DE102012015900A1

DE102012015900A1 - Sicherheitselement mit farbeffekterzeugendem Gitter

Info

Publication number: DE102012015900A1
Application number: DE102012015900.5A
Authority: DE
Inventors: Hans Lochbihler
Original assignee: Giesecke and Devrient GmbH
Current assignee: Giesecke and Devrient GmbH
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2014-03-06
Also published as: US20150219807A1; CN104602920B; US9268070B2; CA2879832C; CA2879832A1; WO2014023415A1; EP2882598A1; EP2882598B1; CN104602920A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sicherheitselement für einen Wertgegenstand, das aufweist einen flachen, transparenten Körper mit einer Vorder- und einer Rückseite, zwischen denen eine Mitteleben (M) liegt, einen am Körper ausgebildeten, ersten Bereich (I) und einen am Körper ausgebildeten, zweiten Bereich (II), die ein Motiv (21, 22) codieren, wobei der Körper im ersten Bereich eine Grundelementstruktur (G) aufweist, die in Draufsicht auf den Körper (1) von Vorder- und Rückseite unterschiedliche Farbeindrücke vermittelt, wobei der Körper im zweiten Bereich (II) ebenfalls die Grundelementstruktur (G) aufweist, allerdings in, bezogen auf die Mittelebene (M), gespiegelter Form, wodurch erster und zweiter Bereich (I, II) in Draufsicht von beiden Seiten das Motiv (21, 22) zeigen, in Durchsicht das Motiv (21, 22) aber nicht erkennbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sicherheitselement für einen Wertgegenstand, das aufweist einen flachen, transparenten Träger mit einer Vorder- und einer Rückseite, ein Gitter, das auf dem Träger angebracht oder ausgebildet ist und das einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweist, die ein Motiv codieren, wobei das Gitter im ersten Bereich eine Gittergrundstruktur aufweist, die in Draufsicht von Vorder- und Rückseite unterschiedliche Farbeindrücke vermittelt.
Sicherheitselemente von Wertdokumenten mit periodischen Liniengittern sind bekannt, beispielsweise aus der DE 10 2009 012 299 A1 , DE 10 2009 012 300 A1 oder der DE 10 2009 056 933 A1 . Sie können im Subwellenlängenbereich Farbfiltereigenschaften aufweisen, wenn das Gitter hinsichtlich des Gitterprofils so ausgelegt ist, dass Resonanzeffekte im sichtbaren Wellenlängenbereich auftreten. Solche Farbfiltereigenschaften sind sowohl für reflektierende als auch für transmittierende Subwellenlängenstrukturen bekannt. Diese Strukturen haben einen stark polarisierenden Einfluss auf die Reflexion bzw. die Transmission eines einfallenden Lichtstrahls. Die Farbe ist in Reflexion bzw. Transmission solcher Subwellenlängengitter relativ stark winkelabhängig. Jedoch schwächt sich die Farbsättigung für diese Gitter deutlich ab, wenn das einfallende Licht unpolarisiert ist.
Es ist ein Liniengitter mit Subwellenlängenstrukturen bekannt, welches winkelabhängige, farbfilternde Eigenschaften besitzt. Das Liniengitter besitzt ein Rechteckprofil aus einem dielektrischen Material. Die waagrechten Flächen sind mit einem hochbrechenden Dielektrikum überzogen. Oberhalb dieser Struktur befindet sich ebenfalls ein dielektrisches Material, wobei bevorzugterweise die Brechungsindizes des Gittersubstrats und des Deckmaterials identisch sind. Dadurch ist eine optisch wirksame Struktur ausgebildet, die aus zwei Gittern aus dem hochbrechenden Material besteht, welche durch die Höhe des ursprünglichen Rechteckprofils beabstandet sind. Die das Liniengitter bildenden Gitterstege sind beispielsweise aus ZnS. Man kann damit zwar einen Farbkontrast in Reflexion erzeugen, in Transmission ist eine Veränderung des Farbtons für unterschiedliche Winkel jedoch kaum wahrnehmbar. Diese Struktur bietet sich deshalb lediglich als Sicherheitsmerkmal in Reflexion an und muss dazu auf einem absorbierenden Untergrund aufgebaut werden.
Zweidimensional periodische Lochstrukturen sind in der wissenschaftlichen Literatur beschrieben, welche im Subwellenlängenbereich Filtereigenschaften des einfallenden Lichtes aufweisen. Hierzu sei auf folgende Literaturstellen verwiesen: T. W: Ebbesen et al., „Extraordinary optical transmission through sub-wavelength hole arrays", Nature, 667–669 (1998); L. Martin-Moreno et al., "Theory of extraordinary optical transmission through subwavelength hole arrays", Phys. Rev. Lett. 86(6), 1114–1117 (2001); W. L. Barnes et al., "Surface plasmon subwavelength optics", Nature, Vol 424, Issue 6950, pp. 824–830 (2003); J. Bravo-Abad et al., "How light emerges from an illuminated array of subwavelength holes", Nature Physics 1, 120–123 (2006); H. S. Lee et al., "Color filter based an a subwavelength patterned metal grating", Opt. Express 15, 15457–15463 (2007); C.-P. Huang et al., "Dual effect of surface plasmons in light transmission through perforated metal films", Phys. Rev. B 75, 245421 (2007). Diese sogenannten Hole-Arrays bestehen aus dünnen opaken Metallfilmen.
In der DE 10 2007 016 394 A1 wird die Verwendung solcher Strukturen als Sicherheitselement in Wertdokumenten zur Echtheitsauthentifizierung vorgeschlagen.
Weiter sind zweidimensional periodische Gitter bekannt, welche eine Farbfilterung in Grundfarben Rot, Grün, Blau bei hoher Farbsättigung über einen relativ großen Blickwinkelbereich erlauben. Die Veröffentlichung B.-H. Cheong et al., "High angular tolerant color filter using subwavelength grating", Appl. Phys. Lett. 94, 213104 (2009) beschreibt ein Gitter mit würfelförmigen Erhebungen, das eine ausgeprägte Bandpasscharakteristik aufweist. Die Erhebungen sind aus amorphem Silizium und befinden sich auf einem Glassubstrat. Ein Replikationsverfahren für solche Gitter ist in den Veröffentlichungen E.-H. Cho et al., "Two-dimensional photonic crystal color filter development", Opt. Express 17, 8621–8629 (2009) und E.-H. Cho et al., "Nanoimprinted photonic crystal color filters for solar-powered reflective displays", Opt. Express 18, 27712–27722 (2010) dargestellt.
Weiter zum Stand der Technik zählen die WO 2003/070482 A1 , die WO 2011/032665 A1 , WO 2011/082761 A1 , WO 2011/066992 A1 , EP 2228671 A1 . Die Veröffentlichungen R. J. Polton, „Reciprocity in optics", Rep. Prog. Phys. 67, 717 (2004); R. Petit, „Electromagnetic Theory of gratings", Band 22 von Topics in current physics, Springer-Verlag (1980) erläutern das Prinzip der Reziprozität in der Optik, insbesondere bei Gittern.
Die Gitterstrukturen aus dem Stand der Technik können für Sicherheitselemente zum Schutz von Wertdokumenten verwendet werden, da sie einen Farbeffekt in Draufsicht bereitstellen, der mit üblichen Kopierverfahren nicht reproduzierbar ist. Hierfür ist die Winkelabhängigkeit des Farbeffektes besonders vorteilhaft.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Sicherheitselement der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die Fälschungssicherheit weiter gesteigert ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Sicherheitselement für einen Wertgegenstand, das aufweist: einen flachen, transparenten Körper mit einer Vorder- und einer Rückseite, zwischen denen eine Mitteleben liegt, einen am Körper ausgebildeten, ersten Bereich und einen am Körper ausgebildeten, zweiten Bereich, die ein Motiv codieren, wobei der Körper im ersten Bereich eine Grundelementstruktur aufweist, die in Draufsicht auf den Körper von Vorder- und Rückseite unterschiedliche Farbeindrücke vermittelt, wobei der Körper im zweiten Bereich ebenfalls die Grundelementstruktur aufweist, allerdings in, bezogen auf die Mittelebene, gespiegelter Form, wodurch erster und zweiter Bereich in Draufsicht von beiden Seiten das Motiv zeigen, in Durchsicht das Motiv aber nicht erkennbar ist.
Die Erfindung stellt ein Sicherheitselement bereit, welches in Reflexion von Vorder- wie Rückseite ein farbiges Motiv zeigt. Dieses Motiv verschwindet hingegen in Transmission selbst für unterschiedliche Betrachtungswinkel völlig. Das Sicherheitselement lässt eine feine Ausgestaltung von Motiven zu und ist durch Standardprägeverfahren herstellbar.
Die Erfindung nutzt überraschend das allgemein gültige Gesetz der Reziprozität des Lichtweges aus. Für die Transmission eines Lichtpfades durch ein Medium ist es demgemäß irrelevant, in welcher Richtung unterschiedliche Schichten durchlaufen werden. Dadurch, dass die Grundelementstruktur im ersten und zweiten Bereich hinsichtlich der vorhandenen Schichten oder Strukturen gleich ist, hat das Sicherheitselement im Transmissionsbetrieb kein Motiv. Da im ersten und zweiten Bereich die Grundstrukturen jedoch bezogen auf die Mittelebene gegeneinander invertiert sind, ergeben sich in Draufsicht von Vorder- oder Rückseite unterschiedliche Farbeindrücke für die beiden Bereiche, was das Motiv codiert.
Die Grundelementstruktur kann auf verschiedene Art und Weise ausgeführt werden. So ist es möglich, die Grundelementstruktur durch ein Substrat zu realisieren, das auf seinen Deckflächen unterschiedliche Interferenzschichten aufweist. Auch kann die Grundelementstruktur durch eine Gittergrundstruktur realisiert werden. Soweit in der nachfolgenden Beschreibung von einer Gittergrundstruktur die Rede ist, ist dies nur exemplarisch zu verstehen.
Verwendet man ein Gitter für die Grundelementstruktur, ist der Effekt des Sicherheitselementes nicht nur auf periodische Strukturen beschränkt. Auch quasi statistische Strukturen können verwendet werden, solang solche Strukturen, die ebenfalls eine Gittergrundstruktur im Sinne dieser Erfindung darstellen, von Vorder- und Rückseite unterschiedliche Farbeindrücke vermitteln.
Die Spiegelung der Grundelementstruktur an der Mittelebene vertauscht Vorder- und Rückseite für den zweiten Bereich. Damit unterscheiden sich erster und zweiter Bereich in Draufsicht von Vorder- wie auch von Rückseite. Da in Transmission im ersten wie im zweiten Bereich dieselben Schichten durchlaufen werden und aufgrund des physikalischen Prinzips der Reziprozität die Reihenfolge dieses Durchlaufs für die Transmission irrelevant ist, unterscheiden sich erster und zweiter Bereich im Durchlicht nicht.
Die Erfindung stellt also ausgehend von an und für sich bekannten Grundelementstrukturen, z. B. Gitterstrukturen, ein Sicherheitselement bereit, das in Draufsicht ein Motiv zeigt, welches in Durchlichtbetrachtung verschwindet. Ein solcher Effekt ist mit herkömmlichen Kopierverfahren nicht nachstellbar, wodurch das Sicherheitselement eine hohe Fälschungssicherheit erreicht.
Gittergrundstrukturen, die in Draufsicht von Vorder- und Rückseite unterschiedliche Farbeindrücke vermitteln, können besonders einfach dadurch erzeugt werden, dass die Gittergrundstruktur bezogen auf die Gitterebene asymmetrisch ist. Das Spiegeln der Gittergrundstruktur an der Mittelebene entspricht dann dem Erzeugen der inversen Gitterstruktur. Man kann in dieser Ausführungsform den ersten und den zweiten Bereich also dadurch charakterisieren, dass im ersten Bereich eine Gitterstruktur verwendet wird und im zweiten Bereich die dazu inverse oder negative Form für das Gitter eingesetzt wird.
Der Spiegelungsvorgang für den zweiten Bereich führt natürlich an der Grenze zwischen dem ersten und zweiten Bereich zu einer Unstetigkeit. Es kann hierzu deshalb eine Übergangszone zwischen erstem und zweitem Bereich vorgesehen werden, die kleiner ist als eine Gitterperiode, und in der die Gittergrundstruktur des ersten Bereichs in die gespiegelte Form des zweiten Bereichs übergeht.
Besonders gute Farbeffekte in Draufsicht ergeben sich mit Gitterstrukturen, die nicht wesentlich größer sind als die Wellenlänge. Es ist deshalb bevorzugt, dass die Gittergrundstruktur eine Gitterperiode von 100 nm bis 1000 nm aufweist. Besonders gute Farbeffekte zeigen Sub-Wellenlängengitter, weshalb eine Gitterperiode zwischen 200 nm und 500 nm bevorzugt ist. Gitter stellen im Sinne der Erfindung Sub-Wellenlängengitter dar, wenn die einzelnen Gitterelemente kleiner sind als die Wellenlänge im Bereich des Lichtes.
Das Sicherheitselement lässt das Motiv umso klarer erkennen, umso unterschiedlicher der Farbeffekt in Draufsicht von der Vorder- und der Rückseite ist, da im zweiten Bereich gegenüber dem ersten Bereich Vorder- und Rückseite der Grundelementstruktur vertauscht sind, um das Motiv zu erzeugen. Ein besonders guter Unterschied zwischen Vorderseitenansicht und Rückseitenansicht erhält man bei einer Gittergrundstruktur, die mit einer dünnen Metallschicht, einer Halbmetallschicht oder einer hochbrechenden Schicht mit einer teilweise absorbierenden Wirkung überzogen ist.
Beispiele für eine asymmetrische Gittergrundstruktur sind Gitterelemente, die im Profil trapezförmig oder dreieckig sind.
Die ersten und zweiten Bereiche können ihrerseits weiter strukturiert sein. Dies kann man besonders einfach dadurch erreichen, dass die Gittergrundstruktur zweidimensional periodisch ist. Eine solche Struktur ist darüber hinaus besonders fälschungssicher, weil mit üblichen Werkzeugen, die Fälschern zur Verfügung stehen, schwer herstellbar.
Dies gilt auch für Gittergrundstrukturen, die quaderförmige Erhebungen und Vertiefungen aufweisen.
Bevorzugt weist die Gittergrundstruktur in einer 2D-periodischen Ausführungsform eine zusammenhängende hochbrechende, insbesondere metallische Grundschicht, die eine Gitterebene definiert, und über der Grundschicht ein zweidimensional regelmäßiges Muster aus einzelnen hochbrechenden, insbesondere metallischen Flächenelementen auf, die sich jeweils parallel zur Gitterebene erstrecken und jeweils von der Grundschicht durch ein Zwischen-Dielektrikum um einen Abstand beabstandet sind, der größer ist als die Dicke der Grundschicht und der Flächenelemente. Optional hat das regelmäßige Muster in mindestens zwei Richtungen, die parallel zur Gitterebene verlaufen, eine Periodizität zwischen 100 nm und 800 nm, bevorzugt zwischen 200 nm und 500 nm.
Die Gitterstruktur sieht in der 2D-periodischen Ausführungsform weiter bevorzugt eine hochbrechende Grundschicht sowie hochbrechende Flächenelemente, die über der Grundschicht angeordnet sind, vor. Die hochbrechende Eigenschaft der Grundschicht bzw. der Flächenelemente wird durch eine geeignete Materialwahl erreicht. Neben Metall als Material kommen dabei insbesondere Silizium bzw. Siliziummonoxid in Frage. In dieser Beschreibung wird der Begriff „metallisch” als gleichbedeutend mit „hochbrechend” aufgefasst, soweit nicht ausdrücklich anderes beschrieben ist.
Wesentlich für die Wirkung dieser Ausführungsform ist es, dass über einer zusammenhängenden metallischen Schicht nicht zusammenhängende, in einem Muster angeordnete Flächenelemente angeordnet sind. Wenn ein zweidimensional periodisches Gitter mit einem Profil, das senkrechte Flanken besitzt, senkrecht metallisch bedampft wird, entsteht ein nicht geschlossener Metallfilm auf Plateaus an der Gitteroberseite. Es bildet sich auf der unteren Gitterfläche (Grundschicht) ein zusammenhängender Metallfilm aus. Die Erhebungen des Profils sind dabei nur auf den Plateaus metallisch überzogen.
Die unbedampfte Gitterstruktur besteht optional aus einem dielektrischen Material, welches z. B. eine Brechzahl von etwa 1,5 aufweist. Dabei eignen sich besonders Kunststofffolien, z. B. PET-Folien, als Substrat. Die eigentliche Basisstruktur ist z. B. ebenfalls in Kunststoff, bevorzugt UV-Lack, ausgebildet. Nach der Bedampfung wird schließlich die Struktur mit UV-Lack aufgefüllt und mit einer Deckfolie kaschiert. Somit liegt ein Schichtaufbau vor, bei dem die Ober- und die Unterseite im Wesentlichen dieselbe Brechzahl besitzt.
Ferner ist die Beschichtung nicht nur auf einfache metallische Schichten beschränkt. Es sind auch Mehrfachschichten, insbesondere Trilayer denkbar. Es ist bekannt, dass mehrfach beschichtete, eindimensional periodische Gitter eine starke Farbfilterfilterung durch die Ausbildung von Fabry-Perot Resonatoren sowohl in Reflexion als auch in Transmission ermöglichen. Bei Trilayer sind folgende Schichten besonders bevorzugt: zwei halbtransparente Metallschichten mit einer dazwischen liegenden dielektrische Abstandsschicht bzw. zwei hochbrechende Schichten mit einer dazwischen liegenden niedrigbrechenden Schicht. Für die Metallschichten kommen folgende Materialien in Frage: Al, Ag, Pt, Pd, Au, Cu, Cr und Legierungen davon. Als hochbrechende Schichten eignen sich beispielsweise ZnS, ZnO, TiO₂, ZnSe, SiO, Ta₂O₅ oder Silizium. Als niedrigbrechende Schichten bieten sich SiO₂, Al₂O₃ bzw. MgF₂ an.
Bei einem besonders zweckmäßigen Herstellverfahren wird zuerst ein Dielektrikum als Basisstruktur geeignet strukturiert und dann beschichtet. Dann hat die Grundschicht im Bereich unter jedem Flächenelement eine Öffnung. Dies ist zugleich vorteilhaft, da dann auch in Transmission ein optischer Effekt entsteht.
Es ist bevorzugt, dass das Gitter in ein Einbett-Dielektrikum eingebettet ist, welches vorzugsweise dieselbe Brechzahl hat wie das Dielektrikum, welches die Basisstruktur bildet und die Grundschicht von den Flächenelementen beabstandet. Die Brechzahl kann beispielsweise zwischen 1,4 und 1,6 liegen.
Es zeigte sich, dass die Farbeffekte der Gittergrundstruktur von der Periodizität des Musters abhängen. Dies kann dazu ausgenutzt werden, farbige Symbole bzw. Bilder zu erzeugen. Dazu kann der Flächenfüllfaktor und/oder der Abstand zwischen Flächenelementen und Grundschicht lokal variiert werden. Insbesondere ist es möglich, eine Gruppe mehrerer Flächenelemente mit identischen Abmessungen so zu gestalten, dass ein gewünschter Farbeffekt eintritt. Diese Gruppe bildet dann ein Subpixel. Mehrere Subpixel werden mit unterschiedlichen Farbeigenschaften durch entsprechende geometrische Gestaltung ausgestaltet und dann zu einem Pixel zusammengefasst. Dies erlaubt eine farbige Bilddarstellung. Die unterschiedlichen Farben können dabei durch die entsprechende lokale Variation eines oder mehrerer der Parameter des Gitters (Abstand der Flächenelemente in zwei Raumrichtungen sowie Abstand der Flächenelemente von der Grundschicht) variiert werden.
Durch die pixelweise Farbmischung von Basisfarben, z. B. RGB Farben, in Subpixelbereichen können Echtfarbenbilder hergestellt werden. Der Vorteil von solchen Strukturen gegenüber der herkömmlichen Drucktechnik ist, dass hierbei eine sehr feine Strukturierung bis in den Mikrometerbereich vorgenommen werden kann.
Eine nicht Gitter verwendende Grundelementstruktur ist ein Substrat, auf dessen Deckflächen unterschiedliche Interferenzschichten angeordnet sind. Ein solches Substrat kann durch geeignete Strukturierung von Vorder- und Rückseite einfach zum Sicherheitselement 20 ausgebildet werden. Wesentlich ist lediglich, dass das Reflexionsverhalten an der ersten und der zweiten Deckseite für den Interferenzaufbau unterschiedlich ist. Dies erreicht man dadurch, indem die Grundelementstruktur, bezogen auf die Mittelebene, asymmetrisch ist, entweder weil die Schichten an den Deckflächen sich in ihrer Dicke oder in ihrer Materialzusammensetzung oder beidem unterscheiden.
Die bereichsweise unterschiedliche Strukturierung kann mit herkömmlichen Verfahren, beispielsweise einem Waschverfahren oder auch durch Laserdemetallisierung, erzielt werden.
Für die Schichten kommt eine Vielzahl von Interferenzschichten in Frage, die sich hinsichtlich ihrer Reflexionseigenschaften auf einem Substrat unterscheiden. So sind Color-Shift-Schichtsysteme geeignet. Auch kann man opake Schichtmaterialien verwenden, die, um die erforderliche Transmission zu erhalten, teilweise perforiert vorliegen.
Die Verwendung von perforierten Schichten hat den Vorteil, dass die Schichten an Vorder- und Rückseite des Substrates zuerst unstrukturiert aufgebracht werden können und dann lediglich hinsichtlich ihrer Perforation unterschiedlich bearbeitet werden, um ersten und zweiten Bereich auszubilden. Die Perforierung kann beispielsweise mit Hilfe eines gepulsten Laserstrahls etc. durchgeführt werden.
Um in Transmission einen Farbeffekt zu erreichen, kann man das Substrat einfärben.
Das Sicherheitselement kann für ein Wertdokument verwendet werden. Es kann insbesondere in einem Sicherheitsfaden, Aufreißfaden, Sicherheitsband, Sicherheitsstreifen, Patch oder Etikett integriert sein. Insbesondere kann das Sicherheitselement transparente Bereiche oder Ausnehmungen des Wertdokumentes überspannen.
Das Sicherheitselement kann insbesondere Teil einer noch nicht umlauffähigen Vorstufe zu einem Wertdokument sein, das zusätzlich noch weitere Echtheitsmerkmale aufweisen kann. Unter Wertdokumenten werden einerseits Dokumente verstanden, welche mit dem Sicherheitselement versehen sind. Andererseits können Wertdokumente auch sonstige Dokumente oder Gegenstände sein, die mit dem Sicherheitselement versehen werden, damit die Wertdokumente nicht kopierbare Echtheitsmerkmale aufweisen, um eine Echtheitsüberprüfung zu ermöglichen und unerwünschte Kopien zu verhindern. Chip- oder Sicherheitskarten, wie z. B. Bank- oder Kreditkarten oder Ausweise, sind weitere Beispiele für ein Wertdokument.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielshalber anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
1a–d unterschiedliche Ansichten eines Sicherheitselementes von der Vorderseite (1a), der Rückseite (1b), in Durchsicht (1c) sowie als Schnittdarstellung (1d),
2 eine Schnittdarstellung durch eine Bauweise des Sicherheitselementes 20 der 1, das aus einer Gittergrundstruktur besteht und zwei Bereiche aufweist,
3–5 Schnittdarstellungen ähnlich der 2 für weitere Ausführungsformen der Gittergrundstruktur,
6 eine perspektivische Schemadarstellung des Sicherheitselementes mit einer weiteren Ausführungsform der Gittergrundstruktur,
7 eine Schnittdarstellung durch das Sicherheitselement der 6,
8 eine perspektivische Schemadarstellung einer weiteren Ausführungsform der Gittergrundstruktur der 6,
9 eine Weiterbildung der Gittergrundstruktur der 8,
10 eine Abwandlung der Gittergrundstruktur der 9,
11–12 Schemadarstellungen zur Verdeutlichung der Funktionsweise der Gittergrundstruktur,
13–17 Diagramme hinsichtlich der Filtereigenschaften verschiedener Gittergrundstrukturen,
18 eine Schemadarstellung zur Bilderzeugung innerhalb eines der Bereiche, und
19 eine Schnittdarstellung durch eine Bauweise des Sicherheitselementes 20 der 1, das aus einer Grundelementstruktur mit Interferenzschichtaufbau besteht, und
20–21 Abwandlungen der Bauweise der 19.
1 zeigt verschiedene Ansichten eines Sicherheitselementes 20, das zur Authentifizierung oder zum Kopierschutz eines Wertgegenstandes, beispielsweise eine Wertdokumentes, wie einer Banknote etc., dient. Das Sicherheitselement 20 stellt in Draufsicht von der Vorder- und Rückseite unterschiedliche Ansichten ein und desselben Motivs zur Verfügung, und bei Durchsicht verschwindet das Motiv.
1 enthält vier Teilfiguren, die die unterschiedlichen Ansichten zeigen. 1a zeigt die Ansicht des Sicherheitselementes 20 von der Vorderseite. Zu sehen ist, dass sich ein Motiv in Form eines Sterns vor einem Hintergrund 21 abhebt. Der Vordergrund 22 bildet das Motiv, im Beispiel den Stern. Durch die unterschiedliche Schraffur ist verdeutlicht, dass sich Vordergrund 22 und Hintergrund 21 in der Draufsicht in Farbe und/oder Farbspiel bei Kippungen und/oder Reflexionsintensität unterscheiden. Von der Vorderseite betrachtet, erscheint der Vordergrund 22, also der Stern, in Reflexion z. B. in einer anderen Farbe und Intensität als der Hintergrund 21. Wenn man das Sicherheitselement 20 von der Rückseite aus betrachtet, erhält man, wie 1b zeigt, eine Invertierung des Farb- und Intensitätseindruckes für den Vordergrund 22 und den Hintergrund 21. Farbe und Intensität, die an der Vorderseite der Vordergrund 22 hatte, erscheinen bei der Betrachtung an der Rückseite für den Hintergrund 21. Analoges gilt für den Hintergrund 21 an der Vorderseite und den Vordergrund 22 an der Rückseite.
In Durchsicht (1c) verschwindet dagegen das Motiv auch für unterschiedliche Betrachtungswinkel komplett, denn die Farben des Sterns und des Hintergrunds sind identisch. In 1c ist lediglich zur Verdeutlichung dieses Effekts der Umriss des Sterns eingezeichnet. Er erscheint jedoch nicht, da Farbe und Intensität für Vordergrund 22 und Hintergrund 21 im Durchlicht identisch sind.
Diese Wirkung des Sicherheitselementes 20 ist keinesfalls auf zweifarbige Motive in Reflexion beschränkt. Es ist auch möglich, ein mehrfarbiges, beispielsweise vierfarbiges Motiv in Reflexion zu gestalten. Dieses erschiene in Transmission dann zweifarbig. Allgemein gilt, dass ein n-farbiges Motiv in Reflexion durch eine entsprechende Gestaltung des Sicherheitselementes 20, die nachfolgend noch erläutert werden wird, in Transmission als Struktur mit lediglich n/2 Farben erscheint.
Der Aufsichts-/Durchsichtseffekt kann besonders bevorzugt bei Durchsichtfenstern von Banknoten oder anderen Wertdokumenten Verwendung finden. Die Farbeigenschaften können kaum durch einfache Mittel nachgeahmt werden, jedoch ohne Hilfsmittel mit dem unbewaffneten Auge wahrgenommen werden.
Ferner ist es möglich, die Transmissionseigenschaften, insbesondere das Verschwinden des Motivs, maschinell, beispielsweise mit Banknotenbearbeitungs- oder -zählmaschinen zu überprüfen. Diese Überprüfung kann mit Hilfe eines Transmissionssensors erfolgen, der mit einer Mehrfarbenlichtquelle, beispielsweise einer Weißlichtquelle, ausgestattet ist, und die Transmission ortsaufgelöst für unterschiedliche Wellenlängen oder unterschiedliche Wellenlängenbereiche erfasst. Es ist auch eine vereinfachte Variante denkbar, bei der die Transmission entweder für eine Wellenlänge oder als integraler Wert für Weißlicht gemessen wird. Auf diese Weise kann einfach überprüft werden, ob in Transmission kein Motiv erkennbar ist, was bei herkömmlichen Druckverfahren, die zur Nachahmung des Farbeffektes in Aufsicht eingesetzt werden könnten, nicht der Fall wäre. Natürlich kann das Sicherheitselement 20 auch mit anderen Strukturen, wie Hologrammen etc., kombiniert werden.
1d zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch das Sicherheitselement 20 der 1a bis 1c. Zu sehen ist, dass das Sicherheitselement 20 durchgehend aus einer Gittergrundstruktur G besteht, wobei im Bereich des Motivs 21 die Gittergrundstruktur, bezogen auf eine Mittelebene M, die zwischen den Deckflächen des Sicherheitselementes 20 liegt, gespiegelt ist. Dies ist durch die unterschiedliche Schraffur im Bereich des Vordergrundes 22 verdeutlicht. Die Invertierung oder Spiegelung hat zur Folge, dass im Bereich des Hintergrunds 21 eine erste Deckseite 25 der Grundelementstruktur G in der Darstellung der 1d oben liegt, eine zweite Deckseite 26 unten. Im Bereich des Vordergrundes 22 sind die Verhältnisse genau invertiert, d. h. die zweite Deckseite 26 liegt oben, die erste Deckseite 25 unten. Somit sind in jeder Draufsicht die Reflexionseigenschaften, die die Grundstruktur G hat, im Bereich des Vordergrundes 22 gegenüber dem Hintergrund 21 invertiert. Die Transmissionseigenschaften bleiben aufgrund des Gesetzes der Reziprozität gleich.
Das Sicherheitselement 20 erzeugt einen Farbeffekt durch die Grundelementstruktur G, die in Draufsicht von der Vorder- und der Rückseite unterschiedliche Farbeffekte zeigt. Solche Grundelementstrukturen G sind dem Fachmann in vielfacher Hinsicht bekannt. Nachfolgend werden verschiedene Varianten hierfür erläutert.
Bezogen auf die Mittelebene M zwischen Vorder- und Rückseite, die in 1 in etwa der Zeichenebene entspricht, ist die Grundelementstruktur G zwischen Vordergrund 22 und Hintergrund 21 invertiert. Mit anderen Worten, die Struktur im Hintergrund 21 und Vordergrund 22 ist strukturell identisch, nicht jedoch bezüglich der Orientierung. Im Vordergrund 22 ist die Grundelementstruktur an der Mittenebene M gespiegelt.
Die Grundelementstruktur G hat an ihren beiden Deckflächen 25, 26 unterschiedliche Reflexionseigenschaften. Die unterschiedlichen Effekte in den Ansichten der 1a und 1b lassen sich somit unter Verwendung dieser Begriffe wie folgt beschreiben:
In 1a sieht man für den Hintergrund 21 die erste Deckseite 25 der Grundelementstruktur G. Im Bereich des Vordergrundes 22, also des Sterns, sieht man hingegen die zweite Deckseite 26 der bis auf die Orientierung gleichen Grundelementstruktur G. Die Verhältnisse sind in der Ansicht von der Rückseite (1b) invertiert. Man sieht also für den Hintergrund 21 die zweite Deckseite 26 und für den Vordergrund 22 die erste Deckseite 25. Die Grundelementstruktur G ist bis auf diesen Orientierungswechsel im gesamten Sicherheitselement 20 dieselbe. Sie ist lediglich im Vordergrund 22 gegenüber dem Hintergrund 21 an der Mittelebene M gespiegelt, so dass das Motiv durch Bereiche I und II gebildet ist, in denen in der Draufsicht von der Vorderseite die erste Deckseite 25 für den Hintergrund 21 und die zweite Deckseite 25 für den Vordergrund 22 sichtbar sind. Aufgrund der unterschiedlichen Reflexionseigenschaften der Grundelementstruktur G an der ersten und der zweiten Deckseite 25, 26 erhält man eine klare Erkennbarkeit des Motivs.
2 zeigt für eine erste Ausführungsform der Grundelementstruktur G eine schematische Schnittdarstellung durch das Sicherheitselement 20 der 1. Dabei sind durch eine gestrichelte Linie getrennt der erste Bereich I – entsprechend beispielsweise dem Hintergrund 21 – und der zweite Bereich II – entsprechend beispielsweise dem Vordergrund 22 – nebeneinander dargestellt. Die Grundelementstruktur G ist hier als Gittergrundstruktur 1 realisiert. In beiden Bereichen I und II ist die Gittergrundstruktur 1 bis auf einen Übergangsbereich, der bereits im oberen, allgemeinen Teil der Beschreibung erwähnt ist und nachfolgend noch weiter erläutert werden wird, identisch.
Die Gittergrundstruktur 1 besteht in dieser Ausführungsform aus regelmäßigen Gitterstegen 23 und Gitterspalten 24. Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind die Gitterstege 23 dreieckig und die Gitterspalte 24 ebenfalls. Der einfacheren Herstellbarkeit halber sind die Gitterspalten 24 mit einem Material gefüllt, dessen Brechungsindex sich von dem der Gitterspalte 24 unterscheidet. Diese Füllung ist aber nicht zwingend nötig. Die Gittergrundstruktur 1 ist im Bereich I so angeordnet, dass die erste Deckseite 25 in der Darstellung der 2 oben liegt, und die zweite Deckseite 26 unten. Im Bereich II ist die Gittergrundstruktur 1 invertiert dazu ausgerichtet, d. h. an der Mittelebene M, welche hier die Gitterebene ist, gespiegelt. Dadurch liegt im Bereich II die erste Deckseite 25 in der Darstellung der 2 unten, die zweite Deckseite 26 oben.
Die Gittergrundstruktur 1 reflektiert an der ersten Deckseite 25 einfallende Strahlung als reflektierte Strahlung R1, und an der zweiten Deckseite 26 einfallende Strahlung als reflektierte Strahlung R2. Da sich die Reflexionseigenschaften in der Gittergrundstruktur 1 an der ersten und der zweiten Deckseite unterscheiden, unterscheiden sich folglich auch die reflektierten Strahlungen R1 und R2 in den Bereichen I und II. Das Motiv, bestehend aus Vordergrund 22 und Hintergrund 21, wird dadurch sichtbar.
Im Durchlichtbetrieb unterscheidet sich hingegen die transmittierte Strahlung T in den Bereichen I und II nicht, da in beiden Bereichen dieselben Strukturen durchlaufen werden und die Reihenfolge des Durchlaufs aufgrund des Gesetzes der Reziprozität des Lichtweges unbeachtlich ist.
Eine wesentliche Eigenschaft der Grundelementstruktur G ist es, dass sie bezüglich ihrer Reflexionseigenschaften, bezogen auf die erste und zweite Deckseite, nicht symmetrisch ist. Im Falle eines Gitters ist dies dadurch erreicht, dass die Gittergrundstruktur 1 bezüglich der Gittermittelebene ebenfalls asymmetrisch ist. Dies ist in 1 der Fall.
Unter dem Gesichtspunkt der Herstellbarkeit ist es bevorzugt, für das Sicherheitselement 20 eine asymmetrische Gittergrundstruktur 1 zu verwenden, da diese mit einem Prägeverfahren einfach repliziert werden kann. Daher eignen sich bevorzugt Reliefgitter mit Gitterstegen 23 und Gitterspalten 24, die bezogen auf die Gittermittelebene asymmetrisch sind und deren Oberfläche bedampft ist, beispielsweise metallisch. 3 zeigt ein solches Rechteckgitter in einer Darstellung ähnlich der 2. Im Bereich II liegt wiederum das gespiegelte Profil des Bereichs I vor. Das Gitter weist in den Bereichen I und II unterschiedliche Reflexionseigenschaften jedoch dieselbe Transmission auf. Bezogen auf die Gittermittelebene werden asymmetrische Gitterprofile bevorzugt durch Rechteckgitter mit einem Füllfaktor ausgebildet, der deutlich von 0,5 abweicht. Bei einem Wert von exakt 0,5 wäre eine Invertierung oder Spiegelung zwischen den Bereichen I und II nicht möglich.
Einfacher herzustellen in einem Prägeverfahren ist ein trapezförmiges Profil, wie es 4 schematisch zeigt. Bei einem solchen Gitter ist es auch möglich – und in 4 ist dies auch dargestellt –, dass bei einer gerichteten Bedampfung die Flanken mit einer dünnen Schicht, beispielsweise einem dünnen Metallfilm überzogen werden. Auch dann bleibt die Transmission T für die Bereiche I und II gleich. Selbiges gilt auch für den Fall einer schrägen Bedampfung einer solchen Profilform.
5 illustriert schließlich den allgemeinen Fall einer Gittergrundstruktur 1, die bezüglich der Gittermittelebene asymmetrisch ist, und in den Bereichen I und II zueinander gespiegelte Anordnung hat.
Die Gittergrundstruktur 1 kann eindimensional ausgebildet werden. Zweidimensional periodische Gitter haben jedoch den Vorteil, dass eine wesentlich stärkere Asymmetrie im Füllfaktor ausgebildet werden kann, was noch deutlichere Unterschiede zwischen der Reflexion an der ersten Deckseite 25 und der zweiten Deckseite 26 bewirkt. Ein besonders guter Kontrast im Motiv zwischen Vordergrund und Hintergrund ist die Folge. 6 zeigt schematisch ein solches zweidimensionales periodisches Gitter, dessen Grundprinzipien nachfolgend anhand der 8 bis 19 noch näher erläutert werden wird.
Bei der Betrachtung von der Oberseite können spiegelnde Reflexionen bei ungünstigen Verhältnissen störend auftreten. Die Farbeigenschaften der beschriebenen Gittergrundstruktur in Reflexion können durch eine zusätzlich aufgebrachte Streufolie verbessert werden, wie 4 zeigt. Dort ist die Gittergrundstruktur 1 in einen Träger 2 eingebettet, der an seinen Deckflächen reflexionsmindernde Eigenschaften hat, beispielsweise durch eine geeignete Streufolie. Bevorzugterweise hat eine solche Streufolie eine relativ kleine Winkeldivergenz, welche beispielsweise zwischen 5° und 20° liegt. Diese Streuwirkung kann auch durch Partikel in einem UV-Lack oder einer Deckfolie oder dem Träger 2 erzielt werden. Die gleichmäßige Transmission wird durch die Lichtstreuung so gut wie nicht beeinträchtigt, soweit das Streuverhalten des Trägers 2 oder der darauf aufgebrachten Schichten oder Folien an beiden Deckseiten in etwa gleich ist.
Im Sicherheitselement 20 ist die Gittergrundstruktur 1 in den Bereichen I und II bis auf eine Invertierung bzw. Spiegelung in einem der Bereiche gleich. Dies führt dazu, dass an der Grenze zwischen den Bereichen I und II ein Übergangsbereich bestehen muss, in dem die Gittergrundstruktur 1 in ihre gespiegelte Form übergeht. Dieser Übergang ist in den 2b bis 7 durch eine gestrichelte Linie verdeutlicht. Der Übergangsbereich, in dem die Grundstruktur 1 in ihre invertierte, d. h. gespiegelte Form übergeht, hat eine Ausdehnung im Bereich einer Periode der Gitterstruktur, was aufgrund der verwendeten Strukturgrößen mit Perioden von 1000 nm oder kleiner mit unbewaffnetem Auge nicht wahrnehmbar ist.
Anhand der 8 bis 19 wird nachfolgend die zweidimensionale periodische Gitterstruktur der 6 näher erläutert. Die Figuren beziehen sich dabei lediglich auf die Gittergrundstruktur, also die Ausbildung im Bereich I oder II.
8 zeigt eine Gittergrundstruktur 1, die für das Sicherheitselement 20 in einem Wertdokument verwendet werden kann. Die Gittergrundstruktur 1 ist dadurch hergestellt, dass der Träger 2 mit einem Profil versehen wird, das senkrechte Flanken besitzt. Das Profil ist so ausgebildet, dass an einer Oberseite des Trägers 2 ein Muster 6 von Säulen 4 gebildet ist. Der Träger ist aus einem Dielektrikum und wurde mit einer Metallschicht beschichtet, die sich in einer Grundschicht 3 auf der Oberfläche des Trägers 2 sowie in einer Beschichtung 5 auf den Säulen 4 ablegt. Aufgrund der senkrechten Flanken sind diese nicht beschichtet.
Grundsätzlich ist die Gittergrundstruktur 1 so ausgebildet, dass sie im Durchlichtbetrieb nicht vollständig opak ist, also zu einem gewissen Grad lichtdurchlässig bleibt. Die Schichtdicke T der Metallschicht ist deshalb ebenso wie das Material entsprechend gewählt.
Im Muster 6 sind die Säulen 4, die hier lediglich exemplarisch als quaderförmig ausgebildet sind und unter anderem zylindrische (nicht notwendigerweise kreiszylindrische) Erhebungen sein können, in Form eines zweidimensional periodischen Gitters angeordnet, wobei entlang zweier senkrecht zueinander liegender Richtungen in der durch die Grundschicht 3 definierten Gitterebene der Gittergrundstruktur 1 Periodizitäten p₁ und p₂ vorhanden sind. Die Ausdehnungen der Säulen 4 bzw. der Erhebungen in der Grundebene sind mit s₁ und s₂ bezeichnet. Die Grundschicht 3 wie auch die Beschichtungen 5 haben eine Schichtdicke t. Die im Muster 6 angeordneten Beschichtungen 5 sind durch die Höhe h der Säulen 4 um den Abstand h–t von der Oberseite der Grundschicht 3 beabstandet. Die Säulenhöhe h des profilierten Trägers 2 ist dabei größer als die Schichtdicke t, so dass die Metallschicht unterbrochen ist und die Beschichtungen 5 nicht zusammenhängen. Es entsteht damit eine Metallstruktur, die aus der Grundschicht 3 besteht, welche die Gitterebene definiert, mit Löchern 8 über denen sich die Beschichtungen 5 befinden. Der Abstand zwischen den Beschichtungen 5 und der Grundschicht 3 ist dabei durch die dielektrischen Säulen 4 bewirkt.
Die Periodizitäten p₁ und p₂ liegen bevorzugt im Subwellenbereich, d. h. im Bereich zwischen 100 nm und 1000 nm, bevorzugt zwischen 200 nm und 500 nm. Die Füllfaktoren s₁/p₁ und s₂/p₂ liegen zwischen größer 0,5 und 0,8, bevorzugt unter 0,7. Um eine polarisationsunabhängige Farbfilterung zu erzielen, werden die Profilparameter für die beiden Raumrichtungen möglichst identisch gewählt, also p₁ = p₂ und s₁ = s₂. Dies ist jedoch optional. Ebenso sind im beschriebenen Ausführungsbeispiel die Periodizitätsrichtungen senkrecht zueinander. Auch dies ist optional. Auch räumlich asymmetrische Anordnungen des Profils und der Periodizität sind denkbar. Mit anderen Worten, das Muster 6 muss nicht, wie in 8 dargestellt, ein kartesisches Muster sein. Auch können die Säulen 4 asymmetrisch gestaltet sein.
9 zeigt eine Weiterbildung, bei der die Gittergrundstruktur 1 in ein Einbett-Dielektrikum 7 eingebettet ist. Dies hat Anwendungsvorteile, da die Oberfläche der Gittergrundstruktur 1 dann glatt ist.
10 zeigt eine Gittergrundstruktur 1, deren Säulen 4 kreiszylindrisch ausgebildet sind. Diese Form eignet sich besonders für unpolarisiertes Licht. Abwandlungen von der Quadratform der 8 bzw. der Kreisform der 10 sind ebenfalls möglich, z. B. durch beispielsweise abgerundete Ecken.
Die 11 und 12 zeigen die Wirkungsweise der Gittergrundstruktur 1. 11 zeigt dabei die Verhältnisse bei einfallender Strahlung E, auf die Oberseite 9 im Bereich I. In 12 ist der Einfall im Bereich II gezeigt. Das Sicherheitselement reflektiert einfallende Strahlung E in Form reflektierender Strahlung R und transmittiert einen Teil als transmittierte Strahlung T. Der wesentliche Unterschied zwischen der Beleuchtung im Bereich I und im Bereich II liegt darin, dass im Bereich I die einfallende Strahlung E zuerst auf die im Muster 6 angeordnete, periodische Beschichtung 5 fällt. Im Bereich II wird hingegen das Muster der Löcher 8 in der Grundschicht 3 direkt beleuchtet. Dieser Unterschied hat deutliche Konsequenzen im Reflektionsverhalten, insbesondere hinsichtlich des Farbeindruckes.
Durch die Aufbringung der Metallschicht auf den strukturierten Träger 2 ist unter den Beschichtungen 5, d. h. im Bereich des Säulen 4 die Grundschicht 3 mit den Löchern 8 versehen. Die Gittergrundstruktur 1 hat also ein sogenanntes Hole-Array in der Metallschicht 3, wobei die Anordnung der Löcher 8 durch das Muster 6 definiert sind. Bei vollständig senkrechten Flanken der Säule 4 entsprechen Anordnung und Größen der Löcher 8 exakt denen der Beschichtungen 5.
Die Grundschicht 3 der Bauweise der 8 bis 10 kann durch Mehrfachschichten ergänzt bzw. ersetzt werden. Gleiches gilt für die Beschichtung auf den Säulen.
Für das Herstellungsverfahren der Gittergrundstruktur 1 und damit des Sicherheitselementes 20 kommen verschiedene Prozesse in Frage. Am einfachsten ist die Herstellung, wenn zuerst der dielektrische Träger 2 mit den im Muster 6 angeordneten Erhebungen, beispielsweise Säulen 4, und mit den Bereichen I und II ausgebildet und dann beschichtet wird. Das kann sowohl senkrecht, als auch in Schrägbedampfung erfolgen. Wesentlich ist, dass die Beschichtungen 5 nicht zusammenhängen, also einzeln sind.
Für die Herstellung des Trägers 2 ist ein Abformverfahren möglich, so dass eine kostengünstige Massenproduktion realisiert werden kann.
Das hier beschriebene Sicherheitselement 20 erreicht die Farbgebung durch eine Gittergrundstruktur mit einer zweidimensionalen periodischen Subwellenlängenstruktur in der nullten Beugungsordnung. Die farbgebenden Prägestrukturen sind dann besonders farbintensiv, können lagegenau zu anderen Sicherheitsprägestrukturen angeordnet werden und erscheinen in Aufsicht unter einem relativ breiten Betrachtungswinkel im gewünschten gleichmäßigen Farbton.
Mögliche Parameter von zweidimensional periodischen Gittern sind:

Struktur p [nm] s [nm] h [nm] t [nm]

a) 400 120 300 40

b) 240 117 300 40

c) 330 167 300 40

d) 400 203 310 40

e) 240 117 300 20
Die Strukturen a)–e) wurden auf PET-Folien in UV-Lack abgeformt, mit Aluminium bedampft und anschließend mit einer PET-Folie kaschiert. Die Brechzahl der PET-Folie sowie des UV-Lacks beträgt im Sichtbaren etwa 1,56.
13 zeigt Transmissions- bzw. Reflexionsverhalten für Struktur a). Dabei ist mit R1 der Reflexionsverlauf an der ersten Deckseite, mit R2 der Reflexionsverlauf an der zweiten Deckseite sowie mit T die transmittierte Strahlung bezeichnet. Die Figuren zeigen jeweils die Intensität I als Funktion der Wellenlänge. Als Metall wurde Aluminium mit einer Schichtdicke t von 40 nm verwendet. 14 zeigt die Verläufe für die Struktur b, 15 für die Struktur c und 16 für Struktur d.
Diese Gittergrundstrukturen zeigen sowohl in Reflexion als auch in Transmission unterschiedliche Farben. Die Reflexion an der ersten Deckseite unterscheidet sich ganz deutlich von der Reflexion an der zweiten Deckseite.
Dies tritt am deutlichsten bei der Struktur c (15) und d (16) hervor. 15 belegt an der ersten Deckseite einen roten Farbton, während die zweite Deckseite blau erscheint. Die Transmission ist dagegen von beiden Seiten betrachtet blau. Die Struktur d der 16 erscheint dagegen auf der ersten Deckseite rötlich, auf der zweiten Deckseite türkis und in Transmission grün. Die Winkeltoleranz des Farbtons wurde durch Reflexionsmessungen bei unterschiedlichen Einfallswinkeln untersucht. 17 zeigt die Reflexion der Struktur e für die Einfallswinkel 8° (Kurve 13), 30° (Kurve 15) und 45° (Kurve 14). Das Reflexionsmaximum liegt für diese Struktur im Blauen und verschiebt sich bei einer Variation des Einfallswinkels nur geringfügig. Die Struktur erscheint für dieses unterschiedlichen Einfallswinkel stets blau.
Die oben beschriebene profilabhängige Farbgebung kann benutzt werden, um farbige Symbole bzw. Bilder innerhalb eines der Bereiche zu erzeugen. 18 zeigt drei Abschnitte 17, 18, 19 einer Gittergrundstruktur mit unterschiedlichem Profil (p_R, s_R, h_R), (p_G, s_G, h_G) bzw. (p_B, s_B, h_B), welche in den Farben Rot, Grün und Blau erscheinen. Diese unterschiedlichen Farben können durch die entsprechende Variation eines oder mehrerer Profilparameter hervorgerufen werden.
Die drei Abschnitte 17, 18, 19 entsprechen RGB-Subpixeln und bilden zusammen ein Pixel 16. In jedem Abschnitt 17, 18, 19 sorgt das jeweilige Profil dafür, dass die entsprechenden Farben Rot, Grün bzw. Blau bewirkt werden. Gleichzeitig kann durch die Profilwahl der Anteil der Farbe des jeweiligen RGB-Subpixels, das vom Abschnitt 17, 18 oder 19 gebildet wird, im Pixel 16 eingestellt werden. Somit kann dem Pixel 16 eine gewünschte Farbe verliehen werden. Durch die im Pixel 16 bewirkte Farbmischung der Grundfarben durch die Abschnitte 17, 18, 19 der RGB-Subpixel werden somit Echtfarbenbilder möglich. Der Vorteil einer solchen Struktur gegenüber einer herkömmlichen Drucktechnik ist, dass eine sehr feine Strukturierung bis in den Mikrometerbereich möglich ist, was insbesondere mit Vergrößerungsanordnungen vorteilhaft ist. Die Gittergrundstruktur 1 gemäß 12 erlaubt Mikrobilder, bei denen sich das Gitterprofil lateral ändert, um einen farblichen bzw. einen Intensitätskontrast im Mikrobild zu erzielen. Die hier beschriebene Struktur eignet sich dafür bevorzugt, da ihre optischen Eigenschaften sehr winkeltolerant sind, d. h. ihre Farbe ändert sich kaum bei einer Variation des Einfallswinkels. Diese Eigenschaft ist bei einer Kombination mit Mikrolinsenarrays vorteilhaft, da das von einem Betrachter wahrgenommene Licht aus unterschiedlichen Lichtpfaden, welche verschiedene Einfallswinkel haben, stammt.
In den Bereichen I und II unterscheiden sich die Bilder dann nur hinsichtlich ihres Farbspiels in Draufsicht; im Durchlicht verschwinden diese Unterschiede.
Für das Sicherheitselement 20 eignen sich bevorzugt Subwellenlängengitter, also Gittergrundstrukturen 1, die Gitterelemente (beispielsweise Gitterstege 23 und Gitterspalten 24) haben, von denen mindestens eine kleiner ist als die Wellenlänge des Lichts. Die Herstellung solcher Strukturen erfolgt üblicherweise mit photolithographischen Verfahren. Auch Interferenzlithographie oder mechanisches Ritzen ist möglich. Letztlich wird ein Original hergestellt, das anschließend galvanisch oder mit Hilfe von Photopolymeren (z. B. Ormocere) in einen Prägestempel umkopiert wird, mit dem dann der Träger 2 geprägt wird. Anschließend wird der Träger 2 geeignet beschichtet und gegebenenfalls mit Kaschierschichten versehen.
Die Herstellung des Sicherheitselementes 20 mit an der Gitterebene gespiegelten Bereichen I und II der Gittergrundstruktur 1 kann dadurch erfolgen, dass der erste Bereich eines Originals mit einem Abdruck dieses Originals zusammengesetzt wird. Auch auf diese Weise kann der Prägestempel hergestellt werden. Die Kopien der beiden Bereiche können z. B. durch die Belichtung eines Films aus Photopolymeren durch eine Maske erzeugt und anschießend in einem weiteren Kopierschritt zusammengesetzt werden. Natürlich kann man die entsprechende Inversion auch bereits im Original vorsehen.
Für das Prägen des Trägers 2 kann ein kontinuierlicher Prägeprozess zum Prägen einer Folie verwendet werden. Dazu wird üblicherweise ein Prägezylinder gefertigt.
19 zeigt in schematischer Schnittdarstellung eine weitere mögliche Realisierungsform für das Sicherheitselement 20. Hier wird als Grundelementstruktur G ein Interferenzaufbau verwendet, der hier als Dreischichtaufbau mit einem Substrat 27 und zwei halbtransparenten Metallschichten 28 und 29 ausgeführt ist. In den Bereichen I und II ist die Grundelementstruktur gegeneinander bezogen auf die Mittelebene gespiegelt, so dass im Bereich I die erste Deckseite 25, im Bereich II hingegen die zweite Deckseite 26 in der Darstellung der Figur oben liegt. Analoges gilt für die unten liegenden Seiten. Dadurch liegt die erste Metallschicht 28 im Bild der 19 oben für den Bereich I, unten für den Bereich II. Aufgrund der Reziprozität ist die Transmission in beiden Bereichen identisch, die Reflexionseigenschaften unterscheiden sich, wodurch das Motiv erkennbar ist.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass die Stufe im Substrat 27, die zwischen den Bereichen I und II zu sehen ist, tatsächlich nicht vorhanden ist. Sie verdeutlicht lediglich die Spiegelung der Grundstruktur G in den Bereichen I und II. Tatsächlich läuft das Substrat 27 durch und lediglich die Schichten 28 und 29 wechseln. Diese bereichsweise unterschiedliche Strukturierung kann durch ein Waschverfahren oder auch durch Laserdemetallisierung erzielt werden. Hierbei wird zuerst der Bereich II maskiert und die Schichtfolge für den Bereich I aufgebracht, beispielsweise durch ein Bedampfungsverfahren. Im nächsten Schritt wird der Bereich I maskiert und die Schichtfolge des Bereiches II aufgedampft.
Es ist auch denkbar, dass eine dieser Metallschichten perforiert ist. Diese Ausführungsform sieht man in 20. Bei bekannten Color-Shift-Schichtsystemen ist üblicherweise die untere Schicht als opake Spiegelschicht ausgelegt. Um jedoch eine Transmission zu erhalten, kann diese Spiegelschicht teilweise perforiert vorliegen. Die halbtransparente Metallschicht 28 ist homogen, die Spiegelschicht 29 perforiert. Diese Perforierung kann mit Hilfe eines gepulsten Lasers erzeugt werden. Alternativ kann ein Waschverfahren, ein Metalltransferverfahren oder ein sogenannten Lift-off-Verfahren verwendet werden.
21 zeigt eine Grundelementstruktur G, bei der beide Schichten 28 und 29 aus demselben Material gefertigt sind und dieselbe Dicke haben. Sie sind lediglich unterschiedlich perforiert, wodurch sich die unterschiedlichen Reflexionseigenschaften einstellen. Die Herstellung dieser Variante ist besonders einfach, denn die einzelnen Schichten können lateral unstrukturiert und vollflächig nacheinander aufgebracht werden. Die Perforierung wird dann mit Hilfe eines gepulsten Lasers ausgeführt. Dies ist auf beiden Seiten möglich. Alternativ kann die Perforierung einseitig nach dem Aufbringen der einen Metallschicht und dann nach dem Aufbringen der anderen Metallschicht erfolgen.
Grundsätzlich kann das Substrat 27 eingefärbt sein, um in Transmission einen farbigen Effekt zu erzeugen.
Bezugszeichenliste

1: Gitter
2: Träger
3: Grundschicht
4: Säule
5: Beschichtung
6: Muster
7: Dielektrikum
8: Loch
9: Vorderseite
10: Rückseite
11, 12: Mehrschichtaufbau
13, 14, 15: Kurve
16: Pixel
17, 18, 19: Abschnitt
20: Sicherheitselement
21: Hintergrund
22: Vordergrund
23: Gittersteg
24: Gitterspalt
25: erste Deckseite
26: zweite Deckseite
27: Substrat
28, 29: Interferenzschichten
h: Säulenhöhe
G: Grundelementstruktur
M: Mittelebene
t: Beschichtungsdicke
S₁: Säulenbreite
S₂: Säulentiefe
p₁, p₂: Periode
A: Flächennormale
E: einfallende Strahlung
R: reflektierte Strahlung
R1: reflektierte Strahlung
R2: reflektierte Strahlung
T: transmittierte Strahlung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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DE 102009012300 A1 [0002]
DE 102009056933 A1 [0002]
DE 102007016394 A1 [0005]
WO 2003/070482 A1 [0007]
WO 2011/032665 A1 [0007]
WO 2011/082761 A1 [0007]
WO 2011/066992 A1 [0007]
EP 2228671 A1 [0007]

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Claims

Sicherheitselement für einen Wertgegenstand, das aufweist: – einen flachen, transparenten Körper mit einer Vorder- und einer Rückseite, zwischen denen eine Mitteleben (M) liegt, – einen am Körper ausgebildeten, ersten Bereich (I) und einen am Körper ausgebildeten, zweiten Bereich (II), die ein Motiv (21, 22) codieren, wobei – der Körper im ersten Bereich eine Grundelementstruktur (G) aufweist, die in Draufsicht auf den Körper von Vorder- und Rückseite unterschiedliche Farbeindrücke vermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass – der Körper im zweiten Bereich (II) ebenfalls die Grundelementstruktur (G) aufweist, allerdings in, bezogen auf die Mittelebene (M), gespiegelter Form, wodurch erster und zweiter Bereich (I, II) in Draufsicht von beiden Seiten das Motiv (21, 22) zeigen, in Durchsicht das Motiv (21, 22) aber nicht erkennbar ist.
Sicherheitselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundelementstruktur (G) eine Gittergrundstruktur (1) aufweist, die bezogen auf die Mittelebene (M) asymmetrisch ist.
Sicherheitselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gittergrundstruktur (1) im Profil trapezförmige oder dreieckige Gitterelemente (23) aufweist.
Sicherheitselement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gittergrundstruktur (1) eine Gitterperiode von 100 nm bis 1000 nm, bevorzugt von 200 nm und 500 nm hat.
Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gittergrundstruktur (1) mit einer dünnen Metallschicht, einer Halbmetallschicht oder einer hochbrechenden Schicht mit teilweise absorbierender Wirkung überzogen ist.
Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gittergrundstruktur (1) zweidimensional periodisch ist.
Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gittergrundstruktur (1) quaderförmige Erhebungen (5) und Vertiefungen (8) aufweist.
Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gittergrundstruktur eine zusammenhängende, teilweise absorbierende, insbesondere metallische Grundschicht (3), die eine Gitterebene definiert, und über der Grundschicht (3) ein zweidimensional regelmäßiges Muster (6) aus einzelnen mit teilweise absorbierenden, insbesondere metallischen Flächenelementen (5) aufweist, die sich jeweils parallel zur Gitterebene erstrecken und jeweils von der Grundschicht (3) durch ein Zwischen-Dielektrikum (4) um einen Abstand (h) beabstandet sind, der größer ist als die Dicke der Grundschicht (3) und der Flächenelemente (5)
Sicherheitselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das regelmäßige Muster (6) in mindestens zwei Richtungen, die parallel zur Gitterebene verlaufen, eine Periodizität (p₁, p₂) zwischen 100 nm und 800 nm, bevorzugt zwischen 200 nm und 500 nm hat.
Sicherheitselement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundschicht (3) unter jedem Flächenelement (5) eine Öffnung (8) hat.
Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundschicht (3) und die Flächenelemente (5) ein Material umfassen, das mindesten eines der folgenden Materialien enthält: Al, Ag, Cu, Cr, Si, Zn, Ti, Pt, Pd, Ta oder eine Legierung daraus.
Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischen-Dielektrikum (4) unter jedem Flächenelement (5) als Säule ausgebildet ist, auf der das Flächenelement (5) angeordnet ist, und vorzugsweise eine Brechzahl zwischen 1,4 und 1,6 hat.
Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gittergrundstruktur (1) in ein Einbett-Dielektrikum (7) eingebettet ist, welches vorzugsweise dieselbe Brechzahl hat wie das Zwischen-Dielektrikum (4).
Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das regelmäßige Muster (6) der Flächenelemente (5) einen Flächenfüllfaktor von größer 0,5 bis 0,85, bevorzugt bis 0,7 hat.
Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (h), in dem die Flächenelemente (5) über der Gitterebene liegen, parallel zur Gitterebene variiert.
Sicherheitselement nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundelementstruktur (G) ein Substrat (27) und zwei unterschiedliche, auf Deckseiten des Trägers angeordnete Interferenzschichten (28, 29) aufweist.