专利名称：波纹放大装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及波纹放大(moir6magnification)装置,如安全装置,例如用在安全文件和其他有价物品上，诸如纸币、支票、护照、身份证、真品证书、印花税票以及其他用于保价或证明个人身份的文件。本发明还涉及用在封装等上的光学装置。
背景技术：
数年以来，波纹放大已经用作安全装置的基础。在W0-A-94/27254和EP-A-1695121中描述了若干实施例。在这样的装置中，限定一个焦面(focal plane)的规则的微聚焦元件阵列设置在对应的图像元件阵列上方，所述图像元件位于与所述聚焦元件的焦面基本对准的平面中。图像元件阵列的间距(pitch)或周期(periodicity)被选择为与聚焦元件的间距或周期相差一个小因子，且该失配(mismatch)意味着会生成图像元件的放大型式。 放大因子取决于周期或间距之间的差。还可通过相对于微透镜阵列转动微图像阵列，或者通过相对于微图像阵列转动微透镜阵列，以使得微透镜阵列和微图像阵列之间具有转动错位(m i s a I i gnmen t),从而方便地生成微透镜阵列和微图像阵列之间的间距失配。该转动错位或者小的间距失配导致眼睛在每个相邻透镜中观察到图像的一个不同部分，这形成放大的图像。如果随后眼睛相对于透镜/图像阵列移动，则观察到图像的一个不同部分，留下的印象是图像处于不同的位置。如果眼睛以平滑方式移动，则观察到一系列图像，产生的印象是图像相对于表面移动。在通过转动错位生成间距失配的情形中，放大图像的阵列相对于微图像阵列转动，因此导致放大图像的明显移动的视差影响(parallax affect)也被转动，且这被称为斜视差。间距失配和转动错位对于波纹放大器中观察到的放大图像的放大以及转动的影响在IOP Publishing Limited出版的"The MoireMagnifier"，MHutley, R Hunt, R F Stevens and P Savander, Pure AppI.Opt. 3(1994) 133-142 中进行了描述。移动和取向变化的性质可由波纹理论来解释；这在2000年由Kluiver AcademicPublishers 出版的 I. Amidror 的"The theory of the Moirephenomenon " , ISBN
0-7923-5949-6中进行了详细的讨论。可通过研究两个结构的频率向量来解释/预测两个周期结构的波纹效应。频率向量的取向表示周期的方向，长度表示频率(即，I/周期)。向量由其笛卡尔坐标(U，V)表示，其中u和V是频率的水平分量和竖直分量。所涉及的原理在W0-A-2005/106601中进行了更详细的讨论。通常，聚焦元件包括微透镜或微镜，图像元件由简单图标等来限定。还已知的是在波纹放大装置中提供多个图像。例如W0-A-94/27254示出了在倾斜装置时的图像切换效果。W0-A-2005/106601描述了如何使两个放大的图像组在装置倾斜时以不同的速率移动。另一个实施例在W0-A-2009/139396中描述。然而，已知装置的问题是非常难于实现多颜色效果，在该多颜色效果中获得两个或更多个不同颜色的图像。这主要是由于难于以彼此相互配准但以不同颜色印刷两个微图像阵列，因为这需要分立的印刷量(print run)。
发明内容
根据本发明，一种波纹放大装置包括透明基底，该透明基底承载i)第一表面上的规则阵列的微聚焦元件，所述聚焦元件限定一个焦面；ii)第一颜色的、位于与所述聚焦元件的焦面基本叠合的平面中的对应的第一阵列的微图像元件；以及iii)与所述第一颜色不同的第二颜色的、位于与所述聚焦元件的焦面基本叠合的平面中的对应的第二阵列的微图像元件；其中所述微聚焦元件的间距、所述第一和第二阵列的微图像元件的间距以及它们·的相对位置使得所述阵列的微聚焦元件与所述第一和第二阵列的微图像元件中的每一个协作，从而由于波纹效应而生成每个阵列的微图像元件的各自的放大型式，以及使得对照由所述第二阵列的微图像元件的放大型式所限定的背景来观察所述第一阵列的微图像元件的放大型式；当所述装置倾斜时，所述第一阵列的微图像元件的放大型式呈现相对于背景的移动，且其中所述阵列之间的间距失配被选择为使得所述第一阵列的元件的放大型式出现在所述第二阵列的元件的放大型式的上方或下方。已经实现通过布置微图像阵列可在波纹放大装置中获得多颜色图像，使得在观察时产生的阵列的放大型式出现在不同深度或不同平面处。这避免了相互配准的需要，通过合适地选择阵列间的间距失配，第一阵列可出现在第二阵列上方或下方。还设有其他颜色的一个或多个另一些阵列的相应的微图像元件。例如，在一个尤其优选的方法中，该装置还包括iv)对应的第三阵列的微图像元件，其具有与第一颜色和第二颜色不同的第三颜色，且位于与所述微聚焦元件的焦面基本叠合(从而与II和III 一致)的平面中；其中所述微聚焦元件的间距和所述第三阵列的微图像元件的间距使得它们协作以由于波纹效应而生成所述第三阵列的图像元件的放大型式，并使得对照由所述第二阵列和第三阵列的微图像元件的放大型式所限定的背景来观察所述第一阵列的微图像元件的放大型式；当所述装置倾斜时，所述第一阵列的微图像元件的放大型式呈现相对于背景的移动。第三阵列(通常相同)的微图像元件的设置允许每个阵列的放大图像元件根据每个阵列的间距而相对于彼此出现在不同深度处。因此，在一个实施例中，所述阵列的微聚焦元件的间距和所述第一、第二和第三阵列的微图像元件的间距被选择为使得所述第一阵列的微图像元件的放大型式出现在所述第二和第三阵列的微图像元件的放大型式之间。在另一个实施例中，所述阵列的微聚焦元件的间距和所述第一、第二和第三阵列的微图像元件之间的间距被选为使得所述第一阵列的微图像元件的放大型式出现在所述第二和第三阵列的微图像元件的放大型式的上方。至少所述第一和第三阵列的微图像元件可以是相同的，或者从阵列的一边到另一边逐渐变化。如上文提及的，本发明在限定阵列的背景不需要与第一阵列配准的情况下是尤其有利的，且如果背景阵列限定一个相应的普通的背景，例如线条样式、简单的几何图形、或更复杂的线条结构例如连结环样式，则这是尤其容易实现的。在一些情形中，至少两个阵列的微图像元件可以仅在颜色上不同。然而，在优选实施例中，第一、第二和第三阵列的微图像元件进一步在形状、大小和取向中的一个或多个方面彼此不同。至少所述第一阵列的微图像元件包括图标，例如符号、几何图形、包括字母和数字的字符等，且最优选地提供信息。一个或多个其他阵列中的微图像元件还可形成为图标，或者如上文所述的更普通的样式。在优选实施例中，使用任何合适的印刷工艺将微图像元件印刷在基底上，所述印刷工艺例如为凹版(gravure)、湿平版印刷或干平版印刷、筛网印刷、凹雕印刷和柔版印刷。然而，一个或多个阵列的微图像元件还可形成为基底上的格栅结构、凹陷或其他凹凸样式。还可使用如W0-A-2005/106601中描述的防反射结构。
优选地通过凸印至基底表面、铸造固化(cast-curing)等形成微聚焦元件,例如微透镜和凹面镜。通过本发明生成的波纹放大装置可以是二维(2D)或I维(ID)结构。使用球面透镜的2D波纹放大结构在EP-A-1695121和W0-A-94/27254中进行了更加详细的描述。在2D波纹放大器中，在所有方向上放大图像。在ID波纹放大结构中，球面微透镜或微镜被重复布置的柱面微透镜或微镜所替代。这样的结果是微图像元件仅在一个轴线上经历波纹放大，所述镜沿着该轴线在曲率或凹凸上呈现周期变化。因此，微图像沿着放大轴线被有力地压缩或者缩小，而微图像元件沿与放大轴线正交的轴线的大小或维度与它们表现给观察者的基本相同，即没有发生放大或扩大。通过本发明生成的波纹放大装置可自身形成一个安全装置，但是也可结合其他安全部件使用，例如全息图、衍射光栅以及其他光学可变效应(opticalIy variable effect)生成结构。本发明的光学装置可用于通过对光学装置的相应属性具有影响的基底性质(尤其是基底的厚度和柔性)来鉴定各种不同的基底。本发明在保护柔性基底(例如纸，尤其是纸币)时具有特别的价值，其中所述装置可限定片、带或线。虽然装置的厚度可受到以下事实的影响在纸币中如何利用该装置，从而避免在纸币印刷工艺期间该令纸的形状的变形，以及还要进一步避免纸币本身的形式和柔性的变形，但是可预期所述装置的厚度不超过纸币本身厚度(通常为85-120 μ m)的一半，因此预期在任何实施方案中光学装置(包括紧固粘结剂(securing adhesive))会小于50 μ m,并优选地基本如此。例如作为应用至纸币的片，期望厚度将从几微米(不包括紧固粘结剂)到用于标签的最大35-40微米(又一次不包括紧固粘结剂)。而对于带的情形，厚度又一次会从几微米(对于热模锻(hot-stamped)带或转移带(transferred strip))直到35-40 μ m (对于非转移带)，，其中支撑承载层被保留(又一次不包括紧固粘结剂)，在所述带应用在纸币基底中的机械孔口上方的情况下这是必要的。在带窗口的线的情形中，优选的是最终厚度在20-50 μ m范围内。较厚型式的安全装置(高达300 μ m)可在包括护照纸页、塑料护照封面、签证、身份证、品牌标识标签、防篡改标签、任何视觉可鉴定的物品的应用中使用。
此外，所述装置可设置在安全文件的透明窗口中，以使得能够在透射时观察到。
现在将参照附图描述根据本发明的安全装置的一些实施例，在附图中图I是纸币的示意性平面图；图2a_2c以平面图示出了安全装置的第一实施例的三种型式的外观；图2d示出了图2a_2c的型式的外观，但是所有图标是相同颜色；图3示意性示出了图2中示出的放大图像的位置；图4A和4B分别以单位单元和部分阵列示出了图2和3中示出的装置的背景；
图4C和4D分别以单位单元和部分阵列示出了图2和3中示出的图像的前景图像；图5以平面图示出了根据本发明的安全装置的第二实施例的外观；图6A和6B分别示出了图5中所示的实施例的背景的单位单元和一部分；图7以平面图示出了根据本发明的安全装置的第三实施例的外观，但是略去一组图像；图8A和SB示出了第三实施例的第一背景阵列的单位单元和一部分；图8A和SB示出了第三实施例的第二背景阵列的单位单元和一部分；图9A-9C示出在不同角度观察时的图7的实施例；图10以横截面示出了用于图2实施例的基于透射的安全装置的示意图；图IOa和IOb分别示出了当应用至基底表面和窗口时的图10的装置；图11以横截面示出了基于反射的安全装置的示意图；图12a和12b示意性示出用于印刷图1_11中所示的安全装置的一部分的设备的两个实施例；图13A-13J示出了不同类型的凹凸微图像；图14到16是与全息安全装置结合的波纹放大安全装置的其他实施例的视图；图17a和17b分别是沿着图14中的线A_A、B-B的截面；以及图18、19和20示出背景图像阵列和对应的单位单元的其他实施例。
具体实施例方式图I示意性示出了纸币1，该纸币具有暴露在窗口中的安全线2，和另一透明窗口
3。纸币I可由纸或聚合物(例如，双轴取向聚丙烯)制成，且安全线2和窗口 3中的一个或者二者包括根据本发明的安全装置。图2-4示出了根据本发明的安全装置的第一实施例。如图2a中可看到的，当正交地即垂直地观察时，安全装置的外观是放大图像元件的第一阵列10，在该情形中，数字‘5’形式的红色图标IOA以由一组放大的、包括成对的大星和小星的蓝色星形成的背景11为衬托。在图3中可更清楚地看到图标IOA和背景11的相对深度，其中‘5’图标11出现在基底7的上表面下方，背景平面11在‘5’图标IOA的下方。图4更详细地示出了安全装置的部件。该图示出背景11由单位单元IlA (图4A)的一个阵列组成，单位单元IlA并排布置在一个阵列中，如图4B中示出的。‘5’图标IOA被形成为单位单元的一个阵列，如图4C和图4D示出的。如图4中示出的，背景阵列11的单位单元IlA在X和Y方向上的间距是A2x和A2y。‘5’图标IOA的间距是Alx、Aly。通常，A2x=A2y，且Alx=Aly。然而，‘5’图标IOA的间距和背景10的单位单元之间存在小的差别。图10以横截面示出了图2-4中所示的装置的整体结构。例如，该装置包括透明的PET或其他聚合物层20 (对应于基底7)，在所述透明的PET或其他聚合物层20的上表面形成球面微透镜22的二维阵列。微透镜22的直径通常在1-100微米的范围内，优选地在
1-50微米的范围内，甚至更优选地在10-30微米的范围内，因此在类似的范围内限定间距。微透镜22的焦距(从它们的平坦背面所测量的)基本等于光学间隔层的厚度t，在该实施例中光学间隔层的厚度t包括基底20的厚度加上在基底20的与微透镜阵列22相对的表面上的印刷接收层(print receptive layer) 21的厚度，以限定一个与印刷接收层的表面基本叠合的焦面24。在印刷接收层21上首先用红色印刷‘5’图标IOA的微图像阵列。接下来，用蓝色印刷背景阵列U。在图10中将看到，两个阵列各自印刷在与焦面24叠 合的印刷接收层21上，尽管背景印刷11还覆盖‘5’图标阵列10，如在25示出的。本发明不限于任何具体类型或几何形状的微透镜，唯一的要求是微透镜可用于形成一个图像。适合于本发明的微透镜包括那些在均质材料的合适的弯曲表面处折射光的微透镜，例如平凸小透镜、双凸小透镜和菲涅尔小透镜。优选地，本发明将包括球面微透镜，但是可利用包括柱面透镜在内的任何对称的透镜。球面表面和非球面表面对于本发明都是适用的。对于微透镜来说并非必须具有弯曲表面。由于折射率的小变化，梯度折射率(GRIN)透镜在大块材料中通过逐步折射对光进行成像。还可使用基于衍射的微透镜，例如菲涅尔波带板。GRIN透镜和基于振幅或掩模(mask)的菲涅尔波带板使得包含微透镜阵列的表面能够是平坦的，并在印刷接受性和耐用性方面提供优势。优选地使用通过复制过程生成的周期性透镜阵列。可由若干种技术制造主微透镜阵列，例如光热技术、光刻胶的熔化和回流，以及光刻胶雕刻。这些技术对于本领域技术人员是已知的，并在由Hans Peter Herzig编辑的、TayIor和Francis出版的、1998年重印的“Micro-Optics:Elements, Systems, and Applications”的第 5 章中进行了详细的介绍。主微透镜结构可随后通过市售的复制技术物理复制，例如热凸印(hot embossing)、模塑或铸造。微透镜结构可被复制进其中的材料包括但不限于热塑聚合物，所述热塑聚合物例如为用于热凸印和模塑工艺的聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，以及用于铸造工艺的可被热或辐射固化的环氧丙烯酸酯材料。在优选的工艺中，微透镜阵列通过铸造而被复制到UV可固化的涂层中，所述UV可固化的涂层施加至例如PET的载体聚合物膜。为简化，下面的实施例和实施方案将描述球面微透镜的使用。为了形成波纹放大现象，并能够生成移动的图像，在微图像阵列和微透镜阵列之间引入间距失配。一种方法是使得微透镜阵列和微图像阵列具有基本相同的间距，其中通过在微图像阵列和微透镜阵列之间引入小转动错位来实现间距失配。微图像阵列和微透镜阵列之间的转动错位的度数优选地在15° -0.05°的范围内，这导致对于微图像阵列的 4X-1000X之间的放大范围。更优选地，转动错位在2° -0.1°的范围内，这导致对于微图像阵列的 25X-500X之间的放大范围。替代地，微图像阵列和微透镜阵列处于基本精确的转动对准中，但是具有小间距失配。小间距失配等同于微图像阵列相对于微透镜阵列的间距的百分比增大/减小在25%-0. 1%的范围内，这导致对于微图像阵列的 4X-1000X之间的放大范围。更优选地，微图像阵列相对于微透镜阵列的间距的百分比增大/减小在4%-0. 2%的范围内，这导致对于微图像阵列的 25X-500X之间的放大范围。还可行的是结合使用小间距失配和小转动错位来产生波纹放大现象，并使得能够生成移动的图像。阵列10、11和球面透镜阵列22之间的间距失配的结果导致不同深度的微图像的波纹放大(如图3中看到的)。所获得的放大程度由"TheMoire magnifier" , M. Hut ley, R Hunt, R Stevens &PSavander, Pure AppI. Opt. 3 (1994) pp. 133-142 中得出的表达式限定。
为了总结该表达式的有关部分，假设微图像间距=A，微透镜间距=B，则放大倍数M由下式给出M=A/SQRT [ (Bcos (Theta) -A)2- (Bsin (Theta))2]其中，Theta等于两个阵列之间的转动角度。对于A古B以及Theta非常小从而cos (Theta) I且sin (Theta) ^ O的情况，M=A/(B-A) =S/(I-S)其中S=B/A。然而，对于大的M，M>>10，则S必须 1，因此M I/(I-S)0合成图像相对于表面平面的深度从与图像的放大倍数相关的常见的透镜等式中得出，所述图像与焦距为f的透镜的平面的距离为V。这时M=v/f-l或者，由于通常v/f>> I，M ^ v/f因此合成放大图像的深度v=M*f。图2a_2c示出了第二阵列11处在相对于第一阵列10的不同配准位置中。关键点是第一和第二阵列元件或图标10AU1A的设计和选择使得当一个阵列的位置相对于另一个阵列的位置变化时，信息、内容、符号相关性或美学外观没有明显的改变，换句话说，两个阵列没有配准敏感性或具有有力的优选配准要求。应注意，由于第二阵列11被第一阵列10所遮蔽或阻挡，所以优选的是图标类型(尤其是那些承载信息的图标类型，例如名称符号或包括字母和数字的符号等)位于第一阵列10中，所述第一阵列10由于位于第二阵列11的前面所以是可见的。此外，在图2示出的实施例中，第二阵列11的每个单位单元IlA由两个相同图标即大星和小星组成，因此用信息术语来说，每个单位单元中存在信息的冗余。该冗余属性意味着，如果在两个阵列之间的某一相对配准处，来自第一阵列的图标样式(图标5)基本遮蔽了较大的星的阵列，则较小的星的图标阵列很容易可见，而没有明显地被第一阵列所遮蔽或干扰。结果，观察者清楚地看到两个合成的放大图标阵列，所述图标阵列包括在装置的表面平面的后方或前方的给定深度处的第一样式的红色5，以及位于第一样式后方的不同图像深度处的第二样式的蓝色星(50%的大星和50%的小星)。从公众认可的角度来说，视觉效果或外观将不会随着第一样式相对于第二样式的位置有明显的不同。总之，对于图2中示出的图像设计，可描述的光学可变效应对于在第一图标阵列10配准至第二阵列11时非可控的制造变化不敏感(即基本是不变的)。这是本发明的一个重要方面。应认识到，针对第一和第二图像阵列10、11使用对比颜色帮助观察者尤其是在单独元件重叠的区域中辨别两个阵列，并因此帮助公众识别和验证这种装置。为了帮助理解色差的益处，在图2d中示出与之前相同的两个图像阵列，但是这次第一和第二阵列都以单种颜色设置/印刷(如同在图2a中，针对示出的阵列具有三个不同的相对位置)。如可看出的，在第一和第二样式的图像元件重叠处，难于将上部第一阵列元件的轮廓与下方第二阵列元件的轮廓区分开，这会混淆观察者或观看者，因此降低了具有多个图像平面的效果。实施例假设图2和图10的结构由焦距f为40 μ m或O. 04mm的微透镜22组成。此外，假设微透镜和支撑基底20都由折射率η为I. 5的材料组成。于是，由此得出，透镜的底部直径D由下面的表达式所限定D彡f*2(n-l)，因此D彡O. 04*2(1. 5-1)，得出D彡O. 04mm。随后可为D选择值O. 035mm,以及为透镜间距B选择值O. 04mm(沿着每个轴线)，从而透镜阵列具有接近于I的f/#数(f/#number),具有合理的密堆积(close packing)(透镜的间隙为5 μ m)。在第一实施例中，假设要求使第一图像阵列10位于基底的表面平面后方的2mm处，且使第二图像阵列11位于表面平面后方的6mm处，(注意，从定义看，表面平面后方的图像是虚拟的，更详细的分析显示它们相对于微图像目标阵列不是倒立的)。 为进一步示意性简化，假设Aly=Alx,且A2y=A2x。假定M=v/f,则由此得出，如果 f=0. 04mm 且 v=2mm,则 Μ1=2/0· 04=50。因此由于Ml=A/ (B-A) =50，由此得出 50 (B-Al)=Al,得出 Al=B (50/51)，将B=O. 04mm 代入，得到 Al=O. 0392mm。类似地，Μ2=6/0·04=150，因此 150 (Β-Α2) =Α2，得出 Α2=Β (150/151) =0. 0397mm。在第二实施例中，假设要求使第一图像阵列11位于表面平面的前方2mm处，而使第二图像阵列11保持位于表面平面后方的6mm处。与前一实施例相反，这里第一图像阵列10会形成一个倒立的实像，因此放大倍数的符号将是负(这由在前面的放大倍数的表达式中为图像距离V分配一个负值而得出)。因此 Ml=-2/0. 04=-50，从而-50 (B-A1) =A1，得出 A1=50/49B=0. 0408mm。因此看到，对于位于表面平面的前方的第一图像(S卩，似乎在漂浮)，其微图像阵列的间距必须大于透镜间距。相反，如果图像间距小于透镜间距，则图像阵列将会出现在表面平面的下方。图IOa和IOb示出了两个示意性附图，分别阐释了基于透镜的波纹系统如何仅在反射模式下运行以及如何既在反射模式又在透射模式下运行。图IOa示出了仅有反射的情景，其中具有与图10的结构类似的结构的装置30被应用至基本不透明基底31或者通过粘结剂层32部分嵌入不透明基底(例如带窗口的线)。在该情形中，观察者观察到的合成放大图像最终源自从微图像阵列10、11和作为微图像阵列背景的介质散射回或者反射回的光。微图像阵列和周围的背景介质之间的反射对比越大，合成的放大图像的视觉对比越强。现在基底31的颜色或反射属性可能不是最优的，例如基底可具有低的反射率或与其中一个微图像阵列类似的颜色。为了解决该问题，在图IOa中示出位于微印刷界面和将装置粘合至基底31的粘结剂层32之间的额外可选的掩膜涂层33。掩膜层33通常包含反射遮光颜料(opacifying pigment),例如但不限于树脂粘合剂中的二氧化钛颗粒。该层的颜色可以是简单的白色或者可添加着色剂以确保该掩膜层或背景反射层呈现与一个或两个微图像阵列形成对比的预期色相。在另一个实施例中，掩膜涂层和其中一个微图像阵列具有明显相同颜色，然而一个或另一实体具有 同色异谱属性。结果，在正常观察时，相关的微图像阵列仅能与不透明掩膜的背景颜色微弱区分开(如果可以区分的话)，然而，当在同色异谱过滤器下观察时，所述微图像阵列或更贴切地其合成放大图像变得非常明显。或者，掩膜涂层可具有荧光添加物，以使得当在荧光灯下观察时，掩膜涂层提供荧光背景，吸收(absorbing)微图像阵列在该荧光背景上形成黑色的合成放大图像。掩膜涂层还可作为耐用性增强层。同色异谱油墨的实施例在GB1407065中提供。再次参考图2，可以第一同色异谱油墨印刷第一微图像阵列10的“5”，以第二同色异谱油墨印刷背景阵列11的星，其中油墨的同色异谱属性使得当在日光中观察时它们表现相同的颜色，但是当在过滤光下观察时两种油墨将表现不同的反射颜色。图IOb示出了其中装置30被至少部分应用在基底31中的透明孔3上方的情景。众所周知的是将安全装置结合进安全文件内的透明孔中(见下文)。在该情形中，合成的放大图像可以在反射和/或透射时通过基底31中的观察孔3观察。观察者在位于位置#1时仅会看到放大图像。如图IOb中示出的，不透明掩膜涂层被略去，从而可在透射时观察到波纹放大系统。还有一个要求是粘结剂层34具有良好的光学清晰度(即，低散射、低吸收)。应注意，如果印刷的微图像10AU1A由基本不透明的油墨或着色剂形成，则当在反射中观察时合成的放大图像会是着色的，但是当在透射中观察时会形成强烈对比的基本黑色的图像。对于在透射时观察着色图像的要求是微图像必须具有某一半透明度。光必须能够穿过印刷的图像，预期的颜色被透射。应认识到，在两个阵列10、11并因此放大图像重叠的区域中会具有额外的颜色混合。例如，如果两个阵列颜色是红色和蓝色，则重叠区域图像是洋红。还注意到，如果观察者从位置#2观察装置，则没有观察到合成/波纹放大图像，而是观察到微图像样式的未改型图像或直接图像。作为替代，安全装置可以制造为如图11中示出的基于镜的波纹装置。在该情形中，球面微透镜阵列22被透明聚合物基底20的一个表面上形成的球面或非球面凹面镜阵列40所替代。另一表面设有如前文的印刷的微图像阵列10、11。应注意，凹面镜的焦距等于其曲率半径R的一半，因此具有接近镜基准直径的四分之一的极限最小值。简而言之，对于给定的基准直径，镜的焦距和F数(F number)可以是等同透镜的值(假设典型的折射率为1.5)的四分之一。然而，因为减小F数等同于减小焦点深度，因此在实际中常期望具有远小于2R的镜基准直径。例如，考虑前文引述的优选的装置厚度，可要求镜焦距为40 μ m，则这要求镜的半径R的值为80 μ m,因此最大的理论基准直径接近160 μ m,因此F数f/#=0. 25mm。该结构旨在仅以反射模式观察，因此对于施加在不透明基底(带&片)或者部分嵌入不透明基底(带窗口的线)是最相关的。针对透镜系统，印刷的微图像与镜的焦面的叠合必须达到一个精度，该精度由焦点的深度或镜系统的场(field)所确定。关键地，平面I微图像阵列10必须首先应用至印刷接收层21或基底，然后应用平面2微图像阵列11。这确保看到属于第一微图像平面I的反射图像在第二微图像平面前方，第一图像平面产生合成的放大图像。此外，由于在作为准直光被镜阵列反射回之前，入射光需要穿过印刷的微图像阵列10、11 (即，空间调制)或被印刷的微图像阵列10、11所透射(即空间调制)，所以由此得出如果印刷的微图像基本不透明，则合成的放大图像会呈现带黑色的颜色或色相，与镜背景提供的金属色相对照。为了使合成的放大图像表现出它们的对应微图像阵列的颜色，则必要的是微图像至少部分半透明。微图像越半透明，合成图像的颜色越亮，然而代价是降低了图像相对于背景的对比。如果镜上的金属涂层是“白色”反射器(例如铝)，则合成图像周围的背景色相或颜色会是银色，外观为白色或消色差。然而，应认识到，可使用其他经济的有色金属，例如铜或其合金。还可使用其他金属，例如银、金、钼、铬、镍、镍-铬、钯、锡等。·在所有实施例中，随着装置倾斜，“5”图标IOA会表现为相对于背景11移动。在每一个情形中，微透镜阵列22或凹面镜阵列40可整体模制到聚合物基底20中，或者在基底20的表面上形成，例如通过铸造固化等。第二实施例在图5和6中示出。这类似于前述实施例，除了背景图像阵列50被一系列重叠的蓝色圆5所限定之外，其中蓝色圆5被单位单元52A所限定。前景阵列10如前所述。在图7-9示出的第三实施例中，设有另一背景层。因此，微透镜阵列或凹面镜阵列设置在基底20的一个表面上(如同图10和11中)，然后蓝色圆52的第二图像元件阵列50印刷在基底的相对表面上。之后，绿色圆62的第三阵列60印刷在蓝色圆52的阵列50上。单位单元53A、62A和这些第二和第三层的阵列的一部分在图8中更详细地示出。蓝色圆52和绿色圆62的间距被选定为使得波纹放大图像出现在不同深度(绿色圆62低于蓝色圆52)，且转而与“5”图标IOA处在不同深度(未在图中示出)。该深度差的效果可在图9中看到，该图示出了当相对于安全装置的法线分别从左侧、对准和右侧观察时安全装置的外观。如图9A-9C中看到的，蓝色圆和绿色圆表现为相对于彼此移动。此外，“5”图标IOA与圆52和62的间距不同，并与圆出现在不同的深度处，并相对于圆移动。在一个情形中，相对间距被选为使得“5”图标IOA在深度方向上出现在圆52和62之间，而在其他实施例中，“5”图标IOA将出现在圆52和62上方。图18、19和20示出背景图像阵列的其他实施例。在图18中，阵列是普通的线条样式，在图19和20中，其是几何形状阵列。如果背景样式的一部分被第一图像阵列隐藏，则这种普通样式提供了多重冗余的优势，且还不需要第一图像区域和背景图像阵列之间的配准。图12a示出了用于在基底上印刷图像元件的设备的一部分。图12中示出的设备包括通过辊链72联接至油墨贮存器74的油墨辊70。油墨通过辊70转移至印刷辊76上，印刷辊76承载对应于所关注的微图像元件阵列的凸出的(proud)印刷元件78。基底20被供给在印刷棍56和加压棍(impression roller) 80之间，图像元件印刷在基底20上。类似于图12a中示出的设备的第二设备设置在所述设备的下游，以印刷下一个图像元件阵列。图12b示出了用于印刷图像元件的替代设备。油墨通过辊70转移至印刷辊82上，印刷辊82承载对应于所关注的微图像元件阵列的凹陷的印刷元件。刮片(doctoringblade) 84接触油墨或着色剂并将油墨或着色剂从印刷辊82的非凹陷区域移除。基底20被供给到印刷辊82和加压辊80之间，图像元件印刷在基底上。类似于图12b中示出的设备的第二设备设置在所述设备的下游，以印刷下一个图像元件阵列。在本发明中，在两个微图像阵列之间没有配准要求，因此没有必要将两个阵列印刷为成一条直线，且可以使用第二离线(off-line)工艺印刷第二阵列。
通过铸造固化、模塑等在基底20的相对表面上形成微透镜和凹面微镜。在上文描述的实施例中，已经通过印刷在基底上来设置微图像元件。还可能的是将一些图像元件或所有图像元件设置为凹凸结构，这样的一些微图像元件的实施例在图13A-13J中示出。在这些图中，“頂”表示生成图像的凹凸部分，而“NI”表示不生成图像的部分。图13A示出了凸印或凹陷图像元件。图13B示出了凹印图像元件。图13C示出了格栅结构形式的图像元件，而图13D示出了蛾眼(moth-eye)或其他微间距格栅结构。这些结构可以组合。例如，图13E示出了在凹陷区域中由格栅形成的图像元件，而图13F示出了在凹印区域上的格栅。图13G示出了粗糙的凸印的使用。图13H示出了在凸印区域上设置印刷，而图131示出了“阿兹特克(Aztec)”形状的结构。图13J示出了填充油墨的凹陷。上文描述的装置构造的不同实施方案可分裂或切割成片、箔(foil)、条(stripe)、带(strip)或线,用于根据已知方法结合进塑料或纸质基底中。在一个实施方案中，本发明可作为带窗口的线结合进安全纸。在另一些实施例中，安全装置还包括一个或多个其他光学安全部件。光学安全部件的一个实施例在图14中示出。在该实施例中，波纹放大装置30按照参考图2和10所描述的而形成。安全装置还包括若干个全息图像生成结构100。全息图像生成结构100可以铸造或凸印至与微透镜相同的树脂中，但是同样地，两种不同的树脂一一种适于铸造微透镜，一种适于凸印全息结构一可以配准地施加。作为替代，全息结构可以凸印进位于聚合层的与微透镜相对的一侧上的聚合漆中。全息生成结构100可以是全息图像元件或DOVID图像元件的形式。在图14中示出的标签构造中，微透镜和两个放大的图像阵列的显示位于标签的中央水平段或区域，而全息生成结构100位于两侧。然而，应理解，该实施例仅是示意性的，例如全息生成结构100可位于中央段或中央带中，且波纹放大器30被设置在两侧的一个或多个区域中。作为替代，波纹放大图像和由全息生成结构提供的图像可组合进单个图像中，每个提供单个图像的一些部件。图15示出了这种组合设计的一个实施例，其中全息生成结构101形成一个卷轴(scroll)，在卷轴的中间，全息结构被波纹放大器30所替代，从而形成一个波纹放大图像，在该情形中为移动的“5”和星。在全息结构100、101的情形中，这些可具有任何常规形式，并可完全或部分金属化。作为替代，反射增强金属化层可被基本透明的无机高折射率层例如ZnS所替代。无论限定何种布置，如果分配有图14和15中两种不同光学效应的单独区域足够大以有助于清楚地看到效果，则是有利的。在前面附图中示出的安全装置适合于作为标签应用至安全文件，安全文件通常要求向装置的接触安全文件的外表面施加热敏粘结剂或压敏粘结剂。此外，光学保护涂层/清漆可被施加至装置的暴露的外表面。保护涂层/清漆的作用是提高装置转移至安全基底上和在循环时的耐用性。在转移元件而非标签的情形中，安全装置优选地预制造在载体基底上，并在随后的工序步骤中转移至基底。可使用粘结剂层将安全装置施加至文件。粘结剂层施加至安全装置，或者安全文件的待施加装置的表面。在转移后，载体带可被移除，留下安全装置作为暴露的层，或者替代地载体层可仍作为结构的一部分，用作外部保护层。用于基于包括微光学结构的铸造固化装置的转移安全装置的方法在EP1897700中描述。 本发明的安全装置还可结合作为安全带或安全线。安全线现存在于世界上的许多货币中，还存在于凭证、护照、旅行者支票以及其他文件中。在许多情形中，线以局部嵌入或带窗口的方式设置，其中线表现为编织进纸中以及从纸中编织出。一种用于制造具有所谓的带窗口的线的纸的方法可在EP0059056中找到。EP0860298和W003095188中描述了用于将较宽的局部暴露的线嵌入纸质基底的不同方法。通常宽度为2-6_的宽线作为附加的暴露区域尤其有用，允许更好地使用例如本发明的光学可变装置。通过将一层透明无色粘结剂施加至所述装置的外表面中一个或两个，如图10和11中示出的装置结构可被用作线。仔细选择与微透镜接触的粘结剂的光学属性是重要的。粘结剂的折射率必须比微透镜材料的折射率低，且微透镜和粘结剂之间的折射率的差越大，透镜的后焦距越短，因此最终的安全装置越薄。通过在任何层中引入可检测的材料，或者通过引入分立的机器可读层，本发明的安全装置可成为机器可读的。对外部刺激起反应的可检测材料包括但不限于荧光材料、磷光材料、红外吸收材料、热致变色材料、光致变色材料、磁性材料、电致变色材料、导电材料以及压致变色材料。所述安全装置中可包括附加的光学可变材料，诸如薄膜干涉元件、液晶材料以及光子晶体材料。这样的材料的形式可以是影像层(filmic layers)或者适合通过印刷应用的有色(pigmented)材料。本发明的安全装置可包括不透明层。图16和17示出了结合在本发明的安全装置内的去金属化(demetallised)图像形式的另一安全部件。观察到所述装置30的放大图像阵列在所述装置的中央段。由于有力的透镜类型动画，这提供了主要的安全效果。如图17中看到的，图16中示出的部件沿着截面A-A的结构如同在图10在示出的。在呈现波纹放大的中央带之外的区域(如沿着截面B-B看到的)，印刷接收层21已经被金属化110。金属层的一部分115被去金属化，以限定去金属化图像，从而能够形成去金属化标记，这可在反射光中观察到，但是更优选地在透射光下观察到。在另一实施例以及参考图11中示出的基于镜的波纹实施例，形成微镜的金属化层可延伸越过微镜，且该层的一部分可被去金属化以限定去金属化图像。
制造局部金属化膜/去金属化膜——其中没有金属存在于受控且清楚限定的区域中——的方法是使用抗蚀剂和蚀刻技术(例如在US-B-4652015中描述)选择性地对区域进行去金属化。用于实现类似效果的其他技术是例如通过掩模真空沉积铝，或者，使用准分子激光器从塑料载体与铝的复合带中选择性移除铝。替代地，可通过印刷具有金属化外观的金属效果油墨-例如由Eckart售卖的MetaIstar 油墨-来提供金属化区域。金属层的存在可用于隐藏机器可读的黑色磁性层的存在。当在所述装置中纳入磁性材料时，所述磁性材料可按照任何设计来应用，但是一般的实施例包括使用磁性轨道(tramline)或使用磁性块来形成编码结构。合适的磁性材料包括铁氧化物颜料(Fe2O3或Fe304)、钡铁氧体或锶铁氧体、铁、镍、钴，及其合金。在本文中，术语“合金”包括诸如下列材料镍钴，铁铝镍钴，及类似物。可使用镍屑(flake)材料；另外，铁屑材料也是合适的。典型的镍屑的横向尺寸在5-50微米范围内，厚度小于2微米。典型的铁屑的横向尺寸在10-30微米范围内，厚度小于2微米。在一个替代的机器可读的实施方案中，可在所述装置结构内的任何位置结合透明磁性层。在W003091953和W003091952中描述了如下合适的透明磁性层该磁性层包含的 磁性材料微粒的尺寸和分布浓度使得该磁性层保持透明。在再一个实施例中，本发明的安全装置可被结合进安全文件，使得所述装置被结合进所述文件的透明区域。所述安全文件可具有由任何常规材料(包括纸和聚合物)形成的基底。本领域中已知用于在这些类型的基底中形成透明区域的技术。例如，W08300659中描述了由透明基底形成的聚合物纸币，所述透明基底的两侧都包括遮光涂层。在所述基底的两侧的局部区域，所述遮光涂层被略去以形成透明区域。EP1141480中描述了一种在纸基底中形成透明区域的方法。EP0723501、EP0724519、EP1398174和W003054297中描述了用于在纸基底中形成透明区域的其他方法。可用如下油墨印刷本发明的一个或多个微图像阵列，该油墨包括对不可见辐射有看得见的响应的材料。发光材料对本领域技术人员是已知的，包括具有荧光或磷光属性的材料。还已知的是使用对不可见辐射有看得见的响应的其他材料，例如光致变色材料和热致变色材料。例如，仅一个放大阵列在正常日光条件下是可见的，第二放大图像仅在UV照射下是可见的。作为替代，两个放大阵列在正常日光条件下表现相同的颜色，且当使用过滤器观察或者当在UV照射下观察时表现不同的颜色。参考图2中的实施例，可用在正常光照条件下不可见但是在UV照射下可见的油墨印刷第二背景星阵列11，在该情形中仅可以在UV照射下观察到放大的星。或者可以用在暴露至UV照射时改变颜色的油墨印刷第一阵列10和第二阵列11中的一个或两个，以使得在UV照射下观察到放大的图像的颜色的变化。
权利要求
1.一种波纹放大装置，包括透明基底，该透明基底承载 i )第一表面上的规则阵列的微聚焦元件，所述聚焦元件限定一个焦面； ii)第一颜色的、位于与所述聚焦元件的焦面基本叠合的平面中的对应的第一阵列的微图像元件； iii)与所述第一颜色不同的第二颜色的、位于与所述聚焦元件的焦面基本叠合的平面中的对应的第二阵列的微图像元件； 其中所述微聚焦元件的间距、所述第一阵列的微图像元件的间距、所述第二阵列的微图像元件的间距以及它们的相对位置使得所述阵列的微聚焦元件与所述第一和第二阵列的微图像元件中的每一个协作，从而由于波纹效应而生成每个阵列的微图像元件的各自的放大型式，并且使得对照由所述第二阵列的微图像元件的放大型式所限定的背景来观察所述第一阵列的微图像元件的放大型式；当所述装置倾斜时，所述第一阵列的微图像元件的放大型式呈现相对于背景的移动；以及 其中所述阵列之间的间距失配被选择为使得所述第一阵列的元件的放大型式出现在所述第二阵列的元件的放大型式的上方或下方。
2.根据权利要求I所述的装置，其中所述微聚焦元件包括微透镜，例如球面小透镜、柱面小透镜、平凸小透镜、双凸小透镜、菲涅尔小透镜和菲涅尔波带板。
3.根据权利要求2所述的装置，其中每个微透镜的直径在1-100微米范围内，优选地在1-50微米范围内，更优选地在10-30微米范围内。
4.根据权利要求I所述的装置，其中所述微聚焦元件包括凹面镜。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述第一阵列的微图像元件的放大型式出现在所述第二阵列的微图像元件的放大型式的前方(或上方)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括 iv)对应的第三阵列的微图像元件，其具有与第一颜色和第二颜色不同的第三颜色，且位于与所述微聚焦元件的焦面基本对准的平面中， 其中所述微聚焦元件的间距和所述第三阵列的微图像元件的间距使得它们协作以由于波纹效应而生成所述第三阵列的图像元件的放大型式，并使得对照由所述第二阵列和第三阵列的微图像元件的放大型式所限定的背景来观察所述第一阵列的微图像元件的放大型式；当所述装置倾斜时，所述第一阵列的微图像元件的放大型式呈现相对于背景的移动，
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述阵列的微聚焦元件的间距和所述第一、第二和第三阵列的微图像元件之间的间距被选为使得所述第一阵列的微图像元件的放大型式出现在所述第二和第三阵列的微图像元件的放大型式之间。
8.根据权利要求6所述的装置，其中所述阵列的微聚焦元件的间距和所述第一、第二和第三阵列的微图像元件之间的间距被选为使得所述第一阵列的微图像元件的放大型式出现在所述第二和第三阵列的微图像元件的放大型式的上方。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中至少一个阵列内的微图像元件是相同的，优选地所述第二阵列内的微图像元件是相同的。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中每个阵列的微图像元件与另一阵列的微图像元件不同。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述第一阵列的微图像元件包括图标，例如符号、几何图形、包括字母和数字的字符、标识和图画。
12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中第二和/或第三阵列的微图像元件限定相应的普通的背景，典型的是基本均匀的背景。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述普通的背景由线条样式例如平行线条(直线条)、简单的几何图形、或复杂的线条结构例如连结环样式所限定。
14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述第一、第二和第三阵列的微图像元件进一步在形状、大小和取向中的一个或多个方面彼此不同。
15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述微图像元件印刷在基底上。
16.根据权利要求1-14中任一项所述的装置，其中所述微图像元件作为基底上的格栅结构、凹陷或其他凹凸样式形成。
17.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述基底包括聚合物，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰胺、聚碳酸酯、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氯乙烯(PVdC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、酸乙二酯(PEN)以及聚丙烯中的一种。
18.根据权利要求17所述的装置，其中所述微聚焦元件阵列和所述微图像的平面之间的距离在1-50微米范围内，优选地在10-30微米范围内。
19.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括位于所述阵列的微图像元件下方的掩膜层，以提供另一背景，对照该背景观察到所述微图像元件的放大型式。
20.根据权利要求19所述的装置，其中所述掩膜层包括反射遮光颜料和荧光材料中的一个或多个。
21.根据权利要求19或20所述的装置，其中所述掩膜层和所述微图像阵列中的一个具有明显相同的颜色，但是其中所述掩膜层和所述微图像阵列中的一个或另一个具有同色异谱属性。
22.一种根据前述权利要求中任一项的安全装置。
23.根据权利要求22所述的安全装置，还包括与所述波纹放大装置相邻或与所述波纹放大装置结合的一个或多个光学可变效应生成结构。
24.根据权利要求22或23所述的装置，所述装置作为安全线、安全标签或安全片形成。
25.根据权利要求22或23所述的安全装置，所述装置设置在例如纸币、身份证等安全文件的透明窗口中。
26.一种设有根据权利要求1-21任一项所述的光学装置的物品。
27.根据权利要求26所述的物品，其中所述物品包括纸币、支票、护照、身份证、真品证书、印花税票以及其他用于保价或证明个人身份的文件中的一种。
全文摘要
一种波纹放大装置包括透明基底(20)，该透明基底承载ⅰ)第一表面上的规则阵列(22)的微聚焦元件，所述聚焦元件限定一个焦面；ⅱ)第一颜色的、位于与聚焦元件的焦面基本叠合的平面中的对应的第一阵列(10)的微图像元件；ⅲ)与第一颜色不同的第二颜色的、位于与聚焦元件的焦面基本叠合的平面中的对应的第二阵列(11)的微图像元件。微聚焦元件(22)的间距、第一和第二阵列(10、11)的微图像元件的间距以及它们的相对位置使得所述阵列的微聚焦元件与第一和第二阵列的微图像元件中的每一个协作，从而由于波纹效应而生成每个阵列的微图像元件的相应的放大型式，并且使得对照由第二阵列的微图像元件的放大型式所限定的背景来观察第一阵列的微图像元件的放大型式；当装置倾斜时，第一阵列的微图像元件的放大型式呈现相对于背景的移动；以及其中阵列之间的间距失配被选择为使得第一阵列的元件的放大型式出现在第二阵列的元件的放大型式的上方或下方。
文档编号G07D7/00GK102869517SQ201180015130
公开日2013年1月9日 申请日期2011年3月1日 优先权日2010年3月1日
发明者B·W·霍姆斯 申请人:德拉鲁国际有限公司