CN1738722A - 光学可变元件及其应用 - Google Patents

Abstract

提出一种至少在表面部分有一界面的光学可变元件，界面埋置在两分层之间而形成光学有效结构，界面的自由型表面对观者呈三维显现。为突出该自由型表面，本发明建议用界面一部分区域形成自由型表面，该部分区域为透镜状结构，产生放大、缩小或畸变作用。本申请的另一主题是把这种光学可变元件用作安全元件，以防止伪造有价单据或用于要防护的物件，尤其是用作转移膜或层压膜的装饰层装置的一部分。

Description

光学可变元件及其应用

技术领域

本发明涉及一种光学可变元件。

背景技术

本发明所述的光学可变元件，至少在表面部分有一较佳地埋置在分层组合件两层间的界面，并形成一种在空间突出和/或背对(概念上的)参考表面设置的光学有效结构，其中光学有效结构至少有一个自由型表面，对观看者呈现三维形态的数字符、几何图形或另一种物体。

例如，上述的可用作安全元件而鉴定或识别有价单据，比如钞票、支票等、身份证与护照、信用卡或其它要保护的物件。这类还可用光学可变元件还可用于装饰，用作安全元件和用作装饰元件的界限通常并不固定。这方面通常要求安全元件也有一定的装饰作用，例如在涉及到用相应的元件确保某些物品比如香烟、有价化妆品制备等的真实性时，就要用安全元件。

为用作安全或装饰性元件，通常把已知的光学可变元件以转移膜尤其是热压膜的形式或以层压膜形式加到相应的基板，再在两个相应的添层之间设置形成光学有效结构的界面。在转移膜情况下，这些漆层是装饰层结构的一部分，可从载膜传递到基板上，其中不用漆层，也可设置粘层，或漆层有粘性。在层压膜情况下，界面在原理上以同样方式生成。层压膜与转移膜的差别在于：在层压膜情况下，对基板应用层压膜时，当作装饰元件的漆层和可能的粘层保留在载膜上。最后还可把包装膜或装饰膜想像成基本上像层压膜一样，但比如对包装目的而言，可以这样使用这些膜而不层压在基板上。

这方面还知道，通过在两层尤其是漆层之间或相对空气合适的构成界面，可产生三维效果。例如在已知的支票与信用卡中，某些目标按视角出现在不同的位置或透视图中，或者给观者这样的印像，似乎相应的目标以三维方式突现出光学可变元件载体的表面。

这些三维效果迄今通常由全息法产生，这方面的缺点是在制作相应层复制所需的母版方面涉及较高的设备费用。另外，全息法制作的结构还遇到严重的光学缺点，尤其是其发光常常不完全。此外，一般无法通过实现某些彩色效果来提高相应的光学可变元件的吸引力。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种便于用生成光学有效结构已知的最广泛的工艺生产的光学可变元件，它呈现出根据观者的观点迄今未知的效果，还向设计得提供大量有关设计结构可行的变化。

在本发明提出的一般光学可变元件中，该目的是用界面的部分区域构成的自由型表面实现的，该部分区域为透镜状结构，可产生放大、缩小或畸变效果并构成自由型元件。

因此，迄今为止的三维自由型表面例如鸟、字母或字符组合、人像、高山等，都只呈现为好像按观察角度变化而改变它们的位置，或呈现为浮在基板表面上。本发明提出了完全不同的光学效果，即该光学可变元件具有这样的特性，形成自由型表面的区域比如字母、数字和任何其它物件、标识图案等，呈现为似乎相对基板表面向前弯曲或者退后，即好像在自由型表面区域内出现弯曲的表面。从观者的角度来看，对该光学有效结构产生一种全新的迄今未知的效果，即有一定空间深度的效果。此外，适当配置和安排界面的透镜状部分区域，可得出尤其有特点的光学效果，明显提高的识别价值，因而增强了相应光学可变元件的识别效果。

若自由型表面尺寸极小，比如涉及到线条厚度极小的数字字符，则通过结构像折射镜结构的自由型表面，也已对光学可变元件实现了本发明的效果。但应记住，在其间安排了形成光学有效结构的界面的分层，通常是厚度极有限的漆层。为实现本发明期望的效果，即使涉及到较薄的漆层或粘层，仍希望自由型表面为带光栅结构的衍射自由型元件，光栅深度最多为10μm，光栅线条基本上跟随自由型表面的轮廓线，其中光栅线条与自由型表面朝向其边缘中心区的间距连续变化，比如增或减。

在本发明的光学可变元件结构中，自由型元件的光栅结构如此配置：光栅槽各自一个侧面与(概念上)参考表面的法线相互平行和近似平行地延伸，光栅槽各自另一侧面相对参考表面的法线的夹角沿相对光栅线条横越的方向不断地从一条光栅槽变化另一条光栅槽，显然，光栅槽的截面递减。

这种光栅结构较佳地以借助于激光或电子束光刻机的所谓“直接刻划”工艺生产，可以用来生产相当特殊的光栅结构，比如对自由型元件真正精密地产生期望的光学效果。

但要指出，也能以不同于“直接刻划”的方式生产上述光栅槽的侧面相互成一角度的光栅结构。更具体地说，当光栅槽以与参考表面的法线成一角度延伸的侧面为台阶结构时，形成台阶的表面使相对参考表面的法线成一角度延伸的侧面在其光学效果方面相互接近。当光栅槽侧面为这种结构时，例如还能运用掩膜来操作，此时(倾斜)侧面的台阶分辨精度取决于使用的掩膜数，比如期望的台阶数。这方面对大多数应用场合而言，把相应的侧面分成四个或八个台阶就够了。但在涉及到高质量要求时，生产时也可提供例如64个台阶，还需要用不同的掩膜作相应次数的曝光操作。

当光栅结构是一种具有基本上为矩形的光栅槽与光栅接合区在二元结构时，可生产有时极简单的自由型元件的光栅结构，其中较佳地该结构使自由型元件光栅结构的光栅槽深度在整个自由型表面近似相等，比如只有通过适当地改变光栅槽和/或光栅接合区的宽度，才能引起“折射效率”(光衍射成不同方向)变化。

按本发明由光栅结构形成的衍射自由型元件的特殊性，使这种衍射透镜结构(与折射镜不同)按照明或观看物件各自使用的光波长产生不同的视觉印像，因而仍能得到特定的设计或安全效果。

按本发明生产三维呈现自由型表面的另一可行方法，提供由全息法制作的自由型元件所形成的自由型表面，但与衍射透镜元件相比，全息法生产的透镜有若干缺点。例如，只有自由型表面结构比较简单，才能以合理的成本全息生产透镜元件。另因其正弦结构，全息法生产的透镜不够明亮，经常存在不均匀性，因而该透镜产生的目视外形受到不利影响。此外，全息法生产的透镜元件，在设计结构方面无法以期望的高自由度实现一定的色彩效果。

基本上可设想一种光学可变元件，实际上其按本发明设计的自由型表面可用作安全或装饰元件。然而，该自由型表面作为光学有效的全结构装置的组成部分是有利的，而该装置除了自由型元件，还包括带光学可变元件的部分区域，对观者产生不同的光学效果。例如，自由型元件能组合具有光学衍射作用的常见结构，产生运动效果、跳动、两种不同表像间的变化等。显然，还能在一个光学可变元件中组合多个自由型元件，例如用每一组成其自由的自由型元件的字母或数字构成字或数，于是给出好像该字或数相对于其它光学可变元件被三维突出的印像。若多个自由型元件比如相互交织起来，从而在涉及到不同的照明或观察方向时，观看各个不同的自由型元件，还可提供吸引人的效果。从理论上讲存在大量可能的组合，例如包括无光泽效果、镜面等，这里不作详述。

一个特别有趣的可能性在于，把光学有效结构与薄膜结构完整地或以区域方式组合起来，就能按视角实现特定的色彩变化。利用半导体分层可实现其它特殊的效果。

根据本发明，提供形成光学有效结构的界面还配备了至少带增反膜的区域，若实际上只以顶光观察相应的效果，比如在反射模式中，增反膜希望用金属层构成。应指出，不用金属层用作增反膜，还可提供折射率与邻接层适当不同的介质层，或适当配置的多层结构或半导体膜。

若增反膜以与至少一个自由型元件配准的关系设置，则能以简单的方式突现本发明的自由型元件，其中该配准关系能使增反膜只出现在自由型元件的区域，但或者使其精密地处于自由型元件中不存在增反膜的区域，且只设置在光学可变元件包围该自由型元件的区域内。例如当设置在只产生极明显的反射作用比如运动作用、图像变化等的自由型元件或结构周围时，该结构相当有利。

当金属层用作增反膜时，通过已知的工艺即界面层区域脱金属作用，很容易形成相对于该层的配准关系。

由此可见，本发明的光学可变元件可以不同方式使用于最广泛的各种用途，但特别有利于用作有关有价单据伪造或被保护物件的安全元件，尤其是以相应的单据或被防护物件用户的观点来看，本发明提供的透镜状自由型元件能以新颖而令人惊奇的方式引入了不同于迄今已知的特征的安全元件附加识别或防护特征。

本发明的光学可变元件可有利地用作安全元件，因为该光学可变元件被配入转移膜尤其是热压膜的装饰层结构而被转移到基板上，或被配入层压膜的装装饰层结构，因而在本发明的设计配置中，简化以对基板的转移或标记等的生产。

附图说明

通过以下参照附图所作的描述，本发明的其它特征、细节与优点就更清楚了，图中：

图1a示出折射镜的截面，

图1b示出带近似三角形截面光栅槽的相应衍射镜的截面，

图1c示出类似于图1b带衍射二元结构的衍射镜，

图2a示出波状自由型表面的透视图，

图2b示出高度示意性的粗糙形式的平面图，以图1b所示带光栅结构衍射自由型元件的形式示出图2a的自由型表面，

图2c示出对应于图2b的平面图，但自由型元件具有图1c所示的衍射二元结构，

图3a是液滴作为反射结构的自由型表面的透视图，

图3b是表示图3a滴状自由型表面的界面结构的曲线，

图4a和4b对应于图3a和3b，但滴状自由型表面为衍射自由型元件形式，具有近似三角形截面的光栅槽，

图5a和5b分别对应于图3a、3b与图4a、4b，但自由型元件为衍射二元结构形式，

图6a和6b是环形自由型表面的视图，对应于图3a和3b，

图7a～7c是环形自由型表面视图，对应于滴形自由型表面的图4a、4b与5b，

图8a和8b是L形自由型表面视图，分别对应于图3a、3b和图5a和5b(滴形与环形)，

图9a～9c是L形自由型表面视图，对应于图7a～7c，和

图10是带形成自由型表面的编织图案的光学可变元件。

具体实施方式

图1a～1c中高度示意、相对粗糙的视图，分别示出本发明光学可变元件具有透镜类作用的部分区域，其中在一般为漆层的两层1、2之间形成一界面3，通常配有增反膜(图中未示出)，例如蒸发淀积金属层形式的金属化。这方面在图1a～1c的X轴上示出一相应透镜元件沿各别方向的尺度，其中图中的单位任意设定，因为透镜元件的精密尺寸或直径并不重要。一般而言，透镜元件或由透镜元件构成的自由型元件的相应尺度为0.15～300mm，较佳为3～50mm。

在每种情况都在图1a～1c的Y轴上给出相应分层1、2和界面3分别形成的折射表面或结构的厚度或高度，专用值为相位差(弧度)。一特定波长时(如人眼最大灵敏度的550nm)，可用已知方法由该相位差算出实际的几何深度(还要考虑各别的折射率)。

比较图1a和图1b和1c可以发现，图1a中光学可变元件的厚度必须至少是形成图1b中光学可变元件的分层结构厚度的10倍，甚至是图1c中分层结构厚度的20倍。此时，图1b与1c中形成光学可变元件的分层结构比图1a中的薄得多，因为该结构的总高度h更小，而该结构由界面3决定，可产生透镜作用，而且只在高度上延伸，当在图1b中被转换时(对n＝1.5/n＝1的系统，处于发射模式)，它近似对应于二倍波长，而在图1c中，甚至只近似于单个波长。在任何情况下，在图1b与1c的衍射镜元件中，高度h即光栅深度都不大于10μm。

如前所述，分层1和2一般为适当成分的漆层，其中至少朝向观者的漆层(目前一般为分层1)必须基本上透明，尽管也可以是着色的漆层，但基本上保持透明。对有些使用场合，分层1、2中的一层也可以是粘层，或至少是有适当粘性的漆层。

若界面3配有金属化或另一强反射层，也允许分层2透明，但可以半透明或不透明。相反地，若本发明的光学可变元件用于发射模式，例如覆盖基板上的某一可见特征，分层2也必须透明，此例界面不配用通常不透明的金属化。两透明层1与2的折射率选得不同(差值较佳至少为O.2)，不管如何使用两透明层，界面3产生的光学效果清晰可见。

若实现分层折射率差足够大有困难，本发明也可在施加面朝观者的连续分层前，用折射率明显不同的透明材料部分地或完全填满自由型元件的光栅槽。

以基本上已知的复制工艺生产图1a所示透明元件所需的母版，可用机械精密去除工艺生产，这对比图1b和1c的透镜元件结构有大得多的尺度，因此比较方便。

图1b的透镜元件的衍射光栅结构，通常用所谓的“直接刻划工艺”生产，即一种利用激光器按所需型面去除材料或者利用激光器或电子束光刻设备按所需型面曝光光刻胶再对光刻胶显影而得到所需型面或其负型面的工艺。该方法的优点是可以制成截然不同的光栅结构，尤其是光栅截面，例如包括供特定场合使用的所谓闪耀光栅，其中特别可保证光栅槽5的侧面4(侧面在图16中倾斜延伸)与形成透镜元件的光栅结构平行于X轴延伸的概念上的参考表面的法线S之间的夹角α从形成透镜元件的界面3的抛物面中心区6以向外方向连续变化——从图1b看得很清楚——更具体地说，在图示的实施例中，光栅槽5近似平行于法线S的侧面7，比如说只在另一基片上稳定的透镜型面内断续，而该型面电光栅槽5连续倾斜的侧面4和界面3的中心抛物面部分6形成。

这类透镜结构及其计算方法基本上在本领域的相关文献中有描述，故不再详细讨论。

这方面还可用台阶结构取代如图1b所示在高度h上连续的倾斜倾面4，在该台阶结构中，形成台阶的表面在光学效果方面接近侧面4。这类光栅结构可用所谓的直接刻划工艺和合适的掩膜法生产，其中台阶数根据期望的结果而不同。对于大量应用场合，分成四个或八个台阶就够了。但在涉及到高质量要求时，例如也可设置64个台阶或2的高次幂的台阶数。

图1c示意示出由所谓的二元结构形成的透镜元件。在这方面，图1中二元结构的基本特征就是光栅槽8和光栅接合区9基本上都是矩形截面。图1c的二元结构通常用合适的掩膜生产，其中图1c结构的另一特殊性是有利的，即光栅结构的光栅深度h在整个透镜元件上是均一的，因而生产相关每版时不必对去除材料的方法设置不同的作用时间，也不必对通过相应掩膜作用于基板的装置以不同强度等级操作。

还可以用已知的全息工艺生产合适的透镜结构，此时可得出光栅深度甚至更小而且大体上正弦配置的结果，但可能导致上述的诸缺点。

图2a、3a、6a和8a分别示出示意的放大透视图，示出取反射镜元件形式的自由型表面，即自由型元件，其中为了清楚地示出本发明的原理，这些图只示出该自由型元件两分层1、2之间的界面3的透视图。

在这方面，这类光学作用显著的折射自由型元件，只有在包封其间界面3的分层1、2的原度足够大或者只有在自由型表面平行于概念上参考表面(如图2a的基本表面10)的尺度足够小时才能实现，因为实际上在折射自由总元件的情况下，由图1a可见，透镜元件的高度h直接取决于自由型表面沿X轴方向的尺度。

图3a示出一种滴形自由型元件11，如图所示，形成滴形自由型表面的自由型元件11的设计，使自由型表面似乎超出平坦的界面3向上突起。显然，还可相应地造成自由型元件11形成的滴似乎超出周围界面3向后(向下)突起的即像。

图6a类似于图3a，示出的环形折射自由型元件12，例如可用字母“O”表示，但也可只具有装饰作用。

图8a相应示出了界面3的透视图，它在用折射自由型元件13示出字母“L”时形成。

以图3a、6a与8a相同的方法，在相关的自由型元件11、12与13的情况下，图3b、6b与8b都示出了——基本上以垂直于概念上参考表面的截面——界面3的结构，其中图3b、6b与8b的视图尺度仍对应于图1a～1c，即X轴以任意单位显示，而Y轴则以弧度显示垂直于概念上参考表面的偏转。此时，图3b的分布图沿图3a中滴形自由型元件11的对称轴延伸，更具体地说，从图3a石底部延伸到左顶部，即从滴的圆形区延伸到尖顶。图8b的“L”的左手肢也在每种情况下从石底部绘至左顶部，因而由于“L”在右底部分叉的横肢，图8b中左手区的高度增大了。

现在比较一下用作自由型元件的衍射光栅结构与图2a、3a、6a和8a的折射结构。

图2b示意示出图2a自由型表面的放大平面图，更具体地说，视图方向近似垂直于参考表面10，取衍射自由型元件形式的该自由型表面有一光栅结构，其光栅线条基本上跟随自由型表面的轮廓线，其中光栅线条与自由型元件朝向其边缘的中心区的间距连续变化。在这方面，图2a与2b的比较还说明，本发明的术语“自由型表面的轮廓线”不一定意味着该自由型表面的实际边界。重要的是，对于如此延伸的光栅结构，还要适当考虑自由型表面的空间结构，例如图2a中自由表面与概念上参考表面10的不同间距。

图2c也对应于图2b，当透镜元件不用图1b那样光栅槽连续变化的光栅结构构成而采用图1c那样的二元结构的光栅结构时，示出了图2a中自由型表面结构的平面图。

图4a、7a与9a示出的平面图，基本上对应于滴形自由型元件11、环形自由型元件12和L形自由型元件13的图3a、6a与8a，但在每种情况下，自由型元件仍不取折射镜的形式，而取衍射光栅结构的形式，涉及到图1b的基本结构。

对应于图3b、6b与8b的截面或高度分布图，在图4b、7b与9b中相应示出。

关于图3a和4a的滴形自由型表面，当自由型元件取二元光栅形式时，图5a最终还示出了平面图，在图5b中相应示出了界面了得出的高度状分布图。对于环形和L形自由型表面，在自由型元件取二元结构形式时，这里未示出界面3的透视图，但图7c与9c示出了相应的高度状分布图(分别对环形上L形自由型元件)。

图3b、6b和8b与图4b、7b和9b及图5b、7c和9c的相应比较再次表明，在折射结构(图3b、6b、8b)分别换成衍射连续光栅结构(图4b、7b与9b)和二元结构(图5b、7c与9c)时，明显减小了结构的高度。

最后，图10还示出一例用自由型元件构成自由型表面的更复杂的结构，这涉及到一种编织或网络结构，其中利用本发明的自由型元件突出了相互交叉的线条。

描述的诸实例令涉及较简单的实施例，例如像图3～9那样，各自只包括一个自由型元件。显然，通过合适的组合不同的自由型元件，能制作具有复杂效果的光学可变元件，除了本发明的透镜类自由型元件外，尤其是还能提供光学有效结构，特别是衍射结构，可产生完全不同种类的效果，例如运动效果、翻动、图像变化等。还能使自由型元件或其它衍射结构组合薄膜序列、特种分层(如半导体)，或者组合特定颜色如虹彩色，以产生相当特殊的色彩(变化)效果。在这方面，例如还能使本发明的自由型元件比如按EP专利No.0 375 833B1同其它光学有效结构相结合或相交织，或者让多个自由型表面相互组合在一起或交织起来，因而从观者的观点出发，根据相应基板被观看的角度，这种透镜状自由型元件或一个或多个其它光学有效结合就交替出现。本发明的光学可变元件还能与印刷元件、无光泽结构或镜面表面相组合。

当对形成有效结构的界面3仅以区域方式设置增反膜尤其是金属化时，本发明的光学可变元件可实现特别吸引人的设计结构，例如可与自由型元件成配准关系作脱金属。例如在图3a～9a的实施例中，每种情况都可以只是对自由型元件即滴形自由型表面11(图3a、4a与5a)、环形元件12(图6a与7a)成L形元件(图8a与9a)在界面3但不是分层1与2之间的周围界面的该区域设置金属化。利用局部金属化，图10的编织状光学可变元件还可以成为更令人感兴趣的结构，例如可以只使界面3形成线条14、15的表面区域金属化，线条14与15之间的中间空间无金属化，使该光学可变元件呈透明。

应指出，界面3不一定被漆层或粘层限制在两侧。尤其在发射模式中使用本发明的光学可变元件时，界面3也可靠近空气，因而对界面3两侧的分层而言，能以简单的方式实现界面3该区域内所需的折射率差。这种配置板适合例如封装或包封不固定于基板的膜片。

最后，由于光学可变元件相对平坦，故也可与印刷元件组合使用，例如以区域方式添印的元件。

Claims (18)

1.一种至少在表面部分有一界面的光学可变元件，界面形成一光学有效结构，光学有效结构在空间上突出和/或背对(概念上的)参考表面设置，其中所述光学有效结构的至少一个自由型表面以数字字符、几何图或另一物件的形式对观者作三维显现，其特征在于，

所述自由型表面由界面(3)的部分区域形成，它是一种透镜状结构，产生放大、缩小或畸变的效果，并构成自由型元件(11～15)。

2.如权利要求1所述的光学可变元件，其特征在于，所述界面(3)埋置在分层组合件的两分层(1，2)之间。

3.如权利要求1或2所述的光学可变元件，其特征在于，所述封闭界面(3)的分层(1，2)中至少有一个着色。

4.如权利要求1～3之一的光学可变元件，其特征在于，自由型表面(11～15)取具有光栅结构的衍射自由型元件(图1b)的形式，光栅深度(h)至多10μm，光栅线条基本上跟随自由型表面(11～15)的轮廓线，其中光栅线条与自由型表面(11～15)朝向其边缘的中心区域(6)的间距连续变化。

5.如权利要求4所述的光学可变元件，其特征在于，所述自由型元件的光栅结构具有如下特性：其光栅槽(5)的一个侧面(7)分别相互平行延伸且基本上平行于参考表面(10)的法线(S)，而光栅槽(5)的另一侧面(4)分别与参考表面(10)的法线(S)的夹角(α)沿横对从一条光栅槽(5)到另一条光栅槽(5)的光栅线条的方向大体连续变化。

6.如权利要求5所述的光学可变元件，其特征在于，光栅槽(5)相对参考表面(10)的法线(S)成角度(α)延伸的侧面(4)为台阶结构，其中侧面(4)的光学效果接近形成台阶的表面。

7.如权利要求1～4之一的光学可变元件，其特征在于，所述自由型元件的光栅结构为二元结构(图1c)，其光栅槽(8)与光栅接合区(9)基本上有矩形截面。

8.如权利要求7所述的光学可变元件，其特征在于，所述自由型元件光栅结构的光栅槽(8)的深度(h)在整个自由型表面(11～15)近似相同。

9.如权利要求1～3之一的光学可变元件，其特征在于，所述自由型表面(11～15)由全息法制成的自由型元件形成。

10.前述权利要求之一的光学可变元件，其特征在于，所述自由型表面(11～15)是光学有效的整个结构装置的一部分，所述整个结构装置除了自由型元件外，还包括具有对观者产生不同光学效果的光学可变元件的部分区域。

11.前述权利要求之一的光学可变元件，其特征在于，所述光学有效结构与一薄层装置完全或区域性组合。

12.前述权利要求之一的光学可变元件，其特征在于，所述形成光学有效结构的界面(3)至少区域性的配有增反膜。

13.如权利要求12所述的光学可变元件，其特征在于，所述增反膜由金属层形成。

14.如权利要求12或13所述的光学可变元件，其特征在于，所述设置的增反膜与至少一个自由型元件(11～15)成配准关系。

15.如权利要求13和14所述的光学可变元件，其特征在于，所述通过界面(3)的区域性脱金属作用形成配准关系。

16.把前述权利要求之一的光学可变元件用作安全元件，防止伪造有价单据或用于要防护的物件。

17.如权利要求16所述的用法，其特征在于，对装饰层装置配入光学可变元件，再转移到转移膜尤其是热压膜的基板上。

18.如权利要求16所述的用法，其特征在于，把光学可变元件配入层压膜的装饰层装置。

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