DE69427308T2

DE69427308T2 - Diffraktive Vorrichtung

Info

Publication number: DE69427308T2
Application number: DE69427308T
Authority: DE
Inventors: Robert Arthur Lee
Original assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Current assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Priority date: 1993-08-06
Filing date: 1994-08-04
Publication date: 2001-09-06
Anticipated expiration: 2014-08-05
Also published as: DE69428901D1; CA2168772C; ATE201512T1; ATE208049T1; US5825547A; EP0766103A1; DE69428901T2; TW275109B; JPH09502277A; DE69427308D1; EP0766103B1; EP0712500A4; CA2168772A1; WO1995004948A1; DE766103T1; DE712500T1; EP0712500B1; EP0712500A1

Description

Die Erfindung betrifft eine difftaktive Vorrichtung. Sie betrifft insbesondere eine diffraktive Vorrichtung, die bei Beleuchtung durch eine Lichtquelle einen oder mehrere Beugungseffekt(e) erzeugt, der/die von unterschiedlichen Betrachtungswinkelbereichen um die Vorrichtung beobachtbar ist/sind. Die Vorrichtung kann in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden und ist besonders anwendbar als eine Anti-Fälschung- Sicherheitsvorrichtung auf Banknoten, Kreditkarten, Schecks, Aktienzertifikaten und anderen ähnlichen Dokumenten.
Es sind mehrere verschiedene Typen von difftaktiven Vorrichtungen bekannt, die bei Beleuchtung Beugungsbilder erzeugen. Frühere Typen von diffraktiven Vorrichtungen, wie z. B. die in der australischen Patentanmeldung 19576/83 beschriebene, verwendeten typischerweise Gitter mit parallelen Linien mit fester Raumfrequenz. Ein anderer früherer Typ von diffraktiver Vorrichtung ist in der europäischen Patentanmeldung EP-A 240 262 beschrieben. Diese besteht aus einem "weißen Gitter-Kanvas", der durch Abschauen oder Bedrucken von ausgewählten Bereichen der Fläche ein diffraktives Farbbild tragen könnte.
Im Januar 1988 wurde eine australische 10-Dollar-Banknote herausgegeben, die sich durch ein Beugungsbild von Captain Cook auszeichnet. Das in dem Bild verwendete Beugungsgitter bestand zum größten Teil aus im wesentlichen kontinuierlichen Linien, und die Gestalten und Konfigurationen der Linien wurden entsprechend einer optischen Katastrophentheorie bestimmt, um feine Details in dem beobachteten Beugungsbild zu erzeugen.
Die internationale Patentanmeldung PCT/AU90/00395, deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen ist, offenbart ein alternatives Verfahren zum Erzeugen eines optischen Beugungsbilds. In diesem Fall ist die diffraktive Vorrichtung in eine große Zahl von kleinen Beugungsgitterstrukturen unterteilt, von denen jede einen Lichtstrahl beugt, der wie ein Pixel wirkt, wobei die Pixel in Kombination ein Gesamtbild bilden. Gemäß bevorzugten Aspekten der beschriebenen Anordnung umfaßt das jeweilige Beugungsgitter jedes Pixels mehrere reflektierende oder durchlässige Kerben bzw. Linien, die gewöhnlich quer über das Pixel gekrümmt sind. Die Kerben- bzw. Linienkrümmung bestimmt sowohl die örtliche Bildintensität (z. B. Schattierung) als auch die örtliche optische Strukturstabilität. Der Kerben- oder Linienabstand in jedem Pixelgitter bestimmt örtliche Farbeigenschaften, wobei Nicht-Primärfarben durch ein Pixelmischen erzeugt werden. Die mittlere Kerben- oder Linienorientierung bestimmt die Bewegung bzw. Farbeffekte. Die gesamte Oberflächenstruktur jedes Pixelgitters ist aus einer Palette von unterschiedlichen Gittertypen mit einer begrenzten Anzahl von getrennten Werten von durchschnittlicher Krümmung und durchschnittlicher Beabstandung ausgewählt.
Ein Vorteil der Verwendung von Pixelgittern in einer diffraktiven Vorrichtung besteht darin, daß es ermöglicht, daß die Vorrichtung mehr als ein Beugungsbild erzeugt. Die europäische Patentanmeldung EP-A 497 292 und die australische Patentanmeldung 53729/90 liefern dafür Beispiele. Einige der Gitter können diffraktive Flächen mit besonderen Linienabstands- und - orientierungseigenschaften aufweisen, die zur Erzeugung eines von einem besonderen Betrachtungswinkelbereich beobachtbaren Bildes beitragen, und andere Gitter weisen ändere Oberflächeneigenschaften auf, die zur Erzeugung eines anderen von einem anderen Betrachtungswinkelbereich beobachtbaren Bildes beitragen. Dieses Ergebnis ist in einer diffraktiven Vorrichtung mit einem kontinuierlichen Gitter viel schwerer zu erzielen.
Ein weiterer Vorteil einer diffraktiven Vorrichtung mit Pixelgitter besteht darin, daß sie ein Speichern von Bildinformation in einem digitalen Format ermöglicht. Jedoch muß ein vorab festgelegtes Oberflächengebiet auf der diffraktiven Vorrichtung für jedes Pixel eingeplant werden, und dies ist nicht der effizienteste Weg des Speicherns von Bildinformation in einem begrenzten Raum. Dementsprechend besteht Spielraum für eine effizientere Weise des Speicherns von Bildinformation in einem Beugungsgitter.
Außerdem gibt es in einer diffraktiven Vorrichtung mit Pixelgitter unvermeidliche Diskontinuitäten zwischen benachbarten Gittern. In diesen Diskontinuitäten treten Beugungseffekte auf. Es ist normalerweise möglich sicherzustellen, daß diese störenden Beugungseffekte im Verhältnis zu den von der diffraktiven Vorrichtung erzeugten beabsichtigten Beugungseffekten klein sind, aber die störenden Beugungseffekte sind weiterhin detektierbar. Es ist wünschenswert, die störenden Beugungseffekte zu verringern.
Gemäß dem Stand der Technik wird bereitgestellt eine diffraktive Vorrichtung mit einer Oberflächenreliefstruktur, die bei Beleuchtung durch eine Lichtquelle zwei oder mehr Beugungsbilder erzeugt, die von unterschiedlichen Betrachtungswinkelbereichen um die Vorrichtung beobachtbar sind, wobei wenigstens ein Teil der Oberflächenreliefstruktur in einer Reihe von Bahnen angeordnet ist, wobei jede Bahn weniger als 0,25 mm breit und mehr als 0,5 mm lang ist und eine beugende Oberflächenreliefstruktur aufweist, die aus einzelnen Strukturelementen besteht, wobei die Oberflächenreliefstruktur zwischen benachbarten Bahnen im wesentlichen diskontinuierlich ist, aber die innerhalb jeder Bahn kontinuierlich ist, wobei "kontinuierlich" bedeutet, daß keine wesentlichen Unterschiede zwischen aneinandergrenzenden jeweiligen Strukturelementen hinsichtlich Orientierung, Krümmung und Beabstandung bestehen, und wobei die Oberflächenreliefstruktur jeder Bahn eine Komponente eines Beugungsbildes erzeugt, so daß eine erste Gruppe der Bahnen eines der Beugungsbilder erzeugt und eine zweite Gruppe von Bahnen mit der ersten Gruppe dazwischen ein zweites Beugungsbild erzeugt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine diffraktive Vorrichtung nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Die Bahnen können irgendeine geeignete Gestalt, Größe und Konfiguration aufweisen. Die einzelnen Bahnen weisen eine Länge auf, die größer als 0,5 mm ist. Eine Breite von 0,25 mm stellt näherungsweise die Grenze der Auflösung des menschlichen Auges bei Betrachtung einer diffraktiven Vorrichtung aus der Nähe dar, so daß eine Bahn mit einer Breite von weniger als 0,25 mm für das menschliche Auge wahrscheinlich nicht getrennt wahrnehmbar ist.
Die Bahnen können irgendeine geeignete Konfiguration aufweisen. In einer bevorzugten Anordnung sind die Bahnen geradlinig und parallel Seite an Seite konfiguriert. In einer alternativen Anordnung können die Bahnen Bögen aus konzentrischen Kreisen bilden. In weiteren Anordnungen können die Bahnen in Gestalt von schweifenden Linien vorliegen.
In einer Anordnung, in der zwei Beugungseffekte bzw. -bilder erzeugt werden, trägt jede zweite Bahn zu einem Effekt bzw. Bild bei und jede andere Bahn zum anderen Effekt bzw. Bild bei. Es ist nicht wesentlich, daß alle Bahnen dieselbe Breite aufweisen, sondern dies ist ein bevorzugtes Merkmal. Es ist nicht wesentlich, daß die Bahnen für die zwei Effekte bzw. Bilder abwechselnd angeordnet sind; sie können in irgendeiner Reihenfolge auftreten. Es können mehr als zwei Bahntypen vorhanden sein, die mit mehr als zwei Effekten bzw. Bildern verbunden sein können.
In einer bevorzugten Anordnung umfaßt die beugende Oberfläche jeder Bahn eine Reihe von Linien bzw. Kerben, die sich quer über die Breite der Bahn erstrecken. Es ist möglich, als eine Alternative zu Linien bzw. Kerben Kreise, Polygone und andere Gestalten zu verwenden, die die erforderlichen Beugungseffekte bereitstellen können. In einer weiteren bevorzugten Anordnung umfaßt die beugende Oberfläche ein Muster aus parallelogrammförmig gestalteten Verzahnungen.
In einer weiteren bevorzugten Anordnung umfaßt die beugende Oberfläche jeder Bahn eine Reihe von Linien bzw. Kerben, die sich allgemein in Längsrichtung der Bahn erstrecken.
Derartige Linien bzw. Kerben können geradlinig oder gekrümmt sein, und in einer Anordnung können sie in einer sinusförmigen Konfiguration periodisch wellenförmig sein. Die Linien bzw. Kerben können kurz und diskret sein oder sie können über die ganze Länge der Bahn im wesentlichen kontinuierlich sein.
In einer besonders bevorzugten Anordnung kann die Oberflächenreliefstruktur Bahnen mit Mustern aus quer verlaufenden Kerben bzw. Parallelogrammen aufweisen, die mit Bahnen durchsetzt sind, die Muster aus in Längsrichtung verlaufenden Kerben bzw. Parallelogrammen aufweisen, so daß Beugungseffekte von einem Satz Bahnen beobachtbar sind, wenn die diffraktive Vorrichtung in Richtung der Bahnen betrachtet wird, und Beugungseffekte von einem weiteren Satz Bahnen beobachtbar sind, wenn die diffraktive Vorrichtung senkrecht zur Richtung der Bahnen betrachtet wird.
In gewissen Anordnungen kann die Orientierung und Beabstandung der beugenden Linien oder anderen Gestalten auf der Oberfläche jeder Bahn kontinuierlich hinsichtlich Orientierung, Krümmung und/oder Beabstandung entlang der Bahn variieren, wobei die Variationen in der Orientierung, Krümmung und/oder Beabstandung das Mittel sind, durch das Bildinformation in den Bahnen verschlüsselt ist.
Als eine optionale Verfeinerung kann eines der von den beugenden Bahnen erzeugten Bilder ein gleichförmiges bzw. blankes Bild sein, das durch die physikalische Zerstörung oder Modifikation von Gebieten der beugenden Oberfläche auf ausgewählten Bahnen zum Erzeugen von entsprechenden diffus reflektierenden Gebieten mit Bildinformation verschlüsselt werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend ausführlicher durch Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, die eine Beispielausführungsform der Erfindung zeigen. Es sollte verständlich sein, daß die Besonderheit der Zeichnungen nicht die Allgemeinheit der vorangehenden Beschreibung der Erfindung ersetzt.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Gebietes einer Oberflächenreliefstruktur einer difftaktiven Vorrichtung gemäß einem Beispiel, das zum Verständnis der Erfindung nützlich ist.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung von Teilen der Oberflächenreliefstruktur von Fig. 1.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung weiterer Teile der Oberflächenreliefstruktur von Fig. 1.
Fig. 4 ist eine ausführlichere schematische Darstellung zweier Teile von Bahnen, die in einer diffraktiven Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Fig. 5 ist eine ausführliche schematische Darstellung eines Teils zweier aneinandergrenzender Bahnen in einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer Bahn gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils zweier aneinandergrenzender Bahnen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 8 zeigt eine computer-erzeugte ausführliche Darstellung eines Abschnitts zweier aneinandergrenzender Bahnen gemäß einer Ausführungsform des in Fig. 4 gezeigten Typs.
Fig. 9 zeigte eine computer-erzeugte ausführliche Darstellung eines Gebietes einer Oberflächenreliefbeugungsstruktur, die mehrere Bahnen gemäß einer Ausführungsform des in Fig. 5 gezeigten Typs zeigt.
Fig. 10 ist eine computer-erzeugte ausführliche Darstellung eines Teils zweier aneinandergrenzender Bahnen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 11 ist eine computer-erzeugte ausführliche Darstellung eines Teils zweier aneinandergrenzender Bahnen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Als erstes unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist ein Teil 1 der Oberflächenreliefstruktur in einer Reihe von Bahnen 2 angeordnet, wobei jede Bahn eine beugende Oberfläche 3 aufweist, die eine Komponente eines Beugungsbildes erzeugt. In dem dargestellten Beispiel werden zwei separate Bilder, eins von Bahnen 4 auf der linken Seite und eins von Bahnen 5 auf der rechten Seite, erzeugt. Die zwei Beugungsbilder werden von Bildkomponenten gebildet, die jeweils von einzelnen Bahnen 4 und einzelnen Bahnen 5 erzeugt werden.
Jede Bahn 2 kann irgendeine geeignete Länge aufweisen. Es wird bevorzugt, daß jede Bahn eine Länge von mehr als 0,5 mm aufweist, und zweckmäßigerweise wird bevorzugt, daß jede Bahn sich über die ganze Länge der diffraktiven Vorrichtung erstreckt, obwohl keine Anforderung besteht, daß dies der Fall ist. In dem dargestellten Beispiel ist jede Bahn 2 geradlinig und parallel Seite an Seite konfiguriert. In alternativen Beispielen können die Bahnen in konzentrischen Kreisen oder Abschnitten aus konzentrischen Kreisen oder in vielen anderen gekrümmten Anordnungen angeordnet sein.
Jede Bahn 2 kann irgendeine geeignete Breite aufweisen. Es wird bevorzugt, daß die Bahnen ausreichend schmal sind, um nicht vom bloßen menschlichen Auge wahrnehmbar zu sein. Die Grenze der Auflösung eines normalen menschlichen Auges, das eine diffraktive Vorrichtung aus der Nähe untersucht, beträgt ungefähr 0,25 mm. Dementsprechend ist es unwahrscheinlich, daß Bahnen mit einer Breite, die geringer als dieser Betrag ist, vom menschlichen Auge separat wahrgenommen werden.
Wie es oben angegeben wurde, führen Diskontinuitäten um die Grenzen einzelner Pixel in diffraktiven Vorrichtungen mit Pixeln zu zufälligen Beugungseffekten. Das Ausmaß dieser zufälligen Effekte wird durch die Verwendung von Bahnen gemäß der vorliegenden Erfindung vermindert, indem Diskontinuitäten entlang der Länge der Bahn vermieden werden können, obwohl Diskontinuitäten weiterhin entlang den Seiten jeder Bahn vorhanden sind.
Obwohl nicht wesentlich, wird es bevorzugt, daß jede Bahn 2 dieselbe Breite aufweist. Wenn jede Bahn dieselbe Breite aufweist, ist das Verschlüsseln von Beugungsbilddaten in der beugenden Oberfläche jeder Bahn ein einfacherer Vorgang. In Situationen, in denen es erwünscht ist, daß die diffraktive Vorrichtung Mehrfachbeugungsbilder erzeugt, kann es jedoch erwünscht sein, daß ein derartiges Beugungsbild heller als ein anderes ist, und ein Weg zum Erzielen eines derartigen Effekts besteht darin, breitere Bahnen für die Erzeugung des hellen Bildes und schmalere Bahnen für die Erzeugung des trüben Bildes zu bestimmen.
In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel sind die Bahnen 2 im wesentlichen Seite an Seite angeordnet. Es ist jedoch nicht wesentlich, daß jede Bahn an die nächste grenzt, und es kann ein Kanal mit irgendeiner gewünschten Breite zwischen aneinandergrenzenden Bahnen übrig bleiben. E ist manchmal vorteilhaft, einen schmalen Kanal von ungefähr vier Mikron Breite zwischen benachbarten Bahnen zu lassen, um als ein Luftventilationsweg während der Herstellung der diffraktiven Vorrichtung zu wirken. Diffraktive Vorrichtungen vom hierin beschriebenen Typ werden typischerweise durch einen Prägeprozeß hergestellt, und es hat sich herausgestellt, daß befriedigendere Ergebnisse erzielt werden, wenn eine Luftventilation erfolgen kann.
Die beugende Oberfläche auf jeder Bahn 2 kann irgendeine geeignete beugende Oberflächenreliefstruktur aufweisen. In dem in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Beispiel umfaßt die Oberflächereliefstruktur eine Reihe von gekrümmten oder geradlinigen Linien oder Kerben, die sich über die Breite der Bahn erstrecken. Es ist nicht wesentlich, daß Linien verwendet werden, und andere geeignete beugende Gestalten schließen Kreise und Polygone ein. In einer geeigneten Anordnung kann die Oberflächenreliefstruktur einer Bahn aus variabel gestalteten Polygonstrukturen mit Abmessungen von weniger als 1 Mikron bestehen, die entlang und quer zu jeder Bahn in der Weise positioniert sind, daß sie die Beugungsbildinformation verschlüsseln und sie diffraktiv wieder erzeugen. In einem weiteren Beispiel kann die Oberflächenreliefstruktur einer Bahn aus zahlreichen beugenden Punkten mit Größen von weniger als 0,25 Mikron bestehen, so daß die Beugungsbildinformation in dem Abstand und in der Verteilung der Punkte verschlüsselt ist.
Fig. 4 stellt ausführlicher Bereiche zweier Bahnen dar, wobei jeder aus einer komplexen verallgemeinerten Beugungsgitterstruktur mit Kerben besteht, die kontinuierlich hinsichtlich Beabstandung, Orientierung und Krümmung entlang der Länge der Bahn variieren. Die Variationen in der Kerbenbeabstandung, -krümmung und -orientierung stellen das Mittel dar, durch das die Beugungsbildinformation in den Bahnen verschlüsselt wird. In bevorzugten Anordnungen können die Variationen in der Kerbenbeabstandung, in dem Kerbenwinkel und der Kerbenkrümmung durch mathematische Funktionen zweier Variablen beschrieben werden, deren Hessesche der zweiten Ableitungen bezüglich der zwei Variablen außer entlang gewisser charakteristischer Linien innerhalb jeder beugenden Bahn nicht Null ist.
Ein besonderes Beispiel einer geeigneten Bahngitterfunktion wird durch den folgenden Ausdruck angegeben:
wobei:
Z der Bahnkerbenindexparameter ist;
α = α(Y) entlang der Länge der Bahn;
β = β(Y) entlang der Länge der Bahn;
a eine vorgegebene Variable ist, die die örtliche Trägerwellenfrequenz der Bahn bestimmt und somit die örtliche Liniendichte der Bahn und die Farbe der von der Bahn erzeugen Bildkomponente bestimmt. Typischerweise gilt 0,8 < α < 1, 2;
β ein Parameter ist, der proportional zur örtlichen Intensität der Farbe der Bahn eingestellt ist und die Strukturstabilität der Bahn bestimmt. Dieser Parameter wird zum Abstimmen der Bildeigenschaften der diffraktiven Vorrichtung verwendet. Typischerweise gilt 0 ≤ β ≤ 0,056;
die Zahlenbereiche der örtlichen Koordinaten X und Y vorgegeben sind durch 0 ≤ X ≤ 0,2 und 0,2 ≤ Y ≤ 0,6 für eine Kanalbahn auf der linken Seite und 0,6 ≤ X ≤ 0,8 und 0,2 ≤ Y ≤ 0,6 für eine Kanalbahn auf der rechten Seite; und
die Hessesche des Bahngitters außer entlang gewisser charakteristischer Linien der Gitterebene, die unter Gradiententransformationen auf singuläre Linien (Kaustiken) im Beugungsraum abbilden, nicht Null ist. Die Hessesche Funktion H (X, Y) von Z (X, Y) ist eine standardmäßige komplexe Ableitung, die gegeben ist durch:
Fig. 4 zeigt zwei Bahnsegmente mit Bahngitterfunktionen des in der obigen Gleichung (1) beschriebenen Typs. Eine einzige Bahn kann aus mehreren derartigen mit den Enden aneinander verbundenen Segmenten bestehen, wobei jedes Segment eine feste oder variable Länge aufweist. In Anordnungen, in denen jedes Bahnsegment eine feste Länge aufweist, wird es bevorzugt, daß jedes Segment eine "Periode" in einer in der Bahn verschlüsselten "Trägerwelle" bildet, wobei Beugungsbildinformation in jeder Periode mittels einer Variation der Kerbenbeabstandung und -krümmung verschlüsselt ist. Die in Fig. 4 dargestellten Bahnsegmente weisen eine Breite von ungefähr 15 Mikron und eine Länge von ungefähr 30 Mikron auf, obwohl sie - wie gewünscht - in der Größe vergrößert oder verkleinert werden können.
Fig. 8 ist eine computer-erzeugte Darstellung eines Abschnitts eines Paares aneinandergrenzender Bahnen, die als Kanal 14 (linke Bahn) und 15 (rechte Bahn) gekennzeichnet sind. Die dargestellten Bahnabschnitte bilden einen Teil einer größeren Struktur, die mehrere linksseitige Bahnen enthält, die zwischen mehreren rechtsseitigen Bahnen eingestreut sind. Die linksseitigen Bahnen erzeugen bei Beleuchtung ein oder mehrere Beugungsbild(er), die von besonderen Positionen um die diffraktive Vorrichtung herum beobachtbar sind, und die rechtsseitigen Bahnen erzeugen Bilder, die von anderen Positionen beobachtbar sind. Die dargestellten Bahnbereiche sind jeweils ungefähr 1 S Mikron breit und 60 Mikron lang.
Wie es anhand einer näheren Betrachtung von Fig. 8 ersichtlich sein wird, ist jede sich quer zur Bahn erstreckende gekrümmte Kerbe der Zweckmäßigkeit halber aus acht Segmenten 18 zusammengesetzt, wobei jedes die Gestalt eines Parallelogramms aufweist. Jede Parallelogrammverzahnung 18 ist näherungsweise zwei Mikron breit. Obwohl die meisten Parallelogramme 18 mit benachbarten Parallelogrammen zusammenpassen, um gekrümmte Kerben zu bilden, die sich quer zur Bahn erstrecken, tilgen einige besonderen Teilen der Bahnoberfläche Dichte hinzu, ohne sich mit irgendwelchen Nachbarn zusammenzuschließen.
Das Konzept des Aufteilens jeder Kerbe in acht Parallelogrammen 18 ist eine Stufe weiter in der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform ergriffen worden. In dieser Ausführungsform besteht die Bahnoberfläche vollständig aus parallelogrammförmig gestalteten Verzahnungen. Die dunklen Bereiche stellen Senken dar, während die hellen Bereiche Wellenberge darstellen. Einige Parallelogramme passen mit deren Nachbarn zur Bildung von Kerben zusammen, aber dies ist zufällig, statt wie in der Ausführungsform von Fig. 8 beabsichtigt. In irgendeiner Linie quer zu den Bahnen in der Ausführungsform von Fig. 10 weisen alle Parallelogramme dieselbe Winkelorientierung auf, während eine derartige Orientierung in der Ausführungsform von Fig. 8 beträchtlich variiert.
Die sowohl in Fig. 8 als auch in Fig. 10 gezeigten Muster werden zum Erzeugen von Pixeln in den Bildebenen verwendet. Jede linke 14 und rechte Bahn 15 enthält in jedem Fall zwei Segmente (16, 17), wobei die obere Hälfte 17 ein Segment ist und die untere Hälfte 16 ein weiteres ist. Jedes Segment erzeugt ein Pixel. Die gezeigten Muster werden zum Erzeugen von Pixeln mit einem von sechzehn unterschiedlichen Graustufenwerten verwendet. Segmente mit flacheren Linien erzeugen dunklere Pixel in der Bildebene und Segmente mit steileren Linien (scharfwinkligere Parallelogramme) erzeugen hellere Pixel. Eine große Anzahl von Bahnsegmenten von unterschiedlichen Bahnen kann somit zum Erzeugen eines vollständigen Bildes mit sechzehn Graustufen verwendet werden.
Zusätzlich zu den 16 unterschiedlichen Typen von Graustufensegmenten enthält die "Palette" von unterschiedlichen Bahnsegmenttypen in einer bevorzugten Anordnung 10 unterschiedliche Farbeffektsegmente. Die linke Bahn 14 in Fig. 11 enthält zwei Farbeffektsegmente (16, 17). In der dargestellten Ausführungsform sind die Farbeffektsegmente durch Verwendung von geraden Kerben geschaffen, die die Bahn unter rechten Winkeln mit variierenden Raumfrequenzen kreuzen. Die rechte Bahn 15 in Fig. 11 enthält zwei weitere Farbeffektsegmente, wobei aber die Kerben mit der Bahn ausgerichtet sind, um; ,90º-Effekte" zu schaffen, das heißt Beugungseffekte, die unter Positionen 90º von dort herum sichtbar sind, wo die Beugungseffekte der linken Bahn sichtbar sind.
Ein besonders wünschenswerter Farbeffekttyp wird erhalten, wenn die Farben sich entlang eines Weges in der Bildebene zu bewegen scheinen, wenn die diffraktive Vorrichtung um eine Achse in ihrer Ebene gekippt wird. Derartige Effekte können durch sequentielles Positionieren von Farbeffektbahnsegmenttypen erhalten werden, wobei die mittlere Raumfrequenz mit der Sequenz zunimmt oder abnimmt.
Es wird bevorzugt, daß die Farbeffektbahnsegmente so moduliert werden, daß durch diese Segmente erzeugte Bildkomponenten über breitere Winkelbereiche beobachtbar sind, als sie es sein würden, wenn deren beugenden Oberflächen unmoduliert wären. Eine geeignete allgemeine Modulationsfunktion ist gegeben durch:
y = ma+βF (Qπm/n),
wobei β ein Modulationsfaktor ist; a der mittlere Beugungsstrukturabstand ist; Q die Anzahl von Modulationszyklen ist; N die Gesamtzahl der Kerben oder äquivalenten Beugungsstrukturen innerhalb des Bahnsegments ist; m der Kerbenindexparameter (m = 1 bis N); und F sin oder cos oder eine andere harmonische oder quadratische Funktion ist.
Die Raumfrequenz der vertikalen Kerben der rechten Bahn in Fig. 11 ist dieselbe an der Oberseite und Unterseite jedes Segments und ändert sich über mehrere Schritte auf eine charakteristische Frequenz im Zentrum 19 jedes Segments.
Die rechte Bahn 15 in Fig. 10 weist eine von der mittleren Raumfrequenz der linken Bahn 14 ab weichende Frequenz auf, um die Wahrscheinlichkeit von Interferenz zwischen den zwei unterschiedlichen Bildern, die zu erzeugen sind, zu verringern. Außerdem weisen die Parallelogramme 18 in den linken und rechten Bahnen entgegengesetzte Winkelorientierungen auf.
Die Bahnoberflächenmuster der in den Fig. 8, 10 und 11 dargestellten Typen werden typischerweise unter Verwendung eines Elektronenstrahls erzeugt. Ein Oberflächengebiet von 30 Mikron mal 30 Mikron wird typischerweise in ein Gitter aus 1.024 mal 1.024 Einheiten unterteilt. Dieses Gitter wird dann zum Definieren der Start- und Endpunkte jedes Parallelogramms verwendet. In den in den Fig. 8, 10 und 11 gezeigten Ausführungsformen bedeckt ein Gittergebiet ein Bahnsegment (30 Mikron lang) in jeder von zwei aneinandergrenzenden Bahnen (jeweils 15 Mikron breit). Ein in der BASIC- Programmiersprache geschriebener Algorithmus zum Erzeugen der linken Bahn in Fig. 10 wird angegeben durch:
J1M&=JOM&+INT((45-3*(JJ-11))*ABS(SIN(1.5708*LLL/512))
*ABS(256-XINC)/1024yt'1.5
J1P&=JOP&+INT((45-3*(JJ-11))*ABS(SIN(1.5708*LLL/512))
*ABS(256-XINC)/1024) 1.5,
wobei: JOP die obere linke Ecke eines Parallelogramms ist
JOM die untere linke Ecke ist
J1P die obere rechte Ecke ist
J1M die untere rechte Ecke ist
JJ die Anzahl ist, die den Typ von Graustufenelement darstellt (JJ liegt zwischen 11 und 26, was 16 unterschiedliche Typen ergibt)
XINC = 64 (d. h. die Breite des Parallelogramms, in Gitterpositionen)
LLL ein vertikaler Index ist.
Ein ähnlicher Algorithmus findet für die rechte Bahn in Fig. 10 Anwendung.
Die in den Fig. 8, 10 und 11 dargestellten beugenden Bahnen enthalten digital verschlüsselte Bildinformation. Das heißt, Bahnen sind in Segmente mit einer vorgegebenen Größe unterteilt und ein Bildinformationsbereich (der gewöhnlich einem einzigen Pixel in der Bildebene entspricht) wird in jedem Segment gespeichert. Es ist jedoch nicht notwendig, daß Bahnen in regelmäßige Segmente unterteilt werden. Stattdessen können die beugenden Oberflächen kontinuierlich, aber unregelmäßig hinsichtlich des Beugungsstrukturabstands, der Beugungsstrukturkrümmung und -orientierung variieren, so daß Bildinformation in einem analogen Format statt einem digitalen Format gespeichert werden kann. In einer derartigen Anordnung kann das Bild in der Bildebene aus einer Gruppe von Linien (jede Linie entspricht einer Bahn) statt einer Gruppe von diskreten Pixeln (jedes Pixel entspricht einem oder mehreren Bahnsegment(en)) bestehen.
Eine oder mehrere beugende Bahn(en) kann/können diffus reflektierende Gebiete (die aus zufallsmäßig beabstandeten Kerben bestehen) und/oder spiegelnd reflektierende Gebiete zwischen beugenden Gebieten enthalten. Diffus reflektierende Gebiete können zum Verschlüsseln von Hilfsinformation verwendet werden, die nicht in dem Beugungsbild vorgefunden wird. Spiegelnd reflektierende Gebiete können zum Verbessern der Kontrasteigenschaften des gebeugten Bildes verwendet werden.
Ein oder mehrere Beugungsbild(er), das/die von den beugenden Bahnen erzeugt wird/werden, kann/können aus abstrakten Farbmustern bestehen, die variable Farbeffekte schaffen, die sich entlang der Bahnen bewegen, wenn die Vorrichtung relativ zur Lichtquelle und zum Beobachter bewegt wird. Insbesondere kann der Bewegungseffekt erzeugt werden, wenn die Vorrichtung um eine Achse in ihrer eigenen Ebene gedreht wird.
Es wird bevorzugt, daß die beugenden Bahnen zwei oder mehr Beugungsbilder erzeugen, die aus unterschiedlichen Betrachtungswinkelbereichen um die difftaktive Vorrichtung beobachtbar sind, wobei einige der beugenden Bahnen zum Erzeugen jedes Beugungsbildes bestimmt sind. In dem in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Beispiel sind die linken Bahnen 4 zum Erzeugen eines ersten Beugungsbildes bestimmt, das von einem ersten Betrachtungswinkelbereich um die diffraktive Vorrichtung beobachtbar ist, und sind rechte Bahnen 5 bestimmt, um ein zweites Beugungsbild zu erzeugen, das von einem zweiten Betrachtungswinkelbereich um die diffraktive Vorrichtung beobachtbar ist. Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, sind die Bahnen in einer sich abwechselnden rechts-links-rechts-links- Konfiguration angeordnet; dies ist jedoch nicht notwendig und die Bahnen können in irgendeiner Reihenfolge, wie z. B. rechts-rechts-links-rechts-links-links angeordnet sein.
Fig. 5 zeigt Abschnitte zweier Bahnen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Eine linke Bahn 6 weist sich quer über die Breite der Bahn erstreckende Kerben auf, die Beugungsbilder erzeugen, die aus einer Richtung allgemein entlang der Länge der Bahn beobachtet werden können. Eine rechte Bahn 7 besteht aus mehreren Inselgebieten 8, die von flachen Gebieten 9 umgeben sind. Die Inselgebiete 8 weisen sich in Längsrichtung entlang der Bahn erstreckende Kerben auf, die Beugungsbilder erzeugen, die aus einer Richtung allgemein senkrecht zur Länge der Bahn beobachtet werden können. Ein besonderer Vorteil der in Fig. 5 dargestellten Anordnung besteht darin, daß Beugungsbilder sowohl in der Richtung der Länge der Bahnen als auch in der senkrechten Richtung erzeugt werden, so daß die Beugungseffekte der diffraktiven Vorrichtung leichter beobachtbar sind.
Die flachen Gebiete 9 sind optional, aber sie liefern gewisse Vorteile. Wir vorangehend gezeigt, werden diffraktive Vorrichtungen vom beschriebenen Typ typischerweise unter Verwendung eines Prägeprozesses geschaffen, und die flachen Gebiete 9 wirken als Entlüftungen zum Entfernen von Gas während des Prägeprozesses, was zu einem präziseren Endprodukt führt. Außerdem folgt typischerweise ein Elektroplattierprozeß dem Prägeprozeß und ermöglichen flache Gebiete 9 ein genaueres Elektroplattieren. Die flachen Gebiete 9 können auch gedruckte Linien tragen, die für die Scangeschwindigkeiten von besonderen Farbfotokopierern verantwortlich sind, so daß Moire-Interferenzlinien auf einem fotokopierten Bild der diffraktiven Vorrichtung geschaffen werden. Alternativ bzw. zusätzlich können die flachen Gebiete 9 mit einer Mikrobeschriftung 13 mit einer Größe in der Größenordnung von 2 Mikron, wie es in Fig. 9 gezeigt ist, geprägt oder bedruckt sein. Eine derartige Mikrobeschriftung kann als ein zusätzliches Sicherheitselement dienen und kann eine Registriernummer oder eine andere Identifiziereinrichtung enthalten, die für die difftaktive Vorrichtung, auf der sie erscheint, eindeutig ist, wodurch eine Verifikation der Echtheit mittels einer mikroskopischen Untersuchung ermöglicht wird.
Die linke Bahn 7, die Inseln 8 und die flachen Gebiete 9 können irgendwelche geeigneten Abmessungen aufweisen. In einer besonders bevorzugten Anordnung sind die linke Bahn 7 und die Inselgebiete 8 jeweils ungefähr 15 Mikron breit und die flachen Gebiete 9 ungefähr 4 Mikron breit.
In einer Variation der in Fig. 5 gezeigten Anordnung kann jede Insel 8 mittels Verbindungskerben, die verzweigt sein können, mit ihren Nachbarinseln verbunden sein, so daß die Kerben im wesentlichen über die Länge der Bahn kontinuierlich verlaufen.
Fig. 6 zeigt eine Bahn 10 mit Kerben, die sich im wesentlichen entlang der Länge der Bahn statt im wesentlichen quer zur Bahn erstrecken, wie dies bei den Bahnsegmenten von Fig. 4 der Fall ist. Die durch die Bahn 10 erzeugten Beugungseffekte treten im wesentlichen unter rechten Winkeln zu denjenigen auf, die von einer Bahn erzeugt werden, die aus Bahnsegmenten vom in Fig. 4 gezeigten Typ besteht. Die Bahn 10 umfaßt im wesentlichen "Trägerwellen", wobei Bildinformation mittels Amplituden- und Kerbenabstandsvariationen in diesen verschlüsselt ist.
In einigen Ausführungsformen können die Variationen des Kerbenabstands, -winkels und der Kerbenkrümmung durch mathematische Funktionen zweier Variablen beschrieben werden, deren Hessesche der zweiten Ableitungen bezüglich der zwei Variablen außer entlang gewisser charakteristischer Linien innerhalb jeder beugenden Bahn Null ist, wie es vorangehend diskutiert wurde.
Dies ist jedoch keine wesentliche Bedingung, und in anderen Ausführungsformen kann die Hessesche Funktion der zweiten Ableitungen der Gitterfunktion für alle Punkte innerhalb der Bahn gleich Null sein.
Fig. 7 stellt schematisch eine Kombination von linken und rechten Bahnen, jeweils 11 und 12, dar. Die linke Bahn 11 kann irgendein Typ von in den Fig. 1, 2, 3, 4 und 8 dargestellten Bahnen sein und die rechte Bahn 12 ist eine Bahn vom in Fig. 6 gezeigten Typ. Mehrere derartige linke und rechte Bahnen bilden in Kombination eine zweikanalige diffraktive Vorrichtung. Wie es vorangehend diskutiert wurde, können die Bahnen 11 und 12 irgendeine geeignete Breite aufweisen, und eine besonders bevorzugte Breite beträgt ungefähr 15 Mikron. Die in Fig. 7 dargestellte Anordnung ist besonders vorteilhaft, da das/die von linken Bahnen 11 erzeugte(n) Bild(er) unter Winkeln 90º von dort herum, wo das/die von rechten Bahnen 12 erzeugte(n) Bild(er) beobachtbar ist/sind, beobachtbar sein wird/werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann/können ein oder mehrere von der diffraktiven Vorrichtung erzeugte(s) Bild(er) aus einer gleichförmigen oder blanken Bildebene bestehen, die durch Zerstörung oder Modifikation von beugenden Elementen an ausgewählten Orten entlang ausgewählter Beugungsbahnen mit Bildinformation verschlüsselt werden kann. Dies ermöglicht eine Modifikation der diffraktiven Vorrichtung nach der Herstellung zur Aufnahme eines neuen Diffraktionsbildes, obwohl die Auflösung der auf diese Weise aufgenommenen Bildinformation geringer als die normalerweise von einer beugenden Bahn bereitgestellte Auflösung ist. Eine besondere Ausführungsform dieses Merkmals umfaßt eine Reihe von Bahnen. Entlang der Länge jeder Bahn wechselt die beugende Oberfläche zwischen Oberflächenbereichen, die schwarze Bildkomponenten in der Bildebene verursachen, und Oberflächenbereichen, die weiße Bildkomponenten verursachen. Zur Schaffung eines dunklen Gebietes in der Bildebene werden die "weißen" Teile der entsprechenden beugenden Oberflächenbereiche gelöscht; während die "schwarzen" Oberflächenbereiche zur Schaffung eines hellen Gebietes gelöscht werden. Auf diese Weise ist es möglich, ein Schwarz-Weiß-Bit-Bild in den Bahnen zu verschlüsseln.
Als eine weitere Verbesserung können die beugenden Oberflächen auf einigen Bahnen diffus reflektierende Gebiete enthalten. Derartige Gebiete beeinträchtigen nicht die in der Bildphase beobachteten Bilder, sondern verleihen der diffraktiven Vorrichtung eine neutrale Hintergrunderscheinung, was die Bilder leichter beobachtbar macht.
Als eine weitere Verbesserung können einige Bahnen spiegelnd reflektierende Gebiete enthalten. Derartige Gebiete sind nützlich, um den in den Bildebenen beobachteten Bildern Kontrast hinzuzufügen.

Claims

1. Eine diffraktive Vorrichtung mit einer Oberflächenreliefstruktur, die bei Beleuchtung durch eine Lichtquelle zwei oder mehr Beugungsbilder erzeugt, die von unterschiedlichen Betrachtungswinkelbereichen um die Vorrichtung beobachtbar sind, wobei wenigstens ein Teil der Oberflächenreliefstruktur in einer Reihe von Bahnen (11, 12) angeordnet ist, wobei jede Bahn weniger als 0,25 mm breit und mehr als 0,5 mm lang ist und eine beugende Oberflächenreliefstruktur aufweist, die aus einzelnen Strukturelementen (18) besteht, wobei die Oberflächenreliefstruktur zwischen benachbarten Bahnen diskontinuierlich ist, indem dort wesentliche Unterschiede zwischen aneinandergrenzenden jeweiligen Strukturelementen hinsichtlich Orientierung, Krümmung oder Beabstandung bestehen, aber die Oberflächenreliefstruktur innerhalb jeder Bahn kontinuierlich ist, indem dort keine wesentlichen Unterschiede zwischen aneinandergrenzenden jeweiligen Strukturelementen hinsichtlich Orientierung, Krümmung und Beabstandung bestehen und so daß zufällige Beugungseffekte aufgrund von Diskontinuitäten um die Grenze einer Bahn herum entlang der Länge der Bahn verringert werden, und wobei die Oberflächenreliefstruktur jeder Bahn eine Komponente eines Beugungsbildes erzeugt, so daß eine erste Gruppe der Bahnen (11) eines der Beugungsbilder erzeugt und eine zweite Gruppe von Bahnen (12) mit der ersten Gruppe dazwischen ein zweites Beugungsbild erzeugt, wobei jedes Bild Gebiete mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Farben und/oder Intensitäten umfaßt.

2. Eine diffraktive Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahnen geradlinig und parallel sind.

3. Eine diffraktive Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahnen Gebiete aus konzentrischen Kreisen bilden.

4. Diffraktive Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahnen in Gestalt von schweifenden Linien vorliegen.

5. Eine diffraktive Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf einigen Bahnen (11) die beugende Oberfläche eine Reihe von allgemein quer zur Bahn orientierten Kerben umfaßt und auf einigen Bahnen (12) die beugende Oberfläche eine Reihe von allgemein entlang der Bahn orientierten Kerben umfaßt.

6. Eine diffraktive Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, die Bahnen (10) enthält, die Kerben aufweisen, die allgemein in Längsrichtung der Bahnen periodisch wellenförmig sind.

7. Eine diffraktive Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, die Bahnen (7) enthält, deren beugende Oberfläche Inseln (8) umfaßt, die vollständig innerhalb anderer Bahnen (9) umfaßt sind.

8. Eine diffraktive Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, die Gebiete (13) enthält, die mit einer Mikrobeschriftung geprägt oder bedruckt sind.

9. Eine diffraktive Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, die Bahnen (14, 15) enthält, die auf deren Oberflächen beugende Kerben oder andere Gestalten (18) aufweisen, die kontinuierlich hinsichtlich Orientierung, Krümmung und Beabstandung entlang der Bahn variieren, wobei die Variationen der Orientierung, Krümmung und Beabstandung das Mittel sind, durch das Bildinformation in den Bahnen verschlüsselt ist.

10. Eine diffraktive Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der Vorrichtung erzeugtes Bild ein gleichförmiges bzw. blankes Bild ist, das durch die physikalische Zerstörung oder Modifikation von Gebieten der beugenden Oberfläche auf ausgewählten Bahnen zum Erzeugen von entsprechenden diffus reflektierenden Gebieten mit Bildinformation verschlüsselt werden kann.

11. Eine diffraktive Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf einigen Bahnen die beugende Oberfläche ein Muster aus Parallelogrammen (18) mit variierenden Winkelorientierungen umfaßt, die in der Bahnoberfläche verzahnt sind.

12. Eine difftaktive Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Teile der beugenden Oberflächen auf einigen Bahnen zur Erzeugung von Graustufen-Bildinformationen in der Bildebene bestimmt sind.

13. Eine diffraktive Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Teile der beugenden Oberflächen auf einigen Bahnen zum Erzeugen von Farbeffekten in der Bildebene bestimmt sind.

14. Eine diffraktive Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbeffekte sich entlang eines Weges in der Bildebene zu bewegen scheinen, wenn die Vorrichtung um eine Achse in ihrer eigenen Ebene gedreht wird.

15. Eine diffraktive Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Bildinformationen von einem durch die Vorrichtung erzeugten Bild in analoger Weise entlang der Länge einiger Bahnen erzeugt werden, wobei jede Bahn eine Linie des Bildes erzeugt und die durch diese Bahnen erzeugten Linien in Kombination das Bild bilden.

16. Eine diffraktive Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Bildinformationen von einem durch die Vorrichtung erzeugten Bild in digitaler Weise entlang der Länge einiger Bahnen erzeugt werden, wobei jede Bahn eine Linie des Bildes erzeugt und die durch diese Bahnen erzeugten Linien in Kombination das Bild bilden.

17. Eine diffraktive Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß einige Bahnen diffus reflektierende Gebiete einschließen.

18. Eine diffraktive Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß einige Bahnen spiegelnd reflektierende Gebiete einschließen.

19. Eine diffraktive Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Variationen in der Orientierung, Krümmung und Beabstandung durch mathematische Funktionen zweier Variablen beschrieben werden können, in denen die Hessesche der zweiten Ableitungen außer entlang gewisser charakteristischer Linien nicht Null ist.