МИКРООПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ДЛЯ ВИЗУАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ

Заявляемое в качестве полезной модели микрооптическое устройство формирования визуальных изображений относится, преимущественно, к приспособлениям, используемым для удостоверения подлинности изделий, и может быть эффективно использовано 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 контроля. Такие элементы должны допускать надежный визуальный контроль, слабо зависящий от условий освещения. 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). Такое устройство позволяет получить эффект движения (motion) 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 мк, 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.
Наиболее близкой (прототип) по совокупности признаков является патент ЕА 017394 В1.
Микрооптическая система согласно патенту ЕА 017394 В1 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 ЕА 017394 В1, 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.
С целью увеличения динамического эффекта смещения изображений в предпочтительном варианте патента ЕА 017394 В1 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, отличающихся знаком фазовой функции, при этом каждый тип линз формирует свой фрагмент изображения так, что для наблюдателя смещение фрагментов изображения происходит в противоположные стороны, что увеличивает эффект относительного движения фрагментов изображения. Изображение состоит из ярких точек, каждая точка формируется одной линзой Френеля. Особенностью патента ЕА 017394 В1 является то, что все линзы Френеля имеют одинаковую фазовую функцию и могут отличаться только знаком. В настоящей заявке на полезную модель линзы Френеля имеют разные фазовые функции.
Задачей настоящей заявки на полезную модель является расширение возможностей визуального контроля защитной нити по сравнению с прототипом и создание микрооптического устройства для визуального контроля с более высоким уровнем защищенности от подделок, а также сужение круга технологий, которые позволяют синтезировать данный визуальный эффект. По сравнению с прототипом в настоящей заявке на полезную модель используется отличные от патента ЕА 017394 В1 плоские линзы Френеля, при этом достигается технический результат, заключающийся в том, что визуальный кинетический эффект движения изображений при наклонах оптического элемента отличается от патента ЕА 017394 В1. В патенте ЕА 017394 В1 при наклонах микрооптической системы фрагменты изображения могут только сдвигаться друг относительно друга. Фрагментами изображения в патенте ЕА 017394 В1 могут быть один или несколько символов, которые состоят из букв, цифр и т.п. В настоящей заявке на полезную модель при наклонах микрооптического устройства изменяется размер символов. Кинетический эффект движения изображений наблюдается при наклонах подложки относительно наблюдателя менее 40°. Кинетический эффект движения изображений легко контролируется визуально. При наклонах более 40° наблюдатель видит другое цветное 2D-изображение, формируемое дифракционными решетками.
Другой задачей настоящей заявки является также обеспечение возможности использования стандартного высокопроизводительного технологического процесса изготовления, тиражирования и нанесения защитных элементов.
i
i
i
i
i
Поставленная задача с достижением указанного технического результата решается в заявленном микрооптическом устройстве по п. 1 формирования визуальных контурных изображений, состоящем из размещенного на плоской подложке плоского дифракционного оптического элемента, отличающемся тем, что указанный оптический элемент состоит из N круглых пересекающихся внеосевых линз Френеля, центры которых O, i = 1, 2, … N располагаются на линии контура изображения с равными интервалами; фазовая функция каждой линзы Френеля ϕ, i = 1, 2, … N зависит от декартовых координат х, у и направления нормали к контуру в точке O и вычисляется по формуле  где х и у декартовы координаты точки на плоскости, α - угол между нормалью к контуру в точке O и осью Ох, С - заданная константа, параметр i = 1, 2, … N; в области пересечения двух линз Френеля микрорельеф состоит из фрагментов как первой, так и второй линзы; микрооптическое устройство при освещении точечным источником света формирует контурное изображение состоящее из ярких точек, которые смещаются в направлении нормали к контуру при наклоне оптического элемента вокруг оси Ох.
Микрооптическое устройство по п. 2 может формировать несколько визуальных контурных изображений символов, состоящих из букв, цифр или их фрагментов, отличающееся тем, что фазовые функции линз Френеля, формирующих соседние символы, отличаются знаком константы С в формуле  для вычисления фазовых функций.
km
km
km
Микрооптическое устройство по п. 3, отличающееся от микрооптического устройства по пп. 1 и 2 тем, что микрорельеф оптического элемента включает элементарные области Q k = 1, 2, … K, m = 1, 2, … М, размером менее 50 мк, равномерно распределенные по области оптического элемента; элементарные области Q k = 1, 2, … K, m = 1, 2, … М заполнены дифракционными решетками разной ориентации с периодами менее 0.7 мк; общая площадь элементарных областей Q k = 1, 2, … K, m = 1, 2, … М не превышает (15-50)% от площади оптического элемента; при углах наклона оптического элемента более чем на 40° наблюдатель видит другое цветное 2D-изображение.
Микрооптическое устройство может включать внеосевые линзы Френеля сформированные как многоградационные элементы.
Микрооптическое устройство формирования визуальных изображений может быть выполнено, при необходимости, с возможностью частичного отражения и частичного пропускания света.
В частном случае микрооптическое устройство формирования визуальных изображений выполнено с возможностью отражения света.
Также в частном случае, микрооптическое устройство формирования визуальных изображений выполнено с возможностью пропускания света.
При необходимости микрооптическое устройство формирования визуальных изображений выполняется в виде защитной метки, используемой для защиты банкнот, ценных бумаг, документов, пластиковых карт.
Совокупность перечисленных существенных признаков обеспечивает достижение заявленного технического результата.
Сущность полезной модели поясняется изображениями, где
на фиг.1 приведена схема наблюдения микрооптического устройства;
i
на фиг.2 приведена схема расположения центров O внеосевых линз Френеля на контуре символа;
i
на фиг.3 приведено расположение нормалей к контуру в точках O;
на фиг.4 приведена схема расположения круглых линз Френеля;
на фиг.5 приведен график седлообразной фазовой функции;
на фиг.6 приведены линии уровня внеосевой линзы Френеля с седлообразной фазовой функцией;
на фиг.7 представлена схема формирования микрорельефа в области пересечения двух линз Френеля;
на фиг.8 приведено изображение точечного источника света, видимого наблюдателем, отраженного от внеосевой плоской линзы Френеля;
на фиг.9 представлены визуальные изображения, видимые наблюдателю при наклоне оптического элемента вверх;
на фиг.10 представлены визуальные изображения, видимые наблюдателю при наклоне оптического элемента вниз;
на фиг.11 представлены визуальные изображения, видимые наблюдателю при наклоне оптического элемента влево;
на фиг.12 представлены визуальные изображения, видимые наблюдателю при наклоне оптического элемента вправо;
на фиг.13 приведена схема формирования микрорельефа микрооптического устройства по п. 3 формулы полезной модели;
на фиг.14 приведен пример 2D-изображения, формируемого микрооптическим устройством при наклонах подложки относительно наблюдателя на угол больше, чем 40°.
Микрооптическое устройство, заявленное в настоящем техническом решении, представляет собой расположенный на плоской подложке плоский оптический элемент по пп. 1 и 2, состоящий из внеосевых линз Френеля с седлообразной фазовой функцией; по п. 3 формулы полезной модели микрооптическое устройство состоит из внеосевых линз Френеля с седлообразной фазовой функцией и дифракционных решеток.
На фиг.1 приведена схема наблюдения микрооптического устройства 1 при освещении его точечным источником 2, видимое наблюдателем 3 под углом 0.
Для формирования кинетических эффектов движения изображения удобно использовать символы, состоящие из контурных линии, такие, например, как буквы, цифры, простые геометрические формы и т.п.
i
i
На фиг.2 приведена схема расположения центров O внеосевых линз Френеля на контуре символа «ноль». Точки O располагаются равномерно по длине контура.
i
Видимое наблюдателю изображение состоит из N ярких точек. Каждая линза Френеля формирует одну яркую точку. Важное значение для формирования микрорельефа плоского фазового оптического элемента имеет положение нормали к контуру в точках O. Именно направление нормали определяет направление смещения точки при наклоне оптического элемента от себя - на себя.
i
j
i
j
i
j
i
j
На фиг.3 приведено расположение нормалей n, n, к контуру в точках O, O соответственно. Нормали n, n образуют с осью Ох углы α, и a соответственно.
i
На фиг.4 приведена схема расположения круглых линз Френеля. Центры линз располагаются на контуре символа в точках O, выбранных ранее. Как видно из рисунка, линзы Френеля пересекаются. В предпочтительном варианте линзы пересекаются на величину около половины диаметра. Именно этот вариант обеспечивает наилучший визуальный эффект. Для формирования заявленного микрооптического устройства можно использовать внеосевые линзы Френеля, размер которых варьируется в пределах от 0,5 мм до 2 мм.
В патенте ЕА 017394 В1 (прототип) используются линзы как с параболической, так и с седлообразной фазовой функцией. В настоящей заявке на полезную модель для формирования изображений в микрооптическом устройстве используются только линзы Френеля с седлообразной фазовой функцией.
На фиг.5 приведен трехмерный график фрагмента поверхности седлообразной фазовой функции  Фазовая функция однозначно определяет микрорельеф оптического элемента как в случае бинарного, так и в случае многоградационного микрорельефа.
i
i
i
i
На фиг.6 приведены линии уровня седлообразной фазовой функцией  Пунктиром 4 обозначена граница внеосевой линзы Френеля. Участок фазовой функции внутри пунктира определяет микрорельеф данной линзы. Внеосевая линза Френеля характеризуется несколькими параметрами. Один из них - размер. Важным параметром внеосевой линзы является минимальный размер зоны Френеля. В предпочтительном варианте для формирования микрооптических устройств используются линзы Френеля с минимальной зоной порядка одного мк. В патенте ЕА 017394 В1 все внеосевые линзы Френеля имеют одну и ту же фазовую функцию  и отличаются только знаком константы С. В настоящей заявке фазовая функция каждой линзы Френеля ϕ, i = 1, 2, … N зависит от декартовых координат х, у и направления нормали к контуру в точке O и вычисляется по формуле  где х и у декартовы координаты точки на плоскости, α - угол между нормалью к контуру в точке O и осью Ох, С - заданная константа, параметр i = 1, 2, …N.
В предпочтительном варианте линзы Френеля пересекаются. Микрорельеф оптического элемента в области пересечения состоит из фрагментов как первой, так и второй линзы.
На фиг.7 представлен возможный вариант схемы формирования микрорельефа в области пересечения двух линз Френеля. В черных зонах формируется микрорельеф первой линзы, а в белых - второй.
Для наблюдения изображений удобней всего использовать точечный источник света, например фонарик мобильного телефона. Каждая линза Френеля 5 формирует одну яркую точку изображения 6, которая приведена на фиг.8. Изображения формируются при углах наклона Θ меньше 40°.
На фиг.9 представлены визуальные изображения, видимые наблюдателю при наклоне оптического элемента вверх.
На фиг.10 представлены визуальные изображения, видимые наблюдателю при наклоне оптического элемента вниз. На фиг.9-10 изображение состоит из четырех символов, каждый из которых представляет цифру "0". Четные символы имеют фазовую функцию с положительным значением С, а нечетные с отрицательным. Как видно из фиг.9-10 визуальный кинетический эффект заключается в смещении яркой точки изображения, формируемого внеосевой линзой Френеля, по нормали к контуру. Если для четных символов при наклоне оптического элемента смещение точки формируемой линзой направлено вовне контура, то для нечетных - внутрь контура. Таким образом кинетические эффекты движения для четных и нечетных символов направлены в противофазе. Таким образом, если размер четного символа увеличивается, то размер нечетного символа будет уменьшаться. Этот вариант микрооптического устройства представлен в п. 2 формулы полезной модели. Именно такие эффекты легко контролируются визуально. Таким образом, заявленное микрооптическое устройство позволяет сформировать новый защитный признак для визуального контроля.
На фиг.11 представлены визуальные изображения, видимые наблюдателю при наклоне оптического элемента влево.
На фиг.12 представлены визуальные изображения, видимые наблюдателю при наклоне оптического элемента вправо. Как видно из фиг.11-12 визуальный кинетический эффект заключается в смещении яркой точки изображения, формируемого внеосевой линзой Френеля, вдоль контура. Таким образом достигается эффект вращения символа в разные стороны при наклоне оптического элемента вправо-влево.
km
km
km
km
На фиг.13 приведена схема формирования микрорельефа микрооптического устройства по п. 3 формулы полезной модели. Как видно из фиг.13 микрорельеф оптического элемента включает элементарные области Q k = 1, 2, … K, m = 1, 2, … М, размером менее 50 мк, равномерно распределенные по всей области оптического элемента, включая области занимаемые линзами Френеля, обозначенные цифрой 7 на фиг.13. Расстояния между соседними элементарными областями Q не превосходят 200 мк. Элементарные области Q k = 1, 2, … K, m = 1, 2, … М заполнены дифракционными решетками разной ориентации с периодами менее 0.7 мк; общая площадь элементарных областей Q k = 1, 2, … K, m = 1, 2, … М не превышает (15-50)% от площади оптического элемента. При углах наклона оптического элемента более чем на 40° наблюдатель видит другое цветное 2D-изображение.
На фиг.14 приведен пример 2D-изображения, формируемого микрооптическим устройством при наклонах подложки относительно наблюдателя больше 40°.
Заявленная полезная модель предназначена для формирования визуальных изображений в видимом диапазоне длин волн (от 0,38 мк до 0,74 мк). Микрооптическое устройство имеет глубину микрорельефа (0,1-0,3) мк. 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 мк наибольшую эффективность имеют внеосевые линзы Френеля с глубиной 0,28 мк. При падении на такую линзу Френеля оптического излучения с другой длиной волны формируется то же самое изображение, но с меньшей эффективностью.
km
km
Двумерное (2D) изображение формируется фрагментами дифракционных решеток, имеющими разную ориентацию и период меньший 0,7 мк. Дифракционные решетки расположены в каждой из областей Q (фиг.13). Размеры областей Q (менее 50 мк) и расстояния между соседними областями выбраны так, что при углах наклона подложки более 40° и освещении микрооптического устройства источником белого света позволяют формировать цветное 2D-изображение, заполняющее всю область микрооптического устройства.
Выбор периода дифракционных решеток менее 0,7 мк и параметров внеосевых линз Френеля обеспечивает формирование диаграмм направленности внеосевых линз Френеля и дифракционных решеток в разных угловых диапазонах. Как следствие наблюдатель видит при углах наклона менее 40° только изображение из светящихся точек, формируемое линзами Френеля, а при углах более 40° только 2D-изображение, формируемое дифракционными решетками.
Формирование микрорельефа заявленного микрооптического устройства представляет собой более сложную задачу, чем изготовление прототипа ЕА 017394 В1, поскольку все линзы Френеля имеют разные фазовые функции. В отличие от прототипа фазовая функция заявленного микрооптического устройства зависит не от двух, а от трех аргументов (двух аргументов х и у и угла наклона α). Следует отметить, что заявляемое микрооптическое устройство позволяет формировать изображения, как в режиме отражения света, так и в режиме пропускания, что может быть использовано как элемент защиты банкнот, ценных бумаг, документов, пластиковых карт от подделки.
Центральным моментом технологии для изготовления микрооптического устройства, заявленного в полезной модели, является использование электронно-лучевой литографии. Эта технология мало распространена, стоимость электронно-лучевых литографов составляет несколько миллионов евро. Современные электронно-лучевые литографы имеют разрешение 0,1 мк и меньше (Гончарский А.В., Гончарский А.А. "Компьютерная оптика. Компьютерная голография" Изд-во МГУ, Москва 2004, ISBN 5-211-04902-0). Электронно-лучевая позволяет формировать микрорельеф с точностью 10 нанометров по высоте. Такие параметры обеспечивают высокую эффективность синтеза заявленных микрооптических устройств. Электронно-лучевая технология синтеза оригиналов наукоемка. Все это сужает технологии, которые могут быть использованы для синтеза заявленного микрооптического устройства и обеспечивает надежную защиту от подделок и имитации.
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 устройства по низкой цене.
Таким образом, основные отличия заявленного микрооптического устройства от прототипа ЕА 017394 В1 заключаются в следующем:
i
i
1. Основное отличие от прототипа заключается в использовании для формирования микрооптического устройства в настоящей полезной модели внеосевых линз Френеля, фазовая функция  которых зависит от трех переменных (двух пространственных координат х и у и угла α - угла между нормалью к контуру в точке O и осью Ох). В прототипе структура микрооптического устройства намного проще. Все линзы Френеля имеют одну и ту же фазовую функцию и могут отличаться только знаком.
2. Заявленное микрооптическое устройство формирует кинетический эффект движения изображения отличный от прототипа. В прототипе при наклонах оптического элемента изображения символов могут только смещаться относительно друг друга. В заявленном микрооптическом устройстве происходит изменение размера символов.
3. Заявленное микрооптическое устройство по п. 3 при больших углах наклона формирует другое цветное 2D-изображение.
i
i
km
km
km
В качестве примера реализации полезной модели было изготовлено микрооптическое устройство, формирующая изображение "0000", состоящее из четырех контурных символов "0". Высота символа 4,3 мм, ширина 3,1 мм. Для формирования каждого символа использовалось 14 линз Френеля с формулой  где х и у декартовы координаты точки на плоскости, α - угол между нормалью к контуру в точке O и осью Ох, С - заданная константа, параметр  Для формирования четных символов использовались бинарные линзы Френеля с положительными С, а для нечетных - с отрицательными С. Размер линз Френеля составлял 1,1 мм. Размер минимальной зоны линзы Френеля составлял 0,9 мк. Размер областей Q для формирования изображений по п. 3 составлял 20 мк. Для формирования микрорельефа использовались 30000 областей Q. Области Q заполнялись дифракционными решетками с периодами 0,4 и 0,5 мк.
rd
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 мк. Из изготовленных пластин с электронным резистом после их металлизации с помощью гальванопластики были изготовлены никелевые мастер матрицы микрооптических устройств, которые были использованы для контроля сформированных изображений. В качестве источника света использовался фонарик смартфона. При наклоне оптического элемента вверх-вниз в углах наклона менее 40°, характер смещения точек изображения полностью совпал с изображениями на фиг.9-10. При наклоне оптического элемента вправо-влево характер смещения точек изображения полностью совпал с изображениями на фиг.11-12. При углах наклона более 40°, микрооптическое устройство формировала цветное изображения как на фиг.14, состоящее из синего и желтого цветов. Изготовленные мастер-матрицы могут быть использованы для тиражирования защитных элементов с помощью стандартного оборудования для производства рельефных голограмм (van Renesse, Rudolf L, Optical Document Security, 3ed. British Library Cataloguing in Publication Data, 2005, ISBN 1-58053-258-6; Гончарский А.В., Гончарский А.А. "Компьютерная оптика. Компьютерная голография" Изд-во МГУ, Москва 2004, ISBN 5-211-04902-0).