Оптически изменяемый элемент
Оптически изменяемый элемент для обеспечения защиты документов скомпонован из прилегающих участков поверхности подложки. Участки поверхности имеют ахроматические поверхностные структуры с различными характеристиками рассеяния, отражения и/или дифракции и скомбинированы с тонкопленочной структурой путем взаимного наложения друг на друга. Видимый эффект ахроматической структуры накладывается на видимый интерференционный эффект тонкопленочной структуры, обеспечивая заданное изменение цвета при изменении направления освещения подложки белым светом. Наблюдатель при повороте или наклоне элемента наблюдает определенную, практически дискретную смену цветов. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.
Для определенных применений, например, в области обеспечения защиты документов, в целях распознавания подлинности, необходимо обеспечить определенные и легко распознаваемые и понятные защитные признаки.
Например, в документе WO 97/19821 описан оптически изменяемый плоский образец с по меньшей мере одним представлением графической конфигурации. Каждому представлению поставлены в соответствие поверхностные области определенного типа. При подсветке видимым светом представления просматриваются в форме изображений, которые под различными углами зрения имеют светлые и темные точки. Указанные поверхностные области имеют решетчатые структуры, число линий в которых больше, чем 250 линий/мм, так что в видимом диапазоне проявляются отчетливо наблюдаемые дифракционные эффекты.
Документ с дифракционно-оптическим защитным элементом известен, например, из ЕР 0105099 В1. Защитный элемент содержит дифракционную структуру, которая за счет дифракции падающего света вырабатывает по меньшей мере один цветной образец, который визуально представляет проверяемый признак подлинности. Дифракционная структура выполнена таким образом, что устанавливающийся при заданном направлении подсветки и наблюдения цветной образец с локальной предварительно определенной скоростью перемещается вдоль заданной траектории, если подложка в своей плоскости поворачивается в определенном направлении поворота и с определенной скоростью.
В документе ЕР 0375833 В1 описан оптически изменяемый плоский образец с графическим представлением, причем плоский образец разделен на m растровых полей, которые содержат оптически действующие дифракционные элементы с числом линий более чем 10 линий/мм. В этом известном оптически изменяемом плоском образце каждое растровое поле имеет наибольший размер менее 0,3 мм и разделение на N частей поля с соответствующим дифракционным элементом. Каждый дифракционный элемент соответствует предварительно определенному пикселу одного из N представлений. Параметры рельефной структуры предварительно определены в каждом из N дифракционных элементов через принадлежность к элементарной площадке, так что каждое из N представлений наблюдается в предварительно определенном направлении наблюдения.
В документе US-A 3858977 описан интерференционный защитный элемент. Этот известный элемент содержит подложку и фильтр, который содержит по меньшей мере один оптический интерференционный слой. Оптический интерференционный слой имеет известную характеристику своей спектральной отражательной способности и отличающееся от нее известное спектральное пропускание, причем обе эти характеристики изменяются в зависимости от угла падения света. Подложка, которая может образовывать плоскую область документа, имеющего ценность, например банкноты, имеет участок поверхности, смежный с фильтром и окрашенный, чтобы поглощать часть прошедшего через фильтр света.
Оптически изменяемые плоские образцы, которые могут быть выполнены как вышеописанные оптически изменяемые плоские образцы в зависимости от конструкции и применяемой технологии, могут вырабатывать в зависимости от угла наблюдения различные визуальные оптически изменяющиеся эффекты, например трехмерный или пространственный характер представления, эффекты движения, изменения ориентации изображения и т.п. При повороте или наклоне плоского образца или элемента, снабженного таким плоским образцом, относительно определенной пространственной оси различные элементы структуры проявляются в типичных цветах радуги.
Этому квазинепрерывному переходу по всему спектру радуги в некоторых применениях, связанных с обеспечением защиты подлинности, свойственны некоторые недостатки. Он противоречит цели, заключающейся в том, чтобы предоставить распознаванию подлинности в максимальной степени определенные и легко распознаваемые и понятные защитные признаки. Такой непрерывный переход цветов или смена цветов создает, в частности, проблему определенности. Кроме того, необходимо четкое разграничение признаков по функциональности и формируемому изображению между применениями, относящимися к области защиты, и коммерческими применениями, чтобы воспрепятствовать смешению за счет простой имитации или переноса коммерческих признаков на документы с защитными элементами и т.п.
Поэтому в основе изобретения лежит задача создания оптически изменяемого элемента, который для наблюдателя при повороте или наклоне не вызывает представления непрерывного перехода цветов, а обусловливает определенную, практически дискретную смену цветов.
Эта задача в соответствии с изобретением решается тем, что участки поверхности оптически изменяемого плоского образца содержат ахроматические поверхностные структуры с различными характеристиками рассеяния, отражения или дифракции, и с расположением друг над другом объединены с тонкопленочной структурой. Указанная задача также решается посредством защитного элемента, который содержит оптически изменяемый плоский образец с двумя или более участками поверхности, которые имеют ахроматические поверхностные структуры с различными характеристиками рассеяния, отражения или дифракции, и с расположением друг над другом объединены с тонкопленочной структурой.
При этом ахроматические поверхностные структуры являются поверхностными структурами, которые для наблюдателя представляются по существу бесцветными. Примерами ахроматических поверхностных структур являются макроструктуры, ахроматические зубчатые структуры (асимметричные структуры), симметричные структуры, например синусоидальные решетки, матовые структуры или киноформы. При использовании этих различных типов ахроматических поверхностных структур ахроматический режим реализуется каждый раз за счет различного выполнения формы поверхностной структуры. Примеры ахроматических структур описаны в вышеупомянутой публикации WO 97/19821.
В случае ахроматических ассиметричных структур, например пилообразной решетки, и ахроматических симметричных структур, например синусоидальной решетки, период поверхностной структуры не менее 1,5 мкм. Несимметричные структуры отличаются тем, что они на участках могут описываться как линейные функции (пилообразная форма, прямоугольная форма) и тем самым действуют как наклонное зеркало.
Предпочтительным диапазоном величины элементарных структур поверхностной структуры является диапазон от 2 мкм до 10 мкм. Типовая глубина таких поверхностных структур лежит в диапазоне от 500 нм до 2 мкм. Структурам из этого диапазона размеров с точки зрения производства следует предпочесть более крупные структуры.
Таким образом, такие ахроматические структуры лежат в диапазоне, в котором дифракционные явления еще лишь незначительно влияют на оптические свойства, и структуры по существу действуют как наклонное зеркало. Примеры построения ахроматических асимметричных структур представлены в работе "Non-standard Diffraction Structures for OVD's", Renen Staub et al., SPIE Vol.3314, S.194-202, 1998.
Макроструктуры также действуют по существу посредством отражения. Макроструктуру можно представить посредством кусочно-постоянной и дифференцируемой функции М(х,у) координат х и у виртуальной плоскости координат. Функция М(х,у) описывает по меньшей мере на участках поверхности искривленную площадку, причем на участке поверхности справедливо ΔМ(х,у)=0, и функция М(х,у) не является периодической треугольной или прямоугольной функцией. Макроструктура имеет трехмерную рельефную форму, которая может быть сформирована как комплексный образец, например, в форме логотипа или символа. Смежные экстремальные значения макроструктуры обычно удалены друг от друга на расстояние по меньшей мере 0,1 мм.
Матовые структуры характеризуются стохастическим профилем поверхности, причем средние глубины и поперечные размеры структур описываются статистическими параметрами. При этом в различных предпочтительных направлениях могут иметь место разные параметры структуры. Важными параметрами структуры являются, например, средняя глубина и длина корреляции. Подобные матовые структуры могут изготавливаться посредством процессов, которые имеют статистические характеристики. К числу таких процессов относятся, например, метод жидкостного (влажного) травления, абразивная обработка, пескоструйная обработка и т.п.
Типовые количественные значения для среднего значения шероховатости матовых структур находятся в диапазоне от 20 нм до 2000 нм, предпочтительно от 50 нм до 500 нм. Типовые количественные значения для длины корреляции матовых структур находятся в диапазоне от 200 нм до 50000 нм, предпочтительно от 500 нм до 10000 нм.
Киноформы представляют собой структуры, которые за счет эффекта дифракции формируют режим рассеяния, определенный пользователем.
Соответствующий изобретению оптически изменяемый плоский образец находит применение, например, на предметах с элементами защиты, таких как документы, банкноты, кредитные карты и т.п. Элементы защиты состоят из комбинации тонкопленочных структур с ахроматическими дифракционными поверхностными структурами, вследствие чего визуальные эффекты тонкопленочной структуры и визуальные эффекты дифракционной поверхностной структуры могут быть особенно благоприятным образом согласованы друг с другом.
Предпочтительные дальнейшие варианты соответствующих изобретению оптически изменяемых плоских образцов охарактеризованы в зависимых пунктах.
Предпочтительная форма выполнения оптически изменяемого плоского образца состоит в том, что ахроматические поверхностные структуры выполнены в виде матовых структур, которые имеют различные характеристики рассеяния.
Особенно интересная возможность состоит в том, чтобы матовые структуры сформировать таким образом, чтобы характеристики рассеяния участков поверхности различались по смене цвета и контраста. Достигаемый за счет этого оптический эффект обеспечивает возможность особенно хорошего разграничения оптических признаков.
Дополнительные предпочтительные оптические эффекты могут достигаться за счет того, что матовые структуры различаются по своей средней глубине и/или по своей длине корреляции. Посредством таких параметров, как средняя глубина и длина корреляции, можно определить ширину конуса рассеяния и форму конуса рассеяния. Посредством участков поверхности с матовыми структурами, которые различаются по вышеуказанным параметрам, достигается то, что участки поверхности имеют конусы рассеяния различной формы.
Матовые структуры могут быть выполнены как изотропные матовые структуры. Признак изотропности здесь означает, что статистическая характеристика матовой структуры является независимой от угла поворота в плоскости. При этом такие изотропные матовые структуры следует применять особенно в том случае, если изменения угла поворота не должны приводить к изменению оптического действия изменяемого оптического элемента.
Чтобы реализовать дополнительные оптические эффекты, матовые структуры могут быть выполнены как анизотропные матовые структуры. За счет этого могут быть реализованы динамические эффекты, например изменение яркости или градаций серого в зависимости от угла поворота.
Еще один предпочтительный вариант осуществления соответствующего изобретению оптически изменяемого плоского образца состоит в том, что ахроматические поверхностные структуры выполнены в виде макроструктур или асимметричных структур, которые имеют различные отражательные характеристики.
Размер элементарных структур поверхностной структуры типа асимметричной (зубчатой) структуры находится в диапазоне от 2 мкм до 10 мкм. Типовая глубина этих поверхностных структур находится в диапазоне от 500 нм до 2 мкм. Величина макроструктуры находится предпочтительно в диапазоне от 20 мкм до 30 мкм. Высота макроструктуры предпочтительно меньше, чем 5 мкм, но может также составлять 40 мкм. Макроструктуры и асимметричные структуры в основном действуют посредством отражения. При этом за счет выбора различных отражательных характеристик можно реализовать множество различных оптических эффектов.
При расчете макроструктур расстояние между кромками и крутизну кромок отдельных элементов необходимо по возможности выбирать таким образом, чтобы в видимом диапазоне не возникали эффекты дифракции. Кроме того, предпочтительно разместить на макроструктуре тонкопленочную структуру, т.е. в направлении наблюдателя.
Простые макроструктуры для участков поверхности могут быть описаны математическими функциями, например как М(х,у)=а·х (1+sin(2πtFy·y)) для периодической макроструктуры. Здесь Fy - пространственная частота периодической макроструктуры М(х,у) в направлении координатной оси у. Кроме того, также возможно, что макроструктура составлена из предварительно определенного периодически повторяющегося фрагмента другой математической функции. Пространственная частота Fy имеет значение максимально 10 линий/мм и предпочтительно имеет значение ниже 3 линий/мм.
Особенно предпочтительным является выполнение поверхностной структуры участка поверхности как пилообразной структуры (зубчатой структуры). Другие предпочтительные геометрические структуры представляют собой, например, микролинзовые структуры и волновые структуры (макроструктуры).
В зависимости от области применения предпочтительно выбрать тонкопленочную структуру с тонкопленочным слоем с высоким коэффициентом преломления или тонкопленочную структуру с низким коэффициентом преломления. Высокий коэффициент преломления предпочтительно выбирается большим, чем 2, например равным 2,3 или 2,4. Низкий коэффициент преломления предпочтительно выбирается меньшим, чем 1,5, например равным 1,4.
Тонкопленочные структуры могут быть образованы различными способами. Например, их можно сформировать из четного или нечетного числа диэлектрических слоев с различными коэффициентами преломления, например из 5 или 10 таких слоев. Кроме того, тонкопленочную структуру можно выполнить из поглощающего слоя и разделительного слоя (λ/4 или λ/2), к которому примыкает отражающий слой или оптический (пропускающий) разделительный слой.
Кроме того, является предпочтительным нанести на соответствующий изобретению оптически изменяемый плоский образец дополнительные защитные признаки. Так, можно скомбинировать оптически изменяемый плоский образец с имеющимся только на участках отражающим слоем или нанести на него дифракционную структуру, например кинеграмму. Кроме того, также можно сформировать мозаичный плоский образец.
Изобретение поясняется ниже на примерах осуществления со ссылками на чертежи, где показано следующее:
Фиг.1 - оптически изменяемый плоский образец при направленной подсветке белым светом для пояснения действия комбинации тонкопленочной структуры с двумя изотропными матовыми структурами,
Фиг.2 - изображение, подобное представленному на фиг.1, но с оптически изменяемым плоским образцом, который наклонен по сравнению с показанным на фиг.1,
Фиг.3 - схематичное представление асимметричной ахроматической структуры с тонкопленочной структурой и плоской тонкопленочной структуры.
На фиг.1 показана подложка 10 с плоским образцом, который содержит комбинацию тонкопленочной структуры с двумя изотропными матовыми структурами. Стрелка 12, направленная к подложке 10, обозначает направленную подсветку белым светом. Такая направленная подсветка имеет место, например, в случае, когда свет исходит из единственного источника, который удален от подложки 10 на относительно большое расстояние.
Обе матовые структуры подложки 10 отличаются по своей средней глубине и/или по длине корреляции, так что одна матовая структура рассеивает направленно падающий белый свет в большем угловом диапазоне, чем другая матовая структура. Конус рассеяния матовой структуры с большим угловым диапазоном обозначен ссылочной позицией 14, а конус рассеяния другой матовой структуры обозначен ссылочной позицией 16.
В предположении, что свойства тонкой пленки и свойства матовых структур приближенно независимы друг от друга, обеспечивается преимущество, состоящее в том, что характеристическое изменение цвета при направленной подсветке более легко распознается пользователем, так как это изменение цвета происходит не только в зоне зеркального отражения.
Ссылочной позицией 18 обозначено направление наблюдения, то есть направление на подложку 10 взгляда пользователя. Наблюдатель должен наклонить подложку 10 и позиционировать ее таким образом, чтобы в области зеркального отражения возник источник света. За счет перекрытия тонкопленочной структуры с обеими матовыми структурами области наблюдения, в которых распознается эффект тонкопленочной структуры, предпочтительным образом увеличиваются. В соответствии с фиг.1, например, участок поверхности подложки 10, который покрыт матовой структурой с конусом рассеяния 16, наблюдается в светло-красном цвете, то есть в красном цвете тонкопленочной структуры с соответственно увеличенной интенсивностью. Тот участок поверхности, который покрыт матовой структурой с конусом рассеяния 14, хотя и представляется тоже в красном цвете, однако он вследствие увеличенного диапазона рассеяния является более темным, потому что интенсивность в обозначенном стрелкой 18 направлении наблюдения соответственно снижена. Это наглядно представлено точками 20 и 22.
При наклоне подложки 10, как показано на фиг.2, происходит смена отраженной от тонкой пленки направленной подсветки 12 белого света, например, на зеленый цвет, что обозначено стрелкой 23. Обозначенная стрелкой 12 направленная подсветка белым светом и обозначенное стрелкой 18 направление наблюдения остаются неизменными.
На основе различных характеристик рассеяния соответственно конусу рассеяния 14 и конусу рассеяния 16 обеих матовых структур наблюдавшийся ранее как более светлый участок поверхности, соответствующий точке 20 на фиг.1, теперь наблюдается как более темный, а наблюдавшийся ранее как более темный участок, соответствующий точке 22 (соответствует точке 22' на фиг.2), теперь наблюдается как более светлый. Конкретное цветовое представление определяется при этом тонкой пленкой. Смена цветов с красного на зеленый, разумеется, приведена только в качестве примера. Наряду со сменой цветов предпочтительным образом происходит также смена контраста с относительной яркостью. Эти оба эффекта смены цвета и контраста могут предпочтительным образом использоваться и обеспечивать тем самым для наблюдателя более простую коммуникацию.
На фиг.3 схематично представлена комбинация тонкопленочной структуры 24 с асимметричной ахроматической структурой. При этом ссылочной позицией 26 обозначен плоский образец, состоящий из двух различных плоских участков 28 и 30 поверхности, которые примыкают друг к другу. Область 32 показывает конфигурацию с пилообразно наклоненной тонкопленочной структурой, а область 34 схематично изображает плоскую тонкопленочную структуру. Различное оптическое действие обеих тонкопленочных структур 32 и 34 реализуется по существу за счет того, что для наклоненной тонкопленочной структуры 32 существует различие между толщиной Deff тонкой пленки, являющейся определяющей для оптического эффекта, и физически напыленной толщиной слоя Dphys. В противоположность этому для плоской тонкопленочной структуры 34 не существует различия между толщиной Deff тонкой пленки, являющейся определяющей для оптического эффекта, и физически напыленной толщиной слоя Dphys. С помощью такой тонкопленочной структуры 24 предпочтительным образом могут быть сформированы два разных эффекта в зависимости от того, выбран ли для тонкой пленки материал с высоким коэффициентом преломления или материал с низким коэффициентом преломления. Оптические свойства тонких слоев описаны, например, в книге "Optical properties of thin solid films", O.S.Heavens, London, Butterworths Scientific Publications, 1995, p.154.
В тонкопленочном материале с высоким коэффициентом преломления может быть реализовано то, что участки поверхности имеют различный цвет, и этот цвет является устойчивым в относительно большом диапазоне углов наклона. В тонкопленочном материале с низким коэффициентом преломления может быть реализовано асимметричное изменение цвета, например один участок 28 или 30 поверхности проявляет при наклоне, например, смену цвета с красного на зеленый, в то время как другой участок 30 или 28 поверхности проявляет смену цвета с зеленого на красный. Однако красный цвет одного участка поверхности и красный цвет другого участка поверхности после такого поворота являются не идентичными, а несколько отличаются. То же самое справедливо и для зеленого цвета или для других цветов.
Таким образом, ахроматический дифракционный эффект, обусловленный интерференционным эффектом в тонкой пленке, накладывается на предварительно определенное изменение цвета, за счет чего более надежно устанавливается определенная смена цветов. Существующие или лишь с трудом исключаемые проблемы определения при известной непрерывной смене цветов устраняются за счет обеспечиваемой изобретением определенной смены цветов.
1. Оптически изменяемый элемент, скомпонованный из прилегающих участков (28, 30) поверхности подложки (10), отличающийся тем, что два или более указанных участков (28, 30) поверхности, которые имеют ахроматические поверхностные структуры с различными характеристиками рассеяния, отражения и/или дифракции, скомбинированы с тонкопленочной структурой (24, 32, 34) путем взаимного наложения друг на друга, и в которых видимый эффект ахроматической структуры накладывается на видимый интерференционный эффект тонкопленочной структуры (24, 32, 34), обеспечивая заданное изменение цвета при изменении направления освещения (12) подложки (10) белым светом.
2. Оптически изменяемый элемент по п.1, отличающийся тем, что ахроматические поверхностные структуры выполнены как матовые структуры, которые имеют различные характеристики рассеяния.
3. Оптически изменяемый элемент по п.2, отличающийся тем, что указанные характеристики рассеяния различаются по изменению цвета и контраста в зависимости от яркости освещения.
4. Оптически изменяемый элемент по п.2, отличающийся тем, что матовые структуры различаются по своей средней глубине и/или по свой длине корреляции.
5. Оптически изменяемый элемент по п.2, отличающийся тем, что матовые структуры выполнены как изотропные матовые структуры.
6. Оптически изменяемый элемент по п.2, отличающийся тем, что матовые структуры выполнены как анизотропные матовые структуры.
7. Оптически изменяемый элемент по п.1, отличающийся тем, что ахроматическая поверхностная структура одного из участков (28, 30) поверхности выполнена как ахроматическая асимметричная структура.
8. Оптически изменяемый элемент по п.7, отличающийся тем, что поверхностная структура одного из участков (28, 30) поверхности выполнена как пилообразная структура.
9. Оптически изменяемый элемент по п.1, отличающийся тем, что один из участков (28, 30) поверхности имеет плоскую тонкопленочную структуру (34).
10. Оптически изменяемый элемент по п.1, отличающийся тем, что ахроматическая поверхностная структура участка (28, 30) поверхности выполнена как макроструктура, имеющая трехмерную рельефную форму.
11. Оптически изменяемый элемент по п.1, отличающийся тем, что тонкопленочная структура (24, 32, 34) содержит тонкопленочный слой с высоким коэффициентом преломления, в частности с коэффициентом преломления, превышающим 2.
12. Оптически изменяемый элемент по п.1, отличающийся тем, что тонкопленочная структура (24, 32, 34) содержит тонкопленочный слой с низким коэффициентом преломления, в частности с коэффициентом преломления, меньшим чем 1,5.
13. Защитный элемент с оптически изменяемым элементом по одному из предшествующих пунктов.
