CN1989429B - 各向异性光学装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新光学元件，包括具有图案化各向异性的各向异性散射器(5，10)；和用于提供可在改变视角(6)和/或改变入射光的角度(2)时观察到色移的装置(9，11，14，16，17，20，21，30，32)。它还涉及用于制造这种光学元件的方法和这些光学元件作为具有非常高安全水平的安全元件的用途。

Description

各向异性光学装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及各向异性光学装置和用于制造这些装置的方法。所提出的装置可用于光学安全装置和类似领域。
本发明的背景
由于对产品和文件的欺诈和伪造进一步增加，越发需要新型防伪措施。多年来，全息图已成为优选的安全技术和已经制造出许多不同代的全息图基安全特征。同时，该技术已超过30年和因此是广泛熟知的。该情形代表一种安全危险，因为许多人可以获得全息图技术。由于可得到数字全息图打印机，进一步增加了易使用全息控制体系的途径。这些打印机能够得到许多不同种类的全息图和极少需要认识全息装置或激光写入器。这些装置能够制备用于随后金属母版制造的母版和大量复制成薄膜。因此，由于产生全息结构的广泛可能性，全息术在安全元件领域中正失去重要性。
但在安全装置领域中，总是需要新的和不同的装置，这样还通过改变安全装置的种类而能够减少复制危险的可能性。
这种方案的一个例子在专利申请WO-01/03945中解释，其中光学效果是如由于全息或光栅结构的组合和色移多层干涉效果。
另外，各向同性散射器和反射器已在Ibn-Elhaj等人的″OpticalPolymer Thin Films With Isotropic And AnisotropicNano-Corrugated Surface topologies(光学聚合物薄膜与各向同性和各向异性纳米起皱表面拓扑结构)″(Nature(自然)，2001，vol.410，p.796-799)中被提出具有图案化各向异性。为了制造该结构，使用一种所谓单体起皱技术(MC)，其原理是：被施用到基材上的混合物或共混物通过暴露于UV辐射交联而引起相分离。去除非交联组分，留下一种具有包含凹槽，坑和/或孔的特定表面拓扑的结构。通过合适地确定表面拓扑结构，可得到方向性光散射器。在其它基材中，提出使用铝镜作为基材，其上通过以上混合物的UV-诱导相分离和随后去除非交联材料而得到图案化MC-膜。这样，替代图案的定向传输，可得到方向反射器，其中图案可通过亮度和对比度的视角依赖性偏差而可看见。
本发明的综述
因此，本发明的一个目的是提供一种可用作安全元件的新的和有效的光学元件。另外，本发明的目的是提供用于制造这些光学元件的方法和其用途。
本发明的一个目的因此是根据权利要求1的光学元件，根据权利要求23的方法和根据权利要求27的光学元件的用途。
本发明的一个主要特点在于，提供了一种光学元件，包括具有图案化各向异性的各向异性散射器与用于提供可通过改变视角和/或改变入射光的角度而观察到的色移的装置的组合。这样，优先各向异性例如以局部改变像素化方式而成像。尤其为了安全起见，被证实有利地提供一种光学元件，其中各向异性通过倾斜或旋转光学元件而具有视角依赖性正/负图像翻转。通常，具有图案化各向异性的各向异性散射器具有基本上非周期光学效果结构。
不同于熟知的全息结构，各向异性散射器在改变视角时具有非常清楚和显著的图像翻转。但不容易与色移效果进行组合。所提出的各向异性散射器与用于提供受控良好的色移的不同装置的组合可将显著图像翻转与受控良好的和均匀的色移重叠。因为，如果使用全息结构，可能图像翻转总是伴随色移(通常被感知为彩虹效果)，具有用于提供色移的附加装置的全息结构不会得到分开控制良好的图像翻转和颜色翻转。但意外的是，目前提出的具有图案化各向异性的各向异性散射器与用于提供色移的装置的组合得到明显更清楚的图像翻转和色移的组合。因为这两种效果与使用周期全息结构替代各向异性散射器时相比更好地被分开，这两种效果可被有效地受控和例如可相互配合。例如，图像翻转与色移的可能的特定协同作用能够惊人地增加该装置可实现的安全等级，因为例如第一图像在第一视角下表现出第一颜色，和通过改变几乎没有转变效果的视角，出现了不同于第一图像的第二颜色的第二图像。
根据该光学元件的第一优选实施方案，用于提供色移的装置作为色移层结构被提供。各向异性散射器和色移层结构可这样一个位于另一个的后面，这可从观察方向看出。各向异性散射器和色移层可作为各个层或膜或涂层而被提供，但它们也可作为部分或完全集成结构被提供。
根据光学元件的另一优选实施方案，各向异性散射器基于液晶，优选向列，材料，后者可以是聚合物，单体或低聚物，可交联的或非可交联的。
各向异性散射器可包含拓扑结构化的起皱表面结构。拓扑结构化起皱表面结构可被保护层，界面层或垫片膜或反射金属层覆盖。尽管这些拓扑结构化起皱表面结构可利用压花技术的装置，即通过使用将所需三维结构压花到基质材料中的压印器而得到，也可通过其它方法，如光学方法而得到这些表面结构。因此，拓扑结构化起皱表面结构可这样得到：制造至少两种材料的混合物，其中一种材料是可交联的和另一材料是非可交联的，将该混合物施用到基材上，交联至少显著部分的可交联材料，和去除至少显著部分的非可交联材料，其中优选可交联材料如利用下方取向层或取向化基材表面而在交联过程中保持取向态。
根据本发明另一优选的实施方案，用于提供色移的装置包括干涉膜或涂层。干涉膜或涂层可包含基于介电材料的多层薄膜体系，其中不同层中的介电材料具有不同的折射指数。干涉膜或涂层也可表示Fabry-Perot-共振器。在后者情况下，干涉膜或涂层可包含至少一个部分透明第一金属膜，和第二金属膜和在这些金属膜之间的优选介电层。这种Fabry-Perot-共振器的使用得到尤其紧凑的和有效的集成结构，因为，具有图案化各向异性的各向异性散射器被提供在基材上，具有图案化各向异性的所述各向异性散射器包含被反射金属层覆盖的拓扑结构化起皱表面结构，和从观察方向可以看出，所述各向异性散射器直接被Fabry-Perot-共振器的介电层覆盖。
根据进一步优选的实施方案，用于提供色移的装置包含胆甾醇膜，层或涂层。胆甾醇膜可以是染色的，和/或它可以是交联的。
根据另一优选的尤其紧凑和集成的实施方案，具有图案化各向异性的各向异性散射器被提供在基材上，其中具有图案化各向异性的所述各向异性散射器包含被反射金属层覆盖的拓扑结构化起皱表面结构，和其中从观察方向上看出，所述各向异性散射器直接被胆甾醇层覆盖。
也可提供一种光学元件，其中胆甾醇膜的表面，层或涂层具有拓扑结构化起皱结构和形成具有图案化各向异性的各向异性散射器。在这种情况下，例如可将胆甾醇膜涂覆到这种拓扑结构化起皱结构上，或可直接使用这种拓扑结构化起皱结构得到胆甾醇膜。
根据本发明另一优选的实施方案，用于提供色移的装置作为至少一种被涂覆，印刷，层压，热或冷压印在基材上的膜被提供，其中优选基材由塑料材料如聚酯，聚乙烯，聚丙烯，PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)或其共混物制成或由玻璃，金属或纸或其组合制成。
本发明另外涉及一种用于制造如上所述光学元件的方法。优选，该方法特征在于，用于提供可通过改变视角和/或改变入射光的角度而观察到的色移的装置被涂覆，印刷，层压胶合，热或冷压印到基材上和随后被具有图案化各向异性的各向异性散射器覆盖或涂覆或提供。在可选方案中，该方法特征在于，用于提供可通过改变视角和/或改变入射光的角度而观察到的色移的装置被涂覆，印刷，层压胶合，热或冷压印到基材上到具有图案化各向异性的各向异性散射器上。
根据该方法优选的实施方案，拓扑结构化起皱表面结构作为具有图案化各向异性的各向异性散射器这样得到：制造至少两种材料的混合物，其中一种材料是可交联的和另一材料是非可交联的，将该混合物施用到基材上，交联至少显著部分的可交联材料，和去除至少显著部分的非可交联材料，其中优选可交联材料如利用下方取向层或取向化基材表面而在交联过程中保持取向态。
另外，可通过紫外铸塑或热压花使用三维结构化压印器而制备拓扑结构化起皱表面结构作为具有图案化各向异性的各向异性散射器。
如果用于提供色移的装置包含胆甾醇膜，层或涂层，这些胆甾醇元件可这样制成：施用胆甾醇膜，如通过层压，或通过将胆甾醇材料以其液晶形式涂覆和在该涂覆工艺之后优选通过使用光化照射或通过使用热而交联该材料。
本发明还涉及如上所述的光学元件的优选用途。优选，光学元件用作安全元件，即用于应该防止伪造，防伪，复制等的任何目的。为此，安全元件可被施用到或引入安全文件中。这些安全文件可以是例如钞票，护照，许可证，股票，证券，票据，支票，签帐卡，证书，票，或应该阻止其复制的任何其它文件。其它用途包括例如品牌和产品保护装置等。安全元件可因此为标记物，安全条，标签，纤维，丝线或片的形式，但它也可与安全文件一起整体形成。
安全元件也可被施用到或引入用于包装的装置，如包装纸，包装盒，信封中，而且安全元件在此可以是标记物，安全条，标签，纤维，丝线或片等的形式。
根据本发明的光学元件的另一优选用途是装饰应用。
本发明的进一步实施方案在从属权利要求中概述。
附图的简要描述
在附图中，给出了本发明优选的实施方案，其中：
图1说明一种具有各向异性散射表面的光学装置(已有技术)；
图2说明一种具有各向异性散射表面的光学装置(已有技术)；
图3是在反射干涉膜顶部的各向异性散射层的基本组合；
图4具有其它的表面保护涂层的根据图3的装置；
图5是根据图4的装置，其中散射膜在基材上和表面涂有反射层，随后涂有界面层；
图6表示简单Fabry-Perot-共振器的色移装置，其中一个反射器是各向异性散射反射器；
图7是另一色移装置，其中一个反射器是各向异性散射反射器；
图8是在反射胆甾醇膜顶部的各向异性散射层的组合；
图9具有其它的表面保护涂层的根据图8的装置；
图10的装置类似于图9的装置，其中各向异性散射膜在基材上和表面涂有反射金属层，随后涂有界面层；
图11的装置类似于图10的装置，没有金属反射层但具有界面层作为高或低指数膜；
图12是其中各向异性散射膜被金属化和涂有液晶胆甾醇材料的装置；
图13是其中各向异性散射膜涂有液晶胆甾醇材料和从背部观察的装置；
图14是其中具有大深度凹槽/坑的各向异性散射膜涂有介电膜的装置；
图15是具有图形图案的各向异性散射层的几何图案和其取向；
图16是各向异性散射层的几何图案和其取向，其中背景未被取向；和
图17是源自黑色和白色图形和各向异性背景的各向异性散射层的几何图案和其取向。
优选实施方案的详细描述
公开于本专利申请的新光学装置基于两种不同的即将到来的安全技术(A)和(B)的创造性组合和合并，导致协同地增加安全水平。技术(A)涉及一种能够得到表面浮雕图像的技术，其中像素由各向异性散射结构制成。技术(B)包括能够产生色移效果的技术。在目前的情况下，色移效果是由于基于胆甾醇材料的层或具有薄膜干涉效果的层。以下将给出对这些技术的简要概述。
(A)各向异性散射器
散射可在许多不同的材料表面上在传输或反射时发生。为了安全用途，反射装置更有利，因此在本申请中主要考虑。来自各向异性散射表面的散射光的特征在于对于小入射角的轴对称散射分布，如图1所示。如果散射表面不是各向同性的，而是各向异性的，如图2所示，外出光分布也是各向异性的。各向异性表面可例如特征在于各向异性方向。输出光分布因此取决于相应方位角。这意味着，散射光在某些方位角上集中。
图1相应地说明具有散射表面1的光学装置的照明。校准进入光2以特性轴对称输出光分布和特性发散角4被再定向成新的外出方向3。
另一方面，图2说明具有各向异性散射表面5的光学装置的照明。校准进入光2以特性输出光分布6被再定向成新的外出方向，取决于相应方位角7，7’。
应该指出，在本文中，各向异性散射表面必须被理解为被另外图案化的基本上非周期光学效果结构.这使得这些各向异性图案化散射表面区别于全息结构(是基本上周期光学效果结构)，即其中储存在该结构内的(图形)信息的视角依赖性是由于在周期结构上的干涉效果.在这些基本上周期全息表面结构的情况下，这固有地导致被叠加到图形信息的视角依赖性上的色移效果.相反，图案化各向异性散射表面不导致这些所谓彩虹效果，即视角依赖性一方面明显更显著和截然不同，即具有明显更分开的在不同图形元素之间的转变，和另一方面它不被强角度依赖性的和因此不被人眼清楚地和不含糊地认出的色移或光谱″彩虹″效果所叠加.
利用适当的制造技术，可得到微结构化表面，其中每一像素表示具有其自身的各向异性方向的各向异性散射区域。在此所述的装置的第一光学效果基于这些像素。这些装置的光学外观可汇总如下：
a)对于具有高空间频率的散射结构，高分辨率图像，徽标，微文本和类似物是可能的。
b)所观察到的图像的强度分布是视角依赖性的和例如当该装置倾斜或旋转时得到正负图像翻转。
c)如果散射角足够大，图像可在大视角下看见。
d)因为在此考虑的微结构是非周期的，没有观察到特性光谱颜色。这不同于全息图，后者具有周期结构或是一些周期结构的组合。非周期结构在没有附加颜色效果层时导致暗的和明亮的区。
e)基于性能a)至d)的装置使得该装置看上去不同于传统的全息图。
为了成本有效地大量制造这些装置，散射效果最好是由于表面效果和不由于本体效果。在这种情况下，散射表面结构可通过常规复制技术复制。这包括，制造硬金属母版薄垫片(母版的后代物)，并重组和制造合适的加工工具，这样可如通过紫外(UV)铸塑或热压花而得到薄膜复制品。
一般光学散射元素的形成和制造具有长的历史，但长期局限于各向同性散射装置。在最近几年中，还开发出高效均匀各向异性散射装置用于各种光学用途。这些散射装置可用作用于不同光源的均化器和光修整装置或用作液晶装置中的亮度增加膜和例如公开于US 5,534,386和US6,522,374。这些散射器的各向异性在整个光学装置中是均匀的。
但只有相对少的光学散射装置能够保持像素而不仅保持在预定方向上散射光的区域。在最近几年中，申请人已经发展了这种技术。在第一步骤中，薄光聚合物膜(排列层)被涂覆在合适的基材上。利用图案化线性偏振UV光，例如使用一个或多个光掩模和重复曝光(或导致在一个步骤中的图案化照射的使用光掩模或偏振掩模的单个曝光，或激光扫描方法等)，潜像被写入该薄光排列膜中。对该光排列技术的更详细描述可例如在US 5,389,698中找到。曝光的光聚合物能够使液晶混合物和可交联的液晶预聚物对齐。在第二步骤中，上述图案化排列层涂有可交联的和非可交联的液晶材料的共混物。该液晶共混物随后优选通过暴露于光化照射(UV光)而交联。该工艺诱导液晶预聚物的相分离和交联和得到具有各向异性散射性能的起皱薄膜。基本制造原理和光学行为公开于WO-A-01/29148。对于这些各向异性散射层的制造，文件WO-A-01/29148的公开内容被明确包括在本文中。光学安全装置根据所述技术制造。这些装置保持非常有吸引力的和独特的光学性能。
除了以上讨论的光学性能，该新装置具有以下特点：
f)因为所述拓扑散射结构的光学性能是基本上表面浮雕(或可压花)结构，一旦母版已如使用以上给出的工艺而得到，可将标准复制技术应用于在适当的成本下批量制造这些装置。现今，两种流行的和成本有效的复制技术是UV压花和热压花(参见例如M.T.Gale：″Replicationtechniques for diffractive optical elements(用于衍射光学元件的复制技术)″，Microelectronic Engineering(微电子工程)，34卷，321页(1997)).这两种技术已被证实适用于所述各向异性散射表面浮雕.
g)该制造工艺基于由申请人开发的一种专利技术并且该制造工艺依赖于在分子水平上的新型材料设计。该专利技术另外增加安全水平。
除了所述方法，其它光学制造技术可用于得到图案化各向异性表面浮雕散射膜。这些技术可例如基于被合适的束写入器(如电子或激光)图案化的薄抗蚀剂膜。另一方案可基于具有各向异性，椭圆形斑点的光刻胶膜的曝光。为了得到具有不同的方位取向的各向异性散射区域，可有利地使用至少一个掩模多次曝光。
(B)色移效果
色移可例如通过一个或多个合适的层产生。这意味着，当光从色移层被反射(或传输)时，观察者可看见某种颜色，和可通过倾斜该装置而感受到明显的颜色变化。以下概述两种不同的色移技术。
干涉效果的色移
第一组色移效果通过光在薄光学膜上的干涉而得到(如J.A.Dobrowolski，″Optical thin-film security devices(光学薄膜安全装置)″，″Optical Document Security(光学文件安全)″，R.L.vanRenesse编辑，Artechouse Boston 1998)。层状薄膜体系的许多不同的组合是可能的。特性反射光谱如在垂直光入射下得到。反射成传输光谱随着入射角的增加而移向短波侧。多层薄膜体系(通常是介电和金属层的组合)仅对于介电材料是可能的。在这种情况下，需要具有不同的折射指数的薄膜。
通过将一介电膜组合在两个金属膜之间，其中至少一个金属膜是部分透明金属膜，仅需要三层就可得到强颜色效果。这种薄膜干涉多层体系表示Fabry-Perot-共振器。铬和铝是两种适用于这些场合的金属和可，如通过溅射或蒸发而被沉积在聚合物膜上。
已经制造出基于薄干涉膜或基于这些膜的薄片的安全装置。例子可在US 5,084,351和US 6,686,042中找到。
胆甾醇色移膜
可用的用于本文所述装置的第二组色移层是胆甾醇膜。胆甾醇聚合物液晶材料的光学效果目前作为薄膜或片用于色移油墨，例如描述于US4,780,383和US 6,414,092。
平面取向胆甾醇材料用作正入射光的在λ0＝P0<n>周围的波长下的反射器，其中Po是指胆甾醇材料的节距和<n>是胆甾醇材料对于一类圆形偏振光的平均折射指数(L.M.Blinov，Springer 1994，Electro-opticeffects in liquid crystal materials(液晶材料中的电-光学效果))。反射带的宽度与胆甾醇材料的各向异性成比例，Δλ＝P0Δn。反射带随着投射角θ的增加而移向短波长侧：
&lambda; ( &theta; ) = P 0 &CenterDot; < n > 2 - sin 2 ( &theta; )
对于典型材料，在正入射角下的橙色反射移向绿色和在约45°下和在切线入射下移向蓝色。
对于色移基胆甾醇膜的光学外观，胆甾醇液晶材料的取向是重要的.其光学(螺旋)轴垂直于基材的完美平面取向的胆甾醇材料得到一种不特别有吸引力的膜，因为仅可看见镜面反射光.为了使胆甾醇膜不太视角敏感的，有利地处理基材表面使得涂覆胆甾醇材料的螺旋轴在某一角内无规分布在基材垂直线周围.
通常，单层胆甾醇膜仅反射相对小部分的总非偏振可见光光谱。为了增加反射和着色光的量，可增加附加胆甾醇层以加宽光谱带宽度或包括其它偏振态(左和右圆形偏振光)。从经济角度考虑，该方案不非常令人满意，因为附加的胆甾醇层带来附加成本。增加色饱和度的另一方式是选择合适的背景，这也有助于总反射光。黑色或非反射背景得到最明亮的结果。
另一方面，更明亮的和/或着色的背景也可得到非常有吸引力的颜色效果，它在外观上不同于传统胆甾醇膜在黑色背景下的色移效果。对该方案的进一步发展是将胆甾醇材料用染料掺杂使得该染料胆甾醇材料的单层具有两种颜色贡献：胆甾醇组分的反射和染料的吸收。对这些色移膜的讨论如在F.Moia的″New colour shifting security devices(新的色移安全装置)″，Optical Security and CounterfeitDeterrence Techniques V(光学安全和防伪阻止技术V)，San Jose，USA，2004，Proceedings of SPIE(SPIE会议论文集)，5310卷(SPIE文件#5310-32)中说明。染料胆甾醇膜还适用于本文所公开的组合装置。
按照讨论，各向异性散射装置可用于新有吸引力的安全场合，它可另外得到像素化或图案化微结构。每一像素或图案具有其自身的方位取向。本发明基于这些各向异性散射结构与包括胆甾醇材料的色移膜或由于薄膜效果的干涉效果的协同合并或组合。
将各向异性散射膜与色移膜相结合的一种方式是将一种类型的层加在另一层的上面。以下例子仅包括反射型装置。这些装置的传输对应物也是可得到的。应理解，观察者在图3至图14中从顶部观察，并且装置被胶合，层压或涂覆或以其它方式施用到必须被保护的物体上或与其整合。
图3是说明反射干涉膜11顶部的各向异性散射层10的基本组合。这种膜保持散射膜的所有性能和色移干涉膜的性能。颜色干涉膜11被涂覆，印刷，层压，热或冷压印在典型的塑料基材12如聚酯，聚乙烯，聚丙烯，PET和类似物上以及在玻璃，金属或特制的纸基材12上。具有图像或徽标或任何其它信息的各向异性膜10在层状膜11的顶部。
在根据图3的色移装置中，具有编码图像的表面浮雕10未被保护且可用合适的复制技术复制。为了保护该散射表面浮雕，附加层13可被涂覆在该装置的顶部。这在图4中例证。图4因此说明一种类似于图3装置的装置，但具有调节的折射指数(低或高)的附加表面保护涂层13。这些保护涂层13应该具有不同于散射膜10的折射指数。散射效率取决于表面浮雕调节深度d以及散射n(10)和保护膜n(13)之间的折射差异指数δn：δn＝n(13)-n(10)。因此合适地具有尽可能大的δn值使得表面浮雕调节深度不太大。最近，已经开发出使得制造商能够湿涂覆高折射指数膜的材料。这些材料基于具有高折射指数的纳米颗粒和保持颗粒尺寸使得不出现散射。这种材料的一个例子基于TiO2纳米颗粒。
图5说明一种类似于图4装置的装置，但在这种情况下，散射膜10被涂覆/施用在基材12上和表面涂有被界面层15覆盖的反射金属层14。最后色移层11被涂覆/施用到该装置的顶部。
在图3至5所示的装置中，使用一般干涉膜11。该膜可由各种介电子膜组成和/或可包括吸收性金属膜。简单干涉膜由三层组成：两个反射金属膜和在其之间的至少一介电膜。这种Fabry Perot-共振器型组成也可用于本发明的色移膜。
基于这些Fabry-Perot-共振器的其它可能结构在图6和7中说明。在这两种情况下，垫片膜16决定两个反射器(分别为14，9和14，17)之间的距离，这决定了从该装置观察到的颜色。
图6说明一种表示Fabry-Perot-共振器的色移装置，其中一个反射器是各向异性散射反射器14。金属层14是半透明的。在这种情况下，基材上的反射器是平面镜9和外连的反射器是部分反射散射镜14。该外连反射器14可涂以保护膜13。
图7还说明一种表示Fabry-Perot-共振器的色移装置，其中一个反射器是各向异性散射反射器14。在这种情况下，基材上的反射器14是各向异性散射镜和外连的反射器是平整半透明部分反射镜17。外连反射器17可涂有保护膜18。
注意，图6和图7说明色移装置，它不仅是两个膜的机械组合，而是表示一种集成结构，通过将两种光学效果在一种结构内集成组合而完成。
以下的图说明基于各向异性散射膜与胆甾醇色移装置的组合的色移装置。
图8说明在反射胆甾醇膜20顶部的各向异性散射层10的基本组合。这种集成膜保持和组合了散射膜的所有性能和色移干涉膜的性能。胆甾醇膜20被涂覆，印刷，层压，热或冷压印在典型的塑料基材12如聚酯，聚乙烯，聚丙烯，PET和类似物上以及在玻璃，金属或特殊制备纸基材12上或在其组合或多层结构上。具有图像或徽标的各向异性散射膜10在层状膜20的顶部。在胆甾醇膜20之后的膜21(可以是基材或在基材和胆甾醇膜20之间的膜)用作背景膜和明显决定装置的光学外观。黑色背景膜21如基本上造成特性胆甾醇反射发生。着色背景膜21导致不同的颜色。特性胆甾醇反射和颜色背景吸收剂或反射器的许多不同的组合是可能的和导致有吸引力的装置。
另外在图8所示的装置中，各向异性散射膜的表面浮雕可被复制，因此保护膜适用于敏感用途。图9说明一种类似于图8装置的装置，但具有调节的折射指数(低或高)的附加表面保护涂层22。
也可通过将胆甾醇材料用合适的染料染色而将背景膜的作用直接引入胆甾醇层中。这些染色胆甾醇层在该装置被倾斜时导致不同的惊人的色移.例如，对于在绿色和紫色染料掺杂时具有特性反射的胆甾醇材料，非常明显的色移可从绿色(在0°下)至紫色(在较大角(60°))下观察到。该方案可用于当从注视方向观察时具有在各向异性散射膜10下面的胆甾醇膜20的装置。
图10说明一种类似于图9装置的装置，但在这种情况下散射膜10被涂覆在基材上和表面涂有反射金属层14，随后涂有界面层23。必须注意，界面层23不必被特定地施加，但胆甾醇膜也可直接被施加到散射层上，留下具有空气的层23。最后胆甾醇色移层20被涂覆在装置的顶部。
图11说明一种类似于图10装置的装置，但在这种情况下金属反射层14不存在和界面层是高或低指数膜31使得在散射膜10和指数膜31上得到良好的反射。另外，背景膜30再次如上所述是重要的。
如上所述，胆甾醇膜20可作为交联膜通过在装置上层压该膜而涂覆。另外可将胆甾醇材料以其液晶形式涂覆和在涂覆工艺之后通过光化照射(UV)或通过加热，即用热的方法而使该材料交联。该方案的优点在于，散射膜的孔可被胆甾醇液晶材料填充和不必在另一步骤中被保护。这种方案示于图12。
图12说明一种其中各向异性散射膜10被金属化或部分金属化14并随后涂有液晶胆甾醇材料20的装置。在涂覆之后，胆甾醇膜20通过UV光而交联。该方案使得图11所示的界面层无用和实质上简化该装置。根据图12的装置还表示一种集成装置，其中两种光学效果被相互密切地联系且在一单个结构内实现。另外，替代金属化，也可考虑彩色或黑色背景。
图13说明其中各向异性散射膜10被涂有液晶胆甾醇材料20和也可从背部观察的装置。该简单的构型明显无需保护覆盖膜。另外，根据图13的结构表示集成装置。
图14另外说明根据本发明的一种非常简单的和完全集成的结构。在这种情况下，各向异性散射膜10被施用到基材12上，各向异性散射膜的表面被用作镜的金属层14金属化，和在该金属层14的顶部提供介电层32。金属层14和介电层32以及在各向异性膜上的更明显的凹槽平均深度得到组合的色移/图像翻转效果。在根据图14的结构的情况下，各向异性散射层中的凹槽的平均深度通常是100至300纳米，而在前图的结构中，凹槽的平均深度是50至150纳米。
应该注意，即使具有干涉色移的各向异性散射装置通常由第一(部分)反射器，垫片层，各向异性散射层，第二(部分)反射器和可能钝化膜组成，如果一个(部分)反射器不存在，可观察到来自这种装置的颜色反射，和另外，通过使散射层足够厚，垫片层可被省略。
另外，垫片膜(迄今被认为是均匀透明介电膜)也可由散射材料制成。
各向异性层存在多种图案化可能性使得得到各种光学效果。图15至17说明在各向异性散射层中可能的取向图案。参数是参与区的几何结构，其方位取向，和各向异性度以及角度依赖性散射特性。更多细节参见如WO-A-01/29148。除了在图15至17中给出的例子，可考虑更多的排列。
图15说明具有图形图案的各向异性散射层的几何图案和其取向，该层由均匀背景40和图形组合物41组成。均匀背景40的散射结构的取向沿着水平方向，如水平线所示。实际的图形图案41保持单个垂直排列。这种装置具有明显的取决于视角和照明条件的正负翻转。
图16说明具有图形图案的各向异性散射层的几何图案和其取向，其背景42未被取向。斑点区域表示非取向区域。各种不同的图形区具有其自身的取向，由不同取向的散列区域43表示。这意味着，通过旋转或倾斜这种装置，根据该装置的取向而点亮不同的图形区，同时背景总是显得一样。
图17说明源自黑色和白色图形和各向异性背景42的各向异性散射层的几何图案和其取向44，45。对于这种装置，黑色和白色图形被光栅化，这意味着该图形区域被细分成小尺寸的黑色和白色像素。黑色和白色区在装置中使用两个各向异性散射方向，优选使用90°的取向角差异编码。这样，具有灰度的图形可容易被复制且该排列还在改变视角时具有正-负翻转效果。
具体例子
对于以下更详细描述的所有列举的例子，使用根据图15的各向异性散射图案(两种不同的各向异性取向)。通过使用一个图案化铬掩模，得到具有图形插图，光栅化灰度和高分辨图像(图形)的安全装置。像素尺寸是约20微米但可更大以及甚至更小(＜10微米)。
实施例1：
第一实施例根据图3制造。作为干涉层11，使用特制的三层Fabry-Perot反射器或可购自Edmund Industrial Optics的具有红色反射的干涉过滤器。根据描述于WO-A-01/29148的膜制备，在干涉层11上涂覆各向异性散射膜10。作为光排列材料，使用来自Rolic技术的材料ROP103并通过旋涂或通过kbar涂布而涂覆30至60纳米的膜厚度。该膜暴露于在Karl Suess外壳中的和发送约3mW/cm2的305nm线性偏振UV光的1000Watt汞蒸气灯的UV光。UV光用Moxtek(US)线性偏振器偏振。第一UV曝光还包括用图案化铬掩模遮盖光排列层。使用线性偏振UV光的第一曝光在方位取向α1下进行。随后去除铬掩模并使用新取向在方位角α2下进行第二UV曝光。典型的曝光能是100和20mJ/cm2(对于第一和第二UV光曝光)。图案化铬掩模保持图形，图形组成和/或微文本。所述装置因此保持两个不同的取向方向(对于暗的和明亮的区)。对于双取向角装置中的最佳对比度，角差异α2-α1被调节至90°。
在下一步中，得到具有根据排列层图案的图案化各向异性的散射膜。用于它的液晶/可交联的液晶预聚物溶液的制备，膜涂覆(同样，旋涂和kbar涂覆是可能的)和光诱导相分离描述于专利申请WO-A-01/29148，和该文件的相应公开内容明确被包括在本文中。最后，得到具有各向异性散射性能的起皱交联二丙烯酸酯膜10。保持散射膜厚度约50至150纳米(使用原子力显微镜测定)的反射膜得到良好的光学性能。1至2微米的平均表面起皱间隔得到合适的视角依赖性。
干涉膜和各向异性散射膜之间的距离在描述于本实施例的装置不是决定性的。因此，也可将带有各向异性散射结构的薄复制膜10层压到颜色干涉膜11上。
在小视角(从装置表面法线测定)下，装置呈现红色，和在大视角下，装置的颜色改变为橙色和最后绿色。同时当倾斜或旋转装置时，观察到图案化各向异性的特性正-负图像翻转。
实施例2：
第二例子根据图6制造。在这种情况下各向异性散射膜10是干涉膜的一部分和因此被部分金属化14。在第一步骤中，基材12通过DC溅射而被铝金属化，得到层9。溅射在约80ml/min的氩流量和300W的DC功率下进行。样品离铝溅射目标的距离是90mm。曝光时间是120秒。得到用于可见波长范围的高反射铝膜9。
然后，将可交联材料的薄膜涂覆到金属反射器上。在目前情况下，使用丁二醇-二丙烯酸酯(BDDA)在环戊酮中的15％二丙烯酸酯溶液。溶液用1％BHT(丁基化羟基甲苯，所谓2，6，-二-(t-丁基)-4-羟基甲苯)和Ciba SC(CH)的1％光引发剂Irgacure 369掺杂。同样，该膜可通过旋涂或kbar涂覆而沉积。该垫片膜16的厚度决定最终装置的颜色，因为它决定了Fabry-Perot-共振器的腔。为了得到有吸引力的效果(颜色色调和饱和度)，垫片膜厚度100至400纳米一般是合适的。
在该垫片膜的顶部，沉积排列层和各向异性散射膜。步骤在实施例1中说明。
在各向异性散射表面上，通过溅射而沉积金属14，如铝的薄层。溅射时间现在明显较短，这样得到透光度30至60％的半透明铝膜。在该步骤之后，得到具有鲜艳颜色的装置。通过将附加聚合物膜13涂覆在装置上，颜色会改变。为了最佳亮度，必须优化垫片膜厚度和顶反射器透明度。
同样，可通过处理各向异性散射膜10的现有复制品而制造该装置。在这种情况下各向异性散射膜10的复制品涂有半透明铝膜14，随后垫片膜16。最后高反射金属膜9被涂覆在装置上和层压在载体膜12上。该设计还按照相反顺序对应于图6。这种制造步骤可在辊-辊工艺中自动化。
在小视角下，该装置呈现绿色，和在较大视角下，该装置的颜色变成品红色。同时当倾斜或旋转装置时，观察到特性正-负图像翻转。
实施例3：
对于该实施例，制造工艺类似于实施例1，除了干涉膜现被替换为胆甾醇膜20。穿过这种装置的横截面在图8中给出。将125微米的TAC(三乙酸酯纤维素)膜基材通过kbar涂覆而涂以胆甾醇膜20。为了得到良好的润湿条件，将基材12用等离子体清洁器，Technics等离子体400清洁器清洁。典型的清洁参数是300mL/min O2和300mL/min Ar，在300W下。没有使用排列层。
为了生产可交联的液晶层，在实施例中，将以下可交联的液晶二丙烯酸酯组分
用于具有特别低熔点(Tm 35摄氏度)的可超冷却向列混合物(Monl80％，Mon215％，Mon35％)，这样可在室温下制备可交联的液晶层。
向列混合物另外用诱导节距的胆甾醇材料掺杂。合适的手性掺杂剂是如具有左手螺旋感的ST31L。
Figure G2005800243500D00172
手性掺杂剂的浓度是4％至9％，更优选5％至6％。这带来在可见范围中的所需反射波长带，但通过改变浓度，也可实现在UV或IR范围中的反射波长带.通过改变在溶剂如MEK中的浓度，可在宽范围内调节胆甾醇可交联的液晶层厚度，得到不同的反射性能。胆甾醇层的厚度是1至10微米，取决于预期的波长范围。
一般，几种可用于这些胆甾醇材料的手性掺杂剂是已知的。另外包含可聚合基团的手性掺杂剂例如描述于WO-A-98/55473，WO-A-99/64383，WO-A-00/02856和WO-A-01/47862。
如果需要，也可存在熟知的添加剂，如用于稳定化的苯酚衍生物或光引发剂如通过改变浓度，可在宽范围内调节层厚度.为了交联液晶单体，将这些层在惰性气氛中暴露于来自氙灯的各向同性光.
手性掺杂剂浓度调节使得反射带在绿色波长范围内。通过倾斜装置，所观察到的颜色变成蓝色。同时当倾斜或旋转装置时，观察到特性正-负图像翻转。
在该实施例中，各向异性散射膜接近空气，这不是非常令人满意的，因为散射微结构不被保护。但散射表面可通过薄膜22(图9)而纯化，该膜的折射指数不同于散射膜材料。合适的高指数材料是TiO2，可通过蒸发或以纳米颗粒的形式涂覆。图9说明了这种装置。
光学外观的一个重要的因素是该装置的背景。对于明亮的颜色，强吸收背景(黑色纸)效果好。但具有调节的反射光谱的着色背景也是有吸引力的并得到有吸引力的反射效果。
替代选择如上所述的着色背景，也可将可交联的胆甾醇材料用染料掺杂。根据图8制备出基于胆甾醇膜20的样品，它具有特性绿色反射(对于小视角)和黑色背景层。在较大视角下，绿色颜色移向蓝色。另外，如果装置被旋转或倾斜，可观察到正-负图像翻转。
相同的胆甾醇膜20另外用紫色染料掺杂使得背景不贡献于感知装置颜色。在小视角下，仍观察到特性绿色。在较大视角下，绿色颜色移向紫色。另外，如果装置被旋转或倾斜，可观察到正-负图像翻转。
实施例4：
贯穿根据该实施例的装置的横截面在图12中给出。在该实施例中，首先制备各向异性散射膜。将表面金属化14，使其反射。将胆甾醇液晶预聚物(参见实施例3)涂覆在反射散射表面14上和通过UV光交联。该构型的优点在于，胆甾醇膜也用作该装置顶部上的保护膜和提供完全集成的光学装置。
制备出具有特性绿色反射的样品。相应各向异性散射膜的图形明显可看见两种颜色。下表说明该装置的感知颜色。
  区   各向异性散射图像的外观   在各向异性散射图像上的胆甾醇膜的外观
  1   暗   绿色
  2   明亮   弱橙色
随着装置被倾斜，绿色区在大视角下呈现弱蓝色。
实施例5：
该实施例说明，使用图14所示类型的单层色移膜的进一步可能性。首先，具有图案化各向异性的各向异性散射膜10在透明基材12，如玻璃或塑料上制备，例如描述于实施例1。但在这种情况下，选择将包含可交联和非可交联材料的溶液曝光于UV光，使得得到较深的起皱凹槽，例如描述于WO-A-01/29148。如同以前实施例，该散射膜也可通过复制方法如热压花或UV铸塑使用合适的母版垫片而制造。
然后，由如铝制成的反射膜14通过溅射或蒸发而沉积在各向异性散射膜10上，例如描述于实施例2。最后，起皱表面可有利地被薄膜32钝化。
装置可通过透明基材而观察到.制造出这种类型的几种不同的装置，显示黄色，橙色，红色，紫色，蓝色和绿色的反射颜色.可看见颜色效果的视角稍微受限；在颜色消失的角度下，出现没有明显颜色的暗/明图像.在此，已经发现不同于具有白色和灰色色调和仅可微弱地显示着色的如上所述和用于其它实施例的标准反射各向异性散射膜，具有较深调节深度的膜可得到明显可见的颜色反射图像.
参考编号的列举
  1   各向同性散射表面
  2   进入光
  3   用于各向同性散射的散射光
  4   3的发散角
  5   各向异性散射表面
  6   用于各向异性散射的输出光分布
  7，7′   6的方位角
  9   平面镜
  10   各向异性散射层
  11   反射干涉膜
  12   基材
  13   保护层
  14   反射金属层
  15   界面层
  16   垫片膜
  17   平整部分反射镜
  18   保护膜
  20   反射胆甾醇膜
  1   各向同性散射表面
  21   背景膜
  22   表面保护涂层
  23   界面层
  30   背景膜
  31   指数膜
  32   介电膜
  40   均匀背景(取向)
  41   图示
  42   均匀背景(不取向)
  43   具有不同的取向的区域的图示
  44   第一取向的几何图案
  45   第二取向的几何图案

Claims (34)

1.光学元件，包括
具有图案化各向异性的各向异性散射器(5，10)；和
用于提供在改变视角(6)和/或改变入射光(2)的角时可观察到的色移的装置(9，11，14，16，17，20，21，30，32)，其中用于提供色移的装置作为色移层结构被提供。
2.根据权利要求1的光学元件，其中各向异性按照像素化方式局部改变地成像。
3.根据权利要求2的光学元件，其中各向异性在倾斜或旋转光学元件时具有视角(6)依赖性正/负图像翻转。
4.根据权利要求1的光学元件，其中各向异性散射器(5，10)具有基本上非周期光学效果结构。
5.根据权利要求1的光学元件，其中从观察方向看，各向异性散射器(5，10)和色移层结构中的一个位于另一个的后面。
6.根据权利要求1或5的光学元件，其中各向异性散射器(5，10)和色移层结构至少部分集成。
7.根据权利要求1的光学元件，其中各向异性散射器(5，10)基于液晶。
8.根据权利要求7的光学元件，其中液晶是选自聚合物、单体或低聚物、可交联的或非交联的向列材料。
9.根据权利要求1的光学元件，其中各向异性散射器(5，10)包含拓扑结构化起皱表面结构(10)。
10.根据权利要求9的光学元件，其中拓扑结构化起皱表面结构(10)被保护层(13)，界面层(15，23，31)或垫片膜(16)或反射金属层(14)覆盖。
11.根据权利要求9或10的光学元件，包含拓扑结构化起皱表面结构(10)，可通过制造其中一种是可交联的和其它的是非可交联的至少两种材料的混合物，将该混合物施用到基材上，交联至少显著部分的可交联材料，和去除至少显著部分的非可交联材料而得到。
12.根据权利要求11的光学元件，其中可交联材料利用下方取向层或取向化基材在交联中保持取向态。
13.根据权利要求1的光学元件，其中用于提供色移的装置包括干涉膜或涂层。
14.根据权利要求13的光学元件，其中干涉膜或涂层包括基于介电材料的多层薄膜体系(11)，其中所述介电材料在不同的层具有不同的折射指数。
15.根据权利要求13或14的光学元件，其中干涉膜或涂层表示Fabry-Perot-共振器(9，14，16，17)。
16.根据权利要求15的光学元件，其中干涉膜或涂层包括至少一个部分透明第一金属膜(14，17)，和第二金属膜(9，14)和在这些金属膜之间的介电层(16)。
17.根据权利要求16的光学元件，其中具有图案化各向异性的各向异性散射器(5，10)被提供在基材(12)上，其中具有图案化各向异性的所述各向异性散射器(5，10)包括被反射金属层(14)覆盖的拓扑结构化起皱表面结构(10)，和其中从观察方向上看，所述各向异性散射器(5，10)直接被Fabry-Perot-共振器的介电层(16)覆盖。
18.根据权利要求1的光学元件，其中用于提供色移的装置包括胆甾醇膜，层或涂层。
19.根据权利要求18的光学元件，其中胆甾醇膜或涂层被染色。
20.根据权利要求18或19的光学元件，其中胆甾醇膜被交联。
21.根据权利要求18或19的光学元件，其中具有图案化各向异性的各向异性散射器(5，10)被提供在基材(12)上，其中具有图案化各向异性的所述各向异性散射器(5，10)包括被反射金属层(14)覆盖的拓扑结构化起皱表面结构(10)，和其中从观察方向上看，所述各向异性散射器(5，10)直接被胆甾醇层(20)覆盖。
22.根据权利要求18或19的光学元件，其中胆甾醇膜的表面，层或涂层具有拓扑结构化起皱结构(10)和形成具有图案化各向异性的各向异性散射器(5，10)。
23.根据权利要求1的光学元件，其中用于提供色移的装置作为至少一层涂覆，印刷，层压，热或冷压印在基材(12)上的膜而提供。
24.根据权利要求23的光学元件，其中基材是由选自聚酯、聚乙烯、聚丙烯、PET或其共混物的塑料材料制成或由玻璃、金属或纸或其组合制成。
25.用于制造根据任一项前述权利要求的光学元件的方法，其中用于提供可在改变视角(6)和/或改变入射光的角度(2)而观察到的色移的装置(9，11，14，16，17，20，21，30，32)被涂覆，印刷，层压，胶合，热或冷压印到基材(12)上和随后被具有图案化各向异性的各向异性散射器(5，10)覆盖或其中用于提供可在改变视角(6)和/或改变入射光的角度(2)时观察到的色移的装置(9，11，14，16，17，20，21，30，32)被涂覆，印刷，层压，胶合，热或冷压印到基材(12)上的具有图案化各向异性的各向异性散射器(5，10)上。
26.根据权利要求25的方法，其中具有图案化各向异性的各向异性散射器(5，10)通过制造其中一种是可交联的和其它是非可交联的至少两种材料的混合物，将该混合物施用到基材上，交联至少显著部分的可交联材料，和去除至少显著部分的非可交联材料而制成。
27.根据权利要求26的方法，其中可交联材料利用下方取向层或取向化基材在交联过程中保持取向态。
28.根据权利要求25的方法，其中拓扑结构化起皱表面结构(10)作为具有图案化各向异性的各向异性散射器(5，10)通过紫外铸塑或热压花使用三维结构化压印器而制成。
29.根据权利要求25-28任一项的方法，其中胆甾醇膜、层或涂层作为提供色移的装置应用。
30.根据权利要求1-24任一项的光学元件作为安全元件的用途。
31.根据权利要求30的用途，其中安全元件被施用到或引入安全文件。
32.根据权利要求30的用途，其中安全元件被施用到或引入商标或产品保护装置中。
33.根据权利要求30的用途，其中安全元件被施用到或引入用于包装的装置。
34.根据权利要求1-24任一项的光学元件用于装饰场合的用途。
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