МНОГОСЛОЙНЫЙ ОБЪЕКТ, ИМЕЮЩИЙ ОБЪЕМНУЮ ГОЛОГРАММУ
MULTILAYER OBJECT HAVING THREE-DIMENSIONAL HOLOGRAM

Область техники
Изобретение относится к способу изготовления многослойного объекта, имеющего объемную голограмму, шаблону для изготовления объемной голограммы и защитному элементу, имеющему многослойный объект.
Предшествующий уровень техники
Голограммы используются в качестве защитных элементов для сохранения безопасности таких документов, как банкноты, удостоверения личности или паспорта, карточки-пропуска и т.п., для достижения высокого уровня защиты от подделок. При массовом производстве изделий часто используются поверхностные голограммы, которые, с одной стороны, не обеспечивают оптимального восприятия отображения и, с другой стороны, могут быть скопированы путем копирования формы поверхностного рельефа.
Объемные голограммы, также называемые голограммами, восстанавливаемыми в белом свете или отражательными голограммами, основаны на дифракции света на так называемых брэгговских плоскостях прозрачного слоя, который имеет локальные отличия показателя преломления, они обеспечивают отличное восприятие изображения. Они не могут быть скопированы путем воссоздания формы поверхностного рельефа.
Однако следует заметить, что одновременная запись двух различных элементов графической информации в объемной голограмме приводит к ослаблению света и/или расплывчатому воспроизведению в областях, где наблюдается перекрытие двух элементов информации. Этого можно избежать, если две отдельные голограммы расположить друг над другом. Однако недостатком в этом случае, с одной стороны, является увеличение толщины - объемные голограммы имеют толщину, которая во много раз превышает длины волн излучения, используемого для их получения, и высокие требования с точки зрения точности записи слоев объемной голограммы.
Европейский патент 1187728 В1 описывает процесс, в котором голограмма, записываемая в проходящем свете, и голограмма, восстанавливаемая в отраженном свете, соответственно записываются в слое голограммы, а затем два слоя голограмм накладываются друг на друга.
Европейский патент 1217469 А2 описывает процесс нанесения поверхностной рельефной голограммы с фоточувствительным слоем и получение объемной голограммы с помощью контактного процесса.
Европейский патент 1511636 А1 описывает процесс, в котором объемная голограмма получается с помощью операции оптического копирования шаблона с поверхностным рельефом, причем поверхностный рельеф является голограммой.
Такие объемные голограммы, по общему признанию, больше защищены от подделок, чем исходная голограмма, но они не выше по оптическому качеству, чем поверхностная голограмма.
Краткое изложение сущности изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание процесса, подходящего для массового производства, для изготовления объемной голограммы, который позволяет отлично воспроизводить два или более отдельных элементов графической информации, а также шаблона для получения объемной голограммы.
Поставленная задача согласно изобретению решена путем создания способа изготовления многослойного объекта, имеющего объемную голограмму, по меньшей мере, с двумя различными элементами графической информации, при этом фоточувствительный слой многослойного объекта приводят в контакт непосредственно или путем введения прозрачной оптической среды с передней стороны шаблона, в котором формируются перемежающиеся области, по меньшей мере, с двумя различными поверхностными структурами, которые содержат, по меньшей мере, два различных элемента графической информации, причем одна из поверхностных структур имеет асимметричную рельефную структуру или киноформную структуру; фоточувствительный слой и шаблон подвергают воздействию когерентного светового излучения и фиксируют объемную голограмму, сформированную в фоточувствительном слое, путем отверждения фоточувствительного слоя.
Поставленная задача решена также путем создания шаблона для получения объемной голограммы, имеющей, по меньшей мере, два различных элемента графической информации в оптическом контактном процессе, при этом в формировании исходного слоя шаблона участвуют две перемежающиеся области, имеющие, по меньшей мере, две различные поверхностные структуры, которые содержат, по меньшей мере, два различных элемента графической информации, причем одна из поверхностных структур имеет асимметричную рельефную структуру или киноформную структуру.
Кроме того, задача решена путем создания прозрачного слоя с неоднородным показателем преломления, в котором узлы брэгговских плоскостей объемной голограммы сформированы путем изменения показателя преломления, при этом объемная голограмма содержит, по меньшей мере, два различных элемента графической информации в качестве голографического изображения, по меньшей мере, двух перемежающихся различных поверхностных структур, одна из поверхностных структур имеет асимметричную рельефную структуру или киноформную структуру.
Способ, в соответствии с изобретением, характеризуется тем, что объемная голограмма получается за счет оптического контактного копирования шаблона, в котором формируются перемежающиеся области с различными асимметричными пространственными структурами или киноформными структурами, которые содержат различные элементы графической информации.
Области могут перемежаться различным образом. Они могут содержать, например, перемежающиеся растровые сетки, например линейные сетки. В этом случае одна область может воспроизводить, например, элемент текстовой информации, а другая область - элемент графической информации. Однако также возможно, что одна область предоставляет элемент информации, а вторая область формирует фоновое окружение, из которого выделяется информация. Информация может быть, например, логотипом, который является светлым на темном фоне при одном положении наблюдения и темным на светлом фоне при другом положении наблюдения. Следовательно, может обеспечиваться, что изменение положительного представления на отрицательное представление и наоборот происходит тогда, когда объемную голограмму наклоняют или перемещают. Кроме того, области могут быть такими, что одна область формирует край другой области. Таким образом, одна область может, например, воспроизводить границу алфавитно-цифровых знаков, а другая область может воспроизводить сами алфавитно-цифровые знаки.
Асимметричные поверхностные структуры предпочтительно являются периодическими структурами, которые отклоняют падающий пучок или на которых он дифрагирует в предпочтительных направлениях. Таким способом получаются отличные отображения. В равной степени поверхностные структуры также могут быть в виде так называемых киноформных структур, которые также известны как зонированные линзы или френелевские зонные пластинки. Они включают кольцеобразные структуры, в которых зоны отличаются по своей прозрачности и/или по длине оптического пути. В первом случае свет дифрагирует на кольцеобразных щелях и усиливается за счет усиливающей интерференции в фокальных точках. В последнем случае свет отклоняется в предпочтительном направлении за счет различия фазового сдвига на кольцах. Киноформные структуры, особенно в зависимости от длины волны, могут высокоэффективно осуществлять дифракцию когерентного излучения в точно определенные угловые области. Киноформные структуры, следовательно, являются такими структурами, которые концентрируют отклоненный световой пучок в предпочтительном направлении и, таким образом, дают отличные отображения.
Четкое разделение различных элементов графической информации на основании вложенных областей с различными асимметричными поверхностными структурами или киноформными структурами в исходной голограмме и голографическом изображении исходной голограммы в объемной голограмме с помощью оптического контактного копирования означает, что при процедуре воспроизведения выполняются сравнительно низкие требования. Процессы, которые требуются для получения исходной голограммы (шаблона), также устанавливают сравнительно низкий уровень требований. Шаблон может быть, например, в форме пленки, имеющей термопластичный или отверждаемый под действием ультрафиолетового излучения исходный слой, в котором формируются асимметричные поверхностные структуры или киноформные структуры. Следовательно, возможно создать эталоны, которые могут быть использованы только один раз для оптического контактного копирования и которые могут быть получены, например, в процессе изготовления «с рулона на рулон». Фоточувствительный материал может быть или жидкостью, или вязким веществом, или твердым телом. Вязкость фоточувствительного материала может быть увеличена путем предварительного воздействия ультрафиолетового излучения. Поскольку тесты показали, что операция зависит от температуры, следовательно, можно обеспечить, например, чтобы фоточувствительный материал обрабатывался при температуре 30°С. Следующая необязательная стадия предварительного воздействия ультрафиолетового излучения, которая предшествует воздействию лазера на материал, который предварительно обрабатывался ультрафиолетовым светом, обеспечивает оптимальную вязкость для дальнейшей обработки.
Элемент с защитой, в соответствии с изобретением, характеризуется оптимально выполненной объемной голограммой, толщина которой ограничивается снизу только оптическими законами, относящимися к формированию объемных голограмм. Элемент с защитой, следовательно, может вставляться в носители, которые подвергаются сгибанию в ходе использования, например, как в случае банкнот. Поскольку объемная голограмма выполняется в прозрачном материале, неожиданный оптический эффект получения непрозрачных отражающих изображений в прозрачном окне возникает редко.
Можно обеспечить, чтобы, по меньшей мере, одна из поверхностных структур имела асимметричную рельефную структуру, или симметричную рельефную структуру, или рельефную структуру с изменяющимся периодом, или неупорядоченную рельефную структуру, или псевдонеупорядоченную рельефную структуру.
Кроме того, можно обеспечить, чтобы поверхностные структуры шаблона, которые не содержат какой-либо графической информации, были выполнены в форме структуры на основе микрорельефной технологии, и/или в форме зеркала, и/или в форме матовой структуры, и/или в форме рассеивающей решетки.
Таким способом элементы информации особенно четко выделяются на окружающем фоне.
В преимущественной конфигурации создаются, по меньшей мере, две поверхностные структуры, которые имеют форму асимметричных поверхностных структур.
Можно обеспечить, чтобы формировалось, по меньшей мере, две асимметричные поверхностные структуры с различной структурой рельефа и/или имеющие различный вектор k. Асимметричная рельефная структура обычно может быть структурой зубчатой формы, в которой более высокий край включает острый угол наклона относительно нормали к поверхности и угол падения проходит по нормали к поверхности, т.е. формируется вертикальный край. Следовательно, рельефная структура может отличаться в терминах угла наклона. Кроме того, она может отличаться в отношении разделения в пространстве двух последовательных рельефных частей. Поверхностные структуры также могут отличаться друг от друга своими векторами k, т.е. направлением распространения дифрагировавшей световой волны.
Также может быть предусмотрено, что используется множество когерентных световых пучков с различными длинами волн и/или различными направлениями падения и/или поляризации.
Тесты четко продемонстрировали, что эффективность дифракции объемных голограмм при воздействии множества пучков ниже, чем эффективность дифракции объемных голограмм с одним пучком, в частности, для фоточувствительного материала в виде текучей среды, который имеет высокую степень подвижности своих компонент.
Кроме того, может быть предусмотрено, что когерентный световой пучок проходит через фоточувствительный слой и отклоняется, по меньшей мере, на асимметричных поверхностных структурах и/или на киноформных структурах шаблона, где воздушный слой не создается между фоточувствительным слоем и шаблоном. Таким образом, когерентный световой пучок, который проходит в фоточувствительный слой, формирует объектную волну, при этом когерентный световой пучок, выходящий из фоточувствительного слоя, и когерентный пучок, дифрагировавший или отраженный асимметричной поверхностной структурой или киноформной структурой шаблона в фоточувствительном слое, формируют объектную волну, которая интерферирует в фоточувствительном слое с объектной волной и в этом случае в узлах интерференции меняет показатель преломления фоточувствительного слоя.
Также можно обеспечить, чтобы когерентный световой пучок проходил через фоточувствительный слой и шаблон и отражался на задней стороне шаблона, где воздушный слой создается между фоточувствительным слоем и шаблоном.
Кроме того, можно обеспечить, что когерентный световой пучок подразделяется на первую и вторую части пучка, первая часть пучка проходит через фоточувствительный слой и вторая часть пучка проходит от задней стороны шаблона через шаблон. В этом случае шаблон может быть сформирован с помощью прозрачного исходного слоя без дополнительного отражающего слоя.
В преимущественной конфигурации может быть предусмотрено, что поверхностные структуры шаблона формируются на поверхности фоточувствительного слоя, т.е. по направлению к шаблону. Таким образом, возможно создать дополнительную функцию защиты, так как при подделке должны копироваться как поверхностная структура, так и объемная голограмма и должно реализовываться объединение при точном соотношении при записи.
Можно обеспечить, что шаблон остается на фиксированном фоточувствительном слое.
Также, однако, можно обеспечить, что на переднюю сторону шаблона наносится прозрачный разделительный слой, показатель преломления которого равен или приблизительно равен показателю преломления фоточувствительного слоя, а затем фоточувствительный слой наносится на разделительный слой. Для того чтобы сохранить слабое оптическое влияние разделительного слоя, обеспечивается, что разница показателей преломления между фоточувствительным слоем и разделительным слоем сохраняется небольшой или полностью исключается.
Часто качество фоточувствительного слоя бывает таким, что нет необходимости наносить разделительный слой на шаблон. Однако разделительный слой может создаваться, но не всегда он может облегчать отделение шаблона от фоточувствительного слоя, когда планируется, что шаблон отделяется от подвергающегося воздействию фоточувствительного слоя.
Может быть обеспечено, что фоточувствительный слой используется при толщине от 5 до 40 мкм. Оптимальная толщина фоточувствительного слоя зависит, в частности, от используемого материала и может быть получена с помощью тестов.
Также можно обеспечить, что в качестве фоточувствительного слоя используется фотополимерный слой. Фотополимеры представляют собой полимеры, которые сшиваются благодаря действию высокоинтенсивного света, в частности ультрафиолетового света, и, следовательно, полимеризуются. Для получения объемных голограмм создаются специальные фотополимеры, показатель преломления которых изменяется благодаря интенсивному воздействию, например OmniDex 706 фирмы Дюпон.
Можно обеспечить, что фоточувствительный слой и исходная голограмма подвергаются воздействию когерентных лазерных пучков различной длины волны и/или различного направления. Таким образом, обеспечивается, что элементы графической информации, сохраненные в объемной голограмме, имеют разный цвет и/или видны под различными углами наблюдения.
Преимущественно можно обеспечить, чтобы когерентный световой пучок формировался лазером.
В преимущественной конфигурации обеспечивается, что многослойный объект формируется в процессе изготовления «с рулона на рулон», для чего фоточувствительный слой проходит через копирующий цилиндр, на внешней поверхности которого располагается шаблон, при этом фоточувствительный слой освещается когерентным световым пучком. Процесс изготовления «с рулона на рулон» является особенно предпочтительным при массовом производстве. Тесты показали, что периферическая скорость копирующего цилиндра может быть, по меньшей мере, 5 м/мин, но она может увеличиваться, по меньшей мере, до 40 м/мин. Так как многослойный объект находится на опоре по отношению к поверхности шаблона, не происходит потери качества из-за вращения шаблона. Может быть предусмотрено, что отверждение фоточувствительного слоя осуществляется, когда многослойный объект еще находится в контакте с вращающимся шаблоном. По меньшей мере, начало операции отверждения может быть обеспечено, когда многослойный объект еще находится в контакте с вращающимся шаблоном.
Можно обеспечить, что когерентный световой пучок составляет острый угол относительно нормали к поверхности копирующего цилиндра.
В преимущественной конфигурации обеспечивается, что когерентный световой пучок составляет угол от 10 до 20° относительно нормали к поверхности копирующего цилиндра. В особенности предпочтительным является угол 14°.
Другие преимущества изобретения касаются конструкции шаблона.
Можно обеспечить, что, по меньшей мере, еще одна поверхностная структура имеет асимметричную рельефную структуру, или симметричную рельефную структуру, или рельефную структуру с изменяющимся периодом, или неупорядоченную рельефную структуру, или псевдонеупорядоченную рельефную структуру.
Кроме того, может быть предусмотрено, что поверхностные структуры шаблона, которые не содержат какую-либо графическую информацию, представляют собой структуру на основе микрорельефной технологии, и/или в форме зеркала, и/или в форме матовой структуры, и/или в форме рассеивающей решетки.
В еще одной преимущественной конфигурации обеспечивается, что, по меньшей мере, две поверхностные структуры находятся в форме асимметричных поверхностных структур.
Можно обеспечить, что k-векторы асимметричных поверхностных структур повернуты на 180° по отношению друг к другу. Такая ориентация поверхностных структур, является в особенности преимущественной благодаря тому, что различные элементы графической информации становятся видимыми при простом наклоне многослойного объекта. В совокупности с другими положениями наклонные и вращательные перемещения должны осуществляться одновременно или последовательно, чтобы сделать все элементы графической информации видимыми. Этот эффект, который представляет собой препятствие в терминах самого простого возможного наблюдения, может, однако, быть преимущественным, если, например, помимо двух элементов графической информации, предназначенных для пользователя, в объемной голограмме сохраняется третий элемент графической информации, который предназначен для электронного считывающего устройства. Эта скрытая графическая информация также может считываться, например, в ультрафиолетовом или инфракрасном свете.
Преимущественно может быть обеспечено, что асимметричные поверхностные структуры являются отражательными рельефно-фазовыми дифракционными решетками. Отражательные рельефно-фазовые дифракционные решетки отличаются особенной яркостью из-за своей асимметричной конфигурации, они отклоняют так много света, как это возможно, в направлении одного из двух симметричных порядков дифракции, предпочтительно в направлении одного из двух первых порядков. Это является преимуществом, поскольку в случае традиционных решеток свет расходится под более широкими пространственными углами, главная компонента на выходе скрывается в нулевом порядке и, таким образом, остается неиспользованной.
Предпочтительно отражательная рельефно-фазовая дифракционная решетка имеет пространственную частоту от 100 до 150 линий/мм. Предпочтительная отражательная рельефно-фазовая дифракционная решетка, следовательно, имеет расстояние между линиями решетки от 10 до 6,7 мкм. Однако в особых случаях также могут быть предпочтительными очень большие расстояния между линиями решетки (>10 мкм) и также очень маленькие (< 1 мкм) расстояния между линиями решетки. Решетки с очень большими расстояниями между линиями, например асимметричные ахроматические решетки с расстояниями между линиями свыше 10 мкм, могут отражать все падающее излучение в направлении одного порядка. В частности, при непрямом угле падения пучка возможно получать решетки с высокой частотой, для которых в направлении определенного порядка, например 1-го порядка, отклоняется почти вся энергия дифрагировавшего поля. Две ситуации являются преимущественными, и нет преимуществ между различными «объектными волнами» (потенциальная возможность такого преимущества уменьшает эффективность дифракции для полученной объемной голограммы).
Кроме того, можно обеспечить, что отражательная рельефно-фазовая дифракционная решетка имеет глубину от 1 до 2 мкм.
Отражательные рельефно-фазовые дифракционные решетки, имеющие упомянутые выше размеры, могут быть получены путем горячего тиснения, например, с помощью нагретого вращающегося вала для тиснения или фотомеханическим способом за счет воздействия лака, отверждаемого под действием ультрафиолета.
Можно обеспечить, что области, по меньшей мере, с двумя элементами графической информации располагаются в растровой сетке с шириной сетки от 50 до 20 мкм. При определенных преимущественных условиях, т.е. при рассмотрении высококонтрастного рисунка при хорошем освещении, предел разрешающей способности человеческого глаза составляет 20 мкм. Разрешающая способность может ухудшаться от 3 до 5 раз при включении низкого контраста со слабым освещением. Следовательно, ширина решетки от 20 до 50 мкм больше не может разрешаться невооруженным человеческим глазом, поэтому невозможно воспринять сканирование графической информации.
Кроме того, можно обеспечить, что растровая сетка представляет собой полосатую растровую сетку. Полосатую растровую сетку особенно легко реализовать. Однако также возможно создать другие растровые сетки, в частности, если перекрываются более двух различных элементов графической информации. Расположение может включать, например, пиксельную растровую сетку, в которой шаблон может быть получен с помощью технологии электронного пучка. Эффект сканирования обеспечивает тот факт, что элементы графической информации также отделяются друг от друга в объемной голограмме, поэтому нет потерь яркости и/или резкости из-за суперпозиции элементов графической информации в объемной голограмме.
Можно обеспечить, что исходный слой формируется из прозрачного копирующего слоя.
Как указано выше, можно обеспечить, чтобы когерентный световой пучок, падающий на фоточувствительный слой, отражался на передней стороне шаблона или на его задней стороне.
Следовательно, можно обеспечить, чтобы отражающий слой наносился на переднюю сторону шаблона или чтобы отражающий слой наносился на заднюю сторону шаблона.
Также может быть предусмотрено, чтобы отражающий слой был металлическим слоем. Металлический слой может быть сформирован, например, из металла с хорошей отражательной способностью, такого как алюминий, серебро, золото или медь, или из металлического сплава. Металлический слой может иметь толщину несколько нанометров. Толщина слоя также может быть выбрана таким образом, чтобы он отражал падающее излучение и оказывался прозрачным для проходящего излучения. Предпочтительная толщина слоя может быть определена с помощью тестов, поскольку прозрачность, кроме толщины слоя, зависит также от материала металлического слоя и отношения размеров поверхностной структуры.
Если отражающий слой формируется на передней стороне исходной голограммы, можно обеспечить, чтобы шаблон формировался из отражающего материала, например металла, который является хорошим отражателем. Шаблон может быть, например, в форме вращающегося шаблонного цилиндра.
Также можно обеспечить, чтобы отражающий слой был в форме оптического разделительного слоя. Он может представлять собой неорганический диэлектрик, например ZnS.
Кроме того, можно обеспечить, чтобы отражающий слой был в форме HRI слоя.
Также можно обеспечить, чтобы вместо отражающего слоя формировалось множество диэлектрических слоев с сильным преломлением, каждый из которых имеет толщину λ/2 или λ/4, где λ определяет длину волны.
Кроме того, может быть обеспечено использование отражения на поверхностях, которые граничат с воздухом или другой слабопреломляющей средой, и в случае прозрачного шаблона также возможно, в частности, производить распределение с помощью отражающего слоя на задней стороне шаблона.

Металлический слой, и/или диэлектрический слой, и/или система слоев из тонкой пленки, и/или жидкокристаллический слой, и/или штампованный слой могут либо покрывать всю поверхность фоточувствительного слоя, либо быть нанесены при записи с учетом взаимного расположения с изображениями объемной голограммы, как это делается подобным образом в отношении KINEGRAM, они могут быть нанесены на некоторые участки с учетом взаимного расположения с изображениями объемной голограммы, как это делается подобным образом при стандартной деметаллизации, или они могут быть нанесены частично в виде картины, которая не записывается с учетом взаимного расположения с изображениями объемной голограммы. Особенно если поверхностный рельеф покрыт металлом или HRI материалом, он может приобретать оптическую функцию, что дополняет объемную голограмму.
Это блестящая, как серебро, металлизирующая фольга в форме серпа.
Также может быть обеспечено, что объемная голограмма располагается в окне банкноты или удостоверения личности.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов реализации со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1а изображает схематичный вид сверху шаблона для получения объемной голограммы, согласно изобретению;
фиг.1b - схематичные подробные виды на фиг.1а, согласно изобретению;
фиг.2а - принцип процесса, согласно изобретению;
фиг.2b - принцип функции объемной голограммы на фиг.2а, согласно изобретению;
фиг.3а-3i - стадии процесса изготовления для первого варианта реализации, согласно изобретению;
фиг.4а-4h - стадии процесса изготовления для второго варианта реализации, согласно изобретению;
фиг.5а-5g - стадии процесса изготовления для третьего варианта реализации, согласно изобретению;
фиг.6а и 6b - схему устройства для изготовления для четвертого варианта реализации процесса изготовления, согласно изобретению;
фиг.7а-7d - стадии процесса изготовления для четвертого варианта реализации на фиг.6, согласно изобретению;
фиг.8а и 8b - пример использования элемента с защитой в виде полосы, согласно изобретению.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
На фиг.1а показан схематично вид сверху в увеличенном масштабе шаблона 1 для получения объемной голограммы. Шаблон 1 может быть в виде многослойного объекта, по меньшей мере, с одним копирующим слоем 1r, который имеет на верхней стороне области 2а и 2b изображения, сформированные из поверхностных областей 3а и 3b, которые имеют форму полосы и которые располагаются взаимно параллельно по отношению друг к другу. Каждая из поверхностных областей 3а и 3b имеет ширину 59 мкм, они располагаются на расстоянии 50 мкм друг от друга, где промежуточное пространство между поверхностными областями 3а в форме полосы заполняется поверхностными областями 2b в форме полосы и наоборот. Поверхностные области 2а и 2b в форме полос формируют растровые сетки с перемежающимися линиями, соответствующие значения оказываются ниже разрешающей способности человеческого глаза. Следовательно, области изображения 2а и 2b видны наблюдателю как закрытые области, в этом отношении в варианте реализации, показанном на фиг.1, область 2а изображения представляет собой фирменный знак, а область 2b - алфавитно-цифровые знаки.
Поверхностные области 3а и 3b имеют рельефные структуры в виде отражательной рельефно-фазовой дифракционной решетки и снабжены отражающим слоем 1m. В варианте реализации, показанном на фиг.1а, отражающий слой 1m представляет собой тонкий металлический слой. Отражательные рельефно-фазовые дифракционные решетки являются специальными дифракционными решетками в оптике. Элементы решетки расположены под углом, угол наклона называется углом блеска. Это приводит к получению изменяющейся по форме пошагово асимметричной поверхностной рельефной структуре с поднимающимся передним краем, который наклонен под острым углом относительно нормали к поверхности, и круто спадающим задним краем. Как показано на фиг.1b, рельефные структуры поверхностных областей 3а и 3b содержат идентичные рельефные структуры, которые располагаются с поворотом на 180° по отношению друг к другу (обозначены на фиг.1b как азимут 0° и 180°).
Поскольку рельефные структуры поверхностных областей 3а и 3b повернуты на 180° относительно друг друга, области 2а и 2b изображения при наклоне шаблона выглядят как четко разделенные области изображения, которые в этом случае ярко светятся.
На фиг.2а схематично показано использование шаблона 1 для получения объемной голограммы, которая имеет оптические свойства исходной голограммы, т.е. шаблона 1.
Отражающий слой 1m, расположенный на копирующем слое 1r, покрывается прозрачным покрывающим слоем 5, который может быть разделительным слоем, позволяющим позже облегчить отделение фотополимерного слоя 6, нанесенного на рельефный слой. В проиллюстрированном варианте реализации фотополимерный слой 6 имеет показатель преломления n = 1,6. Фотополимерный слой 6 первоначально не является поперечно связанным или является только слабо поперечно связанным. Преимущественно покрывающий слой 5 имеет такой же показатель преломления или приблизительно такой же показатель преломления, как и фотополимерный слой 6, поэтому покрывающий слой 5 оптически не воздействует.
Лазерный пучок 7е, попадающий на фотополимерный слой 6 для записи в объемной голограмме, первоначально преломляется на фотополимерном слое 6 и затем отклоняется на отражающем слое 1m за счет дифракции на решетчатой структуре копирующего слоя 1r. Как показано на фиг.2а, дифрагировавший пучок, соответствующий 1-му порядку дифракции, обозначен 7g, в то время как дифрагировавший пучок, соответствующий нулевому порядку дифракции, отраженный на краю, обозначен 7а. Так как решетчатая структура представляет собой отражательную рельефно-фазовую дифракционную решетку, дифрагировавший пучок, соответствующий 1-му порядку дифракции, имеет наибольшую интенсивность. Пучок, соответствующий первому порядку дифракции, реализует объектную волну, которая интерферирует с опорной волной, реализованной падающим пучком 7е, и в этом случае инициирует локальную полимеризацию в фотополимерном слое 6. Как следствие полимеризации, показатель преломления фотополимерного слоя изменяется. Изменения показателя преломления являются локализованными, это так называемые брэгговские плоскости, которые первоначально были описаны в связи с рентгеновским структурным анализом кристаллов.
На фиг.2b показан фотополимерный слой 6е, который представляет собой фотополимерный слой 6 (фиг.2а) после воздействия на него. Фотополимерный слой 6е имеет зависящий от положения показатель преломления n'=n+δ, где трехмерная структура показателя преломления сохраняется в фотополимерном слое 6е в форме объемной голограммы, где восстановление интерференционной картины, получаемой за счет поверхностной структуры копирующего слоя 1r, постоянно сохраняется.
Фотополимерный слой может быть фотополимером OmniDex 706 фирмы Дюпон (DuPont), который имеет особое свойство локального изменения показателя преломления под воздействием света. Также известны фотополимеры, которые находятся в форме жидкого вещества и которые полимеризуются, например, благодаря воздействию ультрафиолетового излучения и, как результат, отверждаются. Также может быть предусмотрено, что фотополимер отливается как слой и подвергается предварительному отверждению под воздействием слабого ультрафиолетового излучения и/или отверждается после формирования объемной голограммы под действием ультрафиолетового излучения или за счет тепловой обработки.
На фиг.2b световой пучок, попадающий на фотополимерный слой 6е, для реконструкции изображений решетки обозначен 8е, и пучок, который выходит из фотополимерного слоя 6е и который дифрагирует на объемной голограмме, обозначен 8g. Пучок 8g, выходящий из фотополимерного слоя 6е, соответствует по направлению и интенсивности дифрагировавшему пучку 7g на фиг.2а. Для четкой иллюстрации описанных событий узлы одной из брэгговских плоскостей схематично представлены кружками.
Соответственно фотополимерный слой 6е, полученный в соответствии с упомянутым выше процессом, имеет оптическое действие, которое вызывает впечатление, что существует отражательная рельефно-фазовая дифракционная решетка, имеющая отражающую рельефную структуру. Объемная голограмма имеет высокий уровень защиты от копирования, так как параметры ее изготовления, такие как точная длина волны лазерного излучения и точные углы падения воздействующего света, должны быть известны для воспроизведения объемной голограммы. Копирование с помощью полихроматического света исключается изначально. Однако копирование с помощью монохроматического света также воспроизводится намного сложнее, так как из-за ряда причин существует смещение длины волны, которая может использоваться для реконструкции, по отношению к исходной длине волны, которая используется при получении объемной голограммы. Одной из причин является сжатие или усадка брэгговских решеток при отверждении фотополимерного слоя 6е. В дополнение к этому существует тот факт, что смещение происходит неоднородно на всем пространстве объемной голограммы и также изменяется при изготовлении. Такие явления деформации, кроме того, могут происходить за счет приклеивания чего-либо на фотополимерный слой с помощью термоклея или могут специально и направленно вводиться, например, чтобы обеспечить объемную голограмму персональной информацией. Из-за описанного изменения смещения длины волны, которая может быть использована для восстановления объемной голограммы, по отношению к исходной длине волны и, кроме того, недостатка однородности смещения уровень защиты от подделки объемной голограммы в соответствии с изобретением является очень высоким.
На фиг.3а-3i показаны стадии процесса изготовления первого варианта реализации многослойного объекта в соответствии с изобретением.
На фиг.3а представлено схематично сечение копирующего слоя 34, который может быть сформирован из термопластичного материала, на верхней стороне которого формируются области, в которых формируются асимметричные рельефные структуры 30а и 30b в форме отражательных рельефно-фазовых дифракционных решеток, причем рельефные структуры включают расположение, повернутое на 180°, такой же конфигурации.
Рельефные структуры 30а и 30b в варианте реализации, показанном на фигурах 3а-3i, имеют ширину решетки 10 мкм, т.е. пространственную частоту 100 линий/мм, глубину решетки 2 мм, при этом полная толщина копирующего слоя 34 составляет 22 мкм. Верхняя сторона копирующего слоя 34, кроме того, имеет области с рельефной структурой 30h, формирующей заднюю область для областей с рельефными структурами 30а и 30b. Рельефная структура 30h имеет значительно более высокое отношение глубины к ширине по сравнению с рельефными структурами 30а и 30b, для которых отношение глубины к ширине с упомянутыми выше конкретными параметрами составляет 2/10=0,2. Рельефная структура 30h может, например, иметь отношение глубины к ширине от 1 до 5. Рельефная структура 30h не является отражательной рельефно-фазовой дифракционной решеткой, а является структурой на основе микрорельефной технологии, которая поглощает падающий свет и, следовательно, кажется наблюдателю темной. Она формирует нейтральный фон для изображений, полученных с помощью рельефных структур 30а и 30b. Рельефная структура 30h также может быть отражающей плоской поверхностью, матовой структурой или решетчатой структурой, на которой дифрагирует падающий свет.
Безразмерное отношение глубины к ширине, которое также называется характеристическим отношением, определяется как отношение глубины «канавок» к расстоянию между двумя соседними «пиками» предпочтительно периодической рельефной структуры.
На фиг.3b показан копирующий слой 34 с металлическим слоем 34m, нанесенным на верхнюю сторону копирующего слоя. Металлический слой 34m может быть нанесен, например, путем напыления. Металлический слой 34m может состоять из металлов, которые являются хорошими отражателями, таких как алюминий, золото и т.п., или быть металлическим сплавом.
На фиг.3с показан копирующий слой 34 с частично удаленным металлическим слоем 34m. Металлический слой удаляется в областях с рельефной структурой 30h, которая таким образом формирует неотражающие области. Однако следует отметить, что также возможно дозировать деметаллизацию рельефной структуры 30h, потому что такая матовая структура отражает меньше или не отражает вообще из-за эффекта ненаправленного рассеяния.
На фиг.3d показан копирующий слой 34 с частично удаленным металлическим слоем 34m, с разделительным слоем 35, который на него нанесен.
На фиг.3е показаны слои, отмеченные на фиг.3d, с фотополимерным слоем 36, нанесенным на разделительный слой 35 с толщиной от 5 до 20 мкм. Фотополимерный слой 36 имеет такой же показатель преломления, как и разделительный слой 35, поэтому оптическая дифракция не имеет места на границе раздела между фотополимерным слоем 36 и разделительным слоем 35. В зависимости от прочности слоя фотополимера без поперечных связей после нанесения фотополимерный слой 36 может отверждаться для придания адекватной стабильности в отношении формы для следующей стадии обработки. Например, фотополимерный слой 36 может подвергаться первоначальной полимеризации с помощью процедуры предварительного воздействия.
На фиг.3f показано воздействие на фотополимерный слой 36 лазерного излучения 37. Таким образом, получается интерференционная картина в фотополимерном слое 36 за счет интерференции излучения 37, исходящего от лазера (опорная волна), с лазерным излучением, которое дифрагирует или отражается металлическим слоем 34m (объектная волна), и фотополимерный слой 36 полимеризуется или дополнительно полимеризуется в узлах интерференции. Следовательно, там меняется показатель преломления фотополимерного слоя, и объемная голограмма получается в фотополимерном слое 36 за счет локального изменения показателя преломления. В варианте реализации на фиг.3f лазерные пучки 37 падают перпендикулярно на фотополимерный слой 36. Однако может быть предусмотрено, что лазерные пучки направляются на фотополимерный слой 36, например, под углом 14° относительно нормали к поверхности.
На фиг.3g показана слоистая структура с фиг.3f, фотополимерный слой 36е которой подвергался воздействию и отверждался с помощью ультрафиолетового излучения и на который наносили связывающий слой 38. Фотополимерный слой 36 может быть нанесен на подложку 39 (фиг.3h) с помощью связывающего слоя 38. После нанесения фотополимерного слоя 36е и отделения копирующего слоя 34, который больше не требуется, совместно с разделительным слоем 35 рельефные структуры 30а, 30b и 30h становятся незащищенными и могут, следовательно, быть стерты, повреждены или запачканы. Соответственно существует защитный слой 36s, который, как показано на фиг.3i, покрывает сверху фотополимерный слой 36е по всей площади. Сторона защитного слоя 36s, которая удалена от рельефных структур 30а, 30b и 30h, формирует гладкую поверхность.
На фиг.4а-4h показаны стадии процесса для осуществления второго варианта реализации многослойного объекта в соответствии с изобретением.
На фиг.4а показан схематичный вид сечения, иллюстрирующий копирующий слой 44, который может быть сформирован из термопластичного материала и на верхней стороне которого создаются области, в которых формируются асимметричные рельефные структуры 40а и 40b в форме отражательных рельефно-фазовых дифракционных решеток и которые имеют такую же конфигурацию, как в расположении, повернутом на 180°. Рельефные структуры 40а и 40b в варианте реализации, показанном на фигурах 4а-4h, включают такие же параметры, как в варианте реализации, проиллюстрированном на фиг.3а-3i (т.е. ширина решетки - 10 мкм, глубина решетки -2 мкм, полная толщина копирующего слоя 44-22 мкм).
На фиг.4b показан копирующий слой 44 с металлическим слоем 44m, нанесенным на верхнюю сторону копирующего слоя. Металлический слой 44m может быть нанесен, например, путем напыления. Металлический слой 44m может включать металлы, которые являются хорошими отражателями, такие как алюминий, серебро, золото и т.п., или быть металлическим сплавом.
На фиг.4с показан составной слой, содержащий копирующий слой 44 и металлический слой 44m с защитным слоем лака 44s, который наносится на металлический слой 44m с толщиной слоя от 1 до 3 мкм и полностью заполняет рельефные структуры 40а и 40b. Сторона защитного слоя лака 44s, которая удалена от металлического слоя 44m, имеет плоскую поверхность.
На фиг.4d на защитный слой лака 44s наносится разделительный слой 45, на который наносится фотополимерный слой 46 (фиг.4е). В зависимости от соответствующей прочности слоя из несшитого фотополимера после нанесения фотополимерный слой 46 может быть подвергнут предварительному отверждению для придания адекватной стабильности в отношении формы для следующей стадии процесса. Например, фотополимерный слой 46 может подвергаться первоначальной полимеризации путем предварительного воздействия.
На фиг.4f показано воздействие на фотополимерный слой 46 лазерного излучения 47. Таким образом получается интерференционная картина в фотополимерном слое 46 за счет интерференции излучения 47, исходящего от лазера (опорная волна) с лазерным излучением, отраженным или дифрагировавшим за счет металлического слоя 44m (объектная волна), и фотополимерный слой 46 полимеризуется или дополнительно полимеризуется в узлах интерференции. Следовательно, там изменяется показатель преломления фотополимерного слоя.
На фиг.4g фотополимерный слой 46 преобразуется в подвергнутый воздействию и отвержденный фотополимерный слой 46е и обеспечивается связывающим слоем 48.
На фиг.4h показан отвержденный фотополимерный слой 46е, нанесенный на подложку носителя 49 и зафиксированный на подложке носителя 49 с помощью связывающего слоя 48. Связывающий слой 48 может быть связывающим слоем на основе термоклея. Эффекты сжатия, которые включаются в процедуру связывания, в отношении полученного фотополимерного слоя 46е могут, кроме того, увеличивать уровень безопасности защиты объемной голограммы, сохраненной в фотополимерном слое 46е, потому что брэгговские плоскости объемной голограммы, которые деформируются за счет процедуры склеивания, могут быть наилучшим образом считаны поточечно.
На фиг.5а-5g показаны стадии процесса для осуществления третьего варианта реализации многослойного объекта в соответствии с изобретением.
На фиг.5а показан копирующий слой 54 из PET с областями, имеющими рельефные структуры 50а и 50b, которые, как в упомянутых выше вариантах реализации, отличаются друг от друга по существу своим расположением с поворотом на 180°, которые включают отражательные рельефно-фазовые решетки. Рельефные структуры 50а и 50b, однако, также могут иметь различные конфигурации и могут отличаться друг от друга, например, расстояниями в решетке, и/или глубиной решетки, и/или углом наклона боковых сторон решетки. На фиг.5а представлен вариант реализации, где интервал для решетки рельефных структур 50а и 50b составляет 10 мкм, глубина решетки 2 мкм и общая толщина копирующего слоя 54 менее 12 мкм.
На верхнюю сторону копирующего слоя 54, который имеет рельефные структуры 50а и 50b, наносится металлический слой 54m, который может быть таким, как металлические слои в описанных вариантах реализации (фиг.3b и 4b).
На фиг.5 показано, что на верхнюю сторону копирующего слоя 54 наносится разделительный слой 55, показатель преломления которого равен или приблизительно равен показателю преломления копирующего слоя 54, поэтому не происходит оптической рефракции при интерференции между копирующим слоем 54 и разделительным слоем 55.
На фиг.5с показано, что на разделительный слой 55 наносится слой фотополимера 56, имеющий свойства описанных выше фотополимерных слоев 36 (фиг.3е) и 46 (фиг.4е).
На фиг.5d показано воздействие на фотополимерный слой 56 с помощью лазерного излучения 57, и на фиг.5е показан многослойный объект, который обрабатывается для передачи на подложку носителя и в котором связывающий слой 58 наносится на подвергавшийся воздействию и отвержденный фотополимерный слой 56е, полученный из фотополимерного слоя 56 на фиг.5а.
Ha фиг.5f показан вариант с фиг.5е, имеющий копирующий слой 54е, полученный из копирующего слоя 54 путем удаления рельефных структур 50а и 50 и металлического слоя 54m.
Наконец, на фиг.5g показана подложка носителя 59, которая может быть документом с защитой, с отвержденным фотополимерным слоем 56е, который фиксируется на ней постоянно с помощью связывающего слоя 58.
На фиг.6а показано схематично устройство 60 для реализации четвертого варианта реализации многослойного объекта в соответствии с изобретением. Устройство 60 для изготовления представляет собой устройство, принцип работы которого называется процессом изготовления «с рулона на рулон» (roll-to-roll). Копирующий цилиндр 61 покрывается на внешней стороне шаблоном 61m с поверхностным рельефом. На фиг.6а вариант реализации копирующего цилиндра 61 имеет диаметр 200 мм и вращается с окружной скоростью 5 м/мин. Может быть обеспечена максимальная окружная скорость до 40 м/мин.
Как показано на фиг.6b, шаблон 61m с поверхностным рельефом имеет первую отражательную рельефно-фазовую дифракционную решетку 63а с периодом решетки 1 мкм и глубиной решетки 300 нм и вторую отражательную рельефно-фазовую решетку 63b с периодом решетки 0,78 мкм и глубиной решетки 280 нм. Поверхностные области 63h шаблона 61m с поверхностным рельефом, которые не заняты первой отражательной рельефно-фазовой дифракционной решеткой 63а или второй отражательной рельефно-фазовой дифракционной решеткой 63b, имеют рельеф поверхности с матовой структурой, которая диффузно рассеивает падающий свет и, следовательно, вызывает оптическое впечатление «черного зеркала». В этом варианте реализации шаблон 61m с поверхностным рельефом сформирован из сплава никель-кобальт. Поверхность шаблона 61m с поверхностным рельефом покрывается тонким отражающим слоем 61r или хорошо отражающим металлом, например золотом.
Прозрачная пленка-носитель 65 сматывается с подающего валика 65v, пропускается по копирующему цилиндру 61 и снова наматывается на принимающий валик 65а. В варианте реализации (фиг.7а) разделительный слой 65t сначала наносится на пленку-носитель 65, перед тем как на ней печатается фотополимерный слой 66. Разделительный слой 65t может создаваться для облегчения последующего отделения пленки-носителя 65 от фотополимерного слоя.
Пленка-носитель 65 располагается вокруг копирующего цилиндра 61 с поворотом на 180° в вариантах реализации, показанных на фиг.6а и 7а, 7b. Вязкий фотополимерный слой 66 наносится путем печати на внутреннюю сторону пленки-носителя 65, которая обращена к шаблону 61m с поверхностным рельефом, вверху копирующего цилиндра 61, с помощью вращающегося печатающего цилиндра 64а. Может быть предусмотрено, что фотополимерный слой с низкой вязкостью подвергается предварительному отверждению при операции печати или в течение короткого промежутка после нее с помощью ультрафиолетового излучения, чтобы устанавливалась оптимальная вязкость для дальнейшей обработки.
Для воздействия на фотополимерный слой 66 предусмотрен лазер 67, который излучает пучок 67s, направленный на шаблон 61m с поверхностным рельефом под углом 14°. Такой угол может быть оптимизирован, например, с помощью тестов. Он также зависит от наклона боковых сторон отражательных рельефно-фазовых дифракционных решеток 63а и 63b. Отражение и дифракция на отражательных рельефно-фазовых дифракционных решетках 63а и 63b (фиг.6b) приводят к формированию фотополимерного слоя 66 объемной голограммы, который фиксируется путем отверждения фотополимерного слоя 66 за счет ультрафиолетового облучения ультрафиолетовой лампой 68, расположенной внизу лазера 67 (фиг.7b).
Между лазером 67 и копирующим цилиндром 61 предусмотрена цилиндрическая линза 67z, которая фокусирует лазерный пучок 67s и направляет его на поверхность шаблона 61m с поверхностным рельефом. При таком расположении также возможно предусмотреть одномерный сканер или двумерную маску, например жидкокристаллический модулятор. Следовательно, также может быть включен затвор или модулятор, который включает и выключает лазерный пучок, как требуется при записи с учетом взаимного расположения, с учетом рисунка голограммы.
Модулятор может быть, например, в форме электрооптического или акустооптического модулятора. Лазер 67 может быть монохроматическим лазером или лазером со множеством длин волн или может быть множеством монохроматических лазеров. В качестве примера, можно обеспечить, чтобы шаблон освещался красным лазерным пучком в одних областях и зеленым лазерным пучком в других областях. В такой ситуации усложнение и денежные затраты для оптической системы и модулятора выше, чем при использовании монохроматического лазера.
В нижней части копирующего цилиндра 61 и в верхней части принимающего валика 65а располагается вращающийся печатающий цилиндр 64b, который печатает связывающий слой 69 на той стороне отвержденного фотополимерного слоя 66, которая удалена от пленки-носителя 65.
Пленка-носитель 65, отвержденный фотополимерный слой 66 и связывающий слой 69 теперь формируют многослойный объект 70, который затем наматывается на принимающий валик 65а.
На фиг.7с показан многослойный объект 70', который подготовлен для дальнейшей обработки и который отличается от описанного выше многослойного объекта 70 тем, что разделительный слой 65t располагается между пленкой-носителем 65 и фотополимерным слоем 66.
На фиг.7а показан фотополимерный слой 66, который был снят с пленки-носителя и который наносится на подложку 71 носителя с помощью связывающего слоя 69. Подложка носителя 72 может быть, например, банкнотой или удостоверением личности, т.е. документом с защитой, уровень защиты которого от подделок значительно улучшен с помощью объемной голограммы, которая сформирована в фотополимерном слое 66.
На фиг.8а и 8b показан элемент 80 с защитой в форме полосы в двух видах, в увеличенном масштабе (в масштабе 2:1), которые формируются путем наклона элемента 80 с защитой вокруг горизонтальной оси. Элемент 80 с защитой имеет следующие особенности защиты:
- зеркальное отображение 81, сформированное из первой части 81t изображения, которая воспроизводит текст, и второй части 81k изображения, которая воспроизводит набор крестиков. Две части 81t и 81k изображения преобразуются в форму полосы и перекрываются (см. вариант реализации на фиг.1а);
- логотип 82, который на фиг.8а проявляется как светлый логотип 82а, а на фиг.82b - как дополняющий темный логотип 82d. Светлый логотип 82h и темный логотип 82d преобразуются в форму полосы и перекрываются, как описано выше.
Для достижения такого эффекта также можно обеспечить, что первая поверхностная структура формирует логотип 82, а вторая поверхностная структура формирует области вне логотипа. В первом видимом положении (фиг.8а) в этом варианте реализации логотип 82 проявляется как светлый логотип 82h, и области вне логотипа 82 оказываются темными. Во втором видимом положении (фиг.8b) логотип 82 проявляется как темный логотип 82d, и области вне логотипа 82 оказываются светлыми. В этом варианте реализации нет необходимости преобразования;
- идентификация числа 83, которая на фиг.8а проявляется как контур 83u, а на фиг.8b - как сплошное изображение 83v. Две части изображения 83u и 83v идентификации числа 83 формируются без преобразования, причем контур 83u окружает сплошное изображение 83v.