ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ ЗАЩИТНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
HOLOGRAPHIC PROTECTIVE ELEMENT AND ITS MANUFACTURING METHOD

Изобретение относится к голографическому защитному элементу и способу его изготовления.
Полученные тиснением голограммы в той форме, как они, например, известны из Е.G. Loewen, Е. Popov, Diffraction Gratings and Applications, Marcel Dekker, New York, 1997 и US 7129028 B2, очень широко распространены как защитные признаки на банкнотах, картах для расчетов и в сфере охраны товарных знаков. Они, как правило, состоят из тисненой структуры, которая содержит структуры голографической решетки в форме дифракционных решеток с различными периодами и ориентациями азимутальных углов. Зритель воспринимает голографический эффект в первом порядке дифракции в отраженном свете под углом реконструкции голограммы. Дифракция в первом порядке дифракции воспринимается зрителем как цвет. Цветные мотивы, которые, например, реализованы структурами голографической решетки в форме синусоидальных решеток с напылением алюминия, таким образом, могут быть видимыми только под определенным углом рассмотрения. Отражение под углом скольжения относительно малоконтрастно. Полученная тиснением голограмма под углом скольжения в отраженном свете кажется неяркой и в проходящем свете выглядит темной. Изображения в истинном цвете могут быть переданы расположением пикселей, в которых находятся, соответственно, три различные решетки в форме субпикселей. Эти три решетки соответствуют основным цветам, в основном красному, зеленому и синему. Установка желаемого цвета в пикселе осуществляется в результате смешения основных цветов на соответствующей поверхностной доле субпикселей. Интенсивность цвета регулируется размером покрытой голографическими структурами поверхностной доли пикселя. Если площадь пикселя полностью заполнена решетками, то цвета воспринимаются в максимальной яркости. Если же частичные области остаются пустыми, то цвета, соответственно, более бледные. Мотив можно распознать под углом скольжения только очень слабо как отражающую светлую, легко смодулированную по интенсивности площадь.
Недостатком, в особенности в случае голограмм в истинном цвете, является то, что мотив в первом порядке дифракции можно распознать в истинном цвете только в узком диапазоне углового допуска. Этот недостаток в особенности сказывается при рассмотрении при неудачных условиях освещения. Кроме того, при развороте из положения под углом реконструкции изображение в истинном цвете сразу же воспринимается в "псевдоцветах". Особенно критичным кажется то, что изображение при рассмотрении под углом скольжения может переходить в негативное, так как, в таком случае, не заполненные структурами поверхностные доли могут перенаправлять падающий свет в глаз зрителя и поэтому давать светлую вспышку.
Кроме того, известны субволновые решетки, которые подходят для окрашивания в отраженном, а также в проходящем свете. Металлические структуры, которые кажутся цветными под углом скольжения и дополнительно могут быть экономично получены тиснением на металлической пленке, поясняются в публикациях WO 2013/053435 A1, DE 102011101635 А1 и DE 102015008655 А1. Здесь также может идти речь как об одномерных, так и о двухмерных периодических структурах. Такие субволновые решетки также подходят для создания изображений в истинном цвете. В отличие от структур голографических решеток здесь можно распознать изображение в истинном цвете в нулевом порядке дифракции, то есть под углом скольжения. Субволновые решетки также могут иметь такие свойства, что при пропускании будет создаваться изображение в истинном цвете. Известный способ изготовления таких изображений в истинном цвете также использует попиксельное согласование желаемого цвета в результате смешения основных цветов в субпикселях, которые в субволновых решетках соответствуют различным профильным параметрам (ср. Н. Lochbihler, "Colored images generated by metallic sub-wavelength gratings," Opt. Express 17(14), 12189-12196 (2009); WO 2012/019226 A1, EP 2960690 A1 и WO 2014/179892 A1).
В основе изобретения лежит задача получения защитного элемента, который имеет оптические свойства известных полученных тиснением голограмм и дополнительно не искажает мотив под углом скольжения, предпочтительным образом, также показывает его там в высококонтрастной форме.
Изобретение определено в независимых пунктах 1, 12 и 13 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения относятся к преимущественным формам осуществления изобретения.
Изобретение улучшает стандартные полученные тиснением голограммы и повышает распознаваемость мотива. Мотив образован множеством пикселей, которые стандартным образом, соответственно, имеют структуры голографической решетки, то есть действующие в оптическом диапазоне как дифракционные решетки структуры с различными периодами или же направлениями решетки. Подобное создание мотивов в первом порядке дифракции при помощи голографических структур известно из уровня техники. В качестве примера следует сослаться на публикацию Н. Caulfield, "The Art and Science of Holography", SPIE, 2004, ISBN 0-8194-5019-7, и там в качестве примера на страницы 201-209. Желаемый для пикселя цвет создается в результате смешения цветов, например из трех основных цветов, соответствующих субпикселей. Общий размер пикселя таков, что он более не может быть различим невооруженным глазом, например не более 100 мкм в одном из измерений. Однако также возможно привязать этот размер только к одному измерению пикселя, например, если пиксели расположены в форме вытянутой в длину узкой полосы. Если пиксели вообще нельзя различить невооруженным глазом, то, в конце концов, изображение получается с гладким распределением интенсивности. Субпиксели занимают только части пикселя, причем каждый субпиксель соответствует одному основному цвету. Смешанный цвет возникает на поверхностной доле субпикселей относительно друг друга. Создание голографического изображения осуществляется за счет того, что указанные субпиксели занимают только частичную область целого пикселя. Еще одна частичная область пикселя содержит окрашивающую субволновую решетку или так называемую структуру "мотыльковый глаз" в форме периодической, квазипериодической или апериодической субволновой структуры, или светопоглощающую или фотохроматическую микроструктуру.
Под пикселем понимают каждую любую форму поверхности, которая используется для кодирования визуальной информации, помимо прочего, также L-образную, круглую или нерегулярную геометрии. Как правило, но не обязательно, это расположение является регулярным, например в форме прямоугольных или квадратных пикселей.
В защитном элементе множество (пикселей), предпочтительным образом каждый пиксель, имеет по меньшей мере две частичные области. Первая частичная область образована голографической структурой и, в конечном итоге, представляет собой голографическое изображение, которое видно в первом порядке дифракции. Вторая частичная область, предпочтительным образом оставшаяся часть пикселя, заполнена субволновой решеткой или структурой "мотыльковый глаз" или светопоглощающей или фотохроматической микроструктурой. Таким образом, при рассмотрении под углом скольжения виден цвет отражения субволновой решетки или фотохроматической микроструктуры. Если микроструктура является фото хроматической или используется структура "мотыльковый глаз", пиксель под углом скольжения кажется темным. За счет этого при рассмотрении под углом скольжения может регулироваться появление защитного признака. Если субволновая решетка или микроструктура выполнены полупрозрачными, то регулируемым является также цвет при рассмотрении в проходящем свете.
Цвет предусмотренной во второй частичной области структуры в отраженном свете (и дополнительно факультативно также в проходящем свете) зависит от выбора профиля решетки, а также использованного покрытия. Это известно из уровня техники для субволновых решеток; то же самое действительно для микроструктур. За счет согласования соотношения площадей второй частичной области к первой частичной области для каждого пикселя может быть создан ступенчатый по интенсивности мотив при рассмотрении под углом скольжения. Если вторая частичная область каждого пикселя не структурирована дополнительно, то эта область воспринимается одноцветной.
В одном из вариантов осуществления изобретения вторая частичная область подразделена на разные по цвету субпиксели, так что под углом скольжения в отраженном свете также реализуется изображение в истинном цвете. Предпочтительным образом предусмотрены три различных субпикселя, которые относятся к основным цветам, например красному, зеленому и синему, для заранее определенного угла рассмотрения. Желаемый цвет, который создает вторая частичная область при рассмотрении под углом скольжения (и факультативно также в проходящем свете), регулируется для каждого пикселя на относительной поверхностной доле трех субпикселей. В таком случае, зритель воспринимает для каждого пикселя смешанный цвет субпикселей.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения сначала рассчитывается появляющаяся в первом порядке дифракции голограмма в истинном цвете, в особенности разделение на пиксели и субпиксели. Затем микроструктурами и субволновыми структурами заполняются до сих пор не потребовавшиеся поверхностные доли, которым принадлежит функция вторых частичных областей. Разделение вторых частичных областей на пиксели и, при необходимости, субпиксели, при этом варианте может осуществляться независимо от разделения пикселей и субпикселей первых частичных областей. В еще одной предпочтительной форме осуществления полученные тиснением структуры во вторых частичных областях служат для поглощения света, причем они могут заполнять вторые частичные области полностью или частично.
Изобретение далее разъясняется более подробно на основании примеров со ссылкой на чертежи в примерах осуществления изобретения. На чертежах показаны:
Фиг. 1 схематическое представление банкноты с защитным элементом, который в первом порядке дифракции показывает изображение как голограмму и при рассмотрении под углом скольжения показывает то же изображение,
Фиг. 2 схематическое представление изображения, которое видно в защитном элементе фиг. 1, для наглядного представления пиксельной структуры, из которой образовано изображение,
Фиг. 3-5 различные варианты для образования пикселя из субпикселей, причем каждый пиксель имеет первую частичную область, в которой имеется структура голографической решетки, и вторую частичную область, в которой выполнена структура субволновой решетки,
Фиг. 6 и 7 приведенные в качестве примера изображения в разрезе пикселя для наглядного представления различных областей,
Фиг. 8 и 9 схематические изображения в разрезе для наглядного представления принципа функционирования структур решетки в обеих частичных областях.
Фиг. 10 вид сверху на еще один защитный элемент с полосовидными пикселями.
Фиг. 1 показывает схематически вид сверху на банкноту 1, которая для повышения защищенности от фальсификации имеет защитный элемент 2. Защитный элемент 2 содержит полученную тиснением голограмму, которая создает мотив 3, в данном случае - изображение Дюрера (ср. фиг. 2). На фиг. 2 показан фрагмент 4 мотива 3, чтобы наглядно пояснить, что изображение 3 состоит из множества пикселей 5. Каждый пиксель 5 состоит из частичных областей. Фиг. 3-5 показывают различные формы осуществления для этого подразделения. На фиг. 3 каждый пиксель 5 имеет первую частичную область 6 и вторую частичную область 7. В первой частичной области выполнена структура голографической решетки, которая требуется, чтобы сделать мотив 3 видимым как голограмму в первом порядке дифракции. Вторая частичная область 7 пикселя 5 имеет субволновую структуру или микроструктуру, которая делает видимым тот же самый или другой мотив под углом скольжения (или факультативно также в проходящем свете). Структура голографической решетки в первой частичной области 6 регулирует на своей площади величину яркости для соответствующего пикселя 5 в первом порядке дифракции. Структура во второй частичной области 7 оказывает такое же воздействие при рассмотрении под углом скольжения. На фиг. 3 также показана еще третья, факультативная частичная область 7S, в которой структура выполнена чисто светопоглощательно, например как структура "мотыльковый глаз". За счет этого может быть дополнительно устанавливаться соотношение яркости или же интенсивности для разделения первой и второй частичной области. Третья частичная область может альтернативно также включать в себя гладкую область, которая покрыта металлом и является непрозрачной. Это также оказывает влияние на согласование интенсивности в отдельных пикселях 5. Конечно, во второй частичной области также может быть использована только светопоглощающая или структура "мотыльковый глаз". Это предотвращает изменение изображения на негативное, если развернуть защитный элемент из положения под углом первого порядка дифракции в положение под углом скольжения.
Фиг. 4 показывает форму осуществления для пикселя 5, которая создает изображение в истинном цвете в первом порядке дифракции, в то время как частичная область 6 разделена на субпиксели 6R, 6G и 6В, которые относятся к основным цветам: Красному, Зеленому и Синему. Соотношение площадей субпикселей регулирует смешанный цвет. В отношении оставшейся площади пикселя 7 опять-таки действительно, что предусмотрена структура субволновой решетки. Для наглядного пояснения, что эта опция, в принципе, рассматривается, здесь также предусмотрена третья частичная область 7Е, которая выполнена как гладкий слой, как только что упоминалось. Конечно, третья частичная область, в принципе, также может и отсутствовать, и пиксели 5 могут состоять исключительно из первой и второй частичной области.
Фиг. 5 показывает еще одно усовершенствование изобретения, при котором вторая частичная область со структурой субволновой решетки, опять-таки, выполнена в субпикселях 7R, 7G и 7В, которые создают эффект изображения в истинном цвете при рассмотрении под углом скольжения.
Фиг. 6 и 7 показывают в разрезе область приведенного в качестве примера пикселя 5. Видно, что структура 8 голографической решетки в субпикселях 6В, 6G и 6R первой частичной области отличается в отношении одного периода использованной синусоидальной решетки. Это показано только в качестве примера для наглядного представления. Специалисту известно, как он должен выстроить субпиксели структур голографической решетки для голограмм в истинном цвете. Вторая частичная область 7 выполнена на фиг. 6 в качестве примера таким образом, что структура 9 субволновой решетки имеет структуру "мотыльковый глаз". Таким образом, она регулирует здесь только значение черного, который наряду с красным, зеленым и синим, используется как четвертый цветовой канал и, кроме того, предотвращает инвертирование мотива при развороте.
Фиг. 7 показывает изображение в разрезе пикселя 5. Опять-таки, структура голографической решетки 8 образована субпикселями 6В, 6G и 6R. Дополнительно вторая частичная область 7 также состоит из по-разному геометрически структурированных субпикселей 7В, 7G и 7R, а также структуры 7S "мотыльковый глаз".
-1
θ
Фиг. 8 показывает эффект в различных частичных областях пикселя 5. В первой частичной области 6 структура голографической решетки выполнена в примере фиг. 8 как красный субпиксель 6R. Падающее излучение при рассмотрении в первом порядке R дифракции воспринимается в красном цвете. Для субволновой структуры, напротив, действительно, что рассмотрение под углом R скольжения создает цветовое восприятие субволновой структуры, здесь зеленого субпикселя 7G и красного субпикселя 7R.
I
II
Фиг. 9 показывает те же соотношения при варианте, при котором субволновая структура также производит просветный эффект. В то время как в области структуры голографической решетки не происходит заметного пропускания, в области структуры субволновой решетки достигается цветное пропускание с различными цветами T и T для субпикселей 7G и 7R.
Фиг. 10 показывает еще один пример для голограммы в истинном цвете. Здесь пиксели 7 выполнены в форме полосы, которые, соответственно, содержат отдельные субпиксели в форме цветных отпечатков 6R, 6G и 6В. Левый пиксель 5 фиг. 10 при этом выполнен так, что субпиксели полностью заполняют пиксель 5 решетками. Таким образом, цвета, в этом случае, представляются как смешение цветов с максимальной яркостью. Шириной и, таким образом, площадью заполнения субпикселей регулируется интенсивность цвета. При этом ширина полосы вдоль продольной протяженности может сокращаться, и полосы также могут быть прерывистыми. Непокрытые области, то есть области пикселя 5, в которых в субпикселе 6R, 6G и 6В нет голографической структуры, здесь заполнены структурой субволновых волн в форме структуры "мотыльковый глаз". Эта структура 7S "мотыльковый глаз" в качестве примера для второго пикселя 5 слева внесена в фиг. 10. Она функционирует как светопоглощающая структура и стандартным образом состоит из регулярно или нерегулярно расположенных выступов или углублений с периодами или же квазипериодами, которые меньше, чем длина волн видимого света. Также подходят светопоглощающие микроструктуры, например микрополости, которые имеют таким образом выполненное соотношение аспектов, что они в значительной степени поглощают падающий свет. В этом отношении сошлемся на публикации DE 102013009972 A1, DE 102014004941 А1 и WO 2014/161673 А1, микроструктуры которых могут быть использованы в субпикселях 7R, 7В, 7G или 7S. Не потребовавшиеся для создания цвета поверхностные доли пикселей 5, таким образом, заполнены светопоглощающими структурами. За счет этого предотвращается переход изображения из позитивного в негативное, если развернуть голограмму из положения под углом первого порядка дифракции, так как предотвращается зеркальное отражение падающего света от не покрытых голографическими структурами согласно уровню техники участков пикселей 5.
Этот подход может также быть использован для того, чтобы выстроить изображение в четырех цветовых каналах, в основных цветах: красном, зеленом и синем (или же в основных цветах, которые создают субпиксели), а также черном, как четвертом канале для создания контраста.
В общем, также могут быть использованы другие цвета, также в другом количестве, для смешения цветов, причем, в этом случае, черный также может быть использован как дополнительный канал для создания контраста.
Так как здесь были описаны различные распределения и формы пикселей 5, эти формы, естественно, могут быть использованы не во всех пикселях мотива 3. Также возможно смешивать различные опции при создании одного мотива.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 банкноты
2 защитный элемент
3 мотив
4 фрагмент
5 пиксель
6 первая частичная область
6R, 6G, 6В субпиксели
7 вторая частичная область
7R, 7G, 7В субпиксели
7Е гладкая область
7S структура "мотыльковый глаз"
8 структура голографической решетки
9 субволновая структура
Е падающее излучение
-1
R первый порядок дифракции
θ
R угол скольжения
I
T пропускание при первом цвете
II
T пропускание при втором цвете