DE69031240T2 - Durchsichtige, optisch veränderliche Anordnung - Google Patents
Durchsichtige, optisch veränderliche AnordnungInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optisch veränderliche Vorrichtungen.
- Optisch veränderliche Vorrichtungen sind in den US-Patenten Nr. 4,705,300 und 4,705,356 offenbart. Optisch veränderliche Vorrichtungen, die in optisch veränderlichen Druckfarben und optisch veränderlichen Pigmenten verwendet werden können, sind in der US-A-5059245 offenbart. Diese optisch veränderlichen Vorrichtungen sind jedoch undurchsichtig. Es besteht ein Bedarf nach optisch veränderlichen Vorrichtungen, bei denen ein bestimmter Grad an Durchsichtigkeit erzielt werden kann.
- Allgemein ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine optisch veränderliche Vorrichtung vorzusehen, die einen bestimmten Grad an Durchsichtigkeit aufweist.
- Die vorliegende Erfindung sieht eine transparente, optisch veränderliche Vorrichtung mit einer symmetrischen dreischichtigen Interferenzbeschichtung vor, wobei die dreischichtige Interferenzbeschichtung eine erste und eine zweite teilweise durchlässige und teilweise reflektierende Schicht sowie eine zwischen der ersten und der zweiten Schicht angeordnete dielektrische Abstandsschicht aufweist, wobei die erste und die zweite Schicht im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung haben, wobei die symmetrische dreischichtige Interferenzbeschichtung über das gesamte sichtbare Spektrum im wesentlichen transparent ist, die erste und die zweite Schicht Absorptionsschichten sind, der Realteil n und der Imaginärteil k des komplexen Brechungsindex des Absorptionsschichtmaterials im sichtbaren Wellenlängenbereich ungefähr gleich sind und die erste und die zweite Absorptionsschicht eine Durchlässigkeit haben, die zwischen 20 und 50% liegt.
- Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung haben die Absorptionsschichten ein Dicke, die zwischen 4,5 und 9,0 nm liegt. Außerdem können die Absorptionsschichten aus Chrom sein. Zum Beispiel kann die dielektrische Schicht aus Magnesiumfluorid sein. Die symmetrische dreischichtige Beschichtung kann auf einer ersten Oberfläche eines transparenten Substrats angeordnet sein.
- Es folgt eine Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen. Es zeigt:
- Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße transparente, optisch veränderliche Vorrichtung,
- Fig. 2 eine Darstellung, in der gezeigt wird, wie das Licht von der erfindungsgemäßen optisch veränderlichen Vorrichtung reflektiert wird, die bei einer Betrachtungswinkelveränderung einen Übergang von einer Farbe in die andere erzeugt,
- Fig. 3 eine Kurvendarstellung für das Reflexionsvermögen einer erfindungsgemäßen transparenten, von grün nach blau changierenden optisch veränderlichen Vorrichtung.
- Allgemein ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine transparente, optisch veränderliche Vorrichtung vorzusehen, die ein transparentes Substrat mit einer ersten Oberfläche aufweist. Eine symmetrische, aus drei Schichten bestehende Beschichtung ist auf der ersten Oberfläche angeordnet. Die symmetrische dreischichtige Beschichtung weist eine erste und eine zweite teilweise durchlässige Absorptionsschicht auf, wobei eine dielektrische Schicht zwischen der ersten und der zweiten Absorptionsschicht angeordnet ist. Die Absorptionsschichten können eine Durchlässigkeit von 20 bis 50% aufweisen, während immer noch Farbreinheit bei der Veränderung der Farbe mit dem Sichtwinkel erreicht wird.
- Insbesondere, wie in den Zeichnungen dargestellt, weist die optisch veränderliche Vorrichtung 11 ein Substrat 12 mit einer ersten Oberfläche 13 und einer zweiten Oberfläche 14 auf. Erfindungsgemäß sollte das Substrat 12 aus einem transparenten Material bestehen. Ein Material, das sich als geeignet herausgestellt hat, ist ein z.B. aus Polyethylenterephthalat bestehendes Polymersubstrat. Eine symmetrische dreischichtige Beschichtung 16 liegt auf der ersten Oberfläche 13 des Substrats 12. Die dreischichtige Beschichtung 16 besteht aus einer ersten und einer zweiten Absorptionsschicht 17 und 18, wobei eine dielektrische Abstandsschicht 19 dazwischen liegt. Die erste und die zweite Absorptionsschicht 17 und 18 müssen zumindest teilweise absorbierend sein und haben vorzugsweise eine Durchlässigkeit, die zwischen 20 und 50% liegt. Die dielektrische Schicht 19 ist transparent und dient als optische Abstandsschicht.
- Bei der ersten und zweiten Absorptionsschicht 17 und 18 hat sich herausgestellt, daß eine Vielzahl von grauen Metallen, die ein n und ein k haben, die ungefähr gleich sind, dafür verwendet werden können. So kann zum Beispiel sowohl Chrom als auch Nickel und Palladium verwendet werden. Bei Chrom können die Graumetallschichten eine Dicke haben, die zwischen 4,5 und 9,0 nm liegt, wodurch ein Gesamtdicke für die erste und die zweite Schicht zwischen 9,0 und 18 nm entsteht. Bei den dicksten Schichten kann die Gesamtdurchlässigkeit nur 12% betragen, während bei einer Gesamtdicke der beiden Schichten von 9 nm die Durchlässigkeit sogar 30% betragen kann. Natürlich können auch andere absorbierende Materialien außer Metallen, z.B. Kohlenstoff oder Germanium, für die Schichten 17 und 18 verwendet werden.
- Bisher wurde angenommen, daß die erste und die zweite Absorptionsschicht 17 und 18 die gleiche Dicke haben. Natürlich können in alternativen erfindungsgemäßen Ausführungformen die erste und die zweite Absorptionsschicht auch verschiedene Dicken haben. Die untere bzw. zweite Schicht 18 kann dicker sein als die erste Schicht, ohne daß dadurch bei einer Verwendung als optisch veränderlicher Folie die Farbreinheit wesentlich beeinträcht wird. Wenn die erste Absorptionsschicht 17 zu dick gestaltet wird, verringert sich die Farbveränderung sehr rasch.
- Die dielektrische Schicht 19 kann aus einem geeigneten dielektrischen Material sein und vorzugsweise aus einem Isolator mit einem niedrigen Brechungsindex, wie zum Beispiel Magensiumfluorid mit einem Brechungsindex von 1,38. Es können Materialien verwendet werden, deren Brechungsindex zwischen 1,2 und 1,65 liegt. Die dielektrische Schicht kann eine Dicke haben, die zwischen 150 und 950 nm liegt.
- Die obere Absorptionsschicht 17 dient teilweise als ein Reflektor und teilweise als durchlässige Schicht. Die untere Absorptionsschicht 18 dient auch teilweise als ein Reflektor und teilweise als durchlässige Schicht. Der von der unteren Schicht 18 reflektierte Teil des Lichts interferiert mit dem von der vorderen Oberfläche der Metallschicht 17 kommenden reflektierten Licht. Diese Lichtinterferenz gibt der Vorrichtung Farbe. Die spezifische erzielte Farbe wird durch die Dicke der dielektrischen Abstandsschicht 19 gesteuert. Diese Abstandsschichtdicke steuert die Wellenlänge, bei der das von der Schicht 17 reflektierte Licht mit dem von der Schicht 18 reflektierten Licht interferiert. Bei denjenigen Wellenlängen, bei denen die Inteferenz destruktiv ist, wird ein großer Teil des Lichts in der Vorrichtung absorbiert. Bei denjenigen Wellenlängen, bei denen die Interferenz konstruktiv ist, wird das meiste des nicht durch die Vorrichtung durchgelassenen Lichts reflektiert. Es ist die Kombination hohen Reflexionsvermögens bei bestimmten Wellenlängen und niedrigen Reflexionsvermögens bei bestimmten anderen Wellenlängen, durch welche die Vorrichtung die Farbe erhält. Die relativen Intensitäten und reflektierten Komponenten werden durch die Dicken der Schichten 17, 18 und 19 und die optischen Eigenschaften des für die Schichten 17, 18 und 19 ausgewählten Materials bzw. der Materialien gesteuert.
- Angenommen, es soll eine von grün nach blau changierende optisch veränderliche Vorrichtung 11 hergestellt werden, dann kann das Verhalten der Vorrichtung aus Fig. 2 und 3 ersehen werden. Bei Licht, das im Verhältnis zur Senkrechten mit relativ kleinem Winkel einfällt, hat die Vorrichtung eine grüne Farbe. Bei mit größerem Winkel einfallendem Licht ist die Vorrichtung blau. Gemäß Fig. 2 wird bei einem einfallenden Lichtstrahl 21, der 100% des auf die Vorrichtung auftreffenden sichtbaren Lichts repräsentiert, ein bestimmter erster Anteil des durch den Strahl 22 repräsentierten Lichts in der Vorrichtung absorbiert, ein zweiter Anteil 23 wird durch die Vorrichtung hindurchgelassen, und ein dritter Anteil, der durch den Strahl 24 repräsentiert wird, wird von der Vorrichtung reflektiert. Der Strahl 24 setzt sich aus Licht, das von der Außenoberfläche der Schicht 17 reflektiert wird, und aus allem Licht, das von inneren Oberflächen der Vorrichtung 11 reflektiert wird, zusammen.
- Bei der von grün nach blau changierenden optisch veränderlichen Vorrichtung 11 des vorliegenden Beispiels tritt bei einem senkrechten Einfall die höchste Amplitude, die durch die Reflexion der Strahlkomponente 24 dargestellt ist, nahe 550 nm auf. Bei diesen Wellenlängen nahe 550 nm ist die durch den Strahl 22 repräsentierte absorbierte Komponente klein im Vergleich zur durch den Strahl 24 repräsentierten Komponente. Die durch den Strahl 23 repräsentierte durchgelassene Komponente ist bei 550 nm auch höher als bei anderen sichtbaren Wellenlängen. Gleichzeitig ist bei Wellenlängen nahe 450 und 700 nm die durch den Strahl 22 repräsentierte Komponente groß im Vergleich zur durch den Strahl 24 repräsentierten reflektierten Komponente. Bei Wellenlängen nahe 450 und 700 nm ist die durch den Strahl 23 repräsentierte durchgelassene Komponente kleiner als bei Wellenlängen nahe 550 nm. Das Ergebnis eines hohen Reflexionsvermögens bei 550 nm und eines niedrigen Reflexionsvermögens bei 450 und 700 nm ist eine grüne reflektierte Farbe. Da die durch Strahl 23 dargestellte durchgelassene Komponente bei 550 nm intensiver ist als bei 450 und 700 nm, erscheint auch die durchgelassene Komponente zu einem gewissen Grad grün.
- Ein Verändern der Dicke der dielektrischen Abstandsschicht 19 unter Beibehaltung der Metaildicken der Schichten 17 und 18 führt zu einer Veränderung der reflektierten Farbe. Eine unter Verwendung einer dielektrischen Schicht 19 mit einer optischen Dicke einer vollen Wellenlänge bei 530 nm hergestellte Vorrichtung hat, wie oben beschrieben, eine grüne Farbe. Ein Verringern der optischen Dicke einer vollen Wellenlänge der dielektrischen Schicht 19 von 530 auf 450 nm verändert die senkrecht einfallende reflektierte Farbe von grün nach blau. Anstelle einer transparenten von grün nach blau changierenden optisch veränderlichen Vorrichtung wird dadurch eine von blau nach magenta changierende Vorrichtung erzeugt.
- Umgekehrt führt ein Erhöhen der optische Dicke einer vollen Wellenlänge der dielektrischen Abstandsschicht von 530 auf 650 nm zu einer von magenta nach grün changierenden optisch veränderlichen Vorrichtungen. Zusätzlich zu den oben genannten können auch andere Farben und Farbchangierungen durch Verändern der optischen Dicke der vollen Wellenlänge der dielektrischen Abstandsschicht zwischen den Grenzwerten 150 und 950 nm erzeugt werden. Bei optischen Dicken der vollen Wellenlänge unter 150 nm erscheint die Vorrichtung braun oder schwarz mit keiner sichtbaren Farbveränderung mit dem Betrachtungswinkel. Bei optischen Dicken der vollen Wellenlänge über 950 nm wird die Farbreinheit so weit verringert, daß die Vorrichtung nicht mehr richtig funktioniert.
- Es wird darauf hingewiesen, daß bei einem Auftragen der beiden Metallschichten aus demselben Material und in der gleichen Dicke die Vorrichtung symmetrisch ist. Das bedeutet, daß im wesentlichen der gleiche optische Effekt erzielt wird, ob die Vorrichtung jetzt aus der Richtung der oberen Metallschicht 17 oder aus der Richtung des transparenten Substrats betrachtet wird.
- Wenn die Vorrichtung aus der Richtung bzw. von der Seite der oberen Metallschicht 17 aus betrachtet wird, ist ersichtlich, daß ein bestimmter Teil des durch Strahl 21 repräsentierten auftreffenden Lichts als eine durch Strahl 23 repräsentierte Komponente durch die Vorrichtung hindurchgelangt. Wenn eine gleichmäßige reflektierende Oberfläche 26, wie zum Beispiel ein Stück weißes Papier 27 in einer geringen Entfernung unter dem Substrat 12 der transparenten optisch veränderlichen Vorrichtung 11 angeordnet wird, wird eine durch Strahl 31 repräsentierte Lichtkomponente von der Oberfläche 26 des Papiers 27 reflektiert und trifft auf die Oberfläche 14 des Substrats 12 auf. Die durch den Strahl 31 repräsentierte Komponente besteht dann aus dem reflektierten Teil der durch den Strahl 23 repräsentierten Lichtkomponente und auch aus dem reflektierten Teil von eventuell auftretendem Streulicht, das aus anderen Quellen, z.B. als Zimmerbeleuchtung, die Papieroberfläche 26 erreicht.
- Gemäß Fig. 2 wird bei einem 100% des auf die Rückseite der Vorrichtung auftreffenden sichtbaren Lichts darstellenden eintreffenden Lichtstrahl 31 ein durch den Strahl 33 dargestellter bestimmter Teil des Lichts zurück durch die Vorrichtung gestrahlt, ein zweiter durch den Strahl 32 dargestellter Teil in der Vorrichtung absorbiert und ein dritter durch den Strahl 34 repräsentierter Teil von der Vorrichtung auf die Papieroberfläche 26 zurückreflektiert und so für den oben befindlichen Betrachter nicht sichtbar. Die durch den Strahl 34 repräsentierte Komponente besteht aus von der Oberfläche 14 reflektiertem Licht und allem Licht, das von den Innenoberflächen der Vorrichtung 11 reflektiert wird. Der Komponentstrahl 33 verringert die Farbreinheit des reflektierten Komponentstrahls 24. Wenn diese verringerte Farbreinheit unerwünscht ist, kann das weiße Papier 27 durch ein schwarzes Papier ersetzt werden, das den auftreffenden Lichtstrahl 23 und auch jegliches Streulicht absorbiert, wodurch die Komponentstrahlen 31, 32, 33 und 34 wegfallen. Eine solche Vorrichtung würde dem Komponentstrahl 24 eine reinere Farbe geben. Wenn das weiße Papier 40 durch eine andere reflektierende oder teilreflektierende Oberfläche ersetzt wird, wäre der durchgelassene Komponentstrahl 33 von den Eigenschaften sowohl der transparenten optisch veränderlichen Vorrichtung als auch der reflektierenden Oberfläche 26 abhängig.
- Alternativ kann statt einem Positionieren der Vorrichtung 11 über einem Papier die Vorrichtung 11 auf ein Papier 27 geklebt oder direkt darauf gelegt werden. Ohne einen Abstand zwischen der Oberfläche 14 und der Oberfläche 26 wird der optische Effekt der Vorrichtung 11 verändert. Der 100% des auf die Rückseite der Vorrichtung 11 auftreffenden Lichts repräsentierende Komponentstrahl 31 besteht nur aus dem Teil des Lichtstrahls 23, der von der Papieroberfläche 26 reflektiert wird. Da kein Abstand da ist, gibt es keine Möglichkeit, daß Streulicht von der Papieroberfläche 26 reflektiert wird. Eine weiße oder silbrige Oberfläche ist zum Reflektieren des Komponentstrahls 23 am wirkungsvollsten und führt dann auch zu einem intensivst möglichen zurück durchgelassenen Komponentstrahl 33. Eine rein schwarze Oberfläche läßt den Komponentstrahl 31 sowie die Komponentstrahlen 32, 33 und 34 wegfallen. Wenn eine schwarze Oberfläche anstelle einer weißen Oberfläche 26 von unten an die Vorrichtung 11 angeklebt wird oder direkt unten an sie anliegt, resultiert daraus eine gesteigerte Farbreinheit des Komponentstrahls 24.
- Zusätzlich können zu den beschriebenen Effekten durch die Verwendung farbiger transparenter Substrate auch noch andere neuartige Effekte erzielt werden. Zum Beispiel kann die Vorrichtung so gestaltet werden, daß sie bei senkrechten Einfallswinkeln eine Farbe, bei größeren Winkeln eine weitere Farbe reflektiert und eine dritte Farbe durchläßt. Bei einem weiteren Beispiel läßt eine von grün nach blau changierende Vorrichtung bei 45º mehr blaues Licht durch als bei einem senkrechten Einfallswinkel. Gleichzeitig läßt ein aus einem blau gefärbten PET bestehendes Substrat 12 bei allen Winkeln nur blaues Licht durch. Daher führt eine von grün nach blau changierende Vorrichtung auf einem blau gefärbten PET-Substrat 12 zu einem System, das bei 45º beträchtlich mehr Licht durchläßt als bei 0º. Bei nahe der Senkrechten liegenden Einfallswinkeln wird das vom gefärbten Substrat durchgelassene blaue Licht von der von grün nach blau changierenden Vorrichtung selekiv absorbiert und wird daher nicht durchgelassen. Wenn Information auf Papier gedruckt ist und hinter die genannte von grün nach blau changierende Vorrichtung auf einem blauen PET-Substrat gehalten wird, ist die Information nur bei bestimmten Winkeln, z.B. bei 45º, zu erkennen.
- So ist ersichtlich, daß die optisch veränderliche Vorrichtung, die in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, mit dem Betrachtungswinkel eine beträchliche Farbveränderung bringt, wie aus Fig. 3 gesehen werden kann, wo das Verhalten bei Einfallswinkeln von 45º und 0º gezeigt ist. Zusätzlich ist es möglich, mindestens teilweise Durchlässigkeit zu erzielen und gleichzeitig nur wenig an Farbreinheit zu opfern.
- Die erfindungsgemäße transparente optisch veränderliche Vorrichtung kann auf verschiedenerlei Weisen eingesetzt werden. Zum Beispiel kann sie in den Druck eines Logos oder eines
- Designs mit aufgenommen werden. Bei einer solchen Verwendung wird die transparente optisch veränderliche Vorrichtung zwischen dem Betrachter und der gedruckten Information angebracht. Da der Betrachter die gedruckte Information durch die optisch veränderliche Vorrichtung sieht, wird die Sichtbarkeit des Drucks durch die Durchlässigkeit der Vorrichtung beeinflußt. Bei einer geringeren Durchlässigkeit erscheint die optisch veränderliche Vorrichtung heller. Je niedriger jedoch die Durchlässigkeit ist, desto niedriger ist auch die Sichtbarkeit des Bilds hinter der optisch veränderlichen Vorrichtung.
- Die erfindungsgemäße optisch veränderliche Vorrichtung kann vielfach angewendet werden, so zum Beispiel beim Fälschungsschutz. Wenn auch das Bild hinter der optisch veränderlichen Vorrichtung auf herkömmlichen Schwarz-Weiß- und Farbkopierern kopiert werden kann, kann die Farbveränderung aufgrund der optischen Beschränkungen der Kopiermaschine nicht kopiert werden. Im Toner von Kopiermaschinen verwendete Farbstoffe sprechen nicht auf Farbveränderungen mit einer Veränderung des Betrachtungswinkels an. Nur eine Interferenzvorrichtung, wie sie in der vorliegenden Erfindung beschrieben ist, ermöglicht Farbveränderungen mit einer Veränderung des Betrachtungswinkels. Der Kopierer kann nur die Farbe der Vorrichtung bei senkrechten Einfallswinkeln treu reproduzieren. Der Farbkopierer kann die Farbe der Vorrichtung bei anderen als senkrechten Einfallswinkeln nicht kopieren. Das kopierte Bild wird dem Betrachter bei allen Betrachtungswinkeln daher nur eine Farbe zeigen. Das heißt, daß die Kopie keine Farbveränderungseigenschaften haben wird, während das Original Farbveränderungseigenschaften bei sich veränderndem Betrachtungswinkel hat.
- Da bei der erfindungsgemäßen optisch veränderlichen Vorrichtung eine dreischichtige Beschichtung verwendet wird, die symmetrisch ist, kann die Beschichtung als Pigment eingesetzt werden. Bei solchen Verwendungsweisen würde die dreischichtige Beschichtung auf einem mit einer Ablöseschicht versehenem Substrat aufgebracht, wonach sie vom Substrat getrennt und in Partikel aufgebrochen werden kann.
- Ein Zerkleinern in diese symmetrischen Partikel erlaubt die Bildung optisch veränderlicher Pigmente zur Verwendung in Druckfarbvehikeln sowie in anderen Verwendungsarten, wie sie in der US-A-4705356 und der US-A-5059245 beschrieben sind.
Claims (12)
1. Transparente, optisch veränderliche Vorrichtung mit einer
ersten reflektierten Farbe bei einem ersten Betrachtungswinkel
und einer zweiten reflektierten Farbe bei einem zweiten
Betrachtungswinkel, die eine dreischichtige
Interferenzbeschichtung (16) mit einer symmetrischen dreischichtigen
Zusammensetzung bestehend aus einer ersten und einer zweiten
teilweise durchlässigen, teilweise reflektierenden
Absorptionsschicht (17, 18) und einer zwischen der ersten und der
zweiten Schicht angeordneten dielektrischen Abstandsschicht
(19) aufweist, wobei die erste und die zweite Schicht aus dem
gleichen Material bestehen; dadurch gekennzeichnet, daß der
Realteil 'n' und der Imaginärteil 'k' des komplexen
Brechungsindex des Absorptionsschichtmaterials im sichtbaren
Wellenlängenbereich ungefähr gleich sind und dadurch, daß die
Absorptionsschichten eine Durchlässigkeit haben, die zwischen 20 und
50% liegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Absorptionsschichten eine Dicke haben, die zwischen 4,5
und 9,0 nm liegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Absorptionsschichten aus Chrom bestehen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht aus
Magnesiumfluorid gebildet wird.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem
transparenten Substrat mit einer ersten Oberfläche, wobei die
Beschichtung auf der ersten Oberfläche des Substrats
angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
das transparente Substrat aus einem Polymermaterial gefertigt
ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
das Polymermaterial Polyethylenterephthalat ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß das Substrat farbig ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Beschichtung teilweise transparent und
farbreflektierend ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, die in einen Pigmentträger
einbezogen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Absorptionsschichten aus einem Metall gebildet sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Absorptionsschichten aus einem grauen Metall gebildet
sind.
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