CN111148639B - 光学安全元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄的光学安全元件，其包括反射性或折射性光重定向表面，该表面具有浮雕图案，该浮雕图案可用于重定向来自光源的入射光并在投影表面上形成投射的图像，该光学安全元件的光学参数满足特定的投影标准，使得投射图像包括容易被使用者视觉识别的再现参考图案的焦散图案。本发明还涉及一种用于设计光学安全元件的浮雕图案的方法。

Description

光学安全元件

技术领域

本发明涉及反射性或折射性光学安全元件的技术领域以及用于设计这种光学安全元件的方法，该光学安全元件可用于在适当的照明下投射焦散图案(caustic pattern)。

背景技术

物品上需要可以由所谓的“路人”使用通常可获得的手段来认证的安全特征。这些手段包括使用五种感觉-主要是视觉和触觉-以及使用普遍的工具，例如移动电话。

安全特征的一些常见示例是可在纸币、信用卡、ID、票证、证件、文件、护照等上找到的司法纤维(forensic fibers)、线或箔(例如嵌入纸张等基板中)、水印、凹版印刷或微缩印刷(可能使用光变墨印刷在基板上)。这些安全特征可以包括光变墨、不可见墨或发光墨(利用特定的激发光在适当的照明下发荧光或发磷光)、全息图和/或触觉特征。安全特征的主要方面在于具有一些很难伪造的物理性质(光学效应、磁效应、材料结构或化学成分)，使得如果可以(视觉地或借助于特定设备)观察或显示该性质，则标有这种安全特征的物品可以被可靠地认为是真品。

然而，当物品透明或部分透明时，这些特征可能不合适。实际上，出于美观或出于功能原因，透明物品通常要求具有所需安全特征的安全元件不改变物品的透明度或物品的外观。值得注意的示例可以包括药品用的泡罩和药水瓶。近来，例如，聚合物纸币和混合纸币在其设计中包含了透明窗，因此产生对与其兼容的安全特征的需求。

用于文件、纸币、有防伪的票证、护照等的安全元件的大多数现有安全特征尚未专门地为透明物品/区域研发，因此，并不十分适合这种应用。例如利用不可见墨和荧光墨获得的其它特征需要专门的激发工具和/或检测工具，而这些工具对于“路人”可能不容易获得。

半透明的光变特征(例如液晶涂层或来自表面结构的潜像)是已知的并且可以提供这种功能。不幸的是，通常必须在黑背景/均质背景下观察包含这种安全特征的标记，以使效果良好可见。

其它已知的特征是衍射光学元件，诸如非金属化的表面的全息图。这些特征的缺点在于，当直接看时它们表现出非常低的对比视觉效果。此外，当与单色光源结合使用以投射图案时，它们通常需要激光来给出令人满意的结果。此外，为了提供清晰可见的光学效果，需要光源、衍射光学元件和使用者的眼睛的相当精确的相对空间配置。

激光雕刻的微文本和/或微代码已用于例如玻璃药瓶。然而，它们需要昂贵的工具来实现，并且需要特定的放大工具来进行检测。

因此，本发明的目的是提供一种用于透明或部分透明的物品(或基板)的光学安全元件，该光学安全元件具有可以容易地由人在不使用其它手段(即，用肉眼)或仅使用通常且容易获得的手段(例如，仅使用放大镜)的情况下进行视觉认证的安全特征。本发明的另一目的是提供一种易于大量制造或与大批量生产制造过程兼容的光学安全元件。此外，光学安全元件也应该可以利用容易获得的手段(例如，移动电话的LED之类的光源或太阳)进行照明，并且使用者进行良好视觉观察的条件不应需要光源、光学安全元件和使用者的眼睛的太严格的相对空间配置。

此外，以上列出的大多数物品至少在一个维度上具有减小的尺寸(例如，纸币可能仅为小于100μm厚)。因此，本发明的另一个目的是提供一种光学安全元件，其与尺寸减小的物品(例如厚度小于300μm)兼容。

本发明的另一目的是提供一种有效方法来选择与上述一个或多个减小的尺寸兼容的目标视觉效果。

发明内容

根据一个方面，本发明涉及一种光学安全元件，其包括反射性光重定向表面或折射性透明或部分透明的光重定向表面，光重定向表面具有可用于重定向来自光源的入射光并在投影表面上形成投射的图像的浮雕图案，该光学安全元件的光学参数满足特定的投影标准，使得投射的图像包括容易被使用者识别的再现参考图案的焦散图案，而无需使用其它手段(例如用肉眼)或仅使用普通且容易获得的手段，使得标有该光学安全元件的物品可以容易地被使用者视觉地认证。光学安全元件的浮雕图案的减小的厚度使其特别适合于标记尺寸减小的物品，例如纸币或安全文件(例如身份证、护照、卡等)。折射性光学安全元件的透明方面使其特别适合于标记至少部分透明的基板(例如玻璃或塑料瓶、瓶盖、手表玻璃、珠宝、宝石等)。

鉴于很难确定可以通过在投影表面上投射的焦散图案方便地再现以便视觉上可识别的参考图案，特别是在光学安全元件的浮雕图案非常薄时(即通常具有小于250μm的浮雕深度)，本发明的另一方面涉及一种有效地设计光学安全元件的光重定向表面的浮雕图案的方法，该方法基于根据特定的数字图像选择测试对通过投射的焦散图案再现的参考图案的候选数字图像的选择：在候选数字图像符合测试要求的情况下，可以计算具有特定深度的相应浮雕图案，然后加工反射性光重定向表面或者具有特定折射率的透明或部分透明的光重定向表面，以再现计算出的浮雕图案并获得将满足上述投影标准的光学安全元件，从而获得一种将在适当的照明下提供易于被使用者视觉地识别的再现选择的数字图像的参考图案的投射的焦散图案的光学安全元件。该方法对于设计便于视觉地认证被标记的物品用的非常薄(即深度小于或等于250μm，或者甚至小于或等于30μm)的浮雕图案特别有效，并且允许显著地加快设计过程的操作。

因此，根据一个方面，本发明涉及一种光学安全元件，其包括反射性光重定向表面或折射率为n的透明或部分透明的光重定向表面，光重定向表面具有深度为δ的浮雕图案，浮雕图案适于使从距光重定向表面的距离为ds处的点状光源接收的入射光重定向，并且在距光重定向表面的距离为di处布置的投影表面上形成包含焦散图案的投射的图像，所述焦散图案再现参考图案，光学安全元件在光源照射面积值为A的浮雕图案并且通过光学安全元件将(平均)照度值EA传递到投影表面时，投影表面上的投射的图像的区域内被选择的值为α1的圆形区域上的平均照度值Eα1满足以下投影标准

其中反射性光重定向表面的缩放区域参数α0＝4πdiδ，或者折射性光重定向表面的缩放区域参数α₀＝2π(n-1)d_iδ，并且α1小于面积值A。

优选地，为了通过从投射的焦散图案视觉识别参考图案的认证操作更加容易，di的值应当小于或等于30cm，并且ds/di的比的值应当大于或等于至少5。还优选地，投影表面是平坦的。

为了提供非常薄的光学安全元件，浮雕图案的深度δ的值可以小于或等于250μm，或者甚至小于或等于30μm。

此外，光学安全元件还可以将其浮雕图案布置在光学材料基板的平坦的基底上，光学安全元件的总厚度小于或等于100μm。

根据另一方面，本发明涉及一种用于设计浮雕图案的方法，浮雕图案的深度小于或等于值δ，所述浮雕图案是反射性光重定向表面或折射率为n的透明或部分透明的光重定向表面的浮雕图案，浮雕图案适于使从距光重定向表面的距离为ds处的点状光源接收的入射光重定向，并且在距光重定向表面的距离为di处布置的投影表面上形成包含焦散图案的投射的图像，使得在光源照射面积值为A的浮雕图案并且通过光学安全元件将照度值EA传递到投影表面时，投影表面上的投射的图像的区域内被选择的值为α1的圆形区域上的平均照度值Eα1满足以下投影标准

其中反射性光重定向表面的缩放区域参数α0＝4πdiδ，或者折射性光重定向表面的缩放区域参数α₀＝2π(n-1)d_iδ，并且α₁小于面积值A，所述方法包括以下步骤：

a)选择待被投影表面上的焦散图案再现的参考图案的数字图像，数字图像包括总数为N_A个的像素并且数字图像上的所有像素值之和为I_A，通过检查数字图像内具有N个像素的各圆形区域，其中N为整数且1≤N≤N_A，圆形区域中的N个像素的各像素值之和的值I(N)小于值)

其中N₀是数字图像内由N_A(α₀/A)给出的像素数；

b)计算与步骤a)选择的数字图像上的参考图案对应的深度小于或等于δ的浮雕图案；以及

c)加工光学材料基板的表面以形成再现步骤b)算出的浮雕图案的光重定向表面，从而获得包括加工出的光重定向表面的光学安全元件。

优选地，该方法还包括修改候选数字图像的步骤，该候选数字图像不满足或仅部分满足(即，仅对于一些N个像素的圆形区域满足)I(N)<I_max(N)的测试(或选择标准)，通过在必要时调整像素值，以便对于任何N都完全符合测试，其中1≤N≤N_A。因此，选择参考图案的数字图像的步骤a)还可以包括修改参考图案的候选数字图像的预备步骤，候选数字图像的一部分不满足I(N)小于Imax(N)的选择标准，通过调整候选数字图像的所述部分内的像素值，使具有调整后的像素值的候选数字图像的所述部分对于任何N都符合选择标准，其中1≤N≤N_A，从而提供待被选择的修改后的候选数字图像。像素值的适配也可以来自滤波操作。因此，通过利用滤波器对候选图像进行滤波以降低图像对比度可以调整候选数字图像的像素值(例如，高通滤波器)，滤波器的参数(例如，高通滤波器的截止频率)与选择标准相对应。

因此，根据本发明的该变型，可以将显示在数字图像上的不适合的目标图案转换成相对于本发明的数字图像选择标准合适的目标图案，该数字图像在随后的步骤a)选出。

在该方法的步骤c)，光学材料基板的表面的加工可以包括超精密加工(UPM)、激光烧蚀和光刻中的任一者。

根据该方法的加工后的光重定向表面可以是母版光重定向表面，该母版光重定向表面将用于通过模制技术构建复制品(或用于大量生产光学安全元件的复制品)，并且可以复制在基板上(例如，以形成适用于物品的标记)。加工的光重定向表面的复制可以包括UV铸造和压花中的任一者(例如，在卷对卷或箔对箔的生产过程中)。

根据另一方面，本发明涉及一种由使用者视觉地认证物品的方法，该物品标有根据本发明的光学安全元件，该方法包括以下步骤：

-利用距光学安全元件的光重定向表面的距离为d_s处的(近似)点状光源照射光重定向表面；

-视觉地观察投射在距光学安全元件的距离为d_i处的投影表面上的焦散图案；以及

-在由使用者评估投射的焦散图案视觉上与参考图案相似时，确定物品是真品。

在下文中将参照附图更全面地说明本发明，在附图中，相同的附图标记贯穿不同的附图表示相同的元件，并且在附图中示出了本发明的突出方面和特征。

附图说明

图1是根据本发明的优选实施方式的用于投射焦散图案的折射光学元件的光学构造的示意图。

图2示出了表现数字100的候选数字图像上的参考图案。

图2A至图2E示出了根据本发明的图2的参考图案的数字图像的选择，并且示出了利用不同的扫描窗来扫描图2的候选数字图像的结果。

图3是参考图案的示例。

图3A至图3E是根据本发明的图3的参考图案的数字图像的选择的进一步图示，并且示出了利用不同的扫描窗来扫描图3的候选数字图像的结果。

图4A是与对应的投射的焦散图案(背景)一起浇铸在箔片基板上的薄的透明折射光学安全元件(前景)的视图。

图4B是图4A的前景中所示出的光学安全元件投射的焦散图案的照片。

图5是对应于示出乔治华盛顿的肖像的参考图案的投射的焦散图案的视图。

具体实施方式

在光学中，术语“焦散”是指被一个或多个表面(其中至少一个表面是弯曲的)反射或折射的光射线的包络以及这种光射线到另一个表面上的投射。更具体地，焦散是与各光射线相切的曲线或表面，将射线的包络的边界限定为聚集的光的曲线。例如，泳池底部的太阳射线形成的光图案是由单个光重定向表面(波浪形的空气-水界面)形成的焦散“图像”或图案，而穿过水玻璃的曲面的光在跨过重定向其路径的两个或更多个表面(例如，空气-玻璃、玻璃-水、空气-水...)时会在水玻璃静止的台面上创建尖点状图案。

在下文中，将以(折射)光学(安全)元件由一个曲面和一个平面约束的最常见构造为例，但不限制更普遍的情况。当适当成形的光学表面(即具有合适的浮雕图案的光学表面)重定向来自光源的光以将光从屏幕的一些区域转向并以预定的光学图案将光集中在屏幕的其它区域(即，由此形成所述“焦散图案”)时，我们在这里将更普遍的“焦散图案”(或“焦散图像”)称为形成在屏幕(投影表面)上的光学图案。重定向是指在存在光学元件的情况下来自光源的光射线的路径相对于在不存在光学元件的情况下从光源到屏幕的路径发生的变化。进而，弯曲的光学表面将被称为“浮雕图案”，并且由该表面约束的光学元件将被称为光学安全元件。应该注意的是，尽管可能以增加复杂性为代价，但是焦散图案可以是光被多于一个的曲面和多于一个的物品重定向的结果。此外，不可以将用于产生焦散图案的浮雕图案与衍射图案相混淆(例如，在安全全息图中)。

根据本发明，发现该概念可以例如应用于普通物品，诸如消费品、ID/信用卡、纸币等。为此，需要极大地缩小光学安全元件的尺寸，特别是使浮雕深度小于可接受的值。令人惊讶地，发现尽管浮雕的深度受到严格限制，但是仍然可以在投影表面上实现品质足够的近似选定的(数字)图像(代表参考图案)，以允许从投影表面(或屏幕)上视觉观察到的焦散图案中视觉识别选定的图像。当从设计和加工非常具有挑战性(因此使得很难伪造)的光学安全元件投射时，这种直接从屏幕上的仅视觉就可视的焦散图案中对参考图案的识别构成了允许标有该光学安全元件的物品的可靠认证的有价值的安全测试。

在本说明书中，在“浮雕”下应理解为表面的最高点和最低点之间存在高度差(沿着光学安全元件的光轴测量)，类似于山谷的底部和山顶之间的高度差(即“峰对谷”比例)。根据本发明的优选实施方式，光学安全元件的浮雕图案的最大深度是≤250μm或更优选地≤30μm，同时高于由超精密加工(UPM)和再现过程所施加的限制，即大约0.2μm。根据本说明，光重定向表面上的浮雕图案中的最高点和最低点之间的高度差被称为浮雕深度δ。

在本说明书中，使用了若干术语，这些术语被进一步定义如下。

形成数字图像的近似的焦散图案(图像)应被理解为当由合适的(优选点状但不一定是点状)光源照射时由光学安全元件投射的光学图案。如上所述，光学(安全)元件应被理解为负责产生焦散图像的折射材料板。

一个或多个光重定向表面是负责将来自光源的入射光重定向到形成焦散图案的屏幕或(优选平坦的)投影表面上的光学安全元件的一个或多个表面。

用于制造光学(安全)元件的光学材料基板是表面被特殊加工以便具有浮雕图案因而形成光重定向表面的原材料基板。在反射性的光重定向表面的情况下，光学材料基板不必是均质或透明的。例如，该材料对于可见光可能是不透明的(于是通过加工表面的传统金属化获得反射率)。在折射性光重定向表面的情况下，原材料基板是透明的(或部分透明的)、均质的并且具有折射率n(对于人眼可见光谱的光子而言)，并且将相应的光重定向表面命名为“折射率n的折射性透明或部分透明的光重定向表面”。

根据本说明的母版是根据计算出的轮廓(特别是根据计算出的浮雕图案)的光重定向表面的第一物理实现。可以将其复制到若干个副本(工具)中，然后用于大量复制。

在本说明中使用的点状光源是角度尺寸(从光学安全元件的角度来看)足够小以至于可以认为光是从距光重定向表面的距离为d_s的单个点产生的光。根据经验，这意味着：(光源直径)x d_i/d_s的量小于距光重定向表面距离di处的投影表面上的投射的图像上的目标焦散图案的所需分辨率(例如0.05-0.1mm)(参照图1)。屏幕应被理解为在其上投射了焦散图案的表面。光源与光重定向表面之间的距离也被称为光源距离d_s，光重定向表面与屏幕之间的距离称为图像距离d_i。

术语工具(或复制工具，当需要消除歧义时)主要用于带有批量复制用的光重定向表面的轮廓的物品。例如可以产生母版表面的副本(通过压花或注射从带有相应倒置浮雕的母版上再现原始浮雕)。对于用于加工光重定向表面的浮雕图案的工具，术语加工工具用于消除歧义。

根据本发明的优选实施方式，提供了一种光学安全元件(1)，其具有反射或折射表面，以将来自点状光源S的光重定向并投射到合适的屏幕(3)上，该屏幕可以是其上形成了有意义的图像的任何(大部分平坦的)表面或任何物品(的平坦部分)等，如图1所示。光重定向表面的特殊设计可以允许将(可识别的)焦散图案投射在曲面上。图像可以是例如徽标、图片、数字或在具体上下文中可能相关的任何其它信息。优选地，屏幕是平坦的投影表面。

图1的构造示出了来自光源S的光被具有浮雕图案(2)的适当形状的光学表面重定向。例如，从汽车前灯、LED照明用的反射器和透镜、激光光学中的光学系统、投影仪和相机中用的反射表面可知该一般构思，然而，通常，目的是将不均匀的光分布转换为均匀的光分布。相反地，本发明的目的是获得不均匀的光图案，即焦散图案，其(近似地)再现参考图案的相对亮度的一些区域(如(数字)参考图像所示)。如果光学元件的受照浮雕图案(2)允许在屏幕(3)上形成焦散图案(4)，并以足够的品质(可能因整体强度缩放因子而异)再现已知的参考图案(5)，则在屏幕上视觉观察到的焦散图案将很容易看出它是否构成参考图案的有效再现，在焦散图案与参考图案足够相似的情况下，将认为标有光学安全元件的物品(最有可能)是真品。

根据图1的实施方式，来自作为根据该示例的点状光源的光源S的光射线(6)在光源距离ds处传播至(折射)光学安全元件(1)，光学安全元件(1)具有光重定向表面，该表面具有浮雕图案(2)。这里光学安全元件由折射率为n的透明或部分透明的均质材料制成。所谓的焦散图案(4)在距光学安全元件(1)的光重定向表面图像距离di处投射在屏幕(3)上。光学安全元件的真实性(由此标有该安全元件的物品的真实性)可以通过视觉检查投射的焦散图案与参考图案之间的相似度来直接评估。

优选地，从特定目标数字图像开始首先计算出浮雕图案(2)。例如在欧洲专利申请EP 2 711 745 A2和EP 2 963 464 A1中说明了这种计算用的方法。根据计算出的浮雕图案，可以使用超精密加工(UPM)在合适的光学材料基板的表面(例如，折射率为n的透明或部分透明的材料，或不透明材料的反射面)上创建相应的物理浮雕图案。在不透明光学材料基板的表面上加工浮雕以形成反射面的情况下，通过在浮雕上沉积金属薄层(金属化)的进一步常规操作将获得良好的反射率。UPM使用金刚石加工工具和纳米技术工具来实现非常高的精度，使得公差可以达到“亚微米”水平甚至纳米级水平。与此相比，传统加工中的“高精度”是指单位数微米的公差。在表面上创建物理浮雕图案的其它可能合适的技术是激光烧蚀和灰度光刻。如在微细制造领域中已知的，这些技术均在成本、精度、速度、分辨率等方面具有不同的优势和局限性。通常，用于产生焦散图案的计算出的浮雕图案具有平滑的轮廓(即无间断)，通常深度至少为2毫米，总尺寸为10cmx10cm。

用于折射性光重定向光学元件的合适的光学材料基板应该是光学清晰的、透明的或至少部分透明并且机械稳定的。通常，透射比T≥50％是优选的，并且T≥90％是最优选的。另外，可以使用低雾度H≤10％，但是H≤3％是优选的，H≤1％是最优选的。光学材料在加工过程中也应表现正确，以便提供光滑无缺陷的表面。合适的基板的示例是PMMA(也以Plexiglas、Lucite、Perspex等商业名称已知)的光学透明板。对于反射性焦散光重定向光学元件，合适的光学材料基板应该机械稳定，并且应该可以使其具有镜状表面处理。合适的基板的示例是金属，诸如那些用于刻划光栅和激光镜的母版的金属，或者可以进一步金属化的非反射性基板。

对于大规模生产，需要进一步的工具制造步骤以及将光学安全元件大量复制到目标物品上的步骤。从母版创建工具的合适处理是例如电铸(electroforming)。大量复制的合适处理是例如聚合物膜的热压花或光聚合物的UV铸造。注意，出于大量复制的目的，母版或由其衍生的工具都不需要是光学透明的，因此，即使最终产品是折射性光学元件，也可以使用不透明的材料(尤其是金属)。然而，在一些情况下，母版透明可以是有利的，因为这允许在进行工具作业和大量复制之前检查焦散图像的品质。

使用光学元件(具有包括浮雕图案的光重定向表面的光学元件)作为安全特征的关键方面是其物理尺寸(必须与目标物品兼容)以及投射焦散图像所需的光学构造。

通常，对于这种使用，最大的横向尺寸受物品的整体尺寸限制，在不利的情况下，通常可能在几厘米到小于1厘米的范围。对于特定用途，例如用于纸币，目标总厚度可能会非常小(大约100μm或更小)。此外，由于多种原因，包括机械约束(与较薄区域相关的薄弱点)和操作注意事项(例如，在堆叠纸币时，堆垛会相应于纸币的较厚部分隆起，这使处置和存储变得复杂)，容许厚度变化(浮雕)甚至更小。通常，对于总厚度为约100μm的纸币，包括在该纸币中的光学安全元件的浮雕图案的目标厚度可以为约30μm。对于厚度约1mm的信用卡或ID卡，该信用卡/ID卡中包括的光学安全元件的浮雕图案的目标厚度将小于约400μm并且优选地不大于约250μm。

此外，光源距离和图像距离通常被使用者舒适度限制到只有几十厘米。值得注意的例外是太阳或安装在天花板上的聚光灯，然而光源距离和图像距离在特定情况下不太容易获得。而且，两个距离之间的比d_s/d_i通常为5以上到10，以便获得更易于识别的更锐化的图像(并具有良好的对比度)。此外，比d_s/d_i≥5加上光源S优选地为点状(例如，传统移动电话的照明LED)允许考虑到光源实际上大约是“无限远”，因此，在距光学安全元件仅大约焦距的位置处的投影表面将适合于清晰地观看投射的焦散图案。结果，使用者的良好视觉观察条件不需要光源、光学安全元件和使用者的眼睛的太严格的相对空间配置。

通常，厚度和浮雕是最关键的参数。给定任意目标图像(参考图案)和光学几何构造(即投射的焦散图案的照明/观察用的几何条件)，无法保证计算出的光学表面将具有低于规定限制的浮雕图案。实际上，在一般情况下，可能会发生相反的情况：对于上述光学安全元件被施加的严格限制，尤其如此。考虑到优化光学表面的数值模拟在时间和资源方面都是昂贵的，过度的反复试验(trial-and-error)不是一个可行的选择，因此非常需要确保在第一次尝试时或至少只用少量尝试就可以获得有用的结果。还非常期望不受限于目标图像的选择，因为并非所有目标图像都与低深度的平滑浮雕图案兼容。

经过大量测试后发现，考虑到深度限制，可以通过仔细选择光学几何构造(尤其是目标焦散图案)来实现。给定以下参数(参照图1)：

-图像距离：d_i

-光源距离：d_s

-光重定向表面的面积(截面积)：A

-当光源S对光学安全元件进行照明时，由光重定向表面传递至投影表面的照度：E_A；这意味着当在与光重定向表面的截面的投影相对应的区域(即其几何阴影)上求平均值时，传递到投影表面的照度的平均值等于E_A

-目标浮雕图案(最大)深度：δ

-光学安全元件的折射率：n(在折射性光重定向表面的情况下)，

目标焦散图像的优化选择(这将允许提供方便的具有光重定向表面的光学安全元件，其中光重定向表面具有深度δ内的相应浮雕图案)，使得对于“无限远”位置处的点光源(即，实际上对于d_s>>d_i(至少d_s≥5d_i))，在折射率为n的折射光学元件的情况下由关系α₀＝2π(n-1)d_iδ定义缩放面积参数α₀，或者在光学元件的反射面的情况下由关系α₀＝4πd_iδ定义缩放面积参数α₀，对于投影表面(3)上的焦散图像的任何圆形区域α₁(α₁<A)，量E_α1对应于投影表面(3)(优选地布置在光学安全元件的焦平面)上的圆形区域α₁上的平均照度，应满足以下投影标准：

E_α1≤E_A(1/2+α₀/α₁+(1/4+α₀/α₁)^1/2)

实际上，对于给定的α₁值(当观察屏幕上的焦散图案时至少在分辨率区域上方，已知在人眼可见光谱中的典型分辨率长度约为80μm)，足以扫描具有面积为α₁的观察窗的投射的图像的整个区域并检查相应的照度E_α1确实满足上述投影标准。此外，甚至不是强制性的，通过加工光重定向表面的轮廓来有效地实现候选(目标)浮雕图案，执行光学元件的照明，然后扫描在具有面积为α₁的观察窗的屏幕上的投射图像，以便检查是否确实满足投影标准：对应于给定参数(d_s、d_i、A、n(在折射性光重定向光学安全元件的情况下)、δ、E_A)和浮雕图案的给定目标轮廓，仅模拟(例如经由射线追踪)利用测试区域α₁的对投影表面上的光射线分布的扫描操作将提供关于投影标准的可靠检查。此外，在仅在投射的图像的一些特定子区域中不满足投影标准的情况下，很容易就可以局部地调整目标轮廓的相应部分以校正该缺陷(这等效于稍微修改相应的参考图案)。

然而，甚至可以避免这种模拟调整阶段(尽管已经比传统方法便宜得多)。实际上，根据本发明的另一方面，提供了一种方法，该方法允许直接从参考图案的数字图像选择目标浮雕图案轮廓，从目标浮雕图案轮廓可以很容易地获得满足投影标准的物理光学安全元件(具有光重定向表面，该表面具有给定深度的相应浮雕图案)。这种设计反射性光重定向表面或者折射率为n的折射性透明或部分透明的光重定向表面的深度δ的浮雕图案以提供满足上述投影标准的光学安全元件的方法是基于已测试并证明非常有效的特定数字图像测试标准，该特定数字图像测试标准仅在光学安全元件生成的相应焦散图案应被再现(在适当的照明/屏幕上的投影时)的参考图案的数字图像上实施。

实际上，已经观察到，如果通过投影表面上的焦散图案再现候选参考图案的数字图像(如满足投影标准的光学安全元件所生成的(因此，具有给定参数d_s、d_i、n(在折射性光学安全元件的情况下)、δ、α₀、A和E_A))的像素总数为N_A，数字图像上各像素值的总和值为I_A，则对于由数字图像内的N(N是整数且1≤N≤N_A)个像素组成的各大致圆形区域，圆形区域中N个像素的各像素值之和的值I(N)小于值

其中N₀是数字图像内由N_A(α₀/A)给出的像素数，候选参考图案将便于有效地设计能够满足投影标准的光学安全元件。

利用可视尺寸为N个像素(N到N_A可变)的观察窗扫描参考图案的候选数字图像并且检查“窗强度”I(N)小于一组N个像素的特定最大值I_max(N)的上述选择测试相当容易在处理器上(在储存候选数字图像的存储器中)实现，并且数字图像处理的相应执行为数字图像的全扫描提供了快速响应，从而大大简化和加速了设计满足投影标准的光学安全元件的操作，这允许观察该光学安全元件产生的焦散图案的人员容易地确定标有该光学安全元件的物品是否是真品。

此外，上述方法的另一个优点是很容易修改参考图案的候选数字图像的不满足选择测试的要求(对于N的一个或多个值)I(N)<I_max(N)的特定部分：这足以改变数字图像的所述特定部分内的N个像素构成的组的像素的值，使得相应地修改后的强度I'(N)(即，N个像素的扫描窗内的修改后的像素值的和)通过选择测试。该修改也容易在具有在存储器中储存有初始候选数字图像的处理器上实现。因此，本发明允许容易地调整给定的候选数字参考图案，以便对于至少一些介于1和N_A之间的N的值提供符合关于选择测试I(N)<I_max(N)的要求的转换的数字参考图案。例如，如图2A-图2E和图3A-图3E所示，参数的值如下：A＝1cmx 1cm、d_s＝30cm、d_i＝4cm、(最大深度)δ＝30μm并且n＝1.5，用于测试数字图像的扫描窗可以分别包括n₀的一些倍数(其可以与例如图像分辨率有关，并且可以对应于数字图像内由N_A(α₀/A)≈0.038N_A给定的像素数量的一部分，对应于(大致)圆形区域，以像素为单位，对应于与目标光学安全元件有关的参数α₀)。为了将扫描扩展到图像的边缘，可以施加适当的边界条件(例如反射边界条件)，图像在该边界处通过相对于边缘施加扩展的镜像对称而扩展到边缘之外。图2示出了显示数字100(在黑背景上)并且N_A＝1024x1024像素的候选数字图像上的参考图案。图2A、图2B、图2C、图2D和图2E示出了分别利用N＝n₀、4n₀、16n₀、64n₀和256n₀像素的扫描(圆形)窗W1、W2、W3、W4和W5扫描候选数字图像的结果，其中n₀＝314(这里，N₀＝3.9 10⁴)，各扫描图像以从0到I_max(N)的标准化灰度显示(灰度条示出在图2A-图2E的右侧，其中黑色像素值为0，对应于I(N)＝0，白色像素值为255，对应于I(N)＝I_max(N))。物理(投射的)图像的尺寸为10mmx10mm，像素尺寸大约相当于0.0098mm。显然，图2D上的扫描图像几乎不通过，并且图2E上的扫描图像未满足选择测试I(N)<I_max(N)，就像在对应于以虚线轮廓表示分别限定的周界的图2D中的数字100的各图形的区域中并且在以虚线轮廓示出限定的周界的图2E的整个中央部分中一样，I(N)的值达到I_max(N)(它们显示为白色区域)。因此，图2的候选图像不适合获得具有低浮雕(这里δ＝30m)的光学安全元件。

相比之下，如图3(与图2中的一些参数的值相同)所示，显示数字100但在背景上绘制了额外的线条(即扭索状凹雕图案)的候选数字图像上的参考图案成功地满足了选择测试I(N)<I_max(N)，如从分别示出了分别利用N＝n₀、4n₀、16n₀、64n₀和256n₀像素的扫描(圆形)窗扫描候选数字图像的结果的图3A、图3B、图3C、图3D和图3E可以清楚地看出，各扫描图像以从0到I_max(N)的标准化灰度显示(图3D的右侧示出了灰度条，黑色的像素值是0，白色的像素值是255)：不存在I(N)达到值I_max(N)的区域(图像的任何部分都不具有围绕白色区域的限定周界)。

根据本发明的优选变型，已经成功地测试出代替修改未满足选择测试的参考图案的候选数字图像的特定部分内的像素值，将滤波操作全局地应用于候选图像以减小图像对比度，其中滤波器的参数适用于投影标准(例如，具有截止频率的高通滤波器适用于参考图案)。

因此，以上新的方法能够通过根据与图像像素值有关的特定选择标准来扫描该参考图案的数字图像或者修改不合适的候选参考图案以便获得适当的候选参考图案来有效地选择方便的参考图案，用于计算将通过相应地加工光学材料基板的表面的轮廓以形成光学元件的光重定向表面来再现相应浮雕图案并获得尽管具有非常低的浮雕深度和减小的尺寸但仍可以满足投影标准的光学安全元件。

因此，根据本发明，设计给定(非常低)深度的浮雕图案以在光学材料基板上形成光重定向表面以便提供能够满足上述投影标准的光学安全元件的操作(对应于参数d_s、d_i、(最大深度)δ、A，E_A、n(在折射性光学安全元件的情况下)的一组值)包括以下步骤：

i)根据特定选择标准I(N)<I_max(N)(1≤N≤N_A)，其中

N₀是数字图像内由N_A(α₀/A)给出的像素数，通过扫描该参考图案的数字图像来选择方便的参考图案；

ii)计算深度小于或等于δ的浮雕图案，该浮雕图案对应于在步骤i)中所选择的参考图案；以及

iii)加工光学材料基板的表面以形成具有在步骤ii)中计算出的深度值的浮雕图案的光重定向表面。然后可以将所得的光学安全元件用于视觉认证目的。

图4A示出了实现非常薄的光学安全元件(即，正面图像的透明部分)的照片，该光学安全元件具有折射性光重定向表面，该表面具有已被UV铸造在根据本发明的透明折射性箔材料上的深度δ＝30μm的浮雕图案。光学安全元件的总深度为100μm，其面积A为1cm²。折射性箔材料的折射率n大约为1.5，并且由聚酯制成。用于形成浮雕图案的树脂的折射率也为大约1.5。还示出的是(背面图像)投射在屏幕上的焦散图案(还参照图4B)。参考图案是图3的图案。

图4B是由图4A的光学安全元件投射的焦散图案的照片。这里，点状光源是距光重定向表面的距离为d_s＝30cm的LED，并且投射有焦散图案的平坦屏幕在距离d_i＝40mm处。焦散图案整齐地再现了带有图3的参考图案的凹雕图案的数字100的图案。

图5是与从满足本发明的投影标准的深度为30μm的浮雕图案投射的与示出乔治华盛顿的肖像的参考图案对应的焦散图案的视图，并且示出了以良好对比度投射可见的非常精美的细节的能力。

以上公开的主题被认为是说明性的而非限制性的，并且用于更好地理解独立权利要求限定的本发明。

Claims (13)

1.一种光学安全元件，其包括反射性光重定向表面或折射率为n的折射性透明或部分透明的光重定向表面，所述光重定向表面具有深度为δ的浮雕图案，所述浮雕图案适于使从距所述光重定向表面的距离为d_s处的点状光源接收的入射光重定向，并且在距所述光重定向表面的距离为d_i处布置的投影表面上形成包含焦散图案的投射的图像，所述焦散图案再现参考图案，其特征在于：

在所述光源照射面积值为A的所述浮雕图案并且通过所述光学安全元件将照度值E_A传递到所述投影表面时，所述投影表面上的所述投射的图像的区域内被选择的值为α₁的圆形区域上的平均照度值E_α1满足以下投影标准

其中所述反射性光重定向表面的缩放区域参数α₀＝4πd_iδ，或者所述折射性光重定向表面的缩放区域参数α₀＝2π(n-1)d_iδ，并且α₁小于面积值A。

2.根据权利要求1所述的光学安全元件，其特征在于，d_i的值小于或等于30cm，并且d_s/d_i的比的值大于或等于5。

3.根据权利要求1或2所述的光学安全元件，其特征在于，所述浮雕图案的深度δ的值小于或等于30μm。

4.根据权利要求1或2所述的光学安全元件，其特征在于，所述浮雕图案的深度δ的值小于或等于250μm。

5.根据权利要求1或2所述的光学安全元件，其特征在于，所述浮雕图案布置在平坦的基底上，所述光学安全元件的总厚度小于或等于100μm。

6.一种用于设计浮雕图案的方法，所述浮雕图案的深度小于或等于值δ，所述浮雕图案是反射性光重定向表面或折射率为n的折射性透明或部分透明的光重定向表面的浮雕图案，所述浮雕图案适于使从距所述光重定向表面的距离为d_s处的点状光源接收的入射光重定向，并且在距所述光重定向表面的距离为d_i处布置的平坦的投影表面上形成包含焦散图案的投射的图像，使得在所述光源照射面积值为A的所述浮雕图案并且通过光学安全元件将照度值E_A传递到所述投影表面时，所述投影表面上的所述投射的图像的区域内被选择的值为α₁的圆形区域上的平均照度值E_α1满足以下投影标准

其中所述反射性光重定向表面的缩放区域参数α₀＝4πdiδ，或者所述折射性光重定向表面的缩放区域参数α₀＝2π(n-1)d_iδ，并且α₁小于面积值A，所述方法的特征在于包括以下步骤：

a)选择待被所述投影表面上的所述焦散图案再现的参考图案的数字图像，所述数字图像包括总数为N_A个的像素并且所述数字图像上的所有像素值之和为I_A，通过检查所述数字图像内具有N个像素的各圆形区域，其中N为整数且1≤N≤N_A，所述圆形区域中的N个像素的各像素值之和的值I(N)小于值

其中N₀是所述数字图像内由N_A(α₀/A)给出的像素数；

b)计算与步骤a)选择的所述数字图像上的所述参考图案对应的深度小于或等于δ的浮雕图案；以及

c)加工光学材料基板的表面以形成再现步骤b)算出的所述浮雕图案的光重定向表面，从而获得包括加工出的所述光重定向表面的光学安全元件。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，选择参考图案的数字图像的所述步骤a)还包括修改所述参考图案的候选数字图像的步骤，所述候选数字图像的一部分不满足I(N)小于I_max(N)的选择标准，通过调整所述候选数字图像的所述部分内的所述像素值，使具有调整后的像素值的所述候选数字图像的所述部分对于任何N均符合选择标准，其中1≤N≤N_A，从而提供待被选择的修改后的候选数字图像。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过利用滤波器对所述候选数字图像进行滤波以降低图像对比度来调整所述候选数字图像的像素值。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述光学材料基板的表面的加工包括超精密加工、激光烧蚀和光刻中的任一者。

10.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括加工的所述光重定向表面是待用于构建复制品的母版光重定向表面。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将加工的所述光重定向表面复制在基板上。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，复制包括UV铸造和压花中的一者。

13.一种由使用者视觉地认证物品的方法，所述物品标有根据权利要求1所述的光学安全元件，所述方法包括以下步骤：

利用距所述光学安全元件的光重定向表面的距离为d_s处的点状光源照射所述光重定向表面；

视觉地观察投射在距所述光学安全元件的距离为d_i处的所述投影表面上的所述焦散图案；以及

在由使用者评估投射的所述焦散图案视觉上与所述参考图案相似时，确定所述物品是真品。

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