具有一个或多个光栅场的光栅图像

摘要

本发明涉及一种具有一个或多个光栅场的光栅图像，各个所述光栅场包括具有多条光栅线的电磁辐射影响光栅图案，所述光栅线的特性由方位、曲率、间隔和轮廓参数确定。根据本发明，在所述光栅图像中，能够用肉眼单独地看到的光栅场(30)包括具有这样的光栅线(32)的电磁辐射影响光栅图案，即，光栅线的参数方位、曲率、间隔(34)和轮廓中的至少一个通过所述光栅场的表面变化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有一个或多个光栅场(grating field)的光栅图像(grating image)，所述光栅场中的每一个都包括具有多个光栅线的电磁辐射影响光栅图案，光栅线的特性由方位、曲率、间隔和轮廓参数确定。本发明进一步涉及一种制造上述光栅图像的方法、以及具有上述光栅图像的安全元件、证券纸(security paper)和载体。

背景技术

近年来，人们使用全息图、全息光栅图像以及其他类似于全息衍射的图案，来确保信用卡、钞票和其他重要文档的不被假冒。通常，在钞票领域，使用全息衍射图案(通过将所产生的光栅图案全息地压纹在热塑性可模制的塑料上、或对金属薄片基底上漆(lacquers)UV固化而制造)。

全息图通过利用相干激光照射物体，并在光敏感层上将该物体散射的激光与未受到影响的基准光束叠加。当在光敏感层上叠加的光束形成在空间上延伸、一致的相干波场(wave field)时，就形成了所谓的全息衍射光栅。通过在感光层(例如，照相软片或光刻胶层)中叠加的波场的作用，在感光层中建立了全息衍射光栅，并能够以亮线和暗线的形式保存在照相软片、或以峰和谷的形式保存在光刻胶层中。在该发明中，由于物体不会散射光束，因此全息衍射光栅仅仅产生视觉上给人以颜色变化的感觉，而并不是图像表征。

不需要用一致全息衍射光栅覆盖感光材料的全部表面，而仅使用合适的掩膜覆盖具有多个不一致光栅图案中的一个的记录表面部分(在所有的情况下)，就有可能从全息衍射光栅产生全息光栅图像。因此，这种全息光栅图像由多个具有不同的衍射光栅图案的光栅场构成，其中，这些不同的衍射光栅图案通常以平面条状或类似于象素的设计形式相互接近。在具有这种全息光栅图像后，通过适当地排列设置光栅场，就能够描绘出大量不同的图像图形。全息光栅图案不仅能够通过直接或间接的叠加相干激光束形成，而且还能够由电光刻技术(electron lithography)形成。通常，产生衍射图案样本，并在随后将其转换为凸版图案(relief pattern)。所产生的凸版图案能够用作压纹模具。

在公开号为DE 102 26 115 A1的文献中公开了这样一种光栅图像，这种图像不是由单个的象素或条构成，而是在其中用肉眼能够看见的较大光栅场用一致的光栅图案覆盖。利用这种方式，由于避免了未暴露的空白空间的发生，而仅在较大区域的光栅场之间存在少量的不连续过渡，因此，获得了光强度较高的光栅图像。

发明内容

本发明的目的是在上述文献的基础上进一步改进上述的光栅图像，尤其是建立具有新的光学效应的光栅图像，和/或在保留现有的有益效果的同时进一步增加光栅图像防止假冒的安全性。

本发明的目的通过提供具有如主权利要求中的特征的光栅图像来实现。在并列的权利要求中规定了其他的光栅图案及其制造方法，以及具有这种光栅图案的安全元件、证券纸和数据载体。本发明的进一步扩展是从属权利要求限定的主体。

本发明建立的背景技术在于，在光栅图像中能够用肉眼单独地看到的光栅场包括具有这样的光栅线的电磁辐射影响光栅图案，其中，所述的光栅线的方位、曲率、间隔和轮廓参数中的至少一个通过所述光栅场的表面变化。所述光栅场优选地包括具有不连续的光栅线的电磁辐射影响光栅图案。

在本说明书中，衍射应该理解为光偏离其直线传播，这种偏离不是由折射、反射或散射引起的，而是在光射向例如狭缝、隔膜、边缘等的障碍物时发生。衍射是一种典型的波现象，因此严格地依赖于波长，并总是与干涉关联。它尤其区别于能够准确地用图像的几何光束描述的反射和折射过程。在通过许多统计地分布的物体处理衍射时，衍射与散射相同，而不是与不规则地分布的物体产生的衍射相同。

散射应该理解为，聚焦的电磁波部分在通过物质时，由于与一个或多个散射中心的相互作用而从其原始方向上偏离。以各种方向漫射出来的发射、或从散射中心发出的所有散射波从主发射中消失。大小处于以及低于光波长范围的物体所散射的光同样也是依赖于波长的，例如，瑞利散射或米散射(Mie scattering)。当上述物体超出波长的十倍时，通常将这种散射称为非选择性散射，其中，所有的波长大致相同地受到影响。

然而，如果物体具有不规则的轮廓和合适光谱的物体大小，当个别物体依赖于波长的属性在整体效果上得到平衡时，就能够用较小的物体来获得非选择性散射。

由于将要在下面详细描述的根据本发明的光栅图案的特征参数能够是规则的、连续的、随机的和不连续地变化，因此，有可能产生用衍射处理一般性地描述的效应和用散射处理一般性地描述的效应。因此，在该说明书的上下文中，这种光栅图案通常指的是电磁辐射影响光栅图案。

在本发明的第一个有益的变种中，上述变化的特征参数通过光栅场连续变化。这里，连续变化特别指的是，适当参数的数值在几个到多个步骤中的每一个中都增加或减少。例如，电磁辐射影响的第i条光栅线和第(i+1)条光栅线之间的间隔能够通过下式给出

dcont(i，i+1)＝(dmax+dmin)/2+(dmax-dmin)/2^*sin(i^*2π/N)

其中，dmin表示最小光栅线间隔，例如，dmin＝0.2μm，dmax表示最大光栅线间隔，例如，dmax＝2.0μm，N表示重复周期，例如N＝20。光栅线的间隔在最大值dmax和最小值dmin之间缓慢和连续地循环(cycle)。然而对于本发明来说，并不一定需要利用方程式关系来规定这些参数值。有可能以相似的方式指示其他特征参数的方位、曲率和轮廓的连续变化。

根据本发明的另一个相似的有益变种，上述变化的特征参数具有随机性，尤其是在通过光栅场的表面上具有随机和不连续的变化。例如，电磁辐射影响光栅图案的第i个和第(i+1)个光栅线的间隔通过以下等式给出：

drand(i，i+1)＝dmin+(dmax-dmin)^*Rand()

其中，dmin和dam同样表示最大和最小光栅线间隔，Rand()表示随机数或适当生成的位于[0，1]内的伪随机数。接着，该光栅线的间隔在间隔[dmin，dmax]内的随机值之间从光栅线到光栅线任意变动。

光栅线的间隔的范围优选地位于约为波长(设计用于光栅图像)的十分之一和十倍之间。在看起来为白光的光栅图像中，设计的波长可以为λ＝550nm。光栅线间隔位于该波长的一半和两倍之间是尤其优选的。

在本发明的一个方案中，所述的光栅场进一步包括电磁辐射影响的、包括多个光栅线的光栅图案，所述光栅线的方位、曲率、间隔和轮廓特征参数中的至少一个特征参数通过光栅场的表面变化。两个电磁辐射影响光栅图案优选地以相同的参数变化。通过不变的特征参数、尤其是通过光栅线的方位可以方便地将两个电磁辐射影响光栅图案的光栅线相互区别出来。

例如，在两个电磁辐射影响光栅图案中，间隔或曲率能够在各种情况下都连续或随机地变化，第二个电磁辐射影响光栅图案的方位相对于第一个电磁辐射影响光栅图案的方位被旋转某个角度，约为90度。应该理解，光栅场还能够包括多于两个的成阶层的电磁辐射影响光栅图案。

在有益的实施方案中，所述光栅场形成在观看时不会发生衍射的不光滑(matte)的图案。以这种方式，具有不光滑的外观的表面区域能够容易地结合到电子束光刻产生的光栅图像中。在优选的实施方案中，光栅线的特征参数的变化，使得上述不光滑的图案完全不显示颜色。用不光滑的图案覆盖的光栅图像表面区域表现为(例如)金属的不光滑的区域。在该实施方案中，具有不光滑的图案的光栅图像展现了不同的光学亮度。在优选的变种中，通过不同的亮度，能够产生不光滑的图案的半色调图像(其尤其适于刻画人物肖像)。此外，通过精确地设置个别或多个不光滑的图案区域的亮度，在光栅图像中能够产生机器可读的、在视觉上看不见的标识符(identifier)。

本发明的另一个方面涉及一种具有多个光栅场的光栅图像，各个所述光栅场包括具有多条光栅线的电磁辐射影响光栅图案，所述光栅线的特性由方位、曲率、间隔和轮廓参数确定，第一光栅场包括具有第一特征参数的光栅线，第二相邻的光栅场包括具有第二特征参数的光栅线，根据本发明，在所述第一和第二光栅场之间具有过渡区域，其中，所述第一光栅场的所述光栅线的特征参数连续地改变为所述第二光栅场的所述光栅线的特征参数。

在优选的实施放案中，所述过渡区域的大小低于肉眼的分辨限度。在两个光栅场的边界能够避免干涉光学效应，观察者不能够用肉眼看到过渡区域本身。可选地，所述过渡区域的大小高于肉眼的分辨限度，从而使得观看着能够看到。这能够用来在两个光栅场的过渡区域中获得附加的光学效应。

就此而论，第一和/或第二光栅场构成了上述的能够用肉眼单独觉察到的光栅场。两个光栅场中的一个特别地形成了在观看时不会发生衍射的不光滑的图案。这样，在电子束光刻产生的光栅图像内，能够例如在正弦光栅和不光滑的图案区域之间实现平滑的过渡。

在所有描述的光栅图像中，光栅线有利地由电子束光刻产生。这种技术便利了在其中各个单独的光栅线由方位、曲率、间隔和轮廓参数明确地限定的光栅图像的产生。

已经证明当光栅的线轮廓深度在约为100nm和约400nm之间时是有利的。光栅图像本身优选地用反射或高指标的材料涂刷。所有的金属和许多金属合金可以用作反射材料。合适的高指标材料例如是CaS、CrO₂、ZnS、TiO₂和SiO_x。有利地，在其中引入光栅图像的媒介和指标的材料之间的的反射系数存在巨大的差异，这种差异优选地大于0.5。光栅图像能够在植入或非植入的实施方案中产生。对于植入的实施方案，例如PVC、PET、聚酯(polyester)或UV涂料层是合适的。

根据本发明的光栅图像的实施方案除实现了新颖性的光学效果外，还实现了确定地可由机器读取、但用眼睛却不能看到斑纹(marking)的类似全息图的光栅图像。例如，光栅图像可以设置数字水印。这样，可以显著地提高防止这种光栅图像假冒的安全性。

本发明还包括制造光栅图像的方法以及具有所述光栅图像的安全元件。安全元件可以具体地为安全线(security thread)、标签或传递元素(transfer element)。本发明还包括具有上述安全元件的证券纸(security paper)，以及设置有上述光栅图像、安全元件或证券纸的数据载体。数据载体具体地可以为钞票、重要文档(value document)、护照、身份证或证明。

在另一个实施方案中，根据本发明的光栅图像(优选地为不光滑的图案)可以组合有色移(color shifting)薄层结构。在这里，光栅图像的所有表面或仅仅是其子表面(sub-surface)可以设置有薄膜结构。根据应用，薄膜结构可以设计成不透明或半透明的，并且包括至少三层。例如，所述层结构可包括反射层、吸收层和位于这两层之间的介电层。反射层通常为例如包括铝的金属层。可选地，薄膜结构可由两个吸收层和位于这两个吸收层之间的介电层构成。可以预见，还可以交替设置多个吸收和介电层、或者专门地设置介电层和具有强折射系数的邻接层，从而实现色移效应。

包括例如铬、铁、金、铝或钛的金属层通常用作吸收层，其厚度优选为4nm到约20nm。例如镍铬铁合金的组合物、或例如钒、钯或钼的稀有金属可以用来作为吸收层材料。其他合适的材料例如包括镍、钴、铌、铝、例如氟化物、氧化物、硫化物、碳化物、磷化物、硒化物、硅化物及其组合的化合物、以及碳、锗、金属陶瓷、氧化铁等。吸收层可以是相同的，但是它们还可以具有不同的厚度和/或包括不同的材料。

具有折射系数小于1.7的低折射系数的透明材料可以用作介电层，例如SiO₂、MgF、SiO_x(1＜x＜2)以及Al₂O₃。从理论上说，可以使用几乎所有的可蒸镀淀积的透明化合物，因此可以使用高指数的涂附材料，例如ZrO₂，ZnS，TiO₂和ITO(indium tin oxide，氧化铟。)介电层的层厚度D的范围为100nm到1000nm，优选为200nm到500nm。

大量的蒸镀(deposition)方法可用来产生上述层。具有舟蒸镀(boatevaporation)的物理蒸镀淀积(PVD)、电阻加热蒸镀、加热蒸镀、或电子束蒸镀、溅射(DC或AC)和电弧沉积(arc evaporation)形成了方法集合。另一方面，蒸镀还可以像化学蒸镀淀积(CVD)(例如，在反应的等离子体的溅射)、或任意其他基于等离子体的蒸镀那样发生。在理论上还存在印记介电层的可能性。

不光滑的图案和色移薄层结构是非常难以伪造的，这是因为制造这些元素的技术是非常难的。此外，不光滑的图案和色移薄层结构可以设计为使它们精确匹配，从而能够获得完全新颖的光学效果。

附图说明

下面参照附图进一步描述本发明的其他实施方案和有益效果。为了清楚起见，在附图中省略了对刻度和比例的描述。其中，

图1是具有根据本发明示例性实施方案的、植入的安全线和添附的传递元素(transfer element)的钞票的示意图；

图2(a)是具有三个以图标示意性表示的光栅场的光栅图像，图2(b)表示用不同的电磁辐射影响光栅图案覆盖光栅场；

图3(a)和(b)是根据本发明的光栅场的详细俯视图，其中，电磁辐射影响光栅图案的光栅线的间隔参数通过光栅场的表面连续变化；

图4(a)和(b)是根据本发明的光栅场的详细俯视图，其中，电磁辐射影响光栅图案的光栅线的曲率参数通过光栅场的表面连续变化；

图5(a)和(b)是根据本发明的光栅场的详细俯视图，其中，电磁辐射影响光栅图案的光栅线的方位参数通过光栅场的表面连续变化；

图6-8是根据本发明的光栅场的详细俯视图，其中，电磁辐射影响光栅图案的光栅线的多个特征参数中的一个随机和不连续地变化；

图9是显示在两个邻接的光栅场之间的过渡(transition)两个俯视图，其中(a)为传统的不连续过渡，(b)是根据所显示的本发明示例性实施方案的连续过渡；

图10是具有薄膜结构的安全元件的俯视图；以及

图11是通过有薄膜结构的安全元件的截面。

具体实施方式

图1是展示根据本发明的两个安全元件(即，安全线12和添附的传递元素16)的钞票10的示意图。安全线12被形成为在钞票10的表面浮现于特定的窗口区域14的窗口安全线，并被植入到钞票10的两个表面之间的内部。安全元件12和16具有将在下面描述的光栅图像类型。

在图2中示出了类似于全息图的光栅图像的一般构造。参照图2(a)，类似于全息图的光栅图像20包括多个光栅场22，光栅场22具有不同的电磁辐射影响光栅图案。电磁辐射影响光栅图案通常是光栅线24，光栅线24具有多个平行并相互接近的光栅线，如图2(b)所示。在这里，出于说明的目的，光栅线的大小和间隔被放大。根据本发明的光栅图像的光栅图案的光栅常数通常典型地约为0.4μm到2μm的范围，从而使得需要适当多数量的光栅线来产生大小为几毫米或几厘米的光栅场。

各个电磁辐射影响光栅图案的光栅线24能够通过四个特征参数来描述，即它们的方位、曲率、间隔和各个线的轮廓。在两个邻接的光栅场之间的边界线26处，不连续通常与至少一个所述的参数有关。例如，光栅场22和22-1的光栅线24和24-1都被形成为直线，并具有正弦曲线的轮廓(在图2(b)中不可见)，因此，它们的曲率和轮廓参数是相同的。相反，它们的方位和间隔是非常不同的。

图3到图8示意性地显示了光栅场的放大部分，以解释各个光栅线相互之间的排列设置。根据本发明，全部光栅场覆盖有上述不中断的光栅线。

图3(a)显示了根据本发明的示意性实施方案的光栅场30的详细俯视图，其中，电磁辐射影响光栅图案的光栅线32的间隔参数通过光栅场30的表面连续地变化。在这里，整个光栅场30被形成为大到足以使得能够用肉眼观察到。

如从图3(a)中清楚地看出的那样，最初，各自的光栅线的间隔34从图像的底部到顶部连续地增加，其后则连续地减少。应该理解，所显示的光栅线32的水平方位并不表示任何限制，光栅线32的任意优选方向都是可能的。

在图3(b)中，显示了光栅场36的详细俯视图，光栅场36的光栅线图案由两个在图3(a)中示出的受磁辐射影响的光栅图案(相互旋转了90°)构成，这两个图案能够例如通过连续地暴露根据图3(a)的两个光栅获得。

作为本发明的另一个示例性实施方案，图4(a)是根据本发明的光栅场40的详细俯视图，其中，光栅场40具有的电磁辐射影响光栅图案的光栅线42的曲率参数通过光栅场40的表面连续变化。如图所示，各个光栅线的曲率在开始从所示出部分的底部边缘连续地减少，直到在图像的中心得到不具有曲率的直光栅线。接着，该曲率连续地增加到达图像的顶部边缘。

光栅场40和在图5-8所示的光栅场50、60、70和80一样被形成为达到能够单独地用肉眼看到。同样，所显示的用于光栅线的各个优选方位不是用来限制性的，而是应该清楚光栅线的任何优选的方位都是可能的。

图4(b)显示了光栅场46的详细俯视图，其中，光栅场46的光栅线结构由两个在图4(a)中示出的电磁辐射影响光栅图案(相互旋转了90°)构成，这两个图案能够例如通过连续地暴露根据图4(a)的两个光栅获得。

在图5(a)所示的示例性实施方案中，光栅场50展示的电磁辐射影响光栅图案的光栅线52的方位参数通过光栅场50的表面连续变化。各个光栅线的方位在开始，从所示出部分的底部边缘连续地逆时针旋转。在所示出的区域的外面，这种旋转能够继续和/或通过顺时针旋转来补充。

图5(b)是显示光栅场56的详细俯视图，其中，光栅场56的光栅线图案由两个在图5(a)中示出的电磁辐射影响光栅图案(相互旋转了90°)构成，这两个图案能够例如通过连续地暴露根据图5(a)的两个光栅获得。

图6(a)显示了这样的另一个示例性实施方案，其中对于光栅场60具有的电磁辐射影响光栅图案的光栅线62(如在图3(a)所示)来说，间隔参数通过光栅场60的表面变化。然而，与如图3(a)中的示例性实施方案不同的是，各个光栅线的间隔64不是连续地变化的，而是随机和不连续的，如从图6(a)中能够清楚地看出的那样。这种随机的变化在所显示的部分之后继续，即，在通过光栅场60的整个表面上随机变化。

图6(b)显示了光栅场66的详细俯视图，其中，光栅场66的光栅线图案由两个在图6(a)中示出的电磁辐射影响光栅图案(相互旋转了90°)构成，这两个图案能够例如通过连续地暴露根据图6(a)的两个光栅获得。

在图7(a)所示的示例性实施方案中，对于光栅场70具有的电磁辐射影响光栅图案的光栅线72(如在图4(a)所示)来说，曲率参数通过光栅场70的表面变化。然而，与如图4(a)中的示例性实施方案不同的是，各个光栅线的曲率不是连续地变化的，而是随机和不连续的，如从图7(a)中能够清楚地看出的那样。这种随机的变化在所显示的部分之外继续，即，在通过光栅场70的整个表面上随机变化。

图7(b)显示了光栅场76的详细俯视图，其中，光栅场76的光栅线图案由两个在图7(a)中示出的电磁辐射影响光栅图案(相互旋转了90°)构成，这两个图案能够例如通过连续地暴露根据图7(a)的两个光栅获得。

作为本发明的另一个示例性实施方案，图8(a)显示的光栅场80的电磁辐射影响光栅图案的光栅线82相互朝向地完全随机地旋转，从而使得方位参数通过光栅场80的表面变化。这种随机的变化在所显示的部分之外继续，即，在通过光栅场80的整个表面上随机变化。这种电磁辐射影响光栅图案产生了不会在例如方向衍射的环境中觉察到的不光滑的图案。图8(b)显示了具有相互方位弯曲是随机的光栅线84的光栅场86。在图8(a)中光栅线填充所显示表面的浓度小于在图8(b)相同几何大小的表面。这就使得图8(a)的光栅场具有的不光滑的图案效应明显小于图8(b)的光栅场。

在该具体的实施方案中，如果在用电磁辐射影响光栅图案覆盖的表面的亮度和合适的几何参数之间建立连接关系，则即便是适当表面区域的相对亮度也可以特殊地变化。例如，图8(a)中的光栅图案与图8(a)中的光栅图案相比，具有可以计量的较大平均几何网格间距(mesh pitch)。

除了在图3到图8中示出的光栅线的方位、曲率、间隔参数的变化之外，光栅线的轮廓也是可以变化的。例如，线轮廓能够多次和连续地通过光栅场的表面从正旋形式改变为锯齿形式，并接着改变为正旋形式。线轮廓的高度和/或对称形式也能够变化。除了连续的改变，线轮廓的形式还能够随机和不连续地在相邻的光栅线之间变化。

还应该理解，不仅仅是一个特征参数通过光栅场的表面变化，而且多个参数能够同时变化。例如，光栅场的光栅线的间隔、方位和轮廓参数同时变化。

通过电子束光刻可以产生所有规定的电磁辐射影响光栅图案。这种技术实现了在其特殊区域各个线光栅的线能够由所述的特征参数精确限定的光栅图像。

在图3到图8中示出了用电磁辐射影响光栅图案覆盖了整个光栅场的较大面积，而在图9则显示了在两个邻接的光栅场90和92之间的过渡的详细俯视图。这里，图9(a)显示了当通过直接曝光或点矩阵系统形成光栅图像时，两个光栅场的边界线处的光栅线的典型前进路线(progression)。

第一光栅场90的电磁辐射影响光栅图案与第二光栅场92的电磁辐射影响光栅图案的一个或多个特征参数不同。在图9(a)所示的示例中，第一光栅场90的电磁辐射影响光栅图案的间隔和方位参数与第二光栅场92的电磁辐射影响光栅图案是非常不同的。因此，沿着边界线94观看时，光栅图案的光学形状是中断的。

为了弥补这种中断，本发明在第一光栅场90和第二光栅场92之间提供了过渡区域96，在过渡区域96，第一光栅场的光栅线的特征参数连续地改变为第二光栅场的光栅线的特征参数。这种软的过渡能够相对容易地利用电子束光刻技术实现，并不具有中断的光栅线。

参照进行过渡的长度规定(1ength scale)，设计者具有两种选择。如果允许在约为100μm或更小的长度规定下实现两个光栅场的电磁辐射影响光栅图案之间的过渡，则观看者是不能单独用肉眼看到过渡区域的。因此，仅仅是将两个光栅场的边界线处的干涉光学人为假象去除。

另一方面，如果允许在大于100μm的长度规定下实现过渡，则观看者能够看到过渡区域。这能够用来在两个光栅场的过渡中产生新颖的光学效应。

图10显示了具有根据本发明的光栅图像101以及部分地应用的薄膜结构102的安全元件100。在该实施方式中，将涂料(paint)应用到透明的金属薄片材料(foil material)103，其中，字母“PL”作为光栅图像被引入。在此之上是圆形的被淀积的蒸镀物(vapor)，在该实施方案中薄膜结构由吸收层、介质层和其他的吸收层构成。

图11显示了另外一个安全元件110，其中，涂料层112应用到衬底金属薄片111。光栅图像116被部分地引入到涂料层。在这之上是吸收层113和高介电层114。在高介电层114之上则是反射层115。这种薄膜结构层被真空蒸镀地淀积。