EA031709B1 - Micro-optic system for forming 2d images with kinematic motion effects - Google Patents

Micro-optic system for forming 2d images with kinematic motion effects Download PDF

Info

Publication number
EA031709B1
EA031709B1 EA201700161A EA201700161A EA031709B1 EA 031709 B1 EA031709 B1 EA 031709B1 EA 201700161 A EA201700161 A EA 201700161A EA 201700161 A EA201700161 A EA 201700161A EA 031709 B1 EA031709 B1 EA 031709B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
micro
optical element
elementary
images
frames
Prior art date
Application number
EA201700161A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
EA201700161A1 (en
Inventor
Антон Александрович ГОНЧАРСКИЙ
Александр Владимирович ГОНЧАРСКИЙ
Святослав Радомирович ДУРЛЕВИЧ
Сергей Юрьевич Сережников
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Центр Компьютерной Голографии"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Центр Компьютерной Голографии" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Центр Компьютерной Голографии"
Priority to EA201700161A priority Critical patent/EA031709B1/en
Publication of EA201700161A1 publication Critical patent/EA201700161A1/en
Publication of EA031709B1 publication Critical patent/EA031709B1/en

Links

Landscapes

  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
  • Holo Graphy (AREA)
  • Inspection Of Paper Currency And Valuable Securities (AREA)
  • Credit Cards Or The Like (AREA)

Abstract

The micro-optic system for visual check of authenticity of articles claimed as an invention is related to the field of optical technologies, primarily to so called security marks used for verifying authenticity of banknotes, plastic cards, securities, etc. The claims disclose a method for synthesis of micro-optic systems for forming 2D images with kinematic motion effects that comprise single-layer diffraction optic elements. For forming a micro-relief of a diffraction optic element, a set of black-and-white frames and viewing angles at which said frames are seen is defined. The diffraction optic element is divided into elementary rectangular areas not exceeding 100 μm in size, and in each area the phase function of the diffraction optic element forming the defined images at the viewing angle is calculated. As the viewing angle is changed, the kinematic effect of image fragments motion is seen. Versions of the micro-optic systems synthesis based on the electron-beam lithography are proposed. The claimed micro-optic system for visual check of authenticity of articles is protected reliably against forgery and imitations. The micro-optic systems synthesis technology is not generally accessible.

Description

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ (45) Дата публикации и выдачи патента

2019.02.28 (21) Номер заявки

201700161 (22) Дата подачи заявки

2016.10.24 (51) Int. Cl. B42D 25/328 (2014.01)

G02B 5/18 (2006.01) (54) МИКРООПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ 2D ИЗОБРАЖЕНИЙ С КИНЕМАТИЧЕСКИМИ ЭФФЕКТАМИ ДВИЖЕНИЯ (43) 2018.02.28 (96) 2016000092 (RU) 2016.10.24 (71) (73) Заявитель и патентовладелец:

ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ ЦЕНТР КОМПЬЮТЕРНОЙ ГОЛОГРАФИИ (RU) (72) Изобретатель:

Гончарский Антон Александрович, Гончарский Александр Владимирович, Дурлевич Святослав Радомирович, Сережников Сергей Юрьевич (RU)

031709 Bl (56) ЕА-А1-201070011

US-B2-8133638

US-B2-8848266

US-B2-8308197

031709 В1

(57) Заявляемая в качестве изобретения микрооптическая система для визуального контроля подлинности изделий относится к области оптических защитных технологий, преимущественно к приспособлениям, так называемым защитным меткам, используемым для удостоверения подлинности банкнот, пластиковых карт, ценных бумаг и т.д. В соответствии с формулой изобретения описывается способ синтеза микрооптических систем для формирования 2D изображений с кинематическими эффектами движения, представляющих собой однослойные дифракционные оптические элементы. Для формирования микрорельефа дифракционного оптического элемента задают набор черно-белых кадров и углов наблюдения, под которыми видны эти кадры. Дифракционный оптический элемент разбивают на элементарные прямоугольные области размером не более 100 мкм, в каждой из областей рассчитывают фазовую функцию дифракционного оптического элемента, формирующего под углами наблюдения заданные изображения. При смене угла наблюдения виден кинематический эффект движения фрагментов изображения. Предложены варианты синтеза микрооптических систем на основе электроннолучевой литографии. Заявленная микрооптическая система для визуального контроля подлинности изделий надежно защищена от подделок и имитаций. Технология синтеза микрооптических систем не является общедоступной.

Заявляемая микрооптическая система для формирования 2D изображений с кинематическими эффектами движения относится к области оптических защитных технологий, преимущественно к так называемым защитным меткам, используемым для удостоверения подлинности банкнот, пластиковых карт, ценных бумаг и т.д. Оптические технологии позволяют осуществлять как визуальный, так и инструментальный контроль подлинности защитных оптических элементов (Optical Document Security, Third Edition, Rudolf L. Van Renesse. Artech House, Boston, London, 2005). Разработаны приборы для инструментального контроля оптических защитных элементов (патент РФ на промышленный образец 74441). Разработаны приборы автоматизированного контроля защитных элементов (евразийский патент на способ и устройство EA 018419 В1). Наибольший интерес представляют визуальные защитные признаки. Разработаны технологии синтеза 2D, 2D-3D и 3D защитных голограмм (Optical Document Security, Third Edition, Rudolf L. Van Renesse. Artech House, Boston, London, 2005).

В последнее время появились защитные признаки с кинематическими эффектами движения фрагментов изображения. К таким признакам относятся микрооптическая система Mobile, описанная в патенте (евразийский патент ЕА 017394 В1). Визуальное двумерное изображение, формируемое микрооптической системой Mobile при освещении оптического элемента белым светом, состоит из отдельных точек, которые при наклонах оптического элемента меняют свое положение. Для синтеза оптических элементов Mobile используются внеосевые линзы Френеля с фазовой функцией параболического типа либо с седлообразной фазовой функцией. При освещении оптического элемента белым светом каждая линза формирует одну точку изображения, что ограничивает возможности использования элементов типа Mobile при формировании сложных изображений.

Наиболее близким к заявляемому изобретению техническим решением по совокупности признаков (прототипом) является микрооптическая система Motion (патент США US № 7468842 В2). Микрооптические системы Motion также формируют 2D изображение с кинематическими эффектами движения. В отличие от микрооптических систем Mobile микрооптическая система Motion состоит из двух слоев. Один из слоев представляет собой массив преломляющих микролинз, а второй слой, расположенный под массивом микролинз, представляет собой микроизображения. Используемые в системе Motion линзы являются короткофокусными. Сдвиг визуального изображения связан с тем, что с разных направлений наблюдатель видит разные фрагменты микроизображений. Этим свойством обладают любые рефракционные линзы. К недостаткам микрооптических систем Motion можно отнести достаточно большую толщину этих микрооптических систем, которая определяется в первую очередь толщиной слоя преломляющих микролинз, что затрудняет ее применение для защиты банкнот, документов, ценных бумаг. Другой недостаток микросистемы Motion связан с относительно узким диапазоном кинематических эффектов движения фрагментов изображения.

В отличие от прототипа заявляемая микрооптическая система является плоским оптическим элементом, в котором формирование изображений осуществляется микрорельефом, глубина которого составляет доли микрона.

Задача настоящего изобретения заключается в повышении защитной функции средств, используемых для удостоверения подлинности банкнот, пластиковых карт, ценных бумаг, снижении уровня доступности технологии изготовления указанных защитных средств, уменьшении толщины защитного оптического элемента с кинематическими эффектами движения по сравнению с прототипом и расширением диапазона кинематических эффектов движения фрагментов изображения. Поставленная задача решается путем разработки микрооптических систем, представляющих собой однослойный дифракционный оптический элемент для формирования изображений с кинематическими эффектами движения.

В соответствии с п.1 формулы изобретения описывается способ синтеза микрооптических систем для формирования 2D изображений с кинематическими эффектами движения, отличающийся тем, что микрооптическая система представляет собой однослойный отражающий металлизированный или прозрачный дифракционный фазовый оптический элемент, для синтеза которого задают черно-белые кадры 2D изображений Kn, n=1, ..., N, и углы наблюдения (φπ, θπ), под которыми кадры Kn видны наблюдателю. Дифракционный оптический элемент разбивают на элементарные прямоугольные области G, i=1, ..., L, j=1, ..., M, размером не более 100 мкм, с центрами в точках (x;, у,). В каждой элементарной области G, рассчитывают фазовую функцию киноформа Ф,, (x, у) и изготавливают киноформ, формирующий при освещении оптического элемента белым светом диаграмму направленности, представляющую собой N лучей, исходящих из элементарной площадки G;j под углами φπ, θπ, n=1, ..., N.

Интенсивность луча под углом φπ, θπ равна яркости точки с координатами (x;, у,) n-го кадра, при этом при освещении оптического элемента белым светом наблюдатель видит под разными углами наблюдения φπ, θπ разные кадры Kn, n=1, ..., N.

В соответствии с п.2 формулы изобретения описывается способ синтеза микрооптических систем для формирования 2D изображений с кинематическими эффектами движения, отличающийся тем, что микрооптическая система представляет собой однослойный отражающий металлизированный или прозрачный дифракционный фазовый оптический элемент, для синтеза которого задают черно-белые кадры Kn, n=1, ..., N, и углы наблюдения φπ, θπ, под которыми кадры Kn видны наблюдателю. Дифракционный

- 1 031709 оптический элемент разбивают на элементарные прямоугольные области Gj, i=1, ..., L, j=1, ..., M, размером не более 100 мкм, с центрами в точках (xi, yj). Каждую из областей разбивают на N частей, в которые записывают дифракционные решетки разного периода и разной ориентации, так что при освещении оптического элемента белым светом диаграмма направленности элементарной области Gj представляет собой N лучей, исходящих из элементарной площадки Gy под углами φη, θη, n=1, ..., N. Интенсивность луча под углом φη, θη равна яркости точки с координатами (xi, yj) η-го кадра, при этом при освещении оптического элемента белым светом наблюдатель видит под разными углами наблюдения φη, θη разные кадры Κη, η=1, ..., N.

В соответствии с п.3 формулы изобретения описывается способ синтеза микрооптических систем для формирования 2D изображений с кинематическими эффектами движения, отличающийся тем, что микрооптическая система представляет собой однослойный дифракционный амплитудный оптический элемент, для синтеза которого задают черно-белые кадры Kn, n=1, ..., N, и углы наблюдения φη, θη, под которыми кадры Kn видны наблюдателю. Дифракционный оптический элемент разбивают на элементарные прямоугольные области Gj i=1, ..., L, j=1, ..., M, размером не более 100 мкм с центрами в точках (xi, yj), в каждой элементарной области Gij рассчитывают фазовую функцию киноформа Ф,_, (x, y) и изготавливают амплитудный бинарный киноформ, формирующий при освещении оптического элемента белым светом на прохождение и отражение диаграмму направленности, представляющую собой N лучей, исходящих из элементарной площадки Gij под углами φη, θη, η=1, ..., N. Интенсивность луча под углом φη, θη равна яркости точки с координатами (xi, yj) η-го кадра, при этом при освещении оптического элемента белым светом наблюдатель видит под разными углами наблюдения φη, θη разные кадры Kn, n=1, ..., N.

В соответствии с п.4 формулы изобретения описывается способ синтеза микрооптических систем для формирования 2D изображений, состоящих из параллельных полос, с кинематическими эффектами движения, отличающийся тем, что микрооптическая система представляет собой однослойный отражающий металлизированный или прозрачный дифракционный фазовый оптический элемент, для синтеза которого задают черно-белые кадры Kn, n=1, ..., N, и углы наблюдения 0, θη, под которыми кадры Kn видны наблюдателю. Дифракционный оптический элемент, расположенный в области -0.5L<\<0.5L, ;·ι<ν<6. где a, b, L - заданные параметры, разбивают на элементарные прямоугольные области Gj j=1, ..., M, шириной не более 100 мкм и длиной L с центрами в точках (0, yj). В каждой элементарной области Gj рассчитывают фазовую функцию киноформа Ф^у) и изготавливают киноформ, формирующий при освещении оптического элемента белым светом диаграмму направленности, представляющую собой N лучей, исходящих из элементарной площадки Gj под углами 0, θη, n=1, ..., N, причем интенсивность луча под углом 0, θη равна яркости точки с координатами (0, yj) η-го кадра. При этом при освещении оптического элемента белым светом наблюдатель видит под разными углами наблюдения 0, θη разные кадры Kn, n=1, ..., N.

В соответствии с п.5 формулы изобретения описывается микрооптическая система по п.1 для формирования 2D изображений с кинематическими эффектами движения, представляющая собой рельефный однослойный фазовый металлизированный или прозрачный дифракционный оптический элемент на отделяемой или неотделяемой полимерной основе. Микрооптическая система состоит из фрагментов многоградационных киноформов размером не более 100 мкм с глубиной микрорельефа lp (x, уЦШФуЦ, y) в каждой элементарной области Gij, i=1, ..., L, j=1, ..., M. Глубина микрорельефа не превышает 0,6 мкм.

В соответствии с п.6 формулы изобретения описывается микрооптическая система по п.1 для формирования 2D изображений с кинематическими эффектами движения, представляющая собой рельефный однослойный фазовый металлизированный или прозрачный дифракционный оптический элемент на отделяемой или неотделяемой полимерной основе. Микрооптическая система состоит из фрагментов бинарных киноформов, глубина рельефа которого hl|(x, у) в каждой элементарной области Gij, i=1, ..., L, j=1, ..., M, принимает только два значения, 0 и h, причем hy(x, y)=h, если выполнено условие 0<k^(x, у)<к, где h - заданный параметр. 0<h<0,6 мкм, k - волновое число.

В соответствии с п.7 формулы изобретения описывается микрооптическая система по п.2 для формирования 2D изображений с кинематическими эффектами движения, представляющая собой рельефный однослойный фазовый металлизированный или прозрачный дифракционный оптический элемент на отделяемой или неотделяемой полимерной основе. Микрооптическая система состоит из фрагментов бинарных или многоградационных дифракционных решеток размером не более 100 мкм с глубиной микрорельефа не более 0,6 мкм и диапазоном периодов от 0,5 до 4 мкм.

В соответствии с п.8 формулы изобретения описывается микрооптическая система по п.3 для формирования 2D изображений с кинематическими эффектами движения, представляющая собой дифракционный оптический элемент на отделяемой или неотделяемой полимерной основе. Микрооптическая система представляет собой в каждой элементарной области Gj i=1, ..., L, j=1, ..., M, амплитудный бинарный киноформ, состоящий из прозрачной и металлизированной части, причем точки (х, у), для которых выполнено соотношение 0<kФ1J(x, у)<к, где к - волновое число, металлизированы.

В соответствии с п.9 формулы изобретения описывается микрооптическая система по п.4 для формирования 2D изображений с кинематическими эффектами движения, представляющая собой рельефный

- 2 031709 однослойный фазовый металлизированный или прозрачный дифракционный оптический элемент на отделяемой или неотделяемой полимерной основе, состоящий из фрагментов многоградационных киноформов размером не более 100 мкм с глубиной микрорельефа ^(х,у)=1/2Ф)(у) в каждой элементарной области Gj, j=1, ..., M.

В соответствии с п.10 формулы изобретения описывается микрооптическая система по п.4 для формирования 2D изображений с кинематическими эффектами движения, представляющая собой рельефный однослойный фазовый металлизированный или прозрачный дифракционный оптический элемент на отделяемой или неотделяемой полимерной основе, состоящий из фрагментов бинарных киноформов, глубина рельефа которого 1ι,(χ. у) в каждой элементарной области G_j, j=1, ..., M, принимает только два значения, 0 и h, причем hp(x, y)=h, если выполнено условие 0<кФр(х, у)< π, где h -заданный параметр, 0<h<0,6 мкм, к - волновое число.

Центральным моментом заявляемого изобретения по п.1 формулы изобретения является использование плоских фазовых оптических элементов - киноформов. Каждый рельефный плоский фазовый оптический элемент характеризуется своей фазовой функцией, и наоборот, зная фазовую функцию, можно рассчитать микрорельеф плоского фазового оптического элемента.

Пусть плоский оптический элемент расположен в плоскости z=0. Волновое поле до оптического элемента u(x, y, 0-0) и волновое поле после отражения от оптического элемента u(x, y, 0+0) связаны следующим образом:

u(x, у, 0+0)=u(x, y, 0-0)-l(x, y).

Комплексная функция Цх, y) является передаточной функцией плоского оптического элемента. Известно, что |B(x, y)|<1. Если |T(x, y)|<1, то элемент называется амплитудным. Если |T(x, y)|=1, то элемент называется фазовым.

Для фазового плоского оптического элемента Т(х, у^ехр^Ф^, у)). Действительная функция ФС\, y) называется фазовой функцией плоского оптического элемента. Расчет фазовой функции Ф( x, y) оптического элемента, формирующего заданное изображение F(x, y), является классической задачей плоской оптики. Известно, что скалярные волновые функции в плоскости z=0 и z=f связаны соотношением

(1)

Здесь ξ, η - декартовы координаты в плоскости оптического элемента, x, у - декартовы координаты в фокальной плоскости z=f, γ=^2π^ k=2π/λ, G - область оптического элемента, f - расстояние от оптического элемента до фокальной плоскости. Особенностью рассматриваемых обратных задач является то, что в уравнении (1) известна не сама функция u(x, y, f), а только ее модуль |u(x, y, f)|=F(x, y). Таким образом, обратная задача сводится к определению функции ФСу, y) из уравнения

(2)

В соответствии с п.4 формулы изобретения двухмерное изображение может представлять собой полосы, т.е. зависеть только от одной координаты. В этом случае функция F(x, y) является функцией только от одной координаты (y). Будем использовать для этой функции обозначение F(y). В этом случае фазовая функция Ф^, y) является функцией от одной координаты Ф(у). Уравнение (2) переписывается в виде

Л (3)

2/

Здесь u(x, y, 0-0) и F(y) - заданные функции, a γ - заданный параметр. Уравнение (3) представляет собой упрощенный одномерный вариант задачи (2).

В настоящее время существуют эффективные алгоритмы решения обратных задач синтеза плоских оптических элементов - киноформов, формирующих заданное изображение F(x, y) (Computer Optics & Computer Holography by A.V.Goncharsky, A.A.Goncharsky, Moscow University Press, Moscow, 2004). Киноформ как оптический элемент и метод расчета киноформа был представлен в работе (L.B.Lesem, P.M.Hirsch, J.A.Jr. Jordan, The kinoform: a new wavefront reconstruction device, IBM J. Res. Dev., 13 (1969), 105-155). Можно показать, что обратная задача расчета фазовой функции ФСу, у) плоского оптического элемента, формирующего заданную диаграмму направленности, эквивалентна решению задачи (2)-(3), где функция БСх, у) представляет собой изображение, формируемое плоским оптическим элементом в фокальной плоскости z=f (Computer Optics & Computer Holography by A.V.Goncharsky, A.A.Goncharsky, Moscow University Press, Moscow, 2004).

В заявляемых микрооптических системах в качестве фазовых оптических элементов используются как бинарный, так и многоградационный киноформ. В отличие от многоградационного киноформа бинарный киноформ имеет только два уровня глубины. Бинарный и многоградационный киноформы формируют одно и то же изображение, однако бинарный киноформ имеет энергетическую эффективность не

- 3 031709 более 50%. Многоградационный киноформ обладает большей дифракционной эффективностью, но требует более сложной технологии изготовления. Для многоградационных киноформов, формирующих изображение на отражение, глубина микрорельефа h(x, у) определяется соотношением h(x, у)=1/2Ф(х, у). Для бинарных киноформов глубина микрорельефа h(x, у) в области G принимает только два значения, 0 и h, причем hjj(x, y)=h, если выполнено условие 0<кФДх, у)<л, где h - заданный параметр, не превышающий 0,6 мкм.

В заявляемых микрооптических системах в качестве дифракционных оптических элементов используются также амплитудные элементы, а именно - амплитудный бинарный киноформ, состоящий из прозрачной и металлизированной частей. Металлизированная часть амплитудного бинарного киноформа состоит из точек (х, у), для которых выполнено соотношение 0<k<6(x. у)<л.

В заявляемых микрооптических системах в качестве фазовых оптических элементов используются также дифракционные решетки разного периода и ориентации.

В рассматриваемых задачах синтеза используются все перечисленные выше оптические элементы: бинарный киноформ, многоградационный киноформ, амплитудный киноформ. Однако рассматриваемые задачи имеют важную особенность. В стандартной классической постановке для расчета и изготовления киноформа используется уравнение (2). Уравнение (2) определяет фазовую функцию Ф(х, у) при заданной функции F(x, у). Если необходимо рассчитать фазовую функцию оптического элемента, формирующего заданное изображение F(x, у), т. е. формирующего один кадр изображения, то достаточно решить уравнение (2) относительно функции ФСу, у) при заданном F(x, у).

Особенностью рассматриваемой задачи синтеза микрооптических систем, формирующих изображения с кинематическими эффектами, является то, что нужно рассчитать фазовую функцию Ф^, у) микрооптической системы, которая формирует не один кадр, а большое количество кадров (до нескольких сотен) под разными углами. Предложенный в патенте способ синтеза микрооптических систем с кинематическими эффектами движения решает именно эту задачу.

Базовой технологией для формирования микрорельефа заявляемых плоских оптических элементов в оптическом диапазоне может быть технология электроннолучевой литографии. (Computer Optics & Computer Holography by A.V.Goncharsky, A.A.Goncharsky, Moscow University Press, Moscow, 2004). Указанная технология позволяет формировать микрорельеф плоского оптического элемента с точностью, необходимой для синтеза заявленных микрооптических систем. Оборудование для электроннолучевой литографии является весьма дорогостоящим, технология - наукоемкой и имеющей ограниченное распространение. Все это создает надежный барьер для защиты заявленной системы от подделки.

Заявляемая микрооптическая система формирует новый защитный признак для визуального контроля, заключающийся в том, что при изменении угла наклона оптического элемента меняется видимое наблюдателю изображение, и таким образом реализуется кинематический эффект движения фрагментов изображения.

Фиг. 1 иллюстрирует принцип формирования кинематического эффекта движения при наклонах оптического элемент вправо-влево. На фиг. 2 приведена схема формирования визуального защитного признака с кинематическими эффектами движения фрагментов изображения при наклонах оптического элемента вправо-влево и вверх-вниз. На фиг. 3 приведены оптические схемы наблюдения микрооптической системы. На фиг. 4-6 приведены примеры кадров, видимых наблюдателю под разными углами для разных кинематических эффектов движения фрагментов изображения. На фиг. 7 изображена схема разбиения оптического элемента на элементарные области. На фиг. 8 приведена оптическая схема для расчета диаграммы направленности каждой элементарной области Gij по п.1 формулы изобретения. На фиг. 9 приведена схема определения интенсивности лучей Ln для элементарной области. На фиг. 10 приведены фрагменты микрорельефа оптического элемента по п.1 формулы изобретения. На фиг. 11 изображен фрагмент структуры элементарной области Gij по п.2 формулы изобретения. На фиг. 12 приведена оптическая схема для расчета диаграммы направленности элементарной области Gj по п.2 формулы изобретения. На фиг. 13 приведена маска амплитудного бинарного киноформа по п.3 формулы изобретения. На фиг. 14 приведены кадры для формирования 2D изображений, состоящих из параллельных полос по п.4 формулы изобретения. На фиг. 15 приведена схема разбиения микрооптической системы по п.4 на элементарные области G_j На фиг. 16 приведена оптическая схема для расчета диаграммы направленности каждой элементарной области Gj по п.4 формулы изобретения. На фиг. 17 приведена схема определения интенсивности лучей Ln для элементарной области G_j по п.4 формулы изобретения. На фиг. 18 приведены фрагменты микрорельефа оптического элемента по п.4 формулы изобретения.

Принцип формирования кинематического эффекта движения при наклонах оптического элемента вправо-влево проиллюстрирован на фиг. 1 Свет от источника 1, отражаясь от оптического элемента 2, формирует под различными углами наблюдения заданные кадры Kn, n=1, ..., N. При наклоне оптического элемента вправо-влево угол наблюдения изменяется, и наблюдатель видит последовательно сменяющиеся кадры 3, создающие кинематический эффект движения символов OK вверх-вниз.

Схема формирования визуального защитного признака с кинематическими эффектами движения фрагментов изображения при наклонах оптического элемента вправо-влево и вверх-вниз приведена на

- 4 031709 фиг. 2. Источник света 1 располагается на оси OZ. Центр оптического элемента 2 расположен в начале декартовой системы координат OXYZ. Ось OZ перпендикулярна плоскости оптического элемента. Микрорельеф плоского дифракционного оптического элемента при его освещении дневным светом формирует разные кадры изображения Kn, n=1, ..., N, для разных углов наблюдения. Центр кадра Kn соответствует углу наблюдения φη, θη. Угол θη - угол между осью OZ и вектором OKn. Угол φη представляет собой азимутальный угол между осью ОХ и проекцией вектора OKn на плоскость OXY.

На фиг. 3 приведены оптические схемы наблюдения микрооптической системы. На фиг. 3(а) источник и наблюдатель располагаются с одной стороны от микрооптической системы. Визуальное изображение формируется на отражение. На фиг. 3(б) источник и наблюдатель располагаются с разных сторон нанооптического элемента. Визуальное изображение формируется на прохождение. Свет от источника падает на оптический элемент перпендикулярно. Формируемое дифракционным оптическим элементом изображение наблюдается в первом порядке дифракции, направление на который обозначено цифрой 4.

Для того чтобы получить высококачественное визуальное изображение с кинематическими эффектами, обычно используют несколько сотен кадров. На фиг. 4-6 приведены кадры, демонстрирующие разные варианты кинематического движения фрагментов изображения.

На фиг. 4 в качестве примера приведены пять кадров для демонстрации эффектов сдвига фрагментов изображения относительно центрального кадра. на центральном кадре сдвиги символов OK равны нулю. При наклоне оптического элемента вверх-вниз символы OK смещаются по горизонтали, и наоборот, при наклоне оптического элемента вправо-влево символы смещаются вверх-вниз.

На фиг. 5 приведены примеры кадров, демонстрирующих сдвиг и поворот фрагментов изображения относительно центрального кадра. При наклоне оптического элемента вверх-вниз символы OK смещаются по горизонтали, а при наклоне оптического элемента вправо-влево символы OK поворачиваются.

На фиг. 6 приведены примеры кадров, демонстрирующих сдвиг и масштабирование фрагментов изображения относительно центрального кадра. При наклоне оптического элемента вверх-вниз символы OK смещаются по горизонтали, а при наклоне оптического элемента вправо-влево символы увеличиваются и уменьшаются.

На фиг. 7 приведена схема разбиения оптического элемента на элементарные области Gj. Элементарные области обозначены цифрой 5. Центр каждой элементарной площадки Gy обозначим как (x;, yj).

На фиг. 8 приведена схема расположения лучей, исходящих из элементарной области Gj. Под углом наблюдения φ,,. θ,, наблюдатель видит кадр Kn. Обозначим луч 6, выходящий из элементарной площадки 5 в направлении угла φ^ Сп, за Ln. Точки пересечения лучей Ln с фокальной плоскостью z=f обозначим как 7. Каждый кадр по размеру совпадает с размером оптического элемента. Под каждым из углов φ№ θΜ наблюдатель видит в области Gy точку соответствующего кадра Kn.

Фиг. 9 иллюстрирует, как определяется интенсивность луча Ln в направлении φ^ θΜ для каждого n, n=1, ..., N. Все изображения в кадрах Kn, n=1, ..., N, являются монохроматическими. Яркость точки (x;, yj) на кадре Kn измеряется в градациях серого. Интенсивность луча Ln соответствует яркости точки (x;, yj) на каждом кадре Kn, т.е. если глаз наблюдателя находится под углами φ№ θΜ, то область Gy видна как точка, яркость которой соответствует яркости соответствующей точки (x;, yj) на кадре Kn. Размер элементарной области составляет не более 100 мкм, и глаз видит эту область как точку.

Таким образом, формируется диаграмма направленности рассеянного излучения из каждой элементарной области Gy под всеми углами φ№ Сп, n=1, ..., N. Диаграмма направленности каждой элементарной области Gj представляет собой набор из N лучей, и каждый луч Ln имеет заданную интенсивность. Определив точки 7 пересечения лучей Ln с фокальной плоскостью z=f, задав в этих точках яркость, равную интенсивности лучей Ln, мы формируем функцию F(x, у) в уравнении (2). Функция F(x, у) представляет собой изображение, состоящее из N точек разной интенсивности, как показано на фиг. 8. Функция F(x, у) рассчитывается для каждой элементарной области Gj. Затем решается обратная задача (2)-(3) и определяется фазовая функция Ф^, у) для каждой элементарной области Gj. Расчет фазовой функции из уравнений (2) и (3) осуществляется для длины волны зеленого цвета λ=525 нм. Глубина микрорельефа hj(x, у) оптического элемента однозначно определяется заданием его фазовой функции Φι/x, у).

Таким образом, в заявке предложен способ расчета и изготовления микрооптических систем, формирующих изображения с кинематическими эффектами. Каждая элементарная область Gy участвует в формировании изображений сразу всех кадров Kn, n=1, ..., N, что принципиально отличает предложенный способ от классической задачи расчета киноформа (L.B. Lesem, P.M. Hirsch, J.A.Jr. Jordan, The kinoform: a new wavefront reconstruction device, IBM J. Res. Dev., 13 (1969), 105-155).

На фиг. 10 приведены фрагменты микрорельефа оптического элемента по п.1 формулы изобретения. На фиг. 10(а) приведен фрагмент многоградационного микрорельефа. На фиг. 10(б) приведен фрагмент бинарного микрорельефа. Фазовая функция киноформа рассчитывается с помощью итерационного алгоритма (L.B.Lesem, P.M. Hirsch, J. AJr. Jordan, The kinoform: a new wavefront reconstruction device, IBM J. Res. Dev., 13 (1969), 105-155). Характерная глубина микрорельефа для отражающего оптического элемента составляет 0,1-0,6 мкм.

На фиг. 11 приведена структура элементарной области Gy по п.2 формулы изобретения, где для

- 5 031709 формирования микрорельефа оптического элемента используются дифракционные решетки. Область Gij разбивается на N частей (по количеству кадров с изображениями), каждая часть заполняется дифракционной решеткой. Каждая решетка в элементарной области G;j формирует в первом порядке дифракции одну точку изображения в фокальной плоскости.

На фиг. 12 приведена оптическая схема для расчета диаграммы направленности элементарной области Gij, состоящей из дифракционных решеток. Параметры дифракционных решеток определяются таким образом, чтобы каждая решетка в первом порядке дифракции формировала луч, выходящий из области Gij под углами φη, θη и имеющий интенсивность, равную яркости точки (x;, yj) кадра Kn (фиг. 9). Эта обратная задача проще, чем обратная задача расчета микрорельефа микрооптической системы по п.1 формулы изобретения, поскольку каждая дифракционная решетка задается лишь небольшим количеством параметров, таких как период и направление штрихов дифракционной решетки. Существуют алгоритмы расчета параметров решеток, формирующих заданную диаграмму направленности. (Е. Popov, Gratings: Theory and Numeric Applications, Second Revisited Edition. Institut Fresnel, 2014).

В пп.1, 2 формулы изобретения для формирования визуальных изображений используются фазовые оптические элементы. В п.3 формулы изобретения используется амплитудный оптический элемент - бинарный амплитудный киноформ. Бинарный амплитудный киноформ состоит из непрозрачной для падающего излучения металлизированной области, состоящей из черных точек на фиг. 13, и прозрачной области, к которой относятся все белые точки фрагмента киноформа на фиг. 13. Металлизированная область амплитудного киноформа состоит из точек (x, y) элементарной области Gij, для которых выполнено условие 0<kOj(y)<K. Прозрачную область бинарного амплитудного киноформа можно получить с помощью технологии деметаллизации (Optical Document Security, Third Edition, Rudolf L. Van Renesse. Artech House, Boston, London, 2005).

Изображения, формируемые микрооптическими системами по пп.1-3 формулы изобретения, представляют собой двумерные функции f(x, y). В отличие от пп.1-3, в п.4 формулы изобретения рассматриваются микрооптические системы для формирования изображений, состоящих из параллельных полос, с кинематическими эффектами движения. В этом случае кадры описываются одномерными функциям f(y). На фиг. 14 приведены четыре кадра 2D изображений по п.4 формулы изобретения. В реальности для одномерного кинематического эффекта используется до нескольких десятков кадров. Небольшое количество кадров на фиг. 14 позволяет понять принцип синтеза микрооптических систем по п.4 формулы изобретения. Видно, что изображения на кадрах K1, K2, K3, K4 отличаются друг от друга сдвигом по оси Y.

На фиг. 15 приведена схема разбиения микрооптической системы по п.4 на элементарные области Gj. Центр элементарной площадки Gj расположен в точке (0, yj). Ширина элементарной площадки не превосходит 100 мкм, длина совпадает с размером оптического элемента по оси X.

На фиг. 16 приведена схема расположения лучей, исходящих из центра элементарной области G,. Поскольку изображения описываются функцией одной координаты, то для синтеза микрооптической системы по п.4 достаточно использовать лучи Ln, которые лежат в вертикальной плоскости, проходящей через ось OY. Луч Ln выходит из центра элементарной площадки под углом 0, Y Под этим же углом наблюдения (0, Y) наблюдатель видит кадр Kn. Обозначим луч 6, выходящий из элементарной площадки 5 в направлении угла 0, Y, за Ln. Здесь 7 - точки пересечения лучей Ln с фокальной плоскостью z=f. Каждый кадр по размеру совпадает с размером оптического элемента.

На фиг. 17 приведена схема определения интенсивности лучей Ln для элементарной области Gj по п.4 формулы изобретения. Луч Ln выходит из центра площадки G_j в направлении 0, Y для каждого n, n=1, ..., N. Под этим углом наблюдатель видит кадр Kn. Все изображения в кадрах Kn, n=1, ..., N, являются монохроматическими. Яркость точки (0, yj) на кадре Kn измеряется в градациях серого. Интенсивность луча Ln соответствует яркости точки (0, yj) на каждом кадре Kn, т.е. если глаз наблюдателя находится под углами 0, Y то область G_j видна как точка, яркость которой соответствует яркости соответствующей точки (0, yj) на кадре Kn.

Яркость луча Ln определяет яркость точки 7 на фиг. 16. Для расчета одномерной фазовой функции Φ,(ν) по п.4 формулы изобретения в каждой элементарной площадке G_j достаточно решить одномерное уравнение с заданной функцией F(y). Значение функции F(y) соответствует интенсивности луча Ln, приходящего в точку (0, у) в плоскости z=f.

На фиг. 18 приведены фрагменты бинарного и многоградационного киноформа по п.4 формулы изобретения. Видно, что микрорельеф оптических элементов зависит только от одной координаты.

Для формирования микрорельефа заявленных микрооптических систем используется технология электроннолучевой литографии. Характерная глубина микрорельефа не превосходит 0,6 мкм. Характерные периоды дифракционных киноформов и решеток составляют несколько микрон. Электроннолучевая литография с разрешением 0,1 мкм позволяет изготавливать микрорельеф с очень высокой точностью по высоте - порядка 20-30 нм, что вполне достаточно для изготовления микрооптических систем по пп.1-3 формулы изобретения.

Согласно п.5 формулы изобретения микрооптическая система по п.1 для формирования 2D изображений с кинематическими эффектами движения представляет собой рельефный однослойный фазовый

- 6 031709 металлизированный или прозрачный дифракционный оптический элемент на отделяемой или неотделяемой полимерной основе, состоящий из фрагментов многоградационных киноформов размером не более 100 мкм с глубиной микрорельефа ИДх. у)=1/2Ф||(х. у), не превышающей 0,6 мкм в каждой элементарной области Gij, i=1, .... L, j=1, .... M.

Согласно п.6 формулы изобретения микрооптическая система по п.1 для формирования 2D изображений с кинематическими эффектами движения представляет собой рельефный однослойный фазовый металлизированный или прозрачный дифракционный оптический элемент на отделяемой или неотделяемой полимерной основе, состоящий из фрагментов бинарных киноформов, глубина рельефа которого hij(x, у) в каждой элементарной области Gj, i=1, ..., L, j=1, ..., M, принимает только два значения, 0 и h, причем h/x, y)=h, если выполнено условие 0<кФ|(у)<л, где h - заданный параметр, не превышающий 0,6 мкм.

Согласно п.7 формулы изобретения микрооптическая система по п.2 для формирования 2D изображений с кинематическими эффектами движения представляет собой рельефный однослойный фазовый металлизированный или прозрачный дифракционный оптический элемент на отделяемой или неотделяемой полимерной основе, состоящий из фрагментов бинарных или многоградационных дифракционных решеток размером не более 100 мкм с глубиной микрорельефа не более 0,6 мкм и периодами в диапазоне от 0,5 мкм до 4 мкм.

Согласно п.8 формулы изобретения микрооптическая система по п.3 для формирования 2D изображений с кинематическими эффектами движения представляет собой дифракционный оптический элемент на отделяемой или неотделяемой полимерной основе, представляющий собой в каждой элементарной области Gij, i=1, ..., L, j=1, ..., M, амплитудный бинарный киноформ, состоящий из прозрачной и металлизированной части, причем точки (x, у), для которых выполнено соотношение (KkcIyCxy)·^ металлизированы. Здесь

Длина волны λ выбирается в центре диапазона видимого света и соответствует длине волны зеленого цвета λ=525 нм.

Согласно с п.9 формулы изобретения микрооптическая система по п.4 для формирования 2D изображений с кинематическими эффектами движения представляет собой рельефный однослойный фазовый металлизированный или прозрачный дифракционный оптический элемент на отделяемой или неотделяемой полимерной основе, состоящий из фрагментов многоградационных киноформов размером не более 100 мкм с глубиной микрорельефа h(x, у)=1/2Ф|(у), не превышающей 0,6 мкм в каждой элементарной области G_j, j=1, ..., M.

Согласно п.10 формулы изобретения микрооптическая система по п.4 для формирования 2D изображений с кинематическими эффектами движения представляет собой рельефный однослойный фазовый металлизированный или прозрачный дифракционный оптический элемент на отделяемой или неотделяемой полимерной основе, состоящий из фрагментов бинарных киноформов, глубина рельефа которого И/х, у) в каждой элементарной области G_j, j=1, ..., M, принимает только два значения, 0 и h, причем hj(x, y)=h, если выполнено условие 0^Φ^)<π, где h - заданный параметр, не превышающий 0,6 мкм.

Заявленная микрооптическая система изготавливается либо как наклейка, либо с отделяемой основой, как фольга горячего тиснения (Optical Document Security, Third Edition, Rudolf L. Van Renesse. Artech House, Boston, London, 2005). И в том, и в другом случае может бьггь использовано стандартное голографическое оборудование для массового тиражирования голограмм.

Заявляемая микрооптическая система для формирования 2D изображений с кинематическими эффектами движения имеет следующие отличия от прототипа.

1. В известной микрооптической системе (прототипе) используется двухслойный оптический элемент. Один из слоев представляет собой массив преломляющих микролинз, а второй слой, расположенный под массивом микролинз, представляет собой микроизображение. В отличие от прототипа заявляемая микрооптическая система является плоским рельефным оптическим элементом, глубина микрорельефа которого не превосходит 1 мкм.

2. Заявленная микрооптическая система может быть изготовлена с помощью электронно-лучевой технологии. Эта технология не является распространенной, в мире существует всего несколько компаний, которым доступна эта технология. Все это позволяет сузить круг технологий, с помощью которых можно изготовить заявленные микрооптические системы, что обеспечивает их надежную защиту от подделки.

3. Электронно-лучевая литография позволяет поместить в микрооптические системы, описанные в заявке на изобретение, различные защитные признаки для инструментального контроля, такие как микронадписи размером порядка 5 мкм, микроизображения и т. п. Это дополнительно увеличивает защищенность микрооптических систем от подделки.

4. Заявленные микрооптические системы формируют различные кинематические эффекты, такие, например, как сдвиг, поворот и масштабирование фрагментов изображения и т.п., как при наклонах

- 7 031709 вправо-влево, так и при наклонах вверх-вниз. Кинематические эффекты легко контролируются визуально.

5. Технология массового тиражирования заявленных микрооптических систем доступна и обеспечивает низкую цену микрооптических систем при массовом тиражировании.

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

В качестве примера была рассчитана и изготовлена микрооптическая система для формирования кинематического эффекта движения (сдвиг) фрагментов изображения OK (фиг. 4). Микрооптическая система представляет собой плоский фазовый оптический элемент размером 20 ммх20 мм. Для синтеза оригинала плоского оптического элемента была использована электронно-лучевая технология.

В качестве образцов были изготовлены микрооптические системы на базе плоских фазовых оптических элементов - бинарных киноформов. Плоский оптический элемент размером 20 ммх20 мм разбивался на элементарные области Gij, i=1, ..., L, j=1, ..., M, размером 50 мкмх50 мкм, как это сделано на фиг. 7. Общее число элементарных областей составило 160000. Количество кадров N составляло 400 (20 кадров по горизонтали х 20 кадров по вертикали). Расчет микрорельефа плоского оптического элемента производился при заданной длине волны λ=525 нм для каждой элементарной области размером 50 мкмх50 мкм. Для расчета фазовой функции в каждой элементарной области использовалась сетка 500х500, на которой решалась обратная задача (2)-(3). Для расчета фазовой функции Φ,/x. y), для каждой элементарной области Gij, i=1, ..., L, j=1, ..., M, достаточно использовать обычный персональный компьютер.

Для изготовления микрорельефа микрооитической системы использовался электронный генератор с разрешением 0,1 мкм, что соответствует 254000 dpi. Для формирования изображения использовался позитивный электронный резист. Оригинал дифракционного оптического элемента был изготовлен с помощью стандартной процедуры гальванопластики. Изготовленный оригинал был мультиплицирован. С помощью мультиплицированных матриц были изготовлены микрооптические системы в виде наклеек, демонстрирующие эффект движения фрагментов изображения при наклоне оптического элемента. Визуальные эффекты кинематического движения символов OK легко контролируются визуально как при наклонах вверх-вниз, так и при наклонах вправо-влево. Расчет микрорельефа проводился при длине волны λ=525 нм, что соответствует зеленому свету, однако и при освещении белым светом качество формируемых изображений остается хорошим. Проведенное тестирование изготовленного образца показало высокую эффективность предложенных в заявке технических решений.

DESCRIPTION OF THE INVENTION TO THE EURASIAN PATENT (45) Date of publication and issuance of the patent

2019.02.28 (21) Application Number

201700161 (22) Date of application

2016.10.24 (51) Int. Cl. B42D 25/328 (2014.01)

G02B 5/18 (2006.01) (54) MICRO-OPTICAL SYSTEM FOR FORMING 2D IMAGES WITH KINEMATIC MOVEMENT EFFECTS (43) 2018.02.28 (96) 2016000092 (EN) 2016.10.24 (71) (73) Applicant and patent holder:

LIMITED LIABILITY COMPANY COMPUTER HOLOGRAPHY CENTER (RU) (72) Inventor:

Anton Alexandrovich Goncharsky, Alexander Vladimirovich Goncharsky, Svyatoslav Radomirovich Durlevich, Sergey Yurievich Serezhnikov (RU)

031709 Bl (56) EA-A1-201070011

US-B2-8133638

US-B2-8848266

US-B2-8308197

031709 B1

(57) The micro-optical system for visual control of the authenticity of products claimed as an invention relates to the field of optical protective technologies, mainly to devices, so-called protective labels used to authenticate the authenticity of banknotes, plastic cards, securities, etc. In accordance with the claims, a method for the synthesis of micro-optical systems for the formation of 2D images with kinematic effects of motion, representing single-layer diffractive optical elements, is described. To form a microrelief of a diffractive optical element, a set of black-and-white frames and viewing angles, under which these frames are visible, are set. The diffractive optical element is divided into elementary rectangular areas no larger than 100 μm in size, the phase function of the diffractive optical element forming the specified images under the viewing angles is calculated in each of the areas. When the viewing angle is changed, the kinematic effect of the movement of image fragments is seen. Variants of the synthesis of micro-optical systems based on electron-beam lithography are proposed. The claimed micro-optical system for visual control of the authenticity of products is reliably protected from fakes and imitations. The technology of synthesis of micro-optical systems is not widely available.

The inventive micro-optical system for forming 2D images with kinematic effects of motion relates to the field of optical security technologies, mainly to the so-called security labels used to authenticate banknotes, plastic cards, securities, etc. Optical technologies allow both visual and instrumental verification of the authenticity of protective optical elements (Optical Document Security, Third Edition, Rudolf L. Van Renesse. Artech House, Boston, London, 2005). Instruments have been developed for instrumental monitoring of optical protective elements (RF patent for industrial design 74441). Instruments for the automated control of protective elements (Eurasian patent for the method and device EA 018419 B1) have been developed. Of greatest interest are visual security features. Technologies for the synthesis of 2D, 2D-3D and 3D security holograms (Optical Document Security, Third Edition, Rudolf L. Van Renesse. Artech House, Boston, London, 2005) have been developed.

Recently, protective signs with the kinematic effects of the movement of image fragments have appeared. Such features include the Mobile micro-optical system, described in the patent (Eurasian patent EA 017394 B1). A visual two-dimensional image formed by the micro-optical system Mobile, when the optical element is illuminated with white light, consists of separate points, which change their position when the optical element is tilted. For the synthesis of Mobile optical elements, off-axis Fresnel lenses with a phase function of a parabolic type or with a saddle-like phase function are used. When the optical element is illuminated with white light, each lens forms one image point, which limits the possibilities of using Mobile-type elements in the formation of complex images.

Closest to the claimed invention, the technical solution for the combination of features (prototype) is a micro-optical system Motion (US patent US No. 7468842 B2). Micro-optical Motion systems also form a 2D image with kinematic effects of motion. Unlike micro-optical systems Mobile, micro-optical system Motion consists of two layers. One of the layers is an array of refractive micro lenses, and the second layer, located below the array of micro lenses, is a micro image. The lenses used in the Motion system are short-focus. The shift of the visual image is due to the fact that from different directions the observer sees different fragments of microimages. This property has any refractive lenses. The disadvantages of Motion micro-optical systems include a sufficiently large thickness of these micro-optical systems, which is determined primarily by the thickness of the layer of refractive micro lenses, which makes it difficult to use for the protection of banknotes, documents, securities. Another disadvantage of the Microsystem Motion is associated with a relatively narrow range of kinematic effects of the movement of image fragments.

Unlike the prototype, the claimed micro-optical system is a flat optical element in which the formation of images is carried out by a micro-relief, the depth of which is a fraction of a micron.

The present invention is to increase the protective function of the means used to authenticate banknotes, plastic cards, securities, reduce the availability of manufacturing technology of these protective equipment, reducing the thickness of the protective optical element with the kinematic effects of movement compared to the prototype and the expansion of the range of kinematic effects of movement fragments of the image. The problem is solved by developing micro-optical systems, which are a single-layer diffractive optical element for imaging with kinematic effects of motion.

In accordance with claim 1, a method for synthesizing micro-optical systems for forming 2D images with kinematic effects of motion is described, characterized in that the micro-optical system is a single-layer reflective metallized or transparent diffractive phase optical element for the synthesis of which black-and-white frames are set. K n , n = 1, ..., N, and viewing angles (φ π , θ π ), under which frames K n visible to the observer. The diffractive optical element is divided into elementary rectangular regions G, i = 1, ..., L, j = 1, ..., M, no larger than 100 microns, with centers at the points (x ; , u,). In each elementary region G, the phase function of the kinoform F ,, (x, y) is calculated and the kinoforms are made, which form a radiation pattern when the optical element is illuminated with white light, representing N rays emanating from the elementary area G; j at angles φ π , θ π , n = 1, ..., N.

The intensity of the beam at an angle φ π , θ π equal to the brightness of the point with coordinates (x ; , y,) of the n-th frame, while illuminating the optical element with white light, the observer sees at different viewing angles φ π , θ π different frames K n , n = 1, ..., N.

In accordance with claim 2, a method for synthesizing micro-optical systems for forming 2D images with kinematic effects of motion is described, characterized in that the micro-optical system is a single-layer reflective metallized or transparent diffraction phase optical element for the synthesis of which black and white frames are set K n , n = 1, ..., N, and observation angles φ π , θ π under which frames K n visible to the observer. Diffraction

- 1031709 optical element is divided into elementary rectangular areas Gj, i = 1, ..., L, j = 1, ..., M, no larger than 100 microns, with centers at the points (x i y j ). Each of the areas is divided into N parts, in which diffraction gratings of different periods and different orientations are recorded, so that when the optical element is illuminated with white light, the radiation pattern of the elementary region Gj is N rays emanating from the elementary area Gy at angles φ η , θ η , n = 1, ..., N. The intensity of the beam at an angle φ η , θ η equal to the brightness of the point with coordinates (x i y j ) of the ηth frame, while when the optical element is illuminated with white light, the observer sees different frames of viewing φη, θη from different viewing angles Κ η , η = 1, ..., N.

In accordance with paragraph 3 of the claims, a method for synthesizing micro-optical systems for forming 2D images with kinematic effects of motion is described, characterized in that the micro-optical system is a single-layer diffraction amplitude optical element for the synthesis of which black and white frames are set K n , n = 1, ..., N, and observation angles φ η , θ η under which frames K n visible to the observer. The diffractive optical element is divided into elementary rectangular areas Gj i = 1, ..., L, j = 1, ..., M, with a size of not more than 100 μm with centers at points (x i y j ), in each elementary region Gij, the phase function of the kinoform F, _, (x, y) is calculated and an amplitude binary kinoform is produced, which, when illuminated by an optical element with white light, transmits and reflects the radiation pattern of the elementary area Gij at angles φ η , θ η , η = 1, ..., N. The intensity of the beam at an angle φ η , θ η equal to the brightness of the point with coordinates (x i y j ) of the ηth frame, while observer sees the illumination of the optical element at different viewing angles φ η , θ η different frames K n , n = 1, ..., N.

In accordance with claim 4, a method for synthesizing micro-optical systems for forming 2D images consisting of parallel strips with kinematic effects of motion is described, characterized in that the micro-optical system is a single-layer reflecting metallized or transparent diffractive phase optical element, for the synthesis of which black and white frames K n , n = 1, ..., N, and viewing angles 0, θ η under which frames K n visible to the observer. Diffraction optical element located in the -0.5L area <\ <0.5L,; · ι <ν <6. where a, b, L are the given parameters, are divided into elementary rectangular regions Gj j = 1, ..., M, with a width of not more than 100 μm and length L with centers at the points (0, y j ). In each elementary region G j the phase function of the kinoform F ^ y) is calculated and kinoforms are made which, upon illumination of an optical element with white light, form a radiation pattern representing N rays emanating from the elementary platform Gj at angles 0, θ η , n = 1, ..., N, and the intensity of the beam at an angle of 0, θ η equal to the brightness point with coordinates (0, y j ) η-th frame. In this case, when the optical element is illuminated with white light, the observer sees at different viewing angles 0, θ η different frames K n , n = 1, ..., N.

In accordance with claim 5, a micro-optical system according to claim 1 is described for forming 2D images with kinematic effects of motion, which is a relief single-layer phase metallized or transparent diffractive optical element on a detachable or non-separable polymer base. The micro-optical system consists of fragments of multi-gradation kinoforms no larger than 100 µm in size with a microrelief depth lp (x, ffc, y) in each elementary region Gij, i = 1, ..., L, j = 1, ..., M. Depth microrelief does not exceed 0.6 microns.

In accordance with claim 6, a micro-optical system according to claim 1 is described for forming 2D images with kinematic effects of motion, which is a relief monolayer phase metallized or transparent diffractive optical element on a detachable or non-separable polymer base. The micro-optical system consists of fragments of binary kinoforms whose relief depth is h l | (x, y) in each elementary domain Gij, i = 1, ..., L, j = 1, ..., M, takes only two values, 0 and h, and hy (x, y) = h, if condition 0 is met <k ^ (x, y) <k, where h is a given parameter. 0 <h <0.6 μm, k is the wave number.

In accordance with claim 7, a micro-optical system according to claim 2 is described for generating 2D images with kinematic effects of motion, which is a relief single-layer phase metallized or transparent diffractive optical element on a detachable or non-detachable polymer base. The micro-optical system consists of fragments of binary or multi-gradation diffraction gratings with a size of no more than 100 microns with a microrelief depth of no more than 0.6 microns and a range of periods from 0.5 to 4 microns.

In accordance with clause 8 of the claims, a micro-optical system according to claim 3 is described for forming 2D images with kinematic effects of motion, which is a diffractive optical element on a detachable or non-detachable polymer base. The micro-optical system is in each elementary region Gj i = 1, ..., L, j = 1, ..., M, the amplitude binary kinoform, consisting of a transparent and metallized part, and the points (x, y) for which 0 is satisfied <kФ 1J (x, y) <k, where k is the wave number, is metallized.

In accordance with claim 9, a micro-optical system according to claim 4 is described for forming 2D images with kinematic effects of motion, which is a relief

- 2 031709 single-layer phase metallized or transparent diffractive optical element on a detachable or non-detachable polymer base, consisting of fragments of multi-gradation kinoforms with a size of no more than 100 μm with a microrelief depth ^ (x, y) = 1/2 F) (y) in each elementary region Gj , j = 1, ..., M.

In accordance with paragraph 10 of the claims described micro-optical system according to claim 4 for the formation of 2D images with kinematic effects of motion, which is a relief monolayer phase metallized or transparent diffractive optical element on a detachable or non-detachable polymer base, consisting of fragments of binary kinoformov, relief depth which 1ι, (χ. у) in each elementary domain G_j, j = 1, ..., M, takes only two values, 0 and h, with h p (x, y) = h if condition 0 is met <kF R (x, y) <π, where h is the given parameter, 0 <h <0.6 µm, k is the wave number.

The central point of the claimed invention according to claim 1 of the claims is the use of flat phase optical elements - kinoforms. Each embossed flat phase optical element is characterized by its phase function, and vice versa, knowing the phase function, it is possible to calculate the microrelief of a flat phase optical element.

Let the flat optical element be located in the z = 0 plane. The wave field to the optical element u (x, y, 0-0) and the wave field after reflection from the optical element u (x, y, 0 + 0) are connected as follows:

u (x, y, 0 + 0) = u (x, y, 0-0) -l (x, y).

The complex function x, y) is the transfer function of a flat optical element. It is known that | B (x, y) | <1. If | T (x, y) | <1, the element is called amplitude. If | T (x, y) | = 1, then the element is called phase.

For a phase flat optical element T (x, y ^ exp ^ F ^, y)). The real function of the FS \, y) is called the phase function of a flat optical element. The calculation of the phase function Φ (x, y) of an optical element forming a given image F (x, y) is a classical problem of flat optics. It is known that the scalar wave functions in the z = 0 and z = f plane are related by

(one)

Here ξ, η are Cartesian coordinates in the plane of the optical element, x, y are Cartesian coordinates in the focal plane z = f, γ = ^ 2π ^ k = 2π / λ, G is the area of the optical element, f is the distance from the optical element to the focal plane. A feature of the inverse problems under consideration is that in equation (1), it is not the function u (x, y, f) that is known, but only its module | u (x, y, f) | = F (x, y). Thus, the inverse problem is reduced to the definition of the function Fs, y) from the equation

(2)

In accordance with claim 4, the two-dimensional image may be bands, i.e. depend only on one coordinate. In this case, the function F (x, y) is a function of only one coordinate (y). We will use the notation F (y) for this function. In this case, the phase function Φ ^, y) is a function of one coordinate Φ (y). Equation (2) is rewritten as

L (3)

2 /

Here u (x, y, 0-0) and F (y) are given functions, and γ is a given parameter. Equation (3) is a simplified one-dimensional version of problem (2).

Currently, there are effective algorithms for solving inverse problems of the synthesis of flat optical elements - kinoforms that form a given image F (x, y) (Computer Optics & Computer Holography by AVGoncharsky, AAGoncharsky, Moscow University Press, Moscow, 2004). Kinoform as an optical element and the method of calculating kinoform was presented in the work (LBLesem, PMHirsch, JAJr. Jordan, The kinoform: a new wavefront reconstruction device, IBM J. Res. Dev., 13 (1969), 105-155). It can be shown that the inverse problem of calculating the FSU phase function, y) of a planar optical element forming a given radiation pattern is equivalent to solving problem (2) - (3), where the BSx function, y) is an image formed by a flat optical element in the focal plane z = f (Computer Optics & Computer Holography by AVGoncharsky, AAGoncharsky, Moscow University Press, Moscow, 2004).

In the claimed micro-optical systems, both binary and multi-gradation kinoform are used as phase optical elements. In contrast to the multigrading kinoform, the binary kinoform has only two levels of depth. Binary and multi-gradation kinoforms form the same image, however, binary kinoforms have energy efficiency not

- 3,031,709 more than 50%. Multigrading kinoform has greater diffraction efficiency, but requires more sophisticated manufacturing technology. For multi-gradation kinoforms that form an image for reflection, the depth of the microrelief h (x, y) is determined by the ratio h (x, y) = 1 / 2F (x, y). For binary kinoformov the depth of the microrelief h (x, y) in the region G takes only two values, 0 and h, and hjj (x, y) = h, if the condition 0 <kDF, u) <l, where h is a given parameter not exceeding 0.6 microns.

In the inventive micro-optical systems, amplitude elements are also used as diffractive optical elements, namely, amplitude binary kinoforms, consisting of transparent and metallized parts. The metallized part of the amplitude binary kinoform consists of points (x, y) for which the relation 0 is satisfied. <k <6 (x. Y) <l

In the inventive micro-optical systems, diffraction gratings of different periods and orientations are also used as phase optical elements.

In the considered synthesis problems, all of the above optical elements are used: binary kinoforms, multi-gradation kinoforms, amplitude kinoforms. However, the tasks under consideration have an important feature. In the standard classical formulation, equation (2) is used to calculate and manufacture the kinoform. Equation (2) defines the phase function F (x, y) for a given function F (x, y). If it is necessary to calculate the phase function of an optical element that forms a given image F (x, y), that is, it forms one image frame, then it is enough to solve equation (2) with respect to the FS function, y) for a given F (x, y).

A feature of the considered problem of the synthesis of micro-optical systems that form images with kinematic effects is the need to calculate the phase function Ф ^, у) of the micro-optical system, which forms not a single frame, but a large number of frames (up to several hundred) from different angles. The method proposed in the patent for the synthesis of micro-optical systems with kinematic effects of motion solves this very problem.

The basic technology for the formation of microrelief of the inventive flat optical elements in the optical range can be electron beam lithography technology. (Computer Optics & Computer Holography by AVGoncharsky, AAGoncharsky, Moscow University Press, Moscow, 2004). This technology allows the formation of a microrelief of a flat optical element with the accuracy required for the synthesis of the claimed micro-optical systems. The equipment for electron beam lithography is very expensive, the technology is high technology and has a limited distribution. All this creates a reliable barrier to protect the claimed system from forgery.

The inventive micro-optical system forms a new security feature for visual inspection, which consists in the fact that when the angle of inclination of the optical element changes, the visible image of the observer changes, and thus the kinematic effect of the movement of image fragments is realized.

FIG. 1 illustrates the principle of the formation of the kinematic effect of movement when the optical element is tilted to the right and left. FIG. 2 shows a diagram of the formation of a visual security feature with kinematic effects of the movement of image fragments when the optical element is tilted to the right-to-left and up-and-down. FIG. 3 shows the optical scheme of observation of the micro-optical system. FIG. 4-6 shows examples of frames visible to the observer from different angles for different kinematic effects of the movement of image fragments. FIG. 7 shows a diagram of the splitting of the optical element into elementary areas. FIG. 8 shows the optical scheme for calculating the radiation pattern of each elementary region G i j according to claim 1. FIG. 9 shows a scheme for determining the intensity of Ln rays for an elementary region. FIG. 10 shows fragments of the microrelief of an optical element according to claim 1 of the claims. FIG. 11 depicts a fragment of the structure of the elementary region Gij according to claim 2. FIG. 12 shows the optical scheme for calculating the radiation pattern of the elementary region Gj according to claim 2. FIG. 13 shows the mask amplitude binary kinoform according to claim 3 of the claims. FIG. 14 shows frames for the formation of 2D images consisting of parallel strips according to claim 4 of the claims. FIG. 15 shows a scheme for dividing a micro-optical system according to claim 4 into elementary regions G_j. FIG. 16 shows an optical scheme for calculating the radiation pattern of each elementary region Gj according to claim 4 of the claims. FIG. 17 is a diagram for determining the intensity of the L beams. n for the elementary region G_j according to claim 4 of the claims. FIG. 18 shows fragments of the microrelief of the optical element according to claim 4 of the claims.

The principle of formation of the kinematic effect of movement when the optical element is tilted to the right-to-left is illustrated in FIG. 1 Light from source 1, reflecting from optical element 2, forms given frames K at different viewing angles. n , n = 1, ..., N. When the optical element is tilted to the right and left, the viewing angle changes, and the observer sees successively changing frames 3, creating a kinematic effect of the movement of OK symbols up and down.

A diagram of the formation of a visual security feature with kinematic effects of the movement of image fragments when the optical element is tilted right-left and up-down is shown in

- 4 031709 of FIG. 2. The light source 1 is located on the axis OZ. The center of the optical element 2 is located at the beginning of the OXYZ Cartesian coordinate system. The axis OZ is perpendicular to the plane of the optical element. The micro-relief of a flat diffractive optical element, when illuminated by daylight, forms different image frames K n , n = 1, ..., N, for different viewing angles. Center of frame K n Corresponds to the observation angle φ η , θ η . Angle θ η - the angle between the OZ axis and the OK vector n . Angle φ η is the azimuth angle between the x-axis and the projection of the vector OK n on the OXY plane.

FIG. 3 shows the optical scheme of observation of the micro-optical system. FIG. 3 (a) the source and the observer are located on one side of the micro-optical system. A visual image is formed by reflection. FIG. 3 (b) the source and the observer are located on different sides of the nano-optical element. A visual image is formed on the passage. The light from the source falls on the optical element perpendicular. The image formed by the diffraction optical element is observed in the first diffraction order, the direction to which is indicated by the numeral 4.

In order to obtain a high-quality visual image with kinematic effects, usually use several hundred frames. FIG. Figures 4-6 show frames showing different versions of the kinematic movement of image fragments.

FIG. 4, as an example, five frames are given to demonstrate the effects of shifting image fragments relative to the central frame. on the central frame, the shifts of the OK symbols are equal to zero. When the optical element is tilted up and down, the OK characters are shifted horizontally, and vice versa, when the optical element is tilted to the right and left, the characters are shifted up and down.

FIG. 5 shows examples of frames demonstrating the shift and rotation of image fragments relative to the central frame. When the optical element is tilted up and down, the OK symbols are shifted horizontally, and when the optical element is tilted to the right and left, the OK symbols are rotated.

FIG. 6 shows examples of frames demonstrating the shift and scaling of image fragments relative to the central frame. When the optical element is tilted up and down, the OK symbols are shifted horizontally, and when the optical element is tilted to the left and right, the characters increase and decrease.

FIG. 7 shows the scheme of splitting the optical element into elementary regions Gj. The elementary regions are denoted by 5. We denote the center of each elementary site Gy as (x ; y j ).

FIG. 8 shows the layout of the rays emanating from the elementary region Gj. From the angle of observation φ ,,. θ ,, the observer sees frame K n . Denote the beam 6, leaving the elementary site 5 in the direction of the angle φ ^ С P for L n . Crossing points L n with the focal plane z = f we denote as 7. Each frame in size coincides with the size of the optical element. Under each angle φ No θ Μ the observer sees in the field Gy a point of the corresponding frame K n .

FIG. 9 illustrates how the intensity of the beam L is determined. n in the direction of φ ^ θ Μ for each n, n = 1, ..., N. All images in K frames n , n = 1, ..., N, are monochromatic. Brightness of a point (x ; y j a) frame K n measured in grayscale. Beam intensity l n corresponds to the brightness of the point (x ; y j ) on each frame K n i.e. if the observer's eye is at angles φ No θ Μ then the area Gy is visible as a point whose brightness corresponds to the brightness of the corresponding point (x ; y j a) frame K n . The size of the elementary area is no more than 100 microns, and the eye sees this area as a point.

Thus, the radiation pattern of the scattered radiation from each elementary region Gy is formed at all angles φ No WITH P , n = 1, ..., N. The radiation pattern of each elementary region Gj is a set of N rays, and each beam L n has a given intensity. Determining the point of intersection of 7 rays L n with the focal plane z = f, setting at these points a brightness equal to the intensity of the rays L n , we form the function F (x, y) in equation (2). The function F (x, y) is an image consisting of N points of different intensity, as shown in FIG. 8. The function F (x, y) is calculated for each elementary region Gj. Then the inverse problem (2) - (3) is solved and the phase function Ф ^, y) is determined for each elementary region Gj. The calculation of the phase function from equations (2) and (3) is carried out for the green wavelength λ = 525 nm. The depth of the microrelief hj (x, y) of the optical element is uniquely determined by setting its phase function Φι / x, y).

Thus, the application proposes a method for calculating and manufacturing micro-optical systems that form images with kinematic effects. Each elementary region Gy participates in the formation of images of all K frames at once. n , n = 1, ..., N, which fundamentally distinguishes the proposed method from the classical problem of calculating kinoform (LB Lesem, PM Hirsch, JAJr. Jordan, The kinoform: a new wavefront reconstruction device, IBM J. Res. Dev., 13 (1969), 105-155).

FIG. 10 shows fragments of the microrelief of an optical element according to claim 1 of the claims. FIG. 10 (a) shows a fragment of a multiradiation microrelief. FIG. 10 (b) shows a fragment of a binary microrelief. The kinoform phase function is calculated using an iterative algorithm (LBLesem, PM Hirsch, J. AJr. Jordan, The kinoform: a new wavefront reconstruction device, IBM J. Res. Dev., 13 (1969), 105-155). The characteristic depth of the microrelief for the reflecting optical element is 0.1-0.6 μm.

FIG. 11 shows the structure of the elementary region Gy according to claim 2, where for

- 5,031,709 for the formation of a microrelief of an optical element using diffraction gratings. The region Gij is divided into N parts (by the number of frames with images), each part is filled with a diffraction grating. Each grating in the elementary region G; j forms, in the first diffraction order, one image point in the focal plane.

FIG. 12 shows the optical scheme for calculating the radiation pattern of the elementary region Gij, consisting of diffraction gratings. The parameters of the diffraction gratings are determined so that each grating in the first diffraction order forms a beam emerging from the region Gij at angles φ η , θ η and having an intensity equal to the brightness point (x ; y j a) frame K n (Fig. 9). This inverse problem is simpler than the inverse problem of calculating the microrelief of a micro-optical system according to claim 1, since each diffraction grating is defined by only a small number of parameters, such as the period and direction of the strokes of the diffraction grating. There are algorithms for calculating the lattice parameters that form the given radiation pattern. (E. Popov, Gratings: Theory and Numeric Applications, Second Revisited Edition. Institut Fresnel, 2014).

In paragraphs.1, 2 claims for the formation of visual images using phase optical elements. Claim 3 uses an amplitude optical element — a binary amplitude kinoform. The binary amplitude kinoform consists of a metallized area which is opaque to incident radiation and consists of black dots in FIG. 13, and the transparent region, to which all the white points of the kinoform fragment in FIG. 13. The metallized region of the amplitude kinoform consists of points (x, y) of the elementary region Gij for which condition 0 is fulfilled. <kOj (y) <K. The transparent area of a binary amplitude kinoform can be obtained using demetallization technology (Optical Document Security, Third Edition, Rudolf L. Van Renesse. Artech House, Boston, London, 2005).

The images formed by micro-optical systems according to claims 1 to 3 of the claims are two-dimensional functions f (x, y). In contrast to claims 1 to 3, in clause 4 of the claims micro-optical systems are considered for imaging consisting of parallel strips with kinematic effects of motion. In this case, frames are described by one-dimensional functions f (y). FIG. 14 shows four frames of 2D images according to claim 4 of the claims. In reality, up to several dozen frames are used for the one-dimensional kinematic effect. A small number of frames in FIG. 14 allows you to understand the principle of the synthesis of micro-optical systems according to claim 4. It is seen that the images in frames K one K 2 K 3 K four differ from each other by a shift along the Y axis.

FIG. 15 shows a scheme for dividing a micro-optical system according to claim 4 into elementary regions Gj. The center of the elementary area Gj is located at the point (0, yj). The width of the elementary site does not exceed 100 microns, the length coincides with the size of the optical element along the X axis.

FIG. 16 shows the layout of the rays emanating from the center of the elementary region G ,. Since the images are described by the function of one coordinate, it is sufficient to use the rays Ln, which lie in the vertical plane passing through the axis OY, to synthesize the micro-optical system according to claim 4. Ray l n out of the center of the elementary platform at an angle of 0, Y At the same viewing angle (0, Y), the observer sees frame K n . Denote the beam 6, leaving the elementary site 5 in the direction of the angle 0, Y, for L n . Here 7 is the point of intersection of the rays L n with the focal plane z = f. Each frame is the same size as the optical element.

FIG. 17 is a diagram for determining the intensity of the Ln rays for the elementary region Gj of claim 4. Ray l n leaves the center of the site G_j in the direction 0, Y for each n, n = 1, ..., N. At this angle, the observer sees frame K n . All images in frames K n , n = 1, ..., N, are monochromatic. Point brightness (0, y j a) frame K n measured in grayscale. Beam intensity l n corresponds to the brightness of the point (0, y j ) on each frame K n i.e. if the observer's eye is at angles 0, Y, then the area G_j is visible as a point, the brightness of which corresponds to the brightness of the corresponding point (0, yj) on the frame Kn.

Beam brightness L n determines the brightness of point 7 in FIG. 16. To calculate the one-dimensional phase function Φ, (ν) according to claim 4, it is sufficient to solve the one-dimensional equation with a given function F (y) in each elementary area G_j. The value of the function F (y) corresponds to the intensity of the beam L n coming to the point (0, y) in the z = f plane.

FIG. 18 shows fragments of a binary and multi-gradation kinoform according to claim 4 of the claims. It is seen that the microrelief of optical elements depends only on one coordinate.

For the formation of microrelief of the declared micro-optical systems, the technology of electron beam lithography is used. The characteristic depth of the microrelief does not exceed 0.6 microns. The characteristic periods of diffraction kinoforms and gratings are several microns. Electron beam lithography with a resolution of 0.1 μm allows you to produce microrelief with very high accuracy in height - about 20-30 nm, which is quite enough for the manufacture of micro-optical systems according to claims 1-3 of the claims.

According to claim 5, the micro-optical system according to claim 1 for forming 2D images with kinematic effects of motion is a relief single-layer phase

- 6 031709 metallized or transparent diffractive optical element on a detachable or non-detachable polymer base, consisting of fragments of multi-gradation kinoforms with a size of not more than 100 μm with a depth of microdiagram IDx. y) = 1 / 2F || (x, y), not exceeding 0.6 μm in each elementary region Gij, i = 1, ... L, j = 1, .... M.

According to claim 6, the micro-optical system according to claim 1 for forming 2D images with kinematic effects of movement is a relief single-layer phase metallized or transparent diffractive optical element on a detachable or non-separable polymer base, consisting of fragments of binary kinoforms, whose relief depth is hij (x , y) in each elementary domain Gj, i = 1, ..., L, j = 1, ..., M, takes only two values, 0 and h, and h / x, y) = h if it is satisfied condition 0 <kF | (y) <l, where h is a given parameter not exceeding 0.6 microns.

According to claim 7, the micro-optical system according to claim 2 for forming 2D images with kinematic effects of motion is a relief single-layer phase metallized or transparent diffractive optical element on a detachable or non-detachable polymer base, consisting of fragments of binary or multi-gradation diffraction gratings of no more than 100 μm with a microrelief depth of not more than 0.6 μm and periods ranging from 0.5 μm to 4 μm.

According to Claim 8 of the claims, the micro-optical system according to Claim 3 for the formation of 2D images with kinematic effects of motion is a diffractive optical element on a detachable or non-separable polymer base, which in each elementary region Gij, i = 1, ..., L, j = 1, ..., M, the amplitude binary kinoform, consisting of a transparent and metallized part, and the points (x, y) for which the relation (KkcIyCxy) · ^ is metallized. Here

The wavelength λ is chosen in the center of the visible light range and corresponds to the green wavelength λ = 525 nm.

According to claim 9, the micro-optical system according to claim 4 for forming 2D images with kinematic effects of motion is a relief single-layer phase metallized or transparent diffractive optical element on a detachable or non-separable polymer base, consisting of fragments of multi-gradient kinoforms with a size of not more than 100 microns depth of microrelief h (x, y) = 1 / 2F | (y) not exceeding 0.6 μm in each elementary region G_j, j = 1, ..., M.

According to paragraph 10 of the claims, the micro-optical system according to claim 4 for the formation of 2D images with kinematic effects of motion is a relief single-layer phase metallized or transparent diffractive optical element on a detachable or non-separable polymer base, consisting of fragments of binary kinoforms, the relief depth of which is I / x , y) in each elementary region G_j, j = 1, ..., M, takes only two values, 0 and h, with h j (x, y) = h if the condition 0 ^ Φ ^) holds <π, where h is a given parameter, not exceeding 0.6 μm.

The claimed micro-optical system is manufactured either as a sticker or with a detachable base, as a hot-stamping foil (Optical Document Security, Third Edition, Rudolf L. Van Renesse. Artech House, Boston, London, 2005). In either case, standard holographic equipment for mass replication of holograms can be used.

The inventive micro-optical system for forming 2D images with kinematic effects of motion has the following differences from the prototype.

1. In the known micro-optical system (prototype) a two-layer optical element is used. One of the layers is an array of refractive micro lenses, and the second layer, located below the array of micro lenses, is a micro image. Unlike the prototype, the claimed micro-optical system is a flat relief optical element whose depth of microrelief does not exceed 1 micron.

2. The claimed micro-optical system can be manufactured using electron-beam technology. This technology is not common, there are only a few companies in the world to which this technology is available. All this allows us to narrow the range of technologies with the help of which it is possible to manufacture the declared micro-optical systems, which ensures their reliable protection against forgery.

3. Electron-beam lithography makes it possible to place in the micro-optical systems described in the application for the invention various protective features for instrumental control, such as micro-recordings about 5 μm in size, micro images, etc. This additionally increases the security of micro-optical systems against forgery.

4. The claimed micro-optical systems form various kinematic effects, such as, for example, shifting, rotating and scaling image fragments, etc., as with tilting

- 7 031709 right-left, and when tilting up and down. Kinematic effects are easily controlled visually.

5. The technology of mass replication of the declared micro-optical systems is available and provides a low price of micro-optical systems during mass replication.

The following example of a specific implementation of the invention confirms the possibility of carrying out the invention without limiting its scope.

As an example, a micro-optical system was designed and manufactured to form the kinematic effect of movement (shift) of OK image fragments (Fig. 4). The micro-optical system is a flat phase optical element 20 mm × 20 mm in size. For the synthesis of the original flat optical element was used electron-beam technology.

As samples, micro-optical systems based on flat phase optical elements — binary kinoforms — were manufactured. A flat optical element with a size of 20 mm × 20 mm was divided into elementary regions Gij, i = 1, ..., L, j = 1, ..., M, with a size of 50 μm × 50 μm, as is done in FIG. 7. The total number of elementary regions was 160000. The number of N frames was 400 (20 frames horizontally x 20 frames vertically). The calculation of the microrelief of a flat optical element was carried out at a given wavelength λ = 525 nm for each elemental region with a size of 50 μm50 μm. To calculate the phase function in each elementary area, a 500x500 grid was used, on which the inverse problem (2) - (3) was solved. To calculate the phase function Φ, / x. y), for each elementary region Gij, i = 1, ..., L, j = 1, ..., M, it suffices to use an ordinary personal computer.

An electronic generator with a resolution of 0.1 μm, which corresponds to 254000 dpi, was used for the manufacture of the microrelief of the micro-oculation system. A positive electronic resist was used to form the image. The original diffractive optical element was manufactured using standard electroforming procedure. The original made was multiplied. With the help of multiplied matrixes, micro-optical systems were made in the form of stickers, demonstrating the effect of moving image fragments when the optical element is tilted. The visual effects of the kinematic movement of OK symbols are easily controlled visually, both when tilted up and down, and when tilted right-left. The calculation of the microrelief was carried out at a wavelength of λ = 525 nm, which corresponds to green light, but even when illuminated with white light, the quality of the generated images remains good. The testing of the fabricated sample showed high efficiency of the technical solutions proposed in the application.

Claims (10)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM 1. Способ синтеза микрооптических систем для формирования 2D изображений с кинематическими эффектами движения, отличающийся тем, что микрооптическая система представляет собой однослойный отражающий металлизированный или прозрачный дифракционный фазовый оптический элемент, для синтеза которого задают черно-белые кадры Kn, n=1, ..., N, и углы наблюдения (φη, θη), под которыми кадры Kn видны наблюдателю, дифракционный оптический элемент разбивают на элементарные прямоугольные области Gij, i=1, ..., L, j=1, ..., M, размером не более 100 мкм с центрами в точках (xi, yj), в каждой элементарной области Gij рассчитывают фазовую функцию киноформа ФДх, у) и изготавливают киноформ, формирующий при освещении оптического элемента белым светом диаграмму направленности, представляющую собой N лучей, исходящих из элементарной площадки Gj под углами (φη, θη), η=1, ..., N, причем интенсивность луча под углом (φη, θη) равна яркости точки с координатами (xi, yj) η-го кадра, при этом при освещении оптического элемента белым светом наблюдатель видит под разными углами наблюдения (φη, θη) разные кадры Kn, η=1, ..., N.1. Method of synthesis of micro-optical systems for the formation of 2D images with kinematic effects of motion, characterized in that the micro-optical system is a single-layer reflective metallized or transparent diffraction phase optical element, for the synthesis of which black and white frames are set K n , n = 1, .. ., N, and observation angles (φ η , θ η ), under which the frames K n are visible to the observer, the diffractive optical element is divided into elementary rectangular regions Gij, i = 1, ..., L, j = 1, ... , M, no more than 100 microns in size with centers in s (x i, y j), each elementary Gij area calculated phase function kinoform FDh, y) and produced kinoform forming while covering the optical element with white light radiation pattern, which is a N-rays emanating from the elementary area Gj angles (φ η , θ η ), η = 1, ..., N, and the beam intensity at an angle (φ η , θ η ) is equal to the brightness of the point with coordinates (x i , y j ) of the η th frame, while illuminating the optical an element of white light, the observer sees different frames of observation (φ η , θ η ) of different frames K n , η = 1, ..., N. 2. Способ синтеза микрооптических систем для формирования 2D изображений с кинематическими эффектами движения, отличающийся тем, что микрооптическая система представляет собой однослойный отражающий металлизированный или прозрачный дифракционный фазовый оптический элемент, для синтеза которого задают черно-белые кадры Kn, η=1, ..., N, и углы наблюдения (φη, θη), под которыми кадры Kn видны наблюдателю, дифракционный оптический элемент разбивают на элементарные прямоугольные области Gij, i=1, ..., L, j=1, ..., M, размером не более 100 мкм с центрами в точках (xi, yj), каждую из областей разбивают на N частей, в которые записывают дифракционные решетки разного периода и разной ориентации, так что при освещении оптического элемента белым светом диаграмма направленности элементарной области Gij представляет собой N лучей, исходящих из элементарной площадки Gij под углами (φη, θη), η=1, ..., N, причем интенсивность луча под углом (φη, θη) равна яркости точки с координатами (xi, yj) η-го кадра, при этом при освещении оптического элемента белым светом наблюдатель видит под разными углами наблюдения (φη, θη) разные кадры Kn, η=1, ..., N.2. The method of synthesis of micro-optical systems for the formation of 2D images with kinematic effects of motion, characterized in that the micro-optical system is a single-layer reflective metallized or transparent diffraction phase optical element, for the synthesis of which black and white frames are set K n , η = 1, .. ., N, and observation angles (φ η , θ η ), under which the frames Kn are visible to the observer, the diffractive optical element is divided into elementary rectangular regions Gij, i = 1, ..., L, j = 1, ..., M, no larger than 100 microns with centers in point s (x i, y j), each of the areas divided into N parts, in which record diffraction gratings of different periods and different orientations, such that upon illumination of the optical element with white light chart elementary region Gij directivity represents N-rays emanating from the elementary area Gij at angles (φ η , θ η ), η = 1, ..., N, and the intensity of the beam at an angle (φ η , θ η ) is equal to the brightness of the point with coordinates (x i , y j ) of the η-th frame, wherein upon illumination of the optical member observer sees white light at different angles of observation (φ η, η) different frames K n, η = 1, ..., N. 3. Способ синтеза микрооптических систем для формирования 2D изображений с кинематическими эффектами движения, отличающийся тем, что микрооптическая система представляет собой однослойный дифракционный амплитудный оптический элемент, для синтеза которого задают черно-белые кадры Kn, n=1, ..., N, и углы наблюдения (φη, θη), под которыми кадры Kn видны наблюдателю, дифракционный 3. The method of synthesis of micro-optical systems for the formation of 2D images with kinematic effects of motion, characterized in that the micro-optical system is a single-layer diffraction amplitude optical element, for the synthesis of which black and white frames are set K n , n = 1, ..., N, and observation angles (φ η , θ η ), under which the frames K n are visible to the observer, the diffraction - 8 031709 оптический элемент разбивают на элементарные прямоугольные области Gj, i=1, ..., L, j=1, ..., M, размером не более 100 мкм с центрами в точках (xi, yj), в каждой элементарной области Gij рассчитывают фазовую функцию киноформа ФДх, у) и изготавливают амплитудный бинарный киноформ, формирующий при освещении оптического элемента белым светом на прохождение и отражение диаграмму направленности, представляющую собой N лучей, исходящих из элементарной площадки Gij под углами (φη, θη), η=1, ..., N, причем интенсивность луча под углом (φη, θη) равна яркости точки с координатами (xi, yj) η-го кадра, при этом при освещении оптического элемента белым светом наблюдатель видит под разными углами наблюдения (φη, θη) разные кадры Κη, η=1, ..., N.- 8 031709 optical element is divided into elementary rectangular areas Gj, i = 1, ..., L, j = 1, ..., M, with a size of not more than 100 microns with centers at points (x i , y j ), each elementary region Gij calculates the phase function of the kinoform FDx, y) and produces an amplitude binary kinoform that, when an optical element is illuminated with white light, transmits and reflects a radiation pattern representing N rays emanating from the elementary platform Gij at angles (φ η , θ η ), η = 1, ..., N, and the beam intensity at an angle (φ η , θ η ) is equal to the brightness of the dot ki with the coordinates (x i , y j ) of the η th frame, while observing the optical element with white light, the observer sees different frames of observation (φ η , θ η ) with different frames Κ η , η = 1, ..., N . 4. Способ синтеза микрооптических систем для формирования 2D изображений, состоящих из параллельных полос, с кинематическими эффектами движения, отличающийся тем, что микрооптическая система представляет собой однослойный отражающий металлизированный или прозрачный дифракционный фазовый оптический элемент, для синтеза которого задают черно-белые кадры Κη, η=1, ..., N, и углы наблюдения (0, θη), под которыми кадры Κη видны наблюдателю, дифракционный оптический элемент, расположенный в области -0,5L<x<0,5L, а<у<Ь, где a, b, L - заданные параметры, разбивают на элементарные прямоугольные области G,, j=1, ..., M, шириной не более 100 мкм и длиной L с центрами в точках (0, у,), в каждой элементарной области G, рассчитывают фазовую функцию киноформа Ф,(у) и изготавливают киноформ, формирующий при освещении оптического элемента белым светом диаграмму направленности, представляющую собой N лучей, исходящих из элементарной площадки Gj под углами (0, θη), η=1, ..., N, причем интенсивность луча под углом (0, θη) равна яркости точки с координатами (0, у,) η-го кадра, при этом при освещении оптического элемента белым светом наблюдатель видит под разными углами наблюдения (0, θη) разные кадры Κη, η=1, ..., N.4. The method of synthesis of micro-optical systems for the formation of 2D images consisting of parallel strips with kinematic effects of motion, characterized in that the micro-optical system is a single-layer reflective metallized or transparent diffraction phase optical element, for the synthesis of which black and white frames are set синтеза η , η = 1, ..., N, and observation angles (0, θ η ), at which frames Κ η are visible to the observer, a diffraction optical element located in the region of-0.5L <x <0.5L, and <y < B, where a, b, L - given parameters, partition the elementary rectangular regions G ,, j = 1, ..., M, a width of not more than 100 μm and length L with centers at the points (0, y,), in each elementary region G, are calculated, the phase function Koform F, (( y) and make kinoforms that, when an optical element is illuminated with white light, a radiation pattern representing N rays emanating from the elementary platform Gj at angles (0, θ η ), η = 1, ..., N, and the intensity of the beam at an angle (0, θ η) equal to the brightness of the point with coordinates (0, y,) η-th frame, wherein when illuminated by white light of the optical element m observer sees from different viewing angles (0, θ η) different frames Κ η, η = 1, ..., N. 5. Микрооптическая система, сформированная способом по п.1, для формирования 2D изображений с кинематическими эффектами движения, представляющая собой рельефный однослойный фазовый металлизированный или прозрачный дифракционный оптический элемент на отделяемой или неотделяемой полимерной основе, состоящий из фрагментов многоградационных киноформов размером не более 100 мкм с глубиной микрорельефа Ιι,/x. у)=1/2ФДх, у), в каждой элементарной области G,, i=1, ..., L, j=1, ..., M.5. Micro-optical system, formed by the method according to claim 1, for the formation of 2D images with kinematic effects of motion, which is a relief single-layer phase metallized or transparent diffractive optical element on a detachable or non-separable polymer base, consisting of fragments of multi-gradation kinoforms with a size of no more than 100 microns depth of microrelief Ιι, / x. y) = 1/2 FDx, y), in each elementary region G ,, i = 1, ..., L, j = 1, ..., M. 6. Микрооптическая система, сформированная способом по п.1, для формирования 2D изображений с кинематическими эффектами движения, представляющая собой рельефный однослойный фазовый металлизированный или прозрачный дифракционный оптический элемент на отделяемой или неотделяемой полимерной основе, состоящий из фрагментов бинарных киноформов, глубина рельефа которого Н,,(х, у) в каждой элементарной области Gij, i=1, ..., L, j=1, ..., M, принимает только два значения, 0 и h, причем hjj(x, y)=h, если выполнено условие 0<кФ||(х, у)<л, где h - заданный параметр, 0<h<0,6 мкм, k - волновое число.6. Micro-optical system, formed by the method according to claim 1, for the formation of 2D images with kinematic effects of motion, which is a relief single-layer phase metallized or transparent diffractive optical element on a detachable or non-separable polymer base, consisting of fragments of binary kinoforms, the relief depth of which is H, , (x, y) in each elementary domain Gij, i = 1, ..., L, j = 1, ..., M, takes only two values, 0 and h, with hjj (x, y) = h if the condition 0 <kF || (x, y) <l, where h is a given parameter, 0 <h <0.6 μm, k is the wave number. 7. Микрооптическая система, сформированная способом по п.2, для формирования 2D изображений с кинематическими эффектами движения, представляющая собой рельефный однослойный фазовый металлизированный или прозрачный дифракционный оптический элемент на отделяемой или неотделяемой полимерной основе, состоящий из фрагментов бинарных или многоградационных дифракционных решеток размером не более 100 мкм с глубиной микрорельефа не более 0,6 мкм и диапазоном периодов от 0,5 до 4 мкм.7. Micro-optical system, formed by the method according to claim 2, for the formation of 2D images with kinematic effects of motion, which is a relief single-layer phase metallized or transparent diffractive optical element on a detachable or non-separable polymer base, consisting of fragments of binary or multi-gradient diffraction gratings of no more than 100 microns with a microrelief depth of not more than 0.6 microns and a range of periods from 0.5 to 4 microns. 8. Микрооптическая система, сформированная способом по п.3, для формирования 2D изображений с кинематическими эффектами движения, представляющая собой дифракционный оптический элемент на отделяемой или неотделяемой полимерной основе, представляющий собой в каждой элементарной области Gij, i=1, ..., L, j=1, ..., M, амплитудный бинарный киноформ, состоящий из прозрачной и металлизированной части, причем точки (х, у), для которых выполнено соотношение 0<кФц(х, у)<л, металлизированы, где k - волновое число.8. Micro-optical system, formed by the method according to claim 3, for the formation of 2D images with kinematic effects of motion, representing a diffractive optical element on a detachable or non-separable polymer base, representing in each elementary region Gij, i = 1, ..., L , j = 1, ..., M, the amplitude binary kinoform, consisting of a transparent and metallized part, and the points (x, y) for which the relation 0 <kFz (x, y) <l is met, are metallized, where k - wave number. 9. Микрооптическая система, сформированная способом по п.4, для формирования 2D изображений с кинематическими эффектами движения, представляющая собой рельефный однослойный фазовый металлизированный или прозрачный дифракционный оптический элемент на отделяемой или неотделяемой полимерной основе, состоящий из фрагментов многоградационных киноформов размером не более 100 мкм с глубиной микрорельефа hj(x, у)=1/2Ф|(у), в каждой элементарной области Gj, j=1, ..., M, где h - заданный параметр, 0<h<0,6 мкм, k - волновое число.9. Micro-optical system, formed by the method according to claim 4, for the formation of 2D images with kinematic effects of motion, which is a relief single-layer phase metallized or transparent diffractive optical element on a detachable or non-separable polymer base, consisting of fragments of multi-gradation kinoforms with a size of no more than 100 microns the depth of the microrelief hj (x, y) = 1 / 2F | (y), in each elementary region Gj, j = 1, ..., M, where h is a given parameter, 0 <h <0.6 μm, k - wave number. 10. Микрооптическая система, сформированная способом по п.4, для формирования 2D изображений с кинематическими эффектами движения, представляющая собой рельефный однослойный фазовый металлизированный или прозрачный дифракционный оптический элемент на отделяемой или неотделяемой полимерной основе, состоящий из фрагментов бинарных киноформов, глубина рельефа которого hj(x, у) в каждой элементарной области G_j, j=1, ..., M, принимает только два значения, 0 и h, причем h^x, у)=Е если выполнено условие 0<кФц(х, у)<л, где h - заданный параметр, 0<h<0,6 мкм, к - волновое число.10. Micro-optical system, formed by the method according to claim 4, for the formation of 2D images with kinematic effects of motion, which is a relief single-layer phase metallized or transparent diffractive optical element on a detachable or non-separable polymer base, consisting of fragments of binary kinoforms, the depth of relief of which h j (x, y) in each elementary region G_j, j = 1, ..., M, takes only two values, 0 and h, and h ^ x, y) = E if the condition 0 <cFc (x, y) is fulfilled <l, where h is a given parameter, 0 <h <0.6 μm, k - waves howling number. - 9 031709- 9 031709
EA201700161A 2016-10-24 2016-10-24 Micro-optic system for forming 2d images with kinematic motion effects EA031709B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EA201700161A EA031709B1 (en) 2016-10-24 2016-10-24 Micro-optic system for forming 2d images with kinematic motion effects

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EA201700161A EA031709B1 (en) 2016-10-24 2016-10-24 Micro-optic system for forming 2d images with kinematic motion effects

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201700161A1 EA201700161A1 (en) 2018-02-28
EA031709B1 true EA031709B1 (en) 2019-02-28

Family

ID=61244312

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201700161A EA031709B1 (en) 2016-10-24 2016-10-24 Micro-optic system for forming 2d images with kinematic motion effects

Country Status (1)

Country Link
EA (1) EA031709B1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3842252B1 (en) * 2019-12-23 2022-05-25 Holography Systems International Limited Microoptical system for the formation of the 3d image in the zero order of diffraction

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EA201070011A1 (en) * 2007-06-13 2010-04-30 Де Ля Рю Интернэшнл Лимитед HOLOGRAPHIC PROTECTIVE ELEMENT
US8133638B2 (en) * 2006-05-30 2012-03-13 Brady Worldwide, Inc. All-polymer grating microstructure
US8308197B2 (en) * 2007-09-19 2012-11-13 Ovd Kinegram Ag Diffractive security element with individualized code
US8848266B2 (en) * 2008-04-04 2014-09-30 Leonhard Kurz Stiftung & Co. Kg Security element and method for producing a security element

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8133638B2 (en) * 2006-05-30 2012-03-13 Brady Worldwide, Inc. All-polymer grating microstructure
EA201070011A1 (en) * 2007-06-13 2010-04-30 Де Ля Рю Интернэшнл Лимитед HOLOGRAPHIC PROTECTIVE ELEMENT
US8308197B2 (en) * 2007-09-19 2012-11-13 Ovd Kinegram Ag Diffractive security element with individualized code
US8848266B2 (en) * 2008-04-04 2014-09-30 Leonhard Kurz Stiftung & Co. Kg Security element and method for producing a security element

Also Published As

Publication number Publication date
EA201700161A1 (en) 2018-02-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7358513B2 (en) Optical device and method of manufacture
RU2344480C2 (en) Optical protective element and system for visualisation of hidden information
JP6550338B2 (en) Security device
JPH09134111A (en) Information recording medium
AU2016101590A4 (en) A 3d micromirror device
WO2011110185A1 (en) Micro-optical system for forming visual images
RU127208U1 (en) MICROOPTICAL SYSTEM FOR FORMING VISUAL IMAGES
Goncharsky et al. High-resolution full-parallax computer-generated holographic stereogram created by e-beam technology
US6753989B2 (en) Recording surface relief microstructure
RU149690U1 (en) MICROOPTICAL SYSTEM FOR FORMING VISUAL IMAGES
RU2456646C2 (en) Optical protective device forming two-dimensional image
WO2018169450A2 (en) Micro-optical system for forming visual images with kinematic movement effects
EA031709B1 (en) Micro-optic system for forming 2d images with kinematic motion effects
EP3842252B1 (en) Microoptical system for the formation of the 3d image in the zero order of diffraction
Song et al. Faceted Fresnel DOEs creating the perception of a floating 3D virtual object under divergent illumination
EP3929001A1 (en) Micro-optical system for forming visual images
EP3466712B1 (en) Micro-optic system for forming visual images with kinematic effects of movement
RU140190U1 (en) MICRO-OPTICAL IMAGE FORMING SYSTEM FOR VISUAL AND INSTRUMENTAL CONTROL
RU228287U1 (en) MICRO-OPTICAL SYSTEM FOR FORMING VISUAL IMAGES
RU152465U1 (en) MICROOPTICAL SYSTEM FOR IMAGE FORMATION FOR VISUAL CONTROL OF AUTHENTICITY OF PRODUCTS
RU140180U1 (en) MICRO-OPTICAL IMAGE FORMING SYSTEM FOR VISUAL AND INSTRUMENTAL CONTROL
EA017829B1 (en) Microoptic system for visual control of product authenticity
EP2955564B1 (en) Optically variable element
EA018164B1 (en) Micro-optical system for forming images for visual control of product identity
RU196408U1 (en) MICRO-OPTICAL SYSTEM FOR FORMING 2D IMAGES

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Registration of a licence in a contracting state
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM AZ BY KZ KG TJ TM