光学防伪元件及防伪产品

摘要

本发明涉及光学防伪领域，公开了一种光学防伪元件及防伪产品。该光学防伪元件包括：基材；以及形成于所述基材上的具有预设横向尺寸的多个菲涅尔结构，该多个菲涅尔结构用于在预设光源的照射下，在透射方向上形成预设的图文信息，并且在反射方向上呈现具有浮雕效果的所述预设的图文信息。可在手机闪光灯等便携光源的照射下，从透射方向再现预设图案，并且从反射方向呈现浮雕效果，从而提高了防伪能力和辨识度，并且鉴别过程简单。

权利要求

1.一种光学防伪元件，其特征在于，该光学防伪元件包括：基材；以及

形成于所述基材上的具有预设横向尺寸且满足预设的图文分布的多个菲涅尔结构，该多个菲涅尔结构用于在预设光源的照射下，在透射方向上形成预设的图文信息，并且在反射方向上呈现具有浮雕效果的所述预设的图文信息。

2.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其特征在于，在所述多个菲涅尔结构中的至少两个菲涅尔结构存在相互重叠的区域情况下，等概率地选取所述至少两个菲涅尔结构中的每一者在所述相互重叠的区域内的反射小面为该相互重叠的区域内的反射小面。

3.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其特征在于，所述预设横向尺寸范围为5‑50μm。

4.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其特征在于，所述菲涅尔结构沿预设方向的高度分布符合椭圆方程。

5.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其特征在于，所述菲涅尔结构的高度小于10μm。

6.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其特征在于，所述菲涅尔结构的焦距范围为5‑

50cm。

7.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其特征在于，所述菲涅尔结构为从球透镜或柱透镜中截取的结构。

8.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其特征在于，所述预设光源的发散角小于45°。

9.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其特征在于，所述预设光源为直射太阳光、闪光灯或射灯。

10.根据权利要求1所述的光学防伪元件，其特征在于，该光学防伪元件还包括：形成于所述菲涅尔结构上的颜色调制结构，用于调制该菲涅尔结构所反射或透射的光线的颜色，以使所述预设的图文信息呈现预设颜色。

11.根据权利要求10所述的光学防伪元件，其特征在于，所述颜色调制结构包括：亚波长微结构与形成于该亚波长微结构上的反射增强层；或者边壁陡直的微结构。

12.一种防伪产品，其特征在于，该防伪产品包含根据权利要求1‑11中任一项权利要求所述的光学防伪元件。

13.根据权利要求12所述的防伪产品，其特征在于，所述防伪产品包括钞票、身份证、银行卡或汇票。

说明书

光学防伪元件及防伪产品

技术领域

[0001] 本发明涉及光学防伪领域，具体地涉及一种光学防伪元件及防伪产品。

背景技术

[0002] 当今，光可变(optically variable)技术广泛用于钞票等高防伪有价证券的公众防伪，该技术具有裸眼可观察的动态图像和颜色变化等特征，且无法利用照相机、扫描仪、
打印机等电子设备模仿或复制。

[0003] 在钞票上使用仪器辅助的防伪特征可增加钞票的防伪能力。观察者无法立刻辨识这些特征，但利用简单的工具可立即发现明显的、可识别的特征。最常见的仪器辅助防伪特
征是荧光或磷光油墨，这些特征通过易于获得的 UV灯即可查验。目前这类油墨已广泛使
用，它的防伪性能也随之降低。之后，包括液晶偏振特征或衍射光学元件的多种可替代方案
被提出来。然而，衍射光学元件需要使用激光光源才能被辨识。

[0004] 随着手机在世界防伪内的普及，多种基于手机的鉴别方案又被提出。但是，这些方案大多需要通过摄像头对待鉴别的钞票或文件进行拍照，然后通过特定的手机应用程序
(APP)对所述待鉴别的钞票或文件的照片进行识别。这种鉴别方式需要下载相应的APP才可
执行相应的鉴别过程，过程繁琐且耗时。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种光学防伪元件及防伪产品，其可在手机闪光灯等便携光源的照射下，从透射方向再现预设图案，并且从反射方向呈现浮雕效果，从而提高了防伪能
力和辨识度，并且鉴别过程简单。

[0006] 为了实现上述目的，本发明一方面提供一种光学防伪元件，该光学防伪元件包括：基材；以及形成于所述基材上的具有预设横向尺寸的多个菲涅尔结构，该多个菲涅尔结构
用于在预设光源的照射下，在透射方向上形成预设的图文信息，并且在反射方向上呈现具
有浮雕效果的所述预设的图文信息。

[0007] 优选地，在所述多个菲涅尔结构中的至少两个菲涅尔结构存在相互重叠的区域情况下，等概率地选取所述至少两个菲涅尔结构中的每一者在所述相互重叠的区域内的反射
小面为该相互重叠的区域内的反射小面。

[0008] 优选地，所述预设横向尺寸范围为5‑50μm。

[0009] 优选地，所述菲涅尔结构沿预设方向的高度分布符合椭圆方程。

[0010] 优选地，所述菲涅尔结构的高度小于10μm。

[0011] 优选地，所述菲涅尔结构的焦距范围为5‑50cm。

[0012] 优选地，所述菲涅尔结构为从球透镜或柱透镜中截取的结构。

[0013] 优选地，所述预设光源的发散角小于45°。

[0014] 优选地，所述预设光源为太阳光、闪光灯或射灯。

[0015] 优选地，该光学防伪元件还包括：形成于所述菲涅尔结构上的颜色调制结构，用于调制该菲涅尔结构所反射或透射的光线的颜色，以使所述预设的图文信息呈现预设颜色。

[0016] 优选地，所述颜色调制结构包括：亚波长微结构与形成于该亚波长微结构上的反射增强层；或者边壁陡直的微结构。

[0017] 本发明第二方面提供一种防伪产品，该防伪产品包含所述的光学防伪元件。

[0018] 优选地，所述防伪产品包括钞票、身份证、银行卡或汇票。

[0019] 通过上述技术方案，本发明创造性地在基材上形成具有预设横向尺寸的多个菲涅尔结构，从而可在手机闪光灯等便携光源的照射下，从透射方向再现预设图案，并且从反射
方向呈现浮雕效果，从而提高了防伪能力和辨识度，并且鉴别过程简单。

[0020] 本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

[0021] 附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

[0022] 图1是本发明实施例提供的光学防伪元件的结构图；

[0023] 图2(a)是本发明实施例提供的截取自柱透镜的菲涅尔结构的示意图；

[0024] 图2(b)是本发明实施例提供的图2(a)中的菲涅尔结构(高度为0.5mm) 在透射方向上所呈现的图像示意图；

[0025] 图2(c)是本发明实施例提供的图2(a)中的菲涅尔结构(高度为5μm) 在透射方向上所呈现的图像示意图；

[0026] 图3(a)是本发明实施例提供的截取自球透镜的菲涅尔结构的示意图；

[0027] 图3(b)是本发明实施例提供的图3(a)中的菲涅尔结构在透射方向上所呈现的图像示意图；

[0028] 图4(a)是本发明实施例提供的菲涅尔结构的示意图；

[0029] 图4(b)是本发明实施例提供的图4(a)中的菲涅尔结构被划分的4 个子区域的结构示意图；

[0030] 图4(c)是本发明实施例提供的采用等概率选取重叠区域内的反射小面的方式设计的菲涅尔结构在反射方向上所呈现的图像示意图；

[0031] 图5是本发明实施例提供的光学防伪元件的剖面图；以及

[0032] 图6是本发明实施例提供的钞票的示意图。

[0033] 附图标记说明

[0034] 1       基材          2       菲涅尔结构

[0035] 3       颜色调制结构 5       钞票

[0036] 6       宽条 7       窗口

[0037] 30      亚波长微结构 32      反射增强层

具体实施方式

[0038] 以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

[0039] 在介绍本发明的具体实时方式之前，先对“笔画”进行简单的介绍。“笔画”是指设计图案中一个连续的线条或者孤立的点状区域。

[0040] 图1是本发明实施例提供的光学防伪元件的结构示意图。所述光学防伪元件可包括：基材1；以及形成于所述基材1上的具有预设横向尺寸的多个菲涅尔结构2，该多个菲涅
尔结构2用于在预设光源的照射下，在透射方向上形成预设的图文信息，并且在反射方向上
呈现具有浮雕效果的所述预设的图文信息。其中，所述基材1可为纸张、薄膜(如PET膜或镀
铝膜等)中的一者。与现有技术相比，本发明提供的上述鉴别方式无需下载手机APP，观察所
需的预设光源可为从装有安卓或苹果等系统的手机锁屏界面直接打开的闪光灯，并且鉴别
程序简单。同时，所述预设光源不局限于闪光灯，所有明亮的点光源(例如，直射太阳光)或
方向较为单一的平行光(例如，射灯) 都可以用来进行识别。

[0041] 所述菲涅尔结构2可为从柱透镜中截取的结构(如图2(a)所示)。具体地，所述菲涅尔结构2可以是柱透镜中的任意部分，即对所截取的结构的形状没有限制；并且，在理论上，
柱透镜的横向尺寸、纵向尺寸和方位角是没有限制的，但要根据组成图形的点的间距调整。
优选地，某点处的柱透镜的方位角与预设图形在该点处的切线方向一致。另外，所述菲涅尔
结构2还可为从球透镜中截取的结构(如图3(a)所示)。具体地，所述菲涅尔结构 2可以是球
透镜中的任意部分，可以是与球透镜同心的圆或者圆环，即对所截取的形状也没有限制；并
且，在理论上，球透镜的直径是没有限制的，球透镜的直径越大，所截取得到的菲涅尔结构
的倾斜角越大。

[0042] 上述光学防伪元件中的所述菲涅尔结构2由多个反射小面组成，该多个反射小面的倾斜角及方位角满足同一个菲涅尔公式。其中，所述反射小面可为曲面(未示出)或平面
的面结构(如图5所示)。由此，截取自球透镜的每个菲涅尔结构2(例如，对应于“A”字中的笔
画“·”)对应产生一个像素点，而组成“A”字中的笔画“/”的多个菲涅尔结构2对应产生组成
与所述笔画相应的笔画图案的多个像素点(如图3(b)所示)；截取自柱透镜的每个菲涅尔结
构2对应产生形成与某笔画(例如“A”字中的笔画“/”)的一系列像素点(如图2(c)所示)，故
可通过设计多个菲涅尔结构2的分布来呈现预设的图文信息。例如，通过设计图2(a)或图3
(a)中简单的“A”字分布的多个菲涅尔结构，相应地，在预设光源照射该光学防伪元件的情
况下，呈现图2(b)或图3(b)中的图形“A”。或者，通过设计图4(a) 中复杂的公司标识分布的
多个菲涅尔结构，相应地，在预设光源照射该光学防伪元件的情况下，呈现图4(b)中的公司
标识的图像。需要说明的是，所述预设的图文信息可为字母、数字、货币符号或其组合等有
意义的图文信息。

[0043] 当然，通过合理的设置可使多个菲涅尔结构分为多个组合，每个组合满足不同的菲涅尔公式(该不同的菲涅尔公式中的焦平面所在位置不同)，由此，在手机闪光灯等预设
光源的照射下，可在多个焦平面上投影出一个或多个预设的图文信息。

[0044] 对于380‑780nm的可见光谱范围，菲涅尔结构的横向尺寸需大于5μm，从而可避免对可见光的衍射，同时为产生较为细腻的设计图像，横向尺寸需小于50μm。然而，在设计光
学防伪元件中的菲涅尔结构的横向尺寸时，若菲涅尔结构的横向尺寸越大，则透射方向的
聚焦效果越好，即所呈现的所述预设的图文信息越亮，但由于笔画之间可能产生的堆叠使
得反射方向上所呈现的浮雕效果越弱。在本发明实施例中，当所述预设横向尺寸范围为5‑
50μm 时，在手机闪光灯等便携光源照射该光学防伪元件的情况下，从透射方向可观察到较
亮的预设图文信息，并且从反射方向也可观察到明显的浮雕效果。

[0045] 为了方便观察者识别，在本发明实施例中可将所述菲涅尔结构的焦距范围选取为5‑50cm。

[0046] 在从柱透镜或球透镜中截取菲涅尔结构后，可利用加工设备(如精密车床)直接在基材上直接形成满足预设高度分布的多个菲涅尔结构(例如，投影呈现图形“A”的多个菲涅
尔结构2)。考虑防伪产品的常用设计尺寸(如 5‑50mm)，图形(例如，图形“A”)的线条总宽度
约为0.5‑5mm(该宽度为设计图形尺寸的5‑20％，但可根据图形的线条分布情况进行调整)，
人眼易识别的高度约为0.1‑1mm。相应地，按照上述尺寸设计得到的图2(a)中的菲涅尔结构
所呈现的线条轮廓为具有一定宽度的灰度图，灰度值代表高度信息，255为最高点，而0对应
最低点。然而，若菲涅尔结构的高度范围为 0.1‑1mm，则其难以通过卷对卷压印的方式在塑
料或纸张上加工形成，故为了能够通过卷对卷压印的方式直接加工，可以用一定的方式将
高度较大的菲涅尔结构切割为高度小于10μm的菲涅尔结构。

[0047] 为达到透射投影时能够产生良好的聚焦效果，应对位于各处的菲涅尔结构的高度进行适当的设计。考虑入射光为平行光的情况，根据等光程原理可计算得知：所述菲涅尔结
构沿预设方向的高度分布应符合椭圆方程。具体地，所述椭圆方程为： 其中，x
为沿所述预设方向的位置，y为菲涅尔结构的高度， n为形成反射
小面的材料的折射率， f为菲涅尔公式中的再现焦距。以图2(a)为例，在三个菲涅尔结构沿
垂直于笔画方向的高度分布均满足同一椭圆方程的情况下，可在透射方向上所呈现的图像
“A”更为锐利与清晰。但由于实际制作的菲涅尔结构的高度分布可能与上述椭圆方程存在
差异，故其将导致投影图形的线条不够锐利与清晰，例如，导致透射方向所呈现的图形“A”
由多个条纹组成的笔画图案组成，例如图2(c)或图3(b)所示。另外，实际的照明光源也可能
不是严格的平行光源，这也将导致所呈现图形的线条不够锐利与清晰。

[0048] 上述内容介绍了实际制作的菲涅尔结构的高度分布偏差会导致投影图形的线条不够锐利，除此之外，对于要呈现的预设的图文信息为复杂图形的情况，所设计的菲涅尔结
构也会相应地在某些区域出现重叠，在该重叠的区域会导致透射再现的效果严重变差。在
这种情况下，本发明实施例通过以下方式重新设计该重叠区域内的菲涅尔结构。具体地，在
所述多个菲涅尔结构中的至少两个菲涅尔结构存在相互重叠的区域情况下，等概率地选取
所述至少两个菲涅尔结构中的每一者在所述相互重叠的区域内的反射小面为该相互重叠
的区域内的反射小面。

[0049] 具体地，对于要呈现的预设的图文信息为较复杂的设计图形，如图4(a) 所示的一个公司标识，则可按照一定的规则将其分解为两个或两个以上的子区域。当然，具体的分解
的方式可以有多种选择。首先，可按照图2(a)或图3(a)所示的实施方式设计每个子区域内
的多个菲涅尔结构。一般情况下，不同子区域内的菲涅尔结构在面积上很可能存在重叠。其
次，在重叠区域中按照等概率选取的方式进行处理：以三个子区域(S1，S2，S3)在某区域 S0
内重叠为例，在重叠区域S0内，选取S1、S2和S3子区域所对应的重叠区域S0的1/3面积内的
反射小面作为该重叠区域内的反射小面(选取可以是按照一定顺序的，例如S1‑S2‑S3，也可
以是任意顺序的，只是S1、S2和 S3被选取的比例基本相同即可)。而在非重叠区域，可以采
用不同子区域内的全部菲涅尔结构，成像效果最好；当然，也可以采用不同子区域内的一定
的比例菲涅尔结构，只不过成像效果会变差(如图4(c)所示)。

[0050] 当多个子区域在面积上相互重叠时，按照上述等概率选择重叠区域内的反射小面的设计方式，可以使得在反射方向所设计的图形一定程度的不可识别，不可识别的程度取
决于设计图形本身的复杂度和相互叠加的程度。按照本实施例提供的处理方式可产生反射
一定程度隐藏，但仍保持一定的浮雕效果，而透光投影再现设计图案的效果。

[0051] 除了上述菲涅尔结构的高度分布之外，预设光源的发散角也会对透射投影产生影响，故在本实施例中，为使透射投影的图形更为清晰，需要对预设光源的发散角进行一定的
限制。

[0052] 首先对预设光源的发散角进行简单的介绍。在光照强度(ρ)‑入射角(θ) 的极坐标系里，在入射角θ1时光照强度为最大值，在入射角θ2时光照强度减弱到最大值一半，定义|
θ1‑θ2|为光源的发散角，为实现较为清晰的投影图像，优选地，所述预设光源的发散角小于
45°。

[0053] 如果只存在菲涅尔结构，那么反射浮雕效果及透射投影图像只能是灰度的形式，实现简单的“黑‑灰‑白”的图像。为了丰富图像的信息量，增加技术难度以提高防伪能力，并
便于公众观察，本发明将“颜色调制结构”布置于菲涅尔结构中的反射小面上，实现反射和
透射图像的颜色化。具体地，所述光学防伪元件还可包括：形成于所述菲涅尔结构2上的颜
色调制结构3，用于调制该菲涅尔结构2所反射或透射的光线的颜色，以使所述预设的图文
信息呈现预设颜色，如图5所示。由此，可通过改变颜色调制结构3的参数，例如，特征尺寸和
深度等，来实现对颜色的控制，从而实现订制化的颜色，由此，反射和透射图像可以是单色
的，也可以是彩色的，甚至可以是渐变色的。

[0054] 所述颜色调制结构3可包括：亚波长微结构30与形成于该亚波长微结构30上的反射增强层32，如图5所示；或者边壁陡直的微结构(未示出)。所述亚波长微结构30与所述边
壁陡直的微结构(未示出)可以是一维光栅，也可以是二维光栅。所述颜色调制结构3的存在
基本不影响菲涅尔结构2的折射角度，因而不影响其投影再现效果。

[0055] 下面简单介绍通过该两种不同的颜色调制结构3实现图像颜色化的原理。

[0056] 具体地，对于图5所示的由反射增强层32与亚波长微结构30形成的颜色调制结构3，若颜色调制结构3仅采用周期小于可见光波长的衍射光栅，即亚波长微结构30，则相应的
光学防伪元件将不产生明显的颜色特征。对此，可在亚波长微结构30上增加反射增强层32
后，通过反射增强层32的等离子共振吸收产生颜色和/或偏振特征。所述反射增强层32可以
为金属层或介质层(可为单层或多层)，其中，所述金属层的材料可以是金、银、铜、铝、铁、
锡、锌、镍、铬等金属或其合金；所述介质层的材料可为高/低折射率材料，高折射率(例如，
折射率大于等于1.7)材料可以是ZnS、TiN、TiO2、 TiO、Ti2O3、Ti3O5、Ta2O5、Nb2O5、CeO2、
Bi2O3、Cr2O3、Fe2O3、HfO2 或ZnO等；低折射率(例如，折射率小于1.7)材料可以是MgF2、
SiO2等。其中，所述亚波长微结构30在x方向和/或y方向上(即横向特征尺寸)的周期范围为
0.3‑5μm，其约为菲涅尔结构2的横向尺寸的1/10‑1/5(菲涅尔结构的横向尺度一般为5‑20μ
m)；亚波长微结构30的沟槽深度位0.1‑0.2 μm的范围内。

[0057] 对于边壁陡直的微结构形成的颜色调制结构，由于边壁陡直的微结构的上下表面具有垂直的高度差，因此，在入射光的照射下，任两束反射(或透射)光的光程发生变化，出
现光程差，导致该两束反射(或透射)光之间发生干涉现象，最终在反射(或透射)方向上获
得具有特定颜色的反射(或透射)光。所述边壁陡直的微结构在x方向和/或y方向的特征尺
寸范围为 0.5‑100μm，优选为1‑20μm。所述边壁陡直的微结构在z方向的深度范围为0.05‑
10μm，优选为0.1‑3μm。

[0058] 另外，可在颜色调制结构3的表面涂布保护层(未示出)，以延长光学防伪元件的使用寿命。所述保护层的材质可为环氧树脂、丙烯酸、聚氨酯、聚酰胺或UV固化胶等透明材料。
当有保护层时，菲涅尔结构2的折射率应高于保护层的折射率，其差值的优选范围可为
0.05‑0.3。

[0059] 所述菲涅尔结构2可以直接被应用在基材1上，且在不增加其他蒸镀、印刷工序的情况下就可以产生手机可识别的防伪特征。该防伪特征易于向公众解释，且投影图案易于
被普通观察者所观察。另外，需要说明的是，本发明各个实施例提供的光学防伪元件在可见
光波段的平均透光率可超过30％。

[0060] 综上所述，本发明创造性地在基材上形成具有预设横向尺寸的多个菲涅尔结构，从而可在手机闪光灯等便携光源的照射下，从透射方向再现预设图案，并且从反射方向呈
现浮雕效果，从而提高了防伪能力和辨识度，并且鉴别过程简单。

[0061] 相应地，本发明实施例还提供一种防伪产品，该防伪产品包含所述的光学防伪元件。

[0062] 其中，所述光学防伪元件可以开窗安全线、开窗贴条或贴标等方式置于上述防伪产品中。所述防伪产品可包括钞票、身份证、银行卡、汇票或有价证券等具有高附加值的产
品。

[0063] 图6是将本发明实施例的光学防伪元件应用于钞票5上的示意图。所述光学防伪元件可以以宽条6的方式粘附或直接加工于钞票的表面上，且宽条 6所在区域内存在窗口(称
为视窗)7，该窗口7的形状和尺寸任意，例如，圆形、长方形或正方形等各种规则或不规则的
形状，以及大于、小于或等于所述宽条6宽度的尺寸均是可行的。该窗口7通过将钞票5的局
部去除获得，透过窗口7可观察宽条6的透射防伪特征。对于采用透明基材的钞票5，窗口7也
可以是钞票5中的基材的一部分。

[0064] 以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简
单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

[0065] 另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可
能的组合方式不再另行说明。

[0066] 此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。