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Die Erfindung bezieht sich auf ein optisch variables Flächenmuster der im Oberbegriff des Anspruchs 1
genannten Art.
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Solche optisch variable Flächenmuster mit einer mikroskopisch feinen Reliefstruktur eignen sich
beispielsweise zur Erhöhung der Fälschungssicherheit und der auffälligen Kennzeichnung von
Gegenständen aller Art und sind insbesondere bei Wertpapieren, Ausweisen, Zahlungsmitteln und ähnlichen, zu
sichernden Gegenständen verwendbar.
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Ein Flächenmuster der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art ist aus der EP 375 833 bekannt.
Das als lichtmodifizierende Reliefstruktur in einen Träger eingeprägte Flächenmuster ist in Rasterfelder
unterteilt. Jedes Rasterfeld ist in eine Anzahl n von Teilflächen eingeteilt, wobei jede Teilfläche einem
Pixel einer von n Darstellungen zugeordnet ist und je ein Beugungselement aufweist, das die
Informationen über einen Farbwert, über einen Helligkeitswert und über eine Betrachtungsrichtung enthält. Die n
Darstellungen sind aus Bündeln gebeugten Lichtes zusammengesetzt, die unter n verschiedenen
Betrachtungsrichtungen sichtbar werden. Damit eine Darstellung nur unter einer einzigen
Betrachtungsrichtung sichtbar wird, weisen die entsprechenden Reliefstrukturen eine asymmetrische Profilform auf.
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Aus der EP 360 969 ist ein Beugungselement bekannt, das Teilflächen mit Farben grosser Leuchtkraft
besitzt. Die Teilflächen beinhalten Reliefstrukturen, die als Beugungsgitter mit einer asymmetrischen
Profilform, z. B. mit einer sägezahnförmigen Profilform, ausgebildet sind. Die Beugungsgitter
reflektieren auftreffendes Licht vorwiegend in die erste Beugungsordnung. Deshalb wechseln die Beugungsgitter
mit wechselnder Einfallsrichtung des Lichtes und wechselnder Blickrichtung eines Beobachters ihre
Farbe. Der erreichbare Grad der Asymmetrie, d. h. das Verhältnis der Intensität des in die plus erste
Beugungsordnung gebeugten Lichtes zur Intensität des in die minus erste Beugungsordnung gebeugten
Lichtes beträgt typisch 3 : 1 und höchstens 30 : 1.
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Aus der DE 25 55 214 sind optische Markierungen bekannt, die auftreffendes Licht im wesentlichen
nicht durch Beugung, sondern durch Reflexion oder optische Brechung aufgrund der Gesetze der
geometrischen Optik modifiziert. Bei Linienabständen von 10 bis 100 Mikron ergeben sich jedoch schon bei
moderaten Reflexionswinkeln Profilhöhen von mehreren oder mehreren zehn Mikrometern.
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Aus der Fachliteratur, beispielsweise aus dem Buch "Diffraction Gratings", M. C. Hutley, Kapitel 2,
Seiten 13-56, ISBN 0-12-362980-2, ist es bekannt, dass aus einer Einfallsrichtung auf eine Gitterstruktur
auftreffendes Licht der Wellenlänge λ gemäss der Beziehung
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sin(θm) = sin(θi) + m · λ/d (1)
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gebeugt wird, wobei d die Gitterperiode, θm und θi; die Zwischenwinkel zwischen der Normalen auf die
Fläche mit der Gitterstruktur und dem gebeugten Strahl m bzw. dem einfallenden Strahl i sowie der
ganzzahlige Index m die Beugungsordnung bezeichnen. Es existieren nur endlich viele
Beugungsordnungen. Polychromatisches Licht wird von der Gitterstruktur demzufolge in seine Spektralfarben
zerlegt, d. h. Licht unterschiedlicher Wellenlänge wird in verschiedene Richtungen gebeugt. Es sind nun
verschiedene Verfahren bekannt, das Licht unterschiedlicher Wellenlänge in die gleiche Richtung zu
beugen, um innerhalb gewisser Grenzen eine von Auge wahrnehmbare Spektralfarbenzerlegung zu
vermeiden und damit einen achromatischen Eindruck zu erzielen. Sie basieren darauf, Gitterstrukturen mit
verschiedenen Gitterperioden zu verwenden. Es können beispielsweise Gitterstrukturen mit
Gitterperioden d&sub1;, d&sub2; und d&sub3; in Rasterfeldern nebeneinander angeordnet werden. Die Grösse der Rasterfelder ist
so gewählt, dass die Rasterfelder vom menschlichen Auge aus einer normalen Sehdistanz von 30 cm
nicht getrennt wahrnehmbar sind. Die Perioden d&sub1;, d&sub2; und d&sub3; der Gitter sind derart gewählt, dass sich
deren Spektren in einer vorbestimmten Betrachtungsrichtung überlagern und zwar so, dass die
Beugungsrichtungen des roten Spektralanteils der Gitterstruktur 1, des grünen Spektralanteils der
Gitterstruktur 2, sowie des blauen Spektralanteils der Gitterstruktur 3 für eine Beugungsrichtung gleich sind.
Die einzelnen Gitterstrukturen müssen nicht nebeneinander angeordnet sein, sondern können einander
auch überlagert sein, wie z. B. bei Hologrammen. Die Juxtaposition kann auch ersetzt werden durch eine
lokale, sich wiederholende Variation der Gitterkonstante. Die Fläche, die achromatisch erscheinen soll,
wird unterteilt in einzelne Teilflächen, deren Abmessungen unterhalb der Auflösungsgrenze des
menschlichen Auges liegen. Innerhalb einer Teilfläche variiert die lokale Gitterperiode (Linienabstand)
gemäss einer vordefinierten, z. B. linearen, Funktion, über einen bestimmten Periodenbereich. Von einem
achromatischen Hologramm ist es ferner bekannt, die Gitterperiode lokal stochastisch zu ändern, siehe
z. B. das Buch "Optical Holography", herausgegeben von P. Harriharan, Cambridge Studies in Modern
Optics, Seiten 144 ff, ISBN 0 521 31162 2.
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Allen diesen Verfahren ist der Nachteil gemeinsam, dass zwar für einen vorbestimmten
Betrachtungswinkel ein achromatischer Eindruck erzeugt werden kann, dass aber in den daran anschliessenden
Betrachtungswinkeln ausgeprägte Farbsäume erscheinen. Wird zudem der Betrachtungsbereich, unter dem
eine Darstellung achromatisch erscheinen soll, durch einen grossen Periodenumfang vergrössert, so
nimmt die durch einen Beobachter wahrnehmbare Helligkeit spürbar ab, da das einfallende Licht über
einen entsprechend grösseren Winkelbereich verteilt wird.
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Gemäss der vorliegenden Erfindung ist ein optisch variables Flächenmuster zu schaffen, wie es im
Anspruch 1 beschrieben ist.
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Ausführungen der vorliegenden Erfindung ergeben ein optisch variables Flächenmuster, das schwer zu
fälschen ist, mit wenigstens einer graphisch gestalteten Darstellung, wobei die Darstellung bei
Betrachtung in sichtbarem Licht in einem gewissen Winkelbereich einen achromatischen Eindruck erzeugt, ohne
dass in den angrenzenden Winkelbereichen merkliche Farbsäume auftreten.
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Zur Beschreibung der allgemeinen Idee der Erfindung sei als Ausgangslage festgelegt, dass ein
Flächenmuster wenigstens n = 2 Darstellungen beinhaltet. Das Flächenmuster ist deshalb in erste und zweite
Teilflächen unterteilt. Die ersten Teilflächen dienen der Erzeugung der ersten Darstellung, die zweiten
Teilflächen dienen der Erzeugung der zweiten Darstellung. Beide Darstellungen sollen achromatisch
sein, d. h. dass sie in der Farbe des sie beleuchtenden Lichtes sichtbar sind und auch beim Drehen oder
Kippen des Flächenmusters keine wechselnden Farbeffekte erzeugen. Gemäss geometrisch optischen
Überlegungen wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass die zur ersten Darstellung gehörenden
Teilflächen als spiegelnde Flächen, die mit einer ersten vorbestimmten azimutalen Orientierung Φ&sub1;
gegenüber der Ebene des Flächenmusters um einen ersten vorbestimmten Neigungswinkel α&sub1; geneigt sind,
oder als diffus streuende Mattstrukturen ausgebildet sind. Anstelle einer diffus streuenden Mattstruktur
kann auch eine in der Ebene des Flächenmusters liegende Spiegelfläche vorgesehen sein. Die zur zweiten
Darstellung gehörenden spiegelnden Flächen sind gegenüber der Ebene des Flächenmusters in einer
anderen azimutalen Orientierung Φ&sub2; um einen zweiten Neigungswinkel α&sub2; geneigt. Unter der
vorbestimmten Betrachtungsrichtung erzeugt eine geneigte Teilfläche einen hellen Bildpunkt, eine Mattstruktur oder
Spiegelfläche hingegen einen dunklen Bildpunkt. Bei einem Neigungswinkel von 15º und einer
Ausdehnung der Teilflächen von maximal 100 Mikrometern ergeben sich jedoch Höhenunterschiede zur Ebene
des Flächenmusters von ca. 27 Mikrometern. Deshalb wird jede geneigte Teilfläche in ein Gebilde aus
parallel nebeneinander angeordneten schmaleren Teilflächen mit dem gleichen Neigungswinkel α&sub1; bzw.
α&sub2; zerlegt. Dieses die ursprüngliche Teilfläche ersetzende Gebilde ist eine Reliefstruktur und weist im
Querschnitt ein sägezahnförmiges Profil auf, dessen Gitterperiode und Profilhöhe derart aufeinander
abgestimmt sind, dass sich das am sägezahnförmigen Profil der Reliefstruktur gebeugte Licht in erster
Näherung ähnlich verhält wie das an der ursprünglichen, geneigten Teilfläche reflektierte Licht. Ein
solches Verhalten wird erreicht, wenn die Profilhöhe des Sägezahns näherungsweise ein ganzzahliges
Vielfaches der halben optischen Weglänge des Lichtes ist, wobei diese Bedingung allenfalls an den
Einfallswinkel des Lichtes anzupassen ist. Diese Bedingung ist z. B. für die drei im sichtbaren Bereich liegenden
Wellenlängen λ&sub1; = 450 nm, λ&sub2; = 550 nm und λ&sub3; = 650 nm annähernd gleichzeitig erfüllt für eine optische
Weglänge von 3,3 oder 7,15 Mikrometern. Ist die spiegelnde Fläche mit einer Lackschicht mit einem
optischen Brechungsindex von 1.5 bedeckt, dann ergibt sich eine um den Faktor n = 1.5 reduzierte
geometrische Profilhöhe von 1,1 bzw. 2,37 Mikrometern.
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Beim erfindungsgemässen Flächenmuster ist jede der beiden Darstellungen aus nur einer Blickrichtung
sichtbar, wobei sich die beiden Darstellungen gegenseitig nicht stören.
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In beugungsoptischer Sichtweise lehrt die Erfindung, für die Erzeugung eines achromatischen optischen
Eindruckes der beiden Darstellungen Gitterstrukturen mit grosser Gitterperiode, d. h. kleiner Linienzahl,
zu verwenden, damit im sichtbaren Bereich viele Beugungsordnungen auftreten können. Weiter soll die
Profilform derart sein, dass ein möglichst grosser Anteil des gebeugten Lichtes in höhere
Beugungsordnungen gebeugt wird. Damit das Verhältnis zwischen dem in positive Beugungsordnungen gebeugten
Licht und dem in negative Beugungsordnungen gebeugten Licht möglichst gross wird, sind
Gitterstrukturen mit einer asymmetrischen Profilform, insbesondere einer sägezahnförmigen Profilform, zu
verwenden. Diese Ideen werden im folgenden näher erläutert.
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Bei Gitterstrukturen mit kleiner Linienzahl können gemäss der Gleichung (1) viele Beugungsordnungen
existieren. Bei einer Linienzahl von 100 Linien/mm und bei einer Wellenlänge von λ = 550 nm können
bei senkrechtem Einfall die Beugungsordnungen m = -18, -17, -16, ... -1,0, +1, ..., +17, +18 auftreten,
also 37 Beugungsordnungen innerhalb des vollen Beugungswinkelbereichs von -90º bis +90º. Der
Winkelabstand zwischen benachbarten Beugungsordnungen beträgt typisch 3-4º.
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Die Beugungswinkel θm sind gemäss der Gleichung (1) bestimmt durch die Periode d der Gitterstruktur.
Die Intensitäten des in die verschiedenen diskreten Beugungsordnungen gebeugten Lichtes sind
bestimmt durch die Profilform und die Profilhöhe der Gitterstruktur. Durch geeignete Wahl dieser beiden
Parameter ist die Intensitätsverteilung des gebeugten Lichtes so steuerbar, dass Licht der Wellenlänge λ
grösstenteils in Beugungsordnungen gebeugt wird, deren Beugungswinkel θm in einem engen
Winkelbereich ψ nahe beieinanderliegen. Das einfallende polychromatische Licht wird für alle
unterschiedlichen Wellenlängen λ ebenfalls in den engen Winkelbereich ψ gebeugt. Die Gitterstruktur erscheint dem
Betrachter innerhalb des Winkelbereiches ψ hell und achromatisch in der Farbe des die Gitterstruktur
beleuchtenden Lichtes, während die Gitterstruktur ausserhalb des Winkelbereiches ψ dunkel ist.
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Die Fig. 1 zeigt in Funktion des Beugungswinkels θ die normierten Intensitäten I der
Beugungsordnungen eines herkömmlichen Gitters mit einer sinusförmigen Profilform, wobei das Licht senkrecht
einfällt. Das Gitter weist eine Linienzahl von 1000 Linien/mm und eine Profilhöhe von 155 nm auf. Die
Spektren sind gerechnet für die drei Wellenlängen λ&sub1; = 450 nm, λ&sub2; = 550 nm und λ&sub3; = 650 nm entsprechend
den Farben blau, grün und rot. Das Licht der drei Farben wird in diskrete Winkel θm gebeugt, die weit
auseinanderliegen. Für das blaue Licht existieren zwei positive Beugungsordnungen, für das grüne und
das rote Licht nur eine. Da das Gitter eine sinusförmige und somit symmetrische Profilform aufweist,
wird gleichviel Licht auch in negative Beugungswinkel θ-m gebeugt. Beim Drehen und/oder Kippen des
Gitters sieht ein Betrachter die vom Gitter belegte Fläche in wechselnden Farben.
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Die Fig. 2a und 2b zeigen die normierten Intensitäten der Beugungsordnungen für zwei
erfindungsgemässe Gitter mit einer sägezahnförmigen Profilform. Die Gitter weisen beide eine Linienzahl von 150
Linien/mm, jedoch eine unterschiedliche Profilhöhe von 1.8 um bzw. 1.3 um auf. Es ist deutlich zu
sehen, dass das Licht aller drei Farben mit hoher Intensität in einen engen Winkelbereich ψ bei etwa
+32º bzw. +26º gebeugt wird. Im ersten Fall überdeckt der Winkelbereich ψ etwa Winkel θ von 30º-
35º. In die anderen, positiven wie negativen, Beugungsordnungen wird nur sehr wenig Licht gebeugt.
Auch wird praktisch kein Licht in den Winkelbereich bei -32º bzw. -26º gebeugt, da es wegen der
asymmetrischen Profilform des entsprechenden Gitters leicht möglich ist, ein Verhältnis des in die
positiven Beugungsordnungen gebeugten Lichtes zu dem in die negativen Beugungsordnungen gebeugten
Licht von wenigstens 100 : 1 zu erreichen. Einem Betrachter erscheint somit jedes dieser beiden Gitter in
einem relativ engen Winkelbereich ψ als achromatische Fläche, während in den restlichen
Winkelbereichen die Fläche dunkel ist, ohne dass beim Drehen und/oder Kippen des Gitters merkliche
Farb
säume auftreten. Falls die Gitter mit einer Lackschicht mit einem Brechungsindex von n = 1.5 überdeckt
sind, kann die Profilhöhe um den Faktor n auf 1.2 um bzw. 0.89 um reduziert werden. Dank der
gewählten Profilform und Profilhöhe der Gitter wird das Licht mit hoher Effizienz in hohe positive
Beugungsordnungen gebeugt, z. B. grünes Licht etwa in die plus zehnte.
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Der Winkelbereich ψ, unter dem der Betrachter die Gitterstrukturen als achromatisch wahrnimmt, ist
bestimmt durch die Linienzahl: je kleiner die Linienzahl, desto enger ist der achromatische
Winkelbereich. Der Beugungswinkel θm mit der grössten Intensität nimmt bei vorgegebener Linienzahl mit der
Profilhöhe bzw. dem Neigungswinkel des Sägezahns zu, wie anhand der Fig. 2a und 2b zu sehen ist.
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Wie aus den Fig. 2a und 2b zu entnehmen ist, treten immer noch diskrete Beugungsordnungen auf, wobei
jedoch nur wenige, den verschiedenen Spektralfarben zugeordnete Beugungslinien innerhalb des
Winkelbereiches ψ bei normaler Beleuchtung eine merkliche Intensität aufweisen. Diese Beugungslinien liegen
nun winkelmässig so nahe beieinander, dass die von derartigen Gitterstrukturen belegte Teilfläche bei
Beleuchtung mit weissem Licht und Betrachtung aus einer beliebigen Richtung innerhalb des
Winkelbereiches ψ nicht in wechselnden Farben, sondern dem Betrachter immer als gleichbleibend weiss
leuchtende oder anders gesagt als achromatische Fläche erscheint.
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Die Konzentration des gebeugten Lichts in einen eng definierten Winkelbereich ψ lässt die beleuchtete
Teilfläche hell aufblitzen, wenn der Beobachter das Flächenmuster kippt oder dreht. Mit anderen
bekannten beugungsoptischen Oberflächenreliefs ist diese Wirkung nicht erreichbar, da dort das Licht
spektral zerlegt in einen grösseren Winkelbereich gebeugt wird. Zudem kann das Gitter mit einer derart
grossen Profilhöhe nicht mittels einer holografischen Kontaktkopie zur Erzeugung eines
Oberflächenreliefs nachgemacht werden, da bei der holografischen Kontaktkopie die Profilhöhe des, beispielsweise
in Photoresist, resultierenden Reliefs typisch nur etwa 0.1 bis 0.2 um betragen würde. Auch bei anderen
Arten der holografischen Kopie zur Erzeugung eines Oberflächenreliefs (siehe z. B. die Beschreibung der
Kontaktkopie und des Zweischrittverfahrens bei S. P. McGrew, Hologram Counterfeiting: Problems and
Solutions, SPIE Vol. 1210 Optical Security and Anticounterfeiting Systems 1990) geht zudem die
ausgeprägte Asymmetrie der Gitterstruktur verloren, welche ebenfalls sehr wichtig ist, damit das Licht mit
hoher Effizienz in hohe Beugungsordnungen gebeugt wird. Zudem ist eine bestimmte Profilform auch eine
Voraussetzung zur Erzielung des achromatischen Effektes.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
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Fig. 3 ein Flächenmuster,
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Fig. 4 drei grafisch gestaltete Darstellungen,
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Fig. 5 das als Schichtverbund ausgebildete Flächenmuster mit Teilflächen mit einer
Gitterstruktur mit einer sägezahnförmigen Profilform,
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Fig. 6 Details eines weiteren Flächenmusters,
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Fig. 7 ein weiteres Flächenmuster und
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Fig. 8 ein aus Linien aufgebautes Flächenmuster.
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Die Fig. 3 zeigt ein Flächenmuster 1, das matrixartig in n*m Felder 2 unterteilt ist. Jedes Feld 2 ist in
k = 3 Teilflächen 3, 4 und 5 unterteilt. Die Gesamtheit der Teilflächen 3, 4 bzw. 5 aller Felder 2
beinhaltet je eine von k = 3 Darstellungen 6, 7 und 8 (Fig. 4). Der Azimutwinkel Φ bezeichnet relativ zu einer
Referenzrichtung 9 eine Orientierungsrichtung 10 innerhalb der Ebene des Flächenmusters 1. Die
Richtung 11 bezeichnet die Einfallsrichtung von auf das Flächenmuster 1 auftreffendem Licht, ein Kegel 12
bezeichnet den Winkelbereich ψ, in den an den Teilflächen 3 der Darstellung 6 gebeugtes Licht
vorwiegend gebündelt wird.
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Die Fig. 4 zeigt die drei Darstellungen 6, 7 und 8, die die Schriftzüge "Schweiz", "Suisse" und "Svizzera"
darstellen. Die Schriftzüge sind hell auf dunklem Hintergrund. Die Darstellungen 6, 7 und 8 sind
ebenfalls matrixartig in n*m Rasterfelder unterteilt, die entweder hell oder dunkel sind. Eine Teilfläche 3
(Fig. 3) ist jedem Rasterfeld der Darstellung 6 zugeordnet, eine Teilfläche 4 ist jedem Rasterfeld der
Darstellung 7 zugeordnet, usw.
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Falls das Rasterfeld der Darstellung 6 dunkel ist, enthält die zugeordnete Teilfläche 3 eine Mattstruktur,
die das auftreffende Licht diffus streut, oder eine ebene, nicht geneigte Spiegelfläche, so dass sie für alle
Winkel bzw. alle Winkel mit Ausnahme des Reflexionswinkels dunkel erscheint. Falls das Rasterfeld
hell ist, enthält die zugeordnete Teilfläche 3 eine Gitterstruktur 13 (Fig. 5), die das in der vorbestimmten
Einfallsrichtung 11 (Fig. 3) auftreffende Licht vorwiegend in den Winkelbereich ψ beugt, der durch den
Kegel 12 dargestellt ist. Die Orientierung und der Öffnungswinkel ψ des Kegels 12 sind definiert durch
den Azimutwinkel Φ&sub1; der Gitterstruktur 13 bzw. die Profilform und Profilhöhe der Gitterstruktur 13. Die
Gitterstruktur 13 der Teilflächen 3 weist eine vergleichsweise kleine Linienzahl von typisch 100 bis 250
Linien pro Millimeter und eine asymmetrische Profilform auf, vorzugsweise eine sägezahnförmige
Profilform, wie sie in der Fig. 5 gezeigt ist. Dank der kleinen Linienzahl treten für sichtbares Licht typisch
wenigstens zehn Beugungsordnungen auf. Die Profilform ist nun derart vorbestimmt, dass das Licht im
sichtbaren Bereich mit einer hohen Beugungseffizienz in möglichst wenige, jedoch hohe
Beugungsordnungen gebeugt wird. In die anderen Beugungsordnungen wird zwar unter Umständen auch etwas Licht
gebeugt. Dessen Intensität ist sehr gering, so dass es einem Betrachter nicht auffällt. Da das Licht
grösstenteils in Beugungswinkel θm höherer Ordnung m gebeugt wird und da sich die Beugungswinkel θm für
verschiedene Wellenlängen, z. B. λ&sub1; = 450 nm, λ&sub2; = 550 nm und λ&sub3; = 650 nm, überlappen, wird das
achromatische Verhalten der Gitterstruktur 13 im vorbestimmten Winkelbereich ψ erreicht: Im Winkelbereich
ψ erscheint die Darstellung 6 hell, ausserhalb des Winkelbereiches ψ ist die Darstellung 6 nicht sichtbar.
Zudem treten beim Drehen und/oder Kippen des Flächenmusters 1 keine beobachtbaren, wechselnden
Farbeffekte auf, wie sie für beugungsoptische Strukturen typisch sind. Unter dem Begriff Drehen wird
verstanden, dass das Flächenmuster um eine Achse gedreht wird, die senkrecht zur Ebene des
Flächen
musters ist. Unter dem Begriff Kippen wird verstanden, dass das Flächenmuster um eine in seiner Ebene
liegende Achse gedreht wird. Zusammenfassend ergibt sich, dass bei festgelegter Einfallsrichtung 11 des
Lichtes die Darstellung 6 nur aus dem vorbestimmten Raumwinkelbereich ψ betrachtet werden kann. Die
Darstellung 6 erscheint in diesem Fall als Bild, das aus hellen und dunklen Punkten besteht, die in der
Regel die Farbe der zur Bedeckung der Gitterstrukturen 13 verwendeten Reflexionsschicht (Fig. 5)
und/oder der Deckschicht 16 (Fig. 5) aufweisen.
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Die Darstellung 7 ist mit einer ähnlichen Gitterstruktur 13 wie diejenige der Darstellung 6 realisiert.
Deren Azimutwinkel Φ weist zum Azimutwinkel Φ&sub1; der Darstellung 6 jedoch eine Winkeldifferenz von
vorzugsweise 180º auf, so dass die Darstellung 7 aus einem anderem Raumwinkelbereich sichtbar ist,
wobei sie ebenfalls als Bild aus hellen und dunklen, achromatischen Punkten wahrnehmbar ist. Es sind
andere Bildinhalte der Darstellungen 6 und 7 als die in der Fig. 4 gewählten denkbar, bei denen die
Winkeldifferenz von 180º vorteilhafte Effekte bringt. Die Voraussetzung, dass trotzdem nur jeweils eine
der beiden Darstellungen 6, 7 wahrnehmbar ist, ist eine hohe Asymmetrie des Verhältnisses des in
positive Beugungsordnungen gebeugten Lichtes und des in negative Beugungsordnungen gebeugten Lichtes.
Dieses Verhältnis beträgt bei bezüglich der Asymmetrie optimierter Profilform der Gitterstruktur 13
typisch wenigstens 100 : 1.
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Die Darstellung 8 ist mit einer Gitterstruktur 13 gemacht, die eine höhere Linienzahl von typisch 800 und
mehr Linien pro Millimeter aufweist. Dank dieser hohen Linienzahl zeigt die Darstellung 8 ausgeprägte
beugungsoptische Effekte, das sind wechselnde Farben hoher Leuchtkraft beim Drehen und/oder Kippen
des Flächenmusters 1.
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Es ist nicht ganz auszuschliessen, dass die Darstellungen 6 und 7 beim Übergang vom sichtbaren
Winkelbereich ψ des Kegels 12 in den unsichtbaren Winkelbereich leichte Farbsäume zeigen. Es gibt
jedoch den zentralen Bereich des Kegels 12, in dem der Bildeindruck ausgeprägt achromatisch ist. Bei
der Darstellung 8 hingegen tritt kein achromatischer Bereich auf, sondern diese Darstellung 8 erscheint
unter jedem Betrachtungswinkel in einer beugungsoptisch wohldefinierten Farbe.
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Wie in der Fig. 5 im Querschnitt dargestellt, ist das Flächenmuster 1 vorteilhaft als Schichtverbund
ausgebildet. Der Schichtverbund ist gebildet durch eine erste Lackschicht 14, eine Reflexionsschicht 15 und
eine zweite Lackschicht, der Deckschicht 16. Die Gesamtheit der Gitterstrukturen 13 und der
Mattstrukturen der Teilflächen 3-5 sind als mikroskopisch feine Reliefstrukturen realisiert. Die Lackschicht 14 ist
mit Vorteil eine Kleberschicht, so dass der Schichtverbund direkt auf ein Substrat aufklebbar ist. Die
Deckschicht 16 ebnet mit Vorteil die Reliefstrukturen vollständig ein. Sie weist zudem im sichtbaren
Bereich bevorzugt einen optischen Brechungsindex von wenigstens 1.5 auf, damit die geometrische
Profilhöhe h eine möglichst grosse optisch wirksame Profilhöhe ergibt. Weiter dient die Deckschicht 16 als
kratzfeste Schutzschicht.
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Die Unterteilung der Darstellungen 6 (Fig. 4), 7, etc. in Rasterfelder muss nicht regelmässig sein. Dies
hängt von den Motiven der Darstellungen 6, 7, etc. ab. Auch die Teilflächen 3 (Fig. 3), 4, etc. können in
Form und Grösse örtlich variieren. Um beispielsweise eine lokal grössere Helligkeit eines vorbestimmten
Rasterfeldes der Darstellung 6 zu erhöhen, kann die dem Rasterfeld dieser Darstellung zugeordnete
Teilfläche 3 auf Kosten der benachbarten Teilflächen 4 oder 5 der anderen Darstellungen 7 oder 8
innerhalb gewisser Grenzen vergrössert werden.
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Die Unterteilung der Darstellungen 6, 7, usw. in Rasterfelder mit hellen und dunklen Bildpunkten ist
nicht immer sinnvoll oder notwendig. Jede Darstellung 6, 7, usw. umfasst helle und dunkle Bildbereiche.
Gemäss der Erfindung sind den hellen Bildbereichen Teilflächen 3, 4, usw. mit einer Gitterstruktur 13
(Fig. 5) mit vorbestimmten Gitterparametern zugeordnet. Die von den dunklen Bildbereichen belegte
Fläche der Darstellungen 6, 7, usw. ist auf dem Flächenmuster 1 (Fig. 1) entweder als Teilfläche mit
einer Mattstruktur bzw. als spiegelnde, nicht geneigte Teilfläche ausgebildet oder ist als Teilfläche 3, 4,
usw. mit einer Gitterstruktur 13 mit anderen Gitterparametern einem hellen Bildbereich einer anderen
Darstellung 6, 7, usw. zugeordnet. Drei weitere Ausführungsbeispiele zur Erzielung besonderer optischer
Effekte werden weiter unten beschrieben, bei denen die einem dunklen Bildbereich der Darstellung 6, 7,
usw. zugeordnete Teilfläche 3, 4, usw. ebenfalls eine beugende Reliefstruktur enthält.
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Die Fig. 6 zeigt zwei Teilflächen 3a und 3b des Flächenmusters 1, wobei die Teilflächen 3a hellen
Bildbereichen der Darstellung 6 (Fig. 4), während die Teilflächen 3b dunklen Bildbereichen der Darstellung
6 zugeordnet sind. Die Teilfläche 3a enthält eine mikroskopisch feine Reliefstruktur, die senkrecht
einfallendes Licht 17 in eine erste Raumrichtung 18 beugt, die durch das Winkelpaar (Φ&sub1;, θ&sub1;) definiert ist.
Die Teilfläche 3b enthält eine mikroskopisch feine Reliefstruktur, die senkrecht einfallendes Licht in eine
zweite Raumrichtung 19 beugt, die durch das Winkelpaar (Φ&sub2;, θ&sub2;) definiert ist. Die absolute Differenz
der beiden Azimutwinkel Φ&sub1; - Φ&sub2; beträgt typischerweise wenigstens 45º. Damit wird erreicht, dass,
wenn das Licht senkrecht einfällt, einem aus der Raumrichtung 18 auf das Flächenmuster 1 blickenden
Betrachter die Teilfläche 3a hell und die Teilfläche 3b dunkel erscheint. Einem aus der Raumrichtung 19
auf das Flächenmuster 1 blickenden Betrachter erscheint hingegen die Teilfläche 3a dunkel und die
Teilfläche 3b hell. Die Darstellung 6 ist somit aus den beiden Raumrichtungen 18 bzw. 19 in
umgekehrtem Kontrast wahrnehmbar. Jede Teilfläche 3a, 36 und 4 weist eine grösste lineare Abmessung von
höchstens 0.3 mm auf, damit sie von Auge höchstens als strukturloser Punkt wahrnehmbar ist.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel besteht z. B. die zweite Darstellung 7 (Fig. 4) aus zwei
verschiedenen, nebeneinander liegenden Motiven, die nicht überlappen. Die beiden Motive sollen aus
verschiedenen Betrachtungsrichtungen sichtbar sein. In diesem Fall ist es möglich, beide Motive in den
Teilflächen 4 unterzubringen, die den Rasterfeldern der zweiten Darstellung zugeordnet sind. Die
Parameter der Reliefstrukturen des ersten Motivs und die des zweiten Motivs sind dann unterschiedlich und
unabhängig voneinander festlegbar. Die gleiche Lösung ist auch bei mehr als zwei nicht überlappenden
Motiven anwendbar.
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Weiter kann beispielsweise die einem dunklen Rasterfeld der zweiten Darstellung 7 (Fig. 4) zugeordnete
Teilfläche 4 die gleiche Reliefstruktur enthalten wie die benachbarte Teilfläche 3 (Fig. 3), die einem
hellen Rasterfeld der ersten Darstellung 6 zugeordnet ist. Dies ermöglicht, die Helligkeit des
entsprechenden Rasterfeldes der Darstellung 6 zu vergrössern. Diese Art der Helligkeitsverstärkung ist möglich
innerhalb der Grenzen, die durch die grafischen Konturen der Darstellungen 6, 7 gegeben sind.
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Die Fig. 7 zeigt das Flächenmuster 1, das als Beispiel der grafischen Gestaltung ein grosses Rechteck,
ein Dreieck, eine Kreisfläche und ein kleines Quadrat aufweist. Das Dreieck, die Kreisfläche und das
Quadrat sind innerhalb des grossen Rechtecks angeordnet, ohne zu überlappen. Das grosse Rechteck
entspricht der ersten Darstellung 6 (Fig. 4), das Dreieck der zweiten Darstellung 7, die Kreisfläche der
dritten Darstellung 8 und das Quadrat einer vierten Darstellung. Diejenigen Flächenanteile des grossen
Rechtecks, die nicht vom Dreieck, von der Kreisfläche oder vom Quadrat bedeckt sind, stellen eine
einzige Teilfläche 3 dar oder sind in Teilflächen 3 und 20 unterteilt. Die vom Dreieck belegte Fläche enthält
Teilflächen 3, 4 und 20. Die Kreisfläche enthält Teilflächen 3, 5 und 20. Die vom Quadrat belegte Fläche
stellt eine einzige Teilfläche 21 dar. Die Teilflächen 3 enthalten ein Gitter mit einer Linienzahl von 1000
Linien/mm und einer symmetrischen Profilform, so dass das grosse Rechteck beim Drehen und/oder
Kippen des Flächenmusters 1 Regenbogenfarbeffekte zeigt. Die Teilflächen 4 enthalten ein Gitter mit
einer Linienzahl von 250 Linien/mm, dessen Azimutwinkel Φ&sub1; (Fig. 6) ist und das eine asymmetrische
Profilform aufweist, deren Profilhöhe so vorbestimmt ist, dass das Dreieck einem aus der vorbestimmten
Raumrichtung 18 (Fig. 6) blickenden Betrachter achromatisch hell erscheint. Bei anderen
Raumrichtungen ist das Dreieck kaum sichtbar, da die Teilflächen 3 wesentlich heller erscheinen als die
Teilflächen 4. Die Teilflächen 20 enthalten eine Mattstruktur oder eine zur Ebene des Flächenmusters 1
plane Spiegelfläche. Die Teilflächen 5 enthalten das gleiche Gitter wie die Teilflächen 4, jedoch mit
einer anderen Orientierung des Azimutwinkels Φ&sub2; (Fig. 6). Die Kreisfläche erscheint somit aus der
anderen Raumrichtung 19 (Fig. 6) achromatisch hell. Die Teilfläche 21 des Quadrats enthält ebenfalls
eine aus einer weiteren vorbestimmten Raumrichtung achromatisch hell erscheinende Reliefstruktur. Das
Verhältnis der Flächenanteile der Teilflächen 3, 4, 5 und 20 bestimmt die relative Helligkeit der vier
verschiedenen Darstellungen. Die grösste Helligkeit weist das Quadrat auf, dessen ganze Fläche eine
Reliefstruktur mit einer asymmetrischen Profilform aufweist, die eine grosse Beugungseffizienz hat. Die
Helligkeitsgrade des Dreiecks und der Kreisfläche, sowie des grossen Rechtecks hängen wesentlich von
der anteilsmässigen Grösse der von den Teilflächen 20 belegten Fläche ab. Deren relative Helligkeiten
sind somit mittels der Verwendung von Teilflächen 20 steuerbar. Mit Ausnahme der vom Quadrat
belegten Fläche weisen die einzelnen Teilflächen 3, 4, 5 und 20 lineare Abmessungen von höchstens 0.3
mm auf, damit sie von Auge aus einer normalen Sehdistanz von 30 cm nicht einzeln wahrnehmbar sind.
Im gezeigten Beispiel sind sie aus zeichnerischen Gründen vergrössert dargestellt. Der ausgeprägte
achromatische Effekt, die Asymmetrie der Beugungseffekte, sowie die relativen Helligkeitsgrade dienen
als verschiedene Sicherheitsmerkmale.
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Reliefstrukturen, die einen achromatischen Effekt erzeugen, lassen sich auch für ein Flächenmuster 1
verwenden, bei dem eine Unterteilung der Darstellungen in Rasterfelder nicht nötig oder nicht sinnvoll
ist. Die Fig. 8 zeigt das Flächenmuster 1 mit einem Stern, der aus wenigstens zwei schmalen Linien 22,
23 besteht, die sich nicht kreuzen. Die Linien 22, 23 gehören zu zwei verschiedenen Darstellungen, d. h.
die Linie 22 soll aus einer anderen Blickrichtung sichtbar sein als die Linie 23. Die Linie 22 weist eine
erste Reliefstruktur, die Linie 23 eine zweite Reliefstruktur zur Erzeugung eines achromatischen Effekts
auf, wobei die Parameter der beiden Reliefstrukturen unterschiedlich gewählt sind, damit die Linien 22
und 23 aus verschiedenen Raumrichtungen sichtbar sind. Beim Drehen und/oder Kippen des
Flächenmusters zeigt der Stern deshalb einen kinematischen Effekt, indem die Helligkeiten der Linien 22 und 23
wechseln. Mit zunehmender Zahl der Linien 22, 23 kann der kinematische Effekt verfeinert werden.
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Verallgemeinert gesagt lässt sich das Flächenmuster 1 unterteilen in Teilflächen 3 (Fig. 3), 4, 5, etc.
beliebiger Form, die weder zusammenhängend noch aneinander angrenzend sein müssen, wobei Gruppen
von Teilflächen 3, 4, 5, etc., die die gleiche Reliefstruktur aufweisen, vorbestimmten Darstellungen 6
(Fig. 4), 7, 8, etc. zugeordnet sind. Auf diese Weise sind insbesondere Darstellungen in das
Flächenmuster 1 integrierbar, die ähnlich wie ein klassischer Stich aus einer Vielzahl von Strichen gestaltet sind.
Wenn sich Striche verschiedener Darstellungen überlappen, ergeben sich dennoch keine störenden
optischen Effekte, da die von den Kreuzungspunkten belegte Fläche anteilmässig sehr klein ist. Die zwischen
den Strichen der verschiedenen Darstellungen verbleibende Fläche des Flächenmusters 1 kann als matte
oder als spiegelnde Fläche ausgebildet sein.
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Das Flächenmuster 1, das aus Strichen bestehende Darstellungen aufweist, lässt sich auf technologisch
einfache Weise nach der Lehre der europäischen Patentschrift EP 330 738 oder der schweizerischen
Patentschrift CH 664 030 herstellen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass sich den achromatischen Darstellungen Motive überlagern lassen, die
anteilmässig mit Vorteil nur eine sehr kleine Fläche einnehmen, wie z. B. Guillochen oder
Mikroschriften, die kinematische Farbeffekte zeigen. Solche kinematische optische Effekte sind aus den
europäischen Patentdokumenten EP 105 099, EP 375 833 oder EP 490 923 sowie von Produkten
bekannt, die unter dem Namen KINEGRAM® vertrieben werden. Falls die Darstellung 6 (Fig. 4) ein
erstes Motiv mit einer Gitterstruktur, die auftreffendes Licht achromatisch in den vorbestimmten
Winkelbereich ψ beugt, und ein zweites Motiv mit einer Gitterstruktur, die z. B. den grünen
Spektralanteil des auftreffenden Lichtes in eine innerhalb des Winkelbereiches ψ liegende Richtung beugt,
enthält, dann referenzieren sich gegenseitig die beiden Motive in einer für einen Beobachter leicht
erkennbaren Art. Aus den Fig. 1 und 2a ist ersichtlich, dass eine solche Referenzierung z. B. mit einem
sägezahnförmigen Gitter mit einer Linienzahl von 150 Linien/mm und einer Profilhöhe von 1.2 um und
einem sinusförmigen Gitter mit 1000 Linien/mm und einer Profilhöhe von 0.155/1.5 = 0.1 um möglich
ist, falls die Gitter mit der Lackschicht 16 (Fig. 5) mit dem Brechungsindex n = 1.5 überdeckt sind. Die
beiden Gitterstrukturen sind in den Teilflächen 3 (Fig. 3) angeordnet, die zur Darstellung 6 gehören. Bei
holografischen Kopierverfahren ändern mindestens die Beugungswinkel A der beiden Gitterstrukturen
unterschiedlich, so dass der Effekt der Referenzierung verloren geht.