EP4093616A1

EP4093616A1 - Darstellungselement für lichtfleckenbild

Info

Publication number: EP4093616A1
Application number: EP21702159.1A
Authority: EP
Inventors: Sandra Heller; Kai Hermann SCHERER; Moritz HÖFER; Raphael DEHMEL
Original assignee: Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Current assignee: Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Priority date: 2020-01-22
Filing date: 2021-01-21
Publication date: 2022-11-30
Also published as: WO2021148244A1; DE102020000389A1; CN114728535B; CN114728535A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Darstellungselement (20) mit einem Substrat (22) mit einem Flächenbereich (24), in dem eine Mehrzahl gegen den Flächenbe- reich geneigter optischer Elemente (16) angeordnet ist. Das Darstellungselement (20) ist ausgelegt und bestimmt, bei Beleuchtung mit einer Lichtquelle (30) ein Lichtfleckenbild aus einer Mehrzahl von Lichtflecken (32) zu erzeugen, die für einen Betrachter (40) oberhalb oder unterhalb des Flächenbereichs (24) schwebend erscheinen, wobei sie mit einer kontinuierlichen Änderung ihrer scheinbaren Schwebehöhe einer vorgegebenen, gegenüber dem Flächenbereich vor- und/ oder zurückspringenden Oberflächentopographie (50) folgen. Jedem Lichtfleck (32) des Lichtfleckenbilds ist eine Mehrzahl von optischen Elementen (26) zugeordnet, die refraktive und/ oder reflektive optische Elemente sind, die zusammen eine Fresnelstruktur (28) bilden, wobei die optischen Elemente (26) einer Fresnelstruktur (28) bei Beleuchtung des Darstellungselements Zusammenwirken um den ihnen zugeordneten Lichtfleck (32) zu erzeugen. Die Neigungen der optischen Elemente der Fresnelstrukturen sind jeweils so aufeinander abgestimmt, dass sie die Brennweiten der Fresnelstrukturen (28) kontinuierlich verändern und dadurch die erzeugten Lichtflecke (32) für einen Betrachter scheinbar der vorgegebenen Oberflächentopographie (50) folgen lassen.

Description

Darstellungselement für Lichtfleckenbild

Die Erfindung betrifft ein Darstellungselement für die Erzeugung eines Lichtfleckenbilds aus einer Mehrzahl von Lichtflecken. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Darstellungselements und einen Datenträger mit einem solchen Darstellungselement.

Datenträger, wie Wert- oder Ausweisdokumente, aber auch andere Wertge genstände, wie etwa Markenartikel, werden zur Absicherung oft mit Sicher heitselementen versehen, die eine Überprüfung der Echtheit des Datenträ gers gestatten und die zugleich als Schutz vor unerlaubter Reproduktion die nen.

Besondere Aufmerksamkeit erregen dabei Sicherheitselemente mit dreidi mensional wirkenden Bildern, die auch für Laien leicht erkenn- und prüfbar sind und dennoch mit gängigen Kopierverfahren nicht originalgetreu repro duziert werden können. In der Druckschrift WO 2012/ 048847 Al ist zur Er zeugung solcher 3D-Bilder ein Darstellungselement vorgeschlagen worden, das bei Beleuchtung mit einer Lichtquelle ein aus Lichtflecken zusammenge setztes dreidimensionales Motiv, beispielsweise eine dreidimensionale Licht pyramide aus einer Mehrzahl von auf unterschiedlichen Schwebehöhen schwebenden Lichtflecken erzeugt.

Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Läl- schungssicherheit und die visuelle Attraktivität eines Darstellungselements für ein Lichtfleckenbild weiter zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche ge löst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen An sprüche. Die Erfindung stellt ein Darstellungselement mit einem Substrat mit einem Flächenbereich bereit, in dem eine Mehrzahl gegen den Flächenbereich ge neigter optischer Elemente angeordnet ist.

Das Darstellungselement ist dabei ausgelegt und bestimmt, bei Beleuchtung mit einer Eichtquelle ein Eichtfleckenbild aus einer Mehrzahl von Lichtfle- cken zu erzeugen, die reelle oder virtuelle Bilder der beleuchtenden Eicht quelle sind. Die Lichtflecken erscheinen für einen Betrachter oberhalb oder unterhalb des Flächenbereichs schwebend, wobei sie mit einer kontinuierli chen Änderung ihrer scheinbaren Schwebehöhe einer vorgegebenen, gegen über dem Flächenbereich vor- und/ oder zurückspringenden Oberflächento pographie folgen.

Jedem Lichtfleck des Lichtfleckenbilds ist eine Mehrzahl von optischen Ele menten zugeordnet, die refraktive und/ oder reflektive optische Elemente sind, die zusammen eine Fresnelstruktur bilden. Die optischen Elemente ei ner Fresnelstruktur wirken dabei bei Beleuchtung des Darstellungselements zusammen, um den ihnen zugeordneten Lichtfleck zu erzeugen.

Schließlich sind die Neigungen der optischen Elemente der Fresnelstruktu ren jeweils so aufeinander abgestimmt, dass sie die Brennweiten der Fresnel strukturen kontinuierlich verändern und dadurch die erzeugten Lichtflecke für einen Betrachter scheinbar der vorgegebenen Oberflächentopographie folgen lassen.

Die optischen Elemente sind in einer vorteilhaften Ausgestaltung für zumin dest einen Teil der Fresnelstrukturen refraktive optische Elemente, die zu sammen eine Fresnellinse bilden. Jede Fresnellinse kann eine einheitliche Brennweite aufweisen, oder ihre Brennweite kann kontinuierlich modifiziert sein, um der vorgegebenen Oberflächentopographie Rechnung zu tragen.

Bei einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung ist alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass die optischen Elemente zumindest für einen Teil der Fres nelstrukturen reflektive optische Elemente sind, die zusammen einen Fres nelspiegel, insbesondere einen Fresnel-Hohlspiegel oder einen Fresnel- Wölbspiegel bilden. Jeder Fresnelspiegel kann eine einheitliche Brennweite aufweisen, oder seine Brennweite kann kontinuierlich modifiziert sein, um der vorgegebenen Oberflächentopographie Rechnung zu tragen.

Vorzugsweise sind die Fresnelstrukturen in den gegenüber dem Flächenbe reich vor- und/ oder zurückspringenden Bereichen der Oberflächentopogra phie weder rotationssymmetrisch noch elliptisch, sondern folgen einer durch die Oberflächentopographie vorgegebenen Freiform.

Die optischen Elemente sind mit besonderem Vorteil durch ebene Mikrospie gel oder durch kleine Mikroprismen gebildet. Es ist allerdings vorteilhaft auch möglich, dass die optischen Elemente gekrümmte Oberflächen aufwei sen und beispielsweise die gekrümmten Stufen einer Fresnelstufenlinse oder eines Fresnelstufenspiegels darstellen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die optischen Elemente und die Schwebehöhen der Fichtflecke so ausgelegt, dass für die Fichtflecke und die zugeordneten optischen Elemente jeweils die Bedingung f/d < 5 gilt, wobei f den Betrag der Schwebehöhe eines Fichtflecks oberhalb oder unterhalb des Flächenbereichs bezeichnet und d den Optikdurchmesser der zu diesem Fichtfleck beitragenden optischen Elemente angibt. Dadurch ist sicherge stellt, dass die Fichtflecke bei normalem Betrachtungsabstand von etwa 30 cm für beide Augen des Betrachters innerhalb der Öffnung der durch die op tischen Elemente gebildeten Fresnelstruktur liegen, so dass für einen Be trachter ein dreidimensionales Erscheinungsbild aus schwebenden Lichtfle cken entsteht.

In einer vorteilhaften Erfindungsvariante ist jedem Lichtfleck des Licht- fleckenbilds eine Mehrzahl von aneinander angrenzenden optischen Elemen ten zuordnet.

Nach einer alternativen, ebenfalls vorteilhaften Erfindungs _Variante ist jedem Lichtfleck des Lichtfleckenbilds eine Mehrzahl von beabstandet auf dem Flä chenbereich verteilten optischen Elementen zuordnet. Durch die entstehen den Zwischenräume zwischen den einzelnen optischen Elementen können mehrere Gruppen von optischen Elementen, die jeweils verschiedenen Licht flecken zugeordnet sind, im selben Flächenbereich ineinander verschachtelt angeordnet sein. Auf diese Weise kann eine besonders hohe räumliche Auf lösung im Lichtfleckenbild erreicht werden, wie weiter unten genauer erläu tert. Durch Verschachtelungen können auch alle Arten von Symbolen, die aus mehr als einem Bildpunkt bestehen, mit Lichtflecken erzeugt werden.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind durch eine Mehrzahl von Licht flecken Lichtfleckenmuster gebildet, die für einen Betrachter scheinbar der vorgegebenen Oberflächentopographie folgen. Die Lichtfleckenmuster kön nen insbesondere aus einem Raster aus p x q Lichtfleckenpositionen gebildet sein, wobei vorzugsweise p und q unabhängig voneinander einen der Werte 2, 3, 4, 5 oder 6 annehmen. Indem ein Teil der p x q Lichtfleckenpositionen mit Lichtflecken besetzt wird und ein Teil unbesetzt bleibt, lassen sich ge wünschte Punktrastermuster erzeugen. Die Lichtfleckenmuster stellen vor- teilhaft Buchstaben, Zahlen, Logos, Symbole oder einfache geometrische For men wie Kreise, Ovale, Dreiecke, Rechtecke oder Quadrate dar. Bei Sicher heitselementen für Banknoten können die Lichtfleckenmuster beispielsweise die Wertzahl der Banknote, etwa die Zahl "10" und/ oder ein Währungssym bol, beispielsweise "€", darstellen.

Die vorgegebene Oberflächentopographie stellt mit Vorteil eine gekrümmte Oberfläche dar und ist vorzugsweise ein sich aus dem Flächenbereich her aus- oder in den Flächenbereich hineinwölbender Kugelabschnitt, insbeson dere eine Halbkugel.

In einer vorteilhaften Ausbildung sind die optischen Elemente als Prä gestrukturen in einer Prägelackschicht ausgebildet. Ist das Darstellungsele ment zumindest teilweise reflektierend ausgebildet, so sind die Prägestruk turen vorzugsweise mit einer reflexionserhöhenden Beschichtung versehen. Als reflexionserhöhende Beschichtung kommt insbesondere eine vollflächige oder gerasterte Metallisierung, eine hochbrechende Beschichtung, ein Dünn schichtelement mit Farbkippeffekt oder eine cholesterische Flüssigkristall schicht in Betracht. Die Strukturhöhen der Prägestrukturen liegen vorzugs weise unterhalb von 100 gm, bevorzugt unterhalb von 20 gm, besonders be vorzugt unterhalb von 5 gm.

Das Darstellungselement ist vorteilhaft ein Sicherheitselement für Sicher heitspapiere, Wertdokumente und andere abzusichernde Gegenstände, ins besondere ein Sicherheitsfaden, ein Sicherheitsband, ein Sicherheitsstreifen, ein Etikett oder ein Transferelement. Die erfindungsgemäßen Darstellungselemente können mit anderen Sicher heitsmerkmalen kombiniert werden, beispielsweise mit diffraktiven Struktu ren, mit Hologrammstrukturen in allen Ausführungsvarianten, metallisiert oder nicht metallisiert, mit Subwellenlängenstrukturen, metallisiert oder nicht metallisiert, mit Subwellenlängengittern, mit Schichtsystemen, die beim Kippen einen Farbwechsel zeigen, semitransparent oder opak, mit dif fraktiven optischen Elementen, mit refraktiven optischen Elementen, wie etwa Prismenstrahlformern, mit speziellen Lochformen, mit Sicherheits merkmalen mit gezielt eingestellter elektrischer Leitfähigkeit, mit eingearbei teten Stoffen mit magnetischer Codierung, mit Stoffen mit phosphoreszieren der, fluoreszierender oder lumineszierender Wirkung, mit Sicherheitsmerk malen auf Grundlage von Flüssigkristallen, mit Mattstrukturen, mit zusätzli chen Mikrospiegelelementen, mit Elementen mit Jalousie-Effekt oder mit Sä gezahnstrukturen.

Mit besonderem Vorteil sind die erfindungsgemäßen Darstellungselemente mit einem diese vollständig umgebenden Hintergrund kombiniert, insbeson dere mit einem strahlenförmigen Hintergrund, wie er sich durch die in der Druckschrift DE 102010055688 Al beschriebenen Gestaltungen erzeugen lässt. Die erfindungsgemäßen Darstellungselemente können mit Vorteil auch statische Musterelemente aufweisen, die beispielsweise durch eine Spiegel fläche oder eine Mikrospiegelanordnung mit verrauschten Mikrospiegeln der in der WO 2011/066991 A2 beschriebenen Art gebildet ist. Die Offenba rung der beiden genannten Druckschriften wird insoweit in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.

Die Erfindung enthält auch ein Verfahren zum Herstellen eines Darstel lungselements der oben beschriebenen Art, das ausgelegt und bestimmt ist, bei Beleuchtung ein Lichtfleckenbild aus einer Mehrzahl von Lichtflecken zu erzeugen, die reelle oder virtuelle Bilder der beleuchtenden Lichtquelle sind, und die für einen Betrachter oberhalb oder unterhalb des Flächenbereichs schwebend erscheinen, wobei sie mit einer kontinuierlichen Änderung ihrer scheinbaren Schwebehöhe einer vorgegebenen, gegenüber dem Flächenbe reich vor- und/ oder zurückspringenden Oberflächentopographie folgen.

Bei dem Verfahren wird ein Substrat bereitgestellt und in einem Flächenbe reich des Substrats wird eine Mehrzahl gegen den Flächenbereich geneigter optischer Elemente angeordnet.

Jedem Lichtfleck des Lichtfleckenbilds wird eine Mehrzahl von optischen Elementen zugeordnet, die refraktive und/ oder reflektive optische Elemente sind, die zusammen eine Fresnelstruktur bilden. Die optischen Elemente ei ner Fresnelstruktur wirken dabei bei Beleuchtung des Darstellungselements zusammen, um den ihnen zugeordneten Lichtfleck zu erzeugen.

Schließlich werden die Neigungen der optischen Elemente der Fresnelstruk turen jeweils so aufeinander abgestimmt, dass sie die Brennweiten der Fres nelstrukturen kontinuierlich verändern und dadurch die erzeugten Lichtfle cke für einen Betrachter scheinbar der vorgegebenen Oberflächentopogra phie folgen lassen.

Konkret wird in einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens zur Ab stimmung der Neigungen der optischen Elemente die gewünschte, wahrzunehmende Oberflächentopographie durch eine vektorwertige Funktion f(x,y) vorgegeben, werden die Steigungen (dxo, dyo) unmodifizierter optische Elemente bestimmt, die zu gleichmäßigen, insbesondere rotationssymmetri schen oder elliptischen Fresnelstrukturen führen, und werden aus den unmodifizierten Spiegelsteigungen (dxo, dyo) durch Addition der vektorwertigen Funktion f(x,y) die modifizierten, aufei nander abgestimmten Steigungen (dx, dy) der optischen Elemente be stimmt.

Das Darstellungselement wird dann mit den modifizierten Steigungen der optischen Elemente erzeugt.

Die Erfindung enthält weiter einen Datenträger mit einem Darstellungsele ment der beschriebenen Art, wobei das Darstellungselement insbesondere als ein reflektierendes Sicherheitselement in einem opaken Bereich des Da tenträgers, oder als zumindest teilweise durchsichtiges Sicherheitselement in oder über einem transparenten Fensterbereich oder einer durchgehenden Öffnung des Datenträgers angeordnet sein kann. Bei dem Datenträger kann es sich insbesondere um ein Wertdokument, wie eine Banknote, insbeson dere eine Papierbanknote, eine Polymerbanknote oder eine Folienverbund banknote handeln, aber auch um eine Ausweiskarte, wie etwa eine Kredit karte, eine Bankkarte, eine Barzahlungskarte, eine Berechtigungskarte, einen Personalausweis oder eine Passpersonalisierungsseite handeln.

Weitere Ausführungsbeispiele sowie Vorteile der Erfindung werden nachfol gend anhand der Figuren erläutert, bei deren Darstellung auf eine maßstabs- und proportio ns getreue Wiedergabe verzichtet wurde, um die Anschaulich keit zu erhöhen. Es zeigen:

Fig. l eine schematische Darstellung einer Banknote mit einem erfin dungsgemäßen Sicherheitselement,

Fig.2 schematisch einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Dar stellungselements zur Erläuterung seiner grundsätzlichen Funktionsweise, Fig. 3 eine Aufsicht auf den Flächenbereich des Darstellungselements der Fig. 2 bei Beleuchtung mit einer ausgedehnte Fichtflecken erzeugenden Fichtquelle,

Fig.4 in (a) bis (c) jeweils in Aufsicht den Flächenbereich eines erfin dungsgemäßen Darstellungselements mit einer Reihe von Fres nelhohlspiegeln, wobei (a) eine unverzerrte Fresnelspiegel- stiuktur, (b) eine Fresnelspiegelstruktur mit geringer Verzer rung und (c) eine Fresnelspiegelstiuktur mit starker Verzer rung zeigt,

Fig. 5 in (a) bis (c) jeweils das zu den Flächenbereichen der Figuren 4(a) bis (c) gehörige Fichtfleckenbild,

Fig. 6 schematisch eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts VI aus Fig. 4(a) mit vier Fresnelhohlspiegeln,

Fig. 7 eine schematische Aufsicht auf einen Ausschnitt eines erfin dungsgemäßen Darstellungselements mit zwei ineinander ver schachtelten Fresnelhohlspiegeln, Fig. 8 eine schematische Seitenansicht des Ausschnitts der Fig. 7, und

Fig. 9 eine Aufsicht auf den Flächenbereich eines erfindungsgemäßen Darstellungselements, das bei Beleuchtung Lichtfleckenmuster in Form der Buchstabenfolge "EU" zeigt.

Die Erfindung wird nun am Beispiel von Sicherheitselementen für Bankno ten erläutert. Figur 1 zeigt dazu eine schematische Darstellung einer Bank- note 10, die mit einem erfindungsgemäßen Sicherheitselement 12 versehen ist. Das Sicherheitselement 12 zeigt bei Beleuchtung eine Vielzahl von Licht flecken 16, die für einen Betrachter scheinbar oberhalb oder unterhalb der Ebene des Sicherheitselements 12 schweben und die beim Bewegen des Si cherheitselements 12 der gekrümmten Oberfläche einer sich in der Mitte des Sicherheitselements aus der Ebene herauswölbenden Halbkugel 14 zu folgen scheinen.

Die grundsätzliche Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Sicherheitsele ments ist anhand des schematischen Querschnitts des Darstellungselements 20 der Fig. 2 erläutert.

Das Darstellungselement 20 weist ein Substrat 22 mit einem Flächenbereich 24 auf, in dem eine Vielzahl von gegen den Flächenbereich 24 geneigten Mik rospiegeln 26 angeordnet ist.

Bei Beleuchtung mit parallelem Licht, beispielsweise einer idealerweise weit entfernen Lichtquelle 30, erzeugt das Darstellungselement 20 bzw. die Viel zahl der Mikrospiegel 26 des Darstellungselements ein Lichtfleckenbild aus einer Mehrzahl von Lichtflecken 32a, 32b. Die Lichtflecken stellen dabei re elle oder virtuelle Bilder der beleuchtenden Lichtquelle 30 dar. Für einen Be trachter 40 erscheinen die Lichtflecken oberhalb (Lichtflecken 32b) oder un terhalb (Lichtflecken 32a) des Flächenbereichs 24 schwebend, wobei der Be trag der Schwebehöhe im Folgenden mit f bezeichnet wird.

Als Besonderheit der vorliegenden Erfindung folgen die Lichtflecken 32a,

32b zumindest in einem Teilbereich des Darstellungselements mit einer kon tinuierlichen Änderung ihrer scheinbaren Schwebehöhe einer vorgegebenen, gegenüber dem Flächenbereich 24 vor- und/ oder zurückspringenden Ober flächentopographie, wie in Fig. 3 illustriert.

Jedem Lichtfleck 32a, 32b des Lichtfleckenbilds ist in dem Flächenbereich 24 eine Mehrzahl von Mikro spiegeln 26 zugeordnet, die im Ausführungsbei spiel der Fig. 2 zusammen jeweils einen Fresnel-Wölbspiegel 28 bilden. Bei Beleuchtung des Darstellungselements 20 wirken die Mikrospiegel 26 jedes Fresnelspiegels 28 zusammen, um jeweils den ihnen zugeordneten Lichtfleck 32a bzw. 32b zu erzeugen. Im Detailausschnitt der Fig. 2 sind zwei, jeweils aus einer Mehrzahl von Mikrospiegeln 26 gebildete Fresnelspiegel 28 und entsprechend zwei Lichtflecken 32a, 32b des Lichtfleckenbilds dargestellt.

Figur 3 zeigt eine Aufsicht auf den Flächenbereich 24 des Darstellungsele ments 20 bei Beleuchtung mit einer breiten Lichtquelle 30, die ausgedehnte Lichtflecken 32 erzeugt. Während die Lichtflecken 32 in einem äußeren Be reich 52 auf konstanter Höhe unterhalb des Flächenbereichs zu schweben scheinen, folgt die scheinbare Schwebehöhe der Lichtflecken 32 im mittleren Bereich des Elements kontinuierlich dem Oberflächenverlauf einer gegen über dem Flächenbereich vorspringenden Halbkugel 50. Auch wenn die scheinbare Schwebehöhe in der Aufsicht der Fig. 3 durch die flächige Projek tion in die Papierebene nicht sichtbar ist, ist die Topographie der vorsprin genden Halbkugel 50 dennoch bereits durch die Verzerrung der Lichtflecken 32 deutlich erkennbar.

Erzeugt wird dieser besondere Effekt durch eine kontinuierliche Modifika tion der Brennweite der Fresnelspiegel 28 über die Fläche des Darstellungs elements 20 gemäß einer mathematischen Funktion, die die gewünschte, vor- und/ oder zurückspringende Oberflächentopographie beschreibt.

Allgemein kann die Neigung der Mikrospiegel 26 gegen den Flächenbereich 24 durch die Steigung der Mikrospiegel in x- und y-Richtung beschrieben werden, wobei die unmodifizierten, also durch gleichmäßige, beispielsweise rotationssymmetrische Fresnelstrukturen gegebenen Steigungen der Mikro spiegel am Ort (x,y) mit (dxo, dyo) bezeichnet werden. Die Auslegung solcher Mikro Spiegel und die Bestimmung der Steigungen (dxo, dyo) kann beispiels weise der Druckschrift WO 2012/ 048847 Al, insbesondere der Beschreibung der Seiten 31 und 32 entnommen werden. Die Offenbarung der Druckschrift WO 2012/ 048847 Al wird insoweit in die vorliegende Anmeldung aufge- nommen.

Die gewünschte, wahrzunehmende Oberflächentopographie kann durch eine vektorwertige Funktion f(x,y) beschrieben werden, die auch nur in be stimmten Bereichen von Null verschieden sein kann, so dass die Modifika tion nur einen Teilbereich des Darstellungselements 20 betrifft.

Beispielsweise kann die in Fig. 3 gezeigte Halbkugel durch die Funktion f(x,y) = (sin (2nx)* cos(ny), sin (2ny)* cos(nx)), falls | (x,y)-(l,l) | < 1, f(x,y) = (0,0) falls | (x,y)-(l,l) | > 1, beschrieben werden, wobei der Einfachheit halber angenommen wurde, dass sich die Halbkugelmodifikation nur in einem Radius 1 um den Punkt (1,1) erfolgen soll. Das Darstellungselement selbst kann sich dabei beispielsweise im Bereich von -1 < x < 3 und -1 < y < 3 erstrecken.

Es versteht sich, dass im Allgemeinen der Radius R der Halbkugel auch an dere Werte annehmen kann, die durch das gewünschte Design und Erschei nungsbild gegeben sind. Durch Multiplikation der oben dargestellten Funk- tion f(x,y) mit einem Parameter c 1 können auch abgeflachte oder stärker gekrümmte Ellipsoidflächen erzeugt werden. Anstelle von kugelartigen oder ellipsoidartigen Wölbungen können auch andere Verzerrungen erzeugt wer den, beispielsweise Konkav- oder Konvexverzerrungen, wie etwa die aus der Photographie bekannte "Barrel-Distortion", die in extremer Ausprägung zu einem Fischaugeneffekt führt.

Aus den unmodifizierten Spiegelsteigungen (dxo, dyo) erhält man dann durch Addition der vektorwertigen Funktion f(x,y)

(dx, dy) = (dxo, dyo) + f(x,y) die modifizierten Spiegelsteigungen (dx, dy), die für jeden Fresnelspiegel 28 gerade zu einer solchen Änderung der Brennweite führen, dass die erzeug ten Fichtflecke 32 scheinbar der vorgegebenen Oberflächentopographie der Halbkugel 50 folgen. Die Modifikation der Spiegelsteigungen beeinträchtigt nicht die gewünschte optische Wirkung der Fresnelstrukturen, da diese in der vorliegenden Erfin dung nicht primär dem Fokussieren von Ficht dienen, sondern lediglich be reichsweise unter bestimmten Betrachtungswinkeln hell erscheinen sollen. Durch die kontinuierliche Brennweitenveränderung wirken die Fichtreflexe 32 im modifizierten Bereich 50 für den Betrachter 40 so, als würden sie konti nuierlich ihre Schwebehöhe verändern. Auch die modifizierten Strukturen werden in dieser Beschreibung als Fresnelstrukturen und insbesondere als Fresnellinsen oder Fresnelspiegel bezeichnet.

Die visuelle Auswirkung der Modifikation der Spiegelsteigungen auf die Lichtflecke 32 ist aus Fig. 3 und genauer noch aus den nachstehenden Figu ren 4 und 5 ersichtlich. Am Nord- bzw. Südpol der Halbkugel 50 sind die Spiegelsteigungen stark erhöht bzw. verringert, während sie am Äquator un verändert bleiben.

Diese Modifikation der Steigungen erzeugt eine Verzerrung der Lichtflecken 32 in einer solchen Form, dass der modifizierte Flächenbereich 50 vom Be trachter 40 als dreidimensionale, sich aus dem Flächenbereich 24 herauswöl bende Halbkugel wahrgenommen wird. Die einzelnen Lichtflecken 32 und deren Abstände werden nämlich durch die modifizierten Mikrospiegel am Äquator der Halbkugel stark vergrößert, zu den Polen hin dagegen ge staucht. Wie aus Fig. 3 ebenfalls ersichtlich, erzeugt die Modifikation der Spiegelsteigungen nicht nur eine Änderung der effektiven Brennweite der Fresnelspiegel 28, sondern verzerrt die gesamte Struktur.

Anders als bei der notwendigerweise statischen Abbildung der Fig. 3 erzeugt die Modifikation der Spiegelsteigungen bei einem realen Darstellungsele ment neben der Verzerrung auch einen dynamischen Effekt, der sowohl bei waagrechter, als auch bei senkrechter Verkippung des Elements in Erschei nung tritt. Im Vergleich zu den nicht modifizierten Bereichen 52, in denen die Funktion f(x,y) = (0,0) ist und zu keiner Änderung der Spiegelsteigungen führt, bewegen sich die Lichtflecken 32 nämlich in dem modifizierten Be reich 50 für einen Betrachter beim Kippen des Darstellungselements 20 lang samer und im Allgemeinen auf gekrümmten Bahnen.

Figur 3 zeigt weiter, dass die einzelnen Fresnelstrukturen im modifizierten Bereich 50 größer sind, und den Lichtflecken 32 daher beim Verkippen einen größeren Bewegungsbereich erlauben. Da jedoch die Amplitude der Bewe gung gleich bleibt, bewegen sich die Lichtflecken 32 in diesem größeren Be reich langsamer als die Lichtflecken in den nicht modifizierten Bereichen 52. Dieser Effekt ist am stärksten an den Polen der Halbkugel ausgeprägt, wo die Spiegelsteigungen durch die Modifikation am stärksten verändert wur den. Durch diese unterschiedlichen Bewegungsgeschwindigkeiten der Licht flecken 32 innerhalb des modifizierten Bereiches 50 entsteht für den Betrach ter die Illusion, dass sich die Lichtflecken 32 tatsächlich auf der vorspringen den Oberfläche einer dreidimensionalen Halbkugel bewegen, d.h. am Nord pol bewegen sich die Lichtflecken langsam auf den Betrachter zu, über den Äquator laufen sie schneller und am Südpol bewegen sie sich wieder langsa mer und von Betrachter weg.

Zur genaueren Erläuterung der Wirkung der Verzerrung zeigt Fig. 4 in (a) bis (c) jeweils in Aufsicht den Flächenbereich 24 eines erfindungsgemäßen Darstellungselements mit einer Reihe von Fresnelhohlspiegeln 28, die, wie oben beschrieben, jeweils aus einer Mehrzahl von Mikrospiegeln gebildet sind. Figur 4(a) zeigt dabei eine unverzerrte Fresnelspiegelstruktur, Fig. 4(b) eine Fresnelspiegelstruktur mit geringer Verzerrung und Fig. 4 (c) eine Fres nelspiegelstruktur mit starker Verzerrung. In Fig. 6 ist schematisch eine ver größerte Ansicht eines Ausschnitts VI der Fig. 4(a) mit vier Fresnelhohlspie geln 28 dargestellt. Figur 5 zeigt in (a) bis (c) jeweils das zu den Flächenbereichen 24 der Figuren 4(a) bis (c) gehörige Lichtfleckenbild aus Lichtflecken 32. Wie durch Ver gleich der Teilbilder (a) bis (c) zu erkennen, ändert sich durch die Stärke der Verzerrung auch die Größe, bzw. genauer gesagt, der Durchmesser der Fres nelhohlspiegel 28. Da die Ganghöhe der kleinen Mikrospiegel 26, die zusam men die Fresnelhohlspiegel 28 bilden, unverändert bleibt, ändert sich durch die Verzerrung der Krümmungsradius der Hohlspiegel 28. Die Krümmung nimmt ab, d.h. der Krümmungsradius r wird größer und dadurch auch die Brennweite bzw. die Schwebehöhe der Lichtflecken 32 gemäß der Beziehung f = r/2.

Der dreidimensionale Bildeindruck, also die Wahrnehmung des Betrachters 40, dass die Lichtflecken 32 in einer bestimmten Höhe f über oder unter dem Flächenbereich 24 des Substrats 22 zu schweben scheinen, entsteht durch beidäugiges Sehen. Soll ein Lichtfleck 32 vom Betrachter 40 aus gesehen für beide Augen sichtbar sein, muss bei einem typischen Augenabstand von a « 6,5 cm (Fig. 2) und einem typischen Betrachtungsabstand b « 30 cm (Fig. 2) die Bedingung f/d < 5 erfüllt sein, wobei f den Betrag der Schwebehöhe des Lichtflecks 32 und d den Optikdurchmesser des den Lichtfleck 32 erzeugenden Fresnelspiegels 28 bezeichnet, also die lineare Abmessung des Flächenbereichs, in dem die den Fresnelspiegel 28 erzeugenden Mikrospiegel 26 verteilt sind. Beträgt der Op tikdurchmesser der Fresnelspiegel 28 beispielsweise d = 0,5 mm, so lassen sich Schwebehöhen bis zu f = 5d = 2,5 mm mit dreidimensionalem Bildein druck realisieren. Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Mikrospiegel 26, die jeweils zusammen einen Fresnelspiegel 28 bilden, ohne Zwischen raum unmittelbar nebeneinander angeordnet, so dass der Optikdurchmesser d einfach die Summe der Abmessungen der den Fresnelspiegel bildenden Mikro Spiegel 26 ist. Der Abstand zweier benachbarter Lichtflecken 32 in der Ebene des Flächenbereichs entspricht dann im Wesentlichen der linearen Ab messung der Fresnelspiegel 28.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung werden aus kleinen, nahe beieinan der liegenden Lichtflecken komplexere Lichtfleckenmuster gebildet, die beim Kippen des Darstellungselements gemeinsam über die vor- und/ oder zurückspringende Oberflächentopographie wandern.

Um die benötigten nahe beieinander liegenden Lichtflecken zu erzeugen, werden die den Fresnelspiegeln 28 zugordneten Mikrospiegel 26 ineinander verschachtelt im Flächenbereich 24 angeordnet. Das Prinzip ist anhand der Figuren 7 und 8 näher erläutert, in denen zwei nahe beieinander liegende Lichtflecken 72, 74 durch eine schachbrettartige Verschachtelung der Mikro spiegel 62, 64 zweier Fresnelhohlspiegel A und B erzeugt werden.

Zur Illustration sind die Fresnelspiegel in einem einfachen Beispiel zunächst jeweils aus 30 x 30 Mikrospiegeln 62 gebildet, die einen Fresnelhohlspiegel A bilden und aus 30 x 30 Mikrospiegeln 64, die einen Fresnelhohlspiegel B bil den. Von diesen 30 x 30 Mikrospiegeln wird dann alternierend jeweils jeder zweite Spiegel verworfen und die verbleibenden Mikro Spiegel schachbrettar tig ineinander verschachtelt, wie schematisch in der Aufsicht der Fig. 7 und der Seitenansicht der Fig. 8 gezeigt. Der übersichtlichen Darstellung halber ist in den Figuren 7 und 8 nur ein Teil der Mikrospiegel 62, 64 gezeigt. Die Mikro Spiegel 62, 64 können beispielsweise jeweils eine Grundfläche von 20 x 20 mih² aufweisen, so dass das Verschachtelungsgebiet 60 eine Gesamtfläche von 600 x 600 gm² einnimmt.

Die Mikrospiegel 62 tragen dabei zur Erzeugung des Lichtflecks 72 bei und bilden zusammen den Fresnelhohlspiegel A. Die Mikrospiegel 64 tragen ent sprechend zur Erzeugung des Lichtflecks 74 bei und bilden zusammen den Fresnelhohlspiegel B. Wie in Fig. 8 erkennbar, entspricht der Abstand der Lichtflecken 72, 74 bei dieser Gestaltung dem Abstand d_m der Mikrospiegel 62, 64 und beträgt daher nur A_min = 20 gm, obwohl sich jeder der Fresnelspie gel A, B über einen Längenbereich d von « 600 gm erstreckt. Trotz des klei nen Abstands A_min der Lichtflecken 72, 74 kann daher eine große Schwebe höhe von f = 5*d = 3 mm erreicht werden.

Selbstverständlich können auf diese Weise auch mehr als zwei kleine Licht flecken nahe beieinander angeordnet und dadurch ein gewünschtes Lichtfle ckenmuster erzeugt werden. Als besonders vorteilhaft haben sich Darstel lungen herausgestellt, bei denen mehr als 10, insbesondere mehr als 20 Wölbspiegel ineinander verschachtelt werden. Mit steigendem Verschachte lungsgrad tendieren die Motive allerdings zu verschwimmen, sofern sie nicht mit einer praktisch punktförmigen Lichtquelle betrachtet werden. Ein hoher Verschachtelungsgrad erfordert also gute Betrachtungsbedingungen, während Lichtfleckenbilder mit niedrigerem Verschachtelungsgrad (2 bis 10) auch bei mäßigen oder schlechten Betrachtungsbedingungen gut auflösbar sind.

Werden allgemein die Fresnelspiegel 28 durch eine Anordnung aus n x n Mikrospiegeln mit einer linearen Abmessung d_m gebildet und werden die gewünschten Muster durch ein Raster mit k x k Elementen erzeugt, so be trägt der Optikdurchmesser d der Fresnelspiegel 28 jeweils d ^« k*n*d_m, so dass sich eine maximale Schwebehöhe von fmax~ 5^* k^*n^*dm ergibt, während der minimale Abstand zweier Lichtflecke nur Amin ^— k dm, beträgt, also um einen Faktor n kleiner ist als bei unverschachtelter Anord nung. Auf diese Weise kann ein kleiner Abstand A_mm benachbarter Lichtfle cke mit einer großen Schwebehöhe f_max kombiniert werden. Wird beispielsweise ein Lichtfleckenmuster durch 4 x 4 = 16 kleine Licht- fleckenpositionen gebildet und werden die Fresnelspiegel 28 durch eine An ordnung aus 10 x 10 Mikrospiegeln einer linearen Abmessung von 25 gm ge bildet, so ergibt sich der minimaler Abstand zweier Lichtflecke zu Amin = 4*25 gm = 100 gm.

Dennoch wird eine große maximalen Schwebehöhe von fma_x = 5* 4*10*25 gm = 5 mm erreicht. Es versteht sich, dass die Lichtfleckenmuster auch durch andere Raster oder Anordnungen als die zur einfacheren Erläuterung angenomme nen quadratischen Lichtfleckenraster mit k x k Elementen erzeugen lassen.

Figur 9 zeigt eine Aufsicht auf den Flächenbereich 24 eines entsprechenden Darstellungselements 80, das bei Beleuchtung eine Mehrzahl von Lichtfle- ckenmustern 82 in Form der Buchstabenfolge "EU" zeigt. Die Lichtflecken muster 82 sind wie oben beschrieben jeweils aus einer Mehrzahl kleiner Lichtflecken gebildet. Analog zu der Darstellung der Fig. 3 scheinen die Lichtfleckenmuster 82 für den Betrachter im Bereich 52 auf konstanter Höhe zu schweben, während ihre Schwebehöhe im mittleren Bereich des Darstellungselements 80 konti nuierlich dem Oberflächenverlauf einer gegenüber dem Flächenbereich vor- springenden Halbkugel 50 folgt.

Auch die dynamischen Effekte, die sich in den modifizierten bzw. unmodifi- zierten Bereichen 50, 52 beim Kippen des Elements 80 ergeben, sind wie bei Fig. 3 bereits beschrieben, so dass sich beim Bewegen des Darstellungsele- ments 80 für einen Betrachter die Illusion ergibt, dass sich die Lichtflecken muster 82, also die Buchstabenfolgen "EU", auf der vorspringenden Oberflä che 50 einer dreidimensionalen Kugel bewegen.

Bezugszeichenliste

10 Banknote

12 Sicherheitselement 14 aus der Ebene herauswölbende Halbkugel

16 Lichtflecken 20 Darstellungselement 22 Substrat 24 Flächenbereich 26 Mikro Spiegel 28 Fresnelspiegel 30 Lichtquelle

32, 32a, 32b Lichtflecken 40 Betrachter 50 modifizierter Bereich, vorspringende Halbkugel

52 unmodifizierter äußerer Bereich 60 V erschachtelungsgebiet

62, 64 Mikro Spiegel 72, 74 Lichtflecken 80 Darstellungselement

82 Lichtfleckenmuster

Claims

P a te nt a n s p r ü c h e

1. Darstellungselement mit einem Substrat mit einem Flächenbereich, in dem eine Mehrzahl gegen den Flächenbereich geneigter optischer Elemente angeordnet ist, wobei das Darstellungselement ausgelegt und bestimmt ist, bei Beleuchtung mit einer Lichtquelle ein Lichtfleckenbild aus einer Mehrzahl von Lichtflecken zu erzeugen, die reelle oder virtuelle Bilder der beleuch tenden Lichtquelle sind, und die für einen Betrachter oberhalb oder unterhalb des Flächenbereichs schwebend erscheinen, wobei sie mit einer kontinuierlichen Änderung ihrer scheinbaren Schwebehöhe ei ner vorgegebenen, gegenüber dem Flächenbereich vor- und/ oder zu rückspringenden Oberflächentopographie folgen, wobei jedem Lichtfleck des Lichtfleckenbilds eine Mehrzahl von opti schen Elementen zugeordnet ist, die refr aktive und/ oder reflektive optische Elemente sind, die zusammen eine Fresnelstruktur bilden, wobei die optischen Elemente einer Fresnelstruktur bei Beleuchtung des Darstellungselements _Zusammenwirken, um den ihnen zugeord neten Lichtfleck zu erzeugen, und wobei die Neigungen der optischen Elemente der Fresnelstrukturen jeweils so aufeinander abgestimmt sind, dass sie die Brennweiten der Fresnelstrukturen kontinuierlich verändern und dadurch die erzeug ten Lichtflecke für einen Betrachter scheinbar der vorgegebenen Ober flächentopographie folgen lassen.

2. Darstellungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente zumindest für einen Teil der Fresnelstrukturen re ff aktive optische Elemente sind, die zusammen eine Fresnellinse bilden.

3. Darstellungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente zumindest für einen Teil der Fresnelstruk turen reflektive optische Elemente sind, die zusammen einen Fresnelspiegel, insbesondere einen Fresnel-Hohlspiegel oder einen Fresnel-Wölbspiegel bil- den.

4. Darstellungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnelstrukturen in den gegenüber dem Flächenbereich vor- und/ oder zurückspringenden Bereichen der Oberflä- chentopographie weder rotationssymmetrisch noch elliptisch sind, sondern einer durch die Oberflächentopographie vorgegebenen Freiform folgen.

5. Darstellungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente durch ebene Mikro- Spiegel oder durch kleine Mikroprismen gebildet sind.

6. Darstellungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Fichtflecke und die zugeordneten op tischen Elemente jeweils f/ d < 5 gilt, wobei f den Betrag der Schwebehöhe des Fichtflecks oberhalb oder unterhalb des Flächenbereichs bezeichnet und d den Optikdurchmesser der zu diesem Fichtfleck beitragenden optischen Elemente.

7. Darstellungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Lichtfleck des Lichtfleckenbilds eine Mehrzahl von aneinander angrenzenden optischen Elementen zuordnet ist.

8. Darstellungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Lichtfleck des Lichtfleckenbilds eine Mehrzahl von beabstandet auf dem Flächenbereich verteilten optischen Ele menten zuordnet ist.

9. Darstellungselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass optische Elemente, die verschiedenen Lichtflecken zugeordnet sind, in dem Flächenbereich ineinander verschachtelt angeordnet sind.

10. Darstellungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Mehrzahl von Lichtflecken Licht- fleckenmuster gebildet sind, die für einen Betrachter scheinbar der vorgege benen Oberflächentopographie folgen.

11. Darstellungselement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtfleckenmuster aus einem Raster aus p x q Lichtfleckenpositio- nen gebildet sind, vorzugsweise mit p, q = 2, 3, 4, 5 oder 6.

12. Darstellungselement nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtfleckenmuster Buchstaben, Zahlen, Logos, Symbole oder einfache geometrische Formen wie Kreise, Ovale, Dreiecke, Rechtecke oder Quadrate darstellen.

13. Darstellungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Oberflächentopographie eine gekrümmte Oberfläche darstellt und vorzugsweise ein sich aus dem Flä chenbereich heraus- oder in den Flächenbereich hineinwölbender Kugelab schnitt, insbesondere eine Halbkugel ist.

14. Darstellungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente als Prägestrukturen in einer Prägelackschicht ausgebildet sind, und Strukturhöhen von weniger als 100 gm, bevorzugt von weniger als 20 gm, besonders bevorzugt von we niger als 5 gm aufweisen.

15. Darstellungselement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägestrukturen mit einer reflexionserhöhenden Beschichtung, ins besondere mit einer Metallisierung, einer hochbrechenden Beschichtung, ei nem Dünnschichtelement mit Farbkippeffekt oder einer cholesterischen Flüs sigkristallschicht versehen sind.

16. Darstellungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Darstellungselement ein Sicherheitsele ment für Sicherheitspapiere, Wertdokumente und andere abzusichernde Ge genstände ist, insbesondere ein Sicherheitsfaden, ein Sicherheitsband, ein Si cherheitsstreifen, ein Etikett oder ein Transferelement ist.

17. Verfahren zum Herstellen eines Darstellungselements nach einem der Ansprüche 1 bis 16, das ausgelegt und bestimmt ist, bei Beleuchtung ein Lichtfleckenbild aus einer Mehrzahl von Lichtflecken zu erzeugen, die reelle oder virtuelle Bilder der beleuchtenden Lichtquelle sind, und die für einen Betrachter oberhalb oder unterhalb des Flächenbereichs schwebend erschei nen, wobei sie mit einer kontinuierlichen Änderung ihrer scheinbaren Schwebehöhe einer vorgegebenen, gegenüber dem Flächenbereich vor- und/ oder zurückspringenden Oberflächentopographie folgen, wobei bei dem Verfahren ein Substrat bereitgestellt wird und in einem Flä chenbereich des Substrats eine Mehrzahl gegen den Flächenbereich geneigter optischer Elemente angeordnet wird, jedem Lichtfleck des Lichtfleckenbilds eine Mehrzahl von optischen Elementen zugeordnet wird, die refr aktive und/ oder reflektive opti sche Elemente sind, die zusammen eine Fresnelstruktur bilden, die optischen Elemente einer Fresnelstruktur bei Beleuchtung des Darstellungselements _Zusammenwirken, um den ihnen zugeordneten Lichtfleck zu erzeugen, und die Neigungen der optischen Elemente der Fresnelstrukturen jeweils so aufeinander abgestimmt werden, dass sie die Brennweiten der Fresnelstrukturen kontinuierlich verändern und dadurch die erzeug ten Lichtflecke für einen Betrachter scheinbar der vorgegebenen Ober flächentopographie folgen lassen.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ab stimmung der Neigungen der optischen Elemente die gewünschte, wahrzunehmende Oberflächentopographie durch eine vektorwertige Funktion f(x,y) vorgegeben wird, die Steigungen (dxo, dyo) unmodifizierter optische Elemente bestimmt werden, die zu gleichmäßigen, insbesondere rotationssymmetrischen oder elliptischen Fresnelstrukturen führen, und - aus den unmodifizierten Spiegelsteigungen (dxo, dyo) durch Addition der vektorwertigen Funktion f(x,y) die modifizierten, aufeinander ab gestimmten Steigungen (dx, dy) der optischen Elemente bestimmt werden.

19. Datenträger mit einem Darstellungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16.