本发明涉及光学技术领域，具体地，涉及一种光学防伪元件和产品。
背景技术：
人眼对于颜色具有极其敏感的感知与分辨能力，因而在光学防伪领域，利用颜色变化形成独特的视觉效果是一种常用的光学防伪形式。当观察者变化观察角度时，例如倾斜光学防伪元件，或者改变光源的照明方向，或者改变观察者的观察方向，该光学防伪元件的颜色发生变化，形成有别于最初颜色的其他颜色。这种颜色变化辨识简单，无需对观察者进行过多的教育，观察者即可在极短的时间内，例如几秒的时间内，发现两种颜色之间的明显区别。
实现上述颜色变化的方法包括多种方式。一种方式为利用平面微结构形成微米-纳米级别的光栅，利用光栅对入射光的衍射作用将特定波长的光选在特定角度，观察者在不同角度可以观察到不同的颜色。另一种方式为在与平面的垂直方向具有不同折射率或反射性质的膜层材料叠加，利用干涉原理对入射光中的特定波段进行加强，其他波段进行削弱，形成明亮鲜艳的颜色。当观察角度发生变化时，光线在干涉性光学元件中的光程发生变化，导致特征波长发生变化，形成不同于之前颜色的第二种颜色。
现有技术中的衍射方式和干涉方式，不能做到颜色的突变，给人眼带来的视觉冲击力需要提高。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种光学防伪元件和产品，用于解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种光学防伪元件，该光学防伪元件包括基材、微结构形成层和着色层，所述基材位于所述着色层之上；所述微结构形成层位于所述基材之上；所述微结构形成层包括光栅组区域和微结构区域，所述微结构区域与所述光栅组区域相邻；所述光栅组区域具有闪耀光栅，所述闪耀光栅上附着反射层；所述微结构区域具有表面不附着反射层的微结构；其中，所述微结构的高宽比大于所述闪耀光栅的高宽比。
可选的，同一所述光栅组区域内各个闪耀光栅的倾斜角度和倾斜方向相同。
可选的，同一所述光栅组区域内各个闪耀光栅的倾斜角度和/或倾斜方向不同。
可选的，所述光栅组区域呈周期性分布。
可选的，所述光栅组区域在预定方向上随机分布。
可选的，不同所述光栅组区域中的闪耀光栅的倾斜角度和/或倾斜方向不同。
可选的，所述闪耀光栅的范围在10μm至100μm。
可选的，所述微结构形成层中所述光栅组区域间的部位具有倾斜角度和/或倾斜方向随机分布的闪耀光栅，所述闪耀光栅上附着反射层。
可选的，所述反射层包括金属层、金属化合物层和法布里-珀罗干涉器中至少一种。
可选的，所述光学防伪元件包括保护层；所述保护层位于所述微结构形成层之上。
可选的，所述保护层的折射率与所述微结构形成层的折射率相同或相近似。
可选的，所述着色层的颜色与附着于所述闪耀光栅的反射层的颜色相异。
可选的，所述着色层的颜色与附着于所述闪耀光栅的反射层的颜色相同。
根据本发明的另一方面，提供了一种光学防伪产品，包括如上任一所述的光学防伪元件。
通过上述技术方案，光学防伪元件包括基材、微结构形成层和着色层，所述基材位于所述着色层之上；所述微结构形成层位于所述基材之上；所述微结构形成层包括光栅组区域和微结构区域，所述微结构区域与所述光栅组区域相邻；所述光栅组区域具有闪耀光栅，所述闪耀光栅上附着反射层；所述微结构区域具有表面不附着反射层的微结构；其中，所述微结构的高宽比大于所述闪耀光栅的高宽比；使得光学防伪元件中颜色的突变性明显提高，提高了颜色变化效果，提升了防伪性能。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是根据本发明实施例的光学防伪元件的截面图；
图2是如图1所示的光学防伪元件的观察方式的示意图；
图3是根据本发明另一实施例的光学防伪元件的截面图；
图4是根据本发明实施例的光学防伪元件的色度坐标示意图；
图5是根据本发明另一实施例的光学防伪元件的色度坐标示意图；
图6是根据本发明一实施例的光学防伪元件的截面图；
图7是根据本发明一实施例的光学防伪元件的截面图；
图8是根据本发明一实施例的光学防伪元件的俯视图；以及
图9是根据本发明另一实施例的光学防伪元件的俯视图。
附图标记说明
1 光学防伪元件 2 微结构形成层
3 基材 4 着色层
5 保护层
21、23 光栅组区域 22、24 微结构区域
25 光栅组区域间的部位
211、231 闪耀光栅 212、232 反射层
221 微结构
31 第一表面 32 第二表面
41 第一着色层区域 42 第二着色层区域
61 第一图案区域 62 第二图案区域
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图1是根据本发明实施例的光学防伪元件的截面图；如图所示，该光学防伪元件1包括基材3、微结构形成层2和着色层4。基材3位于着色层4之上；微结构形成层2位于基材3之上；微结构形成层2包括光栅组区域21和微结构区域22，微结构区域22与光栅组区域21相邻。光栅组区域21具有闪耀光栅211，闪耀光栅211上附着反射层212；微结构区域22具有表面不附着反射层的微结构221；其中，微结构221的高宽比大于闪耀光栅211的高宽比。微结构221的高宽比为微结构221高度与宽度的比值；闪耀光栅211的高宽比为闪耀光栅211的高度与宽度的比值。
其中，同一光栅组区域21内各个闪耀光栅211的倾斜角度和倾斜方向可相同。如图2所示，闪耀光栅211的倾斜角度为α，且倾斜方向相同。
或者，同一所述光栅组区域21内各个闪耀光栅211的倾斜角度和/或倾斜方向可不同。
例如，闪耀光栅211的排列具有周期性，周期排列的闪耀光栅可以提供反射镀层以外的另一种新的颜色，提高颜色的选择度和颜色变化的范围。
闪耀光栅211的排列也可不具有周期性，闪耀光栅在确定的设计方向上具有一定的随机摆动，该种随机性能够将原有周期性消除，使颜色具有更高的饱和度。
其中，所述光栅组区域21可呈周期性分布，或者光栅组区域21可在预定方向上随机分布。
其中，反射层212包括金属层、金属化合物层和法布里-珀罗干涉器中至少一种。
对于金属层而言，可以是具有颜色的金属，例如铜以及铜合金、金等，来形成具有颜色的金属反射层。也可以是无特殊颜色的金属，例如铝、银等，来形成无色金属反射层。
对于上述金属化合物层而言，可以是具有颜色的金属化合物，例如TiN、CrN、Fe2O3等材料。
对于上述法布里-珀罗干涉器而言，可以是“反射层/介质层/半反半透层”结构的法布里-珀罗干涉器，例如“铝/二氧化硅/铬”、“铝/氟化镁/铝”等结构的法布里-珀罗干涉器。
其中，微结构区域22的面积小于光学防伪元件1中与微结构区域22相邻的光栅组区域21和微结构区域22的总面积的70％，优选为20％。
如图1所示，光学防伪元件1包含基材3，在基材3的第一表面31具有微结构形成层2，微结构形成层2具有至少两个不同区域，光栅组区域21和微结构区域22。在图1中，微结构区域22夹在两个光栅组区域21之间。其中光栅组区域21具有闪耀光栅211以及其上的反射层212。光栅组区域21与微结构区域22相邻。如图1所示，微结构221高宽比大于闪耀光栅211的高宽比。并且，微结构区域22中微结构221的表面无反射层，裸露在外。基材3的第二表面32上具有一层着色层4。
其中，反射层212可以是但不仅限于金属层、金属化合物层和法布里-珀罗干涉器等具有较强反射效果的材料。材料可以具有特定的颜色，对某些特定波长具有较强的反射例如铜、氮化钛等；也可以对可见光各个波长具有较好的反射,例如铝、银等。
图2是如图1所示的光学防伪元件的观察方式的示意图。当在第一观察角度至第二观察角度范围内观察该光学防伪元件1时，由于闪耀光栅211以及其上的反射层212的对光线的阻挡作用，由着色层4反射的光线无法进入到观察者的眼睛，故观察者只能观察到反射层212的颜色。当观察者的观察角度变化至第二观察角度时，除了有反射层212的颜色外，由于微结构区域22上无反射层，故着色层4的光线可以通过微结构区域22透过被观察者识别，此时该光学防伪元件1呈现的颜色为反射层212和着色层4两者混合的颜色。当观察者在第三观察角度附近时，反射层212已经无法对着色层4的反射光起到阻挡作用，故观察者观察到的颜色为着色层4的颜色，此时该光学防伪元件1呈现的为着色层4的颜色。
在如图1所示实施例中，由于微结构区域22的存在，导致在第二观察角度的附近，光学防伪元件1的颜色是反射层212与着色层4的叠加。在倾斜光学防伪元件1的过程中，该元件呈现的颜色依次为“反射层212”—“反射层212+着色层4”—“着色层4”。也就是说，光学防伪元件1的颜色在两种颜色之间并不是完全跳跃的，而是存在这一个由两种颜色叠加在一起的过渡色，而过渡色由光栅组区域21与微结构区域22的面积比例决定。
举例而言，当微结构区域22的面积小于光学防伪元件1中微结构区域22和相邻的光栅组区域21的总面积的一定百分比，例如70％时，在第二观察角度时“反射层212+着色层4”的混合色已经不会被观察者分辨出。而且，由于闪耀光栅211上反射层212会对其相邻的微结构区域22具有一定的遮挡作用，可以扩大反色层212颜色的保持角度，实现更好的颜色纯度和颜色切换效果。如图3所示，在第一观察角度-第二观察角度之间的范围观察光学防伪元件1时，光学防伪元件1呈现反射层212的颜色；当在第二观察角度观察光学防伪元件1时，光学防伪元件1呈现着色层4的颜色。两者颜色之间存在明显的差别，颜色具有“跳变”效果。此时，由于微结构区域22面积小于整体微结构区域22和相邻光栅组区域21的总面积的一定百分比，例如70％，故不会与反射面212的颜色混合形成过渡色。如此，进一步增强了光学防伪元件中颜色的突变性，使得防伪性能更加显著。
图4是根据本发明实施例的光学防伪元件的色度坐标示意图，该实施例中，反射层212为铝，着色层4为洋红色的颜料。在观察角度在150°-110°的情况下，观察者只能观察到闪耀光栅211上反射层212的铝的颜色，如图4色度坐标(CIELab)中所示。当观察角度在110°-70°范围内变化时，由于此时已经能够通过微结构区域22观察到着色层4的颜色，但是由于两者比例随着观察角度的变化而发生变化，故观察到的颜色是一种综合的效果，如图4中所示。两者色调角h基本不变，饱和度C变大。当观察角度在70°-30°的范围内，由于只能观察到着色层4的颜色，故颜色不变，为着色层4颜料的颜色。
图5是根据本发明另一实施例的光学防伪元件的一种实施例，该实施例中，反射层212为“铝/冰晶石/镍”形成的具有颜色变化的法布里-珀罗谐振腔，通过适当的设计和厚度控制，使之形成洋红色；着色层4为洋红色的颜料。当观察角度在150°至110°的变化过程中，闪耀光栅211上的反射层212随观察角度的变化产生了明显的颜色变化特征，该颜色变化是由于反射层212形成的法布里-珀罗谐振腔对入射光的调制造成的。当观察角度在100°至70°的范围变化时，反射层212和着色层4共同作用形成了另一种颜色变化。当观察角度在60°至30°变化时，只有着色层起作用，形成固定的颜色。颜色的具体数值如图5的CIELab坐标中所示。从图中可见，在观察角度α较大和较小时，该光学防伪元件1的颜色基本相同，中间角度颜色不同，形成特定的颜色变化效果。
在一实施例中，光学防伪元件1包括保护层5；保护层5位于微结构形成层2之上。
进一步地，保护层5的折射率与微结构形成层的折射率相同或相近似。
在上述实施例中，闪耀光栅212表面覆盖有反射层212，且该反射层212表面的物理化学性质对反射性能具有决定性的作用，故需要对该防伪元件表面进行保护。如图6所示，在微结构形成层2之上覆盖保护层5。由于在本发明的实施例中，微结构形成层2折射率一般为1.5-1.6的范围。保护层5折射率一般也在1.5-1.6的范围。并且由于微结构区域22的微结构221表面没有反射层，故当保护层5涂覆到微结构区域22的微结构221之上后，由于两种材料折射相同或相近，故对于经过此界面的光线而言此界面并不存在，形成类似于图6所示的新的微结构区域22。在增加了保护层5后，微结构区域22的微结构221形成平坦的表面，更容易使光线进行传播而不发生衍射，有助于观察者直接观察到着色层4的颜色。
在一实施例中，不同光栅组区域中的闪耀光栅的倾斜角度可以不同，或者倾斜方向不同，或者倾斜角度和倾斜方向都不同。
其中，闪耀光栅的范围在10μm至100μm。例如，相同倾斜角度和倾斜方向的闪耀光栅的范围在10μm-100μm之间，优选范围为15μm-50μm，最近范围为20μm-30μm。
其中，微结构形成层中光栅组区域间的部位具有倾斜角度和/或倾斜方向随机分布的闪耀光栅，闪耀光栅上附着反射层。
其中，所述着色层的颜色与附着于所述闪耀光栅的反射层的颜色相同或相异。
举例而言，着色层4的颜色与闪耀光栅211表面反射层212的颜色不同，以实现倾斜该光学防伪元件时呈现颜色切换效果。着色层4可以是金属油墨、普通彩色油墨、光变油墨等多种形式，通过印刷、涂布等形式附着于基材第二表面32。着色层4可以是一种颜色，也可以是两种甚至是更过种颜色的组合。着色层4是多种颜色时，这些颜色可以是随机排列或混合间隔排列，而不形成特定图案。这些颜色可以通过加色或减色混色法形成新的颜色。着色层4是多种颜色时，这些颜色可以通过特殊的排列形成特定的图案，在此情况下，第一表面31上的微结构形成层2应该具有至少两种倾斜角度或倾斜方向不同的闪耀光栅211、231。在上述情况下，通过设计附着于闪耀光栅211、231的反射层212、232和附着于第二表面32的着色层4可以实现多种颜色的切换。
为了增加光学防伪元件1颜色的多样性，提高防伪能力，可以对光栅组区域21、23的闪耀光栅211、231进行多种倾角和/或倾斜方向的排布，形成对光线的多种反射方向。同时可以对附着于第二表面32的着色层4进行定位套印，形成多种颜色的组合，增加颜色变化的种类。例如，如图7所示，光学防伪元件1包含基材3，在基材3的第一表面31具有微结构形成层2，上述微结构形成层2具有第一图案区域61，其中包括光栅组区域21和微结构区域22；第二图案区域62，其中包括光栅组区域23和微结构区域24；以及光栅组区域间的部位25。其中，光栅组区域21、23具有闪耀光栅211、231以及其上的反射层212、232，例如铝。微结构区域22、24具有微结构，微结构表面无任何镀层材料，裸露在外。第一图案区域61中光栅组区域21的闪耀光栅211和第二图案区域62中光栅组区域23的闪耀光栅231具有相同的倾斜角度，但是两者的倾斜方向相反。基材3的第二表面32上具有一层着色层4，其中该着色层4包含两个区域，第一着色层区域41和第二着色层区域42。第一着色层区域41为绿色；第二着色层区域42为红色。光栅组区域间的部位25具有倾斜方向、倾斜角度随机分布的闪耀光栅，该闪耀光栅上具有反射层，形成一种金属油墨的颗粒感。
通过将图7所示具有不同倾斜方向的闪耀光栅和多种颜色的着色层进行设计布局，可以获得图8所示的光学防伪元件1。其中第一图案区域61具有图7中光栅组区域21和微结构区域22的结构和材料，在基材3的第二表面32上附着第一着色层区域41。第二图案区域62具有图7中光栅组区域23和微结构区域24的结构和材料，在基材3的第二表面32上附着第二着色层区域42。光栅组区域间部位25为平坦区域或具有随机形貌的区域，其上也覆盖有一层铝反射层。
在第一观察角度观察如图8所示的光学防伪元件1时，第一着色层区域41和第二着色层区域42反射的光线被光栅组区域21和光栅组区域23的铝镀层所遮挡，不能进入观察者的眼睛，故观察者看到的是铝的颜色。光学防伪元件1中光栅组区域间的部位25为平坦区域或具有随机形貌的区域，其上也覆盖有一层铝反射层。故在第一观察角度观察时，光学防伪元件1的第一图案区域61、第二图案区域62和光栅组区域间的部位25具有相同的颜色，具有其上覆盖的铝的颜色。
当观察者从第二观察角度观察光学防伪元件1时，第一着色层区域41的颜色可以不被光栅组区域21的闪耀光栅211及其上的铝反射层212阻挡，进入观察者眼睛；相反，第二着色层区域42的颜色被光栅组区域23的闪耀光栅231及其上的铝反射层232阻挡，无法被观察者观察到，仍然呈现出反射层铝的颜色，光栅组区域间的部位25颜色保持一致。整体而言，在第二观察角度观察时，光学防伪元件1中的第一图案区域61呈现第一着色层图案41的颜色，形成绿色的数字“1”。
当在第三观察角度观察光学防伪元件1时，第一着色层区域41的颜色可以被光栅组区域21的闪耀光栅211及其上的铝反射层212阻挡，无法进入观察者眼睛，仍然呈现出反射层铝的颜色，光栅组区域间的部位25颜色保持一致。相反，第二着色层区域42的颜色不能被光栅组区域23的闪耀光栅231及其上的铝反射层232阻挡，被观察者观察到。在第三观察角度观察时，光学防伪元件1中的第二图案区域62呈现第二着色层图案42的颜色，形成红色的数字“0”。
综上，当观察者从第二观察角度至第三观察角度不断连续变化时，可以观察到元件1出现了绿色的文字“1”，背景为铝色；之后文字“1”消失，元件1呈现均匀的铝色；再之后，元件1出现红色的文字“0”，背景为铝色。即实现了在不同观察角度下，在不同区域出现不同颜色的文字。
如图9所示为该发明的一种实施例，其中数字“1”和“0”的中心位置基本处于同一位置。在第一观察角度1的情况下，光学防伪元件1呈现铝的颜色，无明显的文字信息。当倾斜光学防伪元件1使观察角度为第二观察角度时，由于微结构的作用，呈现数字“1”，当倾斜光学防伪元件1使观察角度为第三观察角度时，由于微结构的作用，呈现数字“0”。
本发明还公开了一种光学防伪产品，包括如上述任一实施例所述的光学防伪元件。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。