用于设计和产生安全特征的方法与流程

1.许多文件含有有助于识别仿冒或伪造文件的安全特征。这些文件中的许多文件将含有利用微光学器件的安全特征，因为此类特征通常很难以产生令人信服的伪造品所需的精确度进行复制。
2.这些文件中使用的安全特征经常包括微光学元件阵列，所述微光学元件阵列覆盖由像素组成的印刷图像。采用微光学元件的安全特征的一个这样的实例是莫尔放大器(moir
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magnifier)，其中印刷图像包括在近似微光学器件的每个透镜下方印刷的一系列图标。图标和透镜的重复长度(间距)的差异导致失配，这使得邻近透镜放大图标的邻近部分，进而为观察者提供图标的放大视图。


背景技术：

3.本发明总体涉及基于微光学的安全特征的设计，所述安全特征是基于在kamal等人的“properties of moir
éꢀ
magnifiers”(optical engin eering 37(11)3007-3014)中有详细描述的莫尔放大原理，其公开内容以引用的方式并入本文。现有技术的基于莫尔放大器的安全特征在图1a中以平面图，而在图1b中以横截面侧视图示出。安全特征包括基本上相同的印刷微图像或图标110的规则二维阵列。这些图标通常可能具有高达约250μm的尺寸。一般来说，如图1b所示，印刷图标由多个印刷像素130组成。每个像素都有指示图标在该点处的颜色的一个(或多个)像素值。微光学元件120的二维阵列(例如，微透镜的二维阵列)覆盖印刷图标。光学元件的重复长度或间距125、126与印刷图标的间距115、116相似(但不相同)。当透过二维光学元件阵列观察时，生成图标的一个或多个放大版本。如现在将解释的，放大倍率根据图标阵列的间距与光学元件阵列的间距彼此不同的程度而不同。应注意到，典型地，在水平方向上光学元件的间距125和印刷图标的间距115通常会与在垂直方向上光学元件的相应间距126和印刷图标的间距116相同，但是不一定是这种情况。
4.一般来说，每个光学元件(例如，微透镜)将具有相同的光学性质。通过在图标的间距与微透镜阵列的间距之间提供轻微的失配，每个微透镜都将对对应的印刷图标的不同部分进行成像。本质上，连续的光学元件对图标的连续部分进行成像，以建立图标的放大图像，每当失配等于整数数量的透镜时，所述放大图像就会重复。图1a中的灰色虚线框150表示重复图案，所述重复图案限定边界，在所述边界处，图标110与光学元件120之间的失配已经累积到一个微光学元件120的宽度。作为连续的光学元件对图标的连续部分成像的结果，观察者可看到图标160的放大版本，如图1c所表示。在观察者将安全特征倾斜时，图标的不同部分看起来好像会被每个透镜放大，结果是，在安全特征被倾斜时，放大图标看起来好像相对于微透镜的平面有所
‘
偏移’。这反过来又给出了一种深度感，其中图标的放大图像看起来好像位于与微透镜不同的平面上。
5.根据前述内容，显而易见的是，莫尔放大器中的放大程度取决于光学元件的间距与图标的间距之间的失配程度。如现在将参考具体实例解释的，随着间距失配的减小，实现了更高程度的放大。
6.例如，考虑一个安全特征，所述安全特征包括宽度wi为70μm的图标，所述图标位于微透镜阵列下面，每个微透镜的宽度w
l
为70μm，并且正好彼此相邻地布置，即间距p
l
也为70μm。现在考虑在图标阵列的间距pi为72.5μm的情况下，即在每个图标间隔开p
i-wi＝2.5μm的情况下所得的放大倍率。在相邻的微透镜之间，每个微透镜与其对应图标之间的偏移存在变化δ，δ＝p
i-p
l
＝p
i-wi＝2.5μm。经过28个微透镜后，累积的偏移达到28δ＝70μm，这是图标的大小。实际上，下一个微透镜(即，第29个微透镜)因此将对图标的与第一批微透镜进行成像相同的部分进行成像。对于观察者来说，跨28个微透镜显示图标，并且因此，放大倍率m为28倍。
7.图标对观察者的表观大小为m
·
wi＝28
·
70μm＝1.96mm。应当了解，由于图标的表观大小远远大于观察所述图标所透过的微透镜的大小，因此这会为观察者给出图标设置在相对于安全特征的平面看起来好像远离观察者的虚拟平面上的外观。
8.如根据前述内容将了解的，放大倍率m由m＝p
l
/δ给出。因此，较大的表观放大(以及还有虚拟图标平面与安全特征平面之间的表观间隔)要求图标间距与图标宽度之间的差异较小，即相邻印刷图标之间的间距较小。
9.还应当了解，通过使图标间距小于图标宽度，放大倍率的符号会被反转。实际上，这给出了图标设置在相对于安全特征的平面看起来好像接近观察者的虚拟平面上的视觉外观。
10.以不同方式提供所需的间距差异在本领域中是已知的。例如，可通过以与透镜阵列相同的间距印刷图标，但之后使透镜阵列相对于下面的印刷图像略微地旋转来实现间距的差异。这导致透镜阵列的间距相较于下面图像的间距有效地减小。替代地，下面的印刷图像的间距可能不同于透镜阵列的间距，其中透镜阵列与印刷图像之间的角度偏移用于改变图标与透镜阵列之间的有效间距差异(以及因此放大倍率)。然而，这种方法的问题是，由角度偏移施加的间距差异在整个安全特征上必然是恒定的，并且因此，在整个安全特征上提供放大倍率/表观深度的对比区域是具有挑战性的。此外，以所需的准确度按所需的角度偏移将微透镜阵列与印刷图像对准可能具有挑战性。
11.另一种方法是以彼此之间略有间隔的方式印刷图标阵列，以相对于透镜间距增大其间距(如图1b所示)。就上面的实例来说，可将图标阵列印刷成在每个图标之间具有2.5μm间隔。替代地，可将图标印刷成间距减小2.5μm以提供负值的m。然而，这种方法的问题是它受到印刷工艺的准确度的限制。最终，可实现的最小间距差异受到印刷工艺的分辨率的限制，并且在现有技术中，在物理上较薄的安全特征中实现高程度的表观放大需要极高分辨率的印刷工艺。
12.本发明试图解决的正是这些和其他问题。


技术实现要素：

13.本发明的一方面提供了一种设计安全特征中的印刷图像的至少一个区域的方法，所述安全特征包括覆盖所述印刷图像的光学元件阵列，所述方法包括：设计包括像素行和列的图标矩阵，所述像素行和列具有表示将被所述安全特征的用户观察到的图标的像素值；确定期望间隙大小以提供所述图标的期望放大倍率；生成二维像素矩阵的阵列，其中所述阵列包括重复矩阵集的序列，其中每个集包括第一数量的具有第一大小的第一类型的矩
阵和第二数量的具有第二大小的第二类型的矩阵，其中所述第一类型的所述矩阵和所述第二类型的所述矩阵是基于所述图标矩阵，并且其中所述第一数量、第二数量、第一大小和第二大小被选择为使得所述集内的每个矩阵的平均大小与模态矩阵大小相差所述期望间隙大小。
14.有利地，这允许图标间距与覆盖光学元件的间距之间的有效失配通过具有比现有技术中所需更为适度的印刷分辨率的印刷工艺来控制，而不需要使光学元件相对于印刷图像旋转地偏移。可实现的放大倍率不再受到最小印刷分辨率或光学元件阵列与下面图像之间的旋转偏移的准确度的限制。
15.在一个实施方案中，确定期望间隙尺寸的步骤包括计算间隙大小，当重复矩阵间隔开所述间隙大小并且经由光学元件阵列观察时，所述间隙大小将对对应于图标矩阵的重复矩阵阵列产生期望的放大效果。
16.在一个实施方案中，第一类型的矩阵对应于图标矩阵。
17.也就是说，在此实施方案中，第一类型的矩阵可能为图标矩阵，具有与图标矩阵相同的尺寸，而第二类型的矩阵可能为图标矩阵的修改版本，使得它具有不同的大小。例如，第二类型的矩阵的像素值可能对应于作为图标矩阵的缩放版本的图像，所述缩放版本大于或小于图标矩阵。替代地，第二类型的矩阵可为图标矩阵的裁剪版本，也就是说，除了移除了一个或多个像素列和/或行之外，它可能对应于图标矩阵。替代地，第二类型的矩阵可为图标矩阵的具有额外填充或空白的版本，也就是说，除了具有一个或多个额外像素列和/或行之外，它可能对应于图标矩阵。
18.替代地，第一矩阵和第二矩阵中的每一者都可单独来源于图标矩阵。例如，第一矩阵和第二矩阵各自可能是同一图标矩阵的缩放版本，具有不同的比例因子，使得它们具有不同的大小。
19.在各种实施方案中，第二类型的矩阵包括比第一类型的矩阵至少多一个或至少少一个的列。
20.在各种实施方案中，第二类型的矩阵包括比第一类型的矩阵至少多一个或至少少一个的列。
21.在各种实施方案中，第二数量是一。
22.本发明的另一方面提供了一种设计安全特征中的印刷图像的方法，所述方法包括：将所述印刷图像划分为多个区域，并且对于所述多个区域中的第一区域，提供与所述区域相关联的第一图标设计并且提供与所述区域相关联的第一期望放大倍率；以及根据上文公开的任何方法来设计所述第一区域，其中所述图标矩阵表示所述第一图标设计并且所述期望放大倍率是所述第一期望放大倍率。
23.有利地，这允许安全特征的特定区域提供放大的视觉效果，而其他区域可提供不同的视觉效果。特别地，由于提供放大效果的方法不依赖于例如微光学元件阵列相对于印刷图像的旋转，因此跨安全特征提供的视觉效果不受间距差异的限制，所述间距差异(至少部分地)由微光学元件阵列与印刷图像之间的角度偏移决定，对于现有技术的此类莫尔放大器来说就是这种情况。例如，可跨安全特征提供具有不同符号和高量值放大倍率的区域。一般来说，采用本发明的方法，有可能跨图像提供几乎任何放大倍率的组合。在各种实施方案中，这允许安全特征内的不同光学效果增强其视觉独特性的安全特征设计，从而提高其
作为易于辨识的认证安全特征的有效性。
24.在一个实施方案中，所述方法还包括，对于所述多个区域中的第二区域：提供与所述多个区域中的第二区域相关联的第二图标设计并且提供与所述第二区域相关联的第二期望放大倍率；以及根据任一前述权利要求所述的方法来设计所述第二区域，其中所述图标矩阵表示所述第二图标设计并且所述期望放大倍率是所述第二期望放大倍率，其中所述第二期望放大倍率不同于所述第一期望放大倍率，其中所述第一区域中的模态矩阵大小与所述第二区域中的所述模态矩阵大小相同。
25.有利地，这允许安全特征的不同区域提供不同程度的放大。
26.在一个实施方案中，第二图标设计不同于第一图标设计。
27.有利地，这允许在安全特征的不同区域中提供不同的图标设计，每个图标设计与不同的放大程度相关联。
28.在各种实施方案中，所述方法还包括在所述多个区域中的另外的区域中提供对应于静态设计元素的区域，其中所述静态设计元素相对于所述光学元件的大小导致对应于所述静态设计元素的所述区域中在所述安全特征中的每个光学元件下方的像素基本上是均匀的。
29.有利地，这允许在安全特征内提供放大区域和未放大静态区域两者。
30.在各种实施方案中，所述方法还包括在所述多个区域中的另外的区域中提供对应于动画设计元素的区域，其中在对应于所述动画设计元素的所述区域中，所述印刷图像被设计成使得每个透镜覆盖像素矩阵，每个像素与一系列动画帧中的特定动画帧相关联。
31.有利地，这允许在安全特征内提供放大区域和未放大动画区域两者。
32.本发明的另一方面提供了一种产生安全特征的方法，所述方法包括印刷根据上文描述的任何方法设计的印刷图像。
33.在一个实施方案中，所述方法还包括将光学元件阵列放置在所述印刷图像上，其中每个光学元件具有与模态矩阵基本上相同的大小。
34.本发明的另一方面提供了一种用于安全特征的印刷图像，所述安装特征包括覆盖所述印刷图像的光学元件阵列，其中所述印刷图像的至少一个区域包括二维像素矩阵的阵列，所述阵列包括重复集的序列，其中每个集包括第一数量的具有第一大小的第一类型的矩阵和第二数量的具有第二大小的第二类型的矩阵，其中所述第一类型的所述矩阵和所述第二类型的所述矩阵是基于包括像素行和列的图标矩阵，所述像素行和列具有表示将被所述安全特征的用户观察到的图标的像素值，并且其中所述第一数量、第二数量、第一大小和第二大小被选择为使得所述集内的每个矩阵的平均大小与模态矩阵大小相差期望间隙大小，以在透过所述光学元件阵列观察所述印刷图像时提供所述图标的期望放大倍率。
35.本发明的另一方面提供了一种安全特征，所述安全特征包括所述印刷图像和覆盖所述印刷图像的相同光学元件的阵列。
36.本发明的另一方面提供了一种安全文件，所述安全文件包括所述安全特征。
37.本发明的另一方面提供了一种非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质存储计算机可读指令，所述计算机可读指令在执行时使包括处理器的机器执行上文描述的任何方法。
附图说明
38.图1a和图1b示出了现有技术的莫尔放大器。
39.图1c示出了图1a和图1b的莫尔放大器中的图标的表观放大。
40.图2示出了本发明的安全特征。
41.图3a至图3c示出了由本发明的一个实施方案中的安全特征提供的视觉效果，所述安全特征包括具有不同程度的表观放大的区域。
42.图4a和图4b示出了由本发明的另一个实施方案中的安全特征提供的视觉效果，所述安全特征具有放大区域和未放大区域两者。
具体实施方式
43.现在将描述某些示例性实施方案，以提供对本文所公开的装置、系统和方法的结构、功能、制造和使用的原理的全面理解。在附图中示出了这些实施方案的一个或多个实例。本领域技术人员应当理解，本文具体描述和附图中示出的装置、系统和方法是非限制性的示例性实施方案并且本发明的范围仅由权利要求限定。结合一个示例性实施方案示出或描述的特征可与其他实施方案的特征组合。此类修改和变化意图包括在本发明的范围内。
44.通过修改图标矩阵大小进行莫尔放大
45.在一个实施方案中，本发明提供了一种用于设计用于安全特征的印刷图像的方法。所述方法依赖于将安全特征的印刷图像设计成具有有效间距，所述有效间距不是由图标的物理间隔或微光学阵列相对于图标的旋转决定的，而是通过提供包括重复的图标集的印刷图像来决定的，每个集包括大小略有不同的图标。这提供了图标间距相较于透镜间距的有效差异。
46.从图2可了解本发明，该图示出了一系列印刷图标210、211的横截面视图，该系列印刷图标是在以间距225隔开的一系列微透镜220下方。应当了解，每个图标210、211由多个像素230组成。还应当了解，每个图标都是二维像素矩阵，为了便于理解，图2中仅示出了一个维度。在本发明的安全特征中，像素230的数量在与特定图标210、211相关联的矩阵之间变化。例如，可看到，图标211的矩阵比图标210的矩阵多一个像素。以此方式，对应于图标的矩阵的大小发生变化，并且可提供图标间距相较于透镜间距的有效差异。
47.每个图标都被设计为二维像素矩阵。图标设计中像素的数量决定了印刷后图标的大小。例如，如果图标被设计为28x28像素的图标矩阵，并且每个像素被印刷为2.5μm的正方形，则所得图标的大小将为70μm。
48.代替提供相同大小的图标矩阵的阵列，在本发明中，印刷图像被设计为重复矩阵集的阵列。每个集包括对应于图标矩阵的多个矩阵(在以上实例中，宽度为28个像素)，以及与图标矩阵大小不同的至少一个矩阵。以此方式，矩阵的平均大小不同于图标矩阵的大小(这将是矩阵的模态大小)。通过设计，矩阵的模态大小将对应于阵列内光学元件的间距。矩阵的平均大小将决定印刷图像内图标的有效间距。与上面背景部分中描述的现有技术的印刷图像设计相比，在印刷后，本发明中的平均矩阵大小将等同于图标间距，而本发明中的模态矩阵大小将等同于图标大小。也就是说，模态印刷矩阵大小与平均印刷矩阵大小之间的差异将等同于计算放大倍率m＝p
l
/δ中的量δ。
49.就上面的实例来说，矩阵阵列可被分组成三个矩阵的集，其中两个矩阵被设计为
图标矩阵(即，宽度为28个像素)，而第三个矩阵在宽度上额外有一个像素，以给出以下序列：
…
，28，28，29，28，28，29，...。在这种情况下，阵列中跨矩阵的图标的平均宽度为28.33个像素。在以每像素2.5μm印刷后，这对应于70.83μm的平均矩阵大小，而模态矩阵大小或图标矩阵大小为70μm。通过设计，模态矩阵大小对应于覆盖透镜阵列中透镜元件的间距。
50.因此，图标阵列的有效间距与透镜元件的间距相差0.83μm。这产生了以下放大倍率：m＝p
l
/δ＝ 84x。这将给出以下视觉效果：图标被放大到其原始大小的84倍并且设置在相较于安全特征本身的平面远离观察者的平面上。
51.应当了解，第二矩阵类型可能具有比图标矩阵少一个的像素(而不是多一个像素)，使得平均矩阵大小以及因此图标阵列的有效间距小于透镜元件的间距。在这种情况下，放大倍率的符号会被反转，从而给出平面接近观察者的视觉效果。
52.应当了解，虽然已经参考矩阵中像素列的添加或省略描述了上面的实例，但是在一些实施方案中将添加或省略像素行。在其他实施方案中，行和列都被省略。
53.第一类型的矩阵和第二类型的矩阵的像素值可以各种方式确定。例如，第二类型的矩阵的像素值可能对应于作为图标矩阵的缩放版本的图像，所述缩放版本大于或小于图标矩阵。替代地，第二类型的矩阵可为图标矩阵的裁剪版本，也就是说，除了移除了一个或多个像素列和/或行之外，它可能对应于图标矩阵。替代地，第二类型的矩阵可为图标矩阵的具有额外填充或空白的版本，也就是说，除了具有一个或多个额外像素列和/或行之外，它可能对应于图标矩阵。
54.替代地，代替第一矩阵类型是图标矩阵，第一矩阵和第二矩阵中的每一者可能单独来源于图标矩阵设计。例如，第一矩阵和第二矩阵各自可能是同一图标矩阵的缩放版本，具有不同的比例因子，使得它们具有不同的大小。
55.与现有技术的安全特征相对比，图标间距与透镜间距之间的有效差异不再由最小印刷分辨率决定；相反，它是由重复序列内的平均矩阵大小决定的，所述重复序列可包括更大数量的图标矩阵，从而进一步缩小平均矩阵大小与模态矩阵大小之间的差异。
56.此外，由于图标间距与透镜间距之间的有效差异是通过印刷设计，而不是通过印刷图像与透镜阵列之间的取向差异实现的，因此可在安全特征的不同区域中提供不同的有效间距差异(以及因此不同的放大效果)。
57.在安全特征中，期望提供独特而复杂的视觉效果。较独特的视觉效果更容易被安全装置的观察者辨识以确定给定文件是否可靠。视觉效果越复杂，产生安全特征的仿冒副本可能就越困难。
58.在设计中展示不同放大倍率的安全特征
59.如上文所讨论，通过上文描述的方法，可设计安全特征，使得整个图像上的不同区域可具有不同的有效放大程度。在本发明的一方面，印刷图像可被设计成使得安全特征的不同区域展现出不同的表观放大程度。因此，有可能提供特别独特而复杂的视觉设计。
60.例如，参考图3a至图3c，设计300可被分成由第二框架部分320包围的第一中心部分310。通过图3b所示的第一实例，中心部分310可具有带有
‘
正’符号的放大倍率的第一设计(在上文的约定中)，从而显现为远离观察者，即看起来好像在安全特征的平面
‘
后方’的平面。框架部分320可能具有
‘
正’符号，但小于中心部分的放大倍率，使得它看起来好像在远离观察者，但在相较于中心部分更靠近安全装置的平面的深度处的平面上。以此方式，框
架部分看起来好像漂浮在中心部分
‘
上方’。
61.通过图3c所示的另一实例，第二部分可能被设计成具有与第一部分不同符号的放大倍率。例如，框架部分可能被设计成具有
‘
负’符号的放大倍率并且因此看起来好像在接近观察者，即看起来好像在安全特征的平面
‘
上方’的平面上。
62.通过图4所示的另一个实例，可通过印刷图像的看起来好像根本没有放大并因此看起来好像位于安全特征本身的平面上的部分来进一步增强所述设计。如图所示，设计400可包括具有正符号的放大倍率的第一中心部分410，使得它看起来好像在远离观察者的平面上。它被第二框架部分420包围，所述第二框架部分具有
‘
负’符号的放大倍率并且因此看起来好像在接近观察者的平面上。第三部分440被设计成根本没有表观放大并且因此看起来好像位于安全特征本身的平面430上，在第一部分410与第二部分420的平面之间。
63.提供没有表观放大的部分440的一种方式是将印刷图像设计为与微透镜相比更大的设计特征。在上面的实例中，未放大部分440是图像中心的宏观尺度圆形设计。由于所述设计与微透镜相比更大，每个微透镜下方的像素将基本上是均匀的(即，微透镜下方的基本上所有的像素都将具有基本上相同的像素值)，并且因此，在该微透镜处的图像的外观不会随着观察角度的变化而出现变化。因此，未放大部分将显现为安全装置的平面430处的静止图像。
64.可增强这种设计的另一方式是通过将印刷图像设计成具有产生动画对象的部分来实现，所述动画对象位于安全特征的平面上。再次参考图4，这可通过设计印刷图像，使得印刷图像的对应于设计的未放大部分的区域440提供未放大的动画设计来实现。在这种情况下，在区域440内，每个透镜下方的像素各自对应于动画的不同
‘
帧’，其中动画的不同帧的像素在透镜下方交错。也就是说，设计的未放大部分延伸到多个透镜上，并且在每个透镜下方，矩阵可能是例如28x28的像素矩阵。这可能在概念上被划分为14x14的
‘
设计’像素矩阵(即，每个像素的高度和宽度是印刷像素的两倍)。设计的未放大部分被设计成使得其具有14x14＝196个动画帧。对于动画的每一帧，每个透镜都将与特定的像素值相关联，该像素值被分配给该透镜下方的对应的帧像素。以此方式，对应于动画的不同帧的图像的像素值在设计的对应于动画对象的区域上交错。
65.因此，当用户从不同角度观察安全特征的这个部分时，将观察到一组不同的交错像素，其中这些像素对应于动画的特定帧。例如，根据动画的帧，设计的未放大部分可能会向用户显示不同的颜色，使得当用户改变其观察设计的角度时，设计的未放大部分通过不同的颜色循环。替代地，每一帧可为简单的运动动画的帧，以给出图像的未放大部分在安全特征倾斜时处于运动状态的外观。
66.产生印刷图像、安全特征或安全文件的方法
67.在另一个实施方案中，公开了一种产生安全特征中的印刷图像的方法，所述方法包括：根据本文详述的任何方法设计安全特征中的印刷图像；以及制作安全特征。
68.为了制作安全特征，通常会印刷图像。将微光学元件(诸如微透镜)阵列覆盖到印刷图像上。替代地，可将图像印刷到衬底的背面上，在所述衬底的正面上是微光学元件阵列。进一步替代地，可使用激光印刷工艺通过微光学阵列印刷所述印刷图像。进一步替代地，安全特征可能通过以下方式来制作：将特征压印到衬底的背面中并且用墨水填充那些特征以便提供印刷图像。
69.在另一个实施方案中，公开了一种安全特征，所述安全特征包括印刷图像，其中印刷图像根据本文详述的任何方法来设计。在一些实施方案中，安全特征还可包括光学元件阵列。在另一个实施方案中，安全文件可包括本文公开的安全特征。在一些实施方案中，安全文件可为纸币。在其他实施方案中，安全文件可为护照、驾驶执照、身份证或其他政府文件中的任一者。
70.计算机可读指令
71.在另一个实施方案中，公开了一种非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质存储计算机可读指令，所述计算机可读指令在执行时使包括处理器的机器执行本文公开的任何方法。