МИКРООПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ВИЗУАЛЬНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Заявляемая в качестве полезной модели микрооптическая система формирования визуальных изображений относится, преимущественно, к приспособлениям, используемым для удостоверения подлинности изделий, и может быть эффективно использована для защиты банкнот, ценных бумаг, документов, пластиковых карт от подделки.
rd
nd
В настоящее время, с целью предотвращения подделки банкнот, ценных бумаг, документов, пластиковых карт используют различные защитные технологии. Это могут быть водяные знаки, ныряющие нити, голограммы, внедренные жидкокристаллические оптические элементы, изменяющие поляризацию падающего света, латентные изображения и т.п. (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). Дифракционные оптические элементы позволяют создавать различные дифракционные эффекты при изменении положения оптического элемента относительно источника света или наблюдателя.
К последним разработкам в области оптических защитных элементов относятся микрооптические системы для формирования изображений с кинетическими эффектами движения (патенты США N 7,468,842 N 7,333,268). Эта технология получила название motion и используется для защиты банкнот. Основным недостатком технологии является достаточно большая толщина микрооптической системы, так как она состоит из двух слоев (слой микролинз и слой микроизображений).
Одной из основных проблем контроля подлинности документов, банкнот, 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 имитаций и допускать массовое тиражирование.
Близкой к заявляемой полезной модели по совокупности признаков является микрооптическая система формирования изображений (евразийский патент EA 017394 (B1)). Микрооптическая система согласно патенту EA 017394 обеспечивает возможность синтеза легко контролируемого эффекта движения изображений, состоящих из светящихся точек, при наклонах подложки относительно наблюдателя. Согласно патенту EA 017394, микрооптическая система формирования визуальных изображений состоит из размещенного на плоской подложке одного слоя плоских оптических элементов, представляющих собой плоские внеосевые линзы Френеля с параболоидной фазовой функцией и/или плоские внеосевые линзы Френеля с седлообразной фазовой функцией, сформированные в виде микрорельефа, обеспечивающего заданную диаграмму направленности рассеянного света, реализующую синтез изображений, состоящих из отдельных точек, с визуальным эффектом смещения сформированных изображений при наклонах подложки относительно наблюдателя.
Наиболее близкой (прототип) по совокупности признаков является патент на полезную модель RU 127208 ”Микрооптическая система формирования визуальных изображений.” Согласно этому патенту на полезную модель микрооптическая система состоит из фрагментов внеосевых линз Френеля и элементарных областей размером до 50 микрон, в которых сформированы дифракционные решетки. Специальное расположение элементарных областей и параметров дифракционных решеток обеспечивает эффект смены изображений при разных углах наблюдения. При углах наклона подложки менее 40 градусов наблюдатель видит двумерное изображение, состоящее из точек, сформированное линзами Френеля. В случае если угол наклона микрооптической системы превышает 40 градусов, наблюдатель видит другое цветное двумерное изображение, формируемое дифракционными решетками.
Задачей настоящей заявки на полезную модель является расширение возможностей визуального контроля по сравнению с прототипом и создание микрооптической системы для визуального контроля с более высоким уровнем защищенности от подделок, а также сужение круга технологий, которые позволяют синтезировать данный визуальный эффект.
При этом достигаемый технический результат заключается в возможности формирования, в отличие от прототипа, трехмерных изображений наблюдаемых при углах наклона менее 40 градусов. При наклонах подложки более чем на 40 градусов, происходит смена изображений так, что трехмерное изображение исчезает, а на его месте наблюдатель видит другое 2D-изображение, формируемое дифракционными решетками. Задачей настоящей заявки является также обеспечение возможности использования стандартного высокопроизводительного технологического процесса изготовления, тиражирования и нанесения защитных элементов.
i
i
i
i
Поставленная задача с достижением указанного технического результата решается в заявленной микрооптической системе формирования визуальных изображений, состоящей из размещенного на плоской подложке плоского дифракционного оптического элемента, занимающего область 0, состоящую из двух непересекающихся областей R и D, таких, что область R состоит из N элементарных областей R, i=1…N, каждая из которых имеет размер не более 50 микрон, причем в любом круге радиусом 300 микрон с центром в точке принадлежащей области оптического элемента Q, содержится не менее 5 элементарных областей R, а область D состоит из всех точек области Q за исключением точек области R. Элементарные области R заполнены дифракционными решетками с периодами менее 0,7 микрона. В области D сформирован плоский оптический элемент, фазовая функция которого φ(x,y) равна сумме функции h(x,y), описывающей форму заданной поверхности, и линейной фазовой функции ψ(x,y)=ax+by+c, a, b и c -заданные константы, x, y -декартовы координаты в плоскости оптического элемента. При освещении микрооптической системы белым светом при углах наклона подложки менее 40 градусов наблюдатель на всей поверхности оптического элемента видит изображение трехмерной поверхности, заданной функцией h(x,y), а при углах наклона подложки более 40 градусов наблюдатель видит на всей поверхности оптического элемента другое двухмерное цветное изображение, формируемое находящимися в элементарных областях R дифракционными решетками.
Микрооптическая система формирования визуальных изображений может быть выполнена, при необходимости, с возможностью частичного отражения и частичного пропускания света.
В частном случае, микрооптическая система формирования визуальных изображений выполнена с возможностью отражения света.
Также в частном случае, микрооптическая система формирования визуальных изображений выполнена с возможностью пропускания света.
При необходимости, микрооптическая система формирования визуальных изображений выполняется в виде защитной метки, используемой для защиты банкнот, ценных бумаг, документов, пластиковых карт.
i
i
Сущность полезной модели поясняется изображениями, где на фиг. 1 приведена схема наблюдения визуальных изображений; на фиг. 2 приведена схема расположения элементарных областей R на области оптического элемента Q; на фиг. 3 приведена схема расположения области D на области оптического элемента Q; на фиг. 4 приведен фрагмент области оптического элемента Q, иллюстрирующий формирование микрорельефа плоского оптического элемента в областях R; на фиг. 5 приведена трехмерная поверхность z=h(x,y), видимая наблюдателю при освещении микрооптической системы белым светом; на фиг. 6 и фиг. 7 приведены примеры двумерных цветных изображения, видимых наблюдателю при углах наклона микрооптической системы более 40 градусов.
i
i
i
i
Микрооптическая система, заявленная в настоящем техническом решении, представляет собой расположенный на плоской подложке плоский оптический элемент. На фиг. 1 приведена схема наблюдения микрооптической системы. Микрооптическая система обозначена цифрой 1, источник света обозначен цифрой 2, наблюдатель, обозначенный цифрой 3, видит изображение под углом θ. Область Q оптического элемента разбита на две непересекающиеся области R и D. Схема расположения элементарных областей R, составляющих область R приведена на фиг. 2. Элементарные области R имеют черный цвет. На фиг. 3 приведена область D. Точки, принадлежащие области D, показаны черным цветом. Область D является дополнением области R в Q. Фиг. 4 иллюстрирует схему формирования микрорельефа оптического элемента в элементарных областях R. Как видно из фиг. 4 элементарные области R заполнены дифракционными решетками. Периоды решеток не превышают 0,7 микрона. Штрихи решеток могут располагаться под разными углами. Глубина микрорельефа дифракционных решеток может варьироваться от 50 до 300 нанометров. На фиг. 5 приведена трехмерная поверхность z=h(x,y), видимая наблюдателю при освещении микрооптической системы белым светом. Плоский оптический элемент согласно формуле полезной модели имеет фазовую функцию φ(x,y) равную сумме функции h(x,y), описывающей форму заданной поверхности, и линейной фазовой функции ψ(x,y)=ax+by+c, т.е. φ(x,y)=h(x,y)+ax+by+c, a, b и c - заданные константы, x, y - декартовы координаты в плоскости оптического элемента. Оптический элемент с линейной фазовой функцией представляет собой отражающую наклонную плоскость. Линейное слагаемое в фазовой функции φ(x,y) обеспечивает возможность синтеза предложенной микрооптической системы для разного расположения источника света и наблюдателя относительно плоского оптического элемента. Каждый плоский фазовый оптический элемент однозначно задается своей фазовой функцией. Фазовая функция однозначно определяет микрорельеф плоского оптического элемента. Зная φ(x,y) можно рассчитать и изготовить плоский фазовый оптический элемент с глубиной микрорельефа порядка длины волны, формирующий заданное изображение (А.В. Гончарский, В.В. Попов, В.В. Степанов “Введение в компьютерную оптику” Изд-во МГУ, Москва, 1991, ISBN 5-211-00953-3); На фиг.6 и фиг.7 приведены примеры двумерных цветных изображений, видимых наблюдателю при углах наклона микрооптической системы более 40 градусов. На фиг. 6 приведен пример цветного изображения, которое занимает всю область оптического элемента и состоит из полос двух разных цветов, один цвет соответствует белой области на рисунке, второй цвет соответствует темному цвету. Выбор периодов дифракционных решеток позволяет формировать различные цвета двумерных изображений, видимых наблюдателю под определенным углом. На фиг. 7 приведен пример двумерного изображения из трех цветов (показаны белым, серым и черным цветом).
i
i
i
i
Заявленный в полезной модели плоский оптический элемент содержит элементарные области R, i=1, 2, … N, где N - число разбиений оптического элемента на элементарные области по осям координат. Размер элементарных областей не превосходит 50 микрон - предел визуального разрешения элементов изображения на плоском оптическом элементе для человеческого глаза. Наблюдатель не может видеть структуру разбиения микрооптической системы на элементарные области R. Расстояние между ближайшими элементами R не превышает 100 микрон. Таким образом, при углах наблюдения больше 40 градусов наблюдатель визуально будет видеть цветное изображение, занимающее всю область плоского оптического элемента. С другой стороны, при углах наклона менее 40 градусов, ввиду того, что размер областей R меньше предела визуального разрешения, в области D наблюдатель видит трехмерное изображение поверхности z=h(x,y) на всей плоскости оптического элемента.
Заявленная микрооптическая система, в отличие от прототипа, позволяет формировать эффект смены изображений одно из которых является трехмерным. В прототипе происходит эффект смены двух двумерных изображений. Формирование трехмерного эффекта с помощью плоских оптических элементов представляет собой сложную задачу. Микрооптические системы, формирующие трехмерные изображения, надежнее защищены от подделок по сравнению с микрооптическими системами, формирующими двумерные изображения. К достоинствам заявленной микрооптической системы можно отнести слабую зависимость от условий освещения.
Центральным моментом технологии изготовления микрооптической системы, заявленной в полезной модели, является изготовление оригинала микрооптической системы. Для изготовления оригинала прототипа (RU 127208) микрооптической системы можно использовать электронно-лучевую литографию или оптические технологии формирования микрорельефа высокого разрешения. Запись оригиналов микрооптической системы, заявленной в полезной модели, включающей фрагменты решеток с диапазоном периодов 0,3-0,7 микрона, можно осуществить только с помощью электронно-лучевой литографии. 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 имитаций.
Таким образом, основные отличия заявленной микрооптической системы от прототипа заключаются в следующем:
1. По сравнению с прототипом, заявленная микрооптическая система формирует эффект смены двух изображений, одно из которых является изображением трехмерной поверхности. В прототипе возможно формирование только двумерных изображений. Таким образом, заявленная полезная модель расширяет по сравнению с прототипом возможности формирования визуальных изображений.
2. Формирование трехмерных изображений является сложной наукоемкой задачей, включающей в себя расчет фазовой функции и микрорельефа оптического элемента, его изготовление с высокой точностью. Предложенные в полезной модели микрооптические системы невозможно записать оптическими методами записи, включая такие распространенные технологии как dot-matrix и др. (Гончарский А.В., Гончарский А.А. ”Компьютерная оптика. Компьютерная голография” Изд-во МГУ, Москва 2004, ISBN 5-211-04902-0). Базовой технологией для изготовления оригиналов является малораспространенная технология электронно-лучевой литографии. Таким образом, сужен круг технологий, которые позволяют изготовить заявленную микрооптическую систему, что повышает ее защищенность от подделок.
Заявляемая полезная модель допускает массовое тиражирование оптических элементов, поскольку для их изготовления можно использовать стандартную технологию тиражирования голограмм, в том числе - в виде фольги горячего тиснения. На практике процесс изготовления плоского оптического элемента включает следующие стадии: расчет параметров и структуры микрорельефа плоских оптических элементов, формирующих защитные изображения; формирование рассчитанного микрорельефа на плоском носителе с помощью электронно-лучевой литографии. Далее следует стандартная технология массового тиражирования голограмм, а именно: гальванопластика, прокатка, нанесение клеевых слоев, резка и т.д. Возможность использования стандартного голографического оборудования для массового тиражирования позволяет изготавливать заявляемые в качестве полезной модели микрооптические защитные системы по низкой цене.
В качестве примера реализации полезной модели были изготовлены две микрооптические системы. В первом примере была изготовлена микрооптическая система, которая при углах наклона менее 40 градусов, формировала изображение трехмерной поверхности представленной на фиг. 5. При углах наклона более 40 градусов, микрооптическая система формировала 2D-изображение, состоящее из цветных полос как показано на фиг.6. Для формирования 2D-изображения использовались дифракционные решетки с периодами 0,5 микрона и 0,4 микрона. Размер изображения составил 10×20 мм. Глубина микрорельефа микрооптической системы составляет от 150 до 250 нанометров.
В качестве второго примера была изготовлена микрооптическая система, которая при углах наклона менее 40 градусов, формировала изображение трехмерной поверхности представленной на фиг. 5. При углах наклона более 40 градусов, микрооптическая система формировала трехцветное изображение, представленное на фиг. 7. Для формирования 2D-изображения использовались дифракционные решетки с периодами 0,6 микрона, 0,5 микрона и 0,4 микрона. Размер изображения составил 10×20 мм. Глубина микрорельефа микрооптической системы составляет от 150 до 250 нанометров.
Микрорельеф плоских оптических элементов записывался с помощью электроннолучевой литографии (электронный литограф Carl Zeiss ZBA-21) на пластинах с электронным резистом. Разрешение электронного литографа - 0,1 микрона. Из изготовленных пластин с электронным резистом после их металлизации, с помощью гальванопластики, были изготовлены мастер матрицы микрооптических систем. После стандартной голографической процедуры мультипликации были изготовлены мультиплицированные мастер-матрицы, с которых были изготовлены рабочие матрицы для прокатки. На стандартном оборудовании для прокатки фирмы James River была изготовлена голографическая фольга. Толщина голографической фольги составляла 23 микрона.
Изготовленные образцы показали высокую эффективность предложенных технических решений.