МИКРООПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ 2D ИЗОБРАЖЕНИЙ

Заявляемая в качестве полезной модели микрооптическая система формирования изображений для визуального контроля относится, преимущественно, к приспособлениям, используемым для удостоверения подлинности изделий, и может быть эффективно использована для защиты паспортов, документов и пластиковых карт от подделки.
rd
nd
В настоящее время с целью предотвращения подделки паспортов, документов и пластиковых карт широко используются рельефные голограммы (van Renesse, Rudolf L, Optical Document Security, 3 ed. British Library Cataloguing in Publication Data, 2005, ISBN 1-58053-258-6, van Renesse, Rudolf L, Optical Document Security, 2 ed. British Library Cataloguing in Publication Data, 1998, ISBN 0-89006-982-4). Одной из основных проблем контроля подлинности паспортов, документов и пластиковых карт является разработка новых защитных оптических элементов для визуального контроля. Такие элементы должны допускать надежный визуальный контроль, слабо зависящий от условий освещения. Защитные элементы должны быть хорошо защищены от подделки или имитации, и допускать массовое тиражирование.
Одним из видов защиты документов являются латентные изображения, которые невозможно увидеть при нормальных условиях освещения, но они становятся видимыми в поляризованном свете (US 6124970). Существуют и другие технологии изготовления различных скрытых изображений. Эти изображения визуализируются с помощью лазерного излучения. К таким элементам относятся так называемые CLR (Covert Laser-Readable) изображения. Разработаны приборы автоматизированного контроля CLR изображений (патент ЕА018419 (В1)). В этом патенте при освещении оптического элемента лазером формируется одно и то же изображение, контролируемое прибором. Недостатком такого метода контроля является невозможность его проведения без специальных приспособлений. Оптический элемент является металлизированным и не является прозрачным для оптического излучения.
В отличие от патента ЕА018419 (В1) (прототип), в заявленной полезной модели оптический элемент является прозрачным и позволяет читать информацию, расположенную под ним. Для освещения используется не лазерное излучение, а обычный точечный источник белого света. В качестве такого источника можно использовать фонарик мобильного телефона. В среднем количество проданных в РФ мобильных телефонов приближается к количеству граждан. Таким образом, дополнительного приспособления для контроля подлинности оптического элемента не требуется. Визуальный контроль оптических элементов заключается в том, что наблюдатель освещает оптический элемент точечным источником света, при этом при движении источника света наблюдатель видит анимированное изображение.
Задачей настоящей полезной модели является разработка микрооптических систем для защиты паспортов, документов, ID и пластиковых карт. Важнейшим требованием к микрооптическим системам, используемых для этих целей, является их прозрачность в оптическом диапазоне. В то же время, микрооптическая система должна обеспечивать высокий уровень защищенности от подделки. Задачей настоящей полезной модели является также обеспечение возможности использования стандартного высокопроизводительного технологического процесса изготовления, тиражирования и нанесения защитных элементов.
Для этой цели в настоящей заявке на полезную модель предлагается использовать оптически прозрачный дифракционный оптический элемент, который в отраженном свете позволяет формировать 2D изображения при освещении элемента точечным источником белого света. При движении источника света наблюдатель видит анимированное изображение.
ij
ij
n
n
ij
n
n
n
Поставленная задача с достижением указанного технического результата решается в настоящей полезной модели, в которой предлагается использовать микрооптическую систему, состоящую из размещенного на плоской подложке оптически прозрачного дифракционного оптического элемента. Область оптического элемента включает элементарные области R, i=1, 2, …I; j=1, 2, …J, где I, J - число разбиений оптического элемента на элементарные области по осям координат х,у, размер областей R не превышает 80 микрон, соседние области располагаются на расстоянии не более 80 микрон друг от друга. Оптический элемент разделен на страйпы S, n=1, 2, …N, представляющие собой прямоугольные области шириной от 0,4 до 1,5 мм, внутри каждого страйпа S элементарные области R заполнены одинаковыми киноформами, формирующими изображение кадра K(х,у), n=1, 2, …N. Остальная область оптического элемента является пустой. При освещении микрооптической системы точечным источником света наблюдатель видит при движении источника света анимированное изображение, состоящее из последовательности кадров K, n=1,…N. Траектория движения источника света должна пересекать страйпы S.
n
Центральным моментом является использование многоградационных киноформов как оптических элементов, формирующих заданное изображение в фокальной плоскости, параллельной плоскости оптического элемента. Оптический элемент "киноформ" был впервые введен в обращение в статье Лизема (L.B. Lesem, P.M. Hirsch, J.A. Jordan "The Kinoform: A New Wavefront Reconstruction Device", IBM J. Res. Develop. 13, 150 (1969)). Киноформ представляет собой плоский фазовый оптический элемент с глубиной микрорельефа не более 0,3 микрона. Если задано изображение K(х,у) в фокальной плоскости, существуют разработанные итерационные алгоритмы, позволяющие рассчитать фазовую функцию плоского оптического элемента. Фазовая функция однозначно определяет микрорельеф плоского оптического элемента (Гончарский А.В., Гончарский А.А. "Компьютерная оптика. Компьютерная голография" Изд-во МГУ, Москва 2004, ISBN 5-211-04902-0).
Совокупность заявленных признаков обеспечивает достижение заявленного технического результата.
ij
n
n
n
Сущность полезной модели поясняется изображениями, где на фиг. 1 приведена схема разбиения области оптического элемента на элементарные области R; на фиг. 2 приведена схема формирования страйпов S, n=1, 2, …N; на фиг 3 приведены кадры изображения K, n=1, 2, …N; на фиг. 4 приведена схема формирования изображения многоградационным киноформом, используемая для расчета его микроструктуры; на фиг. 5 представлена микроструктура многоградационного киноформа; на фиг. 6 приведено изображение одного из кадров K; на фиг. 7 приведена схема наблюдения визуального эффекта при освещении оптического элемента белым светом.
ij
ij
Микрооптическая система, заявленная в настоящей полезной модели, представляет собой расположенный на плоской подложке прозрачный плоский оптический элемент. В отличие от прототипа, в заявленной микрооптической системе оптический элемент является прозрачным для оптического излучения. Микрооптический элемент разбит на элементарные области R, i=1, 2, …I, j=1, 2, …J, где I, J - число разбиений оптического элемента на элементарные области по осям координат х,у. Размер областей и расстояния между ними не превышают 80 микрон. Схема разбиения оптического элемента на элементарные области представлена на фиг. 1. Каждая элементарная область R включает фрагмент киноформа, формирующего изображение на отражение при освещении оптического элемента белым светом.
n
n
n
n
n
На фиг. 2 приведена схема формирования прямоугольных страйпов S. Страйпы расположены между пунктирными линиями на фиг. 2. Ширина страйпов по горизонтали лежит в пределах от 0,4 до 1,5 мм. По вертикали длина страйпа совпадает с вертикальным габаритом оптического элемента. В каждую область S, n=1, 2, …N, помещаются киноформы, формирующие одно и то же изображение. Киноформы, расположенные в каждом из страйпов S, формируют кадр изображения K(х,у), n=1, 2, …N. Обычно количество изображений N составляет от десяти до нескольких сотен. Фрагменты нескольких кадров K(х,у) приведены на фиг. 3.
ij
На фиг. 4 приведена оптическая схема формирования изображения с помощью многоградационного киноформа. Оптический элемент расположен в плоскости z=0, обозначенной цифрой 1. Если изображение в плоскости z=f задано, то существуют разработанные итерационные алгоритмы, позволяющие рассчитать форму микрорельефа киноформа в элементарных областях R (Гончарский А.В., Гончарский А.А. "Компьютерная оптика. Компьютерная голография" Изд-во МГУ, Москва 2004, ISBN 5-211-04902-0). На фиг. 5 представлена микроструктура многоградационного киноформа в градациях серого. Размер фрагмента киноформа составляет 80×80 микрон. Глубина микрорельефа пропорциональна потемнению в каждой точке изображения на фиг. 5. Максимальная глубина микрорельефа составляет 0,3 микрона. На фиг. 6 приведено изображение кадра, киноформ которого приведен на фиг. 5.
n
n
На фиг. 7 приведена схема наблюдения визуального эффекта. Плоскость оптического элемента обозначена цифрой 1. Свет от точечного источника 2 падает на оптический элемент, и формирует изображение, видимое наблюдателю. При движении источника света отраженное изображение перемещается по поверхности элемента, так что наблюдатель 3 видит анимированное изображение, состоящее из последовательности кадров K, n=1…N. Траектория движения источника света должна пересекать страйпы S.
Для того чтобы обеспечить высокое качество изображений при глубине микрорельефа порядка 0,3 микрона необходимо обеспечить точность формирования микрорельефа порядка 10 нм. Такую точность может обеспечить только электроннолучевая технология формирования микрорельефа. Электроннолучевая технология является наукоемкой, малораспространенной и очень дорогостоящей. Все это надежно защищает разработанные микрооптические системы от подделки. Образцы микрооптических систем, изготовленные с помощью электроннолучевой технологии, продемонстрировали высокое качество изображения. Разработанные элементы можно тиражировать большими тиражами, что обеспечивает их низкую стоимость при массовом производстве.
Таким образом, основные отличия заявленной полезной модели от прототипа заключаются в следующем:
1. В отличие от прототипа, заявленная в полезной модели микрооптическая система представляет собой прозрачный оптический элемент. Микрооптическая система в прототипе полностью металлизирована, и не является прозрачной для оптического излучения.
2. В отличие от прототипа, для контроля подлинности микрооптической системы, заявленной в полезной модели, не нужно использовать специально сконструированные приборы. Контроль можно осуществлять визуально. Уровень защиты и в прототипе, и в заявленной полезной модели одинаков. И там, и там использованы многоградационные киноформы. Для имитации микроструктуры необходима точность формирования микрорельефа в 10 нм.
3. В прототипе для освещения используется источник когерентного света - лазерный диод. В заявленной полезной модели для освещения также можно использовать лазерный диод, но вполне достаточно использовать фонарик телефона, т.е. источник белого света. Таким образом, технология контроля для заявленной полезной модели намного проще при сохранении того же уровня защиты продукта.
Нижеприведенный пример конкретного выполнения изобретения подтверждает возможность осуществления изобретения, не ограничивая его объем.
ij
Пример. В качестве примера была рассчитана и изготовлена микрооптическая система по п. 1 формулы полезной модели. Микрооптическая система представляет собой прозрачный плоский фазовый оптический элемент. Размер оптического элемента 32×32 мм. Размер элементарных областей оптического элемента R, заполненных киноформами, составляет 80×80 микрон. Микроструктура одного из киноформов приведена на фиг. 5. Размер фрагментов киноформа в каждой элементарной области составляет 80×80 микрон. В качестве источника света для наблюдения использовался фонарик мобильного телефона.
Для формирования микрорельефа использовалась установка электроннолучевого экспонирования ZBA-21 фирмы Carl Zeiss с изменяемой формой луча и с минимальным размером пикселя 0,1×0,1 микрона. Глубина микрорельефа составляла порядка 0,3 микрона. С помощью электроннолучевой литографии был сформирован микрорельеф оптического элемента размером 32×32 мм на пластине позитивного резиста. С помощью гальванопластики была получена мастер-матрица. С помощью установки мультипликации и гальванопластики была изготовлена мастер-матрица размером 6×6 дюймов. С помощью этой мастер-матрицы были изготовлены образцы микрооптических систем на стандартном тиражном голографическом оборудовании для производства голографических защитных элементов.
Изготовленные образцы показали высокую эффективность предложенных в заявке решений.