ОПТИЧЕСКИЙ ЗАЩИТНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
OPTICAL PROTECTIVE ELEMENT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к области техники отражающих или преломляющих оптических защитных элементов, способных проецировать каустические узоры при приемлемом освещении, и способа изготовления таких оптических защитных элементов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Существует необходимость в защитных признаках на объектах, которые могут быть аутентифицированы так называемым «человеком на улице» с использованием общедоступных средств. Эти средства включают использование пяти чувств - в основном, зрение и осязание - плюс использование широко распространенных инструментов, таких как, например, мобильный телефон.
Некоторыми распространенными примерами защитных признаков являются экспертные волокна, нити или фольга (встроенные в подложку, например, в бумагу), водяные знаки, элементы глубокой печати или микропечати (возможно, печати на подложке оптически изменяющимися красками), которые можно обнаружить на банкнотах, кредитных картах, удостоверениях личности, билетах, сертификатах, документах, паспортах и т.д. Эти защитные признаки могут включать оптически изменяющиеся краски, невидимые краски или люминесцентные краски (флуоресцирующие или фосфоресцирующие при приемлемом освещении конкретным источником света возбуждения), голограммы и/или признаки, определяемые на ощупь. Основным аспектом защитного признака является то, что он обладает некоторым физическим свойством (оптическим эффектом, магнитным эффектом, структурой материала или химическим составом), которое очень трудно подделать, поэтому объект, маркированный таким защитным признаком, можно надежным образом признавать подлинным, если указанное свойство можно увидеть или обнаружить (визуально или с помощью конкретного устройства).
Однако, когда объект является прозрачным или частично прозрачным, данные признаки могут не быть подходящими. Фактически, прозрачные объекты зачастую требуют, чтобы защитный элемент, имеющий требуемые защитные свойства, не изменял свою прозрачность или внешний вид ни по эстетическим, ни по функциональным причинам. Известные примеры могут включать блистеры и флаконы для фармацевтических продуктов. Например, в последнее время в дизайн полимерных и гибридных банкнот включают прозрачное окно, создавая тем самым потребность в защитных признаках, которые совместимы с ним.
Большинство существующих защитных признаков защитных элементов для документов, банкнот, защищенных билетов, паспортов и т.д. не были специально разработаны для прозрачных объектов/областей и, как таковые, не подходят для такого применения. Другие признаки, например, полученные с помощью невидимых и флуоресцентных красок, требуют специальных инструментов для возбуждения и/или инструментов для обнаружения, которые могут быть недоступны «человеку на улице».
Известны полупрозрачные оптически изменяющиеся признаки (например, жидкокристаллические покрытия или скрытые изображения от поверхностных структур), которые могут обеспечивать такую функциональность. К сожалению, маркировку, включающую такие защитные признаки, как правило, можно увидеть на темном/однородном фоне, чтобы эффект был более заметным.
Другими известными признаками являются дифракционные оптические элементы, такие как неметаллизированные поверхностные голограммы. Недостатком этих признаков является то, что они показывают очень низкий контрастный визуальный эффект при непосредственном просмотре. Кроме того, при использовании в сочетании с источником монохроматического света для проецирования узора им, как правило, требуется лазер для получения удовлетворительного результата. Кроме того, для обеспечения четко видимого оптического эффекта требуется довольно точное относительное пространственное расположение источника света, дифракционного оптического элемента и глаз пользователя.
Например, гравированные лазером микротекст и/или микрокоды были использованы для, например, стеклянных флаконов. Тем не менее, они требуют дорогих инструментов для их реализации и специального увеличительного инструмента для их обнаружения.
Следовательно, целью настоящего изобретения является создание оптического защитного элемента для прозрачных или частично прозрачных объектов (или подложек), который имеет защитные признаки, которые могут быть легко аутентифицированы визуально человеком, без использования дополнительных средств (т.е. невооруженным глазом) или с использованием общеизвестных и легкодоступных средств (например, простого увеличительного стекла). Еще одной целью настоящего изобретения является создание оптического защитного элемента, который легко изготавливать в больших количествах или который совместим с процессами серийного производства. Кроме того, освещение оптического защитного элемента также должно быть возможно с помощью легкодоступных средств (например, источника света, такого как светодиод мобильного телефона или солнце), и условия для хорошего визуального наблюдения пользователем не должны требовать слишком строгого относительного пространственного расположения источника света, оптического защитного элемента и глаз пользователя.
Кроме того, большинство объектов, перечисленных выше, имеют уменьшенный размер по меньшей мере в одном измерении (например, банкнота может иметь толщину менее 100 мкм). Следовательно, еще одной целью настоящего изобретения является создание оптического защитного элемента, который совместим с объектами уменьшенных размеров (например, толщиной менее 300 мкм).
Еще одной целью настоящего изобретения является создание эффективного способа выбора целевого визуального эффекта, который совместим с вышеупомянутыми уменьшенными размерами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно одному аспекту настоящее изобретение относится к оптическому защитному элементу, содержащему отражающую перенаправляющую свет поверхность или преломляющую прозрачную или частично прозрачную перенаправляющую свет поверхность, рельефный узор которой способен перенаправлять падающий свет от источника света и формировать проецируемое изображение на проекционной поверхности, при этом оптические параметры данного оптического защитного элемента удовлетворяют конкретному критерию проецирования, так что проецируемое изображение содержит каустический узор, воспроизводящий эталонный образ, который легко распознается человеком без использования дополнительных средств (т.е. невооруженным глазом) или с использованием общеизвестных и легкодоступных средств, так что объект, маркированный данным оптическим защитным элементом, можно считываемым образом аутентифицировать визуально человеком. Уменьшенная толщина рельефного узора оптического защитного элемента делает его особенно подходящим для маркировки объектов уменьшенных размеров, таких как, например, банкноты или защищаемые документы (например, удостоверения личности, паспорта, карты и т.д.). Прозрачный аспект преломляющего оптического защитного элемента делает его особенно подходящим для маркировки по меньшей мере частично прозрачных подложек (например, стеклянных или пластиковых бутылок, крышек от бутылок, часовых стекол, ювелирных изделий, драгоценных камней и т.д.).
Ввиду большой трудности определения эталонных образов, которые могут быть оптимально воспроизведены проецируемым каустическим узором на проекционной поверхности, чтобы быть визуально распознаваемыми человеком, в частности, когда рельефный узор оптического защитного элемента является очень тонким (т.е. как правило, с глубиной рельефа менее 250 мкм), другой аспект настоящего изобретения относится к способу эффективного изготовления рельефного узора перенаправляющей свет поверхности оптического защитного элемента на основании отбора потенциального цифрового изображения эталонного образа, подлежащего воспроизведению проецируемым каустическим узором, согласно конкретному тесту на отбор цифрового изображения: если потенциальное цифровое изображение удовлетворяет требованиям к тесту, то предусмотрена возможность вычисления соответствующего рельефного узора конкретной глубины, а затем механической обработки отражающей перенаправляющей свет поверхности или прозрачной или частично прозрачной перенаправляющей свет поверхности с конкретным показателем преломления, воспроизведения вычисленного рельефного узора и получения оптического защитного элемента, который будет удовлетворять вышеупомянутому критерию проецирования, тем самым получая оптический защитный элемент, который обеспечит, при приемлемом освещении, проецируемый каустический узор, воспроизводящий эталонный образ отобранного цифрового изображения, который является легко визуально распознаваемым человеком. Этот способ особенно эффективен для изготовления очень тонких рельефных узоров, оптимальных для визуальной аутентификации маркированных объектов (т.е. глубиной, которая не превышает или равна 250 мкм или даже не превышает или равна 30 мкм), и позволяет значительно ускорить операции процесса изготовления.
s
i
A
α1
1
α1
A
0
1
0
1
0
i
0
i
1
Таким образом, согласно одному аспекту настоящее изобретение относится к оптическому защитному элементу, содержащему отражающую перенаправляющую свет поверхность или прозрачную или частично прозрачную перенаправляющую свет поверхность с показателем преломления n, рельефный узор глубиной δ которой способен перенаправлять падающий свет, принятый от точечного источника, на расстоянии d от перенаправляющей свет поверхности, и формировать проецируемое изображение, содержащее каустический узор, на проекционной поверхности, расположенной на расстоянии d от перенаправляющей свет поверхности, при этом указанный каустический узор воспроизводит эталонный образ, оптический защитный элемент является таким, что при освещении источником света области значения A рельефного узора и доставке (среднего) значения освещения E оптическим защитным элементом к проекционной поверхности, среднее значение освещения E вдоль круглой области значения α, отобранного в пределах области проецируемого изображения на проекционной поверхности, удовлетворяет следующему критерию проецирования E ≤ E (1/2 + α/α + √(1/4 + α/α)), при этом параметр области масштабирования представляет собой α = 4π d δ для отражающей перенаправляющей свет поверхности или α = 2π (n-1) d δ для преломляющей перенаправляющей свет поверхности, и α является меньше значения области A.
i
s
i
Предпочтительно, чтобы облегчить и так более легкую операцию аутентификации путем визуального распознавания эталонного образа из проецируемого каустического узора, значение d должно не превышать или быть равно 30 см, а значение соотношения d/d должно превышать или быть равно по меньшей мере 5. Также предпочтительно, чтобы проекционная поверхность была плоской.
С целью обеспечения очень тонких оптических защитных элементов значение глубины δ рельефного узора может не превышать или быть равно 250 мкм или даже не превышать или быть равно 30 мкм. Более того, оптический защитный элемент может дополнительно иметь свой рельефный узор, расположенный поверх плоского основания подложки из оптического материала, при этом вся толщина оптического защитного элемента не превышает или равна 100 мкм.
s
i
A
1
1
1
A
0
1
0
1
0
i
0
i
1
Согласно другому аспекту настоящее изобретение относится к способу изготовления рельефного узора глубиной, не превышающей или равной значению δ, отражающей перенаправляющей свет поверхности или прозрачной или частично прозрачной перенаправляющей свет поверхности с показателем преломления n, способной перенаправлять падающий свет, принятый от точечного источника, на расстоянии d от перенаправляющей свет поверхности и формировать проецируемое изображение, содержащее каустический узор, на проекционной поверхности, расположенной на расстоянии d от перенаправляющей свет поверхности, так что при освещении источником света области значения A рельефного узора и доставке значения освещения E оптическим защитным элементом на проекционную поверхность, среднее значение освещения Eα вдоль круглой области значения α, отобранного в пределах области проецируемого изображения на проекционной поверхности, удовлетворяет следующему критерию проецирования Eα ≤ E (1/2 + α/α + √(1/4 + α/α)), при этом параметр области масштабирования представляет собой α = 4π d δ для отражающей перенаправляющей свет поверхности или α = 2π (n-1) d δ для преломляющей перенаправляющей свет поверхности, и α является меньше значения области A, при этом указанный способ включает этапы:
A
A
A
max
A
A
0
0
0
A
0
a) отбора цифрового изображения эталонного образа, подлежащего воспроизведению каустическим узором на проекционной поверхности, при этом цифровое изображение содержит общее число N пикселей, и сумма всех значений пикселей по всему цифровому изображению представляет собой I, путем проверки того, что для каждой круглой области N пикселей в пределах цифрового изображения, где N представляет собой целое число и 1 ≤ N ≤ N, значение I(N) суммы каждого значения пикселя из N пикселей в круглой области является меньше чем значение I(N) = N (I/N) (1/2 + N/N + √(1/4 + N/N)), где N представляет собой число пикселей, заданных N(α/A) в пределах цифрового изображения;
b) вычисления рельефного узора глубиной, не превышающей или равной δ, соответствующего эталонному образу на цифровом изображении, отобранном на этапе a); и
c) механической обработки поверхности подложки из оптического материала для формирования перенаправляющей свет поверхности, воспроизводящей рельефный узор, вычисленный на этапе b), тем самым получая оптический защитный элемент, содержащий указанную механически обработанную перенаправляющую свет поверхность.
max
A
max
A
Предпочтительно, способ также включает этап модификации потенциального цифрового изображения, не удовлетворяющего или только частично удовлетворяющего (т.е. удовлетворяющего только для некоторых круглых областей N пикселей) тесту (или критерию отбора), что I(N)‹I(N), путем адаптации значений пикселей, при необходимости, чтобы полностью удовлетворять тесту для любого N, где 1 ≤ N ≤ N. Таким образом, этап a) отбора цифрового изображения эталонного образа может включать предварительный этап модификации потенциального цифрового изображения эталонного образа, часть которого не удовлетворяет критерию отбора, заключающемуся в том, что I(N) является меньше чем I(N), путем адаптации значений пикселей в пределах указанной части потенциального цифрового изображения, путем приведения указанной части потенциального цифрового изображения с адаптированными значениями пикселей в соответствие с критерием отбора для любого N, где 1 ≤ N ≤ N, тем самым обеспечивая модифицированное потенциальное цифровое изображение, подлежащее отбору. Адаптация значений пикселей также может быть результатом операции фильтрации. Таким образом, значения пикселей потенциального цифрового изображения могут быть адаптированы путем фильтрации с помощью фильтра потенциального изображения для уменьшения контрастности изображения (например, фильтра верхних частот), параметров (например, частоты среза фильтра верхних частот) фильтра, соответствующих критерию отбора.
Таким образом, согласно этому варианту настоящего изобретения, можно преобразовать неподходящий целевой узор, представленный на цифровом изображении, в подходящий узор согласно критерию отбора цифрового изображения согласно настоящему изобретению, который может быть выбран на последующем этапе а).
На этапе c) способа механическая обработка поверхности подложки из оптического материала может включать любую одну из ультраточной механической обработки (UPM), лазерной абляции и литографии.
Механически обработанная перенаправляющая свет поверхность согласно способу может представлять собой оригинальную перенаправляющую свет поверхность, подлежащую использованию для создания копии путем технологии формования (или копий для серийного производства оптических защитных элементов), и может быть копирована на подложку (например, для формирования маркировки, наносимой на объект). Копирование механически обработанной перенаправляющей свет поверхности может включать любое из литья под воздействием УФ-излучения и тиснения (например, в процессе производства «с рулона на рулон» или «с фольги на фольгу»).
Согласно дополнительному аспекту настоящее изобретение относится к способу визуальной аутентификации объекта, маркированного оптическим защитным элементом согласно настоящему изобретению, пользователем, включающему этапы:
s
- освещения перенаправляющей свет поверхности оптического защитного элемента точечным источником света (приблизительно) на расстоянии d от перенаправляющей свет поверхности;
i
- визуального наблюдения на каустическом узоре, проецируемом на проекционной поверхности, на расстоянии d от оптического защитного элемента; и
- принятия решения о том, является ли объект подлинным, при оценке пользователем того, является ли проецируемый каустический узор визуально похожим на эталонный образ.
Далее настоящее изобретение будет описано более полно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые цифры представляют одинаковые элементы на разных фигурах и на которых проиллюстрированы основные аспекты и признаки настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представлена схематическая иллюстрация оптической конфигурации преломляющего оптического элемента для проецирования каустического узора согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 2 проиллюстрирован эталонный образ на потенциальном цифровом изображении, представляющий собой число 100.
На фиг. 2A-2E проиллюстрирован отбор цифрового изображения эталонного образа, изображенного на фиг. 2 согласно настоящему изобретению, и показаны результаты сканирования потенциального цифрового изображения, изображенного на фиг. 2, с помощью разных окон сканирования.
На фиг. 3 представлен пример эталонного образа.
На фиг. 3A-3E представлена дополнительная иллюстрация отбора цифрового изображения эталонного образа, изображенного на фиг. 3 согласно настоящему изобретению, и показаны результаты сканирования потенциального цифрового изображения, изображенного на фиг. 3, с помощью разных окон сканирования.
На фиг. 4A представлен вид тонкого прозрачного преломляющего оптического защитного элемента, выполненного на подложке из фольги (передний план), вместе с соответствующим проецируемым каустическим узором (задний план).
На фиг. 4B представлено фотографическое изображение каустического узора, проецируемого оптическим защитным элементом, показанным на переднем плане фиг. 4A.
На фиг. 5 представлен вид проецируемого каустического узора, соответствующего эталонному образу, который демонстрирует портрет Джорджа Вашингтона.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
В оптике термин «каустика» относится к огибающей световых лучей, отраженных или преломленных одной или более поверхностями, по меньшей мере одна из которых изогнута, а также к проекции таких световых лучей на другую поверхность. Более конкретно, каустика представляет собой кривую или поверхность, касающуюся каждого светового луча, определяющую границу огибающей лучей как кривую концентрированного света. Например, световой узор, образованный солнечными лучами на дне бассейна, представляет собой каустическое «изображение» или узор, сформированный единственной перенаправляющей свет поверхностью (волнистой поверхностью раздела воздух-вода), в свою очередь, свет, проходящий через изогнутую поверхность жидкого стекла, создает остроконечный узор на столе, на котором лежит жидкое стекло, при его пересечении двух или более поверхностей (например, воздух-стекло, стекло-вода, воздух-вода и т. д), которые перенаправляют его путь.
Далее в качестве примера будет использована наиболее распространенная конфигурация, в которой (преломляющий) оптический (защитный) элемент связан одной изогнутой поверхностью и одной плоской поверхностью, без ограничения более общих случаев. В данном документе ссылку будут делать на более общий термин «каустический узор» (или «каустическое изображение») в качестве светового узора, сформированного на экране (проекционной поверхности), когда оптическая поверхность подходящей формы (т.е. имеющая соответствующий рельефный узор) перенаправляет свет от источника, чтобы отвести его от некоторых областей экрана и сконцентрировать его на других областях экрана в предварительно определенном световом узоре (т.е., таким образом, формируя указанный «каустический узор»). Перенаправление относится к изменению пути световых лучей от источника при наличии оптического элемента по отношению к пути от источника к экрану в отсутствие оптического элемента. В свою очередь, под изогнутой оптической поверхностью будет подразумеваться «рельефный узор», а под оптическим элементом, связанным этой поверхностью, будет подразумеваться оптический защитный элемент. Следует отметить, что каустический узор может быть результатом перенаправления света более чем одной изогнутой поверхностью и более чем одним объектом, хотя, возможно, ценой повышенной сложности. Кроме того, рельефный узор для создания каустического узора не следует путать с дифракционным узором (как, например, в защитных голограммах).
Согласно настоящему изобретению обнаруживали, что эта концепция может, например, применяться к обычным объектам, таким как потребительские товары, удостоверения личности/кредитные карты, банкноты и так далее. Для этого требуется резкое сокращение размера оптического защитного элемента и, в частности, доведение глубины рельефа ниже допустимых значений. Неожиданно обнаруживали, что, хотя рельеф сильно ограничен по глубине, все же можно было достичь приближения выбранного (цифрового) изображения (представляющего эталонный образ) на проекционной поверхности достаточного качества, чтобы обеспечить визуальное распознавание выбранного изображения из визуально наблюдаемого каустического узора на проекционной поверхности (или экране). Такое распознавание эталонного образа непосредственно из простого видимого каустического узора на экране, проецируемого из оптического защитного элемента, изготовление и механическая обработка которого являются довольно сложными (и, таким образом, делают очень трудной подделку), представляет собой ценную проверку безопасности, обеспечивающую возможность надежной аутентификации объекта, маркированного данным оптическим защитным элементом.
В этом описании под термином «рельеф» следует понимать существование разности высот (измеряемой вдоль оптической оси оптического защитного элемента) между самой высокой точкой и самой низкой точкой поверхности, по аналогии с разностью абсолютной высоты между дном долины и вершиной горы (т.е. в масштабе «от вершины до долины»). Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения максимальная глубина рельефного узора оптического защитного элемента составляет ≤ 250 мкм или более предпочтительно ≤ 30 мкм, при этом она превышает предел, наложенный ультраточной механической обработкой (UPM) и процессом воспроизведения, т.е. приблизительно 0,2 мкм. Согласно этому описанию под разностью высот между самой высокой и самой низкой точкой в рельефном узоре на перенаправляющей свет поверхности подразумевается глубина рельефа δ.
В этом описании используются несколько терминов, которые определены далее ниже.
Под каустическим узором (изображением), формирующим приближение цифрового изображения, следует понимать световой узор, проецируемый оптическим защитным элементом, при освещении подходящим (предпочтительно, но необязательно точечным) источником. Как упомянуто выше, оптический (защитный) элемент следует понимать как пластину из преломляющего материала, ответственного за создание каустического изображения.
Перенаправляющая(-ие) свет поверхность(-и) представляет(представляют) собой поверхность (или поверхности) оптического защитного элемента, ответственного за перенаправление входящего света от источника на экран или (предварительно плоскую) проекционную поверхность, где формируется каустический узор.
Подложка из оптического материала, используемая для изготовления оптического (защитного) элемента, является подложкой из исходного материала, поверхность которой специально механически обработана так, чтобы иметь рельефный узор и, таким образом, формировать перенаправляющую свет поверхность. В случае отражающей перенаправляющей свет поверхности подложка из оптического материала необязательно является однородной или прозрачной. Например, материал может быть непрозрачным для видимого света (отражательную способность затем получают путем классической металлизации механически обработанной поверхности). В случае преломляющей перенаправляющей свет поверхности подложка из исходного материала является прозрачной (или частично прозрачной) и однородной с показателем преломления n (для фотонов спектра, видимого человеческому глазу), и под соответствующей перенаправляющей свет поверхностью подразумевается «преломляющая прозрачная или частично прозрачная перенаправляющая свет поверхность с показателем преломления n».
Оригинал согласно этому описанию является первой физической реализацией перенаправляющей свет поверхности из вычисленного профиля (в частности, из вычисленного рельефного узора). Он может быть скопирован в несколько копий (штампов), которые затем используются для серийного копирования.
s
i
s
i
s
i
Точечный источник, используемый в этом описании, является источником света, угловой размер которого (с точки зрения оптического защитного элемента) достаточно мал, чтобы можно было считать, что свет исходит из одной точки на расстоянии d от перенаправляющей свет поверхности. Опыт показывает, что это означает, что количество: (диаметра источника) x d/d, является меньше желаемого разрешения (например, 0,05-0,1 мм) целевого каустического узора на проецируемом изображении на проекционной поверхности на расстоянии d от перенаправляющей свет поверхности (см фиг. 1). Под экраном следует понимать поверхность, на которую проецируется каустический узор. Под расстоянием между источником и перенаправляющей свет поверхностью также подразумевается расстояние источника d, и под расстоянием между перенаправляющей свет поверхностью и экраном подразумевается расстояние изображения d.
Термин «штамп» (или штамп для копирования, когда необходимо устранить неоднозначность) в основном используется для обозначения физического объекта, несущего профиль перенаправляющей свет поверхности, которая используется для серийного копирования. Это может быть, например, создание копии оригинальной поверхности (исходный рельеф, воспроизводимый путем тиснения или впрыскивания из оригинала, несущего соответствующий перевернутый рельеф). Для инструмента, используемого для механической обработки рельефного узора перенаправляющей свет поверхности, используется термин «инструмент для механической обработки» для устранения неоднозначности.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения предусмотрен оптический защитный элемент (1), имеющий отражающие или преломляющие поверхности, предназначенные для перенаправления света от точечного источника S и проецирования его на подходящий экран (3), который может быть любой (в основном плоской) поверхностью или (плоской частью) любого объекта и т.д., где формируется значимое изображение, как показано на фиг. 1. Специальная конструкция перенаправляющей свет поверхности может позволить проецировать (распознаваемый) каустический узор на изогнутой поверхности. Изображение может представлять собой, например, логотип, картинку, номер или любую другую информацию, которая может иметь отношение к конкретному контексту. Предпочтительно, экран представляет собой плоскую проекционную поверхность.
Конфигурация на фиг. 1 показывает, что свет от источника S перенаправляется оптической поверхностью подходящей формы, имеющей рельефный узор (2). Эта общая идея известна, например, из отражающих поверхностей для автомобильных фар, отражателей и линз для светодиодного освещения, оптических систем в лазерной оптике, проекторов и камер: однако, как правило, цель состоит в том, чтобы преобразовать неоднородное распределение света в однородное распределение. Напротив, целью настоящего изобретения является получение неоднородного светового узора, т.е. каустического узора, который (приблизительно) воспроизводит некоторые области относительной яркости эталонного образа (как представлено на (цифровом) эталонном изображении): если освещенный рельефный узор (2) оптического элемента позволяет образовывать каустический узор (4) на экране (3), воспроизводя с достаточным качеством (возможно, отличающимся общим коэффициентом масштабирования интенсивности) известный эталонный образ (5), то человек при визуальном наблюдении каустического узора на экране легко увидит, является ли оно действительным воспроизведением эталонного образа, и, если каустический узор достаточно похож на эталонный образ, считается, что объект, маркированный оптическим защитным элементом, является (скорее всего) подлинным.
s
i
Согласно варианту осуществления, изображенному на фиг. 1, световые лучи (6) от источника S света, который представляет собой точечный источник согласно данному примеру, распространяются на (преломляющий) оптический защитный элемент (1) на расстоянии источника d с перенаправляющей свет поверхностью, имеющей рельефный узор (2). Оптический защитный элемент в данном случае выполнен из прозрачного или частично прозрачного однородного материала с показателем преломления n. Так называемый каустический узор (4) проецируется на экране (3) на расстоянии изображения d от перенаправляющей свет поверхности оптического защитного элемента (1). Подлинность оптического защитного элемента (и, следовательно, объекта, маркированного данным защитным элементом) может быть оценена непосредственно путем визуальной проверки степени сходства между проецируемым каустическим узором и эталонным образом.
Предпочтительно, рельефный узор (2) сначала вычисляют исходя из конкретного целевого цифрового изображения. Способы таких вычислений описаны, например, в европейских заявках на патент EP 2711745 A2 и EP 2963464 A1. Из этого вычисленного рельефного узора можно создать соответствующий физический рельефный узор на поверхности подходящей подложки из оптического материала (например, прозрачного или частично прозрачного материала с показателем преломления n или отражающей поверхности из непрозрачного материала), с использованием ультраточной механической обработки (UPM). В случае механической обработки рельефа на поверхности подложки из непрозрачного оптического материала для формирования отражающей поверхности, хорошая отражательная способность будет получена посредством дополнительной традиционной операции нанесения тонкого слоя металла (металлизации) на рельеф. В UPM используют инструменты для механической обработки алмазов и нанотехнологии для достижения очень высокой точности, чтобы допуски могли достигать «субмикронного» уровня или даже «наномасштабного» уровня. В отличие от этого, «высокая точность» в традиционной механической обработке означает допуски в микронах в однозначных числах. Другими потенциально подходящими технологиями для создания физического рельефного узора на поверхности являются лазерная абляция и литография в оттенках серого. Как известно в области микропроизводства, каждая из этих технологий имеет свои сильные и слабые стороны с точки зрения стоимости, точности, скорости, разрешения и т.д. Как правило, вычисленный рельефный узор для создания каустического узора имеет гладкий профиль (т.е. без разрывов) с обычной глубиной по меньшей мере 2 мм для общего размера 10 см × 10 см.
Подходящая подложка из оптического материала для преломляющего перенаправляющего свет оптического элемента должна быть оптически прозрачной, прозрачной или по меньшей мере частично прозрачной и механически устойчивой. Как правило, коэффициент пропускания T ≥ 50% является предпочтительным, а T ≥ 90% является наиболее предпочтительным. Кроме того, можно использовать низкую мутность H ≤ 10%, но H ≤ 3% является предпочтительным, а H ≤ 1% является наиболее предпочтительным. Оптический материал также должен вести себя правильно во время процесса механической обработки, чтобы обеспечить гладкую и бездефектную поверхность. Примером подходящей подложки является оптически прозрачная пластина из PMMA (также известна под коммерческими названиями Plexiglas, Lucite, Perspex и т.д.). Для отражающих каустических перенаправляющих свет оптических элементов подходящая подложка из оптического материала должна быть механически устойчивой, и должна быть возможность придать ей зеркальную поверхность. Примером подходящей подложки является металл, такой как те, которые используются для изготовления оригиналов нарезных дифракционных решеток и лазерных зеркал, или неотражающая подложка, которая может быть дополнительно металлизирована.
Для крупномасштабного производства требуются дальнейшие этапы создания штампа и серийного копирования оптического защитного элемента на целевом объекте. Подходящим процессом для создания штампа из оригинала является, например, гальванопластика. Подходящими процессами для серийного копирования являются, например, горячее тиснение полимерной пленки или литье фотополимера под воздействием УФ-излучения. Обращаем внимание, что в целях серийного копирования ни оригинал, ни полученный из него штамп не должны быть оптически прозрачными, поэтому также можно использовать непрозрачные материалы (в частности, металлы), даже когда конечный продукт является преломляющим оптическим элементом. Тем не менее, в некоторых случаях может быть преимущественно, чтобы оригинал был прозрачным, поскольку он позволяет проверять качество каустического изображения, прежде чем приступить к тиснению и серийному копированию.
Критическим аспектом использования оптических элементов (с перенаправляющей свет поверхностью, имеющей рельефный узор) в качестве защитных признаков является их физический масштаб, который должен быть совместим с целевым объектом, и оптическая конфигурация, необходимая для проецирования каустического изображения.
Как правило, для этого вида использования максимальный боковой размер ограничен общим размером объекта и обычно может варьироваться от нескольких см до менее 1 см в менее благоприятных случаях. Для определенных применений, таких как, например, для банкнот, целевая общая толщина может быть чрезвычайно малой (порядка 100 мкм или менее). Кроме того, допустимые изменения толщины (рельеф) являются еще меньшими по ряду причин, включая механические ограничения (слабые места, связанные с более тонкими областями) и эксплуатационные соображения (например, при укладке банкнот в стопку, стопка будет выпуклой ввиду более толстой части бумажки, что усложняет обработку и хранение). Как правило, для банкноты общей толщиной приблизительно 100 мкм целевая толщина для рельефного узора оптического защитного элемента, который должен быть включен в эту банкноту, может составлять приблизительно 30 мкм. Для кредитной карты или удостоверения личности толщиной приблизительно 1 мм целевая толщина для рельефного узора оптического защитного элемента, который должен быть включен в эту кредитную карту/удостоверение личности, будет составлять менее чем приблизительно 400 мкм и предпочтительно не более чем приблизительно 250 мкм.
s
i
s
i
Кроме того, расстояние между источником и изображением, как правило, ограничено удобством пользователя до нескольких десятков сантиметров. Заметными исключениями являются солнце или узконаправленный источник света, установленный на потолке, которые, однако, менее доступны при определенных обстоятельствах. Кроме того, соотношение d/d между двумя расстояниями, как правило, превышает 5-10, чтобы получить более четкое изображение (и с хорошей контрастностью), которое легче распознать. Кроме того, соотношение d/d ≥ 5 вместе с источником S света, который предпочтительно является точечным (например, осветительный светодиод обычного мобильного телефона), что позволяет считать, что источник света фактически приблизительно «бесконечно удален» и, таким образом, проекционная поверхность на только приблизительно фокусном расстоянии от оптического защитного элемента будет подходящей для четкого просмотра проецируемого каустического узора. Как следствие, условия хорошего визуального наблюдения пользователем не требуют слишком строгого относительного пространственного расположения источника света, оптического защитного элемента и глаз пользователя.
В общем, толщина и рельеф являются одними из наиболее важных параметров. Учитывая произвольное целевое изображение (эталонный образ) и конфигурацию оптической геометрии (т.е. геометрические условия освещения/наблюдения проецируемого каустического узора), нет гарантии, что вычисленная оптическая поверхность будет иметь рельефный узор ниже заданного предела. На самом деле, в общем случае, скорее всего, произойдет обратное: это особенно верно для жестких ограничений, наложенных на оптические защитные элементы, описанные выше. Учитывая, что численные моделирования для оптимизации оптических поверхностей являются дорогостоящими с точки зрения времени и ресурсов, чрезмерная методика проб и ошибок не является целесообразным вариантом, и крайне желательно гарантировать возможность получения полезного результата с первой попытки - или по меньшей мере с только небольшим количеством попыток. Также крайне желательно не ограничиваться в выборе целевого изображения, поскольку не все целевые изображения совместимы с гладкими рельефными узорами малой глубины.
После многочисленных тестов обнаружили, что это может быть достигнуто путем тщательного отбора конфигурации оптической геометрии и, особенно, целевого каустического узора с учетом ограничения по глубине. Заданы следующие параметры (см. фиг. 1):
i
- расстояние изображения: d
s
- расстояние источника: d
- область перенаправляющей свет поверхности (область поперечного сечения): A
A
A
- освещение, доставляемое перенаправляющей свет поверхностью к проекционной поверхности, при освещении оптического защитного элемента источником S: E; это означает, что освещение, доставляемое к проекционной поверхности, при усреднении по всей области, соответствующей проекции поперечного сечения перенаправляющей свет поверхности (т.е. ее геометрической тени), имеет среднее значение, равное E
- (максимальная) глубина целевого рельефного узора: δ
- показатель преломления оптического защитного элемента: n (в случае преломляющей перенаправляющей свет поверхности),
s
i
s
i
0
0
i
0
i
1
1
1
1
оптимизированный отбор целевого каустического изображения (которое позволит получить оптимальный оптический защитный элемент с перенаправляющей свет поверхностью, имеющей соответствующий рельефный узор в пределах глубины δ) является таковым, что для точечного источника, расположенного «в бесконечной удаленности» (т.е. на практике для d » d, при этом по меньшей мере d ≥ 5 d), при этом параметр области масштабирования α определен соотношением α = 2π (n-1) d δ в случае преломляющего оптического элемента с показателем преломления n или α = 4π d δ в случае отражающей поверхности оптического элемента, для любой круглой области α каустического изображения на проекционной поверхности (3) (с α ‹ A), количество Eα, соответствующее освещению, усредненному по всей круглой области α на проекционной поверхности (3) (предпочтительно расположенной в фокальной плоскости оптического защитного элемента), должно удовлетворять следующему критерию проецирования:
1
A
0
1
0
1
1/2
Eα ≤ E (1/2 + α/α + (1/4 + α/α)).
1
1
1
1
1
s
i
A
На практике при заданном значении α (которое по меньшей мере находится выше области разрешения при наблюдении каустического узора на экране, зная, что типичная длина разрешения в видимом спектре для человеческого глаза составляет приблизительно 80 мкм), достаточно отсканировать область проецируемого изображения посредством окна обзора области α и убедиться в том, что соответствующее освещение Eα действительно удовлетворяет вышеуказанному критерию проецирования. Более того, даже не обязательно эффективно реализовывать потенциальный (целевой) рельефный узор путем механической обработки профиля перенаправляющей свет поверхности, осуществлять освещение оптического элемента, а затем сканировать проецируемое изображение на экране с помощью окна обзора области α, чтобы проверить, действительно ли удовлетворен критерий проецирования: простое моделирование (например, посредством отслеживания траектории луча) операции сканирования с тестируемой областью α по распределению оптических лучей на проекционной поверхности, соответствующей заданным параметрам (d, d, A, n (в случае преломляющего перенаправляющего свет оптического защитного элемента), δ, E) и заданный целевой профиль рельефного узора обеспечат надежную проверку в отношении критерия проецирования. Кроме того, в случае, если критерий проецирования не является удовлетворенным только в некоторой конкретной подобласти проецируемого изображения, достаточно легко локально адаптировать соответствующую часть целевого профиля для исправления этого недостатка (это эквивалентно небольшой модификации соответствующего эталонного образа).
Однако, можно избежать даже такой фазы моделирования-адаптации (хотя она уже намного дешевле, чем традиционный метод). Действительно, согласно другому аспекту настоящего изобретения предусмотрен способ, который позволяет отбирать целевой профиль рельефного узора непосредственно из цифрового изображения эталонного образа, из которого можно легко получить физический оптический защитный элемент (с перенаправляющей свет поверхностью, имеющей соответствующий рельефный узор заданной глубины), удовлетворяющий критерию проецирования. Данный способ изготовления рельефного узора глубиной δ отражающей перенаправляющей свет поверхности или преломляющей прозрачной или частично прозрачной перенаправляющей свет поверхности с показателем преломления n для обеспечения оптического защитного элемента, удовлетворяющего вышеупомянутому критерию проецирования, основан на конкретном критерии теста цифрового изображения, который был испытан и доказал свою эффективность, который реализуется только на цифровом изображении эталонного образа, который должен воспроизводить соответствующий каустический узор, создаваемый оптическим защитным элементом (при должном освещении/проецировании на экране).
s
i
0
A
A
A
A
max
A
A
0
0
0
A
0
Действительно, обнаруживали, что если цифровое изображение потенциального эталонного образа, подлежащего воспроизведению каустическим узором на проекционной поверхности, создаваемой оптическим защитным элементом, удовлетворяющим критерию проецирования (и таким образом, с заданными параметрами d, d, n (в случае преломляющего перенаправляющего свет оптического защитного элемента), δ, α, A и E), имеет общее число N пикселей, и сумма каждого значения пикселя по всему цифровому изображению имеет значение I, то если для каждой по существу круглой области, состоящей из N пикселей в пределах цифрового изображения (N является целым числом и 1 ≤ N ≤ N), значение I(N) суммы каждого значения пикселя из N пикселей в круглой области является меньше чем значение I(N) = N (I/N) (1/2 + N/N + √(1/4 + N/N)), где N представляет собой число пикселей, заданных N(α/A) в пределах цифрового изображения, потенциальный эталонный образ будет оптимальным для эффективного изготовления оптического защитного элемента, способного удовлетворять критерию проецирования.
A
max
Вышеупомянутый тест на отбор для сканирования потенциального цифрового изображения эталонного образа с помощью окна обзора переменного размера N пикселей (N варьируется до N) и проверки того, что «интенсивность окна» I (N) является меньше чем определенное максимальное значение I(N) для набора из N пикселей, довольно легко реализовать на процессоре (в памяти которого хранится потенциальное цифровое изображение), и соответствующее выполнение обработки цифрового изображения дает быстрый отклик для полного сканирования цифрового изображения, таким образом значительно упрощая и ускоряя операции изготовления оптического защитного элемента, удовлетворяющего критерию проецирования, то есть позволяя человеку, наблюдающему каустический узор, создаваемый данным оптическим защитным элементом, легко решить, является ли объект, маркированный данным оптическим защитным элементом, подлинным или нет.
max
max
A.
s
i
0
A
0
A
0
A
0
0
0
0
0
0
0
max
max
max
max
4
Кроме того, еще одним преимуществом вышеупомянутого способа является то, что довольно легко модифицировать конкретную часть потенциального цифрового изображения эталонного образа, который не выполняет тест на отбор (для некоторого значения(-й) из N) I(N) ‹ I(N): достаточно изменить значения пикселей из набора N пикселей в указанной конкретной части цифрового изображения, чтобы соответственно модифицированная интенсивность I'(N) (т.е. сумма модифицированных значений пикселей в окне сканирования N пикселей) смогла пройти тест на отбор. Эту модификацию также легко реализовать на процессоре, в котором исходное потенциальное цифровое изображение хранится в его памяти. Таким образом, настоящее изобретение позволяет легко адаптировать заданный потенциальный цифровой эталонный образ, чтобы обеспечить преобразованный цифровой эталонный образ, соответствующий требованиям в отношении теста на отбор I(N) ‹ I(N) для по меньшей мере нескольких значений N от 1 до N Например, как проиллюстрировано на фиг. 2A-2E и фиг. 3A-3E со следующими значениями параметров: A = 1 см × 1 см, d = 30 см, d = 4 см, (максимальная глубина) δ = 30 мкм и n = 1,5, окна для сканирования, используемые для проверки цифрового изображения, могут, соответственно, содержать несколько кратных n (которые могут относиться, например, к разрешению изображения, и могут соответствовать дроби числа пикселей, заданных N(α/A) ≈ 0,038 N в пределах цифрового изображения, соответствующего (по существу) круглой области, в пикселях, соответствующих параметру α, относящемуся к целевому оптическому защитному элементу). Чтобы расширить сканирование до края изображения, могут быть наложены приемлемые граничные условия, такие как, например, граничные условия отражения, при которых изображение расширяется за пределы края путем наложения зеркальной симметрии расширения относительно края. На фиг. 2 проиллюстрирован эталонный образ на потенциальном цифровом изображении, представляющий собой число 100 (поверх темного фона) и имеющий N = 1024 × 1024 пикселей. На фиг. 2A, 2B, 2C, 2D и 2E показаны результаты сканирования потенциального цифрового изображения с помощью (круглых) окон сканирования W1, W2, W3, W4 и W5, соответственно, N = n, 4n, 16n, 64n и 256n пикселей, где n = 314 (в данном случае N = 3,9 10), при этом каждое отсканированное изображение представлено на стандартной шкале серого от 0 до I(N) (линейка шкалы серого показана справа на фиг. 2A-E, где значения пикселя от 0 до 255 соответствуют градации от черного цвета, соответствующего I(N)= 0, до белого цвета, соответствующего I(N) = I(N)). Размер физического (проецируемого) изображения составляет 10 мм × 10 мм, размер пикселя соответствует приблизительно 0,0098 мм. Понятно, что отсканированное изображение на фиг. 2D едва проходит тест на отбор, а изображение на фиг. 2E проваливает тест на отбор I(N) ‹ I(N), как в зонах, соответствующих каждой из цифр числа 100 на фиг. 2D с соответствующими определенными периметрами, представленными пунктирными контурами, так и во всей центральной части фиг. 2E с определенным периметром, показанным пунктирным контуром, значения I(N) достигают I(N) (они появляются в виде белых зон). Таким образом, потенциальное изображение на фиг. 2 не подходит для получения оптического защитного элемента с малым рельефом (в данном случае δ = 30 мкм).
max
0
0
0
0
0
max
max
В отличие от этого, эталонный образ на потенциальном цифровом изображении, представляющий собой число 100, но с дополнительными линиями, нарисованными на заднем плане (т.е. узор «гильоше», выполненный по типу глубокой печати), как показано на фиг. 3 (с теми же самыми значениями параметров, что и на фиг. 2), успешно проходит тест на выбор I(N) ‹ I(N), как очевидно из фигур 3A, 3B, 3C, 3D и 3E, которые показывают результаты сканирования потенциального цифрового изображения с (круглыми) окнами сканирования, соответственно, N = n, 4n, 16n, 64n и 256n пикселей, при этом каждое отсканированное изображение представлено на стандартной шкале серого от 0 до I(N) (линейка шкалы серого показана справа на фиг. 3D, где значения пикселя от 0 до 255 соответствуют градации от черного до белого цвета, соответственно): нету зоны, где I(N) достигает значения I(N) (нету части изображений, определенный периметр которых окружает белую зону).
Согласно предпочтительному варианту настоящего изобретения было успешно проверено, что вместо модификации значений пикселей в пределах конкретной части потенциального цифрового изображения эталонного образа, который не смог пройти тест на отбор, операцию фильтрации применяют глобально к потенциальному изображению для уменьшения контрастности изображения, где параметры фильтра адаптированы к критерию проецирования (например, частотный фильтр, имеющий полосу пропускания выше заданной частоты среза, адаптируется к эталонному образу).
Таким образом, вышеупомянутый новый способ позволяет эффективно отбирать оптимальный эталонный образ путем сканирования цифрового изображения данного эталонного образа согласно конкретному критерию отбора, относящемуся к значениям пикселей изображения, или путем модификации неподходящего потенциального эталонного образа, чтобы получить соответствующий образ для вычисления соответствующего рельефного узора, который будет воспроизведен путем соответствующей механической обработки профиля поверхности подложки из оптического материала для формирования перенаправляющей свет поверхности оптического элемента и получения оптического защитного элемента, который, несмотря на очень малую глубину рельефа и уменьшенный размер, все еще может соответствовать критерию проецирования.
s
i
A
Таким образом, согласно настоящему изобретению операции изготовления рельефного узора заданной (очень малой) глубины для формирования перенаправляющей свет поверхности на подложке из оптического материала, чтобы обеспечить оптический защитный элемент, способный соответствовать вышеупомянутому критерию проецирования (соответствующий набору значений параметров d, d, (максимальная глубина) δ, A, E, n (в случае преломляющего оптического защитного элемента), включают этапы:
max
A
max
A
A
0
0
0
A
0
i) отбора оптимального эталонного образа путем сканирования цифрового изображения данного эталонного образа согласно конкретному критерию отбора I(N) ‹ I(N) (1 ≤ N ≤ N), где I(N) = N (I/N) (1/2 + N/N + √(1/4 + N/N)), N представляет собой число пикселей, заданных N(α/A) в пределах цифрового изображения;
ii) вычисления рельефного узора глубиной, не превышающей или равной δ, что соответствует выбранному эталонному образу на этапе i); и
iii) механической обработки поверхности подложки из оптического материала для формирования перенаправляющей свет поверхности, имеющей рельефный узор со значением глубины, вычисленный на этапе ii). Полученный в результате оптический защитный элемент затем может быть использован для целей визуальной аутентификации.
2
На фиг. 4А показано фотографическое изображение исполнения очень тонкого оптического защитного элемента (т.е. прозрачной части переднего изображения), имеющего преломляющую перенаправляющую свет поверхность с рельефным узором глубиной δ = 30 мкм, который был отлит под воздействием УФ-излучения на прозрачном преломляющем материале из фольги согласно настоящему изобретению. Общая глубина оптического защитного элемента составляет 100 мкм, а площадь А - 1 см. Преломляющий материал из фольги имеет показатель преломления n приблизительно 1,5 и выполнен из сложного полиэфира. Показатель преломления смолы, используемой для формирования рельефного узора, также составляет приблизительно 1,5. Также показан (заднее изображение) проецируемый каустический узор на экране (см. также фиг. 4B). Эталонный образ является таким же, как и образ, изображенный на фиг. 3.
s
i
На фиг. 4В представлено фотографическое изображение каустического узора, проецируемого оптическим защитным элементом, изображенным на фиг. 4А. В данном случае точечный источник света представляет собой светодиод на расстоянии d = 30 см от перенаправляющей свет поверхности, а плоский экран, на который проецируется каустический узор, находится на расстоянии d = 40 мм. Каустический узор аккуратно воспроизводит образ числа 100, нанесенный посредством глубокой печати, эталонного образа, изображенного на фиг. 3.
На фиг. 5 представлен вид проецируемого каустического узора, соответствующего эталонному образу, который демонстрирует портрет Джорджа Вашингтона, из рельефного узора, имеющего глубину 30 мкм, удовлетворяющего критерию проецирования настоящего изобретения, и иллюстрирует возможности видимого проецирования очень мелких деталей с хорошей контрастностью.
Вышеуказанный предмет изобретения следует считать иллюстративным, а не ограничивающим, и он служит для лучшего понимания настоящего изобретения, определяемого независимыми пунктами формулы изобретения.