CN107533160B - 多图像散射设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学元件，其中第一图像和第二图像至少部分地由非周期性、各向异性表面浮雕微结构的图案编码，使得当光入射在元件的表面上时，第一图像在第一视角下最佳可见并且第二图像在第二视角下最佳可见。根据本发明的元件对于保护文件和物品免受假冒和伪造特别有用。

Description

多图像散射设备

技术领域

本发明涉及具有图案化的表面浮雕微结构的光学元件，其中在倾斜或旋转元件时可以观察到至少两个图像。根据本发明的元件对于保护文件和物品免受假冒和伪造特别有用。

背景技术

由于技术的发展，如今的造假者可以使用高级工具(诸如复印机、扫描仪和打印机)，这些工具允许他们以高质量复制或至少模仿许多安全特征的外观。因此，光学安全元件的一个要求是对于造假者而言再现特征几乎不可能。虽然这种元件的生产需要特殊和高度复杂的装备，但是它的光学效果本身应当能够被甚至未经训练的眼睛容易且快速地辨别出来。

WO2007/131375公开了使用各向异性散射来显示高分辨率光学信息的光学元件，例如以图像、照片、图形或刻字的形式，在倾斜或旋转元件时具有明显的正-负切换，由此产生图像的明显的对比度反转。光学信息可以表现为黑白色或彩色。由于造成与入射光的交互的非周期性、各向异性表面浮雕结构，图像看起来没有流行的全息图或活动图(kinegram)的典型彩虹色。因此，光学特征和如何验证该光学特征的指令可以容易地向外行人描述。

仍然存在对用于防伪保护的光学安全元件中的新颖的独特特征的持续不断的需要。

发明内容

因此，本发明的一个目标是提供一种具有新颖安全特征的光学元件，该光学元件可以在没有技术手段的情况下容易地被人验证。另一目标是提供用于制造这种光学部件的方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种光学元件，该光学元件包括具有非周期性、各向异性表面浮雕微结构的区域，其中第一图像和第二图像至少部分地由非周期性、各向异性表面浮雕微结构的图案进行编码，使得当光入射在元件的表面上时，第一图像在第一视角下最佳可见，并且第二图像在第二视角下最佳可见。第一和第二视角不得相同。

术语“最佳可见”应指图像看起来具有最大对比度。优选地，元件的结构使得当第一图像最佳可见时第二图像不可见或几乎不可见，并且当第二图像最佳可见时第一图像不可见或几乎不可见。

可以有分别在第三或附加视角下最佳可见的、由图案编码的三个或更多个图像。各个图像的最佳可见视角彼此不同。

优选地，对图像的至少一部分进行编码的非周期性、各向异性表面浮雕微结构包括具有从底部区(region)到顶部区以及从顶部区到底部区的过渡的表面调制的区域。优选地，在表面区域的第一横向方向，在每20微米内平均有至少一个从顶部区到底部区或反过来的过渡，并且优选地另外在该表面区域的第二横向方向(其垂直于第一方向)，在每200微米内平均有至少一个从顶部区到底部区或反过来的过渡。优选地，第一方向平行于各向异性微结构的对称方向。

优选地，存在其中非周期性、各向异性表面浮雕微结构的平均结构深度大于60nm的区域，更优选地，微结构的平均结构深度大于90nm。为了颜色的生成，微结构的平均结构深度优选地大于180nm，更优选地大于300nm，最优选地大于400nm。用于提供独特颜色的平均结构深度的优选范围是180nm至230nm、240nm至280nm、290nm至345nm、365nm至380nm以及430nm至600nm。

在本申请的上下文中，术语“图像”将代表任何种类的光学信息，例如照片、包括微文本的文本、数字、图片、条形码、符号、字符、插图和图形。优选地，图像表示照片，优选地是面部、文本、数字或图形的照片。

只有在以光学对比度显示图像时该图像才能被感知到。作为现有技术示例，用黑色墨水打印在黑色纸张上的字符几乎看不见。因此，重要的是在其上打印字符的背景与字符的外观在光学上不同。如果字符被打印在白色纸张上，那么被感知的图像是白色背景上的黑色字符。

另一方面，文本可以用带黑色背景的白色字符打印在白色纸张上，例如使用喷墨或激光打印机。在这种情况下实际打印的不是字符，而是背景，该背景被打印在除字符的区域之外的每个地方。尽管如此，被感知为光学信息的是文本。因此，在本申请的上下文中，只要唯一的区别是图像对比度，那么图像就被认为是同一个图像。特别地，具有正或负对比度的图像应被认为是相同的图像。在本发明的不同实施例中，图像可以在第一视角下看起来具有正对比度，并且在另一视角下看起来具有负对比度。在这种情形下，正和负对比度图像应被视为相同的图像，并且不应与根据本发明的第一图像和第二图像混淆。

在文本以黑色被打印在白色纸张上的上述示例中，字符可以被识别为光学信息并且白色纸张可以被识别为背景。但是，对于许多图像，不能做出这种分配。例如，如果图像是黑色和白色棋盘，那么不清楚信息是由白色背景上的黑色方块(square)组成还是由黑色背景上的白色方块组成。因此，在本申请的上下文中，术语“图像”应被理解为包括对图像的感知有贡献的每个部分，诸如在上述示例中的字符和背景以及棋盘的黑色和白色部分。

根据本发明，至少部分地通过各向异性表面浮雕结构的图案编码的图像可以以较小的单元(诸如方块或线)被分割，这些较小的单元以下被称为图像单元。图像单元可以彼此隔开，例如以允许不同的图像被交织。

可以通过包括具有和不具有非周期性、各向异性表面浮雕微结构的区域的图案来编码图像。

第一图像和第二图像的区域可以在元件的表面上重叠或者可以分离。

优选地，第二图像至少包括可以被构造为部分或整个第一图像的几何变换的部分。优选地，在第一图像和第二图像的那些部分中存在具有非周期性、各向异性表面浮雕微结构的区域。几何变换的示例包括平移(translation)、镜像、旋转、缩放和点反转。几何变换也可以是上面提到的变换当中的一种或多种以任何顺序的组合。通过几何变换从第一图像构造的第二图像的优点是它可以容易地向街上的人描述在倾斜或旋转光学元件时将发生什么。不需要描述第一图像和第二图像的内容，因为描述相关的几何变换就足够了。例如，描述可以是：存在在第一视角下显现的第一图像，并且在旋转或倾斜元件时相同的图像显现但是被镜像。这种简单的指令可以被任何人记住，因此使用这种特征的光学安全元件可以容易地被每个人验证。

在优选实施例中，第二图像至少包括可以通过变形从第一图像或第一图像的部分构造的部分。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于制造包括根据本发明的第一方面的元件的元件的方法。用于制造光学元件(该光学元件具有以下属性：当光入射在元件的表面上时第一图像在第一视角下最佳可见并且第二图像在第二视角下最佳可见)的方法包括在元件上生成非周期性、各向异性表面浮雕微结构的图案，使得图案包括微结构的不同各向异性方向的区域，并且对第二图像的信息内容进行编码的图案具有至少一个以下区域：该区域具有在对第一图像的信息内容进行编码的图案中不被使用的各向异性方向。

附图说明

图1.1是在各向同性结构化表面处的光反射的图示。

图1.2类似于图1.1，但是示出了来自在各向异性散射表面处的反射的特性(characteristic)输出光分布。

图2示出了具有不同的各向异性方向朝向的像素。

图3示出了通过图像的不同分区中的不同表面属性来编码的图像。图3.1中的示例使用非周期性、各向异性表面浮雕微结构以及各向同性散射、吸收和反射属性，而在图3.2中图像仅由具有局部不同各向异性方向的非周期性、各向异性表面浮雕微结构的区域表示。

图4.1示出了具有非周期性、各向异性表面浮雕微结构的光学元件，该表面浮雕微结构分别对在第一视角和第二视角下最佳可见的第一图像和第二图像进行编码。此外，如图4.2-4.5中所绘出的，依赖于视角，每个图像可以以正和负对比度被看到。

图5示出了包括由图像的不同分区中的不同表面属性编码的两个图像的光学元件。两个图像之间的唯一区别是非周期性、各向异性表面浮雕微结构的区域中的各向异性方向。

图6示出了本发明的优选实施例的示例，其中第二图像已被构造为第一图像的几何变换(在这种情况下是缩放和平移的组合)。

图7示出了本发明的优选实施例的示例，其中第二图像已被构造为第一图像的几何变换(在这种情况下是旋转和平移的组合)。

图8.1至8.6示出了图像单元的不同形状和布置。

图9.1至9.5示出了两个图像向六边形图像单元的矩阵的分配。

图10示出了光学元件，其中，依赖于视角，图像看起来具有不同的尺寸，使得观察者感知到变焦(zooming)效果。

图11示出了第一图像和第二图像在不同视角出现的光学元件，其中第二图像是第一图像的镜像图像。

具体实施方式

根据本发明的元件的光学效果基于各向异性光散射。图1.1和图1.2示出了各向同性和各向异性光散射之间的差异。

各向同性散射表面处的散射使得没有方位角方向是优选的。如图1.1中所指示的，准直的射入光1在散射表面2处被重定向到具有特性轴对称输出光分布和特性发散角4的新射出方向3。

在各向异性散射表面的情况下，光被散射到优选的方位角方向。在图1.2中，准直的射入光1撞击在各向异性散射表面5上，并且被重定向到具有特性输出光分布7的新射出方向6。

在本发明的上下文中，术语“各向异性方向”应指在层的平面内的局部对称轴，例如沿着微结构的凹槽或谷的方向。

如果表面包括具有局部不同各向异性方向的各向异性结构的图案，如图2中的方向10、11，那么图案的各个区域将射入光散射到不同的方向。然后可以通过倾斜观察或通过使用倾斜入射光来识别图案。

一般而言，图像可以由包括具有和不具有非周期性、各向异性表面浮雕微结构的区域的图案来编码。没有非周期性、各向异性表面浮雕微结构的区域可以具有不同的表面属性。例如，它们可以各向同性散射、可以反射或者可以具有周期性各向同性或各向异性结构。另外，这些区域可以吸收在某些或整个可见光波长范围内的光，例如，如果对应的区域以任何颜色或以白色或黑色打印，那么就是这种情况。图像可以在不同区域中包括这些表面属性中的若干个。

图3.1示出了由不同光学属性的区域编码的图像20的示例。图3.1中绘出的汽车包括不同的部分，每个部分由不同的光学属性编码。表示汽车的车身23的区域可以例如具有非周期性、各向异性表面浮雕微结构。与窗户23对应的区域可以各向同性地散射。车轮24可以用墨水(例如，黑色墨水)打印。轮缘(rim)25可以具有周期性各向异性微结构并且背景21可以是反射的。

图3.2绘出了具有与上述相同的汽车的图像30，但是仅用两种区域进行编码，这两种区域都可以具有非周期性、各向异性表面浮雕微结构。两个区域的各向异性方向彼此不同。例如，表示车身32和车轮34的区域具有相同的各向异性方向，而窗户33、轮缘35和背景具有另一各向异性方向。

如果表示图像的图案包括具有不同各向异性方向的非周期性、各向异性表面浮雕微结构的至少两个区域(诸如图3.2的图案)，那么两个各向异性方向优选地相差80°至100°之间的角度，更优选地相差85°和95°之间的角度，最优选地相差90°的角度。包括这种图案的光学元件在倾斜或旋转元件时示出明显的正-负切换。

图4.1至4.5中示出了本发明的示例。在图4.1中，示出了光学部件40，其包括具有非周期性、各向异性表面浮雕微结构的区域，其对第一图像和第二图像进行编码。第一图像是由在具有微结构42的背景上具有微结构43的图案41表示的字符“A”。微结构42与43的各向异性方向不同，彼此成90°的角度。例如，关于参考方向，微结构43的各向异性方向定向在45°并且微结构46定向在135°。第二图像44是由在具有微结构45的背景上具有微结构46的图案44表示的字符“B”。微结构45与46的各向异性方向不同，彼此成90°的角度。例如，关于上述参考方向，微结构45的各向异性方向定向在0°并且微结构46定向在90°。与图像41相关的微结构的各向异性方向相对于图像44的各向异性方向旋转45°。上面关于图4提到的微结构是非周期的性、各向异性表面浮雕微结构。

图4.2示出了在第一视角下光学元件40的外观50，对于这个视角，第一图像51最佳可见。观察者在明亮的背景上看到黑暗的字符“A”，在这种情况下这被认为是正对比度。图4.3示出了在另一视角下光学元件40的外观54，对于这个视角，第一图像51最佳可见。观察者在黑暗的背景上看到明亮的字符“A”，相应地，它看起来具有负对比度。

图4.4示出了在第二视角下光学元件40的外观60，对于这个视角，第二图像61最佳可见。观察者在明亮的背景上看到黑暗的字符“B”；因此它看起来具有正对比度。图4.5示出了在另一视角下光学元件40的外观64，对于这个视角，第二图像61最佳可见。观察者在黑暗的背景上看到明亮的字符“B”，相应地，它看起来具有负对比度。

一般而言，与第一图像和第二图像相关的微结构的各向异性方向可以相差任何角度。但是，优选地，存在与第一图像相关的区和与第二图像相关的区，这两个区都具有非周期性、各向异性表面浮雕微结构，使得第一图像和第二图像的所述区的各向异性方向相差22.5°和67.5°之间(更优选地在30°和60°之间并且最优选地在40°和50°之间)的角度。

在本发明的优选实施例中，第二图像至少包括可以被构造为部分或整个第一图像的几何变换的部分。优选地，在第一图像和第二图像的那些部分中存在具有非周期性、各向异性表面浮雕微结构的区域。几何变换的示例包括平移、镜像、旋转、缩放和点反转。旋转或缩放的中心可以是每个地方，特别是它可以在图像的区域内部或其外部。优选地，缩放的中心与图像的中心重合。类似地，用于点反转的反转中心可以在图像的区域内部或其外部。而且，用于镜像操作的镜像线可以在每个地方；特别是它可以在图像的区域内部或其外部。几何变换也可以是上面提到的变换当中的一种或多种按任何顺序的组合。镜像对称图像不应被视为镜像操作的结果。例如，像“A”、“H”、“I”、“M”、“O”、“T”、“U”、“V”、“W”、“X”的字母是镜像对称的并且镜像操作也可以被解释为平移和旋转的组合。几何变换应仅与图像相关，而不与可以编码图像的表面浮雕微结构相关。例如，如果几何变换包括旋转某个角度，那么第二图像中的区域的各向异性方向不必关于第一图像的对应区域旋转相同的角度。作为第二示例，如果几何变换包括缩放操作，那么这仅指图像，但是微结构不必被缩放。

图像的不同部分可以被单独变换。例如，数字的每个数位可以从不同的缩放中心缩放。

图5示出了根据本发明的光学元件29的示例，其中第二图像28通过平移从第一图像27(是汽车)构造。第一图像与第二图像之间的唯一的区别在于汽车的车身22、26的区域中非周期性、各向异性表面浮雕微结构的位置和各向异性方向，其相差例如45°。汽车的其它区域可以具有与关于图3.1所提到的那些相同的属性，这意味着与窗户23对应的区域可以各向同性地散射；车轮24可以用墨水(例如，黑色墨水)打印；轮缘25可以具有周期性各向异性微结构并且背景21可以反射。因而，第一图像中汽车的车身以及因此还有第一图像本身在第一视角下最佳可见，并且第二图像中汽车的车身以及因此还有二图像本身在第二视角下最佳可见。

图6示出了作为本发明的示例的光学元件70，其中第二图像72通过平移和缩放从第一图像71构成，这意味着，依赖于视角，图像71在不同的位置看起来具有缩小或放大的尺度。几何变换也可以是缩放中心在第一图像的区域外部的缩放。在该示例中，与第一图像71中的数字“10”的数位对应的区域74以及背景73具有非周期性、各向异性表面浮雕微结构，其中各向异性方向相差例如90°。图像72也由非周期性、各向异性表面浮雕微结构的图案编码，其中区域76和75分别表示数字“10”的数位和背景。区域75与76中的各向异性方向可以相差例如90°。数位的区域74、76中的各向异性方向可以相差45°。类似地，背景73、75中的各向异性方向可以相差45°。因而，第一图像在第一视角下最佳可见并且第二图像在第二视角下最佳可见。由于数位和背景的微结构，依赖于视角，图像71和72两者看起来是正图像和负图像。

图7示出了作为本发明的示例的光学元件79，其中第二图像77通过平移和旋转从第一图像71构造。在该示例中，与第一图像71中的数字“10”的数位对应的区域74以及背景73具有非周期性、各向异性表面浮雕微结构，其中各向异性方向相差例如90°。图像77也由非周期性、各向异性表面浮雕微结构的图案编码，其中区域76和75分别表示数字“10”的数位和背景。区域75和76中的各向异性方向可以相差例如90°。数位的区域74、76中的各向异性方向可以相差45°。类似地，背景73、75中的各向异性方向可以相差45°。因而，第一图像在第一视角下最佳可见并且第二图像在第二视角下最佳可见。由于数位和背景的微结构，依赖于视角，图像71和72两者看起来是正图像和负图像。

图像的信息内容可以以图像单元被分割。然后，分配给第一图像、第二图像或附加图像的图像单元可以被分布，使得它们共享某个区域。以这种方式，可以将不同的图像放在基本上相同的位置，使得它们部分地或完全重叠。图像单元可以具有任何形状，诸如多边形(优选地是正多边形)或圆形。优选的形状是方形(quadratic)、矩形、梯形、三角形、六边形和圆形。图8.1示出了以六边形分割的区域，这些六边形被分配给第一图像或第二图像的信息内容。示例性分配由六边形内部的数字1和2指示。图8.2示出了以六边形分割的区域的示例，其中在三个图像的信息内容之间共享六边形图像单元。示例性分配由六边形内部的数字1、2和3指示。图8.3分别示出了分配给第一图像和第二图像的信息内容的方块的示例。在图8.4中，交替的条纹分别被分配给第一图像和第二图像。不同图像的与信息内容对应的图像单元可以以不同的方式布置，例如以交替的线(诸如图8.4中)，或者以行和/或列布置(诸如图8.3中)，或者以更复杂的分布而布置。

与不同图像的信息内容相关的图像单元的尺寸、形状和数量可以不同。例如，圆形区域可以被用来对第一图像的信息内容进行编码，并且圆形区域之间的区域可以被用来对第二图像的信息内容进行编码，诸如在图8.5的示例中。图8.6中绘出了另一示例，其中梯形单元被分配给第一图像的信息内容并且三角形单元被分配给第二图像的信息内容。在包括不同图像的图像单元的区域中，编码不同图像的信息内容的图像单元的总面积(例如，图8.6的梯形单元和三角形单元的总面积)可以不同。这允许控制不同图像的光学对比度并因此平衡光学印象。例如，有可能一个图像看起来非常弱，而另一图像看起来具有高得多的对比度并且因此是主导的。对于许多应用，分配给各个图像的图像单元的总面积大致相同。在分配给各个图像的图像单元的总面积不相等地平衡的情况下，优选的是最大总面积与最小总面积之比是1.3:1或更高，更优选的是1.6:1或更高，并且最优选的是2:1或更高。

图像单元还可以被用来通过抖动(dithering)来调节图像的感知灰度级，这意味着区域的亮度是在数个图像单元上的平均值。造成对灰度级进行平均的图像单元可以具有例如两个不同的各向异性方向，对于某个视角，其可以分别被感知为暗或亮，观察者眼睛将其平均为灰度印象。优选地，在根据本发明的光学元件中使用的图像具有带有对多于两个灰度级进行编码的非周期性、各向异性表面浮雕微结构的区域。甚至更优选的是其中非周期性、各向异性表面浮雕微结构对多于7个、多于15个、多于31个或多于63个灰度级进行编码的图像。

图9.1至9.5示出了示例，其中作为第一图像的字符“A”和作为第二图像的字符“B”彼此重叠并且这两者由具有不同各向异性轴的非周期性、各向异性表面浮雕微结构编码。在该示例中，区域80以分配给第一图像或者第二图像的六边形图像单元被划分，这些六边形图像单元分别由六边形81内部的数字1或六边形82内部的数字2指示。图9.1示出了六边形矩阵80的区域内字符“A”的期望形状和位置83。图9.2示出了六边形矩阵80的区域内字符“B”的期望形状和位置84。图9.3示出了分配给第一图像的六边形单元的构图，而分配给第二图像的六边形由数值2指示。在图9.3的示例中，与字符“A”的形状83重叠的图像单元的那些部分具有非周期性、各向异性表面浮雕微结构，该表面浮雕微结构具有由阴影线方向指示的第一各向异性方向86，而非重叠区域具有非周期性、各向异性表面浮雕微结构，该表面浮雕微结构具有第二各向异性方向85。在图9.3的图中，假设第一方向和第二方向彼此垂直。与字符“A”部分重叠的六边形单元可以具有例如由重叠或非重叠区域中较大者确定的、均匀的各向异性方向。为了较好的图像分辨率，优选的是在重叠和不重叠部分中分割图像单元并且应用微结构的对应各向异性方向，如这在图9.3的图中通过对应的阴影线方向被指示，例如在六边形87中。

以相同的方式，图9.4示出了分配给第二图像的六边形单元的构图，而分配给第一图像的六边形由数值1指示。与字符“B”的形状84重叠的图像单元的那些部分具有非周期性、各向异性表面浮雕微结构，该表面浮雕微结构具有由阴影线方向指示的第三各向异性方向89，而非重叠区域具有非周期性、各向异性表面浮雕微结构，该表面浮雕微结构具有第四各向异性方向88。在图9.4的图中，假设第三方向和第四方向彼此垂直。对于与字符“B”部分重叠的六边形单元，区域在重叠和非重叠部分中分割，并且微结构的对应各向异性方向在图9.4的图中通过对应的阴影线方向指示。第三各向异性方向89优选地定向在关于第一各向异性方向86的+45°或-45°的角度处。第四各向异性方向88优选地定向在关于第二各向异性方向85的+45°或-45°的角度处。

除了由于将图像单元细分为重叠和非重叠部分而出现的那些边界之外，图9.3和9.4中的期望字符A和B的轮廓仅为了图示构图概念而示出，但不形成图案的一部分。

图9.5示出了从根据图9.3和9.4的构图产生的完整图案。除了已经被细分为重叠和非重叠部分的图像单元内部不同微结构方向的区域之间的边界之外，字符A和B的形状不再显示。

当光入射在包括图9.5的非周期性、各向异性表面浮雕微结构图案的光学元件上时，字符“A”在第一视角下最佳可见并且字符“B”在第二视角下最佳可见。两个字符看起来几乎在光学元件的相同位置。由于字符和背景的区域内的微结构，依赖于视角，两个字符看起来是正图像和负图像。

在本发明的优选实施例中，第二图像至少包括可以通过缩放第一图像的至少部分来构造的部分，其中第一图像和第二图像的区域重叠。优选地，重叠区域以图像单元划分，使得第一图像、第二图像或更多图像的部分可以被如上所述分配给不同图像单元。缩放的中心可以在图像的内部或外部。在这种情况下，第二图像看起来是第一图像的相关部分的增大或缩小的图像。优选地，光学部件包括第三或更多个图像，该图像至少部分地由非周期性、各向异性表面浮雕微结构的图案编码，并且分别在第三或附加视角下最佳可见。作为第二图像、第三图像或更大数量图像的分配应使得它在旋转或倾斜光学元件时与相关图像的出现顺序对应。与第二图像一样，第三图像或附加图像至少包括可以通过缩放第一图像的至少部分来构造的部分，其中第一图像和第三图像和可选的附加图像的区域重叠。用于构造第二图像、第三图像和可选地附加图像的缩放中心优选地彼此重合。用于构造第二图像、第三图像和可选地附加图像的缩放因子彼此不同。优选地，缩放因子随图像顺序单调增加或减小。在倾斜或旋转光学元件时由观察者感知到的光学效果分别是放大图像或缩小图像的光学效果。图10示出了在改变视角时提供变焦效果的光学元件的示例。光学元件95包括第一图像96，其在第一视角下最佳可见，如图10.1中所指示的。第一图像是具有第一尺寸的数字10。图像由具有第一各向异性方向的非周期性、各向异性表面浮雕微结构编码。图10.1还通过其轮廓指示第二图像97、第三图像98和第四图像99。第一图像、第二图像、第三图像和第四图像彼此部分重叠。优选地，重叠区域中图像的重叠区域以图像单元被分割，使得各个图像的部分可以如上所述地被分配给不同的图像单元。第二图像、第三图像和第四图像中的每一个通过不同的缩放因子从第一图像构造，使得图像的尺寸按图像的次序增加。缩放中心与第一图像的中心重合，但是如上面所提到的，它可以在任何其它位置。第一图像、第二图像、第三图像和第四图像由非周期性、各向异性表面浮雕微结构编码，各自具有不同的各向异性方向。数字10外部的区域也可以包括非周期性、各向异性表面浮雕微结构，但是其各向异性方向与每个图像的各向异性方向不同。但是，作为四个图像中的每一个图像的背景的这些区域可以具有任何其它表面属性。在第一视角处，仅图像96最佳可见，而与第一图像96相比，图像97、98和99仅以较低的对比度可见或者甚至不可见。对于第二视角(其可以例如通过进一步倾斜光学元件95来调节)，图像97变得最佳可见，如图10.2中所示。通过进一步倾斜光学元件，第三图像98在第三视角处变得最佳可见，并且第四图像99在第四视角处变得最佳可见。通过持续地倾斜光学元件，四个图像按顺序变得可见，这给出了依赖于倾斜方向而放大或缩小的印象。

在本发明的另一优选实施例中，第一图像具有三维外观，这意味着它被观察者感知为具有某个深度。然后第二图像是深度反转图像。例如，第一图像可能给人以下印象：图像的至少部分在光学元件的平面之上，这意味着在光学元件和观察者之间。然后，第二图像的至少部分似乎在光学元件平面之后。优选地，除了深度感知之外，第一图像和第二图像的信息内容主要是相同的。本领域已知有给予图像某个深度印象的若干设计方法。众所周知的示例是在计算机程序的用户界面中使用的按钮图标，其可以将外观从未按下改变为按下。优选地，第一图像和第二图像的重叠区域以图像单元划分，使得第一图像和第二图像的部分可以分配给不同的图像单元，如上所述。

在本发明的优选实施例的一个中，第二图像至少包括可以通过镜像第一图像的至少部分来构造的部分。镜像线可以在任何位置并且可以具有任何方向。优选地，从第一图像到第二图像的几何变换包括平移。因而，即使在镜像线在第一图像的区域外部的情况下，第二图像也可以完全或部分地与第一图像重叠。优选地，重叠区域以图像单元划分，使得第一图像、第二图像或更多图像的部分可以被分配给不同的图像单元，如上所述。图11示出了根据本发明的光学元件90的示例，其中图11.2中的第二图像92是图11.1中的第一图像91的镜像图像，并且第一图像和第二图像两者看起来在相同位置，但是用于不同的视角。通过倾斜或旋转元件，观察者可以在图像和镜像图像之间切换。此外，在倾斜或旋转元件以调节适当的视角时，图11.3和图11.4中的图像和镜像图像两者看起来是负图像93、94。用于观察的不同视角在图11中通过光学元件的不同透视(perspective)来指示。不需要向观察者给出关于适当视角的详细指令，因为那样光学特征的验证将需要用于测量角度的工具并且验证过程将变得复杂和耗时。观察者为了能够验证光学特征而需要的唯一指令是随着一旦朝向是使得相应的视角范围被调节从而第一图像和第二图像自动地看起来是正图像和负图像而旋转和倾斜元件。使图像和镜像图像在相同的位置重叠具有惊人的效果，即，图像通过改变视角而过渡到其镜像图像。当然，也可以在光学元件中的其它地方定位镜像图像。

与周期性结构(其在一定间隔之后重复自身，并且因此一旦周期的结构已知，其就是可预测的)相反，非周期性结构的表面廓形(profile)不能在离结构的已知部分一定距离处被预测。为了确定非周期性的表面廓形，可以使用自相关函数和相关的自相关长度。表面廓形的自相关函数可以被理解为通过平面中的距离x对于两个空间分离的点的表面廓形的可预测性的测量。

函数P(x)的自相关函数AC(x)(诸如表面浮雕微结构廓形)被定义为

AC(x)＝∫P(x')·P(x'+x)·dx'

对于非周期性或非确定性表面廓形，自相关函数随着x的增加而迅速衰减。另一方面，对于确定性表面廓形(例如在格栅(grating)中发现的)，自相关函数利用周期函数调制，但振幅不衰减。

借助于自相关函数，可以定义单个特性数(自相关长度L)。它是自相关函数的包络衰减到某个阈值的长度。为了本目的，AC(x＝0)的10％的阈值被证明是合适的。

在本发明的上下文中，优选的是，非周期性、各向异性表面浮雕微结构至少在一个方向上具有平均一维自相关函数AC(x)，该自相关函数AC(x)在自相关长度内的x＝0处衰减到AC的10％，其中自相关长度小于顶部和底部区(诸如山丘和谷)的相邻过渡之间的平均横向距离的三倍。优选地，一个方向垂直于各向异性方向。优选地，各向异性表面浮雕微结构也沿着各向异性方向y被调制，使得平均自相关函数AC(y)的包络在自相关长度内的y＝0处衰减到AC的10％，其中自相关长度小于沿着各向异性方向在顶部和底部区的相邻过渡之间的平均横向距离的三倍。

更优选的是表面浮雕微结构，其中自相关长度小于顶部和底部区的相邻过渡之间的平均横向距离的两倍。甚至更优选的是表面浮雕微结构，其中自相关长度小于顶部和底部区的相邻过渡之间的一个平均横向距离。

优选地，自相关长度(L)大于顶部和底部区的相邻过渡之间的平均横向距离的百分之一。

存在可以被用来生成非周期性、各向异性表面浮雕微结构的不同已知方法，诸如共聚物中的自组织或去湿、激光烧蚀、电子或离子束光刻以及纳米压印光刻。例如，微结构可以简单地通过使用包含该微结构的压花工具的压花来复制。

在国际专利申请WO-01/29148中描述了制造非周期性、各向异性表面浮雕微结构的优选方法，该申请的内容通过引用并入本文。该方法利用所谓的单体波纹(monomercorrugation)(MC)技术。它依赖于以下事实：通过交联(crosslink)(例如，通过暴露于紫外线辐射)诱发施加到基板的特殊混合物(mixture)或共混物(blend)的相分离(phaseseparation)。随后对非交联成分的移除留下具有特定表面形貌的结构。术语“MC层”用于根据这种技术制备的层。例如，如果使用液晶混合物，那么微结构的各向异性可以被实现，其中液晶混合物通过下层(underlying)对准层对准。通过使用具有朝向图案的对准层，可以创建图案化的、非周期性、各向异性表面浮雕微结构。

WO-2006/007742公开了产生在某些观察角度下生成柔和颜色外观的改良的MC层和层结构的方法。

WO2007/131375公开了生成具有顶部和底部平台(plateau)的非周期性、各向异性表面浮雕微结构的方法，该方法允许生成柔和的颜色，该柔和的颜色与由格栅生成的颜色相反，几乎不随光的入射角而改变。由于表面的不同区可以具有不同的结构深度，因此，最初由这种结构散射的白光可以依赖于它从哪个区散射而变成不同的颜色。

优选地，该方法包括以下步骤：在基板上涂覆薄的光对准膜，通过将光对准膜的各个区域暴露于不同偏振方向的线性偏振UV光来生成朝向图案，在光对准膜的顶部上涂覆可交联和不可交联的液晶材料的共混物，交联液晶共混物以及移除非交联材料(例如，使用适当的溶剂)。

液晶共混物的交联优选地通过暴露于光化光(actinic light)来进行。交联过程诱发液晶预聚物的相分离和交联。微波纹薄膜的基本原理和光学行为在例如国际专利申请WO-A-01/29148中公开。

在附加的步骤中，包括表面浮雕微结构的层的厚度通过湿蚀刻或干蚀刻减少，直到波纹表面的下部的分区中的层的材料被清除并且下层基板的部分被释放。随后，通过干蚀刻或湿蚀刻通过波纹层的释放部分来蚀刻基板。通过这个过程，波纹层的微结构作为具有两个平台(它们是结构的顶部和底部区)的二元结构被转移到基板中。

蚀刻到基板中的微结构的深度依赖于基板中的蚀刻时间和蚀刻速度。因此，可以通过控制蚀刻时间来调节微结构的深度。优选地，存在其中复制的微结构的平均结构大于60nm的区域，更优选地，复制的微结构的深度大于90nm。对于颜色的生成，微结构的平均结构深度优选地大于180nm，更优选地大于300nm，并且最优选地大于400nm。用于提供独特颜色的平均结构深度的优选范围是180nm至230nm、240nm至280nm、290nm至345nm、365nm至380nm以及430nm至600nm。

优选地，图像至少部分地由在不同区域中具有不同结构深度的非周期性各向异性表面浮雕微结构编码。这种图像看起来具有局部不同的颜色或灰度级。不同深度的创建可以例如通过局部阻挡或延迟蚀刻到基板中来进行。

在本发明的优选实施例中，对图像的至少部分进行编码的非周期性、各向异性表面浮雕微结构包括具有从底部区到顶部区以及从顶部区到底部区的过渡的表面调制的区域，其中，在表面区域的(第一)横向方向上，在每20微米内(平均)有从顶部区到底部区或反过来的至少一个过渡，并且优选地附加地在表面区域的第二横向方向(其垂直于第一方向)上，在每200微米内平均有从顶部区到底部区或反过来的至少一个过渡。

优选地，图像至少部分地由非周期性、各向异性表面浮雕微结构编码，其中，在第一横向方向上，从顶部区到底部区或反过来的相邻过渡之间的平均横向距离在从0.5微米到10微米的范围内。有利地，平均横向距离在从0.5微米到5微米的范围内。有利地，在与第一横向方向垂直的第二横向方向上，从顶部区到底部区的过渡之间的平均距离小于100微米，更有利地小于50微米。

为了描述各向异性表面浮雕结构，对于本发明的上下文，术语“表面浮雕纵横比(SRAR)”被定义为各向异性表面浮雕图案的平均长宽比。SRAR强力地(strongly)确定在表面浮雕微结构处散射的光的方位光学外观。对于SRAR＝1(其与在至少两个横向方向上平均表现出相同延伸的表面浮雕图案对应)，入射光的散射属性几乎独立于光的方位角入射角。因此，当包含表面浮雕微结构的元件沿着垂直于元件表面的轴旋转时，从具有SRAR＝1的浮雕微结构的表面反射的光的强度几乎不改变。

对于各向异性浮雕结构(这意味着SRAR>1)，反射光的强度依赖于光的方位角入射角。为了能够在视觉上识别这种对方位角入射角的依赖性，SRAR应当大于1.1。为了增加具有不同各向异性轴的表面浮雕结构的图案的图像设置的可见对比度，大于2的SRAR值是优选的。甚至更优选的是大于5的SRAR值。

对于非常大的SRAR值，大量光散射到其中的方位角范围变得较小，这使得更难以识别从由表面浮雕图案组成的图像反射的光。因此，优选地，存在至少一个以下区域：在该区域中SRAR小于50(更优选地SRAR小于20)。

在本发明的上下文中，术语“表面浮雕填充因子”被定义为顶部区的总面积与在所有顶部区和所有底部区上的整体面积之比。优选地，存在至少一个以下区域：在该区域中表面浮雕填充因子在从0.050至0.95的范围内，更优选地在0.2至0.8的范围内，甚至更优选地在0.3至0.7的范围内。

在本发明的上下文中，平台应被定义为微结构内的以下区域：该区域中结构的高度变化小于结构的平均深度的20％。

优选地，根据本发明的光学元件至少是部分反射的。因此，根据本发明的光学元件优选地包括使用诸如金、银、铜、铝、铬之类的材料或颜料的反射或部分反射层。反射或部分反射层还可以被构造成使得它们仅覆盖光学元件的部分。这可以例如通过层的结构化沉积或通过局部去金属化来实现。

也可以通过到具有不同折射率的材料的过渡而造成反射。因此，在本发明的优选实施例中，根据本发明的光学元件的微结构的表面至少部分地被介电材料覆盖。高折射率折射材料的示例是ZnS、ZnSe、ITO或TiO₂。包括高折射率折射材料的纳米颗粒的复合材料也是合适的。覆盖介质也可以吸收某些颜色，以改变设备的颜色外观。

可选地，根据本发明的光学元件的表面浮雕微结构可以被密封，以便保护元件免受机械冲击、污染，并且防止未经授权和非法制造这种元件的副本。因此，根据本发明的光学元件优选地在微结构的顶部包括密封层。

依赖于微结构的深度，可以生成干涉颜色。可以例如从较低到较深的调制黄色、橙色、玫瑰色、紫色、蓝色和绿色的颜色而获得宽泛的调色板。对于甚至更深的结构，可以显现更高阶的颜色。干涉颜色通常示出明显的角度依赖性。在某些角度下，将看到颜色，而对于其它角度，颜色可以改变或消失。因此，图案被认为是彩色图案，其颜色依赖于观察角度和/或光的入射角。

根据本发明的光学元件还可以结合其它安全特征。其中一些可以已经存在于用于元件生产的主设备(master)中。这种特征是例如全息图或活动图。可能是第一级、第二级或第三级安全特征的其它安全特征可以被添加在附加的过程中和/或在附加的层中。附加特征可以永久可见而不生成特定的光学效果。优选地，附加添加的特征示出视角依赖性，例如通过再次通过全息图或活动图或通过胆甾(cholesteric)层或干涉层来实现。在更优选的实施例中，添加了第二级安全特征，该安全特征在不使用观察工具的情况下不能被检测到。这种特征例如通过荧光或通过双折射材料引入。尤其优选的是包括具有不同阻滞(retardation)或光轴朝向的区域的双折射层。存储在这种双折射层中的安全特征仅通过用偏振光(例如使用偏振片)观察才可见。此外，光学元件可以包括磁性区域。

根据本发明生产的光学元件可以用在处理光强度的空间调制的不同应用中。优选地，根据本发明的光学元件用作安全设备中的安全元件。具体而言，这种安全设备适用于或结合到文件、护照、许可证、股票和债券、优惠券、支票、证书、信用卡、钞票、票据等，以防止假冒和伪造。安全设备还可以应用为或结合到品牌或产品保护设备中，或结合到用于包装的装置中，如包装纸、包装盒、信封等。有利地，安全设备可以采取标签、安全条、标牌、纤维、线、叠层或贴片等的形式。

基于高度直方图的评价函数可以有助于表征明显的表面浮雕平台。可能的评价函数M如下：

评价函数M使用峰宽度和浮雕调制深度的关系。顶部区和底部区在它们的平台周围的偏差的范围应当在浮雕调制深度的某个限定的分数(fraction)之内。Δx1和Δx2是在全峰高度的1/e高度处测量的两个直方图峰的宽度，其中e是自然对数的底数(e≈2.72)，并且d是两个峰的距离(其与平均平台到平台距离或浮雕调制深度对应)。

在本发明的方法中使用的表面浮雕微结构优选地具有大于2的评价函数M。更优选地，M大于3.5。

Claims (16)

1.一种光学安全元件，包括具有非周期性、各向异性表面浮雕微结构的区域，所述非周期性、各向异性表面浮雕微结构具有从底部区到顶部区以及从顶部区到底部区的过渡的表面调制，其中第一图像和第二图像至少部分地由非周期性、各向异性表面浮雕微结构编码，使得当光入射在元件的表面上时，第一图像在第一视角下最佳可见并且第二图像在第二视角下最佳可见，其特征在于所述光学安全元件具有与第一图像相关的区和与第二图像相关的区，这两个区具有非周期性、各向异性表面浮雕微结构，使得第一图像和第二图像的所述区的各向异性方向相差22.5°和67.5°之间的角度，其中所述各向异性方向是沿着微结构的凹槽或谷的局部方向，

其中“非周期性”是指所述微结构具有平均一维自相关函数AC(x)，所述自相关函数AC(x)具有包络，该包络在自相关长度L内衰减到x＝0处AC的10％，其中自相关长度L小于顶部区和底部区的相邻过渡之间的平均横向距离的三倍。

2.如权利要求1所述的光学安全元件，其中图像中的至少一个能够在不同的视角以正和负对比度被观察到。

3.如前述权利要求中任一项所述的光学安全元件，其中第二图像至少包括能够被构造为第一图像的部分或整体的几何变换的部分。

4.如权利要求3所述的光学安全元件，其中几何变换是平移、镜像、旋转、缩放或点反转中的一个或组合。

5.如权利要求1或2所述的光学安全元件，其中两个图像至少部分地彼此重叠。

6.如权利要求1所述的光学安全元件，其中，在存在非周期性、各向异性表面浮雕微结构的区域中第一图像和/或第二图像的至少一部分以图像单元被分割。

7.如权利要求6所述的光学安全元件，其中图像单元的形状是矩形、梯形、三角形、六边形或圆形。

8.如权利要求7所述的光学安全元件，其中图像单元的形状是方形。

9.如权利要求6或7所述的光学安全元件，其中第一图像和第二图像的至少一部分以图像单元被分割，并且被分配给第一图像的信息内容的图像单元的形状不同于被分配给第二图像的信息内容的图像单元的形状。

10.如权利要求6或7所述的光学安全元件，其中第一图像和第二图像的至少一部分以图像单元被分割，并且其中在包括这两个图像的图像单元的区域中，编码第一图像与第二图像的信息内容的图像单元的总面积彼此不同。

11.如权利要求1或2所述的光学安全元件，其中至少对于图像中的一个图像，非周期性、各向异性表面浮雕微结构通过使各向异性方向抖动来对多于两个灰度级进行编码。

12.如权利要求1或2所述的光学安全元件，包括第三图像或更多个图像，该第三图像或更多个图像至少部分地由非周期性、各向异性表面浮雕微结构的图案编码并且分别在第三视角或附加的视角下最佳可见。

13.如权利要求1或2所述的光学安全元件，其中第二图像至少包括能够通过缩放第一图像的部分或整体来构造的部分，使得通过旋转或倾斜元件，图像随后看起来具有单调增加或减小的尺寸。

14.如权利要求12所述的光学安全元件，其中第三图像或更多个图像至少包括能够通过缩放第一图像的部分或整体来构造的部分，使得通过旋转或倾斜元件，图像随后看起来具有单调增加或减小的尺寸。

15.如前述权利要求中任一项所述的光学安全元件用于安全应用的用途。

16.一种用于制造光学安全元件的方法，所述光学安全元件具有当光入射在元件的表面上时第一图像在第一视角下最佳可见并且第二图像在第二视角下最佳可见的属性，所述方法包括

-在元件上生成具有从底部区到顶部区以及从顶部区到底部区的过渡的表面调制的非周期性、各向异性表面浮雕微结构的图案，使得该图案包括微结构的不同各向异性方向的区域，并且对第二图像的信息内容进行编码的图案具有至少一个以下区域：该区域具有在对第一图像的信息内容进行编码的图案中不被使用的各向异性方向，

其中“非周期性”是指所述微结构具有平均一维自相关函数AC(x)，所述自相关函数AC(x)具有包络，该包络在自相关长度L内衰减到x＝0处AC的10％，其中自相关长度L小于顶部区和底部区的相邻过渡之间的平均横向距离的三倍。

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