DE102020000389A1

DE102020000389A1 - Darstellungselement für Lichtfleckenbild

Info

Publication number: DE102020000389A1
Application number: DE102020000389.3A
Authority: DE
Inventors: Sandra Heller; Kai Herrmann Scherer; Moritz Höfer; Raphael Dehmel
Original assignee: Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Current assignee: Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Priority date: 2020-01-22
Filing date: 2020-01-22
Publication date: 2021-07-22
Also published as: EP4093616A1; CN114728535A; WO2021148244A1; CN114728535B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Darstellungselement (20) mit einem Substrat (22) mit einem Flächenbereich (24), in dem eine Mehrzahl gegen den Flächenbereich geneigter optischer Elemente (16) angeordnet ist. Das Darstellungselement (20) ist ausgelegt und bestimmt, bei Beleuchtung mit einer Lichtquelle (30) ein Lichtfleckenbild aus einer Mehrzahl von Lichtflecken (32) zu erzeugen, die für einen Betrachter (40) oberhalb oder unterhalb des Flächenbereichs (24) schwebend erscheinen, wobei sie mit einer kontinuierlichen Änderung ihrer scheinbaren Schwebehöhe einer vorgegebenen, gegenüber dem Flächenbereich vor- und/oder zurückspringenden Oberflächentopographie (50) folgen. Jedem Lichtfleck (32) des Lichtfleckenbilds ist eine Mehrzahl von optischen Elementen (26) zugeordnet, die refraktive und/oder reflektive optische Elemente sind, die zusammen eine Fresnelstruktur (28) bilden, wobei die optischen Elemente (26) einer Fresnelstruktur (28) bei Beleuchtung des Darstellungselements zusammenwirken um den ihnen zugeordneten Lichtfleck (32) zu erzeugen. Die Neigungen der optischen Elemente der Fresnelstrukturen sind jeweils so aufeinander abgestimmt, dass sie die Brennweiten der Fresnelstrukturen (28) kontinuierlich verändern und dadurch die erzeugten Lichtflecke (32) für einen Betrachter scheinbar der vorgegebenen Oberflächentopographie (50) folgen lassen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Darstellungselement für die Erzeugung eines Lichtfleckenbilds aus einer Mehrzahl von Lichtflecken. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Darstellungselements und einen Datenträger mit einem solchen Darstellungselement.
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.
Besondere Aufmerksamkeit erregen dabei Sicherheitselemente mit dreidimensional wirkenden Bildern, die auch für Laien leicht erkenn- und prüfbar sind und dennoch mit gängigen Kopierverfahren nicht originalgetreu reproduziert werden können. In der Druckschrift WO 2012/048847 A1 ist zur Erzeugung solcher 3D-Bilder ein Darstellungselement vorgeschlagen worden, das bei Beleuchtung mit einer Lichtquelle ein aus Lichtflecken zusammengesetztes dreidimensionales Motiv, beispielsweise eine dreidimensionale Lichtpyramide aus einer Mehrzahl von auf unterschiedlichen Schwebehöhen schwebenden Lichtflecken erzeugt.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Fälschungssicherheit und die visuelle Attraktivität eines Darstellungselements für ein Lichtfleckenbild weiter zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung stellt ein Darstellungselement mit einem Substrat mit einem Flächenbereich bereit, in dem eine Mehrzahl gegen den Flächenbereich geneigter optischer Elemente angeordnet ist.
Das Darstellungselement ist dabei ausgelegt und bestimmt, bei Beleuchtung mit einer Lichtquelle ein Lichtfleckenbild aus einer Mehrzahl von Lichtflecken zu erzeugen, die reelle oder virtuelle Bilder der beleuchtenden Lichtquelle sind. Die Lichtflecken erscheinen für einen Betrachter oberhalb oder unterhalb des Flächenbereichs schwebend, wobei sie mit einer kontinuierlichen Änderung ihrer scheinbaren Schwebehöhe einer vorgegebenen, gegenüber dem Flächenbereich vor- und/oder zurückspringenden Oberflächentopographie folgen.
Jedem Lichtfleck des Lichtfleckenbilds ist eine Mehrzahl von optischen Elementen zugeordnet, die refraktive und/oder reflektive optische Elemente sind, die zusammen eine Fresnelstruktur bilden. Die optischen Elemente einer Fresnelstruktur wirken dabei bei Beleuchtung des Darstellungselements zusammen, um den ihnen zugeordneten Lichtfleck zu erzeugen.
Schließlich sind die Neigungen der optischen Elemente der Fresnelstrukturen jeweils so aufeinander abgestimmt, dass sie die Brennweiten der Fresnelstrukturen kontinuierlich verändern und dadurch die erzeugten Lichtflecke für einen Betrachter scheinbar der vorgegebenen Oberflächentopographie folgen lassen.
Die optischen Elemente sind in einer vorteilhaften Ausgestaltung für zumindest einen Teil der Fresnelstrukturen refraktive optische Elemente, die zusammen eine Fresnellinse bilden. Jede Fresnellinse kann eine einheitliche Brennweite aufweisen, oder ihre Brennweite kann kontinuierlich modifiziert sein, um der vorgegebenen Oberflächentopographie Rechnung zu tragen.
Bei einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung ist alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass die optischen Elemente zumindest für einen Teil der Fresnelstrukturen reflektive optische Elemente sind, die zusammen einen Fresnelspiegel, insbesondere einen Fresnel-Hohlspiegel oder einen Fresnel-Wölbspiegel bilden. Jeder Fresnelspiegel kann eine einheitliche Brennweite aufweisen, oder seine Brennweite kann kontinuierlich modifiziert sein, um der vorgegebenen Oberflächentopographie Rechnung zu tragen.
Vorzugsweise sind die Fresnelstrukturen in den gegenüber dem Flächenbereich vor- und/oder zurückspringenden Bereichen der Oberflächentopographie weder rotationssymmetrisch noch elliptisch, sondern folgen einer durch die Oberflächentopographie vorgegebenen Freiform.
Die optischen Elemente sind mit besonderem Vorteil durch ebene Mikrospiegel oder durch kleine Mikroprismen gebildet. Es ist allerdings vorteilhaft auch möglich, dass die optischen Elemente gekrümmte Oberflächen aufweisen und beispielsweise die gekrümmten Stufen einer Fresnelstufenlinse oder eines Fresnelstufenspiegels darstellen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die optischen Elemente und die Schwebehöhen der Lichtflecke so ausgelegt, dass für die Lichtflecke und die zugeordneten optischen Elemente jeweils die Bedingung f/d < 5 gilt, wobei f den Betrag der Schwebehöhe eines Lichtflecks oberhalb oder unterhalb des Flächenbereichs bezeichnet und d den Optikdurchmesser der zu diesem Lichtfleck beitragenden optischen Elemente angibt. Dadurch ist sichergestellt, dass die Lichtflecke bei normalem Betrachtungsabstand von etwa 30 cm für beide Augen des Betrachters innerhalb der Öffnung der durch die optischen Elemente gebildeten Fresnelstruktur liegen, so dass für einen Betrachter ein dreidimensionales Erscheinungsbild aus schwebenden Lichtflecken entsteht.
In einer vorteilhaften Erfindungsvariante ist jedem Lichtfleck des Lichtfleckenbilds eine Mehrzahl von aneinander angrenzenden optischen Elementen zuordnet.
Nach einer alternativen, ebenfalls vorteilhaften Erfindungsvariante ist jedem Lichtfleck des Lichtfleckenbilds eine Mehrzahl von beabstandet auf dem Flächenbereich verteilten optischen Elementen zuordnet. Durch die entstehenden Zwischenräume zwischen den einzelnen optischen Elementen können mehrere Gruppen von optischen Elementen, die jeweils verschiedenen Lichtflecken zugeordnet sind, im selben Flächenbereich ineinander verschachtelt angeordnet sein. Auf diese Weise kann eine besonders hohe räumliche Auflösung im Lichtfleckenbild erreicht werden, wie weiter unten genauer erläutert. Durch Verschachtelungen können auch alle Art von Symbolen, die aus mehr als einem Bildpunkt bestehen, mit Lichtflecken erzeugt werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind durch eine Mehrzahl von Lichtflecken Lichtfleckenmuster gebildet, die für einen Betrachter scheinbar der vorgegebenen Oberflächentopographie folgen. Die Lichtfleckenmuster können insbesondere aus einem Raster aus p x q Lichtfleckenpositionen gebildet sein, wobei vorzugsweise p und q unabhängig voneinander einen der Werte 2, 3, 4, 5 oder 6 annehmen. Indem ein Teil der p x q Lichtfleckenpositionen mit Lichtflecken besetzt wird und ein Teil unbesetzt bleibt, lassen sich gewünschte Punktrastermuster erzeugen. Die Lichtfleckenmuster stellen vorteilhaft Buchstaben, Zahlen, Logos, Symbole oder einfache geometrische Formen wie Kreise, Ovale, Dreiecke, Rechtecke oder Quadrate dar. Bei Sicherheitselementen für Banknoten können die Lichtfleckenmuster beispielsweise die Wertzahl der Banknote, etwa die Zahl „10“ und/oder ein Währungssymbol, beispielsweise „€“, darstellen.
Die vorgegebene Oberflächentopographie stellt mit Vorteil eine gekrümmte Oberfläche dar und ist vorzugsweise ein sich aus dem Flächenbereich heraus- oder in den Flächenbereich hineinwölbender Kugelabschnitt, insbesondere eine Halbkugel.
In einer vorteilhaften Ausbildung sind die optischen Elemente als Prägestrukturen in einer Prägelackschicht ausgebildet. Ist das Darstellungselement zumindest teilweise reflektierend ausgebildet, so sind die Prägestrukturen vorzugsweise mit einer reflexionserhöhenden Beschichtung versehen. Als reflexionserhöhende Beschichtung kommt insbesondere eine vollflächige oder gerasterte Metallisierung, eine hochbrechende Beschichtung, ein Dünnschichtelement mit Farbkippeffekt oder eine cholesterische Flüssigkristallschicht in Betracht. Die Strukturhöhen der Prägestrukturen liegen vorzugsweise unterhalb von 100 µm, bevorzugt unterhalb von 20 µm, besonders bevorzugt unterhalb von 5 µm.
Das Darstellungselement ist vorteilhaft ein Sicherheitselement für Sicherheitspapiere, Wertdokumente und andere abzusichernde Gegenstände, insbesondere ein Sicherheitsfaden, ein Sicherheitsband, ein Sicherheitsstreifen, ein Etikett oder ein Transferelement.
Die erfindungsgemäßen Darstellungselemente können mit anderen Sicherheitsmerkmalen kombiniert werden, beispielsweise mit diffraktiven Strukturen, mit Hologrammstrukturen in allen Ausführungsvarianten, metallisiert oder nicht metallisiert, mit Subwellenlängenstrukturen, metallisiert oder nicht metallisiert, mit Subwellenlängengittern, mit Schichtsystemen, die beim Kippen einen Farbwechsel zeigen, semitransparent oder opak, mit diffraktiven optischen Elementen, mit refraktiven optischen Elementen, wie etwa Prismenstrahlformern, mit speziellen Lochformen, mit Sicherheitsmerkmalen mit gezielt eingestellter elektrischer Leitfähigkeit, mit eingearbeiteten Stoffen mit magnetischer Codierung, mit Stoffen mit phosphoreszierender, fluoreszierender oder lumineszierender Wirkung, mit Sicherheitsmerkmalen auf Grundlage von Flüssigkristallen, mit Mattstrukturen, mit zusätzlichen Mikrospiegelelementen, mit Elementen mit Jalousie-Effekt oder mit Sägezahnstrukturen.
Mit besonderem Vorteil sind die erfindungsgemäßen Darstellungselemente mit einem diese vollständig umgebenden Hintergrund kombiniert, insbesondere mit einem strahlenförmigen Hintergrund, wie er sich durch die in der Druckschrift DE 10 2010 055 688 A1 beschriebenen Gestaltungen erzeugen lässt. Die erfindungsgemäßen Darstellungselemente können mit Vorteil auch statische Musterelemente aufweisen, die beispielsweise durch eine Spiegelfläche oder eine Mikrospiegelanordnung mit verrauschten Mikrospiegel der in der WO 2011/066991 A2 beschriebenen Art gebildet ist. Die Offenbarung der beiden genannten Druckschriften wird insoweit in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.
Die Erfindung enthält auch ein Verfahren zum Herstellen eines Darstellungselements der oben beschriebenen Art, das ausgelegt und bestimmt ist, bei Beleuchtung ein Lichtfleckenbild aus einer Mehrzahl von Lichtflecken zu erzeugen, die reelle oder virtuelle Bilder der beleuchtenden Lichtquelle sind, und die für einen Betrachter oberhalb oder unterhalb des Flächenbereichs schwebend erscheinen, wobei sie mit einer kontinuierlichen Änderung ihrer scheinbaren Schwebehöhe einer vorgegebenen, gegenüber dem Flächenbereich vor- und/oder zurückspringenden Oberflächentopographie folgen.
Bei dem Verfahren wird ein Substrat bereitgestellt und in einem Flächenbereich des Substrats wird eine Mehrzahl gegen den Flächenbereich geneigter optischer Elemente angeordnet.
Jedem Lichtfleck des Lichtfleckenbilds wird eine Mehrzahl von optischen Elementen zugeordnet, die refraktive und/oder reflektive optische Elemente sind, die zusammen eine Fresnelstruktur bilden. Die optischen Elemente einer Fresnelstruktur wirken dabei bei Beleuchtung des Darstellungselements zusammen, um den ihnen zugeordneten Lichtfleck zu erzeugen.
Schließlich werden die Neigungen der optischen Elemente der Fresnelstrukturen jeweils so aufeinander abgestimmt, dass sie die Brennweiten der Fresnelstrukturen kontinuierlich verändern und dadurch die erzeugten Lichtflecke für einen Betrachter scheinbar der vorgegebenen Oberflächentopographie folgen lassen.
Konkret wird in einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens zur Abstimmung der Neigungen der optischen Elemente

- die gewünschte, wahrzunehmende Oberflächentopographie durch eine vektorwertige Funktion f(x,y) vorgegeben,
- werden die Steigungen (dxo, dyo) unmodifizierter optische Elemente bestimmt, die zu gleichmäßigen, insbesondere rotationssymmetrischen oder elliptischen Fresnelstrukturen führen, und
- werden aus den unmodifizierten Spiegelsteigungen (dxo, dyo) durch Addition der vektorwertigen Funktion f(x,y) die modifizierten, aufeinander abgestimmten Steigungen (dx, dy) der optischen Elemente bestimmt.

Das Darstellungselement wird dann mit den modifizierten Steigungen der optischen Elemente erzeugt.
Die Erfindung enthält weiter einen Datenträger mit einem Darstellungselement der beschriebenen Art, wobei das Darstellungselement insbesondere als ein reflektierendes Sicherheitselement in einem opaken Bereich des Datenträgers, oder als zumindest teilweise durchsichtiges Sicherheitselement in oder über einem transparenten Fensterbereich oder einer durchgehenden Öffnung des Datenträgers angeordnet sein kann. Bei dem Datenträger kann es sich insbesondere um ein Wertdokument, wie eine Banknote, insbesondere eine Papierbanknote, eine Polymerbanknote oder eine Folienverbundbanknote handeln, aber auch um eine Ausweiskarte, wie etwa eine Kreditkarte, eine Bankkarte, eine Barzahlungskarte, eine Berechtigungskarte, einen Personalausweis oder eine Passpersonalisierungsseite handeln.
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.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Banknote mit einem erfindungsgemäßen Sicherheitselement,
2 schematisch einen Querschnitts eines erfindungsgemäßen Darstellungselements zur Erläuterung seiner grundsätzlichen Funktionsweise,
3 eine Aufsicht auf den Flächenbereich des Darstellungselements der 2 bei Beleuchtung mit einer ausgedehnte Lichtflecken erzeugenden Lichtquelle,
4 in (a) bis (c) jeweils in Aufsicht den Flächenbereich eines erfindungsgemäßen Darstellungselements mit einer Reihe von Fresnelhohlspiegeln, wobei (a) eine unverzerrte Fresnelspiegelstruktur, (b) eine Fresnelspiegelstruktur mit geringer Verzerrung und (c) eine Fresnelspiegelstruktur mit starker Verzerrung zeigt,
5 in (a) bis (c) jeweils das zu den Flächenbereichen der 4(a) bis (c) gehörige Lichtfleckenbild,
6 schematisch eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts VI aus 4(a) mit vier Fresnelhohlspiegeln,
7 eine schematische Aufsicht auf einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Darstellungselements mit zwei ineinander verschachtelten Fresnelhohlspiegeln,
8 eine schematische Seitenansicht des Ausschnitts der 7, und
9 eine Aufsicht auf den Flächenbereich eines erfindungsgemäßen Darstellungselements, das bei Beleuchtung Lichtfleckenmuster in Form der Buchstabenfolge „EU“ zeigt.

Die Erfindung wird nun am Beispiel von Sicherheitselementen für Banknoten erläutert. 1 zeigt dazu eine schematische Darstellung einer Banknote 10, die mit einem erfindungsgemäßen Sicherheitselement 12 versehen ist. Das Sicherheitselement 12 zeigt bei Beleuchtung eine Vielzahl von Lichtflecken 16, die für einen Betrachter scheinbar oberhalb oder unterhalb der Ebene des Sicherheitselements 12 schweben und die beim Bewegen des Sicherheitselements 12 der gekrümmten Oberfläche einer sich in der Mitte des Sicherheitselements aus der Ebene herauswölbenden Halbkugel 14 zu folgen scheinen.
Die grundsätzliche Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Sicherheitselements ist anhand des schematischen Querschnitts des Darstellungselements 20 der 2 erläutert.
Das Darstellungselement 20 weist ein Substrat 22 mit einem Flächenbereich 24 auf, in dem eine Vielzahl von gegen den Flächenbereich 24 geneigten Mikrospiegeln 26 angeordnet ist.
Bei Beleuchtung mit einer idealerweise weit entfernen Lichtquelle 30 erzeugt das Darstellungselement 20 bzw, die Vielzahl der Mikrospiegel 26 des Darstellungselements ein Lichtfleckenbild aus einer Mehrzahl von Lichtflecken 32a, 32b. Die Lichtflecken stellen dabei reelle oder virtuelle Bilder der beleuchtenden Lichtquelle 30 dar. Für einen Betrachter 40 erscheinen die Lichtflecken oberhalb (Lichtflecken 32b) oder unterhalb (Lichtflecken 32a) des Flächenbereichs 24 schwebend, wobei der Betrag der Schwebehöhe im Folgenden mit f bezeichnet wird.
Als Besonderheit der vorliegenden Erfindung folgen die Lichtflecken 32a, 32b zumindest in einem Teilbereich des Darstellungselements mit einer kontinuierlichen Änderung ihrer scheinbaren Schwebehöhe einer vorgegebenen, gegenüber dem Flächenbereich 24 vor- und/oder zurückspringenden Oberflächentopographie, wie in 3 illustriert.
Jedem Lichtfleck 32a, 32b des Lichtfleckenbilds ist in dem Flächenbereich 24 eine Mehrzahl von Mikrospiegeln 26 zugeordnet, die im Ausführungsbeispiel der 2 zusammen jeweils einen Fresnel-Wölbspiegel 28 bilden. Bei Beleuchtung des Darstellungselements 20 wirken die Mikrospiegel 26 jedes Fresnelspiegels 28 zusammen, um jeweils den ihnen zugeordneten Lichtfleck 32a bzw. 32b zu erzeugen. Im Detailausschnitt der 2 sind zwei, jeweils aus einer Mehrzahl von Mikrospiegeln 26 gebildete Fresnelspiegel 28 und entsprechend zwei Lichtflecken 32a, 32b des Lichtfleckenbilds dargestellt.
3 zeigt eine Aufsicht auf den Flächenbereich 24 des Darstellungselements 20 bei Beleuchtung mit einer breiten Lichtquelle 30, die ausgedehnte Lichtflecken 32 erzeugt. Während die Lichtflecken 32 in einem äußeren Bereich 52 auf konstanter Höhe unterhalb des Flächenbereichs zu schweben scheinen, folgt die scheinbare Schwebehöhe der Lichtflecken 32 im mittleren Bereich des Elements kontinuierlich dem Oberflächenverlauf einer gegenüber dem Flächenbereich vorspringenden Halbkugel 50. Auch wenn die scheinbare Schwebehöhe in der Aufsicht der 3 durch die flächige Projektion in die Papierebene nicht sichtbar ist, ist die Topographie der vorspringenden Halbkugel 50 dennoch bereits durch die Verzerrung der Lichtflecken 32 deutlich erkennbar.
Erzeugt wird dieser besondere Effekt durch eine kontinuierliche Modifikation der Brennweite der Fresnelspiegel 28 über die Fläche des Darstellungselements 20 gemäß einer mathematischen Funktion, die die gewünschte, vor- und/oder zurückspringende Oberflächentopographie beschreibt.
Allgemein kann die Neigung der Mikrospiegel 26 gegen den Flächenbereich 24 durch die Steigung der Mikrospiegel in x- und y-Richtung beschrieben werden, wobei die unmodifizierten, also durch gleichmäßige, beispielsweise rotationssymmetrische Fresnelstrukturen gegebenen Steigungen der Mikrospiegel am Ort (x,y) mit (dxo, dy₀) bezeichnet werden. Die Auslegung solcher Mikrospiegel und die Bestimmung der Steigungen (dxo, dy₀) kann beispielsweise der Druckschrift WO 2012/048847 A1 , insbesondere der Beschreibung der Seiten 31 und 32 entnommen werden. Die Offenbarung der Druckschrift WO 2012/048847 A1 wird insoweit in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.
Die gewünschte, wahrzunehmende Oberflächentopographie kann durch eine vektorwertige Funktion f(x,y) beschrieben werden, die auch nur in bestimmten Bereichen von Null verschieden sein kann, so dass die Modifikation nur einen Teilbereich des Darstellungselements 20 betrifft.
Beispielsweise kann die in 3 gezeigte Halbkugel durch die Funktion $f (x, y) = (sin (2 π x) * cos (π y), sin (2 π y) * cos (π x)), falls | (x, y) - (1,1) | \leq 1,$
$f (x, y) = (0,0) falls | (x, y) - (1,1) | > 1,$
beschrieben werden, wobei der Einfachheit halber angenommen wurde, dass sich die Halbkugelmodifikation nur in einem Radius 1 um den Punkt (1,1) erfolgen soll. Das Darstellungselement selbst kann sich dabei beispielsweise im Bereich von -1 ≤ x ≤ 3 und -1 $ y ≤ 3 erstrecken.
Es versteht sich, dass im Allgemeinen der Radius R der Halbkugel auch andere Werte annehmen kann, die durch das gewünschte Design und Erscheinungsbild gegeben sind. Durch Multiplikation der oben dargestellten Funktion f(x,y) mit einem Parameter c # 1 können auch abgeflachte oder stärker gekrümmte Ellipsoidflächen erzeugt werden. Anstelle von kugelartigen oder ellipsoidartigen Wölbungen können auch andere Verzerrungen erzeugt werden, beispielsweise Konkav- oder Konvexverzerrungen, wie etwa die aus der Photographie bekannte „Barrel-Distortion“, die in extremer Ausprägung zu einem Fischaugeneffekt führt,
Aus den unmodifizierten Spiegelsteigungen (dxo, dyo) erhält man dann durch Addition der vektorwertigen Funktion f(x,y) $(dx, dy) = ({dx}_{0}, {dy}_{0}) + f (x, y)$
die modifizierten Spiegelsteigungen (dx, dy), die für jeden Fresnelspiegel 28 gerade zu einer solchen Änderung der Brennweite führen, dass die erzeugten Lichtflecke 32 scheinbar der vorgegebenen Oberflächentopographie der Halbkugel 50 folgen.
Die Modifikation der Spiegelsteigungen beeinträchtigt nicht die gewünschte optische Wirkung der Fresnelstrukturen, da diese in der vorliegenden Erfindung nicht primär dem Fokussieren von Licht dienen, sondern lediglich bereichsweise unter bestimmten Betrachtungswinkeln hell erscheinen sollen. Durch die kontinuierliche Brennweitenveränderung wirken die Lichtreflexe 32 im modifizierten Bereich 50 für den Betrachter 40 so, als würden sie kontinuierlich ihre Schwebehöhe verändern. Auch die modifizierten Strukturen werden in dieser Beschreibung als Fresnelstrukturen und insbesondere als Fresnellinsen oder Fresnelspiegel bezeichnet.
Die visuelle Auswirkung der Modifikation der Spiegelsteigungen auf die Lichtflecke 32 ist aus 3 und genauer noch aus den nachstehenden 4 und 5 ersichtlich. Am Nord- bzw. Südpol der Halbkugel 50 sind die Spiegelsteigungen stark erhöht bzw. verringert, während sie am Äquator unverändert bleiben.
Diese Modifikation der Steigungen erzeugt eine Verzerrung der Lichtflecken 32 in einer solchen Form, dass der modifizierte Flächenbereich 50 vom Betrachter 40 als dreidimensionale, sich aus dem Flächenbereich 24 herauswölbende Halbkugel wahrgenommen wird. Die einzelnen Lichtflecken 32 und deren Abstände werden nämlich durch die modifizierten Mikrospiegel am Äquator der Halbkugel stark vergrößert, zu den Polen hin dagegen gestaucht. Wie aus 3 ebenfalls ersichtlich, erzeugt die Modifikation der Spiegelsteigungen nicht nur eine Änderung der effektiven Brennweite der Fresnelspiegel 28, sondern verzerrt die gesamte Struktur.
Anders als bei der notwendigerweise statischen Abbildung der 3 erzeugt die Modifikation der Spiegelsteigungen bei einem realen Darstellungselement neben der Verzerrung auch einen dynamischen Effekt, der sowohl bei waagrechter, als auch bei senkrechter Verkippung des Elements in Erscheinung tritt. Im Vergleich zu den nicht modifizierten Bereichen 52, in denen die Funktion f(x,y) = (0,0) ist und zu keiner Änderung der Spiegelsteigungen führt, bewegen sich die Lichtflecken 32 nämlich in dem modifizierten Bereich 50 für einen Betrachter beim Kippen des Darstellungselements 20 langsamer und im Allgemeinen auf gekrümmten Bahnen.
3 zeigt weiter, dass die einzelnen Fresnelstrukturen im modifizierten Bereich 50 größer sind, und den Lichtflecken 32 daher beim Verkippen einen größeren Bewegungsbereich erlauben. Da jedoch die Amplitude der Bewegung gleich bleibt, bewegen sich die Lichtflecken 32 in diesem größeren Bereich langsamer als die Lichtflecken in den nicht modifizierten Bereichen 52. Dieser Effekt ist am stärksten an den Polen der Halbkugel ausgeprägt, wo die Spiegelsteigungen durch die Modifikation am stärksten verändert wurden. Durch diese unterschiedlichen Bewegungsgeschwindigkeiten der Lichtflecken 32 innerhalb des modifizierten Bereiches 50 entsteht für den Betrachter die Illusion, dass sich die Lichtflecken 32 tatsächlich auf der vorspringenden Oberfläche einer dreidimensionalen Halbkugel bewegen, d.h. am Nordpol bewegen sich die Lichtflecken langsam auf den Betrachter zu, über den Äquator laufen sie schneller und am Südpol bewegen sie sich wieder langsamer und von Betrachter weg.
Zur genaueren Erläuterung der Wirkung der Verzerrung zeigt 4 in (a) bis (c) jeweils in Aufsicht den Flächenbereich 24 eines erfindungsgemäßen Darstellungselements mit einer Reihe von Fresnelhohlspiegeln 28, die, wie oben beschreiben, jeweils aus einer Mehrzahl von Mikrospiegeln gebildet sind. 4(a) zeigt dabei eine unverzerrte Fresnelspiegelstruktur, 4(b) eine Fresnelspiegelstruktur mit geringer Verzerrung und 4 (c) eine Fresnelspiegelstruktur mit starker Verzerrung. In 6 ist schematisch eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts VI der 4(a) mit vier Fresnelhohlspiegeln 28 dargestellt.
5 zeigt in (a) bis (c) jeweils das zu den Flächenbereichen 24 der 4(a) bis (c) gehörige Lichtfleckenbild aus Lichtflecken 32. Wie durch Vergleich der Teilbilder (a) bis (c) zu erkennen, ändert sich durch die Stärke der Verzerrung auch die Größe, bzw. genauer gesagt, der Durchmesser der Fresnelhohlspiegel 28. Da die Ganghöhe der kleinen Mikrospiegel 26, die zusammen die Fresnelhohlspiegel 28 bilden, unverändert bleibt, ändert sich durch die Verzerrung der Krümmungsradius der Hohlspiegel 28. Die Krümmung nimmt ab, d.h. der Krümmungsradius r wird größer und dadurch auch die Brennweite bzw. die Schwebehöhe der Lichtflecken 32 gemäß der Beziehung $f = r / 2.$
Der dreidimensionale Bildeindruck, also die Wahrnehmung des Betrachters 40, dass die Lichtflecken 32 in einer bestimmten Höhe f über oder unter dem Flächenbereich 24 des Substrats 22 zu schweben scheinen, entsteht durch beidäugiges Sehen. Soll ein Lichtfleck 32 vom Betrachter 40 aus gesehen für beide Augen sichtbar sein, muss bei einem typischen Augenabstand von a ≈ 6,5 cm (2) und einem typischen Betrachtungsabstand b ≈ 30 cm (2) die Bedingung $f / d < 5$
erfüllt sein, wobei f den Betrag der Schwebehöhe des Lichtflecks 32 und d den Optikdurchmesser des den Lichtfleck 32 erzeugenden Fresnelspiegels 28 bezeichnet, also die lineare Abmessung des Flächenbereichs, in dem die den Fresnelspiegel 28 erzeugenden Mikrospiegel 26 verteilt sind. Beträgt der Optikdurchmesser der Fresnelspiegel 28 beispielsweise d = 0,5 mm, so lassen sich Schwebehöhen bis zu f = 5d = 2,5 mm mit dreidimensionalem Bildeindruck realisieren.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Mikrospiegel 26, die jeweils zusammen einen Fresnelspiegel 28 bilden, ohne Zwischenraum unmittelbar nebeneinander angeordnet, so dass der Optikdurchmesser d einfach die Summe der Abmessungen der den Fresnelspiegel bildenden Mikrospiegel 26 ist. Der Abstand zweier benachbarter Lichtflecken 32 in der Ebene des Flächenbereichs entspricht dann im Wesentlichen der linearen Abmessung der Fresnelspiegel 28.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung werden aus kleinen, nahe beieinander liegenden Lichtflecken komplexere Lichtfleckenmuster gebildet, die beim Kippen des Darstellungselements gemeinsam über die vor- und/oder zurückspringende Oberflächentopographie wandern.
Um die benötigten nahe beieinander liegenden Lichtflecken zu erzeugen, werden die den Fresnelspiegeln 28 zugordneten Mikrospiegel 26 ineinander verschachtelt im Flächenbereich 24 angeordnet. Das Prinzip ist anhand der 7 und 8 näher erläutert, in denen zwei nahe beieinander liegende Lichtflecken 72, 74 durch eine schachbrettartige Verschachtelung der Mikrospiegel 62, 64 zweier Fresnelhohlspiegel A und B erzeugt werden.
Zur Illustration sind die Fresnelspiegel in einem einfachen Beispiel zunächst jeweils aus 30 x 30 Mikrospiegeln 62 gebildet, die einen Fresnelhohlspiegel A bilden und aus 30 x 30 Mikrospiegeln 64, die einen Fresnelhohlspiegel B bilden. Von diesen 30 x 30 Mikrospiegeln wird dann alternierend jeweils jeder zweite Spiegel verworfen und die verbleibenden Mikrospiegel schachbrettartig ineinander verschachtelt, wie schematisch in der Aufsicht der 7 und der Seitenansicht der 8 gezeigt. Der übersichtlichen Darstellung halber ist in den 7 und 8 nur ein Teil der Mikrospiegel 62, 64 gezeigt. Die Mikrospiegel 62, 64 können beispielsweise jeweils eine Grundfläche von 20 x 20 µm² aufweisen, so dass das Verschachtelungsgebiet 60 eine Gesamtfläche von 600 x 600 µm² einnimmt.
Die Mikrospiegel 62 tragen dabei zur Erzeugung des Lichtflecks 72 bei und bilden zusammen den Fresnelhohlspiegel A. Die Mikrospiegel 64 tragen entsprechend zur Erzeugung des Lichtflecks 74 bei und bilden zusammen den Fresnelhohlspiegel B. Wie in 8 erkennbar, entspricht der Abstand der Lichtflecken 72, 74 bei dieser Gestaltung dem Abstand d_m der Mikrospiegel 62, 64 und beträgt daher nur Δ_min = 20 µm, obwohl sich jeder der Fresnelspiegel A, B über einen Längenbereich d von ≈600 µm erstreckt. Trotz des kleinen Abstands Δ_min der Lichtflecken 72, 74 kann daher eine große Schwebehöhe von f = 5*d = 3 mm erreicht werden.
Selbstverständlich können auf diese Weise auch mehr als zwei kleine Lichtflecken nahe beieinander angeordnet und dadurch ein gewünschtes Lichtfleckenmuster erzeugt werden. Als besonders vorteilhaft haben sich Darstellungen herausgestellt, bei denen mehr als 10, insbesondere mehr als 20 Wölbspiegel ineinander verschachtelt werden. Mit steigendem Verschachtelungsgrad tendieren die Motive allerdings zu verschwimmen, sofern sie nicht mit einer praktisch punktförmigen Lichtquelle betrachtet werden. Ein hoher Verschachtelungsgrad erfordert also gute Betrachtungsbedingungen, während Lichtfleckenbilder mit niedrigerem Verschachtelungsgrad (2 bis 10) auch bei mäßigen oder schlechten Betrachtungsbedingungen gut auflösbar sind.
Werden allgemein die Fresnelspiegel 28 durch eine Anordnung aus n x n Mikrospiegeln mit einer linearen Abmessung d_m gebildet und werden die gewünschten Muster durch ein Raster mit k x k Elementen erzeugt, so beträgt der Optikdurchmesser d der Fresnelspiegel 28 jeweils $d \approx k * n * d_{m},$
so dass sich eine maximale Schwebehöhe von $f_{max} \approx 5 * k * n * d_{m}$
ergibt, während der minimale Abstand zweier Lichtflecke nur $Δ_{min} = k * d_{m},$
beträgt, also um einen Faktor n kleiner ist als bei unverschachtelter Anordnung. Auf diese Weise kann ein kleiner Abstand Δ_min benachbarter Lichtflecke mit einer großen Schwebehöhe fmax kombiniert werden.
Wird beispielsweise ein Lichtfleckenmuster durch 4 x 4 = 16 kleine Lichtfleckenpositionen gebildet und werden die Fresnelspiegel 28 durch eine Anordnung aus 10 x 10 Mikrospiegeln einer linearen Abmessung von 25 µm gebildet, so ergibt sich der minimaler Abstand zweier Lichtflecke zu $Δ_{min} = 4 * 25 μ m = 100 μ m .$
Dennoch wird eine große maximalen Schwebehöhe von $f_{max} = 5 * 4 * 10 * 25 μ m = 5 mm$
erreicht. Es versteht sich, dass die Lichtfleckenmuster auch durch andere Raster oder Anordnungen als die zur einfacheren Erläuterung angenommenen quadratischen Lichtfleckenraster mit k x k Elementen erzeugen lassen.
9 zeigt eine Aufsicht auf den Flächenbereich 24 eines entsprechenden Darstellungselements 80, das bei Beleuchtung eine Mehrzahl von Lichtfleckenmustern 82 in Form der Buchstabenfolge „EU“ zeigt. Die Lichtfleckenmuster 82 sind wie oben beschrieben jeweils aus einer Mehrzahl kleiner Lichtflecken gebildet.
Analog zu der Darstellung der 3 scheinen die Lichtfleckenmuster 82 für den Betrachter im Bereich 52 auf konstanter Höhe zu schweben, während ihre Schwebehöhe im mittleren Bereich des Darstellungselements 80 kontinuierlich dem Oberflächenverlauf einer gegenüber dem Flächenbereich vorspringenden Halbkugel 50 folgt.
Auch die dynamischen Effekte, die sich in den modifizierten bzw. unmodifizierten Bereichen 50, 52 beim Kippen des Elements 80 ergeben, sind wie bei 3 bereits beschrieben, so dass sich beim Bewegen des Darstellungselements 80 für einen Betrachter die Illusion ergibt, dass sich die Lichtfleckenmuster 82, also die Buchstabenfolgen „EU“, auf der vorspringenden Oberfläche 50 einer dreidimensionalen Kugel bewegen.
Bezugszeichenliste

10: Banknote
12: Sicherheitselement
14: aus der Ebene herauswölbende Halbkugel
16: Lichtflecken
20: Darstellungselement
22: Substrat
24: Flächenbereich
26: Mikrospiegel
28: Fresnelspiegel
30: Lichtquelle
32, 32a, 32b: Lichtflecken
40: Betrachter
50: modifizierter Bereich, vorspringende Halbkugel
52: unmodifizierter äußerer Bereich
60: Verschachtelungsgebiet
62, 64: Mikrospiegel
72, 74: Lichtflecken
80: Darstellungselement
82: Lichtfleckenmuster

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/048847 A1 [0003, 0040]
DE 102010055688 A1 [0022]
WO 2011/066991 A2 [0022]

Claims

Darstellungselement mit einem Substrat mit einem Flächenbereich, in dem eine Mehrzahl gegen den Flächenbereich geneigter optischer Elemente angeordnet ist, wobei - das Darstellungselement ausgelegt und bestimmt ist, bei Beleuchtung mit einer Lichtquelle ein Lichtfleckenbild aus einer Mehrzahl von Lichtflecken zu erzeugen, die reelle oder virtuelle Bilder der beleuchtenden Lichtquelle sind, und die für einen Betrachter oberhalb oder unterhalb des Flächenbereichs schwebend erscheinen, wobei sie mit einer kontinuierlichen Änderung ihrer scheinbaren Schwebehöhe einer vorgegebenen, gegenüber dem Flächenbereich vor- und/oder zurückspringenden Oberflächentopographie folgen, - wobei jedem Lichtfleck des Lichtfleckenbilds eine Mehrzahl von optischen Elementen zugeordnet ist, die refraktive und/oder reflektive optische Elemente sind, die zusammen eine Fresnelstruktur bilden, - wobei die optischen Elemente einer Fresnelstruktur bei Beleuchtung des Darstellungselements zusammenwirken, um den ihnen zugeordneten Lichtfleck zu erzeugen, und - wobei die Neigungen der optischen Elemente der Fresnelstrukturen jeweils so aufeinander abgestimmt sind, dass sie die Brennweiten der Fresnelstrukturen kontinuierlich verändern und dadurch die erzeugten Lichtflecke für einen Betrachter scheinbar der vorgegebenen Oberflächentopographie folgen lassen.
Darstellungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente zumindest für einen Teil der Fresnelstrukturen refraktive optische Elemente sind, die zusammen eine Fresnellinse bilden.
Darstellungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente zumindest für einen Teil der Fresnelstrukturen reflektive optische Elemente sind, die zusammen einen Fresnelspiegel, insbesondere einen Fresnel-Hohlspiegel oder einen Fresnel-Wölbspiegel bilden.
Darstellungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnelstrukturen in den gegenüber dem Flächenbereich vor- und/oder zurückspringenden Bereichen der Oberflächentopographie weder rotationssymmetrisch noch elliptisch sind, sondern einer durch die Oberflächentopographie vorgegebenen Freiform folgen.
Darstellungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente durch ebene Mikrospiegel oder durch kleine Mikroprismen gebildet sind.
Darstellungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Lichtflecke und die zugeordneten optischen Elemente jeweils f/d < 5 gilt, wobei f den Betrag der Schwebehöhe des Lichtflecks oberhalb oder unterhalb des Flächenbereichs bezeichnet und d den Optikdurchmesser der zu diesem Lichtfleck beitragenden optischen Elemente.
Darstellungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Lichtfleck des Lichtfleckenbilds eine Mehrzahl von aneinander angrenzenden optischen Elementen zuordnet ist.
Darstellungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Lichtfleck des Lichtfleckenbilds eine Mehrzahl von beabstandet auf dem Flächenbereich verteilten optischen Elementen zuordnet ist.
Darstellungselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass optische Elemente, die verschiedenen Lichtflecken zugeordnet sind, in dem Flächenbereich ineinander verschachtelt angeordnet sind.
Darstellungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Mehrzahl von Lichtflecken Lichtfleckenmuster gebildet sind, die für einen Betrachter scheinbar der vorgegebenen Oberflächentopographie folgen.
Darstellungselement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtfleckenmuster aus einem Raster aus p x q Lichtfleckenpositionen gebildet sind, vorzugsweise mit p, q = 2, 3, 4, 5 oder 6.
Darstellungselement nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtfleckenmuster Buchstaben, Zahlen, Logos, Symbole oder einfache geometrische Formen wie Kreise, Ovale, Dreiecke, Rechtecke oder Quadrate darstellen.
Darstellungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Oberflächentopographie eine gekrümmte Oberfläche darstellt und vorzugsweise ein sich aus dem Flächenbereich heraus- oder in den Flächenbereich hineinwölbender Kugelabschnitt, insbesondere eine Halbkugel ist.
Darstellungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente als Prägestrukturen in einer Prägelackschicht ausgebildet sind, und Strukturhöhen von weniger als 100 µm, bevorzugt von weniger als 20 µm, besonders bevorzugt von weniger als 5 µm aufweisen.
Darstellungselement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägestrukturen mit einer reflexionserhöhenden Beschichtung, insbesondere mit einer Metallisierung, einer hochbrechenden Beschichtung, einem Dünnschichtelement mit Farbkippeffekt oder einer cholesterischen Flüssigkristallschicht versehen sind.
Darstellungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Darstellungselement ein Sicherheitselement für Sicherheitspapiere, Wertdokumente und andere abzusichernde Gegenstände ist, insbesondere ein Sicherheitsfaden, ein Sicherheitsband, ein Sicherheitsstreifen, ein Etikett oder ein Transferelement ist.
Verfahren zum Herstellen eines Darstellungselements nach einem der Ansprüche 1 bis 16, das ausgelegt und bestimmt ist, bei Beleuchtung ein Lichtfleckenbild aus einer Mehrzahl von Lichtflecken zu erzeugen, die reelle oder virtuelle Bilder der beleuchtenden Lichtquelle sind, und die für einen Betrachter oberhalb oder unterhalb des Flächenbereichs schwebend erscheinen, wobei sie mit einer kontinuierlichen Änderung ihrer scheinbaren Schwebehöhe einer vorgegebenen, gegenüber dem Flächenbereich vor- und/oder zurückspringenden Oberflächentopographie folgen, wobei - bei dem Verfahren ein Substrat bereitgestellt wird und in einem Flächenbereich des Substrats eine Mehrzahl gegen den Flächenbereich geneigter optischer Elemente angeordnet wird, - jedem Lichtfleck des Lichtfleckenbilds eine Mehrzahl von optischen Elementen zugeordnet wird, die refraktive und/oder reflektive optische Elemente sind, die zusammen eine Fresnelstruktur bilden, - die optischen Elemente einer Fresnelstruktur bei Beleuchtung des Darstellungselements zusammenwirken, um den ihnen zugeordneten Lichtfleck zu erzeugen, und - die Neigungen der optischen Elemente der Fresnelstrukturen jeweils so aufeinander abgestimmt werden, dass sie die Brennweiten der Fresnelstrukturen kontinuierlich verändern und dadurch die erzeugten Lichtflecke für einen Betrachter scheinbar der vorgegebenen Oberflächentopographie folgen lassen.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abstimmung der Neigungen der optischen Elemente - die gewünschte, wahrzunehmende Oberflächentopographie durch eine vektorwertige Funktion f(x,y) vorgegeben wird, - die Steigungen (dxo, dyo) unmodifizierter optische Elemente bestimmt werden, die zu gleichmäßigen, insbesondere rotationssymmetrischen oder elliptischen Fresnelstrukturen führen, und - aus den unmodifizierten Spiegelsteigungen (dxo, dy₀) durch Addition der vektorwertigen Funktion f(x,y) die modifizierten, aufeinander abgestimmten Steigungen (dx, dy) der optischen Elemente bestimmt werden.
Datenträger mit einem Darstellungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16.