Микрооптическая система формирования визуальных изображений с кинематическими эффектами

Заявляемая в качестве полезной модели микрооптическая система формирования визуальных изображений относится преимущественно к приспособлениям, используемым для удостоверения подлинности изделий, и может быть эффективно использована для защиты банкнот и ценных бумаг.
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. Современной тенденцией в области защиты банкнот и ценных бумаг является использование различных кинематических визуальных эффектов.
Близкой к заявленной полезной модели является микрооптическая система формирования визуальных изображений (ЕА 017394 (В1)). В этом патенте эффекты кинематического движения фрагментов изображения формируются внеосевыми плоскими линзами Френеля.
Наиболее близкой (прототип) по совокупности признаков является патент на полезную модель (RU 127208).
В патенте на полезную модель (RU 127208) описана микрооптическая система, позволяющая визуально контролировать в углах дифракции не более 40° кинематический эффект движения фрагментов изображения, формируемых внеосевыми линзами Френеля. При больших углах дифракции изображение, формируемое линзами Френеля, исчезает, и наблюдатель видит другое цветное изображение. К недостаткам предложенных технических решений можно отнести то, что эта технология неприменима для узких нитей, шириной менее 4-5 мм.
Задачей является расширение по сравнению с прототипом возможностей визуального контроля на голографические защитные нити шириной менее 5 мм, а также повышение защищенности и ограничение круга технологий, которые позволяют синтезировать данный визуальный эффект.
(1)
(2)
(1)
(2)
(1)
(2)
(1)
(2)
(1)
(2)
(1)
(2)
(1)
(2)
ij
ij
ij
Поставленная задача с достижением указанного технического результата решается в заявленной микрооптической системе формирования визуальных изображений, состоящей из размещенного на плоской подложке однослойного плоского дифракционного оптического элемента, отличающейся тем, что область оптического элемента разбита на две непересекающиеся области F и F. Каждая из областей состоит из областей R, размером до 200 микрон, i=1, 2, … N; j=1, 2, … М, где N и М - число разбиений областей F и F на элементарные области по осям координат. Каждая из областей R содержит элементарную область Q, которая заполняется дифракционными решетками. В областях  и  которые состоят из всех точек (х, у) областей F и F, за исключением областей, заполненных дифракционными решетками, формируются плоские дифракционные оптические элементы с заданными фазовыми функциями, зависящими только от одной координаты ϕ(у) и ϕ(у) соответственно. Фазовые функции ϕ(у) и ϕ(у) отличаются только знаком, при этом при наклонах оптического элемента на углы менее 60° наблюдатель видит в каждой из областей F и F изображение, состоящее из черных и белых полос, причем изображения в областях F и F двигаются навстречу друг другу. При углах дифракции более 60° наблюдатель видит на всей области микрооптической системы другое цветное изображение.
Микрооптическая система состоит из фрагментов бинарных дифракционных решеток и многоградационных дифракционных оптических элементов с заданной фазовой функцией.
ij
ij
Микрооптическая система может быть синтезирована так, что область Q занимает площадь в пределах 15-50% от площади каждой из элементарных областей R. Микрооптическая система формирования визуальных изображений может быть выполнена, при необходимости, с возможностью частичного отражения и частичного пропускания света.
В частном случае, микрооптическая система формирования визуальных изображений выполнена с возможностью отражения света.
Также в частном случае микрооптическая система формирования визуальных изображений выполнена с возможностью пропускания света.
Микрооптическая система формирования визуальных изображений используется в виде защитной метки для защиты банкнот и ценных бумаг.
Совокупность заявленных признаков обеспечивает достижение заявленного технического результата.
(1)
(2)
(1)
(2)
(1)
(2)
ij
Сущность полезной модели поясняется изображениями, где на фиг. 1 приведена схема наблюдения микрооптической системы; на фиг. 2 приведена схема разбиения микрооптической системы на области F и F; на фиг. 3 приведена схема разбиения областей F и F на области R; на фиг. 4 приведено изображение области  на фиг. 5 приведены графики фрагментов фазовых функций ϕ(у) и ϕ(у); на фиг. 6 приведены фрагменты микрорельефов микрооптической системы в областях  и  на фиг. 7 приведено изображение микрооптической системы при углах дифракции θ, равных 30° и 35°; на фиг. 8 приведена схема наблюдения микрооптической системы при больших углах дифракции; на фиг. 9 приведено изображение, видимое при больших углах дифракции более 60°.
(1)
(2)
(1)
(2)
(1)
(2)
(1)
(2)
(1)
(2)
ij
ij
ij
ij
ij
Микрооптическая система, заявленная в настоящем техническом решении, представляет собой плоский фазовый оптический элемент, состоящий из дифракционных решеток и многоградационных дифракционных элементов. На фиг. 1 приведена схема наблюдения микрооптической системы 1 при освещении ее точечным источником 2, видимого наблюдателем 3 под углом θ. На фиг. 2 приведена схема разбиения микрооптической системы на области F и F. Граница между областями F и F на фиг. 2 является прямой линией. Микрооптическая система может быть изготовлена так, что линия раздела будет волнистой или ломаной линией. На фиг. 3 приведена схема разбиения областей F и F на области R, i=1, 2, … N; j=1, 2, … M, где N и М - число разбиений областей F и F на элементарные области по осям координат. Размеры элементарных областей R не превышают 200 микрон. Внутри областей R содержатся элементарные области Q, которые заполнены дифракционными решетками разного периода и разной ориентации. На фиг. 4 приведено изображение области  Точки (х, у), принадлежащие  закрашены серым цветом. Аналогично, построена структура области  В областях  и  формируются многоградационные дифракционные оптические элементы, фазовые функции которых ϕ(у) и ϕ(у) являются функциями только аргумента (у). Направление оси Оу совпадает с направлением защитной нити. В заявке на полезную модель используются как многоградационные, так и бинарные плоские оптические элементы - дифракционные решетки, расположенные в областях Q. Фазовая функция бинарного оптического элемента имеет только два уровня.
Плоский оптический элемент однозначно задается своей фазовой функцией, которая в общем случае является функцией двух координат ϕ(х, у). Фазовая функция однозначно задает микрорельеф дифракционного оптического элемента. При нормальном падении излучения на отражающий плоский фазовый оптический элемент глубина микрорельефа дифракционного элемента h(х, у) вычисляется как h(x, y)=0.5 ϕ(х, у) (Гончарский А.В., Гончарский А.А. «Компьютерная оптика. Компьютерная голография». Изд-во МГУ, Москва 2004, ISBN 5-211-04902-0).
(1)
(2)
(1)
(2)
(1)
(2)
(1)
(2)
(1)
(2)
Дифракционные оптические элементы в областях  и  задаются фазовыми функциями ϕ(у) и ϕ(у), которые отличаются только знаком. На фиг. 5(а) приведен график фрагмента фазовой функции ϕ(у) в области  На фиг. 5(б) приведен график фрагмента фазовой функции ϕ(у) в области  На сегменте [ef] фазовые функции ϕ(у) и ϕ(у) равны нулю. Такие участки дифракционного оптического элемента, где фазовая функция равна нулю, отвечают за формирование черных полос на изображении. Белые полосы на изображении формируются в областях сегмента [fg], где фазовая функция отлична от нуля. Различие знаков фазовых функций ϕ(у) и ϕ(у) обеспечивает встречное движение изображений в областях F и F, формируемых при углах дифракции θ<60°. На фиг. 6(а) и 6(б) представлены фрагменты микрорельефов дифракционного оптического элемента в областях  и  соответственно. Глубина микрорельефа в точке (х, у) на фиг. 6(а) и 6(б) пропорциональна потемнению в этой точке. Ось Оу направлена по горизонтали. Размер фрагментов не превышает 500 микрон.
(1)
(2)
На фиг. 7 приведено изображение микрооптической системы (нити, шириной 3 миллиметра) при углах дифракции θ, равных 30° (фиг. 7(a)) и 35° (фиг. 7(б)). Как видно из фиг. 7(a) и 7(б) изображения в областях F и F состоят из черных и белых полос, которые двигаются навстречу друг другу при увеличении или уменьшении угла θ.
ij
ij
На фиг. 8 приведена схема наблюдения микрооптической системы при больших углах дифракции. В этом случае наблюдатель видит изображение нити под углом более 60°. При углах дифракции более 60° изображение формируется фрагментами дифракционных решеток из областей Q, i=1, 2, … N; j=1, 2, … M. Размер элементарных областей Q не превышает 200 микрон, что находится за пределами разрешающей способности зрения человека. При углах θ менее 60° изображение формируется дифракционными оптическими элементами, расположенными в областях  и
Изображение при углах θ менее 60° является монохроматическим в отличие от изображения, видимого при углах θ более 60°, которое является цветным. На фиг. 9 приведен вариант двухцветного изображения (в красном и зеленом цвете). Красный цвет на фиг. 9 условно обозначен как черный, зеленый - условно обозначен как серый. Для формирования цветного изображения периоды решеток выбираются в диапазоне от 0.4 до 0.7 микрона. Дифракционные оптические элементы в областях  и  изготавливаются как многоградационные микрооптические элементы, глубина микрорельефа которых для элементов, работающих на отражение, составляет порядка 0.3 микрона. Точность изготовления микрорельефа дифракционных микрооптических элементов должна составлять порядка 20 нанометров (Гончарский А.А. «Об одной задаче синтеза нанооптических элементов». Журнал «Вычислительные методы и программирование». 2008. Т. 9. С. 405). Такие точности недостижимы для широко распространенных оптических методов записи оригиналов оптических защитных элементов. В настоящее время существуют сотни компаний, работающих в области оптических защитных технологий. Практически все компании используют оптические методы записи оригиналов. Предложенную микрооптическую систему нельзя подделать или имитировать с использованием такого оборудования.
Центральным моментом технологии является запись оригинала микрооптической системы. Микрооптические системы, предложенные в заявленной полезной модели, изготавливаются с помощью электронно-лучевой технологии. Электронно-лучевая литография имеет очень высокое разрешение (не хуже 0.1 микрона) и требуемую точность изготовления микрорельефа порядка 20 нанометров. Электронно-лучевая технология не является распространенной и очень наукоемка, что надежно защищает заявленные в полезной модели микрооптические системы от подделок.
Таким образом, основные отличия заявленной микрооптической системы от прототипа заключаются в следующем:
1. Заявленная микрооптическая система состоит из многоградационных дифракционных оптических элементов (плоских цилиндрических линз) и фрагментов дифракционных решеток, в отличие от прототипа, в котором кинематические эффекты движения формируются с помощью дифракционных линз Френеля.
2. Заявленные микрооптические системы расширяют возможности использования кинематических эффектов движения по сравнению с прототипом. Предложенная в заявке на полезную модель технология позволяет изготавливать защитные оптические нити с минимальной шириной порядка 2 мм. С помощью дифракционных линз Френеля (прототип) можно изготавливать защитные оптические нити шириной не менее 4 мм. Защитные нити шириной более 4 мм, как правило, используются для защиты банкнот больших номиналов. Для защиты банкнот меньших номиналов используются нити шириной 3 мм и менее. Такие нити высокого уровня защищенности могут быть изготовлены с использованием технологии, предложенной в данной заявке на полезную модель.
3. Заявленная микрооптическая система обладает большей защищенностью, поскольку используемые дифракционные оптические элементы в областях  и  являются многоградационными. Такие элементы можно изготовить только с помощью электронно-лучевой литографии с точностью формирования микрорельефа не хуже 20 нанометров. (Гончарский А.А. «Об одной задаче синтеза нанооптических элементов». Журнал «Вычислительные методы и программирование». 2008. Т. 9. С. 405).
Заявляемая полезная модель допускает массовое тиражирование оптических элементов, поскольку для их изготовления можно использовать стандартную технологию тиражирования голограмм. На практике, процесс изготовления плоского оптического элемента включает следующие стадии: расчет параметров и структуры микрорельефа плоских оптических элементов, формирующих защитные изображения, формирование рассчитанного микрорельефа на плоском носителе с помощью электронно-лучевой литографии. Далее следует стандартная технология массового тиражирования голограмм, а именно, гальванопластика, прокатка, нанесение клеевых слоев, резка и т.д. Возможность использования стандартного голографического оборудования для массового тиражирования позволяет изготавливать заявляемые в качестве полезной модели микрооптические защитные системы по низкой цене.
В качестве примера реализации полезной модели была изготовлена отражающая голографическая нить для защиты банкнот и ценных бумаг шириной 3 мм. Для изготовления нити был изготовлен оригинал защитного оптического элемента размером 30×30,42 мм.
(1)
(2)
ij
ij
ij
Схема деления нити на области F и F приведена на фиг. 2. Каждая из областей представляет собой полосу шириной 1.5 мм. Для формирования изображения нити при больших углах дифракции θ>60° использовались дифракционные решетки с периодами 0.45 и 0.55 микрона, расположенные в областях Q, i=1, 2, … N; j=1, 2, … M. Размер областей R, i=1, 2, … N; j=1, 2, … M равен 200 микрон (фиг. 3). Общая площадь областей Q составляла 20% от площади нити. В областях  и  были сформированы многоградационные микрооптические элементы, фазовые функции фрагментов которых приведены на фиг. 5. Глубина микрорельефа дифракционных оптических элементов порядка 0.3 микрона.
Микрорельеф оригинала плоского оптического элемента размером 30×30,42 мм записывался с помощью электронно-лучевой литографии (электронный литограф Carl Zeiss ZBA-21) на пластинах с электронным резистом. Разрешение электронного литографа - 0,1 микрона. Из изготовленных пластин с электронным резистом после их металлизации с помощью гальванопластики были изготовлены мастер-матрицы микрооптических систем. После стандартной голографической процедуры мультипликации были изготовлены мультиплицированные мастер-матрицы, с которых были изготовлены рабочие матрицы для прокатки. На стандартном оборудовании для прокатки была изготовлена голографическая фольга шириной 20 см. После нанесения клеевых слоев и резки были изготовлены образцы голографической нити шириной 3 мм.
Изготовленные образцы нити продемонстрировали высокую эффективность предложенной в заявке на полезную модель технологии. Цветное изображение, видимое при больших углах дифракции, более 60°, приведено на фиг. 9. Монохроматическое изображение, видимое при углах дифракции менее 60°, представлено на фиг. 7. Монохроматическое изображение является ярким, состоящим из черных и белых полос, двигающихся навстречу друг другу при наклоне голографической нити вверх-вниз.
Приведенный пример продемонстрировал высокие возможности заявленной в полезной модели технологии синтеза микрооптических систем для защиты банкнот и ценных бумаг.