CN113316728A

CN113316728A - 平面回射器

Info

Publication number: CN113316728A
Application number: CN201980089705.6A
Authority: CN
Inventors: H.洛赫比勒
Original assignee: Giesecke and Devrient GmbH
Current assignee: Giesecke and Devrient GmbH
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2019-12-02
Publication date: 2021-08-27
Also published as: DE102018131554A1; EP3894912A1; WO2020119937A1

Abstract

本发明涉及回射器，其具有在透明塑料材料(3a)中形成的回射性的微棱镜浮雕结构体(3b)并通过全反射回射从入射侧并穿过塑料材料(3a)入射的光辐射，其中微棱镜浮雕结构体(3b)涂敷有介电涂层(3d)并且介电涂层(3d)覆盖有覆盖层(3c)，其中介电涂层(3d)的折射率高于覆盖层(3c)的折射率。

Description

平面回射器

本发明涉及一种平面型反射结构体，例如回射器(或后向反射器)，其具有在塑料材料中形成的回射性的微棱镜浮雕结构并通过全反射回射从入射侧入射的光辐。

回射结构体在很大程度上独立于入射方向以及反射器的取向主要在辐射入射的方向上反射入射的光辐射。这被称为回射。相反，在平面镜的情况下，反射取决于镜面方向，其仅在特殊情况下才垂直于辐射源对齐。平面回射器具有大量彼此并排的单个回射器。回射膜是平面回射器的常见实现方式。它们有多种应用，特别是在交通工程中，但也用于安全技术中，例如根据US 2014/0226212 A1作为用于验证有价文件的安全元件。大多数交通标志和机动车牌照也配备有回射结构体，以提高夜间能见度或提高防伪性(参见US 5,656,360)。

通常，回射器的两种变型是普遍存在的：嵌入的高折射率微球体，其在下侧被反射，如例如在US 4763985和US 2009/0300953 A1中所述。光学原理基于所谓的吕讷堡(Lüneburg)透镜，其反射辐射源方向上的入射光。另一变型基于来自平面的浮雕结构(所谓的微棱镜结构)，其通常具有立方角的形状，本发明涉及该变型的领域。在此，入射光一个接一个地在结构体的两个、通常甚至三个(在三棱镜结构的情况下)相互倾斜的平面上各自偏转约45°，并被反射回辐射源。这种几何形状在光的垂直入射时具有最高的回射效率；所述效率随着增多的光的斜入射而降低。结构体的几何形状如图8A-D中所示。图8A示出了具有回射光学路径的平面回射器的浮雕结构体的示意性侧视图。回射器被构造成膜复合物，其包括载体膜1以及其中嵌入有反射结构体3的覆盖膜2。反射结构体3在入射侧(基于入射辐射)包括施加在载体膜1上的透明塑料材料3a，其中从平面形成浮雕结构体3b。其几何形状被设计成使得入射的辐射被多次偏转，从而它最终被回射(逆向反射)。图8B示出了在三棱镜的三角形面的情况下发生的回射路径，由这些三角形面的彼此并行排列可构建用于平面回射器的回射浮雕结构体3b。图8C以平面图示出了来自图3b的三角形面结构体的布置。图8D以透视形式示出了作为立方角的正方形面的布置。

回射器的回射值Ra在DIN 67520中由以坎德拉(Candela)为单位的背反射光强度与以勒克斯(Lux)为单位的照度(后者基于垂直入射)之比来定义。镜面微棱镜结构体(如例如WO 2014/117086A1描述的那些)的Ra值显著高于基于微球的回射器。根据标准，对于白色，在5°的照明角度和0.2°的观察角度下，微球结构体的最小Ra值为70并且微棱镜结构体的最小Ra值为625。因此，微棱镜结构体是优选的，尤其是当涉及到特别好的视觉感知时。此外，如从WO 2017/121956 A1中所知，它们的制造可通过利用基于母版结构体的压印工艺复制来在膜上以经济高效的方式进行。

WO 2014/117086 A1描述了一种构造，其中浮雕表面是成金属镜面的并且完全嵌入塑料中。参考图8A，在塑料材料3a和覆盖层3c之间的界面处形成的浮雕结构体3b是成镜面的。光被偏转以在浮雕结构体3b的镜面平面处回射。因此，偏转和进而回射是有损的。例如，在用铝制成的镜面的情况下，例如最多一半的入射光被回射。同样不利的是，由于在浮雕结构体上所需的镜层，这种回射器总是看起来具有金属光泽。然而，对于许多应用，例如在交通工程(机动车牌照、交通标志)中，至少在漫射照明下需要白色外观。有时(也)要求，除了回射之外，背景颜色或结构化背景在宽视角范围内是可见的。对于某些应用，需要在红外线中进行回射，而在可见光中能识别结构化背景，或者在可见光中不应发生回射。这一切都无法通过金属镜面的浮雕表面来实现。

在开头提到的并且从US 6,413,615 B2获知的实施方式中，微棱镜结构体不是镜面的，而是通过全反射进行在平面处的偏转。这在图8E中示出。遵循这一原则的是俗称为“猫眼”的由塑料制成的后向反射器，如它们另外在交通工程中的应用那样。它们具有成型在塑料板上的三棱镜，其背面(或背侧)(相对于光的入射方向)是暴露的，即与空气邻接。它们通过全反射反射。通过背侧界面到空气间隙L(图8E中以黑色示出)，入射光在偏转位置处经历全反射。空气由于其折射率n＝1而是确保全反射所必需的。这种浮雕结构体以折射率通常为1.5的透明塑料材料形成，例如以高度透明的块体材料(Bulkmaterialien)例如聚合物(PET、UV漆等)(n小于1.6)或聚碳酸酯(n＝1.58)。入射光通过透明塑料材料落在浮雕结构体上。由于空气间隙L中的与背面邻接的介质具有n＝1的折射率，因此通过几乎无损耗的全反射发生回射。因此回射值非常高。此外，平面回射器不会出现金属感。另一优点是透明塑料材料可着色。在环境条件下，观察者不仅能感知回射，而且还能感知下面的颜色。然而，缺点是浮雕结构体对于空气间隙需要空气夹杂物或必须在其背面完全暴露。这在制造中是复杂的并且涉及长期稳定性方面的风险，尤其是在室外在真实的环境条件下。

本发明的目的是创建具有回射性的微棱镜浮雕结构体的平面回射器(或称为平面型回射器)，特别是用于交通工程应用，所述浮雕结构体具有非金属外观，同时易于制造并具有良好的长期稳定性。

本发明在独立权利要求中定义。从属权利要求涉及有利的发展。

本发明基于利用全反射以实现特别高的回射值的平面回射器。回射性的微棱镜浮雕结构体在透明塑料材料中形成。它具有适当排列的平面，例如以彼此并排的三棱镜面(三角形面或立方角)的形式。浮雕结构体的表面(至少区域性地)涂敷有介电涂层。覆盖层在其背面(在观察方向上)覆盖介电涂层。该覆盖层的折射率优选低于介电涂层的折射率。它也可以相同。因此，介电涂层的折射率高于或等于在背面邻接的覆盖层的折射率。如果介电涂层的折射率高于在背面邻接的覆盖层的折射率，则落在浮雕结构体上的光从较高折射率的涂层照射到在背面邻接的覆盖层材料上，并通过这种折射率的跳跃被全反射。如果介电涂层的折射率与在背面邻接的覆盖层的折射率相同，则也会发生反射，因为在这种情况下，(位于前面的)塑料材料和涂层之间的折射率存在差异，并且会导致反射。

对于构思至关重要的是，浮雕结构体在入射侧设有高折射率的涂层，使得对于背面和/或前面的材料存在折射率跳跃。由此可在没有空气间隙的情况下实现反射或者甚至全反射，并且不会出现镜面平面的金属外观。术语“入射侧”以及“背面”在此可理解地涉及要回射的辐射的入射方向。

对于本发明构思而言，浮雕结构体以何种材料形成以及浮雕结构体在其形成并用高折射率的介电材料涂覆之后覆盖何种材料不是决定性的。同样可能的是，在上面称为覆盖层的材料中成型浮雕结构体，然后进行涂覆，然后施加塑料材料。这只是使制造更方便的问题。就以下提及浮雕结构体在塑料材料中形成并用覆盖层覆盖而言，还应理解的是，浮雕结构体也可在覆盖层中成型、涂覆、然后用塑料材料填充。

本发明允许实现膜复合物。该膜复合物在膜上或在两层膜之间(从入射侧列举)包含塑料材料、具有高折射介电涂层的浮雕结构体和覆盖层。该膜复合物可特别优选地设有粘合层，从而可将回射膜复合物粘合到期望的基底上。由于当塑料材料是透明的或部分透明时，回射器仍会显示基底的颜色，因此可在不失去表面颜色的情况下对表面进行回射处理。例如，这在车辆牌照或交通标志的情况下是特别有利的。

介电涂层的折射率优选地比在背面(在观察方向上)邻接的材料的折射率高至少20％、特别优选至少30％、至少40％或甚至至少50％。介电涂层是非金属且不反射的。介电涂层通常是高折射的，即具有至少2.0、2.2、2.4或更高的折射率。其折射率优选地高于浮雕结构体的背面上的材料的折射率。它也可以相同。以下材料中的一种或多种特别适合作为高折射的材料：ZnS、ZnO、ZnSe、SiNx、SiOx(其中x<1，即亚化学计量的氧化硅化合物)、Cr₂O₃、Nb₂O₅、Ta₂O₅、Ti_xO_y和ZrO₂。

特别优选的涂层厚度在20nm至500nm之间。40nm到140nm的范围已被证明是特别有利的范围。

为了改善某些光谱范围内的全反射，已经证明有益的是，所述涂层是具有交替的折射率的多层型涂层，例如具有由较高折射、较低折射和再次较高折射的材料形成的层序列的三层型涂层。特别地利用这种多层型涂层设计，红外辐射可作为光辐射被回射和/或整体上可额外提高反射值。

在安全技术领域，即防伪和复制保护的领域，回射器也可以发挥优势，特别是保护有价文件等。由此也可非常有利地制造用于微透镜装置的微图像结构。

可通过选择材料以及介电涂层的厚度来调节浮雕结构体的平面的反射率。这允许能以这样的方式设计平面回射器，使得该回射器布置于其上的基底还在一定程度上保持可识别。在此，因为没有使用镜面层，所以没有金属印象(金属感)。以这种方式，例如，基底的颜色印象可由回射器再现。对于使用全反射操作的传统回射器和对于具有镜面层的回射器两者都不存在此选项。

涂有至少一个高折射层的压印的微棱镜结构体，例如立方角结构体或三角形面排列，甚至在结构体完全嵌入之后也具有逆反射特性(或者说回射性)。它们也可被实施成半透明的，并因此用颜色垫底。所述实施方式避免了空气夹杂的缺点，但仍具有良好的反射特性。它们可像上述金属变型那样制造—而没有其金属外观。相对于该变型的优点不仅在于更好的背反射，而且还在于半透明的浮雕结构体可例如用白色或用任何结构化的基底垫底(unterlegt)。通常的回射膜的金属外观得以避免。

下面参考附图基于示例性实施例更详细地解释本发明，附图同样公开了对本发明必不可少的特征。这些示例性实施例仅用于说明目的并且不应被解释为限制性的。例如，对具有大量元件或组件的示例性实施例的描述不应被解释为所有这些元件或组件对于实现都是必需的。相反，其他示例性实施例也可包含替代的元件和组件、更少的元件或组件、或附加的元件或组件。除非另有说明，否则不同示例性实施例的元件或组件可相互组合。针对示例性实施例之一描述的修改和变化也可应用于其他示例性实施例。为避免重复，相同或相互对应的元件在不同的图中用相同的附图标记表示并且不再重复说明。附图中示出了：

图1A：使用回射膜的车辆牌照，

图1B：具有带回射器的安全元件的钞票，

图2A和2B：穿过平面回射器的截面示意图，

图3：类似于图2A和2B的具有三层型涂层的平面回射器的截面图，

图4A和4B：具有TiO₂涂层的回射器的光谱反射特性，

图5A和5B以及图6：具有根据图3的三层型涂层的回射器的光谱反射特性，和

图7A和7B：类似于图2A的平面回射器的截面图，该回射器具有不同设计的附加反射区域。

图1A示出了车辆牌照，其在回射基底H的前面具有黑色印记D，该印记由于基底H的回射特性而是特别容易识别的。基底H是由回射性的平面回射器、例如膜产生的，下面将参考图2A以举例的方式对其进行更详细的解释。图1B示出了钞票B上的防伪特征S，其中在防伪特征S中同样使用了平面回射器，如下文将解释的。

图2A以示意性截面图示出了用于图1A的车辆牌照的基底H的平面回射器。回射器反射图2A中从上方入射的辐射。它构造在透明的载体膜1上，透明的塑料材料3a施加到该载体膜1上，回射性的微棱镜反射结构体3b被成型在所述透明的塑料材料3a中，例如压印。覆盖层3c以及覆盖膜2覆盖该结构。高折射介电涂层3d位于覆盖层3c和塑料材料3a之间，并因此位于浮雕结构体3b的界面上。浮雕结构体3b与涂层3d一起形成反射结构体3。膜复合物可通过粘合层4粘合到图1A的车辆牌照的载体上。印记D印在膜复合物的光入射侧的上侧。它由于回射器的回射特性因而特别容易识别。

微棱镜浮雕结构体3b被压印并且优选地压印在具有折射率n₁的UV漆中，所述折射率n₁为例如由PET、PP、PE、PC等制成的载体膜1上的塑料材料3a所具有。具有折射率n₂和厚度t的高折射涂层3d施加在浮雕结构体3b上。涂层3d优选地通过真空气相沉积产生。最后，它被具有折射率n₃的覆盖层3c覆盖。

图2B示出了类似的配置，其中为此针对各种材料标明折射率。此外，在膜2和覆盖层3c之间添加涂层，其具有光学结构化层，例如印记D或印刷图像。

图2B中的光学路径说明了在浮雕结构体3b的经涂覆的半透明界面处的回射，以及在结构化基底例如印记D处反射的光路。因此，在图2A和2B中创建了区域I和II，它们在俯视图是不同的。在图2A中它们位于正面(前侧)，在图2B中位于在浮雕结构体3b之下。

为了增加反射度，在图3的实施方式中，微棱镜浮雕结构体3配备有多重涂层，例如三层型涂层3d1、3d2、3d3，其中层序列具有交替的折射率。图3示出了包括折射率为n₁的透明塑料材料3a的回射器的横截面，其涂有折射率为n₂、n₄和n₅的三个层(3d1、3d2、3d3)并且位于载体膜1上。在此，第一和第三层3d1、3d3是高折射率的，并且对于所述折射率适用：n₂>n₁，n₂>n₄，n₅>n₄，n₅>n₃。这些层分别具有厚度t1、t2和t3。所示的三层型涂层被具有折射率n₃的覆盖层3c覆盖并由覆盖膜2保护。当然，这里也可使用印记D等，如在图2A和2B中所使用的。

优选地，适用n₂>n₁。在实施方式中，n₂＝n₁。在这种情况下，n₂和n₃之间存在差异并且负责(即导致)反射。

图4A示出了微棱镜回射器中的可见光的光谱反射，其中从上方入射的光在浮雕结构体3b的高折射涂层界面处偏转45°3次并被反射回来。在其间形成浮雕结构体3b并且高折射涂层3d位于其间的材料3a、3c的折射率n＝1.5。在该实施例中高折射涂层3d的材料为TiO₂。对于层厚度t＝50nm，反射值的最大值为约3.5％。相比之下，对于铝涂层，平均反射值在三重反射的情况下在各自的α＝45°处达到约55％。由该比较得出回射器的Ra值为约70。

为了解释这种涂层在CIE-1931颜色空间中的颜色特性，使反射光谱与D65标准灯的发射曲线和人眼的灵敏度交叠(gefaltet)并计算了颜色坐标X、Y、Z。D65照明大致对应于日光。然后将XYZ坐标转换为颜色值x、y并输入到图4B的色图中。这些值可直接分配给观察者对颜色的人类感知。此外，输入白点并用“WP”标记。三角形限制了通常可用屏幕显示的颜色范围。

由该色图显示，以约50nm的TiO₂层厚度可实现中性色调(白色色调)。此外，通过选择较厚的TiO₂层，可为回射设置预定义的色调。

如果需要更高的回射值，如参考图3所解释的，可将具有交替的折射率的多个层施加至微棱镜浮雕结构体3b。图5A和5B示出了对三层的在可见光中的光谱反射，所述层依次嵌入折射率n＝1.5的材料3a、3c中。在此，在图5A中，第一层和第三层由ZnS组成；在图5B中，这些层由TiO₂组成。中间层在各自的情况下由二氧化硅(SiO₂)组成。ZnS的层厚(参见图5A)为t＝60nm，TiO₂的层厚(参见图5B)为t＝50nm。不同的光谱与SiO₂在80nm≤t≤160nm的范围内的不同层厚度有关。由此可看出，对于具有ZnS三层的回射器，可实现约14％的最大反射值。当使用TiO₂时，该值甚至增加到约40％。因此，具有根据图3的高折射三层型涂层3d1、3d2、3d3的微棱镜回射器具有数百的Ra值。对于ZnS以及对于TiO₂，在SiO₂层厚度t＝80nm下实现了中性色值。此外，这些结构体的优点是，它们看起来不像金属，并且由于涂层的半透明性，因而基底是可见的。因此它可被结构化，例如印刷，如图2B中示例性地所提供的那样。与图4的单重涂层相比，三层涂层的例子表明通过多重涂层可显著增加回射度。对于其中需要更高反射值的应用，这可通过增加具有交替的折射率的层数来实现。

此外，可选择高折射的涂层，使得反射主要发生在红外线中。图6示出了微棱镜回射器的光谱反射，在该实施例中，所述微棱镜回射器涂覆有由160nm ZnS、各种厚度的SiO₂和220nm ZnS组成的三个层。对于这种涂层，近红外中的最大反射值在约1500nm的波长处。在可见光中，回射不那么明显。通过选择层厚，可将回射的最大值设置为给定的质心波长

具有高折射涂层的微棱镜浮雕结构体在进一步发展中如此排列，使得水平面中的邻近区域具有不同的特性并因此具有不同的光学效果。除了微棱镜区域I之外，图7A中还示出了另一区域II，其是平坦的镜面5并因此不显示任何回射。图7B的区域II包含适合于向观看者显示运动效果和空间效果的锯齿结构6。此外，在实施例中还提供了具有全息结构的区域II。区域II可编码一个图案(Motiv)，例如通过其轮廓。

在另外的实施方式中，金属化的面位于涂层3d下方的部分中。这些金属化的面可用于增强在上述非回射区域中的效果。然而，这些额外的金属化的区域不一定限于这些面。

对于制造，优选地通过金刚石铣削工艺、金刚石刻刀工艺、蚀刻工艺或光刻工艺来制造浮雕结构体3b的印模模板。对于后者，可使用激光写入系统，尤其是基于双光子吸收过程的系统。然后以电镀方式或通过纳米压印工艺复制以这种方式制造的模板。此外，通过热压印或通过纳米压印在模具上使用原始图案的多重排列，以制造用于稍后的复制的压印滚筒。这种压印滚筒最终允许在卷对卷工艺中连续地将原始结构复制到UV漆中，或通过热压印将原始结构复制在膜上。

最后，压印在膜中的浮雕结构体被高折射涂层或涂层序列覆盖。在此优选溅射、电子束气相沉积或热蒸发。

ZnS、ZnO、ZnSe、SiN_x、Cr₂O₃、SiO_x(其中x<1，即亚化学计量的氧化硅化合物)、Nb₂O₅、Ta₂O₅、Ti_xO_x和ZrO₂特别适合作为高折射材料。如果选择交替的层序，则SiO₂、MgF₂或聚合物可用作低折射材料。

在一些实施方式中，可通过全表面金属气相沉积，优选地用铝、铬等来区域性地(局部地)进行额外的金属化，并且进行随后的去金属化。作为替代，区域也可用金属印刷，例如用超级银印刷。

上述回射结构体用于交通工程中的应用示例，以更好地感知车辆牌照或交通标志。适于在红外范围内回射的结构体在实施方式中用于自动驾驶系统与标记点的通信。

这里描述的平面回射器在实施方式中与已知的全息结构体或微镜布置组合。这些结构体提供了进一步的光学效果，这些光学效果在验证例如车辆牌照或有价文件、身份证等方面具有特殊优势。

Claims

1.反射结构体，其具有在透明的塑料材料(3a)中形成的回射性的微棱镜浮雕结构体(3b)并通过全反射回射从入射侧并穿过塑料材料(3a)入射的光辐射，

其特征在于，

微棱镜浮雕结构体(3b)涂敷有介电涂层(3d)并且介电涂层(3d)在背面覆盖有覆盖层(3c)，其中介电涂层(3d)的折射率(n₂)与覆盖层(3c)和/或塑料材料(3a)的折射率(n₃,n₁)之间存在差异。

2.根据权利要求1所述的反射结构体，其特征在于，介电涂层(3d)的折射率(n₂)大于覆盖层(3c)的折射率(n₃)。

3.根据权利要求1或2所述的反射结构体，其特征在于，介电涂层(3d)具有以下材料中的至少一种：ZnS、ZnO、ZnSe、SiN_x、Cr₂O₃、SiO_x(其中x<1，即亚化学计量的氧化硅化合物)、Nb₂O₅、Ta₂O₅、Ti_xO_y和ZrO₂。

4.根据权利要求1至3之一所述的反射结构体，其特征在于，涂层(3d)具有在20nm和500nm之间的层厚(t)。

5.根据权利要求4所述的反射结构体，其特征在于，层厚(t)在40nm和150nm之间。

6.根据权利要求1至5之一所述的反射结构体，其特征在于，涂层(3d)具有多层型涂层(3d1,3d2,3d3)，其由具有交替的折射率的层序列形成，特别是作为具有高折射-低折射-高折射的层序列的三层形成。

7.根据权利要求1至6之一所述的反射结构体，其特征在于，优选的回射辐射是红外辐射。

8.根据权利要求1至7之一所述的反射结构体，其特征在于，邻近于浮雕结构体(3b)地提供全息结构体和/或镜面部分(5,6)。

9.根据权利要求1至8之一所述的反射结构体，其特征在于，在涂层(3d)下方，优选地也在浮雕结构体(3b)下方，提供赋予图案和/或颜色的结构体，特别是彩色印刷层。

10.根据权利要求1至9之一所述的反射结构体，其特征在于，在涂层(3d)下方，优选也在浮雕结构体(3b)下方，区域性地提供金属化。

11.膜复合物，其具有载体膜(1)和覆盖膜(2)，在所述载体膜(1)和覆盖膜(2)之间布置有根据权利要求1至10之一所述的回射器。

12.用于微透镜装置的微图像结构体，其特征在于，它具有根据权利要求1至10之一所述的回射器。