BR112021006186A2

BR112021006186A2 - elementos de segurança óticos, objeto marcado, método de autenticação de um objeto e utilização de elementos de segurança óticos para autenticação ou proteção contra falsificação

Info

Publication number: BR112021006186A2
Application number: BR112021006186-0A
Authority: BR
Inventors: Andrea Callegari; Pierre Degott; Todor DINOEV; Philipp Egger
Original assignee: Sicpa Holding Sa
Priority date: 2018-10-05
Filing date: 2019-10-04
Publication date: 2021-06-29
Also published as: EP3860861B1; KR20210072795A; WO2020070299A1; CN112789180B; SA521421621B1; MX2021003774A; US20210370703A1; EA039835B1; JP2022512601A; PH12021550734A1; HUE062651T2; EA202190922A1; EP3860861A1; US11987066B2; CN112789180A; ES2955180T3; AU2019352753A1; JP7375266B2; ZA202102989B; CA3114674A1

Abstract

Um elemento de segurança ótico feito de um material ótico refrativo transparente ou parcialmente transparente e que compreende um conjunto ótico de uma camada cáustica tendo uma superfície de redirecionamento de luz com um padrão de relevo de dada profundidade e uma distância focal fC e um elemento de lente adjacente de distância focal fL configurado para redirecionar a luz incidente recebida de uma fonte de luz semelhante a um ponto através dele e formar uma imagem projetada contendo um padrão cáustico diretamente sobre uma retina de um observador. Também são divulgados um objeto marcado, bem como um método de autenticar visualmente um objeto e a utilização de elementos de segurança óticos para autenticação ou proteção contra falsificação.

Description

ELEMENTOS DE SEGURANÇA ÓTICOS, OBJETO MARCADO, MÉTODO DE AUTENTICAÇÃO DE UM OBJETO E UTILIZAÇÃO DE ELEMENTOS DE SEGURANÇA ÓTICOS PARA AUTENTICAÇÃO OU PROTEÇÃO CONTRA FALSIFICAÇÃO CAMPO TÉCNICO

[0001] A presente invenção refere-se ao campo técnico de elementos de segurança óticos refrativos ou refletivos operáveis para projetar padrões cáusticos mediante iluminação apropriada, bem como a um método e utilização de tais elementos de segurança óticos para autenticação ou proteção contra falsificação.

ANTECEDENTES DA TÉCNICA

[0002] Existe uma necessidade de recursos de segurança nos objetos, que podem ser autenticados pelo designado "cidadão comum", utilizando meios comummente disponíveis. Estes meios incluem a utilização dos cinco sentidos - principalmente visão e tato - além da utilização de ferramentas generalizadas, como, por exemplo, um telemóvel.

[0003] Alguns exemplos comuns de recursos de segurança são fibras, fios ou folhas forenses (incorporados num substrato como papel, por exemplo), marcas d'água, gravura em talha ou microimpressão (possivelmente impressa sobre um substrato com tintas oticamente variáveis) que podem ser encontradas em notas, cartões de crédito, bilhetes de identidade, bilhetes, certificados, documentos, passaportes, etc. Estes recursos de segurança podem incluir tintas oticamente variáveis, tintas invisíveis ou tintas luminescentes (fluorescentes ou fosforescentes sob iluminação apropriada com luz de excitação específica), hologramas e/ou recursos táteis. Um aspeto principal de um recurso de segurança é que tem alguma propriedade física (efeito ótico, efeito magnético, estrutura material ou composição química) que é muito difícil de falsificar, de modo que um objeto marcado com tal recurso de segurança pode ser fiavelmente considerado como genuíno se a propriedade puder ser observada ou revelada (visualmente ou através de um aparelho específico).

[0004] Contudo, quando o objeto é transparente, ou parcialmente transparente, recursos públicos gerais, evidentes podem não ser apropriados. De facto, os objetos transparentes exigem, muitas vezes, que o elemento de segurança com os recursos de segurança necessários não altere a sua transparência ou o seu aspeto, seja por razões estéticas ou funcionais. Exemplos notáveis podem incluir blisters e frascos para produtos farmacêuticos. Recentemente, por exemplo, notas de polímero e híbridas incorporaram no seu design uma janela transparente, gerando assim o desejo por recursos de segurança que sejam compatíveis com ela.

[0005] A maioria dos recursos de segurança existentes de elementos de segurança para documentos, notas, bilhetes com proteção, passaportes, etc. não foram desenvolvidos especificamente para objetos/áreas transparentes e, assim sendo, não são adequados para tal aplicação. Outros recursos, por exemplo, aqueles obtidos com tintas invisíveis e fluorescentes requerem ferramentas de excitação e/ou ferramentas de deteção específicas, que podem não estar prontamente disponíveis para o "cidadão comum".

[0006] São conhecidos recursos oticamente variáveis semitransparentes (por exemplo, revestimentos de cristal líquido ou imagens latentes de estruturas de superfície) e podem proporcionar este tipo de funcionalidade. Infelizmente, a marcação que incorpora tais recursos de segurança deve, de modo geral, ser observada contra um fundo escuro/uniforme para que o efeito seja bem visível.

[0007] Soluções para janelas transparentes de notas são descritas, por exemplo, no Guardiantm "Security Features Reference Guide", edição 2, maio de 2013. A maioria dos recursos de segurança divulgados interfere na transparência da janela. Um deles (Eclipse®) não o faz. É um dispositivo difrativo que revela uma imagem oculta ao olhar através da janela transparente para uma fonte de luz de ponto brilhante.

[0008] Recursos de segurança difrativos, como Eclipse®, sofrem de uma série de desvantagens, incluindo uma forte aberração cromática, a necessidade de uma fonte de luz brilhante e a presença de difração de ordem zero (ou seja, a luz residual da fonte) na imagem projetada.

[0009] Outros recursos conhecidos são elementos óticos difrativos utilizados no modo de reflexão ou no modo de transmissão para projetar um padrão num ecrã, como hologramas de superfície não metalizados. Uma desvantagem com estes recursos é que eles mostram um efeito visual de muito baixo contraste quando vistos diretamente. Além disso, quando utilizados em combinação com uma fonte de luz monocromática para projetar um padrão, requerem, normalmente, um laser para dar um resultado satisfatório. Além disso, é necessário um arranjo espacial relativo bastante preciso da fonte de luz, do elemento ótico refrativo e dos olhos do observador para proporcionar um efeito ótico claramente visível.

[0010] Microtexto e/ou microcódigos gravados a laser têm sido utilizados para, por exemplo, frascos de vidro. Contudo, exigem ferramentas caras para a sua implementação e uma ferramenta de ampliação específica para a sua deteção.

[0011] É, portanto, um objeto da invenção superar as deficiências da técnica anterior e proporcionar elementos de segurança óticos feitos de um material ótico refrativo transparente ou parcialmente transparente ou compreendendo uma superfície de redirecionamento de luz de uma camada cáustica, em que os elementos de segurança óticos podem ser facilmente autenticados visualmente por uma pessoa, sem utilizar qualquer outro meio (ou seja, a olho nu) ou utilizando meios fácil e comummente disponíveis, por exemplo, uma mera fonte de luz semelhante a um ponto como o sol, uma lâmpada de rua, uma lâmpada de flash de um smartphone, etc. (uma fonte de luz é considerada como "semelhante a um ponto" se o seu tamanho angular for menor ou igual a 1°).

[0012] Outro objeto da invenção é proporcionar um elemento de segurança ótico fácil de fabricar em grande número ou compatível com processos de fabrico de produção em massa. Além disso, a iluminação do elemento de segurança ótico também deve ser possível com meios facilmente disponíveis (por exemplo, uma fonte de luz como um LED de um telemóvel ou o sol), e as condições para uma boa observação visual por um utilizador (um observador) não devem exigir um arranjo espacial relativo muito estrito da fonte de luz, do elemento de segurança ótico e dos olhos do observador.

[0013] Por outras palavras, o manuseio por um utilizador (um observador) ao verificar a presença do recurso de segurança deve ser o mais simples possível, e a solução deve ser compatível com a mais ampla gama de condições de utilização.

[0014] Outro objeto da invenção é proporcionar um objeto marcado, que compreende o elemento de segurança ótico, que tem recursos de segurança que podem ser facilmente autenticados visualmente por uma pessoa, sem utilizar qualquer outro meio (ou seja, a olho nu) ou utilizando meios fácil e comummente disponíveis (por exemplo, mera lupa ou uma fonte semelhante a um ponto, por exemplo, um LED de um telemóvel).

[0015] É um outro objetivo desta invenção proporcionar um método eficiente de autenticar visualmente um objeto, marcado com o elemento de segurança ótico feito de um material ótico refrativo transparente ou parcialmente transparente ou compreendendo uma superfície de redirecionamento de luz refletiva de uma camada cáustica.

[0016] É outro objeto desta invenção proporcionar um elemento de segurança ótico para utilização na autenticação ou proteção contra falsificação.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0017] De acordo com um aspeto, a presente invenção refere-se a um elemento de segurança ótico feito de um material ótico refrativo transparente ou parcialmente transparente e que compreende um conjunto ótico de uma camada cáustica tendo uma superfície de redirecionamento de luz com um padrão de relevo de dada profundidade e uma distância focal fc e um elemento de lente adjacente de distância focal fL configurado para redirecionar a luz incidente recebida de uma fonte de luz semelhante a um ponto através dele e formar uma imagem projetada contendo um padrão cáustico diretamente sobre uma retina de um observador que olha para a fonte semelhante a um ponto através do elemento de segurança ótico.

[0018] Deve-se notar também, com relação à propagação da luz, que, alternativamente, a ordem: fonte → camada cáustica → lente pode ser invertida como: fonte → lente → camada cáustica (um equivalente conhecido na ótica clássica).

[0019] O elemento de segurança ótico não altera a transparência de um objeto transparente ou parcialmente transparente ou de uma janela transparente incorporada no objeto. Também permite, de forma vantajosa, um manuseio simples e uma boa observação visual por um utilizador (um observador) ao verificar a presença do recurso de segurança e é compatível com processos de fabrico de produção em massa.

[0020] O aspeto transparente do elemento de segurança ótico refrativo torna-o particularmente adequado para marcar substratos pelo menos parcialmente transparentes (por exemplo, garrafas de vidro ou plástico, tampas de garrafa, vidros de relógio, joias, gemas, etc.). Preferentemente, o elemento de segurança ótico refrativo é transparente (ou parcialmente transparente) à luz visível (isto é, para comprimentos de onda de luz desde cerca de 380 nm até cerca de 740 nm).

[0021] O elemento de segurança ótico de acordo com a presente invenção compreende um dos seguintes: a) a camada cáustica tem uma distância focal positiva fc > 0 e o elemento de lente tem uma distância focal negativa (fL < 0), ou b) a camada cáustica tem uma distância focal negativa fc < 0 e o elemento de lente tem uma distância focal positiva fL >0.

[0022] Preferentemente, uma relação entre a distância focal do elemento de lente e a distância focal da camada cáustica satisfaz a seguinte equação: 1 1 1 −1 R−( + − ) ≥ dR , fL fC ds onde: R é a distância entre a camada cáustica e um olho do observador; ds é uma distância entre a fonte de luz semelhante a um ponto e o elemento de segurança ótico e dR é uma distância de leitura confortável do olho, que é pelo menos 25 cm.

[0023] A distância focal positiva é escolhida para ser igual ou maior que o valor absoluto da distância focal negativa.

[0024] A distância focal negativa pode variar desde -15 mm até - 125 mm e, preferentemente, desde -30 mm até -50 mm.

[0025] Por exemplo, a camada cáustica tem a distância focal negativa fc variando desde -30 mm até -50 mm e é combinada com o elemento de lente tendo uma distância focal positiva correspondente fL variando desde 30 mm até 50 mm, sendo o elemento de lente uma lente plano-convexa.

[0026] O elemento de segurança ótico de acordo com a invenção é utilizado para marcar um objeto selecionado a partir do grupo que compreende: produtos de consumo, documentos de valor e notas.

[0027] De acordo com outro aspeto, a presente invenção refere- se a um elemento de segurança ótico compreendendo uma superfície de redirecionamento de luz refletiva de um conjunto ótico formado por uma camada cáustica tendo um padrão de relevo de dada profundidade e uma distância focal fC e uma camada de material ótico adjacente de distância focal fL, o dito conjunto ótico sendo configurado para redirecionar a luz incidente recebida de uma fonte de luz semelhante a um ponto e para formar uma imagem projetada contendo um padrão cáustico diretamente sobre uma retina de um observador.

[0028] De acordo com a invenção, o elemento de segurança ótico compreende um dos seguintes: a) a camada cáustica tem uma distância focal positiva (fc > 0) e a camada de material ótico tem uma distância focal negativa (fL < 0), ou b) a camada cáustica tem uma distância focal negativa (fc < 0) e o elemento de lente tem uma distância focal positiva (fL > 0).

[0029] Preferentemente, uma relação entre a distância focal da camada de material ótico e a distância focal da camada cáustica satisfaz a seguinte equação: 1 1 1 −1 R−( + − ) ≥ dR , fL fC ds onde: R é a distância entre a camada cáustica e um olho; ds é uma distância entre a fonte de luz semelhante a um ponto e o elemento de segurança ótico e dRé uma distância de leitura confortável do olho, que é pelo menos 25 cm.

[0030] O elemento de segurança ótico de acordo com a invenção é utilizado para marcar um objeto selecionado a partir do grupo que compreende: produtos de consumo, documentos de valor e notas.

[0031] Ainda de acordo com outro aspeto, a presente invenção refere-se a um objeto marcado, selecionado a partir de um grupo que compreende produtos de consumo, documentos de valor e notas, que compreende o elemento de segurança ótico com recursos de segurança que podem ser facilmente autenticados visualmente por uma pessoa, sem utilizar qualquer outro meio (ou seja, a olho nu) ou utilizando meios fácil e comummente disponíveis (por exemplo, uma mera fonte de luz semelhante a um ponto comummente disponível).

[0032] Ainda de acordo com outro aspeto, a presente invenção refere-se a um método de autenticação visual de um objeto, marcado com o elemento de segurança ótico descrito no presente documento, por um observador, compreendendo as etapas de: - iluminar a superfície de redirecionamento de luz do elemento de segurança ótico com uma fonte de luz semelhante a um ponto à distância ds da superfície de redirecionamento de luz; - observar visualmente uma imagem virtual de um padrão cáustico à distância di a partir do elemento de segurança ótico e - decidir que o objeto é genuíno após a avaliação pelo observador de que o padrão cáustico é visualmente semelhante a um padrão de referência.

[0033] Ainda de acordo com outro aspeto, a presente invenção refere-se à utilização do elemento de segurança ótico, conforme descrito no presente documento, para autenticação ou proteção contra falsificação de um objeto selecionado a partir do grupo que compreende produtos de consumo, documentos de valor e notas.

[0034] A presente invenção será descrita mais completamente a seguir no presente documento com referência aos desenhos anexos, nos quais os mesmos números representam os mesmos elementos em todas as diferentes figuras, e nos quais aspetos e recursos proeminentes da invenção são ilustrados.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0035] A Fig. 1 é uma ilustração esquemática de uma configuração ótica do elemento de segurança ótico de acordo com um aspeto da presente invenção, em que a camada cáustica tem uma distância focal positiva (fC > 0) e o elemento de lente tem uma distância focal negativa (fL < 0).

[0036] A Fig. 2 é uma ilustração esquemática de uma configuração ótica do elemento de segurança ótico de acordo com um aspeto da presente invenção, em que a camada cáustica tem uma distância focal negativa (fC < 0) e o elemento de lente tem uma distância focal positiva (fL >

0).

[0037] A Fig. 3 ilustra uma configuração esquemática utilizada para registar imagens físicas seguindo a configuração ótica ilustrada na Fig.

1.

[0038] A Fig. 4 ilustra uma configuração esquemática utilizada para registar imagens físicas utilizando uma camada cáustica com distância focal negativa acoplada a uma lente positiva.

[0039] As Fig. 5 e Fig. 6 mostram exemplos das imagens adquiridas com a configuração acima mencionada utilizando uma camada cáustica positiva concebida para projetar uma imagem cáustica sobre uma superfície a 40 mm atrás do elemento de segurança ótico (fC = 40 mm), acoplado a elementos de lente negativa tendo fL = -30 mm e fL = -50 mm, respetivamente.

[0040] As Fig. 7 e Fig. 8 mostram exemplos de imagens adquiridas com a configuração descrita na Fig. 4 que está a utilizar uma distância focal negativa (fC = -40 mm) cópia do elemento ótico cáustico utilizado na Fig. 5 e Fig. 6 e está acoplado a elementos de lente positivos com distâncias focais fL = 40 mm e fL = 50 mm, respetivamente.

[0041] A Fig. 9 mostra exemplos de possíveis elementos de segurança óticos compreendendo: a) elemento com uma camada cáustica positiva 2 com lentículas positivas individuais 8 com um elemento de lente negativa 3 separado, b) elemento com uma camada cáustica 2 e com uma superfície posterior sendo um elemento de lente negativa 3, c) camada cáustica 2 sobre uma superfície do elemento de lente negativa 3 (soma de ambas as superfícies).

[0042] A Fig. 10 mostra exemplos de possíveis elementos de segurança óticos compreendendo: a) elemento com uma camada cáustica negativa 2 e um elemento de lente positiva separado 3, b) elemento com uma camada cáustica negativa 2 e com uma superfície posterior sendo um elemento de lente positiva 3, c) camada cáustica negativa 2 sobre uma superfície do elemento de lente positiva 3 (soma de ambas as superfícies).

[0043] As Fig. 11 e Fig. 12 ilustram esquemas óticos de criação de uma imagem sobre a retina pelo conjunto de lentículas da camada cáustica do elemento de segurança ótico, em que a camada cáustica tendo um comprimento focal positivo (fC > 0) e o elemento de lente tendo uma distância focal negativa (fL < 0) são combinados.

[0044] As Fig. 13 e Fig. 14 mostram esquemas óticos de criação de uma imagem sobre a retina pelo conjunto de lentículas da camada cáustica do elemento de segurança ótico, quando a camada cáustica tendo um comprimento focal negativo (fC < 0) e o elemento de lente tendo uma distância focal positiva (fL > 0) são combinados.

[0045] As Fig. 15 e Fig. 16 mostram uma configuração ótica e imagens simuladas (traçadas por raios) criadas por um elemento de segurança ótico tendo uma camada cáustica positiva com fc = 40 mm adjacente a uma lente negativa com fL = -40 mm e que está posicionado a 25 mm de um modelo de um olho com diâmetro de íris de 3 mm e 5 mm, respetivamente.

[0046] As Fig. 17 e Fig. 18 mostram imagens simuladas (traçadas por raios) criadas por um elemento de segurança ótico tendo uma camada cáustica negativa com fC = - 40 mm adjacente a uma lente positiva com fL = 40 mm e que está posicionado a distâncias de 25 mm e 40 mm, respetivamente, de um modelo de um olho com diâmetro de íris fixo de 3 mm.

[0047] As Fig. 19 e Fig. 20 mostram imagens criadas pelo elemento ótico tendo a camada cáustica com fC = −40 mm e o elemento de lente com fL = 45 mm, em que a camada cáustica com a distância focal negativa é colocada sobre o elemento de lente com a distância focal positiva.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0048] Nesta descrição, são utilizados vários termos, que são definidos mais abaixo.

[0049] Na ótica, o termo "cáustico" refere-se a um envelope de raios de luz refletido ou refratado por uma ou mais superfícies, pelo menos uma das quais é curvo, bem como à projeção de tais raios de luz sobre outra superfície. Mais especificamente, um cáustico é a curva ou tangente à superfície a cada raio de luz, definindo um limite de um envelope de raios como uma curva de luz concentrada. Por exemplo, o padrão de luz formado pelos raios solares no fundo de uma piscina é uma "imagem" cáustica ou padrão formado por uma única superfície de redirecionamento de luz refrativa (a interface ondulada ar-água), ao passo que a luz que atravessa a superfície curva de um copo d'água cria um padrão semelhante a uma cúspide numa mesa sobre a qual o copo d'água está apoiado enquanto atravessa duas ou mais superfícies (por exemplo, ar-copo, copo-água, ar- água...) que redirecionam o seu trajeto.

[0050] Um substrato de material ótico, utilizado para fazer um elemento (de segurança) ótico, é, por exemplo, um substrato de matéria- prima do qual uma superfície é especificamente formada, por exemplo, por usinagem, de modo a ter um padrão em relevo e, assim, formar uma superfície de redirecionamento de luz. O substrato de material ótico também pode ser moldado por meio de um processo de replicação como estampagem, moldagem, fundição por UV, etc.

[0051] Um substrato de material ótico adequado para um elemento ótico de redirecionamento de luz refrativa deve ser oticamente transparente, transparente ou pelo menos parcialmente transparente e mecanicamente estável. Para o propósito da invenção, ou seja, proporcionar um elemento ótico de segurança capaz de gerar um padrão cáustico visualmente reconhecível, um material transparente ou parcialmente transparente corresponde, na verdade, a um material de baixa distorção (haze, H) e alta transmitância (T), de modo que a difusão da luz não prejudique a formação de um padrão cáustico visualmente reconhecível. Tipicamente, uma transmitância T > 50 % é preferida, e T > 90 % é mais preferida. Também, pode ser utilizada uma distorção baixa H < 10 %, mas H < 3 % é preferida e H < 1 % é mais preferida. Um substrato de material ótico adequado também deve comportar-se corretamente durante o processo de formação (por exemplo, usinagem), de modo a proporcionar uma superfície lisa e sem defeitos. Um exemplo de um substrato adequado é uma placa oticamente transparente de PMMA (também conhecido pelos nomes comerciais de Plexiglas, Lucite, Perspex, etc.).

[0052] No caso de uma superfície de redirecionamento de luz refletiva, o substrato de material ótico não é necessariamente homogéneo ou transparente. Por exemplo, o material pode ser opaco à luz visível (a refletividade é então obtida por metalização clássica da superfície usinada). Um exemplo de um substrato adequado é um metal, tal como aqueles utilizados para originais de redes de difração reguladas e espelhos de laser, ou um substrato não refletivo que pode ser adicionalmente metalizado.

[0053] Nesta forma de realização, o termo "elemento de lente" pode ser uma camada cáustica refletiva (como uma camada de "espelho") aplicada sobre uma superfície de um substrato ou pode ser uma camada cáustica refrativa aplicada sobre uma superfície refletora de um substrato (elemento de transferência).

[0054] Uma "superfície(s) de redirecionamento de luz" é a superfície (ou superfícies) do elemento de segurança ótico responsável por redirecionar a luz proveniente de uma fonte sobre a superfície de projeção, onde o padrão cáustico é formado. De acordo com a presente invenção, a superfície de projeção é uma retina de um observador, como será descrito a seguir no presente documento.

[0055] O termo "padrão cáustico" (ou "imagem cáustica") é referido como o padrão de luz formado sobre uma superfície de projeção quando uma superfície ótica de formato adequado (ou seja, tendo um padrão de relevo apropriado) redireciona a luz a partir de uma fonte adequada (preferentemente, mas não necessariamente semelhante a um ponto) para desviá-la de algumas regiões da superfície de projeção e concentrá-la noutras regiões da superfície de projeção num padrão de luz predeterminado (isto é, formando assim o dito "padrão cáustico"). Redirecionamento refere- se à mudança de trajeto dos raios de luz a partir da fonte na presença do elemento ótico em relação ao trajeto a partir da fonte até à superfície de projeção na ausência do elemento ótico. De acordo com a invenção, a superfície de projeção a ser considerada é a retina de um olho humano.

[0056] Por sua vez, a superfície ótica curva será referida como "padrão em relevo", e o elemento ótico que é limitado por esta superfície será referido como elemento de segurança ótico. Deve-se notar que o padrão cáustico pode ser o resultado do redirecionamento da luz por mais de uma superfície curva e mais de um objeto, embora possivelmente pelo preço de uma maior complexidade. Além disso, um padrão em relevo para gerar um padrão cáustico não deve ser confundido com um padrão difrativo (como, por exemplo, em hologramas de segurança). De acordo com uma forma de realização preferida da invenção, a profundidade máxima do padrão de relevo do elemento de segurança ótico é < 250 µm ou mais preferivelmente < 30 µm, embora esteja acima do limite imposto pela usinagem de ultraprecisão (ultra-precision machining, UPM) e processo de reprodução, ou seja, cerca de 0,2 µm. De acordo com esta descrição, a diferença de altura entre o ponto mais alto e o mais baixo no padrão em relevo sobre a superfície de redirecionamento de luz é referida como profundidade de relevo.

[0057] Os elementos cáusticos são, de modo geral, concebidos para projetar um padrão de luz sobre um ecrã atrás do elemento. Para ilustrar um conceito da invenção, uma superfície cáustica pode ser modelada como uma coleção de elementos de lente pequena, ou seja, "lentículas", definindo conjuntamente a superfície. Deste modo, com este modelo de brinquedo, a superfície cáustica pode ser imaginada como uma coleção de lentículas positivas com comprimento focal, por exemplo, de aproximadamente 40 mm. Esta é a distância na qual a imagem cáustica é formada em projeção quando iluminada com feixe colimado. De facto, o elemento de segurança é um conjunto ótico de uma camada cáustica (tendo uma superfície cáustica com padrão de relevo) e um elemento de transferência para redirecionar a luz incidente. O elemento de transferência pode ser um elemento de lente (ou uma pluralidade de elementos de lente coaxiais) ou um mero elemento de suporte, possivelmente refletivo, sobre o qual a camada cáustica é aplicada.

[0058] Para os exemplos da vida real, as camadas cáusticas são utilizadas na presente invenção em combinação com lentes apropriadas (isto é, elementos de transferência), para obter uma imagem que se forma diretamente sobre a retina do observador. Estas camadas cáusticas podem ser de dois tipos: - "positivas" quando são capazes (tomados isoladamente) de formar uma imagem cáustica real projetada sobre uma superfície, sob iluminação a partir de uma fonte de luz pontual; - "negativas" quando são capazes de formar uma imagem virtual (do mesmo lado da fonte de luz).

[0059] Em ambos os casos acima (camadas cáusticas positivas e negativas), a imagem é tipicamente formada a uma distância (di ) de alguns cm do elemento ótico; por exemplo, a 40 mm quando a fonte está no infinito (ou seja ds ≫ di ). Este valor é chamado no presente documento de "distância focal" (fC ) da camada cáustica, em analogia com o caso de uma lente clássica. Se uma determinada superfície da camada cáustica projeta uma imagem cáustica real, a superfície complementar projetaria uma imagem idêntica, mas virtual, e vice-versa. O comprimento focal das duas superfícies também teria o mesmo valor absoluto (e sinal oposto). Nos exemplos fornecidos mais abaixo, são utilizadas ambas superfícies cáusticas positivas e negativas.

[0060] Voltando às imagens, a lente (como um elemento de transferência) transforma uma imagem real projetada pelo elemento cáustico numa imagem virtual, na distância de leitura apropriada, de forma que uma imagem seja criada diretamente sobre a retina ao olhar através da amostra. A imagem pode ser, por exemplo, um logotipo, uma foto, um número ou qualquer outra informação que possa ser relevante num contexto específico.

[0061] Os termos "imagem real" e "imagem virtual" são utilizados aqui em analogia com a ótica clássica. Para uma imagem real, feixes de raios correspondentes aos pontos da imagem convergem. Para uma imagem virtual, feixes (divergentes) de raios parecem originar-se dos pontos de imagem correspondentes quando estendidos para trás, mas se um ecrã estiver localizado na localização da imagem virtual, não seria formada sobre ele qualquer imagem real.

[0062] Correspondentemente, a imagem virtual de uma fonte de luz é chamada de fonte virtual.

[0063] Com a finalidade de explorar um grande número de superfícies óticas, configurações e parâmetros, fabricar todas as camadas cáusticas relevantes torna-se proibitivamente caro e, no seu lugar, foi utilizada modelagem ótica. A modelagem ótica foi feita com traçado a raios, utilizando um programa comercial (Zemax). Deve ser enfatizado que a precisão da modelagem é comparável à utilizada para a maioria das aplicações em ótica de obtenção de imagens (por exemplo, conceção de lente de câmara). Por isso, pode-se presumir que os resultados correspondem à realidade com um alto grau de confiança.

[0064] Os parâmetros utilizados para modelar o olho humano estão resumidos no quadro 1 abaixo. Quadro 1 Parâmetros de modelagem do olho humano Comprimento focal, f 17 mm (por exemplo, 17 mm no ar e 22 mm na água) Diâmetro da íris, díris 2,5 a 7 mm (por exemplo, íris fechada de 3 mm e íris dilatada de 5 mm) Distância de leitura, dR 250 mm Ângulo de obtenção de 5° (fóvea - obtenção de imagem aguda)

imagem do olho, θ 20° (mácula)

[0065] A Fig. 1 mostra um esquema ótico do elemento ótico de segurança de acordo com um aspeto da presente invenção, em que a camada cáustica tem uma distância focal positiva (𝑓𝐶 > 0) e o elemento de lente tem uma distância focal negativa (𝑓𝐿 < 0). De modo a ver uma imagem com o olho após a iluminação pela fonte de luz 1, uma camada cáustica 2 com altura de pico a vale ∆h = 30 µm e distância focal de 40 mm foi combinada com um elemento de lente negativa 3 inserido próximo a ela (na forma de realização ilustrada na Fig. 1, no lado do olho). Conforme mostrado na Fig. 1, a fonte de luz 1 está localizada a uma distância de pelo menos 400 mm da camada cáustica 2. A configuração é mantida na frente do olho 4, a uma distância de cerca de 20 - 30 mm, que é considerada como a distância de descanso do olho (eye relief) R. Uma imagem 5 na retina também é mostrada na Fig. 1. Os feixes que saem do elemento de segurança ótica são divergentes e, portanto, a íris do olho limita o campo de visão e a porção da imagem cáustica que é vista. Quanto mais próximo o elemento ótico estiver do olho, maior é o campo de visão e maior é a porção da imagem cáustica que é vista.

[0066] A Fig. 2 mostra um esquema ótico de um elemento de segurança ótico, em que a camada cáustica tem uma distância focal negativa (𝑓𝐶 < 0) e o elemento de lente tem uma distância focal positiva (𝑓𝐿 > 0). O elemento cáustico 2' tem uma superfície que é uma cópia negativa do elemento original utilizado na Fig. 1 e, como resultado, tem uma distância focal negativa de -40 mm. É combinado com o elemento de lente positiva 3' e é mantido de forma semelhante à configuração na Fig. 1 à distância R do olho 4. Conforme mostrado na Fig. 2, a fonte de luz 1 está localizada a uma distância de pelo menos 400 mm do elemento cáustico 2'. Uma imagem 5 é criada sobre a retina do olho. Conforme mostrado na figura, uma porção maior da imagem cáustica é vista em comparação com a da Fig. 1, pois os raios na saída do elemento de segurança são convergentes e a íris do olho está a recortar menos raios antes de atingirem a retina.

[0067] Uma configuração esquemática utilizada para registar imagens físicas é mostrada na Fig. 3. O olho é simulado por um módulo de câmara comercial 6 (uEye UI-1225LE-C-HQ) equipado com uma objetiva 8 de distância focal de 16 mm (Fujinon HF16A-1B) focada a 250 mm e um sensor de cor VGA 7. A configuração é escolhida para adquirir imagens que se assemelham ao que é visto pelo olho. Neste caso, uma camada cáustica 2 com altura de pico a vale ∆h = 30 µm (usinada sobre uma placa de PMMA de 10x10 mm de 2 mm de espessura) e distância focal de 40 mm é combinada com um elemento de lente negativa 3 inserido próximo a ela. Os elementos de lente negativa 3 a ser utilizados têm respetivas distâncias focais de -15, -30, -50 e -125 mm. Na forma de realização mostrada na Fig. 3, a distância entre o elemento de lente negativa 3 e a objetiva 8 é de 50 mm. A fonte de luz 1 é uma lâmpada de flash de um telemóvel, na presente forma de realização não limitativa, sendo um LED de um telefone Samsung S3. Conforme mostrado na Fig. 3, a fonte de luz 1 está localizada a uma distância de pelo menos 400 mm da camada cáustica 2.

[0068] O sensor da câmara simulou a retina, onde a imagem cáustica foi formada. Em alguns casos, também foi utilizada uma abertura maior, para maximizar o campo de visão. Na presente divulgação, o termo "campo de visão" significa o tamanho lateral da janela visível, não o seu tamanho angular. Também foi notado que com a distância dada até ao elemento cáustico de cerca de 50 mm, a imagem registada pela câmara foi semelhante ao que foi visto com o olho num ambiente normal de escritório ao olhar através do elemento cáustico numa lanterna de bolso enquanto a íris está aberta cerca de 3 a 4 mm.

[0069] A Fig. 4 mostra uma configuração esquemática utilizada para registar imagens físicas. Como na Fig. 3, o olho é simulado por um módulo de câmara comercial 6 (uEye UI-1225LE-C-HQ) equipado com uma objetiva 8 de distância focal de 16 mm (Fujinon HF16A-1B) focada a 250 mm (diafragma totalmente aberto) e um sensor de cor VGA 7, e a fonte de luz 1 é uma lâmpada de flash de um telemóvel (na presente forma de realização não limitativa sendo o LED de um telefone Samsung S3). Uma camada cáustica 2' com altura de pico a vale ∆h = 30 µm (obtida como uma cópia da superfície da camada cáustica utilizada na Fig. 3) e distância focal negativa de -40 mm é combinada com um elemento de lente positiva 3' inserido ao lado dela. Os elementos de lente positiva 3' têm distâncias focais respetivas de 40 mm e 50 mm. Na forma de realização mostrada na Fig. 4, a distância entre o elemento de lente negativa 3 e a objetiva 8 é de 5 mm. A fonte de luz 1 está localizada a uma distância de pelo menos 400 mm da camada cáustica 2'.

[0070] A Fig. 5 e a Fig. 6 mostram exemplos das imagens adquiridas com a configuração acima mencionada da Fig.3 utilizando elementos de lente negativa tendo fL = -30 mm e fL = -50 mm, respetivamente, e camadas cáusticas com distâncias focais fc = 40 mm.

[0071] Em particular, a Fig. 5 representa uma imagem nítida com o campo de visão (field of view, FOV) que pode cobrir apenas 2/3 do símbolo

100. Isto é o que se vê com o olho quando se olha através do elemento na direção de uma lâmpada de flash de um telemóvel.

[0072] Por sua vez, a Fig. 6 mostra que utilizar o elemento de lente negativa com fL = -50 mm a imagem começa a tornar-se turva, pois o elemento de lente negativa não é suficientemente poderoso para compensar a distância focal positiva da camada cáustica. O FOV é maior do que com o elemento de lente com fL= -30 mm, e é vista uma porção maior da imagem. Contudo, a imagem ocupa uma área menor sobre o sensor ("retina"). Consequentemente, aumentando a distância focal, o campo de visão é aumentado, mas a ampliação é reduzida.

[0073] As Fig. 7 e Fig. 8 mostram exemplos de imagens adquiridas com a configuração descrita na Fig. 4. Uma cópia da camada cáustica utilizada para gerar as imagens na Fig. 5 e Fig. 6 é utilizada aqui como uma camada cáustica negativa, com comprimento focal fc = -40 mm, para gerar as imagens nas Fig. 5 e Fig. 6. São utilizadas fL = 40 mm e fL = 50 mm de lentes positivas para criar imagens virtuais adequadas para observação. Em ambos os casos, a parte do padrão cáustico que é vista é muito maior em comparação com os exemplos dados nas Fig. 5 e Fig. 6. Isto deve-se aos feixes de luz convergentes após tais elementos de segurança óticos. No caso mostrado na Fig. 8 a ampliação é menor e parte do recorte circular deve-se à abertura da lente de 12,7 mm. Em ambos os casos, tal configuração permite ver totalmente a abertura da camada cáustica com dimensões de 10x10 mm.

[0074] Com a finalidade de determinar os parâmetros relevantes e o intervalo prático de aplicabilidade dos elementos óticos, as funções desempenhadas por cada componente do conjunto ótico que forma o elemento ótico são descritas e analisadas separadamente.

[0075] Num elemento ótico real, estas funções podem ser executadas em conjunto por um único elemento que atua como uma camada cáustica e como um elemento de transferência ou separadamente por um conjunto ótico de uma camada cáustica e um (ou mais) elemento(s) de transferência, conforme ilustrado pela Fig. 9 e Fig. 10.

[0076] A Fig. 9 mostra exemplos de possíveis elementos óticos compreendendo: a) elemento com uma camada cáustica 2 com lentículas 9 e um elemento de lente negativa (plano-côncavo) 3 separado (elemento de transferência), b) elemento com uma camada cáustica com lentículas 9 e um elemento de transferência com uma superfície posterior curva sendo um elemento de lente negativa 3, c) camada cáustica com lentículas 9 sobre uma superfície curva de um elemento de lente negativa (plano-côncavo) 3 (soma de ambas as superfícies).

[0077] A Fig. 10 mostra exemplos de elementos óticos possíveis compreendendo: a) elemento com uma camada cáustica negativa 2 com lentículas 9 e um elemento de lente positiva (plano-convexo) 3 separado, b) elemento com uma camada cáustica negativa com lentículas 9 e com uma superfície posterior sendo um elemento de lente positiva 3, c) camada cáustica negativa com lentículas 9 sobre uma superfície do elemento de lente positiva 3 (soma de ambas as superfícies). Deve-se notar que todas as superfícies que apresentam uma depressão (altura de curvatura) acima do máximo permitido pelas restrições externas (pico a vale estendendo-se no máximo predefinido) podem ser reduzidas pela técnica de "Fresnelização".

[0078] Além disso, como um sistema de modelo de brinquedo conveniente, é utilizada uma matriz de microlentes para projetar uma "imagem cáustica" (ou "padrão cáustico") consistindo numa matriz regular de pontos. Com a finalidade de explicar o princípio de funcionamento da invenção, esta abordagem tem várias vantagens em relação à utilização de uma superfície de camada cáustica mais elaborada: - o sistema escolhido é muito simples de entender, descrever e modelar; - contém os recursos mais relevantes de uma camada cáustica; - os parâmetros relevantes podem ser definidos analiticamente e têm um significado bem definido (por exemplo, a distância focal da camada cáustica).

[0079] Os conceitos assim explorados podem então ser transferidos de uma maneira direta para o caso mais elaborado de uma superfície de camada cáustica genérica. Dentro deste esquema, um elemento ótico combina as seguintes funções: - criar uma imagem cáustica (real ou virtual) na mesma localização no espaço (não necessariamente dentro do poder de acomodação do olho); - transferir a imagem cáustica para uma localização apropriada, de forma que possa ser focalizada pelo olho sobre a retina. Dado o poder de acomodação do olho, a imagem retransmitida deverá estar localizada a pelo menos 25 cm do olho. Na prática, o elemento ótico é posicionado imediatamente à frente do olho ou, no máximo, a alguns centímetros dele, portanto, a imagem retransmitida é formada atrás do elemento ótico (imagem virtual); - direcionar a imagem formando raios de forma que possam passar pela pupila sem serem recortados.

[0080] Existem duas maneiras principais de alcançar as duas primeiras funções (a terceira função será discutida separadamente mais adiante).

[0081] Uma forma de realização consiste em combinar uma camada cáustica com uma distância focal positiva (𝑓𝐶 > 0) e um elemento de lente com uma distância focal negativa (𝑓𝐿 < 0), veja-se a Fig. 9 e ainda Figs. 11-12 que representam esquemas óticos de criação de uma imagem na retina pelo conjunto de lentes 3 e lentículas da camada cáustica 2 do elemento ótico 10. Utilizando o modelo de brinquedo acima para explicar esta forma de realização, com um feixe de luz colimado 11 a partir de uma fonte localizada a uma grande distância ou no infinito, o elemento de lente negativa 3 cria uma imagem virtual 12 da fonte. A imagem virtual 12 está localizada entre o elemento ótico 10 e o ponto focal da lente 3. A luz proveniente da imagem virtual 12 é dividida em campos de luz pela matriz de lentícula e a lente do olho 14 cria vários pontos brilhantes na retina, que são várias imagens 13 da fonte virtual 12, com cada ponto brilhante correspondendo a uma lente da matriz de lentícula. A lente ocular 14 atua como lente de Fourier, focalizando todos os feixes paralelos num ponto sobre a retina. O conjunto de pontos brilhantes no plano de imagem da retina 15 forma um raster como uma imagem cáustica.

[0082] Em alternativa, a superfície cáustica positiva pode ser vista como projetando uma imagem real (um ponto por lentícula), que é transformada pela lente negativa numa imagem virtual à distância apropriada do olho indicada como 17 na Fig. 12. Deve-se notar que um elemento ótico com camada cáustica positiva tem um diâmetro de campo de visão (FOV) que é limitado pelo diâmetro da íris 16. Esta limitação pode ser vista nas fórmulas: d1 = díris │fL│/(│fL│ + R), d2 = 2│fL│tan(θ/2), e dFOV = mín(d1, d2). onde díris é o diâmetro da íris, R é a distância entre a camada cáustica e um olho, 𝑓𝐿 é a distância focal do elemento de lente e θ é o ângulo de obtenção de imagem do olho em consideração. Por exemplo, considerando apenas a porção de maior resolução do olho (fóvea) θ = 5° enquanto considera também a porção da retina com resolução mais baixa, θ = 20° (veja-se o Quadro 1).

[0083] No caso limitante onde R tende a zero o dFOV é o maior, mas nunca maior do que a íris do olho. Além disso, um caso com R = 0 mm é impossível, pois deve haver sempre alguma distância desde o olho até à camada cáustica.

[0084] Outra forma de realização consiste em combinar a camada cáustica tendo uma distância focal negativa (𝑓𝐶 < 0) e o elemento de lente tendo uma distância focal positiva (𝑓𝐿 > 0), veja-se a Fig. 10 e ainda Fig. 13 e Fig. 14 representando esquemas óticos de criação de uma imagem na retina (plano de imagem de retina 15) pelo conjunto de lentículas da camada cáustica 2' combinadas com o elemento de lente positiva 3' num elemento ótico 10.

[0085] Como já mencionado, uma camada cáustica com uma distância focal negativa (𝑓𝐶 < 0) é capaz de formar uma imagem cáustica virtual 12 sobre o mesmo lado da fonte de luz. Cada uma das pequenas lentes da camada cáustica 2 cria uma fonte virtual (imagem virtual da fonte) antes do elemento de lente 3. O conjunto destas fontes virtuais é um objeto virtual que é então visualizado pelo seguinte elemento de lente positiva 3 para formar a imagem cáustica virtual 17 que o próprio olho visualiza na sua retina 15 sob a forma da imagem 13. Deve-se notar que a distância focal das lentes positivas deve ser escolhida para ser igual ou maior que o valor absoluto do foco das lentículas cáusticas. Isto permite a criação da imagem cáustica virtual 17 além da distância de leitura mínima dR para o olho e evita forçar o olho para visualizar raios a partir de cone de luz convergente. Deste modo, a formação de uma imagem virtual a uma distância apropriada d R facilita a acomodação dos olhos.

[0086] Aqui, a parte da camada cáustica que é vista pelo olho, ou seja, o diâmetro do campo de visão (dFOV), é definido pelo ângulo de formação de imagem do olho θ e o diâmetro da íris do olho díris, veja-se a Fig. 13 e a Fig. 14. Neste caso: dFOV = mín (d1,d2) onde: d1 = 2fL tan(θ/2) d2 = díris/│1-R/fL│

[0087] No geral, aumentar a distância R até a distância focal da lente fL permite ver uma parte maior do elemento ótico (ao contrário do caso da camada cáustica positiva). Como no exemplo anterior, o ângulo de obtenção de imagem do olho θ em consideração determina o quão precisa a imagem cáustica será vista. Acima do limite angular da fóvea (acima de 5°), a imagem cáustica é percebida pelo olho, mas com resolução decrescente.

[0088] O requisito de que a imagem virtual seja formada a uma distância de leitura confortável 𝑑𝑅 do olho (convencionalmente, pelo menos 25 cm), traduz-se na seguinte equação: 1 1 −1 R − ( + ) ≥ dR fL fC onde: fL e fC são as distâncias focais do elemento de lente e da camada cáustica, respetivamente; R é a distância entre a camada cáustica e um olho; e dR é uma distância de leitura confortável do olho, que é pelo menos

25 cm.

[0089] Deve-se notar que a fórmula acima mencionada é assintoticamente exata para uma fonte de luz no infinito. Para uma distância finita ds da fonte, a equação certa é de facto: 1 1 1 −1 R − ( + − ) ≥ dR f L f C ds

[0090] Na prática, o ds é suficientemente grande para ser considerado no infinito (e, portanto, 1/ds ≈ 0), de modo que a fórmula assintótica é utilizada na discussão que se segue.

[0091] Como já apontado, nem todos os raios que parecem originar-se a partir da fonte virtual podem entrar na pupila e alcançar a retina, já que alguns deles são bloqueados pela íris. Correspondentemente, apenas uma porção da imagem alvo se forma sobre a retina e o resto é recortado. Que parte da imagem é finalmente visível depende da geometria e dos parâmetros da lente, como mostrado nas Figs. 11 a Fig. 14.

[0092] Em particular, quando uma camada cáustica negativa é combinada com um elemento de lente positiva, o envelope dos feixes de raios está a convergir para a pupila. Por outro lado, quando uma camada cáustica positiva é combinada com um elemento de lente negativa, o envelope dos feixes de raios está a divergir. Por isso, para a finalidade de ter uma porção maior da imagem visível, é preferível trabalhar com uma camada cáustica negativa combinada com um elemento de lente positiva.

[0093] Mais especificamente, se o diâmetro do campo de visão (dFOV) é definido como o diâmetro da porção da camada cáustica que está realmente a contribuir para a imagem formada sobre a retina, pode-se ver imediatamente que: - quando uma camada cáustica positiva é combinada com um elemento de lente negativa, o dFOV está destinado a ser menor que o diâmetro da pupila díris, já que dFOV = díris │fL│/(│fL│+R); - quando uma camada cáustica negativa é combinada com um elemento de lente positiva, o dFOV pode ser substancialmente maior do que o díris, dependendo da geometria exata e se a restrição definida a partir do ângulo máximo de obtenção imagem do olho θ está relaxada.

[0094] No caso de uma camada cáustica positiva combinada com um elemento de lente negativa, a imagem é recortada pela íris. Para uma determinada distância focal da camada cáustica, quanto maior a distância focal do elemento de lente (em valor absoluto, |fL |), maior a porção da imagem cáustica projetada sobre a retina. Contudo, |fL | não pode ser arbitrariamente grande, já que para |fL | > fC o poder de acomodação do olho já não é suficiente para colocar a imagem em foco sobre a retina, pois não irá satisfazer a Equação (E). Também, mesmo à medida que |fL | aumenta, o tamanho percebido da imagem não o faz. Por outras palavras, torna-se visível uma maior porção da imagem simplesmente porque os detalhes se tornam menores, não porque o enquadramento da imagem fique maior.

[0095] As Fig. 15 e Fig. 16 mostram a utilização de um elemento ótico de segurança colocado a 25 mm do olho de um observador e construído com uma camada cáustica positiva com distância focal fC = 40 mm associada a um elemento de lente negativa de distância focal fL = -40 mm. A luz divergente a partir do elemento ótico é recortada pela íris do olho com diâmetro díris = 3 mm como mostrado na Fig. 15. É vista uma pequena parte de toda a imagem cáustica. Apesar do campo de visão limitado, o olho pode explorar a imagem para ver uma parte muito maior da imagem cáustica pretendida, para garantir a autenticidade do objeto.

[0096] Uma maneira de aumentar a parte do padrão cáustico a ser visto é diminuir a luz transmitida e forçar o olho a abrir a sua íris. A Fig. 16 mostra uma parte maior do padrão cáustico que é visto pelo olho quando a íris está aberta até díris = 5 mm. A imagem sobre a retina do olho mostrada à direita é semelhante à imagem que é adquirida por uma câmara como mostrado na Fig. 5 com camada cáustica com distância focal fC = 40 mm e elemento de lente negativa com distância focal fL = -30 mm.

[0097] Deve ser indicado que em circunstâncias fisiologicamente normais, o olho responde à luz fechando a pupila, o que resulta numa situação conflitante: por um lado, seria desejável que se formasse uma imagem brilhante sobre a retina, enquanto, ao mesmo tempo, a pupila deve ficar o mais aberta possível.

[0098] A partir destas considerações, é evidente que a combinação de uma camada cáustica positiva com um elemento de lente negativa pode ser utilizada para projetar uma imagem cáustica sobre a retina, mas não é ideal no que diz respeito à experiência do utilizador.

[0099] No caso de uma camada cáustica negativa combinada com um elemento de lente positiva, o problema de recorte pode ser resolvido com uma escolha apropriada da geometria e dos parâmetros. Dado que com este esquema os feixes de raios convergem para a pupila, é normalmente visível uma fração maior da imagem, para um determinado diâmetro de pupila.

[00100] Se a íris do olho for considerada como estando aberta desde 3 até 5 mm em condições normais, então, por exemplo, uma camada cáustica com uma distância focal negativa de -40 mm e lente positiva de 40 mm, mantida a uma distância de 25 mm do olho, permitiria ver uma porção do elemento cáustico maior do que 7,5 mm.

[00101] Preferentemente, a fim de ver uma porção ainda maior da camada cáustica, é possível aumentar a distância do olho desde 25 mm até, por exemplo, 40 mm, como mostrado na Fig. 17 e Fig. 18. No caso geral de um elemento cáustico negativo combinado com um elemento de lente positiva, a distância ideal do olho é aproximadamente igual à distância focal do elemento de lente positiva.

[00102] As Fig. 17 e Fig. 18 mostram imagens simuladas (isto é, traçadas por raios) criadas por um elemento de segurança ótico tendo uma camada cáustica negativa com fC = - 40 mm adjacente a uma lente positiva com fL = 40 mm e que está posicionado a distâncias de 25 mm e 40 mm, respetivamente, de um modelo de um olho 4 com diâmetro de íris fixo de

3 mm. Na Fig. 17, a parte esquerda da figura mostra a configuração que consiste numa placa de camada cáustica e um elemento de lente negativa com um olho 4 de observador a uma distância de 25 mm, e a parte direita da figura mostra a imagem cáustica que é projetada sobre a retina de um observador. A imagem cáustica observada não está completa, pois a íris do olho com diâmetro de 3 mm está a recortar alguns raios que são redirecionados do padrão de relevo construído com lentículas negativas e acoplado a uma lente positiva e mantido a 25 mm do olho. A distância mais longa entre o elemento cáustico e o olho ajuda a reduzir o recorte da imagem cáustica, conforme mostrado na Fig. 18. Outra forma de reduzir o recorte da imagem cáustica é reduzir a intensidade da imagem, reduzindo a transmissão do elemento cáustico e, assim, forçar o olho a abrir a sua íris até, aproximadamente, 5 mm ou um diâmetro maior.

[00103] No caso particular, quando a distância do olho da camada cáustica é igual à distância focal do elemento de lente positiva, todos os feixes de raios convergem juntos e passam pela pupila sem serem perturbados.

[00104] A relação entre as distâncias focais do elemento de lente e a camada cáustica ainda deve satisfazer a equação (E) para que o olho seja capaz de focalizar os feixes de raios sobre a retina.

[00105] Até agora, as funções desempenhadas pelo elemento ótico cáustico e pela lente foram descritas separadamente e modeladas com dois componentes distintos. Isto é conveniente para a finalidade de compreender e explicar (i) como a imagem cáustica é formada e (ii) quais são os parâmetros relevantes. Na prática, contudo, não há nenhum requisito estrito neste sentido e as duas funções podem ser combinadas num único componente "efetivo".

[00106] Onde uma superfície de camada cáustica e uma superfície de elemento de lente são combinadas numa única superfície ótica, a superfície combinada pode ser calculada diretamente adaptando os métodos numéricos que são utilizados para o cálculo da superfície cáustica sozinha. Contudo, na maioria dos casos, a aproximação do elemento fino, paraxial é válida. Convenientemente, então, esta nova superfície corresponde simplesmente à soma algébrica das duas superfícies individuais. Por outras palavras, se a superfície do elemento de lente, com eixo z ao longo do eixo ótico do conjunto ótico, é dada por z = g L (x, y), e a superfície da camada cáustica por z = g C (x, y), então a superfície combinada equivalente resultante é dada por z = g L (x, y) + g C (x, y).

[00107] De acordo com a presente invenção, a camada cáustica pode ter o comprimento focal negativo fC variando desde -30 mm até -50 mm, por exemplo, fC = −40 mm e é combinado com o elemento de lente tendo uma distância focal positiva fL variando desde 30 mm até 50 mm, por exemplo fL = 45 mm, sendo o elemento de lente uma lente plano-convexa.

[00108] As Figs. 19-20 mostram imagens criadas pelo elemento ótico tendo a camada cáustica com fC = −40 mm e o elemento de lente com fL = 45 mm, em que a camada cáustica com a distância focal negativa é colocada sobre o elemento de lente com a distância focal positiva.

[00109] A este respeito, como mostrado na Fig. 19, para um diâmetro de íris de olho díris = 3 mm o campo visto pelo olho na distância de descanso do olho de 25 mm não corresponde à imagem completa e nem é mesmo circular. Afastar os cáusticos até uma distância de mais de 25 mm, por exemplo, até 40 mm, abre o campo de visão (FOV), o que melhora a qualidade da imagem criada. Isto é devidamente ilustrado pela Fig. 20.

[00110] De acordo com a presente invenção, o elemento de segurança ótico pode ser aplicado ou incorporado a um objeto, selecionado a partir de um grupo que compreende produtos de consumo, documentos de valor e notas, produzindo assim um objeto marcado de acordo com a invenção.

[00111] O dito objeto pode ser facilmente autenticado visualmente por um observador utilizando um método de autenticação visual do objeto marcado, compreendendo as etapas de: - iluminar a superfície de redirecionamento de luz do elemento de segurança ótico com uma fonte de luz semelhante a um ponto à distância ds da superfície de redirecionamento de luz; - observar visualmente uma imagem virtual de um padrão cáustico formado a uma distância do olho maior do que uma distância de leitura confortável dR (isto é, compatível com o poder de acomodação do olho) e - decidir que o objeto é genuíno após a avaliação pelo observador de que o padrão cáustico projetado é visualmente semelhante ao padrão de referência.

[00112] Por outras palavras, a autenticidade do elemento de segurança ótico (e, portanto, aquela do objeto marcado com este elemento de segurança) pode ser avaliada diretamente verificando visualmente um grau de semelhança entre o padrão cáustico projetado e o padrão de referência.

[00113] O elemento de segurança ótico de acordo com a invenção pode ser utilizado para autenticar ou proteger contra a falsificação de um objeto selecionado a partir do grupo que compreende produtos de consumo, documentos de valor e notas. Tal utilização compreende geralmente, mas não está limitada, a marcar o objeto com o elemento de segurança ótico e autenticar visualmente o objeto marcado, conforme acima mencionado.

[00114] Consequentemente, o objeto marcado pode ser autenticado por uma "pessoa na rua", utilizando meios comummente disponíveis. Após a iluminação por uma fonte de luz adequada, uma imagem é projetada diretamente sobre a retina do observador e não modifica a transparência do objeto sobre o qual é aplicada. Vantajosamente, pode ser operada mesmo com uma fonte de luz fraca (por exemplo, um reflexo sobre uma superfície, um LED indicador, etc.). Além disso, a imagem projetada pelo recurso não tem uma aberração cromática significativa e não sofre de artefactos significativos de luz residual dispersa que não é utilizada para formar a imagem.

[00115] O assunto divulgado acima deve ser considerado ilustrativo e não restritivo e serve para proporcionar uma melhor compreensão das invenções definidas pelas reivindicações independentes.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Um elemento de segurança ótico feito de um material ótico refrativo transparente ou parcialmente transparente e que compreende um conjunto ótico de uma camada cáustica tendo uma superfície de redirecionamento de luz com um padrão de relevo de dada profundidade e uma distância focal fc e um elemento de lente adjacente de distância focal fL configurado para redirecionar a luz incidente recebida de uma fonte de luz semelhante a um ponto através dele e formar uma imagem projetada contendo um padrão cáustico diretamente sobre uma retina de um observador que olha para a fonte semelhante a um ponto através do elemento de segurança ótico.

2. O elemento de segurança ótico de acordo com a reivindicação 1, compreendendo um dos seguintes: a) a camada cáustica tem uma distância focal positiva (𝐟𝐂 > 𝟎) e o elemento de lente tem uma distância focal negativa (𝐟𝐋 < 𝟎), ou b) a camada cáustica tem uma distância focal negativa (𝐟𝐂 < 𝟎) e o elemento de lente tem uma distância focal positiva (𝐟𝐋 > 𝟎).

3. O elemento de segurança ótico de acordo com a reivindicação 2, em que uma relação entre a distância focal do elemento de lente e a distância focal da camada cáustica satisfaz a seguinte equação: 1 1 1 −1 R−( + − ) ≥ dR , fL fC ds onde: R é a distância entre a camada cáustica e um olho do observador; ds é uma distância entre a fonte de luz semelhante a um ponto e o elemento de segurança ótico e dR é uma distância de leitura confortável do olho, que é pelo menos 25 cm.

4. O elemento de segurança ótico de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 ou 3, em que a distância focal positiva é escolhida para ser igual ou maior do que o valor absoluto da distância focal negativa.

5. O elemento ótico de segurança de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 4, em que a distância focal negativa varia desde -15 mm até -125 mm, em particular desde –30 mm até -50 mm.

6. O elemento ótico de segurança de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 5, em que a camada cáustica tem a distância focal negativa 𝐟𝐂 variando desde -30 mm até -50 mm e é combinada com o elemento de lente tendo uma distância focal positiva 𝐟𝐋 variando desde 30 mm até 50 mm, sendo o elemento de lente uma lente plano-convexa.

7. O elemento de segurança ótico de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, que marca um objeto selecionado a partir do grupo que compreende: produtos de consumo, documentos de valor e notas.

8. Um elemento de segurança ótico compreendendo uma superfície de redirecionamento de luz refletiva de um conjunto ótico formado por uma camada cáustica tendo um padrão de relevo de dada profundidade e uma distância focal fC e uma camada de material ótico adjacente de distância focal fL, o dito conjunto ótico sendo configurado para redirecionar a luz incidente recebida de uma fonte de luz semelhante a um ponto e para formar uma imagem projetada contendo um padrão cáustico diretamente sobre uma retina de um observador.

9. O elemento de segurança ótico de acordo com a reivindicação 8, compreendendo um dos seguintes: a) a camada cáustica tendo uma distância focal positiva (𝐟𝐂 > 𝟎) e a camada de material ótico tendo uma distância focal negativa (𝐟𝐋 < 𝟎), ou b) a camada cáustica tendo uma distância focal negativa (𝐟𝐂 < 𝟎) e o elemento de lente tendo uma distância focal positiva (𝐟𝐋 > 𝟎).

10. O elemento de segurança ótico de acordo com a reivindicação 9, em que uma relação entre a distância focal da camada de material ótico e a distância focal da camada cáustica satisfaz a seguinte equação: 1 1 1 −1 R−( + − ) ≥ dR , fL fC ds onde: R é a distância entre a camada cáustica e um olho;

ds é uma distância entre a fonte de luz semelhante a um ponto e o elemento de segurança ótico e 𝐝𝐑 é uma distância de leitura confortável do olho, que é pelo menos 25 cm.

11. O elemento de segurança ótico de acordo com a reivindicação 8, que marca um objeto selecionado a partir do grupo que compreende: produtos de consumo, documentos de valor e notas.

12. Um objeto marcado, selecionado a partir de um grupo que compreende produtos de consumo, documentos de valor e notas, que compreende o elemento de segurança ótico de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11.

13. Um método de autenticar visualmente um objeto, marcado com o elemento de segurança ótico de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, por um observador, compreendendo as etapas de: iluminar uma superfície de redirecionamento de luz do elemento de segurança ótico com uma fonte de luz semelhante a um ponto à distância ds da superfície de redirecionamento de luz; observar visualmente através do elemento de segurança ótico uma imagem virtual de um padrão cáustico à distância di do elemento de 𝟏 𝟏 𝟏 −𝟏 segurança ótico, com 𝒅𝒊 = |( + − ) |; e 𝒇𝑳 𝒇𝑪 𝒅𝑺 decidir que o objeto é genuíno após a avaliação pelo observador de que o padrão cáustico é visualmente semelhante a um padrão de referência.

14. Uma utilização do elemento de segurança ótico de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, para autenticação ou proteção contra falsificação de um objeto selecionado a partir de um grupo que compreende produtos de consumo, documentos de valor e notas.