具有衍射结构的安全元件 本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的具有衍射结构的安全元件。
该安全元件包括一个涂料和/或塑料的薄层组合，其中至少来自衍射结构群的浮雕结构、散射结构和平坦的镜面嵌入薄层组合。取自薄层组合的安全元件粘合在物品上，以核查其真实性。
薄层组合的结构和可用于该目的的材料如US4856857所述。从DE3308831A1中可以得知薄层组合可通过载体膜应用到物品上。
该类型的安全元件通常具有表面单元的一个图形，其以镶嵌模式构成并被细微的浮雕结构占据。当倾斜或旋转安全元件时，图形以预定地形式变化。由EP0105099A1可以得知此类安全元件。为了使图形可以被观察者轻易认出，当安全元件被倾斜或旋转时出现明显的、可变的色彩或彩虹效果的闪变，表面单元的细微的浮雕结构必须将入射到安全元件上的光偏转成少数几个第一衍射阶。符合该条件的细微的浮雕结构具有原则上通过全息手段可被复制的结构单元。尽管生产元件的成本很高，但是可以很方便地识别出伪造品或复制图形。
本发明的目的是提供一种安全元件，它可以在其倾斜或旋转时显示出清晰的表面图形，该安全元件不易复制，且其真实性可以通过简单的手段检查。
根据本发明，上述目的通过权利要求1特征部分所述的技术特征来实现。本发明的有利结构在从属权利要求中说明。
下面参照附图更详尽地说明本发明的实施例，其中：
图1示出了安全元件的横截面图，
图2示出了安全元件的俯视图。
图3示出了第一衍射结构，
图4示出了第二衍射结构，
图5示出了日光下的表面图形，
图6示出了一种发光设备，
图7示出了在S偏振光下的表面图形，
图8示出了在P偏振光下的表面图形，
图9示出了第三衍射结构，
图10示出了第四衍射结构。
在图1中，附图标记1表示层组合或叠层，2表示安全元件，3表示基片，4表示覆盖层，5表示成形层，6表示保护层，7表示粘合层，8表示反射边界层，9表示光学有效结构，10表示反射边界层中的透明位置。层组合或叠层1包括多个不同的塑料层或涂料层，这些层逐次施加在载体膜(未示出)上，其特定顺序为覆盖层4、成形层5、保护层6和粘合层7。在一种构造中，载体膜可以由覆盖层4本身形成；在另一种构造中载体膜可以用来将薄层组合1施加在基片3上，其后从薄层组合1上移走，如上述DE3308831A1所述。
后面将成形层5和保护层6之间的公共边界表面称作界面8。光学可变图形的光学有效结构9形成于成形层5。因为保护层6填充了光学有效结构9的凹陷，所以界面8以光学有效结构9的形式存在。为使光学有效结构9获得高有效性，界面8由金属涂层构成，该涂层最好包括铝、银、金、铜、铬、钽等，该涂层将成形层5和保护层6分隔开，且依靠涂层的电导率可以对界面8上的可见光提供高的反射能力。薄层组合1为长薄片网状形式的塑料叠层，具有多个相互并置的光学可变图形。安全元件2比如截取自薄膜网且通过粘合层7结合在基片3上。基片3，通常为文档、钞票、银行卡、身份证或者其他重要或有价值的物品的形式，具有安全元件2以核实该物品的真实性。
至少覆盖层4和成形层5相对于入射在安全元件2上的可见光11是透明的。入射光11在界面8处被反射，并由光学有效结构9以预定的方式偏转。衍射光栅、光散射浮雕结构或平坦的镜面构成光学有效结构9。在安全元件2的一些实施例中，透明位置10嵌进界面8中，且在此位置反射金属涂层中断，因此在安全元件2下和基片3上的标记就可以通过安全元件2认出。应该理解的是在一些实施例中，保护层6和粘合层7也是透明的。特别是对于薄结构的层组合1，取代保护层6，仅使用粘合层7，特别是粘合剂为在高温100℃左右才发挥粘合作用的热熔融粘合剂时。以上提到的US4856857示出了层组合1的不同实施例并列出了其可以使用的材料。
图2示出处于直角坐标系x、y限定的平面内的基片3的一部分。截取自塑料叠层并粘在基片3上的安全元件2具有表面图形12，通过覆盖层4和成形层5可看到表面图形12(见图1)。表面图形12由表面单元13、14、15嵌镶形成。表面单元13、14、15由光学有效结构9占据，且在成形层5和保护层6间的界面8上(见图1)反射射入层4、5的光11(见图1)。形成在进一步的表面单元13上的光学有效结构9为衍射光栅、光散射浮雕结构和/或平坦的镜面，且形成比如EP0105099A1中的光学可变表面图形12。在光学可变表面图形12的实施例中，至少一个透明位置10(见图1)毗连表面单元13、14、15中的至少一个。
至少两个表面单元14、15形成一种可以被检查出来的特征，并且通过该特征可以将安全元件2的复制件与安全元件2的原件区分开来。两个表面单元14、15中的每一个都具有结构9以衍射射入的可见光11，结构9具有光学有效轮廓的高度h(见图1)，其主要功能是将低频光栅结构G(x、y)与高频浮雕结构R(x、y)叠加。低频光栅结构为已知轮廓，比如正弦曲线或矩形轮廓，对称或不对称锯齿形轮廓等等。高频浮雕结构R(x、y)的空间频率fR至少为每毫米2500行。另一方面低频光栅结构G(x、y)低光栅空间频率fG是比如少于1000行/毫米。在该方面需要指出的是浮雕空间频率fR必须至少高于光栅空间频率fG十倍，从而消除不想要的调制效果。光栅空间频率fG最好在100行/毫米和500行/毫米之间。
浮雕结构R(x、y)单独是一种衍射光栅，因为高频浮雕空间频率fR只将入射光11衍射进入零阶，其本身的轮廓并不重要。衍射光以与入射光11包括相对于安全元件2的曲面法线相同的角度反射回来，也就是说该衍射光栅的作用就象一面镜子，除了在衍射光的光谱上缺失一些颜色，这依赖于光学有效轮廓高度hR。因为高浮雕空间频率fR，所以浮雕结构R(x、y)对于TE、TM偏振光的衍射效率ETE、ETM的水平通常是不同的。尽管TE偏振光在浮雕结构R(x、y)上实际上不受光学有效轮廓高度hR的影响以较高的衍射效率ETE得到反射，但是TE偏振光的衍射效率ETE随着轮廓高度hR的增大而骤降至第一最小值，而此时浮雕结构R(x、y)对入射光11的偏振效果因此在其最大状态。如果以非偏振方式入射的光11的方向、曲面法线和描述浮雕结构R(x、y)的矢量在同一个衍射平面内，那么P偏振光的电场矢量平行于该偏振平面进行振动。因此P偏振光由浮雕结构R(x、y)吸收。相反S偏振光的电场矢量垂直于该偏振平面且平行于浮雕结构R(x、y)的浮雕沟槽进行振动。S偏振光被浮雕结构R(x、y)反射。如果浮雕结构R(x、y)在自身的平面内旋转90°，此时浮雕结构R(x、y)的浮雕沟槽定向为平行于衍射平面，S偏振光被吸收而P偏振光被反射。因此由浮雕结构R(x、y)衍射入零阶的光被线性地偏振，也就是说浮雕结构R(x、y)作为非偏振光11的偏光器和偏振入射光11的检偏器。
浮雕结构R(x、y)的光学有效轮廓高度hR处于高偏振能力的范围内。因此光学有效轮廓高度hR的取值范围在150nm和220nm之间；但是光学有效轮廓高度hR的取值最好在较窄的范围170nm和200nm之间。
光栅结构G(x、y)的光学有效光栅轮廓高度hG的选择范围大于光学有效浮雕轮廓高度hR。光学有效光栅轮廓高度hG的取值范围最好在250nm和500nm之间，其中最好选择入射光11的波长O的一半为光学有效光栅轮廓高度hG。在这一点上需要指出的是波长O因为成形层5的因素n而减小，其中n为层5的材料的折射率。折射率n的值比如等于1.55。由于同样的原因成形层5的几何轮廓高度因为因素n而小于上面提到的光学有效轮廓高度hG、hR。低频光学光栅G(x、y)至少依靠光栅空间效率fG单独将入射光11衍射成多个衍射阶。
图3示出来自具有成形层5和保护层6的第一表面单元14(见图2)中的层组合1的一部分。界面8由衍射结构B(x、y)形成。衍射结构B(x、y)是直角坐标系x和y的函数，其限定了来自层组合1的部分的基本区域。图3示出的衍射结构B(x)为正弦光栅结构G(x)与正弦浮雕结构R(x)叠加的结果，即B(x)＝G(x)+R(x)。光栅结构G(x)的光栅矢量16和正弦浮雕结构R(x)的浮雕矢量17导向为基本平行。光栅矢量16和浮雕矢量17的平行关系为第一表面单元14(见图2)的衍射结构B(x、y)的特点。
图4示出在成形层5和保护层6之间具有界面8的第二表面单元15(见图2)的层组合1的一部分。光栅矢量16和浮雕矢量17在坐标系x和y的平面内相互正交。比如正弦光栅结构G(x)仅仅是坐标x的函数而正弦浮雕结构R(y)仅依赖于坐标y。光栅结构G(x)与正弦浮雕结构R(y)的叠加给出衍射结构B(x、y)，衍射结构B(x、y)取决于两个坐标x、y，其中B(x、y)＝G(x)+R(y)。完全是为了附图的清楚，在图4中具有正弦浮雕结构R(y)的槽一个接一个布置的界面8以不同密度的点来表示。第二表面单元15的衍射结构B(x、y)的特点是在光栅矢量16和浮雕矢量17之间形成直角。
图5示出仅由第一和第二表面14、15组成的表面图形12。在通常的形式中，衍射结构B(x、y)取决于浮雕矢量17的方位角T，其与光栅矢量16相关，即B(x、y、T)。在第一表面单元14中，方位角的范围T＝0°-30°，而在第二表面单元15中方位角T约在60°-90°之间。如果方位角T分别为0°或90°，后面所述的偏振性能最明显。为了考虑光栅矢量16和浮雕矢量17在第一表面单元14中基本平行的情况，即它们包括关于方位角T从30°至最佳值0°的一个值。可以用在第二表面单元15中的方位角T基本为直角，即从约60°到最佳值90°之间的一个值。
具有衍射结构B(x、y、T)的表面图形12具有的优点是，衍射结构B(x、y、T)不能通过全息手段由安全元件2(见图1)复制。特别地，全息复制件上具有与低频光栅结构G(x、y)以相同方式衍射入射光11的结构，但是没有高频浮雕结构R(x、y)对衍射光的光偏振作用。检查偏振能力从而可以从原件中区分复制件。
在第一和第二表面单元14、15中，光栅结构G(x、y)涉及相同的参数。两个浮雕结构R(x、y)的区别仅在于它们的浮雕矢量17的方位不同。两个衍射结构B(x、y、T＝0°)和B(x、y、T＝90°)衍射入射光11(见图1)，并将衍射光根据颜色关系分成多个衍射阶。与光栅结构G(x、y)重叠的浮雕结构R(x、y)以衍射光的线性偏振来显示自己，其相对于浮雕结构R(x、y)的偏振能力。因此第一和第二表面单元14、15可同时被观察者看到，在第一表面单元14上的光栅矢量16和在第二表面单元15上的光栅矢量16必须定向为基本平行。如果射入表面图形12上的光11没有被线性偏振，在通常的照明或日光下，两个表面单元14、15在公共边界18的两侧上对观察者来说亮度相同且颜色相同，即两个表面单元14、15间的对比很小以至于不能觉察出公共边界18。
图6示出检查安全元件2的发光设备。衍射平面为附图6中所示的平面，包括安全元件2的曲面法线和坐标x。用于产生近乎白光的光源19通过偏振滤波片20将平行于衍射平面的线性偏振光21聚焦在安全元件2的表面图形12(见图5)上。部分偏振光21作为反射光和/或作为反射进零衍射阶的光而向由反射规律预先决定的反射方向22偏转。相反另一部分则折射入正衍射阶23和负衍射阶24。因衍射结构B(x、y、T＝0°)和B(x、y、T＝90°)具有不同的偏振性能，两个表面单元14、15可以在线性偏振光21上区分开。
在图7中，表面图形12被S偏振光21(见图6)照亮。当光栅矢量16(见图3)和浮雕矢量17(见图3)定向为基本平行于坐标x时，S偏振光21在第一表面单元14上被反射。相反，当光栅矢量16定向为平行于坐标x，且浮雕矢量17(见图5)基本与光栅矢量16成直角时，S偏振光21被第二表面单元15吸收。因此第二表面单元15从明亮的第一表面单元14突出显现为黑色表面。
在图8中，相同的表面图形12被P偏振光21(见图6)照亮，P偏振光21在第一表面单元14被吸收，在第二表面单元15被反射。因此第二表面单元15从第一表面单元14的黑暗表面突出显现为明亮表面。
两个表面单元14、15方便地相互毗连，从而使对比极其明显。
实施例1：
光栅结构G(x)＝0.5ξhGξsin(x)为正弦函数，其周期为5000nm，光学有效轮廓高度hG＝450nm。浮雕结构R(x)＝0.5ξhRξsin(x)同样为正弦函数，其周期为333nm，光学有效轮廓高度hR＝185nm。对于P偏振光21，衍射结构B(x)＝G(x)+R(x)的衍射效率在所有衍射阶23、24(见图6)都很低，而对于S偏振光21，衍射结构B(x)在第三衍射阶上的衍射效率高于10％，在其它衍射阶上的衍射效率高于5％。
实施例2：
图9中的衍射结构B(x)为乘法叠加B(x)＝G(x)ξ{R(x)+C}。光栅结构G(x)为具有函数值[0，hG]的矩形函数，其周期为4000nm，光学有效轮廓高度hG＝320nm。浮雕结构R(x)＝0.5ξhRξsin(x)为正弦函数，其周期为250nm，光学有效轮廓高度hR＝200nm。C为常数，其中C＝hG-hR。光栅矢量16和浮雕矢量17平行于坐标轴x。层5、6间的界面8在浮雕结构R(x)的矩形结构的上升表面上被调制，而界面8在矩形结构的槽的底部是平滑的。对于P偏振光21(见图6)，衍射结构B(x)的衍射效率除了在方向22的零衍射阶上，在所有衍射阶23、24(见图6)都很低，而对于S偏振光21，衍射结构B(x)仅在+1和-1衍射阶的衍射效率较高。
在图10中矩形光栅结构G(x)与浮雕结构R(y)的乘法叠加产生衍射结构B(x，y)，衍射结构B(x，y)形成界面8。光栅结构G(x)与浮雕结构R(y)同上述衍射结构B(x)的参数相同，除了浮雕矢量17的方向指向y而不是x。除了在零衍射阶，沿方向22(见图6)S偏振光21的衍射结构B(x，y)＝G(x)ξ{R(y)+C}在所有衍射阶23、24(见图6)的衍射效率都很低，而P偏振光21(见图6)衍射结构B(x)仅在+1和-1衍射阶的衍射效率较高。
如果(见图5)在第一表面单元14的衍射结构B(x)和在第二表面单元15的衍射结构B(x，y)如前述布置，表面图形12包括参照附图5、7、8所述的特性。
如果保持光照的方向和观察的方向，当表面图形12(见图5)在它的平面内作旋转运动后，只要光栅矢量16朝向衍射平面之外，就不再有衍射入衍射阶23、24的光进入观察者的眼睛。如果以使观察者接受到来自反射方向22的光的方式倾斜安全元件2(见图6)，他将看到衍射入零衍射阶的有色光，且注意到两个表面单元14、15(见图5)的表面亮度与旋转角度无关，假如表面图形12的照明受非偏振光的影响。如果照明受线性偏振光21(见图6)，两个表面单元14、15的表面亮度在每旋转90℃后发生交替。
现在返回附图2：在表面图形12中，具有衍射结构B(x、y、T＝0°)的第一表面单元14和具有衍射结构B(x、y、T＝90°)的第二表面单元15可方便地相对于它们的纵向范围横向交替循环。提供明显图形的线性偏振光21(见图6)在表面图形12中核实了真实性。在附图中，比如图2在第一表面单元14中，衍射结构相对于B(x、y、T＝0°)，第二表面单元1 5相对于衍射结构B(x、y、T＝90°)，在区域25中衍射结构相对于B(x、y、T＝0°)，在外区域26中，衍射结构相对于衍射结构B(x、y、T＝90°)等等。
因此肉眼可以清楚看到表面单元14、15的表面和区域25、26的表面，伸长的表面单元13、14、15和区域25、26的横向尺寸分别至少为0.5mm。
到目前为止为了简化，认为表面图形12至少具有来自第一和第二表面单元14、15的一对表面[14，15]，其中光栅结构G(x，y)的光栅矢量16(见图3)沿同一方向如坐标x导向在两个表面单元14、15中。在安全元件2的另一个实施例中，多个表面对[14，15]可以以这样的方式布置在表面图形12中，每对表面[14，15]的光栅矢量(16)与其它表面对[14，15]的光栅矢量(16)不同在方位上的角度。
作为插入图形12的一个圆环部27的例子的是一对表面[14，15]，其两个光栅矢量16被径向导向，即呈轻微的发散关系。为了在观测效果和衍射结构B(x，y，T)的可见性上没有损失，同一表面对[14，15]的两个光栅矢量16可具有0°-10°的方位角。为了获得上述可视效果，如果表面对[14，15]的两个光栅矢量16基本导向至平行就足够了，比如在0°-10°的范围。在一优选实施例中表面对[14，15]的两个光栅矢量16平行。作为例子，在另一实施例中，在圆环28上并置相同的圆环27，其中第二表面单元15紧跟第一表面单元14，而第二表面单元15又依次为第一表面单元14紧跟等等，带有径向导向的光栅矢量16。循环布置的优点在于假定安全元件2在其自身平面内旋转而不用考虑定位，通常至少具有一个第一表面单元14和一个第二表面单元15，其定向的方式是它们对观察者来说可见，且当偏振光21照射时具有上述效果。第一表面单元14和第二表面单元15属于一对表面对[14，15]或在圆环28上毗邻的两对表面对[14，15]。