CN101850680B - 一种具有动态立体效果的安全薄膜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有动态立体效果的安全薄膜，具有微透镜阵列层、基材层、微图文层；微图文层内包括至少6个微图文；在使用状态下，所述微图文层位于微透镜阵列的焦面附近，其特征在于：微透镜阵列层内的各微透镜的中心坐标在微透镜阵列层内随机分布，微透镜阵列层内的微透镜与微图文层内的微图文一一对应设置。本发明利用莫尔放大和微透镜技术，实现了许多独特的视觉效果，减少了工艺流程，除了紫外压印以外，还可在PET、PMMA、PC等有机薄膜材料上直接制作，具有很高的性能。

Description

一种具有动态立体效果的安全薄膜

技术领域

本发明涉及防伪技术领域，具体涉及一种安全薄膜，可用于钞票、有价证券、证书、证卡、标签、包装等其它有伪造风险的纸质文件的甄别。

背景技术

伪造的钞票、有价证券、证书、证卡、标签、包装等给人民的生产和生活造成极大的损失和危害，甚至威胁国家安全。人们花费大量的时间和精力研究新型的安全技术，校验数据载体的真实性，防止伪造和生产。

技术主要分为三类：大众、柜员和专家。大众技术特点是在通常状态下，不借助任何仪器，用肉眼或者感觉器官能够直接识别特征，最易为广大人民群众所辨别，因而尤为重要。

通常的大众技术主要有印刷、水印、激光全息和变色油墨等。印刷和水印容易通过数字照相、扫描、复印等复制和仿造。近年来，人们研究出了多种类型的变色油墨，如温变型、光变型和荧光型等等，变色油墨一定要与其它技术相结合才能实现功能。激光全息技术依据全息成像原理及色彩斑斓的闪光、动态和立体效果引起人们普遍关注，曾经被公认为最先进、最经济的技术。但是随着全息在票证、商标、包装等领域的广泛应用，许多厂家都具有了生产全息产品的能力，使得激光全息陷入了信任危机。

因此，人们迫切地需要寻找满足技术高、成本低、易识别、可仲裁的新一代大众技术。如第四代激光组合全息图技术，将几十甚至几百个不同的二维图像通过几十甚至几百次曝光所记录的全息图，将三维目标的各个侧面及随时间的变化过程记录下来，即该全息图不仅能够记录和再现物体的三维空间(X，Y，Z)特性，还能记录和再现该三维物体随时间(T)的变化。制作这种全息图对拍摄对象没有限制，需要对几十甚至几百帧二维图像进行记录，从而曝光次数是普通全息的几十甚至几百倍，这需要专用的仪器设备及更加精巧的工艺过程才能实现。还有如澳大利亚SecurencyPTY公司的G-switch技术，通过制作特殊的光学层，实现从一个方向观察是某颜色，从与之正交方向上观察是该颜色的补色，无须特殊培训和仪器。仅仅在一秒至几秒内，用简便的方法就可以鉴别。另外，人们还发明了安全线及其开窗技术，进一步提高技术门槛。安全线是起作用的薄膜材料制成的线状标志。

还有一类引人注目的新一代技术是将微透镜阵列(Microlens array，MLA)与微图形阵列(Micropattern array，MPA)结合实现的莫尔放大技术。莫尔放大涉及一种现象，从具有大致相同周期维度的微透镜阵列观察由相同微图形组成的阵列时可以产生这种现象，即以微图形的放大或者旋转形式出现。莫尔放大现象基本原理在M.C.Hutley，R.Hunt，R.F.Stevens andP.Savander，Pure Appl.Opt.3(1994)，pp.133～142种有所描述。Drinkwater等在美国专利No.5,712,731中率先提出了将半球形微凸透镜阵列与微图形阵列结合的安全器件。微图形在微凸透镜的后焦面附近，人眼在微透镜凸面侧观察可看到微图形的莫尔放大像，其中微凸透镜口径在50～250微米，微图形阵列通过凹版印刷的方式得到，最小分辨率为5微米。为了克服上述专利不利于制作超薄型(厚度小于50微米)器件的弊端，美国专利No.2005/0180020Al及后续专利No.2008/0037131Al中，R.A.Steenblik等进一步扩展了依据上述微光学原理制作的安全器件范围，如微凸透镜口径减小至20～30微米，焦距小于50微米，间隔层厚度小于50微米，微图形层具有多变的复杂排布，可以是透明、半透明、荧光、磷光、染、光变颜料等，并提出了若干基于反射工作模式的结构等等。在中国专利安全元件(申请号200680048634.8)中提出了一种预定弯曲的布拉维点阵结构。通过设计微透镜阵列与微图形阵列及其排列组合，能够实现多种视觉效果：1)微图形放大：即原本看不见的微图形被放大至可由肉眼直接观察；2)正交移动：即沿某方向晃动时，观察到的宏观图像沿与之垂直的方向移动；3)立体感：观察到的宏观图像具有浮出或者沉陷于纸面的立体效果；4)运动变形：观察到的宏观图像在移动过程中还可能发生大小、形状等的变化。莫尔放大技术既可以单独实现对微图形的上述几种视觉效果，还可以同时实现上述几种视觉效果的组合，作为一种极易为肉眼辨视的一线技术，其不能为数字成像、扫描、复印、印刷设备等复制。

在上述的专利中，微图形主要采用微印刷方式制作。在Polyester(Polyester，PET)或其它材料的有机薄膜上涂覆一层紫外固化胶，用带有微图形的凸版在胶表面压印出深度大于1微米的凹槽，同时固化。然后通过刮涂的方式将纳米油墨填入凹槽中，最后刮除剩余的纳米油墨。这种方法的主要问题在于：(一)微印刷方式需要多个流程，增加了批量生产的成本；(二)由于一般微图形的特征尺寸小于2微米，一般的印刷油墨颗粒在几十微米以上，因此需要特制颗粒尺寸在微米量级以下的纳米油墨才能填充进入凹槽内；(三)为了保证填充油墨和背景有一定的对比度，必须有足够多的油墨被填充入凹槽，因此凹槽要有一定的深度，一般大于1微米，大深宽比模版的制造具有一定的工艺难度，同时会带来紫外压印批量复制过程中紫外胶脱模困难的问题。上述的一些问题会导致对比度下降、成品率不高等缺点。

发明内容

本发明目的是提供一种安全薄膜，在提供较好的防伪功能的同时，便于制作。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有动态立体效果的安全薄膜，具有微透镜阵列层、基材层、微图文层；微图文层内的微纳结构组成微图文；在使用状态下，所述微图文层位于微透镜阵列的焦面附近，微透镜阵列层内的各微透镜的中心坐标在微透镜阵列层内随机分布，微透镜阵列层内的微透镜与微图文层内的微图文一一对应设置。

上文中，随机分布的坐标排列可以通过随机函数获得，要求获得的坐标阵列在其所在X-Y平面内没有对称轴。所述微图文层中的微图文可以是图形，可以是文字，也可以是图形和文字的混合；可以采用普通印刷图文，也可以采用微纳结构，例如，可以是一维光栅，光栅常数0.4微米至50微米；也可以是一维纳米光栅，光栅常数0.04微米至0.4微米；还可以是二维布拉维点阵结构，具有从0.04微米至50微米的晶格常数。基材层的厚度在10微米至5毫米，优选的基材层厚度在25微米至100微米。

上述技术方案中，所述微透镜的口径尺寸为10至500微米，微透镜的数值孔径为0.1～4.0。优选的技术方案，微透镜口径尺寸为25至100微米；微透镜数值孔径小于2.0。

上述技术方案中，各微图文的中心坐标构成的阵列和各微透镜的中心坐标构成的阵列之间具有缩放和/或旋转关系，设T₁为微透镜阵列排布距离参数；T₂为微图文阵列排布距离参数；M为宏观图形放大率，α为微透镜阵列与微图文阵列之间的转角，

为比例参数，各参数间满足下列关系，

$M=\frac{r}{\sqrt{1+r^2-2r\cos \mathrm{\α}}}.$

优选的技术方案，所述转角α为0°～5°。

上述技术方案中，所述微透镜阵列层和微图文层分别设置于所述基材层的上下两表面上。

或者，所述薄膜的部分区域上设置有所述微透镜阵列层，与所述微透镜阵列层分离的部分区域上设置有所述微图文层，微透镜阵列层和微图文层分别位于基材层的两个不同表面上，在薄膜弯折时，所述微透镜阵列层和所述微图文层经基材层形成上下排列结构，构成使用状态。

与上述技术方案同样构思，可以把整个薄膜分成几个部分，由此提供下列技术方案：

一种具有动态立体效果的安全薄膜，具有微透镜阵列层、基材层、微图文层；该薄膜由至少2个区域构成，每个区域内，微图文层内的微纳结构组成微图文；在使用状态下，所述微图文层位于微透镜阵列的焦面附近，在每个区域内，微透镜阵列层内的各微透镜的中心坐标在微透镜阵列层内随机分布，微透镜阵列层内的微透镜与微图文层内的微图文一一对应设置。

此时，只要求在一个区域内，各微透镜的中心坐标阵列在X-Y平面内随机排列没有对称轴，而不同区域之间可以不相同，也可以呈规则排列。

上述技术方案中，所述微透镜阵列层和微图文层分别设置于所述基材层的上下两表面上。

或者，所述薄膜的部分区域上设置有所述微透镜阵列层，与所述微透镜阵列层分离的部分区域上设置有所述微图文层，微透镜阵列层和微图文层分别位于基材层的两个不同表面上，在薄膜弯折时，所述微透镜阵列层和所述微图文层经基材层形成上下排列结构，构成使用状态。

上述技术方案中，所述的微图文内部具有微纳结构，也可以在微图文外的区域具有微纳结构，也可以在微图文内、外具有不同的微纳结构。

在所述的微透镜阵列外层可以有附加层，附加层可以为介质层、金属层，或者涂覆有油墨、荧光、磁性、磷性、选择吸收或是具有微纳结构；附加层透明，且可以是保护层。

在所述的微透镜阵列层与基材层之间可以有附加层，附加层可以为介质层、金属层，或者涂覆有油墨、荧光、磁性、磷性、选择吸收或是具有微纳结构；附加层具有透明特性。

在所述的基材层与微图文层之间可以有附加层，附加层可以为介质层、金属层，或者涂覆有油墨、荧光、磁性、磷性、选择吸收或是具有微纳结构；附加层具有透明特性。

在所述的微图文层外层可以有附加层，附加层可以为介质层、金属层，或者涂覆有油墨、荧光、磁性、磷性、选择吸收或是具有微纳结构；附加层可以是保护层。

微透镜和基材层可以采用PC、PET、PMMA、PE等有机材料，微透镜也可以是玻璃或者PS材料的透明微珠，或者是紫外固化胶。优选地，基材层为PET材料。

上述技术方案中，所述的微透镜结构为凸半球形或其它椭凸状。

为了获得依据上述技术方案的安全薄膜，本发明提供了一种安全薄膜的制作方法，包括下列步骤：

(1)在基材层一侧涂敷紫外固化胶或者热敏材料，作为微透镜阵列层；

(2)将具有与待压微透镜结构相反的模版压印微透镜阵列层，同时通过辐照使紫外固化胶固化，或者通过冷却使热敏材料固化，得到微透镜阵列层。所述的压印模版材料可以由镍(Ni)、镍钴(NiCo)合金、镍铁(NiFe)合金、镍碳化硅(NiSiC)等组成。压印方式可以是平对平、卷对平或者卷对卷方式。

(3)在基材层另一侧涂敷紫外固化胶或者热敏材料，作为微图文层；

(4)将具有与待压微纳结构相反的模版压印微透镜阵列层，同时通过辐照使紫外固化胶固化，或者通过冷却使热敏材料固化，得到微透镜阵列层。所述的压印模版材料可以由镍(Ni)、镍钴(NiCo)合金、镍铁(NiFe)合金、镍碳化硅(NiSiC)等组成。压印方式可以是平对平、卷对平或者卷对卷方式。其中，微纳结构压印位置与另一侧微透镜结构具有完全对齐、或者呈一定夹角的关系。

本发明提出的微纳结构与微透镜阵列相结合的具有动态立体效果的安全薄膜薄膜器件，应用于钞票、有价证券、证书、证卡、标签、包装等的时，与现有技术相比具有以下几方面优点：

(一)微纳结构具有独特的光学特性，如衍射、偏振、颜色滤波、定向反射等等，因而能够实现许多油墨印刷无法实现的功能；

(二)微纳结构一般深度较小，小于1微米，批量复制时不存在脱模问题，因而适合于大幅面的制作，即可制作成安全线、开窗安全线，也可适用于大幅面的包装薄膜；

(三)薄膜厚度小，可小于30um，因此可用于钞票等有严格厚度要求的特种纸张中；

(四)微纳结构对于微透镜阵列的数值孔径、焦距、薄膜厚度、对位等参数有更严格的误差要求，在避免了微印刷的技术难题外还增加了仿制伪造的难度。

(五)微图文层可以镀金属层、高/低折射率介质层、磁性、荧光介质等，既能起到保护作用，还可以实现无损检测功能。

附图说明

图1是本发明实施例一的安全薄膜的结构示意图。

其中：1、基材层；2；微透镜阵列层；3、微图文层；4微透镜；5、微结构；6、微图形单元。

图2是本发明实施例二的安全薄膜的示意图。

其中：21；微透镜阵列保护层；22、附加层  1；23、附加层  2；24、微纳结构保护层。

图3是本发明实施例一、例二的安全薄膜效果示意图。

其中：图3a、正交移动效果；图3b、上浮效果；图3c、下沉效果；31、水平轴；32、竖直轴。

图4是本发明实施例一、例二实现图3所示效果的数学原理图。

图5是本发明实施例三，具有规则排列的微透镜阵列和微图形单元阵列示意图例。

其中：图5a正交排列；图5b蜂窝排列。

图6是本发明实施例四，具有随机排列的微图形区域单元阵列示意图例。

其中：图6a、微图形区域单元内微图形随机排布示意图；图6b、微图形区域单元间规则排列。

图7是本发明实施例五，微图形单元具有一维光栅结构示意图。

其中：图7a、由内部一维光栅组成的微图形单元；图7b、由外部一维光栅组成的微图形单元；图7c、具有正交一维光栅的微图形单元。

图8是本发明实施例六，微图形单元具有二维布拉维点阵微纳结构示意图。

其中：图8a、由内部二维布拉维点阵组成的微图形单元；图8b、由外部二维布拉维点阵组成的微图形单元；图8c、微图形内外具有不同的二维布拉维点阵。

图9是本发明利用微纳结构实现不同色彩得到衍射效率图。

图10是本发明实施例七，一种物实例，一种具有动态立体效果的安全薄膜。

其中：图10a、安全薄膜；图10b、开窗安全线。

图11是本发明实施例八，一种物实例，一种具有自检功能的动态立体效果的安全薄膜结构示意图。

其中：图11a、截面示意图；图11b、自检示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见附图1所示，一种具有动态立体效果的安全薄膜的结构示意图。薄膜具有三层结构：基材层1、微透镜阵列层2和微纳结构形层3。微图文层上有微纳结构5，微纳结构5组成微图形单元6。

基材层1的厚度在10微米至5毫米，优选的基材层厚度在25微米至100微米。基材层材料可以为PC、PVC、PET、PMMA、紫外敏感胶或BOPP等，优选的，选为PET。

微透镜4用于将光线聚焦于微图形层3，它的形状可以为半球形，也可以为椭球形，其口径尺寸10至500微米，优选的微透镜4口径尺寸在25至100微米。微透镜数值孔径0.1～4.0，优选的，微透镜数值孔径小于2.0。

微透镜层2和微图形层3材料可以为透明热敏材料或者紫外固化胶。

微图文层3内微结构5的排布与微透镜阵列层2内微透镜4的排布之间的关系可以是，具有完全相同的排布，或者其中一个环绕与X-Y平面垂直的Z轴旋转0°～5°角度。

实施例二：参见附图2所示，一种多层的具有动态立体效果的安全薄膜的结构示意图。在微透镜阵列层2外侧、基材层1/微透镜阵列层2、基材层1/微图形层3以及微图形层3外侧可分别具有微透镜阵列保护层21、附加层22和23以及微纳结构保护层24。附加层22、23以及保护层21、24可以为别介质层、金属层，或者涂覆有油墨、荧光、磁性、磷性、选择吸收或是具有微纳结构。

附图3是本发明实施例一、例二一种具有动态立体效果的安全薄膜效果示意图。如本发明实施例一、例二所描述的安全薄膜，可以将原本隐藏于微图形层3的结构放大至肉眼可直接分辨，并实现多种复杂的宏观视觉效果。如附图3a所示的正交移动效果，即当安全薄膜沿水平轴31转动时，放大的微图形沿竖直方向移动，当薄膜沿竖直轴32转动时，放大的微图形沿水平方向移动。如附图3b所示的上浮效果，即视觉观看放大微图形似位于薄膜上面。出现此视觉效果的情况，微图形的与微透镜周期之比小于1，优选的比例值为0.995。如附图3c所示的下沉效果，即视觉观看放大微图形似位于薄膜下面。出现此视觉效果的情况，微图形的与微透镜周期之比大于1，优选的比例值为1.005。

附图4a是莫尔放大和微透镜成像的放大倍率与微透镜层与微图文层夹角的关系。微图形单元和微透镜具有完全相同的拓扑排布。图中横坐标为微透镜层在微图文层的投影与微图形单元的夹角θ。由于微图形单元与微透镜排布相同，当θ＝0°时，放大率为无穷大。随着夹角θ增大，放大率迅速减小。当θ＝1°时，放大率减小至约为50～60。本发明所需要的放大倍率一般于100～350倍之间，因此夹角θ范围在0.16°～0.56°。

实施例三：参见附图5所示，规则排列的微透镜阵列和微结构阵列的示意图例。微透镜所在区域面积与总面积之比称为占空比。占空比越高，得到的放大图形对比度越高。如图5a所示的呈正交排列的微透镜阵列的占空比78％，如图5b所示的呈蜂窝排列的微透镜阵列的占空比可达90％。

实施例四：参见附图6所示，随机排列的微透镜阵列和微结构的示意图例。具有动态立体效果依据的是莫尔放大和微透镜成像原理。如果区域单元内有随机排列的微图形单元，它也可以被具有相同随机排列的微透镜阵列放大。如图6a所示，区域单元内微图形单元或者微透镜随机排列，区域单元正交排列，如图6b所示。所示的区域单元大小可以由微图形单元尺寸和放大倍率确定。如微图形单元尺寸15um，放大倍率为200，则区域单元大小为3mm。宏观视觉效果上，每一个单元会呈现一个放大后的微图形，微图形的排列则依据单元的排列方式确定，如图6b所示的正交排列，将会出现放大的呈正交排列的放大后的微图形。

实施例五和例六：参见附图7和附图8所示，是不同微纳结构组成的微图形单元示意图。附图7是本发明实施例五，微纳结构是一维光栅，微图形单元内有一维光栅的部分构成需要的符号图形，如附图7a所示，或者在符号图形外，如附图7b所示，还可以符号内外具有正交的一维光栅结构组成微图形单元，如附图7c所示。附图8是本发明实施例六，微图文层具有二维布拉维微纳结构，微图形单元内有二维布拉维微纳结构的部分构成需要的符号图形，如附图8a所示，或者在符号图形外，如附图8b所示，还可以符号内外具有不同的二维布拉维结构组成需要的符号图形，如附图8c所示。

之所以采用如实施例五或实施例六的微纳结构，是为了保证放大后的微图形单元内的符号图形与背景具有足够高的对比度，使得在通常照明条件下用肉眼就可以方便的辨认。

微图文层位于微透镜阵列的焦面附近，微纳结构可以是周期性规则排列，可以是一维光栅，光栅常数0.4微米至50微米；也可以是一维纳米光栅，光栅常数0.04微米至0.4微米；也可以是二维布拉维点阵结构，具有从0.04微米至50微米的晶格常数。

附图9是本发明利用微纳结构的透射效率图。微纳结构与光的相互作用，可以实现对光谱的分色。微纳结构通常由纳米结构的一维亚波长光栅(光栅周期100～400纳米)，或者二维布拉维结构(特征周期100～400纳米)组成，如图是用严格耦合波理论计算得到的投射效率图，参见文献Color-filterbased on a subwavelength patterned metal grating，(Optics Express，15(23)，pp.15457～15463.)等。对透射光实现三种颜色分色，从而实现对红绿蓝颜色的显示。

本发明实施例七，参见附图10a和附图10b所示一种物实例，一种具有动态立体效果的安全薄膜示意图。在钞票、有价证券、证书、证卡、标签、包装等上具有所述的安全薄膜材料，可以是部分，或者是整个材料都具有所述的安全薄膜特征，如附图10a所示。所述的安全薄膜材料还可以用作安全线，或者开窗安全线，如附图10b所示。

本发明实施例八，参见附图11a和附图11b所示一种物实例，一种具有自检功能的动态立体效果的安全薄膜结构示意图。微透镜层2和微图文层3在通常状态下保持分离状态，如附图11a所示，因而不具有莫尔放大现象。需要进行真伪鉴别时，将微透镜阵列层2和微图文层3对准，就可以得到如前述的动态立体效果，如附图11b所示。

Claims (5)

1.一种具有动态立体效果的安全薄膜，具有微透镜阵列层、基材层、微图文层；微图文层内包括微图文；在使用状态下，所述微图文层位于微透镜阵列的焦面附近，其特征在于：微透镜阵列层内的各微透镜的中心坐标在微透镜阵列层内随机分布，微透镜阵列层内的微透镜与微图文层内的微图文一一对应设置；各微图文的中心坐标构成的阵列和各微透镜的中心坐标构成的阵列之间具有缩放和/或旋转关系，设T₁为微透镜阵列排布距离参数；T₂为微图文阵列排布距离参数；M为宏观图形放大率，α为微透镜阵列与微图文阵列之间的转角，

为比例参数，各参数间满足下列关系，

$M=\frac{r}{\sqrt{1+r^2-2r\cos \mathrm{\α}}}.$

2.根据权利要求1所述的具有动态立体效果的安全薄膜，其特征在于：所述转角α为0°～5°。

3.根据权利要求1所述的具有动态立体效果的安全薄膜，其特征在于：所述薄膜的部分区域上设置有所述微透镜阵列层，与所述微透镜阵列层分离的部分区域上设置有所述微图文层，微透镜阵列层和微图文层分别位于基材层的两个不同表面上，在薄膜弯折时，所述微透镜阵列层和所述微图文层经基材层形成上下排列结构，构成使用状态。

4.一种具有动态立体效果的安全薄膜，具有微透镜阵列层、基材层、微图文层；该薄膜由至少2个区域构成，每个区域内，微图文层内的微纳结构组成微图文；在使用状态下，所述微图文层位于微透镜阵列的焦面附近，其特征在于：在每个区域内，微透镜阵列层内的各微透镜的中心坐标在微透镜阵列层内随机分布，微透镜阵列层内的微透镜与微图文层内的微图文一一对应设置；所述薄膜的部分区域上设置有所述微透镜阵列层，与所述微透镜阵列层分离的部分区域上设置有所述微图文层，微透镜阵列层和微图文层分别位于基材层的两个不同表面上，在薄膜弯折时，所述微透镜阵列层和所述微图文层经基材层形成上下排列结构，构成使用状态。

5.根据权利要求4所述的具有动态立体效果的安全薄膜，其特征在于：所述微透镜阵列层和微图文层分别设置于所述基材层的上下两表面上。

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