薄的光学安全元件及其设计方法与流程

本发明涉及反射性或折射性光学安全元件的技术领域以及用于设计这种光学安全元件的方法，该光学安全元件可用于在适当的照明下投射焦散图案(causticpattern)。

背景技术：

物品上需要可以由所谓的“路人”使用通常可获得的手段来认证的安全特征。这些手段包括使用五种感觉-主要是视觉和触觉-以及使用普遍的工具，例如移动电话。

安全特征的一些常见示例是可在纸币、信用卡、id、票证、证件、文件、护照等上找到的司法纤维(forensicfibers)、线或箔(例如嵌入纸张等基板中)、水印、凹版印刷或微缩印刷(可能使用光变墨印刷在基板上)。这些安全特征可以包括光变墨、不可见墨或发光墨(利用特定的激发光在适当的照明下发荧光或发磷光)、全息图和/或触觉特征。安全特征的主要方面在于具有一些很难伪造的物理性质(光学效应、磁效应、材料结构或化学成分)，使得如果可以(视觉地或借助于特定设备)观察或显示该性质，则标有这种安全特征的物品可以被可靠地认为是真品。

然而，当物品透明或部分透明时，这些特征可能不合适。实际上，出于美观或出于功能原因，透明物品通常要求具有所需安全特征的安全元件不改变物品的透明度或物品的外观。值得注意的示例可以包括药品用的泡罩和药水瓶。近来，例如，聚合物纸币和混合纸币在其设计中包含了透明窗，因此产生对与其兼容的安全特征的需求。

用于文件、纸币、有防伪的票证、护照等的安全元件的大多数现有安全特征尚未专门地为透明物品/区域研发，因此，并不十分适合这种应用。例如利用不可见墨和荧光墨获得的其它特征需要专门的激发工具和/或检测工具，而这些工具对于“路人”可能不容易获得。

半透明的光变特征(例如液晶涂层或来自表面结构的潜像)是已知的并且可以提供这种功能。不幸的是，通常必须在黑背景/均质背景下观察包含这种安全特征的标记，以使效果良好可见。

其它已知的特征是衍射光学元件，诸如非金属化的表面的全息图。这些特征的缺点在于，当直接看时它们表现出非常低的对比视觉效果。此外，当与单色光源结合使用以投射图案时，它们通常需要激光来给出令人满意的结果。此外，为了提供清晰可见的光学效果，需要光源、衍射光学元件和使用者的眼睛的相当精确的相对空间配置。

激光雕刻的微文本和/或微代码已用于例如玻璃药瓶。然而，它们需要昂贵的工具来实现，并且需要特定的放大工具来进行检测。

因此，本发明的目的是提供一种用于透明或部分透明的物品(或基板)的光学安全元件，该光学安全元件具有可以容易地由人在不使用其它手段(即，用肉眼)或仅使用通常且容易获得的手段(例如，仅使用放大镜)的情况下进行视觉认证的安全特征。本发明的另一目的是提供一种易于大量制造或与大批量生产制造过程兼容的光学安全元件。此外，光学安全元件也应该可以利用容易获得的手段(例如，移动电话的led之类的光源或太阳)进行照明，并且使用者进行良好视觉观察的条件不应需要光源、光学安全元件和使用者的眼睛的太严格的相对空间配置。

此外，以上列出的大多数物品至少在一个维度上具有减小的尺寸(例如，纸币可能仅为小于100μm厚)。因此，本发明的另一个目的是提供一种光学安全元件，其与尺寸减小的物品(例如厚度小于300μm)兼容。

本发明的另一目的是提供一种有效的方法来设计一种非常薄的光学安全元件，该光学安全元件可用于在照明下提供根据选出的目标视觉效果的视觉效果。此外，该方法应当与这种薄的光学安全元件的大批量生产兼容。

技术实现要素：

根据一个方面，本发明涉及一种光学安全元件，其包括反射性光重定向表面或折射性透明或部分透明的光重定向表面，光重定向表面具有可用于重定向来自光源的入射光并在投影表面上形成投射的图像，使得投射的图像包括容易被识别的再现了参考图案的焦散图案，而无需使用其它手段(即，用肉眼)或仅使用普通且容易获得的手段，使得标有该光学安全元件的物品可以容易地被使用者视觉地认证。光学安全元件的浮雕图案的减小的厚度使其特别适合于标记尺寸减小的物品，例如纸币或安全文件(例如身份证、护照、卡等)。根据本发明，通过控制加工过程以便再现具有中断的计算出的浮雕轮廓来获得具有如下浮雕图案的非常薄的光学安全元件：该浮雕图案具有突变的加工轮廓并且深度δf低。实际上，大量测试证实，具有中断的计算出的浮雕轮廓与具有上述可识别的焦散图案的图像的投影兼容。折射性光学安全元件的透明方面使其特别适合于标记至少部分透明的基板(例如玻璃瓶或塑料瓶、瓶盖、手表玻璃、珠宝、宝石等)。优选地，折射性光学安全元件对可见光(即，对于波长从大约380nm到大约740nm的光)是透明的(或部分透明的)。

鉴于很难确定可以通过在投影表面上投射的焦散图案方便地再现以便视觉上可被使用者识别的参考图案(特别是在光学安全元件的浮雕图案必须非常薄时(即通常具有小于250μm的浮雕深度δf))，并且还难于计算被加工在光学材料件的表面上以形成适合的光重定向表面的对应的非常薄的浮雕图案，本发明的另一方面涉及一种通过下述步骤有效地设计光学安全元件的光重定向表面的浮雕图案的方法：

-为了允许方便地再现目标参考图案和确定对应的浮雕图案连续轮廓，从具有大于δf的深度δi(即具有更容易应对的深度限制)的浮雕图案的模型光重定向表面的初始连续(或分段连续)的轮廓开始，但鉴于目标δf，该浮雕图案连续轮廓会提供过厚的光学安全元件；

-通过使初始的连续(或分段连续)的轮廓特别地塌陷在平面上，同时使其变薄并保持其提供能够在投影表面上投射对应于目标参考图案并能被使用者视觉地识别的焦散图案的能力，将所述初始轮廓转换为具有中断的浮雕轮廓。

该方法对于设计便于视觉地认证被标记的物品用的非常薄(即，深度小于或等于250μm，或者甚至小于或等于30μm)的浮雕图案特别有效，并且允许显著地加快光学安全元件的设计过程的操作，同时在目标参考图案的选择上允许更大的灵活性。

因此，根据一个方面，本发明涉及一种光学安全元件，其包括反射性光重定向表面，或者折射性透明或部分透明的光重定向表面，光重定向表面具有深度δf的浮雕图案，浮雕图案适于使从点状光源接收的入射光重定向并且在投影表面上形成包含焦散图案的投射的图像，所述焦散图案再现参考图案并且能够被视觉地识别，其中，浮雕图案的轮廓具有突变，该突变是通过根据计算出的具有中断的浮雕图案轮廓来加工光学材料件的表面而形成的，加工出的所述突变对应于中断。

优选地，通过下述步骤获得计算出的浮雕图案：

i)将模型光重定向表面的初始(可以是连续的)浮雕图案轮廓切割成较小的连续轮廓部分，所述初始浮雕图案轮廓具有大于δf的深度δi并且能够用于通过光路模拟在点状光源的照明下在投影表面上再现所述焦散图案，切割在平行于所述模型光重定向表面的光轴延伸的任意两个连续轮廓部分之间生成边界表面，以及

ii)通过沿着光轴使包括在两个连续的边界表面之间的各轮廓部分塌陷，从而形成具有沿着各边界表面的中断的计算出的浮雕轮廓。

根据本发明，使初始浮雕图案轮廓的轮廓部分塌陷的操作通过使轮廓部分平行于光轴并朝向基准面平移与初始浮雕图案轮廓的边界表面与轮廓部分相交处的最小高度对应的距离值来实现，从而获得具有小于δi的减小深度的浮雕图案的计算出的浮雕轮廓，其中轮廓部分的高度是相对于模型光重定向表面的光轴测量的并且轮廓部分在垂直于光轴的基准面上方延伸。

因此，根据初始厚浮雕图案，可以加工较薄的浮雕图案并且可以形成较薄的光学安全元件，同时保持(在投影表面上)投射再现参考图案并且可以被使用者视觉地识别的焦散图案的能力。

为了提供非常薄的光学安全元件，浮雕图案的深度δf的值可以小于或等于250μm，或者甚至小于或等于30μm。此外，光学安全元件还可以使其浮雕图案布置在平坦的基板上，光学安全元件的总厚度小于或等于100μm。

优选地，为了使从投射的焦散图案视觉识别参考图案的认证操作更加容易，光学安全元件还可以使其浮雕图案适用于使从距光重定向表面的距离为ds处的点状源接收的入射光重定向，并在距光重定向表面的距离为di处的投影表面上形成包含焦散图案的投射的图像，其中di的值小于或等于30cm并且比ds/di大于或等于5。此外，投影表面优选地是平坦的。

根据本发明的光学安全元件可以用于标记许多不同类型的物品，并且特别地可以标记选自以下组的物体：消费品、印花税票、身份证、护照、信用卡和纸币。

根据另一方面，本发明涉及一种设计光学安全元件的反射性光重定向表面或者折射性透明或部分透明的光重定向表面的方法，光重定向表面具有深度δf的浮雕图案，光学安全元件适于使从点状光源接收的入射光重定向并在投影表面上形成包含焦散图案的投射的图像，所述焦散图案再现参考图案并能够被视觉地识别，其特征在于，所法包括以下步骤：

a)计算具有中断的浮雕图案轮廓；以及

b)根据在步骤a)计算出的具有中断的浮雕图案轮廓来加工光学材料件的表面，从而使浮雕图案的加工的轮廓具有与在步骤a)计算出的浮雕图案轮廓的中断相对应的突变。

优选地，在根据本发明的设计光重定向表面的方法的步骤a)，通过以下另外的步骤来执行具有中断的浮雕图案轮廓的计算：

-将模型光重定向表面的初始浮雕图案轮廓切割成较小的连续轮廓部分，所述初始浮雕图案轮廓的深度δi大于δf并且能够通过光路模拟在点状光源的照明下在投影表面上再现焦散图案，切割在任意两个连续轮廓部分之间产生边界表面，边界表面平行于所述模型光重定向表面的光轴延伸；以及

-使包括在两个连续的边界表面之间的各轮廓部分沿着光轴塌陷，从而形成具有沿着各边界表面的中断的计算出的浮雕轮廓。

更优选地，在根据本发明的设计光重定向表面的上述方法中：

-在步骤a)，使初始浮雕图案轮廓的轮廓部分塌陷的另外的步骤通过使轮廓部分平行于光轴并朝向基准面平移与初始浮雕图案轮廓的边界表面与所述轮廓部分相交处的最小高度对应的距离值来执行，从而获得具有小于δi的减小深度的浮雕图案的计算出的浮雕轮廓，其中轮廓部分的高度是相对于所述模型光重定向表面的光轴测量的并且轮廓部分在垂直于所述光轴的基准面上方延伸；以及

-在步骤b)，根据计算出的减小深度小于δi的浮雕图案轮廓来加工光学材料件的表面，从而获得具有减小深度δf小于δi的浮雕图案的光学安全元件的光重定向表面。

在该方法的步骤b)，光学材料件的表面的加工可以包括超精密加工(upm)、激光烧蚀和光刻中的任一者。

根据该方法的加工后的光重定向表面可以是母版光重定向表面，该母版光重定向表面用于通过模制技术构建光重定向表面的复制品(或用于大量生产光学安全元件的复制品)，并且可以复制在基板上(例如，以形成适用于物品的标记)。加工后的光重定向表面的复制可以包括uv铸造和压花中的任一者(例如，在卷对卷或箔对箔的生产过程中)。

以下将参考附图更全面地说明本发明，在附图中，相同的附图标记贯穿不同的附图表示相同的元件，并且在附图中示出了本发明的突出方面和特征。

附图说明

图1是根据本发明的优选实施方式的用于投射焦散图案的折射光学元件的光学构造的示意图。

图2的(a)示出了二维初始浮雕图案轮廓的截面图。

图2的(b)示出了根据本发明的从图2的(a)的初始浮雕图案获得并具有中断的计算出的二维浮雕图案轮廓的截面图。

图3示出了参考图案的示例(在黑色背景上具有表现数字100的图案)。

图4a是设计在箔基板上的薄的透明折射性光学安全元件(前景)以及相应的投射的焦散图案(背景)的视图。

图4b是图4a的前景中示出的光学安全元件投射的焦散图案的照片。

图5a是浮雕图案的立体图，浮雕图案的轮廓对应于针对图3的参考图案计算出的浮雕轮廓的中断。

图5b是对应于图5a的浮雕图案的投射的焦散图案的视图。

图6a是浮雕图案的立体图，浮雕图案的轮廓对应于通过利用椭圆形圆筒切割初始浮雕图案而形成的切口。

图6b是对应于图6a的浮雕图案的投射的焦散图案的视图。

具体实施方式

在光学中，术语“焦散”是指被一个或多个表面(其中至少一个表面是弯曲的)反射或折射的光射线的包络以及这种光射线到另一个表面上的投射。更具体地，焦散是与各光射线相切的曲线或表面，将射线的包络的边界限定为聚集的光的曲线。例如，泳池底部的太阳射线形成的光图案是由单个折射性光重定向表面(波浪形的空气-水界面)形成的焦散“图像”或图案，而穿过水玻璃的曲面的光在跨过重定向其路径的两个或更多个表面(例如，空气-玻璃、玻璃-水、空气-水...)时会在水玻璃静止的台面上创建尖点状图案。

投影表面在下文中，将以(折射)光学(安全)元件由一个曲面和一个平面约束的最常见构造为例，但不限制更普遍的情况。当适当成形的光学表面(即具有合适的浮雕图案的光学表面)重定向来自光源的光以将光从屏幕的一些区域转向并以预定的光学图案将光集中在屏幕的其它区域(即，由此形成所述“焦散图案”)时，我们在这里将更普遍的“焦散图案”(或“焦散图像”)称为形成在屏幕(投影表面)上的光学图案。重定向是指在存在光学元件的情况下来自光源的光射线的路径相对于在不存在光学元件的情况下从光源到屏幕的路径发生的变化。进而，弯曲的光学表面将被称为“浮雕图案”，并且由该表面约束的光学元件将被称为光学安全元件。应该注意的是，尽管可能以增加复杂性为代价，但是焦散图案可以是光被多于一个的曲面和多于一个的物品重定向的结果。此外，不可以将用于产生焦散图案的浮雕图案与衍射图案相混淆(例如，在安全全息图中)。

根据本发明，发现该概念可以例如应用于普通物品，诸如消费品、id/信用卡、纸币等。为此，需要极大地缩小光学安全元件的尺寸，特别是使浮雕深度小于可接受的值。然而，发现尽管浮雕的深度受到严格限制，但是仍然可以在投影表面上实现品质足够的近似选定的(数字)图像(代表参考图案)，以允许从投影表面(或屏幕)上视觉观察到的焦散图案中视觉识别选定的图像。当从设计和加工非常具有挑战性(因此使得很难伪造)的光学安全元件投射时，这种直接从屏幕上的仅视觉就可视的焦散图案中对参考图案的识别构成了允许标有该光学安全元件的物品的可靠认证的有价值的安全测试。

在本说明书中，在“浮雕”下应理解为表面的最高点和最低点之间存在高度差(沿着光学安全元件的光轴测量)，类似于山谷的底部和山顶之间的高度差(即“峰对谷”比例)。根据本发明的优选实施方式，光学安全元件的浮雕图案的最大深度是≤250μm或更优选地≤30μm，同时高于由超精密加工(upm)和再现过程所施加的限制，即大约0.2μm。根据本说明，光重定向表面上的浮雕图案中的最高点和最低点之间的高度差被称为浮雕深度δ。

在本说明书中，使用了若干术语，这些术语被进一步定义如下。

形成数字图像的近似的焦散图案(图像)应被理解为当由合适的(优选点状但不一定是点状)光源照射时由光学安全元件投射的光学图案。如上所述，光学(安全)元件应被理解为负责产生焦散图像的折射材料板。

一个或多个光重定向表面是负责将来自光源的入射光重定向到形成焦散图案的屏幕或(优选平坦的)投影表面上的光学安全元件的一个或多个表面。

用于制造光学(安全)元件的光学材料基板是表面被特殊加工以便具有浮雕图案因而形成光重定向表面的原材料基板。在反射性的光重定向表面的情况下，光学材料基板不必是均质或透明的。例如，该材料对于可见光可能是不透明的(于是通过加工表面的传统金属化获得反射率)。在折射性光重定向表面的情况下，原材料基板是透明的(或部分透明的)、均质的并且具有折射率n(对于人眼可见光谱的光子而言)，并且将相应的光重定向表面命名为“折射率n的折射性透明或部分透明的光重定向表面”。

根据本说明的母版是根据计算出的轮廓(特别是根据计算出的浮雕图案)的光重定向表面的第一物理实现。可以将其复制到若干个副本(工具)中，然后用于大量复制。

在本说明中使用的点状光源是角度尺寸(从光学安全元件的角度来看)足够小以至于可以认为光是从距光重定向表面的距离为ds的单个点产生的光。根据经验，这意味着：(光源直径)xdi/ds的量小于距光重定向表面距离di处的投影表面上的投射的图像上的目标焦散图案的所需分辨率(例如0.05-0.1mm)(参照图1)。屏幕应被理解为在其上投射了焦散图案的表面。光源与光重定向表面之间的距离也被称为光源距离ds，光重定向表面与屏幕之间的距离称为图像距离di。

术语工具(或复制工具，当需要消除歧义时)主要用于带有批量复制用的光重定向表面的轮廓的物品。例如可以产生母版表面的副本(通过压花或注射从带有相应倒置浮雕的母版上复制原始浮雕)。对于用于加工光重定向表面的浮雕图案的工具，术语加工工具用于消除歧义。

根据本发明的优选实施方式，提供了一种光学安全元件(1)，其具有反射或折射表面，以将来自点状光源s的光重定向并投射到合适的屏幕(3)上，该屏幕可以是其上形成了有意义的图像的任何(大部分平坦的)表面或任何物品(的平坦部分)等，如图1所示。光重定向表面的特殊设计可以允许将(可识别的)焦散图案投射在曲面上。图像可以是例如徽标、图片、数字或在具体上下文中可能相关的任何其它信息。优选地，屏幕是平坦的投影表面。

图1的构造示出了来自光源s的光被具有浮雕图案(2)的适当形状的光学表面重定向。例如，从汽车前灯、led照明用的反射器和透镜、激光光学中的光学系统、投影仪和相机中用的反射表面可知该一般构思，然而，通常，目的是将不均匀的光分布转换为均匀的光分布。相反地，本发明的目的是获得不均匀的光图案，即焦散图案，其(近似地)再现参考图案的相对亮度的一些区域(如(数字)参考图像所示)。如果光学元件的受照浮雕图案(2)允许在屏幕(3)上形成焦散图案(4)，并以足够的品质(可能因整体强度缩放系数而异)再现已知的参考图案(5)，则在屏幕上视觉观察到的焦散图案将很容易看出它是否构成参考图案的有效再现，在焦散图案与参考图案足够相似的情况下，将认为标有光学安全元件的物品(最有可能)是真品。

根据图1的实施方式，来自作为根据该示例的点状光源的光源s的光射线(6)在光源距离ds处传播至(折射)光学安全元件(1)，光学安全元件(1)具有光重定向表面，该表面具有浮雕图案(2)。这里光学安全元件由折射率为n的透明或部分透明的均质材料制成。所谓的焦散图案(4)在距光学安全元件(1)的光重定向表面图像距离di处投射在屏幕(3)上。光学安全元件的真实性(由此标有该安全元件的物品的真实性)可以通过视觉检查投射的焦散图案与参考图案之间的相似度来直接评估。

优选地，从参考图案的特定目标数字图像开始首先计算出浮雕图案(2)。例如在欧洲专利申请ep2711745a2和ep2963464a1中说明了这种计算用的方法。根据计算出的浮雕图案，可以使用超精密加工(upm)在合适的光学材料基板的表面(例如，折射率为n的透明或部分透明的材料，或不透明材料的反射面)上创建相应的物理浮雕图案。在不透明光学材料基板的表面上加工浮雕以形成反射面的情况下，通过在浮雕上沉积金属薄层(金属化)的进一步常规操作将获得良好的反射率。upm使用金刚石加工工具和纳米技术工具来实现非常高的精度，使得公差可以达到“亚微米”水平甚至纳米级水平。与此相比，传统加工中的“高精度”是指单位数微米的公差。在表面上创建物理浮雕图案的其它可能合适的技术是激光烧蚀和灰度光刻。如在微细制造领域中已知的，这些技术均在成本、精度、速度、分辨率等方面具有不同的优势和局限性。通常，用于产生焦散图案的计算出的浮雕图案具有平滑的轮廓(即无间断)，通常深度至少为2毫米，总尺寸为10cmx10cm。

用于折射性光重定向光学元件的合适的光学材料基板应该是光学清晰的、透明的或至少部分透明并且机械稳定的。为了本发明的目的，即提供一种能够产生视觉上可识别的焦散图案的薄的光学安全元件，透明或部分透明的材料实际上对应于低雾度(h)和高透射比(t)的材料，使得光扩散不会损害形成视觉上可识别的焦散图案。通常，透射比t≥50％是优选的，并且t≥90％是最优选的。另外，可以使用低雾度h≤10％，但是h≤3％是优选的，h≤1％是最优选的。适当的光学材料基板在加工过程中也应表现正确，以便提供光滑无缺陷的表面。合适的基板的示例是pmma(也以plexiglas、lucite、perspex等商业名称已知)的光学透明板。对于反射性焦散光重定向光学元件，合适的光学材料基板应该机械稳定，并且应该可以使其具有镜状表面处理。合适的基板的示例是金属，诸如那些用于刻划光栅和激光镜的母版的金属，或者可以进一步金属化的非反射性基板。

对于大规模生产，需要进一步的工具制造步骤以及将光学安全元件大量复制到目标物品上的步骤。从母版创建工具的合适处理是例如电铸(electroforming)。大量复制的合适处理是例如聚合物膜的热压花或光聚合物的uv铸造。注意，出于大量复制的目的，母版或由其衍生的工具都不需要是光学透明的，因此，即使最终产品是折射性光学元件，也可以使用不透明的材料(尤其是金属)。然而，在一些情况下，母版透明可以是有利的，因为这允许在进行工具作业和大量复制之前检查焦散图像的品质。

使用光学元件(具有包括浮雕图案的光重定向表面的光学元件)作为安全特征的关键方面是其物理尺寸(必须与目标物品兼容)以及投射焦散图像所需的光学构造。

通常，对于这种使用，最大的横向尺寸受物品的整体尺寸限制，在不利的情况下，通常可能在几厘米到小于1厘米的范围。对于特定用途，例如用于纸币，目标总厚度可能会非常小(大约100μm或更小)。此外，由于多种原因，包括机械约束(与较薄区域相关的薄弱点)和操作注意事项(例如，在堆叠纸币时，堆垛会相应于纸币的较厚部分隆起，这使处置和存储变得复杂)，容许厚度变化(浮雕)甚至更小。通常，对于总厚度为约100μm的纸币，包括在该纸币中的光学安全元件的浮雕图案的目标厚度可以为约30μm。对于厚度约1mm的信用卡或id卡，该信用卡/id卡中包括的光学安全元件的浮雕图案的目标厚度可以小于约400μm并且优选地不大于约250μm。

此外，光源距离和图像距离通常被使用者舒适度限制到只有几十厘米。值得注意的例外是太阳或安装在天花板上的聚光灯，然而光源距离和图像距离在特定情况下不太容易获得。而且，两个距离之间的比ds/di通常为5以上到10，以便获得更易于识别的更锐化的图像(并具有良好的对比度)。此外，比ds/di≥5加上光源s优选地为点状(例如，传统移动电话的照明led)允许考虑到光源实际上大约是“无限远”，因此，在距光学安全元件仅大约焦距的位置处的投影表面将适合于清晰地观看投射的焦散图案。结果，使用者的良好视觉观察条件不需要光源、光学安全元件和使用者的眼睛的太严格的相对空间配置。

通常，厚度和浮雕是最关键的参数。给定任意目标图像(参考图案)和光学几何构造(即投射的焦散图案的照明/观察用的几何条件)，无法保证计算出的光学表面将具有低于规定限制的浮雕图案。实际上，在一般情况下，可能会发生相反的情况：对于上述光学安全元件被施加的严格限制，尤其如此。考虑到优化光学表面的数值模拟在时间和资源方面都是昂贵的，过度的反复试验(trial-and-error)不是一个可行的选择，因此非常需要确保在第一次尝试时或至少只用少量尝试就可以获得有用的结果。还非常期望不受限于目标图像的选择，因为并非所有目标图像都与低深度的平滑浮雕图案兼容。

因此，鉴于很难在额外的严格的约束(即得到的光学安全元件必须在距光重定向表面的距离为ds的光源(优选地为点状光源)的适当照明下能够使入射光重定向并在(距光重定向表面相距特定距离di处的)投影表面上形成包含焦散图案的投射的图像，其中该焦散图案以足够的精度再现了给定的参考图案以便仅仅用肉眼或最多利用普通且容易获得的手段(例如，使用放大镜)可以视觉地识别)下，来直接计算用于控制光学材料件的表面上的深度δf的相应浮雕图案的加工以获得薄的光学安全元件(例如，浮雕图案深度低于250μm)的光重定向表面的非常薄的深度的浮雕图案，所以提出了计算这种浮雕图案的新方法。

根据本发明，已经观察到，可以使用具有中断的计算出的浮雕图案轮廓来控制(引导)光学材料件的表面的加工以再现相应的浮雕图案并由此获得能够使入射光重定向并在投影表面上形成包含焦散图案的投射的图像的重定向表面，其中该焦散图案以足够的精度再现给定的参考图案以便被使用者可视觉地识别。大量测试证实，引入的中断实际上不会严重影响形成可识别的焦散图案的能力：由于中断不会影响投射的焦散图案的其余部分，因此仅会出现轻微的阴影。此外，测试证实，具有中断的浮雕轮廓在选择目标参考图案方面具有更大的自由度。加工处理(例如upm)的结果是具有与计算出的浮雕轮廓的中断对应的突变的加工后的浮雕轮廓，由于加工工具的精度有限，所以获得的轮廓无法严格再现中断，所以有些“平滑”。这类计算出的浮雕图案轮廓具有极大的优势来允许通过采用自菲涅尔以来已知的方法，从初始(厚)平凸透镜轮廓生产薄透镜(即“菲涅耳透镜”)，从而形成厚度减小的光学安全元件，同时大致保留与初始轮廓相关的光学特性(即，使准直光束会聚到同一焦点)。根据菲涅耳方法，在透镜轮廓中形成相对于透镜光轴和透镜光学中心的严格同心圆的中断，从而产生轮廓的若干圆形同心区域，然后沿着同心的中断塌陷该区域上方的轮廓部分，以便形成具有相同光学特性(即相同的光轴、相同的光学中心、相同的焦距)并提供(大约)相同的光束均匀性但厚度减小的“等效透镜轮廓”。

与试图保持光束均匀性的经典菲涅耳方法相比，已经测试了根据本发明的方法允许保持产生焦散图案的光不均匀性。此外，根据本发明，菲涅耳方法中的大多数约束得到缓解：特别地，没有考虑光学中心，并且轮廓中形成的区域相对于光轴不必是同心的(甚至不必是圆形的)，因此允许将浮雕图案轮廓自由地划分为相邻区域并在光学材料件的表面处加工相应区域以提供光重定向表面。这种自由度使得为了再现给定的参考图案的浮雕图案轮廓的适应更容易，同时仍允许厚度减小。特别地，该方法适用于修改初始计算出的(通常是连续的，即平滑的)浮雕轮廓，初始计算出的浮雕轮廓具有对于产生具有非常小的目标深度δf的光学安全元件而言过大的深度δi，但是仍然满足提供能够在投影表面上形成包含再现给定的参考图案(可视觉地识别)的焦散图案的投射的图像的光学元件的光重定向表面。图2的(a)示出了用于加工光重定向表面的这种初始浮雕轮廓。

根据本发明，如图2的(a)所示，在基准面上延伸的(二维)初始浮雕图案轮廓(8)的截面在坐标系(x，y)中表示，其中该坐标系具有对应于相应的光重定向表面的光轴的y轴(纵坐标)和基准面中的横坐标x。该截面对应于示出了初始浮雕图案的最大深度δi的(一维)曲线(8)。进行初始浮雕图案轮廓的切片：这里，切片对应于垂直于光轴y的平面，这些平面在(沿着y轴的值增加，优选地等间隔的)给定的高度h1、h2、h3和h4处与浮雕图案相交，沿着给定的高度h1、h2、h3和h4的线，截面轮廓(8)中的各个迹线确定一些交点p1、p'1、p2、p2'、p2”、p2”'、p3、p3'、p4和p4'。点p0和p0'对应于与基准面的交点。其它切片也是可能的(取决于初始浮雕图案轮廓上产生的相交线位置的选择)，例如通过具有沿着y的轴线的圆筒面(即，在拓扑上等同于直圆柱)与初始浮雕图案轮廓的相交而获得的切片。

各切片平面均定义了轮廓(8)下以及后续切片平面之间包括的区域：这里，

-在基准面上(即在高度h0＝0处、具有交点p0和p0'的切片平面上)的区域，其具有对应于基准面和(下一个)第一切片平面(在高度h1处)之间的轮廓曲线(8)的两个部分的两个部分，即该区域的第一部分对应于点p0和p1之间的轮廓曲线(8)的第一部分，该区域的第二部分对应于点p0'和p1'之间的轮廓曲线(8)的第二部分；其中第一切片平面具有交点p1和p1'；

-在第一切片平面(在高度h1处具有交点p1和p1')上的区域，其具有对应于第一切片平面和(下一个)第二切片平面(在高度h2处)之间的轮廓曲线(8)的三个部分的三个部分，即该区域的第一部分对应于点p1和p2之间的轮廓曲线(8)的第一部分，该区域的第二部分对应于点p2'和p2”之间的轮廓曲线(8)的第二部分，该区域的第三部分对应于点p1'和p2”'之间的轮廓曲线(8)的第三部分；其中第二切片平面具有交点p2、p2'、p2”和p2”'；

-在第二切片平面(在高度h2处具有交点p2、p2'、p2”和p2”')上的区域，其具有对应于第二切片平面和(下一个)第三切片平面(在高度h3处)之间的轮廓曲线(8)的三个部分的三个部分，即该区域的第一部分对应于点p2和p2'之间的轮廓曲线(8)的第一部分，该区域的第二部分对应于点p2”和p3之间的轮廓曲线(8)的第二部分，该区域的第三部分对应于点p2”'和p3'之间的轮廓曲线(8)的第三部分，其中第三切片平面具有交点p3和p3'；

-在第三切片平面(在高度h3处具有交点p3和p3')上的区域，其具有对应于第三切片平面和(下一个)第四切片平面(在高度h4处)之间的轮廓曲线(8)的两个部分的两个部分，即该区域的第一部分对应于点p3和p4之间的轮廓曲线(8)的第一部分，该区域的第二部分对应于点p3'和p4'之间的轮廓曲线(8)的第二部分，其中第四切片平面具有交点p4和p4'；和

-在第四切片平面(在高度h4处具有交点p4和p4')上的区域，其仅具有对应于第四切片平面上方的轮廓曲线(8)的仅一个部分的一个部分，即该区域的仅一个部分对应于点p4和p4'之间的轮廓曲线(8)的一个部分。

鉴于轮廓深度δi的目标降低，选择了切片平面的数量及其不同的高度。例如，鉴于使用高精度加工，可以容易地获得诸如10的降低系数。

在切片来源于浮雕图案轮廓与圆筒表面的相交的情况下，与相交的轨迹对应的各条线显然不处于恒定的高度值，因而对于平移到基准面来说要考虑的相应的高度值是沿着线的最低的一个。

然后，通过将轮廓曲线(8)的包括在位于高度hi(i＝0、…、4)处的切片平面上的区域的对应部分上方的各部分朝向基准面平移距离值hi来实现在基准面上的“塌陷”。结果是“塌陷的”(或降低的)具有减小的深度δ的浮雕图案轮廓(9)，如图2的(b)所示，其中：

-在高度h0＝0处的切片平面上方，分别在点p0和p1、p0'和p1'之间的轮廓曲线(8)的部分平移距离值0，以得到分别包括在点m0和m1、m0'和m1'之间的降低的轮廓(9)的部分，其中轮廓在m1和m1'处具有中断，并且在基准面上在相应的点n1和n1'处具有对应的中断轨迹；

-在高度h1处的切片平面上方，分别在点p1和p2、p2'和p2”、p1'和p2”'之间的轮廓曲线(8)的部分平移距离值h1，以得到分别包括在点n1和m2、m2'和m2”、n1'和m2”'之间的降低的轮廓(9)的部分，其中轮廓在m2、m2'、m2”和m2”'处具有中断，并且在基准面上分别在n2、n2'、n2”和n2”'处具有对应的轨迹；

-在高度h2处的切片平面上方，分别在点p2和p2'、p2”和p3、p2”'和p3'之间的轮廓曲线(8)的部分平移距离值h2，以得到分别包括在点n2和n2'、n2”和m3、n2”'和m3'之间的降低的轮廓(9)的部分，其中轮廓在m3和m3'处具有中断，并且在基准面上分别在点n3和n3'处具有对应的轨迹；

-在高度h3处的切片平面上方，分别在点p3和p4、p3'和p4'之间的轮廓曲线(8)的部分平移距离值h3，以得到包括在点n3和m4、n3'和m4'之间的降低的轮廓(9)的部分，其中轮廓在m4和m4'处具有中断，并且在基准面上分别在点n4和n4'处具有对应的中断轨迹；以及

-在高度h4处的切片平面上方，在点p4和p4'之间的轮廓曲线(8)的部分平移距离值h4，以得到包括在点n4和n4'之间的降低的轮廓(9)的部分。

在计算浮雕轮廓的以上方法中，对于切片平面的数量及其高度存在限制，涉及包括在基准面上的点m0和n1、n1和n2、n2和n2'、n2'和n2”、n2”和n3、n3和n4、n4和n4'、n4'和n3'、n3'和n2”'、n2”'和n1'、n1'和m0之间的不同轮廓部分的相应尺寸：这些尺寸必须大于衍射极限(对于可见光)，以使投射的焦散图案仍可视觉地识别(即不会被例如色差破坏)。另一限制涉及在中断高度处的绘样缺失，该绘样缺失是由于入射光的缺失而引起的，该入射光的缺失由入射在加工的浮雕轮廓的对应绘样面上引起。

作为“切割和塌陷”操作的结果，计算出的具有中断的浮雕轮廓(9)具有远小于δi的减小的浮雕图案深度δ，因而对应的加工的浮雕图案也将具有减小的深度δf并且将示出对应于计算出的浮雕轮廓(9)的中断的突变。

因此，根据本发明，极大地方便了设计具有非常低的深度δf的浮雕图案以在光学材料基板上形成光重定向表面从而提供能够满足上述视觉识别标准的光学安全元件(相对于给定的参考图案而言)的操作，因为能够以δi>>δf的厚初始浮雕图案轮廓开始该处理(即可以不符合光学安全元件的严格的厚度要求但能够(经由光学材料的表面的加工)产生视觉上可识别的焦散图案的投影)，并形成深度减小的对应的中断的浮雕图案轮廓且能够提供薄的光学安全元件(具有给定的目标深度)，而无需执行一些测试来验证光学材料的加工将提供合适的光学安全元件，并避免必须修改(或甚至驳回)候选参考图案来使得相应计算出的浮雕图案轮廓确实与对应的焦散图案的可视觉地识别的投影兼容。

图3是表示在深色背景上的数字100的参考图案的示例。

图4a示出了实现根据本发明的非常薄的光学安全元件(即，图像中最前面的物品的透明部分)的照片，该光学安全元件具有折射性光重定向表面，光重定向表面具有根据本发明的已经uv铸造在透明折射性箔材料上的深度为δ＝30μm的浮雕图案。光学安全元件的总深度为100μm，其面积a为1cm²。折射性箔材料的折射率n为大约1.5并且由聚酯制成。用于形成浮雕图案的树脂的折射率也为大约1.5。(在背景中)还示出的是投射在屏幕上的焦散图案(即数字100)(还参照图4b)，其阴影线对应于加工的浮雕图案的突变。参考图案是图3的图案。

图4b是示出由图4a的光学安全元件投射的焦散图案的细节的照片。这里，点状光源是距光重定向表面的距离为ds＝30cm的led，并且投射有焦散图案的平坦的屏幕的距离为di＝40mm。焦散图案整齐地再现了图3的参考图案的数字100。

图5a是浮雕图案的立体图，其轮廓对应于维持30μm高度的水平切口，即对应于针对图3的参考图案(即数字100)的计算出的浮雕轮廓的中断。

图5b是与图5a的浮雕图案相对应的投射的焦散图案的视图：与水平切口对应的阴影线在数字100周围清晰可见。

图6a是浮雕图案的立体图，其轮廓对应于通过利用维持约30μm高度的椭圆形圆筒切割初始浮雕图案而形成的切口，即对应于图3的参考图案(即数字100)的浮雕轮廓的中断。

图6b是对应于图6a的浮雕图案的投射的焦散图案的视图，并且示出了对应于椭圆形切口的阴影线。

以上公开的主题被认为是说明性的而非限制性的，并且用于更好地理解独立权利要求限定的本发明。