EP1458578A1 - Diffraktives sicherheitselement - Google Patents

Diffraktives sicherheitselement

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EP1458578A1
EP1458578A1 EP02805743A EP02805743A EP1458578A1 EP 1458578 A1 EP1458578 A1 EP 1458578A1 EP 02805743 A EP02805743 A EP 02805743A EP 02805743 A EP02805743 A EP 02805743A EP 1458578 A1 EP1458578 A1 EP 1458578A1
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EP
European Patent Office
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diffraction
surface element
security element
elements
matt
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EP02805743A
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Andreas Schilling
Wayne Robert Tompkin
René Staub
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OVD Kinegram AG
Original Assignee
OVD Kinegram AG
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    • D21H21/42—Ribbons or strips

Definitions

  • the invention relates to a diffractive security element according to the preamble of claim 1.
  • EP 0 360 969 A1 describes diffractive security elements in which the surface elements have asymmetrical diffraction gratings.
  • the asymmetrical diffraction gratings are arranged in pairs and in mirror symmetry in each case in two surface elements with a common boundary.
  • Special asymmetrical diffraction gratings, which act like mirrors placed at an angle, are described in WO 97/19821.
  • FIG. 6 shows deflection characteristics of optically effective structures
  • FIG. 7 shows a diffraction structure in a layer composite
  • FIG. 8 shows the Fourier space representation of the diffraction structure
  • FIG. 9 shows the security element with a pattern element in a top view
  • the relief elements of the matt structure have a preferred direction of the microscopic relief structure elements parallel to the coordinate x.
  • the scattered light therefore has an anisotropic distribution.
  • the solid angle 16 predetermined by the scattering capacity of the matt structure is drawn apart in an ellipse in the direction of the coordinate y.
  • the beams 20 (FIG. 6), 21 (FIG. 6) diffracted in a highly directed manner by means of the diffraction grating 24 (FIG. 1) are expanded by the matt structure.
  • the contrast When tilted, the contrast does not change, but the mixed color perceived by the observer as long as the observer's viewing direction is within the solid angle 32 (FIG. 14). the positive diffraction order remains. As soon as the observer's line of sight coincides with directions within the solid angle 33 (FIG. 14) of the negative diffraction order, the contrast between the band parts lying within the contour 36 and the band parts lying outside the contour 36 is reversed, that is to say the band parts are within the contour 36 less bright than the ones outside Band parts. Outside the solid angles 32 and 33, the areas of the bands 34 are uniformly dark or cannot be observed.

Description

Diffraktives Sicherheitselement
Die Erfindung bezieht sich auf ein diffraktives Sicherheitselement gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche diffraktive Sicherheitselemente werden zum Beglaubigen von Gegenständen, wie Banknoten, Ausweisen aller Art, wertvollen Dokumenten usw., verwendet, um die Echtheit des Gegenstands ohne grossen Aufwand feststellen zu können. Das diffraktive Sicherheitselement wird bei der Ausgabe des Gegenstands in Form einer aus einem dünnen Schichtverbund geschnittenen Marke mit dem Gegenstand fest verbunden. Diffraktive Sicherheitselemente der eingangs genannten Art sind aus der
EP 0 105 099 A1 und der EP 0 375 833 A1 bekannt. Diese Sicherheitselemente umfassen ein Muster aus mosaikartig angeordneten Flächenelementen, die ein Beugungsgitter aufweisen. Die Beugungsgitter sind azimutal so vorbestimmt angeordnet, dass sich bei einer Drehung das durch gebeugtes Licht erzeugte, sichtbare Muster optisch verändert.
In der EP 0 360 969 A1 sind diffraktive Sicherheitselemente beschrieben, bei denen die Flächenelemente asymmetrische Beugungsgitter aufweisen. Jeweils in zwei Flächenelementen mit einer gemeinsamen Grenze sind die asymmetrischen Beugungsgitter paarweise und spiegelsymmetrisch angeordnet. Spezielle asymmetrische Beugungsgitter, die wie schief gestellte Spiegel wirken, sind in der WO 97/19821 beschrieben.
Die Beugungseigenschaften des Beugungsgitters können anhand einer Fourierraumdarstellung bildlich dargestellt werden. Die Fourierraumdarstellung zeigt in einem Kreis die Richtung der gebeugten Lichtstrahlen mittels eines Punktes an, wobei das Licht senkrecht auf das Beugungsgitter im Kreiszentrum einfällt. Das Kreiszentrum entspricht dem Beugungswinkel ß = 0° und der Umfang dem Beugungswinkel ß = 90°, während ein Radius einem im Kreis gelegenen Punkt den Beugungswinkel ß der an den Beugungsgittern gebeugten Lichtstrahlen anzeigt. Polarwinkel verschiedener Punkte in der Fourierraum- darstellung reflektieren die azimutale Ausrichtung der Beugungsgitter. Die diffraktiven Sicherheitselemente bestehen im allgemeinen aus einem
Stück eines dünnen Schichtverbunds aus Kunststoff. Die Grenzschicht zwischen zwei der Schichten weist mikroskopisch feine Reliefs von lichtbeugenden Strukturen auf. Zur Erhöhung der Reflektivität ist die Grenzschicht zwischen den beiden Schichten mit einer Reflexionsschicht überzogen. Der Aufbau des dünnen Schichtverbunds und die dazu verwendbaren Materialien sind beispielsweise in der US 4,856,857 und der WO 99/47983 beschrieben. Aus der DE 33 08 831 A1 ist bekannt, den dünnen Schichtverbund mit Hilfe einer Trägerfolie auf den Gegenstand aufzubringen.
Der Nachteil solcher diffraktiver Sicherheitselemente ist im engen Raumwinkel und der extrem hohen Flächenhelligkeit begründet, unter denen ein mit einem Beugungsgitter belegtes Flächenelement für einen Beobachter sichtbar ist. Die hohe Flächenhelligkeit kann zudem die Erkennbarkeit der Form des Flächenelements erschweren.
Es ist auch aus der EP 0 712 012 A1 bekannt, einem sinusförmigen, submikroskopisch feinen Beugungsgitter eine mikroskopisch feine, stochastische Rauhigkeit derart zu überlagern, dass das Beugungsgitter stochastisch moduliert ist. Die mikroskopisch feine, stochastische Rauhigkeit ist nicht weiter beschrieben und wird durch nicht reproduzierbare anisotrope Prozessschritte beim Herstellen der Mastermatrize erzeugt. Das submikroskopisch feine Beugungsgitter allein ist bei gerichtetem Licht nur unter dem Reflexionswinkel sichtbar. Die dem
Beugungsgitter überlagerte Rauhigkeit bewirkt, dass das am submikroskopisch feinen Beugungsgitter gebeugte Licht in den Halbraum über dem Beugungsgitter gestreut wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges, diffraktives Sicherheitselement zu schaffen, das im gebeugten Licht ein gut sichtbares, statisches Flächenmuster in einem grossen Winkelbereich zeigt.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 ein Sicherheitselement im Querschnitt,
Figur 2 das Sicherheitselement in Draufsicht,
Figur 3 eine Fourierraumdarstellung eines linearen Beugungsgitters,
Figur 4 die Fourierraumdarstellung einer isotropen Mattstruktur, Figur 5 die Fourierraumdarstellung einer anisotropen Mattstruktur,
Figur 6 Ablenkcharakteristiken optisch wirksamer Strukturen, Figur 7 eine Beugungsstruktur in einem Schichtverbund, Figur 8 die Fourierraumdarstellung der Beugungsstruktur, Figur 9 das Sicherheitselement mit einem Musterelement in Draufsicht,
Figur 10 das Sicherheitselement nach der Figur 9 um 180° gedreht, Figur 1 1 eine zweite Ausführungsform des Musterelements, Figur 12 eine dritte Ausführungsform des Musterelements, Figur 13 die dritte Ausführungsform des Musterelements um 180° gedreht,
Figur 14 die Fourierraumdarstellung einer anderen Beugungsstruktur, Figur 15 ein Flächenmuster als vierte Ausführungsform und Figur 16 eine fünfte Ausführung des Musterelements.
In der Figur 1 bedeutet 1 ein Schichtverbund, 2 ein Sicherheitselement, 3 ein Substrat, 4 eine Deckschicht, 5 eine Abformschicht, 6 eine Schutzschicht, 7 eine Kleberschicht, 8 eine reflektierende Grenzschicht, 9 eine optisch wirksame Struktur und 10 eine transparente Stelle in der reflektierenden Grenzschicht 8. Der Schichtverbund 1 besteht aus mehreren Lagen von verschiedenen, nacheinander auf eine hier nicht gezeigte Trägerfolie aufgebrachten Kunststoffschichten und umfasst in der angegebenen Reihenfolge typisch die Deckschicht 4, die
Abformschicht 5, die Schutzschicht 6 und die Kleberschicht 7. Die Trägerfolie ist in einer Ausführung die Deckschicht 4 selbst, in einer anderen Ausführung dient die Trägerfolie zum Applizieren des dünnen Schichtverbunds 1 auf das Substrat 3 und wird danach vom Schichtverbund 1 entfernt, wie dies in der eingangs erwähnten DE 33 08 831 A1 beschrieben ist. Die Grenzschicht 8 bildet die gemeinsame Berührungsfläche zwischen der
Abformschicht 5 und der Schutzschicht 6. In die Abformschicht 5 sind die optisch wirksamen Strukturen 9 eines optisch variablen Musters abgeformt. Da die Schutzschicht 6 die Täler der optisch wirksamen Strukturen 9 verfüllt, weist die Grenzschicht 8 die Form der optisch wirksamen Strukturen 9 auf. Um eine hohe Reflektivität der optisch wirksamen Strukturen 9 zu erhalten, ist an der
Grenzschicht 8 ein Sprung im Brechungsindex erforderlich. Diesen Sprung im Brechungsindex erzeugt z.B. ein Metallbelag, vorzugsweise aus Aluminium, Silber, Gold, Kupfer, Chrom, Tantal usw., der als Grenzschicht 8 die Abformschicht 5 und die Schutzschicht 6 trennt. Infolge seiner elektrischen Leitfähigkeit bewirkt der Metallbelag ein hohes Reflexionsvermögen für sichtbares Licht an der Grenzschicht 8. Den Sprung im Brechungsindex kann anstelle eines Metallbelags auch ein Belag aus einem anorganischen, dielektrischen Material erzeugen mit dem Vorteil, dass der dielektrische Belag zusätzlich transparent ist. Geeignete dielektrische Materialien sind beispielsweise in den eingangs erwähnten Schriften US 4,856,857, Tabelle 1 und WO 99/47983 aufgeführt.
Der Schichtverbund 1 kann als Kunststofflaminat in Form einer langen Folienbahn mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Kopien des optisch variablen Musters hergestellt werden. Aus der Folienbahn werden die Sicherheitselemente 2 beispielsweise ausgeschnitten und mittels der Kleberschicht 7 mit einem Substrat 3 verbunden. Das Substrat 3, meist in Form eines Dokuments, einer Banknote, einer Bankkarte, eines Ausweises oder eines anderen wichtigen bzw. wertvollen Gegenstandes, wird mit dem Sicherheitselement 2 versehen, um die Echtheit des Gegenstandes zu beglaubigen. Wenigstens die Deckschicht 4 und die Abformschicht 5 sind transparent für sichtbares, auf das Sicherheitselement 2 einfallendes Licht 1 1 . An der Grenzschicht 8 wird das einfallende Licht 1 1 reflektiert und durch die optisch wirksame Struktur 9 vorbestimmt abgelenkt. Die optisch wirksamen Strukturen 9 sind diffraktive Strukturen, lichtstreuende Reliefstrukturen, ebene Spiegelflächen usw. Die Figur 2 zeigt das auf das Substrat 3 aufgebrachte Sicherheitselement 2 in Draufsicht. Flächenelemente 12 bilden ein mosaikartiges Flächenmuster in der Ebene des Sicherheitselements 2. Jedes Flächenelement 12 ist mit einer der optisch wirksamen Struktur 9 (Fig. 1 ) belegt. In einer Ausführungsform des Sicherheitselements 2 sind transparente Stellen 10, an denen der reflektierende Metallbelag unterbrochen ist, in die Grenzschicht 8 (Fig. 1 ) eingelassen, damit unter dem Sicherheitselement 2 liegende, auf dem Substrat 3 befindliche Indicia 13 durch das Sicherheitselement 2 hindurch erkennbar sind. In einer anderen Ausführungsform des Sicherheitselements 2 weist die Grenzschicht 8 einen transparenten dielektrischen Belag auf, damit die Indicia 13 unter dem Sicherheitselement 2 sichtbar bleiben. Selbstverständlich sind bei diesen transparenten Ausführungen auch die Schutzschicht 6 (Fig. 1 ) und die Kleberschicht 7 (Fig. 1 ) transparent. Für besonders dünne Ausführungsformen des Schichtverbunds 1 (Fig. 1 ) ist die Schutzschicht 6 weggelassen. Die Kleberschicht 7 ist dann direkt auf die optisch wirksamen Strukturen 9 aufgebracht. Mit Vorteil ist der Kleber ein Heisskleber, der seine Haftfähigkeit erst bei einer Temperatur um 100°C entwickelt. In der eingangs erwähnten US 4,856,857 sind verschiedene Ausführungsformen des Schichtverbunds 1 gezeigt und die dazu verwendbaren Materialien aufgelistet.
Ein Beugungsgitter 24 (Fig. 1 ) ist durch seine Parameter Spatialfrequenz, Azimut, Profilform, Profilhöhe h (Fig. 1 ) usw., bestimmt. Die in den nachstehend beschriebenen Beispielen erwähnten, linearen asymmetrischen Beugungsgitter 24 weisen eine Spatialfrequenz im Bereich von 50 Linien/mm bis 2O00 Linien/mm auf, wobei der Bereich von 100 Linien/mm bis etwa 1 '500 Linien/mm bevorzugt ist. Die geometrische Profilhöhe h weist einen Wert aus dem Bereich 50 nm bis 5'000 nm auf, wobei Vorzugswerte zwischen 100 nm und 2O00 nm liegen. Da das Abformen der Beugungsgitter 24 in die Abformschicht 5 (Fig. 1 ) für geometrische Profilhöhen h die grösser als der Reziprokwert der Spatialfrequenz sind, technisch schwierig ist, sind grosse Werte für die geometrische Profilhöhe h nur bei tiefen Werten für die Spatialfrequenz sinnvoll. In der Figur 3 ist die Beugungseigenschaft eines linearen Beugungsgitters 24
(Fig. 1 ) anhand der eingangs beschriebenen Fourierraumdarstellung mit ersten und zweiten Beugungsordnungen 14, 15 dargestellt, wobei ein Gittervektor 26 des Beugungsgitters 24 parallel zur Richtung x ist. Das Beugungsgitter 24 des im Kreiszentrum angeordneten Flächenelements 12 zerlegt das senkrecht auf die Zeichnungsebene einfallende Licht 1 1 (Fig. 1 ) in Spektralfarben. Strahlen des gebeugten Licht der verschiedenen Beugungsordnungen 14, 15 liegen in der gleichen, durch das einfallende Licht 1 1 und den Gittervektor 26 bestimmten, hier nicht darstellbaren Beugungsebene und sind daher stark gerichtet. Kurzwelligeres Licht mit der Wellenlänge λ = 380 nm (violett) weist in jeder der Beugungsordnungen 14, 15 einen kürzeren Abstand vom Kreismittelpunkt auf als langwelligeres Licht mit der Wellenlänge λ = 700 nm (rot). Die Anzahl der propagierenden Beugungsordnungen 14, 15 hängt von der Spatialfrequenz des Beugungsgitters 24 ab. Im Bereich unterhalb einer Spatialfrequenz von etwa 300 Linien/mm überlappen sich die höheren Beugungsordnungen, so dass dort das gebeugte Licht achromatisch ist. Nach einer Drehung des linearen Beugungsgitters 24 im Azimut um den Winkel θ von wenigen Winkelgraden wird für einen aus der Richtung der x - Koordinate auf das Beugungsgitter 24 blickenden Beobachter das mit dem Beugungsgitter 24 belegte Flächenelement 12 unsichtbar, da der Gittervektor 26 und damit die Beugungsebene mit den Strahlen des gebeugten Lichts nicht mehr in die Richtung der x - Koordinate weisen. Die Mattstrukturen besitzen im mikroskopischen Massstab feine
Reliefstrukturelemente, die das Streuvermögen bestimmen und nur mit statistischen Kenngrössen beschrieben werden können, wie z.B. Mittenrauhwert Ra, Korrelationslänge lc usw., wobei die Werte für den Mittenrauhwert Ra im Bereich 20 nm bis 2'000 nm liegen mit Vorzugswerten von 50 nm bis 500 nm, während die Korrelationslänge lc in wenigstens einer Richtung Werte im Bereich von 200 nm bis 50O00 nm, vorzugsweise zwischen 500 nm bis 10OOO nm, aufweisen.
Die Figur 4 zeigt die Fourierraumdarstellung für das mit einer isotropen Mattstruktur belegte Flächenelement 12 (Fig. 3) bei senkrecht einfallendem Licht 1 1 (Fig. 1 ). Die mikroskopisch feinen Reliefstrukturelemente der isotropen
Mattstruktur weisen keine azimutale Vorzugsrichtung auf, weshalb das gestreute Licht mit einer Intensität grösser als ein vorbestimmter Grenzwert, z.B. durch die visuelle Erkennbarkeit vorgegeben, in einem durch das Streuvermögen der Mattstruktur vorbestimmten Raumwinkel 16 in allen azimutalen Richtungen gleichmässig verteilt ist und das Flächenelement 12 im Tageslicht weiss bis grau erscheint. In allen anderen Richtungen ist das Flächenelement 12 dunkel. Stark streuende Mattstrukturen verteilen das gestreute Licht in einen grösseren Raumwinkel 16 als eine schwach streuende Mattstruktur.
In der Figur 5 weisen die Reliefelemente der Mattstruktur eine bevorzugte Richtung der mikroskopisch feinen Reliefstrukturelemente parallel zur Koordinate x auf. Das gestreute Licht weist daher eine anisotrope Verteilung auf. In der Darstellung der Figur 5 ist der durch das Streuvermögen der Mattstruktur vorbestimmte Raumwinkel 16 ellipsenförmig in Richtung der Koordinate y auseinander gezogen.
In der Figur 6 ist dieser Sachverhalt im Querschnitt dargestellt. Das Sicherheitselement 2 weist das Muster der Flächenelemente 12 auf, die mit den optisch wirksamen Strukturen 9 (Fig. 1 ) belegt sind. Eine ebene Spiegelfläche wirft das unter einem Einfallswinkel α zur Flächennormalen 17 einfallende Licht 11 als reflektierter Strahl 18 unter dem Reflexionswinkel α' zurück, wobei α = α". Die Richtung des einfallenden Lichts 11 , die Flächennormale 17 und der reflektierte Strahl 18 spannen zusammen eine Beugungsebene 19 auf, die in der Figur 6 parallel zur Zeichnungsebene angeordnet ist. Die optisch wirksame Struktur 9 weist die Form des linearen Beugungsgitters 24 (Fig. 1 ) auf, dessen Gittervektor 26 (Fig. 3) parallel zur Koordinate x ausgerichtet ist. Das einfallende Licht 11 wird entsprechend seiner Wellenlänge λ unter den Beugungswinkeln ßi, ß2 als gebeugte Strahlen 20, 21 in jeder der Beugungsordnungen 14 (Fig. 3), 15 (Fig. 3) aus der Richtung des reflektierten Strahls 18 abgelenkt. Ist die optisch wirksame Struktur 9 eine der Mattstrukturen, bilden die Endpunkte von Intensitätsvektoren des rückgestreuten Lichts keulenförmige Oberflächen. Die keulenförmigen Oberflächen schneiden die Beugungsebene 19 beispielsweise in Schnittkurven 22, 23. Weisen die Reliefstrukturelemente der Mattstruktur keine Vorzugsrichtung auf, werden die Lichtstrahlen fast konzentrisch um die Richtung des reflektierten Strahls 18 gestreut. Die Mattstruktur mit der Schnittkurve 22 streut das einfallende Licht 11 stärker und in einen grösseren Raumwinkel 16 (Fig. 4) wie eine Mattstruktur mit der Schnittkurve 23. Wegen der stärkeren Streuung ist die Intensität des in die Richtung des reflektierten Strahls 18 gestreuten Lichts schwächer, wie dies die Schnittkurve 22 im Vergleich zur Schnittkurve 23 anzeigt. Sind die Reliefstrukturelemente im wesentlichen zu einer bevorzugten Richtung, hier senkrecht zur Beugungsebene 19, ausgerichtet, so befinden sich die Orte gleicher Intensität auf abgeflachten, keulenförmigen Oberflächen, die in einer hier nicht gezeigten, zum reflektierten Strahl 18 senkrechten Schnittebene einen ellipsenförmigen Querschnitt aufweisen, wobei auf der Schnittebene der Flächenschwerpunkt des Querschnittes mit dem Durchstosspunkt des reflektierten Strahls 18 zusammenfällt und die Längsachse des ellipsenförmigen Querschnitts senkrecht zur Beugungsebene 19 ausgerichtet ist. Die Verteilung des gestreuten Lichts ist daher anisotrop. Im Gegensatz zu Beugungsstrukturen vermögen die Mattstrukturen das einfallende Licht 11 nicht in die Spektralfarben aufzuspalten.
Bei der Beugung des einfallenden Lichts 11 an dem in der Figur 1 gezeigten asymmetrischen linearen Beugungsgitter 24 sind die Intensität I" des gebeugten Strahls 20 (Fig. 6) in der negativen Beugungsordnung 14 (Fig. 3), 15 (Fig. 3) und die Intensität l+ des gebeugten Strahls 21 (Fig. 6) in der positiven Beugungsordnung 14, 15 ungleich. Die Intensität l+ des gebeugten Strahls 21 übertrifft die Intensität I" des gebeugten Strahls 20 wenigstens um einen Faktor p = 3, vorzugsweise p = 10 oder grösser, d.h. I+ = p«l". Der Faktor p hängt im wesentlichen von der Ausbildung des sägezahnförmigen Profils des Beugungsgitters 24, der Profilhöhe h und der Spatialfrequenz ab. Unterhalb einer Spatialfrequenz von etwa 300 Linien/mm wirkt das asymmetrische Beugungsgitter 24 wie ein geneigter Spiegel, d.h. die Intensität l+ des gebeugten Strahls 21 in den positiven Beugungsordnungen erreicht fast die Intensität des einfallenden Lichts 11 , während die Intensität I" des gebeugten Strahls 20 in den negativen Beugungsordnungen praktisch verschwindend klein ist. Der Faktor p erreicht Werte von 100 oder mehr. Eine Aufspaltung des einfallenden Lichts 11 in die Spektralfarben erfolgt nicht mehr, weshalb solche Beugungsgitter 24 durch den Zusatz "achromatisch" charakterisiert werden. Mehr dazu findet sich im eingangs erwähnten Dokument WO 97/19821. Die Figur 7 zeigt in einer schematischen Darstellung die in die Abformschicht
5 und die Schutzschicht 6 eingebettete, optisch wirksame Struktur 9 (Fig. 1 ), die eine durch eine additive Überlagerung erzeugte Beugungsstruktur 25 aus dem linearen asymmetrischen Beugungsgitter 24 (Fig. 1 ) und der Mattstruktur ist. Die Mattstruktur ist aus darstellerischen Gründen mit einem im Vergleich zur Profilhöhe h kleinen Mittenrauhwert Ra und viel zu regelmässig gezeichnet. Das Profil des linearen asymmetrischen Beugungsgitter 24 weist als weitere Parameter Blazewinkel εi und ε auf, die beide Profilflächen des asymmetrischen Beugungsgitters 24 mit der Ebene des Sicherheitselements 2 (Fig. 6) einschliessen. In der Figur 8 ist der Fourierraum der Beugungsstruktur 25 (Fig. 7) - dargestellt, wobei die Mattstruktur isotrop ist. Die mittels des Beugungsgitters 24 (Fig. 1 ) stark gerichtet gebeugten Strahlen 20 (Fig. 6), 21 (Fig. 6) sind durch die Mattstruktur aufgeweitet. Das ergibt den Vorteil, dass die gebeugten Strahlen 20, 21 in die grossen Raumwinkel 16 abgestrahlt werden und dass für den Beobachter das Flächenelement 12 mit der Beugungsstruktur 25 im ganzen Raumwinkel 16, wenn auch mit einer reduzierten Flächenhelligkeit, leicht erkennbar ist. Je stärker die Mattstruktur streut, desto grösser ist der Raumwinkel 16 unter dem das Flächenelement 12 erkennbar ist und desto geringer ist für den Beobachter die Flächenhelligkeit des Flächenelements 12. Zudem ist die Intensität l+ der in die plus erste Beugungsordnung 14 gebeugten Strahlen 20 um den Faktor p grösser als die Intensität I" der in die minus erste Beugungsordnung 14' gebeugten Strahlen 21. Dies ist in der Zeichnung der Figur 7 durch unterschiedlich dichte Punktraster in den Raumwinkeln 16 dargestellt.
Für Spatialfrequenzen oberhalb etwa 300 Linien/mm des Beugungsgitters 24 ist das einfallende Licht 11 (Fig. 5) in Spektralfarben aufgespalten. Bei Tageslicht bewirkt die Mattstruktur eine Verschmierung der reinen Spektralfarben zu Pastelltönen bis hin zu praktisch weissem Streulicht unabhängig von der Spatialfrequenz des Beugungsgitters 24. Die Pastelltöne weisen mit abnehmender Spatialfrequenz des Beugungsgitters 24 einen immer höheren Weissanteil auf. Unterschreitet die Spatialfrequenz den Wert von etwa 300 Linien/mm, findet keine merkbare Aufspaltung des einfallenden Lichts 11 statt, d.h. das Flächenelement 12 ist in der Farbe des einfallenden Lichts 11 sichtbar.
Aus der Fourierraumdarstellung geht hervor, dass bei dem Flächenelement 12 sowohl beim Kippen um eine in der von den Koordinaten x und y aufgespannten Ebene liegende Achse als auch bei einer Drehung um die Flächennormale 17 (Fig. 6) das von der Beugungsstruktur 25 abgelenkte Licht über einen grossen Winkelbereich, z.B. aus dem Bereich ± 20° bis ± 60°, für den Beobachter sichtbar bleibt, im Gegensatz zu diffraktiven Gittern gemäss der eingangs erwähnten EP 0 105 099 A1 , die nur in einem engen Winkelbereich von wenigen Winkelgraden sichtbar sind und daher beim Kippen und Drehen des Sicherheitselements 2 (Fig. 2) aufblinken. Das Flächenelement 12 mit der Beugungsstruktur 25 weist den Vorteil auf, dass das Flächenelement 12 im Flächenmuster des Sicherheitselements 2 ein quasi statisches Musterelement bildet.
Die Figur 9 zeigt eine einfaches Beispiel des aus zwei Flächenelementen 27, 28 gebildeten quasi statisches Musterelements im Sicherheitselement 2. Das erste Flächenelement 27 mit einer ersten Beugungsstruktur 25 (Fig. 7) grenzt an das zweite Flächenelement 28 mit einer zweiten Beugungsstruktur 25. Das erste Flächenelement 27 und das zweite Flächenelement 28 sind mit mit anderen optisch wirksamen Strukturen belegten Gebieten 29 in einem Flächenmuster auf dem Sicherheitselement 2 angeordnet. Die erste und die zweite Beugungsstruktur
25 unterscheiden sich nur durch die Richtung ihres Gittervektors 26 (Fig. 3) und weisen das in der Figur 8 dargestellte Beugungsverhalten auf. Die Gittervektoren
26 sind in der Figur 9 in den Flächenelementen 27, 28 im wesentlichen antiparallel, d.h. der Azimut der zweiten Beugungsstruktur 25 (Fig. 7) ist gleich der Summe aus dem Azimut der ersten Beugungsstruktur 25 und einem zusätzlichen Azimutwinkel θ (Fig. 3) aus dem Wertebereich 120° bis 240°, wobei der Wert für den Azimutwinkel θ = 180° zu bevorzugen ist. Der Gittervektor 26 der ersten Beugungsstruktur 25 ist parallel zur Koordinate x ausgerichtet. Die Mattstruktur erstreckt sich homogen über die ganze Fläche der beiden Flächenelemente 27, 28. Der Beobachter schaut in die Richtung der Koordinate x und erblickt das erste Flächenelement 27 mit einer geringen Flächenhelligkeit, hingegen das zweite Flächenelement 28 mit einer hohen Flächenhelligkeit, wie dies der in der Zeichnung der Figuren 9 und 10 verwendete Punktraster andeutet. Wird nun das Sicherheitselement 2 in seiner Ebene um 180° gedreht, wie in der Figur 10 gezeigt, wird das Sicherheitselement 2 entgegen der Richtung der Koordinate x betrachtet. Die Flächenhelligkeiten der beiden Flächenelemente 27, 28 sind dann vertauscht, d.h. der Kontrast zwischen den beiden Flächenelementen 27, 28 ist gegenüber der Darstellung in der Figur 9 umgekehrt.
In den folgenden Ausführungsbeispielen sind sowohl die Parameter der asymmetrischen Beugungsgitter 24 (Fig. 1 ) als auch die Parameter der verschiedenen Mattstrukturen in Abhängigkeit des Ortes innerhalb des Flächenelements 12, oder von einem Flächenelement 12, 27, 28 zum andern, unabhängig von einander oder miteinander gekoppelt gemäss der Tabelle 1 verändbar, um leicht beobachtbare, unterschiedliche, auffällige optische Wirkungen der quasi statischen Musterelemente zu erzielen.
Tabelle 1 : Beispiele (Übersicht)
In einer zweiten Ausführungsform ist im quasi stationären Musterelement der Figur 11 eine Vielzahl der ersten Flächenelemente 27 auf dem zweiten Flächenelement 28 als Hintergrundfläche angeordnet, wobei die Gittervektoren 26 (Fig. 3) jedes asymmetrischen Beugungsgitters 24 (Fig. 1 ) in der Beugungsstruktur 25 (Fig. 7) der ersten Flächenelemente 27 einerseits und des zweiten Flächenelements 28 andererseits im wesentlichen antiparallel ausgerichtet sind. Bei einer Ausführungsform weisen die ersten Flächenelemente 27 in einer Vorzugsrichtung 30 einen von Flächenelement 27 zu Flächenelement 27 abnehmenden Flächendeckungsgrad der Beugungsstruktur 25 auf, was durch Einsetzen einer Vielzahl von Teilflächen 31 mit Abmessungen in wenigstens einer Dimension von weniger als 0,3 mm in die ersten Flächenelemente 27 erreicht werden kann. In den Teilflächen 31 ist die Beugungsstruktur 25 des zweiten Flächenelements 28 abgeformt. Die kleinen Teilflächen 31 sind von blossem Auge nicht wahrnehmbar, reduzieren jedoch wirksam die Flächenhelligkeit der ersten Flächenelemente 27. Ein ähnlicher Effekt wird in einer andern Ausführungsform durch Ändern der Asymmetrie der Profilform des Beugungsgitters 24 von Flächenelement 27 zu Flächenelement 27 in der Vorzugsrichtung 30 erreicht. Die Profilform des Beugungsgitters 24 ändert sich von einer ersten stark asymmetrischen Form über ein symmetrisches Profil wieder zu einer zur ersten asymmetrischen Form spiegelsymmetrischen Form. Die Flächenhelligkeit der ersten Flächenelemente 27 nimmt daher in der Vorzugsrichtung 30 ab. Die Mattstruktur hingegen erstreckt sich homogen über das ganze quasi stationären Musterelement. Beim Drehen um 180° des Musterelements in der von den Koordinaten x und y aufgespannten Ebene verändern sich für den Beobachter auffällig die Kontraste zwischen den ersten Flächenelementen 27 und dem zweiten Flächenelement 28.
Im dritten, in der Figur 12 gezeigten Beispiel des quasi stationären Musterelements ist innerhalb des ersten Flächenelements 27 wenigstens eine Teilfläche 31 angeordnet. Das erste Flächenelement 27 und die Teilflächen 31 unterscheiden sich nur durch die Streueigenschaft der zur Erzeugung der Beugungsstruktur 25 (Fig. 7) eingesetzten Mattstruktur. Beispielsweise ist im ersten Flächenelement 27 dem asymmetrischen Beugungsgitter 24 (Fig. 7) eine stark streuende Mattstruktur überlagert, während in der Teilfläche 31 dem asymmetrischen Beugungsgitter 24 eine schwach streuende Mattstruktur überlagert ist. Solange der Beobachter beim Kippen oder Drehen des Musterelements bzw. des Sicherheitselementes 2 (Fig. 9) innerhalb des kleineren der beiden Raumwinkel 16 (Fig. 4) bleibt, sind die Teilflächen 31 vor dem Hintergrund des ersten Flächenelements 27 wegen ihrer höheren
Flächenhelligkeit klar erkennbar. Ausserhalb des kleineren Raumwinkels 16 (Fig. 4), jedoch noch innerhalb des grösseren Raumwinkels 16 der Beugungsstruktur 25 im ersten Flächenelement 27, ist der Kontrast zwischen den Teilflächen 31 und dem ersten Flächenelement 27 vertauscht, so dass die Teilflächen 31 dunkel vor dem hellen Hintergrund der Fläche des ersten Flächenelements 27 erkannt werden. Die Teilflächen 31 können einen Schriftzug, Logo usw. bilden und weisen zur guten Erkennbarkeit wenigstens eine Schrifthöhe von 1 ,5 mm auf; dies verlangt entsprechend grosse Flächenelemente 27, 28. Bei Spatialfrequenzen unter etwa 300 Linien/mm verschwindet der Kontrast zwischen dem ersten Flächenelement 27 und den Teilflächen 31 ausserhalb des grösseren Raumwinkels 16 der Beugungsstruktur 25 im ersten Flächenelement 27; für den Beobachter sind das erste Flächenelement 27 und die Teilflächen 31 gleichmässig dunkel, z.B. auch, wie in der Figur 13 dargestellt, nach der Drehung des
Sicherheitselements 2 (Fig. 1) in den Bereich des Azimutwinkels θ von etwa 180°. Mit Vorteil wird wie im ersten Beispiel das erste Flächenelement 27 an das zweite Flächenelement 28 angrenzen, um noch einen zusätzlichen Kontrastwechsel zwischen dem ersten und dem zweiten Flächenelement 27, 28 zu erhalten, was dem Beobachter ein Auffinden der in den Teilflächen 31 enthaltenen Information erleichtert.
In der Figur 14 weisen die Reliefelemente der Mattstruktur in der Beugungsstruktur 25 (Fig. 7) eine auf den Gittervektor 26 mit dem Azimut θ ausgerichtete bevorzugte Richtung auf. Die mikroskopisch feinen Reliefstruktur- elemente der Mattstruktur sind senkrecht zum Gittervektor 26 des asymmetrischen Beugungsgitters 24 (Fig. 1 ) ausgerichtet. Das gestreute einfallende Licht 11 (Fig. 6) weist daher eine anisotrope Verteilung auf. In der Fourierraumdarstellung der Figur 14 sind die durch das Streuvermögen der Mattstruktur vorbestimmten Raumwinkel 32 und 33 der beiden Beugungsordnungen 14 (Fig. 3) in Form einer Ellipse längs des Gittervektors 26 auseinander gezogen. Die Hauptachse der Ellipse der Raumwinkel 32 und 33 quer zum Gittervektor 26 ist sehr klein, damit das Flächenelement 12 (Fig. 2) im gestreuten Licht in einem grossen Winkelbereich beim Kippen um eine Achse quer zum Gittervektor 26 und nur in einem engen Bereich im Azimut sichtbar ist. Die Intensität l+ der in den Raumwinkel 32 der positiven Beugungsordnung 12 (Fig. 3) gebeugten Strahlen 21 (Fig. 6) ist um den Faktor p grösser als die Intensität I" der in den Raumwinkel 33 der negativen Beugungsordnung 12 gebeugten Strahlen 20 (Fig. 6).
Eine Anwendung dieser Beugungsstruktur 25 ist in der Figur 15 gezeigt. Eine Vielzahl von ellipsenförmigen, in sich geschlossenen schmalen Bändern 34 bildet das Flächenmuster des Sicherheitselements 2. Die Bänder 34 sind gleichmässig im Azimut verteilt derart angeordnet, dass ihre Schwerpunkte 35 zusammenfallen. Jedes Band 34 weist einen durch den Hauptachsen - Azimutwinkel vorbestimmten Azimut des Gittervektors 26 auf, beispielsweise bilden die Bänder 34 mit den Hauptachsenazimutwinkeln 0°, 45°, 90° und 135° eine Gruppe und haben denselben Azimut des Gittervektors 26 (Fig. 14) mit θ = 0°. Die vier Bänder 34 mit dem gleichen Azimut des Gittervektors 26 sind aus derselben Richtung gleichzeitig sichtbar. Die Fläche jedes der Bänder 34 bildet das oben beschriebene Musterelement und ist eingeteilt in die beiden Flächenelemente 27 (Fig. 9), 28 (Fig. 9). Die Einteilung in die beiden mit den Beugungsstrukturen 25 (Fig. 7) belegten Flächenelemente 27, 28 erfolgt gemäss einem Umriss 36 in einer vorbestimmten Form, z.B. einem einfachen Logo, einem Buchstaben, einer Ziffer usw., wobei beispielsweise für den in der Figur 15 gezeigten Umriss 36 die Form eines Kreuzes gewählt ist. Ein ausserhalb des Kreuzes gelegener Teil des Bandes 34 ist beispielsweise als erstes Flächenelement 27 und der innerhalb des Kreuzes gelegene Teil des Bandes 34 als zweites Flächenelement 28 ausgebildet. Die Richtung der Gittervektoren 26 der Beugungsstrukturen 25 in den ersten Flächenelementen 27 und der Beugungsstrukturen 25 in den zweiten
Flächenelementen 28 sind in jedem Band 34 im wesentlichen antiparallel. Die Reliefelemente der Mattstrukturen sind in jedem Band 34 quer zum Gittervektor 26 ausgerichtet. Beim Drehen des Sicherheitselements 2 blinken für den Beobachter jeweils diejenigen Gruppen der Bänder 34 kurz auf, deren Beugungsebene 17 (Fig. 6) mit der Beobachtungsrichtung des Beobachters zusammenfällt, d.h. bezogen auf die Beobachtungsrichtung des Beobachters weisen die Gittervektoren 26 der sichtbaren Bänder 34 den Azimut θ = 0° bzw. 180° auf. Die Helligkeit der innerhalb des Umrisses 36 liegenden Bandteile ist beispielsweise grösser als diejenige der Bandteile ausserhalb des Umrisses 36. Beim Kippen verändert sich der Kontrast nicht wohl aber die vom Beobachter wahrgenommene Mischfarbe, solange die Blickrichtung des Beobachters innerhalb des Raumwinkels 32 (Fig. 14) der positiven Beugungsordnung bleibt. Sobald die Blickrichtung des Beobachters mit Richtungen innerhalb des Raumwinkels 33 (Fig. 14) der negativen Beugungsordnung zusammenfällt, ist der Kontrast zwischen den innerhalb des Umrisses 36 liegenden Bandteilen und den ausserhalb des Umrisses 36 liegenden Bandteilen vertauscht, d.h. die Bandteile innerhalb des Umrisses 36 sind weniger hell als die ausserhalb liegenden Bandteile. Ausserhalb der Raumwinkel 32 und 33 sind die Flächen der Bänder 34 einheitlich dunkel bzw. nicht beobachtbar.
In der Figur 16 ist das fünfte Beispiel veranschaulicht. Eine Vielzahl der Flächenelemente 12 ist innerhalb des Flächenmusters der Sicherheitselements 2 vorbestimmt längs der Vorzugsrichtung 30 angeordnet, wobei benachbarte Flächenelemente 12 beabstandet oder unmittelbar anstossend ausgerichtet sind. In jedem Flächenelement 12 weist das für die Beugungsstruktur 25 (Fig. 7) verwendete Beugungsgitter 24 (Fig. 1) ein anderes Profil auf, wobei der Blazewinkel ε2 (Fig. 7) der breiteren Profilflanke von einem Flächenelement 12 zum benachbarten Flächenelement 12 zwischen den Extremwerten ±ε2 Maχ. sich in Stufen um eine der vorbestimmten Blazewinkelstufen Δε2 ändert. Beispielsweise sind in der Zeichnung der Figur 16 im mittleren Flächenelement 12 die Blazewinkel z. (Fig. 7) und ε2 der Beugungsstruktur 25 gleich null, d.h. die Beugungsstruktur 25 im mittleren Flächenelement 12 ist ein ebener Spiegel überlagert mit der Mattstruktur. Die Beugungsstrukturen 25 der beiden äusseren Flächenelemente 12 weisen den Blazewinkel +ε2 Max. bzw. -ε2 Maχ. auf. Die Mattstruktur ist homogen in allen Flächenelementen 12 und anisotrop wie sie anhand der Figur 5 beschieben ist. Die ellipsenförmigen Raumwinkel 16 (Fig. 5) jedes der Flächenelemente 12 sind in der Fourierraumdarstellung längs der Koordinate x (Fig. 5) entsprechend dem Blazewinkel ε2 der Beugungsstruktur 25 verschoben nebeneinander angeordnet. Die Gittervektoren 26 (Fig. 3) sind im wesentlichen parallel bzw. antiparallel zur Vorzugsrichtung 30 ausgerichtet. Beim Kippen des Sicherheitselements 2 um eine quer zur Vorzugsrichtung 30 ausgerichtete Achse 37 leuchtet für den in der Vorzugsrichtung 30 blickenden Beobachter eines der Flächenelemente 12 nach dem andern hell auf, so dass der Beobachter einen hellen auf dem Sicherheitselement 2 in der Vorzugsrichtung 30 wandernden Streifen 38 erblickt. Beim Kippen um die Vorzugsachse 30 bleibt der Steifen 38 in einem grossen vom Raumwinkel 16 abhängigen Kippwinkel sichtbar.
Anstelle der in den obigen Beispielen verwendeten isotropen Mattstrukturen sind auch anisotrope Mattstrukturen verwendbar. Umgekehrt lassen sich in den obigen Beispielen verwendete anisotrope Mattstrukturen durch isotrope Mattstrukturen ersetzen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1 . Diffraktives Sicherheitselement (2) aus einem Kunststofflaminat (1 ) mit einem mosaikartig wenigstens aus Flächenelementen (12; 27; 28) zusammengesetzten Flächenmuster, wobei in den Flächenelementen (12; 27; 28) eine reflektierende Grenzschicht (8) zwischen einer Abformschicht (5) und einer Schutzschicht (6) des Kunststofflaminats (1 ) optisch wirksame Strukturen (9) bildet und auf das Kunststofflaminat (1 ) einfallendes, durch eine Deckschicht (4) des Kunststofflaminats (1 ) und durch die Abformschicht (5) hindurchtretendes Licht (1 1 ) mittels der optisch wirksamen Strukturen (9) vorbestimmt abgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in die Fläche wenigstens eines der Flächenelemente (12; 27; 28) eine aus einer Überlagerung eines linearen asymmetrischen Beugungsgitters (24) mit einer Mattstruktur erzeugte Beugungsstruktur (25) abgeformt ist, dass das lineare asymmetrische Beugungsgitter (24) eine Spatialfrequenz aus dem Wertebereich 50 Linien/mm bis 2O00 Linien/mm aufweist und dass die Mattstruktur einen Mittenrauhwert aus dem Bereich 20 nm bis
2O00 nm und wenigstens in einer Richtung eine Korrelationslänge von 200 nm bis 50O00 nm besitzt.
2. Sicherheitselement (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Flächenelement (28) an ein erstes Flächenelement (27) angrenzt, dass in die Fläche des zweiten Flächenelement (28) die Beugungsstruktur
(25) abgeformt ist und dass der Gittervektor (26) der linearen asymmetrischen Beugungsgitter (24) im ersten Flächenelement (27) im wesentlichen antiparallel zum Gittervektor (26) der linearen asymmetrischen Beugungsgitter (24) im zweiten Flächenelement (28) ausgerichtet ist.
3. Sicherheitselement (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Flächenelement (12, 27) Teilflächen (31 ) mit einer Beugungsstruktur (25) angeordnet sind, wobei sich die Beugungsstruktur (25) der Teilflächen
(31 ) von der Beugungsstruktur (25) des Flächenelements (12, 27) nur durch das Streuvermögen der Mattstruktur unterscheidet.
4. Sicherheitselement (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilflächen (31 ) eine Information in Form eines Logos oder Schriftzugs bilden.
5. Sicherheitselement (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl der ersten Flächenelemente (27) auf der Fläche des zweiten Flächenelements (28) angeordnet ist, dass die ersten Flächenelemente (27) in einem Raster eine Vielzahl von Teilflächen (31 ) mit einer grössten Abmessung in wenigstens einer Dimension von weniger als 0,3 mm enthalten, dass in den Teilflächen (31 ) die Beugungsstruktur (25) des zweiten Flächenelements (28) abgeformt ist und dass längs einer Vorzugsrichtung (30) sich der Flächendeckungsgrad der Beugungsstruktur (25) des ersten Flächenelements (27) von Flächenelement (27) zu Flächenelement (27) ändert.
6. Sicherheitselement (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl der ersten Flächenelemente (27) auf der Fläche des zweiten Flächenelements (28) angeordnet ist und dass längs einer Vorzugsrichtung (30) sich die Asymmetrie der für die Beugungsstruktur (25) in den ersten Flächenelementen (12) eingesetzten Beugungsgitter (24) von
Flächenelement (27) zu Flächenelement (27) ändert.
7. Sicherheitselement (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl der Flächenelemente (12) nebeneinander auf der Fläche des Flächenmusters angeordnet sind und dass längs einer Vorzugsrichtung (30) ein Blazewinkel (ε2) des für die Beugungsstruktur (25) im
Flächenelement (12) eingesetzten asymmetrischen Beugungsgitters (24) von einem Flächenelement (12) zum anderen Flächenelement (12) um eine der vorbestimmten Blazewinkelstufen (Δε) verändert ist.
8. Sicherheitselement (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mattstruktur isotrop ist.
9. Sicherheitselement (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mattstruktur anisotrop ist.
10. Sicherheitselement (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter (24) achromatisch ist und eine Spatialfrequenz zwischen 50 Linien/mm und 300 Linien/mm aufweist.
1 1. Sicherheitselement (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzschicht (8) ein Belag aus einem Metall der Gruppe Aluminium, Silber, Gold, Chrom oder Tantal ist.
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