CN108422764A - 光学防伪元件及光学防伪产品 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学防伪领域，公开了一种光学防伪元件，该光学防伪元件包括：基材，该基材包括彼此相对的第一表面和第二表面；布置在所述第一表面的至少部分区域上的多个微反射单元，每一个所述微反射单元由一组转角不同的微反射面形成；以及布置在所述第一表面的至少同形覆盖在所述一个或多个微反射单元上的反射性镀层，其中，所述转角的取值在0°至360°内均匀的分布。

Description

光学防伪元件及光学防伪产品
技术领域
本发明涉及光学防伪领域，尤其涉及一种光学防伪元件及光学防伪产品。
背景技术
当今，光可变(optically variable)技术广泛用于钞票等高防伪有价证券的公众防伪，该技术具有裸眼可观察的动态图像和颜色变化等特征，且无法利用照相机、扫描仪、打印机等电子设备模仿或复制。
利用真空蒸镀工艺制作的多层干涉结构是一种适合在钞票上使用的防伪结构，该结构在改变观察角度时具有明确可辨识的颜色变化特征。美国专利US4779898A公开的“金属/介质层/半透明金属层”简单的三层光变结构因其容易制造而被广泛采用。为提高防伪能力，干涉光变特征可与全息(参见公布号为CN1360544的中国专利)或亚波长结构组合(参见授权公告号为CN102514443B的中国专利)，产生更加多样的防伪效果。由于防伪产品基材基本都是平整的，在平整基材上制作镀层或镀层与微结构的结合都体现为明显的镜面反射。除图1b所示的在很好的漫入射光的照明条件下之外，如图1a所示，具有这种镜面反射特性的防伪产品在一个窄的立体角内反射光很强，而在该窄立体角之外基本没有反射光，这种情况并不利于公众对防伪特征的识别。
发明内容
本发明的目的是提供一种光学防伪元件以及光学防伪产品，以解决或至少部分解决上述技术缺陷。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种光学防伪元件，该光学防伪元件包括：基材，该基材包括彼此相对的第一表面和第二表面；布置在所述第一表面的至少部分区域上的多个微反射单元，每一个所述微反射单元由一组转角不同的微反射面形成；以及布置在所述第一表面的至少同形覆盖在所述一个或多个微反射单元上的反射性镀层，其中，所述转角的取值在0°至360°内均匀的分布。
本发明另一方面提供一种光学防伪产品，包括上述的光学防伪元件。
通过上述技术方案，在防伪元件的第一表面布置多个由转角不同的微反射面构成的微反射单元，并且转角的取值在0°至360°内均匀的分布，这可以使得防伪元件的反射光的光强特性至少部分的基本满足Lambert余弦定律，从而通过所述反射性镀层，从0°至60°改变俯仰观察角度时，可以观察到所述防伪元件的颜色发生改变。
本发明的其它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1a和图1b分别示出了镜面反射和漫反射特性示意图；
图2a为根据本发明一种实施方式的微反射单元的示意图；
图2b为采用了具有不同倾角的倒立圆锥内侧面的设计的平面灰度图；
图2c为采用图2b所示的排列方式的圆锥高度的分布示意图；
图3为根据本发明一种实施方式的光学防伪元件的剖面示意图；
图4为根据本发明一种实施方式的光学防伪元件的剖面示意图；以及
图5是以开窗安全线、视窗贴膜、贴标等方式使用根据本发明的光学防伪元件的高防伪印刷。
具体实施方式
下面将结合附图来详细说明根据本发明的光学防伪元件及包括该光学防伪元件的光学防伪产品。应当理解，所述附图和详细描述只是对本发明优选实施方式的描述，并非以任何方式来限制本发明的保护范围。并且，本领域技术人员应当理解，所有附图中的灰度以及尺寸比例仅为示意性的，不代表实际的颜色和尺寸比例。
本发明实施方式提供一种光学防伪元件，该光学防伪元件可以包括：基材，该基材包括彼此相对的第一表面和第二表面；布置在所述第一表面的至少部分区域上的多个微反射单元，每一个所述微反射单元由一组转角不同的微反射面形成；以及布置在所述第一表面的至少同形覆盖在所述一个或多个微反射单元上的反射性镀层。其中，所述转角的取值在0°至360°内均匀的分布。在防伪元件的第一表面布置多个由转角不同的微反射面构成的微反射单元，并且转角的取值在0°至360°内均匀的分布，这可以使得防伪元件的反射光的光强特性至少部分的基本满足Lambert余弦定律，从而通过所述反射性镀层，从0°至60°改变俯仰观察角度时，可以观察到所述防伪元件的颜色发生改变。
图2a为根据本发明一种实施方式的微反射单元的示意图。如图2所示，根据本发明一种实施方式，所述微反射单元可以为倒立圆锥的内侧面，该内侧面可以由一组倾角相同并且转角不同的微反射面形成。这些微反射面为一组，构成该倒立圆锥的内侧面。圆锥高度为h，圆锥底面半径为r，构成圆锥内侧面的微反射面的倾角θ满足tanθ＝h/r，倾角θ在0°至30°内取值，倾角θ的值可以在0°至30°内非均匀分布，而转角在0°至360°范围内均匀分布。倒立圆锥的内侧面由转角连续变化的微反射面形成，该微反射面的数目本质上是无穷的。
在根据本发明的一个优选实施方式中，所述倒立圆锥的半径r的范围可选地可以为3μm至30μm，所述倒立圆锥的高度h的范围可选地可以为0-10μm。
与此等效的是，可使用正多面体代替上述的圆锥，所述微反射单元可以为由一组转角不同的微反射面形成的正多面体，该转角的取值在0°至360°范围内均匀分布。为产生足够均匀的反射光强分布，形成所述多面体的微反射面的数目(即，多面体的不同转角的数目)优选为大于或等于4。
图2b为采用了具有不同倾角θ的倒立圆锥内侧面设计的平面灰度图，每个圆锥内侧面都具有图2a所描述的倾角θ在0°至30°内取值并且转角在0°至360°范围内均匀分布。图2b中的灰度值在0至255范围内分布，灰度值对应于结构深度h，假设每个圆锥的底面直径固定为r，则结构深度h(即圆锥的高度)对应于倾角θ。图2b中灰度值255代表结构深度为0，而灰度值0代表最大的结构深度h_max。具有灰度值0的圆锥具有最大倾角θ_max＝arctan(h_max/r)，其中，θ_max≤30°。为达到漫反射面的效果，倾角θ应按照一定的规律分布，大体上为具有小倾角θ的圆锥数目相对较多，而具有大倾角θ的圆锥数目相对较少。本发明实施方式中术语“结构深度”和“高度”可以互换使用。
图2b中每个圆锥的位置定义为其底面圆心的坐标，该位置可以是随机变化的，以避免对入射光的衍射。该随机可通过对一个标准网格的随机化实现。例如，将每个圆锥放置在横纵等周期的正方形网格内，周期设计为圆锥底面直径的1.3倍，然后对每个正方形区域增加随机位置变量，通过调节随机位置变量的大小控制随机程度，并避免圆锥边界的重叠。
图2c为采用图2b所述的圆锥设计和排布方式的一种优选的圆锥高度h的分布示意图。该优选实施方式中固定了每个圆锥的底面半径r，则倾角为θ的圆锥的结构深度h＝r*tanθ以及侧面积S＝πr2/cosθ。倾角θ的圆锥内侧面可将正入射光线反射到倾角为2θ的方向。根据Lambert余弦定律，2θ倾斜方向的光线的光强正比于cos2θ。设有N(h)个圆锥的高度为h，则2θ倾斜方向的光强还正比于N(h)*S，N(h)*S＝N(h)πr2/cosθ。所以，N(h)πr2/cosθ∝cos2θ，即N(h)∝cosθ*cos2θ，其中θ＝arctan(h/r)。
由此可得出高度为h的圆锥的数目N(h)与高度h的关系。设圆锥底面半径r＝10μm，该关系即为图2c所示的曲线，圆锥的数目随着圆锥高度的增加而减少。倾角θ大于30°的圆锥对于本发明所要实现的光学效果是不必要的，因而圆锥深度h分布范围为0μm至5.77μm。
在根据本发明的一个优选实施方式中，所述防伪元件的基材可以为对可见光透明的有色或无色的薄膜，例如可以是由以下材料中的任意一者构成的薄膜：聚对苯二甲酸二醇酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯、金属、玻璃等。
所述反射性镀层可以包括下述各种镀层中的任意一种或其组合：单层金属镀层；多层金属镀层；由吸收层、低折射率介质层和反射层形成的镀层，其中该吸收层更靠近所述第一表面；高折射率介质层镀层；由第一高折射率介质层、低折射率介质层和第二高折射率介质层依次堆叠形成的多介质层镀层；以及由吸收层、高折射率介质层和反射层依次堆叠形成的镀层，其中，该吸收层更靠近所述第一表面。在本发明的实施方式中，高折射率指的是折射率大于等于1.7，低折射率指的是折射率小于1.7。金属镀层的材料可以是金、银、铜、铝、铁、锡、锌、镍、铬等金属或其合金；高折射率介质材料可以是ZnS、TiN、TiO2、TiO、Ti2O3、Ti3O5、Ta2O5、Nb2O5、CeO2、Bi2O3、Cr2O3、Fe2O3、HfO2、ZnO等，低折射率介质材料可以是MgF2、SiO2等；吸收层材料可以是铬、镍、铜、钴、钛、钒、钨、锡、硅、锗等金属或其混合物和合金；反射层的材料可以是金、银、铜、铝等金属或其混合物和合金。上述所述的单层或多层的反射性镀层的总厚度为10-1000nm。
可选地，所述反射性镀层可以是是包含金属和介质的多层结构，或可以是单层或多层的介质层。可选地，所述反射性镀层可以是金属/介质/金属的三层干涉镀层。或者可选地，所述反射性镀层可以是高折射率介质/低折射率介质/高折射率介质的三层干涉镀层。
如图3所示，根据本发明一种实施方式的光学防伪元件1可以包括：基材11，该基材11包括彼此相对的第一表面和第二表面；布置在所述第一表面的至少部分区域的微反射层12以及至少同形覆盖微反射层12的反射性镀层14。其中，微反射层12包括多个微反射单元，每一个所述微反射单元由一组转角不同的微反射面形成；所述转角的取值在0°至360°内均匀的分布，其中，微反射单元可以为上述的倒立圆锥的内侧面或者是上述的正多面体。这里，反射性镀层14对微反射层12的同形覆盖对于实现光学防伪元件1的颜色效果是必需的。
图3所示的光学防伪元件与上述的光学防伪元件的区别在于光学防伪元件1除了包括基材11、微反射层12及至少同形覆盖微反射层12的反射性镀层14之外，还可带有布置在微反射层12表面的亚波长结构13。所述反射性镀层14同形覆盖在亚波长结构13的表面上，其中可选地，亚波长结构13的高度起伏范围可以为30nm至300nm，周期可以为100nm至500nm。亚波长结构区域与无亚波长结构区域在裸眼观察时或借助偏振片观察时可呈现不同的颜色。
在根据本发明的一个优选实施方式中，所述反射性镀层14通过衍射、干涉、金属本征吸收、等离子共振吸收等物理原理产生明显的颜色。或者，反射性镀层14与亚波长结构13的组合通过衍射、干涉、金属本征吸收、等离子共振吸收等物理原理产生明显的颜色。授权公告号为CN102514443B的专利公开了镀层同形覆盖亚波长结构实现颜色和颜色变化的技术，这里不在赘述。在0°至60°范围内改变倾斜观察角度时，所述反射性镀层14的颜色或/和反射性镀层14与亚波长结构13的组合的颜色发生改变。
在根据本发明的一个优选实施方式中，至少在0°至60°的一个倾斜观察角度下，反射性镀层14单独产生的颜色与亚波长结构13和反射性镀层14的组合体现出颜色是不同的，该颜色的不同可通过裸眼或借助偏振片被观察到。
如图4所示，根据本发明一种实施方式的光学防伪元件2可以包括：基材21，该基材11包括彼此相对的第一表面和第二表面；布置在所述第一表面的至少部分区域的微反射层22；布置在微反射层22的表面的亚波长结构23；以及至少同形覆盖微反射层22和亚波长结构23的反射性镀层24。
图4所示的光学防伪元件与上述的光学防伪元件的不同在于亚波长结构23区域(区域A)与无亚波长结构覆盖的微反射面22区域(区域C)之间存在反射性镀层24被至少局部去除的区域B，即镂空区域。区域B内反射性镀层24被去除的宽度，即镂空宽度，为b，被去除区域距离区域A和区域C的距离为ε。反射性镀层24被去除区域与区域A和区域C是有精准对位的，对位误差ε优选地小于50μm，从而在裸眼观察时观察者难以发现对位的误差。公布号为CN1976816和CN101035686公开的方法可用来实现本实施例中镂空区域与非镂空区域精准的定位，此处不再赘述。
据本发明的光学防伪元件能够应用于钞票、身份证件、有价证券等具有高附加值的产品，而且，其能够以开窗安全线、开窗贴条、贴标等方式在这些高附加值产品上使用。图5示出根据本发明实施方式的光学防伪元件以不同方式在高防伪印刷品5上使用的示意图。所述光学防伪元件可以通过防伪纸张制造工艺中的现有技术形成开窗安全线6，开窗安全线6分段嵌入印刷品5中，其余部分位于印刷品5表面；根据本发明实施方式的光学防伪元件还可以以贴标7的方式粘附在印刷品5的表面上；根据本发明实施方式的光学防伪元件还可以以宽条8的方式粘附在印刷品5的表面上，且宽条8所在区域内存在一窗口81(视窗)，其形状和尺寸任意，该窗口81通过将印刷品5的局部去除获得，透过窗口81可观察宽条8的透射防伪特征。印刷品5可使用开窗安全线6、贴标7、宽条8中的任意一种或其任意组合。
本发明另一方面提供了包括所述光学防伪元件的产品，所述产品包括但不限于钞票、信用卡、护照、身份证件、有价证券等各类高安全产品及高附加值产品，以及各类包装纸、包装盒等。
在本申请的以上实施方式提供的方案中，在防伪元件的第一表面布置多个由转角不同的微反射面构成的微反射单元，并且转角的取值在0°至360°内均匀的分布，这可以使得防伪元件的反射光的光强特性至少部分的基本满足Lambert余弦定律，从而通过所述反射性镀层，从0°至60°改变俯仰观察角度时，可以观察到所述防伪元件的颜色发生改变，从而更有利于公众对防伪特征的识别。
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 (14)

1.一种光学防伪元件，其特征在于，该光学防伪元件包括：
基材，该基材包括彼此相对的第一表面和第二表面；
布置在所述第一表面的至少部分区域上的多个微反射单元，每一个所述微反射单元由一组转角不同的微反射面形成；以及
布置在所述第一表面的至少同形覆盖在所述一个或多个微反射单元上的反射性镀层，
其中，所述转角的取值在0°至360°内均匀的分布。
2.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其特征在于，所述微反射单元为由一组倾角相同但转角不同的微反射面形成的倒立圆锥的内侧面。
3.根据权利要求2所述的光学防伪元件，其特征在于，所述倾角的取值范围为0°至30°。
4.根据权利要求2所述的光学防伪元件，其特征在于，所形成的所述倒立圆锥的半径范围为3μm至30μm。
5.根据权利要求2所述的光学防伪元件，其特征在于，所形成的所述倒立圆锥的高度范围为0μm至10μm，优选地，所述高度范围为0μm至5.77μm。
6.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其特征在于，所述微反射单元为由一组转角不同的微反射面形成的正多面体，优选地，形成该正多面体的所述微反射面的数目大于或等于4。
7.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其特征在于，所述防伪元件还包括：
覆盖在至少部分所述多个微反射单元上的亚波长结构，所述反射性镀层同形覆盖该亚波长结构。
8.根据权利要求7所述的光学防伪元件，其特征在于，所述亚波长结构的起伏范围为30nm至300nm。
9.根据权利要求7所述的光学防伪元件，其特征在于，所述亚波长结构的周期范围为100nm至500nm。
10.根据权利要求7至9中任意一项权利要求所述的光学防伪元件，其特征在于，所述多个微反射单元上覆盖所述亚波长结构的区域与未覆盖所述亚波长结构的区域之间具有镂空区域。
11.根据权利要求10所述的光学防伪元件其特征在于，所述镂空区域与所述覆盖所述亚波长结构的区域精准对位，优选地，所述对位误差小于50μm。
12.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其特征在于，所述反射性镀层为以下中的一者或任意组合：单层金属镀层、多层金属镀层、由吸收层、低折射率介质层和反射层形成的镀层、高折射率介质层镀层、由第一高折射率介质层、低折射率介质层和第二高折射率介质层依次堆叠形成的多介质层镀层、以及由吸收层、高折射率介质层和反射层依次堆叠形成的镀层。
13.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其特征在于，所述基材为由以下材料中的任意一者构成的对可见光透明的有色或无色薄膜：
聚对苯二甲酸二醇酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯、金属、玻璃以及纸张。
14.一种光学防伪产品，其特征在于，包括根据权利要求1至13中任意一项权利要求所述的光学防伪元件。
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