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Diese Erfindung bezieht sich auf
eine transparente Oberfläche,
die verschiedene Wellenlängen auf
bestimmte Weise selektiv absorbiert, reflektiert oder durchlässt. Sie
wird insbesondere, aber nicht ausschließlich im Bereich fälschundgssicherer
Einrichtungen verwendet.
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Im Kampf gegen die Fälschung
gibt es einen ständig
steigenden Druck, Sicherheitseinrichtungen und Markierungen zu entwickeln,
die schwierig zu fälschen,
das heißt
zu vervielfältigen
sind. Darüber
hinaus ist eine Anforderung, dass solche fälschungssicheren Einrichtungen
einfach und effektiv zu benutzen sind, ohne dass zusätzliche,
oft teure Ausrüstung benötigt wird.
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EP-A-0194042 veröffentlicht eine Oberfläche, die
Reliefelemente hat, die zwei Muster definieren. Diese Reliefelemente
sind so strukturiert, dass bei einem Wechsel der Betrachtungsrichtung
der Oberfläche
sich die jeweilige Deutlichkeit der zwei Muster ändert.
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Die Erfindung umfasst ein Verfahren
zur Bestimmung, ob ein Artikel gefälscht ist, das folgendes umfasst:
- a) Vorsehen einer mehrschichtigen Oberfläche mit
einer Textur,
- b) Bestimmung der Reflexionseigenschaften der Oberfläche, wobei
die Reflexion aufgrund von Mehrfachreflexionen von den Oberflächen der mehrfachen
Schichten der Oberfläche
stattfindet,
- c) Vergleichen dieser mit den erwarteten Eigenschaften, um zu
bestimmen, ob die Oberfläche gefälscht ist.
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Vorzugsweise ist die Oberfläche mehrfach beschichtet
und besteht aus einem transparenten Substrat, auf das auf einer
Seite wenigstens zwei dünne
Schichten aufgebracht sind, wobei die Schichten verschiedene Brechungsindizes
haben, sodass ausgewählte
Wellenlängen/Farben
durchgelassen oder reflektiert werden.
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Die mehreren dünnen Schichten, die auf einen
transparentes Substrat aufgebracht sind, liefern wegen vielfacher
Reflexionen an den Oberflächen zwischen
den Materialien konstruktive und destruktive Interferenzeffekte.
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Bevorzugt sind die Schichten aus
Metalloxiden, Metallsulfiden oder Polymermaterialien hergestellt.
Individuelle Schichten haben im Vergleich zu der Strahlung, die
verwendet werden soll, im Allgemeinen eine Dicke von weniger oder
gleich einer halben Wellenlänge
(z. B. ist jede Schicht für
sichtbares Licht im allgemeinen weniger als 400 Nanometer dick).
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Auf die Oberfläche des Substrates kann auf der
Seite, die den dünnen
Schichten gegenüberliegt, eine
gefärbte
oder neutral abschwächende
Schicht aufgebracht sein.
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Eine solche Oberfläche kann
als fälschungssicheres
Etikett verwendet werden, wobei das Substrat vorzugsweise aus transparenten
Kunststoffmaterial besteht.
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Die Erfindung besteht auch aus einem
Verfahren zur Bestimmung, ob ein Artikel gefälscht ist, folgendes umfasst:
- a) Vorsehen einer solchen Oberfläche wie
oben;
- b) Bestimmung der Eigenschaften der Absorption der Transmission
bezüglich
Frequenzen/Farben;
- c) Vergleichen dieser mit den erwarteten Eigenschaften, um zu
bestimmen, ob die Oberfläche gefälscht ist.
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Schritt (b) kann einen Vergleich
der reflektierten und/oder durchgelassenen Spektren unter verschiedenen
Einfallswinkeln und/oder linearen Polarisationszuständen der
einfallenden Strahlung einschließen.
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Wenn die Oberflächen eine Textur aufweisen,
kann der Schritt (b) außerdem
die Erfassung von Änderungen
der Polarisationszustände
der einfallenden Strahlung beinhalten.
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Der unabhängige Anspruch 8 legt eine
Oberfläche
mit einer Textur offen. Der unabhängige Anspruch 10 legt eine
Sicherheitseinrichtung offen.
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Die Erfindung wird nun, nur als Beispiel,
und mit Bezug auf die folgenden Figuren beschrieben, von denen:
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1 eine
ebene Basisoberfläche
mit mehreren Schichten zeigt;
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2 ein
fälschungssicheres
Etikett zeigt, das eine Ausführung
der Oberfläche
in 1 ist.
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3a zeigt
eine Oberfläche
mit mehreren Schichten, die mit Vertiefungen versehen ist. Die 3b und 3c zeigen Querschnitte durch die Oberflächen mit
den Vertiefungen.
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4 zeigt
eine Mehrfachschicht, die eine Oberfläche mit Sinusprofil hat.
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5 zeigt
den Effekt einer Farbverschiebung einer Mehrfachschicht (wie in 1), die von dem Einfallswinkel
des auftreffenden Lichts abhängt.
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6 zeigt
den Effekt von linearer Polarisation, wenn man Licht auf eine Mehrfachschicht
(oder einen Teil einer Mehrfachschicht) unter einem Einfallswinkel
von 45 Grad einfallen lässt.
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Einfache Ausführung mit
Mehrfachschichten
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1 zeigt
ein Substrat 1, das eine Glasplatte enthält, auf
der eine Mehrfachschicht 2 aufgebracht ist, die Zwischenschichten
aus ZnS und MgF2 umfasst, die mit den Referenznummern 3 und 4 bezeichnet
sind. Diese sind thermisch auf die Glasplatte aufgedampft, das ZnS
zuerst, wobei alle Schichten (insgesamt acht) 120 nm dick sind.
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Andere Methoden, die Schichten aufzubringen,
sind Sputtern, Aufdampfen mit Elektronenstrahl oder Laseroxidation
von Metallen. Andere, Fachleuten gut bekannte Materialien wie etwa
TiO2 oder Polymere können alternativ als Schichten
verwendet werden. Ein gegebener Aufbau mit mehreren Schichten erzeugt
ein Reflektivitätsverhalten,
das mit den Fresnelschen Gleichungen vorhergesagt werden kann; es
wird sowohl aus der abgeschiedenen Schichtdicke des Oxids als auch
aus dem Brechungsindex bestimmt. Das Verhalten variiert sowohl mit
dem Einfallswinkel als auch mit der Polarisation des Lichts der
Beleuchtung.
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In dem Beispiel von 1, in dem weißes Licht mit senkrechtem Einfall
auf die Oberfläche
mit Mehrfachschichten fällt, hat
das reflektierte Licht blaue Farbe, und die durchgelassene Farbe
ist orange. Wenn die Oberfläche
mit der Substratseite an einen schwarzen Hintergrund angelegt wird,
kann man nur blau sehen (das durchgelassene orange Licht wird absorbiert).
Wenn der Hintergrund weich und stark reflektierend ist (weißer oder
metallischer Glanz), dann wird das gesamte durchgelassene orange
Licht durch die Schicht zurückreflektiert
und die Oberfläche
erscheint weiß oder
schwach gefärbt. Wenn
ein weißer
und rauer (das heißt
diffus streuender) Hintergrund hinter die Oberfläche mit der Mehrfachschicht
angelegt wird (an die Substratseite), dann erscheint die Oberfläche orange,
weil das durchgelassene Licht überwiegt.
Dies liegt daran, dass das einzige blaue Licht, das das Auge erreicht, von
spekularen Reflexionen (das heißt,
wie an einen Spiegel) von der Mehrfachschicht kommt, wogegen das
gesamte durch die Schicht durchgelassene Licht diffus durch sie
zurückreflektiert
wird, unabhängig von
seinem Einfallswinkel (siehe 3).
Folglich überwiegt
unter allen, außer
unter stark gerichteten Beleuchtungsbedingungen, das orange Licht.
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Die Dicke der Schichten sollte zwischen ½ und 1
Wellenlänge
des in der Anwendung verwendeten Licht des liegen. Für sichtbares
Licht sollte die Dicke unterhalb von 800 nm liegen.
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Einrichtung gegen Fälschung
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Die Mehrfachschicht nach der Erfindung kann
als Einrichtung gegen Fälschung
verwendet werden. Die Oberfläche
mit der Mehrfachschicht kann an einen geeigneten Hintergrund (mit
der Substratseite) angelegt werden, wie etwa ein schwarz und weiß kodierter
Hintergrund mit/ohne Farben sein. Die beobachtete Farbe kann im
Vergleich zu zwei Farben untersucht werden, die auf die kodierte Oberfläche neben
den schwarzen und weißen
Elementen aufgebracht ist.
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2 zeigt
eine praktische Ausführung
des Sicherheitsetiketts. Die Mehrfachschicht 2 ist auf
einen Teil eines flexiblen, durchsichtigen Kunststoffschildes 5 abgeschieden;
das heißt,
es dient als Substrat. Auf den anderen Teil sind schwarze und (diffus reflektierende)
weiße
Quadrate 6 beziehungsweise 7 aufgedruckt. Ebenso sind orange
8 und blau 9 gefärbte
Quadrate mit spezieller Färbung
darauf gedruckt. Das Schild kann dann entlang einer Falz A-A gefaltet
werden, sodass die Quadrate unter dem Kunststoffschild liegen. Wenn
die blaue Reflexion, die auf der Mehrfachschicht über dem
schwarzen Quadrat beobachtet werden kann, nicht die gleiche Färbung wie
die blaue Druckfarbe hat und/oder die durch die Mehrfachschicht über dem
weißen
Quadrat durchgelassene orange Farbe nicht die gleiche Färbung wie
die orange Druckfarbe hat, ist die Mehrfachschicht gefälscht.
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In einer alternativen Ausführung mit
einem schwarz/weiß/gefärbten Hintergrund
kann eine Oberfläche
durch verschiedene Einrichtungen dauerhaft an das Substrat geklebt
werden, das heißt,
das Substrat selbst kann als Teil des Musters verwendet werden,
wenn es eine geeignete Farbe hat.
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In einer anderen Ausführung wird
die Mehrfachschicht auf einem diffus reflektierenden weißen Substrat
aufgebracht, und seine Oberfläche
wird senkrecht beleuchtet und beobachtet (z. B. durch zwei parallele
Fasern, von denen eine Licht überträgt, während die
andere die Reflexion detektiert). Wenn nur das senkrecht einfallende
Licht gemessen wird, dann wird das orange durchgelassene Licht am Substrat
gestreut und gibt einen geringes Signal an den Detektor zurück, und
die blaue Reflexion überwiegt.
Folglich wird das Gerät
anzeigen, dass die Oberfläche
blau ist, während
für das
Auge das Material wegen des Umgebungslichts orange erscheint.
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Einfluss des
Einfallswinkels
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Wie in 3 gezeigt
ist, beeinflusst der Winkel, unter dem das Licht eine Mehrfachschicht
trifft, ihr Reflexionsverhalten (und folglich das Verhalten ihrer
Transmission). An dem Beispiel der Mehrfachschicht oben, die acht
Zwischenschichten aus ZnS und MgF2 umfasst,
kann man sehen, dass mit der Vergrößerung des Einfallswinkels
das reflektierte Licht von der Oberfläche zu kürzeren Wellenlängen übergeht,
und folglich ändert
sich die Farbe von Blau nach Purpur (während die Transmission von
Orange nach Gelb übergeht).
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Es wird vorgeschlagen, die Winkelabhängigkeit
der Farbe von einer ebenen Mehrfachschicht zu nutzen, indem mit
einer Vorrichtung gleichzeitig Reflexions- oder Transmissionsspektren
unter verschiedenen Winkeln aufgenommen und diese mit zu erwartenden
Werten zu verglichen werden.
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Effekte der
Polarisationszustände
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Wie in Figur vier gezeigt ist, beeinflusst
die Polarisation des Lichts die Reflexionsspektren (und folglich
die Transmissionspektren) von Mehrfachschichten. In dem Diagramm
soll linear polarisierte TM-Strahlung
als Strahlung verstanden werden, bei der der elektrische Vektor
in der Einfallsebene der ankommenden Strahlung liegt, während für TE-Strahlung
der elektrische Vektor parallel zu der getroffenen Oberfläche liegt.
Bei senkrechtem Einfall ist die Reflektivität für TE und TM gleich, aber bei
jedem anderen Winkel weichen ihre Spektren voneinander ab. Es wird
vorgeschlagen, mit jeder Messung unter nicht senkrechtem Einfall
zwischen verschiedenen Polarisationen zu unterscheiden, um damit
zwischen verschiedenen Mehrfachschichten zu unterscheiden. Dies
kann z.B. erreicht werden, indem ausgerichtete Folienpolarisatoren über die
Lichtquelle und den Detektor angeordnet werden, die alle Messungen
auf eine lineare Polarisation beschränkt. Wenn Infrarotstrahlung
verwendet werden soll, dann können
Drahtgitterpolarisatoren die Folienpolarisatoren ersetzen.
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Substrat/Schicht-Ausführung mit
Textur
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In einer alternativen Ausführung weist
die Mehrfachschicht eine Textur auf. Zum Beispiel kann die Oberfläche mit
Mehrfachschichten mit einem Rillenprofil, einem Profil mit Vertiefungen
oder einem wellenförmigen
Profil hergestellt werden. Auf diese Weise können Polarisationseffekte oder
Effekte durch Änderungen
des Einfallswinkels des Lichtes mittels Messungen mit senkrechtem
Einfall genutzt werden.
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5a zeigt
eine mit Vertiefungen versehene Oberfläche beziehungsweise zeigt 5b einen Querschnitt durch
solch eine Oberfläche.
Die Oberfläche mit
Mehrfachschicht ist mit kreisförmigen
Vertiefungen von ungefähr
5 Mikrometer Durchmesser versehen (die kleinste bevorzugte Größe sichtbares
Licht).
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5c zeigt
eine mit Vertiefungen versehene Oberfläche, wobei das Substrat 1 selbst
Vertiefungen aufweist. Alternativ können die Seiten der Vertiefungen
senkrecht sein, und in diesem Fall ist dies gleichwertig mit einem
Substrat mit mehrfach beschichteten Bereichen.
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Die Oberfläche mit Textur kann jedes geeignete
Profil haben; sie kann kugelförmig
oder eben unter 45 Grad sein oder Seiten mit jedem anderen Winkel
aufweisen.
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6 zeigt
eine texurierte, mehrfach beschichtete Oberfläche mit Wellenformprofil mit
Spitzen 11 und Tälern 12.
Der Abstand zwischen den Spitzen (die Wellenlänge) liegt in der Größenordnung von
wenigstens fünf
Mikrometer und die Tiefe der Täler
liegt in der Größenordnung
der Hälfte
der Wellenlänge.
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Der Durchmesser der Vertiefungen
(oder der Abstand zwischen Spitzen in einer wellenförmigen Oberfläche) ist
wichtig und darf nicht zu klein sein. Wenn der Durchmesser viel
kleiner als die Wellenlänge
des Lichts ist, sind die Vertiefungen nicht sichtbar. Wenn die zwei
Werte vergleichbar sind, dann sind die Beugungseffekte komplex und
lenken das Licht in andere Richtungen ab. Folglich wird ein Durchmesser von
vier oder mehr Wellenlängen
für die
Abmessungen solcher Vertiefungen bevorzugt.
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Wenn die texturierte Oberfläche direkt
von oben beleuchtet wird, dann weist sie Bereiche der Mehrfachschicht
mit senkrechter Beleuchtung (die Täler und die Spitzen des Profils),
und andere in diskreten Winkeln von ungefähr 45 Grad (die schrägen Bereiche)
auf. Licht, das die Bereiche mit 45 Grad trifft, wird quer zum gegenüberliegenden
schrägen Element
reflektiert, und danach zurück in
Richtung der Lichtquelle. Diese erzeugt gleichzeitig zwei Bestandteile
des Lichtes mit verschiedenen Reflektivitätsspektren, und folglich zwei
Farben.
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Es wird vorgeschlagen, dass Oberflächen mit
Texturen wie diese dazu verwendet werden können, zweifarbige Reflexionen
zu erzeugen, bei denen die einzelnen Elemente zu klein sind, um
sie mit bloßem
Auge aufzulösen.
Die Farben überlagern
sich dann, und erzeugen eine gleichförmige Erscheinung einer einzelnen
Farbe, aber die versteckten Elemente können mit einem Mikroskop betrachtet
werden.
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Es wird außerdem vorgeschlagen, die polarisationsabhängige Reflektivität dazu zu
verwenden, eine gegebene Struktur weiter zu unterscheiden, wenn
die von den schrägen
Elementen reflektierten Farben etwas Polarisationsabhängigkeit
zeigen.
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Eine weitere Ausführung der Erfindung verwendet
ebene Bereiche einer Mehrfachschicht auf einem gefärbten Substrat
wie in 3. Die Farbe
der Reflexion von den Mehrfachschichten bei senkrechtem Einfall
kann der Farbe des Substrates angeglichen werden, was die Bereiche
von dem Substrat ununterscheidbar macht, außer man betrachtet sie unter
einem solchen Winkel, dass die Bereiche in einer anderen Farbe erscheinen.
Dieser Effekt kann durch zusätzliche
Verwendung von Polarisationsunterschieden weiter verstärkt werden.
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Polarisationsumwandlung
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Ein weiterer Aspekt der Verwendung
einer Oberfläche
mit Textur hat zur Folge, dass ist möglich ist, den linearen Polarisationswinkel
um 90 Grad zu drehen, wie es in den 7a bis 7c gezeigt ist. TM-Strahlung
wird um 180 Grad gedreht, während TE
nicht gedreht wird, aber in beiden Fällen bleibt die Polarisationsebene
unverändert.
Wenn jedoch gleiche Bestandteile von TE und TM vorhanden sind, dann
ist der Endeffekt, dass die resultierende Polarisationsebene um
90 Grad gedreht wird.
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Nehmen wir das Beispiel einer kreisrunden Vertiefung,
und markieren wir ihren Umfang wie ein Zifferblatt. Angenommen,
das Licht trifft die linke Seitenwand (9 Uhr), wobei der elektrische
Vektor parallel zu der Seitenwand liegt (das heißt TE-Polarisation). Wenn alle
Photonen, die die Vertiefung treffen, parallele elektrische Vektoren
haben, dann muss Licht, das von 12 Uhr nach 6 Uhr reflektiert wird,
die Wände als
TM-polarisiertes Licht treffen. Jedoch hat Licht, das die Seitenwand
auf halber Strecke zwischen 9 und 12 trifft, gemischte Polarisation,
halb TM und halb TE.
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Es wird deshalb vorgeschlagen, linear
polarisiertes Licht unter einem solchen Winkel auf eine Mehrfachschicht
mit Textur fallen zu lassen, dass die resultierende Ebene des elektrischen
Vektors um 90 Grad gedreht wird, und dass dies detektiert wird,
indem senkrecht zueinander angeordnete Polarisatoren über der
Lichtquelle und dem Detektor angebracht werden. Ohne diese Polarisatoren
können
die gewöhnlichen
Farben (wie oben beschrieben) beobachtet werden, aber wenn die Polarisatoren
angebracht sind, kann nur Licht detektiert werden, das umgewandelt
wurde (z. B. 4 Stellen an der Kante einer kugelförmigen Vertiefung, oder es
wird – bei
einer festen Struktur – das
Licht nur dann detektiert, wenn der elektrische Vektor die Erhebungen
unter einem Winkel trifft, der weder parallel noch senkrecht zu
den Vertiefungen ist). Wenn das Reflexionsspektrum des Lichtes,
das die Kante trifft, von dem verschieden ist, das den Boden der
Vertiefung trifft, hat das Signal mit umgewandelter Polarisation
darüber
hinaus eine Farbe, die von dem unpolarisierten Fall verschieden
ist.
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In der bevorzugten Ausführung ist
die Mehrfachschicht mit Vertiefungen versehen, wobei die Vertiefungen
ebene Seiten mit einem Winkel von 45 Grad aufweisen, da diese die
Lichtmenge maximieren, das bei normaler Beleuchtung quer und zurück zum Beobachter
reflektiert wird, und maximiert folglich das Signal mit Polarisationsumwandlung.
Im allgemeinen müssen
die Vertiefungen so geformt sein, dass etwas Licht mit senkrechtem
Einfall durch Reflexion zu der Quelle zurück gelenkt (d.h. retroreflektiert)
wird. Der Durchmesser der Vertiefungen sollte ausreichend groß sein,
sodass das Licht spekular reflektiert werden kann (das heißt, spiegelnd
reflektiert) und Beugungseffekte minimiert werden.
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Herstellung
der Textur
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Wenn die Mehrfachschicht eine Oberfläche mit
Textur aufweist (das heißt,
eine unebene Oberfläche),
können
verschiedene Herstellungsverfahren angewendet werden. Ein möglicher
Weg ist es, die Mehrfachschichten direkt auf ein Substrat mit Textur (d.h.
ein Beugungsgitter) abzuscheiden. Es kann erforderlich sein, das
Gitter während
der Abscheidung hin- und her zu bewegen, um eine gleichmäßige Schichtdicke
zu gewährleisten.
Ein anderes Verfahren ist es, in eine dicke Mehrfachschicht hineinzuätzen, um
verschiedene Dicken der Mehrfachschicht zu erzeugen (d.h. eine Struktur
mit zehn Schichten, die in bestimmten Bereichen auf zwei heruntergeätzt wurde).
Ein weiteres alternatives Verfahren ist es, dielektrische Merkmale
(z. B. härtere
Erhebungen aus Fotoresist) auf der Oberfläche einer ebenen Mehrfachschicht
zu benutzen, um das Licht in bestimmten Bereichen umzulenken (zu
brechen), was folglich den Einfallswinkel und die beobachtete Farbe ändert.
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Obwohl die Erfindung vor allem in
Bezug auf Absorption in der Transmission von sichtbaren Wellenlängen (Farben)
diskutiert wurde, soll bemerkt sein, das sie nicht auf das sichtbare
Spektrum beschränkt
ist und mit Strahlung mit anderen Frequenzen verwendet werden kann,
vorausgesetzt, dass die richtige Größe der Abmessungen gewählt wird.