ЗАЩИТНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ КОМПОНЕНТ С ЭФФЕКТОМ ПРОПУСКАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЕ ТАКОГО КОМПОНЕНТА И ЗАЩИЩЕННЫЙ ДОКУМЕНТ, ОСНАЩЕННЫЙ ТАКИМ КОМПОНЕНТОМ
PROTECTIVE OPTICAL COMPONENT WITH TRANSMISSION EFFECT, PRODUCTION OF SAID COMPONENT AND SECURITY DOCUMENT EQUIPPED WITH SAID COMPONENT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области защитной маркировки. В частности, оно касается защитного оптического компонента с эффектом пропускания для проверки подлинности документа, способа изготовления такого компонента и защищенного документа, оснащенного таким компонентом.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны самые разные технологии аутентификации документов или товаров, в частности, для защиты документов, таких как ценные документы типа банкнот, паспортов или других идентификационных документов. Эти технологии предусматривают выполнение защитных оптических компонентов, оптические эффекты которых в зависимости от параметров наблюдения (расположение относительно оси наблюдения, положение и размеры источника света и т.д.) принимают исключительно характеристические и проверяемые конфигурации. Основной целью этих оптических компонентов является создание новых и дифференцированных эффектов на основании трудно воспроизводимых физических конфигураций.
Среди этих компонентов можно указать DOVID от “Diffractive Optical Variable Image Device”, то есть оптические компоненты, дающие дифракционные и меняющиеся изображения, обычно называемые голограммами. Как правило, эти компоненты наблюдаются при отражении.
В настоящей заявке речь идет о защитных оптических компонентах, которые можно контролировать при пропускании.
Среди таких компонентов в патенте US 6428051 описан ценный документ типа банкноты, содержащий отверстие, образующее окно, покрытое защитной пленкой, при этом защитная пленка закреплена при помощи адгезива на контуре окна, выполненного в документе, и содержит определенное число аутентификационных знаков.
В статье I. Aubrecht et al. (“Polarization-sensitive multilayer diffractive structures for document security”, Proceedings of SPIE Vol. 7358, 2009) описана многослойная структура, обладающая эффектами резонансного пропускания, основанного на возбуждении плазмонных мод на границах раздела между структурированным металлическим слоем и двумя диэлектрическими слоями, инкапсулирующими металлический слой. В этой статье показана поляризационная зависимость эффекта и предложена система контроля аутентичности выполненного таким образом компонента, основанная на анализе поляризации пропускаемой волны.
В патентной заявке US2010/0307705 в целом представлен защищенный документ с зоной, содержащей нанометрические металлические рисунки для возбуждения объемных или поверхностных плазмонов и создания резонансных эффектов.
Хотя описанные в вышеуказанных документах структуры и обладают примечательными эффектами при пропускании или при отражении, вместе с тем, их трудно аутентифицировать невооруженным глазом не обладающему соответствующим опытом пользователю, в частности, при аутентификации при пропускании.
Настоящим изобретением предложен защитный оптический компонент с плазмонным эффектом, который можно легко и безопасно контролировать при пропускании невооруженным глазом, который обеспечивает неопытному пользователю максимум комфорта и высокую надежность при аутентификации.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Первым объектом изобретения является защитный оптический компонент с плазмонным эффектом, предназначенный для наблюдения при пропускании, при этом упомянутый оптический компонент содержит два слоя из прозрачного диэлектрического материала и металлический слой, расположенный между упомянутыми слоями из диэлектрического материала с образованием двух диэлектрических границ раздела диэлектрик-металл и структурированный для образования, по меньшей мере, на части его поверхности волнообразных элементов, выполненных с возможностью связывания поверхностных плазмонных мод, поддерживаемых упомянутыми границами раздела диэлектрик-металл, с падающей световой волной. Волнообразные элементы выполнены в первой зоне связывания в первом главном направлении и, по меньшей мере, во второй зоне связывания, отличной от упомянутой первой зоны связывания, во втором главном направлении, по существу перпендикулярном к первому главному направлению, при этом упомянутый металлический слой является сплошным в каждой из упомянутых зон связывания.
Такой компонент обладает исключительным эффектом пропускания в спектральной полосе, центрованной по так называемой центровочной длине волны, определяемой характеристиками волнообразных элементов зон связывания и, для наблюдателя, - эффектами изменения цвета при угле наблюдения компонента, меняющемся в зависимости от зон связывания, что позволяет легко и надежно производить аутентификацию защитного компонента.
В частности, поскольку, по меньшей мере, две из упомянутых зон связывания содержат волнообразные элементы в двух по существу перпендикулярных главных направлениях, компонент обеспечивает при наблюдении при пропускании четко выраженный визуальный контраст между первой зоной со стабильным цветом с углом наблюдения компонента и сильно меняющейся второй зоной.
Согласно варианту эти зоны связывания образуют взаимодополняющие рисунки, еще больше облегчающие аутентификацию пользователем, поскольку рисунки позволяют пользователю совершать более интуитивные движения, приводящие к эффекту сильного изменения цвета.
Согласно варианту, по меньшей мере, часть волнообразных элементов расположена концентрично или радиально, что придает компоненту осевую симметрию. Таким образом, наблюдение не зависит от азимута.
Согласно варианту металлический слой дополнительно содержит неструктурированную зону. Эта зона, имеющая высокую оптическую плотность, позволяет еще лучше выделить зоны связывания, обладающие в данном спектральном диапазоне исключительным пропусканием, связанным с плазмонным эффектом.
Предпочтительно волнообразные элементы в зонах связывания имеют шаг, составляющий от 100 нм до 600 нм, и глубину, составляющую от 10% до 30% шага. Шаг в разных зонах связывания может быть одинаковым, чтобы представлять сходные цвета наблюдателю, или, наоборот, разные в зависимости от искомого визуального эффекта.
В рассматриваемой спектральной полосе, предпочтительно в видимой области, разность показателей преломления упомянутых прозрачных диэлектрических материалов, образующих каждый из упомянутых слоев, меньше 0,1, что обеспечивает оптимальный эффект пропускания на упомянутой центровочной длине волны.
Согласно варианту, по меньшей мере, часть металлического слоя выполнена из серебра, и ее толщина по существу составляет от 20 до 60 нм.
Согласно варианту, по меньшей мере, часть металлического слоя выполнена из алюминия, и ее толщина по существу составляет от 10 до 30 нм.
Согласно примеру выполнения металлический слой может быть выполнен из одного металла. В этом случае слой имеет по существу постоянную толщину.
Согласно другому примеру выполнения металлический слой содержит, по меньшей мере, две части, каждая из которых выполнена из разного металла. Это может обеспечивать разные визуальные эффекты как при отражении, так и при пропускании в спектральной полосе плазмонного эффекта.
Вторым объектом изобретения является защитный оптический элемент, предназначенный для защиты документа и содержащий, по меньшей мере, один защитный оптический компонент, являющийся первым объектом изобретения. Защитный элемент может содержать другие защитные компоненты, например голографические компоненты.
Согласно варианту защитный элемент содержит другие слои в зависимости от потребностей конечного применения; например, защитный элемент может содержать, кроме активных слоев для плазмонного эффекта, пленку-подложку, несущую один из упомянутых слоев из диэлектрического материала, и/или адгезивную пленку, расположенную на одном из упомянутых слоев из прозрачного диэлектрического материала. Эти пленки являются нейтральными для плазмонного эффекта, так как они не меняют или не влияют на границу раздела диэлектрик-металл. Они облегчают приклеивание на защищаемом документе и/или промышленное внедрение.
Третьим объектом изобретения является защищенный документ, содержащий подложку и защитный оптический элемент, являющийся вторым объектом изобретения, при этом защитный оптический элемент закреплен на упомянутой подложке, при этом упомянутая подложка содержит прозрачную зону, на уровне которой расположен упомянутый защитный оптический компонент с плазмонным эффектом.
Благодаря защитному оптическому компоненту с плазмонным эффектом, можно легко контролировать при пропускании защищенный документ, например ценный документ типа банкноты или удостоверяющий документ типа удостоверения личности, и применяемая технология обеспечивает его высокую стойкость к подделке.
Согласно варианту защитный оптический компонент, являющийся первым объектом изобретения, или защитный оптический элемент, являющийся вторым объектом изобретения, инкапсулирован в подложку защищенного документа. С двух сторон от защитного оптического компонента предусмотрены прозрачные зоны, что позволяет производить контроль пропусканием.
Четвертым объектом изобретения является способ изготовления защитного оптического компонента с плазмонным эффектом, включающий в себя:
- нанесение металлического слоя на первый слой из прозрачного диэлектрического материала,
- инкапсуляцию упомянутого металлического слоя вторым слоем диэлектрического материала для формирования двух границ раздела диэлектрик-металл, при этом металлический слой структурируют для формирования, по меньшей мере, на части его поверхности волнообразных элементов, выполненных с возможностью связывания поверхностных плазмонных мод, поддерживаемых упомянутыми границами раздела диэлектрик-металл, с падающей световой волной, при этом волнообразные элементы выполнены в первой зоне связывания в первом главном направлении и, по меньшей мере, во второй зоне связывания, отличной от упомянутой первой зоны связывания, во втором главном направлении, по существу перпендикулярном к первому главному направлению, при этом упомянутый металлический слой является сплошным в каждой из упомянутых зон связывания.
Согласно варианту упомянутый первый слой из диэлектрического материала структурируют для формирования упомянутых волнообразных элементов, и металлический слой наносят по существу с постоянной толщиной на упомянутый структурированный таким образом первый слой.
Согласно варианту нанесение металлического слоя включает в себя нанесение первого слоя, содержащего первый металл, на первую часть поверхности упомянутого первого слоя из диэлектрического материала и нанесение, по меньшей мере, второго слоя, содержащего второй металл, на вторую часть поверхности упомянутого первого слоя из диэлектрического материала.
Согласно варианту нанесение металлического слоя производят селективно, что позволяет получить макроскопические рисунки, видимые невооруженным глазом при просвечивании. Эти рисунки соответствуют деметаллизированным зонам, которые будут обладать прозрачностью в видимой области, которые можно использовать для усиления стойкости к подделке компонента и которые факультативно позволяют лучше считывать дизайн лицу, отвечающему за контроль, обходя, например, цветные зоны.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания со ссылками на фигуры, на которых:
Фиг. 1А и 1В - частичный вид оптического компонента в соответствии с изобретением, соответственно в разрезе и сверху.
Фиг. 2А и 2В - цифровые модели, показывающие изменение интенсивности пропускаемой волны в зависимости от длины волны и от угла падения в компоненте, показанном на фиг. 1А, соответственно в режиме ТМ и ТЕ с азимутом 0° и 90°.
Фиг. 3А-3D иллюстрируют эффект, получаемый при наблюдении с пропусканием в разных конфигурациях.
Фиг. 4 - пример выполнения компонента, содержащего две структурированные зоны с ортогональными векторами решетки.
Фиг. 5А и 5В - цифровые модели, показывающие изменение интенсивности пропускаемой волны в зависимости от длины волны и от наклона в двух зонах компонента, показанного на фиг. 4.
Фиг. 6А и 6В - кривые пропускания компонента, показанного на фиг. 4, в зависимости от длины волны для двух углов падения.
Фиг. 7А-7D - схемы, иллюстрирующие различные конфигурации примера защитного компонента в соответствии с изобретением.
Фиг. 8А-8С - другие примеры защитного компонента в соответствии с изобретением.
Фиг. 9А и 9В - другой пример защитного компонента в соответствии с изобретением.
Фиг. 10 - вид в разрезе варианта выполнения защитного компонента в соответствии с изобретением.
Фиг. 11А-11С - пример защищенного документа, содержащего защитный компонент в соответствии с изобретением, соответственно вид сверху, снизу и в разрезе.
Фиг. 12А и 12В - вид в разрезе двух вариантов примера защищенного документа, содержащего защитный компонент в соответствии с изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
На фиг. 1А и 1В частично показан защитный компонент 10 согласно примеру выполнения изобретения, соответственно вид в разрезе и вид сверху.
1
2
1
Защитный компонент в соответствии с изобретением содержит сплошной металлический слой 102 по существу постоянной толщины t, как правило, от нескольких десятков до 80 нанометров, расположенный между двумя слоями 101, 103 из прозрачного диэлектрического материала, образуя две границы раздела диэлектрик-металл 105, 106. Металлом может быть любой металл, который может поддерживать плазмонный резонанс, и предпочтительно серебро, алюминий, золото, хром, медь. Диэлектрическим материалом может быть любой материал, обеспечивающий «не деструктивное объединение» с металлом, то есть не вызывающий физико-химической реакции, например, типа окисления, которая могла бы ухудшить контролируемый эффект. Диэлектрические материалы, используемые для слоев 101, 103, имеют по существу идентичные показатели преломления, как правило, около 1,5, при этом разность показателей предпочтительно меньше 0,1. Например, слой 101 из диэлектрического материала и с показателем преломления n является слоем полимерного материала, предназначенным для тиснения, и слой 103 является инкапсуляционным слоем диэлектрического материала типа полимера с показателем преломления n, по существу равным n. Слои 101, 103 являются прозрачными в области видимого спектра. Известно, что на границе раздела между проводящим материалом, например металлом, и диэлектрическим материалом может распространяться поверхностная электромагнитная волна, связанная с коллективным колебанием электронов на поверхности, называемая поверхностным плазмоном. Это явление описано, например, в базовом труде H. Raeter (“Surface plasmons”, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg). Связывания падающей световой волны с плазмонной модой можно достигать разными способами, в частности, посредством структурирования границы раздела для образования решетки связывания.
Этот базовый принцип применен в заявленном защитном компоненте для получения ярко выраженных эффектов при пропускании.
В защитном компоненте 10 металлический слой 102 структурируют таким образом, чтобы получить, по меньшей мере, две разные зоны связывания с падающей световой волной. Каждая зона связывания содержит набор по существу прямолинейных и параллельных волнообразных элементов, при этом волнообразные элементы разных зон имеют непараллельные направления. В каждой зоне связывания металлический слой является сплошным и деформирован таким образом, чтобы образовать упомянутые волнообразные элементы. На фиг. 1А и 1В схематично показан набор волнообразных элементов 104 одной из зон связывания. Каждый набор волнообразных элементов характеризуется своим шагом А, амплитудой h волнообразного элемента (высота между пиком и впадиной) и толщиной t металлического слоя на уровне зоны связывания. Как правило, шаг решетки составляет от 100 нм до 600 нм, предпочтительно от 200 нм до 500 нм, и высота составляет от 10% до 45% шага решетки, предпочтительно от 10% до 30%. Под волнообразным элементом следует понимать непрерывно меняющуюся деформацию металлического слоя, который остается сплошным по всей зоне связывания. Предпочтительно профиль волнообразных элементов является синусоидальным или почти синусоидальным, при этом заявитель установил, что деформация синусоидального профиля допустима с поддерживаемым циклическим отношением от 40% до 60%. Толщина t металлического слоя может быть достаточно малой, чтобы делать возможным возбуждение и связывание поверхностных плазмонных мод с двумя границами раздела металл/диэлектрик, что обеспечивает эффект резонансного пропускания, что будет описано более подробно ниже.
g
g
<mrow><msub><mi>k</mi><mi>g</mi></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mo>/</mo><mi>Λ</mi></mrow>
Рассмотрим поляризационную падающую волну ТМ (поперечная магнитная волна, то есть волна, при которой магнитное поле Н является перпендикулярным к плоскости падения xz, которая является плоскостью фигуры на фиг. 1А), которая падает на решетку с азимутом 0° по отношению к вектору решетки k и с углом падения θ в слое 103 по отношению к оси у, нормальной к плоскости решетки, образованной волнообразными элементами 104. Вектор k, показанный на фиг. 1В, является вектором с направлением, перпендикулярным к линиям решетки, и с нормой, определяемой формулой
, где Λ является шагом решетки.
Чтобы произошло связывание, то есть переход энергии между падающей волной в диэлектрической среде, имеющей относительную проницаемость εd, и плазмонной модой, необходимо, чтобы было соблюдено следующее равенство (см. вышеуказанный документ H.Raether):
sp
1
0
g
k=nksinθ±k (1)
0
<mrow><msub><mi>k</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mo>/</mo><mi>λ</mi></mrow>
где k является волновым числом, определяемым как
;
sp
sp
<mrow><msub><mi>k</mi><mrow><mi>s</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>n</mi><mrow><mi>s</mi><mi>p</mi></mrow></msub><msub><mi>k</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
k определяется как
, где n является реальным индексом плазмона, определяемым как
<mrow><msub><mi>n</mi><mrow><mi>s</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mi>ε</mi><mi>m</mi><mi>ε</mi><mi>d</mi><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>ε</mi><mi>m</mi><mo>+</mo><mi>ε</mi><mi>d</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msqrt></mrow>
(2)
в случае металлического слоя бесконечной толщины, где εm и εd обозначают проницаемость соответственно металла и диэлектрического материала.
0
Таким образом, можно определить центровочную длину волны λ, то есть длину волны, при которой связывание обеспечено при нормальном угле падения (θ=0°). Центровочную длину волны определяют следующим образом:
<mrow><msub><mi>λ</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mi>Λ</mi><mo>/</mo><msub><mi>n</mi><mrow><mi>s</mi><mi>p</mi></mrow></msub></mrow>
(3)
Таким образом, шаг решетки выбирают в зависимости от искомой центровочной длины волны.
При фиксированном шаге решетки изменение длины волны связывания λ при не равном нулю угле падения и при нулевом азимуте относительно вектора решетки выражают уравнением (1), которое можно развернуть в виде двух уравнений:
<mrow><mi>λ</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>n</mi><mrow><mi>s</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><mi>sin</mi><mi>θ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>×</mo><mi>Λ</mi></mrow>
(4)
<mrow><mi>λ</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>n</mi><mrow><mi>s</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><mi>sin</mi><mi>θ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>×</mo><mi>Λ</mi></mrow>
(5)
Таким образом, существуют две длины волны, при которых возможно связывание падающей волны с поверхностным плазмоном, что соответствует распространению плазмона соответственно в режиме распространения в одном направлении и в противоположных направлениях.
0
sp
m
2
1/2
Если металлический слой имеет конечную толщину и, кроме того, его толщина примерно соответствует величине глубины проникновения электромагнитного поля плазмонной моды в металл (которая примерно равна 1/(k(n +Re(|ε|)))), электромагнитное поле плазмонной моды на верхней границе раздела металлического слоя «видит» также нижнюю границу раздела и, следовательно, должно также соблюдать условия на границах полей на этой нижней границе раздела. Отсюда следует, что существуют две плазмонные моды, которые могут распространяться вдоль металлического слоя, которые имеют, каждая, максимум поля на верхней и нижней границах раздела металлического слоя: плазмонная мода, поперечное магнитное поле Н которой является четным (следовательно, продольное электрическое поле, ответственное за продольное колебание электронов, является нечетным с переходом через ноль в металлическом слое), называемая плазмонной модой “long range”, и плазмонная мода, поле Н которой является нечетным и сильнее поглощается металлом, называемая плазмонной модой “short range”. Их реальные показатели являются близкими, если толщина металлического слоя не является слишком малой (например, превышает 15 нм), и обе эти моды связаны в присутствии решетки, если падающая волна исходит от источника света, мало когерентного в пространстве и во времени, такого как осветительная лампа или естественный солнечный свет. Таким образом, если условие связывания соблюдено, поле двух связанных (или «возбужденных») плазмонных мод имеет максимум также на нижней границе раздела металлического слоя и, следовательно, благодаря присутствию решетки, может излучать в пропускающей среде (слой 103) и позволяет световой энергии проходить через сплошной металлический слой и производить пик пропускания, откуда термин «резонансное пропускание».
На фиг. 2А показано пропускание, вычисленное в компоненте, показанном на фиг. 1А, в режиме ТМ с азимутом 0° относительно вектора решетки в зависимости от угла падения θ и от длины падающей волны λ. Угол падения θ является углом падения в среде слоя 103, определяемым по отношению к нормали к решетке. Для этих вычислений используют программу вычисления распространения электромагнитных волн, например, программу Gsolver© (разработанную компанией Grating Solver Development Company, см. по адресу http://www.gsolver.com/). Волнообразные элементы имеют синусоидальный профиль с шагом 300 нм и глубину 60 нм. Металлический слой выполнен из серебра и имеет толщину 40 нм. Он охвачен двумя слоями из диэлектрического материала типа полистирола. Центровочная длина волны равна 560 нм. В полосе спектра (как правило, 50-100 нм), центрованной по этой длине волны, пропускание при нормальном угле падения (θ=0°) является максимальным. Если угол падения увеличивается, наблюдается изменение длины волны связывания, то есть длины волны, при которой появляется эффект резонансного пропускания компонентом. Отмечается осевая симметрия относительно оси у вокруг угла падения 0°. Таким образом, получаемый визуальный эффект будет одинаковым, если образец поворачивать в одном или в другом направлении.
Такое же вычисление в режиме ТЕ (электрическая поперечная волна, то есть волна, при которой магнитное поле Е является перпендикулярным к плоскости падения xz, которая является плоскостью фиг. 1А) показывает почти нулевое пропускание компонента.
В зависимости от различных параметров компонента были осуществлены различные моделирования для измерения их влияния. В частности, можно показать, что для максимального эффекта связывания предпочтительно следует ограничивать глубину волнообразных элементов (параметр h на фиг. 1А) значением от 10% до 20% шага.
Были также произведены моделирования с разными типами металлов и с изменением толщины. Как правило, эти вычисления показывают расширение полосы спектра связывания, когда толщина металлического слоя уменьшается, и уменьшение амплитуды резонансного пропускания, когда толщина металлического слоя увеличивается, при этом полоса спектра связывания сужается, но теряет в интенсивности. Таким образом, можно вычислить оптимальную толщину металлического слоя для получения значительного визуального эффекта с достаточной спектральной полосой связывания. Например, заявитель показал, что предпочтительным является металлический слой из серебра при толщине от 35 нм до 50 нм. Были протестированы и другие металлы. Например, для получения заявленного компонента с плазмонным эффектом можно также использовать алюминий. Поскольку алюминий обладает очень сильным свойством поглощения в видимой области, металлический слой должен быть более тонким, чем слой, выполненный из серебра, как правило, от 16 до 25 нм. Тем не менее по сравнению с серебром моделирование структуры с металлическим слоем из алюминия имеет спектральную полосу связывания, смещенную в сторону более коротких длин волны, и меньшую амплитуду резонансного пропускания по причине более значительных джоулевых потерь плазмонных мод в этом металле.
Заявитель рассмотрел также влияние деформации синусоидального профиля волнообразных элементов на эффективность связывания. Отмечается, что изменение профиля синусоиды в сторону профиля волнистости с неуравновешенным циклическим отношением приводит к резкому ослаблению сигнала пропускания. Предпочтительно циклическое отношение составляет от 40% до 60%.
0
На фиг. 2В показано моделирование пропускания компонента 10 в условиях, идентичных с условиями вычисления, показанными на фиг. 2А, но в данном случае образец повернули по азимуту вокруг оси х на 90° и выбрали поляризацию ТЕ. При нормальном угле падения по-прежнему наблюдается резонансное пропускание при центровочной длине волны λ. С другой стороны, на этой кривой отмечается стабильность длины волны связывания в зависимости от угла падения. Иначе говоря, в этой конфигурации компонент является мало чувствительным к повороту образца вокруг оси у, которая в данном случае является параллельной вектору решетки.
На фиг. 3А-3D в трех конфигурациях наблюдения защитного компонента 10, показанного на фиг. 1, показано влияние азимута ϕ и угла падения θ на визуальное восприятие наблюдателя. Для сравнения на фиг. 3А показано наблюдение защитного компонента, металлический слой которого не подвергался структурированию.
На фиг. 3А компонент 10, содержащий неструктурированный металлический слой 102, находящийся между двумя диэлектрическими слоями 101, 103, освещен световым источником 30, например источником белого света, спектр которого схематично представлен набором цветов, обозначенных разными линиями в рамке 301. Например, речь идет о спектре, охватывающем весь свет видимой области. Если наблюдатель 20 смотрит на свет через этот компонент, он не видит никакой визуальной информации. Действительно, не происходит никакого связывания с плазмонной волной, и металлический слой ведет себя как отражатель. Компонент не пропускает падающий световой поток.
В конфигурациях, показанных на фиг. 3В-3D, рассмотрен защитный компонент 10 с металлическим слоем 102, структурированным таким образом, чтобы получить зону 104 связывания с волнообразными элементами, описанную выше со ссылками на фиг. 1А и 1В.
В примере, показанном на фиг. 3В, наблюдение производят при азимуте 0° и при нормальном угле падения. Волнообразные элементы 104 образуют решетку связывания падающей волны с поверхностными плазмонами на границах раздела металл - диэлектрики 105 и 106, оптимизированную при нормальном угле падения для данной длины волны при помощи уравнения (3). При этой длине волны структура хорошо пропускает составляющую ТМ падающей электромагнитной волны, и наблюдатель 20 наблюдает цветовую визуальную информацию, соответствующую узкой спектральной полосе вокруг этой длины волны. На спектре, схематично показанном в рамке 302 на фиг. 3В, наблюдатель видит только световую составляющую 303, соответствующую этой полосе спектра.
Если наблюдатель продолжает наблюдать этот компонент с азимутом 0°, но меняя угол падения, он наблюдает значительное изменение цвета, как показано на фиг. 3С. Действительно, как было указано выше, угол падения θ (или наклон), не равный нулю вокруг оси у, перпендикулярной к вектору решетки, приводит к сильному изменению длины волны связывания одновременно в сторону большей длины волны и в сторону длины волны, более короткой, чем для волны связывания при нормальном угле падения. Применяя к компоненту наклон, наблюдатель видит цвет, резко меняющийся вместе с изменением угла наклона. В примере, показанном на фиг. 3С, цифрами 304, 305 обозначены полосы спектра 302, которые видит наблюдатель.
В примере, показанном на фиг. 3D, наблюдаемый компонент поворачивают не вокруг оси у, перпендикулярной к вектору решетки, а вокруг оси z, параллельной вектору решетки. В этом случае наблюдается слабое изменение длины волны, показанное спектральными полосами 304, 305 пропускаемого спектра. Действительно, эта конфигурация эквивалентна конфигурации, представленной на фиг.2В, на которой компонент поворачивают вокруг оси, параллельной вектору решетки.
Таким образом, установлено, что в зависимости от азимута и наклона поведение пропускающей решетки полностью меняется, и именно этот эффект применил заявитель для получения защитного компонента, контролируемого при пропускании.
Наконец, отмечается, что наблюдатель может наблюдать выполненный таким образом компонент с одной или с другой стороны, то есть, в примере, представленном на фиг. 3В-3D, обращая к источнику света 30 слой 101 или слой 103, и получать одинаковые эффекты. Действительно, структура диэлектрик - металла - диэлектрик, содержащая диэлектрические материалы с аналогичными или близкими показателями преломления, является симметричной, и слои, которые можно добавлять с двух сторон с целью использования, являются нейтральными, что будет описано ниже.
На фиг. 4 показан защитный оптический компонент согласно примеру выполнения изобретения. Он показан в разрезе на уровне металлического слоя, при этом показан только один из слоев диэлектрического материала. На фиг. 5А, 5В, с одной стороны, и на фиг. 6А, 6В, с другой стороны, показаны кривые, отображающие вычисленное пропускание компонента, показанного на фиг. 4, в зависимости от различных параметров.
1
2
i
<mrow><msub><mi>k</mi><mrow><msub><mi>g</mi><mi>i</mi></msub></mrow></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mo>/</mo><msub><mi>Λ</mi><mi>i</mi></msub></mrow>
Компонент 40 содержит две зоны 41, 42 связывания, каждая из которых содержит набор волнообразных элементов 410, 420, представленных на фиг. 4 в виде полос, заштрихованных пунктирными линиями. В этом примере волнообразные элементы каждой зоны связывания ориентированы в главном направлении, определяя для каждой зоны связывания вектор решетки, соответственно kg и kg, имеющий направление, перпендикулярное к главному направлению волнообразных элементов, и норму, определяемую как
, где Λ является шагом волнообразных элементов в каждой из зон. В этом примере векторы решетки каждой зоны связывания являются по существу ортогональными. В ортонормированной системе координат x, y, z, показанной на фиг. 4, волнообразные элементы 410 зоны 41 связывания ориентированы по оси z (вектор решетки по оси у), волнообразные элементы 420 зоны 42 связывания ориентированы по оси y (вектор решетки по оси z), при этом ось х является осью, перпендикулярной к поверхности компонента, которая является также плоскостью фигуры. В этом примере наборы волнообразных элементов 410, 420 имеют по существу идентичные характеристики (в частности, шаг и природа металла), поэтому центровочная длина волны является по существу одинаковой для обеих зон связывания. В альтернативном варианте один из параметров можно изменить, например, шаг волнообразных элементов или природу металла и толщину слоя, чтобы получить другую центровочную длину волны и, следовательно, другой «цвет» с нормальным углом падения для наблюдателя.
Фиг. 5А и 5В иллюстрируют вычисленное пропускание соответственно в зонах 41 и 42 связывания в зависимости от угла падения, измеренного вокруг оси z, и от длины волны, когда наблюдатель наблюдает компонент 40 с азимутом 0° в белом свете. Для этих вычислений используют ту же программу вычисления распространения электромагнитных волн, что и в предыдущем случае, и условия являются идентичными условиям, применяемым для моделирований, показанных на фиг. 2А и 2В.
В зоне 41 связывания компонента угол падения меняют вокруг оси, перпендикулярной к вектору решетки. При этом наблюдают очень сильное изменение длины волны связывания в зависимости от угла падения (фиг. 5А). Моделирование осуществляют в режиме ТМ, влияние которого, как установил заявитель, является доминирующим по сравнению с влиянием режима ТЕ и, следовательно, отображает то, что наблюдатель увидит в неполяризованном свете. Заявитель показал, что изменение угла на 1° дает смещение на 7 нм при поляризации ТМ, тогда как смещение является почти нулевым в режиме ТЕ. Таким образом, при нормальном угле падения наблюдатель увидит при пропускании зеленый цвет, соответствующий спектральной полосе, центрованной примерно на 560 нм. Поворачивая компонент вокруг оси z, он увидит, что зона 41 очень быстро примет оттенок, в основном содержащий красный цвет и немного синего, что соответствует двум длинам волны связывания, связанным с режимами распространения в одном направлении и в противоположных направлениях. В зоне 42 связывания поворот компонента вокруг оси z соответствует повороту вокруг оси, параллельной вектору решетки. На фиг. 5В показано изменение пропускания в зависимости от угла падения и от вычисленной длины волны в режиме ТЕ, влияние которого в этой конфигурации является доминирующим по сравнению с режимом ТМ. Изменение цвета, наблюдаемое на фиг. 5В, является более слабым, и зона 42 останется для наблюдателя в зеленых оттенках.
На фиг. 6А и 6В для угла падения вокруг оси z (фиг. 4), соответственно равного 0° (кривая 602) и 15° (кривая 601), показано пропускание в зависимости от длины волны соответственно в зонах 42 (фиг. 6А) и 41 (фиг. 6В), вычисленное при тех же параметрах, что и в предыдущем случае. Эти кривые подтверждают слабое изменение пропускания в зависимости от длины волны, наблюдаемое в зоне 42, по сравнению с очень сильным изменением длины волны, наблюдаемым в зоне 41. Так, центральная длина волны пропускаемой спектральной полосы переходит от 615 нм при нормальном угле падения к 601 нм при угле 15° в зоне 42, тогда как она переходит от 615 нм при нормальном угле падения к 508 нм при угле 15° в зоне 41.
С другой стороны, этот же наблюдатель, если он повернет компонент вокруг оси у (фиг. 4), увидит очень сильное изменение цвета в зоне 42 связывания, аналогичное изменению, показанному на фиг. 5А, вычисленному в режиме ТМ, и слабое изменение цвета в зоне 41 связывания, как на фиг. 5В, вычисленное в режиме ТЕ.
Таким образом, меняя угол падения компонента относительно одной или другой из осей, наблюдатель увидит очень быстрое изменение цвета в одной из зон, тогда как цвет в другой зоне останется достаточно стабильным.
Предпочтительно ортогональность решеток связывания, образованных наборами волнообразных элементов 410 и 420, соблюдается с допуском ±5°. Действительно, заявитель установил, что в этом диапазоне изменения угла между двумя наборами волнообразных элементов продолжает отмечаться устойчивая стабильность цвета зоны связывания, вектор решетки которой является параллельным оси поворота компонента, и настолько же эффективное изменение длины волны связывания в зоне связывания, вектор решетки которой является перпендикулярным к оси поворота компонента. Если ортогональность двух наборов волнообразных элементов отклоняется сверх порога ±5°, эффект становится все менее ощущаемым, так как контраст между зоной связывания со стабильным цветом и зоной связывания с быстрым изменением цвета будет меньшим.
Предпочтительно зонам 41, 42, показанным на фиг. 4, можно придать взаимно дополняющие и характеристические формы, как показано, например, на фиг. 7А-7D. На фиг. 7А представлен вид в разрезе защитного компонента 70 на уровне металлического слоя 102. Фиг. 7В-7D иллюстрируют наблюдение компонента 70 при пропускании в различных конфигурациях.
g2
g1
Как показано на фиг. 7А, зона 72 связывания, содержащая набор прямолинейных и параллельных волнообразных элементов, образующих решетку связывания с вектором решетки k, имеет форму сердца. Зона 71 связывания содержит по существу прямолинейные и параллельные волнообразные элементы, ориентированные в направлении, перпендикулярном к направлению волнообразных элементов зоны 72 связывания, образуя решетку связывания с вектором решетки k, и ее форма взаимно дополняет форму зоны 71 связывания. Так, в этом примере зона 71 связывания имеет по существу прямоугольную форму с прерыванием волнообразных элементов в центральной зоне, соответствующей зоне 72 связывания. Кроме того, защитный компонент, показанный на фиг. 7А, содержит зону 73, которая образует рамку вокруг зоны 71 связывания и в которой металлический слой не структурирован.
Если наблюдатель наблюдает при пропускании защитный компонент 70 при нормальном угле падения, он увидит изображение, показанное на фиг. 7В, то есть имеющее однородный цвет на всем компоненте (если параметры наборов волнообразных элементов являются по существу идентичными), за исключением неструктурированной зоны 73, которая имеет постоянную оптическую плотность, намного более высокую, чем оптическая плотность структурированных зон 71, 72. Цвет будет соответствовать спектральной полосе, центрованной по длине волны, при которой решетка, образованная волнообразными элементами, будет оптимизированной, например, цвет будет зеленым вокруг 550 нм, как в предыдущем примере.
g1
g2
Если наблюдатель применит поворот вокруг оси, перпендикулярной к вектору решетки k (фиг. 7С), он будет наблюдать быстрое изменение цвета зоны 71 связывания, тогда как зона 72 связывания в форме сердца останется стабильной по цвету. Если же, наоборот, наблюдатель применит поворот вокруг оси, перпендикулярной к вектору решетки k (фиг. 7D), он будет наблюдать быстрое изменение цвета зоны 72 связывания в форме сердца, тогда как зона 71 связывания останется стабильной по цвету. Таким образом, поворот вокруг оси компонента приводит к быстрому изменению цвета в одной из зон, которая в этом примере соответствует рисунку характеристической формы, тогда как поворот вокруг перпендикулярной оси приводит к быстрому изменению зоны взаимно дополняющей формы.
Наблюдатель может легко проверить подлинность защищенного ценного документа, благодаря наличию такого компонента, причем при разных уровнях защиты. Ему достаточно наблюдать компонент при пропускании в неполяризованном белом свете. Меняя угол наблюдения компонента с наклоном вокруг одной из осей рисунка, он будет наблюдать быстрое изменение цвета в одной зоне. Это изменение будет тем более характерным, чем меньше меняется цвет в дополняющей зоне. Кроме того, присутствие неструктурированной и, следовательно, непрозрачной контрольной зоны (зона 73 в примере на фиг.7) делает более ощутимой прозрачность зон связывания. При втором уровне проверки можно менять угол падения компонента вокруг оси, перпендикулярной к первой оси. В этом случае он будет наблюдать быстрое изменение цвета в зоне, дополняющей первую зону.
На фиг. 8 и 9 представлены два варианта защитного компонента в соответствии с изобретением с зонами связывания, векторы решетки которых является попарно перпендикулярными.
g1
g8
На фиг. 8А и 8В показаны защитные компоненты с концентричными волнообразными элементами 800. Волнообразные элементы 800 могут иметь многоугольную форму (фиг. 8А) или круглую форму (фиг. 8В). Можно образовать множество зон связывания, обозначенных 801-808, в каждой из которых участки волнообразных элементов являются по существу прямолинейными и параллельными и образуют решетку связывания, определенную вектором решетки k-k.
Если наблюдатель наблюдает защитный компонент типа описанного компонента 80 с пропусканием при нормальном угле падения, он увидит пластинку 810 однородного цвета (фиг. 8С), определяемого спектральной полосой вокруг длины волны, при которой решетки связывания являются оптимизированными. Этот цвет зависит от шага и от глубины волнообразных элементов 800, а также от толщины металлического слоя. Если наблюдатель повернет компонент, то есть поменяет угол падения, произойдет очень быстрое изменение цвета зон связывания 811, векторы решетки которых перпендикулярны к оси вращения компонента (зоны связывания, симметричные относительно центра симметрии компонента), тогда как остальная часть пластинки (812, фиг. 8С) останется стабильной по цвету.
За счет осевой симметрии компонента вокруг оси х на фиг. 1А, независимо от направления компонента по азимуту, можно наблюдать изменение цвета двух симметричных зон компонента, поворачивая его вокруг оси, содержащейся в плоскости компонента (наклон). Кроме того, при данном азимуте, меняя ось вращения компонента, можно наблюдать изменение цвета в других зонах компонента, соответствующих двум симметричным зонам, вектор решетки которых является по существу перпендикулярным к оси вращения, что еще больше облегчает аутентификацию защитного компонента.
gi
На фиг. 9А схематично показан защитный компонент 90 тоже с осевой симметрией, который имеет радиально расположенные волнообразные элементы (на фиг. 9А не показаны), поэтому можно локально получить зоны связывания, в которых волнообразные элементы являются по существу прямолинейными, определяя в каждой зоне вектор решетки k с направлением, перпендикулярным к главному направлению волнообразных элементов зоны.
В данном случае, как показано на фиг. 9В, наблюдатель, наблюдающий образец при пропускании с нормальным углом падения, тоже увидит по существу однородный цвет, соответствующий длине волны связывания, определенной шагом и глубиной волнообразных элементов. Применяя к компоненту наклон, он будет наблюдать быстрое изменение цвета в двух симметричных зонах, векторы решетки которых перпендикулярны к оси вращения компонента. Как и в случае компонента, представленного на фиг. 8, эффект не будет ощущаться при азимутальном положении компонента по причине осевой симметрии, а поворот вокруг другой оси приведет к изменению цвета в другой зоне компонента.
Описанные выше защитные компоненты можно выполнять следующим образом. Оптические структуры (волнистость) различных зон записывают посредством фотолитографии или литографии при помощи электронного пучка на светочувствительном носителе или «фоторезисте» согласно англосаксонскому термину. Этап гальванопластики позволяет затем перенести эти оптические структуры на прочный материал, например на основе никеля, для выполнения матрицы или «мастера». При помощи матрицы производят тиснение для переноса микроструктуры на пленку и для структурирования слоя 101 из диэлектрического материала (фиг. 1А), как правило, из формовочного лака толщиной в несколько микрон, нанесенного на пленку толщиной от 12 мкм до 50 мкм из полимерного материала, например ПЭТ (полиэтилентерефталат). Тиснение можно производить посредством горячего прессования диэлектрического материала (“hot embossing”) или формования (“casting”). Показатель преломления слоя, образованного формовочным лаком, обычно составляет 1,5. Затем производят металлизацию тисненого слоя. Металлизацию осуществляют в вакууме с идеальным контролем толщины, например, при помощи следующих металлов: серебра, алюминия, золота, хрома, меди и т.д. Затем наносят закрывающий слой с контролируемым показателем преломления, например, посредством обмазки. В некоторых вариантах, например, при ламинировании или горячей маркировке этот слой может быть адгезивным слоем. Закрывающий слой, образующий слой 103 (фиг. 1А), имеет по существу такой же показатель преломления, что и тисненый слой, то есть около 1,5 при толщине более нескольких микрон. В зависимости от конечного назначения продукта на закрывающий слой можно нанести адгезив.
Согласно варианту во время этапа металлизации можно наносить несколько разных металлов, например, для получения разных визуальных эффектов. Для этого при данном рисунке можно на тисненый слой нанести растворимую краску. Во время металлизации при помощи первого металла его равномерно наносят на слой, но он остается только в зонах, не содержащих краски, когда краску удаляют. Затем производят вторую селективную металлизацию, которая включает в себя предварительный этап печати растворимой краской, позволяющий выбрать зоны нанесения второго металла. Во время нанесения второго металла металлические слои могут перекрывать друг друга локально, образуя зоны повышенной оптической плотности, или, наоборот, можно получить неметаллизированные зоны, которые после нанесения закрывающего слоя образуют прозрачные зоны в компоненте.
Согласно варианту различные металлические зоны могут соответствовать разным зонам связывания. Иначе говоря, первый металл наносят на одну или несколько первых зон связывания, тогда как второй металл наносят на одну или несколько других вторых зон связывания, что позволяет получать разные цветовые эффекты в разных зонах связывания. В альтернативном варианте различные металлы можно наносить в зонах, которые не соответствуют зонам связывания.
Предпочтительно можно использовать менее прозрачные зоны, которые требуют, по меньшей мере, двух металлизаций, или, наоборот, более прозрачные зоны, которые могут существовать уже после первой частичной металлизации, для формирования графических элементов разделения между зонными, образованными разными металлами. Специалист использует эти элементы для усиления четкости рисунка и, следовательно, для лучшей считываемости лицом, отвечающим за контроль.
На фиг. 10 схематично в разрезе (частичном) показан полученный таким образом компонент. На этой фигуре показаны только функциональные слои, предназначенные для получения плазмонного эффекта. Возможные пленки-подложки или адгезивные пленки не показаны. Между слоями 101 и 103 из диэлектрического материала находятся слои металла 108, 109. Зона 107 является зоной, в которой слой 103 является тисненым, а слои металла - структурированными, то есть зоной, в которой находятся волнообразные элементы (не показаны). Согласно варианту разные металлы могут соответствовать разным зонам связывания. С учетом разной природы используемых металлов такой компонент может производить разные цветовые эффекты в зависимости от зон как при наблюдении света, отражаемого материалом, так и при наблюдении при пропускании плазмонных волн. Действительно, «плазмонный» цвет решетки зависит от решетки и от природы металлического слоя. Кроме того, за счет усложнения выполнения такой продукт обладает более высокой стойкостью к возможным подделкам.
Как вытекает из описанного выше способа изготовления, включение защитного оптического компонента в соответствии с изобретением в защищенный документ вполне совместимо с присутствием в этом же документе структур на основе решеток, обычно используемых для изготовления голографических компонентов.
В частности, можно выполнять защитный оптический элемент, содержащий один или несколько описанных выше компонентов плазмонного типа и один или несколько защитных оптических компонентов другого типа, например голографических.
Для этого матрицу можно выполнить посредством записи разных рисунков, соответствующих разным защитным оптическим компонентам, на фоторезистивной подложке, а затем произвести гальванопластику. После этого при помощи матрицы можно осуществить тиснение для переноса различных микроструктур на пленку из полимерного материала, предназначенного для тиснения. Металлизацию, толщину которой необходимо контролировать для компонентов с плазмонным эффектом, можно производить на всей пленке, так как она не будет мешать другим компонентам типа DOVID, работающим при отражении.
На фиг. 11А-11С показан защищенный документ 1, например ценный документ типа банкноты, оснащенный защитным элементом 110, содержащим защитный оптический компонент 70 плазмонного типа и другие защитные оптические компоненты 111, например голографического типа. На фиг. 11А показан вид сверху этого компонента, на фиг. 11В этот компонент показан снизу, а на фиг. 11С - в разрезе.
Защитный элемент 110 выполнен в виде полосы, как правило шириной 15 мм, которую крепят на подложке 112 документа 1. Защитный элемент 110 крепят на подложке 112 при помощи известных средств. Например, в случае документа, имеющего твердую прозрачную зону, защитный элемент можно закрепить при помощи горячего прессования, активирующего прозрачный адгезивный слой, предварительно нанесенный на закрывающий слой 101. В этом случае между формовочным лаком 103 и пленкой-подложкой из ПЭТ (на фиг. 1А или 10 не показана) можно нанести отрывной слой (например, из воска). Защитный элемент переносят на документ путем горячего прессования защитного элемента на документе, при этом плазмонный компонент находится напротив прозрачной зоны. Во время этого переноса адгезивная пленка приклеивается к подложке 112 документа, и отрывной слой, а также пленку-подложку можно удалить. В подложке 112 предусмотрено прозрачное окно 113 на уровне компонента 70 плазмонного типа. При наблюдении сверху на защищенном документе 1 видны все защитные оптические компоненты, которые можно контролировать при отражении при помощи различных известных способов. При наблюдении снизу можно видеть только компонент или компоненты плазмонного типа; их можно контролировать при пропускании, как было описано выше.
На фиг. 12А и 12В в разрезе показаны два варианта примера выполнения защищенного документа 1, оснащенного защитным элементом, содержащим защитный оптический компонент 120. В этих двух примерах защитный оптический компонент или защитный оптический элемент, на котором находится защитный оптический компонент, инкапсулирован в подложку 122 защищенного документа. В примере, показанном на фиг. 12А, защищенный документ 1 получают, например, посредством ламинирования нескольких слоев 125, 126, 127, при этом защитный оптический компонент включен в центральный слой 126, при этом в наружных слоях 123, 124 предусмотрены прозрачные зоны 123, 124 для наблюдения защитного оптического компонента 120. Согласно варианту слои 125, 126, 127 можно объединить плавлением для получения однородной подложки 122, в которой оказывается инкапсулированным защитный оптический компонент. В примере, показанном на фиг. 12В, защитный оптический компонент закреплен на первом слое 122, образующем подложку, при этом весь комплекс закрыт слоем 124 из прозрачного материала. В слое 122 подложки предусмотрено прозрачное окно 123 для наблюдения защитного оптического компонента 120. Это прозрачное окно может быть выполнено в виде полости или из локально прозрачного материала. Выполненный таким образом документ может быть защищенным документом, таким как удостоверение личности или банкнота, оснащенная защитной нитью.
Полученный таким образом защищенный документ может легко контролировать даже неопытный наблюдатель, причем с высокой степенью надежности. Как было указано выше, защитный оптический компонент плазмонного типа в соответствии с изобретением может быть выполнен в виде защитной пленки, характеристики которой можно контролировать на глаз в видимой области. Таким образом, можно производить визуальную аутентификацию защищенного документа, в том числе при естественном освещении. Эта аутентификация, основанная на разных визуальных эффектах при пропускании в зависимости от оси вращения компонента, является исключительно легкой в осуществлении.
На практике, наблюдатель может контролировать защищенный документ, наблюдая при пропускании компонент плазмонного типа перед источником белого света. В альтернативном варианте защитный компонент можно контролировать, поместив его на подсвеченную подложку.
Несмотря на описание в виде некоторого числа примеров выполнения, защитный оптический компонент в соответствии с изобретением и способ изготовления упомянутого компонента могут включать в себя различные версии, изменения и усовершенствования, которые будут очевидными для специалиста, если они не выходят за рамки объема защиты изобретения, определенные нижеследующей формулой изобретения.