CH661803A5

CH661803A5 - Beugendes subtraktives farbfilter, das auf den einfallswinkel polychromatischen beleuchtenden lichtes anspricht.

Info

Publication number: CH661803A5
Application number: CH1561/83A
Authority: CH
Inventors: Karl Heinrich Knop; Rudolf Hans Morf
Original assignee: Rca Corp
Priority date: 1981-07-20
Filing date: 1982-06-30
Publication date: 1987-08-14
Also published as: CA1188139A; JPS58500916A; AU8760382A; WO1983000395A1; DE3248899C2; GB2113421B; CA1198919A; JPS6245533B2; FR2509873B1; NZ201332A; AU549963B2; FR2509873A1; IT8222440A1; IT8222440A0; ES514155A0; GB8305589D0; GB2113421A; NL8220263A; ES8401640A1; DE3248899T1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf beugende subtraktive Farbfilter und spezieller auf einen Typ von beugendem sub-traktiven Farbfilter, der besonders geeignet ist für die Verwendung als Beglaubigungsvorrichtung für einen beglaubigten Gegenstand, der ein Flächenmaterial enthält.

Es wird auf das US-Patent Nr. 3 957 354 Bezug genommen, welches am 18. Mai 1976 für Knop ausgegeben und auf den gleichen Zessionar wie die vorliegende Erfindung übertragen wurde. Dieses Patent, das sich auf eine Beugungssubtraktiv-farbfiltertechnik bezieht, arbeitet mit einem beugenden Phasenmedium (das transmittierend oder reflektierend sein kann), welches mit polychromatischem (z.B. weissem) Licht beleuchtet wird, um Ausgangslicht nullter Beugungsordnung von Ausgangslicht höherer Beugungsordnung zu trennen. Das Ausgangslicht nullter Beugungsordnung ist subtralctiv farbgefiltert, so dass es ferner Eigenschaften hat, welche durch solche Parameter wie die effektive optische Spitzenamplitude und das Wellenformprofil von räumlich verteilten Beugungselementen des beugenden Phasenmediums bestimmt werden. Das Aggregat der höheren Beugungsordnungen hat Farbeigenschaften, die das Komplement der nullten Beugungsordnung sind. Wie in diesem Patent diskutiert wird, können beugende subtraktive Farbfilter, die keine Farbstoffe enthalten, bei der Projektion von Farbbildern verwendet werden. In diesem Falle kann die nullte Beugungsordnung durch eine Apertur projiziert werden, die genügend weit ist, um die nullte Beugungsordnung aufzunehmen, jedoch nicht weit genug, um irgendwelche der höheren Beugungsordnungen aufzunehmen.

Es wird ferner auf das US-Patent Nr. 4 484 797 vom 27. Nov. 1984 Bezug genommen. Dieses Patent beschreibt einen Flächenmaterial-Beglaubigungsartikel mit einer reflektierenden, beugenden Beglaubigungsvorrichtung, bei welcher ein reflektierendes (und nicht ein transmittierendes) Beugungsfarbfilter eines Typs, wie er im US-Patent Nr. 3 957 354 beschrieben ist, verwendet wird, um verschiedene Artikel aus Flächenmaterialien, die einer Fälschung ausgesetzt sind, zu beglaubigen. Zu diesen Artikeln gehören z.B. Banknoten und andere wertvolle Dokumente, Kreditkarten, Reisepässe, Sicherheitsausweise und Schallplatten für ihre Hüllen. Eine solche Beglaubigungsvorrichtung verhindert, dass potentio-nelle Fälscher hochentwickelte Photokopiermaschinen zum farbigen Kopieren von Dokumenten verwenden. Solche Farbkopiermaschinen wären jetzt oder zumindest in der näheren Zukunft in der Lage, derart weitgehend getreue Farbkopien zu liefern, so dass es für einen Laien sehr schwierig, wenn nicht unmöglich wäre, zwischen einer Fälschung und einem echten Artikel zu unterscheiden. Die Grundforderung für eine an einem beglaubigten Artikel angebrachte Beglaubigungsvorrichtung ist, dass die Beglaubigungsvorrichtung eine charakteristische Eigenschaft aufweist, die vom Mann auf der Strasse leicht erkannt werden kann; dass die für die Herstellung der Beglaubigungsvorrich-tungen erforderliche technische Raffinesse und Kapitalkosten hoch sind, und dass die variablen Kosten pro Einheit zuzüglich der Amortisation der hohen Kapitalkosten per Einheit genügend niedrig sind, so dass sie kein Hindernis für den Gebrauch darstellen.

Wie in dem oben erwähnten US-Patent dargelegt ist, erfüllt ein reflektierendes beugendes subtraktives Farbfilter alle diese Forderungen. Ein solches Filter hat die Eigenschaft, bei seiner Beleuchtung mit polychromatischem Licht winkel-mässig getrennte reflektierte Beugungsordnungen unterschiedlicher Farben zu liefern. Eine solche Eigenschaft kann mit einer Photokopiermaschine nicht kopiert werden. Durch einfaches Kippen des beglaubigten Artikels sind die Winkeltrennung zwischen der nullten und den ersten Ordnungen und die Winkelbreite jeder Ordnung genügend gross, um einen Unterschied im Farbton zu ergeben, der von jedermann leicht erkennbar ist. Eine solche beugende Struktur erfordert ausserdem eine hohe Raffinesse und hohe Kapitalkosten für die Herstellung eines originalen Prägemasters, das dann durch Einprägen der beugenden Struktur in Kunststoff-Folie vervielfältigt werden kann. Diese Vervielfältigungskosten ermöglichen das Erreichen niedriger Stückkosten bei der Herstellung der reflektierenden beugenden Beglaubigungsvorrichtungen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen neuen Typ eines beugenden subtraktiven Farbfilters zu schaffen, der sowohl in Reflexion als auch in Transmission ungewöhnliche optische Eigenschaften hat. Das erfindungsgemässe Farbfilter soll mit Vorteil als reflektierende beugende Beglaubigungsvorrichtung gemäss den Lehren des oben erwähnten US-Patentes verwendbar sein.

Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Ausführungsformen davon ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 bis 22.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Fig. 1 ist ein Diagramm, das eine verallgemeinerte Ausführungsform einer beugenden Struktur, die die Prinzipien der vorliegenden Erfindung enthält, darstellt;

Fig. 2 zeigt ein spezielles, geometrisches einfaches Beispiel der in Fig. 1 allgemein dargestellten beugenden Struktur;

Fig. 3 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte zur Herstellung eines ersten praktischen Beispieles der in Fig. 1 generell dargestellten beugenden Struktur zeigt;

Fig. 3a zeigt eine erste Modifikation des Beispiels gemäss Fig. 3;

Fig. 3b zeigt in idealisierter Form die beugenden Strukturen der Fig. 3 und 3a mit einem vorgegebenen Satz von relativen Parameterwerten, und Fig. 3c, 3d und 3e zeigen die Reflexionsspektren nullter Ordnung der in Fig. 3b dargestellten Struktur für polychromatisches beleuchtendes Licht bei Einfallswinkeln von 0°, 20° bzw. 40°;

Fig. 4 zeigt eine zweite Modifikation einer beugenden Struktur, die durch das in Fig. 3 dargestellte Verfahren hergestellt wurde;

Fig 4a zeigt in idealisierter Form die beugende Struktur gemäss Fig. 4, die einen vorgegebenen Satz von relativen Parameterwerten hat, und die Fig. 4b und 4c zeigen die Reflexionsspektren nullter Ordnung der in Fig. 4a dargestellten Struktur für polychromatisches beleuchtendes Licht bei Einfallswinkeln von 0° bzw. 30° ;

Fig. 5 zeigt zeigt eine dritte Modifikation einer beugenden Struktur, die durch das Verfahren der Fig. 3 hergestellt wurde;

Fig. 5a zeigt in idealisierter Form die beugende Struktur

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der Fig. 5, die einen vorgegebenen Satz von relativen Parameterwerten hat, und die Fig. 5b und 5c zeigen die Reflexionsspektren nullter Ordnung der in Fig. 5a dargestellten Struktur für polychromatisches beleuchtendes Licht bei Einfallswinkeln von 0° bzw. 20°;

Fig. 6a und 6b zeigen die Spektren nullter Ordnung eines experimentellen Filters, das tatsächlich hergestellt wurde und eine beugende Struktur ähnlich der in Fig. 4 gezeigten hatte, für sichtbares polychromatisches beleuchtendes Licht bei Einfallswinkeln von 0° bzw. 30°;

Fig. 7 zeigt eine vierte Modifikation einer beugenden Struktur, die durch das in Fig. 3 dargestellte Verfahren hergestellt wurde, und

Fig. 8 und 9 zeigen Verwendungen von beugenden subtrak-tiven Farbfiltern, die die vorliegende Erfindung enthalten, als Beglaubigungsvorrichtung für einen beglaubigten Artikel.

Der hier verwendete Begriff «Licht» umfasst sichtbares Licht mit einem Wellenlängenspektrum von 0,4 - 0,7 ttm, ultraviolettes Licht mit einem Wellenlängenspektrum unter 0,4 lim und infrarotes Licht mit einem Wellenlängenspektrum über 0,7 (im. Obwohl sie nicht hierauf beschränkt ist, ist die vorliegende Erfindung besonders geeignet für die Verwendung mit diffusem polychromatischem sichtbarem (z.B. weissem) auf ein die vorliegende Erfindung enthaltendes beugendes subtraktives Farbfilter fallendem Licht, das auf das Filter gleichzeitig unter allen Einfallswinkeln zwischen 0° und 90° fällt.

Es ist bekannt, dass schräg einfallendes Licht gebrochen wird, wenn es durch die Grenzfläche zwischen zwei optischen Medien geht, die verschiedene Brechungsindizes haben. Solche Brechungseffekte brauchen jedoch nicht in Betracht gezogen zu werden, um die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu verstehen. Bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung wurden daher Brechungseffekte aus Gründen der Deutlichkeit ausser Acht gelassen.

Der Ausdruck «Vakuumwellenlänge», wie er hier verwendet wird, soll die Wellenlänge in Luft oder dgl. sowie im Vakuum bedeuten, da der Unterschied zwischem dem Brechungsindex der Luft und der des Vakuums im Vergleich zum Brechungsindex der die Filter selbst bildenden Materialien vernachlässigbar ist.

In Fig. 1, auf die nun Bezug genommen wird, ist ein erstes optisches Medium 100 dargestellt, das zwischen zwei entgegengesetzten Flächen 102 und 104 desselben eine Dicke t hat. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, erstreckt sich die Dicke t einer vertikalen Y-Richtung und die Flächen 102 und 104 verlaufen in einer horizontalen X-Richtung und einer zur Papierebene senkrechten Z-Richtung (nicht dargestellt). Das optische Medium 100 hat einen variierenden Brechungsindex, der es in nebeneinanderliegende periodische Beugungselemente 106 aufteilt, die eine Periode d haben, welche in der X-Rich-tung verläuft. Jedes einzelne Beugungselement 106 erstreckt sich dementsprechend längs der Z-Richtung (nicht dargestellt), senkrecht zur Papierebene. Die räumliche Verteilung n (x, y) des varriierenden Brechungsindex im Volumen jedes Beugungselements 106 unterteilt das betreffende Beugungselement in eine Mehrzahl getrennter dreidimensionaler Bereiche (z.B. Bereiche 108,110 und 112) relativ hohen und relativ niedrigen Brechungsindex bestimmten Wertes.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, hat jeder dieser Bereiche eine spezielle Grösse und Form. Der ganze Wert jedes Beugungselementes 106 hat daher einen mittleren Brechungsindex n. In Fig. 1 sind die Feinstrukturbereiche 108, 110 und 112 für das erste, das zweite und das letzte Beugungselement 106 dargestellt, während für das dritte und vierte Beugungselement 106 nur der mittlere Brechungsindex n angegeben ist. Sowohl die

Feinstruktur als auch der mittlere Brechungsindex n aller Beugungselemente 106 in Fig. 1 soll jedoch ähnlich sein.

Die Fläche 102 wird von einem zweiten optischen Medium 114 berührt, das eine Dicke t2 in der Y-Richtung und einen Brechungsindex m hat. Mit der Fläche 104 steht ein drittes optisches Medium 116 in Berührung, das eine Dicke b in der Y-Richtung und einen Brechungsindex m hat.

Angenommen, der Betrag einer etwaigen Absorption in beugenden subtraktiven Farbfiltern der Fig. 1 sei vernachlässigbar, so liefert ein erster Teil polychromatischen beleuchtenden Lichts 118, das unter einem Winkel a bezüglich der Normalen auf die obere Fläche 120 des zweiten optischen Mediums 114 fällt, reflektiertes Ausgangslicht 122 nullter Ordnung unter einem Reflexionswinkel a bezüglich der Normalen. Ein zweiterTeil des unter dem Winkel a bezüglich der Normalen einfallenden polychromatischen Lichts 118 ergibt schliesslich transmittiertes Licht 124 nullter Ordnung, das aus der unteren Fläche des dritten optischen Mediums 116 unter einem Winkel a bezüglich der Normalen austritt.

Die Polarisation und Farbcharakteristik der Spektren des reflektierten Lichts 122 nullter Ordnung hängt für jeden Reflexionswinkel vom Wellenlängenspektrum und vom Einfallswinkel des polychromatischen Lichts 118 sowie von den physikalischen Parametern des in Fig. 1 dargestellten beugenden subtraktiven Farbfilters ab. Zu diesen physikalischen Parametern gehören die jeweiligen Werte der Periode d der Beugungselemente 106 sowie die Dicke t des ersten optischen Mediums 100; die jeweiligen Werte des Brechungsindex n: des zweiten optischen Mediums 114 und n> des dritten optischen Mediums 116, und die jeweiligen Werte des variablen Brechungsindex n(x, y) als Funktion der räumlichen Verteilung im Volumen jedes beugenden Elements 106, welche jeweiligen Werte die Grösse und Form der verschiedenen Bereiche 108, 110 und 112 sowie den mittleren Brechungsindex n jedes beugenden Elements 106 bestimmen. Die gleichen Faktoren bestimmen die Färb- und Polarisationscharakteristikader Spektren des Transmissionïhchtes 124 nullter Ordnung, das unter dem Winkel a bezüglich der Normalen austritt, da das Transmissionslicht 124 eine Farbcharakteristik aufweist, die im speziellen Falle von absorptionsfreien Strukturen das Komplement des Refiexionslichtes 122 nullter Ordnung ist.

Es ist bekannt, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist und dass die Eigenschaften von elektromagnetischen Wellen durch die Maxwell'schen Gleichungen definiert werden. Es ist ferner bekannt, dass das einfallende Licht durch eine beugende Struktur nicht beeinflusst wird (also diese nicht sieht), wenn die Periode d der beugenden Stuktur wesentlich kleiner als die Wellenlänge des einfallenden Lichtes ist. Es ist auch bekannt, dass wenn die Periode d einer beugenden Struktur wesentlich grösser als die Wellenlänge des einfallenden Lichtes ist, die Beugungseigenschaften der beugenden Struktur mit vernachlässigbarem Fehler, ohne auf die Maxwell'schen Gleichungen zurückzugreifen, durch Verwendung der vereinfachenden Näherungen der Kirchoff-Huygens'schen Wellentheorie beschrieben werden können. Wenn jedoch, wie es bei der vorliegenden Erfindung der Fall ist, das Verhalten einer beugenden Struktur von beleuchtendem Licht abhängt, das ein Wellenlängenspektrum hat, welches Wellenlängen enthält, die generell in der Nähe der Periode d der beugenden Stuktur liegen, ist es wesentlich,

dass die Maxwell'schen Gleichungen für die Bestimmung der Eigenschaften der beugenden Struktur verwendet werden.

Die früher schon erwähnte Beziehung ( 1 ) lautet : n > max (n2, n3). Dies impliziert, dass der Wert des mittleren Brechungsindex n der durch das erste optische Medium 100 in Fig. 1 gebildeten optischen Struktur grösser als der Wert des Brechungsindex n2 des zweiten optischen Mediums 114, das

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mit der oberen Fläche 102 des ersten optischen Mediums 100 in Berührung steht, ist und auch grösser als der Wert des Brechungsindex n3 des dritten optischen Mediums 116, das in Berührung mit der unteren Fläche 104 des optischen Mediums 100 steht.

Die Beziehung(2) lautet:

d max (n2, ro) < Xi (2)

Die Wirkung dieser Bedingung ist, dass (zumindest in einem Teil des interessierenden Spektralbereiches und bei einem Betrachtungswinkel gleich einem Einfallswinkel a = 0) verhindert wird, dass irgendwelche anderen Beugungsordnungen als die nullte Ordnung, die eventuell mit dem ersten optischen Medium 100 erzeugt wurden, jemals in die Umgebung austreten. Das ganze reflektierte Licht und das ganze transmittierte Licht, das in die Umgebung austritt und schliesslich von senkrecht einfallendem (d.h. a = 0) polychromatischen Licht 118 gewonnen wird, enthält also ausschliesslich reflektiertes Licht 122 nullter Ordnung und transmittiertes Licht 124 nullter Ordnung.

Die Beziehung (3) lautet:

d(n+l)>A.i (3)

Da im ersten optischen Medium 100 der mittlere Brechungsindex n gross im Vergleich zu dem im wesentlichen Eins betragenden Brechungsindex der Umgebung ist, wird die Wellenlänge des Lichts im ersten optischen Medium 100 kürzer sein als die entsprechende Vakuumwellenlänge in der Umgebung. Aus der Beziehung (3) folgt, dass zumindest für einen sich 90° nähernden Einfallswinkel a innerhalb des ersten optischen Mediums 100 sich sowohl die nullte Beugungsordnung als auch mindestens eine erste Beugungsordnung ausbreiten können. Ausserdem müssen die jeweiligen Werte von und der Vakuumwellenlänge X ziemlich nahe beieinander liegen, damit sowohl die Beziehung (2) als auch die Beziehung (3) erfüllt ist. Es ist daher notwendig, von den Maxwell'schen Gleichungen Gebrauch zu machen, um die optischen Eigenschaften des in Fig. 1 dargestellten beugenden subtraktiven Farbfilters voraussagen zu können.

Die Beziehung (4) lautet:

tä4tä^i/4n (4)

Die Beziehung (4) bedeutet, dass das erste optische Medium 100 eine ausreichende Dicke t hat, um zu gewährleisten, dass eine verstärkende und auslösende Interferenz (infolge unterschiedlicher Weglängen) bei manchen Wellenlängen des Wellenlängenspektrums des polychromatischen Lichtes zwischen Lichtstrahlen, die von der Fläche 102 reflektiert werden, und Lichtstrahlen, die von der Fläche 104 reflektiert werden, eintritt, die sich schliesslich unter Bildung des reflektierten Lichts 122 nullter Ordnung vereinigen.

Die Filtereigenschaften eines beugenden subtraktiven Farbfilters, das allen oben angegebenen Bedingungen genügt, hängt von den speziellen Werten seiner physikalischen Parameter, wie m, n3, der Funktion n(x, y), welche die Grösse und Form jedes Bereiches 108,110 und 112 bestimmt, und den physikalischen Werten von t und d ab. Für den Entwurf eines speziellen Filters, müssen die Maxwell'schen Gleichungen für einen ausgewählten Satz dieser physikalischen Parameter bei verschiedenen Relativwellenlängen innerhalb eines Spektrums von Relativwellenlängen X/à gelöst werden. In der Praxis braucht man einen Computer, um die vielen Rechnungen durchzuführen, die für eine Lösung der Maxwell'schen Gleichungen durch numerische Analyse für jeden speziellen Satz von physikalischen Parametern erforderlich sind. Andererseits kann man ein Filter mit speziellen Werten der physikalischen Parameter konstruieren und seine Spektraleigenschaften in Reflexion messen.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, enthalten das erste optische Medium 114 und das dritte optische Medium 116 getrennte Materialschichten mit jeweiligen Dicken b und t3, die gewöhnlich wesentlich grösser als die Dicke t des ersten optischen Mediums 100 sind. Die jeweiligen Indizes m und m des das zweite optische Medium 114 und das dritte optische Medium 116 bildenden Materials sind, obwohl kleiner als der Wert des mittleren Brechungsindex n generell grösser als der im wesentlichen Eins betragende Brechungsindex der Umgebung. Dies ist jedoch nicht wesentlich. Zumindest im Prinzip, können das zweite optische Medium 114 und/oder das dritte optische Medium 116 sowohl Luft als auch ein Vakuum sein. In diesem Spezialfall könnte das polychromatische Licht 118 direkt auf die Fläche 102 fallen, so dass das Reflexionslicht 122 nullter Ordnung und/oder die Transmission 124 nullter Ordnung direkt von der Fläche 102 und/oder der Fläche 104 ausgehen würden.

Fig. 2 zeigt ein geometrisch einfaches, spezielles Beispiel eines beugenden subtraktiven Farbfilters des Typs, der in Fig. 1 in verallgemeinerter Form dargestellt ist. In dem speziellen Beispiel der Fig. 2 enthält das erste optische Medium 100 periodisch beabstandete rechteckige Bereiche 200 aus einem Material, das den Brechungsindex ni = 3 hat. Diese Bereiche 200 relativ hohen Brechungsindex sind durch rechteckige Bereiche 202 getrennt, die den relativ niedrigen Brechungsindex no = 1,5 haben. Sowohl das zweite optische Medium 114 als auch das dritte optische Medium 116 haben Brechungsindizes m und m, die ebenfalls gleich 1,5 sind. Die Dicke t des ersten optischen Mediums 100 (auf die die Höhe der rechteckigen Bereiche 200 sowie 202 ist) hat den relativen Wert 0,625, d, wobei d die räumliche Periode der beugenden Elemente ist, die durch jedes Paar von benachbarten Bereichen 200 und 202 gebildet werden. Die Breite w jedes Bereiches 200 höheren Brechungsindex hat den Relativwert 0,125 d. Die Breite jedes niedrigeren rechteckigen Bereiches 202 hat einen Relativwert gleich 0,875 d. Die optischen Medien 114 und 116 haben Dicken ti und t3, die sehr viel grösser sind als die räumliche Periode d des ersten optischen Mediums 100. Beispielsweise kann der Wert der Dicke t2 einen Relativwert von 37,5 d haben, während von der Dicke t3 angenommen wird, dass sie so gross ist, dass sie sich bis ins unendliche erstreckt.

In theoretischer Hinsicht ist das in Fig. 2 dargestellte eingebettete laminierte Gitter wahrscheinlich die geometrisch einfachste Struktur, welche die winkelabhängigen Reflexionsspektren liefert, die oben in Verbindung mit Fig. 1 besprochen wurden. Um die Gültigkeit der Annahmen zu prüfen, auf denen die vorliegende Erfindung basiert, wurden die jeweiligen Spektren des reflektierten Lichtes nullter Ordnung für die in Fig. 2 dargestellte spezielle Verwirklichung für jeweils zwei Einfallswinkel mit einem Computer errechnet. Genauer gesagt löste der Computer die Maxwell'schen Gleichungen für jeden von vier verschiedenen Fällen, wobei in jedem Falle angenommen wurde, dass das Wellenlängenspektrum X/à des polychromatischen Lichtes sich über einen Bereich von Relativwerten X/à von 1 bis 2,4 erstreckte. Die vier Fälle waren (1) ein Einfallswinkel (bezüglich der Normalen) von 0°, wobei angenommen wurde, dass der elektrische Vektor E des einfallenden Lichtes parallel zur Strichrichtung des Gitters polarisiert ist (die in Fig. 2 in einer Richtung senkrecht zum Papier verläuft); (2) ein Einfallswinkel von 0° (bezüglich der Normalen), wobei angenommen wurde, dass der magnetische Vektor H des einfallenden Lichtes parallel zur Strichrichtung des Gitters verläuft; (3) ein Einfallswinkel von 20°, wobei angenommen s

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wurde, dass der elektrische Vektor E des einfallenden Lichtes parallel zur Strichrichtung des Gitters polarisiert ist und (4) ein Einfallswinkel von 20°, wobei angenommen wurde, dass der magnetische Vektor H des einfallenden Lichtes parallel zur Strichrichtung des Gitters polarisiert ist. Die jeweiligen Lösungen der Maxwell'schen Gleichungen zeigten in allen vier Fällen für eine Struktur mit den physikalischen Parametern der Fig. 2, dass die Reflexionsspektren nullter Ordnung sowohl für die elektrische als auch die magnetische Polarisation winkelabhängig sind. Jedes dieser Reflexionsspektren wird erhalten, indem man den Prozentsatz des reflektierten Lichtes nullter Ordnung als Funktion von X/d über das relative Wellenlängenspektrum von 1 bis 2,4 aufträgt. Es wurde gefunden, dass jedes der beiden elektrischen Vektor-Spek-tren ein grosses Reflexionsmaximum jeweils über ein Teilintervall des X/d-Spektrums sowie eine Mehrzahl von wesentlich niedrigeren Reflexionsmaxima über den Rest von X/d des Wellenlängspektrums aufweisen. Die jeweiligen Positionen der Teilintervalle der hohen Reflexionsmaxima, ausgedrückt in Werten von X/d, und die Form der hohen Reflexionsmaxima waren für den Fall von unter 0° einfallendem polychromatischen Licht wesentlich verschieden von dem Fall, dass das polychromatische Licht unter 20° einfällt. Die jeweiligen H-Vektor-Spektren setzen sich nur aus relativ niedrigen Reflexionsmaxima zusammen. Die relative Höhe, Form und räumliche Verteilung dieser Maxima waren jedoch für den Fall von unter 0° einfallendem polychromatischen Licht verschieden von dem für unter 20° einfallendes polychromatisches Licht. Die Annahmen, auf denen die vorliegende Erfindung basiert, sind also gültig.

Verschiedene Farbeffekte können in Abhängigkeit von der speziellen Wahl des Wertes von d erhalten werden. Mit einem d eines Wertes von 0,4 Mikrometer (p,m) ändert sich die Farbe von rötlich nach weiss, wenn der Einfallswinkel von 0° auf 20° geändert wird. Mit einem Wert von d gleich 0,32 |xm verläuft jedoch die Farbänderung von grün nach rot, wenn sich der Einfallswinkel von 0° auf 20° ändert. Da ferner alle Spektren eine Anzahl von Detailmerkmalen niedriger Reflexion enthalten, wie Maxima und scharfe Bandkanten, können diese Maxima und scharfen Bandkanten in einer Beglaubigungsvorrichtung für eine maschinenlesbare Identifizierung verwendet werden. Tatsächlich kann man durch eine geeignete Wahl des Wertes von d einige der Maxima oder scharfen Bandkanten, die bei längeren Wellenlängen auftreten, im Infrarot anstatt im sichtbaren Lichtspektrum auftreten lassen. Ausserdem sind die E-Vektor- und die H-Vektor-Reflexionsspektren voneinander sehr verschieden. Diese starke Polarisationsabhängigkeit eignet sich auch für eine Maschinenidentifizierung, wenn die Erfindung in einer Beglaubigungsvorrichtung des oben diskutierten Typs verwendet wird. Zusätzlich ist die Winkelabhängigkeit bezüglich einer Kippachse, die parallel zur Gitterstrichrichtung verläuft, signifikant verschieden von einer Kippachse senkrecht zur Gitterstrichrichtung. Dies ist ein weiterer Unterschied, der für eine maschinelle Identifizierung verwendet werden kann.

Die Struktur in Fig. 2 wurde erhalten, indem die zwei Brechungsindizes m = 3 und m = m = 1,5 ausgewählt und dann die Dicken t sowie die Strichbreite w optimiert wurden. Die Dicken t2 und t3 der unteren und der oberen Schicht sind nicht kritisch, solange sie gross im Vergleich zu d sind. Für die beste Sichtbarkeit des reflektierten Lichtes, sollte die untere Schicht durch ein stark absorbierendes (schwarzes) Material abgeschlossen werden. Die angegebenen Werte von t und w in Fig. 2 sind nicht die einzigen Möglichkeiten für diese Parameter die gute Resultate liefern.

Während für eine Beglaubigungsvorrichtung die Reflexionsspektren nuiiter Ordnung verwendet werden, können selbstverständlich dieTransmissionsspektren, die ebenfalls erzeugt werden, für andere Zwecke nützlich sein.

Der Hauptvorteil der geometrisch einfachen Struktur der Ausführungsform, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, ist dass sie leicht mit einem die Maxwell'schen Gleichungen lösenden Computer leicht zu errechnen war, um die Richtigkeit der vorliegenden Erfindung zu prüfen. Die Struktur der Fig. 2 würde jedoch beim derzeitigen Stand der Technik sehr schwierig (wenn nicht unmöglich) physikalisch in einer realen Struktur zu verwirklichen sein. Fig. 3 zeigt die Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer geometrisch komplizierten, jedoch realeren Art der vorliegenden Erfindung, die physikalische Strukturen hat, die leichter realisierbar sind.

Fig. 3 ist ein Flussdiagramm, das die aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte zur Herstellungeines fertigen Filters, bei dem die Prinzipien der vorliegenden Erfindung Anwendung finden, zeigt, ausgehend von einem thermoplastischen Material 300, das ein Oberflächenreliefmuster haben kann, welches in es durch ein Metallprägemaster 302 durch bekannte Verfahren wie Giessen oder Heisspressen eingeprägt wurde. Das Metallmaster 302 ist beispielsweise mit einem Rechteckwellenprofil der körperlichen Tiefe a dargestellt. Der erste Schritt besteht darin, dieses Wellenprofil in die obere Fläche des thermoplastischen Materials 300 einzupressen, das den Brechungsindex m hat. Dies resultiert in der Herstellung einer Reliefstruktur 304. Der zweite Schritt besteht darin, eine relativ dünne Schicht eines Materials 306 aufzubringen, das den Brechungsindex m sowie eine vorgegebene Dicke und Formcharakteristik auf der Reliefoberfläche der Struktur 304 hat. Bekannte Verfahren zum Aufbringen sind u.a. Aufdampfen, Zerstäuben (insbesondere Ionen-strahlzerstäuben) Schleuderbeschichtungsverfahren usw. Das Material 306 wird so gewählt, dass es einen Brechungsindex ni hat, der gross im Vergleich zum Brechungsindex m des thermoplastischen Materials 300 ist. Der nächste Schritt besteht darin, die auf die Reliefoberfläche der Struktur 304 aufgebrachte Schicht 306 mit einem Material 308 zu überziehen, das den Brechungsindex n: hat, der relativ niedrig bezüglich des Brechungsindex ni der aufgebrachten Schicht 306 ist. Dies ergibt ein fertiges Filter, das ein erstes optisches Medium mit einer Dicke t, die sich vom Boden der Wellentäler der Oberflächenrelief-Wellenformprofils in der thermoplastischen Struktur 304 zur Oberseite der aufgebrachten Schicht 306, die auf den Wellenbergen dieses Wellenform-profils liegt, erstreckt. Das erste optische Medium in Fig. 3 enthält diejenigen Bereiche der thermoplastischen Struktur 304, die die Wellenberge des Wellenformprofils (Brechungsindex m) bilden, alle Bereiche der aufgebrachten Schicht 306 (Brechungsindex m) und diejenigen Bereiche der Wellentäler dieses Oberflächenrelief-Wellenformprofils, die nicht schon durch die aufgebrachte Schicht 306 sondern durch das Überzugsmaterial 308 (Brechungsindex n:) gefüllt sind. Um die Bedingungen der vorliegenden Erfindung zu erfüllen, ist es notwendig, dass der mittlere Brechungsindex n aller dieser Bereiche, die das erste optische Medium des fertigen Filters enthält, grösser als der Wert sowohl von n2 als auch von m ist. Das zweite optische Medium enthält den Rest des Überzugs 308, der über der Oberflächenreliefstruktur 304 liegt, und das dritte optische Medium enthält den Rest des thermoplastischen Materials 300, der unter der Oberflächenreliefstruktur 304 liegt.

In Fig. 3 ist es der Fall, das die Dicke c der aufgebrachten Schicht 306 kleiner ist als die körperliche Tiefe a des eingeprägten Rechteckwellengitters. Dies ist nicht wesentlich. Die Dicke c der aufgebrachten Schicht 306 kann grösser als die Tiefe a des eingeprägten Rechteckwellengitters sein. In diesem letzteren Falle würde die Konfiguration des fertigen Filters gemäss Fig. 3 das in Fig. 3a dargestellte Aussehen und

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nicht das des tatsächlichen in Fig. 3 dargestellten fertigen Filters haben.

Fig. 3b zeigt in idealisierter Form ein spezielles Beispiel des Typs der vorliegenden Erfindung, der durch die fertigen Filter der Fig. 3 und 3a repräsentiert wird. Wie in Fig. 3b angegeben ist, ist der relativ hohe Brechungsindex ni der aufgebrachten Schicht 306 gleich 3 ; die relativ niedrigen Brechungsindizes m und m sind beide 1,5 ; die Periode d der Rechteckwellenform hat ein Aspektverhältnis oder ein Tastverhältnis von 50% (d.h. es ist eine quadratische Welle); die Dicke c der aufgebrachten Schicht 306 hat den Relativwert 0,22 d und der Abstand zwischen der Oberseite der aufgebrachten Schicht 306, die in einem Wellental der Wellenform liegt, und der Unterseite der aufgebrachten Schicht 306, die auf einem Wellenberg der niedergeschlagenen Wellenform liegt, hat den Relativwert 0,055 d. Die Tiefe a des Rechteckwellenprofils ist daher 0,275 d (die Summe von 0,22 d und 0,055 d). Ein Computer, der programmiert war, um die Maxwell'schen Gleichungen für die in Fig. 3b dargestellte spezielle Konfiguration und Parameterwerte zu lösen, rechnete die in Fig. 3c und 3e dargestellten Reflexionsspektren nullter Ordnung für verschiedene Einfallswinkel von polychromatischem Licht über ein Wellenlängenspektrum, das sich über einen Bereich von Relativwerten X/d von 1 bis 2,5 erstreckte. Fig. 3c zeigt sowohl das E-Vektor-Reflexionsspektrum nullter Ordnung als auch das H-Vektor-Reflexionsspektrum für einen Einfallswinkel von 0° bezüglich der Normalen, während Fig. 3d und 3e diese Reflexionsspektren für 20° bzw. 40° bezüglich der Normalen zeigen. Wie in Fig. 3c dargestellt ist, hat das Reflexionsspektrum nullter Ordnung für den E-Vektor ein einziges grosses Maximum. Die Position des Teilintervalles des relativierten Wellenlängenspektrums, bei dem dieses einzige Maximum auftritt, ist in Übereinstimmung mit der oben diskutierten Beziehung 4. Im besonderen tritt das Maximum nur über ein Teilintervall der relativierten Wellenlänge X/d auf, das im interessierenden Spektralbereich A.i< X<Xi im wesentlichen gleich dem Maximalwert von n2 oder m (der im Falle der Fig. 3b gleich 1,5 ist) liegt. Wie früher in Verbindung mit Fig. 2 erwähnt wurde, trägt die H-Vektor-Polarisation in den Fig. 3c, 3d und 3e jeweils relativ wenig zur Gesamtreflexion bei, enthält jedoch Merkmale, wie schmale, scharfe Spitzen, die sich für eine maschinelle Identifizierung eignen.

Genereller nimmt die Breite des einzigen grossen Maximums bei 0° (wie des grossen Maximums in Fig. 3c) mit zunehmendem Brechungsindex ni des aufgebrachten Materials und zunehmender Niederschlagsdicke c zu. Eine Spitzenreflexion von nahezu 100% kann im allgemeinen für jeden vorgegebenen Typ von Gitterprofil durch Abstimmen seines Tiefenwertes und/oder seines Niederschlagsdickenwertes erreicht werden. Wie in Fig. 3c gezeigt ist, erfüllt das grosse Maximum der E-Vektor-Polarisation alle obigen Kriterien. Zusätzlich zeigt die E-Vektor-Polarisation ein verhältnismässig schwaches Reflexionsmaximum bei einem Wert von X/d in der Nähe von Eins und die H-Vektor-Polarisation zeigt ein verhältnismässig scharfes Reflexionsmaximum bei einem Wert von X/d in der Nähe von 1,52.

Wie in den Fig. 3d und 3e gezeigt ist, spaltet sich das Reflexionsspektrum bei Einfallswinkeln, die schräg bezüglich einer zu den Gitterstrichen parallelen Achse (senkrecht zur Papierebene) verlaufen, in zwei Maxima auf, welche sich symmetrisch in Richtung auf kürzere bzw. längere Wellenlängen bewegen. Der Betrag der Wellenlängenverschiebung von der ursprünglichen Position bei a = 0 liegt in der Grös-senordnung von da. Bei schrägen Winkeln bezüglich einer zu den Gitterstrichen senkrechten Achse resultiert jedoch eine wesentlich schwächere Verschiebung in Richtung auf kürzere Wellenlängen ohne begleitende Aufspaltung des Maximums. Diese schwächere Verschiebung ist ähnlich der von cos a abhängigen Verschiebung, die bei konventionellen Interferenzfilterstrukturen beobachtet werden.

Durch eine geeignete Wahl der Gitterperiode d kann das Maximum für a = 0 ins Rot gelegt werden. Dann ist die Folge grün, dann blau für typische Verschiebungen auf a = 15°, dann 30° (parallel zu den Gitterstrichen). Wenn die Gitterperiode d jedoch so gewählt ist, dass das Maximum bei a = 0 im Grün liegt, liefert eine typische Verschiebung Magenta. Wenn schliesslich die Gitterperiode d so gewählt ist, dass das Maximum bei a = 0 im Blau liegt, bewirkt eine typische Verschiebung eine Farbänderung nach grün und dann nach rot. Diese Beschreibung der Farbänderung ist etwas vereinfacht, da die spezielle Struktur, wie die in Fig. 3b dargestellte spezielle Struktur, ihre eigene spezielle Spektralsignatur aufweist (die im Falle der Fig. 3b den Effekt der in Fig. 3c und 3d dargestellten zusätzlichen E- und H-Vektor-Polarisationsma-xima mittlerer Grösse umfasst).

Typische Werte der Gitterperiode d sind von 0,1 bis 0,45 Jim und typische Gittertiefen a sind von 0,1 bis 0,2 pim, wenn X im sichtbaren Wellenlängenspektrum von 0,4 bis 0,7 um liegt. Der Brechungsindex des Niederschlagsmaterials liegt üblicherweise im Bereich von 1,7 bis 5. In der Praxis hängt der Brechungsindex ni von X ab und kann (für absorbierende Materialien) komplex sein, wodurch eine weitere Variationsmöglichkeit für den Entwurf des Filters eingeführt wird.

In Fig. 3 ist angenommen, dass der Niederschlag genau senkrecht zur Oberfläche der Reliefstruktur stattfindet, so dass die Dicke des Niederschlags in allen Tälern und auf allen Bergen des Rechteckwellenprofils überall einander gleich ist. In der Praxis kann ein solches perfektes Aufbringen mit den praktischen Niederschlagsverfahren, wie Aufdampfen oder lonenstrahlzerstäubung direkt senkrecht zur Oberfläche der Reliefstruktur nur angenähert, jedoch nicht erreicht werden. Das Ergebnis ist, dass das Verfahren der Fig. 3 in der Praxis dazu neigt, ein fertiges Filter zu ergeben, das eine Konfiguration hat, die mehr wie Fig. 4 als wie Fig. 3 oder Fig. 3a aussieht. Der Hauptunterschied zwischen der Konfiguration gemäss Fig. 4 und denen der Fig. 3 und 3a ist, dass die Dicke des niedergeschlagenen Materials, das sich auf den Tälern der Rechteckwellenreliefstruktur 304 befindet, wesentlich grösser ist als die Dicke auf den Bergen dieses Rechteckwellenprofils.

Fig. 4a zeigt in idealisierter Form ein spezielles Beispiel einer der Konfiguration gemäss Fig. 4 angenäherten Konfiguration. In Fig. 4a ist der Wert des relativ hohen Brechungsindex ni des aufgebrachten Materials 306 gleich 2,3 und die Brechungsindizes m und m der Struktur 304 und des Überzuges 308 sind 1,5. Wie in Fig. 4a angegeben ist, bildet die Grenze zwischen der Struktur 304 und der niedergeschlagenen Schicht 306 ein Rechteckwellenprofil, das die Periode d und die relativ hohe Amplitude 0,3 d hat. Die Grenze zwischen dem Überzug 308 und der niedergeschlagenen Schicht 306 bildet ein Rechteckwellenprofil mit der Periode d und der relativ niedrigen Amplitude 0,1 d. Ferner sind die Wellentäler dieser Rechteckwelle niedriger Amplitude in einem Abstand von 0,1 d über den Bergen der Rechteckwelle relativ hoher Amplitude gelegen. Im Falle der Fig. 4a ist die Gesamtdicke t des ersten optischen Mediums daher 0,5 d.

Die Fig. 4b bzw 4c zeigen die Reflexionsspektren nullter Ordnung für Einfallswinkel von 0° und 30°, die durch Lösung der Maxwell'schen Gleichungen für ein Filter errechnet wurden, das die Konfiguration und die physikalischen Parameter hat, die in Fig. 4a gezeigt sind. Die Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen den Reflexionsspektren nullter Ordnung, die in den Fig. 4d und 4c dargestellt sind, einerseits und denen, die in den Fig. 3c, 3d und 3e dargestellt sind, andererseits sollten beachtet werden. Genauer besteht s

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das Hauptmerkmal, das in Fig. 4b dargestellt ist, darin, dass der starke E-Vektor für 0° einen Reflexionsmaximum-Relativwert für X von etwa 1,8 hat. Wie in Fig. 4c für den Einfallswinkel 30° dargestellt ist, spaltet sich dieses Maximum in zwei Maxima bei relativierten Werten von X gleich etwa 1,38 d und etwa 2,25 d auf. Dies ist in Übereinstimmung mit den allgemeinen Prinzipien, die oben in Verbindung mit den Fig. 3c, 3d und 3e erläutert wurden. Zusätzlich wird, wenn der Einfallswinkel 30° beträgt, im E-Vektor-Polarisationsspek-trum ein drittes Maximum bei einem Relativwert von X von etwa 1,08 d beobachtet, wie in Fig. 4c dargestellt ist. Das H-Vektor-Polarisationsspektrum für den Einfallswinkel 0°, das in Fig. 4b dargestellt ist, ist fast merkmalslos. Bei einem Einfallswinkel von 30° entwickelt sich jedoch ein kompliziertes Spektrum mit mehreren scharfen Resonanzen, wie in Fig. 4c dargestellt ist. Es ist einleuchtend, dass diese scharfen Maxima für eine maschinelle Identifizierung ideal geeignet sind.

Das Niederschlagen der aufgebrachten Schicht 306 braucht nicht senkrecht zur Relief Oberfläche der Struktur 304 erfolgen. Fig. 5 zeigte eine Konfiguration eines fertigen Filters, in dem die Schicht 306 unter einem verhältnismässig grossen schrägen Winkel (z.B. etwa 45°) bezüglich der Reliefoberfläche der Struktur 304 niedergeschlagen ist. Ein solches schräges Niederschlagen kann durch Aufdampfen oder Ionenstrahlzerstäubung von einer winkelmässig versetzten Quelle erfolgen. Fig. 5a zeigt in idealisierter Form ein spezielles Beispiel der in Fig. 5 dargestellten Struktur. In Fig. 5a ist der relativ hohe Brechungsindex ni des niedergeschlagenen Materials 306 gleich 3 und die jeweiligen Brechungsindizes m und n3 der Struktur 304 und des Überzuges 308 sind 1,5. In Fig. 5a tritt ein L-förmiger Niederschlag des Materials 306 periodisch mit der Periode d und dem Zwischenraumabstand 0,5 d auf. Die Breite und die Höhe des horizontalen Schenkels jedes L-förmigen Niederschlags des Materials 306 sind 0,5d bzw. 0,25 d. Die Breite und die Höhe des vertikalen Schenkels jedes L-förmigen Niederschlags des Materials 306 sind 0,18 d bzw. 0,2 d. Die in Fig. 5a dargestellten Dimensionen sind denjenigen angenähert, die bei Verwendung des Verfahrens der Fig. 3 mit einem Aufdampfwinkel von etwa 35° für das aufgebrachte Material 306 erhalten würde.

Einer der Vorteile der in den Fig. 5 und 5a dargestellten Konfiguration bei Verwendung in einer Beglaubigungsvorrichtung besteht darin, dass sie mit der Konfiguration gemäss Fig. 3 zu einer Klasse von besonders sicheren Strukturen gehört, bei denen jeder einzelne Gitterstrich durch das Wirtsmaterial vollständig eingekapselt ist. Diese Einkapselung schaltet die Möglichkeit aus, dass die niedergeschlagene Schicht abgelöst werden kann, um die physikalische Struktur des Gitters zu enthüllen.

Die Fig. 5b und 5c zeigen für 0° bzw. 20° die Reflexionsspektren eines Filters, das die physikalischen Parameter der in Fig. 5a dargestellten Konfiguration hat, wie sie durch einen Computer mittels der Maxwell'schen Gleichungen errechnet wurden. Wie in Fig. 5b dargestellt ist, hat das errechnete E-Vektor-Polarisationsspektrum für 0° eine Bandpasscharakteristik mit sehr scharfen Kanten, die sich für die Erzeugung guter Farben eignen. Die H-Vektor-Polarisation ist durch zwei scharfe Maxima charakterisiert. Wie in Fig. 5c dargestellt ist haben bei 20° die zwei verschobenen Maxima mit den relativierten Werten von X von etwa gleich 1,6 d und etwa 2,3 d sehr stark herabgesetzte Intensität und ergeben keinen starken Farbeffekt. Diese verringerte Intensität steht zwar im Gegensatz zu den vorangehenden Beispielen, eine nützliche Anwendung dieser Eigenschaft einer verringerten Intensität wäre gedruckte Information auf die Rückseite einer Struktur aufzubringen, die für kleine Betrachtungswinkel, nahe 0°, nicht sichtbar wäre, bei grösseren Winkeln,

in der Nähe von 20°, jedoch gesehen und gelesen werden könnte.

Es wurden zahlreiche Strukturen hergestellt. Diese Strukturen hatten überwiegend die in Fig. 3, Fig. 3a und Fig. 4 dargestellten Konfigurationen. Eine solche Struktur, die eine Konfiguration hatte, wie sie in Fig. 4 (oder näherungsweise in Fig. 4a) dargestellt ist, wurde hergestellt, indem zuerst eine Rechteckwellen-Oberflächenreliefstruktur(d = 0,38 jj.m, und = 0,12 p.m) in Photolack unter Verwendung lithographischer Verfahren hergestellt wurde; dann ZnS (t = 0,12 [im) durch Aufdampfen aufgebracht wurde. Schliesslich wurde die Einrichtung mit ultraviolett-härtbarem Epoxyharz überzogen. Es wurden keine Heisspress- oder Giessverfahren verwendet, dass es sich um eine experimentelle Fabrikation handle und in dieser Stufe keine Massenfertigung beabsichtigt war. Die verwendeten physikalischen Parameter entsprachen weitgehend denen, die für die oben diskutierte numerische Berechnung durch den Computer gemäss Fig. 4a gewählt worden waren. Fig. 6a und 6b zeigen die Reflexionsspektren nullter Ordnung gegen 0° und 30°. die experimentell mit dieser hergestellten Struktur erhalten wurden. Man sieht eine gute qualitative Übereinstimmung zwischen den in Fig. 4b und 4c dargestellten errechneten Spektren und den entsprechenden experimentellen Spektren, die in den Fig. 6a und 6b dargestellt sind. Alle die oben in Verbindung mit den Fig. 4a und 4b diskutierten Hauptmaxima können gefunden und verglichen werden, wenn auch ihre Intensität und exakten Positionen in Fig. 6a und 6b geringfügig abweichen.

Soweit bisher diskutiert, hatte das Oberflächenrelief der Struktur 304 immer ein Rechteckwellenprofil. Dies muss nicht der Fall sein. Fig. 7 zeigt eine Art der vorliegenden Erfindung, bei der das Oberflächenrelief der Struktur 304 eine dreieckige Wellenform hat. Ferner, wie in Fig. 7 dargestellt ist, ist die aufgebrachte Schicht 306 unter einem schiefen Winkel in ähnlicher Weise wie die. welche in Verbindung mit Fig. 5 diskutiert wurde, niedergeschlagen, um nur eine der beiden exponierten Seiten der dreieckigen Wellenform zu bedecken.

Die in den Fig. 2 bis 7 dargestellten Konfigurationen sind alle Arten des in Fig. 1 dargestellten Filters. Diese Arten sind lediglich als erläuternde Beispiele der vorliegenden Erfindung anzusehen. Jede andere, nicht dargestellte Konfiguration, die den oben in Verbindung mit Fig. 1 diskutierten Bedingungen genügt, fällt in den Rahmen der vorliegenden Erfindung. Tatsächlich kann man. abhängig von der speziellen Wahl der Reliefstruktur, der Materialien, der Niederschlagsdicke usw. eine unendliche Anzahl von verschiedenen Gitterstrukturen herstellen.

Alle hier beschriebenen Strukturen sind äusserst schwierig zu fälschen, auch wenn man annimmt, dass dem Fälscher grosse geldliche und technische Mittel zur Verfügung stehen. Dies beruht auf mindestens zwei Tatsachen. Erstens ist es praktisch unmöglich, die Geometrie einer vorgegebenen Struktur durch optische (zerstörungsfreie) Massnahmen zu ermitteln. Es ist zwar möglich, die optischen Eigenschaften einer vorgegebenen Struktur zu errechnen, das umgekehrte Problem überschreitet jedoch die heutigen Computermöglichkeiten. Zweitens ist eine mechanische oder chemische Analyse einer vorgegebenen Struktur wegen ihrer Feinheit, wie typischen Abmessungen im Sub-Mikrometerbereich sehr schwierig, wenn nicht unmöglich. Im Speziellen sind Strukturen, wie sie in den Fig. 3, 5 und 7 dargestellt sind, äusserst schwierig für eine Analyse zu trennen, das das Niederschlagsmaterial in diskrete Linien getrennt ist, die durch das umgebende Material vollständig eingeschlossen werden. Ausserdem wird bei dem ersten Schritt des in Fig. 3 dargestellten Verfahrens das Oberflächenreliefmuster eines Masters dazu

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verwendet, das Oberflächenreliefmuster in vielen Kopien des Masters zu reproduzieren. Da derselbe Master immer wieder verwendet wird, um die Kopien herzustellen, gewährleistet das Verfahren von Natur aus eine hohe Reproduzierbarkeit und kann nicht leicht kopiert werden, solange man keinen Zugang zum Original-Master hat.

Da die Filterstrukturen der vorliegenden Erfindung alle Anforderungen an eine Beglaubigungsvorrichtung des Typs erfüllen, der im bereits erwähnten US-Patent Nr. 4 484 797 beschrieben ist, und zusätzlich so extrem schwer zu fälschen sind, ist eine Filterstruktur gemäss der vorliegenden Erfindung besonders geeignet für die Verwendung als eine solche Beglaubigungsvorrichtung.

Die Fig. 8 und 9 sind ähnlich wie Figuren des oben erwähnten US-Patentes. Wie in Fig. 8 dargestellt ist, können eine oder mehrere Beglaubigungsvorrichtungen, wie eine Beglaubigungsvorrichtung 800, mit einem beglaubigten Gegenstand 802 aus einem Flächenmaterial verbunden sein, wie genauer in der oben erwähnten anhängigen Anmeldung diskutiert ist. Die Beglaubigungsvorrichtung 800 kann eine . Filterstruktur gemäss irgendeinem der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung (beispielsweise dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel) der vorliegenden Erfindung enthalten. Ein Beispiel einer solche Beglaubigungsvorrichtung 800 ist in Fig. 9 dargestellt. In Fig. 9 enthält die Beglaubigungsvorrichtung 800 einen ersten Bereich 900 mit einer Abmessung W, der von einem zweiten Bereich 902 umgeben ist. Der Bereich 900 kann aus einer ersten beugenden Struktur gemäss den Prinzipien der vorliegenden Erfindung hergestellt sein, welche Reflexionslicht nullter Ordnung, das einen ersten Farbton (wie etwa rot) hat, wenn es in diffusem polychromatischem Licht unter einem Winkel von 0° bezüglich der Normalen zur Oberfläche der Beglaubigungsvorrichtung 800 betrachtet wird. Der Bereich 902 kann eine zweite beugende Struktur gemäss den Prinzipien der vorliegenden Erfindung enthalten, welche Reflexionslicht nullter

Ordnung eines zweiten, kontrastierenden Farbtones (wie etwa grün) liefert, wenn sie in diffusem polychromatischem Licht unter einem Winkel von 0° bezüglich der Normalen zur Oberfläche der Beglaubigungsvorrichtung 800 s (gewöhnlich zusammen mit dem beglaubigten Gegenstand 802) geschwenkt wird, so dass man sie unter einem schrägen Einfallswinkel betrachtet, kann sich der erste Farbton, wie etwa rot, des Bereiches 900 in grün ändern, während sich gleichzeitig der zweite Farbton, wie etwa grün, des Bereiches io 902 in Magenta ändern kann. Die Grösse der Abmessung W des Bereiches 900 ist mindestens so gross, dass der Bereich 902 bei normalen Betrachtungsabständen, wie etwa 30 cm, leicht gesehen werden kann.

Bei einer Beglaubigungsvorrichtung können ebenso wie 15 bei anderen Produkten verschiedene Merkmale der vorliegenden Erfindung mit Vorteil kombiniert werden. Beispielsweise können die Gitterstriche in einem Bereich, wie dem Bereich 900, und einem anderen Winkel orientiert sein als die Gitterstriche eines anderen Bereiches, wie des Bereiches 20 902. Ausserdem können in manchen Bereichen überlappende Gitterlinien verschiedener Periodizitäten d und/oder verschiedener Winkelorientierungen verwendet werden. Die Tatsache, dass die Winkelunterschiede der Spektren sich bei einem Kippen um eine zü den Gitterstrichen parallele Achse 25 und beim Kippen um eine zu den Gitterstrichen senkrechte Achse erheblich unterscheiden, kann in einer Beglaubigungsvorrichtung ebenso wie bei anderen Produkten ausgenutzt werden. Durch Verwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Zeichentext in einer solchen Weise 30 herzustellen, dass er vom Untergrund nur unter bestimmten Betrachtungsbedingungen unterschieden werden kann und nicht bei anderen Betrachtungsbedingungen. Hierbei kann ein fokussierter Laserstrahl verwendet werden, um Textzeichen zu schreiben, indem Teile einer Beugungsstruktur-35 Oberfläche, die entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung hergestellt worden war, zerstört werden.

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5 Blatt Zeichnungen

Claims

661803 PATENTANSPRÜCHE Was beansprucht wird ist:

1. Beugendes Subtraktivfarbfilter (Fig. 1), das auf einfallendes polychromatisches beleuchtendes Licht (118) eines vorgegebenen Wellenlängenspektrums anspricht um Reflexionsspektren zu gewinnen, die sich als Funktion des Einfallswinkels a des beleuchtenden Lichtes ändern und bei denen das Reflexionsspektrum für jeden Einfallswinkel getrennte Teile enthält, die parallel bzw. senkrecht zu einer vorgegebenen Richtung polarisiert sind, und um ausserdem Transmissionsspektren zu gewinnen, die im wesentlichen das Komplement der erwähnten Reflexionsspektren sind; gekennzeichnet durch ein erstes optisches Medium (100), das eine Dicke t zwischen zwei seiner entgegengesetzten Flächen ( 102,104) hat, wobei das erste optische Medium einen variierenden Brechungsindex hat, der das erste optische Medium in nebeneinanderliegende periodische Beugungselemente (106) einer beugenden Struktur unterteilt, die eine Periode d hat, welche sich in einer Richtung im wesentlichen parallel zu den genannten Flächen und senkrecht zu der vorgegebenen Richtung erstreckt, so dass jedes einzelne der beugenden Elemente längs einer Richtung verläuft, die im wesentlichen parallel zu den Flächen und parallel zu der vorgegebenen Richtung ist, wobei die räumliche Verteilung des variierenden Brechungsindex innerhalb des Volumens jedes beugenden Elementes dieses beugende Element in eine Mehrzahl von getrennten dreidimensionalen Bereichen (108, 110,112) bestimmter relativ hoher und relativ niedriger Brechungsindexwerte unterteilt, wobei jeder dieser Bereiche eine vorgegebene Grösse und Form hat, so dass das gesamte Volumen jedes beugenden Elementes einen mittleren Brechungsindex n aufweist, der besagte mittlere Brechungsindex n grösser als der Brechungsindex m eines zweiten optischen Mediums (114) ist, das eine der entgegengesetzten Flächen berührt, und auch grösser als der Brechungsindex m eines dritten optischen Mediums (116) ist, das die andere der entgegengesetzten Flächen berührt, und bei allen Vakuumwellenlängen X innerhalb eines Teilintervalles des beleuchtenden Wellenlängenspektrums, das von einer minimalen Wellenlänge À.1 bis zu einer maximalen Wellenlänge Xi reicht, die folgenden Beziehungen gelten n>max(n2, ro) (1)

d max (n2, m) < Xi (2)

d(n + 1) >Ä.i (3)

2. Beugendes subtraktives Farbfilter gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenspektrum zumindest die Vakuumwellenlänge des Teilintervalles des beleuchtenden polychromatischen Lichtes die Vakuumwellenlängen im Bereich von 0,4 bis 0,7 Mikrometer des sichtbaren Lichts umfasst.

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3. Beugendes subtraktives Farbfilter gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel a irgendein Winkel zwischen 0° und 90° in bezug auf eine Ebene senkrecht zu den genannten Flächen und parallel zu der genannten vorgegebenen Richtung ist.

4» Mediums (306) in einem Beugungsgitter enthalten sind, das durch eine vorgegebene periodische Wellenform gebildet wird, die die genannte Periode d und eine vorgegebene Amplitude a hat und als Oberflächenreliefmuster in ein festes Material mit dem erwähnten Brechungsindex n3 einge-45 prägt ist, dass alle erwähnten ersten Bereiche des erwähnten ersten optischen Mediums aus einem festen Material bestehen, das den erwähnten Brechungsindex ni hat und auf mindestens einem Teil des Oberflächenreliefmusters niedergeschlagen ist, und dass das zweite optische Medium und alle so erwähnten zweiten Bereiche des ersten optischen Mediums in einem Überzug aus festem Material, das den Brechungsindex m hat, enthalten sind, der das Oberflächenreliefmuster und das niedergeschlagene Material bedeckt, wobei der Überzug alle diejenigen Teile des ersten optischen Mediums 55 ausfüllt, die nicht durch die ersten und die dritten Bereiche eingenommen werden.

4. Beugendes subtraktives Farbfilter (z.B. Fig. 2) gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite optische Medium ein festes Material enthält, das an eine der entgegengesetzten Flächen (102) des ersten Mediums laminiert ist, dass das dritte optische Medium ein festes Material enthält, das an die andere der entgegengesetzten Flächen (104) des ersten Mediums laminiert ist, und dass der Brechungsindex m des festen Materials, aus dem das zweite optische Medium zusammengesetzt ist, und der Brechungsindex m des festen Materials, aus dem das dritte optische Medium zusammengesetzt ist, beide grösser als Eins sind, s 5. Beugendes subtraktives Farbfilter (Fig. 3,3a usw.) gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes beugende Element des ersten optischen Mediums mindestens einen ersten Bereich (306) aus einem festen Material, das einen Brechungsindex ni, der grösser als sowohl m als auch m 10 ist, mindestens einen zweiten Bereich, der das zweite optische Medium (308) berührt, welcher aus demselben festen Material wie das zweite optische Medium zusammengesetzt ist, und mindestens einen dritten Bereich, der das dritte optische Medium (304) berührt, welcher aus demselben festen Mate-15 rial wie das dritte optische Medium zusammengesetzt ist, enthält.

4 n t ¥Xi (4)

wobei max (m, m) generell die grössere von m und m bedeutet, im Spezialfall, in dem m = n3 ist, m oder m ist.

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6. Beugendes subtraktives Farbfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite und das dritte optische Medium aus dem gleichen festen Material zusam-

7. Beugendes subtraktives Farbfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (306) sowohl den zweiten Bereich als auch den dritten Bereich berührt.

8. Beugendes subtraktives Farbfilter (Fig. 3,5,7) gemäss 25 Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite

Bereich den dritten Bereich berührt.

9. Beugendes subtraktives Farbfilter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite und das dritte optische Medium aus dem gleichen festen Material zusam-

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10. Beugendes subtraktives Farbfilter (Fig. 3a, 4) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich zwischen dem zweiten und dem dritten Bereich angeordnet ist und den zweiten Bereich vollständig vom dritten Bereich

35 trennt, so dass keine Berührung zwischen dem zweiten und dem dritten Bereich besteht.

11. Beugendes subtraktives Farbfilter (Fig. 3) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte optische Medium (304) und alle dritten Bereiche des ersten optischen

12. Beugendes subtraktives Farbfilter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Brechungsindex ni zum grösseren der Brechungsindizes m und m min-

60 destens 1,5 ist.

13. Beugendes subtraktives Farbfilter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechungsindizes m und m beide einen Wert von im wesentlichen 1,5 haben, dass der Brechungsindex ni einen Wert im Bereich von 1,7 bis 5 hat,

65 dass die Periode d der periodischen Wellenform einen Wert im Bereich von 0,1 bis 0,45 Mikrometer hat, und wobei die Amplitude a dieser periodischen Wellenform einen Wert im Bereich von 0,1 bis 0,2 Mikrometer hat.

14. Beugendes subtraktives Farbfilter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Wellenform des Beugungsgitters eine Rechteckwellenform ist.

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15. Beugendes subtraktives Farbfilter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Bereiche entsprechende Schichten des niedergeschlagenen Materials enthalten, die jeweils die Berge und die Täler der rechteckigen Wellenform bedecken.

16. Beugendes subtraktives Farbfilter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die niedergeschlagene Schicht, die die Berge und die Täler der rechteckigen Wellenform bedeckt, im wesentlichen die gleiche Dicke c hat.

17. Beugendes subtraktives Farbfilter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert von c kleiner als der Wert von a ist.

18. Beugendes subtraktives Farbfilter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert von c grösser als der Wert von a ist.

19. Beugendes subtraktives Farbfilter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die niedergeschlagene Schicht, die die Täler der rechteckigen Wellenform bedeckt, eine Dicke hat, die grösser als die Dicke der niedergeschlagenen Schicht, welche die Berge bedeckt, jedoch kleiner als die Summe des Amplitude a der rechteckigen Wellenform und der Dicke der niedergeschlagenen Schicht, die die Berge der rechteckigen Wellenform bedeckt, ist.

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20. Beugendes subtraktives Farbfilter (Fig. 5) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Bereiche L-förmige Schichten aus dem niedergeschlagenen Material enthalten, die die Berge und bestimmte der beiden Seiten der rechteckigen Wellenform bedecken.

20 mengesetzt sind, wobei m gleich m ist.

21. Beugendes subtraktives Farbfilter (Fig. 7) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Wellenform des Beugungsgitters eine Dreieckwellenform ist.

22. Beugendes subtraktives Farbfilter nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Bereiche Schichten aus niedergeschlagenem Material enthalten, die eine bestimmte der Seiten der Dreieckwellenform bedecken.

23. Verfahren zum Verwenden des beugenden subtrak-tiven Farbfilters nach Anspruch 1 als eine Beglaubigungsvorrichtung, die mit einem Original-Gegenstand aus einem flächigen Material verbunden ist zum Zwecke, einem Betrachter zu ermöglichen, die auf dem beglaubigten Gegenstand vorhandene Vorrichtung von einer Nachahmung in der Form einer Photokopie des Originalgegenstandes zu unterscheiden, gekennzeichnet durch die Schritte:

a) Beleuchten der Filterstruktur des zu prüfenden Gegenstandes mit diffusem polychromatischem sichtbarem Licht, welches die Wellenlängen im Bereich von X> <X<Xi des genannten Teilintervalles enthält,

b) Betrachten von einem ersten Licht, das von der genannten Filterstruktur bei einem ersten gegebenen Wert des Winkels ai in einem Bereich zwischen Null und a reflektiert wird, und c) Betrachten von einem zweiten Licht, das von der genannten Filterstruktur bei einem zweiten gegebenen Wert des Winkels ct2, der von oci abweicht, im Bereich zwischen Null und a reflektiert wird ;

wobei das erste Licht einen ersten Farbton, und das zweite Licht einen zweiten Farbton aufweist, der vom ersten Farbton nur abweicht, wenn der geprüfte Gegenstand echt ist.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass a einen Wert von 90° hat und dass der Schritt (b) den Schritt enthält, den ersten Farbton bei einem ersten vorgegebenen Winkelwert ou im Bereich zwischen 0° und 90° zu betrachten, und der Schritt (c) den Schritt enthält, den zweiten Farbton bei einem zweiten vorgegebenen Winkelwert <X2 im Bereich zwischen 0° und 90° zu betrachten.

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25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (a) ein Beleuchten des Filters mit diffusem weissen Licht, das ein von 0,4 bis 0,7 Mikrometer reichendes Wellenlängenspektrum hat, enthält.

26. Artikel, der einen beglaubigten Gegenstand aus Flächenmaterial, der einer Fälschung ausgesetzt ist, und eine Beglaubigungsvorrichtung (800), die mit dem Gegenstand verbunden ist, enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung enthält: ein Substrat (304), das mit dem Flächenmaterial verbunden ist und sich aus einem Material zusammensetzt, das einen Brechungsindex m hat, wobei das Substrat eine beugende Struktur aufweist, die mindestens ein Beugungsgitter enthält, das als Oberflächenreliefmuster auf einen Bereich der sichtbaren Oberfläche des Substrats eingeprägt ist, wobei jedes Beugungsgitter eine Strichrichtung hat, die durch eine vorgegebene periodische Wellenform gebildet ist, die eine Periode d senkrecht zur Strichrichtung und eine vorgegebene Amplitude a, die in die sichtbare Oberfläche eingeprägt ist, hat, ein festes Material (306), welches einen Brechungsindex m, der grösser als m ist, hat, auf mindestens einem vorgegebenen Teil jeder Periode jedes Beugungsgitters abgelagert ist, wobei durch das abgelagerte Material auf dem vorgegebenen Teil jeder Periode eine maximale Gesamtdicke der Grösse t des betreffenden Beugungsgitters in einer zur sichtbaren Oberfläche senkrechten Richtung durch die Summe der Amplitude a des geprägten Beugungsgitters und die Dicke des abgelagerten Materials des betreffenden Beugungsgitters ausgebildet wird, und einen Überzug (308), der aus einem festen Material zusammengesetzt ist, welches einen Brechungsindex m, der kleiner als m ist, hat und das Reliefmuster sowie das abgelagerte Material bedeckt, wobei der Überzug den ganzen Raum innerhalb der Gesamtdicke t jedes Beugungsgitters, der nicht bereits durch das Substratmaterial oder das abgelagerte Material bedeckt ist, ausfüllt, wobei für alle Vakuumwellenlängen X innerhalb eines Teilintervalles, das von einer minimalen Wellenlänge Xi bis hinauf zu einer maximalen Wellenlänge Xi des beleuchtenden Lichtes reicht, die folgenden Beziehungen für alle Einfallswinkel des beleuchtenden Lichtes in einem Bereich zwischen Null und a bezüglich einer Ebene, die senkrecht zu der sichtbaren Oberfläche und parallel zu der Strichrichtung verläuft, gelten:

n>max(n2,n3) (1)

d max (n2, m) <Xï (2)

d (n + 1) > Xi (3)

4ntl£?u (4)

wobei n der mittlere Brechungsindex des Substratmaterials, des abgelagerten Materials und des Überzugsmaterials innerhalb des Volumens des Raumes, der durch die Gesamtdicke t jedes Beugungsgitters eingenommen wird, ist und wobei max (m, m) generell das grössere von m und n3 ist, jedoch im Spezialfall, dass m = n3 entweder m oder m ist.

27. Artikel nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert von a gleich 90° ist.

28. Artikel nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die beugende Struktur (Fig. 9) ein erstes der erwähnten Beugungsgitter (900), das einen ersten Teil des Bereiches der beugenden Struktur einnimmt, und ein zweites der Beugungsgitter (902), das einen zweiten Teil des Bereiches der beugenden Struktur einnimmt, enthält und dass mindestens einer der Parameter des ersten der Beugungsgitter wesentlich verschieden von dem des zweiten der Beugungsgitter ist, um dadurch wesentlich verschiedene Polarisations- und Farbeigenschaften der Spektren des reflektierten Lichtes vom

29. Artikel nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Teil des Bereiches der beugenden Struktur aneinander anstossen.

30. Artikel nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil des Bereiches den ersten Teil des Bereiches der beugenden Struktur umgibt.

30

35

40

45

50

55

60

65

661803

ersten und vom zweiten Beugungsgitter für alle Betrachtungswinkel zwischen Null und a zu liefern.

30 mengesetzt sind, wobei m gleich m ist.

31. Artikel nach einem der Ansprüche 28,29 und 30, dadurch gekennzeichnet, dass der erwähnte eine Parameter der Wert von d ist.