CN103229078A - 带有光学可变表面图案的安全元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于安全纸、有价文件和另外的数据载体的安全元件，该安全元件带有在表面区域（74）内包含光学可变表面图案的基质，该表面图案在不同的照明和/或观察方向下显示不同的图示。根据本发明，所述光学可变表面图案（76）由基本上起到射线光学作用的反射元件（72-j，72-k）的至少局部周期的布置组成，并且其中，所述反射元件（72-j，72-k）按照其高度在表面区域（74）上非周期地相互错开。

Description

带有光学可变表面图案的安全元件

技术领域

本发明涉及用于在表面区域内包含光学可变表面图案的安全纸、有价文件和另外的数据载体的安全元件。本发明也涉及用于制造此类安全元件的方法和带有该安全元件的数据载体。

背景技术

如有价文件或证明文件的数据载体以及例如标记物的另外的有价物经常被提供有安全元件以用于安全保护，所述安全元件允许检验数据载体的真实性并且同时用作防止不允许的复制的保护。

带有取决于观察角度的效果的安全元件在真实性安全保护中起到特别的作用，因为这些安全元件即使以最现代的复制设备也无法复制。安全元件在此构造有光学可变元件，所述光学可变元件使得观察者在不同的观察角度下获得不同的图像印象，并且例如根据观察角度显示了另外的颜色或亮度印象和/或另外的图形主题。

经常希望的是，使得光学可变安全元件显示尽可能无色的因此无颜色分离的形象。为此，通常使用周期性结构（衍射栅格）和/或结构的周期形布置，例如微镜的像素布置。已知的光学可变安全元件在此可粗略地划分为：a）基本上遵从几何光学定律的反射元件，和b）遵从衍射光学定律的衍射元件。

在组b）的元件中，在此在大区域内存在很小的结构尺寸，其中周期性结构对于观察者明显地表现为是彩色的。为产生无色的印象，因此必须使用非周期性结构或将不同周期的栅格进行组合，使得单个的栅格的颜色在衍射图中补充为白色。在组a）的元件中，结构尺寸则总是很大，使得精确的周期不起到明显的作用。

从文献EP0868313B1中已知基于衍射光学作用的锯齿栅格的光学可变表面图案。其周期在此选择为使得在可见光谱中在不同波长下的衍射反射尽可能紧靠，使其不再可被观察者分开。因此实际上所有颜色在通过锯齿元件的倾斜角所给出的方向上衍射，并且安全元件在通常的衍射条件下表现为无色。

但在栅格周期很小时，栅格的衍射反射明显可见。因此，带有降低的栅格周期的此类安排总是彩色的。此外，此衍射效应也干扰安全元件的动态效果或由隆起的表面的反射行为所导致的隆起显现的图像的动态效果。然而，在许多情况中希望尽可能小的周期，因为薄的结构更容易制造并且可更容易地整合在钞票或另外的数据载体内。

发明内容

由此出发，本发明的任务在于，进一步改进本文开始部分提到类型的安全元件并且特别地完成简单并且可廉价制造的带有高防伪安全性并且吸引人的视觉形象的光学可变安全元件。理想地，安全元件显示出无色的形象，而无干扰的颜色分离或重叠的衍射图案。

该任务通过独立权利要求的特征解决。本发明的扩展是从属权利要求的对象。

根据本发明，本文开始部分提到类型的安全元件包括由基本上起到射线光学作用的反射元件的至少局部周期的布置形成的光学可变表面图案，并且其中反射元件按照其高度在表面区域上非周期地相互错开。

与在周期性错开的情况中不同，在反射元件的非周期性错开的情况中，在相邻的反射元件的高度之间不存在简单的、规则的关系。因此，可靠地防止了相邻的反射元件上所反射的光的构造性干涉和由此出现叠加的衍射图案。

优选地，在表面区域上反射元件的高度根据伪随机数分布变化。伪随机数是虽然表现为随机但通过确定性算法计算的数列，并且因此在严格的意义上不是真正的随机数。但伪随机数被广泛地应用，因为伪随机数分布的统计特征，例如单个数的相等概率或相继的数字的统计无关性对于实际目的通常是足够的，并且与真正的随机数相比，伪随机数用计算机容易产生。伪随机数分布在本发明的意义上总是非周期的，因为在伪随机数分布中，不存在相继的值的固定的、恒定的距离（“周期”）。

高度值的非周期变化当然不限制在伪随机数分布上，而是也可通过高度值另外的不规则分布来实现。

优选地，反射元件相互间错开以高度错位，所述高度错位处在0和ΔH_max之间，其中ΔH_max的值在50nm至2000nm之间，优选地在100nm至500nm之间。在此，ΔH_max的值合适地选择为大于感兴趣的波长范围中的半波长。如果光学可变表面图案嵌入在折射率n>1的介质内，例如嵌入在透明的保护漆层内，则高度错位可降低为以上所给定的值的1/n。因此，例如在嵌入在n=1.5的保护漆内时，最大高度错位ΔH_n=260nm，以便覆盖可见光谱范围内的所有波长，例如通过ΔH_n=(780nm/2)/n所得到。

在有利的发明变体中，反射元件的布置形成至少局部的周期性一维栅格，或形成至少局部的周期性二维Bravais栅格。反射元件在此可全局地周期布置，或可仅局部地周期布置，其中局部的周期参数仅缓慢地与周期性长度相关地改变。例如，局部周期参数可通过安全元件的延展而周期性地调制，其中调制周期优选地大于局部周期性长度的20倍，优选地大于其至少50倍，特别优选地大于其至少100倍。局部周期参数的此类缓慢改变不影响基本的局部特征，特别是栅格的衍射特征。由于周期参数的缓慢改变，此布置局部上可总是以足够的精度通过带有恒定的栅格参数的Bravais栅格描述。

在本发明的范围内，周期性长度或局部周期性长度有利地至少为1μm至40μm，优选地至少为2μm至30μm，并且特别地优选地至少为3μm至10μm。相应地，反射元件在周期性方向上的尺寸为1μm至40μm，优选地为1.5μm至30μm，并且特别地为2μm至10μm。特别地，反射元件的尺寸也可以小于周期性长度。

光学可变表面图案特别地显示了无色的形象，而无颜色分离或重叠的衍射图。

反射元件可以具有多种形式，并且优选地通过微平面镜、微凹面镜、微凸面镜或反射的棱锥机构形成。反射元件有利地通过提供以反射层的凹凸结构形成，特别地通过压印凹凸结构形成。反射层可在此例如通过反射的不透明金属层或通过薄的或栅格化的半透明金属层形成。反射层也可通过彩色的或反色的反射层形成，优选地通过带有反射层、吸收层和布置在反射层和吸收层之间的介电间隔层的薄层元件形成，或通过带有两个吸收层和布置在两个吸收层之间的介电间隔层的薄层元件形成。最后，反射层也可有利地通过高折射的介电层或胆固醇液晶层形成。

在有利的扩展中，光学可变表面图案包括多个显示了不同的图示的子区域。光学可变表面图案也可与另外的安全特征组合，例如与全息图组合。安全元件的总厚度优选地小于50μm，优选地小于30μm，并且特别地优选地小于20μm。此类小的总厚度可根据本发明产生，因为通过非周期的高度错位，也可以使用带有相应的低结构高度的更小的栅格周期，而无干扰性颜色分离和重叠的衍射图。

本发明也包括带有所描述类型的安全元件的数据载体，特别是安全纸或有价文件。数据载体可以特别是有价文件，例如钞票，特别是纸钞、聚合物钞票或薄膜复合物钞票，但也可以是证件，例如信用卡、银行卡、现金支付卡、资格卡、身份证或护照个人化页。

本发明的另一个对象是一种用于产生在表面区域内包含光学可变表面图案的压印结构的带有优选的金属的主体的压印型模，所述光学可变表面图案在不同的照明和/或观察方向下显示不同的图示，其中光学可变表面图案由基本上起到射线光学作用的反射元件的至少局部周期的布置组成，并且其中反射元件在其高度上在表面区域内非周期地相互错开。

压印型模通常是压印结构中希望的表面图案的负模。借助于该压印型模，将例如施加在薄膜上的热塑性或UV可硬化的漆层的目标基质进行压印压制，并且因此为其提供以希望的表面图案。相应的方法对于专业人员是已知的并且在现有技术中描述过。

本发明还涉及一种用于对于安全纸、有价文件和另外的数据载体进行安全保护的安全元件的方法，其中，提供基质并且为基质在表面区域内提供以光学可变表面图案，所述表面图案在不同的照明和/或观察方向下显示不同的图示，其中，光学可变表面图案由基本上起到射线光学作用的反射元件的至少局部周期的布置构成，并且反射元件按照其高度在表面区域上非周期地相互错开。

根据本发明的安全元件的图示的类型不被限制。例如，以根据本发明的光学可变表面图案可以产生具有带有不同主题的两个或多个区域的反转图，所述主题从不同的观察方向明亮地闪烁，如在文献EP0868313B1和EP1397259B1中对于衍射光学起作用的栅格结构所描述的。如在文献EP0868313B1和WO2007/079851中所描述的，动态效果也可使用根据本发明的光学可变表面图案产生。前述文献的公开就此而言包含在本说明书中。

附图说明

本发明的另外的实施例以及优点在下面根据附图解释，在附图的图示中省去了尺度和比例上真实的描绘以便提高清晰性。

各图为：

图1示出了根据本发明的实施例的钞票的示意性图示，

图2示出了具有移动的亮条的形式的动态效果的安全元件，

图3示出了布置在图2中的安全元件的表面上的锯齿栅格的截面，

图4示出了锯齿栅格的衍射图，所述锯齿栅格带有N=10个锯齿元件，其倾斜角为δ=6°并且周期性长度为a=6μm，

图5在图5（a）中示出了锯齿栅格，其中第j个锯齿元件相对于另外的锯齿元件在其高度上错开了ΔH_j的高度差异，并且在图5（b）中示出了锯齿栅格，其中所有锯齿元件以非周期方式错开，

图6对于为500nm的波长计算的衍射图在图6（a）中示出了不带有高度变化的锯齿栅格的衍射图，并且在图6（b）至图6（d）中示出了根据本发明的锯齿栅格的衍射图，所述锯齿栅格分别带有N=10个锯齿元件，并且带有不同的最大高度变化ΔH_max，

图7在图7（a）中示出了如在图6（d）中所示的锯齿栅格的衍射图，不过锯齿栅格带有N=100个锯齿元件，并且在图7（b）中示出了平滑的图7（a）中的衍射图，所述平滑的衍射图考虑了在30cm的观察距离下的人眼的分辨率，和

图8在图（a）至图8（e）中分别在俯视图中示出了根据本发明的带有二维栅格对称性的构造。

具体实施方式

现在以用于钞票的安全元件为例解释本发明。为此，图1示出了提供有两个根据本发明的安全元件11和12的钞票10的示意性图示。第一安全元件是出现在钞票10的表面上的确定窗口区域的安全线11，而在位于所述窗口区域之间的区域内所述安全线11嵌入在钞票10内部内。第二安全元件通过任意形状的粘贴的传递元件12形成。

在观察时，安全元件11和12分别显示了动态效果，其中当观察者改变其相对于安全元件的位置或将钞票前后倾斜时，亮条14在传递元件12的下边缘16和上边缘18之间或在钞票的表面上突出的安全线11的窗口区域前后运动。

根据本发明的安全元件11和12的特点在此特别地在于所述安全元件一方面具有例如3μm或更小的很小的压印深度并且因此具有特别小的总厚度，而另一方面所述安全元件显示了高亮度的完全无色的形象，即在移动的条14的高亮度下不存在干扰性的颜色分离或重叠的衍射图。此外，亮条14在钞票10倾斜时连续地并且无亮度波动的干扰性突变（闪烁）地在安全元件11或12的表面上移动。

为容易理解本发明并且为能够更好地判断本发明的效用，首先根据图2和图3解释已知的构造的困难和缺点。

为此，图2示出了安全元件20，所述安全元件20如根据本发明的安全元件12示出了具有移动的亮条的形式的动态效果。为此，安全元件20在其表面22上具有反射锯齿栅格30，所述锯齿栅格30的小部分在图3中示出。锯齿栅格30包括多个带有周期性长度a和倾斜角δ的反射锯齿元件32，其中锯齿元件32的倾斜角δ不是恒定的而是从安全元件20的下边缘24向上边缘26从0°线性地升高到10°。锯齿元件32的倾斜角δ的此升高在图2中三个细节部分28中图示。

观察者44总是见到安全元件20的如下区域明亮地闪烁，即所述区域中锯齿元件32的倾斜角δ正好等于观察角度θ的一半，即其中锯齿元件32将从光源40射出的光42射线光学地反射46到观察者44。如果观察者从θ=0°移动到θ=20°，则亮条从其视野中从安全元件的下边缘24移动到上边缘26。当观察者的观察角度固定而安全元件20在箭头方向48上倾斜时得到相同的效果。

如果锯齿栅格30的周期性长度a很大，例如a=1mm或更大，则不会观察到干扰性颜色分离或衍射图案。当然，大的周期性长度决定了锯齿元件32的大的结构高度，因为锯齿元件32的高度与其宽度或与其周期性长度a成比例。

在实践中通常希望小的周期性长度，因为例如以压印技术可实现的结构高度有限。即使在以压印技术可产生的结构尺寸之内，更小的结构由于更薄的压印漆层而成本更低，并且在可能的气泡影响的角度考虑比更厚的结构更简单地压印。薄的压印漆层此外可具有更好的持久性，因为薄的压印漆层在变形时比厚的压印漆层断开更慢。大的周期性长度最后也降低了由锯齿栅格所产生的图示的分辨率，这点例如在细节丰富的反转图或多反转图或动态效果的情况下很快地可见。

然而，如果锯齿栅格30的周期性长度a缩小，则出现栅格在叠加在希望的图示上的显示中的衍射折射增加。随着栅格周期a的降低，实际上无色的希望的图示因此总是显示出是彩色的。如果以锯齿栅格产生模拟隆起的表面的反射行为的隆起地显现的图示，例如在也相关的申请DE102009056934.0中所描述的，则在锯齿栅格倾斜时可能出现不希望的突变，因为不同于宏观地隆起的表面，锯齿栅格不能将单色光在任意的方向上反射而仅能在离散的方向上反射。在通过锯齿栅格来模拟隆起的表面时，光反射在旋转时因此经常不是连续地在表面上移动，而是突变地从一个离散的位置向下一个离散的位置移动。如果为观察使用白光，则经常形成烦扰的不希望的彩色衍射图案。类似情况也适用于动态效果，所述动态效果基于带有小周期的周期性的衍射栅格也不能任意柔和地运行，如结合图2至图4在下文中进一步详述。

基于重叠的衍射图案的物理原理可根据图3的图示解释，所述图3示出了针对垂直入射光50在周期为a并且倾斜角为δ的锯齿栅格30上的衍射的简单模型。光线50-1、50-2和50-3应在锯齿栅格30上以角度θ反射。在第一锯齿元件和第二锯齿元件32上反射的光线的光程差Δ₁₂在此为Δ₁₂=a*sinθ。精确而言，在第二和第三锯齿元件上反射的光线之间的光程差与在第三和第四锯齿元件等上反射的光线之间的光程差相同。在很多锯齿元件32的情况下，因此总体上尽在构造干涉的情况下出现明显的反射，即当在相邻的锯齿元件上反射的光线的光程差为波长λ的整数倍时。

所属的方向θ_m是相应的栅格衍射布置的方向，并且通过下式给出：

mλ=a sinθ_m       (1)

其中m是整数。

更精确而言，在锯齿栅格30上的衍射在波动光学上以夫琅和费近似描述，即在距锯齿栅格的大距离处描述。

该波动光学考虑的出发点首先是包括N个具有宽度b和周期a的相同缝隙的衍射栅格。在此栅格的衍射图内的电场的复数幅值E由幅值E_j的叠加得到（见E.Hecht,Optics,4^th edition,Addision Wesley,2002,10.2.3节）

$E=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{E}_j$

在此，第j个缝隙的贡献E_j由第一个缝隙的贡献E₁通过下式得到：

E_j=E₁exp(ikΔ_1j)

其中，Δ_1j=a(j-1)sinθ是从第一个和第j个缝隙发出的光波的光程差，并且k=2π/λ表示波数。以此得到：

$E=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{E}_1\exp \left(\mathrm{ik}{\mathrm{\Δ}}_{1j}\right)=E_1\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\exp \left(\mathrm{ik}{\mathrm{\Δ}}_{1j}\right)$

并且对于反射光的强度I=|E|²得到：

$I=I_1{\left|\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\exp \left(\mathrm{ik}{\mathrm{\Δ}}_{1j}\right)\right|}^2---\left(2\right)$

在衍射角度θ下第一个单个缝隙的强度I₁在此通过下式给出：

$I_1\left(\mathrm{\θ}\right)=I_{10}{\left(\frac{\sin \mathrm{\β}}{\mathrm{\β}}\right)}^2$

式中带有常数I₁₀并且β=(kb/2)sinθ。在周期性栅格的情况下，关系式（2）的加和形成了几何序列，并且对于缝隙栅格的衍射图中的强度得到：

$I_G\left(\mathrm{\θ}\right)=I_0{\left(\frac{\sin \mathrm{\β}}{\mathrm{\β}}\right)}^2{\left(\frac{\sin \mathrm{N\α}}{\mathrm{\α}}\right)}^2.$

在此，I₁₀又是常数并且α=(ka/2)sinθ。在第一个括号内的项给出了单个的缝或镜的衍射行为，而第二项由周期性栅格布置导致。

在针对锯齿栅格的简单模型中现在可假设b和a通过锯齿栅格的周期给出并且锯齿元件32的倾斜角δ仅将衍射图移动双倍倾斜角。由此，对于锯齿栅格的衍射图中的强度得到：

$I_s\left(\mathrm{\θ}\right)=I_0{\left(\frac{\sin \mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}}\right)}^2{\left(\frac{\sin \mathrm{N\α}}{\mathrm{\α}}\right)}^2---\left(3\right)$

其中γ=(kb/2)sin(θ-2δ)。

为进行解释，图4示出了带有倾斜角δ=6°并且周期性长度a=6μm的N=10个锯齿元件32的锯齿栅格30的衍射图60。

在此，倾斜角δ影响关系式（3）中的第一项，使得单个锯齿元件的包络62相应地移动，而关系式（3）中第二项保证了在单色照明时仅在通过栅格周期所预先给定的位置处得到强度。在500nm的波长的情况下，这些位置在此示例中相互大约分开5°。

在倾斜角δ=6°时，单个锯齿衍射图的最大值处在12°处，如通过包络62所给出。如从图4中进一步直接可见，规则的栅格布置防止在δ=12°出现明显的强度。锯齿栅格30在此情况中因此不能精确地在通过倾斜角所预先给定的方向上反射。作为替代，反射的强度在栅格反射的下一个位置64处根据关系式（1）分布，所述位置处在大约θ=10°或θ=15°处。

由此，如果图2的安全元件20例如以图3的其周期性长度a=6μm的周期性锯齿栅格30实现，则栅格结构的衍射效果导致观察者44仅在栅格反射的离散的位置处见到安全元件20上的亮区域，在此即例如在θ=0°、θ=5°、θ=10°、θ=15°和θ=20°处。这些位置正好对应于在图4中所示的衍射图60的局部最大值。

如果观察者44现在从θ=0°移动到θ=20°，则可识别的亮条并不是连续地从下边缘24移动到上边缘26，而是以强的亮度波动的形式向下一个栅格反射的位置跳跃。在白色照明的实际情况中观察到闪烁，并且条的颜色根据观察方向改变，因为在不同的观察方向上的观察者处在不同波长的衍射最大值处。相同的效应也在观察者和光源位置保持固定并且安全元件为此旋转时出现。在带有小周期的栅格的情况下，此效应是很具有干扰性的，并且此外动态效应也涉及以上所述的其中也存在连续改变的倾斜角的隆起地表现的图示。

在此，根据本发明的锯齿元件32的高度的非周期的错位实现了有效的纠正。为了解释，图5（a）首先在简单的射线光学图中示出了带有多个锯齿元件32的锯齿栅格30。第j个锯齿元件72-j在此相对于另外的锯齿元件32在其高度上错开以高度差ΔH_j。未错开的锯齿元件32-j在图中为图示以虚线绘出。通过锯齿元件72-j的错开，反射的光线50-j与另外的反射的光线50的光程差改变了大约2ΔH_j。如果光程差ΔH_j在零和最小为半波长之间的范围内随机地选择，则获得了反射的光线50-j与另外的反射的光线的光程差在零和最小为全波长之间的范围内的随机的改变。

现在，如果所有锯齿元件以非周期的特别地以不规则的方式以零和最小为半波长之间的高度错位错开，如根据图5（b）的锯齿栅格70所示，则未错开的锯齿栅格30的所有光程差ΔH_jk以不规则的方式改变了零和最小为全波长之间的值。在不同的锯齿元件72-j和72-k上反射的光线50-j和50-k以随机的相位关系出现，使得尽管在表面区域74内存在规则和周期的锯齿元件72的布置而锯齿栅格70也不再作为衍射栅格起作用。图5（b）的光学可变表面图案76因此包括按照其高度在表面区域74上非周期地相互错开的、基本上起到射线光学作用的反射元件72-j、72-k的周期的布置，并且示出无色形象而无颜色分离或重叠的衍射图。

如果从生动的射线光学图像向夫琅和费近似中的波动光学处理过渡，则可将第j个锯齿元件72-j的错位考虑为将关系式（2）中与第一个锯齿元件的光程差Δ1j通过下式替代：

Δ_1j=a(j-1)sinθ+2ΔH_j

此关系虽然严格而言仅在极限情况δ→0时成立，但在如在实际的锯齿栅格中存在的更大的倾斜角时也提供了可接受的近似。以此替代，在关系式（2）中的最后的项不再提供几何序列，并且必须根据高度变化ΔH_j的具体选择相应地计算。对于衍射图中的强度，因此得到：

$I_H\left(\mathrm{\θ}\right)=I_{H0}{\left(\frac{\sin \mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}}\right)}^2{\left|\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\exp \left(\mathrm{ik}{\mathrm{\Δ}}_{1j}\right)\right|}^2=I_{H0}{\left(\frac{\sin \mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}}\right)}^2{\left|\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\exp \right[\mathrm{ik}(a(j-1)\sin \mathrm{\θ}+2\mathrm{\Δ}{H}_j)\left]\right|}^2---\left(4\right)$

式中带有常数I_H0。

图6现在示例地显示了对于500nm的波长所计算的根据本发明的分别带有N=10个锯齿元件72的锯齿栅格70的衍射图。图6（a）作为参考首先再次示出了无高度变化的锯齿栅格30的带有栅格反射64的衍射图60。对于图6（b）至图6（d）的衍射图，高度变化ΔH_j分别根据伪随机分布在零和最大值ΔH_max之间选择。单个的锯齿元件的衍射图62分别以虚线绘出。

如在图6（b）中所示，在最大值ΔH_max=70nm（≈λ/7）时在衍射图82中已出现在栅格最大值之间比在图6（a）的衍射图60中的明显更高的强度。在ΔH_max=125nm时（对应于四分之一波长），处在栅格反射64之间的一定位置处的衍射图84的强度已高于栅格反射64上的强度，如在图6（c）中图示。最后，如在图6（d）中所示，在ΔH_max=250nm时，即在随机高度变化直至半波长时，在衍射图86中不再可见图6（a）的原来的衍射最大值64。此外，衍射最大值88在此明显比在不带有随机高度变化的锯齿栅格30的情况中更紧凑，使得以上所述的颜色效应和闪烁效应明显降低，并且在许多照明条件下不再可见。

锯齿栅格70所包含的锯齿元件72越多，则衍射最大值88靠得越紧凑，并且可以最后对于观察者不再分开。这在图7中图示，图7在图7（a）中示出了如在图6（d）中的锯齿栅格70的衍射图，不过带有N=100个锯齿元件。在此，所出现的衍射最大值92在相干良好的照明下不再能被观察者分辨。如果假设瞳孔直径为5mm并且观察距离为30cm，则眼睛从大约1度的角度范围内收集光线。

对于观察者，视觉印象因此对应于在图7（b）中图示的相应地平滑的衍射图94。如与单个的锯齿元件的衍射图62（虚线）的对比所示，高度随机变化的锯齿栅格70的衍射图94（实线）很大程度上对应于单个锯齿的衍射图62。衍射图94的全局最大值96处在大约12°处，并且因此处在无高度变化的锯齿栅格30实际上不反射强度的位置上。在根据本发明的带有N=100个锯齿元件的锯齿栅格70中，因此不再出现不希望的色彩闪变或闪烁。

虽然本发明至此以一维栅格的示例解释，但以上的观察也适用于二维栅格。反射元件在此情况中优选地通过在二维Bravais栅格的栅格位置处布置的小的微平面镜、微凹面镜、微凸面镜或反射的棱柱结构形成。

图8为图示分别在俯视图中示出了一些可能的根据本发明的构造的部分。

所有周期性的平面布置可与五个Bravais栅格相关，其中为明确的相关性选择带有最高对称性的Bravais栅格。例如，图8（a）示出了处在表面区域100内的包括多个尺寸为10μm×10μm的方形微镜102的光学可变表面图案104。微镜102布置在方形栅格的栅格点106上，并且分别具有相对于表面区域100的平面的倾斜角δ。单个的微镜的倾斜角δ选择为使得表面图案104在照明或观察时产生希望的光学可变的图示。表面图案104可以例如示出移动的亮条或另外的动态效果、隆起地显现的图示或立体图。

为避免由于微镜102的周期性栅格布置导致的干扰性衍射图，在表面区域100上将微镜102在其高度上相互错开，并且以在实施例中随机地处在零至400nm的范围内高度错位错开。此类随机的高度错位可例如借助于计算机通过伪随机分布对于每个微镜102确定。由此保证了，不同的微镜102上反射的光线的相位差对于可见光的所有波长范围随机地处在0至2π之间，使得不出现构造干涉并且因此不出现衍射图。

如果光学可变表面图案104嵌入在折射率n>1的介质中，例如通过将表面图案104覆以保护漆层来实现，则高度错位可降低到1/n倍的值。如果例如图6（d）的锯齿栅格70嵌入在n=1.5的保护漆中，则最大高度错位ΔH_max=250nm可在相同的光学效果下降低到ΔH_n=170nm。

图8（b）示出了处在表面区域内的包括多个布置在矩形栅格的栅格点上的尺寸为10μm×5μm的矩形反射元件112的可变光学表面图案110作为第二示例。在图8（c）的实施例中，反射元件通过布置在菱形栅格的栅格点上的菱形微平面镜114形成，即包括带有相同边长和任意的中间角的栅格的栅格单元。在图8（d）的实施例中，反射元件通过布置在六边形栅格的栅格点上的六边形微平面镜116形成。最后，反射元件在一般的情况中也布置在平行四边形栅格的栅格点上，如在图8（e）中图示，并且例如通过平行四边形微平面镜118形成。

根据本发明的安全元件也可含有带有不同的栅格对称性的多个区域。此类不同的栅格对称性在安全元件的不同的区域内可作为更高级别的真实性标记使用，所述真实性标记仅能以强放大镜或显微镜检验。由于根据本发明的随机的高度变化，表面图案特别地不产生可给出所基于的反射元件的栅格对称性的指示的重叠的衍射图。

此外，例如在用于证明文件的安全元件中，通过带有不同的栅格对称性的布置产生相同的图示。所使用的栅格对称性例如可根据签发年、签发区域、序列号或专门的人员组而不同，并且因此形成另外的隐藏的真实性特征。

根据本发明的安全元件的构造除消除衍射反射外也有利地导致安全元件的均匀的视觉形象。带有0°倾斜角的区域在常规的栅格布置中经常表现为比带有更大的倾斜角的区域更闪亮的、更光滑的并且更强镜面性的区域，因为在此0°倾斜角的区域中锯齿栅格或微镜融合为大平面，其中不再出现明显的在镜边缘上的散射。而通过随机的高度错位，现在带有δ=0°倾斜角的区域也包含相邻的反射元件之间的边缘，使得对于所有的倾斜角给出的均匀的视觉印象。

参考标记列表

10                           钞票

12                           安全元件

14                           亮条

16                           下边缘

18                           上边缘

20                           安全元件

22                           表面

24                           下边缘

26                           上边缘

28                           细节部分

30                           锯齿栅格

32                           锯齿元件

40                           光源

42                           入射光

44                           观察者

46                           反射光

48                           倾斜方向

50                           入射光

50-1、50-2、50-3、50-j、50-k 光线

60                           衍射图

62                           包络

64                           栅格反射

70                           锯齿栅格

72                           锯齿元件

74                           表面区域

76                           光学可变表面图案

82、84、86                   衍射图

88                           衍射最大值

90                           衍射图

92                           衍射最大值

94                           平滑的衍射图

96                           全局最大值

100                          表面区域

102                          微平面镜

104                          光学可变表面图案

106                          栅格点

110                          光学可变表面图案

112                          矩形反射元件

114                          菱形微平面镜

116                          六边形微平面镜

118                          平行四边形微平面镜

Claims (19)

1.一种用于安全纸、有价文件和另外的数据载体的安全元件，所述安全元件带有在表面区域内包含光学可变表面图案的基质，所述表面图案在不同的照明和/或观察方向下显示不同的图示，其中，所述光学可变表面图案由基本上起到射线光学作用的反射元件的至少局部周期的布置组成，并且其中，所述反射元件按照其高度在表面区域上非周期地相互错开。

2.根据权利要求1所述的安全元件，其特征在于，所述反射元件的高度在表面区域上根据伪随机数分布变化。

3.根据权利要求1或2所述的安全元件，其特征在于，所述反射元件的高度在表面区域上以非规则的方式变化。

4.根据权利要求1至3中至少一项所述的安全元件，其特征在于，所述反射元件在其高度上在表面区域上相互错开以高度错位，所述高度错位处在0和ΔH_max之间，其中ΔH_max的值处在50nm和2000nm之间，优选地处在100nm和500nm之间。

5.根据权利要求1至4中至少一项所述的安全元件，其特征在于，所述反射元件的布置至少局部地形成周期性一维栅格。

6.根据权利要求1至4中至少一项所述的安全元件，其特征在于，所述反射元件的布置至少局部地形成周期性二维Bravais栅格。

7.根据权利要求1至6中至少一项所述的安全元件，其特征在于，在至少一个周期性方向上的周期性长度或局部周期性长度处在1μm至40μm之间，优选地处在2μm至30μm之间，并且特别优选地处在3μm和10μm之间。

8.根据权利要求1至7中至少一项所述的安全元件，其特征在于，所述光学可变表面图案示出了不带有颜色分离或重叠的衍射图的无色的形象。

9.根据权利要求1至8中至少一项所述的安全元件，其特征在于，所述反射元件通过微平面镜、微凹面镜、微凸面镜形成或通过反射的棱锥结构形成。

10.根据权利要求1至9中至少一项所述的安全元件，其特征在于，所述反射元件通过提供有反射层的凹凸结构特别是压印凹凸结构形成。

11.根据权利要求10所述的安全元件，其特征在于，所述反射层通过反射的不透明金属层或通过薄的或栅格化的半透明金属层形成。

12.根据权利要求10所述的安全元件，其特征在于，所述反射层通过彩色的或反色的反射层形成，优选地通过带有反射层、吸收层和布置在反射层和吸收层之间的介电间隔层的薄层元件形成，或者通过带有两个吸收层和布置在两个吸收层之间的介电间隔层的薄层元件形成。

13.根据权利要求10所述的安全元件，其特征在于，所述反射层通过高折射的介电层或胆固醇液晶层形成。

14.根据权利要求1至13中至少一项所述的安全元件，其特征在于，所述光学可变表面图案包括多个显示了不同的图示的子区域。

15.根据权利要求1至14中至少一项所述的安全元件，其特征在于，所述光学可变表面图案与至少一个另外的安全特征组合，特别地与衍射的全息图结构组合。

16.一种数据载体，所述数据载体带有根据权利要求1至15中至少一项所述的安全元件。

17.根据权利要求16所述的数据载体，其特征在于，所述数据载体是有价文件，例如钞票，特别是纸钞、聚合物钞票或薄膜复合物钞票，或者是证书、护照或证明卡。

18.一种用于产生压印结构的压印型模，所述压印型模带有主体，所述主体在表面区域内含有在不同的照明和/或观察方向下示出不同的图示的光学可变表面图案，其中，所述光学可变表面图案由基本上起到射线光学作用的反射元件的至少局部周期的布置组成，并且其中，所述反射元件按照其高度在表面区域上非周期地相互错开。

19.一种用于制造用来对于安全纸、有价文件和另外的数据载体进行安全保护的安全元件的方法，其中，提供基质并且为所述基质在表面区域内提供以光学可变表面图案，所述表面图案在不同的照明和/或观察方向下显示不同的图示，其中，所述光学可变表面图案由基本上起到射线光学作用的反射元件的至少局部周期的布置构成，并且其中，所述反射元件按照其高度在表面区域上非周期地相互错开。

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