ЗАЩИТНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ОПТИЧЕСКИ ПЕРЕМЕННЫМ ПОВЕРХНОСТНЫМ УЗОРОМ
PROTECTIVE ELEMENT WITH OPTICALLY VARIABLE SURFACE PATTERN

Изобретение относится к защитному элементу для защищенных от подделки бумаг, ценных документов и иных носителей данных, который в поверхностной области содержит оптически переменный поверхностный узор. Кроме того, изобретение относится к способу изготовления подобного защитного элемента и носителю данных с подобным защитным элементом.
Носители данных, такие как ценные документы или удостоверения личности, но также и ценные предметы, такие как, например, фирменные изделия, для защиты часто оснащаются защитными элементами, которые позволяют произвести проверку подлинности носителя данных и одновременно служить защитой от воспроизводства без разрешения.
Особую роль при обеспечении подлинности играют защитные элементы с зависящими от угла рассмотрения эффектами, поскольку они не могут быть воспроизведены даже посредством самых современных копировальных приборов. Защитные элементы могут при этом быть оснащены оптически переменными элементами, которые создают у наблюдателя различное восприятие изображения под различными углами зрения и, например, вызывают иное восприятие цвета или яркости и/или демонстрировать другой графический мотив в зависимости от соответствующего угла зрения.
Зачастую желательно, чтобы оптически переменные защитные элементы создавали по возможности ахроматическое изображение, то есть без разделения на цветовые оттенки. Для этого обычно используются либо периодические структуры (дифракционные решетки) и/или периодические расположения структур, например, такие как пиксельные структуры микрозеркал. Известные оптически переменные защитные элементы при этом могут быть грубо разделены на а) отражающие элементы, которые, по существу, выполняют законы геометрической оптики, и б) преломляющие элементы, которые выполняют законы дифракционной оптики.
При этом в элементах группы б) очень малые структурные величины находятся в размерном диапазоне, в котором периодические структуры кажутся наблюдателю явно цветными. Поэтому для производства ахроматического впечатления должны либо использоваться апериодические структуры, либо комбинироваться решетки различных периодов, в результате чего цвета отдельных решеток в дифракционном изображении дополняют друг друга до белого цвета. В элементах группы а) структурные величины напротив и без того так велики, что точный период не играет существенной роли.
Из документа ЕР 0868313 В1 известен оптически переменный поверхностный узор на основе действующих за счет дифракционной оптики пилообразных решеток. При этом их период следует выбирать такого размера, чтобы в видимом спектре дифракционные отражения при различных длинах волн располагались бы по возможности плотно, благодаря чему смотрящий больше не может воспринимать их раздельно. При этом практически все цвета должны отклоняться в одном и том же заданном углом наклона пилообразных элементов направлении, и защитный элемент при большинстве условий освещения кажется ахроматическим.
Однако при очень малом периоде решетки дифракционные отражения решетки становятся явно видимыми. Следовательно, подобные структуры становятся все более пестрыми по мере уменьшения периода решетки. Кроме того, подобные дифракционные эффекты также мешают кинематическим эффектам защитных элементов или кажущихся выпуклыми изображений, которые имитируют отражающие способности выпуклых поверхностей. Тем не менее минимально возможный период является желательным во многих случаях, поскольку тонкие структуры изготавливать легче и их можно легче интегрировать в банкноты или другие носители данных.
Исходя из этого в основу изобретения положена задача усовершенствовать защитный элемент названного в начале типа и, прежде всего, создать просто и экономично производимый защитный элемент с высокой защитой от подделок и привлекательным визуальным внешним видом. В идеальном случае защитный элемент имеет ахроматический внешний вид без мешающих разделений на цветовые оттенки или наложенных дифракционных узоров.
Эта задача решена за счет признаков независимых пунктов формулы изобретения. Усовершенствования изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
Для решения поставленной задачи предложен защитный элемент для защищенных от подделки бумаг, ценных документов или других носителей данных, имеющий подложку, которая в поверхностной области содержит оптически переменный поверхностный узор, который при различном направлении освещения и/или рассмотрения создает различные изображения, причем оптически переменный поверхностный узор образован по меньшей мере локально периодической системой отражающих элементов, действующих, по существу, по законам лучевой оптики и в поверхностной области апериодически смещенных относительно друг друга по своей высоте, причем высота отражающих элементов варьируется по поверхностной области согласно распределению псевдослучайных чисел.
В отличие от периодического смещения при апериодическом смещении отражающих элементов отсутствует простая, регулярная связь между значениями высоты соседних отражающих элементов. За счет этого надежно предотвращается конструктивная интерференция света, отраженного от соседних отражающих элементов, а тем самым возникновение наложенного дифракционного узора.
Как указано выше, в соответствии с изобретением высота отражающих элементов варьируется по поверхностной области согласно распределению псевдослучайных чисел. Псевдослучайные числа являются последовательностями чисел, которые хотя и кажутся случайным, но рассчитываются посредством детерминированного алгоритма и поэтому, строго говоря, не являются настоящими случайными числами. Тем не менее использование псевдослучайных чисел распространено, поскольку статистических свойств распределения псевдослучайных чисел, таких как равновероятность отдельных чисел или статистическая независимость последовательных чисел, как правило, достаточно для практических целей, и псевдослучайные числа можно легко сгенерировать на компьютерах в отличие от настоящих случайных чисел. Распределение псевдослучайных чисел является всегда апериодическим согласно данной заявке, поскольку при распределении псевдослучайных чисел нет фиксированного, постоянного расстояния («периода») последовательных значений.
Преимущество, связанное с использованием распределения псевдослучайных чисел, заключается в том, что такое распределение может быть сгенерировано на компьютере, что позволяет, с одной стороны, использовать изобретение в промышленных масштабах, а с другой стороны, обеспечивает дополнительную степень индивидуализации защитного элемента, т.е. дополнительную степень защиты. Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в достижении повышенной степени защиты от подделок с одновременным устранением мешающих разделений на цветовые оттенки или наложенных дифракционных узоров.
max
max
max
n
n
Предпочтительно, чтобы величина смещения отражающих элементов по высоте находилась в диапазоне от 0 до ΔH, причем значение ΔH составляет от 50 нм до 2000 нм, предпочтительно от 100 нм до 500 нм. При этом значение ΔH целесообразным образом выбирается больше половины длины волны в интересующем диапазоне длин волн. Если оптически переменный поверхностный узор утоплен в среду с коэффициентом преломления n>1, например, в прозрачный слой защитного лака, то смещение по высоте можно сократить до 1/n указанного выше значения. Например, при утоплении в защитный лак с n=1,5 достаточно максимального смещения по высоте ΔH=260 нм, чтобы охватить все длины волн из видимого спектрального диапазона, как следует из ΔH=(780 нм/2)/n.
В предпочтительных вариантах изобретения система отражающих элементов образует, по меньшей мере локально, периодическую одномерную решетку или периодическую двухмерную решетку Браве. При этом отражающие элементы могут быть расположены глобально периодически, или они могут быть расположены периодически только локально, причем локальные параметры периодов в соотношении с длиной периода меняются только медленно. Например, локальные параметры периодов могут быть периодически смодулированы посредством расширения защитного элемента, причем период модуляций, предпочтительно, по меньшей мере в 20 раз, предпочтительно по меньшей мере в 50 раз, особо предпочтительно по меньшей мере в 100 раз больше, чем локальная длина периода. Подобное медленное изменение локальных параметров периодов не касается основополагающих локальных свойств, прежде всего дифракционных свойств решеток. Из-за медленного изменения параметров периодов такие расположения могут локально всегда описываться с достаточной точностью решетками Браве с постоянными параметрами решетки.
Преимущественным образом, длина периода или же локальная длина периода в рамках изобретения по меньшей мере в одном направлении периодичности находится в диапазоне от 1 мкм до 40 мкм, предпочтительно от 2 мкм до 30 мкм и особо предпочтительно от 3 мкм до 10 мкм. Соответствующим образом габариты отражающих элементов в направлении периодичности находятся в диапазоне от 1 мкм до 40 мкм, предпочтительно от 1,5 мкм до 30 мкм и особо предпочтительно от 2 мкм до 10 мкм. Прежде всего габариты отражающих элементов могут быть также меньше длины периода.
Оптически переменный поверхностный узор имеет, прежде всего, ахроматический внешний вид без разделений на цветовые оттенки или наложенных дифракционных изображений.
Отражающие элементы могут иметь разнообразные формы и предпочтительно быть образованы плоскими микрозеркалами, вогнутыми микрозеркалами, выпуклыми микрозеркалами или отражающими пирамидальными структурами. Преимущественным образом отражающие элементы могут быть образованы снабженной отражающим слоем рельефной структурой, прежде всего тисненой рельефной структурой. Отражающий слой может быть образован, например, отражающим непрозрачным металлическим слоем или тонким или растровым полупрозрачным металлическим покрытием. Отражающий слой также может быть образован цветным или изменяющим цвет отражающим покрытием, предпочтительно за счет тонкослойного элемента с отражающим слоем, слоем абсорбера и расположенным между отражающим слоем и слоем абсорбера диэлектрическим промежуточным слоем или за счет тонкослойного элемента с двумя слоями абсорбера и расположенным между двумя слоями абсорбера диэлектрическим промежуточным слоем. Наконец, отражающий слой преимущественным образом также может быть образован диэлектрическим покрытием с высоким преломлением или холестерическим жидкокристаллическим слоем.
В предпочтительном усовершенствовании оптически переменный поверхностный узор содержит несколько частичных участков, которые создают различные изображения. Оптически переменный поверхностный узор также может быть скомбинирован с другим защитным элементом, например, таким как голограмма. Общая толщина защитного элемента преимущественным образом составляет менее 50 мкм, предпочтительно менее 30 мкм и особо предпочтительно менее 20 мкм. Подобные малые значения общей толщины могут создаваться согласно изобретению, поскольку за счет периодического смещения по высоте также могут использоваться очень малые периоды решетки с соответствующими малыми значениями высоты структуры без мешающих разделений на цветовые оттенки и наложенных дифракционных изображений.
Объектом изобретения является также носитель данных, прежде всего защищенная от подделки бумага или ценный документ, с защитным элементом описанного типа. Носитель данных может быть, прежде всего, ценным документом, таким как банкнота, прежде всего бумажная банкнота, полимерная банкнота или банкнота из комбинированной пленки, но также и удостоверением личности на основе пластиковой карты, например кредитная карта, банковская карта, карта для оплаты наличными, карта права доступа, удостоверение личности или страница персонализации в паспорте.
Кроме того, объектом изобретения является штамп для тиснения, предназначенный для создания тисненой структуры, имеющий основной корпус, предпочтительно металлический, который в поверхностной области содержит оптически переменный поверхностный узор, который при различном направлении освещения и/или рассмотрения создает различные изображения, причем оптически переменный поверхностный узор образован по меньшей мере локально периодической системой отражающих элементов, действующих, по существу, по законам лучевой оптики и в поверхностной области апериодически смещенных относительно друг друга по своей высоте, причем высота отражающих элементов варьируется по поверхностной области согласно распределению псевдослучайных чисел.
Штамп для тиснения, как правило, является негативом желаемого в тисненой структуре поверхностного узора. С помощью штампа для тиснения выполняется тиснение желаемой целевой подложки, например нанесенного на пленку термопластичного или УФ-отверждаемого слоя лака, и, таким образом, снабжение поверхностным узором. Соответствующие способы известны специалисту и описаны в уровне техники.
Кроме того, изобретение относится к способу изготовления защитного элемента для защиты защищенных от подделки бумаг, ценных документов или иных носителей данных, характеризующемуся тем, что подложку защитного элемента в поверхностной области снабжают оптически переменным плоскостным узором, который при различном направлении освещения и/или рассмотрения создает различные изображения, причем оптически переменный поверхностный узор формируют в виде по меньшей мере локально периодической системы отражающих элементов, действующих, по существу, по законам лучевой оптики и в поверхностной области апериодически смещенных относительно друг друга по своей высоте, причем высота отражающих элементов варьируется по поверхностной области согласно распределению псевдослучайных чисел.
Тип изображения предлагаемых защитных элементов не ограничен. Например, с помощью предлагаемых оптически переменных поверхностных узоров могут создаваться зеркальные (Flip) изображения, которые имеют два или более участка с различными мотивами, которые при рассмотрении с различных направлений становятся яркими, как они описаны в документах ЕР 0868313 В1 и ЕР 1397259 В1 для действующих за счет дифракционной оптики решетчатых структур. Также и кинематические эффекты, как они описаны в документах ЕР 0868313 В1 и WO 2007/079851, могут создаваться с помощью предлагаемых оптически переменных поверхностных узоров. Раскрытие названных документов в этом отношении включается в предлагаемое описание.
Другие примеры осуществления и преимущества изобретения далее разъясняются на примере фигур, при изображении которых отказались от воспроизведения с соблюдением масштаба и пропорций для увеличения наглядности.
Показано на:
фиг. 1 схематическое изображение банкноты согласно одному примеру осуществления изобретения,
фиг. 2 защитный элемент, который имеет кинематический эффект в форме перемещающего яркого столбца,
фиг. 3 фрагмент пилообразной решетки, расположенной на поверхности защитного элемента фиг. 2,
фиг. 4 дифракционное изображение пилообразной решетки с N=10 пилообразных элементов с углом наклона в δ=6° и длиной периода в а=6 мкм,
j
фиг. 5 на (А) - пилообразная решетка, в которой j-й пилообразный элемент смещается по своей высоте относительно других пилообразных элементов на разницу ΔH в высоте, и на (Б) - пилообразная решетка, в которой все пилообразные элементы смещены апериодически,
max
фиг. 6 дифракционные изображения, рассчитанные для длины волны в 500 нм, на (А) - дифракционное изображение пилообразной решетки без вариаций по высоте и на (Б)-(Г) дифракционные изображения предлагаемых пилообразных решеток с соответственно N=10 пилообразных элементов и различными максимальными высотными вариациям ΔH,
фиг. 7 на (А) дифракционное изображение пилообразной решетки, как на фиг. 6(Г), однако с N=100 пилообразных элементов, и на (Б) - сглаженное дифракционное изображение по (А), которое учитывает разрешающую способность человеческого глаза при расстоянии рассмотрения в 30 см, и
фиг. 8 на (А)-(Д) соответственно в виде сверху фрагменты предлагаемых форм осуществления с двухмерной симметрией решетки.
Теперь изобретение будет описано на примере защитных элементов для банкнот. На фиг. 1 для этого показано схематическое изображение банкноты 10, которая оснащена двумя предлагаемыми защитными элементами 11 и 12. Первый защитный элемент является защитной нитью 11, которая выступает на определенных «оконных» участках на поверхности банкноты 10, в то время как на расположенных между этими участками она утоплена внутри банкноты 10.
Второй защитный элемент образован наклеенным переводным элементом 12 любой формы.
При рассмотрении защитные элементы 11 и 12 создают соответственно кинематический эффект, в котором светлый столбец 14 движется взад-вперед между нижней кромкой 16 и верхней кромкой 18 переводного элемента 12 или же между выступающими на поверхности банкноты оконными участками защитной полосы 11, когда смотрящий изменяет свое положение относительно защитного элемента или наклоняет банкноту вперед или назад.
Особенность предлагаемых защитных элементов 11 и 12 при этом заключается прежде всего в том, что, с одной стороны, они имеют очень малую глубину тиснения, например в 3 мкм или менее, и, следовательно, имеют особо малую общую толщину и что, с другой стороны, они создают полностью ахроматическое изображение высокой четкости, то есть при высокой яркости перемещающегося столбца 14 свободен от мешающих разделений на цветовые оттенки или наложенных дифракционных изображений. Кроме того, светлый столбец 14 при переворачивании банкноты 10 непрерывно и без мешающих скачков или колебаний яркости (мерцаний) по поверхности защитных элементов 11 или же 12.
Для облегчения понимания предлагаемого изобретения и возможности лучшей оценки результата изобретения сначала на примере фиг. 2 и фиг. 3 разъясняются сложности и недостатки известных форм осуществления.
На фиг. 2 для этого показан защитный элемент 20, который как и предлагаемый защитный элемент 12, создает кинематический эффект в форме перемещающегося светлого столбца. Для этого защитный элемент 20 имеет на своей поверхности 22 отражающую пилообразную решетку 30, небольшой фрагмент которого показан на фиг. 3. Пилообразная решетка 30 содержит множество отражающих пилообразных элементов 32 с длиной а периода и углом θ наклона, причем угол θ наклона пилообразных элементов 32 не постоянен, а линейно возрастает от нижней кромки 24 к верхней кромке 26 защитного элемента с 0° до 10°. Это увеличение угла наклона пилообразных элементов 32 наглядно показано на трех детальных фрагментах 28 фиг. 2.
Наблюдатель 44 в этом случае постоянно видит ярко светящимся тот участок защитного элемента 20, в котором угол θ наклона пилообразных элементов 32 как раз соответствует половине угла θ рассмотрения, то есть в котором пилообразные элементы 32 по законам лучевой оптики отражают 46 падающий от источника 40 света 42 к наблюдателю 44. Если наблюдатель движется от θ=0° к θ=20°, то с его точки зрения светлый столбец перемещается от нижней кромки 24 к верхней кромке 26 защитного элемента. Соответствующий эффект получают, если наблюдатель при постоянном угле рассмотрения наклоняет защитный элемент 20 по направлению 48 стрелки.
Если длина а периода пилообразной решетки 30 слишком велика, например а=1 мм или более, то никакие мешающие разделения на цветовые оттенки или дифракционные узоры не наблюдаются. Однако большая длина периода обуславливает в этом случае большую структурную высоту h пилообразных элементов 32, поскольку высота пилообразных элементов 32 пропорциональна их ширине или же длине а периода.
На практике обычно желательна максимально малая длина периода, поскольку, например, ограничена достигаемая с помощью техник тиснения структурная высота. Также в рамках создаваемых с помощью техник тиснения структурных размеров структуры меньшего размера более экономичны по причине тонких слоев лака для тиснения и с учетом возможных включений воздушных пузырей их вытиснять проще, чем более высокие структуры. Тонкие слои лака для тиснения к тому же могут иметь лучшую устойчивость, поскольку тонкий слой лака для тиснения при деформации ломается менее быстро, чем толстый слой лака. Наконец, большие длины периода также снижают разрешающую способность созданных пилообразной решеткой изображений, что, например, может быть быстро видимым в случае богатых деталями зеркальных (Flip) или мультизеркальных (Multiflip) изображений или кинематических эффектов.
Однако если длина а периода пилообразной решетки 30 уменьшается, то все чаще проявляются дифракционные отражения решетки, которые накладываются на желаемые изображения. Поэтому по мере снижения периода а решетки собственно ахроматически желаемые изображения кажутся все более пестрыми. Если с помощью пилообразной решетки создается кажущееся выпуклым изображение, которое имитирует характеристики отражения выпуклых поверхностей, например, так как описано в также поданной заявке DE 102009056934.0, то при переворачивании пилообразной решетки возникают нежелательные скачки, поскольку пилообразные решетки в отличие от макроскопических выпуклых поверхностей могут отражать монохроматический свет не в любых, а только в дискретных направлениях. Поэтому при имитации выпуклой поверхности за счет пилообразной решетки отражения света при вращении часто перемещаются по поверхности не непрерывно, а скачут из одного дискретного положения в следующее. Если для рассмотрения используют белый свет, то часто образуется раздражающий, нежелательный пестрый дифракционный узор. То же самое действует для кинематических эффектов, которые по причине периодических дифракционных решеток также могут проходить не как угодно мягко, как еще раз будет описано подробнее ниже в связи с фиг. 2-4.
12
12
Взятый за основу наложенных дифракционных узоров физический принцип можно разъяснить на примере изображения согласно фиг. 3, которое показывает простую модель для дифракции вертикально падающего света 50 о пилообразную решетку 30 с периодом а и углом θ наклона. Лучи 50-1, 50-2 и 50-3 света должны отражаться от пилообразной решетки 30 под углом θ. Разница Δ хода лучей света, отраженных от первого и второго пилообразного элемента 32, при этом Δ=asinθ. Именно такая разница хода существует между лучами, отраженными от второго и третьего пилообразного элемента, лучами, отраженными от третьего и четвертого пилообразного элемента, и т.п. Для очень многих пилообразных элементов 32 тем самым в целом только в случае конструктивной интерференции возникает существенное отражение, то есть разница хода лучей, отраженных от соседних пилообразных элементов, является целым кратным длины λ волны.
m
Соответствующие направления θ являются направлениями соответствующих дифракционных расположений решетки и заданы
<mrow><mi>m</mi><mi>λ</mi><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>sin</mi><msub><mi>θ</mi><mi>m</mi></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
причем m является целым числом.
Точнее можно описать дифракцию на пилообразной решетке 30 за счет волновой оптики в приближении Фраунгофера, то есть на большом расстоянии от пилообразной решетки.
j
Исходной точкой такого рассмотрения с точки зрения волновой оптики принимают, прежде всего, дифракционную решетку из N идентичных столбцов ширины b и периода а. Комплексная амплитуда Е электрического поля на дифракционном изображении такой решетки складывается из наложения амплитуд E (см. Е. Hecht, Optics, 4th edition, Addision Wesley, 2002, гл. 10.2.3)
<mrow><mi>E</mi><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><msub><mi>E</mi><mi>j</mi></msub></mrow></mstyle></mrow>
.
j
1
При этом получают значение E j-го столбца из суммы первого столбца Е посредством
j
1
1j
E=Eexp(ikΔ),
1j
причем Δ=a(j-1)sinθ является разницей хода волн света, исходящих из первого и j-го столбца, k=2π/λ обозначает количество волн. Тем самым получают
<mrow><mi>E</mi><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><msub><mi>E</mi><mn>1</mn></msub><mi>exp</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mi>k</mi><msub><mi>Δ</mi><mrow><mn>1</mn><mi>j</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>E</mi><mn>1</mn></msub><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><mi>exp</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mi>k</mi><msub><mi>Δ</mi><mrow><mn>1</mn><mi>j</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mstyle></mrow></mstyle></mrow>
,
2
а для интенсивности I=|Е| отраженного света следует
<mrow><mi>I</mi><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><mi>exp</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mi>k</mi><msub><mi>Δ</mi><mrow><mn>1</mn><mi>j</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mstyle></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
.
1
Интенсивность I первого отдельного столбца под углом θ дифракции при этом задана
<mrow><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>sin</mi><mi>β</mi></mrow><mi>β</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>
10
с постоянной I и β=(kb/2)sinθ. В случае периодической решетки сумма отношения (2) образует геометрический ряд и для интенсивности в дифракционном изображении решетки столбцов получают
<mrow><msub><mi>I</mi><mi>G</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>sin</mi><mi>β</mi></mrow><mi>β</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>sin</mi><mi>N</mi><mi>α</mi></mrow><mi>α</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>.</mo></mrow>
0
I здесь снова является постоянной и а=(ka/2)sinθ. Член, заключенный в первые скобки, отражает дифракционные характеристики отдельного столбца или же зеркала, в то время как второй член следует из периодической структуры решетки.
В простой модели для пилообразной решетки теперь можно принять, что b и а заданы периодом пилообразной решетки и что угол δ наклона пилообразных элементов 32 смещает дифракционное изображение только на двойной угол наклона. Тем самым для интенсивности в дифракционном изображении пилообразной решетки получают
<mrow><msub><mi>I</mi><mi>s</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>sin</mi><mi>γ</mi></mrow><mi>γ</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>sin</mi><mi>N</mi><mi>α</mi></mrow><mi>α</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
с γ=(kb/2)sin(θ-2δ).
Для наглядности на фиг. 4 показано дифракционное изображение 60 пилообразной решетки 30 с N=10 пилообразных элементов 32 с углом наклона δ=6° и длиной периода а=6 мкм.
При этом угол δ наклона влияет на первый член в отношении (3), что огибающая кривая 62 отдельного пилообразного элемента перемещается соответствующим образом, в то время как второй член в отношении (3) обеспечивает, что при монохроматическом освещении интенсивность поступает только в позиции, заданные периодом решетки. Эти позиции при длине волны в 500 м в этом примере расходятся примерно на 5° друг от друга.
При угле наклона δ=6° максимум отдельного пилообразного дифракционного изображения составляет 12°, как описано огибающей кривой 62. Кроме того, как видно непосредственно на фиг. 4, тем не менее регулярная структура решетки не допускает, что при θ=12° возникает значительная интенсивность. То есть пилообразная решетка 30 в этом случае не может отражать точно в заданном углом наклона направлении. Вместо этого отраженная интенсивность распределяется по ближайшим позициям 64 отражений решетки согласно отношению (1), которые составляют примерно θ=10° или же θ=15°.
Если, тем самым, защитный элемент 20 согласно фиг. 2 реализуется, например, за счет периодической пилообразной решетки 30 согласно фиг. 3 с длиной периода а=6 мкм, то эффекты дифракции решетчатой структуры приводят к тому, что наблюдатель 44 видит светлые участки на защитном элементе 20, только с дискретных позиций отражений решетки, в данном случае, например, при примерно θ=0°, θ=5°, θ=10°, θ=15° и θ=20°. Эти позиции соответствуют как раз локальным максимумам дифракционного изображения 60, показанного на фиг. 4.
Если теперь наблюдатель 44 движется от θ=0° к θ=20°, то распознаваемый светлый столбец перемещается не непрерывно от нижней кромки 24 к верхней кромке 26, а скачет с сильными колебаниями яркости к позиции следующего отражения решетки. В более практичном случае белого освещения можно наблюдать мерцание и столбец в зависимости от направления рассмотрения меняет свой цвет, поскольку наблюдатель при различных направлениях рассмотрения находится в дифракционных максимумах различных длин волн. Тот же эффект возникает также в том случае, если наблюдатель и источники света остаются стационарными и для этого поворачивают защитный элемент. Эффект для решеток с небольшими периодами оказывает сильные помехи и наряду с кинематическими эффектами также касается упомянутых выше кажущихся выпуклыми изображений, при которых также может иметься постоянно изменяющийся угол наклона.
j
j
j
Эффектную помощь в этом случае создает предлагаемое апериодическое смещение высоты пилообразных элементов 32. Для разъяснения на фиг. 5(A) сначала показано простое, созданное по законам лучевой оптики изображение пилообразной решетки 30 с множеством пилообразных элементов 32. j-й пилообразный элемент 72-j при этом по сравнению с другими пилообразными элементами 32 смещается по высоте на разницу ΔH по высоте. Несмещенный пилообразный элемент 32-j для иллюстрации на фигуре также нанесен штрихованными линиями. За счет смещения пилообразного элемента 72-j изменяется разница хода отраженного луча 50-j света относительно других отраженных лучей 50 света примерно на 2 ΔH. Если смещение ΔH по высоте выбирается случайно в диапазоне от нуля до, по меньшей мере, половины длины волны, то получают случайное изменение разницы хода отраженного луча 50-j света по сравнению с другими отраженными лучами света в диапазоне от нуля до, по меньшей мере, полной длины волны.
jk
Если теперь все пилообразные решетки смещаются апериодически, прежде всего, нерегулярно, на размер смещения по высоте от нуля до, по меньшей мере, половины длины волны, как проиллюстрировано на примере пилообразной решетки 70 согласно фиг. 5(Б), то все разницы Δ хода понижающей пилообразной решетки 30 снижаются нерегулярно на значение от нуля до, по меньшей мере, полной длины волны. Отраженные от различных пилообразных элементов 72-j и 72-k лучи 50-j и 50-k света в этом случае состоят в случайном фазном соотношении, благодаря чему пилообразная решетка 70 несмотря на регулярную и периодическую структуру пилообразных элементов 72 в плоскости поверхностной области 74 более не действует как дифракционная решетка. Тем самым оптически переменный поверхностный узор 76 согласно фиг. 5(Б) состоит из периодической структуры действующих, по существу, по законам лучевой оптики отражающих элементов 72-j, 72-k, которые по своей высоте смещены апериодически относительно друг друга по поверхностной области 74, и что он создает ахроматическое изображение без разделений на цветовые оттенки или наложенных дифракционных изображений.
Если переходить от наглядного изображения, созданного по законам лучевой оптики, к волнооптической обработке в приближении Фраунгофера, то можно учесть смещение j-го пилообразного элемента 72-j за счет того, что разница Δi хода относительно первого пилообразного элемента в отношении (2) заменяется на
1j
j
Δ=a(j-1)sinθ+2ΔH.
Хотя это отношение соответствует точно только в пограничном случае δ->0, но также и при углах наклона большего значения, как они встречаются в реальных пилообразных решетках, обеспечивает приемлемое приближение. При этой замене последний член в отношении (2) больше не дает геометрический ряд и в зависимости от конкретного выбора вариаций АН по высоте может быть рассчитан соответствующим образом. Для интенсивности в дифракционном изображении тем самым получают
H0
с постоянной I.
max
Теперь на фиг. 6 в качестве примера показаны рассчитанные для длины волны в 500 нм дифракционные изображения предлагаемых пилообразных решеток 70 с соответственно N=10 пилообразных элементов 72. На фиг. 6(A) в качестве эталона сначала еще раз показано дифракционное изображение 60 пилообразной решетки 30 без вариаций по высоте с отражениями 64 решетки. Для дифракционных изображений согласно фиг. 6(Б)-(Г) вариации ΔН по высоте были выбраны соответственно согласно распределению псевдослучайных числе от нуля до максимального значения ΔH. Дифракционное изображение 62 отдельного пилообразного элемента намечено соответственно штрихованными линиями.
max
max
max
Как показано на фиг. 6(Б), уже при максимальном значении ΔH=70 нм (≈Х/7) на дифракционном изображении 82 определяют существенно более высокую интенсивность между максимумами решетки, чем в дифракционном изображении 60 согласно фиг. 6(A). При ΔH=125 нм, соответствующей четверти длины волны, интенсивность дифракционного изображения 84 в определенных местах между отражениями 64 решетки уже выше, чем в отражениях 64 решетки, как показано на фиг. 6(B). Наконец, как показано на фиг. 6(Г), при ΔH=250 нм, то есть при случайных вариациях по высоте до половины длины волны, на дифракционном изображении 86 больше нельзя распознать исходные дифракционные максимумы 64 согласно фиг. 6(A). К тому же дифракционные максимумы 88 в данном случае расположены существенно плотнее друг рядом с другом, чем в случае пилообразной решетки 30 без случайной вариации по высоте, благодаря чему явно снижаются упомянутые выше эффекты окраски и мерцания и больше не распознаются при многих условиях освещения.
Чем больше пилообразных элементов 72 содержит пилообразная решетка 70, тем плотнее прижимаются друг к другу дифракционные максимумы и, наконец, больше не могут быть разделены наблюдателем. Это показано на фиг. 7, которая на (А) показывает дифракционное изображение 90 пилообразной решетки 70, как на фиг. 6(Г), однако, с N=100 пилообразных элементов. Возникающие при этом дифракционные максимумы 92 наблюдатель даже при совершенном когерентном освещении не может разложить. Если, например, принять диаметр зрачка за 5 мм и расстояние рассмотрения в 30 см, то глаз собирает свет из углового диапазона примерно в один градус.
То есть зрительное впечатление для наблюдателя соответствует соответственно сглаженному дифракционному изображению 92, которое показано на фиг. 7(Б). Как показывает сравнение с дифракционным изображением 62 (штрихованная линия) отдельного пилообразного элемента, дифракционное изображение 94 (сплошная линия) случайно варьируемой по высоте пилообразной решетки 70 максимально соответствует дифракционному изображению 62 отдельного зубца. Глобальный максимум 96 дифракционного изображения 94 составляет примерно 12° и тем самым находится в позиции, в которую пилообразная решетка 30 без вариаций по высоте практически не отражает интенсивность. Нежелательные игры света или мерцания в случае предлагаемой пилообразной решетки 70 с N=100 пилообразными элементами тем самым больше не возникают.
Если ранее изобретение объяснялось на примере одномерных решеток, то приведенные выше разъяснения действуют также и для двухмерных решеток. Отражающие элементы в этом случае предпочтительно образованы небольшими плоскими микрозеркалами, вогнутыми микрозеркалами, выпуклыми микрозеркалами или отражающими пирамидальными структурами, которые расположены в узлах двухмерной решетки Браве.
На фиг. 8 для иллюстрации показаны соответственно в виде сверху фрагменты некоторых из возможных предлагаемых форм осуществления.
Все периодические плоские структуры можно назначить одной из пяти решеток Браве, причем для однозначного назначения выбирается решетка Браве с максимальной симметрией. Например, на фиг. 8(A) показан имеющийся в поверхностной области 100 оптически переменный поверхностный узор 104 из множества квадратных плоских микрозеркал 102 размера 10 мкм × 10 мкм. Плоские микрозеркала 102 расположены в узлах 106 решеток квадратной решетки и имеют соответственно угол δ наклона к плоскости поверхностной области 100. Угол θ наклона отдельных зеркал выбран так, что поверхностный узор 104 создает при освещении или же рассмотрении желаемые оптически переменные изображения. Поверхностный узор 104 может, например, показывать перемещающийся светлый участок или иной кинематический эффект, кажущееся выпуклым изображение или стереограмму.
Для предотвращения мешающих дифракционных изображений за счет периодической структуры решетки плоских микрозеркал 102 плоские микрозеркала 102 смещены на своей высоте по поверхностной области 100, а именно со смещением по высоте, которое в примере осуществления случайно находится в диапазоне от нуля до 400 нм. Подобное случайное смещение по высоте может быть определено, например, с помощью компьютера за счет распределения псевдослучайных числе для каждого плоского микрозеркала 102. За счет этого обеспечивает, что фазовая разница между лучами света, отраженными от различных плоских микрозеркал 102, для всех длин волн видимого света случайно находится в диапазоне от 0 до 2n, благодаря чему не возникает конструктивной интерференции и тем самым дифракционного изображения.
max
n
Если оптически переменный поверхностный узор 104 утапливается в среду с коэффициентом преломления n>1, например за счет того, что поверхностный узор 104 покрывается слоем защитного лака, то можно снизить смещение по высоте до 1/n-го значения. Если, например, пилообразная решетка 70 согласно фиг. 6(Г) утапливается в защитный лак с n=1,5, то максимальное смещение по высоте ΔH=250 нм может быть уменьшено при том же оптическом действии до ΔH=170 нм.
На фиг. 8(Б) показан еще один пример - имеющийся в поверхностной области оптически переменный поверхностный узор 110 из множества прямоугольных отражающих элементов 112 размера 10 мкм × 5 мкм, которые расположены в узлах прямоугольной решетки. В примере осуществления согласно фиг. 8(B) отражающие элементы образованы ромбовидными плоскими микрозеркалами 114, которые расположены в узлах ромбовидной решетки, то есть решетки из ячеек решетки с равнодлинными сторонами и любым промежуточным углом. В примере осуществления согласно фиг. 8(Г) отражающие элементы образованы гексагональными плоскими микрозеркалами 116, которые расположены в узлах шестиугольной решетки. Наконец, отражающие элементы в самом общем случае также могут быть расположены в узлах решетки в форме параллелограмма, как показано на фиг. 8(Д), и, например, быть образованы плоскими 118 микрозеркалами в форме параллелограмма.
Предлагаемый защитный элемент также может содержать несколько участков с различной симметрией решетки. Подобная различная симметрия решетки на различных участках защитного элемента может быть использована в качестве признака подлинности более высокой ступени, который можно проверить только сильной лупой или микроскопом. Из-за предлагаемой случайной вариации по высоте поверхностный узор не создает, прежде всего, наложенного дифракционного изображения, который мог бы дать указание на взятую за основу симметрию решетки отражающих элементов.
Далее, например, в защитном элементе для удостоверяющих личность документов могут создаваться те же изображения за счет структуры с различной симметрией решетки. Использованная симметрия решетки может быть различной, например, в зависимости от года выдачи, региона выдачи, серийного номера или специальной группы лиц и, таким образом, образовывать другой скрытый признак подлинности.
Предлагаемый вариант осуществления защитных элементов наряду с устранением дифракционных отражений предпочтительно ведет также к более однородному визуальному внешнему виду защитного элемента. А именно, участки с углом наклона в 0° появляются в обычных структурах решеток кажутся чаще ярче, глаже и с более сильными отражающими свойствами как участки с углами наклона большего размера, поскольку на этих участках пилообразные решетки или же микрозеркала соединяются в одну большую ровную поверхность, на которой нет значительного рассеивания на краях зеркал. Напротив, за счет случайного смещения по высоте теперь также и участки с углом наклона δ=0° содержат края между соседними отражающими элементами, в результате чего для всех углов наклона возникает однородный визуальный эффект.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
10
Банкнота
12
Защитный элемент
14
Яркий столбец
16
Нижняя кромка
18
Верхняя кромка
20
Защитный элемент
22
Поверхность
24
Нижняя кромка
26
Верхняя кромка
28
Детальные фрагменты
30
Пилообразная решетка
32
Пилообразные элементы
40
Источник света
42
Падающий свет
44
Наблюдатель
46
Отраженный свет
48
Направление наклона
50
Падающий свет
50-1, 50-2,
50-3, 50-j,
50-k
Лучи света
60
Дифракционное изображение
62
Конец оборачивания
64
Отражения решетки
70
Пилообразная решетка
72
Пилообразные элементы
74
Поверхностная область
76
Оптически переменный поверхностный узор
82, 84, 86
Дифракционные изображения
88
Дифракционный максимум
90
Дифракционное изображение
92
Дифракционный максимум
94
Сглаженное дифракционное изображение
96
Глобальный максимум
100
Поверхностная область
102
Плоское микрозеркало
104
Оптически переменный поверхностный узор
106
Узлы решетки
110
Оптически переменный поверхностный узор
112
Прямоугольные отражающие элементы
114
Ромбовидные плоские микрозеркала
116
Гексагональные плоские микрозеркала
118
Плоские микрозеркала в форме параллелограмма