CN101970246B - 制备图案化液晶聚合物层的方法、光学元件及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于识别和/或防止伪造或复制的光学元件，其包含至少一个具有各向异性光学性能的层，其中所述各向异性光学性能是图案化的，其特征在于该图案表示生物测量信息。此外，本发明涉及制备用于识别和/或防止伪造或复制的光学元件的不同方法。

Description

制备图案化液晶聚合物层的方法、光学元件及其用途

技术领域

本发明涉及用于识别和/或防止伪造或复制的光学元件，其含有至少一个具有各向异性光学性能的层，该层包含图案形式的生物测量信息。 

背景技术

生物测量识别系统作为提供个人识别的方式得到广泛发展。个人识别在许多应用中是至关重要的并且最近几年中信用卡欺诈和身份盗用的高发表明这是在更为广泛的社会中主要顾虑的问题。个人密码、PIN识别、关键字个人提问或甚至基于令牌的设置均具有限制它们在广泛网络化社会中的适用性的缺陷。生物测量系统所声称的优点是它们可在个体和数据段之间建立牢不可破的一一对应。 

主要地，生物测量学的应用是通过将个体的独特特征进行测量或成像并且将结果与该特征的以前数据对比来核实该个体的身份的过程。生物测量安全的典型阶段包括数据的获取(也称作登记)、(基于该数据的模板的)提取、对比和储存。 

指纹是最广泛使用的生物测量，已用于许多民用应用例如访问控制；计时和签到以及计算机用户登录。指纹扫描仪称作“现场扫描”指纹扫描仪，其基本原理是当手指与扫描仪的表面接触时感测手指上的脊和谷。现场扫描图像获取系统是基于4种类型的技术：受抑全内反射(FTIR)、CMOS电容、热和超声。最近，非接触式指纹扫描仪声称避免了与触摸用于扫描指纹的表面有关的问题。 

生物测量数据以可易于获取、数字化、传输、储存和在一些生物测量认证装置中对比的若干不同形式产生。生物测量数据的私人且极敏感的性质暗示着存在明显的与获取、储存和使用有关的保密和安全风险。生物测量系统的缺陷是当生物测量数据处理不当时可出现的所述风险。因此，本领域中对可易于辨识但是不可复制和/或伪造且具有高的安全水平的光学生物测量安全元件存在很大需求。生物测量加密术也是其中使用生物测量数据作为待在一些加密过程中使用的个人或隐私钥匙的技术，由此需要光学加密生物测量安全元件。

使用用于偏振转换的液晶聚合物(LCP)的光学安全元件、特别是含有正常隐藏的图像(第二级的检查)的光学部件在本领域中是已知的。制备这样的光学元件的材料和方法描述于例如US6144428和US7201948中。这些部件是基于混合层结构，该结构由与交联的液晶单体或预聚物的层接触的光定向取向层构成，其中所述取向层限定出交替取向的区域。在液晶层制备期间，使液晶单体或预聚物通过与光定向层相互作用而区域性地取向。特征在于光轴方向的空间变化的这种取向通过随后的交联步骤得以固定，其后形成具有预建立的取向图案的图案化液晶聚合物层。这样的层具有透明外观。在没有另外辅助下进行观测时，取向图案本身和写入到交联LCP层中的信息都是不可见的。如果所述层所位于其上的基材是透明的并且至少部分维持光的偏振态，则若光学元件置于两个偏振器之间时LCP取向图案变得可看到。如果双折射LCP层位于反射层上，则用保持在元件上方的单个偏振器使得可看到图案和相应的信息。 

基于光引发的交联和/或二聚的特殊类型的光定向材料同义地称作可线性聚合的聚合物(LPP)或可光取向的聚合物网络(PPN)。用于制备基于LPP材料的光定向层的这些光定向材料和方法的实例公开于US6144428中。 

对于生物测量数据的储存已提出许多类型的技术。目前通常使用增强方式(enhancement)例如全息图、水印和嵌入的微线程来建立ID卡的有效性。 

目前用于这种类型的识别系统的标准化生物测量学是面部辨识、指纹辨识和虹膜辨识。 

US7128258B1中描述了使用包含信息储存区域的光学免疫卡的免疫系统，所述信息可通过光学读卡器访问。 

提供储存加密安全信息的益处的智能卡也证明在许多认证解决方案中是有效的，尽管所涉及的成本对于广泛应用会是过高的。最近， Biometric ID Technology提供了基于新条形码技术的加密安全ID卡，其解决了在小空间中的生物测量储存。 

还描述了其它技术，例如DNA墨水的发展，所述墨水含有与印墨混合的合成DNA(Journal of Experimental Medicine(2004)，204(2)，109-117)。 

US7009190描述了接触成像法，其中成像片包含双稳态热响应材料层。例如，将手指压在加热的成像片上可在胆甾液晶层中形成指纹的图像，其中成像片的接触区域处于平面态，而非接触区域处于焦锥态。通过施加电场，可再擦除该图案。可使用成像片进行目标例如指纹、手印或脚印的临时成像，该图像可后来擦除掉。因此该元件不可用于生物测量信息长期储存。 

本申请的任务是提供用于生物测量学的永久储存介质，其中生物测量学数据不能够使用外部刺激擦除或修改，其用作例如身份证、信用卡和访问控制用标记牌上的安全元件。特别期望所储存的信息涉及第二级的安全，这意味着需要另外的工具来辨识整组安全特征。这样的安全元件可单独使用或者与其它安全元件组合使用以进一步提高安全水平。 

发明内容

因此，本发明涉及用于识别和/或防止伪造和/或复制的光学元件，其包含至少一个具有各向异性光学性能的层，其中所述各向异性光学性能是图案化的，其特征在于该图案表示生物测量信息。根据本发明的光学元件优选用作安全元件。具体地，将这样的安全器件应用到或纳入到防假冒和伪造的安全文档如身份证、护照、驾驶证、证书、出生证明、信用卡、标记牌、票据等中。有利地，该安全器件的形式可以为标志、安全条、标签、纤维、丝线、层合体或碎片等。 

在本发明的上下文中，层可以是从几纳米厚的薄涂层到几百微米厚的膜的任何物质。优选的厚度范围是10纳米-300微米。更优选50纳米-10微米的厚度，最优选100纳米-3微米的厚度。优选地，该图案是取向图案和/或光延迟图案。 

优选地，各向异性性能在与该层平行的面内是有效的。 

各向异性层内的生物测量信息应是永久的。因此，优选对含有图案的层的材料进行选择使得在将根据本发明的光学元件在80℃下、更优选在100℃下储藏10小时后在室温下仍存在该图案。 

独特的(生物测量)特征可以是生理上的，其包括但不限于身体形状，指纹，手几何形状和眼睛的虹膜组织，手写笔迹例如签名，手纹理，耳朵辨识，面部温谱图，DNA，气味和掌纹。此外，生物测量特征还可以是行为上的，例如人的行为，手书写动态，键击动态，步态(行走方式)或声音。 

优选类型的生物测量特征是指纹、虹膜组织、手写笔迹和声音。 

最优选类型的生物测量特征是指纹、签名和虹膜组织。 

根据本发明的优选实施方案，对光学元件中的生物测量信息进行编码。编码特别用于行为上的生物测量特征。 

可例如通过电子装置、光电装置、照相机、直接接触或基于墨水的技术来收集个人的生物测量数据。 

若偏振器适当应用于观测本发明不同实施方案中的每一个，则储存在根据本发明的光学元件中的生物测量信息的光学外观取决于光的偏振态。特别是所观测到的表示生物测量信息的图案的光学对比(optical contrast)取决于为了观测所施加的偏振光的方向。 

根据本发明的光学元件可用于透射或反射。光学性能可必须适于透射或反射模式以按任一种模式获得最佳光学性能。当用作反射元件时，从观测者的角度观察，反射器在光学元件后面。可以使用任何种类的反射器；其可以是散射性或非散射性的。反射器可以是基材本身或可以充当反射器的任何涂层。本发明的光学元件可以目视观测或者通过光电子检测系统例如照相机或其它光学检测器观测。 

在本发明的优选实施方案中，至少一个具有各向异性光学性能的层包含至少一个其中折射率是各向异性的区域。具有各向异性折射率的材料或层也分别称作双折射材料或层。因为仅光的偏振态受双折射材料影响，只有当为了观测而施加偏振光并且对穿过光学元件的光根据其偏振态进行分析时，才可看到储存在这样的光学元件中的生物测量信息。当用作透射元件时，包含在这样的光学元件内的生物测量信息的目视观测通常通过将光学元件置于两个偏振片之间来进行。当反射器在这样的光学元件后面时，可透过设置在光学元件和观测器之间的单个偏振器观察该元件来进行目视观测。在反射器处反射时反射器应至少部分维持光的偏振态。偏振器的类似配置可用于光电子检测系统。 

在本发明的上下文中，定向表面将表示对液晶具有定向能力的任何基材表面。基材可以包含产生或转移这样的定向能力的涂层。这样的涂层在液晶显示器中也公知地称作定向层。 

可使用本领域已知的任何技术制备定向层，所述技术包括但不限于摩擦定向(rubbing)，SiO等的倾斜沉积，光刻光栅(grating)，LB膜，粒子辐射处理，表面结构的激光书写，通过模印进行的定向纹理转印，包括光二聚、光分解、光异构的光定向。 

优选地，定向层可通过光定向制得，更优选是基于线性光聚合(LPP)的定向层。 

在本发明的上下文中，术语液晶的“定向”和“取向”同义地使用。对于术语“进行定向”或“进行取向”，在涉及液晶时同样如此。 

在本发明的上下文中，取向图案的含义是基材定向表面内和/或LCP层中的图案，使得至少两个区域中的取向方向彼此不同。特别地，取向图案可以包含连续变化的取向方向。对于定向表面，术语取向方向是指与定向表面接触的液晶将要定向的方向。对于LCP层，术语取向方向是指液晶分子的局部优选方向。术语取向方向涵盖方位角(azimuthal)以及极性方向。对于后者，也使用术语倾斜角，其限定了液晶分子长轴的取向和表面之间的极性角度。 

在本发明的上下文中，光延迟图案表示使得至少两个区域中的光延迟彼此不同的双折射材料中的图案。不同的光延迟可以例如由不同的厚度和/或不同的双折射造成。不同的双折射值可例如通过分子极化度的局部更改或者通过局部沉积不同的具有合适光学性能的材料获得。对于液晶聚合物，还能够局部地更改有序参数。 

本发明的优选实施方案涉及用于识别和/或防止伪造或复制的光学元件，其包含至少一个具有各向异性光学性能的层，该层包含液晶聚合物，其中所述各向异性光学性能是图案化的，其特征在于该图案表示生物测量信息。液晶聚合物优选是液晶(共)聚物、液晶弹性体、液晶聚合物凝胶或液晶聚合物网络。更优选地，液晶聚合物是液晶聚合物网络。液晶聚合物材料还可以包含光定向材料。 

在优选的实施方案中，定向表面在至少一个包含液晶聚合物的层的下面。优选地，定向表面表现出取向图案。 

在另一个优选实施方案中，该图案是光延迟图案。这可例如通过表现出不同厚度区域的图案得以实现。或者，这可通过具有局部不同的液晶有序参数的液晶聚合物的层得以实现。 

在本发明的另一个优选实施方案中，各向异性性能是指吸收。各向异性的吸收可例如通过包含定向二色性染料的液晶聚合物材料得以实现。可以在没有附加的偏振器的情况下看到含在这样类型的光学元件中的生物测量信息，这取决于表示生物测量信息的图案的类型并且取决于视角。典型地，可通过用线性偏振光照射光学元件或者透过偏振片查看来进行观测。应用到这样的光学元件的反射器不需要维持光的偏振态。因此例如纸、塑料、散射涂层、颜料和有色材料可充当反射器。 

在本发明的另一个优选实施方案中，至少一个图案化层包含液晶聚合物和嵌入在该液晶聚合物中的定向荧光染料，其各向异性地吸收和/或发射光。这样的光学元件中的生物测量信息可通过用波长与荧光染料的吸收带重叠的偏振光照射和/或通过例如用偏振片分析荧光染料发射的光的偏振态进行观测。 

本发明还涉及制备根据本发明的光学元件的方法。可以使用直接或间接方法将收集的生物测量数据转移到具有各向异性光学性能的层中。 

直接方法将表示将生物测量信息直接施加到具有各向异性折射率和/或各向异性吸收的层而不需要任何其它材料或膜。 

间接方法使用可聚合或聚合的液晶用于制备具有各向异性折射率和/或各向异性吸收的层。间接方法表示在初始将生物测量信息转移到定向表面中。在随后步骤中，将生物测量学数据转移到涂覆在定向表面顶部上的可聚合或聚合的液晶。 

根据本发明的优选实施方案，通过将定向层材料局部沉积到基材上制备定向表面。可使用上文描述的任何类型的定向技术，只要其可局部沉积。对于定向材料的选择性沉积，可使用标准的印制技术，这些技术包括但不限于：丝网印制，凸版印制例如柔性版印制，喷墨印制，凹版印制例如直接凹版式印制或胶印凹版式印制，平版印制例如胶版印刷，或者模版印制例如网印。用于局部沉积的最优选的印制技术是喷墨印制。取决于定向的类型，可能需要进一步处理例如摩擦定向或暴露于定向光以在沉积的材料中限定出取向方向。沉积的定向材料在基材上产生的图案可以已表示生物测量数据。还能够在通过沉积定向层材料所限定的图案内产生另外的取向图案，该取向图案表示部分或全部生物测量数据。 

术语定向光将表示可在光定向层中引起各向异性的波长的光。取决于材料的光敏性以及取决于所需的取向性能，对定向光的波长、强度和能量进行选择。优选地，波长在UV-A、UVB和/或UV/C范围内或可见光范围内。 

当沿定向层的法向暴露时，定向光应至少是部分线性偏振或椭圆偏振。如果使光倾斜暴露则其可以具有任何偏振态，例如非偏振、圆偏振、椭圆偏振、线性偏振或各种偏振状态的叠合。优选地，定向光是至少部分线性偏振。 

用于生物测量数据转移的优选间接方法是更改定向表面的初始定 向性能例如方位角或极性取向方向的那些方法。 

还可通过局部烧蚀、漂白或以其它破坏定向表面的初始定向能力的方式将表示生物测量信息的图案转移到定向表面中。这例如可通过用粒子和/或电磁辐射对区域选择性轰击来进行。粒子辐射可以包括离子、原子、分子和/或电子；电磁辐射可以是红外射线、可见光射线、紫外射线或X射线。 

在优选的方法中，将指纹直接放置在具有定向表面的基材的顶部。转印的指纹可能包含皮肤的油脂或在转印指纹之前沉积在手指上的其它物质。重要的是选择沉积在手指上的材料使得该材料不能够溶于可聚合或聚合的液晶溶液的溶剂中，所述溶液在随后步骤中涂覆在指纹顶端。液晶材料在定向表面被迁移自手指的材料覆盖的这些指纹纹理区域中将不会理想地进行定向。然而，除这些区域外，液晶材料将进行定向。在成品元件中，当用偏振光观测时指纹纹理将显现，这是因为在与指纹的物质所迁移到的区域相对应的区域中差的液晶取向品质。 

用于生物测量数据转移的最优选的间接方法是使用光定向技术用以修改定向性能的那些方法。 

根据本发明的一个方面，提供了制备含有生物测量信息的光学元件的方法，该方法包括步骤： 

-在基材上制备光定向材料层 

-通过暴露于定向光以取向图案形式将生物测量信息转移到定向层中 

-在定向层的顶部涂覆可聚合液晶， 

-在使液晶定向后通过热引发或光引发开始液晶的聚合。 

根据本发明的另一方面，提供了制备包含生物测量信息的光学元件的方法，该方法包括步骤： 

-在基材上制备光定向材料层 

-通过暴露于定向光以取向图案形式将生物测量信息转移到定向层中 

-在定向层的顶部涂覆聚合的液晶材料。 

用于光定向层的最优选的材料是可线性地光聚合类型的那些材料(LPP)。 

可使用在光定向层中产生取向图案的任何方法。优选方法是如US6496239中所公开的通过一个或多个光掩模用不同偏振方向的定向光进行多次暴露、激光扫描、通过定向母版(master)用光化性光暴露，这产生与所需取向图案对应的偏振空间变化，以及是涉及例如数字镜器件(DMD)的定向光的空间图案投射。 

可通过本领域已知的一般涂覆和印制方法施涂定向层材料以及可聚合和聚合的液晶材料，所述方法包括但不限于：旋涂，刮刀涂覆(blade coating)，刀片涂覆(knife coating)，辊舐涂覆，铸涂，狭缝涂覆，压延涂覆，电沉积涂覆，口模式涂覆，浸渍，刷涂，用棒铸涂，辊涂，流涂，注涂，线涂，喷涂，浸涂，离心式涂覆，阶式涂覆，幕涂，气刀涂覆，缝隙涂覆，旋转网印，逆辊涂覆，凹版式涂覆，计量棒(Meyer棒)涂覆，狭缝模(挤出)涂覆，热熔涂覆，辊涂覆，柔性版涂覆，丝网印制机，凸版印制例如柔性版印制，喷墨印制，凹版印制例如直接凹版式印制或胶印凹版式印制，平版印制例如胶版印刷，或模版印制例如网印，或任何其它方法。 

本发明还提供了将生物测量数据直接转移到具有各向异性性能的层中的方法。这些方法中的一些施加局部处理以修改或除去依照于表示生物测量信息的图案的各向异性层的各向异性性能。 

在用于直接生物测量数据转移的第一实施方案中，局部漂白具有各向异性性能的层。在本发明的上下文中，漂白将表示致使修改各向异性层的化学性能的任何处理，使得在该漂白过程期间改变各向异性光学性能。漂白可例如通过外部刺激如粒子和/或电磁辐射得以实现。粒子辐射可以包括离子、原子、分子和/或电子，电磁辐射可以包括红外射线、可见光射线、紫外射线或X射线。根据本发明，用紫外光漂白是最优选的方法。通过使光学各向异性层透过一个或多个光掩模或点式掩模(dotmask)的单步骤或多步骤暴露，和/或通过向光学各向异 性层施加扫描辐射束，实现选择性的局部漂白。 

在根据本发明的另一个优选方法中，通过烧蚀来局部修改各向异性性能以将生物测量数据直接转移到各向异性层。在该方法中，通过能量吸收和表面的局部加热以及随后的材料蒸发将材料从各向异性层的表面局部地除去。这例如可通过激光烧蚀进行。激光烧蚀极大地受材料性质及其吸收能量的能力影响，因此应当对烧蚀激光的波长进行选择以最佳地匹配待烧蚀的材料的吸收带。为此的优选类型的激光是受激准分子激光器。或者，可通过粒子轰击例如用离子、原子、分子和/或电子实现烧蚀。 

用于制备根据本发明的光学元件的进一步优选的方法涉及将生物测量信息直接转移到层中，这些层包含涂覆或印制在定向表面顶部的可聚合或聚合的液晶，其是通过按照待转移的图案在液晶层中产生局部不同的聚合度进行。 

这例如可按与生物测量信息相对应的图案使可聚合液晶选择性地局部固化来进行。这例如可通过暴露于光源和液晶层之间的黑色度和白色度或灰色度光掩模所产生的具有空间变化强度的光化性光来进行。还可使用局部施加不同辐射能量的任何其它技术，例如用光化性光的扫描束暴露或者投射光化性光的空间图案(涉及例如数字镜器件(DMD))。 

如此产生的图案包含具有不同的聚合度或交联度的区域。局部聚合度可通过测量聚合后液晶组合物中未反应的可聚合基团的局部比率(ratio)进行量化。如果设想到图案化的高分辨率，则有利地使用平行入射辐射。通过辐射诱导聚合，优选自由基聚合或阳离子聚合，更优选自由基聚合，获得区域选择性聚合。 

可通过局部固化进行图案化的液晶材料的非限制性实例是： 

-含有能够进行自由基聚合的液晶单体的组合物，其中生物测量学应用所需的分辨率取决于生物测量学的类型。优选地，使用例如活性自由基聚合如光引发转移终止剂调控聚合控制自由基聚合的增长。 

最优选的是： 

-进行多硫醇聚合的组合物或者含有的化合物具有抗氧化基团、特别是硫醚基团的组合物例如WO08077261中描述的 

907。 

-如WO02/28985中公开的含有能够进行阳离子聚合的液晶单体的组合物。 

-含有能够进行混合阳离子和自由基聚合的液晶单体的组合物。 

存在不同的处理方法以产生在聚合区域和非聚合区域之间可检测的光学差异。 

在这些方法的第一种中，其中仅产生两种不同的聚合度，然而它们中的一种是非聚合的，用溶解该非聚合分子但是不影响聚合部分的选择性溶剂冲洗非聚合区域。该方法很大程度上按照用于例如电子工业的公知的光刻操作。所产生的表示生物测量数据的图案由具有液晶和不具有液晶的区域组成，因此在这两个区域之间实现光学各向异性的最大差异。 

在这些方法的第二种中，将液晶层加热到提高的温度以改变未聚合液晶材料的这些区域中的有序参数。特别地，该温度可高于非聚合液晶材料的澄清温度(clearingtemperature)从而使液晶转变成各向同性的相。然后通过热引发和/或光引发在提高的温度下进行剩余非聚合液晶的聚合，该聚合以对应于该温度的有序参数冻结(freeze)。以这种方式，可获得具有两个或更多个不同的延迟值的延迟图案。 

根据本发明的另一种方法，为在聚合之前改变可聚合液晶材料的取向，使用含有一种或多种可异构化组分的液晶组合物(WO2004/083913A1)，并且通过暴露于空间强度按照表示生物测量信息的图案进行变化的光来引起有序参数和因此光延迟的局部更改。需要根据可异构化组分的波长灵敏度选择光的波长。 

根据本发明的优选实施方案，以表示生物测量信息所需图案形式将可聚合或聚合的液晶直接印制或写到基材。优选地，基材表现出定向表面。 

可用本领域已知的任何印制技术进行可聚合或聚合的液晶的印制，所述技术包括但不限于：丝网印制，凸版印制例如柔性版印制， 喷墨印制，凹版印制例如直接凹版式印制或胶印凹版式印制，平版印制例如胶版印刷，或模版印制例如网印。用于局部沉积的优选印制技术是喷墨印制。 

根据本发明的优选方法，通过用墨水手写将生物测量信息转移到光学元件内，所述墨水包含可聚合或聚合的液晶。在下文术语液晶墨水用于这种特殊类型的墨水。生物测量信息在该情形中是特征性笔迹本身，例如签名。可例如用笔或触针或者可用于用墨水书写的任何其它工具来手写液晶墨水。液晶墨水的组成必须就特殊的笔或触针进行最优化，特别是控制与基材的相容性、表面能、粘度以及书写产生的层的厚度。对其进行手写的基材可以具有定向表面，但是还能够在不具有定向能力的表面上书写。 

如果液晶墨水中不包含染料，则在非偏振光下不可看到笔迹，但是可在偏振光下观测到。如果对于透射性基材，将具有笔迹的基材适当地设置在交叉偏振器之间，则在暗背景上笔迹变亮。如果设计用于反射模式并且反射器在包含该笔迹的光学元件的后面，当用单个偏振器观测时，则在亮背景上笔迹变暗。 

对于具有表现出一致定向方向的定向表面的基材，则通过手写沉积的液晶将沿定向表面的取向方向一致地排列。当在偏振光(对于透射性基材为两个偏振器，对于反射性基材为一个偏振器)下观测这样的元件时，则笔迹的对比度取决于偏振器和取向方向之间的角度。如果偏振器与取向方向成45°设置，则笔迹以最大的对比度显现，而如果偏振器平行于或垂直于定向方向设置则看不到笔迹。 

根据优选实施方案，表面不表现出或仅表现出弱的定向能力。因此能够通过书写期间存在的剪力使液晶墨水进行定向。以这种方式，人书写时的特征动态影响液晶墨水的定向。优选地，在进行手写之前或者之后即刻墨水是处于液晶相。其结果是，包括了另一种生物测量特征即书写的动态，可使用偏振器在最终元件中对其进行分析，旋转所述偏振器以辨识液晶材料的局部定向。 

根据另一个优选实施方案，通过将液晶材料印制或手写到具有的 定向表面包含取向图案的基材，强烈地提高了根据本发明的光学元件的安全水平。然后将使液晶按照定向表面的局部取向进行定向。可使用能够产生取向图案的任何定向方法，其包括但不限于光定向，压印定向结构，光栅，多次摩擦定向，旋转摩擦定向，摩擦定向期间除单轴外移动基材或刷子，激光烧蚀。然后将使表示生物测量信息的图案与定向表面的特征图案重叠。对于取向图案可使用任何设计，例如线条或棋盘形图案，图形，文本，微缩文本，图像等。可以对定向表面的取向图案进行设计使得其如同生物测量图案内的水印一样显现。优选地，这样的图案包括微缩文本、标志或图形。可对取向图案的结构尺寸进行设计以最佳地适配表示生物测量信息的图案。 

特别地，按上述用液晶墨水在表现出取向图案的定向表面上手写产生具有非常高安全水平的给人深刻印象的光学元件，这是因为其兼具有不同的安全特征。 

在简单的实例中，在具有线条图案形式的取向图案顶部手写签名形式的液晶层。当通过适当地应用偏振器在偏振光下观测到该签名时，签名的线条显现出是断续的。在另一个实例中，取向图案表现出连续的定向变化。当用一个或两个偏振器观测最终元件时，取决于具体实施方案，签名以一定对比度显现。通过旋转偏振器，该对比度变化，这在观测期间产生动态效果。 

根据本发明的另一种优选方法，液晶墨水包含二色性染料。用含有染料的墨水手写则可在书写后直接看到。如果用偏振器在顶部观测，则有色签名的强度取决于偏振器的偏振轴相对于光学元件中的取向方向的角度而变化。 

在优选的方法中，在具有不同倾斜角的图案、甚至更优选具有相反倾斜角的图案的基材上用含有染料的液晶墨水进行手写。于是可通过使光学元件倾斜而不用偏振器看到该倾斜图案。当以相反方向倾斜光学元件时，图案的对比发生反转。 

在另一个优选实施方案中，取向图案由具有彼此垂直的取向方向的区域组成。于是可通过用偏振器观测或在偏振光照条件下或者通过 围绕与取向方向之一平行的轴倾斜具有笔迹的基材来观测图案。 

根据本发明的另一种方法，将生物测量信息冲压或压制到可聚合或部分聚合的液晶的层中。这对于表现出表面曲线的人体任何部分、特别是手指是可能的。优选地，液晶材料未完全聚合。在压制或冲压期间，该材料必须足够粘以能够在从表面顶部压印的纹理附近稍微地流动。其结果是，在压制区域中延迟和/或取向发生改变。 

在若干上述方法中，使用含有生物测量信息的光掩模来产生使光定向层或可聚合液晶暴露所需的空间光分布。由光刻法熟知光掩模，在光刻法中，光刻光掩模典型地是覆盖有用铬金属吸收膜限定的图案的透明熔凝二氧化硅坯体。这样的光掩模的制备成本非常高且耗时。因此使用这样的光掩模用于将个体生物测量数据转移到根据本发明的光学元件中是不可行的。因此待用于本发明方法的光掩模必须廉价且易于制备，这是因为在大多数情形中它们的生产仅供单次使用。 

因此，还提供了制备光掩模的方法，所述光掩模包含用于转移到根据本发明光学元件的所收集生物测量数据的图案。 

第一方法涉及光掩模的生产和生物测量数据的转移，包括步骤： 

-收集生物测量数据并且将该数据转换成数字电子格式 

-任选地在数字储存器件中储存该数据，和 

-将表示生物测量数据的图案印制到透明的基材 

-使用具有表示生物测量数据的印制图案的基材作为光掩模以将生物测量数据转移到根据本发明的光学元件中。 

可使用本领域已知的任何印制技术用于印制生物测量数据。优选的是可由电子器件直接访问的印制方法，例如，如用于当今报纸印刷的那些方法。还可使用称作计算机打印机的任何种类的打印机，例如激光打印机，喷墨打印机，热打印机等可用于该目的。 

可使用任何光电器件和数字化系统如扫描仪、摄像机、数码照相机等用于收集可光学检测的生物测量数据并且用于将它们转换成数字化电子格式。如果生物测量数据是指纹，则指纹扫描仪可用于该目的。 

如果生物测量数据涉及笔迹，则可例如通过使用WO2005020289 中公开的电子笔或电子板直接进行电子获取。 

在生产用于生物测量数据转移的光掩模的第二方法中，用待转移的生物测量数据对透明基材直接进行墨印(ink)。因此，提供了这样的方法，在该方法中通过在透明基材例如玻璃或塑料上直接记录生物测量信息来产生光掩模。 

这例如可通过使用不透光墨水书写签名或者将指纹置于基材上来进行。可用沉积墨水或任何其它适合于光掩模要求的材料的钢笔、铅笔等书写签名。 

可通过将手指压到粘性墨印表面并且将墨印的手指按压透明基材来获取指纹。使用为指纹法目的所特殊设计的墨水(例如来自I.D.Technologies，USA)。可直接使用具有该指纹的基材作为光掩模。 

透明基材表示其对于在涉及光掩模的过程中引发所需光反应所用的光化性光必须是至少部分透明的。优选地，光掩模在UVA和/或UVB光谱范围内是至少部分透明的。有利地，基材表现出低的双折射或没有双折射。 

可使用任何类型的材料作为透明基材，只要其符合上述要求。优选类型的基材是玻璃、熔凝二氧化硅和塑料。 

为了进一步增强整体系统的安全性，可使用特殊算法对生物测量数据进行加密。当需要认证时，用户使用也转换成加密值的生物测量现场测量结果。然后，将加密参考值与加密数据值进行对比来确定所述值是否基本上匹配。加密技术对于例如如下生物测量特别有用：声音，键击动态，对个人提问的响应，手纹理，耳朵辨识，面部温谱图，DNA，气味，掌纹等。 

根据本发明的光学元件可以单独使用或者与其它安全元件组合使用。特别地，可将透明的根据本发明的光学元件设置在其它安全元件、印制品、照片等的上方，这是因为它们不干扰下面元件的设计(design)和可见度，并且在要求时通过应用合适的检测装置例如一个或两个偏振器是可见的。 

根据本发明的光学元件可以包含一种或多种类型的生物测量数 据。还能够在单一元件中将本发明的不同实施方案组合。 

附图说明

现将参考附图以举例方式描述本发明，其中： 

图1a显示了通过直接接触方法产生的指纹的光掩模的照片； 

图1b显示了根据本发明的光学元件的照片，该照片包含在两个交叉偏振器之间观测到的通过将指纹图案直接转印到液晶层的方法所产生的指纹图案。 

图2显示了在两个交叉偏振器之间观测到的根据本发明的光学元件，包含通过指纹图案的间接转印方法产生的在液晶层中的指纹图案，该指纹图案首先转移到光定向层中。图1a的光掩模用于LPP暴露。 

图2a显示了正像照片。 

图2b显示了当使光学元件相比于图2a中的配置旋转45°时显现的负像照片。 

图3显示了根据本发明的光学元件的照片，该照片包含在交叉偏振器之间的双折射签名。该签名用液晶材料手写到包含定向层的基材。 

图4显示了根据本发明的光学元件的照片，该照片包含在交叉偏振器之间的双折射图案化签名。该签名用液晶材料书写到包含的定向层表现出取向图案的基材。 

图4a是直接照片； 

图4b是在偏振显微镜下观测到的； 

图4c是在偏振显微镜下观测到的，但是偏振器和分析器相比于图4b旋转45°。 

具体实施方式

实施例 

用于下面实施例的光定向材料LPP1具有以下化学结构： 

实施例1 

设计用于产生光延迟图案的可聚合液晶材料M1的组成 

该组合物的澄清温度为T_C≈44℃。 

实施例2 

可聚合液晶材料M2的组成 

该组合物的澄清温度为T_C≈55℃。 

实施例3 

含有二色性染料的可聚合液晶材料M3的组成 

实施例4：使用可光图案化的LCP材料制备指纹光学元件和显影处理。 

通过直接接触将指纹印制在熔凝二氧化硅板上来制备光掩模。为此，使用来自I.D.Technologies的指纹板将右食指墨印。将该手指压在该板上并且在按压期间从右向左滚动。在将该手指墨印后，将其压到熔凝二氧化硅基材上并且在按压期间从右侧向左侧滚动。该过程将指纹转印到熔凝二氧化硅板上，该板此时即可作为用于产生根据本发明的光学元件的光掩模使用。 

然后将光定向材料LPP1在环戊酮中固含量为2重量％的溶液以2000rpm旋涂到D263玻璃板60s以形成干厚度为约60nm的光定向层。 随后在热板上将该定向层在180℃的温度下热处理10分钟。其后，将该光定向层从法向暴露于线性偏振紫外光(LP-UV)(波长为280-320nm)。以3mW/cm²的强度施加150mJ/cm²的剂量。已知该过程引起LPP1层中液晶的定向，该定向平行于LP-紫外光的偏振方向。在下一步骤中，在60s中将配制剂M1(实施例1)在环戊酮中25重量％的溶液以800rpm旋涂在功能化的光定向层的顶部。以这种方式获得约800nm的干膜厚度。然后在热板上于40℃的温度下进行热处理10分钟。其后，使用指纹的掩模进行图案化紫外辐射。为此，透过带有指纹图案的白色和黑色掩模将该膜暴露于平行光。使用塑料间隔体使掩模保持距离液晶层的表面约15微米。液晶层的局部聚合通过在空气气氛下用500mJ/cm²剂量的UV-A光透过掩模对其进行照射来光引发。其后，通过将具有所制备的层的基材浸在乙酸乙酯中10秒钟以除去未聚合的材料来进行显影处理。 

所得光学元件是透明的并且不可看到指纹。在将该光学元件以LPP层的取向方向与偏振器的偏振轴成45°置于交叉偏振器之间后，如图1b中的照片所证明，能够以高对比度看到指纹纹理。 

实施例5：使用可光图案化的LCP材料制备指纹光学元件和在较高温度下的固化过程 

使用与实施例4相同的包括暴露步骤在内的LPP层和液晶层制备方法，不同之处在于在高于混合物M1的澄清温度的温度下对未暴露的LCP区域进行第二聚合来替代显影处理。在LCP层的第一紫外暴露后，通过热板将样品加热到60℃，在空气气氛中于60℃下，在没有掩模的情况下用500mJ/cm²的非平行光(UVA和UVB)以50mW/cm²进行第二辐射。 

在完成上述处理后，在交叉偏振器之间的光学元件的观测显示，第一固化处理期间交联的LCP区域是双折射的，而在第二处理期间交联的区域是各向同性的。光学元件的光学外观与实施例4相同。 

实施例6：使用以2个LCP层获得的延迟图案制备指纹光学元件。 

按实施例4中所述在基材上制备光定向层。在LPP层的顶部，涂覆可聚合液晶组合物M1并且在没有掩模的情况下对其进行均匀地紫外辐射以使该层聚合。 

然后在60s中以800rpm的旋转参数在第一聚合液晶层的顶部旋涂可聚合的液晶配制剂M1的第二层。为此，使用在环戊酮中25重量％的溶液。以这种方式获得约800nm的干膜厚度。然后在热板上于40℃的温度下进行热处理并持续10分钟。其后，用平行光透过表现出指纹图案的光掩模进行LCP层的图案化辐射固化。紫外剂量为8mW/cm²下1000mJ/cm²(UVA和UVB)。使掩模保持距离液晶层的表面约15微米。 

然后按实施例5中所述处理该膜，其中使未暴露区域在高于组合物M1的澄清温度下聚合。 

在该情形中，在两个液晶聚合物膜之间没有使用另外的光定向层。因此，使第二图案化液晶聚合物膜平行于第一图案化液晶聚合物膜进行定向。 

所得光学元件是透明的并且在非偏振光下不可观测到图像。当将该元件置于交叉偏振器之间时，可看到由两种不同的灰度组成的指纹纹理。这两种灰度由具有较高延迟的区域和具有较低延迟的区域产生，所述较高延迟对应于两个液晶聚合物膜的延迟总和，所述较低延迟对应于仅较下的未图案化液晶聚合物膜的延迟。 

当使用双折射膜替代第一LCP膜时可获得相同的光学性能。在该情形中，还可使用双折射膜作为基材。 

实施例7：使用具有两个LCP层的延迟图案制备指纹光学元件，其中第二LCP层的定向垂直于第一层 

如同在实施例6中，在基材上制备第一LPP层和第一LCP层。然后，通过旋涂LPP1在环戊酮中固含量为2重量％的溶液，在60s中以2000rpm的旋转参数在第一LCP层的顶部制备干厚度为约60nm的第二定向层。随后在热板上于180℃的温度下将该定向层热处理10分钟。 其后，将该光定向层暴露于偏振轴经选择垂直于第一定向层的取向方向的LP-紫外光(波长为280-320nm)。以3mW/cm²的强度施加150mJ/cm²的剂量。 

然后使用M1在环戊酮中25重量％的溶液制备可聚合液晶材料的第二层。以800rpm在第二定向层的顶部旋涂该溶液60s。以这种方式获得约800nm的干膜厚度。然后在热板上于40℃的温度下进行热处理并持续10分钟。 

其后，用平行光透过表现出指纹图案的光掩模进行LCP层的图案化辐射固化。紫外剂量为8mW/cm²下1000mJ/cm²(UVA和UVB)。使掩模保持距离液晶层的表面约15微米。然后按实施例5中所述处理该膜。 

所得光学元件是透明的并且在非偏振光下不可观测到图像。当将该元件置于交叉偏振器之间时，可看到由两种不同的灰度组成的指纹纹理。 

实施例8：使用光定向层的光图案化制备指纹光学元件。 

以2000rpm将光定向材料LPP1在环戊酮中固含量为2重量％的溶液旋涂到D263玻璃板60s以形成干厚度为约60nm的光定向层。随后在热板上于180℃的温度下将该定向层热处理10分钟。其后，将该光定向层暴露于LP-UV光(波长为280-320nm)两次。使用指纹的掩模将200mJ/cm²的第一剂量以3mW/cm²的强度局部施加在光定向材料上。在第二步骤中，除去掩模并且以相对于第一暴露的紫外偏振面成45°来调节紫外偏振面，以40mJ/cm²的能量和3mW/cm²的强度进行第二LP-UV暴露。 

在下一步骤中，在图案化光定向层的顶部制备可聚合液晶材料M2的层。为此，使用M2在苯甲醚中40重量％的溶液以800rpm旋涂60s。以这种方式获得约1200nm的干膜厚度。然后在热板上于50℃的温度下进行热处理并持续10分钟。其后，进行辐射固化。为此，在氮气下将该膜以50mW/cm²暴露于500mJ/cm²的紫外光(UVA和UVB)。 

所得光学元件是透明的并且在非偏振光下不可观测到图像。当将 该元件以边缘平行于偏振轴之一置于交叉偏振器之间时，如图2a中所证明，能够以高对比度看到指纹纹理。在旋转光学元件45°时，如图2b中所证明，指纹图案以负对比度显现。 

当在交叉偏振器之间旋转该器件时，指纹图像的对比度在正像和负像之间变化。 

实施例9：通过喷墨印制制备指纹光学元件 

使用指纹的扫描图片作为待通过喷墨印制按双折射图案直接印制的生物测量信息。将数字化生物测量信息储存在计算机的硬盘驱动器上。 

用异丙醇溶剂洗涤三乙酸酯纤维素(TAC)箔。通过Kbar涂覆(线涂覆)，将来自SDC Technologies Inc.的Crystal Coat^TMMP-1175UV以在甲乙酮-甲苯(60/40)溶剂混合物中固含量为40重量％的硬涂层(hard-coat)溶液涂覆在TAC箔上，从而产生干厚度为约2000nm的保护层(线直径为0.08mm，以10m/s的速度)。随后在烘箱中于80℃的温度将该保护层热处理1分钟。其后，将该保护层暴露于UVA和UVB光(波长为280-400nm)。以20mW/cm²的强度施加200mJ/cm²的剂量。 

在硬涂层的顶部，通过Kbar涂覆(涂覆棒具有0.05mm的线直径，10m/s的速度)由LPP1在甲乙酮-环己酮(80/20)溶剂混合物中固含量为2重量％的溶液制备干厚度为约60nm的定向层。 

随后在烘箱中于80℃的温度将该定向层热处理2分钟。其后，将该定向层从法向暴露于LP-UV光(波长为280-320nm)。以3mW/cm²的强度施加100mJ/cm²的剂量。 

在定向层的顶部，用在MIBK中浓缩的20wt％(重量％)的可聚合液晶混合物M2印制所储存的生物测量信息的图案。对于该目的，使用来自Brother Company的基于按需滴落式piezo技术的改进型台式打印机DCP-115C。 

印制期间印刷头和基材之间的距离最大为1mm。选择600dpi的分辨率。其它打印机参数是： 

纸型：一般纸 

印制品质：最佳 

印制模式：双向(从右到左和从左到右) 

颜色：彩色级 

在印制后，在烘箱中于50℃的温度下进行热处理并持续10分钟。其后，进行辐射固化。为此，在氮气下将该膜以3mW/cm²暴露于500mJ/cm²的紫外光(UVA和UVB)。 

在上述处理后，包含涂层的箔仍是透明的并且在非偏振光下不可看到印制的图案。在将该光学元件以LPP层的取向方向与偏振器的偏振轴成45°置于交叉偏振器之间后，能够以高对比度看到指纹纹理。 

实施例10：使用光定向层的光图案化制备签名光学元件 

用黑墨水(来自Shachihata的black marker Artline854)将签名直接写到熔凝二氧化硅玻璃板上。 

如在实施例4中，使用与实施例4中相同的参数制备定向层和可聚合液晶的层。然后使用包含签名的上述板作为光掩模以将签名转印到液晶层中。每个其它步骤和相关参数与实施例4相同。 

所得光学元件是透明的并且在非偏振光下不可观测到签名。在将该光学元件以LPP层的取向方向与偏振器的偏振轴成45°置于交叉偏振器之间后，能够以高对比度看到签名。 

实施例11：在定向层的顶部用填充有可聚合液晶材料的笔进行书写来制备签名光学元件 

按与实施例9相同的方式在TAC膜上制备定向层。 

用M2在环戊酮中的30％溶液替代一般墨水来填充笔。使用该笔在三乙酸酯膜上的定向层上直接书写签名。 

在书写签名后，将样品在烘箱中于50℃的温度下退火10分钟。其后，进行辐射固化：在氮气下将该膜以3mW/cm²暴露于500mJ/cm²的紫外光(UVA和UVB)。具有签名形式的层的厚度测定为约1.5μm。 

包含液晶签名的基材仍是透明的并且该签名在非偏振光下不可看到。然而，如在图3中所证明，当将基材置于交叉偏振器之间时可在暗背景上看到亮的签名。当将偏振器之一旋转90°时，图像的对比度反转，从而在亮背景上产生暗的签名外观。 

当将基材置于金属反射器上时，可用设置在观测者和基材之间的单个偏振器观测到签名。 

实施例12：在包含取向图案的定向层上用填充有LCP的笔进行书写来制备签名光学元件 

在实施例9的相关处理后在包含硬涂层的三乙酸酯箔上涂覆定向层。使用铬光掩模替代指纹光掩模通过实施例8中所述的双暴露方法在LPP层中产生取向图案，而不是产生单轴定向，所述铬光掩模包含具有100μm线宽度和100μm线间隙的线条图案。 

如在实施例11中，在包含图案化定向层的基材上使用填充有液晶溶液的笔进行手写。 

在书写后，如实施例11中将样品退火和固化。 

包含液晶签名的基材仍是透明的并且该签名在非偏振光下不可看到。然而，如在图4a中所证明，当将基材置于交叉偏振器之间时可在暗背景上看到亮的签名。可通过肉眼辨识定向层中产生的取向图案，尽管其非常小。当用偏振显微镜观测时，可易于看到的是，该微图案适配在签名的相应区域中。为了最佳地观测，通过旋转调节基材以得到最大图案对比度。如图4b中所证明，笔迹的线条显示被产生自用于定向层暴露的光掩模的线条遮断。如图4c中所证明，当将基材或者将偏振器和分析器二者旋转45°时，使笔迹线条内的黑色和白色图案的对比反转。在缺陷位置可容易地观测到图4c中对比的反转，所述位置之一是在图4b和4c中为了较易于辨识所绘出的矩形内。 

实施例13：在包含倾斜取向图案的定向层上用填充有LCP的笔进行书写来制备签名光学元件 

该实施例按照实施例12的参数描述，不同之处在于产生倾斜图案而不是方位角取向图案。可通过倾斜的LP紫外暴露在LPP材料中产生倾斜角，这是本领域中已知的方法。透过掩模从相对于基材的法向+45°的倾斜角辐射LPP层。LP-紫外光的偏振面平行于光的入射面。在暴露后，除去掩模并且将具有LPP层的基材沿反方向翻转使得板的法向和UV入射方向形成-45°角。随后在没有掩模的情况下进行第二暴露。用液晶手写和其它处理步骤与实施例12相同。 

当在偏振器之间观测所得光学元件时，如在实施例12中那样观测到签名。只要从法向观察基材，则不可看到以倾斜图案形式施加到定向层的线条图案。然而，当使基材围绕垂直于方位角取向方向的轴倾斜时，笔迹内部具有亮区域和暗区域的线条图案清晰可见。当使样品沿相反方向倾斜时，获得互补图案。 

实施例14：在基于方位角变化的图案化定向层上用填充有二色性LCP配制剂的笔进行书写来制备签名光学元件 

应用实施例12的基本所有处理步骤，不同之处在于在笔中使用二色性配制剂M3替代M2并且对于第二LP-UV暴露步骤将LP-UV的偏振方向旋转90°而不是45°。 

在完成所有处理步骤后，即可在非偏振光下看到签名，这是因为二色性液晶材料吸收可见光。然而，只要从基材的法向观察则不能够看到在定向层中产生的线条图案。当用在基材顶部的偏振器观测签名时，可在笔迹内部辨识出线条图案。 

当在前部没有偏振器的情况下再次观测基材并且使基材围绕平行于取向图案的两个取向方向之一的轴倾斜时，可再次辨识出笔迹内部的线条图案。当使基材围绕平行于另一个取向方向的轴倾斜时，使线条图案的对比反转。 

因为在具有或不具有偏振器下可使线条图案变得可见，该实施例的光学元件具有第一和第二级安全特征。 

实施例15：在基于倾斜变化的图案化定向层上用填充有二色性LCP配制剂的笔进行书写来制备签名光学元件 

应用实施例13的处理步骤，不同之处在于在笔中使用二色性配制剂M3替代M2。在完成所有处理步骤后，已能够在非偏振光下看到签名，这是因为二色性液晶材料吸收可见光。然而，只要从基材的法向观察则不能够看到在定向层中产生的线条图案。 

当使基材围绕垂直于LPP层内产生的方位角取向方向的轴倾斜时，可辨识出笔迹内部的线条图案。当使基材沿相反方向倾斜时，使线条图案的对比反转。 

当透过偏振器观测签名并且使偏振器围绕与基材正交的轴旋转时，签名颜色的强度周期性地变化。 

因为在不使用偏振器下可使线条图案变得可见，所以该实施例的光学元件表现出第一级安全特征。第二级安全特征可透过偏振器观测获得。 

Claims (17)

1.制备含有用于识别和/或防止伪造或复制的生物测量信息的图案化液晶聚合物层的方法，该方法包括步骤：

-提供基材，

-用笔或触针向基材进行手写，特征在于将可聚合或聚合的液晶材料用作墨水。

2.根据权利要求1的方法，其中基材不表现出定向能力或表现出弱的定向能力，使得通过书写期间施加的剪力使液晶墨水进行定向。

3.根据权利要求2的方法，其中在进行手写之前或者之后即刻墨水是处于液晶相。

4.根据权利要求1的方法，其中基材具有定向表面。

5.根据权利要求4的方法，其中定向表面包含取向图案。

6.根据权利要求4的方法，其中定向表面包含具有不同倾斜角的图案。

7.根据权利要求6的方法，其中定向表面包含具有相反倾斜角的图案。

8.根据权利要求5的方法，其中所述图案包括微缩文本或标志或图形。

9.根据权利要求5的方法，其中所述图案具有线条图案形式。

10.根据前述权利要求任一项的方法，其中液晶材料包含二色性染料。

11.根据权利要求1-9任一项的方法，其中液晶材料包含荧光染料。

12.根据权利要求1-9任一项的方法，其中手写表示签名。

13.包含根据权利要求1-12任一项的方法制备的图案化液晶聚合物层的光学元件。

14.根据权利要求13的光学元件作为安全器件中的安全元件的用途。

15.根据权利要求14的用途，其中反射器排布在光学元件后面。

16.根据权利要求14或15任一项的用途，其中所述安全器件应用到或纳入安全文档中。

17.根据权利要求16的用途，其中所述安全文档是身份证、护照、驾驶证、证书、出生证明、信用卡、标记牌、票据中的一种。

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