CN116198246A - 具有反射性面区域的防伪元件、数据载体和制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于为有价物品提供安全保障的防伪元件，其具有反射性面区域，其延伸定义x‑y平面并且在以反射光观察时产生多色三维视图。反射性面区域包括产生三维视图的粗结构和与粗结构叠加的、用于产生视图的多色外观的细结构。粗结构包括多个定向反射的分段镜，其这样定向，使得反射性面区域能够被观察者感知为三维视图的形式，三维视图具有相对于其真实的空间形状突出和/或凹进的表面。细结构由具有金属化阶梯级的阶梯状的布拉格干涉结构形成，阶梯级与粗结构的定向反射的分段镜叠加并且在观察时通过在相邻阶梯级处的布拉格干涉产生颜色效果。反射性面区域中的阶梯级的局部不同的高度产生三维视图的局部不同的颜色。

Description

具有反射性面区域的防伪元件、数据载体和制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于为有价物品提供安全保障的防伪元件，所述防伪元件具有反射性面区域，所述反射性面区域的延伸定义x-y平面并且所述反射性面区域在以反射光观察时产生多色的三维视图。本发明也涉及一种具有这种防伪元件的数据载体以及用于这种防伪元件的制造方法。

背景技术

诸如有价文件或者证件文件之类的数据载体或者其它的有价物品如名牌商品通常配设有防伪元件以用于安全保障，防伪元件可以核实数据载体的真实性并且同时用作防止未经许可的复制的保护。具有与观察角相关的或者三维的外观的防伪元件在真实性保障中起到了特别的作用，因为即使用最新的复印设备也不能复制这种防伪元件。

在专利文献WO2014/060089A2中建议在防伪元件中借助微镜面产生三维拱曲效果。微镜面结构例如可以通过压印方法简单地由能手复制。压印的凸纹结构被金属涂层并且嵌入塑料中。然而，其外观在金属涂层的情况下通常只是单色的。

为了也产生有色的视图，代替简单的金属化部，可以为微镜面配设随角异色(farbkippend)的涂层，所述涂层根据观察角产生所述结构的颜色相关性。然而，以此方式不能实现图案的沿横向不同的有色设计。

在其它的方法中，使用金属纳米结构，所述金属纳米结构在反射或者透射中显示有色的外观。尤其可以使用亚波长光栅在最精细的位置分辨率中产生颜色效果。为此在专利文献DE102011101635A1中描述了一种压印结构，其具有二维周期性的纳米结构，所述纳米结构在反射和透射中显示颜色。在此，压印结构只需要用铝层蒸镀。用这种纳米结构不只可以整体着色，而且也可以在图案(Motiv，或者说视觉对象)中产生局部不同的颜色。

对于批量制造，所使用的纳米结构必须是能够以较高的结构稳定性和较低的缺陷率成型的。然而，迄今用于颜色效果的纳米结构通常具有大于1的宽高比和小于300nm的周期。用于无缺陷地大量制造这种结构的压印工艺在技术上要求非常高并且是耗费的。

发明内容

由此出发，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种本文开头所述类型的防伪元件，所述防伪元件也能够简单地并且成本低廉地在防伪领域中要求的较大技术规模上制造并且在此除了较高的防伪安全性之外具有吸引人的多色的三维外观。

该技术问题按本发明通过用于为有价物品提供安全保障的防伪元件、具有防伪元件的数据载体和用于防伪元件的制造方法解决。

按照本发明，在按本发明所述类型的防伪元件中规定，反射性面区域包括用于产生三维视图的粗结构和与所述粗结构叠加(überlagern)的细结构，所述细结构用于产生视图的多色外观。

在此，粗结构包括多个定向反射的分段镜(Facette)，所述分段镜这样定向，使得反射性面区域能够被观察者感知为三维视图的形式，所述三维视图具有相对于其真实的空间形状突出和/或凹进的表面。

细结构由具有阶梯级(Treppenstufe)的阶梯状的布拉格干涉结构形成，在所述阶梯级上设计有反射或者增强反射的涂层，其中，所述阶梯级与粗结构的定向反射的分段镜叠加，并且所述阶梯级在观察时通过在相邻的阶梯级处的布拉格干涉产生颜色效果。在此，阶梯级的局部不同的高度在反射性面区域中产生三维视图的局部不同的颜色。

在有利的设计方案中，所述反射性面区域的粗结构和细结构嵌入透明层、尤其是透明的介电层之间。介电层有利地具有1.3至1.7之间、尤其是约为1.5的折射率。粗结构和细结构所嵌入的层的折射率有利地基本上相同并且例如约为1.5。

所述粗结构的分段镜优选在x-y平面的至少一个空间方向上具有2μm至30μm之间、尤其是4μm至10μm之间的宽度。有利地，分段镜甚至在x-y平面的两个空间方向上具有处于所述范围内的宽度，其中，在两个空间方向上的宽度不是必须相同。相邻的分段镜的距离通常相应于分段镜的宽度。在此，相邻的分段镜的距离可以是周期性的，然而特别有利的是，粗结构的分段镜非周期性地布置，以便避免不期望的光栅衍射效果。

与所述粗结构叠加的阶梯级在每个分段镜内有利地具有相同的高度，以便产生明亮的并且和明确定义的颜色效果。如以下详细阐述的那样，布拉格干涉结构的颜色效果基本上通过阶梯级的高度确定，因此具有不同颜色效果的子区域通常包含不同高度的阶梯级。

在有利的设计方案中，具有2至20个阶梯级、尤其是2至10个阶梯级的布拉格干涉结构在有色区域中与所述粗结构的分段镜叠加。

所述阶梯级的高度优选处于100nm至600nm之间，特别优选125nm至520nm之间并且尤其是150nm至425nm之间。

在有利的设计方案中规定，在斜度小于预设的阈值的较平的分段镜中，阶梯级的高度小于275nm，并且在斜度大于所述阈值的较陡的分段镜中，阶梯级的高度大于275nm。以此方式可以在较陡的分段镜中也将所需的阶梯级数量保持较小。分段镜斜度的预设的阈值在此主要取决于期望的颜色。

如以下详细阐述的那样，在适当的设计中，可以用较大的级高度(或者说阶梯级高度)通过更高阶的相长干涉产生与用较低的级高度通过一阶相长干涉相同的颜色效果。在此，发明人认识到，在嵌入的电介质具有n≈1.5的折射率的情况下，能够用小于275nm的级高度通过一阶相长干涉获得所有所需的颜色，而用大于275nm的级高度通过二阶或者更高阶的相长干涉能够获得相同的颜色。因此，相同的颜色效果可以在较平的分段镜中通过较小的级高度获得并且在较陡的分段镜中通过较大的级高度获得，因此在较平和较陡的分段镜中所需的级数量没有明显区别。

阶梯级与z轴有利地围成85°至120°之间的角α、尤其是不等于90°的角α。所述角α尤其可以有利地处于100°至110°之间。不等于90°的角α的选择提供了在调节颜色强度(或者说亮度)时的附加自由度。

反射或者增强反射的涂层可以特别有利地是例如汽化渗镀的金属化部。阶梯级的金属化部有利地由Al、Ag、Au、Ni、Cr或者这些金属的合金制成。金属化部的厚度适宜地处于8nm至150nm之间、尤其是15nm至60nm之间。

代替金属化部，所述阶梯级的反射或者增强反射的涂层也能够由具有较高折射率的材料的涂层形成。作为高折射性涂层材料尤其可以使用ZnS、ZnO、ZnSe、SiN_x、SiO_x、Cr₂O₃、Nb₂O₅、Ta₂O₅、Ti_xO_x或者ZrO₂。在此特别有利的是，防伪元件配备了吸收性基质。当观察时，配备了高折射性涂层的结构就会显示与具有液晶材料涂层的结构类似的光学效果，但与后者相比，其优势在于色调是通过阶梯级定义的并且在横向上可以自由地选择。

备选地，反射或者增强反射的涂层也可以由半金属、尤其是由Si或者Ge形成。

所述阶梯级的宽度优选处于400nm至2μm之间、尤其是600nm至1μm之间。在每个分段镜内，阶梯级的宽度优选是相同的，以便确保有效的光干涉，从而确保反射的高亮度。

有利的是，所述阶梯状的布拉格干涉结构在反射性面区域的有色区域中产生在LCh颜色空间中给出的大于40、尤其是大于60或者甚至大于80的色度C*。这样高的色度值可以通过适当地选择阶梯级的高度来实现并且提供具有较高颜色饱和度的颜色印象。

由反射性面区域产生的视图优选具有三种或者更多、尤其是五种或者更多的不同彩色颜色。所述视图尤其可以是真彩视图，即呈现具有多个真彩的图案。在此，由最多三个原色如红、绿和蓝组成的混合色通常称为真彩。多色视图也可以有利地具有运动效果。

本发明还包含具有所述类型的防伪元件的数据载体。所述数据载体尤其可以是有价文件，如钞票、尤其是纸钞、聚合物钞票或者薄膜复合钞票，可以是股票、债券、证书、优惠券、支票、印章、印花税票、高价值入场券，但也可以是证件卡，如信用卡、银行卡、现金卡、授权卡、身份证或者护照的个人页面。

最后，本发明还提供一种用于制造所述类型的防伪元件的方法，在所述方法中，

-产生反射性面区域，所述反射性面区域具有用于产生三维视图的粗结构和与所述粗结构叠加的细结构，所述细结构用于产生视图的多色外观，

-将粗结构设计为具有多个定向反射的分段镜，所述分段镜这样定向，使得反射性面区域能够被观察者感知为三维视图的形式，所述三维视图具有相对于其真实的空间形状突出和/或凹进的表面，并且

-细结构由具有阶梯级的阶梯状的布拉格干涉结构形成，所述阶梯级与粗结构的定向反射的分段镜叠加，并且所述阶梯级在观察时通过在相邻的阶梯级处的布拉格干涉产生颜色效果，其中，阶梯级局部地设计具有不同的高度，以便在反射性面区域中产生三维视图的局部不同的颜色，并且其中，在阶梯级上设计反射或者增强反射的涂层。

所建议的防伪元件基于由定向反射分段镜组成的粗结构和由阶梯状的布拉格干涉结构组成的细结构的新式叠加。防伪元件在观察时显示出空间效果，并且由于叠加的布拉格干涉结构而显得有颜色。通过选择级高度，可以在三维视图中有针对性地产生不同的颜色。由于布拉格干涉结构的宽高比很低，能够很容易而且成本低廉地实现具有这种粗结构和细结构的压印结构的复制。

着色基于在不同高度的阶梯级上的布拉格干涉实现，因此在简单的金属涂层、例如由铝制成的金属涂层的情况下，已经形成了有色性(Farbigkeit)或者说色彩性。因此，批量制造与需要多层涂层、例如随角异色的多层涂层以实现其颜色效果的结构相比明显成本更低廉。此外，能够以最高的分辨率实现具有所建议的结构的有色图案。

所述的分段镜和布拉格干涉结构也可以很容易地与其它已知的压印结构、例如全息图或者其它纳米结构相结合，并且已经并排地布置在具有高精度的压印冲头上。通过这种方式，具有不同光学效果的结构可以在彼此之间实现完美的套准，并且例如可以将空间效果、运动效果和多色图案结合在唯一的防伪元件中。

例如可以通过将在此阐述的结构与吸光的压印结构(如蛾眼结构)相结合，制造高对比度的图案和真彩图像。尤其是，由布拉格干涉结构形成的像素化真彩图像的对比度可以通过选择各像素中的吸光结构的面积比例来调节。

附图说明

以下参照附图阐述本发明的实施例和优点，在这些附图的视图中没有按比例尺或者按比例呈现，以便提高直观性。

在附图中：

图1示意性地示出配设有两个按照本发明的实施例的防伪元件的钞票；

图2示意性地以横截面示出按照本发明的防伪元件的局部并且在防伪元件的上方示出由观察者在观察防伪元件时感知到的三维视图的立体图；

图3(a)-3(b)为了说明产生颜色的原理，在图3(a)中示出了图2的防伪元件的两个子区域中的凸纹结构的更详细的视图，在所述子区域中，所模仿的表面具有不同的斜度，但在所述子区域中在观察时产生相同的颜色印象，并且在图3(b)中示出了两个子区域的比较，在所述子区域中，所模仿的表面具有相同的斜度，但以不同的颜色印象显现；

图4示出了待模仿的拱曲表面的具有等高线的俯视图，并且在三个位置示例性地示出分段镜的根据表面局部梯度的定向；

图5示出防伪元件中的布拉格干涉结构的阶梯级的位置，所述阶梯级通过金属涂层在均质电介质的周围形成；

图6在(a)和(b)中示出在4级式的阶梯结构处的反射的光谱曲线，所述阶梯结构具有级高度不同的阶梯级；

图7示出CIE颜色图，其具有图6的反射光谱的色坐标；

图8示出具有4个阶梯级的阶梯状的布拉格干涉结构的颜色特性，其中，在LCh颜色空间中与分段镜的节高度h相关地，(a)显示了亮度L*，(b)显示了色度C*并且(c)显示了色调h°，以及(d)显示了随着节高度增加在CIE颜色图中的色坐标的变化；

图9示出具有如图6(b)中的参数、但具有更小宽度的布拉格阶梯结构的反射光谱；

图10在(a)和(b)中示出在9级式的阶梯结构处的反射的光谱曲线，所述阶梯结构具有不同的级高度和不同阶数的相长干涉；

图11在(a)和(b)中示出针对不同的金属涂层厚度在阶梯结构处的反射的光谱曲线；

图12示出针对不同的光入射角的反射的光谱曲线；

图13示出颜色印象的角相关性，其中，(a)在CIE颜色图中比较了在θ＝0°和θ＝20°的光入射角下的色坐标，并且(b)在LCh颜色空间中比较了针对两个光入射角的亮度L*，(c)比较了色度C*，并且(d)比较了色调h°；并且

图14在(a)和(b)中示意性地示出在制造按照本发明的防伪元件时的中间步骤。

具体实施方式

现在将以用于钞票的防伪元件为例阐述本发明。为此，图1示出钞票10的示意图，所述钞票配设有两个按照本发明的实施例的防伪元件12、16。第一防伪元件是粘贴的转移元件12，所述转移元件在观察时显示多色的、三维显现的视图14，所述视图的形式为看上去从钞票的平面拱曲出的真彩人像。

第二防伪元件是防伪线16，所述防伪线沿着其长度交替地显示钞票10的面额并且作为图形图案显示多色的、看上去从钞票的平面拱曲出的星星18。然而不言而喻的是，本发明并不局限于示例性示出的图案或者钞票上的转移元件和防伪线，而是可以应用于所有类型的防伪元件，例如在商品和包装上的标签中或者为文件、证件卡、护照、信用卡、健康卡等提供安全保障。

按照本发明的防伪元件也可以用于在防伪文件上、例如在钞票中实现整个表面的图案。这种方法在DE102014018551A1中详细地阐述。通过使用在此描述的类型的结构，在制造防伪文件时可以避免使用颜料墨水并且可以减少在制造这种防伪文件时的工艺步骤的数量。

现在将参照图2至图4更详细地阐述按照本发明的防伪元件中的多色三维视图的形成。首先，图2说明了按照本发明的防伪元件20中的三维外观的基本形成。附图示意性地以横截面示出按照本发明的防伪元件20的局部并且在防伪元件的上方示出在观察防伪元件时感知到的三维视图的立体图40。

防伪元件20包含反射性面区域22，所述反射性面区域具有凸纹结构28，该凸纹结构压印在压印漆24中并且配设有反射或者增强反射的涂层、尤其是金属化部26。凸纹结构28是粗结构30与产生颜色的细结构50的叠加(参见图3)，然而，基本上只有粗结构负责产生三维的外观，所以在图2的简化视图中只显示了所述粗结构。

反射性面区域22的延伸定义了x-y平面，垂直于该x-y平面的方向称为z方向。防伪元件20设计用于从正z方向观察，其中，典型的观察距离约为30cm。粗结构30包含多个定向反射的分段镜32，所述分段镜32分别这样定向，使得反射性面区域22能够被观察者感知为期望的三维视图40的形式、例如图1的人像14或者拱曲出的星星18，所述三维视图具有相对于面区域22的真实的空间形状突出和/或凹进的表面。

金属化的压印漆层24、26嵌入介电层34、36、38中，这些介电层的折射率可以都是相同的并且通常大约为n＝1.5。从图2中可以看出，在防伪元件20中不是设计有观察者感知到的拱曲面40本身，而是设计有多个反射性的分段镜32，这些分段镜通过其定向模仿了拱曲面40的反射行为，但具有比所模仿的拱曲面明显更小的节高度

由于分段镜32的作用类似于小的微镜，所以分段镜阵列在本说明书的范围内通常也被称为微镜阵列并且分段镜被称为微镜。

例如，反射性分段镜32设计具有矩形的轮廓和在4μm至10μm之间的宽度W。因此，粗结构30的每个分段镜32形成了平面元件，所述平面元件相对于x-y平面倾斜一定的角，其中，倾斜角正好对应于所模仿的面40的局部斜率。分段镜32的节高度h

即所述分段镜相对于x-y平面的高度差，在0μm至10μm之间，因此反射性面区域22内的真实高度差是不能用肉眼感知的。/>

粗结构的分段镜32的宽度和节高度可以通过不同方式选择。例如，可以预设期望的节高度h并且分别这样选择分段镜32的宽度W，使得与预设的节高度相结合地产生分段镜32的期望的斜度。对于与以下详细描述的产生颜色的细结构的组合被证明有利的是，预设分段镜的宽度W并且分别这样选择节高度h，使得产生分段镜32的期望的斜度。在此，分段镜的宽度W被选择为基本上相同大小。然而有利的是，分段镜的距离以不规则的方式略微改变，以避免由于完全规则的布置而产生不期望的光栅衍射效应。

至少最倾斜的分段镜在剖面上具有明显大于波长(>1μm)的节高度h。最陡的分段镜(即具有相对于x-y平面的最大斜度的分段镜)的斜度通常在20°的范围内，在特殊设计中甚至在10°的范围内。

为了不只产生三维视图，而且产生按照本发明的多色三维视图，粗结构30与形式为阶梯状的布拉格干涉结构的产生颜色的细结构叠加。为了说明产生颜色的原理，在图3(a)中在两个子区域20-A、20-B中更详细地显示了防伪元件20的凸纹结构28，在这两个子区域中，所模仿的表面40以及因此分段镜32具有不同的斜度，但在这两个子区域中在观察时产生相同的颜色印象。

在本实施例中，与分段镜32的粗结构叠加的细结构50由金属化的阶梯级52的阵列组成，所述阶梯级分别具有宽度w_i和高度h_i。对于每个分段镜32(或称为镜段)，与该分段镜叠加的阶梯级的阶梯宽度w_i的总和形成了该分段镜的宽度，并且阶梯高度h_i的总和形成了该分段镜的节高度h。

子区域20-A、20-B的颜色效果通过入射光在相邻阶梯级处的布拉格干涉产生并且基本上由阶梯级的高度h_i确定。更确切地说，只要光的波长λ满足条件

λ/n＝2h_i/m*sin(90°-θ)(IB)

在相邻的阶梯级52处就会出现相长干涉，其中，n是介质的折射率，θ是光相对于z方向的入射角并且m是大于或等于1的整数。

上述关系基于针对干涉的波光学模型，该模型对足够大的阶梯级适用。对于亚波长范围内的越来越小的尺寸，衍射不再根据这个经典模型发生并且必须根据麦克斯韦方程计算。因此，在各个单独阶梯的宽度处于亚波长范围内(λ<400nm)的情况下，阶梯级不再如各个单独镜面那样相对于入射光起作用。

如果子区域在光垂直入射(θ＝0°)的情况下反射具有质心波长λ的颜色，则该子区域中的阶梯级根据关系(IB)设计具有高度h_i，所述高度基本上相应于介质中的光波长的一半，λ/(2n)，或者相应于该波长的整数倍，即m*λ/(2n)。有利的是，针对m＝1或者m＝2设计阶梯级。

在此，阶梯级的宽度w_i适宜地选择为，使得相邻的面积比例基本上大小相同，因为由此可以确保在相邻的阶梯级处的尽可能好的光干涉。因此，一个分段镜的阶梯级的宽度w_i尤其是大小相同的。对于较平的分段镜32有利地使用这样的阶梯级，所述阶梯级的高度h_i相应于介质中的光波长的一半(即关系(IB)中的m＝1)，而对于较陡的分段镜32有利地使用这样的阶梯级，所述阶梯级的高度h_i相应于介质中的光波长的一半的多倍(尤其是关系(IB)中的m＝2)，因为例如在m＝2和每个阶梯级的阶梯宽度w_i相同的情况下，所跨越的垂直距离是具有m＝1的阶梯级的两倍。

阶梯级的高度相对于各个单独分段镜的斜度这样适宜地调整，使得以最大可能的强度实现期望的颜色。从以下还将更详细地阐述的图14的视图中可以看出，当高度增加时，阶梯的底面积或者面积比例明显增加(对于相同的颜色，例如翻一倍或者翻多倍)。然而，随着阶梯宽度w_i越来越小，光的(期望的)干涉比例减少并且散射比例增加。另一方面，随着阶梯宽度w_i越来越大，被镜面反射的光的比例增加。在这两者之间，对于特定的斜度分别存在关于阶梯级处的干涉的光强度的最佳值。

为了获得最佳的干涉条件，阶梯级的宽度适宜地在400nm至2μm的范围内。对于平行于x-y平面布置的阶梯级，所述阶梯级的宽度w_i通过w_i＝h_i/tan(β)定义，其中，β对应于分段镜相对于水平的倾斜角并且h_i对应于阶梯级的高度。

因此对于倾斜45°的面，阶梯级的宽度w_i和高度h_i是相等的。为了形成蓝色，(一倍的)阶梯高度h_i(并且相应地宽度w_i)约为150nm。而对于倾斜15°的面，140nm至210nm(取决于颜色)的阶梯高度h_i导致产生522nm至784nm的阶梯宽度。因此，在分段镜倾斜角大于约20°(阈值)的情况下，通常针对m的多个值(即在关系(IB)中m＝2或者更大)设计阶梯级。然而，根据对期望颜色以及期望的阶梯宽度w_i的选择，这个值对于细结构的不同区域也可以有几度的变化。

回到图3(a)的视图，两个子区域20-A、20-B中的阶梯级52示例性地设计具有高度h_i＝175nm，因此在嵌入折射率为n＝1.5的电介质34、36、38中时，作为由细结构50反射的颜色根据关系(IB)产生波长约为525nm的亮绿色。

如图3(a)所示，尽管在每个子区域20-A或者20-B内，分段镜32的阶梯宽度w_i是恒定的，但由于两个子区域内的分段镜32的斜率不同，阶梯宽度w_i在两个子区域之间不同。由于阶梯高度h_i相同，在带有较平的分段镜的区域20-B中的阶梯级具有比在带有较陡的分段镜的区域20-A中的阶梯级更大的宽度w_i。

图3(b)显示了子区域20-A与防伪元件20的另一个子区域20-C的比较，在所述子区域20-C中，分段镜32具有与在子区域20-A中相同的斜度，但以不同的颜色印象显现。在子区域20-C中，细结构的阶梯级52设计具有更大的高度h_i，因此满足关系(IB)的针对更大的光波长的干涉条件。具体来说，子区域20-C中的阶梯级52例如设计具有高度h_i＝210nm，因此作为反射的颜色产生具有约为630nm的波长的亮红色。

以图3(a)和(b)所示的方式，可以对于防伪元件20的每个子区域，由在该处的通过所模仿的表面的形状预设的分段镜32的斜度出发，通过适当选择级宽度w_i和级高度h_i来调节对于这个子区域期望的颜色。

可以理解的是，图2和图3的说明性的视图代表了对实际条件的强烈简化。在一般三维表面的情况下，各个单独的分段镜32平行于待模仿的表面的局部梯度并且垂直于待模仿的表面的等高线定向。这在图4中说明，其显示了待模仿的具有等高线42的拱曲表面40的俯视图。在三个位置示例性地示出分段镜32的根据表面40的局部梯度44的定向。根据图2的设计原理，局部梯度44正好相应于分段镜32相对于防伪元件20的x-y平面的局部斜度。

附加地，图4中的表面40划分为子区域40-A、40-B、40-C，在这些子区域中，拱曲面在观察时以不同的颜色显现。分段镜32在这些子区域中分别配设有相应地匹配的产生颜色的细结构，所述细结构的形式为阶梯状的布拉格干涉结构，其具有适当选择的级宽度w_i和级高度h_i，如结合图3描述的那样。由于针对每个分段镜的颜色效果都可以单独调节，能够以高分辨率的颜色效果和鲜明的颜色过渡显示表面40。

现在参照图5至图13更详细地描述粗结构和细结构的按照本发明的组合的其它特性和优点。

图5首先说明了防伪元件20中的布拉格干涉结构50的阶梯级52相对于z方向的可能定向。在图的左半部分所示的干涉结构50-A的情况下，阶梯级52平行于x-y平面布置，因此阶梯级与z方向之间的角α为α＝90°。然而，在本发明的范围内，也可以有利地选择其它角度，尤其是α可以在85°和120°之间。在图的右半部分所示的干涉结构50-B的情况下，阶梯级与z方向之间的角α例如为α＝100°。角α的选择在调节颜色强度方面提供了附加的自由度。

角α的变化通过改变光路之间的路径差而影响相邻阶梯级之间的光干涉的形成。

因此，布拉格平面的距离h_i在关系(IB)中变化为

h_i’＝t_i*cos(90°-α)–w_i*sin(90°-α)(1)

其中，α是阶梯级与z方向之间的角，t_i是阶梯级的高度并且w_i是阶梯级的宽度。

由此对于“倾斜的”阶梯级、即对于α不等于90°的值，形成了修改的关系(IB)，在所述关系中，除了布拉格平面的距离h_i，光的入射角θ也被校正(θ'＝θ-(90°-α))：

λ/n＝2h_i'/m*sin(90°-θ')(IB1)

＝2(t_i*cos(90°-α)–w_i*sin(90°-α))/m*sin(θ+α))。

因此，以下描述的较陡的分段镜的示例可以有利地由α>90°的阶梯级形成，而不必选择阶梯级的高度h_i的多倍(在关系(IB)中m＝2或者更大)。

为了更简单地显示，角α也可以定义为相对于x-y平面的角，因此对于水平定向的阶梯级适用α_xy＝0°。那么上述关系可以通过

λ/n＝2(t_i*cos(α_xy)–w_i*sin(α_xy)/m*sin(90°-θ+α_xy))(IB2)

给出。

在图6中显示了在图3所示类型的4级式的阶梯结构处的反射的光谱曲线，其中，假设非偏振光垂直入射。阶梯级分别具有恒定的高度h_i并且配设有层厚为s＝40nm的铝金属条26。凸纹结构分别嵌入折射率为n＝1.5的电介质34、36、38中。

图6(a)的图示60显示了在三个不同的级高度h_i中，即在h_i＝140nm(反射光谱62)、h_i＝175nm(反射光谱64)和h_i＝210nm(反射光谱66)中的作为波长λ的函数的凸纹结构的反射率R。在此，凸纹结构的分段镜32以W＝6μm的周期性距离和相等的宽度布置。根据所选择的级高度h_i，反射光谱在蓝色波长范围(反射光谱62)中、在绿色波长范围(反射光谱64)中或者在红色波长范围(反射光谱66)中显示明显的最大值。

图6(b)的图示70显示了分别具有大约为两倍的阶梯高度h_i的凸纹结构的反射率R，即h_i＝300nm(反射光谱72)，h_i＝360nm(反射光谱74)和h_i＝400nm(反射光谱76)。在此，反射光谱的相关最大值也处于蓝色(450nm)、绿色(540nm)或者红色(600nm)中。

图6(a)的反射光谱显示在阶梯级52处的一阶布拉格反射(关系(IB)中的m＝1)，而图6(b)的最大值通过在相邻阶梯级处的二阶布拉格反射产生，即关系(IB)中的m＝2。两个图示60、70的反射曲线的比较表明，即使级高度h_i增加一倍，也能通过相长干涉得到处于期望的质心波长中的颜色表现。对于m＝2的两倍级高度来说，最大值的半值宽度甚至小于m＝1的一倍级高度中的半值宽度。

为了更详细地研究图6的结构的颜色特性，将计算出的反射光谱62-66、72-76分别与D65标准灯的发射曲线和人眼的灵敏度进行卷积。由此计算出的色坐标X、Y、Z被换算为标准色值分量x、y并且在图7的CIE颜色图80中显示。

图6的反射光谱的色坐标分别用带有'的附图标记62'、64'、66'和72'、74'、76'表示。由标准色值分量给出的色坐标可以直接配置给人类在感知颜色时的感觉。为了定向，还画出了色彩空间(Farbschuh)86的白点82以及三角形84，该三角形限定通常可以用屏幕显示的颜色空间。

从图7中可以通过反射光谱的色坐标与白点82和屏幕三角形84的比较直接看出，按照本发明的阶梯状的布拉格干涉结构非常好地适用于形成高颜色饱和度的RGB颜色。对于具有一阶布拉格反射的结构(m＝1，色坐标62'、64'、66')和具有二阶布拉格反射的结构(m＝2，色坐标72'、74'、76')，都可以进行颜色表现。在两倍级高度(h_i＝360nm)中产生的绿色调甚至比在一倍级高度(h_i＝175nm)中的绿色调具有更高的饱和度，这可以从色坐标74'与白点82的距离比色坐标64'与白点82的距离更大看出。

为了进一步研究按照本发明的布拉格干涉结构在级高度连续改变时的颜色特性，对于分段镜的0.6μm和1.7μm之间的不同节高度h分别计算了反射光谱并且由这些反射光谱计算出在CIE颜色空间和LCh颜色空间中的反射的色坐标。

图8显示了阶梯状的、用铝涂层的布拉格干涉结构在分别嵌入n＝1.5的电介质中并且光垂直入射的情况下的结果，所述布拉格干涉结构具有4个阶梯级、W＝6μm的宽度和s＝40nm的金属层厚度。在此，与分段镜的节高度h相关地，图8(a)显示了计算出的亮度L*作为曲线90，图8(b)显示了计算出的色度C*作为曲线92并且图8(c)显示了计算出的色调h°作为曲线94。

作为增加的节高度的函数，图8(d)的曲线96显示了CIE颜色图中的色坐标的变化。曲线96在h＝0.6μm处的起点通过附图标记97表示，在h＝1.7μm处的终点通过附图标记98表示。极值之间的随着节高度增加的曲线走向通过箭头表示，并且白点82和屏幕三角形84也被画在色彩空间86中，以便定向。

由于阶梯级的数量分别相同，阶梯级的级高度h_i和分段镜的节高度h之间存在直接关系。从图8可以看出，在适当选择级高度的情况下，按照本发明的布拉格阶梯结构可以覆盖非常大的颜色空间范围。因此，通过这样的阶梯结构也可以不费力地产生真彩图像或者真彩图案。

图8进一步显示，按照本发明的布拉格干涉结构在反射中具有较高的亮度，尤其参见图8(a)中的亮度L*。结构的颜色印象基本上通过级高度h_i和周围电介质的折射率n给定。相反地，级宽度w_i和与相邻面元件的距离W对产生的颜色印象只有次要的影响。

图9说明了阶梯级52的面元件的尺寸对反射行为的影响。图9的反射光谱是针对具有图6(b)的参数的布拉格阶梯结构计算的，但宽度为W＝3μm而不是W＝6μm。宽度的减小意味着各个单独金属条的宽度w_i的相应减小。图示100显示了对于级高度h_i＝300nm(反射光谱102)、h_i＝360nm(反射光谱104)和h_i＝400nm(反射光谱106)的反射光谱。从图9和图6(b)的比较可以看出，反射曲线102、104、106或者72、74、76的最大值的位置几乎相同，但由于金属条较窄，反射的强度明显降低。

由反射光谱102、104、106对LCh参数的确定和与图7的参数的比较也表明，图9和图6(b)的阶梯结构的色调h°和颜色饱和度C*彼此非常相似，并且基本上只有图9的结构的亮度L*由于面元件较小而降低。

图10说明了阶梯级的数量对反射的颜色特性的影响。附图在图10(a)的图示110中对于不同的级高度h_i＝140nm(反射光谱112)、h_i＝175nm(反射光谱114)和h_i＝210nm(反射光谱116)显示了具有9级轮廓的布拉格干涉结构的反射光谱，并且在图10(b)的图示120中对于h_i＝300nm(反射光谱122)、h_i＝360nm(反射光谱124)和h_i＝400nm(反射光谱126)显示了反射光谱。干涉结构的其它参数与图6的参数一致。

图10和图6的比较显示了，不同级高度的光谱特征几乎没有变化，只是光谱的半值宽度在较高的级数量中更小。因此，通过叠加布拉格干涉结构的着色可以很容易地以数量大小不同的级进行，从而也可以对于不同陡度的分段镜进行。

在图11中显示了金属涂层的不同厚度s对反射特性的影响。在图6(a)的布拉格干涉结构中，阶梯级的铝涂层的层厚度为s＝40nm，由所述布拉格干涉结构出发，补充地计算了铝层厚度为s＝20nm(如图11(a)所示)和s＝80nm(如图11(b)所示)的结构的反射光谱。其余参数与图6(a)的结构的参数相同。

在图示130中，附图标记132、134、136表示在s＝20nm时对于h_i＝140nm、h_i＝175nm和h_i＝210nm的反射光谱，并且在图示140中，附图标记142、144、146表示在s＝80nm时对于h_i＝140nm、h_i＝175nm和h_i＝210nm的相应反射光谱。图6(a)、图11(a)和图11(b)的比较表明，铝层的层厚度的选择对颜色特征几乎没有任何影响。

最后，还以具有铝涂层的4级式的布拉格干涉结构为例，更详细地研究了所产生的色调的角相关性。图12的图示150一方面在光入射角为θ＝0°的情况下，对于具有级高度h_i＝300nm、360nm和400nm的布拉格干涉结构显示了在图6(b)中已经显示的反射光谱72、74、76。此外，在光入射角为θ＝20°的情况下，画出了对于相同级高度的反射光谱152、154、156。图示150清楚地表明，反射光谱的最大值几乎没有由于光入射角改变了20°或者所述结构倾斜了20°而改变。

颜色印象的只是较弱的角度相关性也能够由图13看出，其在图13(a)的CIE颜色图中比较了光入射角为θ＝0°时的色坐标72'、74'、76'和光入射角为θ＝20°时的色坐标152'、154'、156'。此外，图13(b)显示了在LCh颜色空间中计算的亮度L*作为曲线160(θ＝0°)或者曲线162(θ＝20°)，图13(c)显示了色度C*作为曲线170(θ＝0°)或者曲线172(θ＝20°)并且图13(d)显示了色调h°作为曲线180(θ＝0°)或者曲线182(θ＝20°)。

图12和图13表明，按照本发明的布拉格干涉结构50不需要特别地对于粗结构30的不同程度倾斜的面元件被调整，以便在反射中产生均匀的色调。这种较高的角公差即使在漫反射光源下也确保了颜色真实的再现。

与颜色印象有关的角公差适用于在布拉格平面之间的距离没有改变的情况。至少对于阶梯级和z方向之间的角α的较大变化，不再是这种情况。

在制造按照本发明的防伪元件时，例如可以按以下方式进行。阶梯状的布拉格干涉结构的原件例如可以通过平版印刷方法制造。在一个变型方案中，可以使用激光写入器曝光锯齿形的菲涅尔结构作为粗结构190。在此，各个单独的面元件192的结构宽度通常约为5μm。在随后的步骤中，这种粗结构在显影之后例如在Ormocer(改性陶瓷)中被重新复制并且被负型感光漆194覆盖，如图14(a)所示。

随后通过电子束曝光设备将期望的叠加的阶梯状细结构196与菲涅尔粗结构190精确套准地进行曝光。为此可以使用灰度曝光方法，如也在闪耀光栅的制造中使用的那样，因为在图14(b)中说明的级198与位于粗结构的倾斜的面元件上的各个单独闪耀光栅的几何形状一致。在去除曝光的感光漆194之后，形成了菲涅尔粗结构190与布拉格细结构196的期望的叠加，如图14(b)所示。

备选地，这种组合结构也可以通过基于双光子吸收过程的激光写入器在唯一的工序中直接曝光。其它的但比较耗费的备选方案是通过电子束曝光设备在唯一的曝光过程中对叠加的粗结构和细结构进行灰度曝光。在另一个备选方案中，灰度曝光可以在两级的曝光过程中进行，其中首先通过电子束写入粗结构，并且在第二曝光过程中通过电子束写入细结构。

与制造方法无关地，由此制造的原件可以电镀地或者通过纳米压印方法被重新复制。此外，通过热压印或者通过在模具上的纳米压印对原始图案的多重布置适用于制造压印滚筒，以用于之后的复制。这样的压印滚筒可以在卷到卷的工艺中在膜上实现原始结构在UV漆中的连续复制。在此非常有利的是，按照本发明的阶梯状的布拉格干涉结构具有较低的宽高比。因此，与在制造其它已知的纳米结构时不同，在压印滚筒中几乎不出现漆的粘连。这明显降低了制造成本并且提高了制造中的产量。

最后，用金属层覆盖这些膜的压印结构。在此优选考虑电子束蒸镀、热蒸发或者喷镀。作为金属，铝、银、金、镍或者铬以及这些金属的合金是特别适合的。金属涂层的厚度在约10nm至约150nm的范围内。备选地，压印结构也可以用金属印刷或者用金属薄片覆盖。

代替金属化(或称为镀金属)，也可以在压印结构上形成由具有高折射率的材料制成的涂层。作为高折射性的涂层材料，尤其考虑ZnS、ZnO、ZnSe、SiN_x、SiO_x、Cr₂O₃、Nb₂O₅、Ta₂O₅、Ta₂O₅和ZrO₂。此外，备选地也能够将半金属如Si或者Ge用作涂层材料。

然后，金属化的表面或者用高折射性材料或者半金属涂层的表面有利地被透明的保护层覆盖或者与覆盖膜粘合，以保护所述表面以后免受环境影响。

此外可行的是，通过例如纳米压印方法将之前描述的原件与其它的原件结构精确套准地进行组装。这个方法尤其适合于将这些布拉格干涉结构与其它已知的结构、如凸纹全息图、微镜或者纳米结构相结合。

多级蚀刻工艺或者多级压印模具也可以用于制造具有多级的阶梯结构。

在另一种变型方案中，压印结构的区域可以在金属化工艺之前用水洗油墨印刷，随即(在施加金属化部之后)在清洗步骤中将水洗油墨与施加在其上的金属化部的层区域共同洗掉。由此可以产生具有光学中性的或者透明的区域的图案。

附图标记清单

10钞票

12转移元件

14拱曲出的真彩人像

16防伪线

18拱曲出的星星

20防伪元件

20-A、20-B、20-C子区域

22反射性面区域

24压印漆

26金属化部

28凸纹结构

30粗结构

32定向反射的分段镜

34、36、38介电层

40三维视图

40-A、40-B、40-C防伪元件

42等高线

44梯度

50、50-A、50-B产生颜色的细结构

52金属化的阶梯级

60图示

62、64、66反射光谱

62'、64'、66'色坐标

70图示

72、74、76反射光谱

72'、74'、76'色坐标

80CIE色度图

82白点

84屏幕三角形

86色彩空间

90、92、94、96曲线

97、98起点和终点

100图示

102、104、106反射光谱

110图示

112、114、116反射光谱

120图示

122、124、126反射光谱

130图示

132、134、136反射光谱

140图示

142、144、146反射光谱

150图示

152、154、156反射光谱

152'、154'、156'色坐标

160、162亮度曲线

170、172色度曲线

180、182色调曲线

190粗结构

192面元件

194感光漆

196细结构

198阶梯级。

Claims (16)

1.一种用于为有价物品提供安全保障的防伪元件，具有反射性面区域，所述反射性面区域的延伸定义x-y平面并且所述反射性面区域在以反射光观察时产生多色的三维视图，其特征在于，

-反射性面区域包括用于产生三维视图的粗结构和与所述粗结构叠加的细结构，所述细结构用于产生视图的多色外观，其中，

-粗结构包括多个定向反射的分段镜，所述分段镜这样定向，使得反射性面区域能够被观察者感知为三维视图的形式，所述三维视图具有相对于其真实的空间形状突出和/或凹进的表面，并且

-细结构由具有阶梯级的阶梯状的布拉格干涉结构形成，在所述阶梯级上设计有反射或者增强反射的涂层，其中，所述阶梯级与粗结构的定向反射的分段镜叠加，并且所述阶梯级在观察时通过在相邻的阶梯级处的布拉格干涉产生颜色效果，其中，阶梯级的局部不同的高度在反射性面区域中产生三维视图的局部不同的颜色。

2.按权利要求1所述的防伪元件，其特征在于，所述反射性面区域的粗结构和细结构嵌入透明层、尤其是透明的介电层之间。

3.按权利要求1或2所述的防伪元件，其特征在于，所述粗结构的分段镜在x-y平面的至少一个空间方向上具有2μm至30μm之间、尤其是4μm至10μm之间的宽度。

4.按权利要求1至3中至少一项所述的防伪元件，其特征在于，所述粗结构的分段镜非周期性地布置。

5.按权利要求1至4中至少一项所述的防伪元件，其特征在于，与所述粗结构叠加的阶梯级在每个分段镜内具有相同的高度。

6.按权利要求1至5中至少一项所述的防伪元件，其特征在于，具有2至20个阶梯级、尤其是2至10个阶梯级的布拉格干涉结构在有色区域中与所述粗结构的分段镜叠加。

7.按权利要求1至6中至少一项所述的防伪元件，其特征在于，所述阶梯级的高度处于100nm至600nm之间，优选125nm至520nm之间并且尤其是150nm至425nm之间。

8.按权利要求1至7中至少一项所述的防伪元件，其特征在于，在斜度小于预设的阈值的较平的分段镜中，阶梯级的高度小于275nm，并且在斜度大于所述阈值的较陡的分段镜中，阶梯级的高度大于275nm。

9.按权利要求1至8中至少一项所述的防伪元件，其特征在于，金属化的阶梯级与z轴围成85°至120°之间的角α、尤其是不等于90°的角α。

10.按权利要求1至9中至少一项所述的防伪元件，其特征在于，所述阶梯级的反射或者增强反射的涂层由金属化部、尤其是由Al、Ag、Au、Ni、Cr或者这些金属的合金制成。

11.按权利要求1至10中至少一项所述的防伪元件，其特征在于，金属化部的厚度处于8nm至150nm之间、尤其是15nm至60nm之间。

12.按权利要求1至9中至少一项所述的防伪元件，其特征在于，所述阶梯级的反射或者增强反射的涂层由具有较高折射率的材料、尤其是由ZnS、ZnO、ZnSe、SiN_x、SiO_x、Cr₂O₃、Nb₂O₅、Ta₂O₅、Ti_xO_x或者ZrO₂制成，或者由半金属、尤其是由Si或者Ge制成。

13.按权利要求1至12中至少一项所述的防伪元件，其特征在于，所述阶梯级的宽度处于400nm至2μm之间、尤其是600nm至1μm之间。

14.按权利要求1至13中至少一项所述的防伪元件，其特征在于，所述阶梯状的布拉格干涉结构在反射性面区域的有色区域中产生在LCh颜色空间中给出的大于40、尤其是大于60的色度C*。

15.一种数据载体，具有按权利要求1至14中任一项所述的防伪元件，其中，所述数据载体尤其是有价文件或者证件卡。

16.一种用于制造按权利要求1至14中任一项所述的防伪元件的方法，在所述方法中，

-产生反射性面区域，所述反射性面区域具有用于产生三维视图的粗结构和与所述粗结构叠加的细结构，所述细结构用于产生视图的多色外观，

-将粗结构设计为具有多个定向反射的分段镜，所述分段镜这样定向，使得反射性面区域能够被观察者感知为三维视图的形式，所述三维视图具有相对于其真实的空间形状突出和/或凹进的表面，并且

-细结构由具有阶梯级的阶梯状的布拉格干涉结构形成，所述阶梯级与粗结构的定向反射的分段镜叠加，并且所述阶梯级在观察时通过在相邻的阶梯级处的布拉格干涉产生颜色效果，其中，阶梯级局部地设计具有不同的高度，以便在反射性面区域中产生三维视图的局部不同的颜色，并且其中，在阶梯级上设计反射或者增强反射的涂层。

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