CN107408318A - 包括零级影像的光学装置 - Google Patents

Abstract

一种光学装置，其包括：第一表面；以及所述第一表面上的像素排列，其中多个所述像素包括零级衍射元件，使得每个零级衍射元件被配置用于提供零级衍射效果。

Description

包括零级影像的光学装置

技术领域

本发明总体上涉及光学装置，具体地，用于证件(诸如，钞票)的安全装置。

背景技术

在需要一定安全等级的证件、例如钞票内包括安全特征是众所周知的。此类安全特征可采取数种形式，然而，特别有用的特征是视觉上明显并且因此可相对容易检查的特征。

然而，不道德的伪造团伙已经变得更有组织并更有技术能力，并且来自伪造的高回报(尽管有风险)已经变得更容易认识到。近年来，模仿正版装置的尝试已经变得越来越成功。以下事实加剧了这个问题：公众人士对钞票进行鉴定的过程长久以来被认为是安全系统中最弱的点。通常，此类安全特征需要由公众人士进行的检查是有用的，但正确地观察可能过度复杂或者不能可提供易于辨识的强效果。这缩小了此类特征的有用性，从而允许公众在降低伪造成本中起到积极作用。

因此，令人希望的是提供难以复现并且因此难以伪造、同时吸引公众的安全特征，使得可对钞票进行规则鉴定。提供令人惊讶的视觉效果(例如显露出平常不可见的隐藏图像)、同时不需要专用装备的安全特征是特别令人希望的。

发明内容

根据本发明的方面，提供一种光学装置，优选地用于安全证件的安全装置，所述光学装置包括：第一表面；以及所述第一表面上的像素排列，其中每个像素包括零级衍射元件，使得每个零级衍射元件被配置用于提供零级衍射效果，并且其中所述像素排列被配置来提供图像，其中所述图像包括微缩图像排列。

优选地，每个像素的大小相同。每个像素可具有约5微米至100微米的尺寸。

在实施方案中，每个像素具有相关联亮度。每个像素的所述相关联亮度可选自有限数量的亮度级、诸如16个亮度级中的一个。可替代地，每个像素的所述相关联亮度可选自连续范围的亮度级。每个像素的所述零级衍射元件可位于所述像素的活性区域内，所述活性区域被配置成使得每个像素的所述亮度由所述像素的所述活性区域的大小确定。所述光学装置还可包括一个或多个非衍射像素，每个非衍射像素对应于最小亮度级。

任选地，每个零级衍射元件包括周期性光栅元件排列。每个零级衍射元件的所述光栅元件排列的周期可相同。优选地，所述光栅周期不大于500nm，更优选地不大于300nm，并且甚至更优选地不大于250nm。在实施方案中，每个零级衍射元件具有与其相关联的颜色，并且每个零级衍射元件的所述光栅元件排列的所述周期至少部分地基于与所述零级衍射元件相关联的所述颜色来确定。与每个零级衍射元件相关联的颜色可对应于在从共同位置观察所述光学装置时所述零级衍射元件的外观。

所述光学装置的所述光栅元件可具有500nm或更小、优选地60nm与250nm之间的光栅高度或深度。在一个实施方案中，所述光栅元件可具有60nm与150nm之间的光栅高度或深度。这种范围的光栅高度或深度可用于生成特殊零级颜色效果，这取决于其他因素、诸如光栅周期。

在一个实施方案中，所述光栅元件可具有120nm与250nm之间的光栅高度或深度。所述范围的高度或深度可给予例如具有250nm或更小的光栅周期的高空间频率光栅非常亮的衍射效率。

所述光学装置任选地还包括第一不透明层，其任选地为黑色或白色、优选地为白色，所述第一不透明层被施加到所述衬底的与所述第一表面相反的第二表面。在替代选项中，所述光学装置还包括在所述衬底的所述第二表面上形成的微透镜阵列，所述微透镜阵列中的微透镜被配置用于观察所述像素排列。在适用的情况下，所述光学装置还可包括第二不透明层，其任选地为黑色或白色、优选地为白色，所述第二不透明层被施加到所述像素排列，从而覆盖所述像素排列。

根据本发明的第二方面，提供一种光学系统，其包括根据第一方面的光学装置以及检验装置，所述检验装置包括微透镜阵列，所述微透镜阵列包括微透镜排列，其中在被定位成与所述光学装置重叠时，所述微透镜阵列被配置来提供光学效果，优选地波纹效果或图像切换效果，使得所述微透镜观察所述图像

根据本发明的第三方面，提供一种证件，优选地安全证件、诸如钞票，所述证件包括先前方面的光学装置或光学系统。

根据本发明的第四方面，提供一种用于制造根据第一方面的光学装置的方法，所述方法包括以下步骤：将可辐射固化油墨(RCI)施加到衬底的第一表面；使用高分辨率压花装置对所述RCI进行压花；以及使所述RCI固化。

所述高分辨率压花装置可使用合并电子束光刻的方法制造。电子束光刻可用于形成母模板，所述母模板进而可用于制造高分辨率压花装置。

所述方法任选地包括以下步骤：形成所述衬底的第二表面的微透镜阵列，优选地压出的微透镜阵列，使得所述微透镜阵列中的微透镜被配置用于观察与所述RCI相关联的图像。

根据本发明的第五方面，提供一种用于制造根据第三方面的证件的方法，其包括以下步骤：在衬底的区域中，向所述衬底的第一表面施加可辐射固化油墨(RCI)，使用高分辨率压花装置对所述RCI进行压花；并且使所述RCI固化；以及向所述衬底的第一表面和第二表面中的一个或两个施加乳浊层，其中所述一个或两个乳浊层被施加成使得所述RCI从所述衬底的至少一侧可见。

任选地，所述方法还包括以下步骤：在所述衬底的与所述RCI不同的部分中形成微透镜阵列，优选地压出的微透镜阵列，使得当所述钞票被折叠或以其他方式被操控成使得所述微透镜阵列被定位成与所述RCI重叠时，所述微透镜阵列中的微透镜被配置用于观察与所述RCI相关联的图像。可替代地，所述方法还可包括以下步骤：形成所述衬底的第二表面的与所述RCI重叠的微透镜阵列，优选地压出的微透镜阵列，使得所述微透镜阵列中的微透镜被配置用于观察与所述RCI相关联的图像。

安全证件或代价券

如本文所用，术语安全证件和代价券包括所有类型的有价的证件和代价券以及身份证件，包括但不限于以下各项：货币物品，诸如钞票和硬币；信用卡；支票；护照；身份证；证券和股票；驾驶证；权利证书；旅行证件，诸如飞机票和火车票；进入卡和门票；出生证、死亡证和结婚证；以及学历成绩单。

本发明具体地但不排他地可应用于由被施加一个或多个印刷层的衬底形成的安全证件或代价券(诸如，钞票)或身份证件(诸如，由衬底形成的身份证或护照)。

衬底

如本文所用，术语衬底指安全证件或代价券由其形成的基底材料。基底材料可以是纸或其他纤维材料，诸如纤维素；塑料或聚合材料，包括但不限于聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)；或两种或更多种材料的复合材料，诸如纸和至少一种塑料材料或者两种或更多种聚合材料的层压物。

透明窗口和半窗口

如本文使用，术语窗口是指安全证件中与要对其施加印刷的基本上不透明区域相比而言的透明或半透明区域。窗口可以是完全透明的，使得它允许光基本上不受影响地透射，或者它可以是部分地透明的或部分地半透明的，从而允许光透射，但不允许透过窗口区域清楚地看到物体。

窗口区域可通过以下方式在具有至少一个透明聚合物材料层和施加到透明聚合物衬底的至少一侧的一个或多个乳浊层的安全证件中形成：在形成窗口区域的区中省略至少一个乳浊层。如果乳浊层施加到透明衬底的两侧，则可通过在窗口区域中在透明衬底的两侧上省略乳浊层来形成完全透明窗口。

此后称为“半窗口”的部分透明或半透明区域可通过以下方式在两侧上均具有乳浊层的聚合物安全证件中形成：在窗口区域中在安全证件的仅一侧上省略乳浊层，使得“半窗口”是不完全透明的，但允许一些光穿过，而不允许透过半窗口清楚地观察物体。

可替代地，衬底可以由基本上不透明的材料(诸如，纸或纤维材料)形成，透明塑料材料的插入件插入到纸或纤维衬底中的切口或凹陷中，以形成透明窗口或半透明的半窗口区域。

乳浊层

一个或多个乳浊层可施加到透明衬底以增加安全证件的不透明性。乳浊层是这样以使得LT<L0，其中L0是入射在证件上的光的量，并且LT是透射穿过证件的光的量。乳浊层可包含多种乳浊涂料中的任一种或多种。例如，乳浊涂层可包含分散在热激活可交联聚合物材料的粘合剂或载体内的颜料，诸如二氧化钛。可替代地，透明塑料材料的衬底可夹在纸或其他部分地或基本上不透明材料的乳浊层之间，标记随后可印刷或以其他方式施加到乳浊层。

安全装置或特征

如本文所用，术语安全装置或特征包括意图保护安全证件或代价券免于伪造、拷贝、更改或窜改的大量安全装置、元件或特征中的任一个。安全装置或特征可设置在安全证件的衬底之中或之上或设置在施加到基底衬底的一个或多个层之中或之上，并且可采用多种多样的形式，诸如嵌入在安全证件的层中的安全螺纹；安全油墨，诸如荧光、发光和磷光油墨，金属油墨，虹彩油墨，光致变色、热致变色、水致变色或压致变色油墨；印刷和压花特征，包括浮雕结构；干涉层；液晶装置；透镜和透镜状结构；光学可变装置(OVD)，诸如包括衍射光栅、全息图和衍射光学元件(DOE)的衍射装置。

附图说明

现将参考附图来描述本发明的实施方案。将理解，实施方案通过说明方式给出，并且本发明不受这种说明限制。在附图中：

图1a至1c各自示出包括光学装置的证件；

图2示出根据一个实施方案的光学装置；

图3a和3b示出根据不同实施方案的像素；

图4示出零级像素的光栅元件排列；

图5示出排列成组的像素，所述组包括不同颜色的像素；并且

图6a至6b示出合并微透镜排列的实施方案。

具体实施方式

参考图1a和1b，提供证件2，其包括光学装置4(诸如，安全装置)和任选的检验特征6。证件2可以是安全证件2，诸如钞票。安全证件2也可以是需要一定安全等级的任何其他证件，例如信用卡或护照。证件2包括衬底8，所述衬底8可包括施加到第一侧11的第一乳浊层10和施加到第二侧13的第二乳浊层12。第一乳浊层10和第二乳浊层12都被示出为包括对应于光学装置4和检验装置6的窗口区域，然而应注意，在一些配置中，第一乳浊层10和第二乳浊层12中的一个可被配置来覆盖光学装置4和检验装置6中的一个，诸如图1c中所示，在图1c中，第二乳浊层12被示出为覆盖光学装置4。在图1c的情况下，乳浊层可对应于光学元件4的不透明背衬，诸如白色或黑色背衬。以此方式，光学装置4或检验装置6可在半窗口区域中形成。

参考图2，光学装置4包括衬底8，所述衬底8具有分别对应于证件2的第一侧11和第二侧13的第一表面16a和第二表面6b。第一表面16a包括像素14排列。如图所示并且如本文所假设，像素14排列对应于像素14的规则2D阵列，然而，总体上，像素14排列可以是任何合适的排列，包括非规则排列。像素14被排列以便形成用户可观察的图像或必须通过使用一个或多个检验装置6来显露的隐藏图像。应理解，图像或隐藏图像可对应于缩微图像排列，诸如微缩图像的重复的1D或2D图案。像素14各自可具有相同大小，其中如本文所用的像素14的‘大小’对应于像素14在第一表面16a上占据的面积。

参考图3a和3b，每个像素14包括零级衍射元件18(在图中，零级衍射元件18构成像素14的阴影部分)，其被配置用于提供零级衍射视觉效果。在图3a所示的实施方案中，零级衍射元件18对应于整个像素14。在图3b中所示的实施方案中，每个像素14具有活性区域20，其中衍射元件18位于活性区域20内。每个像素14的不包括活性区域20的部分在本文中标记为像素的非活性区域22。如图3b所示，不同像素14a、14b、14c可具有不同大小的活性区域20a、20b、20c。活性区域20的不同大小导致对应像素14的不同亮度，其中大活性区域20与更亮的像素14相关联。如本文所用的‘亮度’对应于像素14之间的相对亮度。优选地，最大亮度对应于与像素14相关联的最大活性区域20。图3b还示出非衍射像素15。非衍射像素15对应于仅具有非活性区域22的像素14。非衍射像素14因此对应于亮度最小的像素14。每个像素14可具有选自有限范围的亮度级(例如，16级)的亮度，或可替代地，每个像素14的亮度选自连续范围的亮度级。

参考图4，每个零级衍射元件18包括光栅元件24排列。在所示配置中，光栅元件24对应于来自光学装置4的第一表面16a的凸起。其他配置包括对应于第一表面16a中的凹槽或凹部、或者当与其中嵌入光栅元件24的衬底8或其中嵌入光栅元件24的施加到衬底8的层相比时具有不同折射率的区域的光栅元件24。如图所示，光栅元件24存在于具有恒定光栅元件周期26和恒定光栅元件高度或深度的线性周期性排列中。例如，光栅周期低于500nm，优选地低于300nm，并且更优选地低于250nm。光栅高度或深度优选地是500nm或更小，并且更优选地在60nm与250nm之间。在一些实施方案中，光栅高度或深度可在60nm与150nm之间，或在120nm与250nm之间，这取决于所需要的零级效果。光栅元件的间距和宽度优选地是500nm或更小，并且更优选地在60nm与250nm之间。

在一个实施方案中，光学装置4的每个零级衍射元件18具有共同的恒定光栅元件周期26和共同的光栅配向。由于每个像素14的基于活性区域20大小的亮度变化(如参考图3b所述)，得以提供图像。例如，对于单色2色图像，每个像素14可被选择成具有两个亮度级中的一个。在这个实例的具体实现方式中，一个亮度级对应于不具有非活性区域22的像素14，并且另一个亮度级对应于不具有活性区域20的像素14(即，非衍射像素15)。在另一个实例中，在每个像素14具有选自16级中的一个的亮度级(其中最小亮度级可对应于非衍射像素15)的情况下，可形成16色图像。在这个实施方案中，当从预定位置观察光学装置4时，光学装置4可呈现为单色彩色图像。图像的颜色至少由共同光栅周期26确定，并且可进一步通过选择以下各项来确定：衬底8材料、光栅元件24材料、衬底8与光栅元件24之间的涂层、覆盖光栅元件24的涂层等。总体上，对于特定光学装置4，可通过光栅周期26的常规实验变差来确定颜色。

另一个实施方案对应于先前所述的实施方案的变型。在这个实施方案中，每个像素14可具有选自两种或更多种颜色的颜色。每个像素14的颜色对应于当从预定共同观察位置观察时像素14的颜色。在这个实施方案的一个实现方式中，每个像素14具有选自三种颜色(即，红色、绿色和蓝色)中的一种的颜色。每个像素14还具有相关联亮度，如先前所述。以此方式，可产生RGB图像。如图5所示，像素14被排列成组28，所述组28包括与每种可能颜色(红色、绿色、蓝色)相关联的像素14。为了维持像素14的规则2D排列，组28中可能存在一种颜色的两个像素(诸如，图5所示的两个绿色像素)。

参考图6a至6c，提供微透镜阵列30以用于观察像素层30的像素14。在图6a中，微透镜阵列30设置在衬底8的与像素层30相反的表面(第二表面16b)上，并且被配置用于聚焦在像素层30的像素14上。在图6b中，微透镜阵列30设置在衬底8的与微透镜阵列30分离的部分中，从而形成检验装置32的检验元件。

在图6c中，微透镜阵列30被提供作为对应于证件2的检验特征6的检验装置。在这种情况下，当证件2被折叠或以其他方式被操控成使得微透镜阵列30与光学元件4重叠、优选地与第一侧11或第二侧13中的任一者相接触时，微透镜阵列30中的微透镜被配置用于聚焦在光学装置4的像素14上。

微透镜阵列30适用于观察对应于微缩图像排列的排列图像。具有零级衍射元件18的像素14的优点在于高分辨率影像是可能的。零级衍射元件18相比于一级或更高级衍射元件是有利的，因为已经发现：微透镜起作用来重新组合一级和更高级衍射效果，从而降低此类光栅在基于微透镜和微缩图像的光学装置中使用的有效性。因此，零级衍射光栅18可提供高对比度、高分辨率的微缩影像。高分辨率影像可对应于具有约5微米至100微米的尺寸的像素。例如，正方形像素可具有各自为5微米至100微米的长度和广度。圆形像素可具有5微米至100微米的直径。减小像素大小影响每个单独像素所反射的光的量，并且因此，具体应用将确定像素的理想大小。

因为像素14的零级光栅元件18的光栅间隔相对较低，需要高分辨率技术以用于形成像素14。用于形成像素14的一种这样的技术使用利用高分辨率压花装置进行的压花。高分辨率压花装置可利用合并电子束光刻的方法形成，电子束光刻允许在表面上形成高清晰度(high detail)(并且因此高分辨率)的特征。可使用电子束光刻形成母模板，所述母模板然后可用于形成高分辨率压花装置。像素14排列可通过首先将可辐射固化油墨(RCI)施加到衬底8的第一表面并且使用压花工具对可辐射固化油墨进行压花来形成。由于表面张力效应，可能希望的是在移除压花工具之前使RCI固化，使得零级光栅元件18的结构得以维持。RCI优选地使用适当的辐射来固化，例如，可UV固化油墨可通过暴露至UV辐射来固化。应理解，可使用其他油墨和固化方法，例如，可热固化油墨。

在不偏离本发明的范围的情况下，可进行另外的修改和改进。

Claims (25)

1.一种光学装置，包括：

-第一表面；以及

-所述第一表面上的像素的像素排列，其中多个所述像素包括零级衍射元件，

使得每个所述零级衍射元件被配置用于提供零级衍射效果，并且其中所述像素排列被配置来提供图像，其中所述图像包括微缩图像排列。

2.根据权利要求1所述的光学装置，其中每个所述像素的大小相同。

3.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置，其中每个所述像素具有5微米至500微米的尺寸。

4.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置，其中每个所述像素具有相关联亮度。

5.根据权利要求4所述的光学装置，其中每个所述像素的所述相关联亮度选自有限数量的亮度级中的一个，诸如选自16个亮度级中的一个。

6.根据权利要求4所述的光学装置，其中每个所述像素的所述相关联亮度选自连续范围的亮度级。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的光学装置，其中每个所述像素的所述零级衍射元件位于该像素的活性区域内，所述活性区域被配置成使得每个所述像素的亮度由该像素的所述活性区域的大小确定。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的光学装置，其还包括一个或多个非衍射像素，每个非衍射像素对应于最小亮度级。

9.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置，其中每个所述零级衍射元件包括周期性光栅元件排列。

10.根据权利要求9所述的光学装置，其中每个所述零级衍射元件的所述光栅元件排列的周期相同。

11.根据权利要求9所述的光学装置，其中每个所述零级衍射元件具有与该零级衍射元件相关联的颜色，并且其中每个所述零级衍射元件的所述光栅元件排列的周期至少部分地基于与该零级衍射元件相关联的颜色来确定。

12.根据权利要求11所述的光学装置，其中与每个所述零级衍射元件相关联的所述颜色对应于在从共同位置观察所述光学装置时该零级衍射元件的外观。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的光学装置，其中所述光栅元件排列的光栅元件具有500nm或更小的光栅深度或高度，优选地具有60nm与250nm之间的光栅深度或高度。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的光学装置，还包括第一不透明层，所述第一不透明层任选地为黑色或白色，优选地为白色，所述第一不透明层被施加到衬底的与所述第一表面相反的第二表面。

15.根据权利要求1至13中任一项所述的光学装置，还包括在衬底的第二表面上形成的微透镜阵列，其中所述第一表面和所述第二表面对应于透明或半透明衬底的相反侧，其中所述微透镜阵列被配置用于观察所述像素排列。

16.根据权利要求1至13或15中任一项所述的光学装置，还包括第一不透明层，所述第一不透明层任选地为黑色或白色，优选地为白色，所述第一不透明层被施加到所述像素排列，从而覆盖所述像素排列。

17.一种光学系统，包括根据权利要求1至16中任一项所述的光学装置并包括检验装置，所述检验装置包括微透镜阵列，所述微透镜阵列包括微透镜排列，其中所述微透镜阵列在被定位成与所述光学装置重叠时被配置来提供光学效果，优选地波纹效果或图像切换效果。

18.一种证件，优选地为安全证件、诸如钞票，包括根据权利要求1至16中任一项所述的光学装置或根据权利要求17所述的光学系统。

19.一种用于制造根据权利要求1至16中任一项所述的光学装置的方法，所述方法包括以下步骤：

将可辐射固化油墨(RCI)施加到衬底的第一表面；

使用高分辨率压花装置对所述RCI进行压花；以及

使所述RCI固化。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述高分辨率压花装置使用合并电子束光刻的方法来制造。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，电子束光刻用于制造母模板，所述母模板进而用于制造所述高分辨率压花装置。

22.根据权利要求20至22中任一项所述的方法，包括以下步骤：形成所述衬底的第二表面的微透镜阵列，优选地压出的微透镜阵列，使得所述微透镜阵列中的微透镜被配置用于观察与所述RCI相关联的图像。

23.一种用于制造根据权利要求18所述的证件的方法，包括以下步骤：

-在衬底的区域中，向衬底的第一表面施加可辐射固化油墨(RCI)，使用高分辨率压花装置对所述RCI进行压花；并且使所述RCI固化；以及

-向所述衬底的第一表面和第二表面中的一个或两个施加乳浊层，

其中一个或两个所述乳浊层被施加成使得所述RCI从所述衬底的至少一侧可见。

24.根据权利要求23所述的方法，还包括以下步骤：在所述衬底的与所述RCI不同的部分中形成微透镜阵列，优选地压出的微透镜阵列，使得当所述钞票被折叠或以其他方式被操控成使得所述微透镜阵列被定位成与所述RCI重叠时，所述微透镜阵列中的微透镜被配置用于观察与所述RCI相关联的图像。

25.根据权利要求23所述的方法，包括以下步骤：形成所述衬底的第二表面的与所述RCI重叠的微透镜阵列，优选地压出的微透镜阵列，使得所述微透镜阵列中的微透镜被配置用于观察与所述RCI相关联的图像。