CN1729411A - 基于微光学格栅结构的视觉效果 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在衬底(S)上形成的微光学格栅结构(G)，优选地其作为表面格栅结构制造。本发明还涉及一种用于制造所述格栅结构的方法。此外，本发明还涉及一种包括一个或几个图案区域(A，B，C，D)的产品，该单个图案区域由通过根据本发明的格栅结构制造。根据本发明格栅结构(G)布置成通过将从格栅结构衍射的和对应于设计波长(λ)的光基本上引导到仅仅几个衍射级(m)，为观看者提供基于光的衍射的全息的或对应的视觉效果。因此单个的衍射级(m)对应于在所述设计波长(λ)上观察到的视觉效果的某一观察方向。根据本发明格栅结构布置成在相邻的观察方向之间保留角度的自由范围，使得从对应于所述角度范围的方向检查的格栅结构(G)不会为观看者产生一个基于衍射的清楚可见的效果，因此所述格栅结构基本上是透明的。本发明适合于产生视觉效果，所述视觉效果在上述方式中是透明的，但是同时沿观察方向例如在上述透明的衬底上是清楚可见的。
Description
技术领域
本发明涉及一种在衬底上形成的微光学格栅结构。本发明还涉及一种制造上述类型的微光学格栅结构的方法。本发明还涉及一种包括一个或几个上述类型的微光学格栅结构的产品。
背景技术
目前，基于光干涉的全息图和相应的衍射元件被非常广泛地用于各种目的。典型的全息图的应用包括例如防止伪造(例如身份证、付款方式、录音、软件产品)、提高产品在激烈的市场竞争中的吸引力以及强调特别高的质量、“高技术”或产品的开创性。
对于适合于这些目的的全息图有多种已知的制造技术。
常规的全息图的制造技术是基于不同曝光方法的利用。在这些方法中，全息图需要的衍射容积格栅在一个感光性衬底曝光上移动并且不用机械地成形衬底。 适合此目的的感光性衬底材料包括例如感光聚合物、重铬酸盐凝胶、和卤化银。通过固定包含在目标的表面例如产品包装表面上的全息图的衬底，可以进一步地将用这种方法制造的全息图移动到期望的目标。
全息图还可以通过所谓的压花法制造。在以压花法为基础的技术中，在印刷装置中作为表面图案复制的全息图可以通过使其作为一表面格栅按压在衬底上来机械地移动。在这种情况下，衬底通常是一金属薄膜或一金属化的薄膜，例如铝化/铝膜。在这些应用中，金属/金属化的薄膜的一个重要作用是用作衬底，以及提高来自全息图的光的反射能力，从而提高视觉效果的分辨能力。通常由压花的方法制造的全息图也可个别地制造在合适的衬底上，例如在铝化薄膜上，并且仅在其后通过固定所述包含在目标表面的全息图的衬底将由压花的方法制造的全息图移动到最终的目标上。
在全息图或相应的视觉衍射效果的许多应用中，非常期望的是通过全息图获得的视觉效果既容易辨别，但是同时至少有些“透明”。这样就能够在效果下例如在身份证中来检查文本和图像，或者当在各种产品包装中使用效果时能够用来检查产品本身。
当在上述目的中考虑视觉效果的透明度时，应该将携带全息图的衬底(例如与透明的衬底相对的不透明的金属薄膜)的透明度以及视觉效果本身的“透明度”的概念分开，该透明度由在所述表面上充当一定容积或表面格栅的全息图产生。因此后一个透明度表示一种方式，在该方式中由全息图产生的视觉效果因其亮度干扰地“覆盖”了位于衬底上或衬底后面的标记或图案。下文中，通过认为前一个概念是衬底材料的透明度，而认为后一个概念是在衬底上实施的视觉效果的透明度来将这两个概念彼此分开。
美国专利5,142,384公开了一种解决方案，在某种程度上其目的满足上面提出的对于衬底材料的透明度以及在衬底上实施的视觉效果的透明度的分开的要求。根据所述公开的技术，通过曝光技术(卤化银作为感光物质)可将基于利用容积格栅的所谓李普曼-布拉格型反射全息图制造在透明薄膜上，并且所述薄膜可进一步布置为产品包装中的窗口。根据该公开，李普曼-布拉格全息图的特征在于其能够仅在相对全息图的预期观察方向±20°的视角中清楚地辨别，所述观察方向通常垂直于衬底表面。在所述视角之外，全息图不是清楚可辨的，反过来，其中能够更清楚地看到全息图下面的文本或产品。当顾客预期的并具有李普曼-布拉格全息图的产品包装位于例如商店中的搁架上时，全息图会在某一视角闪入视野，并吸引顾客的注意。
美国专利5,128,779公开了一种解决方案，其中反射全息图的部分透明度是基于至少在某种程度上所用的作为全息图衬底的透明材料多处都由反射薄膜覆盖的事实。 在没有反射薄膜的部分，所述衬底至少在一定程度上是透明的。在该公开中效果本身的透明度不会变得明显。
美国专利5,585,144公开了一种反射全息图，其中用油墨产生的字符或图像与通过压花的方法产生的全息图的微光学表面结合。该结构还包括一反射薄膜，在反射薄膜顶部全息图效果和使用油墨产生的字符/图像是可见的。由于使用了反射薄膜，该结构整体上不是透明的，因此并不适合于例如在产品包装的窗口中使用。
通过现有技术的所有上述解决方案，能够获得在某些方面透明的全息效果，然而，认为它们尤其在这种实施例中是令人不满意的，在这些实施例中的目的是通过例如各种包装材料或印刷产品的大规模生产来产生全息效果。在现有技术的解决方案中，在沿期望方向以可见的期望颜色实现视觉效果的能力方面还存在相当多的限制。最后提到的方面是重要的，例如当目的是在全息图中以其原始色彩来表现各种标志或商标的颜色时。
基于曝光技术的各种解决方案和通过所述技术(例如US5,142,384)在衬底上产生的容积格栅都不是特别适合于大规模生产，并且由于其中的生产方法，有必要为衬底和其材料(感光化合物)规定相当特殊的要求。关于衬底，在这些解决方案中不必获得非常好的衬底透明度，因为容积格栅总是要求某一最小厚度的衬底，以及必须使用适合于此目的的感光材料作为衬底。在US5,142,384中公开的基于容积格栅的李普曼-布拉格全息图在视角方面也具有一些有效的限制，所述限制可防止视觉效果的实现，使得其在特殊的期望方向是可见的。此外，李普曼-布拉格全息图的亮度通常是相当普通的。
在通过压花方法产生的现有技术的全息图中，通常实际上是通过布置在衬底中或与衬底相连的光反射层来提高全息图的分辨能力，当然该光反射层会限制效果/衬底的透明度，并会减少适合于用作衬底材料的选择。如果不使用反射层，现有技术中基于表面格栅的解决方案会产生相当普通亮度的效果。
发明内容
本发明的一个目的是公开了一种新型的用于根据光的衍射产生全息图或全息图类的视觉效果的解决方案。本发明的一个特殊目的是介绍一种解决方案，其适合于在衬底上产生基本上是透明的、但是同时在某些条件下非常明亮、因此容易辨别的视觉效果，优选地所述衬底本身是透明的。利用本发明还能够在不透明的衬底上产生透明的视觉效果。根据本发明的实施例不必要求在衬底上使用特殊的反射金属层等类似物来提高效果的辨别能力。
实际上，本发明解决了在现有技术的全息图中作为在全息图的良好分辨能力(明亮度)和视觉效果的透明度之间的某种反例出现的问题。
通过本发明，在其优选实施例中，能够例如在明亮的、基本上完全透明的塑料薄膜上产生视觉衍射效果，所述视觉衍射效果仅可以从某一方向分辨，当从其它方向检查时塑料薄膜和由塑料薄膜携带的效果基本上是透明的。这种塑料薄膜例如能够用作包装材料，透过该包装材料能够检查其中包装的产品。
另一方面，通过本发明能够在不透明的纸张或纸板上产生透明的视觉衍射效果，因而，从某些方向所述效果能够辨别印刷在所述材料上的文本或图案，而不受视觉效果的干扰。衬底本身也可以是以不同方式过虑和/或反射光的材料，即实际上它们是有色的材料。
通过本发明能够实施一种视觉衍射效果，使得其在某一方向以期望的颜色可见。这是尤其重要的，例如当目的是复制某些产品颜色或特征颜色时。
为了达到这些目的，根据本发明的产生视觉衍射效果的微光学格栅结构的主要特征将在附加的独立权利要求1的特征部分中提供。
反过来，根据本发明的用于产生视觉衍射效果的微光学格栅结构的方法的主要特征将在附加的独立权利要求9的特征部分中提供。
反过来，包含根据本发明的微光学格栅结构的产品的主要特征将在附加的独立权利要求17的特征部分中提供。
另外，从属权利要求将提供一些本发明的实施例。
本发明主要基于一种思想，即在衬底上产生微光学衍射格栅结构，优选地是表面格栅结构，考虑到非常有限数量的不同衍射级，所述格栅结构布置成引导视觉效果(全息图)。减少衍射级数量的一个中心因素是用于格栅周期的足够小的数值的选择。
优选地，基本上仅在一个或最多几个衍射级反射视觉效果，所述衍射级对应于视觉效果的不同观察方向。在下文，本申请中的术语观察方向表示从该方向能够辨别根据本发明的视觉效果的观察方向。当在观察方向以外或从观察方向之间的角度范围检查时，根据本发明的视觉效果基本上是“透明的”。
因为当和本发明比较时，现有技术的解决方案中具有明显更多数量的观察方向(例如＞10)，所以在这些观察方向之间不会保持这种角度范围，其中通过本申请中提到的方式效果是透明的。因此可以说本发明的基本思想是，首先，在本发明中限制了观察方向的数量，其次，在超过一个观察方向的情况中，以这样一种方式实施使得在观察方向之间保持足够大的区域的自由范围，其中效果是透明的。此外，本发明提供了一种影响不同观察方向的相对亮度的可能性，所述亮度由对应于不同观察方向的衍射级的衍射效率确定。
因为现在如此引导由格栅结构反射的光使得其仅被反射到几个观察方向，所以在这些方向能够观察到一个明亮的视觉效果。在除上面提到的观察方向之外的观察方向中，根据本发明的格栅结构不会产生显著的衍射效果，即不会衍射地反射光，其中衬底表面虽然具有稍微的漫反射，但是在观看者看来和完全没有所述格栅结构的表面相似。因此，在这些其它观察方向，衍射效果本身基本上是透明的，从而能够辨别衬底上的印刷物或其它标记，而不受效果的干扰。
当衬底材料透明时，本发明能够获得在偏离观察方向的其它观察方向透过衬底看到在衬底后面的目标的良好能见度。
当将光的反射引导到仅仅一个或几个窄小范围的区域即观察方向时，在这些方向可以明亮地辨别效果。因此，在根据本发明的解决方案中，还能够使用透明的材料作为衬底，该透明材料本身基本上不会反射光。在现有技术的全息图中，从格栅结构反射的光在几个衍射级上分布，这减弱了单个衍射级的亮度。因此，在现有技术的解决方案中，常常必须例如通过使用铝膜来提高衬底的反射能力。当然，这就消除了实施完全透明的结构的可能性。
在本发明的优选实施例中，格栅结构的特性布置成使得从格栅结构衍射的光被引导到-1衍射级，其中能够获得高的衍射效率。
在本发明的优选实施例中，优选地格栅结构在衬底上形成为一个表面格栅结构，优选地利用压花法进行制造。然而，本发明不仅仅局限于纯粹的表面格栅结构，但是也能够用合适的保护层保护根据本发明的格栅结构，例如使用涂漆层保护的结构。根据本发明的格栅结构还可以实施成各种部分或全部嵌入的格栅结构，例如其可以通过层压法进行制造。
作为本发明的格栅结构的衬底，优选地是使用基本上透明的、光亮的塑料类材料。因此，通过根据本发明的解决方案，可以得到用于衬底和视觉效果的基本上透明的薄膜，其可以用作例如包装材料。在除观察方向以外的观察方向，这种包装材料例如塑料薄膜是透明的，从而能够透过表面检查其中包装的产品。例如，薄膜上的全息图在以全息图为特征的观察方向光亮地闪入视野，从而吸引顾客的注意。
还能够使用例如纸张或纸板作为衬底材料，其中能够在不同的印刷产品中实施根据本发明的效果。此外，合适的衬底材料还包括各种金属或金属化薄膜，其可以反射光和加强全息效果。
通过根据本发明的衍射格栅结构，能够在衬底上产生一个或几个产生视觉效果的图案区域，所述图案区域能够部分地或完全地覆盖衬底区域。单个图案区域例如可以表现为图像、字母、字符、背景图案或其它视觉效果。因此通过几个图案区域能够实现例如文本或图像。
也可以只使用一单个图案区域基本上覆盖衬底的整个有效表面区域。
以这样一种方式可以实施不同的图案区域，使得它们共用相同的观察方向，或者使得在不同的图案区域之间存在不同的观察方向。还可以以这样一种方式实施图案区域，使得能够从薄膜状或平面的衬底的不同侧面检测到它们。
以这样一种方式实施单个图案区域，使得选择的“设计波长”被反射到以图案区域为特征的观察方向，即从所述观察方向在期望的颜色中可以观察到效果。在围绕该观察方向的角度的窄小范围中，能够看到作为围绕所述设计波长形成的光谱的效果。
两个图案区域可以具有相同的观察方向，但是当从所述观察方向检查时，所述图案区域可以在彼此不同的颜色中辨别，即可以为其选择不同的设计波长区域。
可以在衬底上产生根据本发明的一个或多个图案区域，通过将包含视觉效果的所述衬底附着在最终目标例如作为一粘胶标签的表面上可以移动该衬底。优选地，然而可以直接在最终目标上例如在用作包装材料的塑料薄膜上或在印刷产品的纸张上产生根据本发明的一个或多个图案区域。在大规模生产中，优选地使用压花技术进行实施。
附图说明
对于本领域技术人员来说通过下面的描述，本发明和其基本特性以及通过本发明可以获得的优点将变得更加明显，其中通过几个选择的实例更详细地描述本发明，同时参考附图，其中
图1原则上示出了最重要的格栅参数的定义以及具有两个实际的衍射级的光束分布的第一替换方案，
图2原则上示出了类似于图1的方式的光束分布的第二替换方案，其中出现了四个实际的衍射级，
图3原则上示出了类似于图1的方式的光束分布的第三替换方案，其中一个根据本发明的优选实施例仅出现了一个实际的衍射级，
图4示出了在衬底上形成的图案区域的实例，它们的观察方向以及设计波长，
图5示出了在一种情况下在衬底上形成的图案区域的实例，其中图案区域的观察方向设计成彼此偏离，
图6示出了一种替换方案，其基本上为三角格栅轮廓，
图7示出了一种替换方案，其基本上为正弦曲线状格栅轮廓，
图8示出了一种替换方案，其基本上为火焰状格栅轮廓，
图9说明了一种根据本发明的展示包含视觉效果的产品的方式，以及
图10说明了一种根据本发明的包含视觉效果的产品包装。
发明内容
在下文中，通过主要用作例子的基于表面格栅结构的实施例更详细地描述本发明。
首先，将论述根据本发明这种衍射格栅结构的特性，利用该特性通过将光的反射引导到几个，优选地基本上是仅仅一个衍射级/观察方向，可以获得由格栅结构产生的视觉效果的“透明度”。此外，将提供如何通过影响衍射级的效率来影响不同观察方向的相对亮度。
其后，将论述通过本发明产生的图案区域的特性以及它们在产生视觉效果中的应用。
此外，将提供在其上能够实施根据本发明的格栅结构的衬底材料的实例以及一些其它格栅轮廓类型的实例。
最后，将提供在各种产品中通过实施本发明的视觉效果的应用实例。
格栅结构
通常，根据本发明在制造视觉衍射元件的起始点是周期的衍射格栅G，该衍射格栅G根据如公知的格栅方程式(1)将入射到该格栅上的光分布到在不同方向反射的多个部分。
Sin(α)＝sin(β)-m*λ/d (1)
其中α是光的入射角，
β是光的出射角，即衍射角，
m是衍射级(整数)，
λ是光的波长，以及
d是格栅周期
图1至3显示了在所谓二元表面格栅的情况下，在衬底S上形成的格栅结构G的最重要的格栅参数d、h、c的定义，并且图1至3说明了当波长为λ的光入射到位于透明塑料衬底S上的表面格栅G上时的三种不同光束分布的可替换方案。
上述参数是：格栅周期d，格栅深度h和格栅轮廓的宽度c。格栅轮廓的宽度c还能够表示为格栅的所谓填充系数，即格栅线相对应格栅周期d的长度。
在图1和2的情况中，光的入射角α相对于格栅表面的法线z是-30°，在图3的情况中，入射角α对应于所谓的布拉格入射角。相对于表面的法线z来确定这些角度以及从该表面反射并对应于不同衍射级m的光束的衍射角β，从而分别地使位于表面法线z的右手侧的角度表示正角度值，位于左手侧的衍射角表示负角度值。
在图1的情况中，按照比值d/λ＝1.5的方式选择格栅参数，在图2中，按照比值d/λ＝2.1的方式进行选择，在图3的情况中，按照比直d/λ＝1.2的方式进行选择。应该注意，由于图1至3只是在原理上绘出的，因此没有通过绘图方法绘出其中格栅周期d的变化。
通过将上述值代入到格栅方程式(1)，得到根据附加表1的对应于各个衍射级的衍射角β，所述衍射角因此对应于图1至3中所示的情况。表1还示出对应于不同衍射级m的衍射效率，所述效率描述了从格栅G衍射到所讨论的衍射级的能量。在本文中稍后将更详细地描述衍射效率地计算。图1至3和表1清楚地示出根据本发明当减小格栅周期d时，递增的(progressive)衍射级的数量减少，换句话说，通过格栅产生的效果的观察方向的数量减小。
在衍射格栅的情况下，衍射级m＝0不能被认为是实际的衍射级，并且原则上，该衍射级也不能用于产生全息图效果。衍射级m＝0的反射对应于垂直面反射(normal surface reflection)，即当从对应于衍射级m＝0的方向观察格栅G时，仅仅可以看到位于方向α上的光源的图像。
衍射级m＝-1是根据本发明优选实现的视觉全息图效果的衍射级，因为通常能够在该衍射级获得最佳的衍射效率。换句话说，当相对于格栅G的表面的法线z的光源入射角α和所需效果的视角β固定时，其任务是根据格栅方程式(1)选择一个比值d/λ，在该比值对应于衍射级m＝-1的设计波长λ的反射可以从期望的为效果设计的观察方向β看到。
表1示出比值d/λ对递增级的数量以及对以其为特点的衍射角β具有相当重要的影响。例如，在对应于表1的图1的部分中，可以看出由在衬底S表面上的表面格栅G形成的图案区域，即在衬底S表面上“填充”有表面格栅G的区域可以仅在对应于衍射级m＝-1和m＝-2的观察方向作为全息图效果被看到。在这些衍射级之间的角度的自由范围中，不能观察到任何有效的衍射效果，换句话说，衬底S的表面看起来大体上与在所述图案区域外部没有表面格栅G的衬底S的表面相似。
当透明塑料薄膜用作衬底S时，从偏离所述观察方向m＝-1或m＝-2的视角获得通过该塑料薄膜的良好透明度，但是从对应于这些观察方向的视角可以观察到明亮的全息图效果。
在表1中显示的用于实际衍射级的效率值是借助于根据本发明的解决方案在透明塑料衬底的情况下获得的这些效率的典型例子。实际上，这些效率足以产生清晰可辨的效果。
为了根据本发明获得对于视觉效果来说足够的透明度，一个重要的方面是以这样一种方式实施格栅结构G使得仅仅能够在观察方向附近在相对小的角度范围辨别效果，以及当使用几个观察方向(衍射级)时，相同观察方向之间的角差(角度的自由范围)也必须足够宽。在对应于实例情况的衍射级之间的角度自由范围如表1所示。这些角度自由范围足够宽以便产生根据本发明在观察方向之间的透明范围。
| 图1 | 图2 | |||
| D/λ＝1.5 | d/λ＝2.1 | |||
| 衍射级m | 衍射角β | 效率 | 衍射角β | 效率 |
| +2 | * | - | * | - |
| +1 | * | - | 77.5° | 0.32％ |
| 0** | 30.0° | 0.56％ | 30.0° | 0.01％ |
| -1 | -9.6° | 1.74％ | -1.4° | 1.75％ |
| -2 | -56.4° | 0.17％ | -26.9° | 0.21％ |
| -3 | * | - | -68.2° | 1.22％ |
| 图3 | ||
| d/λ＝1.2 | ||
| 衍射级m | 衍射角β | 效率 |
| +1 | * | - |
| 0** | -24.68° | 0.48％ |
| -1 | -24.68° | 1.66％ |
| -2 | * | - |
*不存在递增的衍射级
**没有实际的衍射级
表1
当使用几个观察方向(衍射级)时，优选地根据本发明以这样一种方式选择格栅结构G的特性使得在不同的观察方向之间形成10-15°的角度的最小范围，在所述角度范围中效果是透明的。
在不同衍射级之间包含在入射到格栅G的光中的能量分布是本发明获得明亮的、易于观察的视觉效果的一个重要方面。在下文中，将论述影响各种衍射级的衍射效率的方式。
根据本发明，首先用格栅方程式(1)以这样一种方式选择格栅周期和波长的比值d/λ，使得至少一个期望的观察方向(衍射级m和对应于该衍射级的衍射角β)以及期望的颜色即设计波长λ被衍射到该至少一个观察方向。优选地所述观察方向选择成使得其对应于衍射级m＝-1。很明显在某一设计波长λ和衍射级m的数值下确定格栅周期的数值之前，也必须确定光的入射角α。
此后，调节沿所述一个或多个观察方向即衍射级反射的光的衍射效率。通过以适当方式选择自由格栅参数的数值，可能改变所述衍射级例如衍射级m＝-1的效率。
因为已经用格栅方程式(1)准确地确定了格栅周期d，所以为了上述目的能够利用三个自由格栅参数，所述格栅参数在本发明的情况中是格栅轮廓的高度h、格栅的填充系数c和衬底S的折射率ns。
通过选择衬底材料可以改变衬底S的折射率ns。在衬底S的顶部还可以使用独立的介电或金属基薄膜，其可以影响来自衬底的光的反射。在本文中，介电薄膜通常表示这种由非金属材料构成的光反射薄膜结构。优选地，仅仅在图案区域的位置施加衬底S的涂层，其中该涂层不会影响区域其余部分的透明度。
根据本发明，优选地对于格栅的填充系数c确定的数值为c＝d/2，换句话说，在衬底表面上形成的“格栅图案”的比例是每一格栅周期d的一半。格栅的填充系数c可以影响所谓的格栅表面的调制度。当填充系数非常小，或者相对地非常大时，格栅表面的调制度很低。通常通过使用格栅的填充系数c＝d/2可以获得最大的格栅表面的调制度和最大的衍射效率。
如果例如选择塑料作为衬底材料，实际上，折射率ns也确定了。此后，还能够选择格栅参数中的一个即格栅高度h，所述高度可以根据本发明进行优化，从而在期望的观察方向即优选地在衍射级m＝-1获得最大的衍射效率。
实际上，通过所谓的精密衍射理论可以最优化格栅高度h。例如在“微光学、元件、系统和应用”(Taylor & Francis，Cornwall，1997，Hans Peter Herzig编辑)中第2章(由Jari Turunen撰写)中论述了这些理论。
关于格栅高度h的优化，在该文中可以根据经验提出，即格栅轮廓的高度h的数量级必须为所用的光的波长λ的四分之一。因此，例如对于λ＝550nm的绿光，格栅高度h＝λ/4≈135-140nm。考虑到格栅轮廓的高度h根本没有优化的可能性，最糟糕的情况是所有入射到格栅G的光“逃往”到了衍射级m＝0，且在衍射级m＝-1中基本上检测不到信号。换句话说，格栅高度h的优化非常重要，并且当使用不良的反射材料例如透明塑料时，尤其要强调它的重要性。
表1示出根据上述文字参考并对应于图1至3用精密衍射理论以一种方式计算的衍射效率的数值，使得通过在衍射级m＝-1处最大化衍射效率可以优化格栅高度h。在所有上述情况中，获得的格栅深度是h=0.26*λ。
因此，在本发明中，首先通过减小格栅周期d减少衍射级即观察方向的数量。这样，从格栅G表面反射的能量仅仅在剩余的衍射级之间分布。此外，通过优化格栅参数h、c、ns，能够限制观察方向的数量为仅仅一个观察方向，优选地其对应于衍射级m＝-1。其次，考虑到本发明一个重要的方面是在观察方向之间保持足够范围的角度，其中观察不到衍射效果，即效果基本上是透明的。
应该指出，即使在上面的实例中，目的是在衍射级m＝-1最大化效率，然而在任何情况下本发明都不局限于这些实施例。根据实施例，还可以尝试在另一个衍射级/观察方向最大化效率，或者尝试以偏离实例的方式实施不同衍射级/观察方向的相对效率。
根据本发明，在偏离表面法线z方向的方向中选择观察方向，因为通常期望的是当沿垂直于该方向的方向检查表面时视觉效果是透明的。换句话说，当垂直地看穿塑料薄膜或由塑料构成的窗口时，能够看到位于塑料薄膜或窗口后面的目标，而不受视觉效果的干扰。或者当阅读一印刷的文件时，当垂直地朝表面观看时能够看到在其上印刷的文字或图像。当以某一适当的角度从侧面检查上述表面时，能够观察到根据本发明的全息效果。
图案区域的特性
图4作为实例和在原则上示出了在衬底S上形成的一些图案区域A至D。在图4的情况中，衬底材料是基本上透明的塑料薄膜，这样可以穿过所述塑料薄膜检查位于塑料薄膜后面的目标T。
通过“填充”对应于每个具有格栅结构G的图案的区域，可以在衬底S表面上形成每一个图案区域A至D。在图4中，借助在图案区域上的划线示出了表面格栅。当然对于本领域任何一个技术人员来说，显然的是图4中示出的划线密度在任何情况下并不总是对应于在实际的表面格栅中使用的格栅周期。
图4中，以这样一种方式实施图案区域A和B的格栅结构，使得它们共用同一个观察方向O1。在观察方向O1，实施图案区域A以便衍射地反射设计波长λA。在观察方向O1两侧形成的角度范围(用在说明设计波长λA的箭头的两侧的虚线标出的箭头)中，能够根据由光源L发出的光谱，用光谱的不同颜色检测对应于图案区域A的视觉效果(字母图案)。反过来，图案区域B布置成在观察方向O1反射设计波长λB。换句话说，当从观察方向O1检查时，以不同的颜色检测对应于图案区域A和B的视觉效果(字母和星形图案)。
当从观察方向O2检查衬底S表面时，根据本发明对应于图案区域A和B的视觉效果基本上是透明的。因此，观察者能够透过图案区域A和B看到位于衬底S后面的目标(塑料薄膜)。
对于图案区域C和D，以这样一种方式设计基本上相同的观察方向O3，使得当从所述方向检查时，该方向是这两个图案区域C和D共用的同一个设计波长λCD，能够以相同的颜色看到这两个图案区域。当例如从观察方向O4检查时，图案区域C和D与A和B一样基本上是透明的。
在图4的实例中，以这样一种方式设计图案区域A至D使得它们基本上具有一个观察方向，即能够从对应于仅仅一个衍射级的方向检测到全息图效果。
根据所讨论的实施例可以自由地选择图案区域的数量、表面区域和形状，以及它们的观察方向和特征波长。图5作为示例示出了一种情况，其中在衬底S上实施的图案区域具有彼此不同的多个观察方向。在该实例中，由相邻的图案区域形成的文本“HEAT FOR TWO MINUTES”布置成从衬底相对于其它图案区域的相对侧进行观察。
为了产生具有一致的视觉效果的大区域，还可以代替一个大的图案区域的是使用几个相似的但尺寸更小的布置成彼此相邻的图案区域。通过产生作为几个更小的图案区域的矩阵的更大区域，能够减轻例如制造技术规定的要求。
衬底材料和格栅轮廓的实例
能够在许多不同的衬底材料上实施根据本发明的格栅结构G和利用本发明产生的视觉效果。
优选地，例如通过使用压花技术直接在透明的、塑料状材料如塑料薄膜上产生作为表面格栅结构的格栅结构G。因此，可以获得适合于包装材料如包装纸等类似材料的塑料薄膜，所述材料既对衬底材料部分是透明的，又对以在该应用中提到的方式的视觉效果是透明的。
透明的、所谓全息图漆等类似物也适合用作衬底材料，并且其可以用于涂覆透明的或不透明的衬底材料。使用全息图漆的优点包括可以使用涂漆层来消除衬底材料上的不均匀性。使用漆还可以减少在压花中需要的昂贵印刷板的磨损。
通过直接在例如可在不同的印刷产品中使用的纸张或纸板或在对应的不透明材料上压花，也可以产生根据本发明的格栅结构G。因此，能够从那些偏离为效果设计的观察方向的观看方向清楚地“透过”根据本发明的视觉效果看到在衬底上印刷的图案或以其它方式例如通过在其上染色所产生的图案。
利用几种不同类型的周期的或非周期的格栅轮廓，能够实施根据本发明的全息效果。图6至8作为实例显示了一些可替换的格栅轮廓，用于如图1至3所示的二元格栅轮廓。对于每个实施例，可以选择最适合于其目的的格栅轮廓，例如根据格栅的制造方法。当通过压花的方法将格栅结构制造为表面格栅时，作为实例如图7所示的基本上为正弦曲线状的格栅轮廓是有利的，因为通过压花能够精确地复制格栅轮廓的形状，也就是说通过压缩它是可复制的。图8示出了在光学系统中公知的所谓的火焰状格栅轮廓，当影响衍射级的衍射效率时，所述格栅轮廓可提供更大的自由度。
还可能的是在根据本发明的格栅结构中，一个格栅周期可以包含超过一条格栅线，并且所述格栅线还可以彼此在宽度上偏离。
对于格栅结构的制造技术，本发明不仅仅局限于使用压花技术，但是在原则上，还可以使用其它适合于此目的的技术制造格栅结构。
此外，可能使用在格栅结构的顶部上形成的透明保护层来保护根据本发明的格栅结构，从而保护格栅结构以免变脏和磨损。合适的保护方法包括例如涂漆或相应的行为。当偏离表面格栅结构时，还可以部分地或完全地作为一个嵌入的格栅结构实施根据本发明的格栅结构，其可以例如通过层压进行制造。根据本发明的格栅结构例如可以由在塑料薄膜顶部上产生的金属格栅线构成。这种格栅结构还可以嵌入到一个或几个塑料薄膜的下面，如果需要。原则上，可以通过对于本领域任何一个技术人员来说是公知的任何方式产生格栅结构中的格栅线。
在产品中使用视觉效果
原则上，本发明适合用于所有其中使用了现有技术的全息图的目的。这些应用包括例如防止各种官方文件的伪造、付款方式、录音和软件产品的包装、其它印刷产品、粘胶标签等类似物。
然而最有利的是，本发明适合用于增加各种产品在激烈的市场竞争中的吸引力。因为通过在许多不同的和有利的衬底材料上压花可以大规模生产根据本发明的格栅结构，通过本发明能够制造例如包装材料，例如适合于包装材料的塑料薄膜，包含明亮的和易于观察到的全息图，然而其不会妨碍透过包装材料看到实际的产品。
例如当在包装上产生的全息图效果的颜色随着观察方向改变时，放置在搁架或在商店中展示上的产品包装就变得对顾客具有吸引力。因为当从某些观察方向观看时，根据本发明的效果基本上是透明的，当观察方向改变时它们会“闪”入视野，从而有效地吸引顾客的注意。通过设计观察方向和以适当方式对该观察方向可见的设计波长，能够仿制通常与商标相关的颜色。
还可以实施不同种类的指令、产品说明或其它包装中的产品信息，该信息仅仅能够从特定的观察方向看到。
根据本发明当限制了能够从其看到效果的衍射级(观察方向)时，该效果会变得清楚并具有吸引力。通过在同一衬底上产生几个不同的图案区域，以便图案区域具有在某种程度上不同的观测房县，可以确保所述图案区域中的一个总是可见的。通常总是有几个彼此相邻定位的产品包装，因此其相对观看者的相互位置总是改变到某一程度，总是能够在某一点看到根据本发明的效果。
通过本发明，可以产生易于观察的视觉效果，但是其仍然是一个透明的包装。在不同食品的情况中这是尤其重要的，因为顾客也希望确定食品的新鲜度，例如他或她通过透过包装检查了产品已经在视觉上购买了的蔬菜、肉或鱼。
当选择在包装材料上产生的效果的观察方向时，还可以考虑当设计效果/表面格栅时，用所述包装材料包装的产品如何在商店中展示。在附加的图9和10中示出了这种情况。
例如可以以这样一种方式将肉的包装放置在商店中的搁架上，使得透明塑料薄膜位于基本上水平的位置，光基本上从其表面的法线z方向即从上方入射到塑料薄膜上，该透明塑料薄膜包含全息图效果和用作包装的“保护层”或者在保护层中的“窗口”。
现在能够以这样一种方式优化产生全息图效果的表面格栅，使得它们例如可形成相对塑料薄膜的法线z为45度的观察方向，其中效果对经过搁架的顾客是可见的(在图9中，是以实线绘出的图形，在图10中，是观察方向O5)。如果顾客走进搁架，并使他或她的头“探到”靠近搁架之间，基本上沿包装(塑料薄膜)保护层的法线方向(在图9中，是以虚线绘出的图形，即观察方向O6)观看产品，他或她从该方向将不能辨别全息图效果，但是可以透过透明的保护层看到包装中的产品。
如果顾客拿起包装放在他或她的手中，并在包装的法线方向检查包装，那么在这种情况下也不会令人不安地看到全息图效果。在该实例的情况中，全息效果能够由例如肉制品制造商的名称和标志组成，这可以如此实施使得其设计波长对应于正确的颜色，以及使得它们都能从相同的观察方向看到。
如果需要，可以如此设计在包装中使用的观察方向，从而考虑在哪个搁架上展示包装以及在什么位置展示包装。在图9中，能够利用在顶部搁架上和在较低水平的包装中的不同观察方向，同时考虑到顾客可以从过道以不同的角度看到包装。
包含全息图效果的包装材料不必作为产品包装中的平面“窗口”使用，但是即使它是一种包装纸，也可以使用具有根据本发明的视觉效果的包装材料。这也确保了当观察方向沿包装材料的不同部分变得不同时，有些图案区域总是可见的。
实际上通过设计视觉效果特别是对于某些照明条件，可以提高根据本发明的视觉效果的冲击。当设计格栅结构时，可以考虑照明的方向以及光源L发出的波长分布。根据本发明的格栅结构还可以如此制造使得人眼仅仅在某一种类的照明下才能看到，其中它们可以用作不可见的安全符号。
根据本发明的全息图效果是一种非常有效的提高产品的图像值的方法，因为通常全息图都与合格产品相关。本发明第一次真正给出了将全息图效果附加地施加在作为大众产品销售的产品中的可能性，而不会显著地增加所述产品的生产成本。
当然，很明显本发明不仅仅局限于在前面实例中显示的实施例，而是仅仅根据由附加的权利要求书设定的限制来解释本发明。
Claims (28)
1.一种在衬底(S)上产生的微光学格栅结构(G)，所述格栅结构作为一个表面结构、一个用保护层保护的结构或者作为一个整个或部分嵌入的结构产生，其特征在于所述格栅结构(G)布置成通过将从格栅结构(G)衍射的和对应于设计波长(λ)的光基本上引导到仅仅几个衍射级(m)，为观看者提供一个基于光的衍射的全息的或对应的视觉效果，其中每个单个的衍射级(m)对应于在所述设计波长(λ)可观察到的视觉效果的某一观察方向(m，β)，以及格栅结构(G)布置成在相邻的观察方向之间保留角度的自由范围，使得从对应于所述角度范围的方向检查的格栅结构(G)不会为观看者产生一个基于衍射的清楚可见的效果，因此所述格栅结构基本上是透明的。
2.根据权利要求1所述的格栅结构(G)，其特征在于格栅结构(G)的格栅周期(d)与设计波长(λ)的比值小于5。
3.根据权利要求1或2所述的格栅结构(G)，其特征在于格栅结构(G)布置成将从格栅结构衍射的光基本上仅仅在一个衍射级(m)引导，即基本上仅在一个观察方向(m，β)引导，优选地该观察方向对应于衍射级m＝-1。
4.根据前述权利要求中任何一项所述的格栅结构(G)，其特征在于格栅结构(G)的观察方向(m，β)之间的角度自由范围至少是10°-15°或者更大。
5.根据前述权利要求中任何一项所述的格栅结构(G)，其特征在于格栅结构(G)产生在基本上是透明的衬底(S)上。
6.根据权利要求5所述的格栅结构(G)，其特征在于所述衬底(S)由塑料或漆构成，优选地由塑料薄膜或涂漆层构成。
7.根据权利要求1至6中任何一项所述的格栅结构(G)，其特征在于格栅结构(G)产生在纸张、纸板或其它相应的衬底(S)上。
8.根据前述权利要求中任何一项所述的格栅结构(G)，其特征在于格栅结构(G)的衬底(S)包括一个或几个介电或金属基薄膜，其涂覆在衬底的整个表面区域或者仅涂覆在对应于格栅结构(G)的位置。
9.一种用于在衬底(S)上产生微光学格栅结构(G)的方法，所述格栅结构作为一个表面结构、一个用保护层保护的结构或者作为一个整个或部分嵌入的结构产生，其特征在于为观看者产生一个基于光的衍射的全息的或对应的视觉效果的该格栅结构(G)的格栅轮廓的形状和格栅参数(d，h，c，ns)选择成使得将从格栅结构(G)衍射的和对应于设计波长(λ)的光被基本上引导到仅仅几个衍射级(m)，其中每个单个的衍射级(m)对应于在所述设计波长(λ)可观察到的视觉效果的某一观察方向(m，β)，以及在相邻的观察方向之间保留角度的自由范围，使得从对应于所述角度范围的方向检查的格栅结构(G)不会为观看者产生一个基于衍射的清楚可见的效果，因此所述格栅结构基本上是透明的。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于确定以设计波长(λ)入射到格栅结构(G)上的光的入射角(α)的数值，然后格栅周期(d)和设计波长(λ)的比值选择成使得获得至少一个期望的观察方向(m，β)，所述观察方向优选地选择成使得其对应于衍射级m＝-1，其中期望的设计波长(λ)被衍射到所述至少一个观察方向。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于以这样一种方式选择格栅结构(G)的参数(d，h，c，ns)，使得观察方向(m，β)之间的角度的最小自由范围是10-15°。
12.根据前述权利要求9至11中任何一项所述的方法，其特征在于对于格栅结构(G)的格栅周期(d)和设计波长(λ)之间的比例选择的数值小于5。
13.根据前述权利要求9至12中任何一项所述的方法，其特征在于通过选择格栅结构(G)的参数(d，h，c，ns)影响在所述一个或多个观察方向(m，β)的衍射效率。
14.根据前述权利要求9至13中任何一项所述的方法，其特征在于选择格栅周期(d)的数值基本上的一半作为格栅填充系数(c)的数值。
15.根据前述权利要求9至14中任何一项所述的方法，其特征在于选择设计波长(λ)数值的四分之一作为格栅轮廓的高度(h)的数值。
16.根据前述权利要求9至15中任何一项所述的方法，其特征在于选择基本上透明的材料、优选地是塑料、漆等类似物作为格栅结构的衬底(S)。
17.一种产品，包含一个或几个基于光的衍射的可见的、全息的或对应的效果，其特征在于该产品包括一个或几个图案区域(A、B、C、D)，该单个图案区域由根据前面权利要求1至8中任何一项的格栅结构(G)构成，或者由利用根据权利要求9至16中任何一项的方法产生的格栅结构构成。
18.根据权利要求17所述的产品，其特征在于该产品由塑料、优选地由塑料薄膜构成。
19.根据权利要求17所述的产品，其特征在于该产品由纸张、纸板或相应的材料构成。
20.根据前述权利要求17至19中任何一项所述的产品，其特征在于该产品是包装材料。
21.根据前述权利要求17至19中任何一项所述的产品，其特征在于该产品是印刷产品。
22.根据前述权利要求17至21中任何一项所述的产品，其特征在于该产品由基本上透明的材料制成。
23.根据前述权利要求17至22中任何一项所述的产品，其特征在于所述产品的基本原料同时用作格栅结构(G)的衬底(S)。
24.根据前述权利要求17至23中任何一项所述的产品，其特征在于当该产品包括一个或几个图案区域(A、B、C、D)时，至少一些所述图案区域具有不同的观察方向(m，β)和/或设计波长(λ)。
25.根据前述权利要求17至24中任何一项所述的产品，其特征在于通过压花技术在产品上形成所述一个或几个图案区域(A、B、C、D)。
26.根据前述权利要求17至25中任何一项所述的产品，其特征在于所述几个图案区域(A、B、C、D)形成作为效果的商标、标志、产品说明等类似物。
27.根据前述权利要求17至26中任何一项所述的产品，其特征在于所述一个或几个图案区域(A、B、C、D)形成作为效果的字符或文本。
28.根据前述权利要求17至27中任何一项所述的产品，其特征在于该产品包括几个相邻的图案区域(A、B、C、D)，它们彼此相似，并布置成形成在一起的具有大体上一致的视觉效果的较大区域。
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