(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの透明なカバー層（２）と一つの保護層（５）とから成る積層体（１）に埋め込まれる複数の表層区域（８、９、１５、１６、１７）から成る、目視可能なモザイクを備える表層パターン（１８）であって、前記一つの表層区域が透明ウィンドウー（９）を成し、他の表層区域（８、１５、１６、１７）が少なくとも一部が反射層（３）に覆われた鏡面（８）、微細レリーフ構造体（４，４‘）を有する光回折面（１５、１６）、および入射光ビーム（１０）を散乱する表層区域（１７）から成る表層パターンにおいて、
辛うじて目に見える光の波長の内、最も短い波長である可視スペクトル限界波長（λＧ）に対し、座標ｘ、ｙで規定されるエリア（１６）の光回折面（１５、１６）の少なくとも一つにおいて、前記微細レリーフ構造体が、前記限界波長（λＧ）との積（Ｐ）が１以上となる高空間周波数（ｆ）を有する格子構造体（Ｇ{ｘ、ｙ}）に基づくプロフィール（２１）を有するＺＯＭ構造体（４’）を成し、
前記少なくとも１つの光回折面以外の光回折面（１５）において、前記限界波長（λＧ）との積（Ｐ）が１未満となる別の空間周波数を有する別の微細レリーフ構造体（４）が存在し、
前記座標（ｘ、ｙ）で規定される前記エリア（１６）の各位置において、前記ＺＯＭ構造体（４‘）のプロフィール（２１）が、前記高空間周波（ｆ）を有する前記格子構造体（Ｇ{ｘ、ｙ}）に変調関数（Ｈ{ｘ、ｙ}）を乗じることにより定められるものであり、前記プロフィールが、当該変調関数（Ｈ{ｘ、ｙ}）の低周波数（Ｆ）の包絡線面（２８、Ｈ{ｘ、ｙ}）により変調される光学的に有効なプロフィール高（ｈ）を有するものであること、及び、前記変調関数の前記低周波数（Ｆ）が５周期/ｍｍ未満であることを特徴とする表層パターン。
【請求項２】
前記包絡線面（２８、Ｈ{ｘ、ｙ}）によって、前記プロフィール高（ｈ）が０から、１５０ｎｍより大きいが１２００ｎｍ未満である最高値までの値に決定され、前記ＺＯＭ構造体（４’）を有する前記エリア（１６）が反射サブエリア（２４、２４’）を備えることを特徴とする請求項１記載の表層パターン（１８）。
【請求項３】
前記プロフィール高（ｈ）の前記変調関数（Ｈ{ｘ、ｙ}）が、定数項（Ｋ）を有し、前記包絡線面（２８、Ｈ{ｘ、ｙ}）を有する前記プロフィール（２１）が、最小プロフィール高Ｋに達し、前記定数項（Ｋ）は、５０〜２００ｎｍの範囲の値を有し、該包絡線面（２８、Ｈ{ｘ、ｙ}）が、該プロフィール高（ｈ）に対し、Ｋから、１５０ｎｍより大きいが１２００ｎｍ未満である最高値までの値をとり、前記ＺＯＭ構造体（４’）を有する前記エリア（１６）が反射サブエリア（２４、２４’）を有しないことを特徴とする請求項１記載の表層パターン（１８）。
【請求項４】
前記包絡線面（２８、Ｈ{ｘ、ｙ}）が周期性を帯びる三角関数であることを特徴とする請求項２または３記載の表層パターン（１８）。
【請求項５】
前記包絡線面（２８、Ｈ{ｘ、ｙ}）が周期性を帯びる一次関数であることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の表層パターン（１８）。
【請求項６】
前記二次元包絡線面（２８、Ｈ{ｘ、ｙ}）が、特定の方向（ｚ）に対し一次元関数（Ｈ{ｚ}）であり、前記ＺＯＭ構造体（４’）を有する前記エリア（１６）が反射光（１４）において帯状の色彩および/またはグレーバリューパターンを呈することを特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載の表層パターン（１８）。
【請求項７】
前記二次元包絡線面（２８、Ｈ{ｘ、ｙ}）が、一つの座標軸（ｘ）方向のみを変化させるサブ関数（Ｈ１）と他の座標軸（ｙ）方向のみを変化させるサブ関数（Ｈ２）との積であり、前記エリア（１６）が反射光（１４）においてチェスボードに似た規則的な色彩および/またはグレーバリューパターンを呈することを特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載の表層パターン（１８）。
【請求項８】
前記パターンの色彩および/またはグレーバリューの寸法が観察条件に依存し、軸を中心に前記エリア（１６）の面を傾けることによって変化することを特徴とする請求項６または７項記載の表層パターン（１８）。
【請求項９】
前記包絡線面（２８、Ｈ{ｘ、ｙ}）の一周期が、空間周波数（ｆ）を有する前記ＺＯＭ構造体（４’）の多数の周期Ｍを含み、前記パターンがＭ/ｆｍｍの間隔で繰り返されることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の表層パターン（１８）。
【請求項１０】
前記格子構造体（Ｇ{ｘ、ｙ}）が関数sinb(ｚ)(2πfz)に比例し、該ｂ（ｚ）が、前記座標（ｘ、ｙ）によって規定される前記エリア（１６）の特定の方向（ｚ）において少なくとも区域毎に規則的な関数であることを特徴とする請求項１記載の表層パターン（１８）。
【請求項１１】
少なくとも一つの透明なカバー層（２）と一つの保護層（５）とから成る積層体（１）に埋め込まれる複数の表層区域（８、９、１５、１６、１７）から成る、目視可能なモザイクを備える表層パターン（１８）であって、前記一つの表層区域が透明ウィンドウー（９）を成し、他の表層区域（８、１５、１６、１７）が少なくとも一部が反射層（３）に覆われた鏡面（８）、微細レリーフ構造体（４，４‘）を有する光回折面（１５、１６）、および入射光ビーム（１０）を散乱する表層区域（１７）から成る表層パターンにおいて、
辛うじて目に見える光の波長の内、最も短い波長である可視スペクトル限界波長（λＧ）に対し、少なくとも一つの光回折面（１５、１６）であって、座標ｘ、ｙで規定されるエリア（１６）において、前記微細レリーフ構造体が、前記限界波長（λＧ）との積（Ｐ）が１以上となる空間周波数（ｆ）を有するＺＯＭ構造体（４’）を成し、
前記少なくとも一つの光回折面以外の光回折面（１５）において、別の空間周波数（ｆ）を有する別の微細構造体（４）が存在し、当該別の空間周波数が、前記限界波長（λＧ）との積（Ｐ）が１未満となる条件を満たすものであり、
前記座標（ｘ、ｙ）で規定される前記エリア（１６）の各位置において、前記ＺＯＭ構造体（４’）が、プロフィール（２１）を有するレリーフを有してなり、その光学的に有効なプロフィール高（ｈ）が関数（Ｓ｛ｘ，ｙ｝）により決められ、当該関数（Ｓ｛ｘ，ｙ｝）が第一周期関数（Ｇ１）と第二周期関数（Ｇ２）とを重畳したものであり、振幅（Ａ）を有する前記第一関数（Ｇ１）が前記ＺＯＭ構造体（４’）の空間周波数（ｆ）を決定し、前記第二関数（Ｇ２）が前記第一関数（Ｇ１）の第二高調波であって、前記振幅（Ａ）の１／２の振幅を有し、前記第一関数（Ｇ１）に対し位相（θ）だけずれて成り、前記二つの関数（Ｇ１、Ｇ２）および前記位相（θ）が前記座標（ｘ、ｙ）に依存する関数であることを特徴とする表層パターン（１８）。
【請求項１２】
前記位相（θ）が周期関数（θ）であり、該関数の一周期が空間周波数（ｆ）を有する前記ＺＯＭ構造体（４’）の多数の周期Ｎを含み、前記ＺＯＭ構造体（４’）のレリーフがＮ/ｆｍｍの間隔で繰り返されることを特徴とする請求項１１記載の表層パターン（１８）。
【請求項１３】
前記位相（θ）が、前記座標（ｘ、ｙ）で規定されるエリア（１６）の特定方向（ｚ）に沿って、１ｍｍ当たり９０〜７２０°の速度で変化することを特徴とする請求項１１記載の表層パターン（１８）。
【請求項１４】
前記二つの関数（Ｇ１、Ｇ２）のグレーティングベクトルの角度が、絶対値で１０°未満であることを特徴とする請求項１１記載の表層パターン（１８）。
【請求項１５】
ＺＯＭ構造体（４’）を有するエリア（１６）が、一定の距離、光回折機能を有する表層区域（１５）と共通の境界（１９）を有することを特徴とする請求項１または１１いずれか１項記載の表層パターン（１８）。
【請求項１６】
前記エリア（１６）内の区域（３２）が情報を形成し、該区域のＺＯＭ構造体（４’）が、前記エリア（１６）内の他の区域のＺＯＭ構造体（４’）と、入射光ビーム（１０）に対する偏光機能の点だけが異なることを特徴とする請求項１または１１いずれか１項記載の表層パターン（１８）。
【請求項１７】
前記エリア（１６）に隣接して、入射光ビーム（１０）を回折または反射するマーキング表層（２６”）を備え、該マーキング表層（２６”）が、所定の観察方向（２３）から見たとき、前記ＺＯＭ構造体（４’）の色彩および/またはグレーバリューパターンの鏡面反射が色彩反射に変化する限界点を特定し、別の観察条件において、前記マーキング表層（２６”）に対し、前記遷移点が移動することを特徴とする請求項１または１１いずれか１項記載の表層パターン（１８）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の属する技術分野
本発明は請求項１および１１の前提部に記載の類に属する表層パターンに関するものである。
【０００２】
前記表層パターンは微細なレリーフ構造をしており、有益な書類や、有価証券、債権、パス、支払手段、その他金銭的価値があるものの偽造を防止し、セキュリティ・レベルを向上するセキュリティー素子として適している。
【０００３】
関連技術
請求項１の前提部に記載の類に属する表層パターンは、国際公開第 87/07034号パンフレットに記載されている。前記パターンは光学的に有効な回折構造を有する三つの表層区域を備えている。空間周波数fを有する前記のような構造体は、波長λに応じた回折角αをもって可視光を回折する。前記三つの表層区域から成る構造体の溝プロフィールの高さｈは各表層区域共一定であるが、誰の目にも第一の表層構造体が青色光、第二の表層構造体が緑色光、第三の表層構造体が赤色光をそれぞれ回折し、それぞれの場合、突然見えなくなるか、または最小限度の回折効果を有するようにそれぞれの表層区域が構成されている。前記構造体の溝と平行する軸を中心に前記パターンを傾けると、第一の視角において前記第一の表層区域が暗く見え、第二の視角において前記第二の表層区域が暗く見え、第三の視角において前記第三の表層区域が暗くみえる。即ち、前記表層パターンを連続的に傾けると、暗い表層部の位置が突然変化する。前記光学的効果は一次回折においてのみ見られるため、前記空間周波数fには上限がある。
【０００４】
国際公開第 98/26373号パンフレットは、視角によって明暗の度合いが変化する回折格子を使用した表層パターンについて記述している。前記回折格子のプロフィールの高さは、変調関数によって異なり、空間周波数fは少なくとも一次回折が起きるような周波数が選択されている。
【０００５】
欧州特許出願公開第0 712 012号明細書は、ラッカーで表面を塗装した回折構造体素子を有し、空間周波数fが2000本/mmを越える表層パターンについて記述している。前記のような空間周波数の場合、ラッカー塗料−空気−インタフェースそれぞれの間の総反射量が大きいため、一次回折においても回折構造体で回折した可視光がラッカー層に閉じ込められることが指摘されている。前記回折構造体はマスクを用いて異方性エッチングにより作成される。前記回折構造体のプロフィールの高さhは、前記マスクの開口寸法、即ち、透明な表面と不透明な表面とのデューティレシオに左右され、実際の寸法は前記エッチング・プロセスの統計に基づくものとなる。この理由は、前記エッチング・プロセスには予想不可能なことが発生し、所定のパターン通りに前記回折構造体を加工することができないためである。ホログラフの複製は原ホログラフと同様の回折性能を有する。何故なら、原ホログラフそのものが厳密に規定されておらず、素人の目から見ると原ホログラフと複製との違いが殆ど判別できないためである。
【０００６】
一方、欧州特許第0 105 099号、第0 330 738号および第0 375 833号明細書は、傾斜角および/または回転角によって一連のパターンまたは像が見えるように構成された種々の回折構造体から成るモザイク風の表層区域を有する表層パターンを開示している。光回折効果を有する前記表層パターンは、透明な二つのプラスチック層に挟まれている（スイス国特許発明第678 835号明細書）。
【０００７】
本発明の目的は、高空間周波数の作用を利用し、明確に認識できるパターンを有し、偽造および複写が不可能な回折構造体を提供することである。前記目的は請求項１および１１記載の特徴的な機能によって達成される。効果的な構成方法は従属請求項に記載してある。
【０００８】
発明の実施の形態
以下本発明の実施の形態について、添付図を使用し、例に基づき詳細に説明する。
【０００９】
図１において、符号１は積層体、符号２はポリマーから成る透明なカバー層、符号３は反射層、符号４は微細レリーフ構造体、符号５はポリマーから成る保護層、符号６は基体をそれぞれ示す。保護層５の表面は反射層３と隔たっており、接着層７またはそれ自身が接着機能を有する保護層に覆われている。低温溶融または高温溶融接着剤が前記接着剤として適しており、いずれを使用するかについては、表層パターンの使用目的に左右される。微細レリーフ構造体４がカバー層２の内部に形成されており、反射層３に覆われている一方、構造化されていない表層区域８は、鏡面8として反射層３に覆われ、また構造化されていない表層区域９は、透明窓９として反射層３には覆われていない。保護層５が透明窓９を通して目に見え、保護層５も透明の場合には、積層体の下に基体１がかすかに見える。
【００１０】
微細レリーフ構造体４は、並行直線または曲線状の溝から成る光学的に有効な回折格子であり、少なくとも局部的にはパラメータによって規定される周期構造をしている。前記パラメータのうち、最も重要なパラメータは、特定の方向に対する方位角、空間周波数f、即ち１ｍｍ当りの溝の本数、レリーフのプロフィール形状および高さhである。微細レリーフ構造体４のプロフィールの幾何学的な高さhGと光学的に有効な高さhとを混同しないようにする必要がある。屈折率がｎである、カバー層２の材料がレリーフ構造体の溝を埋めている場合、前記幾何学的hGに屈折率ｎを掛けた値が光学的に有効な高さhとなる。以下、前記レリーフのプロフィール高ｈは、常に光学的に有効な高さｈを意味するものとする。
【００１１】
人間の目が知覚できる光の波長は、380（紫）〜780 nm（赤）の範囲である。
【００１２】
積層体１の垂線１１に対しαの角度で微細レリーフ構造体４に入射する光ビーム１０は、反射層３で該一部が反射および回折される。カバー層２の屈折率ｎが一般的な値である１．５の場合、入射光ビーム１０がカバー層２の表面で屈折してから、微細レリーフ構造体に衝突し回折する。回折した光１２は、回折オーダに従って微細レリーフ構造体４を離れ、反射光１４はゼロ回折オーダ光として方向１３に向け積層体１を離れる。前記以外には、反射光ビーム１４に対し角度βの回折オーダ光がある。前記角度βは、関数sinβ = m・λ・f＋sin(βIN)で求められる。ここで、ｍは回折オーダの次数、λは入射光ビーム１０の波長、fはレリーフ構造体４の空間周波数である。回折光１２がカバー層２と空気との界面にarcsin（１/n）を越える角度γで衝突すると、回折光１２は完全に反射され、複数回反射を繰り返した後、もはや予測不能な方向に向け積層体１から出て行く。しかし、限界波長λGと空間周波数fとの積が１以上になると、それ以上の回折は起こらない。限界波長λGは使用する光源によって異なる。自然光の下で観察する場合には、限界波長λGを可視スペクトルの紫域から都合の良い周波数、例えば３８０nmを使用することができる。前記の場合、最少空間周波数が２６３０本/mmとなる。
【００１３】
その一方、光は反射層３でよく反射される。この場合、微細レリーフ構造体４の高さの違いによって光の経路長に違いが生じる。即ち隣り合う点で反射する光ビーム１４の間に位相差が生じる。位相差を有する反射光ビーム１４間の干渉により、該光ビームの強度が該波長λに応じた影響を受ける。従って、白色光を初め、任意の波長の光が増幅、減衰、または消滅する。それ以上の回折が起こらず、ゼロ回折オーダにおいて前記干渉の影響のみが見られる状態にある微細レリーフ構造体を“ゼロ・オーダ微構造”またはＺＯＭという。以下、条件λ・f≧１を満足する微細レリーフ構造体をZOM構造体４’と呼ぶ。表層がZOM構造体４’で占められており、該構造体のプロフィールの高さｈが該表層にわたり一定であるとき、一方向から入射する光ビーム１０の白色光に積層体１が照らされると、前記表層にグレーバリュー、または前記プロフィールの高さhと反射層３の材料とによって決まる色彩が現れる。その一方、前記表層の表面軸を中心に該表層を傾けると光学的に有効なプロフィールの高さhが変化し、それに伴い色彩および色相、即ちグレーバリューが変化する。通常の散乱光照明の場合、入射光１０は積層体１の半スペース全体にわたり、微細レリーフ構造体４に入射し、該積層体１の該半スペースに向け同じ分布で該積層体を離れる。ZOM構造体４’の場合、傾斜角によって異なるが、方位角には左右されない色彩が該表面に現れる。方形プロフィールを有するZOM構造体４’の場合、色彩が豊富であることから浮き出て見える。前記事実は、自然界でも知られている。例えば、モルフェウス科の蝶の羽がそうである。
【００１４】
ZOM構造体４’は可視光線の波長λより小さい、１/fのライン間隔を有している。スカラー理論で定性的にZOM構造体４’の回折動作を説明することはできない。電磁理論をそのまま適用し、R. Petit（エディター）著“Electromagnetic Theory of Gratings”（Springerverlag、Heidelberg 1980）に記載されている綿密な計算によってのみ説明できる。スカラー理論で説明できない理由は、光の性質がTE偏光とTM偏光とで全く異なるからである。
【００１５】
ZOM構造体４’の溝と電界の方向が平行であるTE偏光の場合、ZOM構造体４’が鏡の機能を果たし、反射光ビーム１４の方向に光を反射するように反射層３に表層電流が流れる。経験則的に述べられているが、TEフィールドはZOM構造体に浸透せず、従ってZOM構造体の機能が発揮されない。プロフィールの高さｈが０〜３５０nm、またはそれ以上の金属材料から成るZOM構造体４’は、プロフィールの高さｈとは無関係に殆ど一定の反射率を有している。
【００１６】
ZOM構造体４’の溝に対し電界の方向が垂直であるTM偏光の場合、反射層３に前記のように容易には表面電流が発生しない。TMフィールドがZOM構造体の奥深く浸透し、そこでのみ光が反射される。その結果、プロフィールの高さｈが、０〜約３５０nmにおいて、金属材料から成るZOM構造体４’の反射率が、該プロフィールの高さｈに応じて大幅に低下する。
【００１７】
条件λ・f＜１を満足する一般的な回折構造体と異なり、一定の観察条件の下で知覚できるZOM構造体４’の色彩は、回折方程式では求めることができない。ZOM構造体４’の色彩は該構造体の材料、プロフィールの形状と高さｈ、前記電界の方向等によって異なり、一般にスペクトル色ではない。反射層３が金属から成る場合、ZOM構造体４’に白色光を当てると灰色、即ち金属色相が現れる。交差回折格子を使用すると、前記表面電流の発生を抑制することができ、ZOM構造体４’はほんの僅かしか光を反射しない。金属反射層３を有するZOM構造体４’は、どの角度から見ても黒く見える。誘電反射層３は前記とは異なる作用をする。垂線１１を中心に金属反射層３を有するZOM構造体４’を回転すると、該ZOM構造体４’は色むら効果を発揮する、即ち方位角によって色彩が変化する。
【００１８】
λ・ｆ≧１を満足する前記のようなZOM構造体４’の効果は、欧州特許第0 105 099号、第0 330 738号および第0 375 833号明細書記載の既知の回折格子表層面を有するモザイクとは全く異なり、観察条件とは無関係に常に色彩または灰色の陰影が見えることである。
【００１９】
微細レリーフ構造体４が周期構造を成しておらず、入射光の波長λより大きい寸法を有している場合には、回折は起こらないが光の散乱が生じる。プロフィールを適切な形状にすることにより、希望する方向に光を散乱させることができる。希望する方向に光が散乱するようになっていない部分の散乱面は、方位角とは無関係に灰色に見え、希望する方向に光を散乱させるようになっている部分の散乱面は見る角度により明るく見えたり、暗く見えたりする。
【００２０】
図２は表層パターン１８を表層区域８、９、１５、１６および１７に分割して示したものである。光回折面１５は、条件λ・ｆ＜１を満足する回折構造体を有し、少なくとも方位角と空間周波数ｆが他と異なる。一方、微細レリーフ構造体４の座標xとyで規定されるエリア１６は、条件λ・ｆ≧１を満足している。表層区域８、９、１５および１７が並列に配置されているため、表層区域８、ウインドー９、光回折面１５、ZOM構造体４’（図１）を含むエリア１６および散乱面１７を傾けると、または回転するとそれぞれが全く異なる光学作用を発揮するため、顕著な相互作用が得られる。前記表層パターンにおいて、散乱面１７が正確なマーキングとして適切である間、前記エリア１６が、例えば光回折面１５の基準面となり、あるいはその逆の役割を果たす。
【００２１】
図３Ａは最も単純な表層パターン１８の実施の形態を示したもので、少なくとも散乱面１７と、境界１９と並列に配置されているエリア１６とから成っている。前記エリア１６内のZOM構造体４’（図１）は金属反射層３（図１）および境界１９に沿う単純距離数ミリメータにわたり、０から約３００nmまで変化するプロフィール高h（図１）の正弦関数として機能する。散乱光照明の場合、散乱面１７も優先散乱方向２０を有しているので、表層パターン１８の３軸を中心に回転または傾斜すると、所定のグレーバリューを得ることができる。従って、境界１９の位置１９’において、ZOM構造体４’と散乱面１７のグレーバリューが同じとなり、コントラストがなくなる。例えば図３Bのように表層パターン１８を回転して方向を変えると、表層区域１６および１７のグレーバリュー、または金属色相が変わるので、境界１９の別の場所19”でコントラストがなくなる。エリア１６のプロフィールの高さｈが局部的にゆっくり変化すれば、目では容易に確認できるが複写を困難にする機能を備えることができる。
【００２２】
図４はZOM構造体４’（図１）のプロフィール２１である、Ｓ(ｚ）を示したものである。該プロフィール２１は、振幅がＡの正弦波回折格子構造体である、Ｇ(z) = 0.5・A・[１+ sin(2πfz)]に立脚している。前記回折構造体のプロフィール高ｈが、関数Ｈ(ｚ)で変調されている。エリア１６内（図３）のプロフィール高ｈは、ｚ方向に沿って、例えば、一次関数Ｈ(ｚ)に応じて変化する。前記方向ｚは、例えば、回折格子構造体Ｇ(ｚ)のグレーティングベクトルと平行な方向である。包絡線２２、即ち関数Ｈ(ｚ)は、例えば、複数の直線部分から成る周期的な鋸波の包絡線であり、関数Ｈによってプロフィールの高さｈが０から最高値まで変化する。従って、ZOM構造体４’が、関数Ｓ(ｚ) = Ｇ(ｚ)・Ｈ(ｚ)のプロフィール２１を有する。前記関数の特別なケースというのは、エリア１６内において、該関数がエリア１６の一方の端から反対側の端までの経路ｚの一周期のみの値をとる場合である。
【００２３】
図５はZOM構造体４’（図１）の別のプロフィールを示したものであり、この場合は、正弦波回折格子構造体Ｇ(ｚ) = 0.5・A・[１+ sin(2πfz)]を、関数Ｈ(ｚ) = sin2(2πFz)の包絡線２２で変調したものである。ここで、Ｆは包絡線２２の周波数である。前記プロフィール２１は関数Ｓ(ｚ) =  0.5・A・[１+ sin(2πfz)]・sin2(2πFz)の値をとる。
【００２４】
図６は定数項Ｋを有するプロフィール高ｈの関数Ｈ(ｚ)を示したものである。つまり、関数Ｈ(ｚ) = sin2(2πFz) + ２００nmの包絡線２２を示したものである。ZOM構造体４’（図１）のプロフィール２１は、エリア１６（図３）においてのみ最小プロフィール高、Ｋ= ２００nmに達する。前記最小プロフィール高は０〜３００nmの範囲で選定される。回折格子構造体Ｇ(ｚ)を変調するのに適するすべての関数は、前記定数項Ｋをとることができる。少なくとも５０nm、より好ましくは１００〜２００nmの最小プロフィール高Ｋの領域を有すると、適切なプロフィールが存在しない場所をなくすことができる。該場所では、入射光のすべてのスペクトルが反射される。前記のようなZOM構造体４’を有するエリア１６には、異なる干渉条件に対応する色彩の異なる領域が存在する。例えば、プロフィール高ｈ= Kの領域では青色成分が欠落し、プロフィール高ｈが大きくなるに従い、より波長の長い光が消えていく。例えば、プロフィール高ｈが約２５０〜３００ｎｍで緑色成分が消え紫色に見える。
【００２５】
一般に、表層パターン１８（図２）がよく見えるようにするためには、特定方向ｚに向け、プロフィールの高さをゆっくり変化させることが必要である。つまり、前記包絡線周波数Ｆを空間周波数ｆよりはるかに低く設定する一方、空間周波数ｆの値を２４００本/mmを越える値とし、前記包絡線周波数Ｆを５周期/mmを越える値とすることが望ましい。プロフィール２１および包絡線２２を示す図５〜７では、図解の意味からZOM構造体４’のプロフィールの周期を僅かしか示していない。これ等の例では、プロフィール高ｈをミクロンで示し、ｚ方向の距離をミリメートルで示している。実際には、空間周波数ｆは包絡線２２の周波数Ｆより遥かに高い、即ち、プロフィール高ｈが、個々の不均一な場所を除き、位置(ｘ、ｙ)に応じてゆっくりと変化する。ZOM構造体４’を有するエリア１６（図２）が自然光に照らされると、それぞれの場所における包絡線２２の値に応じた色彩またはグレーバリューが現れる。従って、包絡線２２の周期性により、周波数Ｆに応じた周期パターンが現れる。補助手段なしで容易にパターンを知覚できるようにするためには、包絡線２２の周期を少なくとも０．２ｍｍを越える値にする必要がある。包絡線２２の一周期には、特定方向ｚに沿ったミリメートル当たりの間隔に、空間周波数ｆによって決まる多数のプロフィール２１の周期が含まれている。
【００２６】
既に説明したように、ZOM構造体４’には強い偏光作用がある。偏向光または非偏向光照明の下で偏光フィルター３１（図１）を通してZOM構造体４’を見ると、偏光フィルター３１を回転することによって反射光のTE成分が除かれたとき、プロフィールの高さおよび/または形状の変化によってエリア１６に生じたパターンが、コントラストが強調されて現れるか、または鮮明な色彩を帯びて現れる。例えば、エリア１６内の区域３２（図２）は、背景面となる該領域内の別の区域のZOM構造体（４’）とは異なるZOM構造体（４’）を有している、即ち偏光特性が異なっている。表層区域３２が情報を帯びたコードの場合、例えばバーコードの場合、非偏光モードで入射する光１０（図１)で該コードを見ることはできない。何故なら表層区域３２とエリア１６の背景面との間にコントラストがないからである。偏向光１０を当てて初めて充分なコントラストが得られ、表層区域３２のコードが見える。前記のようなコードは機械読取りに適している。コードの代わりに、複数の表層区域３２から成るスクリプト、図形や紋様、または画像であってもよい。きめの細かいラスターから成る表層区域３２を使用した一つの実施の形態では、エリア１６に情報を含めたが、適切なラスター密度を選択することにより、前記情報のグレーレベルも再現することができた。
【００２７】
エリア１６の一区域のプロフィール高ｈが０〜８０nmの範囲内である場合、該区域の前記プロフィール２１が小さ過ぎて回折効果を得ることができない。従って、前記区域は観察条件に応じ入射光１０を反射する。図７、８Aおよび８Bは、前記のことを説明する簡単な例で、表層パターンを構成する際に、プロフィール高ｈを低周波数で変調した場合を示している。図７はZOM構造体４’（図１）の断面であって、前記の鏡区域から有効インタフェース構造に遷移する領域における、前記プロフィール２１を図示したものである。エリア１６の平面図、図８Aおよび８Bに示すように、プロフィール２１は特定方向ｚに対し直角の方向に延びている。エリア１６の境界１９の一部が別の区域、例えば、光回折面１５に接している。図８Aの平面に対し実質的に直角の方向、即ちZOM構造体４’（図１）に対し観察方向２３の方向から特定方向ｚ＝０〜ｚ１の間を見た場合、前記プロフィールの高さｈが低く過ぎてTM偏向光が目立って弱くならない。従って、図８Aにおいて、エリア１６のサブエリア２４と中間エリア２４’は鏡のような役割を果す一方、エリア１６の領域２５は干渉色が得られるのに充分なプロフィール高ｈを有しているので、領域２５には前記の如く色彩、灰色の陰影、または混合色が現れる。図８Aおよび８Bにおいて、前記状況が網掛で示されている。領域２５の中間エリア２４’との境界２６のプロフィール高ｈが少なくとも８０〜１００nmに達すると、例えば白色光から青色成分が相殺される。ZOM構造体４’（図１）を有する表層パターン１８（図２）をプロフィール２１(図７)の溝と平行な軸を中心に斜めに傾けると、領域２５が中間エリア２４’に広がり、前記鏡の領域と干渉色との変遷領域がｚ１、即ち境界２６からｚ２、即ち破線で示す２６’にシフトし、例えばサブエリア２４に達する。前記の場合、斜めの方向である観察方向２７の方向からプロフィール２１を見ることになり、図７において、前記プロフィール高ｈが有効プロフィール高ｈＷのように高く見えるので、中間エリア２４’（図８B）のｚ２の地点で前記のような干渉効果が生まれる。ここで説明したプロフィール高ｈのモデルは、発見的なものであって、該モデルを微細構造体に正確に反映させることはできない。
【００２８】
前記の例を図８Aおよび８Bに示す。中間エリア２４’において、ライン２６’の点でZOM構造体４’のプロフィール高ｈが最大５０nm高くなり、領域２５の境界２６において少なくとも８０〜１００nmになる。反射サブエリア２４においては、前記プロフィール高は５０nm以下である。また、領域２５においては、前記プロフィール高は少なくとも８０〜１００nm、またはそれ以上である。図８Bにおいて、矢印で示す観察方向２３の方向から見ると、サブエリア２４だけでなく中間エリア２４’もプロフィール高が低く過ぎるので光を反射する。表層パターン１８（図２）を傾けると、見る角度が観察方向２７に変わり、光１０（図１）が表層パターン１８に入射する傾きが大きくなり、プロフィール高ｈが増大する。例えばｚ３（図７）において有効プロフィール高がｈＷ  (図７) となる。表層パターン１８を傾けることによって、中間エリア２４’のプロフィール高ｈが増大すると、鏡面反射から彩色反射に遷移する点が境界２６からライン２６’に向けて移動する。目で知覚可能な前記表層パターンのサブエリア２４、２４’および２５の寸法は、明らかに観察方向２３および２７に左右される。前記のように反射サブエリア２４および２４’を有し、鏡面反射から彩色反射に遷移する点が移動するパターンをモアレパターンという。垂線１１(図１)を中心にしてエリア１６を回転させても、光回折レリーフ構造体４（図１）を有する表層区域１５と異なり、前記モアレパターンが常に見える。
【００２９】
セキュリティー機能に組み込まれる前記モアレパターンは、該セキュリティー機能をホログラフ的にコピーするのを防止する。前記モアレパターンは本明細書の関連技術の項に記載の既知の表層パターン１８(図２)のようなパターンに問題なく組み込むことができる。
【００３０】
境界２６が破線２６’に移動するのが簡単に判るようにするため、例えば、エリア１６の、例えば、反射サブエリア２４および２４’が最大となる位置にマーキング面２６’を設けると効果的である。前記マーキング面２６’は回折、吸収、または散乱構造体から成り、例えば、中間エリア２４’において鏡面反射と彩色反射との遷移点が境界２６および/または破線２６’にあるとき、光るか、または容易に目に見える。
【００３１】
前記例として使用した正弦関数の他に、sinb(2πfz)、b = 2, 3, 4, 5, ・・・のような三角関数、または循環関数や、矩形波関数、三角波関数のような周期関数が回折格子構造体Ｇ(ｚ)として適している。前記のような関数から成る交差回折格子については特に多く述べられている。特に、複雑な構造の場合には、関数sinb(z)(2πfz)が適している。ここで、b(z)は全区域に一様な関数である。
【００３２】
プロフィール２１の変調包絡線２２によって、エリア１６の可視パターンが決定する。前記関数の他に、三角関数sinb(2πfz)、b= 2, 4, ・・・・および図９Aおよび９Bに示す関数を使用することができる。図９Aは関数Ｈ(ｚ)＝| sin (2πFz) |を示しており、図９Bおよび９Cは一次周期関数Ｈ(ｚ)を示しており、図９Dは放物線非周期関数Ｈ(ｚ)を示している。プロフィールの高さがランダムに選択されるので、図９に示すグラフには縦軸の目盛がない。
【００３３】
前記プロフィール２１および包絡線２２は、前記エリア１６の前記境界１９の両端にわたり、図４〜７および図９の平面に対し直角方向に延びている。
【００３４】
一般的な表現として、ZOM構造体４’のプロフィール２１であるＳ(ｘ、ｙ)は、高周波回折格子構造体Ｇ(ｘ、ｙ)を該回構造体の周期を最低値から最高値まで数千周期にわたって切り替えるプロフィール高変調関数Ｈ(ｘ、ｙ)で変調することによって得られる。即ちＳ(ｘ、ｙ)＝Ｇ(ｘ、ｙ)・Ｈ(ｘ、ｙ)となる。ここで、座標ｘ、ｙはエリア１６内の位置を示す。
【００３５】
図１０は、例として、卵パックの形状に似た包絡線面２８を示したものである。包絡線面２８はエリア１６内のすべての包絡線を含み、座標ｘ、ｙで規定されるそれぞれの位置におけるプロフィール高ｈを確定する。特定の包絡線２２は関数Ｈ(ｘ、ｙ＝０)を有している。包絡線面２８は次の関数で表すことができる。
【００３６】
Ｈ(ｘ、ｙ)＝sin(2πFx)・sin(2πFｙ)＋Ｋ（図６）
また、例として回折格子構造体を下記で変調すると
Ｇ(ｘ、ｙ)＝0.5・A・[1+sin(2πfx)]・[1+sin(2πfy)]
ZOM構造体４’（図１）は下記の関数で表される。
【００３７】
Ｓ(ｘ、ｙ)＝0.5・A・[1+sin(2πfx)]・[1+sin(2πfy)]・sin(2πFx)・
sin(2πFｙ)＋Ｋ
前記ZOM構造体４’は、長さが包絡線面２８によって決定される、規則正しく配列された繊細なニードルを構成する。散乱光照明の下では、チェスボードのようなモアレパターンが見え、小山２９が色彩および/またはグレーバリューの点で谷３０より際立っている。前記の場合も、エリア１６を傾けると色彩およびグレーバリューが変化するが、垂線１１を中心にしてエリア１６を回転しても変化しない。定数Ｋが５０nmより大きい場合には、谷３０の底が反射する。エリア１６を傾けると、チェスボードのようなモアレパターンの包絡線面２８の傾いた包絡線領域の鏡面反射と色彩反射との遷移点がシフトする。
【００３８】
別の実施の形態では、関数Ｓ(ｘ、ｙ)に基づくプロフィール２１（図４）を有するレリーフをZOM構造体４’に持たせた。ここで、Ｓ(ｘ、ｙ)は二つの周期関数Ｇ１(ｘ、ｙ)およびＧ２(ｘ、ｙ)を重畳したものである。関数Ｇ１(ｘ、ｙ)は正弦波関数であり、振幅Ａを有し前記ZOM構造体４’の空間周波数ｆを決定する。また、関数Ｇ２(ｘ、ｙ、)はＧ１(ｘ、ｙ)の第二高調波であり、振幅がＡ/２である。上記を一般的な形で表すと
Ｓ(ｘ、ｙ)＝Ｇ１(ｘ、ｙ)＋Ｇ２(ｘ、ｙ)となる。
【００３９】
特定方向ｚにおいて、ZOM構造体４’の関数Ｓは以下のようになる。
【００４０】
Ｓ(ｚ)＝Ａ・{[1+sin(2πfz]+0.5・[1+sin(4πfz+θ]}
図１１Aから１１Dまでと図１２は、ｚ方向に沿った距離を関数としたプロフィール２１（図７）を示したものであり、縦軸の目盛単位は任意である。位相シフトθの値によって、ZOM構造体４’が、図１１Bおよび１１Dに示すように（それぞれθ=90°および270°）左右対称であるか、図１１Aおよび１１Cに示すように（それぞれθ=0°および180°）左右非対称であるかが決定する。関数Ｇ１(ｘ、ｙ)とＧ２(ｘ、ｙ)のグレーティングベクトルはそれぞれ平行であるか、または角度が絶対値で１０°未満である。
【００４１】
ZOM構造体４’の別の実施の形態においては、前記位相シフトθは周期関数、または少なくともエリア１６(図1)の区域に一様な位置関数θ(ｘ、ｙ)である。前記関数θ(ｘ、ｙ)は、空間周波数ｆに比べｚ方向の変化が非常にゆっくりである。例えば、９０〜７２０°/mmの範囲内である。前記関数はZOM構造体４’のプロフィールの形状を変調するので、包絡線２２（図５）と同等の効果を有する。図１２は特定方向ｚを関数とする、ZOM構造体４’のプロフィール曲線の局部変化を示したものである。関数θ(ｘ、ｙ) が周期関数の場合には、空間周波数ｆを有するZOM構造体４’の位相シフトθを３６０°、Ｎ周期変化させる。従って、前記ZOM構造体４’に光を当てると、Ｎ/f ｍｍの間隔で繰返しパターンが見える。
【００４２】
ZOM構造体４’が実現できるプロフィール高ｈの範囲は、空間周波数ｆが高くなるにつれ、ZOM構造体４’をカバー層（図１）に形成するのが困難になるので、空間周波数に左右される。今日作成可能なプロフィールの高さｈは、０．５ 〜 ４/f の範囲である。空間周波数fが３０００本/ｍｍの場合、前記プロフィールの高さｈは、１５０〜１２００ｎｍの範囲であり、標準的な値は２００〜４００ｎｍである。
【００４３】
表層パターン１８（図２）を該表面の軸を中心にして傾けるか、または垂線１１（図１）を中心にして回転すると観察状況が変わる。同様に、偏光フィルター３１（図１）を通して表層パターン１８を見ると、入射光、色彩、偏光等の特性が変わり、該偏光フィルター３１を回転すると観察状況が変わる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  積層体の断面図
【図２】 図式的に細分化した表層パターンの図
【図３】 単純な表層パターンの図
【図４】 レリーフ構造体のプロフィールを示す図
【図５】 別の包絡線を有するレリーフ構造体のプロフィールを示す図
【図６】 包絡線が定数項Ｋを有するプロフィールを示す図
【図７】 プロフィール高の低い領域のプロフィールを示す図
【図８Ａ】 プロフィール高の低い領域を示す図
【図８Ｂ】 別の方向から見た図８Aに示すプロフィール高の低い領域を示す図
【図９】 包絡線を示す図
【図１０】 チェスボード・パターンの包絡線面を示す図
【図１１】 対称および非対称プロフィールを示す図
【図１２】 一つの方向に沿って変化するプロフィールの形状を示す図
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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