CN1200289C - 衍射光的二元光栅结构 - Google Patents

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Abstract

一种衍射光的二元光栅结构具有一微观的台型结构(2)，其高台(5)被基本上为矩形横截面的凹谷(4)所隔开，其中所述凹谷(4)的结构周期性地重复。在台型结构(2)的一个周期(T)内至少N个凹谷(4)隔开高台(5)，其中N为整数并大于2。所述台型结构(2)是一个由N个相移的矩形结构的加法叠加，所述矩形结构本身具有所述台型结构(2)的周期(T)。每一个矩形结构具有这样一个相位移，使一个矩形结构的高台(5)落入所述N-1个其他的凹谷(4)。此外所形成的台型结构(2)在两个高台(5)之间只有一个唯一的凹谷，该凹谷的宽度大于所述周期(T)的七分之一。所述二元光栅结构适用于光衍射的安全元件，因为二元光栅结构不能通过全息照相措施复制。

Description

衍射光的二元光栅结构
技术领域
本发明涉及衍射光的二元光栅结构和其在安全元件(Sicherheits-element)中的应用。
这种光栅结构具有一种特别高的衍射率和一种鲜明的被衍射光的非对称性和偏振性，并适合于作为已知平面图形在视觉上的安全标记，该平面图形由涂覆有衍射结构的平面元件的拼接图形所组成。
背景技术
这种安全标记用来作为有价值的物品、文献、证明、钞票等的难以伪造的真实性标识并且例如在EP 0 105 099 B1中进行了描述。安全标记的平面元件具有周期衍射的光栅结构，该结构这样地具有给定的光栅参数，如剖面形状、空间频率和方位角取向等，使被照射的安全标记在转动或翻转时看上去在颜色和图形上具有给定的变化。例如由EP 0 360 969A1已知，如果在相邻的平面元件中设置相反取向的非对称光栅结构，则当把基片转过180°时由观察者看到的平面元件强度相互交换。
DE 32 06 062 A1示出一种简单的二元光栅结构和其在安全标记上的应用。二元光栅结构具有一种由剖面形状构成的结构，该结构遵循一种简单的周期性矩形函数。矩形函数的占空比(Tastverhaeltniss)，即凹谷宽度相对于矩形结构周期长度的比例，是不变的并且其数值为50％，由此使被衍射的光包含最大的色饱和。
EP 0 712 012 A1描述了一种包括二元光栅结构的安全标记的进一步构成。安全标记的平面元件涂覆有周期性矩形结构。矩形函数的占空比越过平面元件连续地从最大值变化到最小值，使得在照射平面元件时色饱和度在平面元件内部的某个范围达到最大。此外示出非周期性矩形结构，该结构以对于衍射结构任意选择的深度和宽度尺寸设置，以便提高安全元件的赝品安全性。但是所生成的图形是非常复杂的并且使被观察者难以鉴别真正的安全元件。
由US 4’846’552已知一种电子射线平版印刷方法，用于加工聚焦光学元件的二元光栅结构。对于占空比为50％的简单矩形结构也可以通过适当地选择结构深度，例如矩形结构周期长度的25％，来实现对于线性偏振光的高衍射率。二元光栅结构的重要性源于这样的事实，即这种结构能够以更高的精度加工并可以通过模型复制。
上述的简单矩形结构可以通过全息照相措施进行复制，其中对于占空比为约50％的对称矩形结构的复制只产生较少的衍射率损失。矩形结构越不对称，复制的衍射率损失就越严重。按照EP 0 712 012 A1矩形结构的占空比沿着给定方向连续地变化，具有这种矩形结构的平面元件在复制中衍射色彩的强度变化代替色饱和变化。因为一种色饱和变化与一种色强度变化在没有以真正的安全元件为基准的条件下是难以从视觉上进行区分的，所以不能立刻识别出未经授权的安全元件复制品。
发明内容
本发明的目的是，实现经济地复制光栅结构，这种光栅结构适合用于光学衍射的安全元件，这种安全元件的生产是昂贵的并且是难以复制的。
按照本发明上述目的通过带有亚微观结构的二元衍射光栅结构的不同实施方式和该光栅结构在平面元件中的应用来实现，它们以一种拼接图形结构形成安全元件的埋入由塑料制的层合材料内的衍射平面图形。
按照本发明的衍射光的二元光栅结构，它具有一微观的台型结构，该台型结构由被矩形的凹谷所隔开的高台所组成，其中在所述台型结构的一个周期内周期性重复的凹谷结构是一个至少三个相移的矩形结构R的加法叠加，该矩形结构具有所述台型结构的周期的一脉冲宽度t1；t2；t3…，其中所述矩形结构R相互间具有这样的相移φ1；φ2；φ3；…，使一个所述矩形结构R的高台落入另一矩形结构R的凹谷内，所述台型结构具有一数值为25nm至5000nm范围之间的光学有效的剖面高度h，
其特征在于，所述台型结构的分界面设计成用于一个波长λ的可见入射光的反射的金属表面，所述台型结构的周期取值在250nm至5000nm范围之间，并且至少一个在两个高台之间的凹谷的宽度大于所述周期的七分之一。
按照一种优选实施方式，所述台型结构的分界面构成为带有所述反射的金属表面的反射层，并设置在一漆层与一保护层之间。
按照一种优选实施方式，所述台型结构成形在一个金属表面上并可选择配有一个填充凹谷的保护层。
按照一种优选实施方式，所述台型结构的最小的结构宽度小于入射光的波长λ的五分之一。
按照一种优选实施方式，所述台型结构的周期在平行于凹谷的方向上这样变化，使凹谷是分离的或蜿蜒的。
按照一种优选实施方式，所述高台在所述台型结构的一个周期内部的分布是非对称的，其中在一个半周期中所有高台的脉冲宽度t1；t2；t3…总和小于在另一个半周期中所有高台的脉冲宽度t1；t2；t3…总和，而脉冲宽度t1；t2；t3…、矩形结构R的数量N和其相移φ1；φ2；φ3；…这些参数这样给定，使所述台型结构对于入射光在不同的衍射阶中的衍射率E是非对称的。
按照一种优选实施方式，在所述台型结构的一个周期内这样设计所述高台的非对称分布，使不仅光的沿横向电场方向偏振的波而且光的沿横向磁场方向偏振的波非对称地偏转进一个唯一的、给定的负或正衍射阶。
按照一种优选实施方式，在所述台型结构的一个周期内这样设计所述高台的非对称分布，使基本上只对于光的沿横向电场方向偏振的波在唯一的、给定的负或正衍射阶中的衍射率ETE大于在另一衍射阶中的衍射率，而对于光的沿横向磁场方向偏振的波台型结构起到镜面作用。
按照一种优选实施方式，在所述台型结构的一个周期内这样设计所述高台的非对称分布，使对于光的沿横向电场方向偏振的波可在一个给定阶的负衍射阶中确定的衍射率E-TE至少两倍于在同一阶的正衍射阶中的衍射率E+TE，而对于光的沿横向磁场方向偏振的波可在同一给定阶中测得的在正衍射阶中的衍射率E+TM至少两倍于在负衍射阶中的衍射率E-TM。
按照本发明的安全元件，它包括一埋入由透明塑料制成的层合材料内的平面图形，该元件具有衬覆有微观精细的光栅结构的平面元件的拼接图形结构，这些平面元件衍射、散射或反射一个波长λ的入射光，其中所述光栅结构的光学有效性通过金属反射层得到强化，
其特征在于，至少在所述平面元件中的一个平面元件内设置一个二元光栅结构，该结构是一个由被矩形凹谷隔开的、具有一个脉冲宽度t的高台所组成的台型结构，在所述台型结构的一个周期T内周期性重复的凹谷的结构是一个至少三个相移的具有周期T的矩形结构R的加法叠加，其中矩形结构R相互间具有一个相移φ1；φ2；φ3；…，使一个矩形结构R的高台落入另一矩形结构R的凹谷，并且至少一个在两个高台之间的凹谷的宽度大于所述周期T的七分之一；所述台型结构在面朝入射光的凹谷内具有一光学有效的、其值在25nm至5000nm范围之间的剖面高度h，而所述台型结构的周期T取值在250nm至5000nm范围之间。
按照一种优选实施方式，所述台型结构具有五个非对称地分布在周期T内的、具有小于波长λ五分之一的脉冲宽度t的高台，不仅对于光的沿横向电场方向偏振的波而且对于光的沿横向磁场方向偏振的波所述台型结构在负一级衍射阶中的衍射率至少5倍于在其余衍射阶中的衍射率。
按照一种优选实施方式，所述台型结构具有五个非对称地分布在周期T内的高台，在周期内对于四个所述高台所述脉冲宽度t小于可见入射光波长λ的五分之一，而第五个高台的脉冲宽度t大于所述其它四个脉冲宽度t的总和，对于垂直的入射光所述台型结构对于光的沿横向电场方向偏振的波在负一级衍射阶中的衍射率至少三十倍于在其余任一衍射阶中对于沿横向电场方向偏振的波的衍射率，对于光的沿横向磁场方向偏振的波所述台型结构起到镜面作用。
按照一种优选实施方式，所述台型结构具有三个非对称地分布在周期T内的高台，在周期T内对于两个所述高台所述脉冲宽度t小于入射光波长λ的五分之一，而第三个高台的脉冲宽度t大于其它两个脉冲宽度t的总和，对于垂直的入射光所述台型结构对于入射光的沿横向电场方向偏振的波在负一级衍射阶中的衍射率至少两倍于对于入射光的沿横向磁场方向偏振的波的衍射率，对于正一级衍射阶沿横向磁场方向偏振的波的衍射率至少两倍于沿横向电场方向偏振的波的衍射率，而沿横向电场方向和沿横向磁场方向偏振的波在正一级衍射阶中的衍射率总和基本等于沿横向电场方向和沿横向磁场方向偏振的波在负一级衍射阶中的衍射率总和。
按照一种优选实施方式，与包括台型结构的平面元件相邻的第二平面元件衬覆有一个对称的衍射光栅，而所述台型结构和对称的衍射光栅两者具有相同的周期T和相同的方位角取向。
按照一种优选实施方式，与包括台型结构的平面元件相邻的第二平面元件衬覆有相同的台型结构，而两个台型结构在二元光栅结构的辨别方向上是彼此相反的。
按照一种优选实施方式，与包括台型结构的平面元件相邻的第二平面元件衬覆有一个对称的衍射光栅，而所述台型结构和对称的衍射光栅具有与光栅结构相同的周期T和相同的方位角取向；这样协调所述相邻的平面元件的表面亮度，使平面元件的表面亮度适应于亮度较弱的第二平面元件，其中在平面元件中光栅结构的分量通过使光偏转的光栅表面的光栅形结构变小，该光栅元件的尺寸小于0.3mm。
按照一种优选实施方式，与包括台型结构的平面元件相邻的第二平面元件衬覆有相同的台型结构，而两个台型结构在二元光栅结构的辨别方向上是彼此相反的；这样协调所述相邻的平面元件的表面亮度，使平面元件的表面亮度适应于亮度较弱的第二平面元件，其中在平面元件中光栅结构的分量通过使光偏转的光栅表面的光栅形结构变小，该光栅元件的尺寸小于0.3mm。
附图说明
在附图中示出本发明的实施例并在下面予以详细描述。附图中：
图1为二元光栅结构的立体图；
图2a-c为具有光栅结构的层合材料的横截面图；
图3a-c为矩形结构；
图4为一个台型结构；
图5a-c为台型结构的示例；
图6a+b为具有按图5a中台型结构的平面图形；
图7a-c为具有按图5b中台型结构的平面图形；
图8a-c为图7a-c中的图形旋转180°后的平面图形；
图9a-c为具有按图5c的台型结构的平面图形；
图10a-c为图9a-c中的图形旋转180°后的平面图形；
图11为平面图形的另一实施例；
图12为二维台型结构。
具体实施方式
在图1中所示的由周期性二元光栅结构构成的截段具有一个在平的基片1上成形的一种台型结构2的显微精细剖面形状。凹谷4的谷底3从基片1的上表面开始下降。凹谷划分台型结构2的高台5的上表面，其中凹谷4具有基本矩形的横截面。至少三个凹谷4和三个高台5构成台型结构2的一个周期T。高台5位于基片1上表面的平面6上。谷底3确定了一个平行于第一平面6的、从基片1的上表面下降一个剖面高度hG的第二平面7。这种只具有两个平面6、7的光栅结构也称为二元光栅结构。凹谷4这样分隔高台5，使得在周期T内不产生其它的周期性。
周期性的二元光栅结构衍射电磁射线。用于从视觉上评价安全标记的光栅结构的周期T长度和剖面高度h要适配于可见光的波长λ，其波长λ的光谱在380nm＜λ＜780nm范围内。周期的数值T为例如从250nm至5000nm范围之间。条件λ/T≥1被视为“零阶(Zero Order)”微观结构。对于“零阶”微观结构所有衍射阶(Beugungsordnung)除零阶以外被遏制。而在条件λ/T＜1的条件下射入二元光栅结构的光也在更高的衍射阶内衍射。如果周期T≤2μm时，这种微观结构不能以通常的全息照相方法进行复制。
凹谷4的剖面高度h是恒定的。显微台型结构2是光学有效的并具有相互平行的笔直、蜿蜒或弯曲的凹谷4和高台5。台型结构2作为周期性光栅结构由其参数进行描述，这些参数包括相对于辨别方向的方位角周期T或空间频率f＝1/T、台型结构2的剖面形状、剖面高度h。在台型结构2内的几何剖面高度hG不能与光学有效的剖面高度h相混淆。如果以折射率n＞1的透明材料充满凹谷4，则以折射率n乘以几何剖面高度hG就成为光学有效的剖面高度h。光学有效的剖面高度h可以在25nm至5000nm范围里选择，其中剖面高度h的优选数值在下限至四分之一波长λ/4。如果在这里所示的基片1具有负的台型结构2剖面形状，则基片1适合于以塑料形成台型结构2或由非常软的金属(Ag，Al，Au，Cu等)进行压印。这一点能够实现经济地复制台型结构2。较硬金属，如钢材、用于硬币的铜镍合金等通过已知的金属蚀刻方法形成结构。
图2a至2c示出具有台型结构2的安全元件的不同层合材料8的横剖面图。在图2a中台型结构2成形在由透亮或透明塑料制成的基膜9上。在一种加工方法中未加工的基膜9在形成台型结构2之前单面覆盖至少一层透明的热塑性漆层10。台型结构2成形在漆层10里面。在一个经济的实施例中漆层10在成形前已经被覆盖一层金属的或介电的反射层11。对于另一种成形方法，基膜9被通过可紫外光硬化的、透明的漆层10覆盖。台型结构2的底模在硬化过程中成形在还是软的、还可稍微变形的漆层10里面。对于这两种方法漆层10的厚度大于剖面高度hG(图1)。如果基膜9只用来作为漆层10的支承层，以便实现非常薄的层合材料8，则在基膜9与漆层10之间构成一个由虚线12在图2a视图中表示的分隔层。分隔层可以在将安全元件涂覆到基体上以后实现去除基膜9。在硬化后涂覆金属的或介电的反射层11。由反射层11产生的折射率n阶跃使具有台型结构2的分界面14光学有效。接着在成形面涂覆充满进凹谷的保护层13。接着对保护层13的外露表面配上粘接层15，或者保护层13的材料本身是粘接剂。透过设置在台型结构2上的层9、10可以看到安全元件。如果不仅反射层11、保护层13和可能的粘接层15是透明的，而且安全元件也是透明的，因此适合于保护在文献上的特殊标记。透过粘接到文献上的安全元件可以看到该标记。
透明材料是光学明亮的，它能够透过整个可见光光谱(＝透亮材料)或者只透过某个可见光光谱段(＝彩色材料)。
在图2b中的层合材料8示出覆盖层16和基层17的另一种结构，其整个分界面14确定台型结构2(见图1)。两种层16、17的材料在其折射率n1、n2上是不同的并同样影响到定义台型结构2的折射率阶跃Δn。为了使台型结构2是光学有效的并从视觉上识别被衍射的光，必需使整个分界面14上的阶跃Δn＝|n1-n2|＞0.1。在一个实施例中两个层16、17是透明塑料。在另一实施例中基层17是金属基片1(见图1)，基片上配有透明的充满凹谷4的由塑料制成的覆盖层16。
在图2b的实施例中左边塑料层16也覆盖高台5，而在实施例中右边塑料层16正好只充满凹谷4。整个的、确定台型结构2(见图1)的、位于基片1金属表面与塑料层之间的分界面14具有高的衍射率E。对于右边所示的层合材料8实施例，层17采用铜-镍合金，如同在硬币中所使用的那样，在其表面上通过材料去除、例如通过蚀刻或强烈的激光加工出台型结构2。
受加工条件的限制，凹谷4的横截面与理想的矩形形状具有微小偏差。图2c示出层合材料8(图2a)的一个截段。通过层16与17之间的分界面14所确定的凹谷4的侧壁18这样V形地倾斜，使凹谷4具有梯形横截面。此外棱边在很大程度上倒圆，由于绘图的原因这点在图2c中未示出。与图2c所示视图相反，台型结构2的纯矩形形状偏差小到使横截面看上去基本上为矩形。
在图1中的台型结构2通过沿着路程x在箭头19方向上的矩形函数M(x)(图4)进行描述，箭头的指向平行于平面6并垂直于凹谷4。
图3a至3c和图4作为示例示出周期性矩形函数R1(x)，R2(x’)，R3(x”)和M(x)，这些函数表示沿着路程x、x’、x”的两个前后相继的周期T。矩形函数M(x)由至少三个相移的矩形结构R1(x)、R2(x’)、R3(x”)的加法重叠而产生，并具有台型结构2的周期T。在对M(x)求和时第N个矩形结构R1(x)、R2(x’)、R3(x”)相互间包括这样的一个相移φ1、φ2、φ3….，使一个矩形结构的高台5落入第N-1个其他的矩形结构的凹谷4里面。这个条件保证和函数M(x)是二元光栅结构。
在图4中周期性矩形函数M(x)是N＝3的在图3a至3c中表示的矩形函数之和。矩形函数R1在这个示例中具有一个相移φ1＝0°，因此和M(x)＝R1(x)+R2(x+φ2)+R(x+φ3)。
矩形脉冲R的脉冲宽度t与周期长度T的比例称为占空比t/T。至少一个矩形函数R具有最高6％的占空比，例如在图3c视图中的矩形函数R3(x”)。在一个实施例中台型结构2的这个最小脉冲宽度t最大为入射的可见光波长λ的五分之一。
相移φ1、φ2、φ3、…和脉冲宽度t1、t2、t3、…是这样确定的，一方面，在所产生的台型结构2的矩形函数M(x)中在两个高台5之间只有唯一的凹谷4具有大于七分之一周期T的最大宽度w。另一方面，至少一个凹谷4的最小宽度w最宽为波长λ的五分之一。所述参数，如数量N、周期T、剖面高度h、相移φ和脉冲宽度t等确定台型结构2。
台型结构2的最小结构宽度受加工条件的限制不能超越。由最小结构宽度表示设置在台型结构2中的脉冲宽度t和宽度w的最小数值。所能控制的受加工条件限制的最小结构宽度取决于几何剖面高度hG，因为当最小加工宽度大于几何剖面高度hG一半时的成形将造成大的加工成形困难性。当几何剖面高度hG高至100nm时目前技术上所能达到的最小结构宽度为约50nm。
根据上面提及的条件，构成函数M(x)的矩形函数R(x)的数量N按照上面所述根据周期T和最小结构宽度限制到10，其中N最好为3至5之间。
在一个周期为T的台型结构2实施例中，一方面所有高台5在半周期T/2中的脉冲宽度t之和大于所有凹谷4在相同半周期T/2中的宽度w之和，另一方面所有高台5在第二个半周期T/2中的脉冲宽度t之和小于所有第二个半周期T/2中的凹谷4宽度w之和。每个半周期T/2包括至少一个凹谷4和一个高台5。这种台型结构2具有非对称的衍射特性并使入射光非对称地偏转到不同的衍射阶。非对称的台型结构2从属于一个辨别方向(光栅矢量)，该方向由一个在平面6内垂直于凹谷4示出的箭头19(图1)来表示。
上述台型结构2具有微观和亚微观结构，即，结构宽度小于光波长λ。对于这种结构标量理论不再能够定性地描述亚微观的台型结构2的衍射特性。只有采用精确的电磁理论和详细的计算，如同例如在海德堡Spring出版社1980年出版的由R.Petit撰写的书籍“ElectromagneticTheory of Gratings(光栅的电磁理论)”中所叙述的那样，可以通过花费大量的计算描述具有亚微观结构的台型结构2的衍射特性。在这里标量理论失效，因为对于TE(沿横向电场方向)和TM(沿横向磁场方向)偏振电磁波在入射到二元光栅结构上时光特性是完全不同的。
在TE偏振情况中，其中电场平行于台型结构2的凹谷4取向，在反射层11(图2a)中或在分界层14(图2b)中流动着这样强的表面流(Oberflaechenstrom)，使台型结构2起到如同镜面一般的作用。启发性地说，TE偏振波的场没有进入台型结构2的凹谷4，因此不获得台型结构2的效果。在TM偏振情况中，其中电场垂直于凹谷4，即指向台型结构2的箭头19(图1)方向，在层11或14上不这么容易产生表面流。因此TM波的电场可以进入凹谷4的深处并通过台型结构2影响TM波的衍射。
衍射光的二元光栅结构作为剖面形状具有包括亚微观结构元件的非对称台型结构2，在以垂直于台型结构2的入射光照射时，这种光栅结构显示出特殊的衍射特性。入射光主要衍射成一个唯一的衍射阶，而被衍射光在其余的衍射阶中只有微少的、视觉上几乎感觉不到的强度。在图5a至5c中作为示例示出由三个周期T＝2μm的台型结构2在两个周期T上的矩形函数M(x)。在横坐标上路程段x上以微米在箭头19方向上标注尺寸，而在纵坐标上以纳米标出几何剖面高度hG。二元光栅结构按照图2a埋在一个由塑料(折射率n≈1.5)制成的层合材料里面，其中反射层11(图2a)由一个约40nm至70nm厚的铝层构成，该铝层确定台型结构2。对于波长在λ＝435nm(蓝)至550nm(绿)范围内的光，下面描述的偏振和/或反差效应比更长波长的偏振和/或反差效应更加明显。
如图6a所示，由此实现对光栅结构偏振能力影响的检验，偏振滤光镜20从入射到平面图形21上的光22中滤出所不期望的TE偏振波或TM偏振波。偏振滤光镜20以相同的作用布置在光栅结构与观察者眼睛之间，其中衍射光23、23’、24、24'被滤掉。
示例1：
图5a中的二元光栅结构具有台型结构2的剖面形状，其描述的函数M(x)由表1中的N＝5个矩形函数R(x)组合而成。光栅结构、光栅矢量的辨别方向由箭头19表示。
表1
矩形函数 脉冲宽度t 相移φ
R1(x) 75nm 45°
R2(x) 100nm 180°
R3(x) 125nm 216°
R4(x) 200nm 2381/2°
R5(x) 200nm 324°
剖面高度hG为90nm而最小结构宽度为75nm，其中最小结构宽度不仅作为矩形函数R1的脉冲宽度t＝75nm，而且作为矩形函数R3和R4之间的凹谷4(图1)的宽度w＝75nm。所有脉冲宽度明显小于可见光的波长。
按照图5a的台型结构2对于垂直入射光不仅TE偏振波(＝TE波)的大部分而且TM偏振波(＝TM波)的大部分衍射进负一级衍射阶。衍射进负一级衍射阶中的光强度明显地、至少5倍地大于在垂直于凹谷4沿光栅矢量方向衍射进其余衍射阶之一的光。
图6a示出平面图形21，该图形例如由两个平面元件25、26所组成。矩形背景元件25这样衬覆图5所示的二元光栅结构，使其辨别方向(dieausgezeichnete Richtung)平行于箭头19取向。三角形的内部元件26具有与背景元件25相同的二元光栅结构，但是该二元光栅结构的辨别方向与箭头19取向相反。如果光22垂直入射到平面图形21的结构上，观察者进行观察，例如他在与箭头19相反的方向上在对于波长λ＝435nm(蓝)至550nm(绿)的一级衍射阶的衍射角下看到，一个在负一级衍射阶的衍射光23中明亮辐射的、蓝色至绿色的背景元件25包括一个在正一级衍射阶的衍射光24中微弱发光的、蓝色至绿色的内部元件26。如图6b所示，如果平面图形21在其平面里转动180°，在平面图形21上背景元件25和内部元件26的每面积单位的强度、表面亮度相互交换，即，现在背景元件25只将正一级衍射阶的光24’(图6a)偏转到观察者眼睛，并因此看起来显得较暗，而在负一级衍射阶的衍射光23’中观察到的内部元件26显得明亮。光的偏振不影响所观察到的强度关系，因为不仅TE波而且TM波主要偏转到负一级衍射阶里面。在图6a至10c中不同密度的图象表示被照射平面图形21的两个元件25、26的表面亮度。
示例2：
在图5b中表示所描述的函数M(x)的非对称台型结构2(图5a)的剖面形状，该函数由表2中的N＝5个矩形函数R(x)之和得出。
剖面高度hG为150nm，其中最小结构宽度为100nm。最小结构宽度不仅作为矩形函数R1(x)，R3(x)和R4(x)的脉冲宽度t＝100nm，而且作为位于矩形函数R5(x)与台型结构2剖面形状中的下一周期T(图5a)的R1(x+T)之间的凹谷4(图1)的宽度w＝100nm。
表2
矩形函数 脉冲宽度t 相移φ
R1(x) 100nm 18°
R2(x) 150nm 581/2°
R3(x) 100nm 117°
R4(x) 100nm 180°
R5(x) 550nm 261°
按照图5b的台型结构2对于垂直入射的光，TE波的大部分衍射进一个唯一的负或正衍射阶内，而实际上没有光进入其余衍射阶。在其余衍射阶中的衍射率ETE例如明显小于(至少小30倍)在负一级衍射阶中被衍射光的衍射率ETE-1，即ETE-1/ETE≥30或ETE+1/ETE≥30。对于TM波，衍射率ETM在所有的衍射阶中比在零阶中的衍射率ETM0至少小一个数量级(ETM0/ETM≥10)，因为这个二元光栅结构对于TM波起到镜面的作用并使TM波反射到零衍射阶中。
图7a至8c示例性地示出由两个平面元件25、26组成的平面图形21。矩形背景元件25衬覆有对称的光栅结构，例如正弦形的剖面形状、对称的矩形函数的剖面形状等。三角形的内部元件26具有包括在图5b中所示台型结构2(图1)的二元光栅结构，其中在图7a至8c中二元光栅结构的辨别方向箭头19从内部元件26的尖端指向其基准线。背景元件25的对称光栅结构具有与内部元件26的二元光栅结构相同的周期T和相同的方位角取向，并在正和负一级衍射阶中具有至少40％的衍射率。
如果非偏振的光22(图6a)垂直入射到图7a中所示的平面图形21的结构上，观察者进行观察，他在与箭头19相反的方向上在对于波长λ＝435nm(蓝)至550nm(绿)的第一衍射阶的衍射角下看到，在被衍射的光23中(图6a)平面图形21作为均匀明亮辐射的、蓝色至绿色的平面，因为背景元件25和内部元件26具有几乎相同的衍射率。因此在两个元件25、26的公共边界上的反差消失，并且在背景元件25上的内部元件26不能被识别。在图7a中所示的平面图形21在平面内转过180°以后在图8a中平面图形21在非偏振光中变化，其中内部元件26作为暗平面从背景元件25中浮起，因为内部元件26的二元光栅结构以更微小的效率衍射进正一级衍射阶。而衬覆对称衍射光栅的背景元件25在转过180°之前和之后对于观察者在表面亮度上没有变化。
图7b和8b示出在线性偏振光内观察的平面元件21，其中TM波由偏振滤光镜20(图6a)滤出。在图7b中内部元件26在负一级衍射阶的未削弱衍射光23(图6a)内发光，而从由背景元件25(图6a)衍射的衍射光中消除TM波的分量并因此削弱背景元件25的表面亮度(Flaechenhelligheit)。在平面元件21在其平面里转过180°以后背景元件25具有与转动前相同的表面亮度。而内部元件26具有比背景元件25明显更微小的亮度，因为强度在正一级衍射阶中是小的，如在图8b中所看到的那样。
图7c和8c示出在线性偏振光内观察的平面元件21，其中TE波由偏振滤光镜20(图6a)滤出。无论取向0°或180°平面图形21在TM波光中都具有相同的外观。背景元件25在两个取向中具有相同的表面亮度。因为TE波被滤出，内部元件26的表面亮度在两个取向中例如约以4至6倍明显弱于背景元件25，因为二元光栅结构只以微小的效率衍射TE波。
在图8a至8c的平面元件21中保持表面亮度特性，这与观察者看到的衍射光是偏振的或非偏振的无关。
示例3：
图5c的二元光栅结构具有周期T＝2μm的非对称台型结构2(图1)的剖面形状。台型结构2的剖面形状由表3中的N＝3个矩形函数R(x)之和的函数M(x)表示。
表3
矩形函数 脉冲宽度t 相移φ
R1(x) 100nm 1661/2°
R2(x) 150nm 202°
R3(x) 670nm 2391/2°
剖面高度hG为90nm而最小结构宽度为55nm，其中最小结构宽度作为同一周期T(图1)中矩形函数R2(x)与R3(x)之间的凹谷4(图1)的宽度w＝55nm。
按照图5c的台型结构2将垂直入射光22(图6a)优选衍射进两个一级衍射阶。衍射进其余衍射阶中的光分量是非常少的。台型结构2对于线性偏振TE波的衍射率在负一级衍射阶ETE-1中至少两倍于在正一级衍射阶ETE+1中的衍射率。而台型结构2对于线性偏振TM波的衍射率在正一级衍射阶ETM+1中至少两倍于在负一级衍射阶ETM-1中的衍射率。衍射率在一级衍射阶中的较高值不仅对于TE而且对于TM波都至少20倍于衍射光在其余衍射阶中的衍射光强度，其中理想的方式是ETE-1+ETM-1≈ETM+1+ETE+1。
图9a至10c示出由例如两个平面元件25、26所组成的平面图形21。与示例1中一样，矩形背景元件25和三角形内部元件26具有相同的二元光栅结构，该光栅结构具有图5c所示的台型结构2(图1)的剖面形状。在图9a至10c中这个二元光栅结构的辨别方向在背景元件25中平行于箭头19取向而在内部元件26中从内部元件26的基准线指向其尖端，即，二元光栅结构的辨别方向在背景元件25与在内部元件26中是相互反向的。
如果非偏振的光22(图6a)垂直入射到图9a中所示的平面图形21的结构上，观察者在衍射光23(图6a)内看到平面图形21作为均匀明亮辐射的、从蓝色到绿色的平面，而与他是否在对于波长λ＝435nm(蓝)至550nm(绿)的第一衍射阶的衍射角下，沿与箭头19相反的方向还是如图10a所示沿箭头19的方向观看无关。背景元件15和内部元件26中的光栅结构的衍射率对于非极化的光在两个一级衍射阶内大约是相同的。因此在两个元件25、26的共同边界27上的反差在两个方位角0°和180°内消失而在背景元件25的平面里不能识别内部元件26。
图9b和10b示出在线性偏振光内观察到的平面元件21，其中TM波通过偏振滤光镜20(图6a)滤出。在图9b中内部元件26在负一级衍射阶的未弱化的衍射光23(图6a)中发光。而背景元件25的表面亮度减少约三分之二，因为只还有正一级衍射阶的衍射率ETE+1起作用，并且通过偏振滤光镜20消除TM波的分量。因此使内部元件26比背景元件25具有更高的表面亮度。在平面元件21在其平面里转过180°之后，背景元件25与内部元件26的表面亮度相互交换，这一点在从图9b转变到图10b时从视图中可以看出。
图9c和10c示出在线性偏振光内观察到的平面元件21，其中TE波通过在其平面里转过90°的偏振滤光镜20(图6a)滤出。通过将偏振滤光镜转过各90°使背景元件25与内部元件26的表面亮度相互交换，使图9b的视图转变到图9c的视图而图10b的视图转变到图10c。通过平面元件21在其平面里转到0°和180°的位置使背景元件25与内部元件26的表面亮度相互交换，从而使图9c的视图转变到图10c的视图。
在平面元件21的实施例中内部元件26由阿拉伯数字符号例如文字或条形码构成，文字和条形码在偏振光中在背景元件25上是可见的，但是在其余的非偏振日光中是不可识别的。
在图7a至10c所示的组合中所应用的衍射结构(Beugungsstruktur)可以在平面图形21中产生与观察者的取向和偏振有关的图形，其中在共同的边界27(图6b)上的反差是明显的或消失的。
在图6b的实施例中在平面图形21中这样设置至少一个平面元件25，该平面元件在平面元件26、28、29、30的拼接图形中具有二元光栅结构，使在一个给定的衍射阶中至少在方位角方向上平面元件25的TE波和TM波的衍射率之和ETE+ETM基本等于与平面元件25相邻的平面元件26的TE波和TM波的衍射率之和ETE+ETM，使得在给定的衍射角下被照射的平面元件25、26的颜色和表面亮度是相同的，并且在两个平面元件25、26的共同边界27上的反差消失。平面图形21的这种特性对于安全元件是一种真实性标识，这种标识在全息照相复制时以典型的方式消失。因此这种复制品是可以识别的。
如同在图6a的示例中所示的那样，平面图形21出于简单性只包括两个元件25、26。在实际的实施例中平面图形21按照图6b包括大量的其它平面元件28至30，为了产生所期望的平面图形21，除了上面所述的衍射结构以外平面元件还具有任意的衍射结构、镜像或散射的结构或吸收的表面。
在图11中示出具有两个平面部分25、26的平面图形21。平面元件25的二元光栅例如具有比平面元件26更高的衍射率。为了使在平面图形21的平面部分25、26之间的共同边界27上的反差在上述示例2和3中的给定观察条件下最佳地消失，两个平面部分25、26的表面亮度必需相互精确地调整。为此具有优点地至少使具有较高衍射率的二元光栅的平面分量减小(这里是在平面元件25内部)，以便使平面元件25的表面亮度弱化并最佳地适配另一光弱化的平面元件26。通过至少沿着共同边界27的最小光栅面31的均匀线光栅或点光栅减小光栅结构在平面元件25中的平面分量。光栅面31例如衬覆有衍射结构，衍射结构将其衍射光偏转到与平面元件25和26的光栅的不同方向上。并非所有的在平面元件25或26内部的光栅面31都必须具有相同的光学活性(Aktivitaet)。光栅面31根据平面图形21的要求也可以通过其它光学活性代替衍射活性，如它们可以通过散射结构或吸收或镜像平面产生。光栅面31的密度和分量对应于所要求的平面元件25表面亮度的弱化，因为光栅面31的整体性对于平面元件25上的二元光栅结构的平均衍射率没有促进。因此平均衍射率是更小的。至少光栅面31的尺寸具有优点地为小于0.3mm，以便使人眼在正常视觉条件下不能识别到光栅。再一次指出，在图6a至10c视图中的光栅只用于区别具有绘图措施的表面亮度。
在一个实施例中光栅面31的结构是含有放映形状(Kinoform)或傅立叶全息照相的一种信息。只有对于一种单色照射包括光栅面31的平面元件25时才能在上看到或读出信息。
上述台型结构2(图1)的衍射结构具有不能通过已知的全息照相措施进行复制的优点。
图12示出在平面x/y上的光栅结构，该结构通过由两个相互加法叠加的矩形函数M(x)和M(y)构成的二元光栅函数G来确定，其凹谷4(图1)以交叉角θ进行切割。两个矩形函数M(x)和M(y)的周期并不需要相同。两个矩形函数M(x)和M(y)相互独立地沿着坐标x和y扩展。在一个实施例中例如在坐标x方向上矩形函数M(x)或M(y)延伸到具有光栅结构G的平面元件25的相邻平面元件26(图6a)，由此使该平面元件衬覆有矩形函数M(x)或M(y)。充满凹谷4的漆层10(图2a)和其它层由于绘图的原因被省略。观察者在被照射的平面图形21上(图6a)以给定衍射角在0°、θ°、180°和180°+θ°的方位角看到具有反差区别的图形，其中由箭头19给出的辨别方向表示方位角0°，而θ表示两个函数M(x)和M(y)或坐标轴x、y的交叉角。由于技术上的原因交叉角θ的数值范围限定在30°至150°。

Claims (17)

1.衍射光的二元光栅结构，它具有一微观的台型结构(2)，该台型结构由被矩形的凹谷(4)所隔开的高台(5)所组成，其中在所述台型结构(2)的一个周期(T)内周期性重复的凹谷(4)结构是一个至少三个相移的矩形结构R的加法叠加，该矩形结构具有所述台型结构(2)的周期(T)的一脉冲宽度(t1；t2；t3...)，其中所述矩形结构R相互间具有一个相移(φ1；φ2；φ3；...)，使一个所述矩形结构R的高台(5)落入另一矩形结构R的凹谷内，所述台型结构(2)具有一数值为25nm至5000nm范围之间的光学有效的剖面高度h，
其特征在于，所述台型结构(2)的分界面(14)设计成用于一个波长λ的可见入射光(22)的反射的金属表面，所述台型结构(2)的周期(T)取值在250nm至5000nm范围之间，并且至少一个在两个高台(5)之间的凹谷(4)的宽度大于所述周期(T)的七分之一。
2.如权利要求1所述的光栅结构，其特征在于，所述台型结构(2)的分界面(14)构成为带有所述反射的金属表面的反射层(11)，并设置在一漆层(10)与一保护层(13)之间。
3.如权利要求1所述的光栅结构，其特征在于，所述台型结构(2)成形在一个金属表面上并可选择配有一个填充凹谷(4)的保护层(16)。
4.如权利要求1至3中任一项所述的光栅结构，其特征在于，所述台型结构(2)的最小的结构宽度小于入射光(22)的波长λ的五分之一。
5.如权利要求1至3中任一项所述的光栅结构，其特征在于，所述台型结构(2)的周期(T)在平行于凹谷(4)的方向上这样变化，使凹谷(4)是分离的或蜿蜒的。
6.如权利要求1至3中任一项所述的光栅结构，其特征在于，所述高台(5)在所述台型结构(2)的一个周期(T)内部的分布是非对称的，其中在一个半周期中所有高台(5)的脉冲宽度(t1；t2；t3...)总和小于在另一个半周期中所有高台(5)的脉冲宽度(t1；t2；t3...)总和，而脉冲宽度(t1；t2；t3...)、矩形结构R的数量N和其相移(φ1；φ2；φ3；...)这些参数这样给定，使所述台型结构(2)对于入射光(22)在不同的衍射阶中的衍射率E是非对称的。
7.如权利要求6所述的光栅结构，其特征在于，在所述台型结构(2)的一个周期(T)内这样设计所述高台(5)的非对称分布，使不仅光(22)的沿横向电场方向偏振的波而且光(22)的沿横向磁场方向偏振的波非对称地偏转进一个唯一的、给定的负或正衍射阶。
8.如权利要求6所述的光栅结构，其特征在于，在所述台型结构(2)的一个周期(T)内这样设计所述高台(5)的非对称分布，使基本上只对于光(22)的沿横向电场方向偏振的波在唯一的、给定的负或正衍射阶中的衍射率ETE大于在另一衍射阶中的衍射率，而对于光(22)的沿横向磁场方向偏振的波台型结构(2)起到镜面作用。
9.如权利要求6所述的光栅结构，其特征在于，在所述台型结构(2)的一个周期(T)内这样设计所述高台(5)的非对称分布，使对于光(22)的沿横向电场方向偏振的波可在一个给定阶的负衍射阶中确定的衍射率E-TE至少两倍于在同一阶的正衍射阶中的衍射率E+TE，而对于光(22)的沿横向磁场方向偏振的波可在同一给定阶中测得的在正衍射阶中的衍射率E+TM至少两倍于在负衍射阶中的衍射率E-TM。
10.安全元件，它包括一埋入由透明塑料制成的层合材料内的平面图形，该元件具有衬覆有微观精细的光栅结构的平面元件(25、26；28；29；30)的拼接图形结构，这些平面元件衍射、散射或反射一个波长λ的入射光(22)，其中所述光栅结构的光学有效性通过金属反射层(11)得到强化，
其特征在于，至少在所述平面元件(25、26；28；29；30)中的一个平面元件内设置一个二元光栅结构，该结构是一个由被矩形凹谷(4)隔开的、具有一个脉冲宽度(t)的高台(5)所组成的台型结构(2)，在所述台型结构(2)的一个周期(T)内周期性重复的凹谷(4)的结构是一个至少三个相移的具有周期(T)的矩形结构R的加法叠加，其中矩形结构R相互间具有这样的相移(φ1；φ2；φ3；...)，使一个矩形结构R的高台(5)落入另一矩形结构R的凹谷(4)，并且至少一个在两个高台(5)之间的凹谷(4)的宽度大于所述周期(T)的七分之一；
所述台型结构(2)在面朝入射光(22)的凹谷(4)内具有一光学有效的、其值在25nm至5000nm范围之间的剖面高度h，而所述台型结构(2)的周期(T)取值在250nm至5000nm范围之间。
11.如权利要求10所述的安全元件，其特征在于，所述台型结构(2)具有五个非对称地分布在周期(T)内的、具有小于波长λ五分之一的脉冲宽度(t)的高台(5)，不仅对于光(22)的沿横向电场方向偏振的波而且对于光(22)的沿横向磁场方向偏振的波所述台型结构(2)在负一级衍射阶中的衍射率至少5倍于在其余衍射阶中的衍射率。
12.如权利要求10所述的安全元件，其特征在于，所述台型结构(2)具有五个非对称地分布在周期(T)内的高台(5)，
在周期内对于四个所述高台(5)所述脉冲宽度(t)小于可见入射光(22)波长λ的五分之一，而第五个高台(5)的脉冲宽度(t)大于所述其它四个脉冲宽度(t)的总和，
对于垂直的入射光(22)所述台型结构(2)对于光(22)的沿横向电场方向偏振的波在负一级衍射阶中的衍射率至少三十倍于在其余任一衍射阶中对于沿横向电场方向偏振的波的衍射率，对于光(22)的沿横向磁场方向偏振的波所述台型结构(2)起到镜面作用。
13.如权利要求10所述的安全元件，其特征在于，所述台型结构(2)具有三个非对称地分布在周期(T)内的高台(5)，
在周期(T)内对于两个所述高台(5)所述脉冲宽度(t)小于入射光(22)波长λ的五分之一，而第三个高台(5)的脉冲宽度(t)大于其它两个脉冲宽度(t)的总和，
对于垂直的入射光(22)所述台型结构(2)对于入射光(22)的沿横向电场方向偏振的波在负一级衍射阶中的衍射率至少两倍于对于入射光(22)的沿横向磁场方向偏振的波的衍射率，对于正一级衍射阶沿横向磁场方向偏振的波的衍射率至少两倍于沿横向电场方向偏振的波的衍射率，而沿横向电场方向和沿横向磁场方向偏振的波在正一级衍射阶中的衍射率总和基本等于沿横向电场方向和沿横向磁场方向偏振的波在负一级衍射阶中的衍射率总和。
14.如权利要求10至13中任一项所述的安全元件，其特征在于，与包括台型结构(2)的平面元件(25)相邻的第二平面元件(26)衬覆有一个对称的衍射光栅，而所述台型结构(2)和对称的衍射光栅两者具有相同的周期(T)和相同的方位角取向。
15.如权利要求10至13中任一项所述的安全元件，其特征在于，与包括台型结构(2)的平面元件(25)相邻的第二平面元件(26)衬覆有相同的台型结构(2)，而两个台型结构(2)在二元光栅结构的辨别方向(19)上是彼此相反的。
16.如权利要求10至13中任一项所述的安全元件，其特征在于，与包括台型结构(2)的平面元件(25)相邻的第二平面元件(26)衬覆有一个对称的衍射光栅，而所述台型结构(2)和对称的衍射光栅具有与所述光栅结构相同的周期(T)和相同的方位角取向；这样协调所述相邻的平面元件(25、26)的表面亮度，使平面元件(25)的表面亮度适应于亮度较弱的第二平面元件(26)，其中在平面元件(25)中光栅结构的分量通过使光(22)偏转的光栅表面(31)的光栅形结构变小，该光栅元件的尺寸小于0.3mm。
17.如权利要求10至13中任一项所述的安全元件，其特征在于，与包括台型结构(2)的平面元件(25)相邻的第二平面元件(26)衬覆有相同的台型结构(2)，而两个台型结构(2)在二元光栅结构的辨别方向(19)上是彼此相反的；这样协调所述相邻的平面元件(25、26)的表面亮度，使平面元件(25)的表面亮度适应于亮度较弱的第二平面元件(26)，其中在平面元件(25)中光栅结构的分量通过使光(22)偏转的光栅表面(31)的光栅形结构变小，该光栅元件的尺寸小于0.3mm。
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