[0001] 本发明涉及一种安全装置。特别地，本发明涉及一种安全装置，该安全装置包括联合宽频抗反射与窄带反射结构，以从可见光生成安全图像，例如，用在信用卡或其它物品上，以提供防伪功能，有时与防眩光或防反射功能相组合。

[0002] 安全装置呈现为各种形式，并应用于越来越多的产品，从信用卡和身份证到奢侈品，例如酒精饮料、门票和媒体包。安全装置通常包括光学器件，如全息图，该光学器件生成可识别的安全图像，该安全图像是伪造品所难以复制的。

[0003] 抗反射涂层在各种装置、例如手表和电脑屏幕上也越来越受欢迎。这些有时是由两个或更多个、更常见地为包括亚微米尺寸的突起阵列的三维异形结构。照射在抗反射结构上的可见光被以这样的方式反射和/或折射：防止观察者在大多数视角处看到可见光的反射。因此，这些涂料可以减少来自手表或电脑屏幕的眩光的量。由于突起是纳米尺寸的结构，因此，抗反射结构的生产需要专门的机械。

[0004] 理想的是提供生成难以被伪造品所复制的、而易于被观察者识别以提供验证的新形式的安全形象的安全装置。

[0018] 抗反射结构通常通过提供层排布来防止光离开一个表面，所述层排布生成具有四分之一波长相位差的反射光。这些具有相位差的反射光彼此抵消，以使观看者看不见反射。当光从第一介质、例如空气入射到某个结构上时，发生这种反射，随后光在被具有更大折射率的第一层的界面部分地反射的同时，非反射部分继续被具有更高折射率的另一层的界面部分地或全部地反射，这些反射由在视角处等于四分之一波长的光学距离所隔开。抗反射结构可包括一叠这种光学层。

[0019] 还已知的是，包括由突起阵列形成的异性表面构成的光栅也可具有抗反射性质。对于在可见频谱内抵消反射的宽带抗反射结构来说，突起是亚微米级的尺寸，也就是说，它们在二维或三维中的尺寸小于1µm，具体取决于其目的是提供二维或是三维光栅。

[0020] 图1展示了二维光栅的一个例子，其中亚微米尺寸的特征延伸为长形的凹槽/突起2的平行阵列，形成一组平行的脊和凹槽。当在图示的横截面中观看时，所述凹槽/突起2可具有更为锥形或更圆的轮廓。例如，所述突起可形成有大致平坦的侧部以及尖脊和谷，所述突起可形成有大致为正弦曲线的轮廓，如图8所示，带有圆脊和谷，或者，所述突起可以是图1所示的大致半球形截面，具有带圆峰3、圆边4和尖谷5的圆脊。优选地，所述突起从其峰3到其谷5是渐细的（无需一定是线性的），以提供折射率的逐渐增大。

[0021] 安全装置中的光栅1a的凹槽/突起2的轮廓可以跨其覆盖的基板区域而变化，例如，以提供安全图像的色调对比。

[0022] 凹槽/突起2具有修正基板材料的折射率的效果，以在与基板其余部分相比折射率较低的基板部分上创建“层”。所述光栅1a、1b将具有介于基板材料与穿过凹槽的空气（或其它介质）之间的折射率，具体取决于凹槽/突起2的外形、体积比率和一些其它因素。如果适当地选择了凹槽/突起2的外形，则可以修正折射率，以创建宽带抗反射结构，在该结构中大致消除了可见光的反射（例如，400-700nm）。

[0023] 以下公开中各个突起2的高度（h）是从脊的峰到谷5的底部的距离，优选地，这一值保持为遍及整个抗反射结构都是近似恒定的，当然其也可以是变化的。周期（p）是相邻的峰3或谷5之间的间距，并且优选地，该值在遍及整个抗反射结构中都是近似恒定的，当然其可以根据旨在得到的安全图像而变化。

[0024] 在另一实施例中，光栅1b包括3D维模式，例如，如图2所示的槽和突起2的六边形阵列。这些可具有带尖峰和谷的锥形外形，带圆峰3和谷5的如图2所示的大致正弦曲线外形，或具有类似于图1所示的2D阵列的圆峰和尖谷的大致半球形外形。再次优选地，所述突起是渐细的（无需一定是线性地），以使得其在峰3处更窄，在谷5处更宽，从而提供折射率的逐渐变化。

[0025] 所述阵列无需是六边形，而是可以设置为其它几何形式，或者，替代性地，所述阵列可包括突起2的不规则阵列。

[0026] 如图2所示，在该排布中，每个突起2的高度（h）是从峰3到谷5的距离，周期（p）是相邻的峰3或谷5之间的间距。

[0027] 优选地，二维或三维阵列的突起2的高度（h）小于1.0 µm，例如为0.5 µm或更小。在一些实施例中，优选地，所述突起小于300nm高度，更优选地小于200nm高度。所述突起2可以是例如100-180nm高度，最优选地，其为约125nm高度（±25 nm）。较高的突起在提高安全信号的相对强度或感知亮度方面是有利的，尽管这可能需要以牺牲频谱纯度为代价。

[0028] 优选地，二维或三维阵列的突起的周期（p）小于0.5µm，例如，介于100-300 nm。优选地，所述突起的周期小于275 nm，优选地小于250 nm。更优选地，所述突起的周期介于
160-240 nm，最优选地，其周期为约200 nm (±10 nm)。

[0029] 在特定优选实施例中，对于突起2，p大于h，更优选地，对于突起2，p比h的比例在1:1.5到1:2的范围内。更优选地，突起的p与h比在1:1.6到1:1.9 (±0.05)的范围内，并更优选地为约1:1.75 (±0.05)。

[0030] 基板6、即形成2D或三维光栅1a、1b的材料的折射率优选地在1.3到2.5的范围内，更优选地在1.4到2.1范围内，再优选地在1.45到1.8的范围内，最优选地为约1.5或1.6。基板6的折射率应当高于被白光穿行以到达光栅1a、1b的流体或材料的折射率。

[0031] 高度（h）、周期（p）和折射率可根据与光栅1a、1b相邻的、光照射进其中的介质而改变，例如，该介质是空气、水或一些其它流体。突起2的高度和周期也将随着基板6的折射率而改变。

[0032] 在进一步的实施例中，在完整的安全装置中，可能会有一部分二维光栅1a和一部分三维光栅1b。优选地，二维和三维光栅的不同部分设置为一种图案，例如，以增大安全图像的色调对比，或提供在从不同视角或在安全装置的不同位置处观看时的互补的安全图像。在进一步实施例中，安全图像是由多个二维光栅部分1a（其可以是相同或不同外形）和/或多个三维光栅部分1b（其可以是相同或不同外形）生成的。

[0033] 例如，在一个优选实施例中，光栅1a可以设置为正方形或矩形的四分之三，突起/凹槽的周期在相对的相邻中是相同的，在相邻的转角中是不同的。光栅1a于是可以从两个相对转角的紫光窄带反射、以及从另两个转角的绿光/蓝光窄带反射生成安全图像。

[0034] 光栅1a、1b优选地是平面结构。然而，可以容许一定量的曲率，在一些情形中，甚至可以增加能够制造的光学效果。

[0035] 光栅1a、1b也无需是表面结构，而可以是内部结构。于是，具有适当选择的折射率的透明材料可以设置在2D或三维光栅的任一侧。

[0036] 如上所述，凹槽/突起2的外形可以与图1和图2中所述的不同（例如，二维光栅的脊可具有锯齿外形）。然而，当可见光以垂直于光栅1a、1b的角度入射时，安全装置的优选地至少50%、更优选地至少75%以及最优选地90%以上的光栅1a、1b使被反射的可见波长（400-700 nm）减小了至少五倍。更优选地，其使得被反射的可见波长减小了至少八倍，且更优选地减小了至少十倍。优选地，被反射的可见波长的这一减小是针对与表面法线最大成45°的观察角度而言的。

[0037] 替代性地，尽管重点在于被折射和被内反射的蓝紫光，而不是抗反射，然而二维或三维光栅也可以利用激光蚀刻或阶梯式蚀刻和沉积技术在透明材料之中内部地产生。这里，在略视角处的紫光反射仍可以通过全内反射而捕获。这可以在对象材料的内部进行，或作为可附接于物品的粘合膜。这一内部布置具有免受磨损和磨擦阻力的优点。

[0038] 光栅1a、1b的总尺寸应当是这样的尺寸：使得安全图像是可见的，例如，至少在长度（x）和宽度（y）维度上大于2µm。用于光栅1a、1b的基板的厚度优选地在厚度维度（z）上也大于2µm。更优选地，长度和宽度维度超过1mm，最优选地为5mm或更大，例如，1-2cm，当然，还可以更大。更优选地，所述厚度维度超过200µm，最优选地，其为500µm或更大。

[0039] 光栅中的凹槽的数量越多（即，光栅的面积越大），则紫光/绿光/蓝光的强度或亮度显得越大。这是因为，尽管只有一些凹槽包括个别反射器，然而，入射的白光将总是（除非是受控激光）具有一些程度的角展度，从而提供了一系列入射角，并照明了光栅内的多个反射器，这些反射器的反射与肉眼结合。

[0040] 图3展示了入射在光栅1a、1b上的白光可以被突起2回射和折射的方式。额外的反射可出现在入射的掠射角处。

[0041] 沿着光栅或表面法线（N）入射的白光（W）将笔直穿过其中。当白光以最大45°或更大、例如最大65°等角度偏离表面法线入射时，一部分光将穿过光栅，进入材料中，由于穿过具有比空气或光栅1a、1b入射侧上的其它周围介质折射率更大的基板材料6的缘故，其路径通过折射而偏离以靠近法线。由于白光变得以较浅的角度入射到结构的表面，例如，以与抗反射结构的表面成最大25°的角度（到表面法线为65°），紫外光（UV-A）将开始被在掠射角处回射（即，到抗反射结构的表面最大为12.5°）。由于安全装置在较浅的角度处被点亮，因此，紫光的窄带反射将开始被从表面回射，其后可能是绿光或蓝光窄带反射。在法线的另一侧白光的其余部分将被分为分量颜色：蓝色（B）、绿色（G）、黄色（Y）、橙色（O）和红色（R），并朝向图示的光栅法线折射。

[0042] 图3展示了当光栅1a、1b设置在可用作波导的透明基板6上时，白光上的效应。如图所示，白光根据波长分割为其分量颜色，其中红色分量（R）沿着最靠近表面法线（N）的路径，接着是黄色（Y）分量，随后是绿色（G）分量，蓝色分量（B）沿着距离表面法线较远的路径。窄带的紫色（V）回射在浅得多的掠射角处在材料内被折射，而其随后由于全内反射而被透明层6所捕获和引导，直到其到达透明层6的边缘7。回射的紫外光分量（UV-A）也可出现在光栅1a、1b上方的掠射角处，如图所示。

[0043] 图4a到4d展示了来自不同入射角度的白光入射效果，所述白光入射在用于安全装置的一个优选光栅1a的工作例上。

[0044] 在该例中，白光是由具有相对窄的角度扩展的发光二极管制造的，并被引导到光栅1a上。光栅1a附在一个清晰透明的有机玻璃基板上，该基板具有粗糙的边缘，以提高边缘着色的外观。光栅1a由具有周期（p）为205nm、高度（h）为约115nm的正弦外形的凹槽/突起2构成。光栅材料的折射率约1.5。使用指数匹配的粘合剂将光栅材料粘贴到有机玻璃基板上，所述有机玻璃基板还具有约1.5的折射率。

[0045] 图4a和4b展示了基板的边缘着色。当白光（W）以围绕光栅法线（N）±45°内的角度入射时，在基板6的边缘7没有颜色是可见的。然而，在到表面法线约±45°的入射角度处，紫光（V）的窄带反射开始出现在边缘7。随着入射角变浅（即，更靠近光栅1a的正弦表面，并进一步远离表面法线）以及入射光到达掠射角，在基板6的边缘7处可见的窄带紫光反射被替换为蓝光（T）。在边缘7没有观察到其他颜色。当白光在光栅法线的±50°范围内入射时，紫外光将从光栅1a中被反射。

[0046] 图4c和4d展示了在为光栅1a观察到对应的表面反射的情形。当白光在光栅法线（N）的约±65°范围内（到表面平面为(25°）入射在光栅1a上时，从光栅1b上方开始观察到窄带紫光（V）反射。随着入射白光到达掠射角，仍然为可观察到的紫光反射。观察不到其他颜色。当白光在光栅法线的约±60°范围内入射时，将反射UV光。

[0047] 在掠射角处紫光、蓝光和紫外光的窄带反射的形成一定程度上将取决于光栅1a、1b和基板6的特性，在图3b的情形中尤其取决于其折射率和临界角。到基板表面（位于光栅上方或下方）为22.5º、优选地15º、更优选地12.5º以及再优选地10º的范围内，有可能涵盖窄带反射所呈现的大部分掠射角。

[0048] 安全图像可以在如图3b所示的透明层6的边缘7处生成，或可借助于进一步的光导装置被引导至另一些可见位置。应用透镜或其它形状，使紫光蔓延到理想位置。例如，圆透镜（折射率匹配的）可应用在物件的表面，以充当紫光的出口点。图3b中的安全图像的紫光（或绿光/蓝光）理想地应当无需专业设备便可由观察者观看到。

[0049] 有趣的是，从边缘7出现的光可以从任何角度和/或方向来观察。基板6的边缘7呈现为一个照明带，这可能是表面粗糙度导致的散射效应。

[0050] 可通过修正光栅1a、1b产生的紫光照明来进一步细化安全图像，例如，通过调适光栅1a、1b的区域，以将更多或更少的紫光（或绿光/蓝光）反射至一给定位置，并以这种方式创建能够易于被观察者识别的图案（例如，代表代码、字符、符号或标记）。可以覆盖一些区域，例如光栅1a、1b的照明带，以创建安全图像、例如条码中的暗区域和亮区域。可使用黑墨水来覆盖遮阳的区域。也可以通过在透明层中设置用于减小或去除到达边缘的紫光量的光障碍物并形成安全图像，例如，通过创建影子，以与能笔直穿透而不受影响的紫光形成对照，来在安全图像中生成暗区域和亮区域。

[0051] 在图3b的设置中，取决于入射照明角度，紫外光的窄带反射也可以以掠射角从抗反射结构的表面上回射。这也可以例如使用紫外线读取器来观察，以建立物品的验证。也可以对这一反射的紫外光进行修正，以提供安全图像中的暗区域和亮区域，例如，以创建条码或类似物。

[0052] 更细间距的光栅（更小周期）将会在这些排布中致使紫外线替换紫光。事实上，光栅可以被优化，以只反射紫外线（紫外线可通过检测器读取），从而充当对所有可见光波长的抗反射器。

[0053] 图5展示了配备有更优选的安全装置10的物品8的一个优选实施例的立体图。图示的物品8是信用卡，当然其也可以是借记卡、存储卡、手机卡、身份证、通行证、博彩芯片或事实上是配备有这样的安全装置10的任何类型的层压物品。

[0054] 物品8包括由为基板6提供光栅1a、1b的材料构成的透明层。基板6被夹在两个不透明层11、12之间，所述透明层11、12设置在基板6的两个相反侧。图6展示了用于图5中的安全装置的中间层的立体图（即，移除了上层11和下层12）。在不透明层11（顶层）其中的一层中，设置了窗13，以允许白光、例如日光，进入透明层6。窗13可以为任何形状，而无需一定要是图示的矩形。例如，窗13的外形可以对应于有吸引力的物体，例如钻石或切割水晶。光栅1a、1b设置在基板6上通过窗13暴露出来的区域上。光栅1a、1b可精确地对应于窗的外周，并且其可以是不同的，例如，可包括条带或图案，或可包括与窗13的外周间隔设置的更小的标记或符号。

[0055] 使光栅1a、1b凹入在窗13内，有助于保护光栅1a、1b免受损坏。也可以在光栅1a、1b上设置具有明显低折射率的保护层。

[0056] 安全装置10可以应用在物品8的一侧（如图所示），或应用在彼此相对的两侧，以在物品8中提供透明窗8，使两个表面上都具有安全装置10。

[0057] 通过窗13入射在光栅1a、1b上的白光（例如，太阳光）进入基板6的透明材料，并由于更高的折射率而被所述材料所反射，如图3b所示。白光也被分光成其分量颜色，其中，窄带紫光反射被以掠射角折射至透明基板6的表面。紫光分量被基板6捕获，随后由于全内反射的缘故被沿着透明材料6的层传导。产生这种现象的原因是，每一次光到达基板6表面的入射角都小于基板6的临界角。紫光反射继续进行，直到紫光到达一表面，在该表面上入射角足够大，以使得紫光从基板6上传送（即，其以大于临界角的入射角度到达表面），例如，在该处光到达基板6的边缘。

[0058] 在窄带反射从基板6上传送之处，将会创建紫光安全图像。在图3b和图5中，在形成基板6的透明材料层的边缘7创建了安全图像。

[0059] 安全图像的形状将由窗13的边缘以及光栅1a、1b在基板6上的应用之处来界定。在图5所示的实施例中，阴影所示的是包括紫光带的简单的安全图像14。这样，只有图5中的阴影区域呈现为紫色，而随着卡片8倾斜，紫色出现或消失，而不像照明的紫染中央层。

[0060] 如果太阳光从相反方向入射，则反射的方向将被反转。如果安全装置10包括三维光栅，则其将具有在任意方向上反射的能力，大致与入射光相同。如果采用二维光栅1a，则当入射光沿着垂直于凹槽的平面时其才反射（即，对于锥形或正弦形二维光栅1a，是从两个大方向上超过360 º旋转，或者，对于锯齿形二维光栅，是从一个大方向上超过360°旋转）。

[0061] 当然，将能够通过修正窗13的形状和应用抗反射结构1a、1b的区域的形状来创建更精心设计的安全形象14。窗13能够被置于卡片或物品8上的任何位置。

[0062] 在图5所示的实施例中，安全装置10包括二维光栅1a，从而当白光入射在窗13上时，一个边缘7被照亮，而另一个边缘是暗的。如果使用三维光栅，则可使得紫光从装置的全部边缘7出现，而不是仅两个边缘。

[0063] 通过选择周期和方位不同的二维光栅组合，安全图像14可以做得更复杂（在该情形中，在边缘上观看时，随着对象的旋转，不同的光将出现在不同的边缘）。

[0064] 也可以使用其它光导件或光学器件，来创建具有其他光学效果或在其它位置上的安全形象14，例如，在由紫光反射照亮的信用卡上8前方或后方的窗13中。

[0065] 除了紫光照亮的安全图像14之外，窗13由于缺乏表面光泽，也将呈现出不同，因此，这在一定程度上也将会提供防伪功能。

[0066] 尽管如图5所示地，白光入射在窗上，来自抗反射光栅1a、1b的回射在基板6表面之上在掠射角处将是紫外线反射。也可以使用这一UV-A反射，例如通过由检测器读取，来提供验证。

[0067] 也可以改变突起2的周期或基板6的折射率，以不仅发射UV-A反射光，还反射基板6表面上方的紫光。

[0068] 安全装置10的层也可以由传统塑料材料形成。光栅1a、1b可设置为涂层（例如，沉积，附着，印刷等），或者可以形成在基板6的材料中（例如，成型，冲压，蚀刻，压花等）。如果其附着在基板上，则抗反射涂层和任何粘合剂应当具有匹配的折射率。在一个例子中，通过沉积带有粘性背面的专用透明塑料片来做成安全装置10。塑料和胶的折射率是与其所结合的基板材料6相匹配的。

[0069] 还设想了一个实施例，其中，省略了图5中的一个或两个不透明层11,12（例如，类似于图6中的实施例）。紫光安全图像14以与图5的实施例类似的方式生成在基板6的边缘7。UV-A反射也可以出现在掠射角处。具有显著不同的折射率的透明盖可设置在安全装置10的至少光栅1a、1b上，以保护亚微米成型结构。光栅1a、1b也可以是凹入的，以提供要理想的保护度。

[0070] 安全装置10具有用于贵重物品的用途，例如水晶肖像、珠宝、玻璃瓶和以上提及的信用卡/身份证，以提供防伪操作。应用在例如手表玻璃和太阳能电池板上，其也具有益处，因为这些物品也都会从抗反射特性中获益。对于太阳能电池板玻璃，窄带的紫光/绿光/蓝光反射14将以风筝标记的形式表征抗反射质量的程度（主要功能），这是由于太阳能电池板表面想要的抗反射性难以用肉眼来评估。

[0071] 在另一实施例中，基板6可包括不透明材料或透明材料。与使用在基板内折射和反射的紫光（或绿光/蓝光）不同，这一安全装置依赖于在光栅上方以掠射角被反射的紫光、绿光、蓝光或紫外光窄带反射，以为观看者生成安全图像。

[0072] 例如，在图7a的实施例中，光栅1b的轮廓形状设置为大致对应于想要看到的安全图像14的形状；光栅1b的轮廓形状在垂直于脊的纵向方向的维度上拉长的。于是，当沿着表面法线看时，光栅1b的形状具有天鹅般的外观。然而，当在掠射角处观看光栅1b产生的窄带紫光或绿光/蓝光回射时，观看者的眼中生成了如在图7b中看到的紫光或绿光/蓝光安全图像14。当安全装置10被垂直于光栅1b的凹槽入射的白光（太阳光）照片给时，形状的透视使光栅1b的天鹅状轮廓缩减为紫光或绿光/蓝光的鸭子状轮廓。从基板6的表面没有出现其他颜色。安全图像14通常仅当在回射中观看时才出现；否则其是不可见的。

[0073] 在一个实施例中，这样的安全装置10被蚀刻进水晶中，以设置认证标记。由于比较缺乏光泽，安全装置10将相对较不显眼，仅在正常观看角度是可见的。然而，在掠射角处，紫光安全图像14将对观看者是可见的。

[0074] 二维光栅1a可以在插入物15中应用至如图8所示的塑像或珠宝的底座上，以防止摩擦。

[0075] 图9a展示了手表玻璃20，在其内表面上凸印有二维光栅1a。光栅1a提供了防伪功能，而且有助于减少强光，为大多数视角提供了表盘的更好可视性。这可与其下方的“结构黑体”手表表面进行组合，例如，结构黑体包括如WO-A-2011/161482中记载的六角形或其他光保持结构。在这种结构黑体涂层中，壁状元件设置为垂直于基板表面，所述壁状元件具有约1μm或更小、例如1000nm (l) x 150nm (w) x 1000nm (h)的尺寸，其被布置成图案，以防止可见光从基板上反射，使基板呈现出黑色。

[0076] 图9b展示了手表玻璃20的侧视图，其中展示了从掠射角或从手表侧部上看时可见的紫色21。在前述实施例中，光栅1a、1b的性质可以改变，以修正所产生的安全图像14。例如，如果使用二维光栅1b，则仅当从在回射中观看时紫色21才会出现（即，随着手表旋转且从侧部上观看；光源是固定的，每180度旋转时紫光21将出现和小时）。

[0077] 图10展示了进一步的实施例，其中表盘30设置有抗反射光栅1a、1b。表盘30的大多数表面填充有深色色素。在选定区域中，深色色素之间设置有间隙。表盘30凸印有光栅1a、1b，优选地为三维光栅1b。由于光栅1a、1b的缘故，表盘的主要部分呈现出亚光。深色色素吸收了入射白光中从红到蓝的颜色分量。突起2的周期被选择为使得紫光在掠射角处是可见的。在所述间隙中，鲜艳的颜色可以以最大对比度进行观察。

[0078] 替代性地，可以仅反射紫外光；虽然紫外光是肉眼不可见的，然而如果将其引导到适当的荧光涂料上（即，涂料会更亮地“发光”），则其将变得可见。在此，如果使用磷光涂料来代替荧光涂料，则涂料将会“在黑暗中发光”更长时间，这是因为其从紫外光中吸收了更多的能量（紫外光随后作为可见光被再发射）。

[0079] 对应于前述实施例，光栅1a、1b可以凸印或戳印在手表或其它材料的表面上，或可以附着在基板6上，例如，使用具有匹配的折射率的粘合剂。

[0080] 安全装置可应用于上述的一系列物品中。其它应用包括安全图像能指示原产地或来源符合一定标准的车前灯或其他形式的灯具中。安全装置可纳入玻璃产品中，例如，用于车辆或建筑、太阳镜、瓶、屏幕等。其也可以应用在例如私人电子设备这样的物品中，例如，智能电话、笔记本等。安全装置也可以用作为用于标志或标签的安全覆盖物，其需要在法线入射或45度锥形或范围内被清晰地读取，例如汽车号牌、医疗标签、护照照片等。