МИКРООПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ДЛЯ ВИЗУАЛЬНОГО И ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ

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 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).
Одной из основных проблем контроля подлинности документов, банкнот, пластиковых карт является разработка новых оптических элементов защиты для визуального и инструментального контроля. Такие элементы должны допускать надежный визуальный контроль, слабо зависящий от условий освещения, а также инструментальный контроль. Защитные элементы должны быть хорошо защищены от подделки или имитации и допускать массовое тиражирование.
Близкой к заявляемой полезной модели по совокупности признаков является известная оптическая система формирования изображений (Патент США №7,468,842 или Патент США №7,333,268), которая получила название motion. Описанная в патентах США система включает в себя слой микроизображений и слой фокусирующих элементов, выполненных в виде лентикулярных линз (микролинз). Такая система позволяет получить эффект движения (motion) изображения при изменении угла наблюдения, что может быть установлено по движению сформированного изображения при наклонах оптической системы. В настоящее время, технология motion используется для защиты банкнот. К недостаткам технологии необходимо отнести достаточно большую толщину защитного элемента, которая составляет от 30 до 40 микрон, что накладывает ограничения на использование такого защитного элемента в виде ныряющей нити. Попытки уменьшить толщину микрооптической системы Motion ухудшают качество изображения и повышают требования к технологии синтеза защитной нити Motion. К недостаткам нити Motion нужно отнести и то, что эта технология предназначена только для визуального контроля и не предусматривает инструментальный контроль.
Наиболее близкой (прототип) по совокупности признаков является патент EA 017394.
Микрооптическая система согласно патенту EA 017394 обеспечивает возможность синтеза легко контролируемого эффекта движения изображений, состоящих из светящихся точек, при наклонах подложки относительно наблюдателя при освещении микрооптической системы дневным светом. 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.
В частном случае реализации патента EA 017394, плоские внеосевые линзы Френеля с параболоидной фазовой функцией выполнены одинаковыми, непересекающимися между собой, сформированными в виде микрорельефа, обеспечивающего заданную диаграмму направленности рассеянного света, реализующую синтез изображений, состоящих из отдельных точек, с визуальным эффектом смещения сформированных изображений вправо-влево, при наклоне подложки вправо-влево и с визуальным эффектом смещения сформированных изображений вверх-вниз при наклоне подложки от себя - на себя. В другом частном случае плоские внеосевые линзы Френеля с седлообразной фазовой функцией могут быть выполнены одинаковыми, непересекающимися между собой, сформированными в виде микрорельефа, обеспечивающего заданную диаграмму направленности рассеянного света, реализующую синтез изображений, состоящих из отдельных точек, с визуальным эффектом смещения сформированных изображений вверх-вниз, при наклоне подложки вправо-влево и с визуальным эффектом смещения сформированных изображений вправо-влево при наклоне подложки от себя - на себя.
С целью увеличения динамического эффекта смещения изображений, плоские внеосевые линзы Френеля выполняются пересекающимися, сформированными в виде микрорельефа, при этом в области пересечения двух плоских внеосевых линз Френеля микрорельеф обеспечивает диаграмму направленности рассеянного света, реализующую для наблюдателя визуальный эффект смещения точек изображения на обоих пересекающихся элементах. Также с целью увеличения динамического эффекта смещения изображений, заявлена микрооптическая система, состоящая из двух типов внеосевых линз Френеля, (например, плоских внеосевых линз Френеля с вогнутой параболической фазовой функцией и плоских внеосевых линз Френеля с выпуклой фазовой функцией), при этом каждый тип формирует свою часть изображения так, что для наблюдателя смещение частей изображения происходит в противоположные стороны, что увеличивает эффект относительного движения частей изображения.
Заявленная в патенте EA 017394 микрооптическая система предназначена только для визуального контроля при освещении микрооптической системы дневным светом. Задачей настоящей полезной модели является расширение возможностей контроля защитной нити по сравнению с прототипом и создание микрооптической системы для визуального и инструментального контроля с более высоким уровнем защищенности от подделок, а также сужение круга технологий, которые позволяют синтезировать данную микрооптическую систему. При этом достигаемый технический результат заключается в возможности формирования изображений, состоящих из светящихся точек с визуальным эффектом смещения сформированных изображений при наклонах подложки относительно наблюдателя при освещении микрооптической системы дневным светом, а также в возможности формирования 2D изображений, используемых для инструментального контроля, при освещении микрооптической системы когерентным светом. Задачей настоящей заявки является также обеспечение возможности использования стандартного высокопроизводительного технологического процесса изготовления, тиражирования и нанесения защитных элементов.
ij
ij
ij
Поставленная задача с достижением указанного технического результата решается в заявленной микрооптической системе, состоящей из размещенного на плоской подложке плоского дифракционного оптического элемента, которой состоит из элементарных областей размером до 50 микрон, i=1, 2, … Ν; j=1, 2, … Ν, где Ν - число разбиений оптического элемента на элементарные области по осям координат, причем часть площади каждой из элементарных областей R занимают оптические элементы с фазовой функцией равной константе, либо фрагменты внеосевых линз Френеля с параболоидной фазовой функцией и/или фрагменты плоских внеосевых линз Френеля с седлообразной фазовой функцией, сформированные в виде микрорельефа, обеспечивающего заданную диаграмму направленности рассеянного дневного света, реализующую синтез изображений, состоящих из отдельных точек, с визуальным эффектом смещения сформированных изображений при наклонах подложки относительно наблюдателя при освещении микрооптической системы дневным светом, а другую часть площади каждой из элементарных областей R занимает область Q, внутри которой сформированы фрагменты киноформа, формирующего при освещении микрооптической системы лазерным излучением 2D изображение, используемое для инструментального контроля.
Микрооптическая система может включать внеосевые линзы Френеля и, или киноформ сформированные как многоградационные элементы.
ij
ij
Микрооптическая система может быть синтезирована так, что область Q занимает площадь в пределах 15-50% от площади каждой из элементарных областей R.
Микрооптическая система может быть выполнена, при необходимости, с возможностью частичного отражения и частичного пропускания света.
В частном случае, микрооптическая система может быть выполнена с возможностью отражения света.
Также в частном случае, микрооптическая система может быть выполнена с возможностью пропускания света.
При необходимости, микрооптическая система выполняется в виде защитной метки, используемой для защиты банкнот, ценных бумаг, документов, пластиковых карт.
Совокупность заявленных признаков обеспечивает достижение заявленного технического результата.
Сущность полезной модели поясняется изображениями, где на фиг.1 приведена схема наблюдения микрооптической системы в дневном свете; на фиг.2 приведен фрагмент внеосевой плоской линзы Френеля с параболической фазовой функцией; на фиг.3 изображен фрагмент внеосевой линзы Френеля с седлообразной фазовой функцией; на фиг.4 приведено изображение точечного источника света, видимого наблюдателем, отраженного от внеосевой плоской линзы Френеля с параболоидной или седлообразной фазовой функцией; на фиг.5 приведена схема формирования микрорельефа микрооптической системы; на фиг.6 представлено как наблюдатель видит изображение из цифр "50 50 50 50", состоящее из отдельных точек, сформированных плоскими оптическими элементами - внеосевыми линзами Френеля - при нормальном положении микрооптической системы (θ=0); на фиг.7 представлено как наблюдатель видит изображение из цифр "50 50 50 50", состоящее из отдельных точек, сформированных плоскими оптическими элементами при наклоне подложки относительно наблюдателя; на фиг.8 приведен фрагмент микрорельефа киноформа, формирующего изображение при освещении микрооптической системы когерентным светом; на фиг.9 приведен пример 2D изображения, формируемого киноформом; на фиг.10 приведен другой пример 2D изображения, формируемого киноформом.
Микрооптическая система, заявленная в настоящем техническом решении, представляет собой расположенный на плоской подложке плоский оптический элемент, состоящий из фрагментов линз Френеля с параболоидной и/или седлообразной фазовой функцией, фрагментов киноформа и областей без микрорельефа (с фазовой функцией равной константе). На фиг.1 приведена схема наблюдения микрооптической системы 1 при освещении ее точечным источником дневного света 2, видимое наблюдателем 3 под углом Θ. На фиг.2 приведен фрагмент плоской внеосевой линзы Френеля с параболоидной фазовой функцией, фокусирующей изображение в точку подобно цельному вогнутому зеркалу, имеющему форму параболоида (Гончарский А.В., Гончарский А. А. "Компьютерная оптика. Компьютерная голография" Изд-во МГУ, Москва 2004, ISBN 5-211-04902-0). Глубина микрорельефа линз Френеля в оптическом диапазоне длин волн составляет 0.1-0.3 микрона. На фиг.3 приведен фрагмент микрорельефа плоской внеосевой линзы Френеля с седлообразной фазовой функцией. Произвольный фрагмент, вырезанный из плоской линзы Френеля, называется внеосевой линзой Френеля.
Внеосевая линза Френеля при освещении ее точечным источником света формирует для наблюдателя изображение в виде яркой точки. Как показано на фиг.4, яркая точка 4 смещается в пределах внеосевой линзы Френеля ограниченной белой пунктирной линией 5 при изменении угла наклона микрооптической системы относительно наблюдателя. Характер смещения определяется типом фазовой функции линзы Френеля. При наклонах подложки вправо-влево для параболоидной фазовой функции изображение источника смещается вправо-влево, а при наклонах подложки от себя - на себя, изображение смещается вверх-вниз. Для внеосевой линзы Френеля с седлообразной фазовой функцией изображение источника смещается вверх - вниз, при наклоне подложки вправо-влево, а при наклонах подложки от себя - на себя, изображение смещается вправо-влево. Эта идея положена в основу прототипа настоящей полезной модели (патент EA 017394).
ij
ij
ij
ij
ij
Заявленный в полезной модели плоский оптический элемент разбит на элементарные области R, i=1, 2, … Ν; j=1, 2, … Ν, где Ν - число разбиений оптического элемента на элементарные области по осям координат. Размер R не превосходит 50 микрон, причем часть площади каждой из элементарных областей R занимают оптические элементы с фазовой функцией равной константе (фрагменты оптического элемента без микрорельефа), либо фрагменты внеосевых линз Френеля с параболоидной фазовой функцией и, или фрагменты плоских внеосевых линз Френеля с седлообразной фазовой функцией. Сформированный ими микрорельеф обеспечивает заданную диаграмму направленности рассеянного дневного света и позволяет синтезировать изображения, состоящие из отдельных точек, с визуальным эффектом смещения сформированных изображений при наклоне подложки относительно наблюдателя при освещении микрооптической системы дневным светом. Другую часть площади каждой из элементарных областей R занимает область Q, внутри которой сформированы фрагменты киноформа, формирующего при освещении микрооптической системы лазерным излучением 2D изображение, используемое для инструментального контроля.
Размер элементарных областей не превосходит 50 микрон - предел визуального разрешения элементов изображения на плоском оптическом элементе для человеческого глаза. Таким образом, наблюдатель не может видеть границ разбиения микрооптической системы на элементарные области. Используя различные фрагменты линз Френеля можно синтезировать изображения, состоящие из отдельных ярких точек. На фиг.6 приведен пример формирования такого изображения при нормальном положении подложки относительно наблюдателя (θ=0). На фиг.7 приведен пример, демонстрирующий смещение изображения при наклонах подложки вправо-влево для изображений, сформированных с помощью фрагментов внеосевых линз Френеля с седлообразной фазовой функцией при наклонах подложки.
Заявленная микрооптическая система, кроме эффекта визуального смещения сформированных изображений, состоящих из точек, позволяет, в отличие от прототипа, формировать 2D изображения, визуализируемые с помощью лазерного излучения. Такие изображения формируются плоским фазовым оптическим элементом - киноформом. На фиг.8 приведен фрагмент киноформа, формирующего изображение, представленное на фиг.9. Глубина микрорельефа фрагмента киноформа на фиг.8 пропорциональна потемнению в каждой точке рисунка. Изображения, визуализируемые с помощью лазерного излучения, получили в литературе название CLR (Covert Laser Readable) изображений. Такие изображения можно контролировать с помощью CLR детекторов, например патент на промышленный образец №74441. Пример изображения, формируемого киноформом для этих целей приведен на фиг.9.
Скрытые изображения, визуализируемые с помощью лазерного излучения можно использовать и для автоматизированного приборного контроля подлинности защитных меток. В заявке ЕАПВ №201100415 предложены способ и устройство для автоматизированного контроля подлинности CLR изображений формируемых киноформом. На фиг.10 приведен пример изображения, формируемого многоградационным киноформом. Точка на фиг.10 соответствует нулевому порядку дифракции. Согласно заявке ЕАПВ№201100415 процедура автоматизированного контроля будет инвариантной относительно положения прибора и защитной метки, если в качестве признака для автоматизированного контроля использовать угловые расстояния между яркими точками изображения.
ij
В настоящей заявке для целей инструментального контроля используются фрагменты плоских оптических элементов - киноформов. В случае использования в областях Q бинарных киноформов, формируемые с помощью лазерного излучения изображения являются симметричными.
Скрытые изображения, визуализируемые с помощью лазерного излучения представленные на фиг.9 и 10 не являются симметричными относительно нулевого порядка дифракции. Такие изображения могут быть сформированы только с помощью многоградационных киноформов, имеющих ассиметричный микрорельеф (Гончарский А.В., Гончарский А.А. "Компьютерная оптика. Компьютерная голография" Изд-во МГУ, Москва 2004, ISBN 5-211-04902-0). Точность изготовления таких элементов составляет 20 нанометров (А.А. Гончарский. Об одной задаче синтеза нано-оптических элементов. - Вычислительные методы и программирование, Т.9, №2, 2008.). Такие оптические элементы хорошо защищены от подделок.
Заявленная полезная модель предназначена для формирования визуальных изображений в видимом диапазоне длин волн (от 0.38 микрона до 0.74 микрона). Скрытые CLR изображения визуализируются с помощью лазерных диодов в видимом диапазоне длин волн. Микрооптическая система имеет глубину микрорельефа 0,1-0,3 микрона. Внеосевая линза Френеля при ее освещении точечным источником формирует для наблюдателя изображение в виде яркой точки. Максимальная яркость изображения для много градационной линзы Френеля соответствует глубине микрорельефа равной λ/2. Например, при λ=0,56 микрона наибольшую эффективность имеют внеосевые линзы Френеля с глубиной 0,28 микрон. При падении на такую линзу Френеля оптического излучения с другой длиной волны формируется то же самое изображение, но с меньшей эффективностью. Таким образом, микрооптическая система при падении на нее оптического излучения видимого диапазона формирует визуальное изображение, состоящее из отдельных ярких точек.
ij
ij
2D изображение формируется киноформом при освещении микрооптической системы лазерным излучением. Энергетическая эффективность сформированного изображения зависит от отношения площадей Q и R.
Центральным моментом технологии изготовления микрооптической системы, заявленной в полезной модели, является изготовление оригинала микрооптической системы. Для изготовления оригинала микрооптической системы можно использовать электронно-лучевую литографию или оптические технологии формирования микрорельефа высокого разрешения. Эта технология мало распространена, стоимость электронно-лучевых литографов составляет несколько миллионов евро. Электроннолучевая 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.
Таким образом, основные отличия заявленной микрооптической системы от прототипа заключаются в следующем:
1. По сравнению с прототипом, заявленная микрооптическая система имеет фасеточную структуру, в которой оптический элемент разбит на элементарные области размером менее 50 микрон, где находятся не только фрагменты внеосевых линз Френеля, но и фрагменты киноформов.
2. В отличие от прототипа, заявленная в полезной модели микрооптическая система формирует изображения не только для визуального контроля в дневном свете. При освещении микрооптической системы когерентным излучением, формируется другое 2D изображение, которое может использоваться для инструментального контроля. Приборы для инструментального контроля существуют и защищены патентами.
3. Заявленная микрооптическая система обладает большей защищенностью от подделок и имитаций, поскольку технология изготовления является более наукоемкой. Изготовление многоградационных киноформов предъявляет к технологии синтеза микрорельефа очень жесткие требования. Точность изготовления микрорельефа элементов заявленных в полезной модели составляет порядка 20 нанометров.
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 поленой модели были изготовлены две микрооптические системы. В первом примере была изготовлена микрооптическая система на подложке, которая при наклоне подложки, формировала в дневном свете изображение из цифр "50 50 50 50" (фиг.6). Для формирования изображения на фиг.6 использовались фрагменты внеосевых линз Френеля с седлообразной фазовой функцией (фиг.3). Для формирования изображений, состоящих из ярких точек, использовались внеосевые линзы Френеля диаметром 920 микрон. Высота букв «50» составляла 2,8 мм. При наклонах подложки имел место эффект смещения фрагментов изображения так, как показано на фиг.7. При высоте цифры «50» в 2,8 мм максимальный эффект смещения составляет порядка 0,9 мм.
ij
ij
В качестве 2D изображения для инструментального контроля использовалось изображение, представленное на фиг.9. Площадь элементарных областей Q составляла 0,2 площади элементарных областей R. Для визуализации скрытых CLR изображений использовался CLR детектор (патент на промышленный образец №74441).
Вторая микрооптическая система отличалась от первой киноформом, формирующим в когерентном свете изображение, представленное на фиг.10.
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. После нанесения клеевых слоев были изготовлены образцы голографической нити и банкнотной бумаги с защищенной ныряющей нитью. Толщина голографической фольги составляла 19 микрон.
Изготовленные образцы оптической защитной нити, внедренной в банкнотную бумагу, продемонстрировали возможность как визуального контроля заявленной микрооптической системы, так и приборного контроля. Микрооптическая система, представленная в заявке на полезную модель, может быть эффективно использована для защиты банкнот, сертификатов, чеков, пластиковых карт.