CN110023095B - 全息图的防伪元件和其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造有价文件、例如纸钞(1)、支票等的防伪元件，防伪元件具有模压全息图，模压全息图具有多个像素(5)，像素的面分别至少在一个维度上不能用裸眼分辨。根据本发明，每个像素(5)的面具有第一部分区域(6)和第二部分区域(7)，其中第一部分区域(6)由具有500nm至2.0μm的周期的全息图栅格结构(8)构成，并且构造用于在第一衍射级(R‑1)中观察时导致像素(5)的全息图效应，并且其中第二部分区域(7)由具有150nm至450nm的周期的子波长栅格结构(9)或蛾眼结构或吸光性的微结构构成，并且构造用于在以掠射角(R0)观察时导致像素(5)的色彩效应或亮/暗效应。
Description
本发明涉及一种全息图的防伪元件和其制造方法。
例如从E.G.Loewen,E.Popov,Diffraction Gratings and Applications,MarcelDekker，纽约，1997和US 7129028B2已知的模压全息图作为纸钞、汇兑的票据上的防伪特征，并且在商标保护中非常广泛地应用。模压全息图通常由模压结构构成，包含形式为具有不同的周期和方位角的定向的衍射栅格的全息图栅格结构。观察者在全息图的重建角中的反射的第一衍射级中感知到全息图效应。向第一衍射级的衍射由观察者感知为彩色。例如通过形式为被喷涂铝的正弦栅格的全息图栅格结构实现的彩色的图案因此仅在特定的观察角的情况下是可感知的。掠射角(Glanzwinkel)中的反射是相对弱对比的。模压全息图在反射的掠射角中显示为无色的，并且在透射光中是暗的。真色图像可以通过像素的布置再现，在像素中分别存在三个不同的栅格作为子像素。三个栅格与基本颜色、大多是红色、绿色和蓝色相对应。通过子像素的相应的面积份额对基本颜色进行颜色混合来调设像素中的期望的颜色。颜色强度通过像素的具有全息图结构的面积份额的大小调节：如果像素的面完全被填充以栅格，那么颜色以最大的亮度显示。如果部分区域保持是空的，那么颜色是相应更浅的。在掠射角中，所述图案作为明亮反射的、在强度方面被轻微调制的面仅可非常弱地被看到。尤其是在真色全息图中不利的是，图案在第一衍射级中仅能在真色中的狭窄的角公差范围内被看到。该缺点尤其是在不利的光照度的情况下进行观察时产生影响。此外，当从重建角开始倾斜时，真色图像很快显示为“假色”。特别重要的是，图像在以掠射角观察时会过渡成负片，因为没有被填充结构的面积份额使入射光转向到观察者的眼睛内，并且因此可能会(突然)发出闪光。
此外已知了一种子波长栅格，其适用于以反射和也以透射显出色彩。在掠射角中显示为彩色的和附加地可以廉价地模压到薄膜上的金属结构在文献WO 2013/053435 A1、DE 102011101635 A1和DE 102015008655 A1中被阐述。在此，其可以是一维周期性的和二维周期性的结构。这种子波长栅格同样适用于产生真色图像。与全息图栅格结构不同，在此，在零次衍射级中、即在掠射角中可看到真色图像。也可以提供子波长栅格，从而在透射中形成真色图像。已知的用于产生真色图像的方法同样使用这样的方式：通过子像素中的基本颜色的颜色混合来以像素方调制期望的颜色，基本颜色与不同的轮廓参数的子波长栅格相对应(参见H.Lochbihler,“Colored images generated by metallic sub-wavelength gratings”Opt.Express 17(14),12189-12196(2009)；WO 2012/019226 A1、EP2960690 A1和WO 2014/179892 A1)。
本发明所要解决的技术问题在于提供一种防伪元件，其具有已知的模压全息图的光学特性，并且附加地不会在掠射角中使图案失真(或变假)，在那优选同样以对比强的(或者说对比度高的)设计方案示出图案。
在权利要求1、13和14中定义本发明。从属权利要求涉及有利的扩展方案。
本发明改进常规的模压全息图(或压制全息图)，并且提高图案(或题材)的可识别性。图案通过多个像素形成，像素以常见的方式分别具有全息图栅格结构、即在光学区域中作用为衍射栅格的、具有不同的栅格周期或栅格定向的结构。在现有技术中，在第一衍射级中借助全息图结构产生图案是已知的。示例性地参考公开文献H.Caulfield,“The Art andScience of Holography”,SPIE,2004,ISBN 0-8194-5019-7，并且在那里例如参考第201至209页。通过例如由配属的子像素的三个基本颜色构成的颜色混合形成像素期望的颜色。像素的整体尺寸是这样的，使其用裸眼不再能够分辨，例如在尺寸方面不超过100μm。然而也可能的是，该尺寸仅涉及像素的一个维度，例如当像素以纵向延伸的窄的条带的形式存在时。如果像素完全不能够用裸眼分辨，那么最后产生具有平滑的强度分布的图像。子像素仅占据像素的一部分，其中每个子像素配属于一个基本颜色。通过子像素相对彼此的面积份额产生混合颜色。全息的图像这样产生，即所述的子像素仅构成整个像素的部分区域。像素的另外的部分区域包含着色的子波长栅格(或称为亚波长栅格)、或形式为周期性的、准周期性的或非周期性的子波长结构的所谓的蛾眼结构、或吸光性的或光着色(
或称为光变色)的微结构。
像素理解为各种任意的用于对图像信息进行编码的面形状，此外也可以是L形的、圆形的或不规则的几何形状。通常、但非强制性地，该布置是规则的，例如形式为矩形或正方形的像素。
在防伪元件中，多个、优选每个像素具有至少两个部分区域。第一部分区域由全息图结构形成并且最后提供全息图，该图在第一衍射级中是可见的。第二部分区域、优选像素的剩余的部分被填充以子波长栅格或蛾眼结构或吸光性的或光着色的微结构。因此，在以掠射角观察时，显示出子波长栅格或光着色的微结构的反射颜色。如果微结构是吸光性的或者使用蛾眼结构，那么像素在掠射角中显示为暗的。以该方式，在以掠射角观察时可以控制防伪特征的显示。如果子波长栅格或微结构构造为半透明的，那么在透射观察中的颜色也是可调节的。
设置在第二部分区域中的结构在反射中(和附加地可选地也在透射光中)的颜色依赖于栅格轮廓和所使用的涂层的选择。这由用于子波长栅格的现有技术已知；相同的情况适用于微结构。通过调整第二部分区域和第一部分区域的面积比，对于每个像素可以产生在以掠射角观察时强度分级的图案。如果每个像素的第二部分区域没有进一步被结构化，那么该区域显示为单色的。
在变型实施例中，第二部分区域被划分为不同颜色的子像素，从而在反射的掠射角中也实现真色图像。优选地设置三个不同的子像素，其针对预先定义的观察角配属于基本颜色、例如红色、绿色和蓝色。针对每个像素通过三个子像素的相对的面积份额调节第二区域在以掠射角(和可选地也在透射光中)观察时产生的期望的颜色。观察者于是针对每个像素感知子像素的混合颜色。
在另外的优选的实施变型方案中，首先计算出在第一衍射级中显示的真色全息图，尤其是计算像素和子像素的划分。随后，迄今为止不需要的面区域被填充以微结构或子波长结构，第二部分区域的功能归因于该面区域。在该变型方案中，可以与第一部分区域的像素和子像素的划分无关地将第二部分区域划分为像素和必要时的子像素。在特别优选的设计方案中，第二部分区域中的模压结构用于光吸收，其中，模压结构可以全面或部分填充第二部分区域。
随后参考附图在实施例中示例性地详细阐述本发明。在附图中：
图1示出了具有防伪元件的纸钞的示意图，防伪元件在第一衍射级中示出作为全息图的图像和在掠射角中观察时相同的图像；
图2示出了图像的示意图，图像可在图1的防伪特征中看到，用以说明像素结构，由该像素结构构建该图像；
图3至5示出了用于由子像素构建像素的不同的变型方案，其中每个像素具有第一部分区域和第二部分区域，在第一部分区域中存在全息图栅格结构，在第二部分区域中构造出子波长栅格结构；
图6和7示出了剖切像素的示例性的截面图以呈现不同的区域；
图8和9示出了用于说明两个部分区域中的栅格结构的功能原理的示意性的截面图；和
图10示出了具有条带形的像素的另外的防伪元件的俯视图。
图1以俯视图示意性示出了一种纸钞1，其为了提高防伪性具有防伪元件2。防伪元件2包含模压全息图，其产生图案3，在此是丢勒的图像(参见图2)。在图2中示出了图案3的片段4，用以说明图像3由大量像素5构建。每个像素5由部分区域构成。图3至5示出用于该划分的不同的实施方式。在图3中，每个像素5具有第一部分区域6和第二部分区域7。在第一部分区域中构造全息图栅格结构，其是需要的，以便在第一衍射级中看到作为全息图的图案3。像素5的第二部分区域7具有子波长栅格结构或微结构，其使得可在掠射角中(和可选地在透射中)识别出相同的或不同的图案。在第一部分区域6中的全息图栅格结构通过其表面设置在第一衍射级中的相应的像素5的亮度。第二部分区域7中的结构在以掠射角观察时导致相同的情况。在图3中还设置了可选的第三部分区域7S，在第三部分区域中，该结构纯吸光性地例如构造为蛾眼结构。以该方式，除了第一和第二部分区域的划分以外还可以设置亮度比或强度比。备选地，第三部分区域也可以包含平滑的区域，其被覆盖金属并且是不透明的。该第三部分区域也导致各个像素5中的强度调整。当然也可以在第二部分区域中仅使用吸光的微结构或者蛾眼结构。当防伪元件从第一衍射级的角度被倾斜到掠射角时，这阻止图像转变为负片(Negative)。
图4示出像素5的设计方案，像素在第一衍射级中产生真色图像，其方法是，部分区域6被划分为子像素6R、6G和6B，其配属于红色、绿色和蓝色的基本颜色。子像素的面积比调节出混合颜色。对于像素7的剩余的面仍适用的是，设置子波长栅格结构。为了说明清楚(该选项原理上是适用的)在此也设置第三部分区域7E，其构造为平坦的层，如刚才提到的那样。当然，第三部分区域原则上也可以取消，并且像素5可以仅由第一和第二部分区域构成。
图5示出另一改进方案，其中，具有子波长栅格结构的第二部分区域又构造在子像素7R、7G和7B中，子像素在掠射角中观察时导致真色图像。
图6和7以截面图示出示例性的像素5的区域。可看到的是，全息图栅格结构8在所使用的正弦栅格的周期方面区分为在第一部分区域的子像素6B、6G和6R。这仅示例性地用于说明。对于本领域技术人员来说已知的是，其针对真彩色全息图必须由全息图栅格结构构建子像素。第二部分区域7在图6中示例性实施，从而子波长栅格结构9是蛾眼结构。也就是说，其在此调设为仅一个黑值，除了红色、绿色和蓝色以外所述黑值还用作第四颜色通道，并且此外阻止图案在倾斜时的颠倒。
图7示出穿过像素5的截面图。全息图栅格结构8又通过子像素6B、6G和6R构建。附加地，具有子波长栅格结构9的第二部分区域7同样通过不同地在几何上结构化的子像素7B、7G和7R以及蛾眼结构7S形成。
图8示出像素5的不同的部分区域中的作用。在第一部分区域6中构造出全息图栅格结构，在图8的示例中构造为红色的子像素6R。入射的射束在第一衍射级R-1中观察时感知为红色。相反地，适用于子波长栅格结构的是，在掠射角R0的情况下的观察提供子波长结构的颜色印象，在此是绿色的子像素7G和红色的子像素7R的子波长结构的颜色印象。
图9示出在一种变型方案中的相同的情况，其中子波长结构也能透射地发挥作用。在全息图栅格结构的区域中没有发生明显的透射，而在子波长栅格结构的区域中，针对子像素7G和7R实现具有不同的颜色的彩色的透射TI和TII。
图10示出用于真色全息图的另外的示例。在此，像素7以条带的形式构造，其分别包含形式为色条6R、6G和6B的各个子像素。图10的左边的像素5在此构造为使像素5的子像素完全填充以栅格。因此在该情况下，颜色显示为具有最大的亮度的混合颜色。通过子像素的宽度和进而表面覆盖来调节颜色强度。在此，条带宽度可以沿纵向延伸减小，并且条带也可以中断。未覆盖的区域、即像素5的在子像素6R、6G和6B中不存在全息图结构的区域在此被填充以形式为蛾眼结构的子波长结构。蛾眼结构7S示例性地针对从左边数的第二像素5在图10中画出。蛾眼结构作用为吸光结构，并且通常由均匀或不均匀地布置的具有小于可见光的波长的周期或准周期的隆起部或凹陷部构成。具有这样形成的纵横比的吸光的微结构、例如微腔是同样适用的，从而其在一定程度上吸收入射光。为此，参考DE102013009972A1、DE 102014004941 A1和WO 2014/161673 A1，其微结构可以使用在子像素7R、7B、7G或7S中。像素5的不需要用于产生颜色的面区域被填充以吸光的结构。因此，当全息图从第一衍射级的角度倾斜时，图像从正片向负片的转换被阻止，因为入射光的镜像反射被像素5的在现有技术中不具有全息结构的部分抑制。
该方案也可以用于在四个颜色通道中构建图像，四个颜色通道即红色、绿色和蓝色和作为用于对比(Kontrastgebung)的第四通道的黑色的基本颜色(或提供子像素的基本颜色)。
通常，另外的颜色、也可以以其他的数量、被用于颜色混合，其中，在该情况下，黑色也用作用于对比的附加的通道。
就已经描述了像素5的不同的划分和设计而言，这些设计不必使用在图案3的所有像素中。在创建图案时也可混合地使用不同的选项。
附图标记清单
1纸钞
2防伪元件
3图案
4片段
5像素
6第一部分区域
6R、6G、6B子像素
7第二部分区域
7R、7G、7B子像素
7E平滑的区域
7S蛾眼结构
8全息图栅格结构
9子波长结构
E入射的射束
R-1第一衍射级
R0掠射角
TI在第一颜色中的透射
TII在第二颜色中的透射
Claims (14)
1.一种用于制造有价文件的防伪元件，所述防伪元件具有模压全息图，所述模压全息图具有多个像素(5)，所述像素的面分别至少在一个维度上不能用裸眼分辨，
其中，
-每个像素(5)的面具有第一部分区域(6)和第二部分区域(7)，
-其中第一部分区域(6)由具有500nm至2.0μm的周期的全息图栅格结构(8)构成，并且构造用于在第一衍射级(R-1)中观察时导致像素(5)的全息图效应，并且
-其中第二部分区域(7)由具有150nm至450nm的周期的子波长栅格结构(9)或蛾眼结构或吸光性的微结构构成，并且构造用于在以掠射角(R0)观察时导致像素(5)的色彩效应或亮/暗效应，其特征在于，至少一些像素(5)具有第三部分区域(7E)，第三部分区域要么具有纯吸光性的结构、要么被平滑地覆盖和用金属覆盖，并且第三部分区域的面积份额导致在掠射角(R0)中和在透射(TI、TII)中像素(5)的强度调整。
2.根据权利要求1所述的防伪元件，其特征在于，第一部分区域(6)由多个全息图子像素(6R、6B、6G)构成，所述全息图子像素的相对的面积份额确定在第一衍射级中像素(5)的全息图效应的色彩，其中，第一部分区域(6)的像素(5)在第一衍射级(R-1)中导致真色图像(3)。
3.根据权利要求2所述的防伪元件，其特征在于，对于至少一些像素(5)，第二部分区域(7)的子波长栅格结构(9)构造为着色的子波长栅格结构。
4.根据权利要求3所述的防伪元件，其特征在于，第二部分区域(7)分别由多个子波长栅格-子像素(7R、7B、7G)构成，所述子像素分别在掠射角(R0)中示出基本颜色，并且所述子像素的相对面积份额确定在掠射角(R0)中的像素(5)的色彩或亮度。
5.根据权利要求4所述的防伪元件，其特征在于，像素(5)在第一衍射级(R-1)中和在掠射角(R0)中观察时示出真色图像(3)。
6.根据权利要求5所述的防伪元件，其特征在于，子波长栅格结构构造用于在透射(TI、TII)中观察时导致像素(5)的色彩效应或亮/暗效应。
7.根据权利要求6的组合所述的防伪元件，其特征在于，像素(5)在透射(TI、TII)中的观察时示出相对真色图像(3)逆反的图像。
8.根据权利要求1所述的防伪元件，其特征在于，吸光性的微结构(7S)或蛾眼结构确定在掠射角中像素(5)的黑色份额。
9.根据权利要求2所述的防伪元件，其特征在于，像素(5)条带形地构造，其中全息图子像素(6R、6B、6G)同样是条带形的，并且其宽度调节色彩。
10.根据权利要求9所述的防伪元件，其特征在于，像素(5)的没有全息图结构的区域被填充以吸光性的结构。
11.根据权利要求10所述的防伪元件，其特征在于，所述吸光性的结构是蛾眼结构或吸光性的微结构。
12.根据权利要求1所述的防伪元件，其特征在于，模压全息图嵌入透明的电介质中。
13.一种有价文件，具有根据权利要求1至12中任一项所述的防伪元件。
14.一种用于制造防伪元件的方法，所述防伪元件用于制造有价文件，其特征在于，模压结构被模压到衬底中，并且模压结构被金属化，所述模压结构由根据权利要求1至12中任一项所述的防伪元件的多个像素(5)构成。
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