CN1646328A - 具有宏观结构的安全元件 - Google Patents

Abstract

一种用于粘贴到证件(3)上的安全元件(2)，包括塑性材料的层复合物(1)，并具有嵌入的光学有效结构的图案(4)。图案(4)的表面部分(13)中的光学有效结构位于由坐标(x；y)定义的层复合物(1)的基准平面中，并成形在反射界面中。该界面嵌入在层复合物(1)的透明成形层和保护层之间。至少一个表面部分(13)的尺寸大于0.4mm，并在界面中具有至少一个成形的宏观结构(M)，该宏观结构(M)是坐标(x；y)的至少部分稳定的可微分的函数。宏观结构(M)在部分区域中弯曲，并且不是周期性三角或矩形函数。在表面部分(13)中，宏观结构(M)的相邻极值相互离开至少0.1mm。当用光照亮图案(4)时，当改变观察方向时，在安全元件(2)上可看见光学可变图案的光反射现象。

Description

具有宏观结构的安全元件

本发明涉及具有在权利要求1的分类部分中提及的宏观结构的安全元件。

这样的安全元件包括塑性材料的薄层复合物，其中至少光修正起伏结构和平面镜表面嵌于所述层复合物中。从所述薄层复合物裁剪下的安全元件粘贴在物品上，用于校验物品真实性。

例如，在US No.4 856 857中描述了所述薄层复合物的结构和可使用的材料。还从GB2129739A中得知可借助载膜将薄层复合物应用于物品上。

本说明书的公开部分中提出的配置类型也可从EP0429728B1中得知。在该情况下，粘贴在证件上的安全元件具有光学可变表面图案，光学可变表面图案可从EP0105099A1或EP0375833A1中得知，并包括配置成具有已知的衍射结构和其它光修正起伏结构的类似感光嵌镶幕(mosaic-like)的表面部分。从而，不能无清晰痕迹地用从真实的证件剪下或拆下的安全元件提供用于伪造外观上的真实性的伪造证件，安全轮廓(profile)压纹在安全元件以及与安全元件的毗连部分。压纹安全轮廓(profile)的操作干扰光学可变表面图案的识别。特别地，安全元件上的压纹阳模(embossing punch)的位置在证件的一个例子与另一例子之间是变化的。

早期，也已知在特别重要的证件中，通过施加封印来验证证件的真实性。封印包括具有复杂和昂贵配置的起伏图像。

本发明的目的是提供具有新颖的光学效应的价廉的安全元件，所述安全元件包括薄层复合物并且固定到要被验证的物品上。

根据本发明，上述目的是通过一种安全元件来实现的，该安全元件包括配置在由坐标轴(x；y)定义的基准平面中的层复合物，所述层复合物包括塑性材料的成形层和具有嵌入的光学有效结构的塑性材料的保护层，所述光学有效结构形成图案并在图案的表面部分成形在成形层中，并且形成嵌入在层复合物的透明成形层与保护层之间的反射界面，至少在界面处作为光学有效结构的尺寸大于0.4mm的表面部分具有至少一个成形的宏观结构(M)，所述宏观结构的相邻极值之间彼此离开至少0.1mm，并且所述宏观结构(M)是坐标(x；y)的至少部分稳定的可微分的函数，该函数至少在部分区域内弯曲，并且不是周期的三角形或矩形函数。

在附加的权利要求书中提出本发明的有利配置。

在下文及附图中详细地描述和说明了本发明的实施例，附图中：

图1示出了证件上的安全元件，

图2示出了穿过层复合物的横截面，

图3示出了宏观结构上的反射，

图4示出了消光结构上的散射，

图5示出了具有衍射光栅的宏观结构的附加叠加，

图6示出了安全元件的两个宏观结构的横截面，以及

图7示出了不同倾角下的安全元件。

参考图1，参考标号1表示层复合物、2表示安全元件、3表示证件。在层复合物1中，安全元件2具有在图案4的区域内扩展的宏观结构M。安全元件2布置在由坐标轴x，y定义的抽象的基准平面内。宏观结构M是坐标x，y的一对一的、部分稳定的可微分的函数M(x，y)。函数M(x，y)描述至少在部分区域内弯曲的表面，其中在部分区域内ΔM(x，y)≠0。宏观结构M是三维表面，其中x，y是在宏观结构M的表面上的点P(x，y)的坐标。平行于同图1中的图平面垂直的坐标轴x地测量点P(x，y)离基准平面的间距z(x，y)。在一个实施例中，由具有从上述EP0375833A1中得知的诸如平面镜表面、光衍射、微观精细光栅结构、消光结构等之类的光修正结构的表面图案38包围图案4。特别地，在一个实施例中，对于上述EP0375833A1的图案，如图1所示，图案4的表面被细分成类光栅(raster-like)，每个光栅(raster)元件至少被细分成两个场分量。例如，在场分量之一中成形的是函数M(x，y)的对应分量，而表面图案38的感光嵌镶幕(mosaic)元素在另一个中成形。在另一个实施例中，在图案4上配置任何形状的表面图案38的窄线元素和/或其它感光嵌镶幕(mosaic)元素。有利的是所述线和感光嵌镶幕(mosaic)元素的尺寸在一个方向上的范围为0.05mm和1mm之间。在又一实施例中，安全元件2在图案4外的边缘带中是透明的。

图2示出了当层复合物1粘贴在证件3上时穿过层复合物1的横截面。层复合物1包括连续地应用在载膜(这里未显示)上的各不相同的塑性层的多个层部分，并且一般以特定的顺序包括覆盖层5、成形层6、保护层7和粘合层8。相对于入射光线9，至少覆盖层5和成形层6是透明的。穿过覆盖层5和成形层6可看到图案4。

如果保护层7和粘合层8也是透明的，那么可通过透明位置10看见施加在基片3的表面上的标记(这里未显示)。透明位置10配置在例如图案4内及/或在包围图案4的安全元件2的边缘带内。在一个实施例中，边缘带是完全透明的，而在另一个实施例中，它仅在预定的透明位置10处是透明的。在一个实施例中，载膜可以是覆盖层5本身，而在另一个实施例中，如上述GB2129739A中所述的那样，载膜用于薄层复合物1施加到基片3，其后，从层复合物1上移除。

成形层6和保护层7间的公共接触面是界面11。用结构高度H_st在成形层6中成形图案4(图1)的宏观结构M的光学有效结构12。当保护层7填满光学有效结构12的凹谷时，函数M(x，y)描述界面11。为了在光学有效结构12方面获得高度的有效性，可通过金属涂层形成界面11，所述金属涂层较佳地包括来自上述US NO.4856857中的表5中的元素，特别是铝、银、金、铜、铬、钽等，该金属涂层作为反射层分隔成形层6和保护层7。在界面11处，相对于可见入射光9，金属涂层的导电率提供了高度的反射能力。然而，代替金属涂层，例如上面提及的US NO.4856857中的表1和表4中列出的已知的透明无机电介质中之一的一个或更多个层也是合适的，或者反射层具有多层干涉层，如双层金属电介质组合或金属-电介质-金属组合等。在一个实施例中，构造反射层，也就是说，它仅部分地覆盖界面11，并使得界面11在预定的透明位置10处暴露。

以具有多个相互并置的图案4的副本的长膜幅(film web)的形式按塑性层压板制造层复合物1。例如，从膜幅上裁剪下安全元件2，并通过粘合层8把安全元件2接合到证件3上。证件3包含纸币、银行卡、通行证或身份证、或其它重要或贵重的物品。

对于简单的图案4，宏观结构M(x，y)由一个或多个表面部分13(图1)组成，其中通过数学函数描述表面部分13中的宏观结构M(x，y)，例如M(x，y)＝0.5·(x²+y²)·K、M(x，y)＝a·{1+sin(2πF_x·x)·sin(2πF_y·y)}、M(x，y)＝a·x^1.5+b·x、M(x，y)＝a·{1+sin(2πF_y·y)}，其中，F_x和F_y分别为在坐标轴x和y方向上的周期性宏观结构M(x，y)的空间频率F。在图案4的另一个实施例中，宏观结构M(x，y)周期地由另一个数学函数的预定部分组成，并且在表面部分13中具有一个或多个周期。空间频率F的值至多为20线/mm，并较佳地小于值5线/mm。表面部分13的尺寸至少在一个方向上大于0.4mm，以便图案4中的细节可用肉眼察觉。

在另一个实施例中，一个或多个表面部分13形成起伏图像(relief image)作为图案4，在这种情况下，界面11沿着起伏图像的表面，而不是宏观结构M的简单数学函数。图案4的例子在诸如诸如封印、硬币、奖章等的浮雕或压纹图像中可以找到。

在更进一步的实施例中，宏观结构M再现其它可见的三维的表面性质，例如殆周期(almost period)织纹或网络、多个规则或不规则排列的相对简单地构造的物体等的纹理。对于可使用的宏观结构M的枚举并不完全，因为宏观结构M的多样性是部分稳定并可区分的，以及至少在部分区域内ΔM(x，y)≠0。

可以不必在证件3上把层复合物1施加地太厚。一方面，证件3将难以堆叠，另一方面，厚的层复合物1会提供用以把层复合物1从证件3分离的接合表面。层复合物1的厚度根据预定的用途而不同，并且典型地在3μm至约100μm的范围内。成形层6仅是层复合物1的一部分，从而，相对于成形在成形层6中的宏观结构M来说，从层复合物1的结构的观点来看是可允许的结构高度H_st限于小于40μm的值。另外，在成形宏观结构M时所包含的技术困难随着结构高度的增加而增加，从而，关于结构高度H_st的较佳值小于5μm。关于宏观结构M的剖面高度(profile height)h是点P(x，y)相对于基准平面的值z＝M(x，y)与相对于基准平面的最小间隔z₀的点P(x₀，y₀)处的值z₀＝M(x₀，y₀)之间的差，即剖面高度h＝z(x，y)-z₀。

图2中并非真实度量的图通过例子说明了作为成形于成形层6中的具有光学有效结构12和起伏高度h_R的成形结构A的界面11。成形结构A是坐标轴x和y的函数A(x；y)。层复合物1的高度沿着坐标轴z扩展。因为将要成形的宏观结构M可以超过结构高度H_st的预定值，所以位于图案4的每个点P(x，y)处的宏观结构M的剖面高度h受限于成形结构A的预定变量值H。一旦宏观结构M的剖面高度h超过值H，就从剖面高度h减去值H，直至成形结构A的起伏高度h_R小于值H，即h_R＝剖面高度h以值H为模。相应地，宏观结构M也用相对于数微米厚的层复合物1中的剖面高度h的高值来成形，在这种情况下，出于技术原因而产生的不连续位置14出现在成形结构A中。

因此，成形结构A：A(x；y)＝{M(x；y)+C(x；y)}以值H为模-C(x；y)的不连续位置14不是关于叠加函数M(x；y)的极值。在这个方面，函数C(x；y)的量受限于某一值范围，例如限制到结构高度H_st的一半。相同地，在图案4的某些配置中，出于技术原因，关于H的值可能局部不同。成形结构A的值H限制为小于30μm，并且较佳地在H＝0.5μm和H＝4μm的范围之间。在衍射结构S(x；y)的一个实施例中，局部变化值H由下述事实确定，即两个连续的不连续位置P_n间的间隔不超越预定值40μm至300μm之间的范围。

除常值外，成形结构A等同于两个相邻的不连续位置14之间的宏观结构M。因而，除了阴影之外，成形结构A与原始宏观结构M相同的光学效应的良好近似。因而，当考虑基准平面内的层复合物1的倾斜和/或旋转时，尽管层复合物1仅为数微米厚，但是照亮了的图案4表现出宏观结构M所描述的起伏图像或三维表面的性质。

参考图3，描述以平行关系引导的并入射在具有成形结构A的界面11(图1)的光线9(图2)是怎样由光学有效结构12反射并以预定的方式偏转的。例如，所使用的反射层具有约为30nm厚的铝层形式。为简单起见，图3中未示出入射光线9的折射和位于层复合物1的边界处的反射光线，并且在下文的计算中也不考虑。入射光线9在入射平面15中入射在层复合物1中的光学有效结构12上，所述入射平面包含关于基准平面或层复合物1的表面的法线16。入射光9的平行照明光束17、18、19撞击到成形结构A的表面单元上，例如在由a、b和c标识的位置上。每个表面单元具有局部倾角γ和入射平面15中的表面法线20、21、22，由梯度M(x，y)的分量确定。在位于具有局部倾角γ＝0°的位置a的第一表面单元中，第一照明光束17具有同第一表面法线20的入射角α，并且当撞击到第一表面单元时反射的光线9以α＝θ的反射角同表面法线20对称关系地按第一光束23反射。在位于位置b的第二表面单元的情况下，局部倾角γ≠0°。法线16和第二表面法线21具有γ＞0°的角。位于第二表面元件处的第二照明光束18的入射角为α’＝α-γ，并且相应地，反射的第二光束24具有与法线16的夹角θ₁＝α-2γ。同样地，反射的第三光束25根据位置c的局部倾角γ＜0°以θ₂＝α-2γ＝α+2|γ|偏转，因为第三照明光束19相对于第三表面法线22的入射角α”比相对于法线16的入射角大局部倾角γ。仅当由于安全元件2(图1)或层复合物1绕配置在基准平面中的且定向于垂直入射平面15的轴28旋转的结果，相对于法线16以不同的角度θ、θ₁、θ₂反射的光束23、24、25符合观察者的视向27时，正在例如入射平面15中的视向17上观察的观察者26用肉眼接收到反射光束23、24、25。在给定的倾角上，观察者26能够以高度的表面亮度察觉到宏观结构M的表面单元，所述表面单元在入射平面15中以及在与其平行的平面中分别具有相同的局部倾角γ。尽管界面11本身是平滑的，但是宏观结构M的其它表面单元也可能以平行于视向27的关系散射一些光线，并且在观察者26看来它们被遮蔽成按照局部倾角变化的度数。虽然成形结构A为最多数微米高，但是观察者26具有塑性图像印象。可通过宏观结构M与消光结构的叠加来增强散射作用，并且可控地应用于***件2的配置。

图4a和4b显示了安全元件2的表面部分13相对于入射光线9的不同的散射特性。消光结构在界面11中具有微观精细的随机结构，并且由作为坐标x和y的函数的起伏剖面曲线R描述。如图4a所示，消光结构将以平行入射关系入射的光9散射至散射圆锥29，散射圆锥29具有由消光结构的散射能力预先确定的扩散角以及把反射光线23的方向作为圆锥轴。例如，散射光线的最大强度在圆锥轴上，并且随着离圆锥轴距离的增大而减小，在这个方面，对于观察者而言，以散射圆锥的母线的方向偏转的光线仍是可察觉的。在这里提及的消光结构“各向同性的”情况下，当入射光是垂直的情况下，垂直于圆锥的轴的圆锥29的横截面是旋转对称的。如图4b所示，如果散射圆锥29的横截面在较佳方向30上翻转，即椭圆形变，椭圆的短长轴定向于与较佳方向30平行，那么所述消光结构在这里称为“各向异性的”。如果相对于法线16的入射角α大于30°，在相对于基准平面平行配置的“各向同性”消光结构以及在“各向异性”消光结构的情况下，散射圆锥29的横截面在与入射平面15(图3)平行的方向上明显的变形。

消光结构具有起伏结构单元(未示出)，所述起伏结构单元在微观级上是精细的，并确定散射能力，且仅可用诸如平均粗糙度系数Ra、相关长度Ic等等的统计参数来描述，在这个方面，关于平均粗糙度系数Ra的值在范围200nm和5μm之间，较佳的值在Ra＝150nm和Ra＝1.5μm之间。至少在一个方向上的相关长度lc包括在lc＝300nm和lc＝300μm范围之间的值，较佳的在lc＝500nm和lc＝100μm的范围之间。在“各向异性的”消光结构的情况下，以平行于较佳方向30的关系；来定向起伏结构单元。“各向同性的”消光结构具有与方向无关的统计参数，并且因此不具有较佳方向30。

在另一个实施例中，反射层包括有色金属，或覆盖层5(图2)是有色且透明的。由于宏观结构M的曲率，对界面11上的多层干涉层之一的使用是特别有效的，因为干涉层在视向27的方向上具有变化的厚度，并且因而呈现出取决于倾角28的局部不同的颜色。干涉层的一个例子包括在5nm Al的透明金属层和约为50nm Al的不透明金属层之间的100nm和150nm间的TiO₂层，所述透明金属层面向成形层6。

图5是穿过层复合物1横截面的、示出宏观结构M的又一实施例的视图。亚微观衍射光栅31至少在表面部分13(图4a)中附加地叠加在宏观结构M上。衍射光栅31具有坐标x(图2)和y(图2)的周期函数的起伏轮廓曲线R，并具有恒定剖面。衍射光栅31的剖面轮廓深度t的值为t＝0.05μm和t＝-5μm范围之间的值，较佳的值在更窄的范围t＝0.6+0.5μm内。衍射光栅31的空间频率f在范围f＝2400线/mm以上，因此指明亚微观结构。亚微观衍射光栅31仅将入射光线9(图4a)衍射至零衍射级中，即在反射光光束23(图3)的方向上，在可见光谱的部分中，这取决于空间频率f。成形结构A＝(宏观结构M以值H为模)+起伏轮廓曲线R，因而产生彩色弧形镜的作用。如果衍射光栅31的剖面轮廓深度t相当小(小于50nm)，它包括像界面11(图2)那样的无色地反射入射光9的光滑镜面表面。在不连续位置14的之外，与在具有宏观结构M上的恒定起伏高度的表面部分13中扩展的亚微观衍射光栅31相比，宏观结构M缓慢变化。

图6示出了安全元件2(图2)又一实施例的穿过层复合物1的横截面视图。安全元件2至少包括表面部分13(图4a)，所述表面部分在图6中一个排列在另一个后面。例如，在表面部分13前部的宏观结构M符合数学函数M(y)＝0.5·y²·K，在表面部分13后部的宏观结构M由函数M(y)＝-0.5·y²·K确定。在表面部分13的后部中，宏观结构M(y)＝-0.5·y²·K部分被表面部分13前部的宏观结构M(y)＝0.5·y²·K遮蔽，并因此在图6中用虚线表示。

在正面图中，如图7a至7c所示，安全元件2的图案4(图1)具有有图6所示的宏观结构M(y)＝0.5·y²·K的椭圆形第一表面部分31，而与表面部分13(图4a)的后部相关联的宏观结构M(y)＝-0.5·y²·K在接合第一表面部分31的第二与第三表面部分32与33中成形。常数K是宏观结构M的曲率的大小。位于表面部分31、32、33中的宏观结构M的梯度grad(M)以实质上平行于y/z平面的关系定向。较佳的，梯度包括分别关于y/z平面的角＝0°和180°。坐标轴z垂直于图7a的平面。在这个方面，对的较佳值的δ＝+30°角的偏差是允许的，以使在这个范围内观察到梯度实质上平行于y/z平面。

当用平行入射光9(图4a)照明安全元件2时，图案4中的表面部分31、32、33的精密分隔带34在观察者26(图3)的视向27(图3)上以高度表面亮度透射反射光。带34以同梯度垂直的关系定向。为了简单起见，梯度是平行的，并因此带34是平行的。当绕倾斜轴28旋转时，半径K越小，相应地，在投影到基准平面上的梯度分量35、36的方向上，带34每单位角度的运动速度越高。带34的宽度取决于局部曲率K和使用的成形结构A的界面11(图2)的性质。以同样大小的曲率，用于反射界面11的带34同具有微观精细消光结构的界面11的带34相比，是相当窄的。在带34外部，可以灰色阴影看到表面部分31、32、33。沿着轨迹37的部分是图6中所示的横截面。

图7b示出绕倾斜轴28旋转至预定倾角后的安全元件2，在所述倾角上，在第二和第三表面部分13、15以及在第一表面部分14上的图案4(图1)中的带34位于平行于倾斜轴28的线上。所述预定倾角是由对宏观结构M的选择和定位确定的。在安全元件2的一个实施例中，仅当带34呈现预定位置时，例如，在图7b中所示的位置时，即当观察者26(图3)在由预定倾角确定的观察条件下观察安全元件2时，可在包围图案4的表面图案上看见预定特征。

在图7c中，在进一步绕倾斜轴28做旋转运动后，图案4(图1)上的带34再次彼此远离，如图7c中由箭头(未提及)所示。

应理解到，在另一个实施例中，第一表面部分31和其它两个表面部分32、33中的一个相邻近排列，这对于图案4来说足够用于定向安全元件2。

不背离本发明的概念，可把上述图案4的实施例彼此结合，具有弧形镜表面的适当成形的宏观结构M和消光结构可附加地叠加，并且可使用界面11(图6)的所有上述实施例。

Claims (12)

1、一种安全元件(2)，所述安全元件包括配置在由坐标轴(x；y)定义的基准平面内的层复合物(1)，所述层复合物(1)包括塑性材料的成形层(6)和塑性材料的保护层(7)，以及嵌入的光学有效结构(12)，所述光学有效结构(12)形成图案(4)并在图案(4)的表面部分(13；31；32；33)中成形在成形层(6)中，并且形成嵌入在层复合物(1)的透明成形层(6)和保护层(7)之间的反射界面(11)，

其特征在于，

在界面(11)上作为光学有效结构(12)的尺寸大于0.4mm的至少一个表面部分(13；31；32；33)具有至少一个成形的宏观结构(M)，所述宏观结构(M)的相邻极值至少彼此相离0.1mm，所述宏观结构(M)是至少在部分区域内弯曲的坐标(x；y)的至少部分稳定的可微分的函数，并且不是周期的三角形或矩形函数。

2、如权利要求1所述的安全元件(2)，其特征在于，图案(4)具有至少两个相邻的表面部分(31；32；33)，宏观结构(M)成形在第一表面部分(31)中，并且另一个宏观结构(-M)成形在其它的表面部分(32；33)中，其中，所述两个宏观结构(M，-M)的梯度在包含基准平面的法线(16)的基本平行的平面内定向。

3、如权利要求1或权利要求2所述的安全元件(2)，其特征在于，宏观结构(M)是具有至多为5线/mm的空间频率(F)的周期函数。

4、如权利要求1或权利要求2所述的安全元件(2)，其特征在于，宏观结构(M)是起伏图像的表面结构的部分稳定的可微分的函数。

5、如权利要求1至4中任一项所述的安全元件(2)，其特征在于，成形在成形层(6)中的成形结构(A)相对于小于40μm的结构高度(H_st)定界，成形结构(A)等于宏观结构(M)和函数(C)的和以变量值(H)取模后减去函数(C)的结果，其中值(H)小于结构高度(H_st)，取决于坐标的函数(C)在大小上限制为结构高度(H_st)的一半。

6、如权利要求1至5中任一项所述的安全元件(2)，其特征在于，在宏观结构(M)上附加地重叠具有起伏轮廓曲线(R)的亚微观衍射光栅(31)，所述起伏轮廓曲线(R)是坐标(x；y)的函数，其中所述起伏轮廓曲线(R)具有高于2400线/mm的空间频率(f)以及小于5微米的恒定剖面深度(t)，所述衍射光栅31随着宏观结构(M)保持预定的起伏轮廓曲线(R)。

7、如权利要求1至5中任一项所述的安全元件(2)，其特征在于，在宏观结构(M)上附加地重叠具有起伏轮廓曲线(R)的光散射消光结构，所述起伏轮廓曲线(R)是坐标(x；y)的函数，其中所述消光结构具有200nm至5μm之间的平均粗糙度系数Ra，所述消光结构随着宏观结构(M)保持预定的起伏轮廓曲线(R)。

8、如权利要求1至7中任一项所述的安全元件(2)，其特征在于，界面(11)由多层干涉层形成。

9、如权利要求1至7中任一项所述的安全元件(2)，其特征在于，界面(11)由全区域或结构化的金属反射层形成。

10、如权利要求1至9中任一项所述的安全元件(2)，其特征在于，层复合物(1)的配置在成形层(6)上的覆盖层(5)是透明且有色的。

11、如权利要求1至10中任一项所述的安全元件(2)，其特征在于，在图案(4)上配置线元素和/或其它感光嵌镶幕元素的光修正结构的表面图案(38)。

12、如权利要求1至11中任一项所述的安全元件(2)，其特征在于，宏观结构具有小于40微米的结构高度。

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