CN1326554A - 光学组件 - Google Patents

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Abstract

一种用来认证和防伪的含两个或多个隐藏像的光学组件。当光学组件放在两个起偏器之间并旋转其中一个时,图像就会时隐时现。光学组件包含一个或多个光学延迟器,其中图像嵌在相邻的分开条纹或区域中,每个图像都与对偏振光的不同反应模式相关联。如果将组件安放在反射镜上一个就足够,而无需两个起偏器。

Description

光学组件
本发明涉及一种光学组件，它含有在正常情况下隐藏的图像。
本发明组件一个特定的应用领域是防伪和防复制行业以及简单易识的真品证明。
随着质量日益提高的复制技术为人们所掌握，伪造支票、信用卡、证券、身份证等的行为就越来越难于防范。而且每天都在制造冒牌产品(甚至包括假冒药品)以及盗版产品如软盘、计算机软件和电子芯片，并销往全世界。日益增多的造假行为亟需新型的防伪用并且眼睛和机器均能识别的防伪元件。
在支票、信用卡防复制等领域，出现过许多的防伪元件。取决于受保护物品的价值，采用了一些极其简单或复杂程度相对较高的元件。一些国家满足于给支票加上在复印件上呈黑色的金属条。虽然这种措施能防止对其进行复印，但是这种元件也相当容易仿制。与此相反，还有更为复杂的防伪元件，比如全息图像和影片图像。这类防伪元件的原理是光栅衍射现象并且需要从不同的视角进行观察以确认其真实性。这些衍射标签呈现出三维图像、变色或者动态效果，取决于观察角度并且只能按事先定制的标准或规则来进行检验。实际上无法用机器来解读采用了这种技术加密的信息，比如图像或数字。而且，这类元件的信息容量非常有限，并且只有光学专家才能明确区分出孰是赝品孰是真品。
经过对光衍射效应的深入研究，也应用在消费品如包装纸、玩具等上。所以其相应的制造方法已众所周知，因而极易仿冒。
除了上述的衍射元件以外，也出现了能满足理想的防复制要求的其它组件。包括如EP-A-689084或EP-A-689065所述的光学组件，即，带各向异性液晶层的组件，该液晶层有着分子局部取向的结构。
这类组件以复层结构为基础，此结构由一个取向层和一个与取向层接触且由彼此交联的液晶单体或预聚物形成的层构成。此时，取向层由光取向型聚合物网络(PPN)—与其它文献中所用的LPP意义相同—构成，在取向状态，通过事先设定的排列方式，界定出交替取向的各个区域。在液晶层结构的制造过程中，液晶单体或预聚物通过与PPN层反应而局部取向。这种取向行为，其特点尤其体现在光轴方向在空间依赖性上的改变，在后续的交联步骤中得以固定下来，之后形成取向图案预先设定的交联态光致结构液晶单体或预聚物(LCP)。如果凭空观察，取向图案本身以及写入交联LCP层内部的信息开始时是看不见的。层看上去是透明的。如果层所处的基体能透光，当把光学组件放在两个起偏器之间时，就可以看得到LCP取向图案或写入的信息。如果双折射LCP层处于反射层之上，那么只要拿一个起偏器放在组件上方就可以看见图案或相应的信息。LPP/LCP防伪元件可实现真正不受限制的信息贮存功能，其形式可以是文本、图像、图表以各种混排形式。同现有技术的防伪组件相比，LPP/LCP组件的出众之处在于，即使是非专业人员也能辨识出该防伪标签的真实性，因为实在没有必要去学习怎么来识别复杂的变色或动态效果。因为LPP/LCP防伪组件非常简单、可靠且解读快，所以机读和目视信息能共存于同一个防伪组件中。
但是风险依然存在，即随着时间的推移，造假者有可能掌握此项技术。
上述组件中存在一个图片化元件(无论是看得见还是看不见的)。
希望提高这种组件的保密或欣赏价值。
根据本发明，光学组件包含一个或多个嵌有许多图像的延迟器，图像的排列形式是，在组件平面上任意一点，一个元件只存在一个以下的图像，每个图像与对偏振光的不同反应相关联。可通过许多方式来实现这种关联作用，比如，将每个图像都嵌在带图案的延迟器(一个或多个)中，而每个延迟器其图案的光轴也各不相同。
本发明也提供了一种察看体系，包含偏振光源、一个偏振光可穿透的上述组件以及用来检测穿过组件的光的检偏器(实际上是偏振膜)，该检偏器能沿着光传播方向的轴线旋转。偏振光源可以是附在组件表面上的偏振膜。
由组件的表面区域经分割而来的并排的平行条纹中可含有不同的图像，所有条纹都优选比眼睛所能的分辨的要细；如果有n个图像，每隔n个条纹就会重复出现同一个图像。
这种光学组件的性能十分突出，适用于娱乐业、真品证明行业以及打击假冒伪劣产品，只要简单地旋转起偏器(＝检偏器)，就能连续看到许多在普通光线下全都可见的不同图像。以前按这种方法只能显现一个潜像。但保留了“单潜像”法的所有优点，参见EP-A-689065、PCT/IB98/00687或CH841/98。
本发明以下就实施例并参照附录草图来进行说明，其中：
图1给出的是带两个延迟器的本发明第一个光学组件的放大，在按该图所示方向通过检偏器进行观察时所看到的结果；
图2给出的是与图1相同的组件，在按图2所示方向通过检偏器进行观察时所看到的结果；
图3给出的是与图1相同的组件，在按图3所示方向通过检偏器进行观察时所看到的结果，形成与图1所示图像互补的负片；
图4给出的是与图1相同的组件，在按图4所示方向通过检偏器进行观察时所看到的结果，形成与图2所示图像互补的负片；
图5给出的是带条纹的光掩模，它包括图片I的信息。这种带条纹的光掩模是(该实施例)光学组件制造工艺中所必需的；
图6给出的是带条纹的光掩模，它包括另一个图像，图片II的信息。这种光掩模是光学组件制造工艺中可选的；
图7给出的是带条纹但全无其它图案的光掩模，即，不包括图片信息。光学组件的制造工艺中采用了这种带条纹的光掩模；
图8给出的是能反射图片II的光掩模。这种掩膜不包括图5、6和7所示的任何条纹；
图9给出的是各个图像(此处两个图像)其对比度对光学组件与检偏器间夹角的依赖性。该检偏器角以x轴为坐标(当检偏器与x轴平行时角度是0°)。在特定的检偏器角下，最高对比度达到极大值；
图10给出的是各个图像(此处两个图像)其对比度对检偏器角的依赖性，这是本发明另一个光学组件的情况并且在以下各图中会有所说明，此第二个光学组件带1个延迟器。检偏器角以x轴为坐标(当检偏器与x轴平行时角度是0°)。在特定的检偏器角下，最高对比度达到极大值；
图11给出的是放大的第二个光学组件，在按该图所示方向通过检偏器进行观察时所看到的结果；
图12给出的是第二个光学组件，在按与图11所示不同的方向通过检偏器进行观察时所看到的结果；
图13给出的是带条纹的光掩模，它包括第二个光学组件其图片I的‘正片’(‘正片’指的是亮背景上暗的信息图案)信息；
图14给出的是带条纹的光掩模，它包括图片I的‘负片’(‘负片’指的是暗背景上亮的信息图案)信息；
图15给出的是带条纹的光掩模，它包括另一个图像图片II的‘正片’信息；
图16给出的是带条纹的光掩模，它包括另一个图像图片II的‘负片’信息。所有图13-16的光掩模在光学组件的制造工艺例中都需要；
图17给出的是本发明光学组件按反射模式操作的示意图。
实施例1
通过在透明基体上施用一层适宜的取向型线性光聚合(LPP)物质，比如肉桂酸衍生物或阿魏酸衍生物，参见专利EP-A-611786、WO96/10049和EP-A-763552，来制备图1、2、3和4的光学组件。该层厚约50nm，透过图5所示的光掩模经由偏振方向不同的偏振光进行曝光。光掩模由相邻的不透明(II)和基本透明(I)的条纹交替构成，当投射在LPP物质层上时，每条宽1/8mm，比眼睛所能分辨的更细。条纹(I)本身被部分涂黑，在图像上留下正十字。第一LPP层的照射顺序见表3，最终结果见表1：穿过条纹I(图5)的亮图片区域的波长适宜的线性偏振光与x轴的夹角α是+13.5°(照射步骤1)；虽然图5所给的图片是正十字，但是任何图像均可采用。接着，将该掩膜换成图7所示的光掩模。两个掩膜的不透明条纹(II)重合在一起，但是图5中条纹I先前未曝光的区域此时就在α角-13.5°下进行曝光(照射步骤2)；最后除去该掩膜并采取与x轴平行(α＝0°)的第三个照射步骤，使图5的条纹II曝光(照射步骤3)。经过三个照射步骤之后，第一LPP层的所有区域均经由波长适宜的偏振光曝过光。曝光操作可按各自不同的优选排列方式来引发聚合反应。
接着为第一LPP层涂上具双折射特性的交联型液晶单体或预聚物混合物(LCP)，比如详述见下的LCP混合物MLCP。(膜厚为1.5μm的MLCP其光学各向异性值Δn为0.13)。LCP物质所采取的排列方式(如果有的话)是紧邻其下的LPP层区域。然后经由波长适宜的非偏振(各向同性)光进行总体曝光，使LCP物质交联(表3中照射步骤4)。
随后将第二LPP层(膜厚约50nm)直接涂在前一LCP层上。同第一LPP层类似，第二LPP层再经过波长适宜的偏振光4次曝光(表3中的照射步骤5～8)：穿过光掩模条纹I亮图片区域(图5)的线性偏振光与x轴的夹角α是+31.5°(照射步骤5)。接着将该掩膜换成图7所示的光掩模并且图5中条纹I先前未曝光的区域此时就在α角-13.5°下进行曝光(照射步骤6)。然后将此时的掩膜(图7)换成图8不带任何条纹的光掩模；虽然图8所示的图片II是对角线十字，但是任何图像均可采用。条纹II尚未曝光的亮区域以α角为+45°的偏振光进行照射(照射步骤7)。最后也将此掩膜除去并且所有先前未曝光的区域都经由与x轴平行(α＝0°)的偏振光进行照射(照射步骤8)。曝光操作可按各自不同的优选排列方式引发聚合反应。
接着为第二LPP层涂上具双折射特性的交联型液晶单体或预聚物混合物(LCP)，比如LCP混合物MLCP(膜厚为1.5μm的MLCP其光学各向异性值Δn为0.13)。LCP物质所采取的排列方式(如果有的话)也是紧邻其下的LPP层区域。然后经由波长适宜的非偏振(无需任何掩膜)光进行总体曝光，使LCP物质交联(照射步骤9)。
每个延迟层可以有相同(此处)或不同的光学延迟值Δnd。
在普通光中透明的光学组件其制备过程到此结束。
在实际应用中，按以下方法来查验光学组件的真实性。
将其放在能发射线性偏振光的光盒上，并显示出透光性。
查验时，通过一个带偏振栅的旋转膜进行观察；此膜称为检偏器。
总而言之，因为两个图像对偏振光的反应模式不同，所以在旋转检偏器时先出现正十字(条纹I，图1)并随后消失，变成在检偏器继续旋转时也会消失的对角线十字(条纹II，图2)。如果按此法进行查验，很容易就可以查明未知真伪的物品是否能显示两种不同的图像。在图9中再次显示出对比度对检偏器角的依赖性。
更具体而言，图像的外观取决于下表所示的多个角度和延迟值，其中各个符号的意义如下：
δ1 第一LCP层的光轴；
δ2 第二LCP层的光轴；
x轴 按查验要求排列的偏振栅轴；α＝0°表示与x轴平行
x，y 色轴指的是色度表中的位置；比如，图2中的条纹I看上去从灰到略棕色；通过计算得出这些条纹的色轴是x＝0.3684和y＝0.3609，使得其外观稍微略带棕色。
公称亮度 1.000＝查验光在通过平行排列的起偏器和检偏器进行观察时的亮度，不存在延迟效应。
Δnd1，Δnd2 LCP层的光学延迟值(Δnd1＝Δnd2＝0.2μm)
d1，d2  LCP延迟层的厚度(d1＝d2＝1.5μm)
表2给出的是适宜的对比率和颜色的计算值，可通过实施例1所述的光学组件来达到该值。
实施例2
在本发明另一个实施例中，可制备只带一个延迟层的类似安全组件。可通过上述步骤对该组件的真实性进行查验。旋转检偏器时，在特定的旋转角度下可得到最高对比度的极大值，每个角度只能看到多个图像中的一个(图10)(其余的全部不可见)。
通过在透明基体上施用一层适宜的取向型线性光聚合(LPP)物质，比如肉桂酸衍生物或阿魏酸衍生物，参见专利EP 611786、WO96/10049和EP 763552，来制备图11和12的光学组件(虽然这里并没有给出与其互补的‘负片’，但是当检偏器与x轴的夹角分别是0°和-45°时，就会出现该情况—与实施例1相同)。该层厚约50nm，透过图13所示的光掩模经由偏振方向不同的偏振光进行曝光。光掩模由相邻的不透明(II)和基本透明(I)的条纹交替构成，当投射在LPP物质层上时，每条宽1/8mm，比眼睛所能分辨的更细(图14、15和16所示的膜，其分辨率也如此)。条纹(I)本身被部分涂黑，在图像上留下字符“3”。该LPP层的照射顺序是：穿过条纹I(图13)的亮图片区域的波长适宜的线性偏振光与x轴的夹角α是+45°(照射步骤1)；虽然图13所给的图片是字符“3”，但是任何图像均可采用。接着，将该掩膜换成图14所示的光掩模。该掩膜—除了不透明条纹II—正是与图13所示掩膜互补的‘负片’，两个掩膜的不透明条纹(II)重合在一起，但是图13中条纹I先前未曝光的区域此时就在α角0°进行曝光(照射步骤2)；然后加上一个包括有图片II图像信息的第三掩膜(图15)；虽然图15所给的图片是字符“4”，但是任何图像均可采用。穿过光掩模(图15)条纹II的亮图片区域的线性偏振光与x轴的夹角α是+22.5°(照射步骤3)。接着将该掩膜换成图16所示的光掩模并且图15中条纹II先前未曝光的区域此时就在α角+67.5°进行曝光(照射步骤4)。曝光操作可按各自不同的优选排列方式引发聚合反应。
接着为该LPP层涂上具双折射特性的交联型液晶单体或预聚物混合物(LCP)，比如LCP混合物MLCP(膜厚为1.5μm的MLCP其光学各向异性值Δn为0.13)。LCP物质所采取的排列方式(如果有的话)是紧邻其下的LPP层区域。然后经由波长适宜的非偏振光(无需任何掩膜)进行总体曝光，使LCP物质交联(照射步骤5)。
在普通光中透明的光学组件其制备过程到此结束。
在实际应用中，按以下方法来查验光学组件的真实性。
将其放在能发射线性偏振光的光盒上，并显示出透光性。
查验时，通过一个带偏振栅的旋转膜进行观察；此膜称为检偏器。
总而言之，因为不同图像对偏振光的反应模式不同，所以在旋转检偏器时先出现字符“3”(条纹I，图13)并随后消失，变成在检偏器继续旋转时也会消失的字符“4”(条纹II，图14)。如果按此法进行查验，很容易就可以查明未知真伪的物品是否能显示两种不同的图像。
如果将实施例1和2所述的光学组件放置或贴附在能保持入射光偏振方向的反射镜的上方，而且采用的是能沿着已穿过起偏器和光学组件的光其传播方向的轴线旋转的起偏器，该光线经过所述反射镜反射后可再次穿过光学组件和所述的起偏器(如图17所示)。然后就能看到与在实施例1和2所示的透射模式下所见类似的图像：通过旋转所述的起偏器，就能在起偏器特定的旋转角度下得到每个图像其最高对比度的极大值，使得在每个角度下都能看到其它角度所看不到的图像；因为光学延迟值和光轴并不是反射操作模式的理想之选，图像看上去略蓝/白或者是紫/略白，对比度较差。
仍以举例的方式说明于本发明可用的PPN(＝LPP)和LCP层其制备方法，详述见下。1.PPN层的制备
适宜的PPN物质如专利EP-A-611786、WO 96/10049和EP-A-763552所述，比如肉桂酸衍生物或阿魏酸衍生物。对于前述的实施例而言，选择以下的PPN物质：聚合物：
Figure A9981318800111
将玻璃盘以PPN物质的2％环戊酮溶液在2000rpm下纺涂1min。然后在120℃热盘上干燥该层5～10min。接着在室温下将该层经高压汞灯的线性偏振光曝光20～405s(取决于灯的强度和光学组件中LPP/LCP层的个数)。该层随后被用作液晶的取向层。2.用于LCP层的交联型LC单体的混合物MLCP。
在实施例中，以如下的二丙烯酸酯组份用作交联型LC单体。
Figure A9981318800122
利用这些组分，可得到熔点极低(Tm～35℃)的超冷型向列混合物MLCP，实现LCP层的室温制备。
混合物中含有组成如下的二丙烯酸酯单体：
单体1 80％
单体2 15％
单体3 5％
除此之外，向混合物中添加2％的Ciba-Geigy光引发剂IRGACURE(商标)。
然后将混合物MLCP溶解在苯甲醚中。通过调整苯甲醚中MLCP的浓度，就有可能在很宽的范围内调节LCP层的厚度。尤其是针对本专利所述的光学组件例而言，所需的延迟值Δnd＝0.2μm是能够达到的。
为了使LC单体发生光引发的交联反应，各层在惰性气氛下经由氙灯的各向同性光曝光约5～30min(取决于灯的强度)。
上述的光学效应，以及相应的层结构和物质组成，仅代表本发明众多可选方案中的一个，而且尤其可经由多种方式的组合来制造防伪元件。
因此，除了所述用来产生可用于光学组件，比如防伪元件中光学效应的LCP层以外，任何其它类型的双折射层当然也是可能的。
对于上述实施例而言进一步可能的是，不仅可以采用PPN取向型层而且还可以是与PPN层性能相同或相似但取向型不同的层，取决于所需的光学性能和分辨率。也可能的是，采用结构与之对应的基体来产生延迟层所需的取向状态。具备这类结构的基体，比如可经由雕刻、刻蚀和刮刻法进行制备。
表1：LCP层光轴的排列方式和光学组件的视觉外观。Δnd1和Δnd2是LCP延迟层的光学延迟值，Δnd1＝Δnd2＝0.2μm
Figure A9981318800141
表2：对比度
Figure A9981318800151
表3：经线性偏振及各向同性光照射的各个步骤的先后顺序，以制造实施例1的光学组件(图中有图)
亮区       暗区        亮区     暗区
  基体  基体  基体 基体
第一LPP层 第一LPP层 第一LPP层 第一LPP层
条纹掩膜(图片I) 条纹掩膜I   掩膜(图片II)：<无需掩膜>
起偏器与x轴的
         α＝+13.5°α＝-13.5°<α＝0°>夹角照射步骤号：     1          2          3
    基体     基体     基体     基体
  第一LPP层   第一LPP层   第一LPP层   第一LPP层
    LCP层     LCP层     LCP层     LCP层
照射步骤号：
        <        4        >(各向同性光)
    基体   基体   基体    基体
  第一LPP层 第一LPP层 第一LPP层 第一LPP层
    LCP层   LCP层   LCP层   LCP层
  第二LPP层 第二LPP层 第二LPP层 第二LPP层
  条纹掩膜(图片I) 条纹掩膜I 掩膜(图片II) 掩膜(图片II)：不需要
起偏器与x轴的
         α＝+31.5°α＝-31.5°α＝+45°α＝0°夹角照射步骤序号：    5          6          7       8
    基体     基体     基体     基体
  第一LPP层   第一LPP层 第一LPP层   第一LPP层
    LCP层     LCP层   LCP层     LCP层
  第二LPP层   第二LPP层 第二LPP层   第二LPP层
    LCP层     LCP层   LCP层     LCP层
照射步骤号：
       <      9      >(各向同性光)偏振光的照射方向＝起偏器与x轴的夹角

Claims (12)

1.一种光学组件，包含一个或多个嵌有许多图像的延迟器，图像的排列方式是，在组件平面上任意一点，一个元件只存在一个以下的图像，每个图像与对偏振光的不同反应相关联。
2.权利要求1的光学组件，其中有许多嵌有图像的延迟器，延迟器的延迟值Δnd相同或不同。
3.权利要求1或2的光学组件，其中图像嵌在一个或多个延迟器上，所带的每个特定图像花纹其光轴都与其它特定图像花纹有所不同。
4.前述任意一项权利要求的光学组件，其中各个图像包含在交替区域中。
5.前述任意一项权利要求的光学组件，其中各个图像包含在连续的可选并排条纹中。
6.权利要求4或5的光学组件，其中所有的区域或条纹都比眼睛的分辨率的要小或细，使所得到的光学组件中一个或多个图像是照片。
7.权利要求4、5或6的光学组件，其中带有n个图像，每隔n个条纹或n个区域就会重复出现同一个图像。
8.用于防伪和/或防复制的元件，其特征在于前述任意一项权利要求的光学组件。
9.一种察看体系，包含偏振光源、偏振光可穿透的前述任意一项权利要求的光学组件以及用来检测穿过光学组件的光的检偏器，该检偏器能沿着光传播方向的轴线旋转；因此通过旋转检偏器，就能在检偏器特定的旋转角度下得到每个图像其最高对比度的极大值，使得在每个角度下都能看到其它角度所看不到的图像。
10.权利要求8的体系，其中偏振光源是附在组件表面上的偏振膜。
11.权利要求9或10的体系，其中检偏器是一种偏振膜。
12.一种察看体系，包含一个能保持入射光偏振方向的反射镜、贴附在所述反射镜上的权利要求1～7的光学组件以及能沿着光传播方向的轴线旋转的起偏器，从而穿过起偏器和光学组件的光经过所述反射镜反射后可再次穿过光学组件和所述的起偏器，因此通过旋转所述的检偏器，就能在检偏器特定的旋转角度下得到每个图像其最高对比度的极大值，使得在每个角度下都能看到其它角度所看不到的图像。
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