技术领域
[0001] 本
发明涉及光学防伪领域，尤其涉及一种光学防伪元件及采用该光学防伪元件的防伪产品。
背景技术
[0002] 光变
镀层技术被广泛用于钞票等高防伪有价
证券的公众防伪，其在不同的观察
角度下能够呈现不同的
颜色，便于描述，易于公众识别，且无法利用
照相机、
扫描仪、
打印机等
电子设备模仿或复制，所以具有很高的防伪能
力。
[0003] 但是，由于光变产品应用已经有数十年的时间，单纯的光变镀层技术已经不能很好地满足防伪领域的需求。光变镀层已与镂空、全息、光变
配对等技术相结合并提供了新的防伪特征。例如，
专利US5766738、US6114018以及US7729026中提出通过选择适当的光变镀层厚度与颜色来实现光变匹配特征。瑞士SICPA公司通过
粉碎具有对称结构的五层光变镀层结构来形成光变颜料（OVP），进而获得光变油墨（OVI），其能够与印刷技术结合，并在世界多种钞票中得到了广泛应用。作为OVI的进一步发展，在现有光变结构中增加一层
磁性层就形成了光变磁性油墨（OVMI）即SPARK技术，该技术通过
磁场诱导使得OVMI颗粒能够沿磁感线方向定向排布，从而形成特定的图文结构。当OVMI中颗粒排列具有特定规律变化时，能够产生动感、缩放等光学特征（请见专利US7517578B2）。但是由于光变磁性颗粒的定向排布需要依靠磁场，故受到磁场形状的制约，不能对形状进行任意设计，且需要特定的定向设备与工艺。为了克服这一缺点，WO2011066990A2和WO2011066991A2公开了一种利用表面微反镜结构模拟曲面的方法，通过精确控制每个微反镜的倾角与方位角，在微反镜之上沉积光变镀层结构，能够实现OVMI的效果，其优势在于能够任意控制每个
像素的角度信息，实现对图像信息与细节的精确控制。
[0004]
液晶光变是一种具有随角度变色的光变技术。利用胆甾型液晶材料随角度变色和独特的偏振性质来开发具有大众可识别特征结合隐藏信息特征的防伪标记是目前光学防伪技术的发展方向之一。九十年代初期，Reveo公司第一个
申请了将液晶材料作为变色和偏振颜料使用的专利US5599412。Rolic公司通过胆甾型液晶结合定向成像技术（LPP/LCP）制作了此类防伪元件，使得该防伪元件具有随角度变化呈现不同颜色的同时还具备偏振隐藏图像特征。
[0005] 零级光变（零级光变衍射图像）是通过采用周期在200-400nm之间的光栅结构并在光栅结构上填埋高折射率材料形成的。由于光栅结构的周期小于可见光
波长，所以为亚波长光栅，因此只能再现零级光。零级光变图像在自身平面内转动时再现图像的主颜色明显改变，并且颜色变化是特定的、可描述的，而且再现光为偏振光。
[0006] 共挤光变膜是基于Bragg干涉的光学防伪元件，该光学防伪元件采用折射率不同的多层膜间的Bragg干涉作用形成随角度变化的颜色变化特征。
[0007] 以上光变技术及采用这些光变技术形成的光学防伪元件由于它们自身的技术特点、元件结构、制作工艺的
缺陷，使得它们能够形成的颜
色偏暗、防伪特征单一、设计空间狭窄，从而限制了其防伪能力。
发明内容
[0008] 本发明针对现有光学防伪技术的颜色变化特征简单、设计空间狭窄、防伪特征单一、需要特定的复杂工艺及设备形成复杂的效果等缺陷，提供一种能够克服上述缺陷的光学防伪元件及采用该光学防伪元件的防伪产品。
[0009] 本发明提供一种光学防伪元件，该光学防伪元件包括基材、表面浮雕结构层和颜色功能层，所述基材包括相互对立的第一表面和第二表面，所述表面浮雕结构层能够对入射光及来自所述颜色功能层的光线的方向进行调制，其中，所述基材、表面浮雕结构层和颜色功能层的布置为下述情况之一：
[0010] 所述基材的第一表面上至少部分地
覆盖有所述表面浮雕结构层，所述基材的第二表面上至少部分地覆盖有所述颜色功能层；或者
[0011] 所述基材的第一表面上至少部分地覆盖有所述颜色功能层，所述颜色功能层的表面上至少部分地覆盖有所述表面浮雕结构层；或者
[0012] 所述基材的第一表面和第二表面上都至少部分地覆盖有所述颜色功能层，位于所述第一表面上的颜色功能层的表面上至少部分地覆盖有所述表面浮雕结构层。
[0013] 本发明还提供一种采用上述光学防伪元件的防伪产品。
[0014] 由于根据本发明的光学防伪元件及防伪产品通过表面浮雕结构层对入射光及来自颜色功能层的光线的方向进行调制，所以通过表面浮雕结构层和颜色功能层的结合，能够获得丰富的光学防伪特征和带有颜色变化的动感、景深、三维、图案转换效果及其组合特征，从而提高了颜色特征的表现力和防伪能力，而且所需工艺的可行性高，难于复制。
附图说明
[0015] 图1为根据本发明一个实施方式的光学防伪元件的剖面图；
[0016] 图2为根据本发明另一实施方式的光学防伪元件的剖面图；
[0017] 图3为根据本发明又一实施方式的光学防伪元件的剖面图；
[0018] 图4(a)、4(b)、4(c)分别示出了从表面浮雕结构层上方俯视观察表面浮雕结构层时的排列图示、立体结构示意图及截取的部分截面图；
[0019] 图5(a)、5(b)、5(c)分别为为了获得图案平移滚动效果而采用球面微透镜构成表面浮雕结构层时的俯视观察图、立体结构示意图及截取的部分截面图；
[0020] 图6(a)、6(b)、6(c)分别为为了获得图案平移滚动效果而采用锯齿型棱镜构成表面浮雕结构层时的俯视观察图、立体结构示意图及截取的部分截面图；
[0021] 图7给出了利用柱面透镜构成表面浮雕结构层而形成2D/3D效果的方法；
[0022] 图8示出了选取球面微透镜构成表面浮雕结构层时，颜色功能层与表面浮雕结构层之间的距离变化带来的影响；
[0023] 图9(a)、9(b)、9(c)分别为为了获得带有颜色及明暗变化的有立体浮雕感的图像效果而采用柱面微透镜构成表面浮雕结构层时的俯视观察图、立体结构示意图及截取的部分截面图；以及
[0024] 图10为为了获得漫反射特征而采用柱面微透镜构成表面浮雕结构层时的俯视观察图。
具体实施方式
[0025] 下面将结合附图来详细描述根据本发明的光学防伪元件以及使用该光学防伪元件的产品，以便更好地理解本发明的思想。应当理解，所述附图和详细描述只是对本发明优选实施方式的描述，并非以任何方式来限制本发明的范围。
[0026] 根据本发明一种实施方式的光学防伪元件1包括基材2、表面浮雕结构层3和颜色功能层4，所述基材2包括相互对立的第一表面21和第二表面22，所述表面浮雕结构层3能够对入射光及来自所述颜色功能层4的光线的方向进行调制，其中，所述基材2、表面浮雕结构层3和颜色功能层4的布置为下述情况之一：所述基材2的第一表面21上至少部分地覆盖有所述表面浮雕结构层3，所述基材2的第二表面22上至少部分地覆盖有所述颜色功能层4（如图1所示）；或者所述基材2的第一表面21上至少部分地覆盖有所述颜色功能层4，所述颜色功能层4的表面上至少部分地覆盖有所述表面浮雕结构层3（如图2所示）；
或者所述基材2的第一表面21和第二表面22上都至少部分地覆盖有所述颜色功能层4，位于所述第一表面21上的颜色功能层4的表面上至少部分地覆盖有所述表面浮雕结构层
3（如图3所示）。
[0027] 表面浮雕结构层3可以包括一个或多个连续曲面型结构、一个或多个锯齿型棱镜或它们的拼接或组合。其中，所述连续曲面型结构可以为微透镜结构、正弦型结构、椭圆型结构、双曲面型结构、抛物面型结构等中的一种或多种结构的拼接或组合。所述微透镜结构可以是折射型微透镜、衍射型微透镜或它们的拼接或组合，其中折射型微透镜可以包括球面微透镜、椭球面微透镜、柱面微透镜或其它任意几何形状的基于几何光学的微透镜，衍射型微透镜包括谐衍射微透镜、平面衍射微透镜、菲涅
耳波带片等。另外，以上结构的具体排列方式可以是周期性的、局部周期性的、非周期性、随机性的或它们的组合等。通过对具体排列方式进行适当的设计调整，并与颜色功能层4相结合，就能够获得带有颜色变化的动感、图案变换、三维立体等光学特征。这将在下面结合附图4-10进行详细描述。
[0028] 表面浮雕结构层3可以是透明或半透明的，而且与外部环境之间存在折射率差，从而对入射和出射光线进行折射。
[0029] 表面浮雕结构层3在平行于基材2的第一表面21的至少一个方向上的尺寸可以为2μm-200μm，优选为5μm-100μm；当该尺寸小于2μm时，会存在明显的衍射现象，呈现彩虹色，会干扰颜色功能层4的颜色特征和观察效果。表面浮雕结构层3的起伏高度可以小于25μm，优选小于15μm。
[0030] 根据本发明的光学防伪元件1中的表面浮雕结构层3可以通过光学曝光、
电子束曝光等微纳加工方式获得，还可以结合热熔回流等工艺来实现，通过紫外浇铸、模压、纳米压印等加工方式进行批量复制。
[0031] 根据本发明的光学防伪元件1中的颜色功能层4可以为吸收型结构，其中，所述吸收型结构可以是油墨、颜料、染料中的一种或几种的组合。
[0032] 颜色功能层4还可以为液晶光变层。典型地，例如可采用胆甾型液晶材料来实现颜色功能层4，从而可实现例如随观察角度变化产生的绿变蓝、红变绿等的颜色特征。液晶光变层可以通过涂布、印刷等方式批量生产。
[0033] 颜色功能层4还可以为零级光变层。所述零级光变层可以包括覆盖在基材2的表面上的亚波长光栅结构，且所述亚波长光栅结构的周期、槽型和槽深中的至少一者是可变的，其中，所述亚波长光栅结构的周期可以为50nm至500nm，优选为200nm至400nm，所述亚波长光栅结构的槽型例如可以为正弦形、矩形、锯齿形等中的至少一种槽型，所述亚波长光栅结构的槽深可以位于10nm至500nm的范围内，优选为50nm-200nm。所述亚波长光栅结构可以通过光学曝光、电子束曝光等微纳加工方式获得，还可以结合热熔回流等工艺来实现，通过紫外浇注、模压、纳米压印等微纳加工方式进行批量复制。
[0034] 所述零级光变层还可以包括覆盖在所述亚波长光栅结构上的
单层或多层镀层结构。单层镀层结构可由高折射率材料形成。而多层镀层结构则可为干涉型叠层结构，该干涉型叠层结构形成法布里-泊罗
谐振腔，例如干涉型叠层结构可为传统的光变膜结构，即“反射层/低折射率介质层/吸收层”三层镀层结构，其中，当零级光变层位于基材2的第一表面21上时，三层镀层结构中的反射层与所述亚波长光栅结构
接触，而当零级光变层位于基材2的第二表面22上时，三层镀层结构中的吸收层与所述亚波长光栅结构接触；或者可为颜色镀层，即“反射层/高折射率介质层/吸收层”三层结构，其中当零级光变层位于基材2的第一表面21上时，该颜色镀层中的反射层与所述亚波长光栅结构接触，而当零级光变层位于基材2的第二表面22上时，该颜色镀层中的吸收层与所述亚波长光栅结构接触；或者是具有不同折射率的介质层叠层结构，例如“高折射率介质层/低折射率介质层/高折射率介质层”三层镀层结构。其中，上述反射层的材料可以为具有高反射率的材料，如金、
银、
铜、
铝等；吸收层的材料要求是其折射率与吸光系数接近的材料，例如可以是半金属材料（如
硅、锗等），也可以是金属材料或其
合金（如铬、铜、镍、镍铬合金等）；高折射率介质层的折射率高于1.7，例如可以是硫化锌、二
氧化
钛等；低折射率介质层的折射率小于或等于1.7，例如可以是氟化镁、
二氧化硅、
冰晶石等。
[0035] 颜色功能层4还可以为共挤光变膜。而且可以直接将共挤光变膜用作基材2。
[0036] 颜色功能层4还可以为干涉型多层镀层结构，该干涉型多层镀层结构形成法布里-泊罗谐振腔，其对入射的白光具有选择作用，使得出射光线只包含某些波段，从而形成特定的颜色；当入射角度变化时，与之相对的光程发生变化，干涉波段也发生变化，从而导致呈现给观测者的颜色也随之变化，从而形成光变效果。其中，所述干涉型多层镀层结构的结构可以采用上述结合零级光变层的多层镀层结构所描述的任意一种结构，所以这里不再赘述。
[0037] 另外，当基材2的表面（例如，第一表面21和/或第二表面22）上部分地覆盖有颜色功能层4时，就可以形成镂空图案，其中所述镂空图案可以为宏观图案、微文字、精细线条等，从而能够实现更好的防伪效果。当第一表面21上或者颜色功能层4的表面上部分地覆盖有所述表面浮雕结构层3时，也会在具有所述表面浮雕结构层3和没有所述表面浮雕结构层3的区域之间形成对比，从而形成
图案化结构，增强防伪效果。另外，当第一表面21上部分地覆盖有颜色功能层4时，表面浮雕结构层3不仅可以部分地覆盖在颜色功能层4的表面上，而且还可以覆盖在其上没有颜色功能层4的第一表面21上。
[0038] 当然，为了增加根据本发明的光学防伪元件的使用寿命，所述光学防伪元件1还可以包括保护层（未示出），其中所述保护层可以覆盖在图1所示的表面浮雕结构层3和颜色功能层4的表面上，也可以覆盖在图2所示的表面浮雕结构层3的表面上，还可以覆盖在图3所示的表面浮雕结构层3和位于基材2的第二表面22上的颜色功能层4的表面上。
[0039] 当所述保护层与所述表面浮雕结构层3直接接触且完全覆盖所述表面浮雕结构层3时，所述保护层与所述表面浮雕结构层3的折射率的差值不小于0.1，优选不小于0.3。但当保护层并未完全覆盖表面浮雕结构层3时，二者之间的折射率差值可以不受限制。另外，所述保护层还可以具有粘结功能，以便能够将根据本发明的光学防伪元件粘结在各种物品上，例如粘结到钞票、信用卡等高安全产品和高附加值产品上。
[0040] 根据本发明的光学防伪元件中的基材2可以是至少局部透明的无色或有色介质层，而且基材2可以是一层单一的透明介质
薄膜，例如PET膜、PVC膜等，当然也可以是表面带有功能涂层（比如压印层）的透明介质薄膜，还可以是经过复合而成的多层膜。
[0041] 优选地，所述基材2的第一表面21、第二表面22和/或所述表面浮雕结构层3的表面还可以具有衍射光变特征、干涉光变特征、微纳结构特征、印刷特征、部分
金属化特征以及用于机读的磁、光、电、
放射性特征中的一种或多种特征。
[0042] 另外，形成表面浮雕结构层3的材料中可以添加
荧光材料，从而使得根据本发明的光学防伪元件1带有荧光特征。优选地，荧光材料也可以添加在光学防伪元件1的基材2中、基材2的第一表面21处、基材2的第二表面22处和/或表面浮雕结构层3的表面处。优选地，荧光材料可以例如通过印刷方式形成荧光图案。
[0043] 根据本发明的光学防伪元件1的基本原理如下：选取根据本发明的光学防伪元件1的所述表面浮雕结构层3的微分基元。对于任意的入射光场，由于在微分基元的界面处存在折射率差，所以当该入射光场通过表面浮雕结构层3时将发生折射(α)，从而产生折射光场，该折射光场为通过对透过上述微分基元的折射光(α)在所述表面浮雕结构层3的面积分获得；当上述折射光场入射至颜色功能层4，由于颜色功能层4具有选择性吸收、反射等作用，所以被颜色功能层4选择性反射(β)，当该反射光(β)通过某一微分基元时将再次发生折射(γ)而形成特定
亮度、颜色的出射光，从而产生出射光场，该出射光场为通过对透过上述微分基元的折射光(γ)在所述表面浮雕结构层3的面积分获得。
[0044] 尽管上述所描述的物理原理是目前所认为的对于本发明所涉及的光学防伪元件所产生的物理现象的正确的理解和描述，但并不意味所述光学防伪元件被当前用于解释这一现象的所述物理原理所限制。所述光学防伪元件1的防伪特征是由该光学防伪元件1的基本结构和具体实施方式所决定的。
[0045] 下面结合图4-10对根据本发明的光学防伪元件的防伪效果进行说明。
[0046] 图4(a)、4(b)、4(c)分别示出了从表面浮雕结构层3的上方俯视观察表面浮雕结构层3的排列的图示、根据本发明的光学防伪元件的立体结构示意图及截取的部分截面图，其中不同区域定义了不同方向排列的柱面微透镜结构，所述柱面微透镜宽度为30微米、周期为32微米、高度为8微米。基材2的第二表面22上的颜色功能层4为结构Cr/SiO2/Al的颜色可变镀层，其各层厚度分别为5nm/430nm/60nm，其中Cr层与所述第二表面22直接接触，该颜色可变镀层的颜色特征为随观察角度的变化实现洋红色到绿色的转变。
所述基材2为PET薄膜，厚度为19微米。该
实施例结构所实现的效果为：在表面浮雕结构层
3的上方俯视观察，随观察角度的改变，整个区域会产生带有颜色及明暗变化的图案平移滚动的效果。
[0047] 图5和图6分别给出了实现滚动效果可采用的另外两种表面浮雕结构层3结构并示例性地给出了排列方式。
[0048] 图5(a)、5(b)、5(c)分别为为了获得图案平移滚动效果而采用球面微透镜构成表面浮雕结构层3的俯视观察图、立体结构示意图及截取的部分截面图。
[0049] 图6(a)、6(b)、6(c)分别为为了获得图案平移滚动效果而采用锯齿型棱镜构成表面浮雕结构层3的俯视观察图、立体结构示意图及截取的部分截面图。
[0050] 图7示意性地给出了利用柱面透镜透彻表面浮雕结构层3而形成2D/3D效果的方法。形状为“KINE”的四个图像区域如图7(a)、(b)、(c)、(d)所示，它们在横向的
位置之差为d，分别充满了方位角不同的柱面微透镜结构（微透镜参数同图4中柱透镜参数），所述方位角的变化是渐变的。对图7(a)、(b)、(c)、(d)中的区域进行如图7(e)、(f)、(g)、(h)的方式进行分割后，按照图7(i)的方式进行合成，从而确定了表面浮雕结构层3的最终形式。按照这种方法形成的表面浮雕结构层3将在俯视观察改变视角过程中获得带有颜色及明暗变化的并具有景深感及一定动态效果的2D/3D特征。
[0051] 可通过改变图7(a)、(b)、(c)、(d)的图像形式来获得不同的效果，例如，将它们分别定义为“K”、“I”、“N”、“E”四个图像区域，那么将使观察者俯视观察改变视角过程中获得多个图像之间的切换效果。再例如，将它们分别定义为真实立体物体或模型的不同角度下的不同图像，则可以通过将其与柱面微透镜的方位角的关系进行匹配，从而使观察者在俯视观察改变视角过程中获得真实的立体感。
[0052] 图8示出了当表面浮雕结构层3由球面微透镜构成时，颜色功能层4与表面浮雕结构层3之间的距离L和透镜焦距F之间的匹配关系对颜色功能层4出射的光线的调制情况的截面图。当表面浮雕结构层3的至少一部分结构为连续曲面型结构时，则需要考虑颜色功能层4与表面浮雕结构层3之间的距离作为变量而产生的影响，可通过调节该距离以获得更多的光学效果。
[0053] 图9(a)、9(b)、9(c)分别为采用柱面微透镜构成表面浮雕结构层3时的俯视观察图、立体结构示意图及截取的部分截面图。其中图9(a)、9(b)中的黑色区域示意性地代表柱透镜，所选取的柱透镜的形貌及排列方式示意性地由图9(c)给出。该实施例结构实现的效果为：在表面浮雕结构层3上方俯视观察时，随观察角度的改变，整个区域会产生带有颜色及明暗变化的有立体浮雕感的图像效果。
[0054] 图10为采用柱面微透镜构成表面浮雕结构层3的俯视观察图。图中不同区域中的柱透镜排列方向相对随机化。该实施例结构实现的效果为：在表面浮雕结构层3的上方俯视观察时，随观察角度的改变，整个区域会产生带有颜色及明暗变化的带有颗粒感、闪烁感的漫反射特征。优选地，当所述表面浮雕结构层3由排列方向随机化的柱透镜组成以形成漫反射效果时，可以通过改变随机分布的程度及具体形式以形成更多的特征。
[0055] 根据本发明的光学防伪元件特别适合制作成开窗安全线。所述安全线的厚度不大于50μm。带有所述开窗安全线的
防伪纸用于钞票、护照、有价证券等各类高安全产品的防伪。
[0056] 根据本发明的光学防伪元件也可用作标签、标识、宽条、透明窗口、覆膜等，可以通过各种粘结机理粘附在各种物品上。例如转移到钞票、信用卡等高安全产品和高附加值产品上。
[0057] 本发明另一方面提供了带有所述光学防伪元件的产品，所述产品包括但不限于钞票、信用卡、护照、有价证券等各类高安全产品及高附加值产品，以及各类
包装纸、包装盒等。
[0058] 以上仅示例性地描述了本发明的某些优选实施方案。但是本领域技术人员可以理解，在不偏离本发明构思和精神的前提下，可以对本发明做出各种等同变换或
修改，而如此得到的技术方案也应属于本发明的保护范围。
