EP3172601A1 - Sicherheitselement mit subwellenlängengitter - Google Patents

Sicherheitselement mit subwellenlängengitter

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Publication number
EP3172601A1
EP3172601A1 EP15752915.7A EP15752915A EP3172601A1 EP 3172601 A1 EP3172601 A1 EP 3172601A1 EP 15752915 A EP15752915 A EP 15752915A EP 3172601 A1 EP3172601 A1 EP 3172601A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
grid
security element
grating
plane
webs
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15752915.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans Lochbihler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Original Assignee
Giesecke+Devrient GmbH
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 Giesecke+Devrient GmbH filed Critical Giesecke+Devrient GmbH
Publication of EP3172601A1 publication Critical patent/EP3172601A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1809—Diffraction gratings with pitch less than or comparable to the wavelength
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B42—BOOKBINDING; ALBUMS; FILES; SPECIAL PRINTED MATTER
    • B42D—BOOKS; BOOK COVERS; LOOSE LEAVES; PRINTED MATTER CHARACTERISED BY IDENTIFICATION OR SECURITY FEATURES; PRINTED MATTER OF SPECIAL FORMAT OR STYLE NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; DEVICES FOR USE THEREWITH AND NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; MOVABLE-STRIP WRITING OR READING APPARATUS
    • B42D25/00—Information-bearing cards or sheet-like structures characterised by identification or security features; Manufacture thereof
    • B42D25/20—Information-bearing cards or sheet-like structures characterised by identification or security features; Manufacture thereof characterised by a particular use or purpose
    • B42D25/29—Securities; Bank notes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B42—BOOKBINDING; ALBUMS; FILES; SPECIAL PRINTED MATTER
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    • B42D25/30—Identification or security features, e.g. for preventing forgery
    • B42D25/328—Diffraction gratings; Holograms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B42—BOOKBINDING; ALBUMS; FILES; SPECIAL PRINTED MATTER
    • B42D—BOOKS; BOOK COVERS; LOOSE LEAVES; PRINTED MATTER CHARACTERISED BY IDENTIFICATION OR SECURITY FEATURES; PRINTED MATTER OF SPECIAL FORMAT OR STYLE NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; DEVICES FOR USE THEREWITH AND NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; MOVABLE-STRIP WRITING OR READING APPARATUS
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    • B42D25/30—Identification or security features, e.g. for preventing forgery
    • B42D25/351—Translucent or partly translucent parts, e.g. windows
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    • G02B5/1828—Diffraction gratings having means for producing variable diffraction
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
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    • G02B5/203—Filters having holographic or diffractive elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1866—Transmission gratings characterised by their structure, e.g. step profile, contours of substrate or grooves, pitch variations, materials

Definitions

  • the invention relates to a security element for producing value documents, such as banknotes, checks or the like, which has a line grid structure.
  • Safety elements with periodic line gratings are known, for example from DE 102009012299 A1, DE 102009012300 A1 or DE
  • a line grating with subwavelength structures which has angle-dependent, color-filtering properties.
  • the line grid has a rectangular profile made of a dielectric material.
  • the horizontal surfaces are covered with a high refractive dielectric.
  • this structure is also a dielectric material, wherein preferably the refractive indices of the grating substrate and the cover material are identical.
  • an optically active structure is formed, which consists of two gratings of the high refractive index material, which are spaced apart by the height of the original rectangular profile.
  • grid lattice webs are made of zinc sulfide (ZnS).
  • One-dimensional periodic gratings can have color filter properties in the sub-wavelength range if the grating profile is designed so that resonance effects occur in the visible wavelength range. These color filter properties depend on the angle of the incident light.
  • DE 3248899 C2 describes a sub-wavelength structure which has angle-dependent color-filtering properties.
  • This grid has a rectangular shape in cross-section and is equipped with a high refractive index (HRI)
  • the security element marketed under the name DID is based on this structure and uses the color filter properties in reflection: a light-absorbing background is required in order to perceive a color effect WO 2012/019226 A1 also describes embossed sub-wavelength gratings with a color effect Rectangular profile, on the plateaus of which metal particles or metallic nanoparticles are imprinted, showing lattice and polarization effects in transmission. Furthermore, subwavelength gratings are known as angle-dependent color filters which have a metallic or semi-metallic bi-layer arrangement, eg from DE 102011115589 A1 or Z.
  • a sub-wavelength structure with an approximately 70 nm ZnS coating is known. These structures are only suitable as a color filter in reflection. Therefore, the structure must additionally be applied to a light-absorbing substrate in order to achieve a sufficient color contrast, which is then visible in reflection.
  • Sub-wave gratings with metallic coatings show a relatively high color saturation in transmission. Due to the light absorption in the metal, they therefore appear relatively dark.
  • Sinusoidal grids coated with a thin metal film can cause plasmonic resonance effects. These resonances lead to increased transmission in TM polarization, cf. Y. Jorlin et al., "Spatially and polarized resolved plasmon mediated transmission through continuous metal films"; Opt. Express 17, 12155-12166 (2009).
  • a security element for the production of documents of value comprising: a dielectric substrate, a first grid structure embedded in the substrate, of a plurality of first grid webs of high refractive index running along a longitudinal direction and arranged in a first plane , dielectric or semi-metallic material and a second line grid structure embedded in the substrate of longitudinally extending second grid bars of high refractive dielectric or semimetallic material located above the first line grid structure in a second plane with respect to the first plane, the first grid bars respectively have a first thickness and a first width and are juxtaposed at a distance, so that between the first grid webs along the longitudinal direction extending first grid column with the distance corresponding width g are formed, the second line grid structure is inverted to the first line grid structure, wherein in plan view of the first Level, the second grid
  • a double line grid which consists of two levels superimposed, complementary to each other, i. consists of mutually displaced line grid structures.
  • a phase shift of 90 ° is the ideal value, which of course can be seen in the context of manufacturing accuracy.
  • phase shift arise here, because usually a rectangular profile is not perfect, but can be approximated only by a trapezoidal profile whose upper parallel edge is shorter than the lower.
  • the phase shift corresponds to half a period.
  • the line grid structures are of high refractive, dielectric or semi-metallic material.
  • the thickness of the grid webs is optionally less than the modulation depth, that is, the spacing of the grid planes of the line grid structures. But it can also be larger, so that forms a closed film. Then the distance between the first and second plane is less than the sum of (0.5 * first layer thickness) and (0.5 * second layer thickness). It was found that, despite the increased layer thickness, such a grid, surprisingly, provides reproducible and easily perceptible color effects during tilting in transmission analysis.
  • the security element can be easily manufactured by a layer construction by first providing a base layer on which the first line grid structure is formed.
  • a dielectric intermediate layer is applied which covers the first line grid structure and is optionally thicker than the grid bars of the first line grid structure.
  • the displaced second line grid structure can then be formed thereon, and a dielectric cover layer forms the termination of the substrate embedding the line grid structure.
  • a sub-waveguide having a rectangular profile in cross-section can first be formed in the dielectric substrate as well. If this is vaporized vertically with the high-index material, a layer is formed on the plateaus and in the trenches, which form the first and second lattice webs. You have the desired first and second grid bars in different levels. They are contiguous when the thickness of the grid webs is greater than the modulation depth of the rectangular profile of the previously structured dielectric substrate.
  • the vertical distance between the first and the second lattice webs ie the modulation depth of the structure
  • the two planes are used, which can be defined, for example, by areas of the first and second line grid structures that correspond to one another, ie, for example, from the underside of the grid bars or the top side of the grid bars.
  • the vertical distance is of course perpendicular to the parallel To measure level, so called the height difference between rectified surfaces of the grid bars.
  • all materials can be considered that are opposite to the surrounding substrate, i. Material, have a higher refractive index, in particular by at least 0.3 higher.
  • the security element with the double line grid shows an angle-dependent color filtering during transmission observation. This angular dependency is particularly striking when the grid lines are perpendicular to the light incidence plane.
  • the color filter can be used to make motifs multicolored so that they change their color with the twisted position or show different effects when tilting the plane. It is therefore preferred that in plan view of the plane at least two areas are provided whose longitudinal directions of the line grid structures are at an angle to one another, in particular at right angles. When viewed vertically, such a motif can be designed so that it has a uniform color and no other structure when viewed vertically. If you tilt this element now, the color of one area, for example the background, changes differently than the color of the other area, for example a motif.
  • Fig. 1 is a sectional view of a security element with a
  • Fig. 2 is a sectional view of a security element with a
  • FIG. 7a-b show a CIE 1931 color diagram for reflection and transmission of the security element of FIG. 1 or 2
  • FIG. 8 color values in the LCh color space for reflection and transmission for the security elements of FIGS. 1 and 2 with variation of a viewing angle
  • 9a-b is a representation similar to Fig. 7a-b for two further embodiments of the security element
  • Fig. 10a-b two plan views of a motif, which as a security element with
  • FIG. 12a-b representations similar to Fig. 7a-b for further embodiments of the security element and
  • FIG. 13 representations similar to Fig. 10a-b with the difference that the individual areas are filled with gratings of different periods.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a security element S, which has a double line grid embedded in a substrate 1, consisting of two line grid structures 2, 6.
  • the first line grid structure 2 is incorporated, which is arranged in a plane LI.
  • the first line Terpatented 2 consists of first grid bars 9 with the width a, which extend along a direction perpendicular to the plane longitudinal direction. Between the first grid bars 3 there are first grid gaps 4, which have a width b.
  • the thickness of the first grid bars 3 (measured perpendicular to the plane L) is indicated by tl.
  • the second line lattice structure 6 with second lattice webs 7 of the thickness t2 is located in a plane L2.
  • the second line grating structure 6 is phase-shifted in the plane L2 relative to the first line grating structure 2 in such a way that the second grate webs 7 come to rest as precisely as possible (within the manufacturing accuracy) over the first grating gaps 4.
  • second grid gaps 8, which exist between the second grid bars 7, lie over the first grid bars 3.
  • the thickness t 1 in the embodiment of FIG. 1 is smaller than the height h, so that no continuous film of the grid bars 3 and 7 is formed.
  • 1 in FIG. 1 is the modulation depth h, ie the height difference between the first line grating structure 2 and the second line grating structure 6 (corresponding to the distance of the planes Ll and L2) is greater than the sum of the thicknesses of the first grid bars 3 and the second grid bars 7, so that a vertical separation between the two line grid structures 2 and 6 is given.
  • Fig. 2 thus results in a coherent film of the grid bars 3 and 7. That is a first type.
  • the grating in Fig. 1 has a modulation depth which is greater than the wire height tl.
  • This grid can be considered as an arrangement of two wire meshes, which have the same profile and are at a distance h - tl from each other.
  • the structure of Fig. 2, on the other hand, has a modulation depth which is smaller than the thickness t1. Therefore, the high refractive structure is spatially coherent there. This is a second type.
  • the grid bars 3, 7 are in all embodiments of a high-refractive, dielectric or semi-metallic material.
  • the high-index material has the refractive index n 2 and is surrounded by dielectrics. In practice, these refractive indices of the surrounding material hardly differ and are approximately ni.
  • the refractive index n 2 of the high refractive index material is above that of the surrounding material, eg at least 0.3 absolute.
  • the security element S of FIG. 1 reflects incident radiation E as reflected radiation R. Further, a radiation component is transmitted as
  • the reflection and transmission properties depend on the angle of incidence ⁇ , as will be explained below.
  • the production of the security element S can take place, for example, by first applying the first line grid structure 2 and then an intermediate layer 5 to a base layer 9.
  • the second line grid structure with the second grid webs 7 can then be introduced into the grid column 4 depicted at the top.
  • a cover layer 10 covers the security element.
  • the dimensions b, a and t are in the sub-wavelength range, ie smaller than 300 nm.
  • the modulation depth is preferably between 100 nm and 500 nm.
  • a production method is also possible in which first a rectangular grid is produced on an upper side of the substrate 1.
  • the substrate 1 is thus structured such that trenches of the width a alternate with webs of the width b.
  • the patterned substrate is then vapor-deposited with the desired coating to form the first and second line grids and the first and second line grating structures. After evaporation, the structure is finally covered with a cover layer. This gives a layer structure in which the top and bottom have substantially the same refractive index.
  • the structured substrate can be obtained in various ways.
  • One option is the reproduction with a master.
  • the master can now be replicated in UV varnish on foil, eg PET foil.
  • hot embossing The master, or even the substrate itself, can be fabricated using an e-beam, focused ion beam, or interference lithography, writing the structure into a photoresist and then developing it.
  • the structure of a photolithographically produced master can be etched in a subsequent step into a quartz substrate in order to form as vertical as possible edges of the profile.
  • the quartz wafer then serves as a preform and may e.g. be copied in Ormocer or duplicated by galvanic impression.
  • a direct impression of the photolithographically produced original in Ormocer or in nickel in a galvanic process is possible.
  • a motif with different lattice structures can be assembled in a nanoimprint process starting from a homogeneous lattice master.
  • the incident light is unpolarized.
  • FIGS. 1 and 2 show on the y-axis the reflection as a function of the wavelength plotted on the x-axis for different angles of incidence, namely 0 °, 15 °, 30 ° and 45 °.
  • Fig. 3b shows analog transmission.
  • the angle of incidence ⁇ is defined in FIGS. 1 and 2.
  • the spectral reflectance shows sharp peaks, which essentially reside as dips in the transmission spectra.
  • three peaks or dips in the range of about 550 nm to 650 nm can be seen.
  • For increasingly oblique angles of incidence separate these resonances.
  • One part is moved to the long-wave part, another part to the short-wave part. This shift can be approximated from the grid equation and results in the resonance wavelength ⁇ r
  • the optical interaction of this lattice can be described as so-called "guided mode resonance.”
  • the lattice acts as a light coupler and as a waveguide at the same time. These arrangements show electromagnetic resonances that manifest themselves as sharp peaks or dips in the spectra.
  • FIGS. 4a and b The spectra for a security element of the second type (FIG. 2), that is to say with a contiguous, high-index region, are shown in FIGS. 4a and b.
  • the spectra show qualitatively a similar pattern as in FIG. 3.
  • the resonance at ⁇ 620 nm, however, is much more pronounced.
  • the spectral absorption for this grating is shown in FIG. Here is a strong absorption in the UV and in the blue due to the relatively high k value of ZnS can be seen. It also shows that the resonances produce sharp absorption peaks even in the long-wave range.
  • h 210 nm
  • the absorption effect of the semi-metallic ZnS (see FIG. 5) promotes the sparkleness of the gratings described here in transmission.
  • a purely dielectric coating without absorption would lead to a lower color saturation, but would also be possible.
  • Fig. 7 shows this effect in the CIE 1931 color space.
  • the white point is labeled "WP.”
  • the triangle delimits the color range, which can usually be represented by screens.
  • the graph shows the x, y color coordinates as trajectories.
  • the color properties of the reflection are shown in Fig. 7a and the color diagram of the transmission is shown in Fig. 7b
  • a security feature can be formed so that a subject M in transmitted light viewing is not visible and it appears only when tilted. This can be done by two regions 14, 15 are arranged with the same grid profile rotated by 90 ° to each other. This arrangement is shown in FIG.
  • the grid lines of the area 14 forming the background run vertically, while the grid lines in the area 15 forming the motif M are horizontal. If now the security element is tilted about the horizontal axis, the motif M appears. There are also other orientations of regions. conceivable. By finely graduated oriented areas, for example, running effects in transmission can be generated. Here reference is made by way of example to DE 102011115589 AI. Now it is also possible to design motifs through areas with different profiles of the grid.
  • the optical properties of gratings of different period show that embodiments with ZnS coated gratings with the periods 420 nm, 340 nm, and 280 nm reflect the base colors red, green, blue (RGB) in transmittance at the tilted viewing angle.
  • RGB red, green, blue
  • the chroma clearly increases with increasing thickness t> 100 nm. An optimum lies at about te200 nm.
  • these properties are used to create colored motifs by arranging the security elements described above with different grating periods in the range.
  • Fig. 13 shows schematically a security element S with a motif M, which consists of three colors. These three areas are occupied by gratings of different periods. Their grid lines are oriented horizontally. When viewed vertically, the grids show a slight color contrast. The subject is only weakly recognizable. When tilted about the horizontal axis, the motif appears in the three colors in strong hue.
  • the security element can serve as a see-through window of banknotes. It can also be partially overprinted in color.
  • the high-index coating can also be partially removed, for example, by laser irradiation with ultrashort pulses.
  • a combination with high refractive transparent holograms is possible. Such holograms can also act as reflection features. A part of the subwavelength grating may be on an absorbing background, so that this part now serves as a reflective feature and forms a contrast to the other part of the grating which lies in the region of the see-through window.
  • the security element gratings with the corresponding profile parameters can reproduce the basic colors RGB in transmission at an oblique angle of incidence. When viewed vertically, however, the color saturation is weak. In reflection, the lattice structure appears almost in the complementary colors to the transmission.
  • true color images can be generated by subwavelength gratings.
  • the individual image pixels are defined by subpixels corresponding to the base colors, e.g. RGB colors, correspond, reproduced. Grids with the corresponding grid profile produce the desired color in the individual areas. Their area proportions are chosen so that a viewer perceives each pixel as a mixed color of the subpixel areas.
  • This method can also be used for the gratings described here, so that a true color image can be seen in oblique viewing in transmission, which almost disappears when viewed perpendicularly.
  • the security element can serve in particular as a see-through window of banknotes or other documents. It can also be partially overprinted in color or the grid areas can be partially demetallized be designed or without line grid, so that such an area is completely metallized. Combinations with diffractive grating structures, such as holograms, are also conceivable.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sicherheitselement zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, das aufweist ein dielektrisches Substrat (1), eine in das Substrat (1) eingebettete erste Liniengitterstruktur (2) aus mehreren längs einer Längsrichtung verlaufenden und in einer ersten Ebene (L1) angeordneten ersten Gitterstegen (3) aus hochbrechendem Material und eine in das Substrat (1) eingebettete zweite Liniengitterstruktur (6) aus längs der Längsrichtung verlaufenden zweiten Gitterstegen (7) aus hochbrechendem Material, die sich bezogen auf die erste Ebene (L1) über der ersten Liniengitterstruktur (2) in einer parallelen zweiten Ebene (L2) befindet, wobei die ersten Gitterstege (3) jeweils eine erste Dicke (t1) und eine erste Breite (b) haben und in einem Abstand (a) nebeneinanderliegen, so dass zwischen den ersten Gitterstegen (3) längs der Längsrichtung verlaufende erste Gitterspalte (4) mit dem Abstand (a) entsprechender Breite gebildet sind, die zweite Liniengitterstruktur (6) zur ersten Liniengitterstruktur (2) invertiert ist, wobei in Draufsicht auf die erste Ebene (L1) die zweiten Gitterstege (7) jeweils eine zweite Dicke (t1) haben und über den ersten Gitterspalten (4) und zweite Gitterspalte (8), die zwischen den zweiten Gitterstegen (7) bestehen, über den ersten Gitterstegen (3) liegen, und die Breite der ersten Gitterstege (3) und der zweiten Gitterspalte (8), die Breite der zweiten Gitterstege (7) und der ersten Gitterspalte (4) jeweils unter 300 nm ist, und wobei das Sicherheitselement in Transmissionsbetrachtung einen Farbeffekt erzeugt und die erste und die zweite Dicke (t1, t2) mindestens 100 nm betragen, bevorzugt mindestens 150 nm.

Description

S i c h e r h e i t s e l e me n t m it
Subwe l l e nl ä ng e ngi t t e r
Die Erfindung betrifft ein Sicherheitselement zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, das eine Liniengit- terstruktur aufweist.
Sicherheitselemente mit periodischen Liniengittern sind bekannt, beispiels- weise aus der DE 102009012299 AI, DE 102009012300 AI oder der DE
102009056933 AI. Sie können im Subwellenlängenbereich Farbfiltereigenschaften aufweisen, wenn das Gitterprofil so ausgelegt ist, dass Resonanzeffekte im sichtbaren Spektralbereich auftreten. Solche Farbfiltereigenschaften sind sowohl für reflektierende als auch für transmittierende Subwellenlän- genstrukturen bekannt. Diese Strukturen haben einen stark polarisierenden Einfluss auf die Reflexion bzw. die Transmission eines einfallenden Lichtstrahls. Die Farbe ist in Reflexion bzw. Transmission solcher Subwellenlängengitter relativ stark winkelabhängig. Jedoch schwächt sich die Farbsättigung für diese Gitter deutlich ab, wenn das einfallende Licht unpolarisiert ist.
Es ist ein Liniengitter mit Subwellenlängenstrukturen bekannt, welches winkelabhängige, farbfilternde Eigenschaften besitzt. Das Liniengitter besitzt ein Rechteckprofil aus einem dielektrischen Material. Die waagrechten Flächen sind mit einem hochbrechenden Dielektrikum überzogen. Oberhalb dieser Struktur befindet sich ebenfalls ein dielektrisches Material, wobei bevorzugterweise die Brechungsindizes des Gittersubstrats und des Deckmaterials identisch sind. Dadurch ist eine optisch wirksame Struktur ausgebildet, die aus zwei Gittern aus dem hochbrechenden Material besteht, welche durch die Höhe des ursprünglichen Rechteckprofils beabstandet sind. Die das Li- niengitter bildenden Gitterstege sind beispielsweise aus Zinksulfid (ZnS). Man kann damit zwar einen Farbkontrast in Reflexion erzeugen, in Transmission ist eine Veränderung des Farbtons für unterschiedliche Winkel jedoch kaum wahrnehmbar. Diese Struktur bietet sich deshalb lediglich als Sicherheitsmerkmal in Reflexion an und muss dazu auf einem absorbierenden Untergrund aufgebaut werden.
Eindimensional periodische Gitter können Farbfiltereigenschaften im Sub- wellenlängenbereich aufweisen, wenn das Gitterprofil so ausgelegt ist, dass Resonanzeffekte im sichtbaren Wellenlängenbereich auftreten. Diese Farbfiltereigenschaften hängen vom Winkel des einfallenden Lichtes ab.
In DE 3248899 C2 ist eine Subwellenlängenstruktur beschrieben, welche winkelabhängige farbfilternde Eigenschaften besitzt. Dieses Gitter hat im Querschnitt eine Rechteckform und ist mit einer hochbrechenden (HRI)
Schicht bedampft, wobei für die Brechungsindizes gilt: nHRr > 2 und ni« n2~ ri3. Eine Farbänderung tritt bei einer Variation des Winkels Θ ein. Wenn das Gitter senkrecht zur Einfallsebene gekippt wird (Θ>0°; Φ=90°), bleibt die Farbe annähernd konstant. Der Winkel Φ bezeichnet den Azimutwinkel. Das unter dem Namen DID („Diffractive Identification Device") vermarktete Sicherheitselement basiert auf dieser Struktur und nutzt die Farbfiltereigenschaften in Reflexion. Es ist ein Licht absorbierender Untergrund erforderlich, um einen Farbeffekt wahrzunehmen. Die WO 2012/019226 AI beschreibt geprägte Subwellenlängengitter ebenfalls mit einem Rechteckprofil, auf dessen Plateaus Metallpartikel bzw. metallische Nanopartikel aufgedruckt sind. Dieses Gitter zeigt Färb- bzw. Polarisationseffekte in Transmission. Ferner sind Subwellenlängengitter als winkelabhängige Farbfilter bekannt, welche eine metallische bzw. halbmetallische Bi-Layer Anordnung haben, z.B. aus der DE 102011115589 AI oder aus Z. Ye et al.,„Compact Color Filter and Polarizer of Bilayer Metallic Nanowire Gräting Based on Surface Plas- mon Resonances", Plasmonics, 8, 555-559 (2012), wobei die Metallisierung durch Aufdampfen realisiert und in ein Dielektrikum eingebettet ist. Der in DE 102011115589 AI beschriebene Ansatz basiert auf einer Anordnung von zwei Drahtgittern mit derselben Periode, die zueinander um eine halbe Periode verschoben sind und aus metallischen bzw. halbmetallischen (z.B. 70 nm ZnS) Drähten oder Trilayern bestehen.
Bekannt ist somit eine Subwellenlängenstruktur mit einer ca. 70 nm ZnS Be- schichtung. Auch diese Strukturen eignen sich nur als Farbfilter in Reflexion. Daher muss die Struktur zusätzlich auf einen Licht absorbierenden Unter- grund aufgebracht werden, um einen hinreichenden Farbkontrast zu erzielen, der dann in Reflexion sichtbar ist. Subwellengitter mit metallischen Be- schichtungen zeigen eine relativ hohe Farbsättigung in Transmission. Aufgrund der Lichtabsorption im Metall erscheinen sie deshalb relativ dunkel. Mit einem dünnen Metallfilm überzogene Sinusgitter können plasmonische Resonanzeffekte hervorrufen. Diese Resonanzen führen zu einer erhöhten Transmission in TM - Polarisation, vgl. Y. Jorlin et al.„Spatially and polari- zation resolved plasmon mediated transmission through continuous metal films"; Opt. Express 17, 12155-12166 (2009). Dieser Effekt kann durch eine zusätzliche dünne dielektrische Schicht noch optimiert werden, wie es beispielsweise aus T. Tenev et al.,„High Plasmonic Resonant Reflection and Transmission at Continous Metal Films on Undulated Photosensitive Polymer", Plasmonics (2013) bekannt ist. Ein Sicherheitselement mit einem derartigen optischen Effekt ist beispielsweise in WO 2012/136777 AI beschrieben. In der Schrift WO 2014/033324 A2 werden ebenfalls transmissive Sicherheitselemente beschrieben, welche auf Subwellenlängengittern basieren und eine winkelabhängige Farbe zeigen. Dabei werden die optischen Eigenschaften von hochbrechend beschichteten Sinusgittern näher diskutiert.
Die bekannten zweidimensional periodischen Subwellenlängengitter mit nicht zusammenhängender Oberfläche zeigen zwar Farbfiltereigenschaften, haben jedoch eine große Winkeltoleranz. Ihr Farbton ändert sich daher beim Verkippen kaum.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Sicherheitselement anzugeben, das bei Durchsicht einen guten Farbeffekt zeigt, welcher sich beim Verkippen ändert. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Sicherheitselement zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, das aufweist: ein dielektrisches Substrat, eine in das Substrat eingebettete erste Liniengitterstruktur aus mehreren längs einer Längsrichtung verlaufenden und in einer ersten Ebene angeordneten ersten Gitterstegen aus hochbrechendem, dielektrischem oder halbmetallischem Material und eine in das Substrat eingebettete zweite Liniengitterstruktur aus längs der Längsrichtung verlaufenden zweiten Gitterstegen aus hochbrechendem, dielektrischem oder halbmetallischem Material, die sich bezogen auf die erste Ebene über der ersten Liniengitterstruktur in einer zweiten Ebene befindet, wobei die ersten Gitterstege jeweils eine erste Dicke und eine erste Breite haben und in einem Abstand nebeneinanderliegen, so dass zwischen den ersten Gitterstegen längs der Längsrichtung verlaufende erste Gitterspalte mit dem Abstand entsprechender Breite gebildet sind, die zweite Liniengitterstruktur zur ersten Liniengitterstruktur invertiert ist, wobei in Draufsicht auf die erste Ebene die zweiten Gitterstege jeweils eine zweite Dicke haben und über den ersten Gitterspalten und zweite Gitterspalte, die zwischen den zweiten Gitterstegen bestehen, über den ersten Gitterstegen liegen, und die Breite der ersten Gitterstege und der zweiten Gitterspalte, die Breite der zweiten Git- terstege und der ersten Gitterspalte jeweils unter 300 nm ist, wobei das Sicherheitselement in Transmissionsbetrachtung einen Farbeffekt erzeugt und die erste und die zweite Dicke mindestens 100 nm betragen, bevorzugt mindestens 150 nm. Das hochbrechende Material ist bevorzugt dielektrisch oder ein Halbleiter, z.B. Si, Ge, C.
Erfindungsgemäß wird ein Doppel-Liniengitter verwendet, das aus in zwei Ebenen übereinanderliegenden, komplementär zueinander aufgebauten, d.h. gegeneinander verschobenen Liniengitterstrukturen besteht. Eine Phasenverschiebung von 90° ist der Idealwert, welcher natürlich im Rahmen der Fertigungsgenauigkeit zu sehen ist. Durch Fertigungstoleranzen können hier Abweichungen von der Komplementarität, also 90° Phasenverschiebung, entstehen, da in der Regel ein Rechteckprofil nicht perfekt ausgebildet, son- dern nur durch ein Trapezprofil angenähert werden kann, dessen obere Parallelkante kürzer ist als die untere. Bei einer periodischen Liniengitterstruk- tur entspricht die Phasenverschiebung einer halben Periode.
Die Liniengitterstrukturen sind aus hochbrechendem, dielektrischem oder halbmetallischem Material. Die Dicke der Gitterstege ist optional geringer als die Modulationstiefe, also als der Abstand der Gitterebenen der Liniengitterstrukturen. Sie kann aber auch größer sein, so dass sich ein geschlossener Film bildet. Dann ist der Abstand von erster und zweiter Ebene geringer als die Summe aus (0,5 * erster Schichtdicke) und (0,5 * zweiter Schichtdicke). Es zeigte sich, dass ein derart aufgebautes Gitter trotz der vergrößerten Schichtdicke überraschenderweise in Transmissionsbetrachtung reproduzierbare und gut wahrnehmbare Farbeffekte beim Verkippen liefert. Das Sicherheitselement kann einfach durch einen Schichtaufbau hergestellt werden, indem zuerst eine Grundschicht bereitgestellt wird, auf der die erste Liniengitterstruktur ausgebildet wird. Darauf bringt man eine dielektrische Zwischenschicht auf, die die erste Liniengitterstruktur überdeckt und optional dicker als die Gitterstege der ersten Liniengitterstruktur ist. Darauf kann dann die verschobene zweite Liniengitterstruktur ausgebildet werden und eine dielektrische Deckschicht bildet den Abschluss des die Liniengitterstruktur einbettenden Substrates. Alternativ kann auch in dem dielektrischen Substrat zuerst ein Subwellengitter ausgebildet werden, das ein Rechteckprofil im Querschnitt hat. Bedampft man dieses mit dem hochbrechenden Material senkrecht, entsteht eine Schicht auf den Plateaus und in den Gräben, welche die ersten und zweiten Gitterstege bildet. Man hat damit die gewünschten ersten und zweiten Gitterstege in unterschiedlichen Ebenen. Sie sind zusammenhängend, wenn die Dicke der Gitterstege größer ist als die Modulationstiefe des Rechteckprofils des zuvor strukturierten dielektrischen Substrates.
Einen besonders guten Farbeffekt erhält man, wenn der vertikale Abstand zwischen den ersten und den zweiten Gitterstegen, also die Modulationstiefe der Struktur, zwischen 100 nm und 500 nm liegt. Zur Abstandsmessung die- nen die beiden Ebenen, die z.B. durch gleichweisende Flächen der ersten und zweiten Liniengitterstruktur definiert werden können, d.h. beispielsweise von der Unterseite der Gitterstege oder der Oberseite der Gitterstege. Der vertikale Abstand ist dabei selbstverständlich senkrecht zu der parallelen Ebene zu messen, bezeichnet also den Höhenunterschied zwischen gleichgerichteten Flächen der Gitterstege.
Als Material für die Gitterstege kommen alle Materialien infrage, die gegen- über dem umgebenden Substrat, d.h. Material, eine höhere Brechzahl haben, insbesondere um mind. 0,3 höher.
Das Sicherheitselement mit dem Doppel-Liniengitter zeigt eine winkelabhängige Farbfilterung bei Transmissionsbetrachtung. Diese Winkelabhän- gigkeit ist besonders markant, wenn die Gitterlinien senkrecht zur Lichteinfallsebene stehen. Die Farbfilterung kann dazu verwendet werden, um Motive mehrfarbig so zu gestalten, dass sie mit der Verdrehstellung ihre Farbe ändern bzw. unterschiedliche Effekte beim Verkippen der Ebene zeigen. Es ist deshalb bevorzugt, dass in Draufsicht auf die Ebene mindestens zwei Be- reiche vorgesehen sind, deren Längsrichtungen der Liniengitterstrukturen schräg zueinander liegen, insbesondere rechtwinklig sind. Bei senkrechter Betrachtung kann ein solches Motiv so gestaltet werden, dass es bei senkrechter Betrachtung eine einheitliche Farbe und keine weitere Struktur hat. Kippt man dieses Element nun, ändert sich die Farbe des einen Bereichs, bei- spielsweise des Hintergrundes, anders als die Farbe des anderen Bereichs, beispielsweise eines Motivs.
Natürlich sind auch Ausführungsformen mit mehreren unterschiedlich angeordneten Bereichen denkbar. So ist beispielsweise eine Weiterbildung vor- gesehen, die mehrere Bereiche im Sicherheitselement aufweist, wobei die Bereiche sich voneinander hinsichtlich der Lage der Gitterlinien und/ oder Gitterperiode der Liniengitterstrukturen unterscheiden. Dadurch können Motive mit unterschiedlichen Farbeffekten in Transmissionsbetrachtung hergestellt werden. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielshalber anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Sicherheitselementes mit einem
Doppel-Liniengitter in einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines Sicherheitselementes mit einem
Doppel-Liniengitter in einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 3a-b die spektrale Abhängigkeit der Transmission und Reflexion des
Sicherheitselementes der Fig. 1,
Fig. 4a-b die spektrale Abhängigkeit der Transmission und Reflexion des
Sicherheitselementes der Fig. 2, die spektrale Abhängigkeit der Absorption des Sicherheitselements der Fig. 2, Fig. 6 Farbwerte im LCh-Farbraum für Reflexion und Transmission für das Sicherheitselement der Fig. 1 bzw. 2 bei Variation einer Schichtdichte, Fig. 7a-b ein CIE-1931-Farbdiagramm für Reflexion und Transmission des Sicherheitselementes der Fig. 1 oder 2,
Fig. 8 Farbwerte im LCh-Farbraum für Reflexion und Transmission für die Sicherheitselemente der Fig. 1 und 2 bei Variation eines Betrachtungswinkels,
Fig. 9a-b eine Darstellung ähnlich der Fig. 7a-b für zwei weitere Ausführungsformen des Sicherheitselementes,
Fig. lOa-b zwei Draufsichten auf ein Motiv, das als Sicherheitselement mit
Gittern der Fig. 1 bzw. 2 unterschiedlicher Orientierung gebildet ist,
Fig. 11 Farbwerte im LCh-Farbraum für Reflexion und Transmission für weitere Ausführungsformen des Sicherheitselementes, mit verschiedenen Gitterperioden,
Fig. 12a-b Darstellungen ähnlich der Fig. 7a-b für weitere Ausführungsformen des Sicherheitselementes und
Fig. 13 Darstellungen ähnlich der Fig. lOa-b mit dem Unterschied, dass die einzelnen Bereiche mit Gittern unterschiedlicher Periode gefüllt sind.
Fig. 1 zeigt in Schnittdarstellung ein Sicherheitselement S, das ein in ein Substrat 1 eingebettetes Doppel-Liniengitter, bestehend aus zwei Liniengit- terstrukturen 2, 6, aufweist. In das Substrat 1 ist die erste Liniengitterstruktur 2 eingearbeitet, die in einer Ebene LI angeordnet ist. Die erste Liniengit- terstruktur 2 besteht aus ersten Gitterstegen 9 mit der Breite a, die sich längs einer senkrecht zur Zeichenebene liegenden Längsrichtung erstrecken. Zwischen den ersten Gitterstegen 3 befinden sich erste Gitterspalte 4, die eine Breite b haben. Die Dicke der ersten Gitterstege 3 (gemessen senkrecht zur Ebene L) ist mit tl angegeben. In einer Höhe h über den ersten Gitterstegen 3 befindet sich in einer Ebene L2 die zweite Liniengitterstruktur 6 mit zweiten Gitterstegen 7 der Dicke t2. Diese haben die Breite b. Die zweite Liniengitterstruktur 6 ist in der Ebene L2 so gegenüber der ersten Liniengitterstruktur 2 phasenverschoben, dass die zweiten Gitterstege 7 möglichst exakt (im Rahmen der Fertigungsgenauigkeit) über den ersten Gitterspalten 4 zu liegen kommen. Gleichzeitig liegen zweite Gitterspalte 8, die zwischen den zweiten Gitterstegen 7 bestehen, über den ersten Gitterstegen 3.
Die Dicke tl ist in der Ausführungsform der Fig. 1 kleiner als die Höhe h, so dass kein zusammenhängender Film aus den Gitterstegen 3 und 7 gebildet ist.
In der schematischen Schnittdarstellung der Fig. 1 ist die Breite a der ersten Gitterstege 3 gleich der Breite b der zweiten Gitterstege 7. Bezogen auf eine Periode d beträgt somit in jeder Liniengitterstruktur der Füllfaktor 50%. Dies ist jedoch nicht zwingend. Gemäß der Formel b + a = d kann eine beliebige Variation erfolgen.
Auch ist in der schematischen Schnittdarstellung der Fig. 1 die Dicke tl der ersten Gitterstege 2 gleich der Dicke t2 der zweiten Gitterstege 7. Dies kommt einer einfacheren Herstellung zugute, ist jedoch nicht zwingend erforderlich und es kann gelten tl =j= t2. 1 in Fig. 1 ist die Modulationstiefe h, d.h. der Höhenunterschied zwischen der ersten Liniengitterstruktur 2 und der zweiten Liniengitterstruktur 6 (entsprechend dem Abstand der Ebenen Ll und L2) größer ist als die Summe der Dicken der ersten Gitterstege 3 und der zweiten Gitterstege 7, so dass eine vertikale Trennung zwischen den beiden Liniengitterstrukturen 2 und 6 gegeben ist. In der Ausführungsform der Fig. 2 besteht genau (und nur) hier ein Unterschied. In der Ausführungsform der Fig. 2 ergibt sich somit ein zusammenhängender Film aus den Gitterstegen 3 und 7. Das ist ein erster Typ.
Das Gitter in Fig. 1 hat eine Modulationstiefe, welche größer als die Draht- höhe tl ist. Dieses Gitter kann als eine Anordnung von zwei Drahtgittern betrachtet werden, die dasselbe Profil haben und sich im Abstand h - tl voneinander befinden. Die Struktur von Fig. 2 hat hingegen eine Modulationstiefe, welche kleine als die Dicke tl ist. Daher ist die hochbrechende Struktur dort räumlich zusammenhängend. Dies ist ein zweiter Typ.
Die Gitterstege 3, 7 sind in allen Ausführungsformen aus einem hochbrechenden, dielektrischen oder halbmetallischen Material. Das hochbrechende Material hat die Brechungszahl n2 und ist von Dielektrika umgeben. In der Praxis unterscheiden sich diese Brechzahlen des umgebenden Materials kaum und betragen näherungsweise ni. Die Brechzahl n2 des hochbrechenden Materials liegt über der (den) des umgebenden Materials, z.B. um mindestens 0,3 absolut.
Das Sicherheitselement S der Fig. 1 reflektiert einfallende Strahlung E als re- flektierte Strahlung R. Weiter wird ein Strahlungsanteil als transmittierte
Strahlung T durchgelassen. Die Reflexions- und Transmissionseigenschaften hängen vom Einfallswinkel Θ ab, wie nachfolgend noch erläutert wird. Die Herstellung des Sicherheitselementes S kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass auf eine Grundschicht 9 zuerst die erste Liniengitterstruktur 2 und darauf eine Zwischenschicht 5 aufgebracht wird. In die dabei nach oben abgebildete Gitterspalte 4 kann dann die zweite Liniengitterstruktur mit den zweiten Gitterstegen 7 eingebracht werden. Eine Deckschicht 10 deckt das Sicherheitselement ab. Die Brechzahlen der Schichten 9, 5 und 10 sind im Wesentlichen gleich und können beispielsweise etwa nl = 1,5, insbesondere 1,56 betragen. Die Maße b, a und t sind im Subwellenlängenbereich, d.h. kleiner als 300 nm. Die Modulationstiefe beträgt bevorzugt zwischen 100 nm und 500 nm.
Es ist aber auch ein Herstellungsverfahren möglich, bei dem zuerst auf einer Oberseite des Substrates 1 ein Rechteckgitter hergestellt wird. Das Substrat 1 wird also so strukturiert, dass Gräben der Breite a sich mit Stegen der Breite b abwechseln. Das strukturierte Substrat wird anschließend mit der gewünschten Beschichtung bedampft, so dass die ersten und zweiten Liniengitter und die ersten und zweiten Liniengitterstrukturen entstehen. Nach der Bedampfung wird schließlich die Struktur mit einer Deckschicht abgedeckt. Man erhält damit einen Schichtaufbau, bei dem die Ober- und Unterseite im Wesentlichen denselben Brechungsindex besitzt.
Das strukturierte Substrat kann auf verschiedene Arten erhalten werden. Eine Option ist die Reproduktion mit einem Master. Der Master kann z.B. nun in UV-Lack auf Folie, z.B. PET-Folie, repliziert werden. Man hat dann das Substrat 1 als dielektrisches Material, welches beispielsweise eine Brechzahl von 1,56 aufweist. Alternativ kommen auch Heißprägeverfahren infra- Der Master oder auch das Substrat selbst kann mithilfe einer e-Beam- Anlage, einem f okussierten Ionenstrahl oder durch Interferenzlithographie hergestellt werden, wobei die Struktur in einen Photolack geschrieben und anschließend entwickelt wird.
Die Struktur eines photolithographisch hergestellten Masters kann in einem Folgeschritt in ein Quarzsubstrat geätzt, werden, um möglichst senkrechte Flanken des Profils auszubilden. Der Quarzwafer dient dann als Vorform und kann z.B. in Ormocer umkopiert oder durch galvanische Abformung vervielfältigt werden. Ebenso ist eine direkte Abformung des photolithographisch hergestellten Originals in Ormocer bzw. in Nickel in einem galvanischen Verfahren möglich. Auch kann ein Motiv mit verschiedenen Gitterstrukturen in einem Nanoimprint- Verfahren ausgehend von einem homogenen Gittermaster zusammengesetzt werden.
Solche Herstellverfahren für Subwellenlängen-Gitterstrukturen und für Motive, bestehend aus unterschiedlichen Subwellenlängenstrukturen, sind dem Fachmann bekannt. Im Folgenden werden die optischen Eigenschaften beider Gittervarianten in einer Ausführungsform mit Gitterstegen 3, 7 aus dem hochbrechende Material Zinksulfid (ZnS) und ein Substrat 1 aus Polymer mit n=1.52 im sichtbaren Wellenlängenbereich diskutiert. Es sei darauf hingewiesen, dass ZnS als Dielektrikum gilt, aber einen Absorptionsanteil im Blauen hat. Ferner wird angenommen, dass die Profilgeometrie der Drähte rechteckig ist. Kleine Abweichungen von dieser Rechteckform, wie z.B. eine Trapezform, führen zu ähnlichen Ergebnissen in der optischen Wirkung des Gitters. Fig. 3a und b zeigen die berechnete spektrale Reflexion sowie die Transmission für ein Sicherheitselement vom ersten Typ (Fig. 1) mit den Parametern d=360 nm, h=220 nm, b=180 nm und einer ZnS-Beschichtung der Dicke t=180 nm. Das einfallende Licht ist unpolarisiert.
Fig. 3a zeigt auf der y- Achse die Reflexion als Funktion der auf der x- Achse aufgetragenen Wellenlänge für verschiedene Einfallswinkel, nämlich 0°, 15°, 30° und 45°. Fig. 3b zeigt analog die Transmission. Der Einfallswinkel Θ ist in Fig. 1 und 2 definiert.
Die spektrale Reflexion zeigt scharfe Peaks, die sich im Wesentlichen als Dips in den Transmissionsspektren wiederfinden. Für senkrechten Einfall sind drei Peaks bzw. Dips im Bereich von etwa 550 nm bis 650 nm zu erkennen. Für zunehmend schräge Einfallswinkel separieren diese Resonanzen. Ein Teil wird in den langwelligen, ein anderer Teil in den kurzwelligen Teil verschoben. Diese Verschiebung kann näherungsweise aus der Gittergleichung abgeleitet werden und es ergibt sich daraus die Resonanzwellenlänge Är
Är = k (l ± sin Θο ) .
Die optische Wechselwirkung dieses Gitter kann als sogenannte„guided mode resonance" beschrieben werden. Das Gitter wirkt als Lichtkoppler und gleichzeitig als Wellenleiter. Solche Anordnungen zeigen elektromagnetische Resonanzen, die sich als scharfe Peaks bzw. als Dips in den Spektren äußern.
Die Spektren für ein Sicherheitselement vom zweiten Typ (Fig. 2), also mit einem zusammenhängenden hochbrechenden Bereich, sind in der Fig. 4a und b dargestellt. Bei diesem Gitter beträgt die Dicke t=260 nm. Die Spektren zeigen qualitativ ein ähnliches Muster wie bei Fig. 3. Die Resonanz bei λ=620 nm ist jedoch deutlich stärker ausgeprägt. Die spektrale Absorption für dieses Gitter ist in Fig. 5 dargestellt. Hier ist eine starke Absorption im UV und im Blauen aufgrund des relativ hohen k- Werts von ZnS zu erkennen. Es zeigt sich außerdem, dass die Resonanzen scharfe Absorptionspeaks auch im langwelligen Bereich hervorrufen.
Zur Untersuchung der Farbeigenschaften dieser Sicherheitselemente im LCh- Farbraum wurden die berechneten Transmissions- bzw. Reflexionsspektren mit der Emissionskurve einer D65-Normlampe und der Empfindlichkeit des menschlichen Auges gefaltet und die Farbkoordinaten X, Y, Z errechnet. Die D65-Beleuchtung entspricht etwa Tageslicht. Die XYZ-Koordinaten wurden anschließend in die Farbwerte LCh umgerechnet. Diese Werte können direkt dem menschlichen Empfinden bei der Farbwahrnehmung eines Betrachters zugeordnet werden:
L*: Helligkeit,
C*: Buntheit (=Farbsättigung) und
h°: Farbton.
Fig. 6 zeigt die LCh-Farbdiagramme eines Sicherheitselements (links in Reflexion und rechts in Transmission) mit den Parametern d=360 nm,
h=210 nm, b=180 nm als Funktion der Dicke tl=t2=t der ZnS-Beschichtung für die Einfallswinkel Q=0° und 30°. Die Helligkeit bzw. die Buntheit und der Farbton variieren in Transmission für Dicken grösser als ca. 120 nm deutlich beim Kippen. Der Absorptionseffekt des halbmetallischen ZnS (siehe Fig. 5) unterstützt die Farbigkeit von den hier beschriebenen Gittern in Transmis- sion. Eine rein dielektrische Beschichtung ohne Absorptionsanteil würde zu einer niedrigeren Farbsättigung führen, wäre aber gleichfalls möglich. Fig. 7 zeigt diesen Effekt im CIE-1931 -Farbraum. Der Weißpunkt ist mit „ WP" gekennzeichnet. Das Dreieck begrenzt den Farbbereich, der üblicherweise mit Bildschirmen dargestellt werden kann. Im Diagramm sind die x,y- Farbkoordinaten als Trajektorien dargestellt. Der Endpunkt der Dicke t=300 nm ist mit einem Stern gekennzeichnet. Die Farbeigenschaften der Reflexion sind in Fig. 7a und das Farbdiagramm der Transmission ist in Fig. 7b dargestellt. Hier ist klar zu erkennen, dass sich die Farbe beim Kippen von 0° auf 30° für Gitter mit zunehmender Dicke tl=t2=t stark ändert. Die Farbeigenschaften eines Sicherheitselements vom ersten bzw. zweiten Typ (mit den Dicken tl=t2=t=180 nm bzw. 260 nm) als Funktion des Einfallswinkel zeigt Fig. 8 in Form der Werte Helligkeit, Buntheit und Farbton.
Für beide Typen des Sicherheitselements ergeben sich deutlich wahrnehmba- re Färb- bzw. Intensitätsänderungen beim Kippen in Transmissionsbetrachtung, wie in den zugehörigen CIE-1931 -Farbdiagrammen in Fig. 9 zu erkennen ist.
Aufgrund der Tatsache, dass keine Farbänderung beim Kippen senkrecht zur Einfallsebene auftritt, kann ein Sicherheitsmerkmal so gebildet werden, dass ein Motiv M in Durchlichtbetrachtung nicht zu sehen ist und es erst beim Kippen erscheint. Dies kann erfolgen, indem zwei Bereiche 14, 15 mit demselben Gitterprofil um 90° verdreht zueinander angeordnet sind. Diese Anordnung ist in Fig. 10 gezeigt.
Die Gitterlinien des den Hintergrund bildenden Bereichs 14 verlaufen senkrecht, die Gitterlinien im das Motiv M bildenden Bereich 15 dagegen horizontal. Wenn nun das Sicherheitselement um die horizontale Achse gekippt wird, erscheint das Motiv M. Es sind auch weitere Orientierungen von Berei- chen denkbar. Durch fein abgestuft orientierte Bereiche können z.B. auch Laufeffekte in Transmission erzeugt werden. Hier wird exemplarisch auf die DE 102011115589 AI verwiesen. Nun ist es auch möglich, Motive durch Bereiche mit unterschiedlichen Profilen des Gitters zu gestalten. Die optischen Eigenschaften von Gittern mit unterschiedlicher Periode zeigen, dass Ausführungsformen mit ZnS-beschichteten Gittern mit den Perioden 420 nm, 340 nm und 280 nm die Basisfarben Rot, Grün, Blau (RGB) in Transmission beim gekippten Betrachtungswinkel wiedergeben. Fig. 11 zeigt die Helligkeit, Buntheit und Farbton für diese Gitter als Funktion der Dicke von ZnS für den Einfallswinkel Θ=30°. Die Buntheit steigt mit zunehmende Dicke t>100 nm deutlich. Ein Optimum liegt bei etwa te200 nm. Die rote Farbe kann beim Gitter mit d=420 nm durch höhere Dicken t noch deutlicher ausgebildet werden. Dies ist im CIE-Farbdiagramm noch klarer erkennbar (siehe Fig. 12). Hier sind die Endpunkte t=300 nm mit einem Stern gekennzeichnet. Für die Reflexion liegen diese Punkte in etwa auf dem bereits erläuterten Farbdreieck. Dies ist auch für das Gitter mit d=420 nm in Transmission der Fall. In Ausführungsformen werden diese Eigenschaften dazu benutzt, farbige Motive durch Anordnung der oben beschriebenen Sicherheitselemente mit unterschiedlichen Gitterperioden im Bereich zu erzeugen.
Fig. 13 zeigt schematisch ein Sicherheitselement S mit einem Motiv M, das aus drei Farben besteht. Diese drei Bereiche sind mit Gittern unterschiedlicher Periode belegt. Ihre Gitterlinien sind horizontal orientiert. Bei senkrechter Betrachtung zeigen die Gitter einen schwachen Farbkontrast. Das Motiv ist nur schwach zu erkennen. Beim Kippen um die horizontale Achse erscheint das Motiv in den drei Farben in kräftigem Farbton. Das Sicherheitselement kann als Durchsichtsfenster von Banknoten dienen. Es kann auch teilweise farblich überdruckt sein. Die hochbrechende Be- schichtung kann auch teilweise z.B. durch Laserbestrahlung mit ultrakurzen Pulsen entfernt sein. Weiterhin ist eine Kombination mit hochbrechenden transparenten Hologrammen möglich. Solche Hologramme können auch als Reflexionsmerkmale wirken. Ein Teil des Subwellenlängengitters kann sich auf einem absorbierenden Untergrund befinden, so dass dieser Teil nun als reflektierendes Merkmal dient und einen Kontrast zu den anderen Teil des Gitters bildet, der im Bereich des Durchsichtsfensters liegt.
Wie erwähnt, können im Sicherheitselement Gitter mit den entsprechenden Profilparametern die Basisfarben RGB in Transmission bei schrägem Einfallswinkel wiedergeben. Bei senkrechter Betrachtung ist dagegen die Farbsättigung schwach. In Reflexion erscheint die Gitterstruktur nahezu in den Komplementärfarben zur Transmission.
Es ist bekannt, dass Echtfarbenbilder durch Subwellenlängengitter erzeugt werden können. Die einzelnen Bildpixel werden durch Subpixel, welche den Basisfarben, z.B. RGB Farben, entsprechen, wiedergegeben. Gitter mit ent- sprechendem Gitterprofil erzeugen in den einzelnen Bereichen die gewünschte Farbe. Ihrer Flächenanteile werden so gewählt, so dass ein Betrachter jedes Pixel als Mischfarbe der Subpixelbereiche wahrnimmt. Dieses Verfahren kann auch für die hier beschriebenen Gitter angewandt werden, so dass ein Echtfarbenbild bei schräger Betrachtung in Transmission erkennbar ist, das bei senkrechter Betrachtung annähernd verschwindet.
Das Sicherheitselement kann insbesondere als Durchsichtsfenster von Banknoten oder anderen Dokumenten dienen. Es kann auch teilweise farblich überdruckt sein bzw. die Gitterbereiche können bereichsweise demetallisiert sein oder ohne Liniengitter ausgestaltet werden, so dass ein solcher Bereich vollständig metallisiert ist. Es sind auch Kombinationen mit diffraktiven Gitterstrukturen, wie Hologrammen, denkbar.
Bezugszeichenliste
1 Substrat
2 erste Liniengitterstruktur
3 erster Gittersteg
4 erster Gitterspalt
5 Zwischenschicht
6 zweite Liniengitterstruktur
7 zweiter Gittersteg
8 zweiter Gitterspalt
9 Grundschicht
10 Deckschicht
11, 13 Metallschicht
12 dielektrische Zwischenschicht
14 Hintergrund
15 Motiv
h Modulationstiefe
t, tl, t2 Beschichtungsdicke
b Linienbreite
a Spaltenbreite
d Periode
S Sicherheitselement
LI, L2 Ebene
E einfallende Strahlung
R reflektierte Strahlung
T transmittierte Strahlung
Θ Einfallswinkel

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Sicherheitselement zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, das aufweist: ein dielektrisches Substrat (1), eine in das Substrat (1) eingebettete erste Liniengitterstruktur (2) aus mehreren längs einer Längsrichtung verlaufenden und in einer ersten Ebene (L ) angeordneten ersten Gitterstegen (3) aus hochbrechendem Material und eine in das Substrat (1) eingebettete zweite Liniengitterstruktur (6) aus längs der Längsrichtung verlaufenden zweiten Gitterstegen (7) aus hochbrechendem Material, die sich bezogen auf die erste Ebene (LI) über der ersten Liniengitterstruktur (2) in einer parallelen zweiten Ebene (L2) befindet, wobei die ersten Gitterstege (3) jeweils eine erste Dicke (tl) und eine erste Breite (b) haben und in einem Abstand (a) nebeneinanderliegen, so dass zwischen den ersten Gitterstegen (3) längs der Längsrichtung verlaufende erste Gitterspalte (4) mit dem Abstand (a) entsprechender Breite gebildet sind, die zweite Liniengitterstruktur (6) zur ersten Liniengitterstruktur (2) invertiert ist, wobei in Draufsicht auf die erste Ebene (LI) die zweiten Gitterstege (7) jeweils eine zweite Dicke (tl) haben und über den ersten Gitterspalten (4) und zweite Gitterspalte (8), die zwischen den zweiten Gitterstegen (7) bestehen, über den ersten Gitterstegen (3) liegen, und die Breite der ersten Gitterstege (3) und der zweiten Gitterspalte (8), die Breite der zweiten Gitterstege (7) und der ersten Gitterspalte (4) jeweils unter 300 nm ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
- das Sicherheitselement in Transmissionsbetrachtung einen Farbeffekt erzeugt und
die erste und die zweite Dicke (tl, t2) mindestens 100 nm betragen, bevorzugt mindestens 150 nm.
2. Sicherheitselement nach Anspruch 1, wobei das hochbrechende Material eine Brechzahl hat, die um mindestens 0,3 höher ist als die des umgebenden Substrats (1).
3. Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, wobei zwi- sehen der ersten Ebene (LI) der ersten Gitterstege (3) und der Ebene (L2) der zweiten Gitterstege (7) ein Abstand (h) besteht, der zwischen 100 nm und 500 nm liegt.
4. Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, wobei das hochbrechende Material ausgewählt ist aus: ZnS, ZnO, ZnSe, SiNx, SiOx,
Cr203, Nb205, Ta205, TixOx und Zr02.
5. Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, wobei eine mittlere Helligkeit oder mittlere Buntheit in Transmissionsbetrachtung sich bei einem Kippen des Sicherheitselementes um mehr als 10% von dem entsprechenden Wert bei senkrechtem Lichtdurchtritt unterscheidet.
6. Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, wobei die erste und die zweite Liniengitterstruktur (2, 6) periodisch mit einer Gitterperiode sind und das Sicherheitselement in Draufsicht auf die Ebene (LI) mindestens zwei Bereiche (14,15) aufweist, deren Gitterperioden sich unterscheiden.
7. Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, das als Durchsichtselement, insbesondere als Fensterelement für ein Wertdokument ausgebildet ist.
8. Wertdokument mit einem Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, wobei das Wertdokument ein Fenster oder einen zur Transmissionsbetrachtung vorgesehenen Bereich aufweist, das/ den das Sicherheitselement überdeckt.
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