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ERFINDUNGSGEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft Sicherheitselemente mit einem zumindest teilweise polarisierenden Effekt und Verfahren zu ihrer Herstellung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Sicherheitsdruckereien sehen sich ständig damit konfrontiert, den Fälschern, denen zunehmend hochentwickelte Replikationstechnologie zugänglich ist, immer einen Schritt voraus zu sein. Zum Beispiel können gedruckte Elemente und diffraktive Reliefstrukturen, die häufig als Sicherheitsmerkmale bei Banknoten verwendet werden, anfällig für Reproduktionen mittels optischem Scannen bzw. Kontaktkopieren sein.
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Der Entwerfer der Sicherheitsdokumente muss zum Sichern von Dokumenten gegenüber Fälschungen somit technisch zunehmend fortgeschrittene Merkmale verwenden. Ein Ansatz besteht darin, in dem gleichen Bereich des Sicherheitsdokuments eine Kombination aus offenen und versteckten Sicherheitsmerkmalen zu verwenden. Das offene Merkmal, wie der Name andeutet, ist für eine Person, die das Sicherheitsdokument mit dem bloßen Auge betrachtet, leicht erkennbar, wohingegen das versteckte Merkmal unter speziellen Beleuchtungsbedingungen erkennbar wird, zum Beispiel unter UV-Licht oder bei Betrachtung durch einen Polarisator.
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Eine bekannte Form eines Polarisationselements ist in
US 4,484,797 beschrieben. Ein subtraktiver Farbfilter wird durch Prägen eines Oberflächenreliefs, wie zum Beispiel eines quadratischen Beugungsgitters, in ein thermoplastisches Material mit einem Brechungsindex n3 und darauf folgendes Beschichten der Erhebungen und der Täler der Reliefstruktur durch Aufdampfen oder Sputtern eines hochbrechenden bzw. HRI-Materials (HRI – High Refractive Index) mit einem im Wesentlichen größeren Brechungsindex n1 hergestellt. Die Oberfläche wird daraufhin mit einem Material mit einem Brechungsindex n2, der im Wesentlichen niedriger als n1 ist, überschichtet. Die erhaltene Einrichtung mit „vergrabenen Gitter” kann dazu ausgelegt sein, beim Kippen der Einrichtung eine Farbänderung zu bewirken, zusammen mit ausgeprägter Polarisation des übertragenen oder reflektierten Lichts. Es ist auch schwer zu fälschen, da das Einbetten des Materials mit Brechungsindex n1 es einem Fälscher unmöglich macht, mittels Kontaktkopieren die benötigte physische Struktur zu reproduzieren. Um bei solchen Einrichtungen starke Polarisationseffekte beobachten zu können, ist es allgemein nötig, dass die Abstände zwischen den Furchen des vergrabenen Gitters weit unter der Wellenlänge des die Einrichtung beleuchtenden Lichtstrahls liegen. Der Grund dafür liegt darin, dass es bei normalem Einfall des beleuchteten Lichtstrahls keine propagierenden Beugungsordnungen gibt und die Farbänderung nur in der nullten Ordnung der Einrichtung, d. h. direkter Reflexion der Beleuchtungsquelle, beobachtet wird.
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Ein Problem bei Einrichtungen mit vergrabenem Gitter der Beugung nullter Ordnung (ZOD – Zero Order Diffraction) ist, dass es schwierig ist, sie effizient herzustellen. Der in
US 4,484,797 beschriebene Prozess benötigt Sputtern oder Aufdampfen des HRI-Materials auf die Gitterstruktur. Um eine gleichmäßige Beschichtung aus HRI-Material auf der Reliefstruktur zu erreichen, muss der Beschichtungsprozess bei normalem Einfall durchgeführt werden. Wird die Beschichtung bei schrägem Einfall durchgeführt, müssen spezielle Gittergeometrien verwendet werden. Derartige Prozesse eignen sich nicht, wenn ein hoher Durchsatz gefordert wird, wie zum Beispiel bei der Herstellung von Banknoten und anderen volumenstarken Sicherheitsdokumenten.
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Ein weiterer Nachteil von ZOD-Einrichtungen, die mittels bekannter Methoden hergestellt werden, liegt darin, dass sie darauf beschränkt sind, Gitter nullter Ordnung zu sein, die geradlinige Furchen mit gleichförmigen Abständen umfassen.
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DEFINITIONEN
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Sicherheitsdokument
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Wie der Begriff „Sicherheitsdokument” hierin verwendet wird, schließt er alle Arten von Wertdokumenten und -Tokens und Identifizierungsdokumenten ein, u. a. die Folgenden: Währungsgegenstände wie Banknoten und Münzen, Kreditkarten, Schecks, Pässe, Ausweise, Sicherheiten und Anteilsscheine, Führerscheine, Eigentumsurkunden, Reisedokumente wie Flugtickets und Zugfahrscheine, Eintrittskarten und -scheine, Geburts-, Sterbe- und Heiratsurkunden sowie akademische Nachweise.
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Transparente Fenster und Halbfenster
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Wie der Begriff „Fenster” hierin verwendet wird, bezieht er sich auf einen transparenten oder durchscheinenden Bereich in dem Sicherheitsdokument, im Vergleich zu dem im Wesentlichen opaken Gebiet, auf das gedruckt wird. Das Fenster kann völlig transparent sein, so dass es die im Wesentlichen unbehinderte Übertragung von Licht zulässt, oder es kann teiltransparent oder durchscheinend sein, wobei die Übertragung von Licht teilweise zugelassen wird, jedoch ohne dass man Objekte deutlich durch den Fenstergebiet sehen kann.
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Ein Fenstergebiet kann in einem polymeren Sicherheitsdokument ausgebildet sein, das mindestens eine Schicht aus transparentem polymerem Material und eine oder mehr trübende Schichten aufweist, die auf mindestens eine Seite eines transparenten polymeren Substrats aufgetragen werden, indem in dem den Fenstergebiet bildenden Gebiet mindestens eine trübende Schicht weggelassen wird. Werden trübende Schichten auf beide Seiten eines transparenten Substrats aufgetragen, kann sich ein völlig transparentes Fenster ausbilden, indem man in dem Fenstergebiet auf beiden Seiten des transparenten Substrats die trübenden Schichten weglässt.
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In einem polymeren Sicherheitsdokument, das auf beiden Seiten trübende Schichten aufweist, kann ein teiltransparenter oder durchscheinender Bereich, im Folgenden als ein „Halbfenster” bezeichnet, ausgebildet werden, indem man in dem Fenstergebiet auf nur einer Seite des Sicherheitsdokuments die trübenden Schichten weglässt, so dass das „Halbfenster” nicht völlig transparent ist, sondern etwas Licht durchlässt, ohne dass man Objekte deutlich durch das Halbfenster erkennen kann.
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Alternativ können die Substrate aus einem im Wesentlichen opaken Material, wie z. B. Papier oder faserhaltigem Material, ausgebildet werden, wobei in einen Ausschnitt oder in eine Aussparung im Papier oder faserhaltigen Substrat zur Ausbildung eines transparenten Fenster- oder eines durchscheinenden Halbfenstergebiets ein Einsatz aus transparentem Kunststoffmaterial eingesetzt wird.
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Trübende Schichten
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Eine oder mehr trübende Schichten können auf ein transparentes Substrat aufgetragen sein, um die Opazität des Sicherheitsdokuments zu erhöhen. Bei einer trübenden Schicht ist LT < L0, wobei L0 die Menge an auf das Dokument fallendem Licht bezeichnet und LT die Menge an durch das Dokument gelassenem Licht bezeichnet. Eine trübende Schicht kann eine oder mehrere von verschiedensten trübenden Beschichtungen umfassen. Die trübenden Beschichtungen können beispielsweise ein Pigment wie z. B. Titandioxid umfassen, das in einem Bindemittel oder einem Träger aus hitzeaktiviertem vernetzbarem polymerem Material dispergiert ist. Alternativ dazu könnte ein Substrat aus transparentem Kunststoffmaterial zwischen trübenden Schichten aus Papier oder sonstigem, teilweise opakem oder im Wesentlichen opakem Material, auf das nachfolgend Indizia gedruckt oder auf andere Weise aufgebracht werden können, angeordnet werden.
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Prägbare strahlungshärtbare Druckfarbe
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Wie der Begriff „prägbare strahlungshärtbare Druckfarbe” hierin verwendet wird, bezieht er sich auf alle Druckfarben, Lacke oder anderen Beschichtungen, die bei einem Druckprozess auf das Substrat aufgebracht werden können und die in weicher Form unter Ausbildung einer Reliefstruktur geprägt und mit Strahlung gehärtet werden können, um die geprägte Reliefstruktur zu fixieren. Der Härteprozess findet nicht vor der Prägung der strahlungshärtbaren Druckfarbe statt, kann aber entweder nach der Prägung oder im Wesentlichen gleichzeitig wie der Prägeschritt stattfinden. Die strahlungshärtbare Druckfarbe lässt sich bevorzugt mit ultravioletter (UV-)Strahlung härten. Alternativ dazu kann die strahlungshärtbare Druckfarbe auch durch andere Formen von Strahlung wie z. B. Elektronenstrahlen oder Röntgenstrahlen gehärtet werden.
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Bei der strahlungshärtbaren Druckfarbe handelt es sich bevorzugt um eine transparente oder durchscheinende Druckfarbe, die aus einem klaren Harzmaterial ausgebildet ist. Eine solche transparente oder durchscheinende Druckfarbe eignet sich besonders zum Drucken von lichtdurchlässigen Sicherheitselementen wie Subwellenlängengittern, durchlässigen Beugungsgittern und Linsenstrukturen.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die transparente oder durchscheinende Druckfarbe vorzugsweise einen auf Acryl basierenden, UV-härtbaren, klaren, prägbaren Lack oder eine derartige Beschichtung.
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Solche UV-härtbaren Lacke kann man von verschiedenen Herstellern beziehen, wie z. B. das Produkt vom ultravioletten Typ UVF bis 203 von Kingfisher Ink Limited oder Ähnliches. Alternativ dazu können die strahlungshärtbaren prägbaren Beschichtungen auf anderen Verbindungen, beispielsweise Nitrocellulose, basieren.
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Man hat festgestellt, dass sich die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten strahlungshärtbaren Druckfarben und Lacke insbesondere zum Prägen von Mikrostrukturen, einschließlich diffraktiven Strukturen wie z. B. Beugungsgittern und Hologrammen, sowie Mikrolinsen und Linsenanordnungen eignen. Sie können jedoch auch mit größeren Reliefstrukturen geprägt werden, beispielsweise als nicht diffraktive optisch variable Einrichtungen.
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Die Druckfarbe wird vorzugsweise im Wesentlichen gleichzeitig geprägt und durch ultraviolette (UV-)Strahlung gehärtet. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die strahlungshärtbare Druckfarbe in einem Tiefdruckprozess im Wesentlichen gleichzeitig aufgebracht und geprägt.
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Um für das Tiefdrucken geeignet zu sein, hat die strahlungshärtbare Druckfarbe vorzugsweise eine Viskosität, die im Wesentlichen in den Bereich von etwa 20 bis etwa 175 Centipoise und bevorzugter von etwa 30 bis etwa 150 Centipoise fällt. Die Viskosität kann durch Messen der Zeit bestimmt werden, innerhalb der der Lack aus einem Zahn-Auslaufbecher Nr. 2 ausfließt. Eine Probe, die innerhalb von 20 Sekunden ausfließt, hat eine Viskosität von 30 Centipoise, und eine Probe, die innerhalb von 63 Sekunden ausfließt, hat eine Viskosität von 150 Centipoise.
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Bei manchen polymeren Substraten muss man unter Umständen eine Zwischenschicht auf das Substrat aufbringen, bevor die strahlungshärtbare Druckfarbe aufgebracht wird, um die Haftung der durch die Druckfarbe gebildeten geprägten Struktur auf dem Substrat zu verbessern. Die Zwischenschicht umfasst vorzugsweise eine Grundierungsschicht, und bevorzugter enthält die Grundierungsschicht ein Polyethylenimin. Die Grundierungsschicht kann auch ein Quervernetzungsmittel, beispielsweise ein multifunktionales Isocyanat, enthalten. Beispiele anderer Grundierungen, die sich zur Verwendung bei der Erfindung eignen, sind: hydroxyl-terminierte Polymere; hydroxyl-terminierte Copolymere auf Polyesterbasis; quervernetzte oder nicht quervernetzte hydroxylierte Acrylate; Polyurethane und UV-härtende anionische oder kationische Acrylate. Beispiele geeigneter Quervernetzungsmittel sind: Isocyanate; Polyaziridine, Zirkoniumkomplexe; Aluminiumacetylaceton; Melamine und Carbodiimide.
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Der Typ der Grundierung kann bei verschiedenen Substraten und geprägten Druckfarbenstrukturen variieren. Vorzugsweise wird eine Grundierung ausgewählt, die die optischen Eigenschaften der geprägten Druckfarbenstruktur nicht wesentlich beeinträchtigt.
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KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Im Hinblick auf die Nachteile bekannter Verfahren zur Herstellung von polarisierenden Sicherheitselementen, wie oben beschrieben, ist es wünschenswert, ein effizienteres Verfahren zur Herstellung solcher Einrichtungen bereitzustellen.
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Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines polarisierenden Sicherheitselements zum Polarisieren von Licht eines vorbestimmten Bereichs von Wellenlängen bereit, das Folgendes enthält:
Prägen einer Reliefstruktur in eine erste Schicht eines dielektrischen Materials mit einem Brechungsindex nb, wobei die Reliefstruktur mehrere zueinander parallele Kämme und/oder Täler enthält, und
Auftragen einer zweiten Schicht eines dielektrischen oder leitenden Materials auf der Reliefstruktur zur Ausbildung mindestens eines polarisierenden Gebiets zueinander paralleler Segmente des dielektrischen oder leitenden Materials entlang den Kämmen und/oder Tälern, wobei das dielektrische oder leitende Material einen Brechungsindex np aufweist, der sich von nb unterscheidet, wobei die Segmente eine Breite und/oder einen Durchschnittsabstand aufweisen, die bzw. der kleiner als der vorbestimmte Wellenlängenbereich ist.
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Vorzugsweise wird die zweite Schicht aus dielektrischem oder leitendem Material durch Drucken auf die Reliefstruktur aufgebracht.
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Drucktechniken sind für Anwendungen mit hohem Durchsatz, wie zum Beispiel für die Banknotenherstellung, effizienter als Aufdampfen oder Sputtern. Dadurch kann das polarisierende Sicherheitselement in einem gänzlich in-line stattfindenden Prozess hergestellt werden, entweder alleine oder als Teil eines Druckprozesses für ein Sicherheitsdokument, wie zum Beispiel einer Banknote.
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In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein polarisierendes Sicherheitselements zum Polarisieren von Licht eines vorbestimmten Bereichs von Wellenlängen bereit, das Folgendes enthält:
eine Schicht aus einem ersten dielektrischen Material mit einem Brechungsindex nb und
mindestens ein polarisierendes Gebiet aus zueinander parallelen Segmenten eines zweiten Materials mit einem Brechungsindex np, der sich von nb unterscheidet, wobei es sich bei dem zweiten Material um ein dielektrisches oder leitendes Material handelt;
wobei die Segmente mit dem ersten Material in Kontakt stehen und
wobei die Segmente eine Breite und/oder einen Durchschnittsabstand aufweisen, die bzw. der kleiner als der vorbestimmte Wellenlängenbereich ist.
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Der Polarisationseffekt kann bei einer bestimmten Wellenlänge innerhalb des vorbestimmten Bereichs optimal sein, der „optimalen Wellenlänge”. Er kann jedoch auch bei anderen Wellenlängen innerhalb des vorbestimmten Bereichs von Wellenlängen effektiv sein.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Breite und/oder der Durchschnittsabstand nicht größer als die halbe optimale Wellenlänge. Die Polarisationseffizienz der Einrichtung ist optimiert, wenn der Abstand zwischen länglichen Segmenten oder die Breite der länglichen Segmente ungefähr die halbe optimale Wellenlänge oder weniger beträgt.
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Vorzugsweise sind die Segmente zwischen der ersten Schicht und einer dritten Schicht aus dielektrischem Material eingebettet. Das dielektrische Material der dritten Schicht kann einen Brechungsindex nt aufweisen, der sich von np unterscheidet. Bei einer Alternative kann das dielektrische Material der dritten Schicht das gleiche Material wie das dielektrische Material der ersten Schicht sein. Eine eingebettete Struktur kann nicht mittels Kontaktkopieren reproduziert werden, wodurch die Sicherheit des polarisieren Sicherheitselements verbessert wird.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei den Segmenten um längliche Segmente. Die länglichen Segmente haben vorzugsweise eine Länge, die mindestens fünfmal größer als ihre Breite ist.
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Das Sicherheitselement kann mehrere polarisierende Gebiete enthalten, die hinsichtlich Farbe und/oder Polarisation variieren. Zum Erzeugen der Variationen hinsichtlich Farbe und/oder Polarisation kann die Breite und/oder der Durchschnittsabstand der Segmente in den verschiedenen polarisierenden Bereichen des Sicherungselements unterschiedlich sein. Zweitens kann zum Erzeugen der Variationen hinsichtlich Farbe und/oder Polarisation in den verschiedenen polarisierenden Gebieten die Krümmung der Segmente in der Ebene des Sicherheitselements unterschiedlich ausgebildet sein.
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Bei einer Ausführungsform zeigt das mindestens eine polarisierende Gebiet beim Kippen oder Drehen des Sicherheitselements eine Farbänderung, zum Beispiel wenn das Sicherheitselement um eine Achse gedreht wird, die senkrecht zu einer durch die Segmente des polarisieren Gebiets oder der polarisieren Gebiete definierten Ebene ist.
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Die polarisierenden Gebiete können ein monochromatisches oder polychromatisches Tonwertbild ausbilden, dessen Erscheinung sich bei Kippen oder Drehung der Einrichtung ändert und dessen Erscheinung sich auch ändert, wenn es unter einem Polarisator betrachtet wird. Zum Beispiel könnte jedes polarisierende Gebiet ein Beugungsgitter nullter Ordnung einer bestimmten Farbe und Helligkeit sein. Das Sicherheitselement könnte eine große Anzahl derartiger polarisierender Gebiete umfassen, zum Beispiel in Form von Streifen oder Pixeln, von denen jeder mindestens eine Abmessung aufweist, die kleiner als die Auflösung eines menschlichen Auges ohne Hilfsmittel ist. Die Streifen oder Pixel wären somit als individuelle Elemente nicht wahrnehmbar, würden aber in Kombination ein Tonwertbild wie zum Beispiel ein Porträt erzeugen, das beim Kippen oder Drehen die Farbe ändert, um einen ersten, offenen, optischen Effekt bereitzustellen. Bei Betrachtung unter einem Polarisator würde aufgrund der Variation der Polarisation über das Sicherheitselement hinweg ein zweiter optischer Effekt erkennbar werden.
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Bei einigen Ausführungsformen kann das Sicherheitselement mindestens ein nichtpolarisierendes Gebiet enthalten, welches einen diffraktiven (d. h. nicht nullter Ordnung), reflektierenden oder refraktiven optisch variablen Effekt aufweist. Die Reliefstruktur kann mehrere polarisierende Gebiete enthalten, die mit mehreren nichtpolarisierenden Gebieten verflochten oder verschachtelt sind, wobei jedes polarisierende oder nichtpolarisierende Gebiet vorzugsweise mindestens eine Abmessung aufweist, die kleiner als die Auflösung eines menschlichen Auges ohne Hilfsmittel ist.
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Bei Beleuchtung mittels sichtbaren Lichts können die polarisierenden Gebiete bei derartigen Ausführungsformen einen offenen optischen Effekt erzeugen, der zusätzlich zu einem offenen optischen Effekt, der durch die nichtpolarisierenden Gebiete erzeugt wird, besteht, so dass bei Betrachtung ohne einen Polarisator als Hilfsmittel die verflochtenen polarisierenden und nichtpolarisierenden Gebiete ein Gesamtbild erzeugen. Bei Betrachtung unter einem geeigneten Polarisationsfilter können die polarisierenden Gebiete zum Verschwinden gebracht werden oder sie können ihre Farbe ändern, so dass ein anderes Bild, das nur aus nichtpolarisierenden Gebieten besteht, sichtbar wird.
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Bei einer alternativen Ausführungsform kann das Sicherheitselement erste polarisierende Gebiete einer ersten Polarisation enthalten, die mit zweiten polarisierenden Gebieten einer zweiten Polarisation, die sich von der ersten Polarisation unterscheidet (vorzugsweise dazu orthogonal ist), verflochten sind. Die ersten und zweiten polarisierenden Gebiete können unter Beleuchtung mittels unpolarisierten Lichts zusammen ein erstes Gesamtbild erzeugen, und wenn das Sicherheitselement unter polarisiertem Licht betrachtet wird, können sie ein zweites, anderes Bild erzeugen.
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Vorzugsweise hat jedes polarisierende Gebiet (und jedes nichtpolarisierende Gebiet, falls vorliegend) mindestens eine Abmessung, die kleiner als 100 Mikron ist. Zum Beispiel können die polarisierenden oder nichtpolarisierenden Gebiete Streifen mit einer Breite von weniger als 100 Mikron oder quadratische oder annähernd quadratische Pixel mit Seitenlängen von weniger als 100 Mikron sein. Falls es sich bei den Gebieten um Streifen handelt, haben sie vorzugsweise eine Länge von mehr als 500 Mikron.
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Die zweite Schicht kann leitende, vorzugsweise metallische, Nanopartikel umfassen, und in einem bevorzugten Verfahren können diese als eine Schicht hochviskoser Druckfarbe aufgetragen werden (zum Beispiel durch einen Druckprozess wie Rotationstiefdruck), so dass die länglichen Segmente entlang der Kämme der Reliefstruktur liegen. Vorzugsweise ist die Dicke der Druckfarbe im Wesentlichen geringer als die Höhe (d. h. die vertikale Distanz zwischen den Kämmen und den Tälern) der Kämme der Reliefstruktur, um zu gewährleisten, dass das Material der zweiten Schicht nur auf die Kämme und nicht auf die Täler der Reliefstruktur aufgebracht wird.
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Alternativ dazu kann die zweite Schicht als eine Schicht niedrigviskoser Druckfarbe aufgebracht werden, so dass die Segmente entlang der Täler der Reliefstruktur liegen. Die niedrigviskose Druckfarbe kann leitende Nanopartikel in einem flüssigen oder Harzvehikel bei einer Konzentration, die proportional zur Breite der Segmente ist, enthalten. Alternativ dazu kann mindestens eine Abmessung der Nanopartikel proportional zur Breite der Segmente sein.
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Es ist ebenso möglich, dass eine Schicht aus Druckfarbe über sowohl die Kämme als auch die Täler aufgetragen werden kann, zum Beispiel in einer gleichförmig metallisierten Reliefstruktur, was Polarisationseffekte erzeugen kann.
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Vorzugsweise sind die leitenden Nanopartikel oberflächenbehandelt, um ihre Dispersion in dem flüssigen oder Harzvehikel zu unterstützen.
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Das Verfahren kann ferner den Schritt des Entfernens des Vehikels zur Ausbildung der Segmente enthalten.
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Bei Ausführungsformen, in denen die Segmente metallische Nanopartikel enthalten, kann das Verfahren ferner den Schritt des Glühens der Nanopartikel zur Ausbildung eines Massivmaterials enthalten. Dies kann bei einigen Anwendungen ein zusätzliches irreversibles Sicherheitsmerkmale bereitstellen.
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Bei einem besonders bevorzugten Prozess handelt es sich bei dem ersten dielektrischen Material um eine prägbare strahlungshärtbare Druckfarbe. Die prägbare strahlungshärtbare Druckfarbe kann zur Ausbildung der Reliefstruktur mittels eines Druckprozesses auf einem Substrat aufgetragen, geprägt und gehärtet werden. Der Härteschritt kann im Wesentlichen gleichzeitig mit dem Prägeschritt stattfinden oder an einer getrennten Härtungsstation durchgeführt werden.
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Bei Ausführungsformen, in denen eine dritte Schicht Material aufgetragen wird, wird die dritte Schicht bevorzugt mittels eines Druckprozesses aufgetragen.
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Die Reliefstruktur wird vorzugsweise durch einen Prägezylinder mit einer Drehachse aufgetragen, die im Wesentlichen senkrecht zu den Kämmen und Tälern der Reliefstruktur ausgerichtet ist. Die Anwesenheit einer Reliefstruktur bei dieser Relativausrichtung trägt dazu bei, zu gewährleisten, dass die Struktur aufgrund von Torsionskräften, wenn sich der Zylinder von der geprägten Struktur löst, nicht beschädigt wird, insbesondere wenn die Tiefe der Reliefstruktur wesentlich größer als die Trennung zwischen benachbarten Kämmen oder Tälern ist. Sie trägt auch zur Überwindung von Verarbeitungsschwierigkeiten bei, zum Beispiel des Verstopfens der Furchen der Reliefstruktur mit Druckfarbe zwischen den Schritten des Auftragens von Druckfarbe auf dem Zylinder und Übertragens von Druckfarbe auf das Substrat.
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Die vorbestimmte Wellenlänge ist vorzugsweise weniger als 1 μm und liegt insbesondere bevorzugt im Bereich von 400 nm bis 700 nm.
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Bei einer Ausführungsform enthält das Sicherheitselement eine Schicht aus lichtabsorbierendem Material, das entweder auf die erste Schicht oder gegebenenfalls auf die dritte Schicht der Einrichtung aufgetragen wird.
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Bei einem weiteren Aspekt wird eine optische Sicherheitseinrichtung bereitgestellt, die ein polarisierendes Sicherheitselement gemäß einem der obigen Ausführungsformen oder ein polarisierendes Sicherheitselement, das gemäß einem der oben beschriebenen Verfahren hergestellt wird, enthält.
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Vorzugsweise wird das polarisierende Sicherheitselement auf ein Substrat aufgetragen.
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In einem noch weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Sicherheitsdokument bereit, das eine optische Sicherheitseinrichtung wie oben beschrieben enthält.
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Vorzugsweise ist die optische Sicherheitseinrichtung in oder auf einem Fenster- oder Halbfenstergebiet des Sicherheitsdokuments ausgebildet.
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In einem anderen Aspekt stellt die Erfindung eine Authentifizierungsanordnung bereit, die ein Sicherheitsdokument gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung oder eine optische Sicherheitseinrichtung gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung enthält, wobei die Authentifizierungsanordnung ferner mindestens einen Polarisator zur Betrachtung der optischen Sicherheitseinrichtung enthält. Falls die Authentifizierungsanordnung ein Sicherheitsdokument enthält, handelt es sich dabei bevorzugt um ein faltbares Sicherheitsdokument wie eine Banknote. Die optisch variable Einrichtung und der Polarisator können auf dem Sicherheitsdokument derart räumlich getrennt sein, dass der Polarisator und die optisch variable Einrichtung zur Betrachtung der optischen Sicherheitseinrichtung in eine überlappende Anordnung gebracht werden können.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Im Folgenden werden lediglich mittels nicht einschränkender Beispiele bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines polarisierenden Sicherheitselements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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2(A) einen Querschnitt durch das Sicherheitselement von 1, halbwegs durch seine Herstellung hindurch, zeigt;
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2(B) eine Querschnittsansicht des fertiggestellten Sicherheitselements von 1 zeigt;
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3 einen Querschnitt durch ein alternatives Sicherheitselement zeigt;
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4 einen Querschnitt durch ein noch anderes alternatives Sicherheitselement zeigt;
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5(a) bis 5(d) eine Draufsicht auf eine optische Sicherheitseinrichtung mit einem offenen und einem versteckten Sicherheitsmerkmale zeigt und
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6 eine Draufsicht auf ein weiteres Sicherheitselement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Mit Bezug auf 1, 2(A) und 2(B) ist ein polarisierendes Sicherheitselements 10 gezeigt. Das Sicherheitselement 10 enthält ein transparentes oder durchscheinendes Substrat 20, auf das eine erste Schicht 30 eines dielektrischen Materials mit einem Brechungsindex nb aufgetragen wird. In die erste Schicht 30 ist eine Reliefstruktur mit mehreren Furchen, die zueinander parallele Kämme 32 und Täler 33 bilden, eingeprägt. Die Kämme 32 haben eine Breite w, die kleiner als ein vorbestimmter Bereich von Wellenlängen ist. Zur Verwendung des Sicherheitselements im sichtbaren Bereich würde der vorbestimmte Wellenlängenbereich in dem ungefähren Bereich von 0,4–0,7 Mikron liegen.
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In 2(A) wurde zur Ausbildung einer Reliefstruktur 25 eine Reihe von Furchen 31 mit Breite w in ein geeignetes dielektrisches Material 30 eingeprägt, zum Beispiel eine strahlungshärtbare Druckfarbe, die auf das Substrat 20 aufgetragen wurde. Die Furchen 31 können im Wesentlichen gleichzeitig geprägt und ausgehärtet werden. Die Reliefstruktur 25 mit hohem Seitenverhältnis von 2(A) hat eine Furchentiefe der Größenordnung von 5–10 Mikron und einen im Wesentlichen konstanten Furchenabstand (Distanz zwischen benachbarten Kämme 32 oder Tälern 33), der im Bereich von 0,25–0,5 Mikron liegt.
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Nach dem Prägen der Furchen 31 wird eine Druckvorrichtung (zum Beispiel eine Rotationstiefdruckplatte), die eine metallische Druckfarbe in einer Dicke der Größenordnung von 1 bis 2 Mikron trägt, d. h. wesentlich weniger als die Tiefe von Furchen 31, dazu verwendet, die metallische Druckfarbe auf die Kämme 32 der Furchen 31 aufzutragen. Da die Druckfarbendicke geringer als die Furchentiefe ist, werden nur die Kämme 32 mit metallischer Druckfarbe bedeckt und werden somit elektrisch leitend, wie in 1 und 2(B) gezeigt ist. Die metallische Druckfarbe bildet entlang der Kämme 32 der Furchen 31 der Reliefstruktur 25 längliche Segmente 34 aus leitendem Material. Der Brechungsindex np des leitenden Materials, das die länglichen Segmente 34 bildet, unterscheidet sich von dem Brechungsindex nb des dielektrischen Materials 30, in das die Reliefstruktur 25 geprägt ist.
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Die auf die Kämme 32 aufgetragene metallische Druckfarbe kann metallische Nanopartikel, zum Beispiel Gold- oder Silbernanopartikel umfassen. Zu Silbernanopartikeldruckfarben, die sich zur Verwendung mit einer Ausführungsform der Erfindung eignen, zählen Nanosilber-Druckfarben, die durch Advanced Nano Products, Cima NanoTech oder NPK Co., Ltd, hergestellt werden und eine Viskosität von 5 Centipoise oder größer aufweisen.
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Die Breite w der länglichen Segmente ist vorzugsweise die Hälfte einer optimalen Wellenlänge in dem vorbestimmten Wellenlängenbereich, um die Polarisationseffizienz des Sicherheitselements 10 zu maximieren. Zum Beispiel würde bei einer optimalen Wellenlänge von 550 nm die Breite w vorzugsweise 0,275 μm (275 nm) betragen. Der Furchenabstand kann gleich der Breite w der länglichen Segmente sein, muss aber nicht. Der Furchenabstand kann nach Wunsch variiert werden, um verschiedene optische Effekte zu erreichen. Zum Beispiel kann der Furchenabstand derart ausgewählt werden, dass die Reliefstruktur 25 einen optisch variablen Beugungseffekt der ersten Ordnung in dem sichtbaren Gebiet erzeugt, während aufgrund der zueinander parallelen leitenden länglichen Segmente 34 gleichzeitig ein polarisierender Effekt erzeugt wird.
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Nachdem die metallische Druckfarbe auf die Reliefstruktur 25 aufgetragen wurde, um die länglichen Segmente 34 zu bilden, kann eine Schicht 40 aus einem weiteren dielektrischen Material mit Brechungsindex nt über die Reliefstruktur 25 geschichtet werden. Die Schicht 40 kann eine hochbrechende Druckfarbe mit einem Brechungsindex nt umfassen. Falls nt größer als nb ist (vorzugsweise mit dem Realteil Re(nt), der um 0,2 Einheiten oder mehr größer als Re(nb) ist), wird der diffraktive Effekt von der Reliefstruktur 25 eine Kombination aus sowohl Phasenals auch Amplitudenbeiträgen sein; die Phasenbeiträge stammen von der Mikrostruktur 25 mit hohem Seitenverhältnis, und der Amplitudeneffekt stammt von den metallisierten Furchenspitzen 34.
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Falls die Beschichtung 40 einen ähnlichen Brechungsindex wie die UV-Lackschicht 30 aufweist, nt ≈ nb, wird der Beleuchtungseffekt nur eine Amplitudenkomponente von den metallischen Furchenspitzen 34 aufweisen. Jedoch wird in beiden Fällen ein Polarisationseffekt erzeugt, wobei Lichtwellen, deren elektrische Vektoren parallel zu den leitenden Furchenspitzen 34 sind, bei der Erzeugung von elektrischen Strömen in den Furchenspitzen 34 absorbiert werden, womit das Sicherheitselement als Drahtgitterpolarisator wirkt.
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Mit Bezug auf 3 ist ein alternatives polarisierendes Sicherheitselement 100 gezeigt, bei dem eine Schicht aus einem ersten dielektrischen Material 130 mit Brechungsindex nb auf ein Substrat 120 aufgetragen wird und daraufhin zur Ausbildung der Reliefstruktur 125 geprägt wird. Die Reliefstruktur 125 enthält eine Reihe von Furchen 131 mit abwechselnden Kämmen 132 und Tälern 133, wobei der Furchenabstand W der Reliefstruktur kleiner als ein vorbestimmter Bereich von Wellenlängen ist und vorzugsweise ca. die Hälfte einer optimalen Wellenlänge in dem vorbestimmten Wellenlängenbereich beträgt (zum Beispiel ungefähr 325 nm, falls die Einrichtung zur Polarisation von einfallendem rotem Licht gedacht ist).
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Nach der Prägung wird mittels eines Druckprozesses wie oben beschrieben eine Schicht aus einem zweiten dielektrischen Material 134 mit Brechungsindex np auf die Kämme 132 der Reliefstruktur 125 aufgebracht. Der Brechungsindex np des zweiten dielektrischen Materials unterscheidet sich von dem Brechungsindex nb des ersten dielektrischen Materials.
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Das auf die Kämme 132 aufgebrachte zweite dielektrische Material bildet längliche Segmente 134. Jedes Segment 134 ist um eine Distanz W, d. h. dem Furchenabstand der Reliefstruktur 125, von seinem nächsten Nachbarn getrennt.
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Die zwei dielektrischen Schichten 130, 134 können dann mit einer weiteren dielektrischen Schicht 140 beschichtet werden, wobei das Material der dielektrischen Schicht 140 einen Brechungsindex nt aufweist, der vorzugsweise annähernd gleich dem Brechungsindex nb der ersten dielektrischen Schicht 130 ist. Die länglichen Segmente 134 sind bei dieser Ausführungsform somit zwischen zwei dielektrischen Materialien mit ähnlichem Brechungsindex eingebettet und bilden eine vergrabene Gitterstruktur nullter Ordnung. Das vergrabene Gitter erzeugt bei Drehung der Einrichtung eine Farbänderung, und von dem vergrabenen Gitter reflektiertes oder übertragenes Licht ist außerdem stark polarisiert.
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In 4 ist eine noch andere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der ein polarisierendes Sicherheitselement 201 ein Substrat 220 umfasst, auf dem eine Reihe von dreieckigen Furchen liegen, die zur Bildung einer Reliefstruktur 225 in eine Schicht 230 aus einem dielektrischen Material geprägt sind und abwechselnd Kämme 232 und Täler 233 enthalten. Die Kämme 232 der Reliefstruktur 225 sind in 4 als scharfe Punkte gezeigt, obwohl sie verständlicherweise auch abgeflacht sein können, so dass das Profil jeder Furche eher vierseitig als dreieckig ist.
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Nach der Ausbildung der Reliefstruktur 225 wird eine Nanopartikel enthaltende niedrigviskose Druckfarbenlösung auf die Reliefstruktur 225 aufgebracht, so dass die Nanopartikeldruckfarbe in die Täler 233 fließt. Daraufhin lässt man das Lösungsmittel der Druckfarbe verdampfen, so dass längliche Segmente von Nanopartikeln, mit einem Brechungsindex np, der sich von dem Brechungsindex nb der dielektrischen Schicht 230 unterscheidet, in den Tälern 233 hinterbleiben. Die Breite W jedes länglichen Segments ist kleiner als ein vorbestimmter Wellenlängenbereich und kann durch Variieren der Konzentration von Nanopartikeln in der Druckfarbenlösung, die auf die Reliefstruktur 225 aufgetragen wird, gesteuert werden. Die Reliefstruktur 225 kann daraufhin wahlweise mit einer Schicht aus einem weiteren dielektrischen Material beschichtet werden, wobei das weitere dielektrische Material einen Brechungsindex nt aufweist, der im Wesentlichen gleich nb sein kann.
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Nunmehr mit Bezug auf 5(a) ist eine Draufsicht auf eine optisch variable Einrichtung 400 gezeigt, die ein Sicherheitselement 410 enthält, welches drei polarisierende Gebiete R1, R2, G2 umfasst. Jedes der drei Gebiete kann eine Form einnehmen, die der eines der polarisierenden Elemente, die in 1-4 gezeigt sind, ähnelt. Zum Beispiel könnten die Gebiete R1 und R2 Beugungsgitter 100 nullter Ordnung mit einem durchschnittlichen Furchenabstand von ungefähr 325 nm sein, so dass R1 und R2 bei normalem Einfall rot erscheinen. Das Gebiet G2 könnte ein Beugungsgitter 100 nullter Ordnung mit einem durchschnittlichen Furchenabstand von ungefähr 255 nm sein, so dass G2 bei normalem Einfall grün erscheint. Das Gebiet R1 erzeugt Licht mit einer ersten Polarisation, und das Gebiet R2 ist ähnlich, außer dass die Furchen des Gebiets R1 orthogonal zu denen von Gebiet R2 ausgerichtet sind, d. h., das Gebiet R2 erzeugt Licht mit einer zweiten Polarisation, die zur ersten Polarisation orthogonal ist. Das Gebiet G2 hat Furchen, die in die gleiche Richtung wie R2 ausgerichtet sind, und polarisiert einfallendes Licht somit in der gleichen Richtung wie R2.
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Wenn die optisch variable Einrichtung 400 um 90 Grad in ihrer eigenen Ebene gedreht wird, wie in 5(b) gezeigt ist, erfährt jedes der Beugungsgitter R1, R2, G2 nullter Ordnung eine Farbänderung. Die Gebiete R1 und R2 erscheinen nun grün, während das Gebiet G2 rot erscheint.
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Zusätzlich zu den in 5(b) gezeigten offenen Sicherheitsmerkmalen realisiert die optisch variable Einrichtung 400 außerdem ein verdecktes Sicherheitsmerkmal. Falls die Einrichtung 400 durch einen Polarisationsfilter (nicht gezeigt) betrachtet wird, der nur die erste Polarisation durchlässt, wird nur das Gebiet R1 sichtbar sein, wie in 5(c) gezeigt ist (in der der gepunktete Strich die Bereiche zeigt, die von Gebieten R2 und G2 besetzt sind). Falls sie durch einen Polarisationsfilter, der nur die zweite Polarisation durchlässt, betrachtet wird, werden andererseits nur die Gebiete R2 und G2 sichtbar sein (5(d)).
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Mit Bezug auf 6(a) ist ein alternatives Sicherheitselement 500 gezeigt, dass eine Reliefstruktur mit mehreren ersten polarisierenden Gebieten 511, 512 und mehreren zweiten polarisierenden Gebieten 521 umfasst.
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Das Sicherheitselement 500 hat einen ersten Bereich 501, von dem bei 510 vergrößert ein Teil gezeigt ist, der nur die polarisierenden Gebiete 511, 512 mit einer ersten Polarisationsrichtung enthält. Die polarisierende Gebiete 511, 512 können Drahtgitterpolarisatoren 10 oder stattdessen Beugungsgitter 100 nullter Ordnung sein. Die Farbe der polarisierende Gebiete kann durch Variieren des durchschnittlichen Furchenabstands moduliert werden, so dass die polarisierenden Gebiete 511 zum Beispiel einen durchschnittlichen Furchenabstand von ungefähr 255 nm (grün) und die polarisierenden Gebiete 512 einen durchschnittlichen Furchenabstand von ungefähr 325 nm (rot) aufweisen.
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In einem zweiten Bereich 502 des Sicherungselements 500, das als Punktlinienkreis gezeigt ist, umfasst die Reliefstruktur verflochtene Streifen von polarisierenden Gebieten 511 und 521. Die Gebiete 521 haben den gleichen Furchenabstand wie die Gebiete 511, weisen aber Furchen auf, die senkrecht zu denen der Gebiete 511 orientiert sind, d. h., sie scheinen die gleiche Farbe aufzuweisen, aber die Bereiche 521 polarisieren einfallendes Licht mit einer ersten Polarisation, die orthogonal zu einer zweiten Polarisation ist, die von den Gebieten 511 erzeugt wird. Jeder Streifen 511, 521 hat eine Breite, die geringer als die Auflösung des menschlichen Auges ist, und somit können einzelne Streifen nicht von einem Betrachter wahrgenommen werden, der lediglich ein farbiges Dreieck sieht – der zweite Bereich 502 ist nicht separat erkennbar. Wird das Sicherheitselement 500 jedoch durch einen Polarisator betrachtet, der Licht der ersten Polarisation filtert, sind nur die polarisierenden Gebiete 521 sichtbar, so dass der Betrachter einen farbigen Kreis 502 sieht (6(b)).
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Es sind eine Reihe von Variationen der Ausführungsform, die in 6(a) und 6(b) gezeigt ist, möglich. Zum Beispiel könnten die polarisierenden Gebiete 521 durch diffraktive (nichtpolarisierende) Gebiete ersetzt werden, so dass bei Betrachtung des Sicherheitselements 500 durch einen Polarisationsfilter, der Licht der ersten Polarisation nicht durchlässt, die polarisierende Gebiete 511, 512 nicht mehr sichtbar sind, und der Betrachter sieht einen Kreis 502, der einen diffraktiven optisch variablen Effekt zeigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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