CN100519222C - 带有集成光学波导体的衍射防伪单元 - Google Patents

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Abstract

衍射防伪单元(2)，分成带有在分界层上嵌入两层塑料复合层(1)之间的光学作用结构(9)的分表面。至少所要照射的复合层(1)的基本层(4)是透明的。光学作用结构(9)作为基本结构具有最高500nm频率长度(d)的零位顺序的衍射光栅。在至少一个分表面内，在基本层(4)和复合层(1)的粘结剂层(7)和/或者复合层(1)的保护层(6)之间嵌入由带有层厚度(s)的透明电介质构成的集成光学波导体(5)，其中，光学作用结构(9)的断面深度(t)处于与层厚度(s)预先规定的比例内。防伪单元(2)在利用白色射入光线(13)照射时，在零位衍射顺序上衍射的光线(14)产生很高的强度和很强的颜色。

Description

带有集成光学波导体的衍射防伪单元
技术领域
本发明涉及带有集成光学波导体的衍射防伪单元，所述单元被分为分表面，所述分表面具有嵌入在两层由塑料制成的复合层之间的分界层的光学作用结构。
背景技术
这种衍射防伪单元用于校验如钞票，各类证件，有价证券等物品，以便能够花费不高地确认物品的真实性。衍射防伪单元在输出物品时，以由薄复合层切成的标记的方式与该物品固定连接。
上述类型的衍射防伪单元由EP 0105 099 A1和EP 0375 833 A1有所公开。这些防伪单元包括由嵌镶式设置的表面单元构成的图案，表面单元具有散射光栅。散射光栅在方位上这样预先确定设置，以致掉转时使通过散射光产生的可见图案进行预先规定的运动变化。
US 4.856.857介绍了带有压入显微精密浮雕结构的透明防伪单元的结构。这种衍射防伪单元通常由一个塑料薄复合层的部件组成。两个层之间的分界层具有光衍射结构的显微精密浮雕。为提高反射性，将两层之间的分界层涂覆一个大多为金属的反射层。薄复合层的结构和为此使用的材料例如在US4.856.857和WO 99/47983中有所介绍。DE 33 08 831 A1公开了利用载体膜将薄复合层涂覆在物品上。
公开的这种衍射防伪单元的缺点在于，在很窄的立体角和非常高的表面亮度下，很难目测再识别光学变化的复杂图案，在这种情况下观察者可以看到带有散射光栅的表面单元。高的表面亮度由此使表面单元形状的辨认变得困难。
WO 83/00395公开了一种简单识别的防伪单元。它由一种衍射的减法滤色片组成，该滤色片利用例如日光照射时，在观察方向上反射红光，在将防伪单元平面掉转90°后，反射另一种颜色的光线。该防伪单元由嵌入塑料内由透明电介质构成的精密金属薄片组成，透明电解质的折射率大大高于塑料的折射率。金属薄片构成空间频率为2500线/mm的光栅结构，如果将射到金属薄片结构上的白光这样极化，以致使射入光线的E-矢量与金属薄片平行的话，那么在零位衍射顺序上反射效率很高的红光。对于3100线/mm的空间频率来说，该金属薄片结构在零位衍射顺序上反射绿光，对于更高的空间频率来说，反射的颜色在光谱上进入蓝色范围。根据van Renesse，Optical DocumentSecurity，2ndEd.，pp.274-277，ISBN 0-89006-982-4，这种结构很难成本低廉地大量制造。
US 4.426.130介绍了透明的反射正弦形相阵结构。该相阵结构这样设计，以致使它们在两个第一衍射顺序的一个上具有尽可能大的衍射效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低廉和简单识别的衍射防伪单元，它在日光下可以简单地目测检验。
该目的依据本发明通过权利要求1所述特征得以实现。本发明具有优点的构成来自从属权利要求。
附图说明
下面借助附图对本发明的实施例作详细说明。其中：
图1示出防伪单元的横截面；
图2示出衍射平面和衍射光栅；
图3示出图1放大的横截面；
图4示出另一防伪单元的横截面；
图5示出光学作用结构的光栅矢量；
图6示出方位角0°防伪标记的顶视图；
图7示出方位角90°防伪标记的顶视图。
具体实施方式
在图1中，1为复合层，2为防伪单元，3为基质，4为基本层，5为光学波导体，6为保护层，7为胶粘剂层，8为标记，9为基本层4和波导体5之间分界层上的光学作用结构。复合层1由多层不同的，依次涂覆在这里没有示出的载体膜上的介电层组成，并在所示的顺序上至少包括基本层4，波导体5，保护层6和胶粘剂层7。对于特别薄的复合层1来说，保护层6和胶粘剂层7由例如热胶粘剂的同一材料组成。载体膜在一实施方式中为基本层4的一部分，并为设置在稳定层10靠近波导体5表面上的模型层11构成稳定层10。稳定层10和模型层11之间的结合附着强度非常高。在另一实施方式中，在基本层4和载体膜之间设置一个这里未示出的分离层，因为载体膜作用仅是在基质3上使用薄复合层1，然后与复合层1分离。稳定层10例如是一种耐划漆，用于保护较软的模型层11。这种结构在上面提到的DE 33 08 831 A1中有所介绍。基本层4，波导体5，保护层6和胶粘剂层7至少对一部分可见光谱是透明的，但最好是玻璃般透明的。因此，基质上可能利用复合层1覆盖的标记8透过复合层1可以看到。
在不要求透明的防伪单元的另一实施方式中，保护层6和/或者胶粘剂层7为单色或者黑色。防伪单元的另一种结构仅具有保护层6，如果这种实施方式不需要粘贴的话。
复合层1例如作为层合塑料，以带有大量并排设置复制的防伪单元2的长薄膜带的方式制造。从薄膜带中例如切成防伪单元2，并借助于胶粘剂层7与基质3连接。大多以证券，钞票，银行卡，证件或者其他重要或有价物品形式的基质3具有防伪单元2，以便验证该物品的真实性。
为使波导体5产生光学作用，波导体5由透明的电介质组成，其折射率明显高于基本层4，保护层6和胶粘剂层7的塑料的折射率。适用的介电材料例如在上面提到的文献WO 99/47983和US 4.856.857在表1和6中列出。优选的电介质为ZnS，TiO2等，折射率为n≈2.3。
波导体5紧贴具有光学作用结构9与模型面11的分界面，因此利用光学作用结构9调整。光学作用结构9是一种空间频率f非常高的衍射光栅，以致在与防伪单元2平面垂线12的入射角α下射入的光线13被防伪单元2仅衍射到零位衍射顺序上，并且衍射光线14在反射角β下反射，其中适用入射角α＝反射角β。因此，为空间频率f规定约2200线/mm的下限或为周期长d规定450nm的上限。该衍射光栅称为“零位顺序的衍射光栅”，指的是“衍射光栅”。该衍射光栅在图1中作为举例具有正弦形断面，但也可以使用其他公知的断面。
波导体5开始满足其功能，也就是说影响反射光14，条件是波导体5包括光学作用结构9的至少10-20个频率，并因此具有取决于周期长d的L>10d最小长度L。最好波导体5的长度L下限处于50-100周期长d的范围内，以便波导体5发挥其最佳作用。
在一实施方式中，防伪单元2在其整个表面上具有光学作用结构9的均匀衍射光栅和同样层厚度s的波导体5。在另一实施方式中，嵌镶式设置的表面部分构成一种光学上易于识别的图案。为使观察者能够凭肉眼从轮廓上识别嵌镶的表面部分，应选择大于0.3mm的尺寸，也就是说，波导体5在任何情况下都具有足够的最小长度L。
如果利用翻转运动或者掉转运动对准观察方向的话，利用白色的漫射光线13照射的防伪单元2改变反射的衍射光线14的颜色。掉转运动作为转动轴线具有平面垂线12，翻转运动环绕处于防伪单元2平面上的转动轴线进行。
零位顺序的衍射光栅表现出一种相对于极性光线13取决于衍射光栅方位定向的突出特性。为说明光学特性，在图2中将衍射平面15，16与光栅线平行和垂直设置，其中，衍射平面15，16为此包括防伪单元2(图1)上的平面垂线12。入射光线13(图1)的光束Bp，Bn和入射光线13极化方向的表示按下列方式确定：
-下标的“p”表示与光栅线平行射入的光束Bp，而下标的“n”表示与光栅线垂直入射的光束Bn；
-光束Bp，Bn中下标的“TE”表示电场的极性与相应的衍射平面15或16垂直，下标的“TM”表示电场的极性处于相应的衍射平面15或16内。
例如，衍射平面16上的光束BnTM利用衍射平面16上电场的极性，垂直入射到防
伪单元2的光栅线上。
根据光学作用结构9和波导体5(图1)的参数，防伪单元2各自的实施方式说明不同的光学特性。这些实施方式在下面并非独立列举的实施例中予以介绍。
实施例1：掉转时颜色变换
图3放大示出波导体5的横截面。塑料层，稳定层10，模型层11，保护层6和胶粘剂层7(图1)，依据US 4.856.857表6，折射率n1处于1.5-1.6的范围内。对可见光线13(图1)透明的电介质以层厚度s上的折射率光束n2均匀地沉积在设置在模型层6内的光学作用结构9上，以致在与保护层6的分界面上，波导体5的上表面同样具有光学作用结构9。电介质是一种无机化合物，例如在US 4.856.857表1和WO 99/47983中所提到的那样，具有至少n2＝2折射率n2的数值。
在防伪单元2的一个实施方式中，光学作用结构9和层厚度s的断面深度t的数值基本相等，也就是说，s＝t，其中，波导体5以周期长d＝370nm调制。最好层厚度s≡t＝75±3nm。如果入射到衍射平面16(图2)上的光束BnTE在入射角α＝25°下入射到防伪单元2上，那么防伪单元2反射带有绿色的衍射光线14(图1)。从正交的极化光束BnTM中，只在光谱的红外线不可见部分中反射光线14。在另一个衍射平面15上在同样的入射角α＝25°下入射的光束BpTM作为红色的衍射光线14离开防伪单元2，而由光束BpTE产生的衍射光线14具有与光束BpTM的反射光线14相比较弱强度的橙色混合色。在利用白色无极化入射光线13照射时，在将防伪单元2掉转90°情况下，防伪单元2的颜色对观察者由绿变红。在α＝25°±5°范围内翻转防伪单元2时，颜色仅有不明显的变化；这种变化凭肉眼几乎无法察觉。在掉转角范围0°±20°内，只有红色BpTM反射可见，在掉转角范围90°±20°内，只有绿色BnTE反射可见。在中间范围20°-70°内，从两个相邻的光谱范围中产生一种混合色，一种为BnTE的成分，另一种为BpTM的成分。
如果波导体5的层厚度s在65nm和85nm之间变化，断面深度t在60nm和90nm之间变化，防伪单元2的这种特性不会明显变化到颜色轻微转移的程度。
在另一实施方式中，周期长d缩短到260nm，衍射光线14的颜色在入射的光束BnTE中从绿色转移到红色，在入射的光束BpTM中从红色转移到绿色。在更小的角度范围内α＝20°的方向上翻转防伪单元2时，由光束BnTE产生的颜色红色变为橙色。
实施例2：翻转不变的颜色
防伪单元2的另一实施方式表现出具有优点的光学特性，因为在利用白色无极化光线13照射时，对于入射角相当于α＝10°和α＝40°之间的小翻转角来说，衍射光线14的颜色实际上保持不变。波导体5的参数，层厚度s和断面深度t在这里通过关系式s≈2t相联系。例如，层厚度s＝115nm，断面深度t＝65nm。光学作用结构9的周期长d为d＝345nm。在利用白色无极化光线13与光学作用结构9的光栅线平行照射时翻转角的规定范围内，衍射光线14具有主要是光束BpTM产生作用的红色。在将防伪单元2以很小的方位角度掉转运动时，反射的颜色仍为红色，在继续加大掉转角度时，与红色对称反射两种颜色，其中较短波的颜色向紫外线的方向上转移，较长波的颜色迅速消失在红外线的范围内。例如，方位角30°时较短波的颜色为橙色；较长波的颜色对观察者来说不可见。
实施例3：翻转时的颜色变化
如果将防伪单元2这样掉转，使入射的光线13垂直对准光栅线，那么实施例2的防伪单元2在环绕与衍射光栅平行的轴线翻转时显示出颜色转移：例如，观察者看到在垂直光线入射时，也就是说入射角α＝0°时，防伪单元2的表面为橙色，在入射角α＝10°时，为约67％绿色和33％红色的混合色，在入射角α＝30°，几乎为光谱上的纯蓝色。
实施例4：翻转时掉转不变的颜色变化
在防伪单元2的另一实施方式中，光学作用结构9由至少两个交叉的衍射光栅组成。衍射光栅具有优点地在10°-30°范围内的交叉角下交叉。每个衍射光栅例如通过150nm的断面深度t和d＝417nm的周期长确定。波导体5的层厚度s为s＝60nm，从而波导体5的参数s和t满足关系式t≈3s。在利用白色无极化光线13与第一衍射光栅的光栅线垂直照射时，在环绕与第一衍射光栅的光栅线平行的轴线翻转时，出现颜色转移，例如从红色转为绿色或者相反。这种特性在环绕交叉角掉转时仍然保持，因为现在翻转轴线平行对准第二衍射光栅的光栅线。
实施例5：采用不对称的锯齿浮雕断面
在图4横截面中示出的防伪单元2的另一实施方式中，光学作用结构9为零位顺序衍射光栅与衍射光栅矢量19(图5)并与低空间频率F≤200线/mm的不对称锯齿状浮雕断面17的叠加。这一点对于观察防伪单元2来说具有优点，因为对许多人来说，很不习惯在反射角β(图1)下观察上述的防伪单元2。允许的最高空间频率F取决于光学作用结构9的周期长d(图3)。根据良好效果的上述标准，波导体5的长度L在浮雕断面17的频率内至少L＝10d-20d，但最好L＝50d-100d。在最大周期长d＝450nm情况下，当L＝10d或20d时，浮雕断面17的空间频率F因此选择成小于F＝1/L<220线/mm或110线/mm。
与浮雕断面17的高度或锯齿断面的闪烁角γ相应，在借助于在为测量平面垂线12的入射角α下入射的光线13照射防伪单元2时，衍射光线14在更大的反射角β1下反射。入射光线13在与垂直线18成角γ+α下入射到波导体5由于浮雕断面17而倾斜的平面上，并作为衍射光线14在与垂直线18成相同的角下反射。与平面垂线12相关的反射角β1为β1＝2γ+α。这种设置的优点是易于观察由防伪单元2产生的光学效果。这里应注意的是，图4中在复合层1(图1)材料中的折射可以忽略。在考虑到复合层1中折射效果的情况下，为防伪单元2可以使用的周期长d最高约为d＝500nm，因为在这种周期长下即使在第一顺序中衍射的光线14由于全反射也不会离开复合层1(图1)。闪烁角γ具有从范围γ＝1°-γ＝15°中选择的数值。
图5示出的光学作用结构9为一种衍射光栅与不对称锯齿状浮雕断面17的叠加。衍射光栅的方位定向借助于其衍射光栅矢量19确定。浮雕断面17具有通过浮雕矢量20规定的方位定向。光学作用结构9通过由衍射光栅矢量19和浮雕矢量20包括的方位差角Ψ在内的其他参数确定。方位差角的优选值为Ψ＝0°，45°，90°等。
非常普遍的是，这种防伪单元2(图3)至少对于一个极性来说，本身就是一种几乎100％的高衍射效率。对于颜色转移能力来说，防伪单元2最重要的参数是周期长d(图3)。波导体的层厚度s(图3)和断面深度t(图3)对于电介质ZnS和TiO2来说并不那么重要，对衍射效率和可见光谱内颜色的准确位置影响很小，但影响反射的衍射光线14(图4)的光谱纯度。
为这种防伪单元2可以使用表1的参数。
参数周期长d决定反射到零位顺序内的衍射光线14的颜色。波导体5(图4)参数层厚度s的变化主要影响衍射光线14颜色的光谱纯度，并在较小程度上转移颜色在光谱中的位置。断面深度t影响波导体5的调制，并因此影响其效率。与实施例中例举的d，s，t和Ψ数值±5％的偏差对所述光学效果的影响凭肉眼并不明显。这种较大的公差使防伪单元2的制造更加容易。
表1：
Figure C02827097D00111
图6和7示出防伪单元2(图3)的一个实施方式，在其表面上设置大量分表面21，22的组合。分表面21，22含有波导体5(图3)，并在光学作用结构9(图3)上和衍射光栅矢量19(图5)的方位定向上不同。技术上难于实现的是在复合层1(图1)内波导体5的层厚度s方面不同；但在这里表述上并不排除这种不同。从复合层1中切出标记23并粘贴在基质3上。在所示的实施例中，标记23具有两个分表面21，22。为插图在图6中使用上述实施例1的防伪单元2，其中，第一分表面21的衍射光栅矢量19(图5)的定向与第二分表面22的衍射光栅矢量19正交。观察方向处于含有平面垂线12的平面上，其轨迹在图6和7中利用虚线24标注。对于第一分表面21来说，白色无极化入射光线13(图1)与衍射线垂直入射，在第二分表面22中，入射光线13在入射角α＝25°下与衍射线平行入射。观察者因此看到第一分表面21为绿色，第二分表面22为红色。因为复合层1(图1)为透明的，所以可以识别标记23下基质的标记8。
在将带有标记23的基质3以90°的角度如图7所示掉转后，入射光线13(图1)与衍射光栅的光栅线垂直入射到第一分表面21上，与衍射线平行入射到第二分表面22上，这一点通过图7中分表面21，22阴影线和线段24之间的角度表示。通过以90°的角度掉转基质3，分表面21，22的颜色互换；也就是说，第一分表面21发出红色，第二分表面22发出绿色。
在防伪单元2的另一实施方式中，标记23上大量相同分表面21的设置可以构成一个圆圈，其中，衍射光栅矢量19对准圆圈中心。在观察方向沿圆圈直径的情况下，与基质3的方位位置无关，圆圈最远的(0°±20°)和下个(180°±20°)分区域发出绿色光，在距直径最远的区域当圆圈90°±20°或270°±20°时发出红色光。处于其间的区域具有由两个相邻的光谱范围构成的上述混合色。颜色图案相对于掉转基质3不变，相对于可能的标记8(图1)运动。如果光栅线与圆圈的中心同心设置的话，那么带有弯曲衍射线的圆圈产生相同的效果。
在图7的进一步构成中，例如将分表面21，22设置在背景25上。分表面21和22含有实施例5的光学作用结构9(图4)，其中，分表面21的浮雕矢量20(图5)与另一分表面22的浮雕矢量20相反。背景25的光学作用结构9仅由没有通过浮雕结构17(图5)调制的衍射光栅组成。衍射光栅矢量19可以平行或者垂直对准浮雕矢量20；角度γ(图5)也可以完全具有其他数值。
不言而喻，防伪单元2的上述所有实施方式可以不受限制具有优点地组合，因为取决于方位或翻转角的特殊的光学效果通过相反的参照更加明显，因此也更加易于识别。
最后，其他结构的防伪单元2也可以具有场部分26(图6)，空间频率处于300线/mm-1800线/mm范围内的衍射结构和0°-360°范围内的方位角，将它们在上面提及的EP 0 105 099 A1和EP 0 375 833 A1中所述的表面图案中使用。场部分26在防伪单元2或分表面21，22，25上延伸，并构成一种公知的光学变化的图案，在掉转或者翻转时与波导体结构的光学效果无关，在相同的观察条件下预先规定变化。这种组合的优点是，这种表面图案提高了防伪单元2的防伪性。

Claims (17)

1.一种衍射防伪单元(2)，该单元被分为分表面(21；22；25)，其中，至少在一个分表面(21；22；25)中，在由塑料制成的复合层(1)的基本层(4)和保护层(6)之间嵌入由电介质组成的一体的光学波导(5)，该电介质均匀地沉淀在一个层厚度(s)上，其中，复合层(1)以规定的顺序至少包括基本层(4)、一体的光学波导(5)、保护层(6)和粘贴层(7)，其中，待照射的基本层(4)、一体的光学波导(5)、保护层(6)和粘贴层(7)至少对于可见光谱的一部分是透明的，且其中，在基本层(4)和一体的光学波导(5)之间的边界层上作为基本结构的一光学作用结构(9)具有零位顺序的衍射光栅，其周期长(d)最高为500nm，
其特征在于，电介质对于折射率n2具有至少n2＝2的值，塑料层的折射率n1在1.5至1.6范围之内；一体的光学波导(5)紧贴具有光学作用结构(9)的边界表面，因此用光学作用结构(9)调制光学波导；一体的光学波导(5)长度的下边界在50至100周期长(d)的范围内，以及
光学作用结构(9)的断面深度(t)与层厚度(s)保持预定的比例关系。
2.如权利要求1所述的衍射防伪单元(2)，其特征在于，在±5％公差之内，断面深度(t)与层厚度(s)相等。
3.如权利要求1或2所述的衍射防伪单元(2)，其特征在于，层厚度(s)具有65nm至85nm范围构成的值，断面深度(t)具有60nm至90nm范围构成的值，周期长(d)从260nm至370nm范围中选取数值。
4.如权利要求1所述的衍射防伪单元(2)，其特征在于，在±5％公差之内，断面深度(t)与三倍的层厚度(s)相等。
5.如权利要求4所述的衍射防伪单元(2)，其特征在于，层厚度(s)具有60nm的值，断面深度(t)具有150nm的值，而周期长(d)具有417nm的值，这些值(d；s；t)中的每一个值有±5％的公差。
6.如权利要求1所述的衍射防伪单元(2)，其特征在于，在±5％公差之内，层厚度(s)与两倍断面深度(t)相等。
7.如权利要求1或6所述的衍射防伪单元(2)，其特征在于，选择层厚度(s)为115nm，断面深度(t)为65nm，周期长(d)为345nm，这些值(d；s；t)中的每一个值有±5％的公差。
8.如权利要求1所述的衍射防伪单元(2)，其特征在于，光学作用结构(9)是带有浮雕结构(17)的零位顺序衍射光栅的叠加，浮雕结构(17)具有一小于220线/mm的空间频率(F)以及取自1°至15°范围的闪烁角(γ)。
9.如权利要求8所述的衍射防伪单元(2)，其特征在于，零位顺序衍射光栅的衍射光栅矢量(19)和浮雕结构(17)的浮雕矢量(20)包括带有0°、45°、90°数值之一的方位差角(
Figure C02827097C0003131418QIETU
)。
10.如权利要求1或5所述的衍射防伪单元(2)，其特征在于，光学作用结构(9)由至少两个相交的零位顺序衍射光栅组成。
11.如权利要求1或5所述的衍射防伪单元(2)，其特征在于，光学作用结构(9)由至少两个相交的零位顺序衍射光栅组成；零位顺序衍射光栅相交成10°至30°范围内的交角。
12.如权利要求1所述的衍射防伪单元(2)，其特征在于，电介质具有的折射率n2＝2.3。
13.如权利要求12所述的衍射防伪单元(2)，其特征在于，电介质是ZnS或TiO2。
14.如权利要求1所述的衍射防伪单元(2)，其特征在于，分表面(21；22；25)不同于光学作用结构(9)内的一体的光学波导(5)。
15.如权利要求1所述的衍射防伪单元(2)，其特征在于，分表面(21；22；25)在零位顺序衍射光栅的衍射光栅矢量(19)的方位角定向中不同于一体的光学波导(5)。
16.如权利要求15所述的衍射防伪单元(2)，其特征在于，第一分表面(21)的衍射光栅矢量(19)的定向正交于第二分表面(22；25)的衍射光栅矢量(19)。
17.如权利要求1所述的衍射防伪单元(2)，其特征在于，分表面(21；22；25)内设置带有光栅结构的场部分(26)，空间频率处于300线/mm至1800线/mm范围内，方位角处于0°至360°范围内。
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