DE3248899C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein beugendes Subtraktivfarbfilter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der US-PS 39 57 354 und der DE-OS 26 02 790 (Knop) sind beugende Subtraktivfarbfilter bekannt, die ein beugendes Phasenmedium enthalten, das transmittierend oder reflektierend sein kann und räumlich verteilte Beugungselemente enthält. Beim Beleuchten eines solchen Subtraktivfarbfilters mit polychromatischem (z. B. weißem) Licht entsteht ein Ausgangslichtbündel nullter Beugungsordnung und hiervon getrennte Ausgangslichtbündel höherer Beugungsordnungen. Die Farbe des Ausgangslichtes der nullten Ordnung ist zur Farbe des Lichtes der höheren Beugungsordnungen komplementär und da es die Farbanteile der höheren Beugungsordnungen nicht mehr enthält, subtraktiv farbgefiltert. Die Filtereigenschaften eines solchen beugenden Subtraktivfarbfilters werden durch die Parameter der räumlich verteilten Beugungselemente, wie das Gitterlinienprofil und die effektive, von Spitze zu Spitze gemessene optische Amplitude der Beugungselemente bestimmt. Die beugenden Substraktivfarbfilter enthalten keine Farbstoffe und können z. B. als eine Art Diapositiv zur Projektion von Farbbildern verwendet werden, indem man ein Projektionsoptik mit einer Apertur verwendet, die genügend groß ist, um das Licht der nullten Beugungsordnung aufzunehmen, jedoch nicht groß genug um das Licht der höheren Beugungsordnungen aufnehmen zu können.

Aus der US-PS 40 29 394 ist ein Farbcodierfilter für Farbfernsehzwecke bekannt, welches eine makroskopische Farbfilterstruktur aus farbselektiv absorbierenden Farbfilterstreifen enthält. Beugungseffekte sollen hier nach Möglichkeit vermieden werden.

Es ist ferner in dem älteren deutschen Patent 32 06 062 eine Beglaubigungsvorrichtung zum Beglaubigen eines fälschungsgefährdeten Gegenstandes vorgeschlagen worden, bei welcher ein reflektierendes Beugungsfarbfilter des eingangs erwähnten Typs verwendet wird, um fälschungsgefährdete Gegenstände aus Flächenmaterialien zu beglaubigen, d. h. um die Feststellung zu ermöglichen, ob der betreffende Gegenstand echt ist oder nicht. Solche Gegenstände sind z. B. Banknoten, wertvolle Dokumente, Kreditkarten, Reisepässe, Sicherheitsausweise und Schallplatten sowie ihre Hüllen. Ein mit einer solchen Beglaubigungsvorrichtung versehener Gegenstand kann auch mit einer hoch entwickelten Farbfotokopiermaschine nicht gefälscht werden. Mit solchen Farbfotokopiermaschinen wird es nämlich in Kürze möglich sein, derart originalgetreue Farbkopien herzustellen, daß es für einen Laien sehr schwierig, wenn nicht unmöglich ist, eine durch Kopieren hergestellte Fälschung zu erkennen.

Eine wesentliche Anforderung für eine Beglaubigungsvorrichtung besteht darin, daß sie eine charakteristische Eigenschaft aufweist, die auch von einem Laien leicht erkannt werden kann, daß der technische Aufwand und die Kapitalkosten, die für die Herstellung der Beglaubigungsvorrichtung erforderlich sind, hoch sind und daß die Stückkosten für die Beglaubigungsvorrichtung zuzüglich der Amortisation der hohen Kapitalkosten genügend niedrig sind, so daß sie kein Hindernis für die Anwendung darstellen. Ein reflektierendes beugendes Subtraktivfarbfilter erfüllt praktisch alle diese Forderungen. Ein solches Subtraktivfarbfilter hat die Eigenschaft, daß bei seiner Beleuchtung mit polychromatischem Licht winkelmäßig getrennte reflektierte Beugungsordnungen unterschiedlicher Farben entstehen. Diese Eigenschaft kann mit einer Fotokopiermaschine nicht reproduziert werden. Die Winkeltrennung zwischen der nullten und den ersten Ordnungen und die Winkelbreite jeder Ordnung sind so groß, daß sich beim Drehen des beglaubigten Gegenstandes Farbunterschiede ergeben, die auch von einem Laien leicht erkennbar sind. Die beugende Struktur des Subtraktivfarbfilters erfordert außerdem einen hohen technischen Aufwand und hohe Kapitalkosten für die Herstellung eines Prägemasters, mit dem dann durch Einprägen der beugenden Struktur in eine Kunststoffolie die Beugungsfarbfilter mit hohen Stückzahlen und niedrigen Stückkosten hergestellt werden können.

Durch die vorliegende Erfindung soll ein neuer Typ von beugendem Subtraktivfarbfilter geschaffen werden, der sowohl in Reflexion als auch in Transmission ungewöhnliche optische Eigenschaften hat. Diese Aufgabe wird bei einem Farbfilter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sowie vorteilhafte Verwendungen des erfindungsgemäßen Substraktivfarbfilters sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das vorliegende beugende Subtraktivfarbfilter wirkt in Reflexion wie ein gefärbter Spiegel, dessen Farbe sich mit dem Betrachtungswinkel ändert. Wie bei einem anderen Spiegel sieht man bei einem vorgegebenen Betrachtungswinkel das Licht, das unter dem gleichen Winkel auf den Spiegel entfällt unabhängig von irgendwelchem anderen Licht, das unter einem anderen Winkel auf den Spiegel fällt. Das vorliegende Subtraktivfarbfilter kann daher beispielsweise wie ein roter Spiegel aussehen, wenn es im rechten Winkel zu seiner Oberfläche betrachtet wird, und wie ein grüner Spiegel, wenn es unter einem Winkel von 20° bezüglich der Normalen zur Oberfläche betrachtet wird. In dem speziellen Falle nichtabsorbierender Strukturen sind die Farbeigenschaften dieses neuen beugenden subtraktiven Farbfilters in Transmission das Komplement derjenigen in Reflexion. Die Farbeigenschaften zeigen also auch in Transmission eine Winkelabhängigkeit. Diese winkelabhängigen Farbeigenschaften sowohl in Reflexion als in Transmission werden im Speziellen durch die jeweiligen Werte bestimmter physikalischer Parameter der beugenden Struktur bestimmt, die das neuartige beugende subtraktive Farbfilter der vorliegenden Erfindung enthält. Obwohl sein Gebrauch nicht hierauf beschränkt ist, kann das beugende subtraktive Farbfilter der vorliegenden Erfindung mit großem Vorteil als reflektierende beugende Beglaubigungsvorrichtung gemäß den Lehren der oben erwähnten gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung verwendet werden.

Im Spezielleren wird durch die vorliegende Erfindung ein beugendes subtraktives Farbfilter geschaffen, das aus auffallendem polychromatischen beleuchtenden Licht eines vorgegebenen Wellenlängenspektrums Reflexionsspektra erzeugt, die als Funktion des Einfallswinkels und der Polarisation des beleuchtenden Lichtes variieren. Das beugende subtraktive Farbfilter liefert außerdem Transmissionsspektren, die im wesentlichen (im speziellen Falle von nichtabsorbierenden Strukturen genau) das Komplement der Reflexionsspektren sind. Strukturell enthält das Filter ein erstes optisches Medium, das eine Dicke t zwischen zwei entgegengesetzten Seiten desselben hat. Das erste optische Medium hat einen variierenden Brechungsindex, der das erste optische Medium in nebeneinanderliegende periodische Beugungselemente einer beugenden Struktur teilt, die eine Periode d hat, welche sich in einer Richtung im wesentlichen parallel zu den Flächen und senkrecht zu einer gegebenen Richtung erstreckt. Jedes einzelne der beugenden Elemente verläuft also entlang einer Richtung, die im wesentlichen parallel zu den Flächen und parallel zu der gegebenen Richtung ist. Außerdem teilt die räumliche Verteilung des variierenden Brechungsindex im Volumen jedes Beugungselementes dieses Beugungselement in eine Mehrzahl von getrennten dreidimensionalen Bereichen mit Brechungsindizes bestimmter Werte, welche einen oder mehrere Bereiche relativ höheren Brechungsindex und einen oder mehrere Bereiche relativ niedrigeren Brechungsindex umfassen. Jeder der Bereiche hat eine spezielle Größe und Form, wodurch das gesamte Volumen jedes Beugungselementes einen mittleren Brechungsindex hat. Diese Anordnung von beugenden Elementen ist normalerweise zwischen einem zweiten optischen Medium mit einem Brechungsindex n₂ und einem dritten optischen Medium mit einem Brechungsindex n₃ eingebettet.

Zur Definition des interessierenden Spektralbereiches sei angenommen, daß er von einer minimalen Wellenlänge λ₁ bis zu einer maximalen Wellenlänge λ₂ reicht. Dieser Spektralbereich kann im sichtbaren Bereich (0,4 µm ≦ λ ≦ 0,7 µm) oder irgendwo anders im elektromagnetischen Spektrum liegen. Mit dem Begriff Wellenlänge ist die Vakuumwellenlänge gemeint und es wird angenommen, daß die Wellenlänge in Luft im wesentlichen gleich der Vakuumwellenlänge ist. Die unten beschriebene Struktur genügt den folgenden Bedingungen.

< max (n₂, n₃) (1)
d max (n₂, n₃) < g₂ (2)
d ( + 1) < λ₁ (3)
4 t ≧ λ₁ (4)

wobei max(n₂, n₃) generell das größere von n₂ und n₃, im speziellen Falle das n₂=n₃ jedoch n₂ oder n₃ ist. Das Resultat ist, daß die Eigenschaft jedes der Spektren abhängig ist von
1. dem Einfallswinkel des beleuchtenden Lichts,
2. der speziellen Form und Größe jedes der Bereiche der relativ höheren und relativ niedrigeren Brechungsindizes bestimmter Werte (die ihrerseits den Wert von bestimmen) und
3. den jeweiligen physikalischen Werten von d und t.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Diagramm, das eine verallgemeinerte Ausführungsform einer beugenden Struktur gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 2 ein spezielles, geometrisch einfaches Beispiel der in Fig. 1 allgemein dargestellten beugenden Struktur;

Fig. 3 ein Flußdiagramm, das die Schritte zur Herstellung eines ersten praktischen Beispieles der in Fig. 1 generell dargestellten beugenden Struktur zeigt;

Fig. 3a eine erste Modifikation des Beispiels gemäß Fig. 3;

Fig. 3b in idealisierter Form die beugenden Strukturen der Fig. 3 und 3a mit einem vorgegebenen Satz von relativen Parameterwerten,

Fig. 3c, 3d und 3e die Reflexionsspektren nullter Ordnung der in Fig. 3b dargestellten Struktur für polychromatisches beleuchtendes Licht bei Einfallswinkeln von 0°, 20° bzw. 40°;

Fig. 4 eine zweite Modifikation einer beugenden Struktur, die durch das in Fig. 3 dargestellte Verfahren hergestellt wurde;

Fig. 4a in idealisierter Form die beugende Struktur gemäß Fig. 4, die einen vorgegebenen Satz von relativen Parameterwerten hat,

Fig. 4b und 4c die Reflexionsspektren nullter Ordnung der in Fig. 4a dargestellten Struktur für polychromatisches beleuchtendes Licht bei Einfallswinkeln von 0° bzw. 30°;

Fig. 5 eine dritte Modifikation einer beugenden Struktur, die durch das Verfahren der Fig. 3 hergestellt wurde;

Fig. 5a in idealisierter Form die beugende Struktur der Fig. 5, die einen vorgegebenen Satz von relativen Parameterwerten hat,

Fig. 5b und 5c die Reflexionsspektren nullter Ordnung der in Fig. 5a dargestellten Struktur für polychromatisches beleuchtendes Licht bei Einfallswinkeln von 0° bzw. 20°;

Fig. 6a und 6b die Spektren nullter Ordnung eines experimentellen Filters, das tatsächlich hergestellt wurde und eine beugende Struktur ähnlich der in Fig. 4 gezeigten hatte, für sichtbares polychromatisches beleuchtendes Licht bei Einfallswinkeln von 0° bzw. 30°;

Fig. 7 eine vierte Modifikation einer beugenden Struktur, die durch das in Fig. 3 dargestellte Verfahren hergestellt wurde, und

Fig. 8 und 9 Verwendungen von beugenden subtraktiven Farbfiltern gemäß der vorliegenden Erfindung als Beglaubigungsvorrichtung für einen beglaubigten Gegenstand.

Der hier verwendete Begriff "Licht" umfaßt sichtbares Licht mit einem Wellenlängenspektrum von 0,4-0,7 µm, ultraviolettes Licht mit einem Wellenlängenspektrum unter 0,4 µm und infrarotes Licht mit einem Wellenlängenspektrum über 0,7 µm. Obwohl sie nicht hierauf beschränkt ist, ist die vorliegende Erfindung besonders geeignet für die Verwendung mit diffusem polychromatischem sichtbarem (z. B. weißem) Licht, das auf das Filter gleichzeitig unter allen Einfallswinkeln zwischen 0° und 90° fällt.

Es ist bekannt, daß schräg einfallendes Licht gebrochen wird, wenn es durch die Grenzfläche zwischen zwei optischen Medien geht, die verschiedene Brechungsindizes haben. Solche Brechungseffekte brauchen jedoch nicht in Betracht gezogen zu werden, um die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu verstehen. Bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung wurden daher Brechungseffekte der Einfachheit halber außer Acht gelassen.

Der Ausdruck "Vakuumwellenlänge", wie er hier verwendet wird, soll die Wellenlänge in Luft oder dergleichen sowie im Vakuum bedeuten, da der Unterschied zwischen dem Brechungsindex der Luft und der des Vakuums im Vergleich zum Brechungsindex der die Filter selbst bildenden Materialien vernachlässigbar ist.

In Fig. 1 ist ein erstes optisches Medium 100 dargestellt, das zwischen zwei entgegengesetzten Flächen 102 und 104 eine Dicke t hat. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, erstreckt sich die Dicke t in einer vertikalen Y-Richtung und die Flächen 102 und 104 verlaufen in einer horizontalen X-Richtung und einer zur Papierebene senkrechten Z-Richtung (nicht dargestellt). Das optische Medium 100 hat einen variierenden Brechungsindex, der es in nebeneinanderliegende periodische Beugungselemente 106 aufteilt, die eine Periode d haben, welche in der X-Richtung verläuft. Jedes einzelne Beugungselement 106 erstreckt sich dementsprechend längs der Z-Richtung (nicht dargestellt), senkrecht zur Papierebene. Die räumliche Verteilung n (x, y) des variierenden Brechungsindex im Volumen jedes Beugungselements 106 unterteilt das betreffende Beugungselement in eine Mehrzahl getrennter dreidimensionaler Bereiche (z. B. Bereiche 108, 110 und 112) relativ hohen und relativ niedrigen Brechungsindex bestimmten Wertes.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, hat jeder dieser Bereiche eine spezielle Größe und Form. Jedes Beugungselement 106 als ganzes hat einen mittleren Brechungsindex . In Fig. 1 sind die Feinstrukturbereiche 108, 110 und 112 für das erste, das zweite und das letzte Beugungselement 106 dargestellt, während für das dritte und vierte Beugungselement 106 nur der mittlere Brechungsindex angegeben ist. Sowohl die Feinstruktur als auch der mittleren Brechungsindex aller Beugungselemente 106 in Fig. 1 sollen jedoch ähnlich sein.

Die Fläche 102 wird von einem zweiten optischen Medium 114 berührt, das eine Dicke t₂ in der Y-Richtung und einen Brechungsindex n₂ hat. Mit der Fläche 104 steht ein drittes optisches Medium 116 in Berührung, das eine Dicke t₃ in der Y-Richtung und einen Brechungsindex n₃ hat.

Angenommen, der Betrag einer etwaigen Absorption im beugenden subtraktiven Farbfilter der Fig. 1 sei vernachlässigbar, so liefert ein erster Teil polychromatischen beleuchtenden Lichts 118, der unter einem Winkel α bezüglich der Normalen auf die obere Fläche 120 des zweiten optischen Mediums 114 fällt, reflektiertes Ausgangslicht 122 nullter Ordnung unter einem Reflexionswinkel α bezüglich der Normalen. Ein zweiter Teil des unter dem Winkel α bezüglich der Normalen einfallenden polychromatischen Lichts 118 ergibt schließlich transmittiertes Licht 124 nullter Ordnung, das aus der unteren Fläche des dritten optischen Mediums 116 unter einem Winkel α bezüglich der Normalen austritt.

Die Polarisation und Farbcharakteristik der Spektren des reflektierten Lichts 122 nullter Ordnung hängen für jeden Reflexionswinkel vom Wellenlängenspektrum und vom Einfallswinkel des polychromatischen Lichts 118 sowie von den physikalischen Parametern des in Fig. 1 dargestellten beugenden subtraktiven Farbfilters ab. Zu diesen physikalischen Parametern gehören die jeweiligen Werte der Periode d der Beugungselemente 106 sowie die Dicke t des ersten optischen Mediums 100, die jeweiligen Werte des Brechungsindex n₂ des zweiten optischen Mediums 114 und des Brechungsindex n₃ des dritten optischen Mediums 116, und die jeweiligen Werte des variablen Brechungsindex n (x, y) als Funktion der räumlichen Verteilung im Volumen jedes beugenden Elements 106, welche jeweiligen Werte die Größe und Form der verschiedenen Bereiche 108, 110 und 112 sowie den mittleren Brechungsindex jedes beugenden Elements 106 bestimmen. Die gleichen Faktoren bestimmten die Farb- und Polarisationscharakteristika der Spektren des Transmissionslichtes 124 nullter Ordnung, das unter dem Winkel α bezüglich der Normalen austritt, da das Transmissionslicht 124 eine Farbcharakteristik aufweist, die im speziellen Falle von absorptionsfreien Strukturen das Komplement des Reflexionslichtes 122 nullter Ordnung ist.

Es ist bekannt, daß Licht eine elektromagnetische Welle ist und daß die Eigenschaften von elektromagnetischen Wellen durch die Maxwell'schen Gleichungen beschrieben werden. Es ist ferner bekannt, daß das einfallende Licht durch eine beugende Struktur nicht beeinflußt wird, wenn die Periode d der beugenden Struktur wesentlich kleiner als die Wellenlänge des einfallenden Lichtes ist. Es ist auch bekannt, daß wenn die Periode d einer beugenden Struktur wesentlich größer als die Wellenlänge des einfallenden Lichtes ist, die Beugungseigenschaften der beugenden Struktur mit vernachlässigbarem Fehler, ohne auf die Maxwell'schen Gleichungen zurückzugreifen, durch Verwendung der vereinfachenden Näherungen der Kirchhoff-Huygens'schen Wellentheorie beschrieben werden können. Wenn jedoch, wie es bei der vorliegenden Erfindung der Fall ist, das Verhalten einer beugenden Struktur von beleuchtendem Licht abhängt, das ein Wellenlängenspektrum hat, welches Wellenlängen enthält, die generell in der Nähe der Periode d der beugenden Struktur liegen, ist es wesentlich, daß die Maxwell'schen Gleichungen für die Bestimmung der Eigenschaften der beugenden Struktur verwendet werden.

Die früher schon erwähnte Bedingung (1) lautet: < max (n₂ n₃). Dies impliziert, daß der Wert des mittleren Brechungsindex der durch das erste optische Medium 100 in Fig. 1 gebildeten optischen Struktur größer als der Wert des Brechungsindex n₂ des zweiten optischen Mediums 114, das mit der oberen Fläche 102 des ersten optischen Mediums 100 in Berührung steht, ist und auch größer als der Wert des Brechungsindex n₃ des dritten optischen Mediums 116, das in Berührung mit der unteren Fläche 104 des optischen Mediums 100 steht.

Die Bedingung (2) lautet:

d max (n₂, n₃) < λ (2)

Die Folge dieser Bedingung ist, daß (zumindest in einem Teil des interessierenden Spektralbereiches und bei einem Betrachtungswinkel gleich einem Einfallswinkel α=0) verhindert wird, daß irgendwelche anderen Beugungsordnungen als die nullte Ordnung, die eventuell mit dem ersten optischen Medium 100 erzeugt wurden, jemals in die Umgebung austreten. Das ganze reflektierte Licht und das ganze transmittierte Licht, das in die Umgebung austritt und schließlich von senkrecht einfallendem (d. h. α=0) polychromatischen Licht 118 gewonnen wird, enthält also ausschließlich reflektiertes Licht 122 nullter Ordnung und transmittiertes Licht 124 nullter Ordnung.

Die Bedingung (3) lautet:

d ( + 1) < λ₁ (3)

Da im ersten optischen Medium 100 der mittlere Brechungsindex groß im Vergleich zu dem im wesentlichen Eins betragenden Brechungsindex der Umgebung ist, wird die Wellenlänge des Lichts im ersten optischen Medium 100 kürzer sein als die entsprechende Vakuumwellenlänge in der Umgebung. Aus der Bedingung (3) folgt, daß zumindest für einen sich 90° nähernden Einfallswinkel α innerhalb des ersten optischen Mediums 100 sich sowohl die nullte Beugungsordnung als auch mindestens eine erste Beugungsordnung ausbreiten können. Außerdem müssen die jeweiligen Werte von d und der Vakuumwellenlänge λ ziemlich nahe beieinanderliegen, damit sowohl die Bedingung (2) als auch die Bedingung (3) erfüllt ist. Es ist daher notwendig, von den Maxwell'schen Gleichungen Gebrauch zu machen, um die optischen Eigenschaften des in Fig. 1 dargestellten beugenden subtraktiven Farbfilters voraussagen zu können.

Die Bedingung (4) lautet:

t ≧ g/4n (4)

Die Bedingung (4) bedeutet, daß das erste optische Medium 100 eine ausreichende Dicke t hat, um zu gewährleisten, daß eine verstärkende und auslöschende Interferenz (infolge unterschiedlicher Weglängen) bei manchen Wellenlängen des Wellenlängenspektrums des polychromatischen Lichtes zwischen Lichtstrahlen, die von der Fläche 102 reflektiert werden, und Lichtstrahlen, die von der Fläche 104 reflektiert werden, eintritt, die sich schließlich unter Bildung des reflektierten Lichts 122 nullter Ordnung vereinigen.

Die Filtereigenschaften eines beugenden subtraktiven Farbfilters, das allen oben angegebenen Bedingungen genügt, hängt von den speziellen Werten seiner physikalischen Parameter, wie n₂ n₃, der Funktion n (x, y), welche die Größe und Form jedes Bereiches 108, 110 und 112 bestimmt, und den physikalischen Werten von t und d ab. Für den Entwurf eines speziellen Filters, müssen die Maxwell'schen Gleichungen für einen ausgewählten Satz dieser physikalischen Parameter bei verschiedenen Relativwellenlängen innerhalb eines Spektrums von Relativwellenlängen λ/d gelöst werden. In der Praxis braucht man einen Computer, um die vielen Rechnungen durchzuführen, die für eine Lösung der Maxwell'schen Gleichungen durch numerische Analyse für jeden speziellen Satz von physikalischen Parametern erforderlich sind. Andererseits kann man ein Filter mit speziellen Werten der physikalischen Parameter konstruieren und seine Spektraleigenschaften in Reflexion messen.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, enthalten das erste optische Medium 114 und das dritte optische Medium 116 getrennte Materialschichten mit jeweiligen Dicken t₂ und t₃, die gewöhnlich wesentlich größer als die Dicke t des ersten optischen Mediums 100 sind. Die jeweiligen Brechungsindizes n₂ und n₃ des das zweite optische Medium 114 und das dritte optische Medium 116 bildenden Materials sind, obwohl kleiner als der Wert des mittleren Brechungsindex , generell größer als der im wesentlichen Eins betragende Brechungsindex der Umgebung. Dies ist jedoch nicht wesentlich. Zumindest im Prinzip können das zweite optische Medium 114 und/oder das dritte optische Medium 116 sowohl Luft als auch ein Vakuum sein. In diesem Spezialfall könnte das polychromatische Licht 118 direkt auf die Fläche 102 fallen, so daß das Reflexionslicht 122 mullter Ordnung und/oder das Transmissionslicht 124 nullter Ordnung direkt von der Fläche 102 und/oder der Fläche 104 ausgehen würden.

Fig. 2 zeigt ein geometrisch einfaches, spezielles Beispiel eines beugenden subtraktiven Farbfilters des Typs, der in Fig. 1 in verallgemeinerter Form dargestellt ist. In dem speziellen Beispiel der Fig. 2 enthält das erste optische Medium 100 periodisch beabstandete rechteckige Bereiche 200 aus einem Material, das den Brechungsindex n₁=3 hat. Diese Bereiche 200 relativ hohen Brechungsindex sind durch rechteckige Bereiche 202 getrennt, die den relativ niedrigen Brechungsindex n₀=1,5 haben. Sowohl das zweite optische Medium 114 als auch das dritte optische Medium 116 haben Brechungsindex n₂ und n₃, die ebenfalls gleich 1,5 sind. Die Dicke t des ersten optischen Mediums 100 (die gleich der Höhe der rechteckigen Bereiche 200 sowie 202 ist) hat den relativen Wert 0,625 d, wobei d die räumliche Periode der beugenden Elemente ist, die jeweils durch ein Paar von benachbarten Bereichen 200 und 202 gebildet werden. Die Breite w jedes Bereiches 200 höheren Brechungsindex hat den Relativwert 0,125 d. Die Breite jedes niedrigeren rechteckigen Bereiches 202 hat den Relativwert 0,875 d.

Die optischen Medien 114 und 116 haben die Dicke t₂ bzw. t₃, diese sind sehr viel größer als die räumliche Periode d des ersten optischen Mediums 100. Beispielsweise kann der Wert der Dicke t₂ einen Relativwert von 37,5 d haben, während von der Dicke t₃ angenommen wird, daß sie so groß ist, daß sie sich praktisch bis ins Unendliche erstreckt.

In theoretischer Hinsicht ist das in Fig. 2 dargestellte eingebettete laminierte Gitter wahrscheinlich die geometrisch einfachste Struktur, welche die winkelabhängigen Reflexionsspektren liefert, die oben in Verbindung mit Fig. 1 besprochen wurden. Um die Gültigkeit der Annahmen zu prüfen, auf denen die vorliegende Erfindung basiert, wurden die jeweiligen Spektren des reflektierten Lichts nullter Ordnung für die in Fig. 2 dargestellte spezielle Verwirklichung für jeweils zwei Einfallswinkel mit einem Computer errechnet. Genauer gesagt, löste der Computer die Maxwell'schen Gleichungen für vier verschiedene Fälle, wobei in jedem Fall angenommen wurde, daß das Wellenlängenspektrum λ/d des polychromatischen Lichtes sich über einen Bereich von Relativwerten λ/d von 1 bis 2,4 erstreckte. Die vier Fälle waren
1) ein Einfallswinkel (bezüglich der Normalen) von 0°, wobei angenommen wurde, daß der elektrische Vektor E des einfallenden Lichtes parallel zur Strichrichtung des Gitters polarisiert ist (die in Fig. 2 in einer Richtung senkrecht zum Papier verläuft);
2) ein Einfallswinkel von 0° (bezüglich der Normalen), wobei angenommen wurde, daß der magnetische Vektor H des einfallenden Lichtes parallel zur Strichrichtung des Gitters verläuft;
3) ein Einfallswinkel von 20°, wobei angenommen wurde, daß der elektrische Vektor E des einfallenden Lichtes parallel zur Strichrichtung des Gitters polarisiert ist und
4) ein Einfallswinkel von 20°, wobei angenommen wurde, daß der magnetische Vektor H des einfallenden Lichtes parallel zur Strichrichtung des Gitters polarisiert ist.
Die jeweiligen Lösungen der Maxwell'schen Gleichungen zeigten in allen vier Fällen für eine Struktur mit den physikalischen Parametern der Fig. 2, daß die Reflexionsspektren nullter Ordnung sowohl für die elektrische als auch die magnetische Polarisation winkelabhängig sind. Jedes dieser Reflexionsspektren wird erhalten, indem man den Prozentsatz des reflektierten Lichtes nullter Ordnung als Funktion von λ/d über das relative Wellenlängenspektrum von 1 bis 2,4 aufträgt. Es wurde gefunden, daß jedes der beiden E-Vektor-Spektren ein großes Reflexionsmaximum jeweils über ein Teilintervall des λ/d-Spektrums sowie eine Mehrzahl von wesentlich niedrigeren Reflexionsmaxima über den Rest von λ/d des Wellenlängenspektrums aufweisen. Die jeweiligen Positionen der Teilintervalle der hohen Reflexionsmaxima, ausgedrückt in Werten von λ/d, und die Form der hohen Reflexionsmaxima waren für den Fall von unter 0° einfallendem polychromatischem Licht wesentlich verschieden von dem Fall, daß das polychromatische Licht unter 20° einfällt. Die jeweiligen H-Vektor-Spektren setzen sich nur aus relativ niedrigen Reflexionsmaxima zusammen. Die relative Höhe, Form und räumliche Verteilung dieser Maxima waren jedoch für den Fall von unter 0° einfallendem polychromatischen Licht verschieden von dem für unter 20° einfallendes polychromatisches Licht. Die Annahmen, auf denen die vorliegende Erfindung basiert, sind also gültig.

Verschiedene Farbeffekte können in Abhängigkeit von der speziellen Wahl des Wertes von d erhalten werden. Mit einem d eines Wertes von 0,4 Mikrometer (µm) ändert sich die Farbe von rötlich nach weiß, wenn der Einfallswinkel von 0° auf 20° geändert wird. Mit einem Wert von d gleich 0,32 µm verläuft jedoch die Farbänderung von grün nach rot, wenn sich der Einfallswinkel von 0° auf 20° ändert. Da ferner alle Spektren eine Anzahl von Detailmerkmalen niedriger Reflexion enthalten, wie Maxima und scharfe Bandkanten, können diese Maxima und scharfen Bandkanten in einer Beglaubigungsvorrichtung für eine maschinenlesbare Identifizierung verwendet werden. Tatsächlich kann man durch eine geeignete Wahl des Wertes von d einige der Maxima oder scharfen Bandkanten, die bei längeren Wellenlängen auftreten, im Infrarot anstatt im sichtbaren Spektalbereich auftreten lassen. Außerdem sind die E-Vektor- und die H-Vektor-Reflexionsspektren voneinander sehr verschieden. Diese starke Polarisationsabhängigkeit eignet sich auch für eine Maschinenidentifizierung, wenn die Erfindung in einer Beglaubigungsvorrichtung des oben diskutierten Typs verwendet wird. Zusätzlich ist die Winkelabhängigkeit bezüglich einer Kippachse, die parallel zur Gitterstrichrichtung verläuft, signifikant verschieden von einer Kippachse senkrecht zur Gitterstrichrichtung. Dies ist ein weiterer Unterschied, der für eine maschinelle Identifizierung verwendet werden kann.

Die Struktur in Fig. 2 wurde erhalten, indem die zwei Brechungsindizes n₁=3 und n₃=n₂=1,5 ausgewählt und dann die Dicken t sowie die Strichbreite w optimiert wurden. Die Dicken t₂ und t₃ der unteren und der oberen Schicht sind nicht kritisch, solange sie groß im Vergleich zu d sind. Für die beste Sichtbarkeit des reflektierten Lichtes, sollte die untere Schicht durch ein stark absorbierendes (schwarzes) Material abgeschlossen werden. Die angegebenen Werte von t und w in Fig. 2 sind nicht die einzigen Möglichkeiten für diese Parameter, die gute Resultate liefern.

Während für eine Beglaubigungsvorrichtung die Reflexionsspektren nullter Ordnung verwendet werden, können selbstverständlich die Transmissionsspektren, die ebenfalls erzeugt werden, für andere Zwecke nützlich sein.

Der Hauptvorteil der geometrisch einfachen Struktur der Ausführungsform, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, ist daß sie mit einem die Maxwell'schen Gleichungen lösenden Computer leicht zu errechnen war, um die Richtigkeit der vorliegenden Erfindung zu prüfen. Die Struktur der Fig. 2 würde jedoch beim derzeitigen Stand der Technik sehr schwierig (wenn nicht unmöglich) physikalisch in einer realen Struktur zu verwirklichen sein. Fig. 3 zeigt die Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer geometrisch komplizierteren, jedoch realeren Ausführungsform, die physikalische Strukturen hat, die leichter realisierbar sind.

Fig. 3 ist ein Flußdiagramm, das die aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte zur Herstellung eines fertigen Filters, bei dem die Prinzipien der vorliegenden Erfindung Anwendung finden, zeigt, ausgehend von einem thermoplastischen Material 300, das ein Oberflächenreliefmuster haben kann, welches durch ein Metallprägemaster 302 durch bekannte Verfahren wie Gießen oder Heißpressen eingeprägt wurde. Das Metallmaster 302 ist beispielsweise mit einem Rechteckwellenprofil der geometrischen Tiefe a dargestellt. Der erste Schritt besteht darin, dieses Wellenprofil in die obere Fläche des thermoplastischen Materials 300 einzupressen, das den Brechungsindex n₃ hat. Dies ergibt eine Reliefstruktur 304. Der zweite Schritt besteht darin, eine relativ dünne Schicht eines Materials 306 aufzubringen, das den Brechungsindex n₁ sowie eine vorgegebene Dicke und Formcharakteristik auf der Reliefoberfläche der Struktur 304 hat. Bekannte Verfahren zum Aufbringen sind u. a. Aufdampfen, Zerstäuben (insbesondere Ionenstrahlzerstäuben) Schleuderbeschichtungsverfahren usw. Das Material 306 wird so gewählt, daß es einen Brechungsindex n₁ hat, der groß im Vergleich zum Brechungsindex n₃ des thermoplastischen Materials 300 ist. Der nächste Schritt besteht darin, die auf die Reliefoberfläche der Struktur 304 aufgebrachte Schicht 306 mit einem Material 308 zu überziehen, das den Brechungsindex n₂ hat, der relativ niedrig bezüglich des Brechungsindex n₁ der aufgebrachten Schicht 306 ist. Dies ergibt ein fertiges Filter, das ein erstes optisches Medium mit einer Dicke t, die sich vom Boden der Wellentäler des Oberflächenrelief-Wellenformprofils -in der thermoplastischen Struktur 304 zur Oberseite der aufgebrachten Schicht 306, die auf den Wellenbergen dieses Wellenformprofils liegt, erstreckt. Das erste optische Medium in Fig. 3 enthält diejenigen Bereiche der thermoplastischen Struktur 304, die die Wellenberge des Wellenformprofils (Brechungsindex n₃) bilden, alle Bereiche der aufgebrachten Schicht 306 (Brechungsindex n₁) und diejenigen Bereiche der Wellentäler dieses Oberflächenrelief-Wellenformprofils, die nicht schon durch die aufgebrachte Schicht 306 sondern durch das Überzugsmaterial 308 (Brechungsindex n₂) gefüllt sind. Um die Bedingungen der vorliegenden Erfindung zu erfüllen, ist es notwendig, daß der mittlere Brechungsindex aller dieser Bereiche, die das erste optische Medium des fertigen Filters enthält, größer als der Wert sowohl von n₂ als auch von n₃ ist. Das zweite optische Medium enthält den Rest des Überzugs 308, der über der Oberflächenreliefstruktur 304 liegt, und das dritte optische Medium enthält den Rest des thermoplastischen Materials 300, der unter der Oberflächenreliefstruktur 304 liegt.

In Fig. 3 ist die Dicke c der aufgebrachten Schicht 306 kleiner als die geometrische Tiefe a des einprägten Rechteckwellengitters. Dies ist nicht wesentlich. Die Dicke c der aufgebrachten Schicht 306 kann größer als die Tiefe a des eingeprägten Rechteckwellengitters sein. In diesem letzteren Falle würde die Konfiguration des fertigen Filters gemäß Fig. 3 das in Fig. 3a dargestellte Aussehen und nicht das des tatsächlichen in Fig. 3 dargestellten fertigen Filters haben.

Fig. 3b zeigt in idealisierter Form ein spezielles Beispiel des Typs, der durch die fertigen Filter der Fig. 3 und 3a repräsentiert wird. Wie in Fig. 3b angegeben ist, ist der relativ hohe Brechungsindex n₁ der aufgebrachten Schicht 306 gleich 3; die relativ niedrigen Brechungsindizes n₂ und n₃ sind beide 1,5; die Periode d des Rechteckwellenprofils hat ein Aspektverhältnis oder ein Tastverhältnis von 50% (d. h. es ist eine quadratische Welle); die Dicke c der aufgebrachten Schicht 306 hat den Relativwert 0,22 d und der Abstand zwischen der Oberseite der aufgebrachten Schicht 306, die in einem Wellental des Wellenprofils liegt, und der Unterseite der aufgebrachten Schicht 306, die auf einem Wellenberg des niedergeschlagenen Wellenprofils liegt, hat den Relativwert 0,055 d. Die Tiefe a des Rechteckwellenprofils ist daher 0,275 d (die Summe von 0,22 d und 0,055 d). Ein Computer, der programmiert war, um die Maxwell'schen Gleichungen für die in Fig. 3b dargestellte spezielle Konfiguration und Parameterwerte zu lösen, errechnete die in den Fig. 3c, 3d und 3e dargestellten Reflexionsspektren nullter Ordnung für verschiedene Einfallswinkel von polychromatischem Licht über ein Wellenlängenspektrum, das sich über einen Bereich von Relativwerten λ/d von 1 bis 2,5 erstreckte. Fig. 3c zeigt sowohl das E-Vektor-Reflexionsspektrum nullter Ordnung als auch das H-Vektor-Reflexionsspektrum für einen Einfallswinkel von 0° bezüglich der Normalen, während Fig. 3d und 3e diese Reflexionsspektren für 20° bzw. 40° bezüglich der Normalen zeigen. Wie in Fig. 3c dargestellt ist, hat das Reflexionsspektrum nullter Ordnung für den E-Vektor ein einziges großes Maximum. Die Position des Teilintervalles des relativierten Wellenlängenspektrums, bei dem dieses einzige Maximum auftritt, ist in Übereinstimmung mit der oben diskutierten Bedingung 4. Das Maximum erstreckt sich also nur über ein Teilintervall der relativierten Wellenlängen λ/d, die im interessierenden Spektralbereich λ₁ < λ < λ₂ im wesentlichen gleich dem Maximalwert von n₂ oder n₃ (der im Falle der Fig. 3b gleich 1,5 ist) liegen. Wie früher in Verbindung mit Fig. 2 erwähnt wurde, trägt die H-Vektor-Polarisation in den Fig. 3c, 3d und 3e jeweils relativ wenig zur Gesamtreflexion bei, enthält jedoch Merkmale, wie schmale, scharfe Spitzen, die sich für eine maschinelle Identifizierung eignen.

Generell nimmt die Breite des einzigen großen Maximums bei 0° (wie des großen Maximums in Fig. 3c) mit zunehmendem Brechungsindex n₁ des aufgebrachten Materials und zunehmender Niederschlagsdicke c zu. Eine Spitzenreflexion von nahezu 100% kann im allgemeinen für jeden vorgegebenen Typ von Gitterprofil durch Abstimmen seines Tiefenwertes und/oder seines Niederschlagdickenwertes erreicht werden. Wie in Fig. 3c gezeigt ist, erfüllt das große Maximum der E-Vektor-Polarisation alle obigen Kriterien. Zusätzlich zeigt die E-Vektor-Polarisation ein verhältnismäßig schwaches Reflexionsmaximum bei einem Wert von λ/d in der Nähe von Eins und die H-Vektor-Polarisation zeigt ein verhältnismäßig scharfes Reflexionsmaximum bei einem Wert von λ/d in der Nähe von 1,52.

Wie in den Fig. 3d und 3e gezeigt ist, spaltet sich das Reflexionsspektrum bei Einfallswinkeln, die schräg bezüglich einer zu den Gitterstrichen parallelen Achse (senkrecht zur Papierebene) verlaufen, in zwei Maxima auf, welche sich symmetrisch in Richtung auf kürzere bzw. längere Wellenlängen bewegen. Der Betrag der Wellenlängenverschiebung von der ursprünglichen Position bei α=0 liegt in der Größenordnung von d α. Bei schrägen Winkeln bezüglich einer zu den Gitterstrichen senkrechten Achse resultiert jedoch eine wesentlich schwächere Verschiebung in Richtung auf kürzere Wellenlängen ohne begleitende Aufspaltung des Maximums. Diese schwächere Verschiebung ist ähnlich der von cos α abhängigen Verschiebung, die bei konventionellen Interferenzfilterstrukturen beobachtet werden.

Durch eine geeignete Wahl der Gitterperiode d kann das Maximum für α=0 ins Rot gelegt werden. Dann ist die Folge grün, dann blau für typische Verdrehungen auf α=15° bzw. 30° (parallel zu den Gitterstrichen). Wenn die Gitterperiode d jedoch so gewählt ist, daß das Maximum bei α=0 im Grün liegt, liefert eine typische Verdrehung Magenta. Wenn schließlich die Gitterperiode d so gewählt ist, daß das Maximum bei α=0 im Blau liegt, bewirkt eine typische Verdrehung eine Farbänderung nach grün und dann nach rot. Diese Beschreibung der Farbänderung ist etwas vereinfacht, da jede spezielle Struktur, wie die in Fig. 3b dargestellte spezielle Struktur, ihre eigene spezielle Spektralsignatur aufweist (die im Falle der Fig. 3b den Effekt der in Fig. 3c und 3d dargestellten zusätzlichen E- und H-Vektor-Polarisationsmaxima mittlerer Größe umfaßt).

Typische Werte der Gitterperiode d sind von 0,1 bis 0,45 µm und typische Gittertiefen a sind von 0,1 bis 0,2 µm, wenn λ im sichtbaren Spektralbereich von 0,4 bis 0,7 µm liegt. Der Brechungsindex des Niederschlagsmaterials liegt üblicherweise im Bereich von 1,7 bis 5. In der Praxis hängt der Brechungsindex n₁ von λ ab und kann (für absorbierende Materialien) komplex sein, wodurch sich eine weitere Variationsmöglichkeit für den Entwurf des Filters ergibt.

In Fig. 3 ist angenommen, daß der Niederschlag genau senkrecht zur Oberfläche der Reliefstruktur stattfindet, so daß die Dicke des Niederschlags in allen Tälern und auf allen Bergen des Rechteckwellenprofils überall gleich ist. In der Praxis kann ein solches perfektes Aufbringen mit den praktischen Niederschlagsverfahren, wie Aufdampfen oder Ionenstrahlzerstäubung direkt senkrecht zur Oberfläche der Reliefstruktur nur angenähert, jedoch nicht exakt erreicht werden. Das Ergebnis ist, daß das Verfahren der Fig. 3 in der Praxis dazu neigt, ein fertiges Filter zu ergeben, das eine Konfiguration hat, die mehr wie Fig. 4 als wie Fig. 3 oder Fig. 3a aussieht. Der Hauptunterschied zwischen der Konfiguration gemäß Fig. 4 und denen der Fig. 3 und 3a ist, daß die Dicke des niedergeschlagenen Materials, das sich in den Tälern der Rechteckwellenreliefstruktur 304 befindet, wesentlich größer ist als die Dicke auf den Bergen dieses Rechteckwellenprofils.

Fig. 4a zeigt in idealisierter Form ein spezielles Beispiel einer der Konfiguration gemäß Fig. 4 angenäherten Konfiguration. In Fig. 4a ist der Wert des relativ hohen Brechungsindex n₁ des aufgebrachten Materials 306 gleich 2,3 und die Brechungsindizes n₂ und n₃ der Struktur 304 und des Überzuges 308 sind 1,5. Wie in Fig. 4a angegeben ist, bildet die Grenze zwischen der Struktur 304 und der niedergeschlagenen Schicht 306 ein Rechteckwellenprofil, das die Periode d und die relativ hohe Amplitude 0,3 d hat. Die Grenze zwischen dem Überzug 308 und der niedergeschlagenen Schicht 306 bildet ein Rechteckwellenprofil mit der Periode d und der relativ niedrigen Amplitude 0,1 d. Ferner sind die Wellentäler dieses Rechteckwellenprofils niedriger Amplitude in einem Abstand von 0,1 d über den Bergen des Rechteckwellenprofils relativ hoher Amplitude gelegen. Im Falle der Fig. 4a ist die Gesamtdicke t des ersten optischen Mediums daher 0,5 d.

Die Fig. 4b bzw. 4c zeigen die Reflexionsspektren nullter Ordnung für Einfallswinkel von 0° und 30°, die durch Lösung der Maxwell'schen Gleichungen für ein Filter errechnet wurden, das die Konfiguration und die physikalischen Parameter hat, die in Fig. 4a gezeigt sind. Die Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen den Reflexionsspektren nullter Ordnung, die in den Fig. 4d und 4c dargestellt sind, einerseits und denen, die in den Fig. 3c, 3d und 3e dargestellt sind, andererseits sollten beachtet werden. Genauer gesagt besteht das Hauptmerkmal bei Fig. 4b darin, daß der starke E-Vektor für 0° einen Reflexionsmaximum-Relativwert für λ von etwa 1,8 d hat. Wie in Fig. 4c für den Einfallswinkel 30° dargestellt ist, spaltet sich dieses Maximum in zwei Maxima bei relativierten Werten von λ gleich etwa 1,38 d und etwa 2,25 d auf. Dies ist in Übereinstimmung mit den allgemeinen Prinzipien, die oben in Verbindung mit den Fig. 3c, 3d und 3e erläutert wurden. Zusätzlich wird, wenn der Einfallswinkel 30° beträgt, im E-Vektor-Polarisationsspektrum ein drittes Maximum bei einem Relativwert von λ von etwa 1,08 d beobachtet, wie in Fig. 4c dargestellt ist. Das H-Vektor-Polarisationsspektrum für den Einfallswinkel 0°, das in Fig. 4b dargestellt ist, fast merkmalslos. Bei einem Einfallswinkel von 30° entwickelt sich jedoch ein kompliziertes Spektrum mit mehreren scharfen Resonanzen, wie in Fig. 4c dargestellt ist. Es ist einleuchtend, daß diese scharfen Maxima für eine maschinelle Identifizierung ideal geeignet sind.

Das Niederschlagen der aufgebrachten Schicht 306 braucht nicht senkrecht zur Reliefoberfläche der Struktur 304 erfolgen. Fig. 5 zeigte eine Konfiguration eines fertigen Filters, in dem die Schicht 306 unter einem verhältnismäßig großen Winkel (z. B. etwa 45°) schräg bezüglich der Reliefoberfläche der Struktur 304 niedergeschlagen ist. Ein solches schräges Niederschlagen kann durch Aufdampfen oder Ionenstrahlzerstäubung von einer winkelmäßig versetzten Quelle erfolgen. Fig. 5a zeigt in idealisierter Form ein spezielles Beispiel der in Fig. 5 dargestellten Struktur. In Fig. 5a ist der relativ hohe Brechungsindex n₁ des niedergeschlagenen Materials 306 gleich 3 und die jeweiligen Brechungsindizes n₂ und n₃ der Struktur 304 und des Überzuges 308 sind 1,5. In Fig. 5a tritt ein L-förmiger Niederschlag des Materials 306 periodisch mit der Periode d und dem Zwischenraumabstand 0,5 d auf. Die Breite und die Höhe des horizontalen Schenkels jedes L-förmigen Niederschlags des Materials 306 sind 0,5 d bzw. 0,25 d. Die Breite und die Höhe des vertikalen Schenkels jedes L-förmigen Niederschlags des Materials 306 sind 0,18 d bzw. 0,2 d. Die in Fig. 5a dargestellten Dimensionen sind denjenigen angenähert, die bei Verwendung des Verfahrens der Fig. 3 mit einem Aufdampfwinkel von etwa 35° für das aufgebrachte Material 306 erhalten würde.

Einer der Vorteile der in den Fig. 5 und 5a dargestellten Konfiguration bei Verwendung in einer Beglaubigungsvorrichtung besteht darin, daß sie mit der Konfiguration gemäß Fig. 3 zu einer Klasse von besonders sicheren Strukturen gehört, bei denen jeder einzelne Gitterstrich durch das Wirtsmaterial vollständig eingekapselt ist. Diese Einkapselung schaltet die Möglichkeit aus, daß die niedergeschlagene Schicht abgelöst werden kann, um die physikalische Struktur des Gitters zu enthüllen.

Die Fig. 5b und 5c zeigen für 0° bzw. 20° die Reflexionsspektren eines Filters, das die physikalischen Parameter der in Fig. 5a dargestellten Konfiguration hat, wie sie durch einen Computer mittels der Maxwell'schen Gleichungen errechnet wurden. Wie in Fig. 5b dargestellt ist, hat das errechnete E-Vektor-Polarisationsspektrum für 0° eine Bandpaßcharakteristik mit sehr scharfen Kanten, die sich für die Erzeugung guter Farben eignen. Das H-Vektor-Polarisationsspektrum ist durch zwei scharfe Maxima charakterisiert. Wie in Fig. 5c dargestellt ist haben bei 20° die zwei verschobenen Maxima mit den relativierten Werten von λ von etwa gleich 1,6 d und etwa 2,3 d sehr stark herabgesetzte Intensität und ergeben keinen starken Farbeffekt. Diese verringerte Intensität steht zwar im Gegensatz zu den vorangehenden Beispielen, eine nützliche Anwendung dieser Eigenschaft einer verringerten Intensität wäre gedruckte Information auf die Rückseite einer Struktur aufzubringen, die für kleine Betrachtungswinkel, nahe 0°, nicht sichtbar wäre, bei größeren Winkeln, in der Nähe von 20°, jedoch gesehen und gelesen werden könnte.

Es wurden zahlreiche Strukturen hergestellt. Diese Strukturen hatten überwiegend die in Fig. 3, Fig. 3a und Fig. 4 dargestellten Konfigurationen. Eine solche Struktur, die eine Konfiguration hatte, wie sie in Fig. 4 (oder näherungsweise in Fig. 4a) dargestellt ist, wurde hergestellt, indem eine Rechteckwellen-Oberflächenreliefstruktur (d=0,38 µm, und=0,12 µm) in Photolack unter Verwendung lithographischer Verfahren hergestellt wurde; dann ZnS (t=0,12 µm) durch Aufdampfen aufgebracht wurde. Schließlich wurde die Einrichtung mit ultraviolett-härtbarem Expoxyharz überzogen. Es wurden keine Heißpreß- oder Gießverfahren verwendet, da es sich um eine experimentelle Fabrikation handelt und in dieser Stufe keine Massenfertigung beabsichtigt war. Die verwendeten physikalischen Parameter entsprachen weitgehend denen, die für die oben diskutierte numerische Berechnung durch den Computer gemäß Fig. 4a gewählt worden waren. Fig. 6a und 6b zeigen die Reflexionsspektren nullter Ordnung gegen 0° und 30°, die experimentell mit dieser hergestellten Struktur erhalten wurden. Man sieht eine gute qualitative Übereinstimmung zwischen den in Fig. 4b und 4c dargestellten errechneten Spektren und den entsprechenden experimentellen Spektren, die in den Fig. 6a und 6b dargestellt sind. Alle die oben in Verbindung mit den Fig. 4a und 4b diskutierten Hauptmaxima können gefunden und verglichen werden, wenn auch ihre Intensität und exakten Positionen in Fig. 6a und 6b geringfügig abweichen.

Soweit bisher diskutiert, hatte das Oberflächenrelief der Struktur 304 immer ein Rechteckwellenprofil. Dies muß jedoch nicht der Fall sein. Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform, bei der das Oberflächenrelief der Struktur 304 ein Dreieckwellenprofil hat. Ferner ist die aufgebrachte Schicht 306 unter einem schiefen Winkel in ähnlicher Weise wie die, welche in Verbindung mit Fig. 5 diskutiert wurde, niedergeschlagen, um nur eine der beiden exponierten Seiten des Dreieckwellenprofils zu bedecken.

Alle in den Fig. 2 bis 7 dargestellten Konfigurationen sind Ausführungsformen des in Fig. 1 dargestellten Filters. Diese Ausführungsformen sind lediglich als erläuternde Beispiele der vorliegenden Erfindung anzusehen. Jede andere, nicht dargestellte Konfiguration, die den oben in Verbindung mit Fig. 1 diskutierten Bedingungen genügt, fällt in den Rahmen der vorliegenden Erfindung. Tatsächlich kann man, abhängig von der speziellen Wahl der Reliefstruktur, der Materialien, der Niederschlagsdicke usw. eine unendliche Anzahl von verschiedenen Gitterstrukturen herstellen.

Alle hier beschriebenen Strukturen sind äußerst schwierig zu fälschen, auch wenn man annimmt, daß dem Fälscher große geldliche und technische Mittel zur Verfügung stehen. Dies hat mindestens zwei Gründe. Erstens ist es praktisch unmöglich, die Geometrie einer vorgegebenen Struktur durch optische (zerstörungsfreie) Maßnahmen zu ermitteln. Es ist zwar möglich, die optischen Eigenschaften einer vorgegebenen Struktur zu errechnen, das umgekehrte Problem überschreitet jedoch die heutigen Computermöglichkeiten. Zweitens ist eine mechanische oder chemische Analyse einer vorgegebenen Struktur wegen ihrer Feinheit - die typischen Abmessungen liegen im Sub-Mikrometerbereich - sehr schwierig, wenn nicht unmöglich. Im Speziellen sind Strukturen, wie sie in den Fig. 3, 5 und 7 dargestellt sind, äußerst schwierig für eine Analyse zu trennen, da das Niederschlagsmaterial in diskrete Linien aufgeteilt ist, die durch das umgebende Material vollständig eingeschlossen werden. Außerdem wird bei dem ersten Schritt des in Fig. 3 dargestellten Verfahrens das Oberflächenreliefmuster eines Masters dazu verwendet, das Oberflächenreliefmuster in vielen Kopien des Masters zu reproduzieren. Da derselbe Master immer wieder verwendet wird, um die Kopien herzustellen, gewährleistet das Verfahren von Natur aus eine hohe Reproduzierbarkeit und kann nicht leicht kopiert werden, so lange man keinen Zugang zum Original-Master hat.

Da die Filterstrukturen der vorliegenden Erfindung alle Anforderungen an eine Beglaubigungsvorrichtung des Typs erfüllen, der im oben erwähnten älteren Patent vorgeschlagen ist, und zusätzlich so extrem schwer zu fälschen sind, ist eine Filterstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung besonders geeignet für die Verwendung als Beglaubigungsvorrichtung.

Die Fig. 8 und 9 sind ähnlich wie Figuren des oben erwähnten Vorschlags. Wie in Fig. 8 dargestellt ist, können eine oder mehrere Beglaubigungsvorrichtungen, wie eine Beglaubigungsvorrichtung 800, mit einem beglaubigten Gegenstand 802 aus einem Flächenmaterial verbunden sein, wie genauer in dem oben erwähnten Vorschlag diskutiert ist. Die Beglaubigungsvorrichtung 800 kann eine Filterstruktur gemäß irgendeinem der Ausführungsbeispiele (beispielsweise dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel) der vorliegenden Erfindung enthalten. Ein Beispiel einer solchen Beglaubigungsvorrichtung 800 ist in Fig. 9 dargestellt. In Fig. 9 enthält die Beglaubigungsvorrichtung 800 einen ersten Bereich 900 mit einer Abmessung W, der von einem zweiten Bereich 902 umgeben ist. Der Bereich 900 kann aus einer ersten Ausführungsform des vorliegenden Subtraktivfarbfilters bestehen, welche Reflexionslicht nullter Ordnung, das einen ersten Farbton (wie etwa rot) hat, wenn es in diffusem polychromatischem Licht unter einem Winkel von 0° bezüglich der Normalen zur Oberfläche der Beglaubigungsvorrichtung 800 betrachtet wird. Der Bereich 902 kann eine zweite Ausführungsform des vorliegenden Subtraktivfarbfilters enthalten, welche Reflexionslicht nullter Ordnung eines zweiten, kontrastierenden Farbtones (wie etwa grün) liefert, wenn sie in diffusem polychromatischem Licht unter einem Winkel von 0° bezüglich der Normalen zur Oberfläche der Beglaubigungsvorrichtung 800 betrachtet wird. Wenn die Beglaubigungsvorrichtung 800 (gewöhnlich zusammen mit den beglaubigten Gegenstand 802) geschwenkt wird, so daß man sie unter einem schrägen Einfallswinkel betrachtet, kann sich der erste Farbton, wie etwa rot, des Bereiches 900 in grün ändern, während sich gleichzeitig der zweite Farbton, wie etwa grün, des Bereiches 902 in Magenta ändern kann. Die Abmessung W des Bereiches 900 ist mindestens so groß, daß der Bereich 902 bei normalen Betrachtungsabständen, wie etwa 30 cm, leicht gesehen werden kann.

Bei einer Beglaubigungsvorrichtung können ebenso wie bei anderen Produkten verschiedene Merkmale der vorliegenden Erfindung mit Vorteil kombiniert werden. Beispielsweise können die Gitterstriche in einem Bereich, wie dem Bereich 900, unter einem anderen Winkel verlaufen als die Gitterstriche eines anderen Bereiches, wie des Bereiches 902. Außerdem können in manchen Bereichen überlappende Gitterlinien verschiedener Periodizitäten d und/oder verschiedener Winkelorientierungen verwendet werden. Die Tatsache, daß die Winkelunterschiede der Spektren sich bei einem Kippen um eine zu den Gitterstrichen parallele Achse und beim Kippen um eine zu den Gitterstrichen senkrechte Achse erheblich unterscheiden, kann in einer Beglaubigungsvorrichtung ebenso wie bei anderen Produkten ausgenutzt werden. Durch Anwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Zeichentext in einer solchen Weise herzustellen, daß er vom Untergrund nur unter bestimmten Betrachtungsbedingungen unterschieden werden kann und nicht bei anderen Betrachtungsbedingungen. Hierbei kann ein fokussierter Laserstrahl verwendet werden, um Textzeichen zu schreiben, indem Teile einer Beugungsstrukturoberfläche, die entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung hergestellt worden war, zerstört werden.

Claims (26)

1. Beugendes Subtraktivfarbfilter, das bei Beleuchtung mit polychromatischem Licht (118) eines vorgegebenen Wellenlängenspektrums

• - Reflexionsspektren, die sich als Funktion des Einfallswinkels α des beleuchtenden Lichtes ändern und für jeden Einfallswinkel getrennte Teile enthalten, die parallel bzw. senkrecht zu einer vorgegebenen Richtung polarisiert sind, und/oder
• - Transmissionsspektren, die im wesentlichen das Komplement des zugehörigen Reflexionsspektrums sind, liefert, mit
  • a) einem ersten optischen Medium (100) vorgegebener Dicke (t) zwischen zwei entgegengesetzten Flächen (102, 104), welches
  • b) einen variierenden Brechungsindex hat, der es in nebeneinander liegende periodische Beugungselemente (106) unterteilt, welche
    • - eine beugende Struktur mit einer Periode (d) bilden und
    • - sich in einer Richtung im wesentlichen parallel zu den genannten Flächen (102, 104) und senkrecht zu der vorgegebenen Richtung erstrecken, so daß die beugenden Elemente (106) jeweils längs einer Richtung verlaufen, die im wesentlichen parallel zu den erwähnten Flächen (102, 104) und parallel zu der vorgegebenen Richtung ist, wobei,
  • c) jedes beugende Element (106) durch die räumliche Verteilung des variirenden Brechungsindex innerhalb seines Volumens in eine Mehrzahl von getrennten dreidimensionalen Bereichen (108, 110, 112) bestimmter, relativ hoher bzw. relativ niedriger Brechungsindexwerte sowie vorgegebener Größe und Form unterteilt ist,
  • d) das gesamte Volumen jedes beugenden Elementes (106) einen mittleren Brechungsindex () aufweist, wobei ferner
  • e) an eine der entgegengesetzten Flächen (102, 104) ein zweites optisches Medium (114) angrenzt, das einen vorgegebenen zweiten Brechungsindex (n₂) hat, der kleiner als der mittlere Brechungsindex () ist;
  • f) an die andere der entgegengesetzten Flächen (102, 104) ein drittes optisches Medium (116) mit einem dritten Brechungsindex (n₃), der ebenfalls kleiner als der mittlere Brechungsindex () ist, angrenzt und
  • g) bei allen Vakuumwellenlängen innerhalb eines Teilintervalls des beleuchtenden Wellenlängenspektrums, das von einer minimalen Wellenlänge λ₁ bis zu einer maximalen Wellenlänge λ₂ reicht, die folgenden Beziehungen gelten (1)  d (max n₂, n₃) < λ₂
    (2)  d ( + 1) < λ₁
    (3)  4 t </=g₁,

wobei "max (. . .)" den größeren der beiden in der Klammer stehenden Werte bedeutet und die Merkmale a), b), e) und f) den Oberbegriff und die übrigen Merkmale das Kennzeichen bilden.

2. Farbfilter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Vakuumwellenlängen des Teilintervalles des Wellenlängenspektrums des beleuchtenden polychromatischen Lichtes die Vakuumwellenlängen im Bereich von 0,4 bis 0,7 Mikrometer des sichtbaren Lichts umfaßt.

3. Farbfilter gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel α irgendein Winkel zwischen 0° und 90° in einer Ebene senkrecht zu den genannten Flächen und parallel zu der genannten vorgegebenen Richtung ist.

4. Farbfilter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das zweite optische Medium ein festes Material enthält, das an eine der entgegengesetzten Flächen (102) des ersten Mediums laminiert ist,
daß das dritte optische Medium ein festes Material enthält, das an die andere der entgegengesetzten Flächen (104) des ersten Mediums laminiert ist (Fig. 2).

5. Farbfilter gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß jedes beugende Element des ersten optischen Mediums
a) mindestens einen ersten Bereich (306) aus einem festen Material, das einen Brechungsindex n₁, der größer als sowohl n₂ als auch n₃ ist,
b) mindestens einen zweiten Bereich, der das zweite optische Medium (308) berührt, welcher aus demselben festen Material wie das zweite optische Medium zusammengesetzt ist, und
c) mindestens einen dritten Bereich, der das dritte optische Medium (304) berührt, welcher aus demselben festen Material wie das dritte optische Medium zusammengesetzt ist, enthält (Fig. 3, 3a).

6. Farbfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite und das dritte optische Medium aus dem gleichen festen Material zusammengesetzt sind, wobei n₂ gleich n₃ ist.

7. Farbfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich (306) sowohl den zweiten Bereich als auch den dritten Bereich berührt.

8. Farbfilter gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Bereich den dritten Bereich berührt (Fig. 3, 5, 7).

9. Farbfilter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite und das dritte optische Medium aus dem gleichen festen Material zusammengesetzt sind, wobei n₂ gleich n₃ ist.

10. Farbfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich zwischen dem zweiten und dem dritten Bereich angeordnet ist und den zweiten Bereich vollständig vom dritten Bereich trennt, so daß keine Berührung zwischen dem zweiten und dem dritten Bereich besteht (Fig. 3a, 4).

11. Farbfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte optische Medium (304) und alle dritten Bereiche des ersten optischen Mediums (306) in einem Beugungsgitter enthalten sind, das durch eine vorgegebene periodische Wellenform gebildet wird, die die genannte Periode (d) und eine vorgegebene Amplitude (a) hat und als Oberflächenreliefmuster in ein festes Material mit dem dritten Brechungsindex (n₃) eingeprägt ist,
daß alle ersten Bereiche des ersten optischen Mediums aus einem festen Material bestehen, das den ersten Brechungsindex (n₁) hat und auf mindestens einem Teil des Oberflächenreliefmusters niedergeschlagen ist, wobei das niedergeschlagene Material vorgegebene Dicken- und Formeigenschaften hat und daß das zweite optische Medium und alle zweiten Bereiche des ersten optischen Mediums in einem Überzug aus festem Material, das den zweiten Brechungsindex (n₂) hat, enthalten sind, der das Oberflächenreliefmuster und das niedergeschlagene Material bedeckt, wobei der Überzug alle diejenigen Teile des ersten optischen Mediums ausfüllt, die nicht durch die ersten und die dritten Bereiche eingenommen werden.

12. Farbfilter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des ersten Brechungsindex (n₁) zum größeren des zweiten und dritten Brechungsindex (n₂, n₃) mindestens 1,5 ist.

13. Farbfilter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite und der dritte Brechungsindex (n₂, n₃) beide einen Wert von im wesentlichen 1,5 haben,
daß der erste Brechungsindex (n₁) einen Wert im Bereich von 1,7 bis 5 hat,
daß die Periode (d) der periodischen Wellenform einen Wert im Bereich von 0,1 bis 0,45 Mikrometer hat, wobei die Amplitude (a) dieser periodischen Wellenform einen Wert im Bereich von 0,1 bis 0,2 Mikrometer hat, und wobei das Wellenlängenspektrum des polychromatischen beleuchtenden Lichtes Vakuumwellenlängen im Bereich von 0,4 bis 0,7 Mikrometer des sichtbaren Lichts enthält.

14. Farbfilter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Wellenform des Beugungsgitters eine Rechteckwellenform ist.

15. Farbfilter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Bereiche entsprechende Schichten des niedergeschlagenen Materials enthalten, die jeweils die Berge und die Täler der rechteckigen Wellenform bedecken.

16. Farbfilter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die niedergeschlagene Schicht, die die Berge und die Täler der rechteckigen Wellenform bedeckt, im wesentlichen die gleiche vorgegebene Dicke (c) hat.

17. Farbfilter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der vorgegebenen Dicke (c) kleiner als der Wert der Amplitude (a) ist.

18. Farbfilter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der vorgegebenen Dicke (c) größer als der Wert der Amplitude (a) ist.

19. Farbfilter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die niedergeschlagene Schicht, die die Täler der rechteckigen Wellenform bedeckt, eine Dicke hat, die größer als die Dicke der niedergeschlagenen Schicht, welche die Berge bedeckt, jedoch kleiner als die Summe der Amplitude (a) der rechteckigen Wellenform und der Dicke der niedergeschlagenen Schicht, die die Berge der rechteckigen Wellenform bedeckt, ist.

20. Farbfilter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Bereiche L-förmige Schichten aus dem niedergeschlagenen Material enthalten, die die Berge und bestimmte der beiden Seiten der rechteckigen Wellenform bedecken, wobei die niedergeschlagenen Schichten, die die Berge bedecken und die die bestimmten der beiden Seiten der rechteckigen Wellenform bedecken, jeweils entsprechende Dicken haben (Fig. 5).

21. Farbfilter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Wellenform des Beugungsgitters eine Dreieckwellenform ist (Fig. 7).

22. Farbfilter nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Bereiche Schichten aus niedergeschlagenem Material enthalten, die eine bestimmte Seite der Dreieckwellenform bedecken.

23. Verwendung des Farbfilters gemäß Anspruch 1, bei welcher
(a) das Filter mit diffusem polychromatischem sichtbarem Licht beleuchtet wird, das die Wellenlängen enthält, die sich von λ₁ < g < λ₂ des Teilintervalles erstrecken;
(b) ein erster Farbton des Lichtes betrachtet wird, das vom Filter bei einem ersten vorgegebenen Winkelwert α₁ in einem Bereich zwischen Null und α reflektiert wird, und
(c) ein zweiter vom Farbton verschiedener Farbton des Lichtes betrachtet wird, das von dem Filter bei einem zweiten vorgegebenen Winkelwert α₂ in dem Bereich zwischen Null und α, der vom ersten vorgegebenen Winkelwert α₁ verschieden ist, reflektiert wird.

24. Verwendung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß bei (a) der Filter mit diffusem weißen Licht, das ein von 0,4 bis 0,7 Mikrometer reichendes Wellenlängenspektrum hat, enthält, beleuchtet wird.

25. Verwendung des Farbfilters nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Beglaubigungsvorrichtung (800), welche die Echtheit eines mit ihr versehenen fälschungsgefährdeten Gegenstandes (802) aus Flächenmaterial festzustellen gestattet, wobei das dritte optische Medium (304) mit dem Gegenstand (802) verbunden ist.