DE68925484T2

DE68925484T2 - Diffraktionsgitter

Info

Publication number: DE68925484T2
Application number: DE68925484T
Authority: DE
Inventors: Richard Goodman; Wayne Jackson; Robert Lee
Original assignee: Reserve Bank of Australia
Current assignee: Reserve Bank of Australia
Priority date: 1988-12-19
Filing date: 1989-12-19
Publication date: 1996-06-27
Anticipated expiration: 2009-12-20
Also published as: WO1990007133A1; EP0449893B1; KR910700471A; ATE133271T1; CA2006056A1; KR0163018B1; EP0449893A1; US5335113A; AU633862B2; ES2081972T3; AU4811090A; CA2006056C; DE68925484D1; EP0449893A4

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Diffraktionsgitter-Vorrichtung und ein Verfahren, um ein Diffraktionsgitter zu bilden, und sie betrifft insbesondere, aber nicht ausschliesslich, Diffraktionsgitter, die als Sicherheitseinrichtungen, zum Beispiel für Banknoten und Kreditkarten, verwendet werden können.
Die traditionelle Sicherheitseinrichtung die verwendet wird, um das Unterscheiden von echten Banknoten und Fälschungen zu unterstützen, besteht aus einer eingearbeiteten Metallfolie. Diese Vorrichtung stellt für professionelle Fälscher keine grosse Herausforderung dar, und es wurde schon seit einiger Zeit als erstrebenswert erachtet, befriedigende Sicherheitsmerkmale zu entwickeln, die höher entwickelt sind und weniger einfach reproduziert werden können als Streifen aus Metalifohe. Ältere Vorschläge, von denen einige besonders im Hinblick auf die kürzliche Entwicklung von Banknoten mit einer längeren Lebenszeit, welche Plastikbeschichtungen aufweisen, gemacht wurden, umfassten Beugungsstrukturen wie Vorrichtüngen aus mehreren Filmen, geradlinige Gitter, Hologramm- Bilder und Liniengitter mit präzise bestimmten Rillen von veränderlicher Tiefe. Keiner dieser Vorschläge erwies sich jedoch als fruchtbar, weil die hergestellten optisch veränderbaren Muster kein annehmbares Niveau von Stabilität in ihrer Struktur aufwiesen, sobald die Noten im täglichen Gebrauch stark faltig wurden. Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, dieses Problem in einer Vorrichtung von angemessener Komplexität für die Verwendung als Sicherheitsmerkmal von Banknoten zu überwinden.
In einer Hinsicht enthält die Erfindung im wesentlichen einen bedeutenden praktische Gebrauch der gegenwärtigen Theorie des Erfinders über verallgemeinerte krummlinige Diffraktionsgitter bei optischen Diffraktionskatastrophen. Die Theorie ist in Optica Acta 1983, Vol. 30, Nr. 3 und 4 dargestellt, und die Anwendung auf optische Diffraktionskatastrophen ist in Vol. 30, Nr. 4, 449 - 464 sowie in Vol. 32, Nr. 5, 573 - 593 offenbart. Insbesondere wurde erkannt, dass die oben erwähnte Aufgabe gelöst werden kann, indem eine Matrix von Diffraktionskatastrophen-Pixel auf ein reguläres Diffraktionsgitter gelegt wird.
In EP-A-0 105 099 wird eine Diffraktionsgitter-Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 offenbart. Insbesondere beschreibt EP-A-0 105 099 eine Diffraktionsgitter-Vorrichtung, die eine Vielzahl von gepixelten Diffraktionsgitter-Teilen umfasst, in denen jedes Pixel ein individuelles Diffraktionsgitter aus krummlinigen reflektierenden öder durchlässigen Linien ist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben erwähnten Probleme in einer Vorrichtung zu überwinden, die optisch veränderbare Muster erzeugt, welche ein annehmbares Niveau von Stabilität in ihrer Struktur aufweisen.
Um dies zu erreichen, ist die Diffraktionsgitter-Vorrichtung der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 1 festgelegten Merkmale gekennzeichnet.
Gemäss der Erfindung erzeugt die Gitter-Vorrichtung, wenn sie beleuchtet wird, ein zweidimensionales optisches Katastrophen Bild- Diffraktionsmuster, wobei das gesamte Bild-Diffraktionsmuster des Gitters optisch veränderbar, aber in seiner Struktur stabil ist.
Mit "Bild-Diffraktionsmuster" ist im Zusammenhang mit dieser Beschreibung das optische Bild gemeint, das durch das blosse Auge, welches auf das Gitter fokussiert ist, beobachtete wird, wenn das Gitter durch eine beliebig aufgeweitete diffuse Quelle von endlicher Breite, wie eine fluoreszierende Föhre, beleuchtet wird. Ein Muster wird hierbei als "optisch veränderbar" beschrieben, wenn es entsprechend der Beobachtungsposition ändert, und es ist "in seiner Struktur stabil", wenn seine grobe Form bei einem beliebigen Beobachtungspunkt durch eine Verzerrung der Gitteroberfläche nicht wesentlich verändert wird.
Mathematisch ausgedrückt sind die reflektierenden / durchlässigen Linien des Gitters vorteilhafterweise derart, dass sie, als Funktion der Koordinaten x, y in der Gitterebene, durch die Gleichung S(x, y) = kN definiert sind, wobei k ein Massstabfaktor ist, N eine ganze Zahl ist und die Funktion S(x, y) gegeben ist durch:
S(x, y) = W(x, y) + P(x, y) + C(x, y) ... (1)
wobei S(x, y) die ursprüngliche Phasenfunktion ist, welche vom Gitter erzeugt wird, wenn es senkrecht mit einer parallel gerichteten monochromatischen Lichtwelle beleuchtet wird, W(x, y) eine Trägerwelle von nicht-nullter Ordnung ist, P(x, y) eine Bild- oder Porträt-Funktion ist, welche die grobe Form des Bild-Diffraktionsmusters bestimmt, und welche sich stückweise relativ langsam bezüglich x und y verändert, und C(x, y) eine periodische Gitterfunktion von x und y ist, welche sich bezüglich x und y relativ schnell verändert und deren Umhüllende nicht identisch null ist, ausser entlang gewissen charakteristischen Linien , welche den kaustischän Linien in den Fresnel'schen und Frauenhofer'schen Diffraktionsmustern des Gitters entsprechen.
Die Umhüllende von C(x, y) ist eine gewöhnliche komplexe Ableitung, die wie folgt ausgedrückt wird:
[δ²C(x, y) / δx²] [δ²C(x, y)/ δy²] - [δ²C(x, y) / δxδy]² ... (2)
Die Bedingung, dass die Umhüllende nicht identisch null sei ausser entlang gewissen charakteristischen Linien ist eine Bedingung für ein optisches Katastrophen Bild-Diffraktionsmuster in Übereinstimmung mit der oben erwähnten Theorie über verallgemeinerte krummlinige Diffraktionsgitter. Die Funktion C(x, y) kann demzufolge als die Katastrophen-Funktion für das Gitter beschrieben werden.
Die rechte Seite der Gleichung (1) kann einen weiteren addierten Ausdruck F(x, y) umfassen, bei dem es sich um ein Fokussierglied der Form F(x, y) = b&sub1;x² + b&sub2;y² handelt, wobei b&sub1; und b&sub2; Konstanten sind, die so gewählt sind, dass die gebeugten Wellen im gewünschten Abstand vom Gitter fokussiert werden.
Die Pixel haben vorzugsweise eine Fläche von weniger als 1 mm², am bevorzugtesten eine Fläche zwischen 0.25 und 0.75 mm². Die reflektierenden / durchlässigen Linieh bestehen vorteilhafterweise aus reflektierenden Rillen, z. B. quadratisch oder sinusförmig geschnittenen Rillen, oder einer Kombination von quadratisch oder sinusförmig geschnittenen Rillen, in einer matallisierten Oberfläche.
Die Erfindung kann bei einer Sicherheitseinrichtung verwendet werden, bei der eine Vielzahl von Bereichen des Diffraktionsgitters mindestens teilweise durch eine Vielzahl von gitterfreien Bereichen getrennt ist, wobei jeder gitterfreie Bereich eine Abmessung hat, die wenigstens gross genug ist, dass er vom menschlichen Auge aufgelöst werden kann, und wobei die gesamten gitterfreien Bereiche nicht grösser sind als ungefähr 20 bis 50% der gesamten Fläche des Gitters.
Die gegenwärtig bevorzugte optimale gitterfreie Fläche beträgt ungefähr 30%, wobei jedoch anerkannt werden soll, dass diese Zahl etwas willkürlich ist.
Jeder Bereich des Diffraktionsgitters kann irgend eine passende Struktur des Diffraktionsgitters aufweisen, die irgend eine der Arten von optischen Diffraktionskatastrophen umfasst, wie sie detaillierter in den oben aufgeführten Publikationen beschrieben werden.
Die Gitterbereiche können unter verschiedenen Winkeln angeordnet sein, um die gewünschten optischen Effekte zu erzeugen. Jeder Gitterbereich sollte nicht kleiner sein als die Auflösung durch das menschliche Auge, und die maximale Grösse von jedem gitterfreien Bereich sollte nicht grösser sein als ungefähr 20 bis 50% der gesamten Fläche des Gitters, ortimalerweise ungefähr 30% der gesamten Fläche.
Indem eine Vielzahl von gitterfreien Flächen geschaffen wird, weist das erzeugte Bild einen verbesserten Kontrast auf, was ein wahrnehmbar helleres Diffraktionsmuster zur Folge hat.
Die Erfindung wird weiter, nur mittels eines Beispiels, beschrieben werden, indem auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird, bei denen:
die Figuren 1A, 1B und 1C die Bildmuster eines mittel Siebdruck hergestellten Porträts, eines konventionellen Liniengitter-Porträts, und eines Gitters gemäss der Erfindung vergleichen;
die Figur 2 eine Darstellung eines konventionellen Linien- Diffraktionsgitters in Form eines Diagramms ist;
die Figur 3 eine Darstellung des Gitters aus der Figur 2 in Form eines Diagramms ist, wobei das Gitter so verändert wurde, dass es ein Diffraktionsgitter gemäss der Erfindung ist;
die Figuren 4 bis 7 die durch fluoreszierende Röhren erzeugten Bild- Diffraktionsmuster für die Gitter aus den Figuren 2 und 3 bei verschiedenen Beobachtungspositionen vergleichen, wobei die rechte Abbildung in jedem der Fälle das Muster des Gitters aus der Figur 2 darstellt;
die Figur 8 eine auf dem Computer simulierte Darstellung eines Fresnel'schen Katastrophen Diffraktionsmusters für ein typisches Pixel des in der Figur 3 gezeigten Gitters ist;
die Figur 9 das berechnete Fresnel'sche Diffraktionsmuster erster Ordnung für das Gitter äus der Figur 2 ist;
die Figur 10 das entsprechende Fresnel'sche Diffraktionsmuster für das Gitter aus der Figur 3 ist;
die Figur 11 ein schematische Diagramm ist, das die allgemeinen Merkmale des Herstellungsvorgangs für die obige Ausführungsform und die Ausführungsform der Figur 12 zeigt;
die Figur 12A eine vergrösserte (x 28) graphische Darstellung eines Diffraktionsgitters gemäss einem anderen Aspekt der Erfindung ist, und
die Figur 12B eine weiter vergrösserte (x 40) Darstellung eines Teils des Gitters aus der Figur 12A ist, welche die Gitterflächen und die gitterfreien Flächen detaillierter zeigt.
Bevor damit fortgefahren wird, ein spezifisches Beispiel eines Diffraktionsgitters gemäss dem ersten Aspekt der Erfindung zu beschreiben, wird nun die Art und Weise diskutiert, wie das Gitter aus der Erfindung die oben erwähnte Aufgabe löst.
Die dominierende Wirkung der Funktion C(x, y) ist es, die gegebene Porträt-Funktion P(x, y) in eine Ansammlung von optisch veränderbaren vielfarbigen kleinen Bildelementen oder Pixel aufzubrechen in analoger Art und Weise, wie in der konventionellen Siebdrucktechnik ein statisches Bild aus kontinuierlichen Farbtönen in eine Ansammlung von vielfarbigen Punkten umgewandelt wird.
Präziser gesprochen heisst dies, dass die Wirkung des Katastrophengitters darin besteht, eine Frequenzmodulation in einer solchen Art und Weise auf das Fourier Spektrum der Bildfunktion anzuwenden, dass eine Amplitudenmodulation des Bild- Diffraktionsmusters der Bildfunktion induziert wird. Wenn ein Gitter gemäss der Erfindung direkt unter einer aufgeweiteten Quelle wie einer fluoreszierenden Röhre beobachtet wird, manifestiert sich diese Amplitudenmodulation in den Helligkeiten der Pixel, welche sich stetig entsprechend dem sich ändernden Betrachtungswinkel ändern. Die Änderungsrate der Helligkeit eines gegebenen Pixels ist direkt proportional zur Grösse der zu diesem Pixel gehörenden Diffraktionskatastrophe. In diesem Sinne kann gesagt werden, dass die Pixel einen Grad von Stabilität in ihrer Struktur besitzen, weil jegliche Störung der ursprünglichen Wellenfront aufgrund des faltig Werdens der Gitteroberfläche in der Nähe der Pixel nur eine Änderung der Helligkeit in den Pixel verursachen wird. Dies steht im Gegensatz zu konventionellen verallgemeinerten Gitter oder Bildhologrammen, wo das lokale Linienmuster in zur Grösse eines Pixels gleichwertigen Flächen geradlinig rechteckig ist, und deshalb jegliche lokale Störung durch faltig werden bewirken wird, dass der beobachtete Bildpunkt vollständig "ausgeschaltet" wird. Konventionelle verallgemeinerte Gitter oder Bildhologramme sind deshalb in ihrer Struktur in einem hohen Masse instabil, weil für eine gegebene Wellenlänge kleine Flächen des Gitters enge, Farbstift-ähnliche Strahlen beugen, die viel empfindlicher auf Störungen sind, als die sich ausdehnenden Strahlen, die durch die Pixel eines Gitters erzeugt werden.
Die obigen Ideen werden schematisch in den Figuren 1A, 1B und 1C dargestellt. Die Figur 1A zeigt, weshalb ein konventionell durch Siebdruck hergestelltes Porträt optisch nicht veränderbar ist. Ein einfallender Lichtstrahl, der auf ein typisch gedrucktes Pixel trifft, wird in alle Richtungen gestreut. Das optische Bild ist deshalb statisch (in der Struktur perfekt stabil) und kann unter beliebigen Blickwinkeln bei beliebigen polychromatischen Lichtquellen beobachtet werden. Um dieses gedruckte Porträt optisch veränderbar zu machen, müssen die Pixel so gemacht werden, dass sie einfallendes Licht spiegelartig in einen viel engeren Bereich von Streuwinkeln streuen, damit das Auge des Beobachters einzelne Pixel nur unter bestimmten Beobachtungswinkeln sieht. Ein bekannter Weg, wie dies gemacht werden kann, besteht darin, dass jede kleine Fläche oder jedes Pixel in ein winziges Diffraktionsgitter umgewandelt wird. Die Figur 1B zeigt dies mit einer charakteristischen Rillenfrequenz für jedes Pixel, so dass unter einem bestimmten Beobachtungswinkel die Farbkarte des gesamten Gitters mit der Farbkarte des gewünschten Bildes übereinstimmt. Das Problem mit dieser Art von Gittervorrichtungen besteht darin, dass, weil die Pixel das einfallende Licht in enge Strählen beugen, jegliche kleine Störung oder Aberration in den Beobachtungsbedingungen, wie ein leichtes faltig Werden der Gitterfläche, bewirken wird, dass das gebeugte Licht aus den betroffenen Pixel das Auge des Beobachters verfehlt, wodurch bewirkt wird, dass sich das erwartete Bild schnell verschlechtert. Von dieser Art von Gittern kann deshalb gesagt werden, dass ihre Struktur sehr instabil ist, weil das gebeugte Bild viel zu empfindlich auf Störungen in den Beobachtungsbedingungen ist. Das Konzept hinter der Erfindung stellt eine Lösung für dieses Problem dar, welches schematisch, anhand eines Beispiels, in der Figur 1C erklärt wird. Die Grundidee besteht darin, das instabile geradlinige Gitter der Figur 1B durch ein gepixeltes Linienmuster zu ersetzen, welches einfallendes Licht in sich aufweitende Lichtstrahlen mit stabiler Struktur beugt. Diese sich aufweitenden Strahlen oder Diffraktionskatastrophen stellen sicher, dass die Pixel auch nach dem faltig Werden der Gitterfläche noch beobachtbar sind, solange die Faltwinkel nicht den Winkelbereich der kaustischen Grenze der Diffraktionskatastrophe der Pixel übersteigen. Das beobachtete Bild eines Gitters gemäss der Erfindung ist deshalb innerhalb der kaustischen Grenze in der Struktur stabil, und ausserhalb davon optisch veränderbar;
Weil Gitter gemäss der Erfindung weit weniger empfindlich auf Störungen durch das faltig Werden sind als konventionelle Gitter oder Bildhologramme, sind sie viel besser für Anwendungen geeignet, die flexible Oberflächen benötigen - insbesondere als sehr sichere, optisch veränderbare Markierungen für Banknoten.
Als Beispiel wird eine Unterklasse von Diffraktionsgitter gemäss der Erfindung durch die folgenden speziellen Formen der oben festgelegten Funktionen bestimmt:
W(x, y) = y
P(x, y) = α[cos(πx/2)sin(πy/2) - (2/3)cos(πx/2) - (2/3)sin(πy/2)]
F(x, y) = 0
C(x, y) = β[cos(Qπx)cos(Qπy) - (2/3)cos(Qπx) - (2/3) cos(Qπy)] ...(3)
Eine besondere Ausführungsform dieser Unterklasse von Gitter wurde auf einem Computer-Grafiksystem erzeugt und danach mittels Elektronenstrahl Lithographie, die abgeändert war zum Schreiben von schiefen Linien, hergestellt. In dieser Ausführungsform sind die Variablen α, β und Q in den obigen Funktionen gegeben durch:
α = 0.30, β = 0.666, und Q = 16.0 ...(4)
Es ist zu beobachten, dass die Trägerfunktion W(x, y) und die Bildfunktion P(x, y) relativ langsam ändernde Funktionen von x und y sind, während die periodische Gitter-Katastrophenfunktion C(x, y) eine relativ schnell ändernde Funktion von x und y ist. Wie bereits bemerkt wurde, ist es diese schnell ändernde Natur der Funktion C(x, y), die Amplitudenmodulation und Stabilität der Struktur in der Bildfunktion P(x, y) induziert, aber eine Folge davon ist, dass sehr grosse Dateien und grosse Beträge an Computerzeit benötigt werden, um die Gitterfunktion S(x, y) präzise zu bestimmen.
Die explizite Form der Gitterfunktion für diese Ausführungsform, die durch Iteration des obigen Ausdruckes mit S(x, y) = z erhalten wird, wobei z die Rillen-Kennziffer ist, ist gegeben durch
Y&sub1; = z - α[cos(πx/2)sin(πz/2) - (2/3)cos(πx/2) - - (2/3) sin(πz/2)] - β[cos(Qπx)cos(Qπz) - (2/3)cos(Qπx) - (2/3) cos(Qπz)]
Y&sub2; = z - α[cos(πx/2)sin(πy&sub1;/2) - (2/3)cos(πx/2) - - (2/3) sin(πy&sub1;/2)] - β[cos(Qπx)cos(Qπy&sub1;) - (2/3)cos(Qπx) - (2/3) cos(Qπy&sub1;)]
Y&sub3; = z - α[cos(πx/2)sin(πy&sub2;/2) - (2/3)cos(πx/2) - - (2/3)sin(πy&sub2;/2)] - β[cos(Qπx)cos(Qπy&sub2;) - (2/3)cos(Qπx) - (2/3) cos(Qπy&sub2;)]
Y&sub4; = z - α[cos(πx/2)sin(πy&sub3;/2) - (2/3)cos(πx/2) - - (2/3)sin(πy&sub3;/2)] - β[cos(Qπx)cos(Qπy&sub3;) - (2/3)cos(Qπx) - (2/3) cos(Qπy&sub3;)]
y = z - α[cos(πx/2)sin(πy&sub4;/2) - (2/3)cos(πx/2) - - (2/3) sin(πy&sub4;/2)] -β[cos(Qπx)cos(Qπy&sub4;) - (2/3)cos(Qπx) - (2/3) cos(Qπy&sub4;)]
wobei α = 0.30, β = 0.006, und Q = 16.
Die x - Achse geht von -0.75 bis +0.75 in Schritten von 1/(600), während die y - Achse von -1.0 bis +1.0 in Schritten von 1/(7500) geht. Die physikalischen Abmessungen des Gitters sind 18.75 mm in x - Richtung und 25 mm in y - Richtung. Die durchschnittliche Dichte der Linien des Gitters beträgt deshalb 600 Linien/mm. Jedes Pixel ist ein Quadrat mit 0.78 mm Seitenlänge, was ein Total von 768 Pixel ergibt. Beim Drucken des Gitters wurde ein ursprünglicher z Wert von -1.4 gewählt und in Schritten von 1/(7500) erhöht. Das Computerprogramm schloss bedingte Befehle ein, die sämtliche y Werte unterhalb von -1.0 und oberhalb von +1.0 zurückwiesen.
Die Figur 3 ist eine durch den Computer erstellte Darstellung des Gitters der Ausführungsform gemäss den Gleichungen (1), (2) und (3) sowie den Parameterwerten (4). Für Vergleichszwecke ist die Figur 2 eine durch den Computer erstellte Darstellung des entsprechenden konventionellen Liniengitters, bei welchem S(x, y) + KN ist und S(x, y) gegeben ist durch W(x, y) + P(x, y): es ist keine Funktion C(x, y) enthalten.
Es ist möglich, die Bild-Diffraktionsmuster von Gittern gemäss der Erfindung durch Computergrafik zu berechnen und darzustellen, indem die oben erwähnte Theorie über verallgemeinerte Diffraktionsgitter verwendet wird. Die Resultate für die interessierende Ausführungsform sind in den Figuren 4 bis 7 dargestellt, die zeigen, wie sich die Muster entsprechend dem Sichtwinkel verändern, und sie zeigen für jeden Fall auf der rechten Seite das Bild- Diffraktionsmüster für das konventionelle Liniengitter aus der Figur 2 und auf der linken Seite das entsprechende Muster bei der selben Beobachtungsposition für das erfindungsgemässe Muster aus der Figur 3.
Alle Berechnungen wurden auf einem Computer-Grafiksystem ausgeführt, das mit den Hauptgleichungen der oben erwähnten Theorie über verallgemeinerte Diffraktionsgitter programmiert wurde. Indem die entsprechenden Paare von Diffraktionsmustern in den Figuren 4 bis 7 miteinander verglichen werden, kann gesehen werden, wie die Pixel des Gitters gemäss der Erfindung in Übereinstimmung mit der Bildfunktion langsam ein- und ausgeschaltet werden. In anderen Worten wirkt die Bildfunktion als Steuerung, und sie steuert, wann das Ein- oder Ausschalten an den Rändern der Farben beginnen soll. Die Rate, mit der die Pixel ein- oder ausgeschaltet werden, wird durch die Grösse der entsprechenden kaustischen Linien im Fourier- Raum bestimmt. Je grösser die kaustische Linie ist, d.h., je grösser der Wert des Parameters β ist, desto langsamer werden die Pixel einoder ausgeschaltet, und umgekehrt. Es ist dies, was mit Diffraktionskatastrophen-Frequenzmodulation im Fourier-Raum, welche eine Amplitudenmodulation im realen Raum erzeugt, gemeint wird.
Eine Computerdarstellung von einer Diffraktionskatastrophe für ein typisches 0.78 x 0.78 mm Pixel des Gitters aus der Figur 3 wird in der Figur 8 gezeigt. Die Figur 9 zeigt ein berechnetes Fresnel'sches Diffraktionsmuster erster Ordnung des Gitters der Bildfunktion, während die Figur 10 das entsprechende Diffraktionsmuster des Gitters aus der Figur 3 zeigt. Diese letzte Figur zeigt klar, wie die Diffraktionskatastrophen der Pixel das Fourierspektrum der Bildfunktion modulieren. Weil der Winkelbereich von jeder kleinen Fläche des Gitters nun stark vergrössert ist, sind die Pixel nun weniger empfindlich auf Störungen durch faltig werden, welche die Streurichtung der gebeugten Strahlen ändern.
Die Figuren 8, 9 und 10 deuten auch eine wichtige Konsequenz für die praktische Anwendung der Gitter gemäss der Erfindung an. Weil die Pixel das Licht über einen viel grösseren Bereich von festen Winkel beugen als ein konventionelles Gitter, ist die beobachtete Energiedichte, welche die Netzhaut des Auges unter einem bestimmten Sichtwinkel erreicht, viel kleiner als im Falle des konventionellen Gitters. Dies bedeutet, dass die Anforderungen an die Diffraktionseffizienzen für ein Gitter gemäss der Erfindung bedeutender sind als für irgend einen anderen Typ von Gitter. Insbesondere sollten, wenn die Gitterlinien aus Rillen bestehen, die Tiefen der Rillen für eine maximale Diffraktionseffizienz optimiert werden. Für ein Rillenprofil in Form einer quadratischen Welle bedeutet dies im allgemeinen, dass die Tiefe der Rillen ungefähr 40 Prozent des durchschnittlichen Abstandes der Rillen betrageh sollte.
Im Falle des Gitters aus der Figur 3 sollte die Tiefe der Rillen ungefähr 0.6 Mikron betragen.
Wie erwähnt, wurde das aktuelle Gitter in der Form aus der Figur 3 durch das Programmieren eines Systems für Elektronenstrahl Lithographie, das abgeändert war zum Schreiben von schiefen Linien, konstruiert. Das Gitter wurde auf ein PGMA Elektronenresist geschrieben, der mittels Spin-Beschichtung auf einen chrombeschichteten Glasträger aufgetragen war, und danach verarbeitet, um eine goldbeschichtete Nickelvorlage herzustellen, von der Gitterkopien auf einem Plastikfilm gepresst wurden.
Die ursprüngliche Dicke des unbelichteten Resists betrug 0.6 Mikron, während die Dicke des Chroms 0.1 Mikron betrug. Nach dem Belichten, Entwickeln und Nachbacken wurde für die Tiefe der Rillen durch Interferenz-Mikroskopie ein Wert von 0.2 Mikron bestimmt. Das Gitter wird dann ionenstrahl-geätzt um das Chrom zu entfernen ausser in Bereichen, die durch das Resist bedeckt sind, und gewaschen, um das übrigbleibende Resist zu entfernen. Das chrommaskierte Gittermuster wird dann verwendet, um das Rillenmuster auf eine mit Photoresist beschichtete Glasplatte durch Kontaktkopieren zu übertragen, um die gewünschte Tiefe von 0.6 Mikron zu erhalten. Als Alternative kann die gewünschte Tiefe der Rillen auch erreicht werden, indem eine durch das gewünschte Linienmuster des Gitters chrommaskierte Quartzplatte durch reaktives Sputter-Ätzen behandelt wird. Eine dauerhafte Metallvorlage von diesem optimierten Gitter wird danach erreicht, indem die Vorlage aus Photoresist mit 200 Angström 99.99% Gold vakuumbeschichtet wird und durch galvanisches Vernickeln eine dicke Schicht aus Nickel erzeugt wird, die als Träger dient.
Nachdem sie von der Glasvorlage entfernt wurde, wird diese goldbeschichtete Nickelvorlage auf einen Messingblock geschweisst und als Prägestempel für das Heisspressen von Gitterkopien aus einem Plastikfilm verwendet. Damit die Plastikkopien die optimierten Diffraktionseffizienzen der Vorlage des Prägestempels beibehalten, sollten die Kombinationen aus Druck und Temperatur im Zusammenhang mit dem Vorgang des heissen Hohlprägens so sein, dass die Tiefen der kopierten Rillen so nahe wie möglich bei der ursprünglichen Tiefe von 0.6 Mikron des Prägestempels aus Metall liegen.
Nachdem sie zum Schutz mit Aluminium metallisisert und mit Plastik beschichtet wurden, können die Plastikkopien auf Banknoten und Kreditkarten geklebt werden.
Versuche, die mit einem Prototyp-Gitter durchgeführt wurden, haben alle theoretischen Voraussagen in Bezug auf das Konzept der Erfindung bestätigt. Das Gitter, und ein weiteres Gitter, dass gemäss der Figur 2 konstruiert wurde, wurden in senkrechter Richtung in einer Distanz von 30 Zentimetern beobachtet, wobei eine fluoreszierende Röhre parallel zur kurzen Seite des Gitters unter einem Winkel von 30 Grad bezüglich der Senkrechten des Gitters angeordnet war. Im Falle des Gitters gemäss der Erfindung ist der Farbwechsel von orange nach blau viel grädueller als im Falle des konventionellen Gitters, und er wird in Abhängigkeit der reduzierenden Grösse der rot-gelben Pixel beschrieben. Dieser Wechsel findet mittels eines Mechanismus eines zusammenbrechenden Zentrums statt, wobei das blaue Gitter mit seinen roten Punkten in das Zentrum des Gitters hinein zusammenbricht, während ein grünes Gitter, das rote und blaue Punkte enthält, sich vom Rand des Gitters her einwärts bewegt. Dieses grüne Gitter bricht dann in das Zentrum zusammen, während das letzte rotes Gitter mit seinen blauen Punkten sich vom Rand her einwärts bewegt. Es ist demzufolge anzuerkennen, dass das Gitter gemäss der Erfindung die optische Veränderbarkeit mit dem Standpunkt des Betrachters beibehält, aber trotzdem einen guten Grad von Stabilität in der Struktur hervorbringt, in dem Sinne, dass die beobachtete Intensität von gebeugtem Licht von einem besonderen Punkt auf der Gitterfläche stetig ändert, wenn die Gitterfläche in der Nähe des beobachteten Punktes faltig ist.
Das Diffraktionsgitter aus der Figur 3 besitzt andere Vorteile, die mit der Wahl der entsprechenden Funktionen und mit den Werten der variablen Parameter gesucht wurden. In Bezug auf durch Abnutzung und Zerknittern induzierte diffuse Streuung gibt es eine minimale chromatische Verschlechterung. Jedes 0.78 mm x 0.78 mm quadratische Pixel erzeugt seinen eigenen fokussierten Strahl mit stabiler Struktur: die Fähigkeit dieses fokussierten Strahls, in einen Nebel aus diffuser Materie einzudringen, ist durch die kaustische Struktur des Strahls bestimmt. Das Gitter besitzt auch einen hohen Grad an Beobachtungsleistung. Die Beobachtungsleistung eines verallgemeinerten Gitters wird als Anteil der Gitterfläche definiert, von dem beobachtet wird, dass er unter beliebigen gegebenen Beobachtungswinkeln aufleuchtet. Idealerweise würde man gerne fähig sein, ziemlich uniform verteiltes gebeugtes Licht über einen grossen Bereich von Beobachtungswinkeln zu sehen. Die quadratische Gitterstruktur von 768 Pixel erfüllt diese Anforderung: wenn der Beobachtungswinkel geändert wird, indem das Gitter unter einer fluoreszierenden Röhre gedreht wird, die parallel zur Drehachse ist, welche ihrerseits parallel zur kürzen Seite des Gitters ist, werden die Pixel ein- und ausgeschaltet und ändern die Farbe in einer solchen Art, dass die Verteilung von aus- und eingeschalteten Pixel gleichmässig ist über das Gitter.
Es ist anzuerkennen, dass die Komplexität des Linienmusters und der damit zusammenhängenden Diffraktionsbilder, wie sie als Beispiel in den Figuren 3 und 4 - 7 dargestellt sind, bedeutet, dass Gitter gemäss der Erfindung viel schwieriger anzuregen oder holographisch zu kopieren sind als konventionelle Bilder oder Bildhologramme. Die Herstellung von Gittervorlagen gemäss der Erfindung ist gegenwärtig nur auf einem speziell modifizierten Elektronenstrahl- Lithographiesystem möglich.
Die beschriebene Verwirklichung der Amplitudenmodulation einer gegebenen Bildfunktion im realen Raum durch Diffraktionskatastrophen Frequenzmodulation im Fourierraum erzeugt nicht nur die gewünschte Stabilität der Struktur der Bildfunktion, sondern sie bewirkt auch, dass subtile Farbtoneffekte in einer ähnlichen Art und Weise in die Bildfunktion eingeführt werden, wie in der konventionellen Farbdruck-Technologie Farbbilder mittels einer Matrix aus farbigen Punkten erzeugt werden. Diese Fähigkeit der erfindungsgemässen Gitter, optisch veränderbare Farbtoneffekte zu erzeugen, hat offensichtliche künstlerische Vorteile gegenüber Hologrammen für Anwendungen bei Kreditkarten.
Eine ausgeklügeltere Form der Erfindung wird nun allgemein mit Bezug auf die schematische Darstellung der Vorrichtung in der Figur 11 beschrieben werden. Die erforderliche Vorrichtung, um das beschriebene Verfahren zu verwirklichen, wird Fachleuten gut bekannt sein und wird deshalb in dieser Beschreibung nicht detaillierter beschrieben. Es sind Referenzen zu mehreren Texten auf diesem Gebiet erhältlich, einschliesslich von Kapitel 20 aus "Praktische Darstellungsholographie"
Die mit dem Verfahren zur Vorbereitung des Diffraktionsgitters zusammenhängenden Schritte sind im allgemeinen wie folgt.
Zuerst wird das gewünschte Porträt durch eine digitale Kamera mit einem eingebauten Photovervielfacher abgetastet, um Helligkeitsniveaus in jedem Teil des Bildes aufzunehmen. Die resultierenden Daten werden im Speicher eines Computer-Grafiksystems gespeichert und durch ein interaktives, spezialisiertes Softwarepaket, das die oben angegebene Theorie über verallgemeinerte Diffraktionsgitter umfasst, verarbeitet. Dieses Softwarepaket liefert dem Designer des Gitters einen Satz von Optionen, um die Daten des Porträts in ein Linienmuster des Gitters umzuwandeln, das die Erfindung verwirklicht, und es liefert die zugehörigen Dateien für die Herstellung des Gitters mittels Elektronenstrahl.
Der erste Teil des Programms "siebt" das digitalisierte Porträt auf sehr ähnliche Weise, wie bei der konventionellen Farbdruck- Technologie ein Bild mit kontinuierlichen Tönen in eine Matrix von farbigen Punkten aus Pixel von unterschiedlicher Grösse umgewandelt wird. Die Auflösung des Siebes kann durch den Designer gewählt werden, und offensichtlich gilt, je kleiner die Pixel, desto grösser die resultierende Datei. Der zweite Teil des Programms wandelt jedes Pixel des gesiebten Porträts in ein winziges Diffraktionsgitter um. Die Mantellinien von jedem Pixelgitter werden in einer solchen Art und Weise gekrümmt, dass gebeugte, sich aufweitende Lichtstrahlen erzeugt werden, wenn diese durch eine parallel gerichtete Quelle beleuchtet werden. Diese gebeugten, sich aufweitenden Strahlen oder Diffraktionskatastrophen werden düroh die obigen mathematischen Funktionen beschrieben, welche mehrere freie Parameter umfassen. Diese Payameter ermöglichen es dem Designer des Gitters, die Helligkeit und Stabilität von jedem Pixel festzulegen, die Farbe und die Orientierung von jedem Pixel zu wählen, die Distanz und den Winkel festzulegen, bei denen das gebeugte Bild eine maximale Klarheit hat, und schlussendlich die Lichtquellen zu wählen, die dem Bild des Porträts eine maximale Wirkung verleihen. Weil man von einem typischen hoch aufgelösten Gitter erwarten kann, dass es ungefähr zehntausend Pixel enthält, wäre es nötig, dass die Steuerungsvorrichtung zum "Einfüllen" der gewünschten Parameterwerte in die Pixel die Form eines Lichtstiftes oder eines Grafik-Tableaus annimmt. Damit das resultierende Gitter sehr sicher gegen Fälschungen mittels Reflexionskontaktkopieren ist, wäre die Klasse von Diffraktionskatastrophen, die im Design-Programm enthalten ist, auf diejenigen beschränkt, die starke Moire-Effekte erzeugen, wenn sie kontaktkopiert werden.
Der letzte Teil des Design-Programms besteht aus einem Satz von Unterprogrammen, um die beobachteten Diffraktionsmuster in einem Bereich von üblicherweise verfügbaren Lichtquellen und Beobachtungsbedingungen darzustellen. Wenn ein ursprünglicher Entwurf in irgend einer Hinsicht nicht befriedigend ist, könnte der Designer dann zurückgehen und den Entwurf modifizieren, bevor die Dateien für die EBX Herstellung erzeugt werden.
In einer anderen Form der Erfindung, die schematisch in der Figur 12 gezeigt wird, umfasst sie eine Serie von Gitterflächen G, die durch gitterfreie Flächen N getrennt sind, um einen höheren Grad an Kontrast in den Diffraktiönsmusterw zu liefern, was ein wahrnehmbar helleres Diffraktionsmuster zur Folge hat. Die Gitterflächen G können durch gerade Liniengitter oder durch Gitter gemäss der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung definiert sein. Falls gewünscht, können mindestens einige der Gitterflächen G unter verschiedenen Winkeln angeordnet sein, um den Beobachtungswinkel zu verändern, bei dem die Gitter "einschalten" und "ausschalten". Die Gitterflächen G sollten nicht kleiner sein als die Auflösung des menschlichen Auges, und die gitterfreien Flächen sollten nicht grösser sein als ungefähr 20 bis 50% der totalen Fläche des Gitters, optimalerweise ungefähr 30% der totalen Fläche. Die Gitter gemäss dieser Ausführungsform werden durch das im Zusammenhang mit der Figur 11 beschriebene Verfahren hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Gitterflächen in der Form von gewöhnlichen geradlinigen Gittern oder irgend einer anderen Form von Gittern vorliegen können, falls gewünscht.

Claims

1. Diffraktionsgitter-Vorrichtung mit mehreren gepixelten Diffraktionsgitter-Teilen, in denen jeder Pixel ein individuelles Diffraktionsgitter aus krummen, reflektierenden oder durchlässigen Linien ist,

dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierenden/durchlässigen Linien dabei so angeordnet sind, dass

die Diffraktionsgitter-Einrichtung, wenn sie beleuchtet wird, ein zweidimensionales optisches katastrophen Bild-Diffraktionsrnuster erzeugt, um so ein optisch variables, aber in seiner Struktur stabiles Bild zu erzeugen, derart, dass es sich entsprechend der Beobächtungsposition verändert, während es durch Verzerrung der Gitteroberfläche nicht wesentlich verändert wird,

dass die reflektierenden/durchlässigen Linien des Gitter, alsfunktion der Koordinäten x, y in der Gitterebene durch die Gleichung S(x,y) = kN bestimmt sind, wobei k ein Massstab-Faktor ist, N eine ganze Zahl ist und die Funktion S(x,y) gegeben ist durch:

S(x,y) = W(x,y) + P(x,y) + C(x,y) wobei S(x,y) die ursprüngliche Phasenfunktion ist, welche vom Gitter erzeugt wird, wenn es senkrecht mit einer parallel gerichteten monochromatischen Lichtwelle beleuchtet wird,

W(x,y) ist eine Trägerwelle nicht-nullter Ordnung,

P(x,y) ist eine Bild- oder Pörträt-Funktion, welche die Breite des Diffraktionsbild-Musters bestimmt und sich stückweise, relativ langsam bezüglich x und y verändert und

C(x,y) ist eine periodische Gitterfunktion von x,y die sich bezüglich x und y relativ schnell verändert und deren Umhüllende nicht gleich null ist, ausser entlang gewissen charakteristischen Linien, welche den kaustischen Linien in den Fresnel'schen oder Frauenhofer'schen Diffraktionsmustern des Gitters entsprechen, wobei die Umhüllende von C(x,y) definiert ist durch:

[δ²C(x,y)/δx²] [δ²C(x,y)/δy²]-[δ²C(x,y)/δxδy]²

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass jedes individuelle Diffraktionsgitter ausgebildet ist, Farbtoneffekte zu erzeugen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die rechte Seite der Gleichung oder der Funktion S(x,y) ein Fokussierglied der Form F(x,y) = bix² + b2y² enthält, worin bi und b2 Konstanten sind, die so gewählt sind, dass die gebeugten Wellen im gewünschten Abstand vom Gitter fokussiert werden.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Pixel eine Fläche von weniger als 1 mm² aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pixel eine Fläche zwischen 0.25 und 0.75 mm² aufweisen.

6. Vorrichtung nach irgend einem der vorhergehenden Änsprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Diffraktionsgitter ausgebildet sind, starke Moiré-Effekte zu erzeugen, wenn sie kontaktkopiert werden.

7. Sicherheitseinrichtung mit einer Vorrichtung mit verbesserten Kontrasteigenschaften, mit einem Diffraktionsgitter nach irgend einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Gitter wenigstens teilweise durch mehrere gitterfreie Bereiche getrennt sind, wobei jeder gitterfreie Bereich Abmessungen hat, die wenigstens gross genug sind, dass sie vom menschlichen Auge aufgelöst werden können und die gitterfreien Bereiche nicht grösser als 20 bis 50% der gesamten Gitterfläche sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gitterfreien Bereiche etwa 30% der gesamten Gitterfläche nicht überschreiten.

9. Verfahren zum Herstellen eines Diffraktionsgitters welches umfasst:

Abtasten eines optisch unveränderlichen Bildes, um eine Matrix von gepixelten Bildteilen zu bilden und

Herstellen eines gepixelten Diffraktionsgitters nach einem der Ansprüche 1 bis 6, von diesen gepixelten Teilen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter umfasst

für jedes der einzelnen Diffraktionsgitter, das Auswählen eines oder mehrerer von den Parametern Helligkeit, Stabilität, Farbe, Orientierung, Distanz und Winkel, bei denen das optisch veränderliche Bild eine maximale Klarheit aufweist und die Lichtquelle dem optisch veränderbaren Bild eine maximale Wirkung gibt.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter das Herstellen von einem oder mehreren Diffraktionsgittern umfasst, die starke Moiré-Effekte erzeugen, wenn sie kontaktkopiert werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Diffraktionsgitter so gebildet sind, dass sie wenigstens teilweise voneinander durch mehrere diffraktiorisgitterfreie Bereiche getrennt sind, die 20 bis 50% des gesamten Gitterbereichs nicht überschreiten.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die gitterfreien Bereiche etwa 30% der gesamten Gitterfläche nicht überschreiten.