CN112848744B - 光学防伪元件及防伪产品 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种光学防伪元件及防伪产品,属于防伪技术领域。所述光学防伪元件包括:基材,该基材包括相互对立的第一表面和第二表面;形成在所述基材的所述第一表面的至少一部分上的表面微结构,至少部分所述表面微结构包括多个聚焦单元,其中,每个所述聚焦单元构成第一全视差动态图像,并且所述多个聚焦单元构成第二全视差动态图像,所述表面微结构被定义成当光束以一入射角照射所述表面微结构时,该光束中一波长或波长范围的光在反射光方向上干涉相长和/或等离子体吸收,从而使得所述聚焦单元具有颜色特征。所述光学防伪元件可以提供清晰的具有动态特征的全视差图像;以及构成全视差图像的任意聚焦单元具有任意可选择的颜色特征。
Description
技术领域
本发明涉及防伪技术领域,具体地,涉及一种光学防伪元件及防伪产品。
背景技术
为了防止利用扫描和复印等手段产生的伪造,钞票、证卡和产品包装等各类高安全或高附加值印刷品中广泛采用了全息防伪技术作为光学防伪技术的解决方案,并且取得了非常好的效果。
上世纪末,随着计算机科学和图像处理技术的发展,全息防伪技术进入了数字化发展的时代,其中最重要的成果之一,就是数字技术成功的应用于合成全息图的制作。全息摄影技术、计算机控制系统、空间光调制设备、图像处理技术等多种技术和设备的综合利用,使得自动化拍摄“点阵”全息图成为可能,数字合成全息图也应运而生,如何制作大视场、全视差的数字全息图成为世界各国全息防伪技术研究的热点之一。
全视差图像的具体效果是指在与所观察平面的法线方向呈锐角的任意观察角度范围内人眼都能够看到图像内容,且不同角度对应的图像内容是不同的,即全角度范围内的双眼视差。全视差防伪技术是当前一线大众光学防伪技术的发展方向之一。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种光学防伪元件及防伪产品,其能够实现具有易于描述的颜色特征的全视差图像。
为了实现上述目的,本发明实施例提供一种光学防伪元件,包括:基材,该基材包括相互对立的第一表面和第二表面;形成在所述基材的所述第一表面的至少一部分上的表面微结构,至少部分所述表面微结构包括多个聚焦单元,其中,每个所述聚焦单元构成第一全视差动态图像,并且所述多个聚焦单元构成第二全视差动态图像,所述表面微结构被定义成当光束以一入射角照射所述表面微结构时,该光束中一波长或波长范围的光在反射光方向上干涉相长和/或等离子体吸收,从而使得所述聚焦单元具有颜色特征。
相应的,本发明实施例还提供一种具有上述的光学防伪元件的防伪产品。
本发明实施例提供的光学防伪元件可以提供清晰的具有动态特征的全视差图像;以及构成全视差图像的任意聚焦单元具有任意可选择的颜色特征。
本发明实施例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实施例的进一步理解,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实施例,但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中:
图1a至图1d示出了根据本发明一实施例的光学防伪元件的剖面图、俯视图、动态效果示意图、以及对彩色特征进行说明的图示;
图2a至图2d示出了根据本发明另一实施例的光学防伪元件的示意图,其中,所述光学防伪元件中聚焦单元本身为全视差动态图像结构;
图3a至图3c示出了根据本发明又一实施例的光学防伪元件的示意图,其中,所述光学防伪元件中聚焦单元采用锯齿形菲涅尔浮雕结构;以及
图4a和4b分别示出了根据本发明的一个实施方式的光学防伪元件中聚焦单元以微观单元穿插方式互不叠加的一种情形和聚焦单元空间上分离的一种情形。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例,并不用于限制本发明实施例。
本发明实施例提供一种光学防伪元件,该光学防伪元件可以包括:基材,该基材包括相互对立的第一表面和第二表面;形成在所述基材的所述第一表面的至少一部分上的表面微结构,至少部分所述表面微结构包括多个聚焦单元,其中,每个所述聚焦单元构成第一全视差动态图像,并且所述多个聚焦单元构成第二全视差动态图像,所述表面微结构被定义成当光束以一入射角照射所述表面微结构时,该光束中一波长或波长范围的光在反射光方向上干涉相长和/或等离子体吸收,从而使得所述聚焦单元具有颜色特征。全视差动态图像是指具有动态特征的全视差图像。
每个聚焦单元能够单独构成第一全视差图像,多个聚焦单元一起构成第二全视差动态图像。每个聚焦单元构成的第一全视差动态图像可以相同或不同,第一全视差动态图像和第二全视差动态图像的形状可以相同或不同。第一全视差动态图像和/或第二全视差动态图像可以是任意形状的图像,如字母、文字、字符、和/或特定标志等等。构成第二全视差动态图像的每一聚焦单元的结构参数可以大致相同或不同。
下面对本发明实施例的光学防伪元件的优势和特点进行说明:
(1)聚焦单元自身具有明确的第一全视差动态图像,即该动态图像在聚焦单元中承载,进一步地多个聚焦单元能够构成一完整的第二全视差动态图像,使得多个聚焦单元构成的第二全视差动态彩色图像的笔画边缘明确清晰,而传统全视差光学防伪图像(例如公告号为CN105313528B的中国专利中所公开的)没有明确的动态图像边缘或笔画边缘,从而避免出现传统全视差图像的模糊、图像质量差等问题。
(2)聚焦单元自身具备颜色特征,而传统全视差光学防伪图像均为消色图像,无法实现彩色。
(3)聚焦单元的颜色特征源于表面微结构满足干涉相长的结构参数条件,干涉相长所形成的颜色在反射光和/或散射光方向附近是稳定且易于描述的,这与传统的全息防伪图像中的消色或无法描述的随角变化的彩虹色是截然不同的。
以上这些优势和特点保证了本发明的光学防伪元件易于识别和难以伪造。
图1a至图1d示出了根据本发明一实施例的光学防伪元件的剖面图、俯视图、动态效果示意图、以及对彩色特征进行说明的图示。如图1a所示,本发明实施例的光学防伪元件可以包括基材1,所述基材1具有相互对立的第一表面11和第二表面12,所述第一表面11的至少一部分上形成有表面微结构2,所述表面微结构2包含若干个聚焦单元21,其中图1a仅示出其中一个聚焦单元的一个截面示意图。
所述聚焦单元21采用了菲涅尔波带片结构,且聚焦单元21的背景区域(即“底面覆盖区域”)为圆形,每一聚焦单元21构成的全视差图像在各自的圆形区域内移动。菲涅尔波带片结构的中心向四周以高低不同且密度不断增加的线条形式拓展。人眼在不同视角下可识别该聚焦单元21具有如圆形浮雕表面的动态光泽,即视角移动过程中,所述菲涅尔波带片聚焦单元上的动态光泽也随之移动,形成全视差的光泽——亮斑。
如图1b所示,多个菲涅尔波带片结构的聚焦单元21构成了图像3,图像3的形状为字母“Z”。如图中所示,不同聚焦单元之间可以不重叠或部分重叠的排列形成图像3。
如图1c所示,聚焦单元21的菲涅尔波带片在不同观察角度下,对应的不同位置会出现亮斑31,即具有动态特征的全视差的亮斑,因此所有聚焦单元21所形成的图像“Z”的位置也会因为视角的变化而变化,从而形成动态图像“Z”。图1a和1b所示的菲涅尔波带片将对应地实现动态图像“Z”的下沉或上浮全视差图像特征。
如图1d,为实现所述图像“Z”的彩色特征,图1a中的表面微结构2中至少包括聚焦单元的一部分区域的结构参数还进一步定义如下:
表面微结构2在面内至少一个维度上的特征尺寸可以例如是0.3μm-6μm,优选为0.6μm-3μm,在本例中为1.5μm-5μm。其中,“特征尺寸”是指微结构中取其表面高度最低和最高点的平均值将表面分割,从而形成包围凸起或凹下部分的轮廓在任意方向的尺寸。表面微结构2的形貌可以定义为表面微结构2中凸起部分可以占总面积的20%-80%,优选为35%-65%,在本例中为45%。
聚焦单元的剖面形状可以是正弦形、矩形或锯齿形,在本例中选择为矩形。本领域技术人员可以理解的是,聚焦单元的剖面形状还可以是其他形状。
表面微结构2的深度d可以满足以下条件,即当自然光(白光)以一入射角α照射时,光束通过表面微结构2后,波长为λ或者一波长范围的光在反射光方向上干涉相长,从而使得在反射光方向观察光学防伪元件1时,呈现第一颜色,而在散射光方向上观察光学防伪元件1时,呈现第二颜色。“深度d”是指微结构中表面高度最高点和最低点的高度差。
表面微结构2的深度d通常在100nm-5μm之间,优选为200nm-3μm。可以通过以下的方法来确定深度d。
①表示出表面微结构2的复振幅透过率τg,τg为深度d、设计波长λ、表面微结构2的槽型、材料折射率分布n以及位置(x,y)的函数;②对复振幅透过率τg进行傅利叶变换;③找出波长为λ的反射光(即零级衍射光)最大的条件;④根据反射光最大的条件计算表面微结构2的深度d。
举例来说,设计波长λ=600nm,表面微结构2材料的折射率n=1.5,表面微结构2的剖面形状为正弦形,外部介质为空气,则d=1528.8nm时,防伪元件1在反射光方向上呈现红色,在散射光方向呈现蓝绿色。若d=2668.8nm,由于此时波长为410.8nm的光也满足反射光干涉相长条件,所以防伪元件1在反射光方向上呈现洋红色,散射光方向上呈现绿色。
以上,结合图1d对本实施例中的至少包括聚焦单元的一部分区域的结构参数进行了说明,这些结构参数的设置实现了多个聚焦单元构成全视差动态彩色图像。
可选地,聚焦单元的形式可以选择衍射透镜、菲涅尔透镜和/或菲涅尔浮雕结构,其截面可以为二元结构、谐衍射结构和/或锯齿形结构。聚焦单元背景区域的形状可以为圆形、椭圆形、方形、多边形和/或异形。每一聚焦单元背景区域的形状可以相同或不同。
可选地,聚焦单元可以选择为全视差图像结构,其截面可以为二元结构、谐衍射结构和/或锯齿形结构。聚焦单元背景区域的形状可以为圆形、椭圆形、方形、多边形和/或异形。每一聚焦单元背景区域的形状可以相同或不同。
聚焦单元沿着其所在表面的某一个方向的截面的排列周期、深度和/或锯齿的斜率由大到小或由小到大连续变化,以形成全视差的亮斑。
上述结合图1d对表面微结构2的定义使得多个聚焦单元构成了全视差动态彩色图像,当然根据不同区域或不同单元中所述深度d、所述特征尺寸和微结构形貌的定义可以定义全视差动态彩色图像中任意位置的颜色。
但需要说明的是:
(1)只有当聚焦单元21的截面为二元结构时,才能够通过直接定义二元结构的所述特征尺寸和所述深度d和/或微结构形貌来自由定义聚焦单元的颜色特征,其中所述二元结构为二元菲涅尔透镜、衍射透镜、菲涅尔浮雕和/或二元全视差图像结构等。
(2)而当所述聚焦单元21的截面为谐衍射结构或锯齿形结构等非二元结构时,需在所述非二元结构上采用修饰或叠加的方式形成二元结构,然后再按照所述特征尺寸、深度d和/或微结构形貌来定义所述二元结构,从而定义所述聚焦单元的颜色特征。另外,可选的,也可以在所述非二元结构上采用修饰或叠加的方式形成所述等离子体吸收结构,所述等离子体吸收结构为周期或特征尺寸在500nm以下,深度在500nm以下的一维或二维亚微米结构,在上述尺寸范围内其形貌可以为锯齿形、正弦型、矩形、曲面型。所述等离子体吸收结构具备对光波长的选择性吸收和反射功能,能够使入射光中的一部分被吸收,其他部分被反射进入人眼形成特定的颜色特征。
(3)当然,当聚焦单元21截面为二元菲涅尔透镜、衍射透镜、菲涅尔浮雕或二元全视差图像结构时,也可以采用修饰或叠加的方式进一步形成额外的二元结构,并按所述特征尺寸、深度d和/或微结构形貌来定义所述额外的二元结构,从而定义所述聚焦单元的颜色特征。可选的,也可以采用修饰或叠加的方式进一步形成等离子体吸收结构。所述等离子体吸收结构为周期或特征尺寸在500nm以下,深度在500nm以下的一维或二维亚微米结构,在上述尺寸范围内其形貌可以为锯齿形、正弦型、矩形、曲面型。所述等离子体吸收结构具备对光波长的选择性吸收和反射功能,能够使入射光中的一部分被吸收,其他部分被反射进入人眼形成特定的颜色特征。
图2a至图2d示出了根据本发明另一实施例的光学防伪元件的示意图,其中,所述光学防伪元件中聚焦单元本身为全视差动态图像结构。图2a给出了聚焦单元的排列形式,其背景区域的形状为方形,不同视角下聚焦单元中“S”的位置不同,源于不同位置的“S”区域采用了不同参数的锯齿形结构,如图锯齿的周期、深度、斜率、取向决定了当前位置的“S”能够被观察到的角度。将代表不同位置的“S”的锯齿结构随机或伪随机地穿插或叠加排列在方形区域中,形成完整的聚焦单元。
所述聚焦单元采用的全视差图像结构的具体结构和计算方法参照公告号为CN105291630B中国专利中的描述,但是本申请的聚焦单元可以不具有专利CN105291630B中所述的镀层。
为实现聚焦单元的颜色化,如图2b所示在所述锯齿结构上至少部分叠加了二元结构4,二元结构4与锯齿结构形成一个完整的聚焦单元,再与其它聚焦单元共同构成了表面微结构2。二元结构4与锯齿结构的折射率可以相同。所述二元结构4被定义成当光束以一入射角照射所述表面微结构时,该光束中一波长或波长范围的光在反射光方向上干涉相长。其设计波长λ=600nm,二元结构4材料的折射率n=1.5,二元结构4的剖面形状为矩形,外部介质为空气,则d=2668.8nm时,波长为410.8nm的光满足反射光干涉相长条件,在反射光方向上呈现洋红色,散射光方向上呈现绿色。
如图2c,将图2a中的聚焦单元构成图像“Z”时,将在不同视角下看到“Z”的位置发生变化,同时“Z”具有反射光方向上的洋红色的颜色特征,和反射光附近的散射方向上的绿色特征。
如图2d,将图2b中的所述锯齿结构上至少部分叠加了等离子体吸收结构5,等离子体吸收结构5与锯齿结构形成一个完整的聚焦单元,再与其它聚焦单元共同构成了表面微结构2。所述等离子体吸收结构5被定义成当光束以一入射角照射所述表面微结构时,该光束中一波长或波长范围的光被等离子体吸收(也就是说被选择性吸收),其余波长的光被反射。本实例例中等离子体吸收结构5为正弦槽型、周期为300nm、深度为100nm并呈正交的二维网格分布。在本实施例中,在观察光学防伪元件时,等离子体吸收结构使得聚焦单元呈现红色。
图3a至图3c示出了根据本发明又一实施例的光学防伪元件的示意图,其中,所述光学防伪元件中聚焦单元采用锯齿形菲涅尔浮雕结构。图3a给出了聚焦单元的排列形式,其背景区域的形状为椭圆形,不同视角下聚焦单元中的亮斑位置不同,从而形成全视差的动感亮斑。所述动感亮斑源于锯齿形菲涅尔浮雕结构对任意真实存在的曲面的模拟(如图3a中的曲面K)或对任意抽象或虚构的曲面的模拟,当入射光照射所述菲涅尔浮雕结构的表面时,相当于照射在所述的被模拟的曲面K上的某处后反射到人眼中。
为实现聚焦单元的颜色化,如图3b所示在所述锯齿形菲涅尔浮雕结构上至少部分叠加了二元结构4,二元结构4与锯齿形菲涅尔浮雕结构形成一完整的聚焦单元,再与其它聚焦单元共同构成了表面微结构2。所述二元结构4被定为成当光束以一入射角照射所述表面微结构时,该光束中一波长或波长范围的光在反射光方向上干涉相长。其设计波长λ=600nm,表面微结构2材料的折射率n=1.5,二元结构4的剖面形状为矩形,外部介质为空气,则d=500nm时,在反射光方向上呈现黄色,散射光方向上呈现蓝色。
如图3c,将图3a中的聚焦单元构成图像“Z”时,将在不同视角下看到图像“Z”的位置发生变化,同时“Z”具有反射光方向上的黄色的颜色特征,和反射光附近的散射光方向上的蓝色的颜色特征。
上述每个实施例中的聚焦单元的选择均相同,当然可以对每个聚焦单元进行彼此不同的结构选择,从而形成更加独特的全视差彩色图像。
所述多个聚焦单元在面内可以按图1b所示方式直接叠加,也可以空间上分离,和/或以微观单元穿插的方式彼此互不叠加。如图4a给出了背景区域的形状为六边形的聚焦单元与背景区域的形状为五角星形的聚焦单元彼此以微观单元穿插方式互不叠加的一种情形。图4b给出了背景区域的形状为菱形的聚焦单元与背景区域的形状为扇形的聚焦单元空间上分离的一种情形。
优选地,所述表面微结构可以通过光学曝光、电子束曝光等微纳加工方式获得,通过紫外浇铸、模压、纳米压印等加工方式进行批量复制。
在本发明进一步的可选实施例中,在所述表面微结构上可以覆盖有单层或多层镀层,所述单层或多层镀层可以同形覆盖于所述表面微结构上。所述镀层可以单层金属镀层;多层金属镀层;由吸收层、低折射率介质层和反射层依次堆叠形成的镀层;由高折射率介质层、低折射率介质层和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。所述镀层的结构可以称之为干涉型多层膜结构,该干涉型多层膜结构可以形成法布里-泊罗谐振腔,其对入射的白光具有选择作用,使得出射光线只包含某些波段,从而形成特定的颜色;当入射角度变化时,与之相对的光程发生变化,干涉波段也发生变化,从而导致呈现给观测者的颜色也随之变化,从而形成光变效果。在根据本发明的实施方式中,高折射率介质层指的是折射率大于或等于1.7的介质层,其材料可以是ZnS、TiN、TiO2、TiO、Ti2O3、Ti3O5、Ta2O5、Nb2O5、CeO2、Bi2O3、Cr2O3、Fe2O3、HfO2、ZnO等,低折射率介质层指的是折射率小于1.7的介质层,其材料可以是MgF2、SiO2等。反射层的材料可以是Al、Cu、Ni、Cr、Ag、Fe、Sn、Au、Pt等金属或其混合物和合金;吸收层材料可以是Al、Cr、Ni、Cu、Co、Ti、V、W、Sn、Si、Ge等金属或其混合物和合金。
可以通过物理和/或化学沉积的方法形成所述单层或多层镀层,例如包括但不限于热蒸发、磁控溅射、MOCVD、分子束外延等。可选的,所述镀层可以以同形覆盖地形式形成在所述表面浮雕结构层上。可选的,所述镀层中至少一层被图案化地镂空。
在本发明进一步的可选实施例中,表面微结构中还可以包括有衍射全息微结构或非衍射表面微结构。
在本发明进一步的可选实施例中,所述光学防伪元件中可以加入以下一者或多者:导电层、磁性层、由具有红外特征、紫外特征或偏振特性的材料组成层,相当于对应的增加了导电防伪特征、磁性机读防伪特征、红外特征、紫外特征或偏振特征。
根据本发明的实施方式的光学防伪元件适合于各类防伪产品或票证,特别适合用于制作开窗安全线、标签、标识、宽条、透明窗口、覆膜等。所述安全线的厚度不大于50μm。带有所述防伪元件的防伪纸可用于钞票、护照、有价证券等各类高安全产品的防伪。
本发明另一方面提供了具有本发明任意实施方式所述的光学防伪元件的光学防伪产品,所述产品包括但不限于钞票、信用卡、护照、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。
以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式,但是,本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明实施例的技术构思范围内,可以对本发明实施例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实施例的保护范围。
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,本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外,本发明实施例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实施例的思想,其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。
Claims (16)
1.一种光学防伪元件,其特征在于,包括:
基材,该基材包括相互对立的第一表面和第二表面;
形成在所述基材的所述第一表面的至少一部分上的表面微结构,至少部分所述表面微结构包括多个聚焦单元,其中,每个所述聚焦单元构成第一全视差动态图像,并且所述多个聚焦单元构成第二全视差动态图像,
所述表面微结构被定义成当光束以一入射角照射所述表面微结构时,该光束中一波长或波长范围的光在反射光方向上干涉相长和/或等离子体吸收,从而使得所述聚焦单元具有颜色特征。
2.根据权利要求1所述的光学防伪元件,其特征在于,所述聚焦单元的形式选择为衍射透镜、菲涅尔透镜和/或菲涅尔浮雕结构,其截面可以为二元结构、谐衍射结构和/或锯齿形结构。
3.根据权利要求1所述的光学防伪元件,其特征在于,所述聚焦单元的形式选择为全视差图像结构,其截面可以为二元结构、谐衍射结构和/或锯齿形结构。
4.根据权利要求1所述的光学防伪元件,其特征在于,所述聚焦单元的背景区域的形状为以下一者或多者:圆形、椭圆形、方形、多边形和/或异形。
5.根据权利要求1所述的光学防伪元件,其特征在于,其中当所述聚焦单元的截面为二元菲涅尔透镜、衍射透镜、菲涅尔浮雕和/或二元全视差图像结构时,通过定义所述聚焦单元的特征尺寸、深度和/或微结构形貌来定义所述聚焦单元的颜色特征。
6.根据权利要求1所述的光学防伪元件,其特征在于,所述聚焦单元包括采用修饰或叠加的方式形成二元结构,其中通过定义所述二元结构的特征尺寸、深度和/或微结构形貌来定义所述聚焦单元的颜色特征。
7.根据权利要求5或6所述的光学防伪元件,其特征在于,至少一个维度上的所述特征尺寸为0.3μm-6μm;
所述深度为100nm-5μm;和/或
所述微结构形貌为凸起部分的面积占总面积的20%-80%。
8.根据权利要求7所述的光学防伪元件,其特征在于,
至少一个维度上的所述特征尺寸为0.6μm-3μm;
所述深度为200nm-3μm;和/或
所述微结构形貌为凸起部分的面积占总面积的35%-65%。
9.根据权利要求1所述的光学防伪元件,其特征在于,所述聚焦单元的形式选择为等离子体吸收结构,和/或所述聚焦单元包括采用修饰或叠加的方式形成的等离子体吸收结构。
10.根据权利要求9所述的光学防伪元件,其特征在于,所述等离子吸收结构或所述采用修饰或叠加的方式形成的等离子体吸收结构的周期或特征尺寸小于500nm,且深度小于500nm。
11.根据权利要求9或10所述的光学防伪元件,其特征在于,所述等离子吸收结构或所述采用修饰或叠加的方式形成的等离子体吸收结构的截面为锯齿形、正弦型、矩形、和/或曲面型。
12.根据权利要求1所述的光学防伪元件,其特征在于,所述光学防伪元件还包括:
覆盖于所述表面微结构上的单层或多层镀层。
13.根据权利要求12所述的光学防伪元件,其特征在于,所述单层或多层镀层中至少一层被图案化地镂空。
14.根据权利要求1所述的光学防伪元件,其特征在于,所述表面微结构还包括衍射全息微结构或非衍射表面微结构。
15.根据权利要求1所述的光学防伪元件,其特征在于,所述光学防伪元件还包括以下一者或多者:导电层;磁性层;由具有红外特征、紫外特征或偏振特性的材料组成的层。
16.一种具有根据权利要求1至15中任一项所述的光学防伪元件的防伪产品。
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