ЗАЩИТНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
SECURITY ELEMENT

Данное изобретение касается защитного элемента для защищенных от подделки бумаг, ценных документов и аналогичных объектов, имеющего микрооптическую муаровую увеличительную структуру для воспроизведения трехмерного муарового узора.
Для защиты носителей данных, например, ценных документов, удостоверений и других ценных предметов, например, фирменных изделий, их часто снабжают защитными элементами. Эти элементы позволяют проверить подлинность носителя данных, одновременно они служат в качестве защиты от незаконного воспроизведения. Защитные элементы могут выполнить, например, в виде внедренной в банкноту защитной нити, защитной пленки для банкноты с отверстием, нанесенной защитной полоски или самонесущего переводного элемента, который после его изготовления наносят на ценный документ.
Особую роль при этом играют защитные элементы в виде элементов с переменными оптическими свойствами, при наблюдении которых под разными углами зрения наблюдатель видит различные изображения. Это связано с тем, что такие элементы невозможно воспроизвести даже при помощи высококачественных копировальных аппаратов для цветной печати. Для этого защитные элементы могут снабдить защитными признаками в виде дифракционных оптических микро- и наноструктур, например, обычными тиснеными голограммами или другими аналогичными дифракционными структурами, например, описанными в публикациях ЕР 0330733 А1 и ЕР 0064067 А1.
Известно также, как в качестве защитных элементов могут применить систему линз. Например, в публикации ЕР 0238043 А2 описана защитная нить из прозрачного материала, на поверхности которой отпечатан растр, состоящий из нескольких параллельных цилиндрических линз. При этом толщина защитной нити выбрана так, что она примерно соответствует фокусному расстоянию цилиндрических линз. На противоположной поверхности с точной приводкой нанесено печатное изображение, причем оно выполнено с учетом оптических свойств цилиндрических линз.
Благодаря фокусирующему действию цилиндрических линз и положению печатного изображения в фокальной плоскости в зависимости от угла зрения наблюдатель может видеть различные подобласти изображения. Итак, благодаря соответствующему исполнению печатного изображения могут ввести информацию, которая видна только при наблюдении под определенными углами зрения. Хотя благодаря соответствующему исполнению печатного изображения также могут создать «движущиеся» изображения, при вращении документа вокруг оси, проходящей параллельно цилиндрическим линзам, мотив перемещается от одного места на защитной нити к другому лишь почти непрерывно.
Из публикации US 5712731 А известно применение в качестве защитного элемента муаровой увеличительной структуры. Описанное в этом документе защитное устройство имеет равномерное расположение, по существу, идентично напечатанных микроизображений размером до 250 мкм, а также равномерное двухмерное расположение, по существу, идентичных сферических микролинз. Микролинзы расположены, по существу, с таким же шагом, как и микроизображения. Если расположенные в определенном порядке микроизображения рассматривают через расположенные в определенном порядке микролинзы, то на участках, на которых эти расположения, по существу, установлены с приводкой относительно друг друга, для наблюдателя создается один или несколько вариантов микроизображений.
Принцип действия таких муаровых увеличительных структур описан в статье: „The moiré magnifier", M.C.Hutley, R.Hunt, R.F.Stevens and P.Savander, Pure Appl. Opt. 3 (1994), pp.133-142.
Короче говоря, согласно этой статье увеличение муарового узора представляет собой эффект, возникающий при наблюдении растра, состоящего из идентичных изображаемых объектов, через линзовый растр, имеющий примерно такой же шаг. Как и в каждой паре аналогичных растров, при этом возникает муаровый узор, который в данном случае появляется как увеличенное и, смотря по обстоятельствам, повернутое изображение повторяющихся элементов растра изображения
Исходя из этого, задача изобретения состоит в том, чтобы избежать недостатков состояния техники и, в частности, предложить защитный элемент с микрооптической муаровой увеличительной структурой для воспроизведения трехмерных муаровых узоров с впечатляющими оптическими эффектами. Трехмерные муаровые узоры по возможности должны допускать наблюдение без ограничения поля зрения и компьютерное моделирование при всех вариантах оформления.
Эта задача решается благодаря защитному элементу с признаками основного пункта формулы изобретения. Сведения о способе изготовления такого защитного элемента, защищенной от подделки бумаге и носителе данных с таким защитным элементом приведены в независимых пунктах. Варианты осуществления изобретения являются предметом зависимых пунктов.
В соответствии с изобретением защитный элемент рассматриваемого типа содержит микрооптическую муаровую увеличительную структуру для воспроизведения трехмерного муарового узора, имеющего воспроизводимые компоненты, по меньшей мере, в двух плоскостях муарового узора, отстоящих друг от друга в направлении, перпендикулярном муаровой увеличительной структуре, содержащую:
изобразительный мотив, содержащий два или более периодических или, по меньшей мере, локально периодических расположений элементарных ячеек с различными периодами решетки и/или разными ориентациями решетки, которые в каждом случае сопоставлены с одной плоскостью муарового узора и содержат детали микромотива для воспроизведения детали изображения в соответствующей плоскости муарового узора;
расположенный на некотором расстоянии от изобразительного мотива растр фокусирующих элементов для наблюдения увеличенного изобразительного мотива, который содержит периодическое или, по меньшей мере, локально периодическое расположение некоторого количества ячеек решетки, каждая из которых содержит микрофокусирующий элемент;
причем увеличенный трехмерный муаровый узор при наклоне защитного элемента почти для всех направлений наклона движется в направлении, отличающемся от направления наклона.
Как более подробно объяснено ниже, при таких конструктивных исполнениях впечатление объемности и пространственное восприятие при наклоне не соответствуют или даже противоречат друг другу, так что для наблюдателя возникают поразительные, отчасти даже головокружительные эффекты, которые привлекают внимание и хорошо запоминаются.
При этом воспроизводимые детали трехмерного муарового узора могут быть образованы отдельными точками изображения, группами точек изображения, линиями или участками поверхности. Как более подробно поясняется ниже, как правило, в особенности при более сложных муаровых узорах, в качестве воспроизводимых деталей изображения предпочтительно рассматривают отдельные точки трехмерного муарового узора, и для каждой из этих точек определяют соответствующую точку микромотива и расположение элементарных ячеек решетки для повторного расположения точки микромотива в плоскости мотива. Тем не менее, при более простых муаровых узорах, при которых в плоскости узора лежат несложно описываемые линии или даже участки поверхности, например, как в нижеописываемых примерах осуществления 1-4, в качестве воспроизводимых деталей изображения могут выбрать, в том числе, и эти линии или участки поверхности, и определить соответствующие детали микромотива и их повторное расположение в плоскости мотива для линии или участка поверхности как целого.
1
2
Фраза о том, что муаровый узор при наклоне защитного элемента почти для всех направлений наклона движется в направлении, отличающемся от направления наклона, учитывает тот факт, что могут существовать определенные отличные направления, в которых направление наклона и направление движения узора совпадают. Из-за симметрии, как правило, имеется как раз два таких направления. Если направление движения муара  и направление наклона  в плоскости муаровой увеличительной структуры связаны друг с другом посредством симметричной матрицы преобразования , , то для обоих существующих в этом случае собственных векторов матрицы преобразования ,  действуют соотношения  или  с собственными значениями матрицы преобразования m и m. Поэтому при наклоне в направлении одного из двух собственных векторов направление движения и направление наклона параллельны друг другу, в то время как при всех других направлениях наклона они отличаются друг от друга.
Особые преимущества дает то, что вследствие параллакса при наклоне защитного элемента трехмерный муаровый рисунок кажется для наблюдателя парящим на первой высоте или глубине над или, соответственно, под плоскостью защитного элемента, благодаря глазному базису при стереоскопическом зрении он кажется парящим на второй высоте или глубине над или, соответственно, под плоскостью защитного элемента, причем первая и вторая высота или глубина отличаются почти для всех направлений наблюдения.
Указание направления наблюдения кроме направления взгляда охватывает также направление глазного базиса наблюдателя. И здесь фраза о том, что первая и вторая высота или глубина отличаются почти для всех направлений наблюдения, означает то, что могут существовать определенные отличные направления наблюдения, при которых первая и вторая высота или глубина совпадают. В частности, этими отличными направлениями наблюдения могут быть как раз те направления, при которых направление наклона и направление движения муарового узора совпадают.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения как ячейки решетки изобразительного мотива, так и ячейки растра фокусирующих элементов расположены периодически. Длина периодичности предпочтительно составляет от 3 до 50 мкм, преимущественно от 5 до 30 мкм, в особенности предпочтительно от примерно 10 до приблизительно 20 мкм.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения как ячейки решетки изобразительного мотива, так и ячейки растра фокусирующих элементов расположены локально периодически, причем локальные параметры периода в сравнении с длиной периодичности изменяются медленно. Например, локальные параметры периода могут быть периодически модулированными по протяженности защитного элемента, причем период модуляции предпочтительно, по меньшей мере, в 20 раз, преимущественно в 50 раз, в особенности предпочтительно в 100 раз больше локальной длины периодичности. И в этом варианте локальная длина периодичности предпочтительно составляет от 3 до 50 мкм, преимущественно от 5 до 30 мкм, в особенности предпочтительно от примерно 10 до приблизительно 20 мкм.
Ячейки решетки изобразительного мотива и ячейки растра фокусирующих элементов в каждом случае предпочтительно образуют, по меньшей мере, локально, двухмерную решетку Браве, предпочтительно решетку Браве с более низкой симметрией, например, решетку с ячейками в форме параллелограмма. Применение решеток Браве с более низкой симметрией дает то преимущество, что муаровые увеличительные структуры с такими решетками подделываются с трудом, так как для возникновения корректного изображения при наблюдении необходимо точно воспроизвести низкую симметрию расположения, которая анализируется лишь с трудом. Кроме того, более низкая симметрия дает большие возможности для выбора различных параметров решетки, которые, таким образом, могут использовать как скрытое обозначение защищенных в соответствии с изобретением продуктов, причем наблюдатель заметить это по увеличенному изображению без затруднений не сможет. С другой стороны, все привлекательные эффекты, реализуемые при помощи муаровых увеличительных структур более высокой симметрии, могут осуществить и посредством предпочтительных низкосимметричных муаровых увеличительных структур.
Микрофокусирующие элементы предпочтительно образованы нецилиндрическими микролинзами, в частности микролинзами с круглым или полигональным базисом. В других исполнениях микрофокусирующие элементы также могут быть образованы длинными цилиндрическими линзами, размер которых в продольном направлении составляет более 250 мкм, предпочтительно более 300 мкм, преимущественно более 500 мкм, в особенности более 1 мм. В дополнительных предпочтительных исполнениях микрофокусирующие элементы образованы перфорированными диафрагмами, щелевыми диафрагмами, оснащенными зеркалами перфорированными или щелевыми диафрагмами, асферическими линзами, линзами Френеля, индексно-градиентными линзами (Gradient Refraction Index), зонными пластинками, топографическими линзами, вогнутыми зеркалами, зеркалами Френеля, зонными зеркалами или другими элементами с фокусирующим или также диафрагмирующим эффектом.
Общая толщина защитного элемента предпочтительно составляет менее 50 мкм, преимущественно менее 30 мкм. Воспроизводимый муаровый узор предпочтительно содержит трехмерное изображение алфавитно-цифровой строки или логотипа. В частности, в соответствии с изобретением детали микромотива могут находиться в печатном слое.
Во втором аспекте изобретения защитный элемент рассматриваемого типа содержит микрооптическую муаровую увеличительную структуру для воспроизведения трехмерного муарового узора, имеющего воспроизводимые детали по меньшей мере в двух плоскостях муарового узора, отстоящих друг от друга в направлении, перпендикулярном муаровой увеличительной структуре, содержащую:
изобразительный мотив, содержащий два или более расположенных на различной высоте периодических или, по меньшей мере, локально периодических расположений элементарных ячеек, которые в каждом случае сопоставлены с одной плоскостью муарового узора и содержат детали микромотива для воспроизведения детали изображения в соответствующей плоскости муарового узора;
расположенный на некотором расстоянии от изобразительного мотива растр фокусирующих элементов для наблюдения увеличенного изобразительного мотива, который содержит периодическое или, по меньшей мере, локально периодическое расположение некоторого количества ячеек решетки, каждая из которых содержит микрофокусирующий элемент;
причем увеличенный трехмерный муаровый узор при наклоне защитного элемента почти для всех направлений наклона движется в направлении, отличающемся от направления наклона.
В этом аспекте изобретения расположения элементарных ячеек изобразительного мотива предпочтительно имеют одинаковые периоды решетки и одинаковые ориентации решетки, так что различные увеличения муарового узора возникают только вследствие разной высоты деталей микромотива и, таким образом, разного промежутка между деталями микромотива и растром фокусирующих элементов. Для этого детали микромотива в тисненом слое весьма предпочтительно находятся на различных высотах тиснения.
В обоих аспектах изобретения предлагаемый защитный элемент предпочтительно имеет непрозрачный маскирующий слой для маскирования на некоторых участках муаровой увеличительной структуры. Таким образом, в пределах покрытого участка эффект увеличения муарового узора не возникает, так что эффект изменения оптических свойств могут комбинировать с обычной информацией или другими эффектами. Этот маскирующий слой предпочтительно существует в виде узоров, знаков или кода и/или имеет выемки в виде узоров, знаков или кода.
Во всех упомянутых вариантах осуществления изобретения изобразительный мотив и растр фокусирующих элементов предпочтительно расположены на противоположных поверхностях оптического разделительного слоя. Разделительный слой, например, может содержать полимерную пленку и/или лаковый слой.
Кроме того, структуру из микрофокусирующих элементов могут снабдить защитным слоем, показатель преломления которого предпочтительно, по меньшей мере, на 0,3 отличается от показателя преломления микрофокусирующих элементов, если в качестве микрофокусирующих элементов служат светопреломляющие линзы. В этом случае из-за защитного слоя фокусное расстояние линз меняется, что должны учитывать при расчете радиуса кривизны линз и/или толщины разделительного слоя. Наряду с защитой от влияний окружающей среды такой защитный слой препятствует тому, что расположение микрофокусирующих элементов могут без труда скопировать с целью подделки.
Сам защитный элемент в обоих аспектах изобретения предпочтительно представляет собой защитную нить, отрывную нить, защитную ленту, защитную полоску, накладку или этикетку для нанесения на защищенную от подделки бумагу, ценный документ или аналогичный объект. В предпочтительном варианте защитный элемент может покрывать прозрачный участок носителя данных или участок носителя данных с выемкой. При этом на разных сторонах носителя данных могут реализовать различный внешний вид.
Изобретение также содержит способ изготовления защитного элемента, содержащего микрооптическую муаровую увеличительную структуру для воспроизведения трехмерного муарового узора, имеющего воспроизводимые детали, по меньшей мере, в двух плоскостях муарового узора, отстоящих друг от друга в направлении, перпендикулярном муаровой увеличительной структуре, при котором
в одной плоскости изобразительного мотива создают мотив, содержащий два или более периодических или, по меньшей мере, локально периодических расположений элементарных ячеек с различными периодами решетки и/или разными ориентациями решетки, которые в каждом случае сопоставлены с одной плоскостью муарового узора и содержат детали микромотива для воспроизведения детали изображения в соответствующей плоскости муарового узора;
создают и размещают на некотором расстоянии от изобразительного мотива растр фокусирующих элементов для наблюдения увеличенного изобразительного мотива, который содержит периодическое или, по меньшей мере, локально периодическое расположение некоторого количества ячеек решетки, каждая из которых содержит микрофокусирующий элемент;
причем расположение элементарных ячеек в плоскости мотива, детали микромотива и растр фокусирующих элементов согласуют друг с другом так, что увеличенный трехмерный муаровый узор при наклоне защитного элемента почти для всех направлений наклона движется в направлении, отличающемся от направления наклона.
При этом воспроизводимые детали трехмерного муарового узора могут быть образованы отдельными точками изображения, группами точек изображения, линиями или участками поверхности, причем, в частности, при более сложных муаровых узорах в качестве воспроизводимых деталей изображения могут применять отдельные точки изображения.
В соответствии со вторым предлагаемым способом изготовления защитного элемента, содержащего микрооптическую муаровую увеличительную структуру для воспроизведения трехмерного муарового узора, имеющего воспроизводимые детали, по меньшей мере, в двух плоскостях муарового узора, отстоящих друг от друга в направлении, перпендикулярном муаровой увеличительной структуре, предусмотрено, что
создают изобразительный мотив с расположенными на различной высоте двумя или более плоскостями мотива, каждая из которых содержит периодическое или, по меньшей мере, локально периодическое расположение элементарных ячеек, сопоставленных с одной плоскостью муарового узора и снабженных деталями микромотива для воспроизведения детали изображения в соответствующей плоскости муарового узора;
создают и располагают на некотором расстоянии от изобразительного мотива растр фокусирующих элементов для наблюдения увеличенного изобразительного мотива, который содержит периодическое или, по меньшей мере, локально периодическое расположение некоторого количества ячеек решетки, каждая из которых содержит микрофокусирующий элемент;
причем расположение элементарных ячеек в плоскостях мотива, детали микромотива и растр фокусирующих элементов согласуют друг с другом так, что увеличенный трехмерный муаровый узор при наклоне защитного элемента почти для всех направлений наклона движется в направлении, отличающемся от направления наклона.
Говоря более конкретно, в соответствии со способом изготовления защитного элемента, содержащего микрооптическую муаровую увеличительную структуру для воспроизведения трехмерного муарового узора, имеющего воспроизводимые детали, по меньшей мере, в двух плоскостях муарового узора, отстоящих друг от друга в направлении, перпендикулярном муаровой увеличительной структуре, предусмотрено, что желательный, видимый при наблюдении трехмерный муаровый узор определяют как заданный мотив;
периодическое или, по меньшей мере, локально периодическое расположение микрофокусирующих элементов определяют как растр фокусирующих элементов,
определяют желательное увеличение и желательное движение видимого трехмерного муарового узора при наклоне муаровой увеличительной структуры в боковом направлении, а также при ее наклоне вперед и назад;
для каждой воспроизводимой детали изображения по промежутку между соответствующей плоскостью муарового узора и муаровой увеличительной структурой, определенной увеличительной способности и характеристике движения и растру фокусирующих элементов вычисляют соответствующую деталь микромотива для воспроизведения этой детали трехмерного муарового узора, а также соответствующее расположение элементарных ячеек для расположения деталей микромотива в плоскости мотива;
детали микромотива, вычисленные для каждой воспроизводимой детали изображения, в соответствии с относящимся к ним расположением элементарных ячеек составляют в располагаемый в плоскости мотива изобразительный мотив.
В случае многих, в особенности более сложных, муаровых узоров в качестве воспроизводимых деталей изображения предпочтительно исходят из отдельных точек трехмерного муарового узора, и на этапе d) для каждой из этих точек определяют соответствующую точку микромотива и расположение элементарных ячеек для повторного расположения точки микромотива в плоскости мотива. Для отдельной точки муарового узора промежуток между соответствующей плоскостью муарового узора и муаровой увеличительной структурой задан просто высотой точки муарового узора относительно увеличительной структуры. Даже если на одной и той же высоте и, таким образом, в одной и той же плоскости муарового узора лежат несколько и даже много точек муарового узора, для вычисления изобразительного мотива, как правило, определение после этапа d) проще и более удобно осуществить отдельно для каждой из этих точек, а затем изобразительный мотив на этапе е) составить из повторно расположенных точек микромотива, чем сначала объединить точки муарового узора, лежащие в одной плоскости муарового узора, а затем определение после этапа d) осуществить для объединенного множества точек изображения.
Предпочтительно далее на этапе с) для исходной точки трехмерного муарового узора задают направление наклона γ, котором должен наблюдаться параллакс, а также желательную увеличительную способность и характеристику движения для этой точки и заданного направления наклона. Затем на этапе d) коэффициенты увеличения для других точек трехмерного муарового узора соотносят с заданным коэффициентом увеличения для исходной точки и заданным направлением наклона.
Желательную увеличительную способность и характеристику движения для исходной точки задают предпочтительно в виде элементов матрицы  преобразования, а коэффициент увеличения для исходной точки вычисляют по матрице А преобразования и направлению γ наклона, используя соотношение
i
i
i
Предпочтительно на этапе d) для других точек (Xi, Yi, Zi) трехмерного муарового узора вычисляют коэффициенты v увеличения и соответствующие координаты точек в плоскости (x, y) мотива, для этого используют соотношение
или его инверсию
где е обозначает эффективный промежуток между растром фокусирующих элементов и плоскостью мотива.
i
i
Растр фокусирующих элементов на этапе b) задают преимущественно при помощи растровой матрицы W. Затем на этапе d) в каждом случае точки плоскости мотива, относящиеся к увеличению v, предпочтительно объединяют в деталь микромотива, и для этой детали вычисляют растр Uмотива для периодического или, по меньшей мере, локально периодического расположения этой детали, для чего применяют соотношение
i
причем матрицы A преобразования заданы при помощи выражения
а  обозначает обратные матрицы.
В одном из вариантов осуществления способа на этапе b) растр фокусирующих элементов задают в виде двухмерной решетки Браве с растровой матрицей
1i
2i
, причем w, w представляют собой компоненты векторов  элементарных ячеек, где i=1, 2.
В соответствии с другим вариантом осуществления способа изготовления трехмерной муаровой увеличительной структуры на цилиндрических линзах на этапе b) задают растр цилиндрических линз при помощи растровой матрицы
или
где D обозначает промежуток между линзами, а ϕ - ориентацию цилиндрических линз.
i
1
2
Во всех аспектах изобретения параметры решеток Браве могут быть пространственно независимыми. Тем не менее, векторы решеток растра мотива  и  (или  и  при нескольких растрах U мотива) и векторы решеток растра фокусирующих элементов w и w могут модулировать в зависимости от местоположения, причем в соответствии с изобретением локальные параметры периода , ,  или , ,  в сравнении с длиной периодичности меняются медленно. Благодаря этому обеспечивают то, что расположения локально всегда могут рационально описать при помощи решетки Браве.
Защищенная от подделки бумага для изготовления защищенных от подделки или ценных документов, например, банкнот, чеков, удостоверений, свидетельств и аналогичных объектов, предпочтительно снабжена защитным элементом вышеописанного типа. В частности, защищенная от подделки бумага может содержать подложку из бумаги или пластика.
Кроме того, изобретение содержит носитель данных, в частности фирменное изделие, ценный документ, декоративное изделие, например, упаковку, почтовую карточку или аналогичный объект, с защитным элементом вышеописанного типа. При этом защитный элемент, в частности, могут поместить в области окна, то есть на прозрачном участке носителя данных или участке носителя данных с выемкой.
Ниже на основе чертежей поясняются остальные примеры реализации и преимущества изобретения. Для лучшей наглядности масштаб и пропорции на чертежах не соблюдаются. На чертежах изображено следующее.
Фиг.1 - схематичное представление банкноты с внедренной в нее защитной нитью и наклеенным переводным элементом.
Фиг.2 - схематичное изображение в разрезе слоистой структуры предлагаемого защитного элемента.
Фиг.3 - схематичное изображение соотношений при наблюдении муаровой увеличительной структуры для определения возникающих при этом величин.
Фиг.4 - дополнительные определения встречающихся величин в случае муаровой увеличительной структуры для воспроизведения простого трехмерного муарового узора.
Фиг.5 - схематичное изображение соотношений при наблюдении муаровой увеличительной структуры для наглядного объяснения осуществления различных увеличений в случае разных растров мотива в плоскости мотива.
Фиг.6(а) - простой трехмерный мотив в виде буквы "Р", (b) - воспроизведение этого мотива при помощи только двух параллельных плоскостей изображения, (с) - воспроизведение мотива посредством пяти параллельных плоскостей.
Фиг.7(а) - изобразительный мотив, сконструированный в соответствии с изобретением, (b) - схематичная вырезка трехмерного муарового узора, получающегося при наблюдении мотива (а) при помощи соответствующего гексагонального линзового растра.
Фиг.8(а) - изобразительный мотив с ортопараллактическим движением, сконструированный в соответствии с изобретением, (b) - схематичная вырезка трехмерного муарового узора, получающегося при наблюдении мотива (а) при помощи соответствующего прямоугольного линзового растра.
Фиг.9(а) - изобразительный мотив с движением под углом, сконструированный в соответствии с изобретением, (b) - схематичная вырезка трехмерного муарового узора, получающегося при наблюдении мотива (а) при помощи соответствующего прямоугольного линзового растра.
1
2
Фиг.10 - схематичное изображение соотношений при наблюдении муаровой увеличительной структуры для наглядного объяснения осуществления различных увеличений в случае плоскостей мотива на различных глубинах d, d.
Изобретение поясняется на примере защитного элемента для банкноты. На фиг.1 представлено схематичное изображение банкноты 10, которая в соответствии с примерами осуществления изобретения снабжена двумя защитными элементами 12 и 16. Первый защитный элемент представляет собой защитную нить 12, которая в пределах определенных окон 14 выходит на поверхность банкноты 10, а в промежутках между окнами внедрена внутрь банкноты 10. Второй защитный элемент образован наклеенным переводным элементом 16 любой формы. Защитный элемент 16 также могут выполнить в виде защитной пленки, помещенной над областью окна или сквозного отверстия в банкноте. Защитный элемент может быть рассчитан для наблюдения в отраженном свете, в проходящем свете или для наблюдения как в отраженном, так и в проходящем свете. Во внимание принимаются также двусторонние исполнения, в которых линзовый растр расположен с обеих сторон изобразительного мотива.
Как защитная нить 12, так и переводной элемент 16 могут содержать муаровую увеличительную структуру в соответствии с одним из примеров осуществления изобретения. Ниже на основе переводного элемента 16 принцип действия и предлагаемый способ изготовления таких структур объясняются более подробно.
На фиг.2 в разрезе схематично изображена слоистая структура переводного элемента 16, причем здесь показаны только те части структуры, которые необходимы для объяснения принципа действия. Переводной элемент 16 содержит подложку 20 в виде прозрачной полимерной пленки, в данном примере полиэтилентерефталатной пленки (ПЭТ-пленки) толщиной примерно 20 мкм.
Верхняя сторона пленочной подложки 20 снабжена микролинзами 22, расположенными в виде растра. На верхней стороне пленочной подложки микролинзы образуют двухмерную решетку Браве с предварительно выбранной симметрией. Решетка Браве может обладать, например, гексагональной симметрией, однако из-за более высокой защиты от подделки предпочтительны более низкие симметрии и, таким образом, более общие формы, в частности симметрия решетки с ячейками в форме параллелограмма.
Промежуток между смежными микролинзами 22 предпочтительно выбран так, чтобы он был как можно меньшим, с целью обеспечить максимально возможное заполнение площади и, таким образом, контрастное изображение. Сферические или асферические микролинзы 22 предпочтительно имеют диаметр от 5 до 50 мкм, в частности всего лишь от 10 до 35 мкм, поэтому увидеть их невооруженным глазом невозможно. Разумеется, при других исполнениях в расчет принимают также большие или меньшие размеры. Например, в муаровых увеличительных структурах, используемых для украшения, микролинзы имеют диаметр от 50 до 5 мкм, в то время как в муаровых увеличительных структурах, предназначенных для расшифровки только при помощи лупы или микроскопа, также могут применять размер менее 5 мкм.
На нижней стороне пленочной подложки 20 помещен слой 26 с изобразительным мотивом, содержащий две или более также расположенных в виде растра элементарных ячеек с различными периодами решетки и/или разными ориентациями решетки. Каждое из расположений элементарных ячеек образовано из некоторого количества ячеек 24, причем для наглядности на фиг.2 представлено лишь одно из этих расположений. Исполнения, состоящие из нескольких расположений элементарных ячеек, показаны, например, на фиг.5, 7(а), 8(а) и 9(а).
Как более подробно объяснено ниже, изображенная на фиг.2 муаровая увеличительная структура создает для наблюдателя трехмерный муаровый узор, то есть муаровый узор, имеющий детали изображения, по меньшей мере, в двух плоскостях муарового узора, отстоящих друг от друга в направлении, перпендикулярном муаровой увеличительной структуре. Для этого каждое из расположений элементарных ячеек слоя 26 с изобразительным мотивом в каждом случае сопоставлено с одной из плоскостей муарового узора, и ячейки 24 этого расположения содержат детали 28 микромотива для воспроизведения детали именно этой сопоставленной плоскости муарового узора.
Наряду с линзовым растром решетки мотива формируют также двухмерные решетки Браве с предварительно выбранной или полученной в результате расчета симметрией, причем для иллюстрации снова взята решетка с ячейками в форме параллелограмма. Как схематично показано на фиг.2, чтобы создать необходимый эффект увеличения муарового узора, благодаря сдвигу элементарных ячеек 24 относительно микролинз 22 решетка Браве из ячеек 24 по своей симметрии и/или величине своих параметров незначительно отличается от решетки Браве из микролинз 22. Период решетки и диаметр ячеек 24 имеют такой же порядок величины, как период решетки и диаметр ячеек микролинз 22, то есть преимущественно они лежат в диапазоне от 5 до 50 мкм, в частности в диапазоне от 10 до 35 мкм, поэтому детали 28 микромотива невооруженным глазом увидеть также невозможно. Разумеется, при исполнениях с вышеупомянутыми более крупными или более мелкими микролинзами ячейки 24 также делают соответственно большего или меньшего размера.
Оптическая плотность пленочной подложки 20 и фокусное расстояние микролинз 22 согласованы друг с другом так, что слой 26 с мотивом находится примерно на фокусном расстоянии линз. Итак, пленочная подложка 20 образует оптический разделительный слой, обеспечивающий необходимый постоянный промежуток между микролинзами 22 и слоем, содержащим детали 28 микромотива.
Благодаря незначительно отличающимся параметрам решеток при наблюдении сверху через микролинзы 22 наблюдатель в каждом случае видит немного другую подобласть деталей 28 микромотива, поэтому в совокупности множество микролинз 22 дает увеличенное изображение микромотивов. Получающееся при этом увеличение муарового узора зависит от относительного отличия параметров примененных решеток Браве. Например, если периоды двух гексагональных решеток отличаются друг от друга на 1%, то получается увеличение в 100 раз. Подробно принцип действия и предпочтительные структуры растров изобразительного мотивов и микролинзовых растров приведены в немецкой патентной заявке 102005062132.5 и международной заявке РСТ/ЕР2006/012374, в этой мере содержание описания этих заявок включено в данную заявку.
Предлагаемые в данной заявке муаровые увеличительные структуры создают для наблюдателя не только плоские объекты, парящие перед или за плоскостью увеличительной структуры, но и трехмерные муаровые узоры со структурой, простирающейся в глубину пространства. Поэтому ниже эти муаровые увеличительные структуры мы также будем называть как "трехмерные муаровые увеличительные структуры".
В частности, в соответствии с изобретением воспроизводятся трехмерные муаровые узоры, которые при наклоне муаровой увеличительной структуры движутся в направлении, отличающемся от направления наклона. Как подробно объяснено ниже, при таких исполнениях видимое пространственное изображение и пространственное восприятие при наклоне не соответствуют или даже противоречат друг другу, так что для наблюдателя возникают поразительные, отчасти даже головокружительные эффекты, которые привлекают внимание и хорошо запоминаются.
Кроме того, должен быть представлен математический подход, при помощи которого могут быть описаны и смоделированы для изготовления при помощи компьютера все варианты трехмерных муаровых увеличительных структур. Кроме того, должна существовать возможность наблюдать без ограничения поля зрения трехмерные муаровые узоры, созданные трехмерными муаровыми увеличительными структурами.
Поэтому для пояснения предлагаемого подхода сначала со ссылкой на фиг.3 и 4 определяются и кратко описываются необходимые величины. Более подробное изложение содержится в вышеназванной немецкой патентной заявке 102005062132.5132.5 и международной заявке РСТ/ЕР2006/012374, в этой мере содержание описания этих заявок включено в данную заявку.
На фиг.3 и 4 схематично, не в масштабе изображена муаровая увеличительная структура 30 с плоскостью 32 мотива, в которой помещен изобразительный мотив с деталями микромотива, и с линзовой плоскостью 34, в которой расположен микролинзовый растр. Муаровая увеличительная структура 30 создает две или более плоскости 36, 36' муарового узора (на фиг.3 показаны две плоскости), в которых описывается воспринимаемый наблюдателем 38 увеличенный трехмерный муаровый узор 40 (фиг.4).
11
21
12
22
Расположение деталей микромотива в плоскости 32 мотива описывается двумя или более двухмерными решетками Браве, элементарные решетки которых в каждом случае могут быть представлены при помощи векторов  и  (с компонентами u и u или u и u). Для наглядности на фиг.3 выбрана и показана одна из этих элементарных ячеек.
В компактной записи элементарную ячейку растра мотива могут задать также в матричной форме при помощи матрицы U описания растра мотива (ниже мы часто будем также называть ее просто как "растр мотива"):
1
2
При двух или более растрах мотива в плоскости мотива соответствующие матрицы мотива ниже будут отличаться своими индексами U, U,….
11
21
12
22
При помощи двухмерной решетки Браве описывается также расположение микролинз в линзовой плоскости 34, элементарная ячейка которой может быть задана при помощи векторов  и  (с компонентами w, w или w, w).
11
21
12
22
Векторами  и  (с компонентами t, t и t, t) описывается элементарная ячейка в одной из плоскостей 36, 36' муарового узора. В случае трехмерных муаровых узоров для полного описания точки муарового узора кроме двухмерного положения точки в одной из плоскостей изображения необходимо также указать, в какой плоскости узора лежит точка изображения. В рамках данного описания это осуществляется посредством указания Z-компоненты точки муарового узора, то есть воспринимаемой высоты парения точки над или под плоскостью муаровой увеличительной структуры, как показано на фиг.3 и 4.
При помощи  ниже обозначается общая точка плоскости 32 мотива, при помощи  - общая точка муарового узора в одной из плоскостей 36, 36' узора. В пределах каждой (двухмерной) плоскости 36 муарового узора точки изображения могут описать при помощи двухмерных координат .
Чтобы наряду с наблюдением под прямым углом (направление 35 наблюдения) могли описать также направления наблюдения муаровых увеличительных структур не под прямым углом, например с общим направлением 35', дополнительно допускают сдвиг между линзовой плоскостью 34 и плоскостью 32 мотива, который задается вектором  сдвига в плоскости 32 мотива. Аналогично матрице описания растра мотива для компактного описания линзового растра и растра изображения используют матрицы  ("матрица описания линзового растра" или просто "линзовый растр") и .
В линзовой плоскости 34 вместо линз 22 по принципу безобъективной камеры могут, например, использовать перфорированные диафрагмы. В качестве микрофокусирующих элементов в растре, состоящем из микрофокусирующих элементов, также могут применить все другие виды линз и систем формирования изображения, например, асферические линзы, цилиндрические линзы, щелевые диафрагмы, оснащенными зеркалами перфорированные или щелевые диафрагмы, линзы Френеля, индексно-градиентные линзы (Gradient Refraction Index), зонные пластинки (дифракционные линзы), голографические линзы, вогнутые зеркала, зеркала Френеля, зонные зеркала и другие элементы с фокусирующим или также диафрагмирующим эффектом.
В принципе в качестве микрофокусирующих элементов в растре наряду с элементами с фокусирующим эффектом могут применить элементы с диафрагмирующим эффектом (перфорированные или щелевые диафрагмы, а также зеркальные поверхности, расположенные позади перфорированных или щелевых диафрагм).
При использовании матрицы вогнутых зеркал и других применяемых в соответствии с изобретением отражающих растров фокусирующих элементов наблюдатель смотрит через изобразительный мотив, в данном случае полупрозрачный, на расположенную за ним зеркальную решетку и видит отдельные небольшие зеркала как светлые или темные точки, из которых формируется воспроизводимое изображение. При этом изобразительный мотив, в общем, имеет настолько тонкую структуру, что его видят лишь как пелену. Даже если об этом не упоминается отдельно, приведенные формулы зависимостей между воспроизводимым муаровым узором и изобразительным мотивом действительны не только для линзовых, но и для зеркальных растров. Разумеется, при предлагаемом применении вогнутых зеркал вместо фокусного расстояния линзы выступает фокусное расстояние зеркала.
Если в соответствии с изобретением вместо линзовой решетки применяют зеркальную решетку, следует представить себе, что наблюдение на фиг.2 осуществляют снизу, а на фиг.3 в случае структуры, содержащей зеркальную решетку, нужно поменять местами плоскости 32 и 34. Ниже изобретение описывается на основе линзовых растров, охватывающих лишь один из применяемых в соответствии с изобретением вариантов растра фокусирующих элементов.
С каждым из растров U мотива, то есть с каждым из различных расположений элементарных ячеек в плоскости 32 мотива сопоставлена ровно одна из плоскостей 36, 36' муарового узора. Растр Т муарового узора этой сопоставленной плоскости 36 муарового узора получают из векторов решетки в плоскости 32 мотива и линзовой плоскости 34 при помощи выражения
а точки изображения в плоскости 36 муарового узора могут определить при помощи отношения
по точкам изображения в плоскости 32 мотива. Наоборот, векторы решетки в плоскости 32 мотива получают из линзового растра и желательного растра муарового узора в плоскости 36 мотива при помощи выражений
и
Если определяют матрицу  преобразования, посредством которой преобразуют друг в друга координаты точек плоскости 32 мотива и точек плоскости 36 муарового узора,  и
то по каждым двум из четырех матриц , , ,  могут вычислить две другие матрицы. В частности, действуют следующие соотношения:
где  обозначает единичную матрицу.
Как подробно описывается в немецкой патентной заявке 10 2005 062132.5, а также международной заявке РСТ/ЕР2006/012374, на которые мы ссылаемся, матрицей  преобразования описывается как увеличение муарового узора, так и результирующее движение увеличенного муарового узора при перемещении формирующей муар структуры 30, которое возникает в результате сдвига плоскости 32 мотива относительно линзовой плоскости 34.
Ниже, если из контекста ясно, что речь идет о матрицах, растровые матрицы Т, U, W, единичная матрица I и матрица А преобразования часто обозначаются без двунаправленной стрелки.
Как упомянуто выше, трехмерную протяженность воспроизводимого муарового узора 40 в дополнение к этим двухмерным соотношениям учитывают посредством указания дополнительной координаты, задающей расстояние, на котором точка муарового узора кажется парящей над или под плоскостью муаровой увеличительной структуры. Если v обозначает увеличение муарового узора, а е - эффективный промежуток между линзовой плоскостью 34 и плоскостью 32 мотива, в котором наряду с физическим промежутком d также учтены (обычно эвристически) характеристики линз и показатель преломления среды, расположенной между линзовым растром и растром мотива, то Z-компонента точки муарового узора задается выражением
Трехмерный муаровый узор 40, то есть изображение с различными значениями Z, согласно уравнению (1) могут создать двумя различными способами. С одной стороны, увеличение v муарового узора могут оставить постоянным, и реализовать в муаровой увеличительной структуре различные значения е, с другой стороны, при едином эффективном промежутке е благодаря разным растрам мотива могут создать различные увеличения муарового узора. Первый подход более подробно описывается ниже в связи с фиг.10, второй подход лежит в основе нижеследующего описания фиг.3-9.
1
1
2
2
На фиг.4 показан простой трехмерный муаровый узор 40 и его разложение на компоненты 42, 44 лишь в двух отстоящих друг от друга плоскостях 36, 36' муарового узора - этого достаточно, чтобы объяснить существенные конструктивные особенности изобретения. В частности, для деталей изображения в плоскости 36 изображения (верхняя сторона 42 буквы "Р") при помощи соответствующим образом выбранного растра U мотива осуществлено увеличение v муарового узора, а для деталей изображения в плоскости 36' (нижняя сторона 44 буквы "Р") посредством соответствующим образом выбранного растра U мотива реализовано увеличение vмуарового узора, так что при постоянном эффективном промежутке е получаются две плоскости 36, 36' с разными значениями Z
1
1
2
2
Z=v*е, Z=v*е.
Для объяснения основного эффекта сначала рассматривается особый случай матриц А преобразования, которые описывают чистое увеличение, то есть не вращение или искажение,
где i=1, 2.
1
2
Итак, при заданном линзовом растре W для растров U и U мотива при помощи соотношения (М2) получают:
и
1
1
2
2
Осуществление различных увеличений наглядно изображено на фиг.5, на которой в плоскости 32 мотива в качестве первых элементов микромотива показаны пунктирные стрелки 50, расположенные в первом растре U с периодом p решетки, а в качестве вторых элементов микромотива - сплошные стрелки 52, которые расположены с таким же эффективным промежутком d относительно линзовой плоскости 34 во втором растре Uмотива с немного большим периодом р решетки.
1
2
1
2
Возникающие увеличенные муаровые узоры 54 или 56 вследствие различных периодов решетки и получающихся из-за этого разных коэффициентов v и v увеличения для наблюдателя 38 в соответствии с равенством (1) кажутся парящими на различных высотах Z, Z над плоскостью муаровой увеличительной структуры. Естественно, различные коэффициенты увеличения должны учитывать и при расчете элементов 50, 52 микромотива. Если увеличенные изображения 54 и 56 стрелки должны казаться, например, имеющими одинаковую длину, то пунктирные стрелки 50 в плоскости 32 мотива по отношению к сплошным стрелкам 52 должны быть соответствующим образом уменьшены, чтобы компенсировать более высокий коэффициент увеличения при формировании муарового узора.
Изображение на фиг.5, при котором муаровые узоры парят над увеличительной структурой, действительно для отрицательных коэффициентов увеличения, при положительных коэффициентах муаровые узоры для наблюдателя соответственно кажутся парящими под плоскостью муаровой увеличительной структуры.
i
i
В общем, матрицы A преобразования в случае трехмерной муаровой увеличительной структуры содержат в каждом случае совпадающий компонент А', описывающий вращения и искажения, а для плоскостей изображения - в каждом случае разные коэффициенты v увеличения:
Основные уравнения для трехмерной муаровой увеличительной структуры связывают точки  в плоскостях 36, 36' муарового узора с координатами r точек в плоскости 32 мотива
Описанный вначале особый случай чистого увеличения без вращения или искажения получается как частный случай уравнения (2а)
Исходя из воспроизводимого трехмерного мотива муарового узора, заданного множеством (X, Y, Z) точек, и желательной характеристики движения узора, которую способом, более подробно описанным ниже, задают посредством матрицы А', при помощи соотношения (2b) могут вычислить соответствующие точки (х, у) изображения в плоскости мотива и соответствующий коэффициент v увеличения. Как указано ниже, соответствующий растр U мотива определяют по соотношению (7).
i
i
При этом точки воспроизводимого трехмерного муарового узора, которые должны лежать на одном уровне Z над или под увеличительной структурой, могут объединить, так как вследствие Z=v*e к этим точкам также относятся одинаковые коэффициенты увеличения v и, следовательно, одинаковые матрицы мотива. Другими словами, параллельные сечения Z в мотиве узора с соответствующими точками мотива могут расположить в соответствующих единообразно составляемых растрах U мотива.
Вклад в воздействие на наблюдателя трехмерного изображения, в частности, вносят два эффекта, которые называют "стереоскопическим зрением" и "характеристикой движения".
В соответствии с эффектом стереоскопического зрения увеличенный муаровый узор при наблюдении двумя глазами видят с ощущением глубины, поскольку муаровая увеличительная структура устроена так, что наклон этой структуры в боковом направлении приводит к боковому сдвигу точек изображения. Из-за угла бокового наклона примерно 15° между глазами при нормальном расстоянии наблюдения около 25 см наблюдаемые глазами сдвинутые в боковом направлении точки изображения интерпретируются мозгом так, как будто эти точки в зависимости от направления бокового сдвига лежат перед или позади фактической плоскости подложки, причем в зависимости от величины сдвига в большей или меньшей степени выше или, соответственно, глубже.
Под эффектом "характеристика движения" понимают то, что при наклоне муаровой увеличительной структуры, которая устроена так, что боковой наклон структуры приводит к сдвигу точек изображения, могут увидеть ранее закрытые задние части мотива и, таким образом, воспринять мотив в трех измерениях.
Непротиворечивое впечатление от трехмерного изображения получается тогда, когда оба эффекта действуют аналогично, как при обычном объемном зрении.
В случае специальных трехмерных муаровых увеличительных структур, которые исполняют в соответствии с особым случаем уравнения (2с), оба эффекта, как показано ниже, фактически действуют аналогично. Поэтому благодаря таким трехмерным муаровым увеличительным структурам наблюдатель получает впечатление обычного непротиворечивого трехмерного изображения.
Однако в случае общих трехмерных муаровых увеличительных структур, сконструированных не в соответствии с особым случаем (2с), а соответственно общим уравнениям (2а) или (2b), оба эффекта -"стереоскопическое зрение" и "характеристика движения" - могут привести к различным и даже противоречивым зрительным впечатлениям, благодаря чему для наблюдателя могут создать поразительные, почти головокружительные эффекты, которые привлекают внимание и хорошо запоминаются.
Чтобы достичь таких визуальных воздействий, важно знать характеристику движения муарового узора при наклоне муаровой увеличительной структуры и направленно воздействовать на нее.
Столбцы матрицы А преобразования можно интерпретировать как векторы:
Вектор  показывает, в каком направлении движется возникающий муаровый узор, если структуру, состоящую из растра мотива и линзового растра, наклоняют вбок. Вектор  показывает, в каком направлении движется возникающий муаровый узор, если структуру, состоящую из растра мотива и линзового растра, наклоняют вперед или назад. При этом направление движение определяют следующим образом.
1
Угол β, под которым муаровый узор движется относительно горизонтали, если структуру наклоняют в боковом направлении, задан выражением
2
Угол β, под которым муаровый узор движется относительно горизонтали, если структуру наклоняют вперед или назад, задан выражением
Возвращаясь к фиг.4, можно сказать, что вектор движения ,
с которым трехмерный муаровый узор 40 перемещается относительно исходного направления, например, относительно горизонтали W, если структура движется не в одном из предпочтительных направлений - вбок (0°) или вперед/назад (90°), а в общем, заданном углом γ относительно исходного направления W направлении , задан выражением
3
Итак, угол β, под которым муаровый узор 40 движется относительно исходного направления W, если муаровую увеличительную структуру наклоняют в общем направлении γ, задан выражением
3
Поэтому промежуток между парой точек, расположенных на плоскости 32 мотива в направлении γ, на плоскости 36 муарового узора простирается в направлении β, умноженном на коэффициент
Поэтому в соответствии с уравнением (1) в случае трехмерной муаровой увеличительной структуры, которая сконструирована с использованием матрицы А преобразования и имеет эффективный промежуток е между плоскостью 32 мотива и линзовой плоскостью 34, вследствие параллакса при наклоне структуры в направлении γ воспроизведенный муаровый узор 40 кажется парящим на высоте или глубине
над или, соответственно, под плоскостью подложки ("эффект движения"),
С другой стороны, при наблюдении двумя глазами с глазным базисом, лежащим не в направлении γ, в отношении увеличения муарового узора действует только компонента в направлении глазного базиса. Например, если оба глаза расположены рядом друг с другом в направлении х, то возникает впечатление глубины
movement
binocular
binocular
movement
Поэтому впечатление глубины вследствие эффекта движения Z и впечатление глубины благодаря стереоскопическому зрению Zотличаются почти для всех направлений глазного базиса. Поэтому муаровый узор 40 при наклоне в направлении γ кажется для глаз лежащим на другой глубине, а именно на глубине Z, отличающейся от глубины Z, внушаемой из-за параллакса при наклоне.
В вышеназванном специальном случае
11
22
21
12
binocular
movement
то есть а=a=v и a=a=0 значения Z и Z совпадают, поэтому стереоскопическое зрение и параллакс при наклоне ведут к одинаковому впечатлению глубины и, таким образом, к непротиворечивому восприятию трехмерного изображения.
1
2
1
2
i
Вышеприведенные высказывания, прежде всего, касаются соотношений для точки мотива, множества точек мотива или части мотива с единственной компонентой Z глубины. Чтобы реализовать точки или части мотива на различных глубинах Z, Z…, точки или части мотива в плоскости мотива, предназначенные для разных глубин, в соответствии с изобретением располагают в измененных линиатурах растра с измененной матрицей A, A… преобразования. Тогда коэффициент v увеличения различных частей мотива в каждом случае могут соотнести с коэффициентом увеличения v в направлении наклона согласно уравнению (3c) и первоначальной матрицей преобразования:
,
1
1
2
2
Причем Z=v·e, Z=v·e.
i
i
Если соблюдать терминологию, которая была применена выше, A=vA', с совпадающей частью А', то А'=А/v. Точки в плоскостях 36, 36' муарового узора и плоскости 32 мотива в соответствии с уравнениям (4а), (4b) связаны выражениями
, и т.д.
Или
, и т.д.
1
2
1
2
Соответствующие растры U, U,… мотива получают из линзового растра W и матриц A, А… преобразования при помощи уравнения (М2)
, и т.д.
Поэтому, чтобы из изобразительного мотива создать заданный трехмерный муаровый узор, согласно изобретению могут действовать следующим образом.
Кроме линзового растра W для исходной точки X,Y,Z желательного трехмерного муарового узора задают матрицу А преобразования и направление γ наклона, при котором должен наблюдаться параллакс.
i
i
i
i
i
i
i
i
i
Для этих заданных параметров при помощи уравнения (3с) вычисляют коэффициент увеличения v. Затем для остальных точек муарового узора, например, для общей точки X, Y, Z, по формуле (6b) определяют коэффициент v увеличения для Z-компоненты Z и координаты точки на плоскости изображения x, y, а в соответствии с формулой (7) по заданному линзовому растру W, матрице А преобразования и коэффициенту vувеличения - соответствующее расположение U решетки.
i
i
i
i
i
Так как при этом в зависимости от положения X, Y, Z возникают различные увеличения v, может случиться так, что части мотива не вместятся в одну ячейку растра U мотива. В этом случае действуют в соответствии с техническим решением, содержащимся в патентной заявке "Защитный элемент", DE 102007029203.3, поданной одновременно с данной заявкой, которое касается распределения имеющегося элемента изобразительного мотива по нескольким элементарным ячейкам решетки.
В частности, при этом для изготовления микрооптической муаровой увеличительной структуры для воспроизведения муарового узора с одним или несколькими элементами муарового узора в плоскости мотива создают изобразительный мотив с периодическим или, по меньшей мере, локально периодическим расположением некоторого количества ячеек решетки с деталями микромотива и создают и располагают на некотором расстоянии от изобразительного мотива растр фокусирующих элементов для наблюдения увеличенного изобразительного мотива, который содержит периодическое или, по меньшей мере, локально периодическое расположение некоторого количества ячеек решетки, каждая из которых содержит микрофокусирующий элемент. Детали микромотива выполняют так, что детали микромотива нескольких расположенных через промежуток ячеек решетки изобразительного мотива в совокупности в каждом случае образуют элемент микромотива, соответствующий одному из элементов увеличенного муарового узора и имеющий большую протяженность, чем ячейка решетки изобразительного мотива. Дальнейшие детали этого подхода содержатся в вышеназванной немецкой патентной заявке, в этой мере содержание описания этой заявки включено в данную заявку.
В международной заявке РСТ/ЕР2006/012374, содержание описания которой соответственно также включено в данную заявку, описаны муаровые увеличительные структуры с растром цилиндрических линз и/или с мотивами, как угодно растянутыми в одном направлении. Такие структуры также могут выполнить в виде трехмерных муаровых увеличительных структур.
ij
где D - промежуток между цилиндрическими линзами, ϕ - угол наклона линз, a U - элементы матрицы мотива.
ij
Согласно описанию РСТ/ЕР 2006/012374 в случае трехмерной муаровой увеличительной структуры на цилиндрических линзах для подматрицы (a) в формуле (6а) действует соотношение:
в случае трехмерной муаровой увеличительной структуры с протяженными мотивами подматрица (aij) в формуле (6а) получает следующий вид:
где
11
21
причем (u, u) - вектор трансляции для протяженного мотива.
Примеры
Для иллюстрации предлагаемого подхода описываются некоторые конкретные примерные исполнения. С этой целью на фиг.6(а) показан простой трехмерный мотив 60 в виде вырезанной из пластины буквы "Р". На фиг.6(b) этот мотив воспроизведен при помощи лишь двух параллельных плоскостей изображения, которые содержат верхнюю сторону 62 и нижнюю сторону 64 трехмерного мотива буквы, на фиг.6(с) мотив воспроизведен при помощи пяти параллельных секущих плоскостей и пяти сечений 66 мотива буквы.
Так как все существенные этапы, соответствующие предлагаемому способу, вполне наглядно могут быть объяснены на основе трехмерного мотива, воспроизведенного лишь в двух плоскостях изображения, следующие примеры составлены для мотивов, которые соответствуют фиг.6(b). Несмотря на это специалист без труда осуществит данный способ также и при большем количестве плоскостей изображения, например, как показано на фиг.6(с), или квазинепрерывно в соответствии с фиг.6(а). В частности, в случае более сложных муаровых узоров в качестве воспроизводимых деталей изображения обычно предпочтительно исходят не из участков поверхности, а из отдельных точек трехмерного муарового узора, как в общем было пояснено при описании уравнений (6а), (6b) и (7), и для каждой из этих точек определяют соответствующую точку микромотива и расположение элементарных ячеек для повторного расположения точки микромотива в плоскости мотива. На практике количество применяемых плоскостей изображения или используемых воспроизводимых точек изображения, в частности, зависит также от сложности желательного трехмерного мотива.
Пример 1
На фиг.7 изображен пример осуществления изобретения, для которого задан гексагональный линзовый растр W. В качестве воспроизводимого трехмерного мотива выбрано O-образное кольцо, которое, как на фиг.6(b), описывается в двух плоскостях изображения при помощи верхней стороны и нижней стороны буквы.
i
В качестве матриц A преобразования заданы матрицы
1
2
описывающие лишь чистое увеличение, причем коэффициент увеличения для верхних поверхностей должен составлять v=16, а коэффициент увеличения для нижних поверхностей - v=19.
Таким образом, при желательном размере мотива 50 мм, эффективном фокусном расстоянии е=4 мм и промежутке между линзами 5 мм в гексагональном линзовом растре, применяя поясненные выше соотношения (5b) и (7), для размера мотива в растре мотива для верхних поверхностей получают значение 50 мм/16=3,1 мм, а для нижних поверхностей - 50 мм/19=2,63 мм.
Растровые расстояния в растре мотива для верхних поверхностей составляют (1-1/16)*5 мм = 4,69 мм, для нижних поверхностей - (1-1/19)*5 мм = 4,74 мм. Воспринимаемая толщина трехмерного муарового узора составляет (19-16)*4 мм = 12 мм.
На фиг.7(а) изображен образованный таким образом изобразительный мотив 70, в котором отчетливо распознаются различные растровые расстояния двух элементов микромотива - "верхняя сторона кольца" и "нижняя сторона кольца". Если изобразительный мотив 70 фиг.7(а) наблюдают с названным гексагональным линзовым растром, то получается парящий под муаровой увеличительной структурой трехмерный муаровый узор 72, вырезка которого схематично показана на фиг.7(b).
В узоре 72 могут распознать несколько рядом расположенных колец 74, 76. Если структуру наблюдают как раз спереди, то среднее кольцо 74 видят спереди, а окружающие его кольца 76 - под углом с соответствующей стороны. Если структуру наклоняют, то среднее кольцо 74 могут видеть сбоку под углом, а расположенные рядом кольца 76 меняют свою перспективу соответствующим образом.
Пример 2
На фиг.8 изображен пример осуществления изобретения с ортопараллактическим движением, для которого выбран прямоугольный линзовый растр W. В качестве воспроизводимого мотива служит вырезанная из пластины буква "Р", как на фиг.6.
i
В качестве матриц А преобразования заданы матрицы
i
которые кроме увеличения с коэффициентом v описывают ортопараллактическое движение при наклоне муаровой увеличительной структуры.
В этом случае уравнение (6а) принимает вид
уравнение (7) принимает вид
, где .
1
2
В этом примере коэффициент увеличения для верхних поверхностей должен составлять v=8, а коэффициент увеличения для нижних поверхностей - v=10. Желательный размер мотива (высота буквы) пусть составляет 35 мм, эффективное фокусное расстояние линз пусть снова будет равно е=4 мм, а промежуток между линзами в прямоугольном линзовом растре - 5 мм.
Таким образом, если использовать уравнения (6b) и (7), для размера мотива в растре мотива для верхних поверхностей получают значение 35 мм/8=4,375 мм, а для нижних поверхностей - значение 35 мм/10=3,5 мм.
1
Для верхних поверхностей получают следующий растр U мотива
,
2
а растр U мотива для нижних поверхностей имеет вид
.
-1
Элементы мотива, помещаемые в эти растры, как обычно, относительно желательного заданного мотива повернуты и отражены благодаря преобразованию А. Воспринимаемая толщина трехмерного муарового узора составляет (10-8)*4 мм = 8 мм.
1
2
На фиг.8(а) изображен образованный таким образом изобразительный мотив 80, в котором отчетливо распознаются оба различных растра U, Uмотива двух элементов микромотива - "верхняя сторона буквы" и "нижняя сторона буквы". Если изобразительный мотив 80 фиг.8(а) наблюдают с названным прямоугольным линзовым растром, то получается парящий над муаровой увеличительной структурой трехмерный муаровый узор 82, вырезка которого схематично показана на фиг.8(b).
Если муаровую увеличительную структуру наклоняют по горизонтали (направление наклона 84), то на мотив смотрят сверху или снизу, если же эту структуру наклоняют по вертикали (направление наклона 86), то на мотив смотрят сбоку, поэтому возникает впечатление, что мотив растянут в пространстве и лежит в глубине.
Однако стереоскопическим зрением это впечатление глубины не подтверждается, так как х-компонента для бокового движения отсутствует, и мотив остается в плоскости подложки, то противоречивое восприятие чрезвычайно поразительно, поэтому оно привлекает внимание наблюдателя и хорошо запоминается.
Пример 3
Как и в примере согласно фиг.8, в данном примере осуществления изобретения в соответствии с фиг.9 в качестве воспроизводимого трехмерного мотива выбрана вырезанная из пластины буква "Р". В данном примере этот мотив при наклоне муаровой увеличительной структуры должен двигаться под углом.
i
В качестве матриц A преобразования заданы матрицы
i
которые кроме увеличения с коэффициентом v описывают движение под углом при наклоне муаровой увеличительной структуры.
В этом случае уравнение (6а) принимает вид
а уравнение (7) - вид
, где
1
2
И в этом примере коэффициент увеличения для верхних поверхностей должен составлять v=8, а коэффициент увеличения для нижних поверхностей - v=10, желательный размер мотива (высота буквы) должен составлять 35 мм, эффективное фокусное расстояние линз е=4 мм, а промежуток между линзами в опять-таки прямоугольном линзовом растре - 5 мм.
Таким образом, если использовать уравнения (6b) и (7), для размера мотива в растре мотива для верхних поверхностей получают значение 35 мм/8=4,375 мм, а для нижних поверхностей - значение 35 мм/10=3,5 мм.
1
Для верхних поверхностей получают следующий растр U мотива
2
для нижних поверхностей получают следующий растр U мотива
Элементы мотива, помещаемые в эти растры, как обычно, относительно желательного заданного мотива искажены благодаря преобразованию:
Воспринимаемая толщина трехмерного муарового узора составляет (10-8)*4 мм = 8 мм.
На фиг.9(а) изображен образованный таким образом изобразительный мотив 90, в котором отчетливо распознаются оба различных растра U1, U2 мотива двух элементов микромотива - "верхняя сторона буквы" и "нижняя сторона буквы" и искажение элементов мотива.
Если изобразительный мотив 90 фиг.9(а) наблюдают с названным прямоугольным линзовым растром, то получается парящий под муаровой увеличительной структурой трехмерный муаровый узор 92, вырезка которого схематично показана на фиг.9(b).
Если муаровую увеличительную структуру наклоняют по горизонтали, то на мотив смотрят под углом 45°. Если эту структуру наклоняют по вертикали, то на мотив смотрят сверху или снизу, поэтому возникает впечатление, что мотив растянут в пространстве и лежит в глубине. Однако стереоскопическим зрением это впечатление глубины подтверждается не полностью. Мотив в соответствии с этим впечатлением глубины лежит не так глубоко, как это симулирует кипп-эффект, потому что для впечатления глубины при стереоскопическом зрении действует лишь х-компонента движения под углом.
Пример 4
Пример 4 является модификацией примера 3, размеры в этом примере рассчитаны так, что он в особенности подходит для защитных нитей банкнот.
1
2
Примененный муаровый узор (буква "Р") и матрицы Ai преобразования соответствуют примеру 3. Однако в этом примере коэффициент увеличения для верхних поверхностей должен составлять v=80, а для нижних поверхностей - v=100, желательный размер мотива (высота буквы) должен составлять 3 мм. В качестве эффективного фокусного расстояния линз выбирают значение е=0,04 мм, в качестве промежутка между линзами в прямоугольном линзовом растре - значение 0,04 мм.
Таким образом, если снова использовать уравнения (6b) и (7), для размера мотива в растре мотива для верхних поверхностей получают значение 3 мм/80=0,0375 мм, а для нижних поверхностей - значение 3 мм/100=0,03 мм.
1
Для верхних поверхностей получают следующий растр U мотива
,
2
для нижних поверхностей получают следующий растр U мотива
Элементы мотива, помещаемые в эти растры, относительно желательного заданного мотива благодаря преобразованию  также искажены.
Воспринимаемая толщина трехмерного муарового узора составляет (100-80)*0,04 мм = 0,8 мм.
Если пользователь наклоняет банкноту с соответствующим образом оснащенной защитной нитью в горизонтальном направлении, то он смотрит на мотив под углом 45°. Если пользователь наклоняет эту структуру по вертикали, то он смотрит на мотив сверху или снизу, поэтому возникает впечатление, что мотив растянут в пространстве и лежит в глубине. Однако стереоскопическим зрением это впечатление глубины подтверждается не полностью. Мотив в соответствии с этим впечатлением глубины лежит не так глубоко, как это симулирует кипп-эффект, потому что для впечатления глубины при стереоскопическом зрении действует лишь х-компонента движения под углом.
Это противоречивое восприятие глубины чрезвычайно поразительно, поэтому оно привлекает внимание наблюдателя и хорошо запоминается.
Как было упомянуто при описании фиг, 4, различные значения Z в случае трехмерного муарового узора могут достичь также благодаря тому, что при неизменном увеличении v узора реализуют разные значения эффективного промежутка е между линзовой плоскостью и плоскостью мотива.
1
2
Осуществление различных усилений наглядно показано на фиг.10, на которой изображены две плоскости 32, 32' мотива, предусмотренные на разных глубинах d, d муаровой увеличительной структуры. В качестве первых элементов микромотива на плоскости 32 показаны пунктирные стрелки 50, в качестве вторых элементов микромотива - сплошные стрелки 52 в расположенной глубже плоскости 32' мотива. Как первые, так и вторые элементы 50, 52 микромотива расположены в одном и том же растре U мотива с периодом u решетки.
Поэтому из-за совпадающих периодов решетки возникающие увеличенные муаровые узоры 54 или 56 показываются наблюдателю 38 с одинаковым коэффициентом v увеличения, так что стрелки 50, 52 для одинаково увеличенных по длине изображений стрелки 54 и 56 выполнены с одинаковой длиной.
1
2
1
2
1
2
Различная высота Z или Z парения над плоскостью муаровой увеличительной структуры при таком исполнении получается благодаря разному промежутку d, d и, таким образом, также разному эффективному промежутку e, e между линзовой плоскостью 34 и плоскостью 32 или 32' мотива:
1
1
2
2
Z=v*e, Z=v*е.
1
2
1
2
Такое исполнение с элементами 50, 52 мотива на различных глубинах могут осуществить, например, благодаря тиснению соответствующих структур в лаковом слое. Действующие для высоты Z парения эффективные промежутки е, e в каждом случае могут определить по физическим промежуткам d, d, показателю преломления оптического разделительного слоя и материала линз и фокусному расстоянию линз.
Аналогично фиг.5, изображение на фиг.10, при котором муаровые узоры парят над увеличительной структурой, действительно для отрицательных коэффициентов увеличения, при положительных коэффициентах муаровые узоры для наблюдателя кажутся парящими под плоскостью муаровой увеличительной структуры.