EA020989B1 - Микрооптическая система для формирования изображений в проходящем и отраженном свете - Google Patents

Abstract

Заявляемая в качестве изобретения микрооптическая система формирования визуальных изображений относится преимущественно к приспособлениям, используемым для удостоверения подлинности изделий, и может быть эффективно использована для защиты банкнот, ценных бумаг, документов, пластиковых карточек, а так же различных товаров народного потребления от подделки. Микрооптическая система согласно изобретению состоит из элементарных областей, в каждой из которых записаны плоские фазовые элементы двух видов, первый из которых представляет собой киноформ, отвечающий за формирование изображений в проходящем свете, а второй - дифракционные решетки, которые формируют изображение в отраженном свете, причем глубина микрорельефа киноформа превосходит глубину микрорельефа дифракционных решеток. Заявленная совокупность существенных признаков изобретения обеспечила достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности визуального контроля защищаемых с его помощью изделий за счет получения легко контролируемых изображений в проходящем свете и в отраженном свете. Реализация микрооптической системы формирования визуальных изображений возможна с использованием существующего стандартного оборудования.

Description

Заявляемая в качестве изобретения микрооптическая система для визуального контроля подлинности относится к области оптических защитных технологий, преимущественно к приспособлениям, т.н. защитным меткам, используемым для удостоверения подлинности банкнот, пластиковых карт, ценных бумаг и т.д.

В настоящее время для удостоверения подлинности банкнот, пластиковых карт, ценных бумаг широко используются оптические защитные технологии. Большая часть защитных оптических элементов работает на отражение, когда наблюдатель и источник света находятся по одну сторону от оптического элемента. Последнее касается как защитных элементов с металлизированным микрорельефом, так и прозрачных оптических элементов (паспортный ламинат).

В настоящее время прогресс в области технологии производства банкнот и пластиковых карт предоставил возможность создавать так называемые окна (\ут<бо\У5). Это дает практическую возможность включать в банкноты и пластиковые карты прозрачные оптические элементы, которые работают как на прохождение света, так и на его отражение. С точки зрения защищенности от подделки такие оптические элементы, безусловно, являются перспективными.

Наиболее близким к заявляемому изобретению техническим решением по совокупности признаков является микрооптическая система, описанная в патенте И8 6417968 В1 (прототип).

Известная микрооптическая система представляет собой поверхностную структуру, включающую в себя элементы, которые расположены в мозаичном порядке и представляют собой дифракционные решетки с разным профилем и направлением штрихов. Другими словами в указанном патенте описана микроскопическая система, состоящая из элементарных участков, в каждом из которых записана симметричная или асимметричная дифракционная решетка. Все решетки имеют приблизительно одинаковую глубину, но разный профиль и разную ориентацию. Описанный в патенте оптический элемент работает на отражение и обеспечивает эффект изменения интенсивности отраженного света от областей голограммы при наблюдении под разными углами. Описанный в патенте оптический элемент может формировать эффект смены изображений при наклоне или повороте оптического элемента и т.п.

К недостаткам известной микрооптической системы можно отнести недостаточную защищенность от подделок. Кроме того, использование в качестве базового оптического элемента дифракционных решеток сильно ограничивает возможности формирования диаграммы направленности оптического элемента.

Задачей настоящего изобретения является создание микрооптической системы с более высокой степенью защиты от подделок и имитаций. В соответствии с изобретением описывается микрооптическая система формирования изображений, структура которой представляет собой плоский оптический элемент, состоящий из элементарных областей, каждая из которых представляет собой прямоугольник, размер которого не превышает 100 мкм, при этом в каждом прямоугольнике записаны плоские фазовые элементы двух видов, первый из которых представляет собой киноформ, отвечающий за формирование изображений в проходящем свете, а второй - дифракционные решетки, которые формируют изображение в отраженном свете, причем глубина микрорельефа киноформа более чем в 3 раза превосходит глубину микрорельефа дифракционных решеток.

В частном случае реализации заявленной микроскопической системы для формирования изображения в проходящем свете используется бинарный киноформ, при этом в проходящем свете наблюдатель на точечном источнике видит два симметричных изображения относительно нулевого порядка дифракции.

В другом частном случае для формирования изображения в проходящем свете используется многоградационный киноформ, при этом в проходящем свете наблюдатель на точечном источнике видит два различных изображения - не симметричных относительно нулевого порядка дифракции.

Использование в заявляемом изобретении оптических элементов с разной глубиной микрорельефа принципиально, так как именно это позволяет формировать изображение как в проходящем, так и в отраженном свете.

Центральным моментом заявляемого изобретения является использование плоских фазовых оптических элементов. Каждый плоский фазовый оптический элемент характеризуется своей фазовой функцией и наоборот, зная фазовую функцию, можно рассчитать микрорельеф плоского фазового оптического элемента.

Задачу синтеза плоских оптических элементов можно разделить на две составляющие: расчет фазовой функции и синтез микрорельефа плоского фазового оптического элемента.

В настоящее время существуют эффективные алгоритмы решения обратных задач синтеза плоских оптических элементов. Различают два подхода. Первый позволяет рассчитать гладкую фазовую функцию (Сотри1ег Орйск & Сотри1ег Но1одгарЬу Ъу Л.У. ОопсЬаткку, А.А. ОопсЬаткку, Моксоте ишуегкЪу Ртекк, Моксоте, 2004). Во втором подходе фазовая функция не является гладкой, может быстро осциллировать. Такие элементы получили название киноформов.

Киноформ как оптический элемент был представлен в работе Ь.В. Ьекет, Р.М. НйксЬ, ТАТт. 1огбап. ТЬе кшоГотт: а пе\у \\ауеГгоШ гесопкйисйоп беуюе, 1ВМ 1. Ке8. Иеу., 13 (1969), 105-155. Существуют два вида киноформов: бинарные и многоградационные. В отличие от тонких голограмм, записанных путем

- 1 020989 регистрации интерференционной картины, многоградационный киноформ формирует на заданной длине волны изображение с высокой эффективностью. Многоградационный киноформ имеет максимальную теоретическую эффективность при формировании произвольных изображений, близкую к 100%. В отличие от объемных фазовых голограмм, обладающих также 100%-ной дифракционной эффективностью, многоградационный киноформ допускает массовое тиражирование с оригинала, при этом энергетическая эффективность тиражных копий также теоретически близка к 100%. Эффективность бинарных киноформов не превышает 50%.

Существующие алгоритмы позволяют рассчитать микрорельеф дифракционного оптического элемента - киноформа, если заданы геометрические параметры, характеристики источников света и изображение, которое нужно сформировать. Если глубина микрорельефа дифракционных решеток, формирующих в отраженном свете изображение для визуального контроля, составляет 0,1-0,2 мкм, то глубина киноформа, формирующего изображение в проходящем свете, составляет для бинарных элементов 0,5-0,7 мкм, а для многоградационных киноформов глубина микрорельефа достигает 1-1,5 мкм (СотрЫег Орйск & СотрЫег Но1одгарЬу Ьу А.У. ОопсЬагкку, А.А. ОопсЬагкку, Моксоте ишуегкйу Ргекк, Моксо\у, 2004).

Базовой технологией для формирования микрорельефа плоских оптических элементов в оптическом диапазоне является технология электронно-лучевой литографии. Указанная технология позволяет формировать микрорельеф микрооптической системы, заявленной в изобретении, с необходимой точностью. Оборудование для электронной литографии весьма дорогостоящее, технология наукоемка и имеет ограниченное распространение. Все это создает надежный барьер для защиты заявленной системы от подделок.

Для массового тиражирования плоских оптических элементов, заявленных в изобретении, может быть использовано оборудование для голографических технологий: гальваника, установка мультипликации, оборудование для прокатки, нанесение клеевых покрытий и т.п. (СотрЫег ОрОск & СотрЫег Но1одгарЬу Ьу А.У. ОопсЬагкку, А.А. ОопсЬагкку, Моксоте ИтуегкИу Ргекк, Моксоте, 2004).

В заявленной микрооптической системе изображение в отраженном и проходящем свете наблюдается визуально. Технология изготовления оригиналов не является общедоступной. Технология массового тиражирования обеспечивает низкую цену при массовом производстве.

На фиг. 1 приведена схема наблюдения изображения на прохождение; на фиг. 2 - схема наблюдения изображения на отражение;

на фиг. 3 - схема разбиения области оптического элемента на элементарные области;

на фиг. 4 - вариант расположения области формирования изображения в проходящем свете (киноформа) в элементарной области - прямоугольнике;

на фиг. 5 - вариант расположения области формирования изображения в отраженном свете (дифракционной решетки) в элементарной области - прямоугольнике; на фиг. 6 - фрагмент микрорельефа дифракционной решетки; на фиг. 7 - фрагмент микрорельефа бинарного киноформа; на фиг. 8 - фрагмент микрорельефа многоградационного киноформа; на фиг. 9 - фрагмент профиля микрорельефа в элементарном прямоугольнике; на фиг. 10 - пример изображения, формируемого на прохождение бинарным киноформом; на фиг. 11 - пример изображения, формируемого на прохождение многоградационным киноформом;

на фиг. 12 - фрагмент плоского оптического элемента, формирующего на прохождение изображение, представленное на фиг. 10, а в отраженном свете изображение, представленное на фиг. 13;

на фиг. 13 - пример изображения, формируемого для наблюдателя в отраженном свете.

Оптическая схема формирования изображения на прохождение представлена на фиг. 1. Луч света от точечного источника (1) падает на прозрачный оптический элемент (2), расположенный в прозрачном окне. Прошедшее рассеянное плоским оптическим элементом излучение формирует изображение для наблюдателя (изображение в проходящем свете). Оптическая схема формирования изображения на отражение представлена на фиг. 2. Луч света от точечного источника падает на оптический элемент. Отраженное рассеянное плоским оптическим элементом излучение формирует изображение для наблюдателя. На фиг. 3 приведена схема разбиения области оптического элемента на элементарные области, каждая из которых представляет собой элементарный прямоугольник размером не более 100 мкм. Каждый элементарный прямоугольник содержит плоские оптические элементы двух видов: киноформ и дифракционные решетки. На фиг. 4 приведен условный вариант размещения области киноформа в каждой элементарной области - прямоугольнике (область киноформа закрашена темным цветом). Соответственно на фиг. 5 область, заполненная дифракционными решетками, закрашена темным цветом. На фиг. 4 и 5 область, содержащая дифракционные решетки, может не быть круглой, а представлять собой, например, квадрат или прямоугольник или представлять собой несколько прямоугольников, заполненных дифракционными решетками. Соответственно вся оставшаяся часть элементарной области заполняется киноформом. На фиг. 6 приведен фрагмент микрорельефа плоского оптического элемента - дифракционной решетки. На фиг. 7 приведен пример микрорельефа плоского оптического элемента - бинарного киноформа. На фиг. 6, 7 глубина микрорельефа пропорциональна потемнению в каждой точке рисунка. На фиг. 8 приведен

- 2 020989 фрагмент микрорельефа плоского оптического элемента - многоградационного киноформа. На фиг. 9 приведен пример фрагмента профиля микрорельефа в элементарном прямоугольнике (сечение по линии А-А на фиг. 5). Видно, что глубина микрорельефа киноформа (1) отличается от глубины микрорельефа дифракционных решеток (2) более чем в три раза. На фиг. 10 приведен пример изображения, формируемого бинарным киноформом на прохождение. На фиг. 11 приведен пример изображения, формируемого многоградационным киноформом на прохождение. Изображение, формируемое многоградационным киноформом, принципиально отличается от изображения, формируемого бинарным киноформом. Бинарный киноформ формирует изображения, одинаковые в плюс первом и минус первом порядках дифракции. Многоградационный киноформ позволяет формировать изображения, разные в плюс первом и минус первом порядках дифракции.

Изготовление микрорельефа многоградационных киноформов для оптического диапазона длин волн представляет собой сложную задачу, поскольку точность изготовления микрорельефа должна составлять 20-30 нм (Гончарский А.А. Об одной задаче синтеза нанооптических элементов// Вычислительные методы и программирование, 2008, т. 9, № 2). Формирование на прохождение визуальных асимметричных изображений, таких как показано на фиг. 11, является гарантией защиты микрооптической системы от подделок. Именно использование многоградационных киноформов (предпочтительный вариант) является центральным моментом изобретения и отличает заявленное изобретение от прототипа. На фиг. 12 приведен фрагмент плоского оптического элемента, формирующего на прохождение изображение, приведенное на фиг. 10, в то же время на отражение оптический элемент формирует изображение, представленное на фиг. 13. Размер фрагмента оптического элемента, представленного на фиг. 12, составляет 500x500 мкм. Типичная площадь оптического элемента в прозрачном окне, используемого для защиты банкнот, составляет несколько квадратных сантиметров. Область киноформа обозначена цифрой 1.

Важным моментом изобретения является специальная структура разбиения плоского оптического элемента на элементарные области. Размер фрагментов дифракционных решеток, формирующих отраженное изображение, не превосходит 100 мкм, при этом расстояние между соседними фрагментами дифракционных решеток также не выше 100 мкм. Это обеспечивает растровую структуру изображения, формируемого на отражение. Изображение формируется отдельными непересекающимися пикселями. Однако ограниченное разрешение человеческого глаза при выбранных параметрах разбиения (размер элементарной области меньше 100 мкм) не позволяет человеческому глазу увидеть отдельные элементы растра в сформированном изображении.

Специальная структура разбиения, предложенная в заявке на изобретение, позволяет сформировать изображение на прохождение, инвариантное (не зависящее) от сдвига источника внутри прозрачного окна. Расчет микрорельефа киноформа, формирующего изображение на прохождение, осуществляется во всей области прозрачного окна, за исключением областей локализации дифракционных решеток. На фиг. 12 эта область обозначена цифрой 1. Важной характеристикой киноформа является то, что каждая часть киноформа формирует одно и то же изображение. Последнее обеспечивает возможность небольших сдвигов источника (или наблюдателя), при которых формируемое изображение не меняется.

Основные отличия заявленной микрооптической системы от прототипа.

1. В настоящем изобретении для формирования изображения на прохождение в отличие от прототипа, оперирующего только с дифракционными решетками, используется киноформ, что существенно расширяет возможности в формировании изображений.

2. В настоящем изобретении фрагменты оптического элемента, формирующие изображение на прохождение и отражение, имеют глубину микрорельефа, отличающуюся более чем в три раза. Именно различие глубины в элементах, формирующих изображения в отраженном свете и в проходящем свете, позволяют микрооптической системе работать при разных положениях источника и наблюдателя относительно контролируемого оптического элемента. Если глубина микрорельефа киноформа и дифракционных решеток мало отличаются друг от друга, то либо одно изображение, либо оба изображения (в отраженном или проходящем свете) будут иметь существенно меньшую яркость, что будет затруднять визуальный контроль.

3. В настоящем изобретении предложена специальная конструкция оптического элемента, в которой оптический элемент разбивается на элементарные области - прямоугольники размером не более 100 мкм так, что в каждой элементарной области содержатся фрагменты оптического элемента, работающие на прохождение и на отражение. Такая конструкция обеспечивает инвариантность формируемого на прохождение изображения при сдвигах источника света. Формируемое оптическим элементом изображение в проходящем свете не меняется, пока источник света виден через прозрачное окно.

Заявленная микрооптическая система позволяет обеспечить простой и надежный визуальный контроль для наблюдателя. Технология изготовления оригиналов плоских оптических элементов, включающих в себя многоградационные киноформы и дифракционные решетки разной глубины, не является общедоступной, что обеспечивает надежную защиту заявленных микрооптических систем от подделок. Технология массового тиражирования доступна и обеспечивает низкую цену микрооптических систем при массовом тиражировании.

В настоящее время предложенные в изобретении микрооптические системы можно реализовать.

- 3 020989

Более того, возможно и массовое тиражирование микрооптических систем. Для изготовления оригиналов микрооптических систем может быть использована электронно-лучевая технология. Электронно-лучевая технология уникальна тем, что обеспечивает очень высокое разрешение. Современные литографы позволяют формировать микрорельеф штампами порядка 0,1 на 0,1 мкм, лучшие из них имеют размер штампа вплоть до 20 на 20 нм. Точность формирования микрорельефа по высоте также составляет порядка 20-30 нм. Глубина микрорельефа плоского оптического элемента может составлять порядка 1-1,5 мкм. Такой глубины достаточно для формирования оптических элементов, работающих на отражение и прохождение. Электронно-лучевая технология позволяет с высокой точностью изготовить симметричный и асимметричный микрорельеф микрооптических систем для формирования изображений в проходящем и отраженном свете (Сотри1ег ОрОск & СотрШег Но1одгарЬу Ьу А.У. СопсЬагкку, А.А. СопсЬагкку, Моксоте Ишуегкйу Ргекк, Моксоте, 2004).

Для мультиплицирования оригинала могут быть использованы технологии УФ-мультипликации (81ер-апй-Кереа1 ИУ 1трйп1 ЬйЬодгарЬу Гог \УаГег-Ьеуе1 Сатега МапиГасШйпд Ву С. Кгешбк Т. СЬикпега, К. Как!а, Ό. Тге1Ь1тауга, К. МШег, СЫр §са1е Кеу1е№, 1и1у-Аидик1 2011). Для массового тиражирования можно использовать установки УФ-прокатки (Ко11 !о го11 ИУ етЬоккшд 1есЬпо1оду Ьу Иаби АЬтеб, ТЬе Но1одгарЬу Тшек, ЫоуетЬег 2004), а так же стандартное оборудование для производства голограмм (Орйса1 Эоситет Зесигйу, ТЫгб Ебйюп Ьу Кибо1Г Ь. уап Кепекке, АйесЬ Ноике, 2005).

Визуальный эффект, формируемый в заявке на изобретение, легко контролируем. Микрооптическая система хорошо защищена от подделок.

Нижеприведенный пример конкретного выполнения изобретения подтверждает возможность его осуществления, не ограничивая его объем.

Пример.

В качестве примера рассчитывают и изготавливают микрооптическую систему для формирования визуальных изображений в проходящем и отраженном свете. В отраженном свете наблюдают изображение, представленное на фиг. 13. В проходящем свете на точечном источнике наблюдатель видит изображение, представленное на фиг. 10. Поставленная задача решается с помощью плоского оптического элемента, фрагмент микрорельефа которого представлен на фиг. 12. Размер оптического элемента составил 10 на 10 мм. Плоский оптический элемент разбивают на элементарные области - прямоугольники размером 100 на 100 мкм так, что число элементарных областей составляет 10000. В каждой элементарной области дифракционные решетки формируют в круге (см. рис. 5), площадь которого составляет 20% от площади элементарной области. Во всей оставшейся области (см. рис. 4) записывают бинарный киноформ, формирующий на точечном источнике изображение, представленное на фиг. 10. Глубина микрорельефа дифракционных решеток составляет 0,15 мкм. Глубина микрорельефа киноформа составляет 0,7 мкм. Оригинал плоского оптического элемента изготавливают с помощью электронно-лучевой литографии с использованием установки электронно-лучевого экспонирования ΖΒΛ21 производства Карл Цейс Йена с минимальным размером штампа 0,1 на 0,1 мкм. С помощью гальванопластики изготавливают мастер матрицы и рабочие матрицы. С помощью установки ультрафиолетовой прокатки изготавливают образцы микрооптической системы, заявленные к патентованию.

Проведенные исследования показали высокую эффективность предложенных в заявке решений.

Claims (3)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Микрооптическая система для формирования визуальных изображений в проходящем и отраженном свете, представляющая собой плоский оптический элемент, отличающаяся тем, что указанный элемент состоит из элементарных областей, представляющих собой прямоугольники, размер которых не превышает 100 мкм, при этом в каждом прямоугольнике записаны киноформ, отвечающий за формирование изображений в проходящем свете, и дифракционные решетки, формирующие изображение в отраженном свете, причем глубина микрорельефа киноформа более чем в 3 раза превосходит глубину микрорельефа дифракционных решеток.
2. 2. Микрооптическая система по п.1, в которой для формирования изображения в проходящем свете используется бинарный киноформ, при этом в проходящем свете наблюдатель на точечном источнике видит два симметричных изображения относительно нулевого порядка дифракции.
3. 3. Микрооптическая система по п.1, в которой для формирования изображения в проходящем свете используется многорадационный киноформ, при этом в проходящем свете наблюдатель на точечном источнике видит два различных изображения относительно нулевого порядка дифракции.