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， 例参数， 各参数间满足下列关系，
为比优选的技术方案， 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 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、 附加层元。
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。