Микрооптическая система для формирования 2D изображений

Заявляемая в качестве полезной модели микрооптическая система формирования изображений для визуального и инструментального 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 подделок паспортов, документов и пластиковых карт широко используются различные 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 оптических элементов защиты 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.
Наиболее близким (прототип) по совокупности признаков является патент ЕА 030487. В этом патенте предложена микрооптическая система, которая может быть использована для защиты паспортов, документов и пластиковых карт. Микрооптическая система состоит из состоит из фрагментов киноформов и дифракционных решеток. Микрооптическая система представляет собой полностью металлизированный плоский дифракционный оптический элемент. При освещении микрооптической системы белым светом при больших углах дифракции на всей поверхности микрооптического элемента наблюдатель видит цветное изображение. Фрагменты киноформов в микрооптической системе формируют изображение для инструментального контроля. Диаграмма направленности отраженного лазерного излучения обеспечивает формирование изображения, расположенного в широком кольце с центром в нулевом порядке дифракции.
Задачей настоящей полезной модели является разработка микрооптических систем для защиты паспортов, документов 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 подделок. 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 частично деметаллизированный оптически прозрачный дифракционный оптический элемент, который в отраженном свете позволяет формировать 2D изображения как в белом свете при больших углах дифракции, так и при освещении микрооптической системы когерентным излучением.
ij
ij
ij
ij
ij
Поставленная задача с достижением указанного технического результата решается в настоящей полезной модели, в которой предлагается использовать микрооптическую систему, состоящую из размещенного на плоской подложке плоского частично деметаллизированного оптически прозрачного дифракционного оптического элемента. Дифракционный оптический элемент состоит из элементарных областей R, размером не более 200 микрон, i=1, 2, …N; j=1, 2, …N, где N - число разбиений оптического элемента на элементарные области по осям координат. В каждой из элементарных областей R выделена область Q, внутри которой сформированы фрагменты киноформа. Оставшаяся часть областей R частично заполняется фрагментами дифракционных решеток разной ориентации с периодами от 0,4 до 0,6 микрона. Незаполненные дифракционными решетками и фрагментами киноформа части областей R деметаллизируются и являются прозрачными для оптического излучения. При освещении микрооптической системы белым светом при углах дифракции больше 60° наблюдатель видит в отраженном свете на всей поверхности оптического элемента цветное изображение, а при освещении микрооптической системы лазерным излучением в отраженном свете в фокальной плоскости, параллельной плоскости оптического элемента, формируется монохроматическое 2D изображение. Оба изображения используются для визуального контроля подлинности микрооптической системы.
Совокупность заявленных признаков обеспечивает достижение заявленного технического результата.
ij
ij
Сущность полезной модели поясняется изображениями, где на фиг. 1 приведена схема разбиения области оптического элемента на элементарные области R; на фиг. 2 приведена схема расположения областей Q, заполненных фрагментами киноформа; на фиг. 3 приведена схема частичного заполнения оптического элемента дифракционными решетками; на фиг. 4 приведена схема наблюдения цветного изображения, видимого наблюдателю при освещении белым светом; на фиг. 5 приведена схема формирования изображения киноформом в когерентном излучении; на фиг. 6 приведены изображения многоградационного и бинарного киноформов; на фиг. 7 приведены примеры изображений, формируемых киноформами; на фиг. 8 приведены варианты цветных изображений видимых наблюдателю при освещении микрооптической системы белым светом.
ij
ij
ij
ij
Микрооптическая система, заявленная в настоящем техническом решении, представляет собой расположенный на плоской подложке частично деметаллизированный плоский оптический элемент. В отличие от прототипа в заявленной микрооптической системе оптический элемент является прозрачным для оптического излучения. Часть оптического элемента является металлизированной и формирует изображения в отраженном свете. Другая часть оптического элемента не содержит металла, что обеспечивает прозрачность микрооптической системы. Микрооптический элемент разбит на элементарные области R, i=1, 2, …N; j=1, 2, …N, где N - число разбиений оптического элемента на элементарные области по осям координат размером не более 200 микрон. Схема разбиения оптического элемента на элементарные области представлена на фиг. 1. Каждая элементарная область имеет деметаллизированную часть так, что каждая элементарная область является прозрачной, но, тем не менее, участвует в формировании изображений в отраженном свете. Изображения формируются металлизированным микрорельефом плоского оптического элемента. Каждая элементарная область R включает фрагмент киноформа, формирующего изображение на отражение при освещении оптического элемента лазерным излучением. Схема расположения фрагмемнтов киноформа в элементарных областях представлена на фиг. 2. За формирование изображения в белом свете отвечают дифракционные решетки разной ориентации с периодами от 0,4 до 0,6 микрона, расположенные как показано на фиг. 3. Дифракционные решетки и фрагменты киноформа в каждой элементарной области R заполняют не всю площадь элементарной области, а лишь ее часть. Оставшаяся часть элементарных областей R, составляющая от 30 до 80% площади элементарных областей, деметаллизирована и не содержит металла. Деметаллизированные области являются плоскими и не имеют микрорельефа. На фиг. 3 область деметаллизации обозначена цифрой 1. Области, заполненные решетками и фрагментами киноформа, металлизированы, что обеспечивает высокий коэффициент отражения. Эти области отвечают за формирование изображений в белом и когерентном свете. Изображения формируются за счет дифракции света на микрорельефе фрагментов киноформа и дифракционных решеток. Размеры каждой элементарной области настолько малы, что они меньше разрешающей способности человеческого глаза.
1
2
2
2
На фиг. 4 представлена оптическая схема наблюдения визуального изображения, видимого наблюдателем при освещении оптического элемента белым светом. Плоскость оптического элемента обозначена цифрой 2, оптический элемент обозначен цифрой 3, нормаль к оптическому элементу обозначена цифрой 4. Излучение от источника белого света 5, расположенного под углом θ к нормали, падает на оптический элемент и формирует для наблюдателя цветное изображение, видимое под углом θ. Угол θ называется углом дифракции. Параметры дифракционных решеток выбраны так, что угол дифракции превышает θ=60°. Глаз наблюдателя обозначен цифрой 6.
Изображение в когерентном свете формируется при углах дифракции меньше 35°. Это изображение формируется фрагментами киноформа. На фиг. 5 приведена схема формирования изображения киноформом 7 при освещении оптического элемента когерентным излучением от источника 8. Изображение формируется в фокальной плоскости 9, параллельной плоскости оптического элемента 2. Особенностью микрооптической системы является то, что каждая элементарная область частично деметаллизирована. Чтобы поднять эффективность формирования излучения в отраженном свете, используется киноформ, имеющий диаграмму направленности в узком телесном угле γ, не превосходящем 10°. Такая узкая диаграмма направленности киноформа обеспечивает более высокую эффективность изображения в лазерном свете по сравнению с прототипом в несколько раз. Для наблюдения изображения в когерентном свете можно использовать обычную лазерную указку, если в качестве фокальной плоскости 9 использовать лист бумаги, расположенный позади лазера.
На фиг. 6 представлены изображения многоградационного (а) и бинарного (б) киноформов. Киноформ представляет собой плоский фазовый оптический элемент с глубиной микрорельефа не более 0,3 микрона. Глубина микрорельефа пропорциональна потемнению в каждой точке изображения на фиг. 6. Изображения, формируемые этими киноформами, представлены на фиг. 7. На фиг. 7(a) изображение формируется многоградационным киноформом, а на фиг. 7(б) изображение формируется бинарным киноформом. Точка в центре изображений соответствует нулевому порядку дифракции. Если изображение задано, существуют разработанные алгоритмы, позволяющие рассчитать форму микрорельефа киноформа (Гончарский А.В., Гончарский А.А. "Компьютерная оптика. Компьютерная голография" Изд-во МГУ, Москва 2004, ISBN 5-211-04902-0).
Для формирования изображения в видимом свете при углах дифракции более 60° используются дифракционные решетки с периодами от 0,4 до 0,6 микрона. Решетки имеют разную ориентацию, что позволяет формировать цветные изображения, примеры которых приведены на фиг. 8(a) и фиг. 8(б). Изображения на фиг. 8 приведены в условных цветах. Черный цвет соответствует красному цвету, а белый цвет соответствует зеленому цвету. Параметры киноформов и дифракционных решеток выбраны так, чтобы изображения в когерентном и белом свете были видны под разными углами дифракции и не мешали друг другу.
Центральным моментом технологии изготовления микрооптической системы, заявленной в полезной модели, является изготовление оригинала микрооптической системы. Для изготовления оригинала микрооптической системы используется электронно-лучевая литография, имеющая разрешающую способность по формированию микрорельефа в плоскости оптического элемента порядка 0,1 микрона. Электронно-лучевая технология позволяет формировать микрорельеф оптического элемента по глубине с точностью порядка 20 нанометров (А.А. Гончарский. Об одной задаче синтеза нано-оптических элементов. - Вычислительные методы и программирование, Т. 9, №2, 2008). Эта технология мало распространена, стоимость электронно-лучевых литографов составляет несколько миллионов евро. Электронно-лучевая технология синтеза оригиналов наукоемка. Все это сужает технологии, которые могут быть использованы для синтеза заявленной микрооптической системы и обеспечивает надежную защиту от подделок и имитации.
rd
nd
Для изготовления заявленной микрооптической системы могут быть использованы технологии массового тиражирования рельефных голографических элементов. Технология включает в себя изготовление рельефа микрооптического элемента на стеклянной пластине с электронным резистом на электронном генераторе высокого разрешения, изготовление никелевой мастер-матрицы, изготовление мультиплицированной мастер-матрицы, эмбоссирование рельефа на стандартном металлизированном голографическом материале. Микрооптическая система представляет собой частично деметаллизированный оптический элемент, в котором часть металла удаляется с помощью широко распространенных технологий деметаллизации (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). Существуют технологии высокоточной деметаллизации (патент ЕР 1562755 В1 "Method for producing a partially metallised film-type element"). Использование технологий массового тиражирования позволяет прецизионно изготовить заявленные микрооптические системы и сделать их цену очень низкой.
Таким образом, основные отличия заявленной микрооптической системы 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. Для формирования излучения в отраженном свете в заявленной системе и в прототипе используются киноформы и дифракционные решетки. Однако структура микрорельефа в элементарных областях в заявленной микрооптической системе и в прототипе - различны, поскольку в каждой элементарной области, размером меньше 200 микрон, находятся деметаллизированные фрагменты.
3. Существенно отличаются параметры киноформов. Размеры телесных углов, в которых киноформы формируют изображения в лазерном свете, в заявленной микрооптической системе более, чем в 10 раз меньше, чем у прототипа, что существенно повышает яркость изображения в когерентном свете.
4. В отличие от прототипа, в котором киноформы формируют изображения для инструментального контроля, в заявленной микрооптической системе изображения, формируемые в когерентном и белом свете, контролируются визуально.
5. Технология изготовления заявленной микрооптической системы является более сложной, поскольку включает в себя дополнительный процесс деметаллизации, что повышает защищенность от подделки микрооптической системы по сравнению с прототипом.
Нижеприведенный пример конкретного выполнения изобретения подтверждает возможность осуществления изобретения, не ограничивая его объем.
ij
ij
Пример. В качестве примера были рассчитан и изготовлен микрооптическая системы по п. 1 формулы полезной модели. Микрооптическая система представляет собой прозрачный частично деметаллизированный плоский фазовый оптический элемент. Размер оптического элемента 25×25 мм. Степень деметаллизации оптического элемента составляет 50%. Размер элементарных областей составляет 200×200 микрон. В каждой элементарной области деметаллизировано 50% площади. Такой уровень деметаллизации позволяет читать печатную информацию на документе, расположенном под микрооптической системой. Схема структуры микрооптической системы приведена на фиг. 3. Размер фрагментов киноформа Q в каждой элементарной области составляет 125×125 микрон. Область, занятая дифракционными решетками, составляет порядка 10% относительно площади элементарной области R. При освещении белым светом при больших углах дифракции более 60° микрооптическая система формирует двухцветное изображение, приведенное на фигуре 8(a). Для формирования цветного изображения при больших углах дифракции использовались дифракционные решетки разной ориентации, период решеток составлял 0,45 и 0,55 мкм. Схема наблюдения приведена на фиг. 4. В качестве источника когерентного излучения использовался диодный лазерный модуль непрерывного излучения с длиной волны λ=0,65 мкм и мощностью 2,5 мВт. При освещении когерентным излучением микрооптическая система формировала симметричное относительно нулевого порядка изображение, приведенное на фигуре 7(б). Изображение приведено в условных цветах. Расстояние от оптического элемента до плоскости изображения составляло 20 см. Размер пятна лазерного модуля составляет порядка 500 микрон, таким образом в пятно лазера попадает как минимум один фрагмент киноформа. Если двигать оптический элемент в плоскости Оху, то изображение в фокальной плоскости не будет меняться. Для формирования микрорельефа использовалась установка электроннолучевого экспонирования ZBA-21 фирмы Carl Zeiss с изменяемой формой луча и с минимальным размером пиксела 0.1×0.1 мкм. Глубина микрорельефа составляла порядка 0.3 мкм. Для изготовления образца микрооптической системы была изготовлена мастер-матрица размером 6×6 дюймов. С помощью этой мастер-матрицы были изготовлены образцы микрооптических систем на стандартном тиражном голографическом оборудовании.
Проведенные исследования показали высокую эффективность предложенных в заявке решений.