EP3000614B1

EP3000614B1 - Optisch variables sicherheitselement mit reflektivem flächenbereich

Info

Publication number: EP3000614B1
Application number: EP15002684.7A
Authority: EP
Inventors: Maik Rudolf Johann Scherer; Christian Fuhse; Michael Rahm
Original assignee: Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Current assignee: Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Priority date: 2014-09-23
Filing date: 2015-09-16
Publication date: 2018-09-12
Anticipated expiration: 2035-09-16
Also published as: EP3000614A1; DE102014014082A1

Description

Die Erfindung betrifft ein optisch variables Sicherheitselement zur Absicherung von Wertgegenständen, mit einem Träger mit einem reflektiven Flächenbereich, dessen Ausdehnung eine x-y-Ebene und eine darauf senkrecht stehende z-Achse definiert. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sicherheitselements sowie einen entsprechend ausgestatteten Datenträger.
Datenträger, wie etwa Wert- oder Ausweisdokumente, oder andere Wertgegenstände, wie etwa Markenartikel, werden zur Absicherung oft mit Sicherheitselementen versehen, die eine Überprüfung der Echtheit der Datenträger gestatten und die zugleich als Schutz vor unerlaubter Reproduktion dienen.
Eine besondere Rolle bei der Echtheitsabsicherung spielen Sicherheitselemente mit betrachtungswinkelabhängigen Effekten, da diese selbst mit modernsten Kopiergeräten nicht reproduziert werden können. Die Sicherheitselemente werden dabei mit optisch variablen Elementen ausgestattet, die dem Betrachter unter unterschiedlichen Betrachtungswinkeln einen unterschiedlichen Bildeindruck vermitteln und beispielsweise je nach Betrachtungswinkel einen anderen Farb- oder Helligkeitseindruck und/oder ein anderes graphisches Motiv zeigen.
Eine gerade im Bereich von Sicherheitselementen weit verbreitete Technik, die einer praktisch ebenen Folie ein dreidimensionales Erscheinungsbild verleiht, sind diverse Formen der Holographie. Für die Anwendung bei Sicherheitsmerkmalen, insbesondere auf Banknoten, haben diese Techniken jedoch einige Nachteile. Zum einen hängt die Qualität der dreidimensionalen Darstellung eines Hologramms stark von den Beleuchtungsverhältnissen ab. Insbesondere bei diffuser Beleuchtung sind die Darstellungen von Hologrammen oft nur schwer zu erkennen. Darüber hinaus haben Hologramme den Nachteil, dass sie inzwischen im Alltag an vielen Stellen präsent sind und daher ihre besondere Stellung als Echtheitskennzeichen schwindet.
Dokument DE 10 2010 049 831 A1 offenbart ein optisch variables Flächenmuster, das in zumindest drei Teilbereiche mit jeweils mehreren Pixelabschnitten aufgeteilt ist, wobei ein erster und ein zweiter der Teilbereiche bei Kippung um eine erste Achse und somit betrachtungswinkelabhängig zwei verschiedene Ansichten eines ersten Motivs so darbieten, dass bei einem Betrachter ein dreidimensionaler Bildeindruck entsteht.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein optisch variables Sicherheitselement der eingangs genannten Art anzugeben, das die Nachteile des Stands der Technik vermeidet, und insbesondere, eine Sicherheitselement zu schaffen, das trotz flacher Ausgestaltung ein visuell attraktives dreidimensionales Erscheinungsbild mit hohem Aufmerksamkeits- und Wiedererkennungswert aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß der Erfindung ist bei einem gattungsgemäßen Sicherheitselement vorgesehen, dass

der reflektive Flächenbereich eine Vielzahl von reflektiven Pixeln enthält, die jeweils eine oder mehrere, gleich orientierte reflektive Facetten aufweisen, wobei eine Orientierung jeder Facette relativ zur x-y-Ebene durch die Angabe ihres normalisierten Normalenvektors bestimmt ist,
die reflektiven Facetten so orientiert sind, dass der reflektive Flächenbereich für einen Betrachter als gegenüber seiner tatsächlichen Raumform vor- und/oder zurückspringende Fläche wahrnehmbar ist, und
zumindest ein Teil der Facetten mit einem diffraktiven Gittermuster aus einer Vielzahl von Gitterlinien versehen ist, dessen Gittervektor parallel zum Kreuzprodukt des Einheitsvektors in z-Richtung mit dem Normalenvektor der jeweiligen Facette liegt.

Durch diese Maßnahmen kann das Sicherheitselement trotz außerordentlich flacher Gestaltung mit einer maximalen Höhendifferenz von beispielsweise nur 10 µm einen deutlichen dreidimensionalen Eindruck der dargestellten Motive erzeugen. Darüber hinaus kann durch die besondere Abstimmung der Orientierung der Facetten und der auf den Facetten ausgebildeten diffraktiven Gittermuster die Dispersion des Lichts bei geschliffenen transparenten Materialien, wie Glas oder Diamant, überzeugend nachgebildet werden, wie weiter unten im Detail erläutert.
Der Gittervektor eines Gittermusters ist dabei wie üblich ein Vektor, der senkrecht auf den Gitterlinien steht und dessen Betrag die Gitterperiode angibt.
Die reflektiven Pixel enthalten vorzugsweise jeweils zwei oder mehr gleich orientierte Facetten, es ist jedoch auch möglich, dass ein Teil der Pixel oder alle Pixel jeweils nur eine Facette enthalten. Zumindest ein Teil der Pixel und/oder der Facetten ist vorteilhaft mit einem Umriss in Form eines Motivs, insbesondere in Form von Zeichen oder Symbolen ausgebildet. Die besonderen Umrisse können als zusätzliches Echtheitsmerkmal verwendet werden, das nur unter Vergrößerung sichtbar wird. Weiter kann in einen Teil der Pixel oder Facetten zusätzlich ein Mikrotext eingeschrieben sein. Der Mikrotext kann dabei sowohl auf die Facetten geschrieben sein oder auch anstelle einiger der Facetten auf dem Träger vorliegen.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist von den parallel zur x-y-Ebene liegenden Facetten zumindest ein Teil mit einem diffraktiven Gittermuster aus einer Vielzahl von Gitterlinien versehen, dessen Gittervektor im Wesentlichen parallel zu den Gittervektoren der Gittermuster angrenzender Facetten liegt. Diese Forderung trägt der Tatsache Rechnung, dass die oben genannte Bedingung an den Gittervektor bei parallel zur x-y-Ebene liegenden Facetten nicht angewandt werden kann, da das Kreuzprodukt des Einheitsvektors in z-Richtung mit dem Normalenvektor dann verschwindet. Um einen gleichmäßigen Dispersionseindruck zu erhalten, werden die parallel zur x-y-Ebene liegenden Facetten daher vorteilhaft mit einem Gittermuster versehen, dessen Gittervektor im Wesentlichen parallel zu den Gittervektoren der Gittermuster angrenzender Facetten liegt. Beispielsweise kann der Gittervektor einer solchen Facette als Mittelwert der Gittervektoren der angrenzenden Facetten mit einem gültigen Gittervektor gewählt werden.
Die reflektiven Facetten sind mit Vorteil so orientiert, dass der reflektive Flächenbereich für einen Betrachter als gewölbte, insbesondere kontinuierlich gewölbte Fläche wahrnehmbar ist. Mit besonderem Vorteil ist der reflektive Flächenbereich als eine in zwei Raumrichtungen gewölbte, insbesondere kontinuierlich gewölbte Fläche wahrnehmbar.
Die Gittermuster der reflektiven Facetten erzeugen mit Vorteil in der ersten und gegebenenfalls den höheren Beugungsordnungen farbige Reflexionen, die für einen Betrachter als Dispersion eines transparenten Materials, wie Glas oder Diamant wahrnehmbar ist.
Die Neigung der reflektiven Facetten gegen die x-y-Ebene weist vorzugsweise keine dominante Vorzugsrichtung auf, so dass es also keine auf der x-y-Ebene senkrecht stehende Ebene gibt, in der mehr als 80% der Normalenvektoren der reflektiven Facette liegen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Gitterlinien von allen der mit einem diffraktiven Gittermuster versehenen Facetten einen Gittervektor parallel zum Kreuzprodukt des Einheitsvektors in z-Richtung mit dem Normalenvektor der jeweiligen Facette auf. Die diffraktiven Gittermuster weisen mit Vorteil eine Gitterperiode zwischen 0,3 µm und 4 µm, vorzugsweise zwischen 0,6 µm und 3 µm auf.
In einer vorteilhaften Erfindungsvariante weisen alle Gittermuster des Flächenbereichs dieselbe Gitterperiode auf. Alternativ kann auch die Gitterperiode einzelner Facetten abweichend gewählt werden, wodurch die Stärke der imitierten Dispersion variiert werden kann.
Die Facetten sind bevorzugt im Wesentlichen als ebene Flächenelemente ausgebildet. Die Formulierung "im Wesentlichen" trägt dabei der Tatsache Rechnung, dass sich in der Praxis herstellungsbedingt keine perfekt ebenen Flächenelemente erzeugen lassen. Alternativ können die Facetten auch als gekrümmte, insbesondere konkave, konvexe oder gewellte Flächenelemente ausgebildet sein. Allgemein lässt sich eine Facette durch die Angabe der Facettenfläche h(x,y) beschreiben, wobei eine ebene Facette eine Facettenfläche der Form $h_{1} (x, y) = c_{x} * x + c_{y} * y + c_{0}, für (x, y) \in B$
mit Konstanten c_x, c_y, und co und einem zusammenhängenden Bereich B der x-y-Ebene aufweist.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung sind die reflektiven Facetten in einem periodischen Raster angeordnet und bilden insbesondere ein Sägezahngitter. Alternativ sind die reflektiven Facetten aperiodisch angeordnet, wobei eine aperiodische Anordnung der Facetten derzeit bevorzugt ist, da dadurch unerwünschte Beugungseffekte, die von einer regelmäßige Anordnungen der Facetten herrühren, vermieden werden können.
Eine weitere Möglichkeit, unerwünschte Beugungseffekte zu unterdrücken, besteht darin, die Facetten in ihrer Höhe über dem Flächenbereich aperiodisch gegeneinander zu versetzen. Bei einer aperiodischen Versetzung der Facetten gibt es keinen einfachen, regelmäßigen Zusammenhang zwischen den Höhen benachbarter Facetten, so dass eine konstruktive Interferenz des an benachbarten Facetten reflektierten Lichts und damit das Entstehen eines überlagerten Beugungsmusters zuverlässig verhindert werden. Einzelheiten einer solchen aperiodischen Versetzung können der Druckschrift WO 2012/055506 A1 entnommen werden, deren Offenbarungsgehalt insoweit in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
Die Facetten weisen mit Vorteil in der Richtung des Gittervektors des Gittermusters eine Abmessung von 10 µm oder mehr, bevorzugt von 20 µm oder mehr, besonders bevorzugt von 30 µm oder mehr, auf. In der auf dem Gittervektor senkrecht stehenden Richtung weisen die Facetten mit Vorteil eine Abmessung zwischen 5 µm und 30 µm, bevorzugt zwischen 7,5 µm und 15 µm auf, und die Höhe der Facetten liegt vorteilhaft zwischen 0 und 10 µm, vorzugsweise zwischen 0 und 5 µm.
Die reflektiven Facetten weisen in vorteilhaften Gestaltungen eine metallische Beschichtung, eine hochbrechende Beschichtung, oder eine Beschichtung mit einer farbkippenden Schicht auf.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Teil der Facetten ohne diffraktives Gittermuster ausgebildet. Durch den Anteil der gitterfreien Facetten kann der Grad der imitierten Dispersion eingestellt werden.
Der beschriebene reflektive Flächenbereich kann mit anderen Sicherheitsmerkmalen kombiniert werden, beispielsweise mit Hologrammen, insbesondere Echtfarbenhologrammen, mit Subwellenlängengittern oder anderen Subwellenlängenstrukturen, mit Mikrospiegelanordnungen ohne diffraktive Gitter, oder auch mit Sicherheitsmerkmalen, die auf speziellen Materialeigenschaften, wie elektrischer Leitfähigkeit, magnetischen Eigenschaften, Lumineszenz, Fluoreszenz oder dergleichen basieren. Die anderen Sicherheitsmerkmale können beispielsweise in Lücken des reflektiven Flächenbereichs vorgesehen und mit diesem verschachtelt sein.
Schließlich sei bemerkt, dass die angegebene Bedingung, dass der Gittervektor parallel zum Kreuzprodukt des Einheitsvektors in z-Richtung mit dem Normalenvektor der jeweiligen Facette liegt, für reale Strukturen natürlich nicht mathematisch exakt erfüllt sein muss oder kann, sondern dass es sich für den Fachmann versteht, dass kleine, beispielsweise fabrikationstechnische unvermeidliche Abweichungen von den mathematisch exakten Bedingungen die beschriebenen Effekte und die Funktionsweise der Sicherheitselemente nicht beeinträchtigen.
Die Erfindung enthält auch einen Datenträger mit einem Sicherheitselement der beschriebenen Art. Bei dem Datenträger kann es sich insbesondere um ein Wertdokument, wie eine Banknote, insbesondere eine Papierbanknote, eine Polymerbanknote oder eine Folienverbundbanknote, um eine Aktie, eine Anleihe, eine Urkunde, einen Gutschein, einen Scheck, eine hochwertige Eintrittskarte, aber auch um eine Ausweiskarte, wie etwa eine Kreditkarte, eine Bankkarte, eine Barzahlungskarte, eine Berechtigungskarte, einen Personalausweis oder eine Passpersonalisierungsseite handeln.
Die Erfindung enthält weiter ein Verfahren zur Herstellung eines optisch variablen Sicherheitselements der oben beschriebenen Art, bei dem

ein Träger bereitgestellt und mit einem reflektiven Flächenbereich versehen wird, dessen Ausdehnung eine x-y-Ebene und eine darauf senkrecht stehende z-Achse definiert,
wobei der reflektive Flächenbereich mit einer Vielzahl von reflektiven Pixeln ausgebildet wird, die jeweils eine oder mehrere, gleich orientierte reflektive Facetten aufweisen, wobei eine Orientierung jeder Facette relativ zur x-y-Ebene durch die Angabe ihres normalisierten Normalenvektors bestimmt ist,
die reflektiven Facetten so orientiert werden, dass der reflektive Flächenbereich für einen Betrachter als gegenüber seiner tatsächlichen Raumform vor- und/oder zurückspringende Fläche wahrnehmbar ist, und
zumindest ein Teil der Facetten mit einem diffraktiven Gittermuster aus einer Vielzahl von Gitterlinien versehen wird, dessen Gittervektor parallel zum Kreuzprodukt des Einheitsvektors in z-Richtung mit dem Normalenvektor der jeweiligen Facette liegt.

Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Sicherheitselements können die reflektiven Facetten zusammen mit den diffraktiven Gittermustern beispielsweise mittels Graustufenlithographie in einen Fotolack geschrieben, anschließend entwickelt, galvanisch abgeformt, in einen UV-Lack geprägt und verspiegelt werden. Die Verspiegelung kann beispielsweise durch eine aufgebrachte, beispielsweise aufgedampfte Metallschicht verwirklicht werden. Typischerweise wird dabei eine Aluminiumschicht mit einer Stärke von beispielsweise 50 nm aufgebracht. Natürlich können auch andere Metalle, wie etwa Silber, Kupfer, Chrom, Eisen, Nickel oder Legierungen davon verwendet werden. Auch können alternativ zu Metallen Halbleiter wie etwa Silizium, hochbrechende Beschichtungen, beispielsweise aus ZnS, Al₂O₃ oder TiO₂, oder auch farbkippende Schichten aufgebracht werden. Das Aufbringen, insbesondere Bedampfen kann vollflächig erfolgen, es ist jedoch auch möglich, eine nur bereichsweise bzw. rasterförmige Beschichtung durchzuführen, so dass das Sicherheitselement teilweise transparent bzw. transluzent ist.
Weitere Ausführungsbeispiele sowie Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert, bei deren Darstellung auf eine maßstabs- und proportionsgetreue Wiedergabe verzichtet wurde, um die Anschaulichkeit zu erhöhen.
Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer Banknote mit einem erfindungsgemäßen optisch variablen Sicherheitselement in Form eines aufgeklebten Transferelements,
Fig. 2: illustriert das Zustandekommen des dreidimensionalen Erscheinungsbilds des Sicherheitselements der Fig. 1,

Fig. 3: einen Detailausschnitt des reflektiven Flächenbereichs mit drei Pixeln entlang einer Höhenlinie der in Fig. 2 gezeigten gewölbten Fläche,
Fig. 4: eine perspektivische Ansicht einer einzelnen Facette mit ihrem Gittermuster,
Fig. 5: einen Ausschnitt eines reflektiven Flächenbereichs eines erfindungsgemäßen Sicherheitselements, bei dem jedes Pixel aus nur einer Facette besteht und bei dem die Pixel bzw. Facetten aperiodisch in der x-y-Ebene angeordnet sind,
Fig. 6: den reflektiven Flächenbereich eines Sicherheitselements nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung im Querschnitt, und
Fig. 7: in (a) bis (c) die Spiegelreflexe und die beim Kippen auftretende Dispersionswirkung anhand der Darstellung der Wertzahl "50" der Fig. 1, wobei (a) eine Aufsicht ohne Darstellung der Dispersionswirkung, und (b) und (c) einerseits die Bewegung der farblosen und lichtstarken Reflexionen in 0-ter Beugungsordnung und andererseits das Auftreten farbiger Reflexionen beim Kippen des Sicherheitselements zeigen.

Die Erfindung wird nun am Beispiel von Sicherheitselementen für Banknoten erläutert. Figur 1 zeigt dazu eine schematische Darstellung einer Banknote 10 mit einem erfindungsgemäßen optisch variablen Sicherheitselement 12 in Form eines aufgeklebten Transferelements. Es versteht sich allerdings, dass die Erfindung nicht auf Transferelemente und Banknoten beschränkt ist, sondern bei allen Arten von Sicherheitselementen eingesetzt werden kann, beispielsweise bei Etiketten auf Waren und Verpackungen oder bei der Absicherung von Dokumenten, Ausweisen, Pässen, Kreditkarten, Gesundheitskarten und dergleichen. Bei Banknoten und ähnlichen Dokumenten kommen neben Transferelementen beispielsweise auch Sicherheitsfäden oder Sicherheitsstreifen in Betracht.
Das in Fig. 1 gezeigte Sicherheitselement 12 ist selbst außerordentlich flach mit maximalen Höhendifferenzen von etwa 10 µm ausgebildet, vermittelt dem Betrachter aber dennoch einen deutlichen dreidimensionalen Eindruck der dargestellten Motive, beispielsweise des Brillanten 14 und der aus der Ebene der Banknote 10 scheinbar gewölbt herausragenden Wertzahl 16. Zusätzlich zeigen die beiden Motive 14, 16 beim Hin- und Herkippen des Sicherheitselements 12 farbige Reflexe, wie sie bei der Dispersion des Lichts bei geschliffenen transparenten Materialien, wie Glas oder Diamant auftreten. Das Sicherheitselement 12 weist daher eine hohe Wertigkeit und auch einen hohen Aufmerksamkeits- und Wiedererkennungswert auf.
Das optisch variable Sicherheitselement 12 enthält einen reflektiven Flächenbereich 20, dessen Ausdehnung eine x-y-Ebene definiert, die hier mit der Oberfläche der Banknote 10 zusammenfällt. Die z-Achse steht senkrecht auf der x-y-Ebene, so dass das durch die drei Achsen gebildete Koordinatensystem ein Rechtssystem bildet.
Der Aufbau erfindungsgemäßer Sicherheitselemente und das Zustandekommen der dreidimensionalen Darstellung mit imitierter Dispersion wird nun mit Bezug auf die Figuren 2 bis 4 näher erläutert. Zunächst illustriert Fig. 2 das Zustandekommen des dreidimensionalen Erscheinungsbilds des Sicherheitselements 12, wobei das Bezugszeichen 40 die vom Betrachter bei der Betrachtung des Sicherheitselements 12 wahrgenommene, in zwei Raumrichtungen gewölbte Fläche darstellt. Figur 3 zeigt einen Detailausschnitt des reflektiven Flächenbereichs 20 mit drei Pixeln 30 entlang einer Höhenlinie 44 der gewölbten Fläche 40 und Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer einzelnen Facette 32 mit ihrem Gittermuster 34.
Zurückkommend zunächst auf die Darstellung der Fig. 2 ist im Träger 38 des Sicherheitselements 12 nicht die vom Betrachter wahrgenommene gewölbte Fläche 40 selbst ausgebildet, sondern eine Vielzahl reflektierender Pixel 30, die jeweils drei reflektierende Facetten 32 mit gleicher Orientierung enthalten, und die durch die Orientierung der Facetten 32 das Reflexionsverhalten der gewölbten Fläche 40 imitiert.
Dabei ist die Orientierung jeder Facette 32 durch die Neigung der Facette gegen die x-y-Ebene und einen Azimutwinkel oder auch durch die Angabe ihres normalisierten Normalenvektors n = (n_x, n_y, n_z) mit |n| = 1 und positiver z-Komponente bestimmt. Der Azimutwinkel einer Facette ist dabei der Winkel zwischen der Projektion des Normalenvektors n in die x-y-Ebene und einer vorbestimmten Referenzrichtung R (Fig. 3). Um das Reflexionsverhalten der gewölbten Fläche 40 nachzubilden, sind die Facetten 32 jeweils so orientiert, dass ihr Normalenvektor n gerade dem über die Ausdehnung eines Pixels 30 gemittelten lokalen Normalenvektor N der gewölbten Fläche 40 entspricht.
Im Ausführungsbeispiel sind die Pixel 30 mit quadratischem Umriss ausgebildet, sie können im Allgemeinen aber auch andere Umrissformen, insbesondere eine Motivform, wie etwa Zeichen oder Symbole aufweisen. Die Kantenlänge der Pixel 30 liegt unterhalb von 300 µm und liegt insbesondere im Bereich von 20 µm bis 100 µm. Länge und Breite der Facetten 32 liegen oberhalb vom 5 µm, um Farbaufspaltungen durch die Facettenanordnung selbst zu vermeiden. Die Höhe der Facetten liegt nur zwischen 0 und 10 µm, vorzugsweise zwischen 0 und 5 µm, so dass der gesamte reflektive Flächenbereich 20 Höhenunterschiede von maximal 10 µm aufweist, welche mit bloßem Auge nicht wahrnehmbar sind.
Da die geometrische Reflexionsbedingung "Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel" für die Reflexion von gerichtetem Licht 42 nur von der lokalen Orientierung des Normalenvektors der reflektierenden Fläche 40, 20 abhängt und die Pixel 30 zudem sehr klein sind und damit selbst nicht in Erscheinung treten, zeigt der reflektierende Flächenbereich 20 im Wesentlichen dieselben Reflexionseigenschaften wie die zu imitierende dreidimensionale Fläche 40 und erzeugt daher beim Betrachter trotz seiner geringen Höhendifferenzen den ausgeprägt dreidimensionalen Eindruck der imitierten Fläche 40.
Die reflektiven Facetten 32 sind insgesamt so orientiert, dass der reflektive Flächenbereich 20 für einen Betrachter als gegenüber seiner tatsächlichen Raumform vor- und/oder zurückspringende Fläche 40 wahrnehmbar ist. Die tatsächlichen Raumform des reflektiven Flächenbereichs 20 ist durch die Abfolge der geneigten Facetten, im Ausführungsbeispiel etwa durch die regelmäßige sägezahnartige Anordnung der Facetten 32 gegeben. Wegen der Allgemeinheit der beschriebenen Konstruktion lassen sich mit dem reflektiven Flächenbereich 20 praktisch beliebige dreidimensional wahrnehmbare Motive erzeugen, wie etwa Portraits, Darstellungen von Gegenständen, Tieren oder Pflanzen, oder räumliche Darstellungen alphanumerischer Zeichen, beispielsweise die hervorgewölbte Wertzahl "50" der Fig. 1.
Um über die Imitation der Dreidimensionalität der Fläche 40 hinaus auch die bei geschliffenen transparenten Materialien auftretende Dispersion des Lichts imitieren zu können, sind die reflektiven Facetten 32 des Flächenbereichs 20 zusätzlich mit diffraktiven Gittermustern 34 versehen, die jeweils aus einer Vielzahl paralleler Gitterlinien 36 bestehen. Die Orientierung der Gitterlinien 36 ist im Rahmen der Erfindung dabei gerade so gewählt, dass der Gittervektor g des Gittermusters 34, der definitionsgemäß senkrecht auf den Gitterlinien 36 steht und dessen Betrag die Gitterperiode angibt, parallel zum Kreuzprodukt des Einheitsvektors e _z in z-Richtung mit dem Normalenvektor n der jeweiligen Facette liegt.
Mit e_z = (0,0,1) und n = (n_x, n_y, n_z) ist also g || (e_z x n) und der Gittervektor jeder Facette kann allgemein als g = (g_x, g_y, 0) mit der Gitterperiode | g | geschrieben werden. In Fig. 4 ist der Zusammenhang zwischen dem Normalenvektor n, dem Einheitsvektor e_z und dem Gittervektor g des Gittermusters 34 für eine Facette 32 grafisch veranschaulicht. Ebenfalls eingezeichnet ist die Neigung γ der Facette gegen die x-y-Ebene.
Der Detailausschnitt der Fig. 3 zeigt in Aufsicht drei Pixel 30 mit jeweils drei Facetten 32, die entlang einer Höhenlinie 44 der gewölbten Fläche 40 der Fig. 2 liegen und die sich daher im Wesentlichen nicht in der Neigung γ der Facetten gegen die x-y-Ebene, sondern nur im Azimutwinkel A der Facetten unterscheiden. In Fig. 3 ist dazu für die Pixel 30 jeweils die Projektion des Normalenvektors n in die x-y-Ebene, die Referenzrichtung R und der Azimutwinkel A eingezeichnet. Figur 3 zeigt ebenfalls den resultierenden Gittervektor g und die zugehörigen Gitterlinien 36 des Gittermusters 34. Der Übersichtlichkeit halber sind die Gitterlinien 36 nur in einer der drei Facetten 32 jedes der Pixel 30 eingezeichnet. Da die Facetten 32 eines Pixels 30 alle gleich orientiert sind, weisen die anderen Facetten des Pixels 30 denselben Normalenvektor n und damit auch denselben Gittervektor g und somit auch dasselbe Gittermuster 34 auf. Wie in Fig. 3 dargestellt, liegen die Begrenzungslinien des Umrisses der Facetten 32 mit Vorteil soweit möglich senkrecht zu den Gitterlinien 36. Dadurch kann erreicht werden, dass bei jeder Orientierung der Facetten eine möglichst große Anzahl an Gitterlinien 36 für die Beugung und damit für ein brillantes Erscheinungsbild zur Verfügung steht. Zudem lassen sich, insbesondere bei Mikrospiegeln mit gleicher Spiegelsteigung, größere Facettenhöhen weitgehend vermeiden.
Wird zur näheren Erläuterung zunächst nur eine reflektive Facette 32 ohne diffraktives Gittermuster 34 betrachtet, so wirkt die gitterfreie Facette 32 als achromatisch reflektierender Mikrospiegel, der einfallendes Licht ohne Farbaufspaltung nach den Gesetzen der geometrischen Optik reflektiert. Ist aus einer Betrachtungsrichtung, die in der von dem Normalenvektor und der z-Achse aufgespannten Ebene liegt, für die Facette 32 die Reflexionsbedingung "Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel" erfüllt, erscheint die Facette farblos hell, ansonsten dunkel. Da die Reflexionsbedingung nur für einen Kippwinkel exakt erfüllt ist, ergibt sich beim Kippen der reflektiven Facette senkrecht zu der genannten Ebene eine abrupte, diskrete Helligkeitsänderung.
Nimmt man nun das diffraktive Gittermuster 34 hinzu, so dass zusätzlich die Beugung des einfallenden Lichts an dem Gittermuster berücksichtigt werden muss, so tritt anstelle der Richtung des geometrisch gerichtet reflektierten Lichtstrahls die Richtung der 0-ten Beugungsordnung des Gittermuster. In der Richtung der 0-ten Beugungsordnung ist die Reflexionsbedingung "Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel" erfüllt, die Facette erscheint hell und farblos, wenn auch typischerweise mit etwas geringerer Helligkeit als im oben beschriebenen gitterfreien Fall, da ein Teil des Lichts in andere Raumrichtungen gebeugt wird.
Bei den Gittermustern 34 liegt die Ausbreitungsrichtung des gebeugten Lichts in einer Ebene, die durch den Gittervektor g und die Richtung der 0-ten Beugungsordnung aufgespannt wird. Innerhalb dieser Ebene wird die Richtung des gebeugten Lichts durch die Gittergleichung $sin α + sin β = m λ / | g |$
angegeben, in der m die Beugungsordnung, | g | den Betrag des Gittervektors und damit die Gitterperiode, und λ die Wellenlänge bedeuten. Die Winkel α bzw. β sind die Winkel des einfallenden bzw. reflektierenden Lichts, projiziert in die von dem Gittervektor g und dem Normalenvektor n aufgespannte Ebene. Der Winkel α wird dabei stets positiv genommen, der Winkel β positiv, wenn er, wie bei den erfindungsgemäßen Gestaltungen üblich, bezüglich der Gitternormalen auf derselben Seite wie α liegt, ansonsten negativ.
Für die oben genannte Betrachtungsrichtung in der Ebene des Normalenvektors und der z-Achse ändern sich die Winkel α und β der Gittergleichung beim Kippen der reflektive Facette um eine Achse senkrecht zu der genannten Ebene nicht. Bei einer Verkippung um eine andere Achse ändern sich dagegen mit der Verkippung auch die Winkel α und β in der Gittergleichung graduell. Bei einer solchen Verkippung tritt also eine graduelle Farb- und/oder Intensitätsänderung auf, durch die sich insbesondere der Farbeindruck der Facette 32 kontinuierlich verändert.
Kehrt man nun zu einem reflektiven Flächenbereich 20 zurück, der aus einer Vielzahl von Facetten 32 mit unterschiedlichen Neigungswinkeln γ und Azimutwinkeln A besteht, so weist die Gesamtheit der Facetten keine ausgezeichnete Kippachse auf. Vielmehr wird bei jeder Verkippung um eine beliebige Achse ein Teil der Facetten 32 eine diskrete Intensitätsänderung zeigen, während ein anderer Teil eine graduelle Farb- und/oder Intensitätsänderung zeigt. Die farblosen und lichtstarken Reflexionen in 0-ter Beugungsordnung tragen dabei besonders zu dem Eindruck einer dreidimensionalen gewölbten Fläche 40 bei, da sie die Spiegelung durch die gewölbte Fläche 40 nachstellen.
Die farbigen Reflexionen der ersten und höheren Beugungsordnungen suggerieren dem Betrachter zusätzlich das Auftreten von Dispersion, welche ihm von geschliffenen transparenten Objekten her vertraut ist. Von besonderer Bedeutung ist dabei, dass die farbigen Reflexionen benachbarter Pixel 30 nicht unabhängig voneinander sind, da auch die Orientierungen der Facetten 32 benachbarte Pixel nicht unabhängig voneinander sind, sondern vielmehr gerade so gewählt sind, dass die Pixel 30 in ihrer Gesamtheit gerade das Reflexionsverhalten der dreidimensionalen Fläche 40 reproduzieren. Mit der räumlichen Orientierung sind daher auch die farbigen Reflexionen benachbarter Pixel 30 korreliert und führen zu makroskopisch erkennbaren farbigen Reflexionen, die, wie die Erfinder überraschend gefunden haben, das Auftreten von Dispersion in transparenten Materialien imitieren.
Die oben genannte Bedingung, nach der der Gittervektor g des Gittermusters parallel zum Kreuzprodukt des Einheitsvektors in z-Richtung e_z mit dem Normalenvektor n der jeweiligen Facette liegen soll, kann auf parallel zur x-y-Ebene liegenden Facetten nicht angewandt werden, da das Kreuzprodukt dort gleich Null ist. Wie oben beschrieben werden die parallel zur x-y-Ebene liegenden Facetten daher vorteilhaft mit einem Gittermuster versehen, dessen Gittervektor im Wesentlichen parallel zu den Gittervektoren der Gittermuster angrenzender Facetten liegt.
Weiter legt die oben genannte Bedingung an den Gittervektor g nur dessen Richtung, nicht aber seinen Betrag fest. Vielmehr kann durch die Wahl der Gitterperiode unabhängig von den bisherigen Überlegungen der Grad der imitierten Dispersion eingestellt werden. Kleinere Gitterperioden führen dabei zu einer stärker ausgeprägten räumlichen Auffächerung des Lichtes nach Spektralfarben und damit zu farbigen Reflexionen von geringerer Intensität. Nach der Festlegung der Richtung des Gittervektors wird die Gitterperiode also gemäß der Stärke des gewünschten dispersiven Erscheinungsbilds der gewölbten Fläche 40 gewählt.
Eine weitere Möglichkeit, den Grad der imitierten Dispersion einzustellen, besteht darin, einen bestimmten Teil der Facetten ohne Gittermuster auszubilden und durch den Anteil gitterfreier Facetten den Grad der imitierten Dispersion zu reduzieren.
Die reflektiven Pixel 30 bzw. die reflektiven Facetten 32 können, wie in Fig. 3 gezeigt, in einem regelmäßigen Raster angeordnet sein und beispielsweise ein regelmäßiges Blazegitter bilden. Die erfindungsgemäßen Flächenbereiche sind allerdings nicht auf regelmäßige Pixel- oder Facettenanordnungen beschränkt, vielmehr werden sogar bevorzugt aperiodische Pixel- oder Facettenanordnungen verwendet, da dadurch unerwünschte Beugungseffekte, wie sie durch regelmäßige Anordnungen entstehen können, vermieden werden.
Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der einfacheren Darstellung halber jedes Pixel 30 aus nur einer Facette 32 besteht und bei dem die Pixel bzw. Facetten aperiodisch in der x-y-Ebene angeordnet sind. Um trotz der Höhendifferenzen benachbarter Facetten und dem damit einhergehenden Phasensprung einen Flächenbereich mit klaren Beugungsfarben zu erhalten, beträgt die Abmessung der Facetten in der Richtung des Gittervektors g des enthaltenden Gittermusters 34 mindestens 10 µm, bevorzugt mindestens 20 µm, besonders bevorzugt mindestens 30 µm. In der auf dem Gittervektor g senkrecht stehenden Richtung beträgt die Abmessung der Facetten jeweils zwischen 5 µm und 30 µm, bevorzugt zwischen 7,5 µm und 15 µm. Die Höhe der Facetten liegt zwischen 0 und 10 µm, vorzugsweise zwischen 0 und 5 µm. Wie bei Fig. 3 liegen die Begrenzungslinien des Umrisses der Facetten 32 bzw. der Pixel 30 mit Vorteil soweit möglich senkrecht zu den Gitterlinien 36. Dadurch steht unabhängig von der Orientierung der Facetten bzw. Pixel eine maximale Anzahl an Gitterlinien 36 für die Beugung und damit für ein brillantes Erscheinungsbild zur Verfügung. Auch können größere Facettenhöhen weitgehend vermieden werden.
Eine weitere Möglichkeit, unerwünschte Beugungseffekte durch die Aufteilung des Flächenbereichs in Facetten zu unterdrücken, besteht darin, die Facetten in ihrer Höhe über dem Flächenbereich aperiodisch gegeneinander zu versetzten. Beispielsweise zeigt Fig. 6 den reflektiven Flächenbereich 50 eines Sicherheitselements 12 im Querschnitt, bei dem die im Ausschnitt gezeigten Facetten 52 zwar alle gleiche Neigung aufweisen, jedoch in aperiodischer, insbesondere in unregelmäßige Weise um einen Höhenversatz zwischen Null und mindestens einer halben Wellenlänge aus ihrer regelmäßigen Ausgangslage versetzt sind. Dadurch werden die Gangunterschiede zwischen unterschiedlichen Facetten 52-j, 52-k in unregelmäßiger Weise um einen Wert zwischen Null und mindestens einer ganzen Wellenlänge verändert. Die von den unterschiedlichen Facetten 52-j, 52-k reflektierten Lichtstrahlen 54-j und 54-k stehen dann in einer zufälligen Phasenbeziehung, so dass das Raster der Facetten 52 trotz einer periodischen Anordnung gleich ausgerichteter Facetten 52 nicht als beugende Struktur wirkt und daher keine störenden sekundären Beugungseffekte auftreten.
Figur 7 illustriert schematisch die Spiegelreflexe und die beim Kippen auftretende Dispersionswirkung anhand der Darstellung der Wertzahl 16 der Fig. 1. Mit Bezug auf Fig. 7(a) erscheint die Wertzahl 16 mit gewölbten und aus der x-y-Ebene des Flächenbereichs 20 deutlich herausragenden Ziffern 60. Die in der Figur weiß erscheinenden inneren Ziffernbereiche stellen dabei helle Spiegelreflexe 62 dar, die dem Betrachter die Illusion einer sich ihm entgegenwölbenden Fläche vermitteln. Diese Illusion wird durch die scheinbare Bewegung der Spiegelreflexe 62 beim Kippen um eine der Kippachsen 70, 72 noch verstärkt. Wie in Fig. 7(b) dargestellt, wandern die Spiegelreflexe 62 beim Kippen um die in der Figur waagrechte Kippachse 70 nach oben bzw. beim Kippen in Gegenrichtung nach unten und verhalten sich damit genauso wie die Spiegelreflexe an der imitierten dreidimensionalen Fläche. In gleicher Weise wandern die Spiegelreflexe 62 beim Kippen um die in der Figur senkrechte Kippachse 72 nach rechts bzw. beim Kippen in Gegenrichtung nach links, wie in Fig. 7(c) gezeigt, und verhalten sich damit wie die Spiegelreflexe an der imitierten dreidimensionalen Fläche.
Zusätzlich zu dieser Bewegung der Spiegelreflexe 62, die von den farblosen und lichtstarken Reflexionen in 0-ter Beugungsordnung hervorgerufen wird, erzeugen die Gittermuster 34 der Facetten 32 in erster und den höheren Beugungsordnungen farbige Reflexionen 64. Wie in Figuren 7(b) und 7(c) illustriert, sind die farbigen Reflexionen 64 wegen der besonderen Orientierung der Gittermuster 34 beim Kippen um die waagrechte Kippachse 70 in den senkrechten Bereichen 66 der Spiegelreflexe 62 ausgeprägter und sind beim Kippen um die senkrechte Kippachse 72 in den waagrechten Bereichen 68 der Spiegelreflexe 62 ausgeprägter. Solche farbigen Reflexionen 64 treten üblicherweise bei geschliffenen transparenten Gegenständen auf und suggerieren dem Betrachter daher das Vorliegen entsprechender Objekte. Durch die ansprechende und eindrucksvolle visuelle Wirkung steigen der Aufmerksamkeits- und Wiedererkennungswert und damit auch die Fälschungssicherheit des Sicherheitselements 12.

Bezugszeichenliste

10: Banknote
12: Sicherheitselement
14: Brillantmotiv
16: Wertzahl
20: reflektiver Flächenbereich
30: Pixel
32: reflektive Facetten
34: diffraktives Gittermuster
36: Gitterlinien
38: Träger
40: gewölbte Fläche
42: Reflexion von gerichtetem Licht
44: Höhenlinie
50: reflektiver Flächenbereich
52, 52-j, 52-k: Facetten
54-j, 54-k: reflektierte Lichtstrahlen
50: reflektiver Flächenbereich
52,54: Teilbereiche
60: Ziffern
62: Spiegelreflexe
64: farbige Reflexionen
66: senkrechte Bereiche
68: waagrechte Bereiche
70,72: Kippachsen

Claims

Optisch variables Sicherheitselement (12) zur Absicherung von Wertgegenständen (10), wobei das Sicherheitselement einen Träger mit einem reflektiven Flächenbereich (20) aufweist, dessen Ausdehnung eine x-y-Ebene und eine darauf senkrecht stehende z-Achse definiert,
wobei
- der reflektive Flächenbereich eine Vielzahl von reflektiven Pixeln (30) enthält, die jeweils eine oder mehrere, gleich orientierte reflektive Facetten (32) aufweisen, wobei eine Orientierung jeder Facette relativ zur x-y-Ebene durch die Angabe ihres normalisierten Normalenvektors bestimmt ist,

- die reflektiven Facetten so orientiert sind, dass der reflektive Flächenbereich für einen Betrachter als gegenüber seiner tatsächlichen Raumform vor- und/oder zurückspringende Fläche (40) wahrnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass

- zumindest ein Teil der Facetten mit einem diffraktiven Gittermuster (34) aus einer Vielzahl von Gitterlinien (36) versehen ist, dessen Gittervektor parallel zum Kreuzprodukt des Einheitsvektors in z-Richtung mit dem Normalenvektor der jeweiligen Facette liegt.
Sicherheitselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von den parallel zur x-y-Ebene liegenden Facetten zumindest ein Teil mit einem diffraktiven Gittermuster aus einer Vielzahl von Gitterlinien versehen ist, dessen Gittervektor im Wesentlichen parallel zu den Gittervektoren der Gittermuster angrenzender Facetten liegt.
Sicherheitselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektiven Facetten so orientiert sind, dass der reflektive Flächenbereich für einen Betrachter als gewölbte, insbesondere kontinuierlich gewölbte Fläche wahrnehmbar ist, vorzugsweise als eine in zwei Raumrichtungen gewölbte, insbesondere kontinuierlich gewölbte Fläche wahrnehmbar ist.
Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gittermuster der reflektiven Facetten in der ersten und gegebenenfalls höheren Beugungsordnungen farbige Reflexionen erzeugen, die für einen Betrachter als Dispersion eines transparenten Materials, wie Glas oder Diamant, wahrnehmbar ist.
Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung der reflektiven Facetten gegen die x-y-Ebene keine dominante Vorzugsrichtung aufweist, insbesondere dass es keine auf der x-y-Ebene senkrecht stehende Ebene gibt, in der mehr als 80% der Normalenvektoren der reflektiven Facette liegen.
Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die diffraktiven Gittermuster eine Gitterperiode zwischen 0,3 µm und 4 µm, vorzugsweise zwischen 0,6 µm und 3 µm aufweisen.
Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle Gittermuster des Flächenbereichs dieselbe Gitterperiode aufweisen.
Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Facetten im Wesentlichen als ebene Flächenelemente ausgebildet sind.
Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektiven Facetten in einem periodischen Raster angeordnet sind und insbesondere ein Sägezahngitter bilden.
Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektiven Facetten aperiodisch angeordnet sind.
Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Facetten in ihrer Höhe über dem Flächenbereich aperiodisch gegeneinander versetzt sind.
Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mit einem Gittermuster versehenen Facetten in der Richtung des Gittervektors des Gittermusters eine Abmessung von 10 µm oder mehr, bevorzugt von 20 µm oder mehr, besonders bevorzugt von 30 µm oder mehr, aufweisen, und/oder dass die Facetten in der auf dem Gittervektor senkrecht stehenden Richtung eine Abmessung zwischen 5 µm und 30 µm, bevorzugt zwischen 7,5 µm und 15 µm aufweisen, und/oder dass die Höhe der Facetten zwischen 0 und 10 µm, vorzugsweise zwischen 0 und 5 µm liegt.
Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektiven Facetten eine metallische oder halbleitende Beschichtung, eine hochbrechende Beschichtung oder eine Beschichtung mit einer farbkippenden Schicht aufweisen.
Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Facetten ohne diffraktives Gittermuster ausgebildet ist.
Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der reflektiven Facetten mit einem Umriss ausgebildet ist, der in der Richtung des Gittervektors des Gittermusters zumindest eine Begrenzungslinie aufweist, die senkrecht zu den Gitterlinien des Gittermusters liegt.
Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Pixel mit einem Umriss in Form eines Motivs, insbesondere in Form von Zeichen oder Symbolen ausgebildet ist.
Datenträger mit einem Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16.
Verfahren zum Herstellen eines optisch variablen Sicherheitselements nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem
- ein Träger bereitgestellt und mit einem reflektiven Flächenbereich versehen wird, dessen Ausdehnung eine x-y-Ebene und eine darauf senkrecht stehende z-Achse definiert,

- wobei der reflektive Flächenbereich mit einer Vielzahl von reflektiven Pixeln ausgebildet wird, die jeweils eine oder mehrere, gleich orientierte reflektive Facetten aufweisen, wobei eine Orientierung jeder Facette relativ zur x-y-Ebene durch die Angabe ihres normalisierten Normalenvektors bestimmt ist,

- die reflektiven Facetten so orientiert werden, dass der reflektive Flächenbereich für einen Betrachter als gegenüber seiner tatsächlichen Raumform vor- und/oder zurückspringende Fläche wahrnehmbar ist, und

- zumindest ein Teil der Facetten mit einem diffraktiven Gittermuster aus einer Vielzahl von Gitterlinien versehen wird, dessen Gittervektor parallel zum Kreuzprodukt des Einheitsvektors in z-Richtung mit dem Normalenvektor der jeweiligen Facette liegt.