CN105313528A - 一种全视差衍射光变图像光学防伪元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全视差衍射光变图像光学防伪元件，该光学防伪元件包括：基层；以及至少部分覆盖所述基层的一个表面的光学组件，该光学组件具有微浮雕结构，以使得在一束白光照射在所述光学组件上时，所述光学组件在所述微浮雕结构的作用下呈现全视差图像。本发明通过结合位相板得到微浮雕结构，实现了在白光照明条件下能够再现全视差衍射光变图像。

Description

一种全视差衍射光变图像光学防伪元件

技术领域

本发明涉及一种光学防伪技术，具体地，涉及一种全视差衍射光变图像光学防伪元件。

背景技术

为了防止伪造，钞票、证卡和产品包装等各类高安全或高附加值印刷品中广泛采用了衍射光变图像(例如全息图、动态衍射图等)光学防伪元件，并且取得了非常好的效果。例如，大面额欧元纸币采用了衍射光变图像烫印标识，小面额采用了衍射光变图像烫印宽条，中国人民币除了一元面额外都采用了衍射光变图像开窗安全线。Visa、MasterCard和中国的银联信用卡采用了衍射光变图像烫印标识，中国的身份证、驾驶证、护照等重要证件也都采用了衍射光变图像防伪技术。现在，世界上的大多数钞票、信用卡、护照等安全证卡也都采用了衍射光变图像防伪技术。

衍射光变图像元件在白光照明条件下可以再现立体效果、动态变化、颜色变化图像等，在激光照明条件下或者借助于其他辅助手段(解码版、放大镜等)再现隐藏图案、编码图案等。前者为大众防伪特征，后者为专业人员和专家防伪特征。这类防伪产品光学结构为表面浮雕型的衍射光栅，通常通过采用模压工艺将衍射结构转移到基层上来制造。

现行技术的衍射光变图像只能在一个方向(通常定义为水平方向)上有视差，而在其垂直方向(定义为竖直方向)上没有视差。也就是说，只能实现水平方向上的立体、动感等效果，而无法实现竖直方向上的立体动感效果。这是由现有衍射光变图像的光栅结构决定的，因其具有很强的色散，只有牺牲竖直方向的视差，在白光照明条件下才能得到清晰的图像。另外，现有衍射光变图像是在±1级光方向上再现图像，反射光/透射光(零级)方向没有图像。

发明内容

本发明的目的是提供一种全视差衍射光变图像光学防伪元件，用于解决在白光照明条件下实现全视差衍射光变图像的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种全视差衍射光变图像光学防伪元件，其特征在于，该光学防伪元件包括：基层；以及至少部分覆盖所述基层的一个表面的光学组件，该光学组件具有微浮雕结构，以使得在一束白光照射在所述光学组件上时，所述光学组件在所述微浮雕结构的作用下呈现全视差图像。

通过上述技术方案，本发明通过结合位相板得到微浮雕结构，实现了在白光照明条件下能够再现全视差衍射光变图像。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明提供的全视差衍射光变图像光学防伪元件的示意图；

图2是本发明提供的微浮雕结构的位相的计算方法的流程图；

图3是本发明提供的另一全视差衍射光变图像光学防伪元件的示意图；

图4是本发明提供的又一全视差衍射光变图像光学防伪元件的示意图；

附图标记说明

101基层102光学组件

103复制层104镀层

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是本发明提供的全视差衍射光变图像光学防伪元件的示意图，如图1所示，该光学防伪元件包括基层101和至少部分覆盖基层101的一个表面的光学组件102。如图1所示，该光学组件102具有微浮雕结构，以使得在一束白光照射在光学组件上102时，光学组件102在微浮雕结构的作用下呈现全视差图像。

其中，“微浮雕结构”是指二维表面上根据需要形成的凹凸不平的微结构。“视差图像”解释如下：由于人的双眼之间存在大约65毫米的距离，双眼看到的物体图像略有差别，这种差别即为视差，视差图像可以理解为物体在不同观察角度上呈现的具有一定视差关系的系列图像，正是由于这种视差关系，使得视差图像呈现出动感、立体等效果。“全视差图像”不仅包括水平方向的视差，还包括其他方向的视差。“全视差衍射光变图像”区别于现有技术中仅有水平方向视差的白光再现衍射光变图像，具有包括水平方向的视差以及其他方向的视差的白光再现衍射光变图像。

微浮雕结构的微浮雕单元的剖面形状可以是正弦形、锯齿形、矩形中的一者，或者可以其中的任意二者或三者的组合。本领域技术人员应当理解，除了这些形状以外的其他形状也是可以的。其中，“微浮雕单元”是指微浮雕结构中相邻极小值点或相邻极大值点连成的曲线形成的区域，这些曲线将微浮雕结构分割成多个区域，每个区域为一个微浮雕单元，所有的微浮雕单元形成微浮雕结构，也就是说，微浮雕结构由多个微浮雕单元组成。

图1中所示的所述微浮雕结构的位相通过结合位相板得到，具体实施方式以下结合图2进行描述。

图2是本发明提供的微浮雕结构的位相的计算方法的流程图，如图2所示，微浮雕结构的位相可以通过以下方法计算得到：

步骤201，将所要呈现的原始图像分解为与各个观察方向对应的多个帧图像。

原始图像可以根据所要实现的全视差动感和/或立体效果，通过任意手段进行设计。可以利用照相机或摄像机拍摄实际物体各个角度的图像，利用3DSMAX、CAD、PhotoShop、CorelDRAW等进行设计，并按照相应的视角输出图像。

假设分解后共有m×n帧图像，其中m、n均为正整数，各帧图像的振幅分布为O_p,q(x₀,y₀)，其中p＝1,2,,…,m，q＝1,2,,…,n，(x₀,y₀)表示相应帧图像上的点，传播矢量其中e_p,q为相应帧图像在观察方向上的单位矢量，λ为相应帧图像在观察方向上的光的波长。在m×n帧图像中，每帧图像均为M×N像素，其中M、N均为正整数。

步骤202，根据各帧图像的振幅及与各帧图像相关的方向系数得到物平面复振幅。具体如下：将各帧图像的振幅一一对应地乘以各帧图像的方向系数exp(jk_p,q·r_p,q(x₀,y₀))，并将得到的结果相加，得到物平面复振幅，其中r_p,q(x₀,y₀)为位置矢量。

举例说明如下：

假设某一帧图像的复振幅为：

o_p,q(x₀,y₀)＝O_p,q(x₀,y₀)exp(jk_p,q·r₀(x₀,y₀))

其中，O_p,q(x₀,y₀)为某一帧图像的振幅，r₀(x₀,y₀)为某一帧图像的(x₀,y₀)处的位置矢量，

则物平面复振幅为：

$o(x_0,y_0)=\underset{p=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{O}_{p,q}(x_0,y_0)\exp ({\mathrm{jk}}_{p,q}\·r_0(x_0,y_0)).$

步骤203，对物平面复振幅进行菲涅尔逆变换，得到物光在光学组件102表面的复振幅。由于物平面与光学组件102距离很小，为了满足菲涅尔变换的条件，以像素为单位分别进行菲涅尔变换，所以，需要进行M×N次菲涅尔变换。

步骤204，对菲涅尔逆变换后得到的光学组件102表面的物光复振幅提取位相，即将复振幅的振幅值取1并保留位相，得到微浮雕结构的位相ψ(x,y)。

步骤205，判断是否结束运算，若结束运算，执行步骤209，否则，执行步骤206。判断结束运算的条件有两种方法，一是进一步计算出位相为ψ(x,y)的微浮雕结构再现像的复振幅，将其与步骤202中的o(x₀,y₀)比较，当误差小于设定值(比如10％)时运算结束，这里所述的误差的计算方法为本领域技术人员熟知的技术，于此不予赘述；二是设定循环次数，一般情况下，经历5-10次循环运算就可以使结果达到理想的效果，所以这里判断是否结束运算的标准可以为是否进行了5-10次循环运算，例如可以设定为6次。

步骤206，将微浮雕结构的复振幅exp(jψ(x,y))与预先设计好的位相板的复振幅相乘。

步骤207，对步骤206中相乘的结果进行菲涅尔变换。

步骤208，将步骤207中进行菲涅尔变换后得到的结果分解为与各观察方向对应的多个帧图像，再对该多个帧图像中的每帧图像的复振幅的振幅取1并保留位相，然后乘以各帧原始图像的振幅，得到新的物平面复振幅，然后返回步骤203进行循环运算。

步骤209，输出结果。

需要说明的是，本领域技术人员应当理解，在图2所示的方法中，可以在步骤203执行菲涅尔变换，在步骤207执行菲涅尔逆变换。本领域技术人员应当理解，在仅执行1次循环的情况下，也可以得到微浮雕结构的位相，但效果可能不好，这里如果仅执行1次循环，则应当执行的是步骤201至步骤208，然后执行步骤203至步骤205，及步骤209的过程。

其中，位相板的作用是减小色散，提高再现图像的清晰度。位相板的位相的设计方法如下：将位相板分割成多个像素，像素的大小、数量与上述原始图像的各帧图像的像素大小及数量一致，即将位相板分割成M×N个像素。接着将位相板的每个像素再分割成与原始图像被分解得到的多个帧图像的数量相同的亚像素，即将每个像素再分割成m×n个亚像素。然后为每个亚像素赋予与对应帧图像的方向系数相关联的位相值，得到所述位相板的位相。

其中位相板的位相值可以通过多中方法得到，下面通过两个例子举例说明得到位相板的位相值的方法：

第一种方法：将多个帧图像的传播矢量k_p,q的绝对值乘以第一常量C₁再加上第二常量C₂得到，这里多个帧图像是以上步骤201中将所要呈现的原始图像分解得到的。这是一种最简单的位相板，采用通过这种方法得到的位相板计算得到的光学组件102具有彩虹效果。如果希望通过这种方法得到位相板，则对原始图像有以下限制：各帧图像之间像素重合的数量(不包含强度为0的像素)应当尽可能的少，重合比例应小于20％，最好小于10％，否则将严重影响在线图像的清晰度。

第二种方法：位相板的位相分布为二次曲面加上常量C₃。这种情况下，对原始图像几乎没有限制，采用通过这种方法得到的位相板计算得到的光学组件102具有消色效果。

以上两种方法中的常量C₁决定了全视差图像的观察范围，C₂、C₃决定了正面观察方向，当常量C₂、C₃为0时观察方向为防伪元件的反射光方向。

输出的结果，即微浮雕结构的位相ψ(x,y)为构成光学组件102的微浮雕结构的位相函数，与微浮雕结构面型函数h(x,y)呈线性关系，因此用ψ(x,y)控制制版设备即可制作本申请光学防伪元件的原版。然后通过电铸、模压/UV复制、涂布、分切等工序制作成产品。

此外，图1所示的微浮雕结构的各个微浮雕单元在至少一个横向方向上可以为0.3μm-10μm，优选情况下可以为0.8μm-6μm，这里所说的至少一个横向方向为光学防伪元件所在的平面或与其平行的平面内的至少一个方向，其他横向方向的尺寸不受限制。微浮雕结构的占空比(凸起部分与凸起部分和凹陷部分之和的比例)可以为0.2-0.8，优选情况下可以为0.35-0.65。

微浮雕结构的深度(也被称为纵向尺寸)可以为0.02μm-3μm，优选情况下可以为0.07μm-1μm。可选地，微浮雕结构的深度可以满足以下条件：在自然光(白光)射入微浮雕结构上时，一种波长的光在透射光和/或反射光方向上干涉相长，以使得所述光学防伪元件在透射光和/或反射光方向上呈现出第一颜色，而在衍射光方向上呈现出第二颜色。其中如果构成光学防伪元件的材料中不含有选择性吸收材料，则以上描述的第一颜色和第二颜色为互补色。

“微浮雕结构的深度”是指微浮雕结构的相邻极大值与极小值之间的高度差。

图3是本发明提供的另一全视差衍射光变图像光学防伪元件的示意图，如图3所示，该光学防伪元件还可以包括复制层103，该复制层103位于基层101与光学组件102之间，该复制层103的第一表面与基层101相接合，光学组件102的微浮雕结构形成于该复制层103的第二表面上。这里增加复制层103可以使微浮雕结构复制更容易、制作过程中形成的槽型更加准确。

图4是本发明提供的又一全视差衍射光变图像光学防伪元件的示意图，如图4所示，该光学防伪元件还包括镀层104，该镀层104位于光学组件102上，可以同型覆盖光学组件102，即以与微浮雕结构的形状同型覆盖光学组件102，当然，本发明不限于此，镀层104也可以以任意形状来覆盖光学组件102。镀层104可以使单层结构，也可以是多层结构。镀层104可以是图案化的，若为多层结构，则其中的一层、多层或所有层可以是图案化的。

构成镀层104的材料和结构可以是不同的，采用不同的材料和结构可以形成不同效果的全视差衍射光变图像光学防伪元件。例如，在镀层104为单层高折射率介质(ZnS、TiO₂等)的情况下，可以形成透明光学防伪元件；在镀层104为单层金属(Al、Cu等)的情况下，可以形成反射型光学防伪元件；在镀层104为金属反射层、介质层、吸收层三层光变结构的情况下，光学防伪元件可以具有颜色光变效果，在这种情况下，镀层104的厚度不一样也会呈现出不一样的颜色效果。

此外，本发明提供的光学防伪元件还可以包括保护层和剥离层(未示出)。在具有镀层104的情况下，保护层可以位于镀层104上；在没有镀层104的情况下，保护层可以位于复制层103上。增加保护层可以提高防伪元件的耐性。剥离层位于基层101与复制层103之间，增加剥离层的目的是可以形成烫印产品。当然，本发明不限于此，还可以在剥离层与复制层103之间增加保护层；还可以在任意一层中增加荧光物质，以使得防伪元件具有荧光特性或荧光图案；还可以在任意两层介质间增加磁性介质层，以实现磁性机读。

以上示例性地描述了本发明的某些优选实施方案。而本领域所属技术人员可以理解，在不偏离本发明构思和精神的前提下可以对其作出各种等同变换或修饰。而如此得到的技术方案也应属于本发明的保护范围。

全视差衍射光变图像的设计可以将自然视差顺序的各帧图像按照设定的规律重新排序，这样不仅可以得到意想不到的视觉效果，还可以提高防伪元件的防伪性能。例如，可以将水平视差与竖直视差图像互换，可以得到具有正交动感效果的全视差动感和/或立体图像。

需要说明的是，本发明提供的微浮雕结构可以与现有技术(例如全息图、动态衍射图等)中其他形式的微浮雕结构结合在一起使用。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (21)

1.一种全视差衍射光变图像光学防伪元件，其特征在于，该光学防伪元件包括：

基层；以及

至少部分覆盖所述基层的一个表面的光学组件，该光学组件具有微浮雕结构，以使得在一束白光照射在所述光学组件上时，所述光学组件在所述微浮雕结构的作用下呈现全视差图像。

2.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其特征在于，所述微浮雕结构的位相通过结合位相板得到。

3.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其特征在于，所述微浮雕结构的位相通过以下方法得到：

1)将所要呈现的原始图像分解为与各个观察方向对应的多个帧图像；

2)根据所述各帧图像的振幅及与各帧图像相关的方向系数得到物平面复振幅；

3)对所述物平面复振幅进行菲涅尔逆变换，并对菲涅尔逆变换后得到的物光在光学组件表面的复振幅提取位相，得到微浮雕结构的位相；

4)根据所述微浮雕结构的位相得到微浮雕结构的复振幅；

5)将所述微浮雕结构的复振幅与预先设计好的位相板的复振幅相乘，并进行菲涅尔变换后，将得到的结果分解为与各个观察方向对应的多个帧图像，再对该多个帧图像中的每帧图像的复振幅的振幅取1并保留位相，然后乘以各帧原始图像的振幅，得到新的物平面的复振幅；以及

6)对所述新的物平面的复振幅进行菲涅尔逆变换，并对菲涅尔逆变换后得到的物光在光学组件表面的复振幅提取位相，得到微浮雕结构的位相。

4.根据权利要求3所述的光学防伪元件，其特征在于，重复步骤4)-6)5-10次后获取最终计算得到的微浮雕结构的位相。

5.根据权利要求4所述的光学防伪元件，其特征在于，所述位相板的位相的设计方法包括：

将所述位相板分割成多个像素，该像素的大小、数量与所述原始图像的各帧图像的像素大小及数量一致；

将所述位相板的每个像素再分割成与原始图像被分解得到的多个帧图像的数量相同的亚像素；以及

为每个亚像素赋予与对应帧图像的方向系数相关联的位相值，得到所述位相板的位相。

6.根据权利要求5所述的光学防伪元件，其特征在于，所述位相板的位相值通过将所述多个帧图像的传播矢量的绝对值乘以第一常量再加上第二常量得到。

7.根据权利要求5所述的光学防伪元件，其特征在于，所述位相板的位相分布为二次曲面加上常量。

8.根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的光学防伪元件，其特征在于，所述微浮雕结构的微浮雕单元在至少一个横向方向的尺寸为0.3μm-10μm，其中所述微浮雕结构由多个微浮雕单元组成。

9.根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的光学防伪元件，其特征在于，所述微浮雕结构的微浮雕单元在至少一个横向方向的尺寸为0.8μm-6μm，其中所述微浮雕结构由多个微浮雕单元组成。

10.根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的光学防伪元件，其特征在于，所述微浮雕结构的占空比为0.2-0.8。

11.根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的光学防伪元件，其特征在于，所述微浮雕结构的占空比为0.35-0.65。

12.根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的光学防伪元件，其特征在于，所述微浮雕结构的深度为0.02μm-3μm。

13.根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的光学防伪元件，其特征在于，所述微浮雕结构的深度为0.07μm-1μm。

14.根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的光学防伪元件，其特征在于，所述微浮雕结构的深度满足以下条件：在混合光射入所述微浮雕结构上时，一种波长的光在透射光和/或反射光方向上干涉相长，以使得所述光学防伪元件在透射光和/或反射光方向上呈现出第一颜色，而在衍射光方向上呈现出第二颜色。

15.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其特征在于，该光学防伪元件还包括：

复制层，位于所述基层与所述光学组件之间，该复制层的第一表面与所述基层相接合，所述光学组件的微浮雕结构形成在该复制层的第二表面的至少部分区域。

16.根据权利要求15所述的光学防伪元件，其特征在于，该光学防伪元件还包括：

镀层，位于所述光学组件上。

17.根据权利要求16所述的光学防伪元件，其特征在于，所述镀层同型覆盖所述光学组件。

18.根据权利要求16所述的光学防伪元件，其特征在于，所述镀层是图案化的。

19.根据权利要求16所述的光学防伪元件，其特征在于，所述镀层为单层高折射率介质、单层金属或金属反射层、介质层、吸收层三层光变结构中的一者。

20.根据权利要求16所述的光学防伪元件，其特征在于，该光学防伪元件还包括：

保护层，位于所述镀层上；以及

剥离层，位于所述基层与所述复制层之间。

21.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其特征在于，所述微浮雕结构的微浮雕单元为正弦形、锯齿形、矩形中的一者，或者为正弦形、锯齿形、矩形中的任意二者或三者的组合。