带反射的面区的光学可变的安全元件
本发明涉及一种用于保护有价物品的光学可变的安全元件，其具有带有反射的面区的载体，所述反射的面区包含多个反射的子区域，其中，每个子区域具有多个相同定向的反射的棱面。
数据载体，例如有价文件或者证照文件，或者其他有价物品，例如品牌商品通常配设有安全元件，以便实现保护，所述安全元件实现对数据载体的真实性的检验并且同时用作针对不允许的仿制的保护。
具有取决于观察角度的或者三维的外观的安全元件在真实性保护方面有特殊的作用，因为即使用最现代化的复印机也无法再现。为此，安全元件配备有光学可变的元件，其在不同观察角度下给观察者不同的图像印象，并且例如根据观察角度显示不同的颜色或亮度印象和/或不同的图形图案。在此，在现有技术中，例如运动效果、泵效果、深度效果、浮雕效果或翻转效果被称为光学可变的效果，它们借助全息图、微透镜或微镜实现。
基于全息图的光学可变的元件是广泛应用的，但由于其相对低的光泽度和反射光的衍射的分色，削弱了其吸引力和可识别性。此外，它与基于微透镜或微镜结构的安全元件相比，由于相对容易制造，而防伪性较低。
借助微透镜实现上述光学可变效果允许不受照明影响的良好的可视性。但是，微透镜结构大多造成安全元件的层厚较大。基于微透镜的真实性特征的制造也带来一些技术挑战：在透镜层下的图案层中，必须以较高品质显示仅仅几微米大的图案，并且不仅透镜层而且图案层都必须以较高的网格精确度制造。在实践中，目前大多只能产生周期性的图样，其尺寸限于几毫米。在此，符号的呈现通常稍微失真并且模糊，这降低了安全元件的识别价值。
因此，一种有吸引力的变型设计是借助微镜实现光学变化的效果，其在技术上不太复杂并且可以在平坦的安全元件中实现大面积的并且清楚的图案。在此，微镜结构的亮度和光泽度对于良好的可感知性和吸引人的视觉印象特别重要。
目前，微镜装置在安全元件中例如以此产生，即将期望的效果面划分为尺寸为例如20μm×20μm的同样的像素，每个像素对应一个镜斜度(德语：Spiegelsteigung)，即确定像素的微镜相对于基层平面以何种方式倾斜，然后用相应镜斜度的楔形的微镜填充该像素。在此，微镜大多具有固定的基础面，通常为10μm x 10μm。在文献EP 2 390 106 B1中描述了类似设计的例子。然而这种设计中的缺点是，微镜的周期性布置常常导致不期望的衍射效果和彩色的光反射，这干扰了微镜装置的真正期望的消色差的外观。
微镜的非周期性布置也是已知的并且例如在文献WO 2012/055505 A1中说明。在非周期性布置中，尽可能避免了衍射效果，为此通常需要更多数量的微镜，以便填充给定的面区，这会导致光滑镜面与(实际上)倒圆的边缘区域的面积比更低，并且以此导致光泽度降低。
在此基础上，本发明要解决的技术问题是给出一种上述类型的光学可变的安全元件，其避免了现有技术的缺点，并且其中尤其将高防伪性与高亮度和光泽度相结合。
该技术问题通过独立权利要求的特征解决。本发明的改进设计方案是从属权利要求的内容。
在这种安全元件中，反射的面区的范围定义x-y平面和垂直于该平面的z轴线。每个棱面相对于x-y平面的定向通过其归一化法向向量的数据确定，其中，该法向向量到x-y平面中的投影定义棱面的倾斜方向。棱面沿倾斜方向的尺寸称为棱面的长度，棱面在x-y平面中的垂直于倾斜方向的尺寸称为棱面的宽度，棱面沿z方向的尺寸称为棱面的高度。按照本发明现在在这种安全元件中规定，在反射的子区域中，相同定向的棱面沿其共同的倾斜方向以减小的长度和减小的高度布置。
以此产生棱面装置，其可以产生具有高亮度和光泽度的面区的期望的外观，但又完全没有周期性。由于缺乏周期性，这种棱面装置难以模仿并且因此具有很强的防伪性。同时避免了干扰性的衍射效果和由此产生的彩色的光反射，以此提供更大的光量用于期望的反射。相对于传统的非周期性设计，现在建议的装置具有的优点是，只需要少量的棱面用于填充子区域。主要在平的棱面倾角中产生具有高亮度的较大的关联的面。额外地，通过沿倾斜方向减小的棱面尺寸，使得相互的阴影效果最小化。
在优选的设计方案中，相同定向的棱面至少在子区域的子集中分别沿其共同的倾斜方向布置并且其长度和高度以相同的不变的因子减小。具体而言，从沿倾斜方向的第k个棱面的高度和长度出发得到后续的沿倾斜方向的第(k+1)个棱面，公式是
Hk+1=f*Hk并且Lk+1=f*Lk
其中，因子f小于1，其相应针对整个子区域是不变的。不变的因子也可以针对所述子集的所有子区域相同。
有利的是，不变的因子在0.6至0.95之间，优选在0.75至0.85之间。在有利的设计中，相同定向的棱面甚至以上述方式布置在所有子区域中。
在另外的同样有利的设计方案中，相同定向的棱面至少在子区域的子集中分别沿其共同的倾斜方向布置并且其高度逐个棱面地以不变高度差减小。具体而言，从沿倾斜方向的第k个棱面的高度和长度出发得到后续的沿倾斜方向的第(k+1)个棱面，公式是Hk+1=Hk–Δ。每个棱面的长度利用倾角α由其高度得到的，Lk=Hk/tan(α)。对于整个子区域，高度差Δ分别是不变的，然而其甚至可以针对所述子集的所有子区域都是相同的。
有利的是，所述不变的高度差在50nm至400nm之间，优选在80nm至150nm之间。在有利的设计方案中，相同定向的棱面以上述方式布置在所有子区域中。
在所述具有不变因子或不变高度差的变型设计中，棱面的高度可以额外地以一个小的、分别基本上随机选择的高度变化而改变，其中，额外的基本上随机的高度变化有利地小于高度变化前的初始高度的5%，尤其是2%。然后相应地调整棱面的长度，以保持倾角不变。
在此，所选择的表述，即棱面的高度以基本上随机选择的高度变化而改变，考虑到的事实是，随机的变化也可以例如借助计算机生成的“随机数”实现，这些随机数严格来说是确定性的。
反射的面区的棱面的高度优选不超过最大高度Hmax，该最大高度小于20μm，优选10μm或更小，特别优选5μm或更小。例如这可以通过将每个子区域沿倾斜方向最后一个的第一棱面分别构造具有小于或等于最大高度的高度实现。
有利的是，相同定向的棱面沿共同的倾斜方向直接相接。备选的是，棱面沿倾斜方向也可以以在x-y平面中较小的间距布置。有利的是，棱面的间距在此小于两个邻接棱面的平均长度的10%，尤其5%。
适宜的是，反射的子区域沿棱面的共同的倾斜方向具有小于300μm，优选小于100μm，特别优选在20μm至100μm之间的长度。反射的子区域可以具有正方形、长方形的轮廓，但是也可以具有任意的轮廓。尤其地，反射的子区域的至少一部分可以构造带有图案形式的轮廓，尤其字符或符号形式的轮廓。在一般的轮廓的情况下适宜的是，在平面中子区域的最大尺寸小于300μm，优选小于100μm，特别优选在20μm和100μm之间。
棱面的宽度优选分别占据子区域的最大可用宽度。棱面形状在此有利地遵循子区域的边缘走向，其也可以倾斜或弯曲地延伸。
有利的是，在反射的子区域中沿共同的倾斜方向布置有八个或更少，优选五个或更少，尤其两个、三个或四个棱面。
反射的棱面有利地定向为，使得反射的面区对观察者来说能被感知为拱曲的，尤其连续拱曲的面，优选感知为沿两个空间方向拱曲的，尤其连续拱曲的面。此外，有利的是，反射的棱面定向为，使得在安全元件倾斜或转动时，反射的面区产生移动效果、泵效果、深度效果、浮雕效果和/或翻转效果。
有利的是，反射的棱面具有金属的或半导体的涂层、高折射的涂层或带有变色或者说颜色倾斜(德语：farbkippend)的层的涂层。变色的层尤其可以构造成薄层系统或者薄膜干涉涂层。在此，例如可以实现金属层-介电层-金属层的层顺序或由至少三层介电层构成的层顺序，其中，中间层的折射率低于其他两层的折射率。作为介电材料，例如可以使用ZnS、SiO2、TiO2、MgF2。
变色的层还可以构造成干涉过滤器、具有通过等离子体共振效果导致的选择性透射的半透明薄金属层、纳米颗粒等。变色的层同样可以实现成衍射的浮雕结构或亚波长格栅。
备选地或者额外地，反射的面区可以配设液晶涂层，优选配设整面的胆固醇液晶涂层。
反射的棱面呈现为基本上平的、相对于x-y平面倾斜的面元件，其中，“基本上”的表述考虑到的是，在实践中与制造有关地不可能产生完美的平的面元件。子区域的棱面都是以同样的方式定向，其中，倾角的百分之几的微小变化是可能的。优选的是，子区域的倾角差异小于3%，优选小于2%，特别是小于1%。
本发明也包含具有所述类型的安全元件的数据载体。所述数据载体尤其是有价文件，例如钞票、尤其纸币、聚合物钞票或者膜合成物钞票，可以是股票、债券、证书、凭单、支票，高品质门票，也可以是证卡、例如信用卡、银行卡、现金卡、资格证、身份证或者护照个人信息页。
本发明还包括一种用于制造上述类型的安全元件的方法，其中，
-提供载体并且配设反射的面区，面区的范围定义x-y平面和垂直于x-y平面的z轴线，
-反射的面区构造带有多个反射的子区域并且每个子区域构造带有多个相同定向的反射的棱面，
-其中，每个棱面相对于x-y平面的定向通过其归一化法向向量的数据确定，该法向向量到x-y平面中的投影定义棱面的倾斜方向，棱面的长度是棱面沿倾斜方向的尺寸，棱面的宽度是棱面在x-y平面中的垂直于倾斜方向的尺寸，棱面的高度是棱面沿z方向的尺寸，并且
-在反射的子区域中，相同定向的棱面沿其共同的倾斜方向以减小的长度和减小的高度布置。
本发明的其他实施例以及优点下面根据附图阐述，附图未按比例尺和成比例地示出，以便提高可读性。
附图中：
图1示出具有按照本发明的粘贴上的转移元件形式的光学可变的安全元件的钞票的示意图，
图2示出用于实现图1的安全元件的三维外观的示图，
图3示出反射的子区域的立体视图，其用五个先后相继的棱面填充，
图4详细示出图3的棱面中的一个，以便形象表示描述棱面的定向和尺寸的尺寸定义，
图5以立体视图示出在反射的面区内部的待用棱面填充的子区域，
图6示出图5的面区和子区域的垂直正视图，
图7以从图6的方向VII的侧视图示出通过子区域的棱面给出的浮雕结构的高度变化。
现在根据用于钞票的安全元件的例子阐述本发明。为此，图1示出具有按照本发明的粘贴上的转移元件形式的光学可变的安全元件12的钞票10的示意图。然而，当然本发明并不局限于转移元件和钞票，而是可以用于所有类型的安全元件中，例如商品和包装上的标签或用于保护文件、身份证、护照、信用卡、健康卡等。在钞票和类似文件的情况下，除了转移元件外例如考虑构造为安全线或安全条的安全元件。
图1中所示的安全元件12本身构造成非常平的并且具有约10μm的最大高度差，但还是给了观察者所呈现的图像的清楚的三维印象，即好像从钞票10的平面上凸出的、高亮度和光泽度的数字14。安全元件12为此包含反射的面区20，其范围定义了x-y平面，x-y平面在此与钞票10的表面重合。z轴线垂直于x-y平面，使得通过这三个轴线构成的坐标系构成右手系。
现在参照图2至图4更详细阐述根据本发明的光学可变安全元件的特殊结构。首先，图2示出安全元件12的三维外观的实现，其中，附图标记40表示由观察者在观察安全元件12时感知的、沿两个空间方向拱曲的面，例如图1的数字14。
在此，在安全元件12的载体22中并没有构造由观察者感知的弯曲的面40本身，而是具有多个小的反射的子区域30的浮雕结构24，在图2的局部图中示出其中的四个子区域30-1至30-4。子区域30分别具有多个反射的棱面32，它们在子区域30内分别构造成全部具有相同的定向。
为了更详细地阐述，图3示出反射的子区域30的立体视图，其用五个先后相继的棱面32-1至32-5填充。棱面32-1至32-5呈现基本上平的、相对x-y平面倾斜的面元件。在图4中更详细地示出图3的棱面32的一个，以形象地表示描述棱面的定向和尺寸的尺寸定义。
首先参考图4，每个棱面32的定向通过其归一化法向向量n=(nx，ny，nz)的数据确定，其中|n|=1并且z分量为正。法向向量n到面区20的x-y平面中的投影定义x-y平面中的倾斜方向r。倾斜方向r是位于x-y平面中的向量，其方向表明垂直入射的光被棱面32反射所沿方向。若法向向量n应在一子区域中垂直于x-y平面，则该子区域的倾斜方向可以针对下述结构任意地在x-y平面中选择。
如图4所示，棱面32的尺寸现在分别根据其倾斜方向r定义。棱面沿倾斜方向的尺寸称为棱面32的长度L，棱面在x-y平面中的垂直于倾斜方向的尺寸称为棱面的宽度B，棱面沿z方向的尺寸称为棱面的高度。从图4可以直接看出，棱面32相对于x-y平面的倾角α与棱面的长度和高度的关系为：tan(α)=H/L。
参照图2的视图，为了模仿拱曲的面40的反射特性，面区20的棱面32在每个子区域30中正好定向为，使得它们的法向向量n在那里相当于拱曲的面40在子区域30的范围上平均的局部法向向量N。
在所示实施例中，子区域30设计具有正方形轮廓，但它们一般可以具有任意的其它轮廓形状，如下文中图5至7的实施例所示。边缘长度K或者说子区域30在x-y平面中的最大尺寸小于300μm并且尤其在20μm至100μm的范围内。
棱面32的长度L和宽度B大于3μm，优选大于5μm，并且棱面的高度在0至10μm之间，优选在0至5μm之间，使得整个反射的面区具有最大10μm高度差，肉眼无法感知。
由于针对定向的光42(图2)的反射的几何反射条件“入射角等于反射角”仅取决于反射的面40、24的法向向量的局部定向，并且此外，子区域30很小并因此本身并不出现，所以带有浮雕结构24的反射的面区20示出与待模仿的三维面40基本相同的反射特性，并且因此尽管其高度差很小，但对于观察者产生被模仿的面40的明显的三维的印象。
现在本发明的特别之处在于，在子区域30中特别巧妙地布置棱面32，其导致面区20的高亮度和光泽度。
由于子区域30中的棱面32分别相同地定向，即具有相同的倾角α和相同的归一化法向向量，因此投射到x-y平面中的倾斜方向r针对子区域30的所有棱面32都是相同的，所以在每个子区域中都可以说存在棱面的共同的倾斜方向。
如图2和图3所示，相同定向的棱面32或者说32-1至32-5在反射的子区域30中沿其共同的倾斜方向r以减小的高度H和减小的长度L布置。为此例如可以规定，子区域30的沿倾斜方向r的第一个(最后的)棱面32-1具有期望的最大高度Hmax，并且沿倾斜方向r后续的棱面32分别具有前面的棱面的高度的80%和长度的80%。由于棱面32的高度和长度在此总是以相同的因子变化，所以通过tan(α)=H/L得到的倾角保持不变。
为了说明具体的数字示例，针对面区的期望的倾角α=30°，第一棱面32-1具有H1=10μm的高度作为最大的期望高度。其长度L1则由倾角α=30°利用关系式L1=H1/tan(α)得出L1=17.32μm。第二棱面32-2沿倾斜方向直接邻接在第一棱面32-1上，但仅仅具有H2=0.8*H1=8μm的高度。其通过倾角α确定的长度为L2=H2/tan(α)=13.86μm，其中按照结构自动也适用L2=0.8*L1。第三棱面32-3沿倾斜方向直接邻接在第二棱面32-2上，但仅具有H3=0.8*H2=6.4μm的高度和由倾角α得出的L3=H3/tan(α)=11.08μm的长度，其中在此也适用L3=0.8*L2。类似的是，另外的棱面32-4和32-5具有H4=5.12μm，H5=4.1μm的高度和相应的长度L4或者L5。长度L1至L5的总和与子区域30的边缘长度K一致。实施例中棱面32-1至32-5的宽度是不变的并且与正方形子区域30的边缘宽度K一致。
这种布置完全没有周期性，因此具有较高的防仿造安全性，并且由于没有干扰性的衍射效果和彩色的光反射也具有较高的光泽度。与传统的非周期性设计相比，棱面装置的光泽度显著提高，因为可以在尤其倾角α较小的情况下实现较大的关联的面。通过沿倾斜方向减小的棱面尺寸，也使得相互的阴影效果最小化。
现在根据图5至图7更详细地阐述棱面32的布置和针对一般的、设计具有任意轮廓的子区域30的棱面数据的选择。首先，图5以立体视图示出在反射的面区20内待用棱面32填充的子区域30。从待呈现的拱曲的面40的局部法向向量N出发，通过平均化得到针对子区域30所期望的归一化法向向量n。通过投影到x-y平面中从该法向向量n得到针对子区域30的所有棱面的共同的倾斜方向r。向量n和r之间的夹角在此是相对于棱面的倾角α的余角，即与倾角α相加为90°。倾角α例如在子区域30中是α=30°。
现在棱面32应沿向倾斜方向r的直线50从后向前以减小的高度和减小的长度布置。术语“后”和“前”在此是基于向量r的方向，因此总是明确定义的。参照图6，其以垂直的俯视图示出具有子区域30的面区20，为此首先在子区域30的轮廓34上设置两个切线52，它们垂直于直线50并且其间距表明子区域30沿倾斜方向r的长度Lges。在实施例中，该间距例如是Lges=55μm。
现在规定用于棱面的期望的最大高度，例如Hmax=10μm，以及规定用于减小的棱面尺寸的缩放因子，例如f=0.8。然后选择具有H1=Hmax的第一棱面，并且确定相应的长度L1=H1/tan(30°)=17.32μm。添加具有H2=f*H1和L2=f*L1的第二棱面，由于用于高度和长度的值的选择，其具有与第一棱面相同的倾角α，tan(α)=H2/L2=H1/L1。在实施例中，基本上H2=8μm并且L2=13.86μm。
然后添加分别利用缩放因子f减小的棱面，直至棱面长度之和达到或超过子区域Lges的长度。在实施例中就是在添加第五棱面后的情况，因为棱面长度之和是
Lsum=17.32μm+13.86μm+11.08μm+8.87μm+7.09μm=58.22μm
以此超过长度Lges=55μm。
为了在子区域30中设置这种棱面装置，长度和高度被缩放成期望的总长度Lges，并且所有长度和高度为此都乘以调整因子P=Lges/Lsum，在此P=55/58.22。这确保了
a)棱面装置沿倾斜方向r正好适配到子区域中，因为棱面长度的缩放总和正好是Lges。
b)不超过最大高度Hmax，因为根据设计调整因子总是小于或等于1，
c)倾角α并不会由于缩放而改变，因为长度L和高度H乘以相同的调整因子，所以由商(P*H)/(P*L)=H/L得出的倾斜角保持不变。
例如在所述实施例中，在缩放后第一棱面32-1的高度为H’1=P*H1=9.45μm，其长度L’1=P*L1=16.36μm。其他棱面32-2至32-5的尺寸相应地分别比前面的棱面小0.8倍，即H’2=7.56μm和L’2=13.09μm等。所有棱面具有α=30°的倾角，由于缩放导致棱面长度之和正好是Lges=55μm。
参照图6，利用以此缩放的棱面32-1至32-5填充矩形，该矩形由两个已经提到的切线52和在子区域30上平行于直线50的两条切线54定义。这些棱面然后限制在子区域30的内部，使得仅仅子区域30被填充，但其完全用所述棱面填充。在图6中为了说明起见，棱面32-1至32-5从后(图6中左上部)向前(图6中右下部)交替地以不同的方式加阴影。
图7示出由棱面32-1至32-5构成的浮雕结构24的高度变化，该图示出从图6的方向VII，即沿倾斜方向r并且沿图6的直线50的子区域30的侧视图。还画出子区域30的归一化法向向量n，其呈现棱面32-1至32-5的结构的初始点。
在浮雕结构24的高度变化中，除了棱面32-1至32-5沿z方向的相应尺寸之外，浮雕结构24相对于x-y平面的绝对高度也改变。在此，棱面在载体的表面中构成，使得所有棱面的最低点或最小高度值位于(平行于x-y平面的)一个平面中(棱面32-1至32-5是基本上平的、相对x-y平面倾斜的面元件)。
如果子区域30的所有棱面32-1至32-5的相应的峰值或最大(绝对)高度值另一方面相对于x-y-平面都在相同高度或一个平行于x-y平面的平面中，这相当于从背侧观察图7所示浮雕结构24(或由棱面32-1至32-5构成的反射的边界面)，则棱面32-1至32-5沿其共同的倾斜方向以增加的长度和增加的高度布置。在这种布置中也将相互的阴影效果最小化。
附图标记列表：
10 钞票
12 安全元件
14 拱曲凸出的数字
20 反射的面区
22 载体
24 浮雕结构
30 子区域
30-1至30-4 子区域
32 棱面
32-1至32-5 棱面
34 轮廓
40 拱曲的面
42 入射光
50 直线
52 切线
54 切线
