DE69428901T2

DE69428901T2 - Diffraktives gerät

Info

Publication number: DE69428901T2
Application number: DE69428901T
Authority: DE
Inventors: 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: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2014-08-05
Also published as: DE69427308D1; JPH09502277A; ATE201512T1; WO1995004948A1; TW275109B; CA2168772A1; ATE208049T1; DE766103T1; EP0712500A1; DE712500T1; CA2168772C; DE69428901D1; DE69427308T2; EP0712500A4; US5825547A; EP0766103B1; EP0766103A1; EP0712500B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine diffraktive Vorrichtung. Sie betrifft insbesondere eine diffraktive Vorrichtung, die bei Beleuchtung durch eine Lichtquelle einen oder mehrere Beugungseffekt(e) erzeugt, der/die aus besonderen Betrachtungswinkelbereichen um die Vorrichtung beobachtbar ist/sind. Die Vorrichtung kann in einer Zahl von unterschiedlichen Anwendungen verwendet werden und ist besonders anwendbar als eine Anti-Fälschungs- Sicherheitsvorrichtung auf Banknoten, Kreditkarten, Schecks, Aktienurkunden und anderen ähnlichen Dokumenten.
Es sind mehrere unterschiedliche Typen von diffraktiven Vorrichtungen bekannt, die bei Beleuchtung Beugungsbilder erzeugen. Frühere Typen von diffrakten Vorrichtungen, wie z. B. derjenige, die in der australischen Patentanmeldung 19576/83 beschrieben ist, verwendeten typischerweise Gitter mit geradlinigen parallelen Linien mit fester Ortsfrequenz. Ein anderer früherer Typ von diffraktiver Vorrichtung ist in der europäischen Patentanmeldung EP A 240 262 offenbart. Dieser besteht aus einen "weißen Gitterstramin", der durch Verdecken von oder Drucken über ausgewählten Bereichen der Fläche ein diffraktives farbiges Bild tragen könnte.
Im Januar 1988 wurde eine australische Zehn-Dollar-Banknote herausgegeben, die ein Beugungsbild von Kaptain Cook aufwies. Das in dem Bild verwendete Beugungsgitter bestand zum größten Teil aus im wesentlichen kontinuierlichen Linien und die Gestalten und Konfigurationen der Linien wurden entsprechend der optischen Katastrophentheorie bestimmt, um feine Details in dem beobachteten Beugungsbild zu erzeugen.
Die internationale Patentanmeldung PCT/AU90/00395, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird, offenbart ein alternatives Verfahren zur Erzeugung eines optischen Beugungsbildes. In diesem Fall ist die diffraktive Vorrichtung in einer große Anzahl von kleinen Beugungsgitterstrukturen unterteilt, wobei jede davon einen Lichtstrahl beugt, der als ein Pixel wirkt, wobei die Pixel sich zur Bildung eines Gesamtbildes vereinigen. Gemäß bevorzugten Aspekten der offenbarten Anordnung umfaßt das jeweilige Beugungsgitter jedes Pixels mehrere reflektierende bzw. durchlässige Kerben bzw. Linien, die gewöhnlich 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- bzw. Linienabstand in dem Pixelgitter bestimmt örtliche Farbeigenschaften, wobei Nichtprimärfarben durch ein Pixelmischen erzeugt werden. Die mittlere Kerben- bzw. Linienorientierung bestimmt Bewegungs- bzw. Farbeffekte. Die gesamte Oberflächenstruktur jedes Pixelgitters ist aus einer Palette von unterschiedlichen Gittertypen mit einer begrenzten Anzahl von unterschiedlichen Werten von mittlerer Krümmung und mittlerem Abstand ausgewählt.
Ein Vorteil der Verwendung von Pixelgittern in einer diffraktiven Vorrichtung besteht darin, daß sie erlaubt, daß die Vorrichtung mehr als ein Beugungsgitter erzeugt. Die europäische Patentanmeldung EP-A 497 292 und die australische Patentanmeldung 53729/90 sind Beispiele dafür. Einige Gitter können beugende Oberflächen mit besonderen Linienabstand- und -orientierungseigenschaften aufweisen, die zur Erzeugung eines aus einem besonderen Betrachtungswinkelbereich sichtbaren Bildes beitragen, und andere Gitter weisen unterschiedliche Oberflächeneigenschaften, die zur Erzeugung eines aus einem anderen Betrachtungswinkelbereich sichtbaren unterschiedlichen Bildes beitragen. Dieses Ergebnis ist viel schwerer in einer diffraktiven Vorrichtung mit einem kontinuierlichen Gitter zu erzielen.
Ein weiterer Vorteil einer diffraktiven Vorrichtung mit einem Pixelgitter besteht darin, daß sie ein Speichern von Bildinformationen in einem digitalen Format erlaubt. Jedoch muß ein vorab festgelegtes Oberflächengebiet auf der diffraktiven Vorrichtung für jedes Pixel ausgespart werden, und dies ist nicht die effizienteste Art der Speicherung von Bildinformation in einem begrenzten Raum. Dementsprechend besteht ein Spielraum für eine effizientere Art der Speicherung von Bildinformationen in einem Beugungsgitter.
Außerdem gibt es in einer diffraktiven Vorrichtung mit einem Pixelgitter unvermeidbar Diskontinuitäten zwischen benachbarten Gittern. In diesen Diskontinuitäten treten Beugungseffekte auf. Es ist normalerweise möglich, sicherzustellen, daß diese Nebenbeugungseffekte relativ zu den durch die diffraktive Vorrichtung erzeugten absichtlichen Beugungseffekten klein sind, aber die Nebenbeugungseffekte sind weiterhin detektierbar. Es ist wünschenswert, die Nebenbeugungseffekte zu reduzieren.
Gemäß dem Stand der Technik wird bereitgestellt eine diffraktive Vorrichtung mit einer Oberflächenreliefstruktur, die bei Beleuchtung durch eine Lichtquelle ein oder mehrerer Beugungsbilder erzeugt, die aus unterschiedlichen Betrachtungswinkelbereichen um die Vorrichtung beobachtbar sind, wo bei wenigstens ein Teil der Oberflächenreliefstruktur in einer Reihe von Bahnen angeordnet ist, wobei jede Bahn eine Oberflächenreliefstruktur aufweist, die aus einzelnen Strukturelementen besteht, ferner die Oberflächenreliefstruktur innerhalb der Bahn kontinuierlich, aber im wesentlichen diskontinuierlich mit aneinandergrenzenden Bahnen ist, wobei "kontinuierlich" bedeutet, daß es keine wesentlichen Unterschiede zwischen benachbarten Strukturelementen hinsichtlich Orientierung, Krümmung und Beabstandung gibt, wobei jede Bahn mehr als 0,5 mm lang ist, wobei jede Bahn eine beugende Oberflächenkomponente aufweist, die eine Komponente eines Beugungsbildes erzeugt, so daß wenigstens eines der von der diffraktiven Vorrichtung erzeugten Beugungsbilder aus von den mehreren Bahnen erzeugten Bildkomponenten gebildet wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine diffraktive Vorrichtung bereitgestellt, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
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 Auflösungsgrenze des menschlichen Auges bei Betrachtung einer diffraktiven Vorrichtung aus großer Nähe dar, so daß eine Bahn mit einer Breite von weniger als 0,25 mm wahrscheinlich nicht vom menschlichen Auge separat wahrgenommen wird.
Die Bahnen können irgendeine geeignete Konfiguration aufweisen. In einer bevorzugten Anordnung sind die Bahnen gradlinig und parallel nebeneinander. In einer alternativen Anordnung können die Bahnen Bögen von konzentrischen Kreisen bilden. In weiteren Anordnungen können die Bahnen in Gestalt von schweifenden Linien vorliegen.
Alle Bahnen können eine Komponente desselben Beugungsbildes erzeugen, aber vorzugsweise werden die Bahnen verwendet, um zwei oder mehr unterschiedliche Bilder zu erzeugen. 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 trägt zum anderen Effekt bzw. Bild bei. Es ist nicht wesentlich, daß alle Bahnen dieselbe Breite aufweisen, aber es ist ein bevorzugtes Merkmal. Es ist nicht wesentlich, daß die Bahnen für die zwei Effekte bzw. Bilder abwechselnd angeordnet werden; sie können in irgendeiner Reihenfolge auftreten. Es kann mehr als zwei Bahntypen geben, 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. Als eine Alternative zu Linien bzw. Kerben ist es möglich, Kreise, Polygone und andere Gestalten zu verwenden, die die erforderlichen Beugungseffekte liefern können. In einer anderen bevorzugten Anordnung umfaßt die beugende Oberfläche ein Muster aus parallelogrammförmig gestalteten Vertiefungen.
In einer weiteren bevorzugten Anordnung umfaßt die beugende Oberfläche jeder Bahn eine Reihe von Linien bzw. Kerben, die sich in einer im allgemeinen Längsrichtung entlang der Bahn erstrecken. Besagte Linien bzw. Kerben können gradlinig oder gekrümmt sein, und in einer Anordnung können sie in einer sinusförmigen Konfiguration periodisch wellenförmig sein. Diese Linien bzw. Kerben können kurz und diskret sein, oder sie können im wesentlichen kontinuierlich über die Länge der Bahn verlaufen.
In einer speziell bevorzugten Anordnung kann die Oberflächenreliefstruktur quer gerichtete Kerben bzw. Parallelogrammmuster aufweisen, die mit Bahnen mit Längskerben bzw. - parallelogrammmustern durchsetzt sind, so daß Beugungseffekte von einer Gruppe von Bahnen beobachtbar sind, wenn die diffraktive Vorrichtung in der Richtung der Bahnen betrachtet wird, und Beugungseffekte von einer weiteren Gruppe von Bahnen beobachtbar sind, wenn die diffraktive Vorrichtung senkrecht zur Richtung der Bahnen betrachtet wird. Als eine optische Verbesserung kann eines der von den beugenden Bahnen erzeugten Bilder ein gleichförmiges bzw. leeres Bild sein, das durch die physikalische Zerstörung bzw. Modifikation von Gebieten der beugenden Oberfläche auf ausgewählten Bahnen zum Erzeugen von entsprechend diffus reflektierenden Gebieten mit Bildinformation verschlüsselt sein kann.
Die Erfindung wird nachfolgend ausführlicher durch Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die ein Beispiel der Erfindung zeigen. Man sollte verstehen, daß die Besonderheit der Zeichnungen nicht die Allgemeinheit der vorangehenden Beschreibung der Erfindung ersetzt.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Gebietes einer Oberflächenreliefstruktur auf einer diffraktiven Vorrichtung gemäß einem zum Verständnis der Erfindung nützlichen Beispiel.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung von Teilen der Oberflächenreliefstruktur von Fig. 1.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung von weiteren Teilen der Oberflächenreliefstruktur von Fig. 1.
Fig. 4 ist eine ausführlichere schematische Darstellung von zwei Teilen von in einer diffraktiven Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendeten Bahnen.
Fig. 5 ist eine ausführliche schematische Darstellung eines Teils von zwei benachbarten 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 von zwei benachbarten Bahnen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 8 zeigt eine computererzeugte detaillierte Darstellung eines Abschnittes von zwei benachbarten Bahnen gemäß einer Ausführungsform des in Fig. 4 gezeigten Typs.
Fig. 9 zeigt eine computererzeugte detaillierte Darstellung eines Gebietes einer Oberflächenreliefbeugungsstruktur mit mehreren Bahnen gemäß einer Ausführungsform des in Fig. 5 gezeigten Typs.
Fig. 10 ist eine computererzeugte detaillierte Darstellung eines Teils von zwei benachbarten Bahnen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 11 ist eine computererzeugte detaillierte Darstellung eines Teils von zwei benachbarten 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 erzeugt, eines durch Bahnen 4 auf der linken Seite und eines durch Bahnen 5 auf der rechten Seite. Die zwei Beugungsbilder werden aus jeweils durch einzelne Bahnen 4 und einzelne Bahnen 5 erzeugte Bildkomponenten gebildet.
Jede Bahn 2 kann irgendeine geeignete Länge aufweisen. Vorzugsweise ist jede Bahn nicht länger als 0,5 mm und zweckmäßigerweise erstreckt sich jede Bahn vorzugsweise über die gesamte Länge der diffraktiven Vorrichtung, obwohl es keine Bedingung gibt, daß dies der Fall ist. In dem dargestellten Beispiel ist jede Bahn 2 geradlinig und parallel nebeneinander angeordnet. In alternativen Beispielen können die Bahnen in konzentrischen Kreisen oder Abschnitten von konzentrischen Kreisen oder in vielen anderen gekrümmten Anordnungen angeordnet sein.
Jede Bahn 2 kann irgendeine geeignete Breite aufweisen. Vorzugsweise sind die Bahnen ausreichend schmal, um für das bloße menschliche Auge nicht bemerkbar zu sein. Die Auflösungsgrenze eines normalen menschlichen Auges, das eine diffraktive Vorrichtung ganz in der Nähe untersucht, beträgt ungefähr 0,25 mm. Dementsprechend ist es unwahrscheinlich, daß Bahnen mit einer Breite von weniger als diesem Betrag vom menschlichen Auge separat wahrnehmbar sind.
Wie oben angegeben, führen Diskontinuitäten um die Grenzen von einzelnen Pixeln in diffraktiven Vorrichtungen mit Pixeln zu zufälligen Beugungseffekten. Das Ausmaß derartiger zufälliger Effekte wird durch die Verwendung von Bahnen gemäß der vorliegenden Erfindung vermindert, indem Diskontinuitäten entlang der Länge der Bahn vermieden werden können, obwohl Diskontinuitäten entlang den Seiten jeder Bahn weiterhin vorhanden sind.
Vorzugsweise, aber nicht unerläßlich weist jede Bahn 2 dieselbe Breite auf. Wenn jede Bahn dieselbe Breite aufweist, ist die Verschlüsselung von Beugungsbilddaten in der beugenden Oberfläche jeder Bahn eine einfache Operation. Jedoch in Situationen, in denen es erwünscht ist, daß die diffraktive Vorrichtung mehrere Beugungsbilder erzeugt, kann es erwünscht sein, daß ein derartiges Beugungsbild heller als ein anderes ist, und ein Weg zum Erzielen besagten Effektes besteht darin, breitere Bahnen der Erzeugung des hellen Bildes und schmalere Bahnen der Erzeugung des matten Bildes zu widmen.
In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel sind die Bahnen 2 im wesentlichen nebeneinander angeordnet. Jedoch es ist nicht wesentlich, daß jede Bahn an die nächste Bahn grenzt, und es kann ein Kanal mit irgendeiner gewünschten Breite zwischen benachbarten Bahnen übrigbleiben. Es ist manchmal vorteilhaft, einen kleinen Kanal von ungefähr 4 Mikron in der Breite zwischen benachbarten Bahnen zu lassen, um als ein Luftventilationsweg während der Erzeugung 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 stattfinden kann.
Die beugende Oberfläche auf jeder Bahn 2 kann irgendeine geeignete Beugungsoberflächenreliefstruktur aufweisen. In dem in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Beispiel umfaßt die Oberflächereliefstruktur eine Reihe von gekrümmten bzw. geradlinigen Linien bzw. Kerben, die sich quer 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 veränderlich 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 neu 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 der Beabstandung und der Verteilung der Punkte verschlüsselt ist.
Fig. 4 stellt detailliertere Bereiche von zwei Bahnen dar, wobei jede aus einer komplexen verallgemeinerten Beugungsgitterstruktur mit Kerben besteht, die kontinuierlich hinsichtlich Beabstandung, Orientierung und Krümmung entlang der Länge der Bahn variieren. Die Variationen in Kerbenbeastandung, -krümmung und -orientierung stellen die Maßnahmen dar, durch die die Beugungsbildinformation in den Bahnen verschlüsselt wird. In bevorzugten Anordnungen können die Variationen in der Kerbenbeabstandung, dem Kerbenwinkel und der Kerbenkrümmung durch mathematische Funktionen von zwei Variablen beschrieben werden, deren Hessesche der zweiten Ableitungen außer entlang gewisser charakteristischer Linien innerhalb jeder beugenden Bahn nicht Null ist.
Ein besonderes Beispiel einer geeigneten Bahngitterfunktion wird durch den folgenden Ausdruck gegeben:
wobei:
Z der Bahnkerbenindexparameter ist;
α = α(Y) entlang der Länge der Bahn;
β = β(Y) entlang der Länge der Bahn;
α eine voreingestellte Variable ist, die die örtliche Trägerwellenfrequenz der Bahn bestimmt und somit die örtliche Liniendichte der Bahn und die Farbe der von der Bahn erzeugten Bildkomponente bestimmt. Typischerweise gilt 0,8 < α < 1,2;
α ein Parameter ist, der proportional zur örtlichen Intensität der Farbe der Bahn festgelegt ist und die Strukturstabilität der Bahn bestimmt. Es ist dieser Parameter, der zum Einstellen der Bildeigenschaften der diffraktiven Vorrichtung verwendet wird. Typischerweise gilt 0 ≤ β ≤ 0,056;
die Zahlenbereiche der Ortskoordinaten X und Y gegeben ist durch 0 ≤ X ≤ 0,2 und 0,2 ≤ Y ≤ 0,6 für eine linke Kanalbahn und 0,6 ≤ X ≤ 0,8 und 0,2 ≤ Y ≤ 0,6 für eine rechte Kanalbahn gegeben sind; und
die Hessesche des Bahngitters außer entlang gewisser charakteristischer Linien der Gitterebene, die, bei Gradiententransformationen, auf Linien mit Singularität (Kaustiken) im Beugungsraum abgebildet werden, nicht Null ist. Die Hessesche 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 Gleichung (1) oben beschriebenen Typs. Eine einzige Bahn kann aus mehreren besagten von einem Ende zum anderen Ende verbundenen Segmenten bestehen, wobei jedes Segment eine feste oder variable Länge aufweist. In Anordnungen, in denen jedes Bahnsegment eine feste Länge aufweist, bildet jedes Segment vorzugsweise eine "Periode" in einer "Trägerwelle", die in der Bahn verschlüsselt ist, wobei die Beugungsbildinformation mittels Variation der Kerbenbeabstandung und -krümmung in jeder Periode verschlüsselt wird. Die in Fig. 4 dargestellten Bahnsegmente weisen eine Breite von ungefähr 15 Mikron und eine Länge von ungefähr 30 Mikron auf, obwohl sie, falls erforderlich, in der Größe vergrößert oder verkleinert werden könnten.
Fig. 8 ist eine computererzeugte Darstellung eines Abschnittes eines Paares von benachbarten Bahnen, die als 14 (linke Bahn) und 15 (rechte Bahn) Kanal gekennzeichnet sind. Die dargestellten Bahnabschnitte bilden einen Teil einer größeren Struktur, die mehrere linke Bahnen enthält, die zwischen mehreren rechten Bahnen eingestreut sind. Die linken Bahnen erzeugen bei Beleuchtung ein oder mehrere von besonderen Positionen um die diffraktive Vorrichtung beobachtbare(s) Beugungsbild(er), und die rechten Bahnen erzeugen von anderen Positionen beobachtbare Bilder. Die dargestellten Bahnbereiche weisen jeweils eine Breite von ungefähr 15 Mikron und eine Länge von ungefähr 60 Mikron auf.
Wie es bei naher Untersuchung von Fig. 8 ersichtlich sein wird, ist jede sich quer über die Bahn erstreckende gekrümmte Kerbe der Zweckmäßigkeit halber aus acht Segmenten 18 zusammengesetzt, wobei jedes eine Parallelogrammgestalt aufweist. Jede Parallelogrammvertiefung 18 ist näherungsweise 2 Mikron breit. Obwohl die meisten Parallelogramme 18 zur Bildung von gekrümmten Kerben, die sich quer über die Bahn erstrecken, mit Nachbarparallelogrammen zusammenpassen, tilgen einige Dichte zu besonderen Teilen der Bahnoberfläche hinzu, ohne sich an irgendwelche Nachbarn anzuschließen.
Das Konzept des Unterteilens jeder Kerbe in acht Parallelogramme 18 ist in der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform einen Schritt weiter durchgeführt. In dieser Ausführungsform besteht die Bahnoberfläche vollständig aus parallelogrammförmigen Vertiefungen. Die dunklen Bereiche stellen Senken dar, während die hellen Bereiche Kämme 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 über eine der Bahnen in der Ausführungsform von Fig. 10 weisen alle Parallelogramme dieselbe Winkelorientierung auf; während besagte Orientierung in der Ausführungsform von Fig. 8 beträchtlich variiert.
Die sowohl in Fig. 8 als auch 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 und die untere Hälfte 16 ein anderes 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 kompletten 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 Farbeffektsegmente unter Verwendung von geraden Kerben, die die Bahn unter rechten Winkeln kreuzen, mit variierenden Ortsfrequenzen erzeugt. Die rechte Bahn 15 in Fig. 11 enthält zwei weitere Farbeffektsegmente, aber mit Kerben, die mit der Bahn ausgerichtet sind, um "90º-Effekte" zu erzeugen, - das heißt Beugungseffekte, die unter 90º-Positionen dort herum sichtbar sind, wo die Beugungseffekte der linken Bahn sichtbar sind.
Ein besonders erwünschter 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 geneigt wird. Derartige Effekte können durch sequentielles Positionieren von Farbeffektbahnsegmenttypen erzielt werden, wobei die mittlere Ortsfrequenz mit der Sequenz zunimmt oder abnimmt:
Vorzugsweise sind die Farbeffektbahnsegmente moduliert, so daß von diesen Segmenten erzeugte Bildkomponenten über breitere Winkelbereiche beobachtbar sind, als sie dies wären, wenn deren beugenden Oberflächen nicht moduliert wären. Eine geeignete allgemeine Modulationsfunktion wird gegeben durch:
y = ma + βF(Qπm/N),
wobei β ein Modulationsfaktor ist; a die mittlere Beugungsstrukturbeabstandung ist; Q die Anzahl von Modulationszyklen ist; N die Gesamtanzahl von Kerben oder äquivalenten Beugungsstrukturen in dem Bahnsegment ist; m der Kerbenindexparameter (m = 1 bis N) ist; und F sin oder cos oder eine andere harmonische bzw. quadratische Funktion ist.
Die Ortsfrequenz der vertikalen Kerben der rechten Bahn in Fig. 11 ist dieselbe an der Oberseite und Unterseite jedes Segments und geht über mehrere Schritte zu einer charakteristischen Frequenz in der Mitte 19 jedes Segments über.
Die rechte Bahn 15 in Fig. 10 weist eine von der linken Bahn 14 verschiedene mittlere Ortsfrequenz auf, um die Wahrscheinlichkeit von Interferenz zwischen den zwei unterschiedlichen Bildern zu verringern, die zu erzeugen sind. Außerdem weisen die Parallelogramme 18 in der linken und rechten Bahn entgegengesetzte Winkelorientierungen auf.
Bahnoberflächenmuster von den in den Fig. 8, 10 und 11 dargestellten Typen werden typischerweise unter Verwendung eines Elektronenstrahls erzeugt. Ein Oberflächengebiet von 30 Mikron mal 30 Mikron ist typischerweise in ein Gitter von 1024 mal 1024 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 benachbarten Bahnen (jeweils 15 Mikron breit). Ein in der Programmiersprache BASIC geschriebener Algorithmus zum Erzeugen der linken Bahn in Fig. 10 ist gegeben durch:
J1M& = JOM& + INT((45-3*(JJ-11))*ABS(SIN(1.5708*LLL/512)) *ABS(256-XNC)/1024)^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 Zahl ist, die den Typ von Graustufenelement wiedergibt (JJ liegt zwischen 11 und 26, was 16 unterschiedliche Typen ergibt),
XINC = 64 (d. h. die Breite des Parallelogramms in Gitterpositionen),
L ein vertikaler Index ist.
Ein ähnlicher Algorithmus gilt für die rechte Bahn in Fig. 10.
Die in den Fig. 8, 10 und 11 dargestellten beugenden Bahnen enthalten digital verschlüsselte Bildinformation. Das heißt, Bahnen sind in Segmente mit einer vorab festgelegten Größe unterteilt, und ein Teil von Bildinformation (gewöhnlich einem einzelnen Pixel in der Bildebene entsprechend) wird in jedem Segment gespeichert. Es ist jedoch nicht notwendig, daß die Bahnen in regelmäßige Segmente unterteilt werden. Stattdessen können die beugenden Oberflächen kontinuierlich, aber unregelmäßig hinsichtlich Beugungsstrukturbeabstandung, -krümmung 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 der beugenden Bahn(en) kann/können diffus reflektierende Gebiete (die aus zufällig beabstandeten Kerben bestehen) und/oder spiegelnd reflektierende Gebiete zwischen beugenden Gebieten enthalten. Diffus reflektierende Gebiete können zum Verschlüsseln von Zusatzinformation verwendet werden, die in dem Beugungsbild nicht begründet ist. Spiegelnd reflektierende Gebiete können zum Verbessern der Kontrasteigenschaften des gebeugten Bildes verwendet werden.
Ein oder mehrere Beugungsbild(er), das/die durch die beugenden Bahnen erzeugt wird/werden, kann/können aus abstrakten Farbmustern bestehen, die variable Farbeffekte erzeugen, die sich entlang den 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.
Vorzugsweise erzeugen die beugenden Bahnen zwei oder mehr Beugungsbilder, die aus unterschiedlichen Betrachtungswinkelbereichen um die diffraktive Vorrichtung beobachtbar sind, wobei einige beugende Bahnen dem Erzeugen jedes Beugungsbildes gewidmet sind. In dem in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Beispiel sind die linken Bahnen 4 dem Erzeugen eines ersten Beugungsbildes gewidmet, das aus einem ersten Betrachtungswinkelbereich beobachtbar ist, und sind die rechten Bahnen 5 dem Erzeugen eines zweiten Beugungsbildes gewidmet, das aus einem zweiten Betrachtungwinkelbereich um die diffraktive Vorrichtung beobachtbar ist. Wie in Fig. 1 dargestellt, sind die Bahnen in einer alternierenden rechtslinks-rechts-links-Konfiguration angeordnet; jedoch ist dies nicht notwendig und können die Bahnen in irgendeiner Reihenfolge, wie zum Beispiel rechts-rechts-links-rechts-links-links, angeordnet werden.
Fig. 5 zeigt Abschnitte von zwei Bahnen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die linke Bahn 6 weist sich quer über die Breite der Bahn erstreckende Kerben auf, die Beugungsbilder erzeugen, die aus einer Richtung im allgemeinen entlang der Länge der Bahn beobachtet werden können. Die rechte Bahn 7 besteht aus mehreren Inselgebieten 8, die von ebenen Gebieten 9 umgeben sind. Die Inselgebiete 8 weisen sich in Längsrichtung entlang der Bahn erstreckende Kerben auf, die Beugungsbilder erzeugen, die aus einer Richtung im allgemeinen senkrecht zur Länge der Bahn beobachtet werden können. Ein besonderer Vorteil der in der 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.
Ebene Gebiete 9 sind optional, aber sie liefern gewisse Vorteile. Wie vorangehend hingewiesen, werden diffraktive Vorrichtungen vom beschriebenen Typ typischerweise unter Verwendung eines Prägeprozesses erzeugt, und ebene Gebiete 9 wirken als Entlüftungen zur Beseitigung von Gas während des Prägeprozesses, was zu einem präziseren Fertigprodukt führt. Außerdem folgt typischerweise ein Elektroplattierprozeß dem Prägeprozeß, und ebene Gebiete 9 ermöglichen ein genaueres Elektroplattieren. Ebene Gebiete 9 können auch aufgedruckte Linien tragen, die auf die Scanraten von speziellen Farbkopierern reagieren, so daß Moiré-Interferenzlinien auf einem. Fotokopiererbild der diffraktiven Vorrichtung erzeugt werden. Alternativ bzw. zusätzlich können ebene 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 werden. Besage Mikrobeschriftung kann als ein zusätzliches Sicherheitselement dienen und kann eine Registriernummer oder eine andere Identifiziereinrichtung enthalten, die für die diffraktive Vorrichtung, auf der sie erscheint, eindeutig ist, wodurch eine Echtheitsverifikation mittels einer mikroskopischen Untersuchung ermöglicht wird.
Die linke Bahn 7, Inseln 8 und ebenen Gebiete 9 können irgendwelche geeigneten Abmessungen aufweisen. In einer speziell bevorzugten Anordnung weisen die linke Bahn 7 und Inselgebiete 8 jeweils eine Breite von ungefähr 15 Mikron auf und weisen die ebenen Gebiete 9 eine Breite von ungefähr 4 Mikron auf.
In einer Variation an der in Fig. 5 gezeigten Anordnung kann jede Insel 8 mittels Verbindungskerben, die verzweigt sein können, mit ihren Nachbarinseln verbunden sein, so daß Kerben im wesentlichen über die gesamte 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 erstreckt, wie dies in den Bahnsegmenten von Fig. 4 der Fall ist. Die durch die Bahn 10 erzeugten Beugungseffekte befinden sich im wesentlichen unter rechten Winkeln zu denjenigen, die durch eine Bahn erzeugt werden, die aus Bahnsegmenten vom in Fig. 4 gezeigten Typ besteht. Die Bahn 10 faßt im wesentlichen "Trägerwellen", wobei Bildinformation mittels Amplituden- und Kerbenbeabstandungsvariationen in diesen verschlüsselt ist.
In einigen Ausführungsformen können die Variationen in der Kerbenbeabstandung, im Kerbenwinkel und in der Kerbenkrümmung durch mathematische Funktionen zweier Variablen beschrieben werden, deren Hessesche von zweiten Ableitungen in Bezug auf die zwei Variablen außer entlang gewisser charakteristischer Linien innerhalb dieser beugenden Bahn nicht Null ist, wie es vorangehend erörtert wurde. Jedoch ist dies keine wesentliche Bedingung, und in anderen Ausführungsformen kann die Hessesche der zweiten Ableitungen der Gitterfunktion für alle Punkte innerhalb der Bahn gleich Null sein.
Fig. 7 stellt schematisch eine Kombination der jeweiligen linken und rechten Bahnen 11 und 12 dar. Die linke Bahn 11 kann irgendeiner der in den Fig. 1, 2, 3, 4 und 8 dargestellten Bahntypen sein und die rechte Bahn 12 ist eine Bahn vom in der Fig. 6 gezeigten Typ. Mehrere derartige linke und rechte Bahnen können sich zusammenschließen, um eine diffraktive Zweikanalvorrichtung zu bilden. Wie vorangehend diskutiert, können die Bahnen 11 und 12 irgendeine geeignete Breite aufweisen, und eine speziell bevorzugte Breite beträgt ungefähr 15 Mikron. Die in der Fig. 7 dargestellte Anordnung ist besonders vorteilhaft, da das/die Bild(er), das/die von linken Bahnen erzeugt wird/werden, aus Winkeln näherungsweise 90º dort herum, wo das/die von rechten. Bahnen 12 erzeugte(n) Bild(er) beobachtbar sind, beoachtbar sein werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann/können ein bzw. mehrere von der diffraktiven Vorrichtung erzeugte(s) Bild(er) aus einer gleichförmigen bzw. leeren Bildebene bestehen, die durch die Zerstörung bzw. Modifikation von Beugungselementen an ausgewählten Orten entlang ausgewählten beugenden Bahnen mit Bildinformation verschlüsselt werden kann. Dies ermöglicht eine Modifikation der diffraktiven Vorrichtung nach der Herstellung, um ein neues Beugungsbild aufzunehmen, obwohl die Auflösung der derart aufgenommenen Bildinformation geringer als die normalerweise durch eine beugende Bahn bereitgestellte Auflösung ist. Eine besondere Ausführungsform dieses Merkmals umfaßt eine Reihe von Bahnen. Entlang der Länge jeder Bahn wechselt sich die beugende Oberfläche zwischen Oberflächenbereichen, die zu schwarzen Bildkomponenten in der Bildebene führen, und Oberflächenbereichen, die zu weißen Bildelementen führen, ab. Zur Erzeugung eines dunklen Gebietes in der Bildebene werden die "weißen" Teile der korrespondierenden beugenden Oberflächenbereiche gelöscht; während die "schwarzen" Oberflächenbereiche zum Erzeugen 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 beobachtbaren Bilder, sondern sie verleihen der diffraktiven Vorrichtung eine neutrale Hintergrunderscheinung, wodurch die Bilder leichter beobachtbar gemacht werden.
Als eine weitere Verbesserung können einige Bahnen spiegelnd reflektierende Gebiete enthalten. Besagte Gebiete sind beim Hinzufügen von Kontrast zu den in den Bildebenen beobachteten Bildern nützlich.

Claims

1. Eine diffraktive Vorrichtung mit einer Oberflächenreliefstruktur, die bei Beleuchtung durch eine Lichtquelle ein oder mehr Beugungsbilder erzeugt, die aus 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 eine Oberflächenreliefstruktur aufweist, die aus einzelnen Strukturelementen (18) besteht, ferner die Oberflächenreliefstruktur innerhalb der Bahn kontinuierlich ist, indem dort keine wesentlichen Unterschiede zwischen aneinandergrenzenden Strukturelementen hinsichtlich Orientierung, Krümmung und Beabstandung bestehen und so daß zufällige Beugungseffekte aufgrund von Diskontiniutäten um die Grenze einer Bahn herum entlang der Länge der Bahn verringert werden, aber die Oberflächenreliefstruktur diskontinuierlich mit aneinandergrenzenden Bahnen ist, indem dort wesentliche Unterschiede zwischen aneinandergrenzenden Strukturelementen hinsichtlich Orientierung, Krümmung oder Beabstandung bestehen, wobei jede Bahn mehr als 0,5 mm lang ist und weniger als 0,25 mm breit ist und jede Bahn eine beugende Oberfläche aufweist, die eine Komponente eines Beugungsbildes erzeugt, so daß wenigstens eines der von der diffraktiven Vorrichtung erzeugten Beugungsbilder aus von mehreren Bahnen erzeugten Bildkomponenten gebildet wird, und wobei wenigstens einige der Bahnen beugende Kerben oder andere Gestalten (18) auf deren Oberflächen aufweisen, die hinsichtlich Orientierung, Krümmung und/oder Beabstandung entlang der Bahn variieren, wobei die Variationen hinsichtlich der Orientierung, Krümmung und/oder Beabstandung ein Mittel sind, durch das Bildinformation in den Bahnen verschlüsselt ist.

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. Eine 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 ein Gebiet der Oberflächenreliefstruktur zwei unterschiedliche Beugungsbilder erzeugt, die unter unterschiedlichen Betrachtungswinkelbereichen beobachtbar sind, und eine erste Gruppe von Bahnen auf dem Gebiet eines der Beugungsbilder erzeugt, und eine zweite Gruppe von Bahnen mit der ersten Gruppe dazwischen das andere Beugungsbild erzeugt.

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

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

8. Eine diffraktive Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, die Bahnen (7) enthält, deren beugende Oberfläche Inseln (8) umfaßt, die Kerben aufweisen, die sich allgemein in Längsrichtung der Bahn erstrecken, wobei die Inseln von ebenen Gebieten (9) umgeben sind.

9. Eine diffraktive Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Gebiete mit einer Mikrobeschriftung (13) geprägt oder bedruckt sind.

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 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 diffraktive 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.