CN103847289B - 具有再现隐藏图像的光学防伪元件及用其制成的产品 - Google Patents

Abstract

本发明针对现有光学防伪技术防伪能力日益减弱的缺陷，提供一种能够克服该缺陷的具有再现隐藏图像的光学防伪元件及用其制成的产品。本发明提供的具有再现隐藏图像的光学防伪元件包括基材，所述基材的表面上的至少部分区域上具有一种或多种闪耀微结构，所述闪耀微结构的方位角、闪耀角按照一定的方式排布，使得当所述闪耀微结构被照明时，在距离所述光学防伪元件一定距离的位置上能够非对称地再现隐藏图像，其中，所述闪耀角为所述闪耀微结构的反射面与所述基材的所述表面的夹角。

Description

具有再现隐藏图像的光学防伪元件及用其制成的产品

技术领域

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产品。

背景技术

为了防止利用扫描和复印等手段产生的伪造，钞票、证卡和产品包装等各类高安全或高附加值印刷品中广泛采用了光学防伪技术，并且取得了非常好的效果。

衍射光变图像（比如全息图、动态衍射图等）是一种常用的光学防伪技术，其既能够实现醒目的大众防伪特征，比如动感、立体、颜色变化等，又能够实现专业人员和专家防伪特征，比如在单色激光照明条件下再现的隐藏图像。衍射光变图像的光学结构通常为浮雕型的衍射光栅，该光学结构在它的±1级衍射光方向上再现图像。为了增加图像的亮度，常常在浮雕光栅表面蒸镀金属反射层。现有衍射光变图像的光栅结构决定了它在±1级方向上对称再现相同的防伪特征。

CN1815296公开了一种利用复合光栅技术生成带有隐藏图像的点阵衍射图的方法。采用该方法形成的衍射图被单色光照明时，在距衍射图一定距离的位置处会对称地再现隐藏图像。

CN1323015公开了一种形成由光栅构成的衍射器件的方法，其通过改变像素衍射光栅的周期和方向来实现在±1级对称地再现隐藏图像。

然而，随着技术的发展，衍射光变图像技术日益普及，其防伪能力正在逐渐减弱。

发明内容

本发明针对现有技术中的上述缺陷，提供一种能够克服该缺陷的具有再现隐藏图像的光学防伪元件及用其制成的产品。

本发明提供一种具有再现隐藏图像的光学防伪元件，该光学防伪元件包括基材，所述基材的表面上的至少部分区域上具有一种或多种闪耀微结构，所述闪耀微结构的方位角、闪耀角按照一定的方式排布，使得当所述闪耀微结构被照明时，在距离所述光学防伪元件一定距离的位置上能够非对称地再现隐藏图像，其中，所述闪耀角为所述闪耀微结构的反射面与所述基材的所述表面的夹角。

本发明还提供一种使用上述光学防伪元件的光学防伪产品。

与现有衍射光变图像激光再现技术相比，根据本发明的光学防伪元件和光学防伪产品具有一些优势：1、现有衍射光变激光再现技术是在±1级衍射光方向上对称地再现相同的信息，而根据本发明的光学防伪元件及其产品则是非对称地再现，即根据本发明的光学防伪元件及其产品能够根据闪耀微结构的方位角、闪耀角的排布而被设计成只在一个方向上再现隐藏图像且对称方向上没有再现图像或者被设计成在一个方向上再现一种隐藏图像且在对称方向上再现另外的图像；2、现有衍射光变激光再现技术只能用单色激光照明来实现隐藏图像的再现，而根据本发明的光学防伪元件及其产品既可以用单色激光实现隐藏图像的再现，又可以被设计成使用白色平行光实现隐藏图像的再现。

附图说明

图1为根据本发明一个实施方式的光学防伪元件的剖面图；

图2为根据本发明一个实施方式的光学防伪元件的俯视图；

图3为根据本发明一个实施方式的光学防伪元件的俯视图；

图4为根据本发明一个实施方式的光学防伪元件的俯视图；

图5为根据本发明一个实施方式的光学防伪元件的俯视图；

图6为根据本发明一个实施方式的光学防伪元件的俯视图；

图7为根据本发明的闪耀微结构的示意图；

图8为根据本发明的闪耀微结构的另一示意图；

图9为根据本发明的闪耀微结构的又一示意图；

图10为根据本发明一个实施方式的光学防伪元件的另一剖面图；以及

图11为根据本发明一个实施方式的光学防伪元件的又一剖面图。

具体实施方式

下面将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。

图1示出了根据本发明一种实施方式的具有再现隐藏图像的光学防伪元件1的剖面图。该光学防伪元件1包括基材20，基材20的表面上的至少部分区域上具有一种或多种闪耀微结构10，所述闪耀微结构10的方位角、闪耀角按照一定的方式排布，使得当所述闪耀微结构10被照明时，在距离所述光学防伪元件1一定距离的位置处能够非对称地再现隐藏图像，其中，所述闪耀角为所述闪耀微结构10的反射面与所述基材20的所述表面的夹角。

闪耀微结构10在基材20的表面上形成了一定的图案，但是当闪耀微结构10被照明时，又能够在一定的观察角度下观察到隐藏图像。

优选地，闪耀微结构10的横向特征尺寸可以为0.5微米至100微米，优选为1.5微米至25微米。

需要说明的是，本发明中提到的“对称”不是严格意义上的空间对称，而是指再现光相对于零级光（以光学防伪元件的表面为镜面时的反射光或者透射光）的关系，例如对于光栅而言，+1级光与-1级光是对称的，+2级光与-2级光是对称的。

图2示出了根据本发明一种实施方式的具有再现隐藏图像的光学防伪元件1的俯视图，其中，该光学防伪元件1的基材的表面（在图2中用xy平面表示，z是垂直于xy平面的垂直轴）上的至少部分区域上具有闪耀微反射结构101，所述闪耀微反射结构101的方位角、闪耀角按照一定的方式排布，使得当所述闪耀微反射结构101被照明时，在距离所述光学防伪元件1一定距离的位置处能够非对称地再现隐藏图像102，其中，所述闪耀角为所述闪耀微反射结构101的反射面与所述基材的所述表面（这里为xy平面）的夹角。在图2所示的实施方式中，当根据本发明的光学防伪元件1的闪耀微反射结构101被照明时，只在一个方向上再现隐藏图像102，而在对称方向上则没有再现图像。

当然，根据防伪的实际需要，根据本发明的光学防伪元件还可以被设计成在一个方向上再现一种图像并在其对称方向上再现另外的图像，如图3所示，通过对闪耀微反射结构201的方位角和闪耀角按照一定的方式排布，使得根据本发明的光学防伪元件被设计成一个方向上再现图像202，并在其对称方向上再现图像203。

图4示出根据本发明的光学防伪元件的另一种实施方式。光学防伪元件3的表面上具有闪耀微反射结构301、302、303、304等，当这些闪耀微反射结构被照明时，分别在不同的角度上再现隐藏图像305、306、307、308等。直接观察光学防伪元件3，眼睛处在305的位置，可以观察到由301区域构成的亮图像，其它区域为暗，同样地，眼睛分别处在306、307、308等位置，可以分别观察到由区域302、303、304等构成的图像，相应地其他区域为暗。眼睛依次从305向306、307、308等位置移动，依次观察到隐藏图像305、306、307、308等，即观察到的是动感或者变换效果的图像。如果301、302、303、304等构成的图像满足视差条件，将会观察到具有景深或者立体效果的图像。

图5示出根据本发明另一种实施方式的光学防伪元件4，该光学防伪元件4具有闪耀微反射结构401，当照明闪耀微反射结构401时，在距离光学防伪元件4一定距离的位置上再现隐藏图像402，再现光继续传播，在更远的另一个位置处再现隐藏图像403。

图6示出根据本发明另一实施方式的光学防伪元件5，该光学防伪元件5具有闪耀微反射结构501，当照明闪耀微反射结构501时，能够再现隐藏图像502，且隐藏图像502为虚像。原则上可以将眼睛贴在光学防伪元件5附近进行观察，然而事实上这样将无法照明。有效的观察方法是借助于光学***503进行观察，因此具有更强的隐蔽性。其中，图6中的图像504是图像502通过光学***503所成的像。

因此，根据本发明的光学防伪元件不仅能够再现实像，而且还能够再现虚像；不仅可以再现立体图像，而且还可以再现平面图像。

在上面结合图2至图6所描述的实施方式中，闪耀微结构均为闪耀微反射结构。但是应当理解的是，在根据本发明的优选实施方式中，闪耀微结构除了可以为闪耀微反射结构之外，还可以为闪耀微透射结构。当闪耀微结构为闪耀微反射结构时，在反射光方向上进行观察和再现隐藏图像。而当闪耀微结构采用闪耀微透射结构时，在透射光方向上进行观察和再现隐藏图像。

再现隐藏图像所采用的照明光通常为平行光，但是也可以是会聚光、发散光，但不能是散射光，否则再现的隐藏图像会模糊不清。

在再现隐藏图像时，所采用的照明光通常为单色照明光。如果闪耀微结构为特征尺寸大于5微米的非衍射结构，也可以用复色光或白光进行照明以实现隐藏图像的再现；如果闪耀微结构为特征尺寸小于5微米的衍射结构，则只能用单色光进行照明以实现隐藏图像的再现，否则再现的隐藏图像会出现色模糊。

观察由闪耀微结构构成的表面图像时，照明光通常为白光。对于闪耀微结构为特征尺寸大于5微米的非衍射结构，图像颜色由构成闪耀微结构的材料（闪耀微结构上不覆盖镀层的情况）或者镀层结构（闪耀微结构上覆盖镀层的情况）决定，比如，若闪耀微结构的表面上镀铝则再现的隐藏图像为白色，若闪耀微结构的表面上镀金则再现的隐藏图像为金黄色，若闪耀微结构的表面上镀有光变材料则再现的隐藏图像随着观察角度的变化而出现颜色变化（将参照后面的实施方式进行详细描述）。对于闪耀微结构为特征尺寸小于5微米的衍射结构，再现的隐藏图像会有彩虹效果。

照明闪耀微结构的照明光的入射角根据设计时确定的入射角进行选择，但在再现隐藏图像时对入射角的要求并不严格。比如所设计的照明光入射角为0°，实际上在±30°甚至更大的范围内都可以再现隐藏图像，只是再现角度和再现位置有相应的变化。这样的优点是，无论是检测隐藏图像，还是观察由闪耀微结构构成的图像元件表面，都很容易实现。

图7-图9示意性的示出了根据本发明的光学防伪元件的几种优选的闪耀微结构的俯视图。

图7所示的闪耀微结构601由微反镜构成，每一个微反镜代表一个像素，其构成眼睛直接观察的图像。微反镜的方位角和闪耀角按照一定方式排布，使得能够实现非对称再现隐藏图像的再现，以及裸眼观察时的动感、变换、立体等效果。对于微反镜，通常认为是非衍射器件，特征尺寸为数微米至数百微米，具体到本发明，作为光学防伪元件的组成部分，微反镜的特征尺寸可以为5μm-100μm，优选为7μm-25μm。

图8所示的闪耀微结构701由闪耀光栅构成，可以将闪耀微结构701划分成多个像素，其中同一像素内的闪耀光栅的空间频率、闪耀角、方位角是相同的，不同像素内的闪耀光栅的空间频率、闪耀角、方位角按照一定规律排布，实现非对称再现隐藏图像的再现以及裸眼观察时的动感、变换、立体等效果。闪耀光栅既可以是衍射光栅，也可以是非衍射光栅，其周期可以为0.5μm-100μm，优选为1μm-25μm。

图8所示的同一像素内的闪耀光栅的空间频率、闪耀角、方位角也可以是变化的，这进一步可以演变成实质上是图9所示的闪耀微结构。

图9所示的闪耀微结构801由空间频率、闪耀角、方位角连续变化的闪耀光栅构成，闪耀光栅的空间频率、闪耀角、方位角按照一定规律分布，实现非对称再现隐藏图像的再现以及裸眼观察时的动感、变换、立体等效果。同样，这种连续变化的闪耀光栅既可以是衍射光栅，也可以是非衍射光栅，其周期可以为0.5μm-100μm，优选为1μm-15μm。

同样地，对于透射型光学防伪元件，也可以具有类似于图7-图9所示的闪耀微透射结构。

在根据本发明的另一实施方式中，如图10所示，光学防伪元件1还可以包括位于基材20和闪耀微结构10之间的压印层903。在根据本发明的各个实施方式中，基材20通常可以为PET、PC、PVC、BOPP等薄膜材料，压印层903一般可以为丙烯酸类材料。为了进一步增加防伪性能，可以在基材20或者压印层903中加入荧光物质，形成荧光信息或图像。

在根据本发明的又一实施方式中，光学防伪元件1还可以包括位于闪耀微结构10的表面上和/或基材20的所述表面上的不具有所述闪耀微结构10的区域上的镀层结构904，如图10所示。镀层结构904可以为金属反射层，金属反射层的作用是增加闪耀微结构10表面的反射率，提高隐藏图像和由闪耀微结构10形成的基材表面图像的亮度。所述金属可以为金、银、铜、铁、锡、镍、铝、铬等及其合金。

镀层结构904还可以为光变镀层，使得能够随着观察角度的变化而发生颜色变化。当位于闪耀微结构10上的镀层结构为光变镀层时，闪耀微结构10可以为非衍射型闪耀微结构和/或衍射型闪耀微结构。当裸眼观察时，衍射型闪耀微结构与光变镀层的结合所呈现的效果类似于全息与光变镀层的结合所呈现的效果，本文不再赘述。

光变镀层可以为本领域技术人员公知的“吸收层/介质层/反射层”三层镀层结构，该镀层结构通常可以采用真空蒸镀的方式制作；吸收层的材质可以为金、银、铜、铁、锡、镍、铝、铬等及其合金，厚度小于20nm，优选为5nm-15nm；介质层的材料可以为MgF、Al₂O₃、SiO₂等折射率小于1.7的透明材料，厚度100nm-1000nm，优选为350nm-750nm；反射层的材质可以为金、银、铜、铁、锡、镍、铝、铬等及其合金，厚度大于15nm，优选为25nm-50nm。对于一个具体的产品，可以根据所要求的光变效果设计三层镀层中各层的参数，比如吸收层为10nm厚的铬、介质层为510nm厚的SiO₂层、反射层为30nm厚的铝，这样正面观察该光学防伪元件为黄绿色，随着观察角度的增大逐渐变为绿、蓝、洋红。

光变镀层也可以为多层介质结构，该结构通常由高低折射率的透明介质交替组成，介质材质可以为MgF、Al₂O₃、SiO₂、MgO、TiO₂、ZnS、ZnO等。

当将光变镀层覆盖在图4所示的闪耀微结构301、302、303、304等上时，能够形成很好的大众防伪特征。作为一个具体的示例，闪耀微反射结构301、302、303、304为不同的非衍射闪耀微反射结构，覆盖在这些闪耀微反射结构301、302、303、304上的光变镀层中的吸收层为10nm厚的铬、介质层为510nm厚的SiO₂层、反射层为30nm厚的铝，则当用一束白光照明时，隐藏图像305、306、307、308的颜色由绿向蓝、洋红变化，直接观察该光学防伪元件表面的图像，眼睛从305依次移动到306、307、308的位置，可以依次观察到这些位置处的图像且颜色由绿向蓝、洋红变化，也就是说，眼睛观察到的是动感光变的效果，这是一种很好的大众防伪特征，易识别，难伪造。

在根据本发明的又一实施方式中，镀层结构904中的部分区域可以是镂空的，从而形成有镂空图像，如图10中的标号905所示。

在根据本发明的又一实施方式中，如图11所示，闪耀微结构10中还可以形成有亚波长微结构1104。在具有亚波长微结构1104的闪耀微结构10上还可以进一步覆盖镀层1103。亚波长微结构1104本身或结合镀层1103能够产生光变、彩色等效果，比如，二维光子晶体结构可以产生彩色效果，镀铝的大深宽比二维亚波长光栅能够产生光学黑效果，带有ZnS镀层的一维亚波长光栅具有旋转光变效果等。闪耀微结构10将这种效果的观察方向改变到闪耀微结构10的闪耀方向上，可以实现彩色动感图像、彩色立体图像。

可以用两种方法设计根据本发明的光学防伪元件。

设计方法一包括以下步骤：1、设计隐藏图像；2、将隐藏图像分割成若干像素；3、确定每一个像素再现时的坐标（x,y,z）；4、将光学防伪元件的表面分割成多个像素，设计照明光的入射角度；5、根据再现图像每一像素坐标（x,y,z）和照明光的入射角度，计算光学防伪元件上对应像素中闪耀微结构的方位角和闪耀角；6、将所得到的参数转化为控制制版设备的文件。

设计方法二为傅利叶变换法，其利用了以下原理：如果隐藏图像与光学防伪元件之间的距离满足远场衍射条件，则光学防伪元件的表面光场是隐藏图像的空间频谱，二者之间是一对傅利叶变换对，该方法可以包括以下步骤：1、设计隐藏图像；2、将隐藏图像进行傅利叶变换，得到它的频谱，这是一个迭代过程，保持隐藏图像的振幅不变和傅利叶变换谱的振幅归一化，最后得到光学防伪元件表面光场的位相分布；3、将光学防伪元件表面光场的位相分布等参数转化为控制制版设备的文件。

利用设计阶段生成的控制文件来控制设备制版进行制版，制成闪耀微结构的原版。可用的制版设备包括但不限于光刻设备、电子束刻蚀设备、离子束刻蚀设备等。然后，利用电铸或UV复制工艺制作生产复制用版。然后，在基材的表面涂布压印层（该步骤可选），并利用模压或者UV生产复制工艺制作闪耀微结构。

当然，根据本发明的光学防伪元件可以进一步带有其他功能层，例如该光学防伪元件还可以包括位于所述基材的所述表面上和/或所述闪耀微结构的表面上的衍射光变特征、干涉光变特征、微纳结构特征、印刷特征、部分金属化特征、荧光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。在该光学防伪元件的表面上还可以包括用于提高该光学防伪元件的耐性的保护层、黏结胶层等，而且如果是烫印型元件，还可以包括剥离层。由于这些是本领域的公知技术，所以不再赘述。

根据本发明的光学防伪元件可以以标识、烫印宽条、贴条、安全线等形式转移或粘贴到承载物上。这些承载物可以是钞票、证券、***、护照等高安全产品，也可以是高附加值商品。

以上结合本发明的优选实施方式对本发明进行了详细描述，但是在不背离本发明范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变形。

Claims (17)

1.一种具有再现隐藏图像的光学防伪元件，该光学防伪元件包括基材，所述基材的表面上的至少部分区域上具有一种或多种闪耀微结构，所述闪耀微结构的方位角、闪耀角按照一定的方式排布，使得当所述闪耀微结构被照明时，在距离所述光学防伪元件一定距离的位置上能够非对称地再现隐藏图像，其中，所述闪耀角为所述闪耀微结构的反射面与所述基材的所述表面的夹角。

2.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其中，所述隐藏图像为立体图像和/或平面图像。

3.根据权利要求2所述的光学防伪元件，其中，所述隐藏图像为虚像和/或实像。

4.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其中，所述闪耀微结构的横向特征尺寸为0.5微米至100微米。

5.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其中，所述闪耀微结构的横向特征尺寸为1.5微米至25微米。

6.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其中，所述闪耀微结构为闪耀微反射结构和/或闪耀微透射结构。

7.根据权利要求6所述的光学防伪元件，其中，所述闪耀微反射结构为微反镜和闪耀光栅中的至少一种。

8.根据权利要求7所述的光学防伪元件，其中，所述闪耀光栅为衍射光栅和/或非衍射光栅。

9.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其中，所述闪耀微结构中还形成有亚波长微结构。

10.根据权利要求1所述的光学防伪元件，该光学防伪元件还包括位于所述基材和所述闪耀微结构之间的压印层。

11.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其中，所述多种闪耀微结构由不同的非衍射闪耀微结构构成，使得所述光学防伪元件呈现动感效果和/或立体效果。

12.根据权利要求1至10中任一项权利要求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闪耀微结构表面上和/或所述基材的所述表面上的不具有所述闪耀微结构的区域上的镀层结构。

13.根据权利要求12所述的光学防伪元件，其中，所述镀层结构中形成有镂空图像。

14.根据权利要求13所述的光学防伪元件，其中，所述多种闪耀微结构由不同的非衍射闪耀微结构构成，所述镀层结构为光变镀层，使得所述光学防伪元件呈现动感光变效果。

15.根据权利要求12所述的光学防伪元件，其中，所述多种闪耀微结构由不同的非衍射闪耀微结构构成，所述镀层结构为光变镀层，使得所述光学防伪元件呈现动感光变效果。

16.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其中，该光学防伪元件还包括位于所述基材的所述表面上和/或所述闪耀微结构的表面上的衍射光变特征、干涉光变特征、微纳结构特征、印刷特征、部分金属化特征、荧光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。

17.一种使用根据权利要求1至16中任一项权利要求所述的光学防伪元件的光学防伪产品。