DE69713604T2

DE69713604T2 - Substrat zur dreidimensionalen bilderzeugung

Info

Publication number: DE69713604T2
Application number: DE69713604T
Authority: DE
Inventors: Paul Dunn; Andrew Rowe
Original assignee: Fryco Ltd
Current assignee: Opsec Security Group Ltd
Priority date: 1996-08-17
Filing date: 1997-08-18
Publication date: 2002-10-10
Anticipated expiration: 2017-08-19
Also published as: US6266187B1; EA199900120A1; JP2000516732A; TR199900340T2; CA2263405C; EA001576B1; CN1228849A; DE69713604D1; PL184268B1; AP978A; PT919009E; DK0919009T3; WO1998008131A1; EP0919009B1; PL331705A1; EP0919009A1; GB9617314D0; NO990718D0; AU721541B2; UA47489C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Substrate, die so ausgebildet sind, daß sie ein dreidimensionales optisches Bild einem Betrachter darbieten, wobei die Substrate mit einer Mehrzahl von Paaren von beabstandeten optischen Elementen ausgebildet sind.
Es gibt viele Anwendungen, wo dreidimensionale optische Bilder erforderlich oder wünschenswert sind. US 4 135 502 und Applied Optics and Optical Engineering, Ed. R Kinslake, Academic Press, London, GB, 1965; Band II, Seiten 96 bis 117 offenbaren Einrichtungen, die ein zweidimensionales Substrat des oben erwähnten Typs aufweisen, das dazu ausgebildet ist, für einen Betrachter ein dreidimensionales optisches Bild zu schaffen.
Wir haben nun ein Substrat des oben erwähnten Typs erfunden, das dazu ausgebildet ist, einem Betrachter ein dreidimensionales Bild darzubieten, und das eine Anzahl von Vorteilen schafft, das dadurch gekennzeichnet ist, daß jedes der optischen Elemente (14, 16) eines Paares so angeordnet ist, daß es darauf auffallendes Licht auf ein entsprechendes Auge eines Betrachters lenkt, wenn der Betrachter in einem vorbestimmten Blickwinkel oder innerhalb eines begrenzten Bereiches von Blickwinkeln positioniert ist, so daß dieses Paar dem Betrachter ein Bild eines gemeinsamen Punktes (P) bietet, der in einer vorbestimmten Entfernung von der Ebene des Substrats angeordnet ist, und daß die Mehrzahl der Paare von optischen Elementen (14, 16) so angeordnet ist, daß die entsprechende Vielzahl von Bildern der gemeinsamen Punkte (P), die sie schaffen, das dreidimensionale Bild bilden.
Die beiden Elemente jedes Stereopaares liefern Licht zu den entsprechenden Augen des Benutzers, wenn der Benutzer das Substrat von einer besonderen Stelle oder einem Bereich von Stellen betrachtet. Das Licht kann dem Betrachter entweder durch Reflexion von den Elementen des Stereopaares oder dadurch dargeboten werden, daß diese Elemente Licht brechen, das durch das Substrat hindurch geleitet wird (wobei dieses aus einem transparenten oder halbtransparenten Material besteht). Die beiden Elemente eines solchen Stereopaares könnten Nuten oder Grate sein, die in oder auf der Substratoberfläche ausgebildet sind; sie können einen reflektierenden Aufdruck aufweisen, der auf einem Dokument vorgesehen ist, insbesondere einem Wertdokument (zum Beispiel einer Banknote).
Vorzugsweise weist jedes Stereopaar von Elementen zwei kurze lineare Elemente (insbesondere Nuten oder Grate) auf, deren relative Orientierungen die Entfernung des entsprechenden Punktbildes von der Ebene des Substrats bestimmen.
Für jedes Punktbild ist vorzugsweise eine Mehrzahl von Stereopaaren vorgesehen, so daß der selbe Punkt aus unterschiedlichen Winkeln betrachtet werden kann. Die Stereopaare für jedes Punktbild können alle auf einer gemeinsamen geraden Linie positioniert sein. Die unterschiedlichen Stereopaare können von der Linie verschoben sein, um sicher zu stellen, daß das Punktbild stationär bleibt, wenn der Benutzer seinen Betrachtungswinkel ändert, oder alternativ so, daß sich das Punktbild bewegt; im letzteren Fall kann ein Bild eines sich bewegenden Objektes erzeugt werden.
Es ist jedoch nicht notwendig, daß die aufeinander folgenden Stereopaare für ein gegebenes Punktbild auf einer gemeinsamen Linie positioniert sind. In der Tat können die Paare zu gewünschten Stellen verschoben sein, die von der gemeinsamen Linie beabstandet ist, zum Beispiel können sie entlang irgendeiner gekrümmten Linie positioniert sein, wenn sie zueinander geeignet positioniert und orientiert sind. Auf diese Weise kann der Satz von Stereopaaren für die verschiedenen Bildpunkte getrennt gehalten werden und so daran gehindert werden, daß sie sich schneiden oder sich sonstwie gegeneinander stören.
Wenn die Stereopaare in der oben beschriebenen Weise positioniert sind, ist es nicht möglich, ihre Positionen zur Form des Objektes in Beziehung zu setzen, was Komplexität der Verschlüsselung des Objekts und daher Sicherheitswert hinzufügt. Darüber hinaus können die einzelnen Linien der Stereopaare von endlicher Länge variieren, um elementare Punkte zu werden.
Im Falle eines dreidimensionalen Objekts, das gewöhnlich betrachtet wird, so sind, während aus einem gewissen Blickwinkel gewisse Teile des Gegenstands sichtbar sind, andere Teile (zum Beispiel auf den entfernten Seitenoberflächen) verdeckt; aus unterschiedlichen Blickwinkeln sind unterschiedliche Teile des Objekts sichtbar und unterschiedliche Teile sind nicht sichtbar. Für das Substrat gemäß dieser Erfindung muß, um ein realistisches Bild eines dreidimensionalen Objekts zu schaffen, das Bild gewisse Teile des Gegenstandes zeigen, wenn das Substrat aus gewissen Winkeln betrachtet wird, jedoch nicht, wenn es aus anderen Winkeln betrachtet wird.
Vorzugsweise werden daher vorbestimmte Stereopaare aus dem Satz der Stereopaare für vorbestimmte Bildpunkte weggelassen, so daß der damit verknüpfte Bildpunkt unsichtbar wird, wenn das Substrat aus dem entsprechenden Winkel betrachtet wird. Die Gesamtanordnung ist so, daß unterschiedliche Teile des dreidimensionalen Objekts aus unterschiedlichen Blickwinkeln sichtbar sind, um ein realistisches Bild des Objekts zu geben.
Ein Substrat gemäß der Erfindung wird eine große Anzahl von Sätzen von Stereopaaren aufweisen, wobei jeder Satz den selben Bildpunkt definiert, der aus verschiedenen Blickwinkeln zu betrachten ist, so daß insgesamt eine große Anzahl von unterschiedlichen Punktbildern erzeugt wird, die horizontal und vertikal voneinander beabstandet sind, und unter unterschiedlichen vorbestimmten Abständen von der Substratebene. Diese Punktbilder tragen dazu bei, ein dreidimensionales Bild zu bilden. Einige der Bildpunkte können zusammen ein lineares Bild definieren (zum Beispiel den Rand oder die Grenze eines Objektes oder Teile eines Objektes), während andere "Schattierungen" definieren können, um das Bild einer Oberfläche zu schaffen.
Ein dreidimensionales Objekt schließt typischerweise Oberflächen (zum Beispiel seitliche Oberflächen) ein, die unter einem schiefen Winkel zum Benutzer stehen, wenn das Objekt aus gewissen Winkeln oder Winkelbereichen betrachtet wird. Wir haben herausgefunden, daß eine gute Bilddefinition durch eine Verringerung der Dichte von Stereopunkten erhalten werden kann, die für das Bild einer solchen schrägen Oberfläche vorgesehen sind, relativ zu dem Bild einer Oberfläche, die von vorne betrachtet wird. Dies ermöglicht es, daß eine Verringerung der Gesamtanzahl von Stereopunkten erzielt werden kann, die auf dem Substrat ausgebildet werden müssen.
Wie dies oben erwähnt wurde, können die Stereopaare auf dem Substrat angeordnet werden, um mehr als ein Bild zu bilden. In diesem Falle können unterschiedliche Bilder aus unterschiedlichen Blickwinkeln sichtbar sein.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sollen nun nur beispielsweise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden. Es zeigen:
Fig. 1 bis 4 schematische Diagramme zur Verwendung bei der Erklärung der Prinzipien, auf denen die vorliegende Erfindung beruht;
Fig. 5 ein Diagramm, das schematisch ein Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 6 ein Diagramm, um die Wirkungen von Nuten von alternativen Querschnittsprofilen zu zeigen.
Bezugnehmend auf die Fig. 1 und 2 ist bei einer Ausführungsform des Substrats gemäß der vorliegenden Erfindung ein dreidimensionales Bild aus einer Mehrzahl von Punktbildern aufgebaut, von denen jedes durch ein Stereopaar von kurzen linearen Nuten (oder Graten) 14, 16 gebildet ist. In Fig. 1 sind die Nuten 14, 16 so orientiert, daß sie das Bild eines Punktes P in einer Entfernung hinter dem Substrat bilden, während in Fig. 2 die Nuten so orientiert sind, daß sie das Punktbild in einer Entfernung vor dem Substrat bilden. Bezugnehmend auf die Fig. 1 und 2 finden wir, daß die Entfernung des Punktbildes P vom Substrat im wesentlichen gleich der Entfernung r von jeder Nut zum Schnittpunkt der Linien ist, die auf diesen Nuten senkrecht stehen; das Bild P ist unter dem Substrat für die Nuten oder Grate von Fig. 1, die nach oben aufeinander zeigen, und oberhalb des Substrats für die Nuten oder Grate von Fig. 2, die nach unten aufeinander zeigen.
Man wird verstehen, daß das Punktbild P, das durch jedes Stereopaar von Nuten erzeugt wird, nur aus einem besonderen Blickwinkel (oder einem begrenzten Bereich von Winkeln) sichtbar ist. Damit ein Punktbild im Blick bleibt, wenn der Betrachter seinen Blickwinkel ändert, sind dann weitere Stereopaare vorgesehen, von denen jedes von seinem eigenen Blickwinkel wirksam ist. Die aufeinanderfolgenden Stereopaare können darüber hinaus in Position und Orientierung relativ zueinander verschoben sein, um sicher zu stellen, daß das damit zusammenhängende Punktbild im wesentlichen stationär bleibt, wenn der Betrachter seinen Kopf von einer Seite zur anderen bewegt.
Alternativ können die aufeinander folgenden Stereopaare für einen gegebenen Bildpunkt, d. h. die ein Bild desselben Punktes liefern sollen, wenn der Benutzer seinen Kopf bewegt, in Ort und Orientierung relativ zueinander verschoben sein, so daß das damit zusammenhängende Punktbild sich zu bewegen scheint, wenn der Betrachter seinen Blickwinkel ändert. Auf diese Weise kann ein dreidimensionales Bild den Eindruck eines sich bewegenden oder sich ändernden Objekts anstelle eines statischen Objekts geben.
Die obige Beschreibung nimmt an, daß die aufeinander folgenden Stereopaare, die sich auf einen speziellen Bildpunkt beziehen, entlang einer Linie positioniert sind (mit einigen Abweichungen von dieser Linie entsprechend den erwähnten "Verschiebungen"). Es ist jedoch unnötig, die Positionierung der aufeinander folgenden Stereopaare auf diese Weise zu begrenzen.
Bezugnehmend auf Fig. 3 zeigt diese eine Aufeinanderfolge von Stereopaaren von +SP1 zu -SP1, die angeordnet sind, um das Punktbild P von unterschiedlichen Blickwinkeln zu schaffen. In diesem Falle sind jedoch die Stereopaare alle auf einer horizontalen Linie H positioniert. Der Winkel θ zwischen den Senkrechten zu den Elementen jedes Paars ist konstant, damit jedes Paar Licht in die entsprechenden Augen des Betrachters schickt. Die Entfernung (2d) zwischen den Elementen jedes Paares variiert gemäß dem folgenden:
tan α = a/z
tan (α + θ/2) = (a + d)/z
tan (α - θ/2) = (a - d)/z,
wobei der Bildpunkt P in einer Entfernung Z hinter der Substratebene und unter der horizontalen Linie erscheint, auf der die entsprechenden Stereopaare ausgerichtet sind.
Fig. 4 zeigt die aufeinanderfolgen Stereopaare, die transponiert sind, um auf einer horizontalen Linie zu liegen, wie dies unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben wurde.
Im Falle eines dreidimensionalen Objektes, das gewöhnlich betrachtet wird, sind, während von einem vorgegebenen Blickwinkel gewisse Teile des Objekts sichtbar sind, andere Teile (zum Beispiel die hintere Oberfläche oder entfernte Seitenoberflächen) verdeckt. Um ein realistisches Bild eines dreidimensionalen Objektes zu schaffen, muß dann das Bild gewisse Teile des Objektes zeigen, wenn das Substrat aus gewissen Winkeln betrachtet wird, jedoch nicht, wenn es aus anderen Winkeln betrachtet wird.
So werden, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, Stereopaare für gewisse Blickwinkel weggelassen, so daß der damit in Beziehung stehende Bildpunkt unsichtbar wird, wenn das Substrat aus diesem Winkel betrachtet wird.
Bezugnehmend auf die Fig. 3 und 4 zeigen diese, daß ein Satz von Stereopaaren (zum Betrachten des selben Bildpunktes von unterschiedlichen Blickwinkeln) auf einer horizontalen Linie H angeordnet sein kann. Der Bildpunkt kann über einen Bereich von Winkeln sichtbar sein, wenn der Betrachter seinen Kopf relativ zum Substrat nach oben und nach unten bewegt (entlang einer Linie, die parallel ist zur Substratebene); die vertikale Parallaxe entlang dieser Achse kann dadurch verlängert werden, daß eine Anzahl von ähnlichen Sätzen von Stereopaaren, die den selben Bildpunkt definieren, auf parallelen horizontalen Linien vorgesehen werden, wobei die Elemente jedes Satzes geeignet (in der Winkel- und/oder der Horizontalposition) relativ zu den entsprechenden Elementen der anderen Sätze verschoben sind.
Bezugnehmend auf Fig. 5 wird ein erfindungsgemäßes Substrat typischerweise eine große Anzahl von Sätzen von Stereopaaren aufweisen, wobei jeder Satz den selben Bildpunkt definiert, der aus unterschiedlichen Blickwinkeln zu sehen ist, so daß insgesamt eine große Anzahl von unterschiedlichen Punktbildern erzeugt wird, die horizontal und vertikal voneinander beabstandet sind, und unter vorbestimmten Abständen von der Substratebene. Diese Punktbilder tragen demgemäß dazu bei, ein dreidimensionales Bild zu bilden. Einige der Bildpunkte können zusammen ein lineares Bild definieren (d. h. den Rand oder die Grenze eines Objekts), während andere "Schattierungen" definieren können, um das Bild einer Oberfläche zu schaffen.
Für ein Bild einer Oberfläche, die sich unter einem schiefen Winkel zum Betrachter befindet, kann eine gute Bilddefinition durch eine Verringerung der Dichte der Stereopaare erzielt werden, die auf dem Substrat ausgebildet sind, und zwar in Bezug auf das Bild einer Oberfläche, die von vorne betrachtet wird.
Wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, bestimmt das Profil des Nutenquerschnitts den Winkelbereich, durch den das Licht reflektiert wird und über den das Bild betrachtet werden kann. Diese Wirkung kann verwendet werden, so daß unterschiedliche Bildteile aus unterschiedlichen Blickwinkeln sichtbar sind; der Effekt kann auch benutzt werden, um zum "Schattieren" beizutragen und um die Helligkeit des Bildes zu kontrollieren.
Vorzugsweise wird ein Computer verwendet, um Daten zu erzeugen, die die Elemente definieren, die erforderlich sind, um ein gewünschtes dreidimensionales Bild zu bilden, einschließlich der Unterbrechungen, die erforderlich sind, um richtiges Unsichtbarmachen von Teilen des Bildes zu bewirken (entsprechend den Teilen des Objekts, die aus des entsprechenden Blickwinkeln nicht sichtbar sind), wobei auch verringerte Dichten von Stereopaaren berücksichtigt werden, die für die Bilder von "schrägen" Oberflächen verwendet werden können. Der Computer ist vorzugsweise so ausgebildet, daß er die Plazierung der unterschiedlichen Stereopaare bestimmt, um die Verwendung des Oberflächengebietes des Substrats zu optimieren. Entweder kann ein mechanisches Gravieren, elektromagnetische Behandlung und/oder ein anderes Ätzverfahren benützt werden, um die Daten in das gewünschte Muster von Stereopaaren im ersten Substrat zu übertragen. Das erste Substrat wird dann bearbeitet und es folgen (im Stand der Technik bekannte) Prozeduren, um einen Prägestempel zu bilden. Dieser Stempel wird dann verwendet, um Eindrücke auf einem zweiten Substrat oder zum Beispiel einer Lackbeschichtung zu erzeugen, die auf einem Tragglied getragen sind, um das Substrat oder die Beschichtung mit einem Reliefmuster zu bilden (die Elemente des Stereopaares werden dabei als Grate oder Nuten ausgebildet). Alternativ kann eine Druckplatte gebildet werden, so daß das Muster von Stereopaarelementen auf ein Substrat, zum Beispiel ein wertvolles Dokument, unter Verwendung von Tinte gedruckt werden kann, die ausreichend stark reflektiert.
Die Erfindung kann insbesondere als Sicherheitsmerkmal verwendet werden, das auf ein Dokument oder ein anderes Erzeugnis angewendet wird; das Muster der Elemente ist besonders schwierig nachzubilden, insbesondere, wenn die Elemente wie dies in den Fig. 3 und 4 zum Beispiel gezeigt ist, transponiert sind, da das Muster der Elemente keine Beziehung zur Form des Bildes hat, das es bildet.
Man wird verstehen, daß durch Transponieren der Stereopaare in der beschriebenen Weise diese über die Oberfläche eines Substrats in einer Weise verteilt werden können, die verhindert, daß unterschiedliche Punktbilder zu dicht zueinander gebracht werden (und so einander schneiden oder einander stören), wobei maximale Verwendung des Substratoberflächengebiets gemacht wird.

Claims

1. Substrat, das dazu ausgebildet ist, ein dreidimensionales optisches Bild einem Betrachter darzubieten, welches Substrat mit einer Mehrzahl von Paaren von beabstandeten optischen Elementen (14, 16) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der optischen Elemente eines Paars (14, 16) so ausgebildet ist, daß es darauf auffallendes Licht auf ein entsprechendes Auge eines Betrachters zurückrichtet, wenn der Betrachter unter einem vorbestimmten Blickwinkel oder innerhalb eines begrenzten Bereiches von Blickwinkeln positioniert ist, so daß dieses Paar für den Betrachter ein Bild eines gemeinsamen Punktes (P) schafft, der in einer vorbestimmten Entfernung von der Ebene des Substrats angeordnet ist, und daß die Mehrzahl von Paaren von optischen Elementen (14, 16) so angeordnet ist, daß die entsprechende Vielfalt von Bildern der gemeinsamen Punkte (P), die sie schaffen, das dreidimensionale Bild bilden.

2. Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente (14, 16) so ausgebildet sind, daß sie einfallendes Licht zum Betrachter reflektieren.

3. Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente (14, 16) so angeordnet sind, daß sie Licht, das durch das Substrat hindurch geleitet wird, zum Betrachter brechen.

4. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente (14, 16) Nuten aufweisen, die in der Oberfläche des Substrats ausgebildet sind.

5. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente (14, 16) Grate oder Erhöhungsrücken aufweisen, die auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet sind.

6. Substrat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente (14, 16) einen reflektierenden Aufdruck aufweisen, der auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet ist.

7. Substrat nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Paare von optischen Elementen (14, 16) zwei kurze lineare Elemente aufweist, deren relative Orientierungen die Entfernung des entsprechenden Punktbildes (P) von der Oberfläche des Substrats bestimmen.

8. Substrat nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Punktbild ein Satz dieser Paare von optischen Elementen (14, 16) vorgesehen ist, so daß jedes Punktbild aus unterschiedlichen Blickwinkeln sichtbar ist.

9. Substrat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß für wenigstens eines der Punktbilder die optischen Elemente (14, 16), die mit diesem Punktbild zusammenhängen, von einer gemeinsamen Linie verschoben sind.

10. Substrat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß für wenigstens eines der Punktbilder die optischen Elemente (14, 16), die sich auf dieses Punktbild beziehen, auf einer gemeinsamen horizontalen Linie angeordnet sind.

11. Substrat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß für wenigstens einige der Punktbilder ausgewählte Paare von optischen Elementen (14, 16) weggelassen sind, so daß diese Punkte für ausgewählte Blickwinkel unsichtbar sind, wodurch das Entfernen einer verborgenen Linie und/oder einer verborgenen Oberfläche in Bezug auf das dreidimensionale Bild bewirkt wird.

12. Substrat nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige der Punktbilder (P) zusammen ein lineares Bild definieren.

13. Substrat nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige der Punktbilder (P) zusammen Schattierung definieren, um das Bild einer Oberfläche eines dreidimensionalen Objekts zu schaffen.

14. Substrat nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Punktbilder Schattierung definieren, um das Bild einer Mehrzahl von Oberflächen eines dreidimensionalen Objekts zu schaffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der optischen Elemente (14, 16) für verhältnismäßig schräg stehende Oberflächen des dreidimensionalen Objektes im Vergleich zu den optischen Elementen (14, 16) für weniger schräge Oberflächen des Objektes verringert ist.

15. Substrat nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat so ausgebildet ist, daß es eine Mehrzahl von optischen Bildern einem Betrachter darbietet, welche optischen Bilder aus unterschiedlichen Blickwinkeln sichtbar sind.

16. Substrat nach einem vorangehenden Anspruch, wobei die optischen Elemente (14, 16) von unterschiedlichen Paaren unterschiedliche Querschnittsprofile aufweisen, um die Bildhelligkeit und/oder Bildschattierung und/oder Blickwinkel zu steuern.