CN107087404B - 光学可变透明防伪元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对有价物件安全防护的光学可变透明防伪元件(12)，所述防伪元件包括平面的光学可变面状图形，在透视观察时，该光学可变面状图形显现出具有与观察角度相关的多彩变色效果的彩色外观。根据本发明，所述光学可变面状图形包括多个小平面(32)，这些小平面在光照下主要产生光学效应，每个小平面的朝向由相对于面状图形的平面的倾角α以及面状图形的平面(30)内的方位角θ表征，该倾角在0°和45°之间。小平面(32)具有干涉层(36)，该干涉层在透射光下具有与观察角度相关的变色效果，所述光学可变面状图形包括至少两个局部区域(16、18)，每个局部区域具有朝向同一方向的多个小平面(32)，其中，所述至少两个局部区域(16、18)的小平面(32)的相对于所述平面的倾角和/或在所述平面内的方位角彼此不同。

Description

光学可变透明防伪元件
技术领域
本发明涉及一种用于确保有价物件的防伪性的光学可变透视防伪元件，该防伪元件具有平面的光学可变面状图形，在透射光下，该图形表现出具有与观察角度相关的多彩变色效果的彩色外观。
背景技术
有价文件或识别文件等数据载体以及品牌商品等其他有价物件常常带有用于防伪目的的防伪元件，这种防伪元件允许对数据载体的真伪进行核验，同时作为防范非法复制的防护手段。在此方面，透视防伪特征(例如钞票中的透视窗口)越来越受到人们的关注。
但是，在透射光下表现出与观察角度相关的色彩变化的常规透明或半透明防伪元件有许多缺点。例如，众所周知的是，可使用透明或半透明镀膜的全息光栅或透射光栅在透射光下产生衍射色彩，其中，可通过适当地选择光栅周期和光栅的方位角来实现在不同观察角度下呈现出色彩变化的不同效果。但是，这种光栅图像的外观强烈取决于照明条件。在使用点光源照射时，在特定角度下，各个子区可能明亮地闪光，然后闪光又迅速消失；而在漫射环境光照下，只能看到很微弱的衍射效应，或者甚至可能没有衍射效应。而且，察觉到的颜色不仅取决于观察防伪元件的角度，还取决于光源的方向，其中，为了看到第一级衍射色彩，不能将相应的防伪元件正对光源放置，而必须将防伪元件放置在稍稍偏离直接连线的位置。而且，在倾斜防伪元件时，所有七彩颜色会相继闪过，因而发生的变色在很大程度上是不明确的，未经训练的观察者常常将观察到的色彩效果理解为仅仅是色彩斑斓。最后，全息技术在防伪行业之外已变得很普遍，因此现在只能提供很有限的防伪能力。
在另一种方案中，利用薄膜***通过入射光与透射光的干涉产生多种颜色，这些颜色随着观察角度变化。在这种方案中，不同的颜色通常是通过层厚(例如吸收层/介质层/吸收层的三层结构中的介质隔层的厚度)的变化实现的。但是，通过调整层厚来调整所需的颜色是很精细的技术工作。一种可能的方法是对一层或多层介质层进行分区印刷，但是这对于印刷层的均一性的要求很高，并且侧向分辨率受限于相应的印刷方法能够达到的分辨率。而且，采用这种薄膜***，实际上可能无法实现在倾斜时发生图案变化的效果。
另一种方案是使用透明或半透明镀膜的亚波长结构在入射光和透射光下产生颜色，在倾斜该结构时，颜色发生变化。但是，这种亚波长结构很难产生，并且难以按所需的工业规模制造。
发明内容
从上述问题出发，本发明的目的是提出一种上述类型的透视防伪元件，这种透视防伪元件能够克服现有技术的缺点。尤其是，所述透视防伪元件结合了动人的外观和高防伪能力，并且能够按防伪行业所需的工业规模制造。
此目的是通过由独立权利要求限定的特征实现的。本发明的进一步改进是独立权利要求的主题。
根据本发明，在一种通用的光学可变透视防伪元件中，具有以下特征：
-光学可变面状图形包括多个小平面，这些小平面基本上以线光学方式工作，在所有情况下，它们的朝向都由相对于面状图形的平面的倾角α(在0°和45°之间)和面状图形的平面内的方位角表征；
-这些小平面具有干涉层，该干涉层具有在透射光下与观察角度相关的颜色变化；和
-光学可变面状图形包括至少两个子区，这些子区分别具有多个相同朝向的小平面，其中，所述的至少两个子区的小平面的相对于上述平面的倾角和/或上述平面内的方位角彼此不同。
由于光学可变面状图形的上述子区的倾角和方位角在所有情况下对于所有小平面都是相同的，因此每个子区精确地代表相同朝向的小平面的区域。
在一种有利的实施方式中，子区的小平面不仅具有相同的朝向，还具有相同的形状和尺寸。在多种有利的实施方式中，光学可变面状图形上的每个子区所占的面积比所述平面区域的一个单个小平面平均所占的面积至少大50倍，优选至少大100倍，更优选至少大1000倍。因此，子区通常包含大量的单个小平面。
在一种有利的实施方式中，至少两个子区的小平面相对于上述平面的倾角彼此相差5°以上，优选彼此相差10°以上，更优选彼此相差20°以上。可替代或附加地，至少两个子区的小平面在上述平面内的方位角彼此相差45°以上，优选彼此相差90°以上，尤其是彼此相差180°。
面状图形的小平面优选由小片平面形成，这些平面分别由其形状、大小和朝向表征。小平面的朝向由相对于面状图形的平面的倾角α和面状图形的平面内的方位角θ表征。其中，方位角θ是小平面的法向矢量在面状图形的平面上的投影与上述平面的参考方向之间的角度。由于方位角θ取决于参考方向的选择，因此其绝对值不重要，而不同子区的方位角的差值更重要，因为它描述小平面在相关的子区中的不同相对朝向。原则上说，还可以采用曲面型小平面，但是这不是优选的。而且，在曲面型小平面的情况中，朝向可由其区域上的平均法向矢量表征，因而可由平均倾角α和平均方位角θ表征。
小平面的尺寸优选足够大，确保几乎不发生衍射效应，因而小平面基本上以线光学方式工作。尤其是，小平面最好具有大于2微米的最小尺寸，优选具有大于5微米的最小尺寸，尤其是具有大于10微米的最小尺寸。尤其是，对于钞票和其它有价文件应用，小平面优选具有小于100微米的高度，优选具有小于50微米的高度，尤其是具有小于10微米的高度。小平面可有规律地排布，例如按一维或二维周期网格的形式排布，例如锯齿形格栅的形式；或者，小平面也可无规律地布置。
抑制多余的衍射效应的另一种可能方法是使小平面在平面区域的上方在其高度方向上非周期性地彼此偏置。当小平面非周期性地彼此偏置时，相邻小平面的高度之间没有简单、有规律的关联，因此能够可靠地防止相邻小平面反射的光发生结构干涉，从而防止重叠衍射图案的出现。在专利公告WO 2012/055506 A1中详细地说明了这种非周期性的偏置，该专利公告的此方面公开内容结合在本申请中。
原则上说，可以考虑使用能够在透射光下表现出与观察角度相关的变色效果的任何涂层作为干涉层。比较有利的干涉层的第一个例子是具有半透明金属层和介质隔层的薄膜元件，尤其是具有吸收层/介质层/吸收层结构的薄膜元件，其中，银、金、铬或铝等金属可用作吸收层，而二氧化硅、氟化镁或聚合物等可用作介质层。而且，可考虑使用介质层***(尤其是多层***)作为干涉层，尤其是具有至少一个高折射层(例如二氧化钛或硫化锌)的多层结构，优选该多层结构结合有至少一个低折射层(例如二氧化硅或氟化镁)。上述薄膜元件还可包括半导体层(例如硅)，例如，可采用层序为硅/二氧化硅/硅的薄膜结构。在此，除了氧化物外，例如也可使用聚合物作为介质隔层。最后，还可采用液晶层(尤其是采用变色胆甾基液晶的液晶层)作为干涉层。
整个光学可变面状图形最好具有同时施加到所有小平面上的相同干涉层。在施加后，可通过后续工序对干涉层进行结构处理，以产生无干涉层的区域。根据小平面的倾角，干涉层还可具有局部的不同厚度，如下文中所详述。
在一种有利的实施方式中，干涉层的层厚基本上不依赖于镀膜小平面的倾角。这种基本上恒定的层厚例如可通过非定向涂覆法实现，或者利用具有相同折射率的恒定平面间隔形式的胆甾基液晶涂层实现。
在另一种特别有利的实施方式中，小平面具有干涉层，干涉层的层厚随着小平面的倾角α变化，尤其是随着倾角α的增大而减小。本发明人惊奇地发现，利用这种干涉层，能够在不同倾角的小平面之间产生特别强烈的色差。从而，一方面，能够实现颜色范围特别宽的彩色外观，甚至能产生真彩图像；另一方面，通过这种方式能够实现在倾斜面状图形时显现出很强的变色效果。干涉层的这种变化层厚例如可通过定向涂覆法(例如真空汽相沉积法)实现。在这类方法中，小平面的倾角导致有效表面的扩大，从而在倾斜小平面上，单位面积的沉积材料较少，因此最终的层厚强烈取决于小平面的倾角。
小平面最好压印到具有第一折射率的压印漆层中。在干涉层上涂覆具有第二折射率的漆层，第二折射率与压印漆层的第一折射率的差值小于0.3，尤其小于0.1。通过两个漆层的基本上相等的折射率，入射光在穿过防伪元件时不受小平面的局部倾角α的影响，基本上不发生方向偏转，因此能确保在面状图形的平面内均匀的亮度分布。
在一种有利的实施方式中，所述的至少两个子区布置为图案的形式，其中，在透射光下，光学可变面状图形至少在防伪元件的某些倾斜位置显现出具有两种或更多种不同颜色的由子区形成的图案。为此，在这两个子区中，小平面的倾角α和方位角θ与干涉层有利地相互协调，从而子区在一个特定的倾斜位置表现出相同的颜色，而在不同的倾斜位置表现出不同的颜色。这样，防伪元件总体上显示一个图案，在倾斜时，该图案从一个均性幻影区中显现，或者消失到一个均性幻影区中。
由于涂覆的小平面的全彩效果不仅取决于其朝向，还取决于具体选择的干涉层的特性，因此在子区中，小平面的倾角α、小平面的方位角θ和干涉层必须相互协调，以实现所需的色彩效果。
在一种有利的改进形式中，光学可变面状图形包括至少三个子区，这三个子区布置为一个背景区加两个前景区的形式，其中，小平面的倾角α和方位角θ与干涉层相互协调，从而在透射光下，光学可变面状图形：
-在第一倾斜位置处显现第一图案，其中，第一前景区以一种图案颜色显现，第二前景区和背景区以不同于图案颜色的背景色显现，并且
-在第二倾斜位置处显现第二图案，其中，第二前景区以图案颜色显现，第一前景区和背景区以背景色显现。
有利的方式是，在另一种改进形式中，光学可变面状图形包括至少四个子区，这些子区布置为一个背景区、两个前景区和一个重叠区的形式，其中，小平面的倾角α和方位角θ与干涉层相互协调，从而在透射光下，光学可变面状图形：
-在第一倾斜位置处显现第一图案，其中，第一前景区和重叠区以一种图案颜色显现，第二前景区和背景区以不同于图案颜色的背景色显现，并且
-在第二倾斜位置处显现第二图案，其中，第二前景区和重叠区以图案颜色显现，第一前景区和背景区以背景色显现。
在所有构造形式中，光学可变面状图形最好包括至少两个子区，在这些子区中，小平面具有相同的倾角α，但是方位角θ彼此相差180°。倾角α最好大于5°，特别优选大于10°，例如为15°、20°或25°。如下文中所进一步详述，采用这种方式，能够实现具有从一个均性区倾斜出来的图案或倾斜到一个均性区中的图案的倾斜图像。
在光学可变面状图形包括至少四个子区的情况中，有利的方式是，光学可变面状图形包括第一和第二子区，在第一和第二子区中，小平面具有相同的倾角α0，但是方位角θ彼此相差180°，而且，还包括第三和第四子区，在第三和第四子区中，小平面具有不同的倾角α1和α2，并且方位角θ与第一和第二子区中的方位角相差90°或270°。倾角α0最好大于5°，特别优选大于10°，例如为15°、20°或25°。如下文中所进一步详述，采用这种方式，能够非常轻松地实现具有两个不同图案的倾斜图像。
原则上说，利用仅具有三个子区的光学可变面状图形就可实现具有两个不同并且重叠的图案的倾斜图像。但是，对于至少部分地重叠的图案，通常需要对分配给图案的子区进行嵌套，在这些子区中，如下文中所进一步详述的，面状图形被分为窄条或小像素。
在另一种有利的改进形式中，光学可变面状图形包括至少三个子区，在这些子区中，小平面的倾角α和方位角θ与干涉层相互协调，从而在透射光下，子区在倾斜位置呈现红色、绿色或蓝色。这些颜色优选是在非倾斜的防伪元件中产生的，因而当在透射光下垂直观察时能够看到。在另一种有利的改进形式中，光学可变面状图形还可在子区中具有布置为与倾斜小平面对位的黑色掩模，所述黑色掩模用于调节相应子区中的小平面在透射光下的亮度。三个子区与可选的对位布置的黑色掩模一起最好分别呈现真彩图像的分色。采用这种方式，在透射光下，能够在选定的倾斜位置呈现出逼真的真彩图像。
本发明还包括一种具有上述类型的透视防伪元件的数据载体，其中，所述透视防伪元件优选布置在数据载体的窗口区或贯通开口之中或上方。所述数据载体尤其可以是有价文件，例如钞票，尤其是纸质钞票、聚合物材料钞票或薄膜复合材料钞票，但是也可以是识别卡，例如***、银行卡、现金卡、授权卡、国民身份证、或护照等个人证件。
本发明还包括一种制造光学可变透视防伪元件的方法，该方法包括提供基片，所述基片具有平面的光学可变面状图形，在透射光下，该光学可变面状图形显现出具有与观察角度相关的多彩变色效果的彩色外观。根据本发明，所述光学可变面状图形制造有多个小平面，这些小平面基本上以线光学的方式工作，在所有情况下，小平面的朝向由相对于面状图形的平面的倾角α(在0°和45°之间)以及面状图形的平面内的方位角θ表征，小平面具有干涉层，该干涉层具有在透射光下与观察角度相关的变色效果，并且所述光学可变面状图形制造有至少两个子区，这些子区分别具有多个相同朝向的小平面，其中，所述的至少两个子区的小平面的相对于上述平面的倾角和/或平面内的方位角彼此不同。
在一种有利的加工方式中，通过定向涂覆法在小平面上涂覆干涉层，尤其是采用真空汽相沉积法。
附图说明
下面将参照附图说明本发明的更多示例性实施方式和优点，为了提高清晰性，附图不是按比例绘制的。
在附图中：
图1是带有本发明的光学可变透视防伪元件的钞票的示意图；
图2以截面图示意性地示出了图1中的防伪元件的层结构；
图3示意性地示出了具有三层干涉涂层的小平面的计算色谱，这三层干涉涂层包括25纳米厚的第一银层、厚度为d的二氧化硅隔层、以及同样是25纳米厚的第二银层，这些干涉涂层是根据厚度d和入射光线在干涉涂层上的角度施加的；
图4用于说明图2中的具有图3所示的干涉涂层的防伪元件在(a)非倾斜位置和(b)向右倾斜β＝20°的位置出现的倾斜效果；
图5示出了本发明的另一个示例性实施方式的防伪元件，在该防伪元件中，在不同的倾斜位置能够看到不同的图案，其中，图5a以平面图示出了防伪元件的光学可变面状图形分为三个子区，图5b至图5d以截面图示出了防伪元件处于不同倾斜位置时的情况；
图6示出了本发明的另一个示例性实施方式的防伪元件，该防伪元件中的光学可变面状图形分为四个子区；
图7示意性地示出了在光线垂直入射到面状图形的平面上时涂覆的小平面的计算色谱，其中，干涉涂层由三个干涉涂层构成，即，25纳米厚的第一银层、标称厚度为d0的二氧化硅隔层、以及同样为25纳米厚的第二银层，并且隔层的层厚d按照d＝d0cosα的关系随着倾角α而减少，其中，色谱与隔层的标称厚度d0和小平面的倾角α成函数关系；和
图8(a)至8(e)以截面图示出了光学可变面状图形的各个中间制造阶段，该光学可变面状图形具有精确对位布置的黑色掩模，用于展现真彩图像。
具体实施方式
现在将通过用于钞票的防伪元件的例子来说明本发明。为此，图1示出了具有钞票10的示意图，该钞票10具有布置在钞票10的贯通开口14上方的光学可变透视防伪元件12。在透射光下，防伪元件12显现出具有与观察角度相关的多彩变色效果的图案16、18的彩色外观。
在图1所示的示例性实施方式中，当在透射光下垂直观察时，防伪元件12显现出均一的纯黄色区，在该区中，由于没有与背景18的色差，因此无法识别出前景区16的数字"10"。但是，当防伪元件12向右或向左倾斜(标号20-R、20-L)并且按倾斜角度对其进行观察时，前景16和背景18的颜色以不同的方式变化，从而由于色差的原因，在倾斜位置清晰地显现出数字"10"。例如，在向右倾斜时(20-R)，在透射光下，背景区18的颜色从黄色变为绿色，而前景区16的颜色从黄色变为红色。例如，在向左倾斜时(20-L)，会出现相反的变色结果，即，在透射光下，背景区18的颜色从黄色变为红色，而在透射光下，前景区16的颜色从黄色变为绿色。因此，在透射光下，当从不同观察方向观察时，防伪元件12显现出差别很大的外观，而这是透视元件的观察者想不到的，因此防伪元件12具有很高的吸引力和识别价值。
图2以截面图示意性地示出了本发明的防伪元件12的层结构，在图中仅示出了为了对功能原理进行说明所必要的层结构部分。
防伪元件12具有平面的光学可变面状图形，该光学可变面状图形包括多个小平面32，这些小平面基本上以线光学的方式工作。小平面32由小块平面构成，并且分别由其形状、大小和朝向表征。如上文中所述，小平面32的朝向由相对于面状区域的平面30的倾角α和平面30内的方位角θ表征，其中，方位角θ是小平面32的法向矢量46、48在平面30上的投影与参考方向Ref之间的角度。
如图2所示，子区16和18中的小平面32具有相同的倾角α，例如α＝20°；但是方位角θ相差180°，从而子区16中的小平面32向左倾斜，而子区18中的小平面32向右倾斜。
面状图形的小平面32压印到优选为透明的压纹漆34中，并具有方形轮廓，在此示例性实施方式中，小平面32的尺寸为20微米x20微米。小平面32还具有几乎透明或至少半透明的干涉涂层36，在透射光下，干涉涂层36产生与观察角度相关的彩色外观。
干涉涂层36例如可由三层薄膜结构构成，即，两个半透明金属层(例如铝、银、铬、金或铜)、以及位于这两层之间的介质隔层，例如二氧化硅、氟化镁或聚合物。在所述的第一示例性实施方式中，干涉涂层36的厚度与小平面32的倾角α无关。
在干涉涂层36上还施加有漆层38，漆层38具有基本上与漆层34相同的折射率，这确保入射光穿过防伪元件12的各层时不受小平面32的局部倾角α的影响，基本上不发生方向偏转，因此在面状图形的平面内形成均匀的亮度分布。
小平面的干涉涂层36在透射光下产生彩色外观，这取决于入射光相对于光学可变面状图形的平面法线的入射方向以及小平面32的相应倾角，因为这两个因素影响光相对于干涉涂层36的法向的入射角。
图3示意性地示出了具有三层干涉涂层36(25纳米厚的第一银层、厚度为d的二氧化硅隔层、以及25纳米厚的第二银层)的小平面32的计算色谱。在图中，隔层的厚度绘制在横坐标上，而光在干涉涂层上相对于垂直入射(＝0°)光的入射角度绘制在纵坐标上。如图3所示，对于很薄的隔层，在垂直入射的透射光下，颜色最初时在可见光谱范围之外，当隔层的厚度在大约130纳米范围之内时，颜色逐渐转变为蓝色(B)、绿色(G)、黄色(Y)和红色(R)。在经过一段在透射光下无可见颜色的范围之后，此序列又在较大的200纳米至大约350纳米较大层厚范围之内重复。
在图1和图2所示的实施方式中，当采用具有厚度d＝130纳米的二氧化硅隔层的干涉涂层36时，在垂直入射光40下，根据防伪元件12的相应倾斜状态，会出现图4(a)和4(b)中的情况。
图4(a)示出了最初时处于非倾斜位置的防伪元件12，其中，光40平行于平面法线42入射。由于在子区16、18中小平面32的倾角为α＝20°，因此光40相对于干涉层的法线46或48以角度＝20°相同地入射到两个子区中。从图3中的点50能够看出，干涉涂层36在透射光下在两个子区16、18中产生黄色。在此，小平面32的不同方位角对透射光下的颜色没有影响，因为它不会导致光的入射角的变化。由于没有色彩对比，因此在透射光下无法识别出子区16、18，防伪元件12表现为均一的单色区。
在图4(b)中，防伪元件12向右倾斜β＝20°，从而光40不再平行于平面法线42入射，而是与该平面法线42形成夹角β＝20°。由于方位角不同，因此防伪元件12的倾斜在子区16和18中的小平面32上分别具有不同的效果。
在子区16中，入射光40与干涉层法线46之间的角度由于向右倾斜而减小β＝20°，因此光40现在垂直于干涉层36入射(＝0°)。从图3中的点54能够看出，干涉涂层36因而在透射光下在子区16中产生红色。与此相反，在子区18中，入射光40与干涉层法线48之间的角度由于倾斜而增大β＝20°，因此光40现在以＝40°的角度入射到干涉层36中。从图3中的点52能够看出，干涉涂层36因而在透射光下在子区18中产生绿色。
在向左倾斜20°时，情况是相反的，因此在子区18中，光40垂直于干涉层36入射，在透射光下产生红色；而在子区16中，光40以＝40°的角度入射到干涉层36中，在透射光下产生绿色。
图4(a)中所示的在光垂直入射时产生均一的单色外观是两个子区16、18中的倾角α相等并且方位角相差180°的结果。通过选择不同的倾角和/或方位角，能够在其它观察方向上实现均一的色彩效果。例如，在方位角不变时，若在子区18中选择左倾α＝30°作为倾角并在子区16中选择α＝0°作为倾角，则会在左倾15°的倾角方向上产生均一的单色效果。
本发明的防伪元件60还能显现倾斜图像，在这种倾斜图像中，在不同的倾斜位置能看到不同的图案，如下文中参照图5所述。图5(a)以平面图示出了防伪元件60的光学可变面状图形分为三个子区62、64、66，这些子区布置为背景区62、第一前景区64(三角形)和第二前景区66(圆圈)的形式。
在图5(b)至图5(d)中，以截面图示出了防伪元件60处于不同倾斜位置的情况。防伪元件60的结构基本上与图2中的防伪元件12的结构类似，但是包括三个具有不同朝向的小平面32的子区。在前景区64和66中，小平面相对于平面30具有相同的倾角α，例如α＝20°，但是前景区的方位角θ相差180°，因而子区64中的小平面32向右倾斜，而子区66中的小平面32向左倾斜。在背景区62中，小平面32的朝向平行于面状元件的平面，因而具有倾角α＝0°。
在此示例性实施方式中，干涉层36选择为在光线垂直入射时(＝0°)在透射光下产生橙色，在光线以＝10°的角度入射时在透射光下产生黄色，在光线以＝20°的角度入射时在透射光下产生绿色，在光线以＝30°的角度入射时在透射光下产生蓝色。
在图5(b)中所示的非倾斜位置，光40平行于平面法线42入射，因此垂直入射到背景区62的小平面32上，而入射光40总是与第一前景区64的小平面32和第二前景区66的小平面32形成20°夹角。因此，背景区62在透射光下显现出橙色，而两个前景区64、66显现出绿色。
在图5(c)中的位置，防伪元件60向左倾斜β＝10°，从而光40不再平行于平面法线42入射，而是与该平面法线42形成夹角＝10°。在背景区62中，入射光40与干涉层法线72之间的角度由于倾斜而增大β＝10°，因而光40现在以＝10°的角度入射，在透射光下产生黄色，作为背景色。与此相反，在第一前景区64中，入射光40与干涉层法线74之间的角度由于倾斜而减小β＝10°，因而就如背景区62一样，光40现在也以＝10°的角度入射，从而在透射光下产生黄色(背景色)。而在第二前景区66中，入射光40与干涉层法线76之间的角度由于倾斜而增大＝10°，因而光40现在以＝30°的角度入射到干涉层36上，从而在透射光下产生蓝色(图案颜色)。因此，在这个倾斜位置，只能看到第二前景区66的图案，因为第一前景区64的图案与相同颜色的背景区62融合在一起了。
相反的是，在图5(d)所示的位置，防伪元件60向右倾斜β＝10°。在背景区62中，入射光40与干涉层法线72之间的角度由于这种倾斜而再次增大β＝10°，因而光40现在以＝10°的角度入射，在透射光下也产生黄色(背景色)。第一和第二前景区的角色现在互换了。在第一前景区64中，入射光40与干涉层法线74之间的角度由于倾斜而增大β＝10°，因而光40现在以＝30°的角度入射，在透射光下产生蓝色(图案颜色)。与此相反，在第二前景区66中，入射光40与干涉层法线74之间的角度由于倾斜而减小β＝10°，因而像背景区62一样，光40现在以＝10°的角度入射到干涉层36上，从而在透射光下产生黄色(背景色)。因此，在这个倾斜位置，只能看到第一前景区64的图案，因为第二前景区66的图案与相同颜色的背景区62融合在一起了。
在图2和图5所示的示例性实施方式中，出于示例性目的，假定在防伪元件向右/向左倾斜时发生变色。当然，有利的是，根据小平面32的方位角，也可利用不同的倾斜方向(例如向上/向下倾斜)实现变色。
在图5所示的示例性实施方式中，前景区64、66在面状图形的平面内是在空间上彼此分开的，因此不发生重叠。如果想实现重叠的倾斜图案，那么例如可通过对分配给图案的子区进行嵌套来实现。为此，可将面状图形分为窄条或小像素，这些窄条或小像素一方面交替地包含第一前景图案64和背景图案62，另一方面交替地包含第二前景图案66和背景图案62。小条或小像素的尺寸尤其小于300微米，甚至小于100微米，从而面状图形的分割是用肉眼不可辨别的，或者至少是不引人注意的。
但是，具有不同的小平面朝向的三个重叠子区的嵌套形式通常会使得透射光下的色度和/或色彩对比度不能达到可能的最大值，因为嵌套只能产生仅部分地混合的颜色，并且混合色的色度通常比原有颜色的色度低。
但是，利用四个具有不同小平面朝向的子区，能够实现具有极高对比度和丰富色彩的图像，如图6所示。
在防伪元件80中，光学可变面状图形分为四个子区82、84、86、88，这些子区布置为背景区82、第一前景区84(方块，不包括圆弧88)、第二前景区86(圆盘，不包括圆弧88)和重叠区88(圆弧)的形式。第一前景区84加圆弧88构成作为待显现的第一图案的完整方块，第二前景区86加圆弧88构成作为待显现的第二图案的完整圆盘。虽然待显现的两个图案在重叠区88中重叠，但是在透射光下，它们的颜色不是由色彩混合产生的。
为此，四个子区中的小平面的倾角和方位角选择为使得防伪元件80在透射光下在第一倾斜位置显现完整的方形(第一前景区84加圆弧88)，作为具有均一图案颜色的第一图案，并且以不同于图案颜色的背景色显现剩余的面状图形(第二前景区86和背景区82)。在第二倾斜位置，防伪元件80在透射光下显现完整的圆盘(第二前景区86加圆弧88)，作为具有均一图案颜色的第二图案，而剩余面状图形(第一前景区84和背景区82)以背景色显现。
为了实现这种效果，背景区82中的小平面的倾角和方位角选择为使得这些小平面在第一和第二倾斜位置总是产生背景色。第一前景区84中的小平面的倾角和方位角选择为使得这些小平面在第一倾斜位置产生图案颜色，并在第二倾斜位置产生背景色，而第二前景区86中的小平面选择为使得它们在第一倾斜位置产生背景色，并在第二倾斜位置产生图案颜色。最后，在重叠区88中，小平面的倾角和方位角选择为使得这些小平面在第一和第二倾斜位置总是产生图案颜色。因此，共需要四个具有不同朝向的小平面的子区。
各个子区中的所需倾角和方位角例如可通过以下过程确定，其中，假定第一倾斜位置是由防伪元件80从水平位置向上倾斜一定角度90-O导致的，而第二倾斜位置80是由防伪元件向下倾斜相同的角度90-U导致的。
首先，对于第一和第二前景区84、86的小平面，确定在倾斜方向90-O、90-U上的方位角，因此，相对于图中所示的参考方向Ref的方位角θ＝270°或θ＝90°。确定两个前景区的倾角α，使得当镜面向上或向下倾斜时在第一和第二倾斜位置产生所需的图案颜色。这基本上与参照图2所述的过程对应。出于示例目的，在图6中还示出了各个子区中小平面的法向矢量在面状图形的平面上的投影。例如，第一前景区84中的小平面具有倾角α＝25°和相对于参考方向Ref的方位角θ＝270°，如投影法向矢量94所示(方位角通常是从参考方向沿逆时针方向测量的)。相应地，第二前景区86中的小平面也具有倾角α＝25°，但是相对于参考方向Ref的方位角θ＝90°，如投影法向矢量96所示。
与图2类似，子区84、86中的小平面具有相同的倾角α，而方位角θ相差180°。由于布置的对称性，能够确保第一前景区84在透射光下在第一倾斜位置显现出的颜色(图案颜色)与第二前景区86在第二倾斜位置显现出的颜色相同。像第二前景区86在第一倾斜位置显现出的颜色一样，第一前景区84在第二倾斜位置也显现出背景色。
而且，通过一系列实验能够确定涂有选定的干涉涂层的小平面在方位角为0°或180°时在第一倾斜位置显现出图案颜色或背景色时的具体倾角。这些倾角一般取决于干涉涂层的类型、干涉层厚对小平面的倾角的依赖程度、以及嵌入漆层的折射率，但是很容易通过一系列简单的实验确定。例如，结果可能是小平面在第一倾斜位置处在0°方位角和倾角αM时显现图案颜色，而在倾角αH时显现背景色。由于布置的对称性，能够确保小平面在第二倾斜位置也显现这些颜色，因为通过使防伪元件倾斜与第一倾斜位置相同的角度量能够到达所述位置。
这样，重叠区88中的小平面形成有倾角α＝αΜ和方位角θ＝0°或θ＝180°，而背景区82中的小平面形成有倾角α＝αH和方位角θ＝0°或θ＝180°。在图6中绘出了θ＝0°时的相关投影法向矢量98和92。由于不同子区82、84、86、88中的小平面的朝向的选择，因此能够在两个倾斜位置精确地实现上述的外观。
在上文中所述的实施方式中，干涉涂层的厚度与小平面的倾角无关。但是，若选择能够实现获得的层厚取决于小平面的倾角的干涉涂层涂覆方法，则能够产生特别强的色差。例如，这可通过对小平面进行定向真空汽相沉积处理来实现，其中，通过垂直汽相沉积获得的层厚基本上与倾角α的余弦值成正比，即
d＝d0cosα
其中，d0是在非倾斜小平面上获得的标称膜厚。本发明人惊奇地发现，若层厚随着倾角的增大而减小，则能够显著提高图3中所示的不同倾角的小平面之间的色差。
关于这一点，图7示意性地示出了在光垂直入射到面状图形的平面上时涂覆的小平面的计算色谱，其中，干涉涂层由三层干涉涂层构成，即，25纳米厚的第一银层、标称厚度为d0的二氧化硅隔层、以及同样25纳米厚的第二银层。在此假定，在具有倾角α的小平面中，隔层的实际层厚d按照关系d＝d0cosα随着倾角减小。在图中，标称厚度d0在横坐标上绘出，而小平面的倾角α在纵坐标上绘出。
通过图3和图7的对比能够看出，利用与倾角相关的层厚，能够实现高得多的色差。由于只需在压印漆层34中进行压印即可产生具有不同倾角的小平面，因此能够以很高的精确性(彼此仅相差数微米)布置颜色显著不同的子区。
上文所述的示例性实施方式不仅可通过具有恒定厚度的干涉涂层实现，还有利地可通过具有与倾角相关的厚度的干涉涂层实现，从而例如能够产生具有特别强烈的色彩对比度的倾斜图像。
在此方面，尤其值得注意并令人惊奇的是，在一些干涉层***中，根据小平面的倾角，在特定层厚时，可利用同一层干涉涂层在透射光下产生红、绿、蓝三原色。例如，在图7所示的层***中，在透射光下的红色(点100)是在d0＝330纳米标称隔层厚度和α＝0°倾角时产生的，在透射光下的绿色(点102)是在α＝25°倾角时产生的，在透射光下的蓝色(点104)是在α＝40°倾角时产生的。
采用这种方式，通过适当地布置红色、绿色和蓝色小区域，能够在透射光下产生真彩图像，因为任何所需的颜色都可表现为这些三基色的加色法混合色。为此，子区例如形成为类似于常规RGB显示屏中的那种的小像素和小条。
为了能够产生逼真的真彩图像，必须能够按所需的方式调节各个像素中的色区的亮度。为此，各个像素的色区可印刷在黑色基底上，或者镀有不透明的金属膜，其中的技术难题是叠印层或涂层的布置必须精确对位。
具体而言，用于表现真彩图像的光学可变面状图形可按照如图8所示的方式制造有精确对位的黑色掩模。图8(a)至8(e)以横截面示出了光学可变面状图形110的各个中间制造阶段，其中，在所有情况下仅示出了面状图形的一小部分，即，具有红色区114-R、绿色区114-G和蓝色区114-B的单个彩色像素112。该彩色像素112的尺寸例如为100微米x100微米。
请参考图8(a)，在红色区114-R中，在漆层34中压印有具有倾角α＝0°的小平面32(与图7中的点100对应)，在绿色区114-G中，压印有具有倾角α＝25°的小平面32(与图7中的点102对应)，在蓝色区114-B中，压印有具有倾角α＝40°的小平面32(与图7中的点104对应)。对于每个颜色区，在小平面32之间布置有凸起部116，该凸起部116随后形成黑色区，凸起部116与小平面的面积比是按照相应颜色区中的所需亮度选择的。例如，当在所示的彩色像素112中的红色成分需要具有70％亮度时，小平面占色区112-R的总面积的70％，而凸起部占30％。
随后，利用选定的干涉涂层36(例如上述的三层***，即，25纳米厚的第一银层、330纳米标称厚度的二氧化硅隔层、以及25纳米厚的第二银层)形成整体的压印漆层34，如图8(b)所示。至少二氧化硅隔层是通过定向涂覆法产生的，例如通过垂直汽相沉积产生，从而获得隔层的实际层厚依赖于小平面的倾角α的特性。
然后，如图8(c)所示，仅除去凸起部116上的干涉涂层36。例如，这可通过金属转移法实现，如文献DE 10 2010 019 766 A1中所述；或者，例如可在涂覆的漆层上整体印刷抗蚀层，并将该抗蚀层处理为仅在小平面的凹陷部中留有抗蚀剂，并且可刻蚀掉未被抗蚀剂遮盖的凸起部上的干涉涂层36。
现在，在面状图形的另一侧涂黑化光刻胶118，如图8(d)所示，并从上侧透过部分涂覆的面状图形(标号120)曝光，如图8(e)所示。曝光量选择为使得透过干涉层曝光的光刻胶在显影过程中被除去，但是透过无干涉层的凸起部116曝光的光刻胶被保留下来。采用这种方式，在显影后，在面状图形的背面获得黑色掩模122，所述黑色掩模在不存在带有干涉层36的小平面32的精确位置变黑，如图8(f)所示。然后，通过进一步的方法步骤对图8(f)中的面状图形进行进一步处理，以形成最终的防伪元件，例如在干涉涂层36上涂覆另一层漆层38，或者涂覆附加的保护层或功能层。
在另一种方法中，在图8(b)的步骤中，可以首先涂覆一层辅助层(例如不透明的铝层)，而不是所述的干涉涂层，所述辅助层仅用于光刻胶118的结构化。在对光刻胶118进行结构化以便在图8(f)的步骤中产生黑色掩模后，完全除去该辅助层，并整体涂覆所需的干涉层36。这种方法的优点是，不要求干涉涂层能够作为曝光步骤中的可靠曝光掩模(图8(e))，也不要求干涉涂层易被刻蚀掉(图8(c))。相反，可以选择针对这些要求优化的辅助层，而在选择干涉涂层时仅需考虑所需的发色特性。
但是，原则上说，也可使用其它方法产生黑色掩模，例如通过金属转移法、蚀刻法、或者由压印结构直接或间接控制的激光烧蚀法等。
标号列表
10 钞票
12 透视防伪元件
14 贯通开口
16 前景
18 背景
20-R、20-L 倾斜方向
30 面状区域的平面
32 小平面
34 压印漆层
36 干涉涂层
38 漆层
40 入射光
42 平面法线
46、48 干涉层法线
50、52、54 图3中的点
60 防伪元件
62、64、66 子区
72、74、76 干涉层法线
80 防伪元件
82、84、86、88 子区
90-O、90-U 倾斜方向
92、94、96、98 投影法向矢量
100、102、104 图7中的点
110 光学可变面状图形
112 颜色像素
114-R、114-G、114-B 颜色区
116 凸起部
118 光刻胶
120 曝光
122 黑色掩模
Ref 参考方向

Claims (32)

1.一种用于对有价物件安全防护的光学可变透视防伪元件，该防伪元件具有平面的光学可变面状图形，在透射光下，该图形表现出具有与观察角度相关的多彩变色效果的彩色外观，
其特征在于：
-光学可变面状图形包括多个小平面，这些小平面基本上以线光学方式工作，在所有情况下，它们的朝向都由相对于面状图形的平面的倾角α和面状图形的平面内的方位角θ表征，倾角在0°和45°之间；
-这些小平面具有干涉层，该干涉层具有在透射光下与观察角度相关的颜色变化；和
-光学可变面状图形包括至少两个子区，这些子区分别具有多个相同朝向的小平面，其中，所述至少两个子区的小平面的相对于所述平面的倾角和/或所述平面内的方位角彼此不同。
2.如权利要求1所述的透视防伪元件，其特征在于，光学可变面状图形上的每个子区所占的面积比所述平面区域的每单个小平面平均所占的面积至少大50倍。
3.如权利要求2所述的透视防伪元件，其特征在于，光学可变面状图形上的每个子区所占的面积比所述平面区域的每单个小平面平均所占的面积至少大100倍。
4.如权利要求3所述的透视防伪元件，其特征在于，光学可变面状图形上的每个子区所占的面积比所述平面区域的每单个小平面平均所占的面积至少大1000倍。
5.如权利要求1至4任一项所述的透视防伪元件，其特征在于，所述的至少两个子区的小平面相对于所述平面的倾角彼此相差5°以上，和/或至少两个子区的小平面在所述平面内的方位角彼此相差45°以上。
6.如权利要求5所述的透视防伪元件，其特征在于，所述的至少两个子区的小平面相对于所述平面的倾角彼此相差10°以上，和/或至少两个子区的小平面在所述平面内的方位角彼此相差90°以上。
7.如权利要求6所述的透视防伪元件，其特征在于，所述的至少两个子区的小平面相对于所述平面的倾角彼此相差20°以上，和/或至少两个子区的小平面在所述平面内的方位角彼此180°。
8.如权利要求1至4中任一项所述的透视防伪元件，其特征在于，每个小平面具有干涉层，该干涉层的厚度随着小平面的倾角α而变化。
9.如权利要求8所述的透视防伪元件，其特征在于，该干涉层的厚度随着小平面的倾角α的增大而减小。
10.如权利要求1至4中任一项所述的透视防伪元件，其特征在于，所述的至少两个子区布置为图案的形式，从而在透射光下，光学可变面状图形至少在防伪元件的某些倾斜位置显现出由子区形成的具有两种或更多种不同颜色的图案。
11.如权利要求1至4中任一项所述的透视防伪元件，其特征在于，在所述子区中，小平面的倾角α和方位角θ与干涉层相互协调，从而子区在某个倾斜位置表现出相同的颜色，而在其它倾斜位置表现出不同的颜色。
12.如权利要求1至4中任一项所述的透视防伪元件，其特征在于，所述光学可变面状图形包括至少三个子区，这些子区布置为一个背景区加两个前景区的形式，其中，小平面的倾角α和方位角θ与干涉层相互协调，从而在透射光下，光学可变面状图形：
-在第一倾斜位置处显现第一图案，其中，第一前景区以一种图案颜色显现，第二前景区和背景区以不同于图案颜色的背景色显现，并且
-在第二倾斜位置处显现第二图案，其中，第二前景区以图案颜色显现，第一前景区和背景区以背景色显现。
13.如权利要求1至4中任一项所述的透视防伪元件，其特征在于，所述光学可变面状图形包括至少四个子区，这些子区布置为一个背景区、两个前景区和一个重叠区的形式，其中，小平面的倾角α和方位角θ与干涉层相互协调，从而在透射光下，光学可变面状图形：
-在第一倾斜位置处显现第一图案，其中，第一前景区和重叠区以一种图案颜色显现，第二前景区和背景区以不同于图案颜色的背景色显现，并且
-在第二倾斜位置处显现第二图案，其中，第二前景区和重叠区以图案颜色显现，第一前景区和背景区以背景色显现。
14.如权利要求1至4中任一项所述的透视防伪元件，其特征在于，所述光学可变面状图形包括至少两个子区，在这些子区中，小平面具有相同的倾角α，但是方位角θ彼此相差180°。
15.如权利要求1至4中任一项所述的透视防伪元件，其特征在于，所述光学可变面状图形包括第一和第二子区以及第三和第四子区，在第一和第二子区中，小平面具有相同的倾角α0，但是方位角θ彼此相差180°而在第三和第四子区中，小平面具有不同的倾角α1和α2，并且方位角θ与第一和第二子区中的方位角相差90°或270°。
16.如权利要求1至4中任一项所述的透视防伪元件，其特征在于，所述光学可变面状图形包括至少三个子区，在这些子区中，小平面的倾角α和方位角θ与干涉层相互协调，从而在透射光下，子区在倾斜位置呈现为红色、绿色或蓝色。
17.如权利要求16所述的透视防伪元件，其特征在于，所述光学可变面状图形在子区中还具有布置为与倾斜小平面对位的黑色掩模，所述黑色掩模用于调节相应子区中的小平面在透射光下的亮度。
18.如权利要求16所述的透视防伪元件，其特征在于，三个子区以及对位布置的黑色掩模分别呈现真彩图像的分色。
19.如权利要求1至4中任一项所述的透视防伪元件，其特征在于，所述小平面是压印到具有第一折射率的压印漆层中的，并且在干涉层上涂覆具有第二折射率的漆层，第二折射率与第一折射率的差值小于0.3。
20.如权利要求19所述的透视防伪元件，其特征在于，第二折射率与第一折射率的差值小于0.1。
21.如权利要求1至4中任一项所述的透视防伪元件，其特征在于，所述干涉层由具有半透明金属层和介质隔层的薄膜元件构成，介质层结构具有至少一个高折射层。
22.如权利要求21所述的透视防伪元件，其特征在于，介质层结构结合有至少一个低折射层，或者包括至少一个胆甾醇型液晶层。
23.如权利要求1至4中任一项所述的透视防伪元件，其特征在于，所述小平面基本上形成为平面元件。
24.如权利要求1至4中任一项所述的透视防伪元件，其特征在于，所述小平面布置为周期网格的形式，或者所述小平面是非周期性布置的。
25.如权利要求24所述的透视防伪元件，其特征在于，所述小平面形成锯齿型格栅。
26.如权利要求1至4中任一项所述的透视防伪元件，其特征在于，所述小平面具有大于2微米的最小尺寸，和/或所述小平面具有小于100微米的高度。
27.如权利要求26所述的透视防伪元件，其特征在于，所述小平面具有大于5微米的最小尺寸，和/或所述小平面具有小于50微米的高度。
28.如权利要求27所述的透视防伪元件，其特征在于，所述小平面具有大于10微米的最小尺寸，和/或所述小平面具有小于10微米的高度。
29.一种具有如权利要求1至28中任一项所述的透视防伪元件的数据载体，其中，所述透视防伪元件布置在数据载体的窗口区或贯通开口之中或上方。
30.一种制造光学可变透视防伪元件的方法，包括提供基片，所述基片具有平面的光学可变面状图形，在透射光下，该光学可变面状图形显现出具有与观察角度相关的多彩变色效果的彩色外观，其特征在于，
-所述光学可变面状图形形成为具有多个小平面，这些小平面基本上以线光学方式工作，在所有情况下，小平面的朝向都由相对于面状图形的平面的倾角α和面状图形的平面内的方位角θ表征，所述倾角在0°和45°之间；
-这些小平面具有干涉层，该干涉层具有在透射光下与观察角度相关的颜色变化；和
-所述光学可变面状图形制造为具有至少两个子区，这些子区分别具有多个相同朝向的小平面，其中，所述至少两个子区的小平面相对于所述平面的倾角和/或所述平面内的方位角彼此不同。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，通过定向涂层法在小平面上涂覆干涉层。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，通过真空汽相沉积法在小平面上涂覆干涉层。
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