各向同性意味着，所述无光泽结构的散射特性不取决于在平面中的旋转角。在此这种各向同性的无光泽结构尤其用于当旋转角的变化不应该导致变化的光学元件的光学效果变化的时候。
为了实现附加的光学效果，无光泽结构可以由各向异性的无光泽结构构成。由此可以实现动态效果，例如根据旋转角改变亮度或灰度值。
按照本发明的光学变化平面图案的另一优选实施形式是，所述消色差表面结构由具有不同的反射特性的宏观结构或炫耀结构构成。
炫耀结构的表面结构的单个结构的大小位于2μm至10μm范围内。这种表面结构的典型深度位于500nm至2μm范围内。宏观结构的大小优选位于20μm至30μm范围内。一个宏观结构的结构高度优选小于5μm，但是也可以为40μm。宏观结构和炫耀结构主要通过反射起作用。通过选择不同的反射特性能够实现许多不同的光学效果。
在设计宏观结构尺寸时，要尽可能这样选择这些单个元件的侧面距离和侧面陡度，使得在可见区域内不产生散射效果。此外将薄膜结构优选附设在宏观结构上，即附设在朝观察者的方向上。
简单的宏观结构对于部分表面可以通过数学函数描述，例如对于一个周期宏观结构可以通过M(x，y)＝a×(1+sin(2πFy×y))描述。在此Fy是周期宏观结构M(x，y)在座标轴y方向上的空间频率。此外宏观结构也可以由另一数学函数的一个给定段周期性地组成。空间频率Fy具有一个最高为10线/mm的数值并且最好在3线/mm以下。
在此特别有利的是，一个部分表面的表面结构由锯齿结构(炫耀结构)构成。其它有利的几何结构例如是微透镜结构和波结构(宏观结构)。
根据使用范围选择一个具有高折射率薄膜层的薄膜结构或选择一个具有低折射率的薄膜结构是有利的。高折射率优选由大于2的折射率构成，例如2.3或2.4的折射率。一个低折射率优选由小于1.5的折射率构成，例如1.4的折射率。
在此薄膜结构可以由不同的形式和方式构成。一方面可以使这些结构由偶数个或奇数个的具有不同折射率的介质层构成，例如5或10个这样的介质层。此外还可以使一个薄膜结构由一个吸收层和一个间隔层(λ/4或λ/2)构成，在其上连接一个反射层或一个光学(透射的)隔离层。
此外一个按照本发明的光学变化平面图案与其它安全特征重叠是有利的。由此可以使光学变化平面图案与一个只部分存在的反射层结合或者与一个衍射结构、例如一个活动图形(Kinegram)重叠。此外也可以制造一个马赛克形式的平面图案。
下面借助于附图所示的多个实施例示例性地描述本发明。附图中图1一个在定向白光照射时的光学变化平面图案，用于表明一个薄膜结构与两个各向同性无光泽结构结合的效果，图2与图1类似的视图，但是与图1相比光学变化平面图案被倾翻，图3一个具有一个薄膜结构的非对称消色差结构和一个平面薄膜结构的示意图。
具体实施例方式
图1示出一个包括一个平面图案的衬底10，它具有一个薄膜结构与两个各向同性无光泽结构的组合。指向衬底10的箭头12表示一个定向的白光照射。例如当光线来自一个与衬底10相对较远间隔的光源时，呈现这种定向照射。
所述衬底10的两个无光泽结构在其平均深度和/或在其相关长度上是不同的，因此一个无光泽结构比另一无光泽结构使定向入射的白光在一个更大的角度范围上散射。具有较大角度范围的无光泽结构的散射锥以标记符号14表示而另一无光泽结构的散射锥以标记符号16表示。
假设薄膜的特性与无光泽结构的特性相互间几乎是无关的，则产生优点，即，在一个定向照射时表示特征的色彩突变对于使用者更易于识别，因为色彩突变不只在镜反射中显示。
通过标记符号18表示观察方向，即使用者对于衬底10的视线方向。观察者必需使衬底10倾翻并这样定位，使光源在镜反射中显现。通过薄膜结构与两个无光泽结构重叠使可以识别到薄膜效应的观察范围以有利的方式变大。按照图1例如衬底10的覆有带散射锥16的无光泽结构的部分表面可以看到亮红色，即其中薄膜色是具有相应较大强度的红色。被具有散射锥14的无光泽结构所覆盖的那些部分表面尽管同样显示出红色，但是由于较大的散射范围显得更暗，因为强度在由箭头18表示的观察方向上相应减小。这一点通过点20和22表明。
在如图2所示倾翻衬底10时实现从薄膜反射的定向白光照射12例如向绿色变换，这一点通过箭头23表示。通过箭头12表示的定向白光照射和通过箭头18表示的构成方向保持不变。
此外由于根据两个无光泽结构的散射锥14和散射锥16的不同的散射特性，原先较明亮的部分表面按照图1中的点20显得较暗而原先按照点22较暗的部分表面对应于图2中的点22′显得较亮。在此通过薄膜给出具体的色彩结构。当然只是示例性地给出从红到绿的色彩变换。除了色彩变换以外以有利的方式也在相对亮度上实现对比变换。色彩变换和对比变换的这两种效果可以有利地作为参考并因此对于观察者允许一个简单的交流。
图3简示出一个薄膜结构24与一个非对称消色差结构的结合。在此通过标记符号26表示一个平面图案，由两个不同的平面元件28和30组成，它们相互邻接。区域32表示一个带有一种锯齿形倾翻薄膜结构的布置，而区域34示意性地表示一个平面薄膜结构。两个薄膜结构32和34的不同光学作用主要由此实现，对于倾翻的薄膜结构32在对于光学效果起决定性作用的薄膜厚度Deff与物理蒸镀的层厚Dphys之间存在差别。与此相反，对于平面的薄膜结构34在对于光学效果起决定性作用的薄膜厚度Deff与物理蒸镀的层厚Dphys之间没有差别。根据对于薄膜是否选择一个具有高折射率的材料或者具有低折射率的材料，通过这种薄膜结构24能够以有利的方式产生两个不同的效果。薄层的光学特性例如在由伦敦Butterworths Scientific Publication 1955年出版的O.S.Heavens撰写的书籍“Optical properties of thin solid films”第154及其下页中描述。
对于一个具有高折射率的薄膜材料可以实现，部分表面具有不同的色彩并且这些色彩在一个相对较大的倾翻角范围上是稳定的。对于一个具有低折射率的薄膜材料可以实现一个非对称的色彩跃变(Flip)，即，一个部分表面28或30在倾翻时例如显示出一个从红到绿的色彩突变，而另一部分表面30或28显示出从绿到红的色彩突变。但是在这样一个倾翻后一个部分表面的红色与另一部分表面的红色不是一致的，而是略有不同。相应地对于绿色或其它颜色也相应有效。
因此一个薄膜干涉效应的消色差衍射效果与一个给定的色彩跃变重叠，由此可靠地提供一个确定的色彩变换。通过按照本发明的作用确定的色彩变换克服在一种已知的连续色彩变换中所存在的或难以排除的确定性问题。
权利要求
1.一种光学变化元件，其特征在于，所述光学变化元件的一些部分表面具有消色差表面结构，这些表面结构具有不同的散射、反射或衍射特性，所述部分表面相互重叠地与一个薄膜结构组合。
2.如权利要求1所述的光学变化元件，其特征在于，所述消色差表面结构由具有不同的散射特性的无光泽结构构成。
3.如权利要求2所述的光学变化元件，其特征在于，所述散射特性在色彩和对比变换方面在相对亮度上是不同的。
4.如权利要求2所述的光学变化元件，其特征在于，所述无光泽结构在其平均深度和/或在其相关长度上是不同的。
5.如权利要求2所述的光学变化元件，其特征在于，所述无光泽结构由各向同性的无光泽结构构成。
6.如权利要求2所述的光学变化元件，其特征在于，所述无光泽结构由各向异性的无光泽结构构成。
7.如权利要求1所述的光学变化元件，其特征在于，所述消色差表面结构由具有不同的反射特性的消色差炫耀结构和/或宏观结构构成。
8.如权利要求7所述的光学变化元件，其特征在于，一个部分表面的表面结构由锯齿结构构成。
9.如权利要求1所述的光学变化元件，其特征在于，所述薄膜结构具有一个薄膜层，该薄膜层具有一种高折射率，尤其具有一种超过2的折射率。
10.如权利要求1所述的光学变化元件，其特征在于，所述薄膜结构具有一个薄膜层，该薄膜层具有一种低折射率，尤其具有一种低于1.5的折射率。
11.一种安全元件，具有一个如上述权利要求中任一项所述的光学变化元件。
全文摘要
本发明涉及一种光学变化元件，它具有一些部分表面，这些部分表面具有消色差表面结构和不同的散射、衍射和反射特性，这些部分表面与一个薄膜结构组合，由此对于观察者来说在旋转或倾翻时不会导致一种连续的色彩过渡的印象，而是产生一种确定的、几乎间断的色彩变换的印象。
文档编号G02B5/08GK1662389SQ03814238
公开日2005年8月31日 申请日期2003年5月9日 优先权日2002年5月14日
发明者安德列亚斯·席林, 韦恩·R·汤普金, 雷内·施陶布 申请人:雷恩哈德库兹两合公司