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Die
Erfindung betrifft ein Sicherheitselement für Sicherheitspapiere, Wertdokumente
und dergleichen, mit einem in unpolarisiertem Licht sichtbaren mehrfarbigen
Bild, das aus einer Mehrzahl von Pixelelementen besteht. Die Erfindung
betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Sicherheitselements,
einen Datenträger
mit einem derartigen Sicherheitselement und Verfahren zur Echtheitsprüfung eines
Sicherheitselements.
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Datenträger, wie
Wert- oder Ausweisdokumente, aber auch andere Wertgegenstände, wie etwa
Markenartikel, werden zur Absicherung oft mit Sicherheitselementen
versehen, die eine Überprüfung der
Echtheit des Datenträgers
gestatten und die zugleich als Schutz vor unerlaubter Reproduktion dienen.
Die Sicherheitselemente können
beispielsweise in Form eines in eine Banknote eingebetteten Sicherheitsfadens,
einer Abdeckfolie für
eine Banknote mit Loch, eines aufgebrachten Sicherheitsstreifens
oder eines selbsttragenden Transferelements ausgebildet sein, das
nach seiner Herstellung auf ein Wertdokument aufgebracht wird.
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Mehrfarbige
Bilder werden üblicherweise durch
eine Anordnung von Farbpigmenten gebildet. Die Vervielfältigung
der Bilder erfolgt dabei standardmäßig durch Druckverfahren. Die
Haftung der Farbpigmente kann jedoch bei einigen Arten von Farbdrucken
ein Problem darstellen. So ist derzeit ein wesentlicher Nachteil
von Polymer-Banknoten gegenüber
Papier-Banknoten, dass die Farbe des Druckbilds beim Banknotenumlauf
nach einiger Zeit abplatzen kann. Dadurch ist im Wesentlichen die
Umlauffähigkeit
der Polymer-Banknoten begrenzt. Herkömmliche Druckbilder auf Banknoten
können
auch vergleichsweise einfach mit Farbkopierergeräten vervielfältigt werden.
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Ausgehend
davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Sicherheitselement
anzugeben, das die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Insbesondere soll das Sicherheitselement visuell attraktive mehrfarbige Bilder
mit hoher Fälschungssicherheit
verbinden.
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Diese
Aufgabe wird durch das Sicherheitselement, das Herstellungsverfahren,
den Datenträger und
die Verfahren zur Echtheitsprüfung
der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Nach
der Erfindung ist bei einem gattungsgemäßen Sicherheitselement vorgesehen,
dass
- – die
Pixelelemente jeweils metallische Drahtgitter enthalten, die in
Durchsicht und/oder Aufsicht einen dem Pixelelement zugeordneten
Farbeindruck erzeugen, wobei
- – die
metallischen Drahtgitter aus einer Mehrzahl paralleler, beabstandet
angeordneter Metalldrähte
mit einer Gitterperiode von weniger als 1 μm gebildet sind, die auf einer
oder mehreren Höhenstufen
metallische Abschnitte aufweisen, wobei die Breite der metallischen
Abschnitte auf jeder Höhenstufe
kleiner als die jeweilige Breite der Zwischenräume zwischen den metallischen
Abschnitten ist.
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Pixelelemente
mit derartigen metallischen Drahtgittern bilden lateral strukturierte
Subwellenlängengitter,
die basierend auf den Effekten der Resonanzanregung bzw. der Oberflächenplasmon-Polaritonanregung
in TM-Polarisation
bzw. der Resonanzanregung in TE-Polarisation zur Erzeugung von farbigen
Bildern eingesetzt werden können,
wie nachfolgend genauer erläutert.
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Unter
die Bezeichnung ”metallische
Drahtgitter” fallen
im Rahmen der Erfindung insbesondere Strukturen mit z-förmigem Metallprofil,
die auf drei verschiedenen Höhenstufen
beabstandete metallische Abschnitte aufweisen. Auch Metallfilme
mit einer Mehrzahl paralleler Schlitze fallen unter den Begriff
eines metallischen Drahtgitters. Die Metalldrähte sind in diesem Fall durch
die stehengebliebenen Bereiche des Metallfilms gebildet, während die
parallelen Schlitze die Zwischenräume der beabstandeten Metalldrähte bilden.
In anderen Gestaltungen können die
Metalldrähte
auch durch mit metallischen Nanopartikeln gefüllte Gräben eines dielektrischen Gitters gebildet
sein.
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In
einer vorteilhaften Erfindungsvariante ist das Gitterprofil der
metallischen Drahtgitter innerhalb jedes Pixelelements konstant,
so dass jedes Pixelelement in einem gewissen Flächenanteil nur mit einem einzigen
Drahtgitter gefüllt
ist. Um verschiedenfarbige Pixelelemente zu erzeugen, werden dann
je nach gewünschter
Farbe verschiedene metallische Drahtgitter verwendet.
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In
einer anderen, gegenwärtig
bevorzugten Erfindungsvariante besteht jedes Pixelelement aus mehreren
Unterbereichen, die jeweils in einem bestimmten Flächenanteil
ein metallisches Drahtgitter mit einem konstantem Gitterprofil enthalten,
das in Durchsicht und/oder Aufsicht eine dem Unterbereich zugeordnete
Grundfarbe erzeugt, und bei der der Farbeindruck jedes Pixelelements
durch Farbmischung der Grundfarben der Unterbereiche erzeugt ist.
Während
das Gitterprofil innerhalb der Unterbereiche konstant ist, unterscheiden
sich die Gitterprofile der Unterbereiche eines Pixelelements voneinander,
um unterschiedliche Grundfarben zu erzeugen.
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Dabei
ist mit Vorteil eine Anzahl n an verschiedenen Grundfarben vorgesehen,
die jeweils einem Unterbereich jedes der Pixelelement zugeordnet
sind, wobei n vorzugsweise zwei, drei oder vier beträgt.
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Um
eine einfache Herstellung zu gewährleisten,
enthalten die Unterbereiche vorzugsweise metallische Drahtgitter
mit gleicher Gitterperiode. Die unterschiedliche Farbgebung der
Unterbereiche wird bevorzugt dadurch sichergestellt, dass die Unterbereiche
metallische Drahtgitter mit unterschiedlicher Profiltiefe enthalten.
Falls ein besonders großer
Farbraum abgedeckt werden soll, kann zusätzlich ein weiterer Parameter,
beispielsweise der Zwischenraum zwischen den metallischen Abschnitten
oder die Gitterperiode variiert werden.
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Die
Gitterperiode der metallischen Drahtgitter liegt mit Vorteil zwischen
200 nm und 700 nm, die Breite der Zwischenräume zwischen den Metalldrähten liegt
vorzugsweise zwischen 100 nm und 400 nm, und die Profiltiefe der
Metalldrähte
liegt bevorzugt zwischen 10 nm und 500 nm. Aufgrund der kleinen Gitterkonstante
können
die Pixelelemente sehr klein, beispielsweise mit linearen Abmessung
zwischen 2 μm
und 200 μm
ausgebildet werden.
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Für die metallischen
Drahtgitter werden im Rahmen der Erfindung vorzugsweise die Metalle
Aluminium, Gold, Silber, Kupfer, Platin, Palladium und Legierungen
dieser Metalle eingesetzt. Darüber
hinaus sind auch Metalle wie Chrom, Nickel oder Wolfram, die im
Sichtbaren ein höheres
Absorptionsverhalten zeigen, und deren Legierungen einsetzbar.
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Die
erfindungsgemäßen metallischen
Drahtgitter können
auch in ein Dielektrikum mit Brechungsindex n eingebettet sein,
wobei n für
die meisten Dielektrika zwischen 1,4 und 1,9 liegt. Die Farberzeugung
von derartigen eingebetteten Drahtgittern entspricht im Wesentlichen
der Farberzeugung freistehender Drahtgitter, wobei allerdings die
charakteristischen Reflexions- bzw.
Transmissionseigenschaften aufgrund der Einbettung jeweils um den
Faktor n zu größeren Wellenlängen verschoben
sind. Solche eingebettete Drahtgitter eignen sich besonders gut
für eine
kostengünstige
Massenproduktion. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind
die metallischen Drahtgitter zwischen ein dielektrisches Substrat
und ein dielektrisches Superstrat eingebettet, wobei sich die Brechungsindizes
von Substrat und Superstrat im sichtbaren Spektralbereich um weniger als
0,1 unterscheiden.
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Als
besonders vorteilhaft wird gegenwärtig der Einsatz metallischer
Drahtgitter mit einem z-förmigen
Metallprofil angesehen.
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Die
Gitterstruktur kann weiterhin in eine Anordnung von homogenen Schichten
eingebettet sein. Diese Schichten können aus Dielektrika sowie
metallischen Schichten bestehen. Die Metallschichten können semitransparent
ausgelegt sein. Es kann sich ferner auf der Unterseite eine metallische
Spiegelschicht befinden. Durch das Zusammenwirken der Interferenz
an den homogenen Schichten mit den Resonanzen der Gitterstruktur
kann die Farbgebung verstärkt
werden.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann die Anforderung an das gattungsgemäßen Sicherheitselement auch
so formuliert werden, dass
- – die Pixelelemente jeweils
metallische Drahtgitter enthalten, die in Durchsicht und/oder Aufsicht
einen dem Pixelelement zugeordneten Farbeindruck erzeugen, wobei
- – die
metallischen Drahtgitter aus einer Mehrzahl paralleler, beabstandet
angeordneter Metalldrähte
mit einer Gitterperiode von weniger als 1 μm gebildet sind, und bei denen
der Füllfaktor
des Metalls pro Gitterperiode kleiner als 0,5 ist.
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Die
Erfindung enthält
auch ein Verfahren zum Herstellen eines Sicherheitselements der
oben beschriebenen Art, mit einem in unpolarisiertem Licht sichtbaren
mehrfarbigen Bild, das aus einer Mehrzahl von Pixelelementen besteht.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
- – werden
Pixelelemente mit metallischen Drahtgittern erzeugt, die in Durchsicht
und/oder Aufsicht einen dem Pixelelement zugeordneten Farbeindruck
erzeugen, wobei
- – die
metallischen Drahtgitter aus einer Mehrzahl paralleler, beabstandet
angeordneter Metalldrähte
mit einer Gitterperiode von weniger als 1 μm gebildet werden, die auf einer
oder mehreren Höhenstufen
metallische Abschnitte aufweisen, wobei die metallischen Abschnitte
auf jeder Höhenstufe
mit einer Breite erzeugt werden, die kleiner ist als die jeweilige
Breite der Zwischenräume
zwischen den metallischen Abschnitten.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung wird
- – auf Grundlage
eines vorgegebenen mehrfarbigen Bilds ein lateral variierendes Gitterprofil
festgelegt, das bei der Betrachtung in Aufsicht und/oder Durchsicht
das vorgegebene mehrfarbige Bild erzeugt,
- – wird
auf einem Substrat eine Gitterstruktur mit lateral konstanter Gitterperiode
und lateral konstanter Grabentiefe erzeugt,
- – werden
die Gräben
der Gitterstruktur mit Photolack gefüllt,
- – werden
die mit Photolack gefüllten
Gräben
entsprechend des festgelegten Gitterprofils lateral mit unterschiedlicher
Intensität
belichtet, und
- – wird
der belichtete Photolack entfernt, um die Gräben der Gitterstruktur entsprechend
der Belichtungsintensität
freizulegen und eine Reliefstruktur mit einem lateral variierenden
Gitterprofil zu erhalten.
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Vorzugsweise
wird auf eine derart erzeugte Reliefstruktur eine Metallisierung
aufgebracht, insbesondere aufgedampft. Alternativ kann auch eine
Reliefstruktur in Form des gewünschten
lateral variierenden Gitterprofils, das bei der Betrachtung in Aufsicht
und/oder Durchsicht das vorgegebene mehrfarbige Bild erzeugt, geprägt werden,
beispielsweise unter Verwendung eines entsprechend vorbereiteten Masters.
Auch in diesem Fall wird vorzugsweise auf die geprägte Reliefstruktur
eine Metallisierung aufgebracht, insbesondere aufgedampft. In beiden
Fällen wird
die Metallisierung mit Vorteil in einem Aufdampfwinkel Q aufgedampft,
der bezogen auf die Oberflächennormale
zwischen 0° und
75°, vorzugsweise zwischen
5° und 45° liegt.
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Anschließend wird
die metallisierte Reliefstruktur mit Vorteil mit einer Lackschicht
abgedeckt. Beispielsweise können
die nach der Metallisierung verbleibenden Gräben mit einem UV-Lack aufgefüllt und
die entstehende Struktur mit einer Deckfolie als Superstrat abgedeckt
werden.
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Die
Belichtung des Photolacks erfolgt vorzugsweise mit einem hochauflösenden Verfahren, beispielsweise
mit dem Laserstrahl eines Laserwriters, um eine Ortsauflösung bis
herab zum Mikrometerbereich zu erreichen.
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Die
Erfindung enthält
auch einen Datenträger
mit einem Sicherheitselement der beschriebenen Art oder mit einem
auf die beschriebene Art herstellbaren Sicherheitselement. Der Datenträger ist
dabei insbesondere ein Wertdokument, wie zum Beispiel eine Banknote,
ein Scheck, eine Aktie, ein Ausweis, eine Eintrittskarte, eine Fahrkarte,
eine Urkunde, eine Kreditkarte, eine Scheckkarte oder dergleichen. Die
Erfindung kann mit besonderem Vorteil bei Wertdokumenten mit Polymersubstrat,
wie etwa Polymer-Banknoten eingesetzt werden, da herkömmliche Druckbilder
bei Polymernoten die oben genannten Nachteile aufweisen. Die erfindungsgemäßen mehrfarbigen
Bilder sind innerhalb eines Datenträgers mit jedem beliebigen anderen
Sicherheitsmerkmal kombinierbar.
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Die
Erfindung enthält
weiter ein Verfahren zur Echtheitsprüfung eines Sicherheitselements
mit einem in unpolarisiertem Licht sichtbaren mehrfarbigen Bild,
bei dem das Sicherheitselement in unpolarisiertem Licht und in linear
polarisiertem Licht betrachtet und jeweils der Farbeindruck des
mehrfarbigen Bilds erfasst wird, und bei dem ein unterschiedlicher
Farbeindruck in unpolarisiertem Licht und in linear polarisiertem
Licht als Zeichen der Echtheit des Sicherheitselements gewertet
wird.
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Bei
einem weiteren Verfahren zur Echtheitsprüfung eines Sicherheitselements
mit einem in unpolarisiertem Licht sichtbaren mehrfarbigen Bild,
wird das Sicherheitselement nacheinander in linear polarisiertem
Licht einer ersten Polarisationsrichtung und einer zweiten, zur
ersten Polarisationsrichtung senkrechten Polarisationsrichtung betrachtet,
wird jeweils der Farbein druck des mehrfarbigen Bilds erfasst, und wird
ein unterschiedlicher Farbeindruck bei den beiden Polarisationsrichtungen
als Zeichen der Echtheit des Sicherheitselements gewertet.
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Durch
die Winkel- und die Polarisationsabhängigkeit des visuellen Eindrucks
können
die Farbbilder erfindungsgemäßer Sicherheitselemente
mit herkömmlichen
Farbkopiergeräten
nicht vervielfältigt werden.
Eine originalgetreue Fälschung
ist zudem sehr aufwendig, da dazu das gesamte lateral variierende
Gitterprofil bekannt sein müsste.
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Die
Farbbilder erfindungsgemäßer Sicherheitselemente
können
durch Prägen
in Kombination mit zusätzlichen
Bedampfungsschritten in Großserie hergestellt
werden. Sie können
auch direkt auf Polymersubstrate aufgebracht werden und erlauben
daher die Herstellung von Polymer-Banknoten mit geprägten Druckbildern,
die eine höhere
Lebensdauer als herkömmliche
bedruckte Polymer-Banknoten haben.
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Weitere
Ausführungsbeispiele
sowie Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren
erläutert,
bei deren Darstellung auf eine maßstabs- und proportionsgetreue
Wiedergabe verzichtet wurde, um die Anschaulichkeit zu erhöhen. Die verschiedenen
Ausführungsbeispiele
sind nicht auf die Verwendung in der konkret beschriebenen Form beschränkt, sondern
können
auch untereinander kombiniert werden.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Banknote mit einem Durchsichtssicherheitselement und
einem aufgeklebten Transferelement,
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2 einen
Detailausschnitt des mehrfarbigen Bildes des Durchsichtssicherheitselements
der 1,
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3 schematisch
den grundsätzlichen
Aufbau erfindungsgemäßer metallischer
Drahtgitter,
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4 in
der linken bzw. rechten Bildhälfte
jeweils einen Querschnitt der in ein Dielektrikum eingebetteten
metallischen Drahtgitter der Unterbereiche der 2,
und
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5 in
einer CIE-xy-Farbtafel den Farbort des transmittierten Lichts für metallische
Drahtgitter mit den Parametern der 4 und mit
Profiltiefen zwischen 70 nm und 250 nm.
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Die
Erfindung wird nun am Beispiel von Sicherheitselementen für Banknoten
erläutert. 1 zeigt
dazu eine schematische Darstellung einer Banknote 10, die
mit zwei Sicherheitselementen 12 und 16 nach Ausführungsbeispielen
der Erfindung versehen ist. Das erste Sicherheitselement stellt
ein Durchsichtssicherheitselement 12 dar, das über einem
Durchsichtsbereich, etwa einem Fensterbereich oder einer durchgehenden Öffnung 14 der
Banknote 10 angeordnet ist. Das zweite Sicherheitselement
ist auf Betrachtung in Aufsicht (Reflexion) ausgelegt und ist durch
ein aufgeklebtes Transferelement 16 beliebiger Form gebildet.
Bei der Banknote 10 kann es sich um eine herkömmliche
Papier-Banknote mit einem Substrat aus Baumwoll-Velinpapier oder
auch um eine Polymer-Banknote oder eine Folien-Verbundbanknote handeln.
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Beide
Sicherheitselemente 12, 16 zeigen bei gewöhnlichen
Beleuchtungsbedingungen, also etwa bei diffusem Kunst- oder Tageslicht
jeweils ein mehr farbiges Bild, das nicht durch eine Anordnung von Farbpigmenten
gebildet ist, sondern dessen Farbgebung auf Resonanzanregungen bzw.
Oberflächenplasmon-Polaritonanregungen
in lateral strukturierten Subwellenlängengittern basiert.
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2 zeigt
zur Illustration einen Detailausschnitt des mehrfarbigen Bildes 20 des
Durchsichtssicherheitselements 12. Das mehrfarbige Bild
setzt sich aus einer Mehrzahl kleiner Pixelelemente 22 zusammen,
die jeweils aus vier Unterbereichen 24-1, 24-2, 24-3, 24-4 bestehen,
wobei jedem der Unterbereiche 24-1 bis 24-4 in
der weiter unter beschriebenen Weise eine bestimmte Grundfarbe zugeordnet ist.
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Zur
Darstellung eines gewünschten
mehrfarbigen Bildes ist jeder der Unterbereiche 24-1 bis 24-4 eines
Pixelelements 22 jeweils in einem bestimmten Flächenanteil
mit einem metallischen Drahtgitter 26-1, 26-2, 26-3 bzw. 26-4 gefüllt, das
in Durchsicht gerade die diesem Unterbereich zugeordnete Grundfarbe
erzeugt. Die verbleibenden Bereiche 28 jedes Unterbereichs
sind unstrukturiert und erzeugen keinen Farbeindruck. Diese Bereiche
sind zweckmäßig bei
einem auf Betrachtung in Transmission ausgelegten Sicherheitselement
opak, während
sie bei einem Sicherheitselement, das zur Farbgebung in Reflexion genutzt
wird, Licht absorbierend ausgelegt sind.
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Der
Farbeindruck des gesamten Pixelelements 22 ergibt sich
dann durch Farbmischung der Grundfarben der Unterbereiche 24-1 bis 24-4,
jeweils gewichtet mit dem Flächenanteil,
den die metallischen Drahtgitter 26-1 bis 26-4 in
dem jeweiligen Unterbereich einnehmen. Dabei enthalten die Unterbereiche 24-1 aller
Pixelelemente 22 jeweils die gleiche Art metallischer Drahtgitter 26-1 und
unterscheiden sich nur dadurch, dass die Unterbereiche 24-1 in
verschiedenen Pixelelementen im Allgemeinen in unterschiedlichen
Füllgra den
mit den Drahtgittern 26-1 gefüllt sind. Ein Füllgrad von
1 entspricht dabei einem vollständig
mit Drahtgittern gefüllten
Unterbereich, ein Füllgrad
von 0 einem vollständig
ungefüllten
Unterbereich. Entsprechend kann der Anteil der dem Unterbereich 24-1 zugeordneten
Grundfarbe am Farbeindruck eines Pixelelements zwischen 0% (Füllgrad 0)
und 100% (Füllgrad
1) liegen. Dasselbe gilt für
die weiteren Unterbereiche 24-2 bis 24-4. Das Flächenverhältnis der
Unterbereiche zueinander ist dabei variabel, um eine möglichst
große
Variation in der Farbsättigung
zu gewährleisten.
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Zur
Farberzeugung in Durchsicht enthalten die Unterbereiche 24-1 bis 24-4 der
Pixelelemente 22 jeweils metallische Drahtgitter aus einer
Mehrzahl paralleler, beabstandet angeordneter Metalldrähte, deren
grundsätzlicher
Aufbau in 3 schematisch gezeigt ist.
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Das
metallische Drahtgitter 30 der 3 ist zwischen
ein dielektrisches Substrat 32 und ein dielektrisches Superstrat 34 mit
im Wesentlichen gleichen Brechungsindizes (Δn < 0,1) eingebettet. Es besteht aus einer
Mehrzahl paralleler, beabstandet angeordneter Metalldrähte 36 einer
Breite b, die aus einem gut leitenden Metall, wie etwa Aluminium
gebildet sind. Die Gitterperiode a0 des
Drahtgitters liegt im Rahmen der Erfindung unterhalb von 1 μm, in der Praxis
zumeist zwischen 200 nm und 700 nm. Die Breite b der Metalldrähte 36 ist
dabei stets kleiner als die Breite c der Zwischenräume zwischen
den Metalldrähten 36,
mit c = a0 – b, um sicherzustellen, dass die
Resonanz in TE-Polarisation der dominierende Effekt der Farbgebung
des Drahtgitters ist.
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3 zeigt
die Beaufschlagung des metallischen Drahtgitters 30 mit
Licht 40, dessen zur senkrechten Einfallsrichtung 42 gemessener
Einfallswinkel mit θ0 bezeichnet ist. Die spektrale Antwort des metallischen
Drahtgitters 30 in Transmission 44 bzw. Reflexion 46 hängt dabei
von der Polarisation des einfallenden Lichts 40 ab. Die
Polarisationsrichtung, bei der der E-Vektor von linear polarisiertem
Licht parallel zu den Metalldrähten 36 des
Drahtgitters ist, wird wie üblich
als TE-Polarisation bezeichnet, die dazu senkrechte Polarisationsrichtung
als TM-Polarisation. Der allgemeine Fall von unpolarisiertem Licht kann
als Überlagerung
von Licht dieser beiden fundamentalen Polarisationsrichtungen beschrieben
werden.
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Die
spektrale Antwort der Drahtgitter bei Einfall von TM-polarisiertem
Licht ist nach gegenwärtigem
Verständnis
durch die Anregung von Hohlraumresonanzen zwischen den Drähten, aber
auch durch die Anregung von Oberflächenplasmon-Polaritonen in
den Metalldrähten 36 beeinflusst.
Wie kürzlich
vom gegenwärtigen
Erfinder erkannt, können
jedoch auch beim Einfall von TE-polarisiertem Licht in Transmission
und Reflexion Resonanzen auftreten, die eine Färbung von weißem Licht
bewirken.
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In
bevorzugten Ausgestaltungen werden metallische Drahtgitter mit z-förmigem Metallprofil
eingesetzt. Insbesondere werden in den Unterbereichen 24-1 bis 24-4 der
Pixelelemente 22 (2) Drahtgitter
mit z-förmigem
Metallprofil gleicher Gitterkonstante aber unterschiedlicher Profiltiefe
verwendet, wie nunmehr mit Bezug auf 4 beschrieben.
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4 zeigt
in ihrer linken Bildhälfte
einen Querschnitt des in ein Dielektrikum 52 eingebetteten metallischen
Drahtgitters 26-1 eines der Unterbereiche 24-1 und
in ihrer rechten Bildhälfte
einen Querschnitt des metallischen Drahtgitters 26-2 des
angrenzenden Unterbereichs 24-2. Die Drahtgitter 26-1, 26-2 weisen
dieselbe Gitterperiode a0 und die Stegbreite
b auf. Ferner ist die Dicke t des Metallfilms 50 identisch.
Jedoch unterscheiden sich die Metalldrähte in der Profiltiefe, ebenso
ist die Breite der Schlitze s1 bzw. s2 im Me tallfilm unterschiedlich. Dadurch
erzeugen die Drahtgitter 26-1, 26-2 in Transmission
bzw. Reflexion unterschiedliche Grundfarben.
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Insgesamt
sind die metallischen Drahtgitter 26-1, 26-2 aus
einer Mehrzahl paralleler, beabstandet angeordneter Metalldrähte mit
einer Gitterperiode von weniger als 1 μm gebildet, die jeweils auf
drei verschiedenen Höhenstufen
metallische Abschnitte aufweisen. Die oberen Höhenstufen 56-O und
unteren Höhenstufen 56-U weisen
dabei den Abstand h1 (linke Bildhälfte) bzw.
h2 (rechte Bildhälfte) auf, die mittlere Höhenstufe 56-M erstreckt
sich jeweils zwischen der unteren und der oberen Höhenstufe.
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Die
Breite der metallischen Abschnitte ist auf jeder Höhenstufe
kleiner als die jeweilige Breite der Zwischenräume zwischen den metallischen
Abschnitten. Mit der Dicke t des Metallfilms 50 beträgt die Breite
der metallischen Abschnitte im Ausführungsbeispiel der 4 auf
der mit 56-O bezeichneten oberen Höhenstufe b + t·tan(Q),
auf der mit 56-U bezeichneten unteren Höhenstufe c – s1 (linke
Bildhälfte)
bzw. c – s2 (rechte Bildhälfte) und auf der mit 56-M bezeichneten
mittleren Höhenstufe
t·tan(Q). Die
Breite der Zwischenräume
beträgt
auf der mit 56-O bezeichneten oberen Höhenstufe c – t·tan(Q), auf der mit 56-U bezeichneten
unteren Höhenstufe
b + s1 (linke Bildhälfte) bzw. b + s2 (rechte
Bildhälfte) und
auf der mit 56-M bezeichneten mittleren Höhenstufe
a0 – t·tan(Q).
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Zur
Herstellung von z-förmigen
Metallprofilen mit lateral variierender Profiltiefe kann von einer Gitterstruktur
mit lateral konstanter Gitterperiode und lateral konstanter Grabentiefe
ausgegangen werden. Auf eine derartige Gitterstruktur wird zunächst Photolack
aufgebracht, so dass die Gräben
vollständig
gefüllt
sind. Das Substrat mit dem aufgebrachten Photolack wird mit Laserstrahlung
lateral unterschiedlicher Intensität beaufschlagt und die Grä ben werden durch
das Entfernen des belichteten Photolacks teilweise freigelegt, so
dass eine Reliefstruktur mit einem lateral variierenden Gitterprofil
entsteht. Alternativ wird auf diese Weise zunächst ein Prägemaster erzeugt und mit Hilfe
dieses Masters eine Reliefstruktur mit dem gewünschten lateral variierenden
Gitterprofil geprägt.
Bei der Verwendung eines Prägemasters
können
auch weitere Profilparameter, wie etwa die Gitterperiode oder die
Breite der Gräben,
lateral unterschiedlich ausgebildet sein.
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In
beiden Fällen
wird auf die erhaltene Reliefstruktur in einem schrägen Aufdampfwinkel
Q eine Metallisierung aufgedampft. Durch den schrägen Aufdampfwinkel
entsteht ein Drahtgitter mit einem z-förmigen Metallprofil mit lateral
variierender Profiltiefe. In der schematischen Darstellung der 4 ist dabei
angenommen, dass die Breite des Metallauftrags in der unteren Ebene
durch die geometrische Abschattung beim Bedampfen vorgegeben ist
und dass die Dicke t des Metallfilms 50 auf der oberen und
unteren Ebene gleich ist.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
basieren die metallischen Drahtgitter 26-1, 26-2 auf einem dielektrischen
Gitter einer Gitterperiode von a0 = 330 nm,
eine Stegbreite b von 130 nm und einer Grabentiefe von 300 nm. Durch
den photolithographischen Prozess zur Erzeugung des lateral variierenden
Gitterprofils werden in den Unterbereichen 24-1 Drahtgitter 26-1 mit
einer Profiltiefe von h1 = 90 nm und in den
Unterbereichen 24-2 Drahtgitter 26-2 mit einer Profiltiefe
von h2 = 180 nm erzeugt. Die in 4 nicht dargestellten
Drahtgitter 26-3 und 26-4 der Unterbereiche 24-3 und 24-4 werden
in gleicher Weise mit eine Profiltiefe von h3 =
130 nm bzw. von h4 = 240 nm erzeugt.
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Für die Metallisierung
wurde im Ausführungsbeispiel
Aluminium unter einem Winkel Q = 20°, bezogen auf die Oberflächennormale 54 des
Drahtgit ters, aufgedampft um auf der oberen und unteren Ebene des
dielektrischen Gitters Metallfilme 50 mit einer Dicke von
t = 60 nm zu erhalten. Dadurch entstehen metallische Drahtgitter 26-1 bis 26-4,
die Metalldrähte
mit der in oben erläuterten
Struktur enthalten. Da die Breite der metallischen Abschnitte auf
der oberen Ebene und auf der unteren Ebene deutlich kleiner ist
als der jeweilige Zwischenraum zwischen den metallischen Abschnitten,
dominiert die Resonanz in TE-Polarisation die Farbgebung.
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Schließlich wurden
die Gräben
zwischen den Metalldrähten
mit UV-Lack gefüllt
und die Struktur mit einer Deckfolie als Superstrat abgedeckt, so
dass die metallischen Drahtgitter 26-1 bis 26-4 insgesamt
in ein Dielektrikum 52 aus Substrat, UV-Lack und Superstrat
eingebettet sind. Die Bereiche unterhalb, innerhalb und oberhalb
des z-förmigen
Metallprofils können
dabei im allgemeinen Fall verschiedene Brechungsindizes aufweisen,
vorzugsweise ist jedoch der Brechungsindex des Substrats, des Superstrats und
des zur Auffüllung
der Gräben
verwendeten UV-Lacks im Wesentlichen gleich und beträgt typischerweise
n = 1,5.
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Ein
gewünschter
Farbeffekt in Transmission oder Reflexion tritt bereits ein, wenn
das Gitterprofil über
etwa 5 bis 10 Gitterperioden konstant ist. Aufgrund der kleinen
Gitterkonstante können
die Unterbereiche 24-1 bis 24-4 und damit auch
die Pixelelemente 22 daher sehr klein, bis herab zu Abmessungen
von wenigen Mikrometern ausgeführt
werden.
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Die
Farbmischung und die Erzeugung eines mehrfarbigen Bildes mit Hilfe
der metallischen Drahtgitter 26-1 bis 26-4 der
Pixelelemente 22 werden nunmehr mit Bezug auf 5 näher erläutert. 5 zeigt
eine CIE-xy-Farbtafel, in der der Spektralfarbenzug 60,
auf dem die Spektralfarben liegen, alle für das menschliche Auge wahrnehmbaren
Farbarten einschließt.
Zur Orientie rung sind auf dem Spektralfarbenzug 60 die
Farben Rot bei 630 nm, Gelb bei 570 nm, Grün bei 520 nm und Blau bei 480
nm durch Angabe der jeweiligen Wellenlänge markiert. Geschlossen wird
der Spektralfarbenzug 60 durch die Purpurgerade 62.
Die Farben auf dem Spektralfarbenzug 60 weisen jeweils
maximale Sättigung
auf. Bei Annäherung
and den Unbuntpunkt oder Weißpunkt
W nimmt die Sättigung
ab, bis sie am Weißpunkt
(x = 1/3; y = 1/3) vollständig
entsättigt
sind.
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Zur
Bestimmung des Farborts des transmittierten Lichts wurde für metallische
Drahtgitter mit den Parametern der 4, also
mit einer Gitterperiode a0 = 330 nm und
einer Stegbreite b = 130 nm, sowie für eine Profiltiefe zwischen
70 nm und 250 nm jeweils das Transmissionsspektrum für den sichtbaren
Wellenlängenbereich
berechnet und mit dem Spektrum der Normlampe D65 und den Empfindlichkeitskurven
des menschlichen Auges gefaltet. Die in der Farbtafel eingezeichnete
Kurve 64, die grob einen Halbkreis darstellt, zeigt dann
für diese
metallische Drahtgitter und einfallendes, unpolarisiertes weißes Licht
den Farbort des transmittierten Licht an.
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Alle
innerhalb der Kurve 64 liegenden Farben können durch
Farbmischung von auf der Kurve 64 liegenden Grundfarben
erhalten werden. Für
die Bilderzeugung wurden für
die Unterbereiche 24-1 bis 24-4 der 2 vier
metallische Drahtgitter ausgewählt,
die einen möglichst
großen
Teil des innerhalb der Kurve 64 liegenden Bereichs abdecken.
Die Grundfarben der ausgewählten
metallischen Drahtgitter mit den Profiltiefen 90 nm (Punkt F1), 130 nm (Punkt F2),
180 nm (Punkt F3) und 240 nm (Punkt F4) sind in 5 auf der
Kurve 64 schematisch eingezeichnet. Durch Farbmischung
dieser vier Grundfarben lassen sich dann alle in dem schraffierten
Bereich 66 liegenden Farben darstellen. Dabei entsteht durch
die Farbmischung der Unterbereiche 24-1 bis 24-4 ein
zusätzlicher
Freiheitsgrad in der Abdeckung des Farbraums.
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Diese
gewährleistet
gegenüber
der direkten Farbdarstellung durch Pixelelemente mit jeweils konstanter
Profilierung eine bessere farbliche Wiedergabe mehrfarbiger Bilder.
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Wie
aus der Lage des Kurve 64 und des schraffierten Bereichs 66 ersichtlich,
kann mit der im Ausführungsbeispiel
verwendeten Gitterstruktur auch bei Kombination unterschiedlicher
Profiltiefen nicht der gesamte Farbraum abgedeckt werden. Insbesondere
sind die Farben Rot und Gelb unterrepräsentiert, so dass sich diese
Gitterstruktur vor allem zur Darstellung von Bildern mit überwiegend
blauen und grünen
Bildanteilen eignet.
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Soll
umgekehrt ein vorgegebenes mehrfarbiges Bild von einem erfindungsgemäßen Sicherheitselement
möglichst
gut dargestellt werden, so wird das vorgegebene Bild zunächst in
Pixel geeigneter Größe unterteilt
und die Farborte der Pixel bestimmt. Zur Veranschaulichung können diese
Farborte in eine CIE-xy-Farbtafel eingezeichnet werden, wo sie einen
bestimmten Farbbereich einnehmen. Dann wird eine Gitterstruktur,
möglichst
mit konstanter Gitterperiode a0 und konstanter
Stegbreite b ausgewählt,
die bei Variation der Profiltiefe den von den Pixeln des mehrfarbigen
Bilds eingenommenen Farbbereich möglicht gut überdeckt. Dabei erzeugt die Variation
der Profiltiefe bei konstanter Gitterperiode und konstanter Stegbreite
im Allgemeinen eine gekrümmte
Kurve im Farbraum, wie etwa die in 5 dargestellte
Kurve 64.
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Schließlich werden
eine Anzahl n an Grundfarben (Punkte auf der Farbort-Kurve der ausgewählten Gitterstruktur)
ausgewählt,
mit denen ein möglichst
großer
Teil des von den Pixel der vorgegebenen Bilds eingenommenen Farbbereichs
dargestellt werden kann, wie etwa der Teilbereich 66 in 5. Jede
der ausgewählten
Grundfarbe entspricht dabei einem bestimmten Pa rametersatz der zu
erzeugenden metallischen Drahtgitter. Vorzugsweise wird nur eine
geringe Anzahl an Grundfarben, insbesondere zwei, drei oder vier
Grundfarben ausgewählt,
um die Herstellung der gesamten, lateral variierenden Gitterstruktur
zu vereinfachen.
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Zuletzt
wird für
jedes Pixel des mehrfarbigen Bildes der Anteil der jeweiligen Grundfarbe
bestimmt. Mit diesen Angaben kann dann ein lateral variierendes
Gitterprofil ermittelt werden, das bei Betrachtung in Durchsicht
(in anderen Ausgestaltung auch in Aufsicht) das vorgegebene mehrfarbige
Bild erzeugt.
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Dazu
werden Pixelelemente auf dem Sicherheitselement festgelegt, die
den Pixeln des vorgegebenen mehrfarbigen Bildes entsprechen. Jedes
Pixelelement wird in n Unterbereiche unterteilt, die jeweils einer
der oben genannten Grundfarben zugeordnet sind und die jeweils in
einem gewissen Füllgrad
mit metallischen Drahtgittern mit den Parametern dieser Grundfarbe
gefüllt
werden. Für
jedes Pixelelement entspricht der Füllgrad dabei gerade dem Anteil
der jeweiligen Grundfarbe an der Gesamtfarbe des Pixels. Auf diese
Weise ist sichergestellt, dass bei der Betrachtung durch Farbmischung
der Grundfarben der Unterbereiche gerade der gewünschte Farbeindruck des Pixelelements
entsteht.
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Die
Drahtgitterstruktur eines erfindungsgemäßen Sicherheitselements beeinflusst
als Folge seiner 1-dimensionalen Periodizität nicht nur die Farbe, sondern
auch die Polarisation des einfallenden Lichtes. Dadurch zeigt das
dargestellte mehrfarbige Bild in unpolarisiertem Licht und in polarisiertem
Licht einen unterschiedlichen visuellen Eindruck und erscheint insbesondere
in unterschiedlichen Farben. Der leicht erkennbare unterschiedliche
Farbeindruck bei Betrachtung des Sicherheitselements in normalem,
unpolarisiertem Licht und bei Betrachtung mit einem Polarisationsfilter
kann so zur Prüfung
der Echtheit des Sicherheitselements genutzt werden.
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Das
Erscheinungsbild eines erfindungsgemäßen Sicherheitelements verändert sich
auch bei der Drehung der Polarisationsebene von einfallendem linear
polarisiertem Licht. Ist das einfallende Licht TE-polarisiert, so
erscheint das ursprünglich mehrfarbige
Bild nur noch einfarbig, da die Farbgebung in TE-Polarisation weitgehend
unabhängig
von der Profiltiefe der Drahtgitter ist. Die in TE-Polarisation
verbleibende Farbe ist dabei im Wesentlichen durch die Breite der
Metalldrähte
bzw. physikalisch durch die Breite der Zwischenräume zwischen den Metalldrähten bestimmt.
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Dagegen
ist bei Betrachtung in TM-Polarisation noch ein mehrfarbiges Bild
erkennbar, dessen Farben allerdings von dem visuellen Eindruck in
unpolarisiertem Licht abweichen und dessen Helligkeit aufgrund der
Verluste durch die Oberflächenplasmon-Polaritonanregung
reduziert ist. Der unterschiedliche Farbeindruck bei Betrachtung
des Sicherheitselements in TE-polarisiertem und TM-polarisiertem
Licht kann daher, gegebenenfalls zusätzlich zu einem Vergleich mit
dem Farbeindruck in unpolarisiertem Licht, ebenfalls für die Echtheitsprüfung der erfindungsgemäßen Sicherheitselemente
eingesetzt werden.
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Die
Farbbilder erfindungsgemäßer Sicherheitselemente
können
von herkömmlichen
Farbdrucken auch durch Betrachtung bei unterschiedlichen Einfallswinkeln
unterschieden werden. Aufgrund des in 4 illustrierten
asymmetrischen Gitterprofils, das durch die schräge Bedampfung erzeugt wird,
ist auch das Transmissions- bzw. Reflexionsverhalten der metallischen
Drahtgitter asymmetrisch, so dass sich der visuelle Eindruck beim
Kippen des Sicherheitselements, anders als bei herkömmlichen
Farbdrucken, deutlich verändert.
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Während die
Ausführungsbeispiele
zur Illustration vor allem mit Bezug auf Durchsichtssicherheitselemente
beschrieben worden, ist die Erfindung nicht auf in Durchsicht betrachtbare
Sicherheitselemente beschränkt,
sondern kann auch bei Sicherheitselement eingesetzt werden, die
auf Betrachtung in Aufsicht ausgelegt sind. Die beschriebenen Resonanzanregungen
bzw. Oberflächenplasmon-Polaritonanregungen
in lateral strukturierten Subwellenlängengittern führen auch
zu einer Farbgebung des reflektierten Lichts, so dass die oben für das transmittierte
Licht gemachten Aussagen analog auch für in Reflexion sichtbare Farbbilder
gelten. Vorteilhafterweise befindet sich ein solches farbig reflektierendes Element
auf einem lichtabsorbierenden Untergrund. Dadurch erhöht sich
der Kontrast der an der Gitterstruktur reflektierten Farbe und wird
nicht durch die rückreflektierte
Transmission des Gitters beeinflusst.
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In
einer weiteren vereinfachten Variante werden die auf der Kurve 64 der 5 zur
Verfügung stehenden
Farben benutzt, um Farben in den einzelnen Pixeln darzustellen.
Hierbei entsteht aufgrund des eingeschränkten Farbraumes ein Falschfarbenbild.
Eine farbgetreue Wiedergabe von vorgegebenen Bildern ist bei dieser
Variante zwar im Allgemeinen nicht möglich, jedoch weist ein solches
Bild aufgrund der kontinuierlich variierenden Profiltiefe des Gitters
eine sehr hohe Fälschungssicherheit
auf.