CN100537267C

CN100537267C - 具有微观和宏观结构的安全元件

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Publication number: CN100537267C
Application number: CNB038079321A
Authority: CN
Inventors: R·斯托布; A·希林; W·R·汤普金
Original assignee: OVD Kinegram AG
Current assignee: OVD Kinegram AG
Priority date: 2002-04-05
Filing date: 2003-04-03
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2023-04-03
Also published as: ES2356227T3; RU2311304C2; AU2003219126A8; CN1646331A; ES2356227T5; DE50313255D1; PL206879B1; EP1492679B1; JP5695357B2; US7680274B2; AU2003219126A1; ATE487611T1; RU2004132228A; DE10216562C1; JP2005528633A; PL371208A1; US20050082819A1; EP1492679A2; JP2011008273A; WO2003084764A3

Abstract

难以复制的安全元件(2)包括具有表面图案的微观精细光学有效结构(9)的层复合物(1)，所述结构嵌入层复合物(1)的层(5；6)之间。在由坐标轴x和y定义的表面图案的平面中，光学有效结构(9)成形于全息不可复制的安全特征的表面部分中的层(5；6)之间的界面(8)中。在至少一个表面部分中，由微观精细起伏剖面轮廓曲线(R)和宏观叠加函数(M)正向叠加形成光学有效结构(9)。起伏剖面轮廓曲线(R)、叠加函数(M)和衍射结构(S；S^*；S^**)都是坐标x和y的函数。起伏剖面轮廓曲线(R)是光衍射或光散射的光学有效结构(9)，并且跟随着叠加函数(M)而保持预定的剖面高度。叠加函数(M)是至少部分稳定的并且不是周期的三角形或矩形函数。同起伏剖面轮廓曲线(R)相比较，叠加函数(M)变化缓慢。当层复合物(1)倾斜或旋转时，观察者在照明的表面部分看到不断地移动的光带，所述带取决于观察方向。

Description

具有微观和宏观结构的安全元件

本发明涉及安全元件，包括具有表面图案的微观精细光学有效结构的层复合物，该光学有效结构嵌入在层复合物的透明层之间，其中，光学有效结构成形在由坐标轴确定的表面图案的平面中的安全特征的表面部分中的层间的反射界面中。

这样的安全元件包括塑性材料的薄层复合物，其中至少来自由衍射结构、光散射结构和平面镜表面组成的组的起伏(relief)结构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，用于校验物品的真实性。

例如，在US No.4856857中描述了所述薄层复合物的结构和可使用的材料。还从GB2129739A中得知借助载膜而被施加于物品上的薄层复合物。

在本说明书的公开部分中提出的配置类型可从EP0429728B1中得知。粘贴在证件上的安全元件具有可从例如EP0105099中得知的并包括用已知的衍射结构来配置的类感光嵌镶幕(mosaic-like)的表面部分的光学可变表面图案。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)压纹在安全元件中以及与证件毗连的部分中。真实的证件由于无缝地从安全元件扩展至证件的毗连部分的安全轮廓而不同。压纹所述安全轮廓的操作干扰对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)的位置在各种证件中不同。

也已知为安全元件提供特征，这些特征使使用常规全息手段的伪造或复制变得困难或甚至不可能。例如，EP0360969A1和WO99/38038描述了不对称光栅的配置。其中，在安全元件的表面图案中，表面单元具有光栅，以不同的方位角使用而形成相对于亮度进行调制的图案。相对于亮度进行调制的图案在全息复制中不会再现。如在WO98/26373中所述，如果光栅的结构小于用于复制处理的光的波长，那么不会检测出这种亚微观结构，因而也不以相同的方式在复本中再现。

实现了提供对在作为例子而提及的EP0360969A1、WO98/26373和WO99/38038中所描述的全息复制的预防的保护配置，而这是以困难为生产工艺的困难为代价的。

本发明的目的是提供一种具有高度抗伪造能力的价廉的、新颖的安全元件，所述伪造例如通过全息复制工艺。

通过一种安全元件来实现上述目的，所述安全元件包括层复合物，所述层复合物具有表面图案的微观精细光学有效结构，所述结构嵌入在层复合物的层之间，其中，所述光学有效结构成形在由坐标轴定义的表面图案的平面中的安全特征的表面部分中的层之间的反射界面中，并且尺寸大于0.4mm的至少一个表面部分具有通过描述宏观结构的叠加函数与微观精细起伏剖面轮廓曲线的正向或负向叠加而形成的衍射结构，其中，叠加函数、起伏剖面轮廓曲线和衍射结构是坐标轴的函数，并且起伏剖面轮廓曲线描述了跟随叠加函数而保持预定的起伏剖面轮廓曲线的光衍射或光散射的光学有效结构，至少部分稳定的叠加函数在至少部分区域中弯曲，它不是周期的三角形或矩形函数，并且同起伏剖面轮廓曲线相比它变化缓慢。

在附加的权利要求中提出本发明的有利配置。

在下文中详细地描述本发明的实施例，并根据附图进行说明，附图中：

图1是安全元件的横断面视图，

图2示出了安全元件的俯视图，

图3示出了光栅的反射和衍射，

图4示出了对安全元件的照明和观察，

图5示出了衍射结构中的反射和衍射，

图6示出了不同倾角下的安全特征，

图7示出了叠加函数及横断面中的衍射结构，

图8示出了通过识别标记对安全元件的定向，

图9示出了叠加函数的局部的倾斜角，

图10示出了通过安全元件中的色彩对比度对所述安全元件的定向，

图11示出了具有对称叠加函数的衍射结构，

图12示出了具有色彩变化的安全元件，以及

图13示出了不对称的叠加函数。

参考图1，参考标号1表示层复合物，2表示安全元件，3表示基片，4表示覆盖层，5表示成形层，6表示保护层，7表示粘合层，8表示反射界面，9表示光学有效结构和10表示反射界面8中的透明位置。层复合物1包括连续施加于载膜(未示出)上的不同塑性层的多个层部分，其特定的顺序典型地包括覆盖层4、成形层5、保护层6和粘合层7。覆盖层4和成形层5相对于入射光11是透明的。如果保护层6和粘合层7也是透明的，那么可通过透明位置10观察到施加于基片3的表面上的标记(这里未显示)。在一个实施例中，覆盖层4本身起到载膜的作用，而在另一个实施例中，载膜用于把薄层复合物1施加到基片3并随后从层复合物1移除，如例如上文提及的GB2129739A中所述的那样。

成形层5和保护层6之间的公共接触面是界面8。以光学可变图案的结构高度Hst将光学有效结构9成形于成形层5中。当保护层6填满光学有效结构9的凹谷时，界面8与光学有效结构9具有同样的形状。为了在光学有效结构9方面获得高度的有效性，向界面8提供金属涂层，金属涂层较佳地包括来自上文提及的US No.4856857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5和保护层6。在界面8处，对于可见入射光，金属涂层的导电率提供高度的反射能力。然而，代替金属涂层，例如上面提及的US No.4856857的表1和表4中列出的已知透明无机电介质之一的一个或更多个层也是适合的，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。在一个实施例中，构造反射层，即，它仅部分地并在界面8的预定区域中覆盖界面8。

以具有光学可变图案的多个相互并置的副本的长膜幅(film web)的形式按照塑性层压板来制造层复合物1。例如，从所述膜幅裁剪下安全元件2，并通过粘合层7接合到基片3上。向大多以证件、纸币、银行卡、通行证或身份证或其它重要或贵重的物品形式出现的基片3提供安全元件2，以验证物品的真实性。

图2示出了具有安全元件2的基片3的一部分。通过覆盖层4(图1)和成形层5(图1)可看到表面图案12。表面图案12配置在由坐标轴x、y定义的平面内，并包括含有至少一个表面部分13、14、15的安全特征16(feature)，所述表面部分在其轮廓内用肉眼是清晰可视的，即，表面部分的尺寸至少在一个方向上大于0.4mm。出于附图表示的原因，图2中以双框线示出安全特征16。在另一个实施例中，由在上文中提及的EP0105099A1中所述的感光嵌镶幕(mosaic)的表面单元17至19组成的感光嵌镶幕(mosaic)包围安全特征16。在表面部分13至15中，且可选地在表面单元17至19中，诸如微观精细衍射光栅、微观精细光散射起伏(relief)结构或平面镜表面之类的光学有效结构9(图1)成形于界面8(图1)中。

参考图3，描述入射在界面8(图1)上的光线11是怎样通过光学有效结构9反射并以预定的方式偏转的。在垂直于具有安全元件2(图1)的层复合物1的表面并包括表面法线21的衍射平面20中，入射光线11入射到层复合物1中的光学有效结构9上。入射光线11是平行光束，并且包括同表面法线21的入射角α。如果光学有效结构9是与层复合物1的表面具有平行关系的平面镜表面，那么表面法线21和反射光线22的方向形成反射角β侧，其中β＝-α。如果光学有效结构9是已知光栅中的一个，那么光栅将入射光线11偏转至由光栅的空间频率f确定的不同的衍射级23至25，其中假设描述光栅的光栅矢量出于衍射平面20中。包含在入射光线11中的波长λ以预定角度偏转至不同的衍射级23至25。例如，光栅将紫色光线(λ＝380nm)同时地按光束26偏转至正一级衍射级23、按光束27偏转至负一级衍射级24、按光束28偏转至负二级衍射级25。入射光线11的较长波长λ的光分量将在包含相对于表面法线21较大的衍射角的方向上射出(issue)，例如红色光线(λ＝700nm)偏转至由箭头29、30、31标识的方向上。作为光栅衍射的结果，多色的入射光线11散开成入射光线11的不同波长λ的光束，即，光谱的可见部分分别在每个衍射级23或24或25的紫色光束(分别由箭头26或27或28标识)和红色光束(分别由箭头29或30或31标识)之间的范围内。衍射至零级衍射级的光线是以反射角β反射的光线22。

图4示出了在表面单元17(图2)至19(图2)中成形的衍射光栅32，其微观精细起伏剖面轮廓(profile)R(x，y)具有恒定剖面高度h与空间频率f的例如正弦的、周期性剖面横截面。衍射光栅32的平均起伏建立了与覆盖层4平行配置的表面33的中心面。平行入射的光线11穿过覆盖层4和成形层5并且在衍射光栅32的光学有效结构9(图1)处偏转。波长为λ的平行衍射光束34以观察者35的视角的方向离开安全元件2，当用平行入射的光线11照射表面图案12(图2)时，所述观察者看见闪闪发光的彩色表面单元17、18、19。

在图5中，衍射平面20在图平面中。衍射结构S(x，y)在安全特征16(图2)的至少一个表面部分13(图2)至15(图2)中成形，衍射结构的中心面33相对于层复合物1的表面局部地弯曲或倾斜。衍射结构S(x，y)是在表面图案12(图2)的平面中的坐标x和y的函数，所述平面平行于层复合物1的表面并且表面部分13、14(图2)、15位于其中。在每个点P(x，y)上，衍射结构S(x，y)确定相对于表面图案12的平面的间隔z，其中间隔与表面法线21平行。以更广泛的意义描述，衍射结构S(x，y)是衍射光栅32(图4)的起伏剖面轮廓曲线R(x，y)(图4)和中心面33的明确定义的叠加函数M(x，y)的和，其中S(x，y)＝R(x，y)+M(x，y)。作为例子，起伏剖面轮廓曲线R(x，y)产生了具有已知的正弦的、不对称的或对称的锯齿状或矩形形式之一的轮廓的周期性衍射光栅32。

在另一个实施例中，衍射结构S(x，y)的微观精细起伏剖面轮廓曲线R(x，y)是消光(matt)结构，而不是周期性衍射光栅32。所述消光结构是对入射光线11具有预定散射特性的微观精细的随机结构，其中利用各向异性的消光结构而不是光栅矢量，就产生了较佳方向。消光结构将垂直入射光线散射至散射圆锥内，该散射圆锥具有由消光结构的散射能力预定的扩散角，以及以反射光线22的方向作为圆锥轴。例如，散射光的强度在圆锥轴上最强，并随着相对于圆锥轴的距离的增加而减小，在这方面，对于观察者来说，仍然可察觉到以散射圆锥的母线方向偏转的光线。在“各向同性的”消光结构的情况中，垂直于圆锥轴的散射圆锥的横截面是旋转对称的。如果横截面在较佳的方向上翻转，即椭圆形地变形，具有平行于较佳方向的椭圆的短长轴，那么所述散射结构在这里称为“各向异性的”。

由于正向或负向的叠加，在叠加函数M(x，y)的区域内起伏剖面轮廓曲线R(x，y)的轮廓高度h(图4)不改变，即，起伏剖面轮廓曲线R(x；y)跟随着叠加函数M(x，y)。明确定义的叠加函数M(x，y)可以至少部分微分，并至少在部分区域中弯曲，即，ΔM(x，y)≠0，周期性地或非周期性地，并且不是周期性的三角形或矩形函数。周期性的叠加函数M(x，y)具有最多20线/mm的空间频率F。为了良好的可见度，叠加函数M(x，y)的两个相邻的极值间的连接部分至少长0.025mm。空间频率F的较佳值限制在最多10线/mm，以及关于相邻极值的间隔的较佳值最少为0.05mm。从而，同起伏剖面轮廓曲线R(x，y)相比，作为宏观函数的叠加函数M(x，y)在稳定的区域内缓慢地变化。

线36(图2)形成具有中心面33的衍射平面20的剖线，投影在表面图案12(图2)的平面上。在位于平行于线36的连接部分上的任一点P(x，y)上，具有稳定部分的叠加函数M(x，y)具有梯度38(grad(M(x，y)))。一般来说，当观察者35形成光学有效衍射平面20时，梯度38表示衍射平面20中的grad(M(x，y))的分量。在表面部分13、14、15的任一点上，衍射光栅32具有由叠加函数M(x，y)的梯度38预定的倾角γ。

中心面33的变形引起了新的、有利的光学效应。在例如沿着线36的、表面法线21和法线21’、21”与中心面33的交叉点A、B、C的衍射特性的基础上，解释所述效应。为了简单起见，图5中未示出位于层复合物1的界面处入射光线11的折射、反射光线22和衍射光束34，并且也不考虑在下文的计算中。在每个交叉点A、B、C上，倾角γ由梯度38确定。法线21’和21”、衍射光栅32(图4)的光栅矢量和观察者35的视角方向39配置在衍射平面20内。由虚线表示的法线21、21’、21”和平行入射的白色光线11所涉及的入射角α随倾角γ而变化。以向观察者35的预定视角方向偏转的衍射光束34的波长λ也也随倾角而变化。如果法线21’向离开观察者35的方向倾斜，那么衍射光束34的波长λ要大于在法线21’向接近观察者35的方向倾斜的情况。在为了说明而显示的例子中，从观察者35的观点来看，在交叉点A的区域中衍射的光束34是红色的(λ＝700nm)。在交叉点B的区域中衍射的光束34是黄绿色的(λ＝550nm)，以及在交叉点C的区域中衍射的光束34是蓝色的(λ＝400nm)。在所说明的例子中，当倾角γ随中心面33的曲率而连续地变化时，沿着表面部分13、14、15上的线36，观察者35可看见整个可见光谱，光谱色带垂直于线36在表面部分13、14、15上扩展。因此，可由观察者35在30cm的距离上察觉到光谱色带，交叉点A和C之间的间距采用最少2mm或更多。在可见光谱外，表面部分13、14、15的表面是低照度的灰色。当层复合物1绕垂直于图3的图平面的倾斜轴倾斜时，入射角α改变。在叠加函数M(x，y)的区域内，光谱的可见色带沿着线36连续移位。如果倾斜运动发生，例如顺时针方向地围绕层复合物1的倾斜轴41运动，在交叉点A上的衍射光束34的颜色变成黄绿色，在交叉点B上的衍射光束34的颜色变成蓝色，在交叉点C上的衍射光束34的颜色变成紫色。当色带不断地在表面部分13、14、15上运动时，观察者35察觉到衍射光34的色彩中的变化。

上述考虑可适用于每个衍射级。在表面部分13、14、15上，多少衍射级的多少色带同时被观察者看到，取决于衍射光栅32的空间频率以及表面部分13、14、15内的叠加函数M(x，y)的周期数和大小。

在另一个实施例中，其中使用消光结构之一来替代衍射光栅32，在反射光线22方向上的观察者35仅看见白灰带而不是色带的光线。在倾斜运动中，白灰带光线像色带一样不断地在表面部分13、14、15上移动。与色带相反，白灰带光对观察者35是可见的，依赖于消光结构的散射能力，甚至当他的视向39相对于衍射平面20是倾斜的。因此，在下文中，术语“带40”(图6a)不仅用以表示衍射级23、24、25的色带，也用以表示由消光结构产生的白灰带光。

参考图6a，如果安全特征16上有基准参考，观察者35(图5)可更容易地察觉到带的位移。用作基准参考是配置在表面部分13、14、15上的，例如在中心表面部分14上的识别标记37和/或者用于表面部分13、14、15的预定的定界形状。有利地，所述基准参考建立了预定的观察条件，可通过层复合物1(图1)的倾斜运动来调整观察条件，使得以相对于基准参考预定的关系来定位带40。在识别标记37的区域内，界面8(图1)的光学有效结构9(图1)有利地采用通过与表面部分13、14、15寄存(register)的关系复制表面图案12而成形的光学有效结构9、衍射结构、镜面或光散射起伏结构的形式。然而，也可使用印在安全特征13上的吸光材料作为用于带40的移动的基准参考，或通过结构化的反射层制造识别标记37。

在如图6所示的安全特征16的进一步的实施例中，在两边邻接中心表面部分14的相邻表面部分13和15作为相互的基准参考。相邻表面部分13和15都具有衍射结构S^*(x，y)。同衍射结构S^*(x，y)相反，衍射S^*(x，y)是起伏函数R(x，y)和叠加函数M(x，y)的差R-M，即，S^*(x，y)＝R(x，y)-M(x，y)。由衍射结构S^*(x，y)产生的色带相对于衍射结构S(x，y)的色带来说具有反色配置，如图6a中由用于带40的粗体纵边所示。为了获得光学效应的良好可见度而不使用任何辅助，安全特征16沿着坐标轴y或线36的尺寸是至少5mm，并且较佳地大于10mm。沿着坐标轴x的尺寸大于0.25mm，但较佳地为至少1mm。

在图6a至6c所示的安全特征16的实施例中，椭圆表面部分14具有仅取决于坐标y的衍射结构S(y)，而具有仅取决于坐标y的衍射结构S^*(y)的表面部分13和15沿着坐标轴y在椭圆表面部分14的两边扩展。叠加函数为M(y)＝0.5·y²·K，其中K是中心面33的曲率。以同坐标轴y的方向分别充分平行和反平行的关系，定向梯度38(图5)和衍射光栅32(图4)的光栅矢量或“各向异性的”消光结构的较佳方向。

一般来说，光栅矢量或消光结构的较佳方向的方位角

同梯度38和表面法线21所确定的梯度平面有关。方向角

的较佳值是0°和90°。在这个方面，在光栅矢量或较佳方向中，分别相对于较佳值的

的偏移是可容许的，以便在该区域分别把光栅矢量或较佳方向看作相对于梯度平面充分平行或垂直。在本质上，方向角

不限制为特定的较佳值。

在各情况下，曲率K越小，绕倾斜轴41每单位角度的旋转运动，带40在箭头(图6a和6b中未标号)方向中的移动速度就越高。在图6a至6c中，带40显示变窄，以便清晰地说明运动效应。在未标号的箭头方向上的带40的宽度取决于衍射结构S(y)。特别地在色带的情况中，光谱色配置在表面部分13、14、15的较大部分上扩展，以在例如红色带的可见光谱内的部分的移动的基础上观察到带40的移动。

图6b示出在绕倾斜轴41旋转至预定倾斜角后的安全特征16，在所述预定倾斜角上，两个外围的表面部分13、15和中心表面部分14配置在平行于倾斜轴41的线上。所述预定的倾斜角由叠加函数M(x，y)的选择确定。在安全元件2(图2)的一个实施例中，只有当在安全特征16中带40呈现预定的位置时，即，当观察者35以由所述预定倾斜角决定的观察条件观察安全元件2时，将在表面图案12(图2)上看到预定图案。

在图6c中，当更进一步的绕倾斜轴41旋转运动后，安全特征16上的带40彼此远离移动，如图6c中由箭头(未标号)所示。

将理解到，在另一个实施例中，中心表面部分14和两个表面部分13和15中的一个的相邻配置对安全特征16来说就足够了。

图7示出了沿着线36(图2)穿过层复合物1的横截面，例如在表面部分14(图2)的区域内。为了层复合物1不变得太厚并因而难于制造或使用，衍射结构S(x；y)的结构高度H_st(图1)受限制。图7中以非真实比例的附图例示了在坐标轴z的左边的叠加函数M(y)＝0.5·y2·K，层复合物的高度在其界面中沿z轴延伸。在表面部分14的任一点P(x，y)上，值z＝M(x，y)被限制到预定变量值H＝z₁-z₀。一旦叠加函数M(y)在点P₁，P₂...，P_n中的一点上达到值z₁＝M(Pj)，j＝1，2，...，n，，在叠加函数M(y)中出现不连续位置，并且在所述不连续性位置上，在远离点P₀侧，叠加函数M(y)的值减去高度H成为z₀，即，用于衍射结构S(x；y)中的叠加函数M(x；y)的值是函数值：

z＝{M(x；y)+C(x；y)}以值H为模-C(x；y)。

在这个方面，函数C(x；y)的量限制为某一值范围，例如限制为结构高度H_st的值的一半。因为技术原因而产生的函数{M(x；y)+C(x；y)}以值H为模-C(x；y)的断层(dislocation)位置不被当做关于叠加函数M(x；y)的极值。同样地，在给定配置中，关于H的值可以局部较小。在衍射结构S(x；y)的一个实施例中，局部变化的值H由以下事实确定，即两个连续的不连续位置P_n间的间隔不超过40μm至300μm范围内的预定值。

在表面部分13(图2)、14、15(图2)中，衍射结构S(x，y)在坐标轴z的两边上扩展，并且不仅仅如图7所示地位于坐标轴z的右边。由于叠加效应，结构高度H_st是值H与剖面高度h(图4)的和，并相当于衍射结构S(x，y)在点P(x；y)处的值。结构高度H_st有利地是小于40μm，关于结构高度H_st的较佳值为小于5μm。叠加函数M(x，y)的值H限于小于30μm，并且较佳的在范围H＝0.5μm和H＝4μm之间。在微观级上，消光结构具有确定散射能力的、并且仅可用诸如平均粗糙度系数R_a、相关长度l_c等等的统计参数来描述的精细起伏结构单元，在这方面，关于平均粗糙度系数R_a的值在范围R_a＝150nm和R_a＝1.5μm之间，而相关长度l_c至少在一个方向上在范围l_c＝500nm和l_c＝100μm之间。在“各向同性的”消光结构的情况下，统计参数和较佳方向无关，而在“各向异性的”消光结构的情况下，起伏单元以垂直于较佳方向的相关长度l_c定向。衍射光栅32(图4)的剖面高度h的值处于h＝0.05μm和h＝5μm之间，其中，较佳值在更窄的范围h＝0.6±0.5μm内。衍射光栅32的空间频率f从f＝300线/mm和3300线/mm之间的范围中选出。在大约F＝2400线/mm处，仅在零级衍射级内仍可观察到衍射光束34(图5)，即在反射光线22(图5)的方向上。

叠加函数M(x，y)的进一步的例子如下：

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分别为叠加函数M(x，y)分别在坐标轴x和y方向上的空间频率F。在安全特征16的另一个实施例中，叠加函数M(x，y)由另一函数的预定部分周期性地组成，并且沿线36具有一个或多个周期。

在图8a中，叠加函数M(x，y)＝0.5·(x²+y²)·K，即球面的一部分，起伏结构R(x，y)，即“各向同性的”消光结构，在例如具有圆形边缘的表面部分14中形成衍射结构S(x，y)(图7)。在日光下，观察者35(图5)根据观察方向39看见与黑灰背景43相对照的白灰光点42，表面部分14中，点42相对于识别标记37的位置以及点42与背景43之间的对比度取决于观察方向39。点42的范围由消光结构的散射能力和叠加函数M(x，y)的曲率确定。例如在图8b中，通过绕倾斜轴(41(图5)倾斜及/或绕层复合物1的表面法线21(图5)旋转，将安全元件2(图2)定向到预定的观察方向39，以这种方式，点42处于配置在例如具有圆形边缘的表面部分14的中心的识别标记37内。

图9示出衍射平面20中的衍射结构S(x，y)(图7)的光衍射效应。起伏结构R(x，y)(图4)是具有例如正弦剖面轮廓曲线和小于2400线/mm的空间频率f的衍射光栅32(图4)。起伏结构R(x，y)的光栅矢量位于衍射平面20中。在安全特征16的表面部分13(图2)、14(图2)和15(图2)中的叠加函数M(x，y)由衍射结构S(x，y)的效果确定，其中分别以预定视角+9和-9入射在层复合物1上的光线11分别被偏转至正衍射级23(图3)或负衍射级24(图3)。在衍射平面20中，波长为λ₁的第一光束44包含同入射光线11的视角9，波长为λ₂的第二光束45具有的视角为-9。观察者35(图5)以波长λ₁的色彩、在视角9上察觉到表面部分13、14、15。平面内的层复合物1旋转180°后，表面部分13、14、15以波长λ₂的色彩、在视角-9上呈现在观察者35的面前。如果中心面33包含局部倾角γ＝＝0°，则波长λ₁和λ₂不会产生不同。对于局部倾角γ的其它值，波长λ₁和λ₂不同。以虚线显示的倾斜的中心面33的法线21’包括同入射光束11的角α，其中α＝-β＝γ。第一光束44与法线21’所含的衍射角为ξ₁，而第二光束45与法线21’所含的衍射角为ξ₂。

由于ξ_k＝asin(sinα+m_k·λ_k·f)并且α＝γ，所以前两个衍射级()23、24(即m_k＝±1)的关系，如下：

f·(λ₁+λ₂)＝2·sin(9)·cos(γ) (1)，

从此可得出，对于视角9和空间频率f的预定值，光束44、45的两个波长λ₁、λ₂的和与倾角γ的局部角的余弦值成比例。对于其它级数m，可简单地导出公式(1)。对于给定的可观测的颜色，由空间频率f确定级数m和视角9。

通过例子，图10a和10b示出安全特征16的一个实施例，其中，在图10a中，安全元件2在其平面内相对于图10b中的安全元件2旋转180°。通过平面中的线36说明衍射平面20(图9)。在图10a和10b中，安全特征16包括具有衍射结构S(x，y)＝R(x，y)+M(x，y)的三个表面部分13、14、15，其中，在这三个表面部分13、14、15中，衍射结构S(x，y)由于由等式(1)相对于叠加函数M(x，y)的局部倾角γ和起伏剖面轮廓曲线R(x，y)的空间频率f而确定的值而不同。背景区46毗连至少一个表面部分13、14、15并具有有相同起伏剖面轮廓曲线R(x，y)和空间频率f的衍射光栅32(图4)，所述空间频率f对于背景区是特定的。起伏剖面轮廓曲线R(x，y)的光栅矢量以同表面部分13、14、15与背景区46中的线36平行的关系定向。在用白光11(图9)垂直照明安全元件2时，表面部分13、14、15和背景区46在安全特征16中、在图10a所示方向上、在视角9的位置以同样的颜色变亮，并且对于观察者35(图5)，安全特征16看上去无对比差异的以单色发亮，例如偏转的第一光束44(图9)的波长λ₁为例如680nm(红色)。在图10b中所示的方向中，在视角-9上观察到整个安全特征16。例如，第一表面部分13在波长为λ₂的第二光束45(图9)中发亮，例如λ₂＝570nm(黄色)，第二表面部分14在波长为λ₃的第二光束45中发亮，例如λ₃＝510nm(绿色)，以及第三表面部分15在波长为λ₄的第二光束45中发亮，例如λ₄＝400nm(蓝色)。在衍射光栅32(图4)的中心面33(图9)包括具有值γ＝0的倾角γ的背景区46中，因为对称的原因，第二光束45也具有波长λ₁，即背景表面46再次以红色发亮。本实施例的优点在于安全特征16的显著的光学特性，即，在安全元件2的单一预定方向上可见的、并在安全元件2绕表面法线21(图3)180°旋转后改变或消失的色对比度。因而安全特征16用来建立具有不可全息复制的安全特征16的安全元件2的预定定向。

仅为简单起见，假设单色即恒定倾角γ应用于例如每个表面部分13、14、15中。一般来说，表面部分13、14、15具有来自叠加函数M(x，y)的部分，使得在表面部分13、14、15中的倾角γ在预定方向上连续变化，并且第二光束45的波长发自波长λk的两边的区域。代替类似定界的表面部分13、14、15，配置在背景区46上的表面部分13、14、15形成标识、文本等等。

在图11中，衍射结构S(x，y)具有更复杂的特性。叠加函数M(x，y)是对称的、部分稳定的、周期性的函数，其值根据z＝M(x，y)而沿坐标轴x变化，M(x，y)沿着坐标轴y具有常值z。例如，矩形表面部分13、14(图10)、15(图10)定向成其纵边同坐标轴x平行，并且细分成宽度为b的窄的部分表面47，该窄的部分表面的纵边定向成与坐标轴y平行。叠加结构M(x，y)的每个周期1/Fx延伸在t个部分表面47上，例如数t是在5和10之间的范围内的值。宽度b不应该小于10μm，否则衍射结构S(x，y)在部分表面47上定义得不够。

相邻的部分表面47的衍射结构X(x，y)在被加数：起伏剖面轮廓曲线R(x，y)和与部分表面47相关联的叠加函数M(x，y)的部分上不同。第i个部分表面47的起伏剖面轮廓曲线R_i(x，y)在诸如方位、空间频率、平面高度h(图4)等的至少一个光栅参数上，不同于相邻的部分表面47的两个起伏剖面轮廓曲线R_i+1(x，y)和R_i _-1(x，y)。如果空间频率F_x和F_y分别为最多10线/mm，但不小于2.5线/mm，那么观察者35(图5)不再能用肉眼察觉到表面部分13、14、15上按照叠加函数M(x，y)的周期的细分。子具有衍射结构S(x，y)的部分表面47的细分和占据在叠加函数M(x，y)的每个周期内重复。在安全特征16的另一个实施例中，起伏剖面轮廓曲线R(x，y)按照周期性叠加函数M(x，y)的相角的函数而连续变化。

图11中所示的衍射结构S(x，y)在图12中所示的安全特征16的实施例中应用，在当安全特征16绕平行于坐标轴y的倾斜轴倾斜时，用白光11照射时，使用新颖的光学效应。安全特征16包括排列在矩形的第二表面部分13上的三角形的第一表面部分14。在第一表面部分14中，衍射结构S(x，y)区别在于，在叠加函数M(x，y)的每个周期内，起伏剖面轮廓曲线R(x，y)的空间频率f步进地或连续地以预定的空间频率范围δf，在坐标轴x的方向上变化，其中在第i个部分表面47(图7)中的空间频率f_i大于在前面的第i-1个部分表面47(图7)中的空间频率f_i-1。因而，在每个周期内，第一部分表面47包含值f_A的空间频率f。对于在该周期的最小值的部分表面47，空间频率f＝f_M并且对于在该周期的结尾处的部分表面47，空间频率的值为f＝f_E，其中f_A<f_M<f_E，其中δf＝f_E-f_A。在第二表面部分13中，衍射结构S(x，y)区别在于，起伏剖面轮廓曲线R(x，y)的空间频率在叠加函数M(x，y)的周期内、在坐标轴x的方向上、步进地或连续地在从一个部分表面47到下一个部分表面降低。在一个实施例中，作为例子，第二表面部分13的衍射结构S^**(x，y)＝R(-x，y)+M(-x，y)是第一表面部分14的衍射结构S(x，y)，它是以坐标轴y、z定义的平面的镜像。衍射平面20(图9)的光栅矢量和线36(图11)以实质上平行于倾斜轴41的关系定向在表面部分13、14中。梯度38实质上平行于由坐标轴x和z定义的平面。

在图12a中，安全特征16在由坐标轴x和y定义的x-y平面内，其中观察方向39(图5)同坐标轴x形成直角。在垂直入射白光11(图1)的情况下，在叠加函数M(x，y)的最小值的区域内照亮部分表面47。因为在衍射结构S(x，y)、S^**(x，y)中，这些部分表面47包括相同的起伏剖面轮廓曲线R(x，y)和相同的倾角γ≈0°，所以在两个表面部分13、15衍射到观察方向39的光束34(图5)来自可见光谱的相同范围，例如绿色，使得在第一表面部分14和第二表面部分13间，安全特征16上的色对比度消失。当安全特征16绕倾斜轴41倾斜，色对比度随着倾斜角增加而变得清晰，如图12b所示。当安全部件16向左边倾斜时，第一表面部分14的颜色在红色的方向上偏移，因为空间频率f小于f_M的具有起伏剖面轮廓曲线R(x，y)的部分表面47变得有效。第二表面部分13的颜色在蓝色的方向上偏移，因为空间频率f大于f_M的具有起伏剖面轮廓曲线R(x，y)的部分表面47变得有效。在图12c中，安全特征16从图12a所示的位置绕倾斜轴41向右边倾斜。当向右边倾斜时，色对比度也明显地出现，但颜色互换。第一表面部分14的颜色在蓝色的方向上偏移，因为空间频率f大于f_M的具有起伏剖面轮廓曲线R(x，y)的部分表面47变得有效，同时第二表面部分13的颜色在红色的方向上偏移，因为衍射结构S^**(x，y)的起伏剖面轮廓曲线R(x，y)的空间频率f相对于值f_M降低的部分表面47(图11)变得有效。

在图11中的衍射结构S(x，y)的另一实施例中，每个周期1/Fx的部分表面47中的起伏剖面轮廓曲线R(x，y)包括相同的空间频率，但由于光栅矢量相对于坐标轴y的方向角

，一个部分表面47和另一个部分表面的起伏剖面轮廓曲线相异。在周期1/F_x内，方向角

步进地或连续地在例如范围内变化，其中每个周期的最小值中。根据中心面33(图5)的局部倾角γ(图5)，从范围δ

中选择方向角

，一方面，在绕倾斜轴41(图12b和12c)的所有倾角上，第一表面部分14(图12a)的衍射结构S(x，y)在观察方向39(图5)上发射由空间频率f预定的色域的衍射光束34(图5)，例如，从绿色范围，另一方面，形成镜像衍射结构S^**(x，y)的第二表面部分13(12a)仅以预定的颜色在单一的预定倾斜角上发亮，例如从绿色范围中产生的混合色。在其它倾角上，第二表面部分13是黑灰的。对于在这里作为例子而提出的方向角范围δ

±20°，绿色范围从波长λ＝530nm(

)至波长λ＝564nm。

在图13中，应用于衍射结构S(x，y)的叠加函数M(x，y)是在坐标轴x上不对称的函数。在周期1/Fx内，叠加函数M(x，y)非周期地从最小值向最大值增加，例如像函数y＝const·x^1.5。空间频率F_x和F_y分别在范围2.5线/mm直到并包括10线/mm。由于模H运算(图7)而出现的不连续位置在这里未显示。使用上述具有实质上平行于坐标轴x的较佳方向的“各向异性”的消光结构作为起伏剖面轮廓曲线R(x，y)。因此，入射光11(图5)主要平行于坐标轴y散射出去。衍射结构S(x，y)＝R(x，y)+M(x，y)在第一表面部分14(图12a)中成形，衍射结构S^**(x，y)＝R(-x，y)+M(-x，y)在第二表面部分13(图12a)中成形。将参考图12a描述安全特征16的光学效应，光11(图9)入射在x-y平面上。当安全特征16在x-y平面中时，通过消光结构把高强度的入射光11散射在叠加函数M(x，y)的最小值的区域内，而衍射结构S(x，y)、S^**(x，y)的其它表面部分47的散射效果将被忽视。由表面部分13、14反向散射的光线包含入射光线11(图5)的颜色，并且在表面部分13和14中具有相同的表面亮度，以便不可能在两个表面部分13、14间看到任何反差。在图12b中，入射光线11(图5)以入射角α入射在绕倾斜轴41向左边倾斜的安全特征16上。入射光线11(图5)仅在第二表面部分13内散射。在这样的光照条件下，第一表面部分14的表面亮度小于第二表面部分13中的表面亮度若干数量级，使得第一表面部分14相对于明亮的第二表面部分13而呈现出灰暗表面。在图12c中，安全特征16向右倾斜，在这种情况下，两个表面部分13和14的表面亮度互换。

在图12a到12c中，代替单个三角形的表面部分14，在第二表面部分13上可排列形成标识、文本等的多个第一表面部分。

更进一步的实施例，代替简单的数学函数，也使用用在硬币和奖章上的起伏图像作为衍射结构S(x，y)中的至少部分的稳定的叠加函数M(x，y)，其中，有利的是，起伏剖面轮廓曲线R(x，y)是“各向同性”的消光结构。在这个实施例中，安全元件2的观察者具有特征表面结构的三维图像的印象。当旋转并倾斜安全元件2时，图像中的亮度分布根据相对于真实的起伏图像的预期值而变化，但是凸出的单元不投射阴影。

不脱离本发明的概念，所有衍射结构S在其结构高度都限制为值H_st(图1)，如参考图7所述的那样。应用于上述特定的实施例中的起伏剖面轮廓曲线R(x，y)和叠加函数M(x，y)可按需组合以提供其他衍射结构S(x，y)。

在安全元件2中对上述安全特征16的使用具有这样的优势，即，安全特征16防止了对全息复制安全元件2的企图。在全息复制中，仅可在改变的形式中观察到安全特征16表的面上的位置转移或颜色转换。

Claims

1、一种安全元件(2)，包括具有表面图案(12)的微观精细光学有效结构(9)的层复合物(1)，所述光学有效结构(9)嵌入在层复合物(1)的透明层(4；5；6)之间，其中，光学有效结构(9)成形在由坐标轴(x；y)确定的表面图案(12)的平面中的安全特征(16)的表面部分(13；14；15；46)中的层(5；6)间的反射界面(8)中，

其特征在于，

尺寸大于0.4mm的至少一个表面部分(13；14；15)具有通过描述宏观结构的叠加函数(M)与微观精细起伏剖面轮廓曲线(R)的正向或负向的叠加而形成的衍射结构(S；S^*；S^**)，所述叠加函数(M)、起伏剖面轮廓曲线(R)和衍射结构(S；S^*；S^**)是坐标轴(x；y)的函数，并且所述起伏剖面轮廓曲线(R)描述了光衍射或光散射光学有效结构(9)，所述光学有效结构(9)跟随着所述叠加函数.(M)而保持预定的起伏剖面轮廓曲线(R)，由至少部分稳定的叠加函数(M)定义的中心面(33)在至少部分区域中弯曲，并且在任一点具有由叠加函数(M)的梯度预定的局部倾角(γ)，不是周期性三角形或矩形函数，并且同起伏剖面轮廓曲线(R)相比缓慢地变化。

2、如权利要求1所述的安全元件(2)，其特征在于，叠加函数(M)是具有空间频率(F)至多为20线/mm的、部分稳定的、周期函数。

3、如权利要求1所述的安全元件(2)，其特征在于，叠加函数(M)是具有空间频率(F)在2.5线/mm至10线/mm的范围内的不对称的、部分稳定的、周期函数。

4、如权利要求1所述的安全元件(2)，其特征在于，表面部分(13；14；15)中叠加函数(M)的相邻极值彼此远离至少0.025mm。

5、如权利要求2至权利要求4中任一项所述的安全元件(2)，其特征在于，所述起伏剖面轮廓曲线(R)是具有恒定剖面高度(h)的衍射光栅(32)，所述衍射光栅具有有方向角(

)和大于300线/mm的空间频率的光栅矢量。

6、如权利要求2至权利要求4中任一项所述的安全元件(2)，其特征在于，所述起伏剖面轮廓曲线(R)是各向异性消光结构，具有方向角(

)的较佳方向。

7、如权利要求5所述的安全元件(2)，其特征在于，安全特征(16；16’)具有至少两个相邻的表面部分(13；14；15)，并且第一衍射结构(S)在第一表面部分(14)中成形，不同于第一衍射结构(S)的第二衍射结构(S^*；S^**)在第二表面部分(13；15)中成形，第一表面部分(14)中的光栅矢量或第一起伏剖面轮廓曲线(R)的较佳方向以及第二表面部分(13；15)中光栅矢量或第二起伏剖面轮廓曲线(R)的较佳方向实质上平行。

8、如权利要求5所述的安全元件(2)，其特征在于，在衍射结构(S；S^*；S^**)中，光栅矢量或起伏剖面轮廓曲线(R)的较佳方向实质上平行于由叠加函数(M)的梯度(38)和垂直于层复合物(1)的表面法线(21)所确定的梯度平面。

9、如权利要求5所述的安全元件(2)，其特征在于，在第一表面部分(14)中成形的第一衍射结构(S)是按照起伏剖面轮廓曲线(R)与叠加函数(M)的总和形成的，并且在第二表面部分(13；15)中成形的第二衍射结构(S^*)是按照同样的起伏剖面轮廓曲线(R)与同样的叠加函数(M)的差(R-M)形成的。

10、如权利要求5所述的安全元件(2)，其特征在于，在衍射结构(S；S^*；S^**)中，光栅矢量或起伏曲线(R)的较佳方向实质上垂直于由叠加函数(M)的梯度(38)和垂直于层复合物(1)的表面法线(21)所确定的梯度平面。

11、如权利要求3所述的安全元件(2)，其特征在于，所述起伏剖面轮廓曲线(R)是衍射光栅(32)，所述衍射光栅具有有方向角()和大于300线/mm的空间频率(f)的光栅矢量，所述叠加函数(M)的每个周期(1/F)中，表面部分(13；14；15)被细分成关纬度1/(F·t)的t个部分表面(47)，与一个部分表面(47)相关联的衍射结构(S；S^*；S^**)的衍射光栅(32)与相邻部分表面(47)的衍射光栅(32)在至少一个光栅参数上相区别，用衍射结构(S；S^*；S^**)对部分表面(47)的占据和细分在每个周期(1/F)中重复，衍射光栅(32)具有对应于部分表面(47)中的局部倾角(γ)的方向角(

)和/或空间频率(F)，在每个周期(1/F)中，衍射光栅(32)的光栅参数分别以预定的方向角范围(δ

)或预定的空间频率范围(δf)而步进地或连续地来回移动。

12、如权利要求5所述的安全元件(2)，其特征在于，在第一表面部分(14)中，第一衍射结构(S)从起伏剖面轮廓曲线(R)与叠加函数(M)的总和形成，并且在第二表面部分(13；15)中，衍射结构(S^**)是第一衍射结构(S)以表面图案(12)的平面的镜像。

13、如权利要求5所述的安全元件(2)，其特征在于，所述衍射结构(S)是按照叠加函数(M)和起伏剖面轮廓曲线(R)的和形成的，所述衍射结构(S)成形在至少一个表面部分(13；14；15)中，起伏剖面轮廓曲线(R)的空间频率(f1)小于2400线/mm，叠加函数(M)具有在起伏剖面轮廓曲线(R)的衍射平面(20)中测量的局部倾角(γ)，表面部分(13；14；15)毗连安全特征(16)的背景区(46)，平行于覆盖层(4)的背景区具有倾角(γ)等于0°的中心面(33)，中心面中成形具有第二空间频率(f2)和与起伏剖面轮廓曲线(R)的衍射平面(20)平行定向的光栅矢量的正弦衍射光栅(32)，所述第二空间频率(f2)选择成在垂直照射白光(11)时，在预定的正视角()的一个观察方向中，表面部分(13；14；15)和背景区(46)不会在衍射光的颜色方面不同，在层复合物(2)绕表面法线(21)旋转180°之后，以负视角()观察，表面部分(13；14；15)和背景区(46)在衍射光的颜色方面不同。

14、如权利要求1所述的安全元件(2)，其特征在于，所述起伏剖面轮廓曲线(R)是各向同性消光结构。

15、如权利要求14所述的安全元件(2)，其特征在于，所述叠加函数(M)描述了起伏图像。

16、如权利要求14所述的安全元件(2)，其特征在于，所述叠加函数(M)描述了球面的一部分。

17、如权利要求1至权利要求4中任一项所述的安全元件(2)，其特征在于，衍射结构(S；S^*；S^**)限制为小于40μm的结构高度(H_st)，并且叠加函数(M)限制为小于30μm的变量值(H)，在衍射结构(S；S^*；S^**)中使用的叠加函数(M)的值z等同于{(M)+C(x；y)}以变量值(H)为模—C(x；y)，其中，函数C(x；y)的量限制为结构高度(H_st)的一半。

18、如权利要求1至权利要求4中任一项所述的安全元件(2)，其特征在于，具有光学有效结构(9)的表面单元(17；18；19)是表面图案(12)的一部分，并且至少一个表面单元(17；18；19)毗连安全特征(16)。

19、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，在至少一个表面部分(13；14；15)上配置的是具有不同于所述衍射结构(S；S^*；S^**)的光学有效结构(9)的至少一个识别标记(37)，可用作层复合物(1)的定向的基准参考的识别标记(37)具有从衍射或光散射起伏结构或镜面组成的组中选择出的一个光学有效结构(9)。