一种光学防伪元件及使用该光学防伪元件的产品的制作方法

一种光学防伪元件及使用该光学防伪元件的产品的制作方法
【专利摘要】本发明针对现有技术中工艺流程复杂、需要特殊的高成本设备以及表面形貌不易控制等缺点，提供一种能够克服上述缺陷的光学防伪元件。本发明提供一种光学防伪元件和使用该光学防伪元件的产品，该光学防伪元件包括基材，所述基材的上表面上至少部分地覆盖有面镜，所述面镜的截面为能够对入射光进行调制的任意曲面结构或其组合，所述面镜的表面上覆盖有镀层，所述镀层与所述面镜相互配合以获得期望的光学效果。
【专利说明】一种光学防伪元件及使用该光学防伪元件的产品
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学防伪领域，尤其涉及一种光学防伪元件及使用该光学防伪元件的
女口
广叩O
【背景技术】
[0002]光变镀层技术被广泛用于钞票等高防伪有价证券的公众防伪，其在不同的观察角度下能够呈现不同的颜色，便于描述，易于公众识别，且无法利用照相机、扫描仪、打印机等电子设备模仿或复制，所以具有很高的防伪能力。
[0003]但是，由于光变产品应用已经有数十年的时间，单纯的光变镀层技术已经不能很好地满足防伪领域的需求。光变镀层已与镂空、全息、光变配对等技术相结合并提供了新的防伪特征。例如，专利US5766738、US6114018以及US7729026中提出通过选择适当的光变镀层厚度与颜色来实现光变匹配特征。瑞士 SICPA公司通过粉碎具有对称结构的五层光变镀层结构来形成光变颜料(0VP)，进而获得光变油墨(0VI)，其能够与印刷技术结合，并在世界多种钞票中得到了广泛应用。作为OVI的进一步发展，在现有光变结构中增加一层磁性层就形成了光变磁性油墨(OVMI)即SPARK技术，该技术通过磁场诱导使得OVMI颗粒能够沿磁感线方向定向排布，从而形成特定的图文结构。当OVMI中颗粒排列具有特定规律变化时，能够产生动感、缩放等光学特征(请见专利US7517578B2)。但是由于光变磁性颗粒的定向排布需要依靠磁场，故受到磁场形状的制约，不能对形状进行任意设计，且需要特定的定向设备与工艺。为了克服这一缺点，W02011066990A2和W02011066991A2公开了一种利用表面微反镜结构模拟曲面的方法，通过精确控制每个微反镜的倾角与方位角，在微反镜之上沉积光变镀层结构，能够实现OVMI的效果，其优势在于能够任意控制每个像素的角度信息，实现对图像信息与细节的精确控制，但是这种方法制版难度大，需要特殊的高成本的工艺和设备，且表面形貌不易控制。因此不易获得高质量的原版。

【发明内容】

[0004]本发明针对现有技术中工艺流程复杂、需要特殊的高成本设备以及表面形貌不易控制等缺点，提供一种能够克服上述缺陷的光学防伪元件及使用该光学防伪元件的产品。
[0005]本发明提供一种光学防伪兀件，该光学防伪兀件包括基材，所述基材的上表面上至少部分地覆盖有面镜，所述面镜的截面为能够对入射光进行调制的任意曲面结构或其组合，所述面镜的表面上覆盖有镀层，所述镀层与所述面镜相互配合以获得期望的光学效果。
[0006]本发明还提供一种使用上述光学防伪元件的产品。
[0007]由于根据本发明的光学防伪元件通过面镜与覆盖在面镜表面上的镀层的相互配合来获得期望的光学效果，所以根据本发明的光学防伪元件及使用该光学防伪元件的产品不仅制备工艺流程简单、不需要特殊的高成本设备，而且还能够容易地控制表面形貌。
【专利附图】

【附图说明】[0008]图1为根据本发明的光学防伪元件的剖面图；
[0009]图2(a)、2(b)、2(c)为采用柱面镜结构形成的具有平移滚动效果的光学防伪元件的俯视观察图、立体结构示意及截取的部分截面；
[0010]图3(a)、3(b)、3(c)为采用球面镜结构形成的具有平移滚动效果的光学防伪元件的俯视观察图、立体结构示意及截取的部分截面；
[0011]图4(a)、4(b)、4(c)为采用锯齿形结构形成的具有平移滚动效果的光学防伪元件的俯视观察图、立体结构示意及截取的部分截面；
[0012]图5给出了利用柱面镜形成2D/3D效果的示意图；
[0013]图6(&)、6(13)、6((3)为具有立体浮雕感图像效果的光学防伪元件的俯视观察图、立体结构示意及截取的部分截面；以及
[0014]图7为具有漫反射特征的光学防伪元件的俯视观察图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图来详细描述根据本发明的光学防伪元件以及使用该光学防伪元件的产品，以便更好地理解本发明的思想。应当理解，所述附图和详细描述只是对本发明优选实施方式的描述，并非以任何方式来限制本发明的范围。
[0016]如图1所示，根据本发明的光学防伪元件I包括基材2，所述基材2的上表面21上至少部分地覆盖有面镜3，所述面镜3的截面为能够对入射光进行调制的任意曲面结构或其组合，所述面镜3的表面上覆盖有镀层4，所述镀层4与所述面镜3相互配合以获得期望的光学效果。
[0017]其中，所示面镜3在基材2的上表面21上的排列方式可以是任意的，即本发明不对面镜3的排列方式进行限制，只要其能够实现任意期望的光学效果即可。例如，所述面镜3的方位角是可变的，而且所述方位角的旋转方向可以为0-360°，即基材2的上表面21上的不同面镜3的方位角可以是相同的，也可以是不同的。另外，所述方位角的旋转角度可以具有一定分布或平均分布的随机变量，这能够产生一种不规则的效果，减小光线的定向反射，降低衍射几率。下文中会结合面镜3的具体排列方式对此进行说明。
[0018]另外，本发明也不对根据本发明的光学防伪元件I中的面镜3的类型进行限制，只要其与镀层4相结合能够实现期望的光学效果即可。例如，所述面镜3可以为柱面镜(包括柱凸面镜、柱凹面镜)、球面镜(包括球凸面镜、球凹面镜)、菲涅耳面镜或它们的组合，当然也可以是其他类型的面镜。而且，所述面镜3的截面可以是能够按需对入射光进行调制的任意曲面结构或其组合，例如，可以是正弦、椭圆、双曲线、抛物线等曲面结构中的任意一种结构或多种曲面结构的拼接或组合。
[0019]下面以柱面镜为例来说明根据本发明的光学防伪元件，但是应当理解，通过适当地调整其他类型的面镜的周期、占空比、高度等参数，也能够获得与柱面镜相同的光学效果，而且，柱面镜的曲面可以不是严格的球面，而是上述的任意一种曲面结构。另外，所述柱面镜的表面具有弧度，不仅能够对入射光进行反射，而且其表面弧度也能够对入射光线进行散射，在一定程度上降低光强，避免产生强光耀眼的缺点，从而更易于观察。但是，所述柱面镜优选无衍射效果。
[0020]在根据本发明的光学防伪元件中，优选地，所述柱面镜在平行于所述基材2的上表面21的一个方向上的特征周期为2 μ m-200 μ m,优选为5 μ m-100 μ m,而且当所述一个方向上的特征尺寸满足要求时，与所述一个方向垂直的另一个方向上的特征尺寸不受限制。而当柱面镜在平行于所述基材2的上表面21的一个方向上的特征周期小于2μπι时，会存在明显的衍射现象，从而呈现彩虹色，这会干扰镀层4的颜色和观察效果。当柱面镜的方向与人眼连线的方向平行时，绝大多数通过柱面镜发射的光线均进入到人眼中，能够观察到明亮的镀层颜色；当柱面镜与人眼的连线存在一定夹角时，通过柱面镜反射的光线中只有一部分进入人眼，故光线亮度下降；对于镀层的颜色不随观察角度的变化而变化的情况而言，人眼观察到的镀层颜色的纯度下降；对于光变镀层而言，所观察到的镀层颜色随着观察角度的变化不仅色纯度下降而且颜色也发生了改变；当柱面镜与人眼的连线垂直时，绝大多数光线都无法进入到人眼中，所以无法观察到颜色信息。通过对柱面镜的排列方式进行适当的调整，使得在不同的倾斜角度或旋转角度下能够使根据本发明的光学防伪元件I的基材2的上表面21内不同位置处的柱面镜相对于人眼连线具有相同的相对角度或特定的运动形式，从而当倾斜或转动根据本发明的光学防伪元件I时，与人眼保持相同角度的柱面镜位置不断变化，通过与镀层4的结构相结合，能够获得动感光变、图案变换、三维立体光变等光学特征，这将在下面结合附图进行详细描述。
[0021]优选地,所述柱面镜在垂直于所述基材2的上表面21的方向上的高度小于25 μ m,而且优选小于15 μ m。
[0022]另外，在制备根据本发明的光学防伪元件I时，柱面镜可以通过灰度曝光、激光直亥IJ、电子束曝光、热回流等微纳加工方法获得，通过紫外浇铸、模压、纳米压印等微纳加工方式进行批量复制。
[0023]下面对根据本发明的光学防伪元件I中的镀层4的结构进行描述。该镀层4可以为干涉型多层膜结构，该干涉型多层膜结构形成法布里-泊罗谐振腔，其对入射的白光具有选择作用，使得出射光线只包含某些波段，从而形成特定的颜色；当入射角度变化时，与之相对的光程发生变化，干涉波段也发生变化，从而导致呈现给观测者的颜色也随之变化，从而形成光变效果。其中，所述干涉型多层膜结构可以包括下述各项中的至少一项:由覆盖在所述面镜3的表面上的依序重叠的反射层、低折射率介质层和吸收层构成的光变镀层结构；由覆盖在所述面镜3的表面上的依序重叠的反射层、高折射率介质层和吸收层构成的镀层；以及由覆盖在所述面镜3的表面上的依序重叠的高折射率介质层、低折射率介质层和高折射率介质层构成的介质层叠层结构。其中，反射层的材料可以为高反射率的材料，如金、银、铜、铝等；吸收层的材料要求是其折射率与吸光系数接近的材料，例如可以是半金属材料(如硅、锗等)，也可以是金属材料或其合金(如铬、铜、镍、镍铬合金等);高折射率介质层的折射率高于1.7，例如可以是硫化锌、二氧化钛等；低折射率介质层的折射率小于或等于1.7，例如可以是氟化镁、二氧化硅、冰晶石等。
[0024]镀层4的形貌优选与面镜3的表面形貌相同，从而使得工艺流程简单。
[0025]而且，优选地，镀层4中还可以形成有镂空图案，其中所述镂空图案可以为宏观图案、微文字、精细线条等，从而能够实现更好的防伪效果。
[0026]在制备根据本发明的光学防伪元件I时，镀层4可以通过热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射等物理或化学气相沉积等方法获得，并且产生同型覆盖的效果(即其形貌与面镜3的表面形貌同型)，从而保持柱面镜形貌。[0027]优选地，在根据本发明的光学防伪元件中，所述基材2的上表面21上还可以具有光栅结构(例如，全息光栅结构、亚波长光栅结构等)、亚波长微浮雕结构或它们的组合，当镀层4与上述结构结合时，能够形成全息光变、旋转光变、偏振光变等特征，从而增加了光学防伪效果。例如，当光栅结构为全息光栅时，所述全息光栅的周期是可变的且位于500nm-5 μ m的范围内；当所述光栅结构为亚波长微浮雕结构时，所述亚波长微浮雕结构的周期是可变的且位于50nm至500nm的范围内，优选位于200nm-400nm的范围内。另外，所述亚波长微浮雕结构的槽型和槽深均可以是可变的，例如，所述槽型可以为正弦形、矩形、锯齿形中的至少一者，所述槽深可以位于IOnm至500nm的范围内并优选位于50nm-200nm的范围内。
[0028]在制备根据本发明的光学防伪元件I时，上述的光栅结构、亚波长微浮雕结构等可以通过激光双光束干涉曝光、激光直刻曝光、电子束直刻等方式获得，通过紫外浇注、模压、纳米压印等微纳加工方式进行批量复制。
[0029]另外，根据本发明的所述光学防伪元件I还可以包括位于所述基材2的上表面21上、所述面镜3的表面上和/或所述镀层4的表面上的功能层(未示出)，例如压印层，该功能层具有衍射光变特征、干涉光变特征、微纳结构特征、印刷特征、部分金属化特征以及用于机读的磁、光、电、放射性特征中的一种或多种特征。
[0030]优选地，形成面镜3的材料中可以添加荧光材料，从而使得根据本发明的光学防伪元件I带有荧光特征。优选地，荧光材料也可以添加在光学防伪元件I的基材2中、基材2的上表面21处、基材2的下表面22处和/或面镜3的表面处。优选地，荧光材料可以例如通过印刷方式形成荧光图案。
[0031 ] 优选地，根据本发明的光学防伪元件I中的基材2可以是至少局部透明的无色或有色介质层，而且基材2可以是一层单一的透明介质薄膜，例如PET膜、PVC膜等，当然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。所述功能涂层可以具有与上述功能层相同的特征。
[0032]根据本发明的柱面镜或类似结构具有多项参数，例如周期、高度、占空比、表面形貌、方位角等，当其与镀层4结合时，还需考虑镀层4的各层厚度、材料折射率、照明光源、表面微纳结构等参数。因此在设计根据本发明的光学防伪元件I时，需利用菲涅耳反射定律、麦克斯韦方程组以及边界条件，结合镀层4的结构来共同确定对入射光的调制作用。但由于微结构、镀层结构、材料光学参数和界面条件的复杂特性，因此，需从基本理论出发，根据问题的具体情况以及要实现光学特征设计算法、编程计算，最终确定各方面设计参数，例如柱面镜的周期、高度、占空比、方位角等参数，根据本发明的镀层的层数以及各层厚度、金属材料、介质材料、基材材料等。
[0033]根据本发明的光学防伪元件I特别适合制作成开窗安全线。所述安全线的厚度不大于50 μ m。带有所述开窗安全线的防伪纸用于钞票、护照、有价证券等各类高安全产品的防伪。
[0034]根据本发明的光学防伪元件I也可用作标签、标识、宽条、透明窗口、覆膜等，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。
[0035]另外，包括根据本发明的光学防伪元件I的产品可以包括但不限于钞票、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。
[0036]下面结合图2 (a)至图7来详细描述根据本发明的光学防伪元件1，但是图2 (a)至图7所示的面镜的排列方式仅是示例，本发明并不限于此。
[0037]图2(a)、2(b)、2(c)分别示出了从光学防伪元件I上方俯视观察表面柱面镜的排列、光学防伪元件I的立体结构示意及截取的部分截面图，其中不同区域定义了不同方向排列的柱面镜结构，所述柱面镜的宽度为30 μ m、周期为32 μ m、高度为8 μ m。所述镀层4为Cr/Si02/Al所组成的颜色可变镀层，其中Al紧贴在柱面镜的表面，其上依序重叠SiO2和Cr，镀层4中各层的厚度分别为5nm/430nm/60nm，该镀层4的颜色特征为随观察角度的变化而从洋红色转变到绿色。所述基材2的厚度为19 μ m。通过采用这样的光学防伪元件I的结构所实现的效果为:俯视观察该光学防伪元件I时，随观察角度的改变，整个区域会产生带有颜色及明暗变化的图案平移滚动的效果。类似于采用OVMI技术所实现的Rollingbar效果。
[0038]图3(a)、3(b)、3(c)分别为为了获得图案平移滚动的效果而采用球面镜作为面镜3的俯视观察图、光学防伪元件I的立体结构示意及截取的部分截面。
[0039]图4(a)、4(b)、4(c)分别为为了获得图案平移滚动的效果而采用锯齿形结构作为面镜3的俯视观察图、光学防伪元件I的立体结构示意及截取的部分截面。
[0040]图5示意性地给出了利用一定参数及排列形式的柱面镜3而形成2D/3D效果的示意图。形状为“KINE”的四个图像区域如图5(a)、(b)、(c)、⑷所示，它们在横向的位置之差为d，分别充满了方位角不同的柱面镜结构(参数同图2中柱面镜的参数)，所述方位角的变化是渐变的。对图5(a)、(b)、(c)、(d)中的区域进行如图5(e)、(f)、(g)、(h)的方式进行分割后，按照图5 (i)的方式进行合成，从而确定了光学防伪元件I的柱面镜结构排列的最终形式。按照这种方法形成的光学防伪元件I将在俯视观察改变视角过程中带有颜色及明暗变化的并具有景深感及一定动态效果的2D/3D特征。
[0041]可通过改变图5(a)、(b)、(c)、(d)的图像形式来获得不同的效果，例如，将它们分别定义为“K”、“I”、“N”、“E”四个图像区域，那么将使观察者俯视观察改变视角过程中获得多个图像之间的切换效果。再例如，将它们分别定义为真实立体物体或模型的不同角度下的不同图像，则可以通过将其与柱面镜的方位角的关系进行匹配，从而使观察者在俯视观察改变视角过程中获得真实的立体感。
[0042]图6 (a)、6 (b)、6 (c)分别为为了获得带有颜色及明暗变化的有立体浮雕感的图像效果而采用柱面镜3的光学防伪元件I的俯视观察图、立体结构示意及截取的部分截面。其中图6(a)、6(b)中黑色区域示意性地代表柱面镜，所选取的柱面镜的形貌及排列方式示意性地由图6(c)给出。
[0043]图7为为了获得漫反射效果而采用柱面镜结构3的俯视观察图。图中不同区域中的柱面镜排列方向相对随机化。根据图7所示的光学防伪元件I所实现的效果为:俯视观察该光学防伪元件时，随观察角度的改变，整个区域会产生带有颜色及明暗变化的带有颗粒感、闪烁感的漫反射特征。
[0044]应当理解，以上实施例中，为获得相应的视觉效果，所述面镜3可以采用不限于上述实施方式具体指定的结构，还可以采用其它能够对表面覆盖的镀层结构进行调制的平面型或曲面型表面浮雕结构以及它们的组合。[0045]以上仅示例性地描述了本发明的某些优选实施方案。但是本领域技术人员可以理解，在不偏离本发明构思和精神的前提下，可以对本发明作出各种等同变换或修改，而如此得到的技术方案也应属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种光学防伪元件，该光学防伪元件包括基材，所述基材的上表面上至少部分地覆盖有面镜，所述面镜的截面为能够对入射光进行调制的任意曲面结构或其组合，所述面镜的表面上覆盖有镀层，所述镀层与所述面镜相互配合以获得期望的光学效果。
2.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其中，所述面镜的方位角是可变的，而且所述方位角的旋转方向为0-360°。
3.根据权利要求2所述的光学防伪元件，其中，所述方位角的旋转角度具有一定分布或平均分布的随机变量。
4.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其中，所述面镜为柱面镜、球面镜或它们的组合。
5.根据权利要求4所述的光学防伪元件，其中，所述柱面镜的表面具有弧度，以便能够对所述入射光进行反射和散射。
6.根据权利要求4所述的光学防伪元件，其中，所述柱面镜无衍射效果。
7.根据权利要求4所述的光学防伪元件，其中，所述柱面镜在平行于所述基材的上表面的一个方向上的特征周期为2 μ m-200 μ m,而且当所述一个方向上的特征尺寸满足要求时，与所述一个方向垂直的另一个方向上的特征尺寸不受限制。
8.根据权利要求4所述的光学防伪元件，其中，所述柱面镜在平行于所述基材的上表面的一个方向上的特征周期为5 μ m-100 μ m,而且当所述一个方向上的特征尺寸满足要求时，与所述一个方向垂直的另一个方向上的特征尺寸不受限制。
9.根据权利要求4所述的光学防伪元件，其中，所述柱面镜在垂直于所述基材的上表面的方向上的高度小于25 μ m。
10.根据权利要求4所述的光学防伪元件，其中，所述柱面镜在垂直于所述基材的上表面的方向上的高度小于15 μ m。
11.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其中，所述镀层为干涉型多层膜结构，该干涉型多层膜结构形成法布里-泊罗谐振腔。
12.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其中，所述镀层的形貌与所述面镜表面的形貌相同。
13.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其中，所述镀层中形成有镂空图案。
14.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其中，所述基材的上表面具有光栅结构。
15.根据权利要求14所述的光学防伪元件，其中，所述光栅结构为全息光栅，所述全息光栅的周期可变且位于500nm_5 μ m的范围内。
16.根据权利要求14所述的光学防伪元件，其中，所述光栅结构为亚波长微浮雕结构。
17.根据权利要求16所述的光学防伪元件，其中，所述亚波长微浮雕结构的周期可变且位于50nm至500nm的范围内。
18.根据权利要求16所述的光学防伪元件，其中，所述亚波长微浮雕结构的周期可变且位于200nm-400nm的范围内。
19.根据权利要求16所述的光学防伪元件，其中，所述亚波长微浮雕结构的槽型是可变的。
20.根据权利要求16所述的光学防伪元件，其中，所述亚波长微浮雕结构的槽深是可变的，并且所述槽深位于IOnm至500nm的范围内。
21.根据权利要求16所述的光学防伪元件，其中，所述亚波长微浮雕结构的槽深是可变的，并且所述槽深位于50nm-200nm的范围内。
22.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其中所述光学防伪元件还包括位于所述基材的上表面上、所述面镜的表面上和/或所述镀层的表面上的功能层，该功能层具有衍射光变特征、干涉光变特征、微纳结构特征、印刷特征、部分金属化特征以及用于机读的磁、光、电、放射性特征中的一种或多种特征。
23.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其中，所述基材的上表面、所述基材的下表面、所述面镜的表面和/或所述面镜本身带有荧光图案特征。
24.一种使用根据权 利要求1-23中任一项权利要求所述的光学防伪元件的产品。
【文档编号】G02B3/00GK103832114SQ201210491242
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年11月27日 优先权日:2012年11月27日
【发明者】张巍巍, 朱军, 张宝利, 孙凯, 李欣毅 申请人:中钞特种防伪科技有限公司, 中国印钞造币总公司