ES2955180T3 - Elementos ópticos de seguridad, objeto marcado, método de autenticación de un objeto y uso de elementos ópticos de seguridad de autentificación o protección contra falsificaciones - Google Patents
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Abstract
Un elemento óptico de seguridad hecho de un material óptico refractivo transparente o parcialmente transparente y que comprende un conjunto óptico de una capa cáustica que tiene una superficie de redireccionamiento de la luz con un patrón en relieve de una profundidad dada y una distancia focal fC y un elemento de lente adyacente de longitud focal fL. configurado para redirigir la luz incidente recibida desde una fuente de luz puntual a través de él y para formar una imagen proyectada que contiene un patrón cáustico directamente sobre la retina de un observador. También se describen un objeto marcado, así como un método para autenticar visualmente un objeto y el uso de elementos ópticos de seguridad para autenticar o proteger contra la falsificación. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Elementos ópticos de seguridad, objeto marcado, método de autenticación de un objeto y uso de elementos ópticos de seguridad de autentificación o protección contra falsificaciones
CAMPO TÉCNICO
La presente invención se refiere al campo técnico de los elementos ópticos de seguridad reflectantes o refractivos que operan para proyectar patrones cáusticos con una iluminación adecuada, así como a un método y uso de tales elementos ópticos de seguridad de autentificación o protección contra falsificaciones.
TÉCNICA ANTERIOR
Existe la necesidad de disponer de características de seguridad en objetos, que puedan ser autenticadas por la llamada "persona de a pie", utilizando medios comúnmente accesibles. Estos medios incluyen el uso de los cinco sentidos, principalmente, la vista y el tacto, además de utilizar herramientas de uso muy extendido, como por ejemplo, un teléfono móvil.
Algunos ejemplos habituales de características de seguridad son fibras, hilos o láminas forenses (incorporadas en un sustrato como papel, por ejemplo), marcas de agua, impresiones calcográficas o microimpresiones (posiblemente impresas en un sustrato con tintas ópticamente variables) que se pueden encontrar en billetes, tarjetas de crédito, documentos de identidad, tiques, certificados, documentos, pasaportes, etc. Estas características de seguridad pueden incluir tintas ópticamente variables, tintas invisibles o tintas luminiscentes (fluorescentes o fosforescentes bajo una iluminación apropiada con una luz de excitación específica), hologramas y/o características táctiles. Un aspecto principal de una característica de seguridad es que tiene alguna propiedad física (efecto óptico, efecto magnético, estructura material o composición química) que es muy difícil de falsificar, de modo que un objeto marcado con dicha característica de seguridad puede considerarse auténtico con fiabilidad si la propiedad se puede observar o revelar (visualmente o por medio de un aparato específico).
No obstante, cuando el objeto es transparente, o parcialmente transparente, es posible que las características públicas generales y explícitas no sean las convenientes. De hecho, los objetos transparentes a menudo requieren que el elemento de seguridad que tiene las características de seguridad requeridas no cambie su transparencia o su apariencia, ya sea por razones estéticas o funcionales. Entre los destacables se pueden incluir ampollas y viales para productos farmacéuticos. Recientemente, por ejemplo, los billetes de polímero e híbridos han incorporado en su diseño una ventana transparente, originando así el deseo de características de seguridad que sean compatibles con la misma.
La mayoría de las características de seguridad existentes de elementos de seguridad para documentos, billetes, entradas garantizadas, pasaportes, etc. no se han desarrollado específicamente para objetos/zonas transparentes y, como tal, no son muy adecuadas para tal aplicación. Otras características, por ejemplo, las obtenidas con tintas invisibles y fluorescentes, requieren herramientas específicas de excitación y/o herramientas de detección, que pueden no ser fácilmente accesibles para "las personas de a pie".
Se conocen características ópticamente variables semitransparentes (por ejemplo, recubrimientos de cristal líquido o imágenes latentes de estructuras de superficie) que pueden proporcionar este tipo de funcionalidad. Desafortunadamente, la marca que incorpora estas características de seguridad, por lo general, se debe observar contra un fondo oscuro/uniforme para que el efecto se pueda observar correctamente.
Las soluciones de ventanas transparentes para billetes se describen, por ejemplo, en The Guardian.tm "Security Features Reference Guide", edición 2, mayo 2013. La mayoría de las características de seguridad divulgadas afectan a la transparencia de la ventana. Una de ellas (Eclipse®) no lo hace. Es un dispositivo difractivo que revela una imagen oculta cuando se mira a través de la ventana transparente en una fuente de luz de punto brillante.
Las funciones de seguridad difractivas, como Eclipse®, presentan una serie de inconvenientes, incluida una fuerte aberración cromática, la necesidad de una fuente de luz brillante y la presencia de difracción de orden cero (es decir, la luz residual de la fuente) en la imagen proyectada.
Otras características conocidas son los elementos ópticos difractivos utilizados en modo reflectante o en modo de transmisión para proyectar un patrón sobre una pantalla, tales como hologramas de superficie no metalizada. Una desventaja de estas características es que muestran un efecto visual con muy bajo contraste cuando se miran directamente. Así mismo, cuando se usan en combinación con una fuente de luz monocromática para proyectar un patrón, suele ser necesario un láser para obtener un resultado satisfactorio. Asimismo, son necesarios una disposición espacial relativa bastante precisa de la fuente de luz, el elemento de la óptica difractiva y los ojos del observador para proporcionar un efecto óptico claramente visible.
Se han utilizado micro-textos y/o microcódigos grabados con láser, por ejemplo, para viales de vidrio. No obstante,
se precisan herramientas costosas para su implementación y una herramienta de aumento específica para su detección.
El documento AU 2011101251 A4 divulga un dispositivo ópticamente variable, que incluye una pluralidad de elementos de imagen de relieve superficial, cada uno de los cuales incluye un perfil de superficie, situado sobre o en un sustrato y configurado para reflejar y/o refractar la luz incidente para formar parte o la totalidad de una imagen, de manera que uno o varios de los elementos de imagen en relieve produzcan un frente de onda reflejado o refractado que sea estructuralmente estable con respecto a pequeñas perturbaciones o distorsiones de la parte de la superficie del dispositivo que incorpora el elemento de imagen. Pueden incluirse uno o más elementos de seguridad secundarios. Los elementos de seguridad secundarios pueden seleccionarse entre: elementos reflectantes o refractivos de microespejo; elementos planos de Fourier; elementos planos dispuestos para proporcionar un reflejo especular de un usuario al usuario; elementos de lente de un conjunto de lentes; y elementos difractivos. Además, se divulga un documento de seguridad que incluye un sustrato de papel o polímero que incorpora un dispositivo óptico, en donde el dispositivo se incorpora en o sobre la superficie de un documento de papel o polímero como medio para autenticar la autenticidad del documento. El documento de seguridad puede ser un billete de banco. Por lo tanto, un objetivo de la invención es superar las carencias de la técnica anterior y proporcionar elementos ópticos de seguridad hechos de un material óptico refractivo transparente o parcialmente transparente o que comprenden una superficie de reorientación de luz de una capa cáustica, en donde una persona puede autenticar fácilmente de manera visual los elementos ópticos de seguridad, sin utilizar otros medios adicionales (es decir, a simple vista) o medios comunes y fácilmente accesibles, por ejemplo, una simple fuente de luz puntual como el sol, una farola, la lámpara de flash de un teléfono inteligente, etc. (una fuente de luz se considera "puntual" si su tamaño angular es menor o igual a 1°).
Otro objetivo de la invención consiste en proporcionar un elemento de seguridad óptico fácil de fabricar en grandes cantidades o compatible con los procesos de fabricación en serie. Asimismo, la iluminación del elemento óptico de seguridad también debería ser posible con medios fácilmente accesibles (por ejemplo, una fuente de luz, como el LED de un teléfono móvil o el sol) y las condiciones para una buena observación visual por parte de un usuario (un observador) no deberían requerir una disposición espacial relativa demasiado estricta de la fuente de luz, del elemento óptico de seguridad y de los ojos del observador.
Dicho de otra forma, la manipulación por parte de un usuario (un observador) al verificar la presencia de la característica de seguridad debe ser lo más simple posible, y la solución debe ser compatible con el abanico más amplio de condiciones de utilización.
Otro objetivo de la invención es proporcionar un objeto marcado, que comprende el elemento óptico de seguridad, que presente características de seguridad que pueda autenticar visualmente con facilidad una persona, sin utilizar otros medios (es decir, a simple vista) o medios comunes y fácilmente accesibles (por ejemplo, una simple lupa o una fuente puntual, por ejemplo, un LED de un teléfono móvil).
Otro objetivo de esta invención es proporcionar un método eficaz para autenticar visualmente un objeto, marcado con el elemento óptico de seguridad hecho de un material óptico refractivo transparente o parcialmente transparente o que comprende una superficie reflectante de reorientación de luz de una capa cáustica.
Otro objetivo de esta invención es proporcionar un elemento óptico de seguridad para su uso en la autenticación o protección contra falsificaciones.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Según un aspecto, la presente invención se refiere a un elemento óptico de seguridad fabricado con un material óptico refractivo transparente o parcialmente transparente y que comprende un conjunto óptico de una capa cáustica, que tiene una superficie de reorientación de luz con un patrón en relieve de determinada profundidad y una distancia focal fc y un elemento de lente adyacente de distancia focal fi_, configurado para reorientar la luz incidente recibida de una fuente de luz puntual a través de él y formar una imagen proyectada, que presenta un patrón cáustico, directamente sobre la retina de un observador que mira la fuente puntual a través del elemento óptico de seguridad.
También cabe señalar con respecto a la propagación de la luz que, alternativamente, el orden: fuente ^ capa cáustica ^ lente se puede invertir: fuente ^ lente ^ capa cáustica (un equivalente conocido en óptica clásica). El elemento óptico de seguridad no cambia la transparencia de un objeto transparente o parcialmente transparente o de una ventana transparente incorporada en el objeto. También permite, ventajosamente, una manipulación sencilla y una buena observación por parte del usuario (un observador), cuando comprueba la presencia de la característica de seguridad, y es compatible con los procesos de fabricación de producción en masa.
El aspecto transparente del elemento óptico de seguridad refractivo lo hace particularmente adecuado para marcar
sustratos al menos parcialmente transparentes (por ejemplo, botellas de vidrio o plástico, tapones de botellas, cristales de relojes, joyería, gemas, etc.). Preferentemente, el elemento óptico de seguridad refractivo es transparente (o parcialmente transparente) a la luz visible (es decir, para longitudes de onda de luz de aproximadamente 380 nm a aproximadamente 740 nm).
El elemento óptico de seguridad según la presente invención comprende uno de los siguientes:
a) la capa cáustica tiene una distancia focal positiva (fe > 0) y el elemento de lente tiene una distancia focal negativa (fL < 0), o
b) la capa cáustica tiene una distancia focal negativa (fe < 0) y el elemento de lente tiene una distancia focal positiva (fL > 0).
Preferentemente, la relación entre la distancia focal del elemento de lente y la distancia focal de la capa cáustica satisface la siguiente ecuación:
donde:
R es la distancia entre la capa cáustica y el ojo del observador;
ds es la distancia entre la fuente de luz puntual y el elemento óptico de seguridad; y
dR es la distancia de lectura cómoda para el ojo, que es de al menos 25 cm.
Se elige que la distancia focal positiva sea igual o mayor que el valor absoluto de la distancia focal negativa.
La distancia focal negativa puede oscilar de -15 mm a -125 mm, y preferentemente de -30 mm a -50 mm.
Por ejemplo, la capa cáustica tiene la distancia focal negativa fe que oscila de -30 mm a -50 mm y se combina con el elemento de lente que tiene una distancia focal positiva correspondiente fL que oscila de 30 mm a 50 mm, siendo el elemento de lente una lente plano-convexa.
El elemento óptico de seguridad según la invención se utiliza para marcar un objeto seleccionado del grupo que comprende: productos de consumo, documentos de valor y billetes.
Según otro aspecto, la presente invención se refiere a un elemento óptico de seguridad que comprende una superficie de reorientación de luz reflectante de un conjunto óptico formado por una capa cáustica que presenta un patrón en relieve de profundidad determinada y una distancia focal fC y una capa de material óptico adyacente de distancia focal fL, estando configurado dicho conjunto óptico para reorientar la luz incidente recibida desde una fuente de luz puntual y para formar una imagen proyectada que contiene un patrón cáustico directamente sobre la retina de un observador.
Según la invención, el elemento óptico de seguridad comprende uno de los siguientes:
a) la capa cáustica tiene una distancia focal positiva (fe > 0) y la capa de material óptico tiene una distancia focal negativa (fL < 0), o
b) la capa cáustica tiene una distancia focal negativa (fe < 0) y el elemento de lente tiene una distancia focal positiva (fL > 0).
Preferentemente, la relación entre la distancia focal de la capa de material óptico y la distancia focal de la capa cáustica satisface la siguiente ecuación:
donde:
R es la distancia entre la capa cáustica y el ojo;
ds es la distancia entre la fuente de luz puntual y el elemento óptico de seguridad; y
dR es la distancia de lectura cómoda para el ojo, que es de al menos 25 cm.
El elemento óptico de seguridad según la invención se utiliza para marcar un objeto seleccionado del grupo que comprende: productos de consumo, documentos de valor y billetes.
Según otro aspecto más, la presente invención se refiere a un objeto marcado, seleccionado de un grupo que comprende productos de consumo, documentos de valor y billetes, que comprende el elemento óptico de seguridad con características de seguridad que puede autenticar visualmente con facilidad una persona sin utilizar otros medios (es decir, a simple vista) o con medios fácilmente accesibles (por ejemplo, una simple fuente de luz puntual
comúnmente accesible).
Según otro aspecto más, la presente invención se refiere a un método para que un observador autentique visualmente un objeto marcado con el elemento óptico de seguridad descrito en el presente documento, que comprende las etapas de:
- iluminar la superficie de reorientación de luz del elemento óptico de seguridad con una fuente de luz puntual a la distancia ds desde la superficie de reorientación de luz;
- observar visualmente una imagen virtual de un patrón cáustico a una distancia di del elemento óptico de seguridad; y
- decidir que el objeto es auténtico después de que el observador evalúe que el patrón cáustico proyectado es visualmente similar al patrón de referencia.
Según otro aspecto más, la presente invención se refiere al uso del elemento óptico de seguridad como el descrito en el presente documento, para autenticar o proteger contra falsificaciones un objeto seleccionado del grupo que comprende productos de consumo, documentos de valor y billetes.
A continuación, la presente invención se describirá con más detalle haciendo referencia a los dibujos adjuntos en los que los números similares representan elementos similares en las diferentes figuras y en los que se ilustran aspectos y características relevantes de la invención.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La figura 1 es una ilustración esquemática de una configuración óptica del elemento óptico de seguridad según un aspecto de la presente invención, en donde la capa cáustica tiene una distancia focal positiva (fe > 0) y el elemento de lente tiene una distancia focal negativa (fi_ < 0).
La figura 2 es una ilustración esquemática de una configuración óptica del elemento óptico de seguridad según un aspecto de la presente invención, en donde la capa cáustica tiene una distancia focal negativa (fe < 0) y el elemento de lente tiene una distancia focal positiva (fi_ > 0).
La figura 3 ilustra una instalación esquemática utilizada para grabar imágenes físicas siguiendo la configuración óptica ilustrada en la figura 1.
La figura 4 ilustra una instalación esquemática utilizada para grabar imágenes físicas utilizando una capa cáustica con distancia focal negativa acoplada a una lente positiva.
Las figuras 5 y 6 muestran ejemplos de las imágenes obtenidas con la instalación mencionada anteriormente utilizando una capa cáustica positiva diseñada para proyectar una imagen cáustica en una superficie a 40 mm por detrás del elemento óptico de seguridad (fc=40 mm), acoplado a elementos de lente negativos que tienen f_=-30 mm y fL=-50 mm, respectivamente.
Las figuras 7 y 8 muestran ejemplos de imágenes obtenidas con la instalación descrita en la figura 4, que utiliza una distancia focal negativa (fc=-40 mm) copia del elemento óptico cáustico utilizado en las figuras 5 y 6 y está acoplado a elementos de lente positiva que tienen distancias focales f_=40 mm y f_=50 mm, respectivamente.
La figura 9 muestra ejemplos de posibles elementos ópticos de seguridad que comprenden: a) elemento con una capa cáustica positiva 2 con lentes individuales positivas 8 con un elemento de lente negativo independiente 3, b) elemento con una capa cáustica 2 y con una superficie posterior que es un elemento de lente negativa 3, c) capa cáustica 2 sobre una superficie del elemento de lente negativo 3 (suma de ambas superficies).
La figura 10 muestra ejemplos de posibles elementos ópticos de seguridad que comprenden: a) un elemento con una capa cáustica negativa 2 y un elemento de lente positiva independiente 3, b) elemento con una capa cáustica negativa 2 y con una superficie posterior que es un elemento de lente positiva 3, c) capa cáustica negativa 2 sobre una superficie del elemento de lente positiva 3 (suma de ambas superficies).
Las figuras 11 y 12 ilustran esquemas ópticos para crear una imagen en la retina mediante el conjunto de microlentes de la capa cáustica del elemento óptico de seguridad, en donde están combinadas la capa cáustica que tiene una distancia focal positiva (fe > 0) y el elemento de lente que tiene una distancia focal negativa (fi_ < 0).
Las figuras 13 y 14 muestran esquemas ópticos para crear una imagen en la retina mediante el conjunto de microlentes de la capa cáustica del elemento óptico de seguridad, cuando están combinadas la capa cáustica que tiene una distancia focal negativa (fe < 0) y el elemento de lente que tiene una distancia focal positiva (fi_ > 0).
Las figuras 15 y 16 muestran una instalación óptica e imágenes simuladas (trazadas por rayos) creadas por un elemento óptico de seguridad que tiene una capa cáustica positiva con fc=40 mm adyacente a una lente negativa
con fL=-40 mm y que está colocada a 25 mm de un modelo de ojo con un diámetro de iris de 3 mm y 5 mm, respectivamente.
Las figuras 17 y 18 muestran imágenes simuladas (trazadas por rayos) creadas por un elemento óptico de seguridad que tiene una capa cáustica negativa con fc=-40 mm adyacente a una lente positiva con f_=40 mm y que está colocada a distancias de 25 mm y 40 mm, respectivamente, de un modelo de ojo con un diámetro de iris fijo de 3 mm.
Las figuras 19 y 20 muestran imágenes creadas por el elemento óptico que tiene la capa cáustica con fc=-40 mm y el elemento de lente con fL=45 mm, en donde la capa cáustica con la distancia focal negativa se sitúa sobre el elemento de lente con la distancia focal positiva.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
En la presente descripción se usan varios términos que se definen con más detalle a continuación.
En óptica, el término "cáustica" se refiere a una envolvente de rayos de luz reflejados o refractados por una o más superficies, al menos una de las cuales es curva, así como a la proyección de dichos rayos de luz sobre otra superficie. Más específicamente, una cáustica es la curva o superficie tangente a cada rayo de luz, que define un límite de una envolvente de rayos como una curva de luz concentrada. Por ejemplo, el patrón de luz formado por los rayos solares en el fondo de una piscina es una "imagen" cáustica o patrón cáustico formado por una sola superficie refractiva de reorientación de luz (la interfaz ondulada de aire-agua), mientras que la luz que pasa a través de la superficie curva de un vaso de agua crea un patrón en forma de cúspide sobre una mesa en la que está colocado el vaso de agua cuando cruza dos o más superficies (por ejemplo, aire-vidrio, vidrio-agua, aire-agua...) que reorienta su trayectoria.
Un sustrato de material óptico, utilizado para crear un elemento (de seguridad) óptico, es, por ejemplo, un sustrato de materia prima a partir de la que se forma específicamente una superficie, por ejemplo, mediante mecanizado, para que tenga un patrón en relieve y así formar una superficie de reorientación de luz. El sustrato de material óptico también se puede conformar mediante un proceso de duplicado como el estampado, moldeo, vaciado por UV, etc. Un sustrato de material óptico adecuado para un elemento óptico refractivo de reorientación de luz debería ser ópticamente claro, transparente o al menos parcialmente transparente, y mecánicamente estable. A efectos de la invención, es decir, proporcionar un elemento óptico de seguridad capaz de generar un patrón cáustico visualmente reconocible, un material transparente o parcialmente transparente corresponde, de hecho, a un material de baja turbidez (H) y alta transmitancia (T), de modo que la difusión de la luz no obstaculice la formación de un patrón cáustico visualmente reconocible. Normalmente, se prefiere una transmitancia T>50 %, siendo T>90 % lo que más se prefiere. Además, se puede usar una turbidez baja H<10 %, aunque se prefiere H<3 %, siendo H<1 % lo que más se prefiere. Un sustrato de material óptico adecuado también debería comportarse correctamente durante el proceso de formación (por ejemplo, mecanizado), para así obtener una superficie lisa y sin defectos. Un ejemplo de sustrato adecuado es una plancha ópticamente transparente de PMMA (también conocida por los nombres comerciales de Plexiglas, Lucite, Perspex, etc.).
En el caso de una superficie reflectante de reorientación de luz, el sustrato de material óptico no es necesariamente homogéneo o transparente. Por ejemplo, el material puede ser opaco a la luz visible (la reflectividad se obtiene entonces mediante una metalización clásica de la superficie mecanizada). Un ejemplo de sustrato adecuado es un metal, como los utilizados para estándares maestros de rejillas graduadas y espejos láser, o un sustrato no reflectante que pueda metalizarse adicionalmente.
En esta realización, el término "elemento de lente" puede ser una capa cáustica reflectante (como una capa de "espejo") aplicada sobre una superficie de un sustrato, o puede ser una capa cáustica refractiva aplicada sobre una superficie reflectante de un sustrato (elemento de transferencia).
Una(s) "superficie(s) de reorientación de luz" es(son) la superficie (o superficies) del elemento óptico de seguridad responsable de reorientar la luz entrante desde una fuente sobre una superficie de proyección, donde se forma el patrón cáustico. Según la presente invención, la superficie de proyección es la retina de un observador, como se describirá a continuación.
El término "patrón cáustico" (o "imagen cáustica") se conoce como el patrón de luz formado sobre una superficie de proyección cuando una superficie óptica con la forma adecuada (es decir, que tiene un patrón en relieve apropiado) reorienta la luz desde una fuente adecuada (preferentemente, aunque no necesariamente puntual) para desviarla de algunas regiones de la superficie de proyección y concentrarla en otras regiones de la superficie de proyección en un patrón de luz predeterminado (es decir, formando así dicho "patrón cáustico"). La reorientación se refiere al cambio de trayectoria de los rayos de luz desde la fuente, en presencia del elemento óptico con respecto a la trayectoria desde la fuente, hasta la superficie de proyección, en ausencia del elemento óptico. Según la invención, la superficie de proyección que debe tenerse en cuenta es la retina del ojo humano.
A su vez, la superficie óptica curva se denominará "patrón en relieve" y el elemento óptico que está limitado por esta superficie se denominará "elemento óptico de seguridad". Cabe señalar que, el patrón cáustico puede ser el resultado de la reorientación de luz por más de una superficie curva y más de un objeto, aunque posiblemente a cambio de una mayor complejidad. Asimismo, un patrón en relieve para generar un patrón cáustico no debe confundirse con un patrón difractivo (como, por ejemplo, en hologramas de seguridad). Según una realización preferida de la invención, la profundidad máxima del patrón en relieve del elemento óptico de seguridad es <250 |jm o más preferentemente <30 jm, estando por encima del límite impuesto por el mecanizado de ultra-precisión (UPM) y el proceso de reproducción, es decir, aproximadamente 0,2 jm. Según esta descripción, la diferencia de altura entre el punto más alto y el más bajo del patrón en relieve en la superficie de reorientación de luz se denomina profundidad del relieve.
Los elementos cáusticos están diseñados, por lo general, para proyectar un patrón de luz en una pantalla detrás del elemento. Para ilustrar un concepto de la invención, una superficie cáustica puede modelarse como un grupo de pequeños elementos de lente, es decir, "microlentes", que definen conjuntamente la superficie. Así, con este modelo de juguete, la superficie cáustica se puede idear como un conjunto de microlentes positivas con distancia focal, por ejemplo, de aproximadamente 40 mm. Esta es la distancia a la que se forma la imagen cáustica en proyección cuando se ilumina con un haz colimado. De hecho, el elemento de seguridad es un conjunto óptico de una capa cáustica (que tiene una superficie cáustica con patrón en relieve) y un elemento de transferencia para reorientar la luz incidente. El elemento de transferencia puede ser un elemento de lente (o una pluralidad de elementos de lente coaxiales) o un simple elemento de soporte, posiblemente reflectante, sobre el que se aplica la capa cáustica.
Para los ejemplos en la vida real, las capas cáusticas se utilizan en la presente invención en combinación con las lentes apropiadas (es decir, elementos de transferencia), para obtener una imagen que se forma directamente en la retina del observador. Estas capas cáusticas pueden ser de dos tipos:
- "positivas" cuando son capaces (individualmente) de formar una imagen cáustica real proyectada sobre una superficie, tras la iluminación desde una fuente de luz puntual;
- "negativas" cuando son capaces de formar una imagen virtual (en el mismo lado de la fuente de luz).
En los dos casos anteriores (capas cáusticas positivas y negativas), la imagen se suele formar a una distancia (di) de unos pocos cm desde el elemento óptico; por ejemplo, a 40 mm cuando la fuente está en el infinito (es decir 0 : , i: 0 - ). En el presente documento, este valor se denomina "distancia focal" (fe ) de la capa cáustica, por analogía con el caso de una lente clásica. Si una superficie determinada de la capa cáustica proyecta una imagen cáustica real, la superficie complementaria proyectaría una imagen idéntica pero virtual, y viceversa. La distancia focal de las dos superficies también tendría el mismo valor absoluto (y signo opuesto). En los ejemplos que se proporcionan más adelante, se utilizan superficies cáusticas tanto positivas como negativas.
Volviendo a las imágenes, la lente (como elemento de transferencia) transforma una imagen real proyectada por el elemento cáustico en una imagen virtual, a la distancia de lectura adecuada, de modo que se crea una imagen directamente en la retina al mirar a través de la muestra. La imagen puede ser, por ejemplo, un logotipo, una foto, un número o cualquier otra información que pueda ser relevante en un contexto específico.
Los términos "imagen real" e "imagen virtual" se utilizan aquí de forma análoga con la óptica clásica. Para una imagen real, los haces de rayos correspondientes a los puntos de la imagen convergen. Para una imagen virtual, los haces (divergentes) de rayos parecen originarse en los puntos de imagen correspondientes cuando se extienden hacia atrás, pero si hay una pantalla situada en la ubicación de la imagen virtual, no se formará una imagen real sobre esta.
En consecuencia, la imagen virtual de una fuente de luz se denomina "fuente virtual".
Con el fin de explorar una gran cantidad de superficies ópticas, configuraciones y parámetros, la fabricación de todas las capas cáusticas relevantes se vuelve prohibitivamente costosa y, en su lugar, se utilizó modelado óptico. El modelado óptico se realizó con trazado de rayos utilizando un programa comercial (Zemax). Cabe destacar que la precisión del modelado es comparable a la utilizada para la mayoría de las aplicaciones en óptica de obtención de imágenes (por ejemplo, diseño de lentes de cámaras). Por lo tanto, se puede suponer que los resultados corresponden a la realidad con un alto grado de confianza.
Los parámetros utilizados para modelar el ojo humano se resumen en la tabla 1 de a continuación.
T l 1 - P r m r m l l h m n
La figura 1 muestra un esquema óptico del elemento óptico de seguridad según un aspecto de la presente invención, en donde la capa cáustica tiene una distancia focal positiva (fe > 0) y el elemento de lente tiene una distancia focal negativa (fi. < 0). Para ver una imagen con el ojo tras iluminar con la fuente de luz 1, una capa cáustica 2 con una altura de pico a valle Ah=30 |jm y una distancia focal de 40 mm se ha combinado con un elemento de lente negativo 3 insertado a su lado (en la realización ilustrada en la figura 1, en el lado del ojo). Como se muestra en la figura 1, la fuente de luz 1 se encuentra a una distancia de al menos 400 mm desde la capa cáustica 2. La instalación se lleva a cabo frente al ojo 4, a una distancia de unos 20-30 mm, que se considera la distancia de descanso ocular R. En la figura 1 también se muestra una imagen 5 sobre la retina. Los haces que salen del elemento óptico de seguridad son divergentes y, por tanto, el iris del ojo limita el campo de visión y la porción de la imagen cáustica que se ve. Cuanto más cerca esté el elemento óptico del ojo, mayor es el campo de visión y mayor es la porción de la imagen cáustica que se ve.
La figura 2 muestra un esquema óptico de un elemento óptico de seguridad, en donde la capa cáustica tiene una distancia focal negativa (fe < 0) y el elemento de lente tiene una distancia focal positiva (fi_ > 0). El elemento cáustico 2' tiene una superficie que es una copia en negativo del elemento original utilizado en la figura 1 y, como resultado, presenta una distancia focal negativa de -40 mm. Este se combina con el elemento de lente positiva 3' y se mantiene de manera similar en la instalación de la figura 1 a una distancia R del ojo 4. Como se muestra en la figura 2, la fuente de luz 1 está situada a una distancia de al menos 400 mm desde el elemento cáustico 2'. Se crea una imagen 5 en la retina del ojo. Como se muestra en la figura, se ve una porción más grande de la imagen cáustica en comparación con la de la figura 1, ya que los rayos a la salida del elemento de seguridad son convergentes y el iris del ojo corta menos rayos antes de llegar a la retina.
En la figura 3, se muestra una instalación esquemática utilizada para grabar imágenes físicas. El ojo se simula con el uso de un módulo de cámara comercial 6 (uEye UI-1225LE-C-HQ) equipado con un objetivo 8 de distancia focal de 16 mm (Fujinon HF16A-1B) enfocado a 250 mm y un sensor de color VGA 7. La instalación se elige para obtener imágenes que se asemejen a lo que ve el ojo. En este caso, una capa cáustica 2 con una altura de pico a valle Ah=30 jm (mecanizada sobre una plancha de PMMA de 10x10 mm de 2 mm de espesor) y una distancia focal de 40 mm se combina con un elemento de lente negativa 3 insertado a su lado. Los elementos de lente negativa 3 que se utilizan tienen distancias focales respectivas de -15, -30, -50 y -125 mm. En la realización mostrada en la figura 3, la distancia entre el elemento de lente negativa 3 y el objetivo 8 es de 50 mm. La fuente de luz 1 es la lámpara de flash de un teléfono móvil, siendo en la presente realización no limitante un LED de un teléfono Samsung S3. Como se muestra en la figura 3, la fuente de luz 1 se encuentra a una distancia de al menos 400 mm desde la capa cáustica 2.
El sensor de la cámara simuló la retina, donde se formó la imagen cáustica. En algunos casos, también se ha utilizado una apertura mayor para maximizar el campo de visión. En la presente divulgación, el término "campo de visión" significa el tamaño lateral de la ventana visible, no su tamaño angular. También se observó que, con la distancia determinada hasta el elemento cáustico de aproximadamente 50 mm, la imagen registrada por la cámara era similar a lo que se veía con el ojo en un entorno de oficina normal cuando se miraba a través del elemento cáustico en una linterna de bolsillo mientras el iris estaba abierto aproximadamente de 3 a 4 mm.
La figura 4 muestra una instalación esquemática utilizada para grabar imágenes físicas. Como en la figura 3, el ojo se simula con un módulo de cámara comercial 6 (uEye UI-1225LE-C-HQ) equipado con un objetivo 8 de distancia focal de 16 mm (Fujinon HF16A-1B) enfocado a 250 mm (diafragma completamente abierto) y un sensor de color VGA 7, y la fuente de luz 1 es la lámpara de flash de un teléfono móvil (en la presente realización no limitante, es el LED de un teléfono Samsung S3). Una capa cáustica 2' con una altura de pico a valle Ah=30 jm (obtenida como una copia de la superficie de la capa cáustica utilizada en la figura 3) y una distancia focal negativa de -40 mm se combina con un elemento de lente positiva 3' insertado a su lado. Los elementos de lente positiva 3' tienen distancias focales respectivas de 40 mm y 50 mm. En la realización mostrada en la figura 4, la distancia entre el elemento de lente negativa 3 y el objetivo 8 es de 5 mm. La fuente de luz 1 se encuentra a una distancia de al menos 400 mm desde la capa cáustica 2'.
Las figuras 5 y 6 muestran ejemplos de las imágenes obtenidas con la instalación mencionada anteriormente de la figura 3 utilizando elementos de lente negativa que tienen f_=-30 mm y f_=-50 mm, respectivamente, y capas cáusticas con distancias focales fc=40 mm.
En particular, la figura 5 muestra una imagen nítida con el campo de visión (FOV) que puede cubrir solo 2/3 del símbolo 100. Esta es lo que se ve con el ojo cuando se mira a través del elemento en dirección a la lámpara de flash de un teléfono móvil.
A su vez, la figura 6 muestra que, con el uso del elemento de lente negativa que tiene f_=-50 mm, la imagen comienza a verse borrosa porque el elemento de lente negativa no es lo suficientemente potente para compensar la distancia focal positiva de la capa cáustica. El campo de visión es más grande que con el elemento de lente que
tiene f_=-30 mm y se ve una porción más grande de la imagen. No obstante, la imagen ocupa un área más pequeña sobre el sensor ("retina"). Por consiguiente, aumentando la distancia focal, el campo de visión crece, pero el aumento disminuye.
Las figuras 7 y 8 muestran ejemplos de imágenes obtenidas con la instalación descrita en la figura 4. Aquí, una copia de la capa cáustica utilizada para generar las imágenes en las figuras 5 y 6 se utiliza como una capa cáustica negativa, con distancia focal fc=-40 mm, para generar las imágenes de las figuras 5 y 6. Las lentes positivas fL=40 mm y fL=50 mm se utilizan para crear imágenes virtuales adecuadas para la observación. En ambos casos, la parte del patrón cáustico que se ve es mucho mayor en comparación con los ejemplos proporcionados en las figuras 5 y 6. Esto se debe a que los haces de luz convergen después de dichos elementos ópticos de seguridad. En el caso que se muestra en la figura 8, el aumento es menor y parte del recorte circular se debe a la apertura de la lente de 12,7 mm. En cualquier caso, dicha configuración permite ver completamente la apertura de la capa cáustica con dimensiones de 10x10 mm.
Con el fin de determinar los parámetros pertinentes y el rango práctico de aplicabilidad de los elementos ópticos, las funciones que realiza cada componente del conjunto óptico que forma el elemento óptico se describen y analizan por separado.
En un elemento óptico real, estas funciones se pueden realizar juntas mediante un solo elemento que actúa como capa cáustica y como elemento de transferencia o, por separado, mediante un conjunto óptico de una capa cáustica y uno (o más) elementos de transferencia, como se ilustra en las figuras 9 y 10.
La figura 9 muestra ejemplos de posibles elementos ópticos que comprenden: a) elemento con una capa cáustica 2 con microlentes 9 y un elemento de lente negativa (plano-cóncava) 3 (elemento de transferencia) independiente, b) elemento con una capa cáustica con microlentes 9 y un elemento de transferencia con una superficie posterior curva que es un elemento de lente negativa 3, c) capa cáustica con microlentes 9 sobre una superficie curva de un elemento de lente negativa (plano-cóncava) 3 (suma de ambas superficies).
La figura 10 muestra ejemplos de posibles elementos ópticos que comprenden: a) elemento con una capa cáustica negativa 2 con microlentes 9 y un elemento de lente positiva (plano-convexa) 3 independiente, b) elemento con una capa cáustica negativa con microlentes 9 y con una superficie posterior que es un elemento de lente positiva 3, c) capa cáustica negativa con microlentes 9 sobre una superficie de un elemento de lente positiva 3 (suma de ambas superficies). Cabe señalar que todas las superficies que tienen un pandeo (altura de curvatura) por encima del máximo permitido por las limitaciones externas (pico a valle extendiéndose el máximo predefinido) se puede reducir mediante la técnica de "Fresnelización".
Así mismo, como sistema de modelo de juguete conveniente, se utiliza una serie de microlentes para proyectar una "imagen cáustica" (o "patrón cáustico") que consiste en una serie regular de puntos. Con el fin de explicar el principio de funcionamiento de la invención, este enfoque presenta varias ventajas frente al uso de una superficie de capa cáustica más elaborada:
- el sistema elegido es muy sencillo de entender, describir y modelar;
- contiene las características más relevantes de una capa cáustica;
- los parámetros relevantes pueden definirse analíticamente y tienen un significado bien definido (por ejemplo, la distancia focal de la capa cáustica).
Los conceptos así explorados se pueden transferir de una manera sencilla al caso más elaborado de una superficie de capa cáustica genérica. Dentro de este esquema, un elemento óptico combina las siguientes funciones:
- crear una imagen cáustica (real o virtual) en algún lugar del espacio (que no se encuentre necesariamente en la potencia acomodativa del ojo);
- transferir la imagen cáustica a una ubicación apropiada, de modo que el ojo pueda enfocarla en la retina. Debido a la potencia acomodativa del ojo, la imagen transmitida se situará como mínimo a 25 cm del ojo. En la práctica, el elemento óptico se sitúa justo delante del ojo o, como máximo, a unos centímetros de él, por tanto, la imagen transmitida se forma detrás del elemento óptico (imagen virtual);
- dirigir los rayos de formación de la imagen de tal manera que puedan atravesar la pupila sin ser recortados. Hay dos formas principales de conseguir las dos primeras funciones (la tercera función se comentará por separado más adelante).
Una realización consiste en combinar una capa cáustica que tiene una distancia focal positiva (fe > 0) y un elemento de lente que tiene una distancia focal negativa (fL < 0), véase la figura 9, y además, las figuras 11-12, que representan esquemas ópticos de creación de una imagen en la retina mediante el conjunto de lentes 3 y microlentes de la capa cáustica 2 del elemento óptico 10. Utilizando el modelo de juguete anterior para explicar esta realización, con un haz de luz colimado 11 procedente de una fuente situada a gran distancia o en el infinito, el elemento de lente negativa 3 crea una imagen virtual 12 de la fuente. La imagen virtual 12 se sitúa entre el elemento
óptico 10 y el punto focal de la lente 3. La luz que se origina desde la imagen virtual 12 se divide en campos de luz por la matriz de microlentes y la lente ocular 14 crea múltiples puntos brillantes en la retina, que son múltiples imágenes 13 de la fuente virtual 12, correspondiéndose cada punto brillante a una lente de la matriz de microlentes. La lente del ojo 14 actúa como lente de Fourier, enfocando todos los haces paralelos en un punto de la retina. El conjunto de puntos brillantes en el plano de imagen de la retina 15 forma una trama como una imagen cáustica. Como alternativa, la superficie cáustica positiva puede verse como la proyección de una imagen real (un punto por microlente), que se transforma gracias a lente negativa en una imagen virtual a la distancia apropiada del ojo indicado como 17 en la figura 12. Cabe señalar que un elemento óptico con capa cáustica positiva tiene un diámetro de campo de visión (FOV) que está limitado por el diámetro del iris 16. Esta limitación se puede ver en las fórmulas:
y 
donde d¡ris es el diámetro del iris, R es la distancia entre la capa cáustica y el ojo, fL es la distancia focal del elemento de lente y 0 es el ángulo de obtención de imágenes del ojo en cuestión. Por ejemplo, teniendo en cuenta solo la porción de mayor resolución del ojo (fóvea) 0=5° y teniendo en cuenta también la porción de la retina con menor resolución, 0=20° (véase la Tabla 1).
En el caso limitante donde R tiende a cero, el dFov es el mayor, pero nunca mayor que el iris del ojo. Asimismo, un caso con R=0 mm es imposible ya que siempre debe haber cierta distancia desde el ojo a la capa cáustica.
Otra realización consiste en combinar la capa cáustica que tiene una distancia focal negativa (fe < 0) y el elemento de lente que tiene una distancia focal positiva (fL > 0), véase la figura 10 y, además, las figuras 13 y 14 que representan esquemas ópticos de creación de una imagen en la retina (plano de imagen de la retina 15) mediante el conjunto de microlentes de la capa cáustica 2' combinado con el elemento de lente positiva 3' en un elemento óptico 10.
Tal y como ya se ha mencionado, una capa cáustica que tiene una distancia focal negativa (fe < 0) es capaz de formar una imagen cáustica virtual 12 en el mismo lado de la fuente de luz. Cada una de las pequeñas lentes de la capa cáustica 2 crea una fuente virtual (imagen virtual de la fuente) antes del elemento de lente 3. El conjunto de estas fuentes virtuales es un objeto virtual que luego representa el siguiente elemento de lente positiva 3 para formar la imagen cáustica virtual 17 que el propio ojo representa en su retina 15 en forma de imagen 13. Cabe señalar que debe elegirse que la distancia focal de la lente positiva sea igual o mayor que el valor absoluto del foco de las microlentes cáusticas. Esto permite la creación de la imagen cáustica virtual 17 más allá de la distancia mínima de lectura dR del ojo y evita forzar el ojo a los rayos de imagen del cono de luz convergente. Así, la formación de una imagen virtual a una distancia apropiada dR facilita la acomodación del ojo.
Aquí, la parte de la capa cáustica que ve el ojo, es decir, el diámetro del campo de visión (dF o v ), está definida por el ángulo de obtención de imágenes del ojo 0 y el diámetro del iris del ojo dir¡s, véanse las figuras 13 y 14. En este caso:
donde: 
En general, aumentando la distancia R hasta la distancia focal de la lente fL permite ver una mayor parte del elemento óptico (al contrario que con el caso de la capa cáustica positiva). Como en el ejemplo anterior, el ángulo de obtención de imágenes del ojo 0 en cuestión determina cómo de precisa se verá la imagen cáustica. Por encima del límite angular de la fóvea (por encima de 5°), el ojo percibe la imagen cáustica, pero con una resolución cada vez menor.
El requisito de que la imagen virtual se forme a una distancia de lectura cómoda dR del ojo (tradicionalmente, al menos 25 cm), se traduce en la siguiente ecuación:
donde:
fL y fe son las distancias focales del elemento de lente y la capa cáustica, respectivamente;
R es la distancia entre la capa cáustica y el ojo; y
dR es la distancia de lectura cómoda para el ojo, que es de al menos 25 cm.
Cabe señalar que la fórmula mencionada con anterioridad es asintóticamente exacta para una fuente de luz en el
infinito. Para una distancia finita ds de la fuente, la ecuación correcta es la siguiente:
En la práctica, ds es lo suficientemente grande para ser considerada en el infinito (y, por lo tanto, 1/ds“ 0), de modo que en la siguiente descripción se utiliza la fórmula asintótica.
Como ya se señaló, no todos los rayos que parecen originarse en la fuente virtual pueden entrar en la pupila y llegar a la retina, ya que algunos de ellos quedan bloqueados por el iris. En consecuencia, solo se forma en la retina una porción de la imagen y, el resto, se recorta. Qué porción de la imagen se puede observar finalmente depende de la geometría y los parámetros de la lente, como se muestra en las figuras 11 a 14.
En particular, cuando una capa cáustica negativa se combina con un elemento de lente positiva, la envolvente de los haces de rayos converge hacia la pupila. Por el contrario, cuando una capa cáustica positiva se combina con un elemento de lente negativa, la envolvente de los haces de rayos diverge. Por lo tanto, con el fin de poder observar una mayor porción de la imagen, es preferible trabajar con una capa cáustica negativa combinada con un elemento de lente positiva.
Más específicamente, si el diámetro del campo de visión (dFOV) se define como el diámetro de la porción de la capa cáustica que realmente contribuye a la imagen formada en la retina, inmediatamente se puede ver que:
- cuando una capa cáustica positiva se combina con un elemento de lente negativa, dFOV está destinado a ser más pequeño que el diámetro de la pupila diris, ya que dFOV=d iris
- cuando una capa cáustica negativa se combina con un elemento de lente positiva, dFOV puede ser sustancialmente mayor que diris, dependiendo de la geometría exacta y de si la restricción definida desde el ángulo máximo de obtención de imágenes del ojo 0 es relajada.
En el caso de una capa cáustica positiva combinada con un elemento de lente negativa, el iris recorta la imagen. Para una distancia focal determinada de la capa cáustica, cuanto mayor sea la distancia focal del elemento de lente (en valor absoluto, |f_|), mayor será la porción de la imagen cáustica proyectada en la retina. No obstante, no se puede hacer que |f_| sea arbitrariamente grande, ya que para |f_| > fe, la potencia acomodativa del ojo no será la suficiente para enfocar la imagen en la retina, porque no cumplirá con la Ecuación (E). Además, incluso a medida que |f_| aumenta, el tamaño que se percibe de la imagen, no lo hace. Dicho de otra forma, una mayor parte de la imagen se vuelve visible simplemente porque los detalles se vuelven más pequeños, no porque el marco de la imagen sea más grande.
Las figuras 15 y 16 muestran el uso de un elemento óptico de seguridad colocado a 25 mm del ojo de un observador y construido con una capa cáustica positiva con una distancia focal fc =40 mm asociado a un elemento de lente negativo de distancia focal fL=-40 mm. La luz divergente del elemento óptico es recortada por el iris del ojo con diámetro dir¡s=3 mm, como se muestra en la figura 15. Se ve una pequeña parte de toda la imagen cáustica. A pesar del limitado campo de visión, el ojo puede escanear la imagen para ver una parte mucho más grande de la imagen cáustica prevista y poder garantizar la autenticidad del objeto.
Una manera de aumentar la parte del patrón cáustico que se ve es disminuir la luz transmitida y obligar al ojo a abrir su iris. La figura 16 muestra una parte más grande del patrón cáustico que ve el ojo cuando el iris está abierto a un diris=5 mm. La imagen de la retina del ojo que se muestra a la derecha es similar a la imagen que se obtiene con una cámara, como se muestra en la figura 5, con una capa cáustica con una distancia focal fc =40 mm y elemento de lente negativa con distancia focal fL=-30 mm.
Cabe señalar que, en circunstancias fisiológicamente normales, el ojo responde a la luz cerrando la pupila, lo que da lugar a una situación conflictiva: por un lado, se querría que se formara una imagen brillante en la retina, mientras que, al mismo tiempo, la pupila debe permanecer lo más abierta posible.
A partir de estas consideraciones, es evidente que la combinación de una capa cáustica positiva con un elemento de lente negativa se puede utilizar para proyectar una imagen cáustica en la retina, pero no es óptimo con respecto a la experiencia del usuario.
En el caso de una capa cáustica negativa combinada con un elemento de lente positiva, el problema del recorte se puede resolver con la elección adecuada de la geometría y los parámetros. Debido a que con este esquema los haces de rayos convergen hacia la pupila, normalmente se puede ver una fracción más grande de la imagen para un diámetro de pupila determinado.
Si se considera que el iris del ojo está abierto de 3 a 5 mm en condiciones normales, por ejemplo, una capa cáustica con una distancia focal negativa de -40 mm y una lente positiva de 40 mm, mantenida a una distancia de 25 mm del
ojo, permitiría ver una porción del elemento cáustico mayor de 7,5 mm.
Preferentemente, para ver una porción aún mayor de la capa cáustica, es posible aumentar la distancia desde el ojo de 25 mm a, por ejemplo, 40 mm, como se muestra en las figuras 17 y 18. En el caso general de un elemento cáustico negativo combinado con un elemento de lente positiva, la distancia óptima desde el ojo es aproximadamente igual a la distancia focal del elemento de lente positiva.
Las figuras 17 y 18 muestran imágenes simuladas (es decir, trazadas por rayos) creadas por un elemento óptico de seguridad que tiene una capa cáustica negativa con fc=- 40 mm, adyacente a una lente positiva con fL=40 mm y están situadas a distancias de 25 mm y 40 mm, respectivamente, de un modelo de ojo 4 con un diámetro de iris fijo de 3 mm. En la figura 17, la parte izquierda de la figura muestra la instalación que consiste en una plancha de capa cáustica y en un elemento de lente negativa con el ojo 4 del observador a una distancia de 25 mm, y la parte derecha de la figura muestra la imagen cáustica que se proyecta en la retina del observador. La imagen cáustica observada no es completa ya que el iris del ojo, con un diámetro de 3 mm, está recortando algunos rayos que se reorientan desde el patrón en relieve construido con microlentes negativas acopladas a una lente positiva y mantenidas a 25 mm del ojo. Una mayor distancia entre el elemento cáustico y el ojo ayuda a reducir el recorte de la imagen cáustica, como se muestra en la figura 18. Otra forma de reducir el recorte de la imagen cáustica es reducir la intensidad de la imagen reduciendo la transmisión del elemento cáustico y obligando así al ojo a abrir su iris a 5 mm o más de diámetro.
En el caso particular, cuando la distancia entre el ojo y la capa cáustica es igual a la distancia focal del elemento de lente positiva, todos los haces de rayos convergen juntos y atraviesan intactos la pupila.
La relación entre las distancias focales del elemento de lente y la capa cáustica aún debe cumplir con la ecuación (E) para que el ojo pueda enfocar los haces de rayos en la retina.
Hasta ahora, las funciones realizadas por el elemento óptico cáustico y la lente se han descrito por separado y se han modelado con dos componentes distintos. Esto es conveniente para comprender y explicar i) cómo se forma la imagen cáustica y ii) cuáles son los parámetros relevantes. En la práctica, no obstante, no existe un requisito estricto en este sentido y las dos funciones se pueden combinar en un solo componente "efectivo".
Cuando la superficie de una capa cáustica y la superficie de un elemento de lente se combinan en una única superficie óptica, la superficie combinada se puede calcular directamente adaptando los métodos numéricos que se utilizan para el cálculo de la superficie cáustica sola. No obstante, en la mayoría de los casos, la aproximación paraxial de elementos finos es válida. Convenientemente, esta nueva superficie se corresponde simplemente a la suma algebraica de las dos superficies individuales. Dicho de otra forma, si la superficie del elemento de lente, con el eje z a lo largo del eje óptico del conjunto óptico, la proporciona z = gL(x,y), y la superficie de la capa cáustica la proporciona z = gc(x,y), entonces la superficie combinada equivalente resultante la proporciona z = gL(x,y) gc(x,y). Según la presente invención, la capa cáustica puede tener una distancia focal negativa fe que oscile de -30 mm a -50 mm, por ejemplo, fe = -40 mm y se combina con el elemento de lente que tiene una distancia focal positiva que oscila de 30 mm a 50 mm, por ejemplo = 45 mm, siendo el elemento de lente una lente plano-convexa.
Las figuras 19-20 muestran imágenes creadas por el elemento óptico que tiene la capa cáustica con fe = -40 mm y el elemento de lente con = 45 mm, en donde la capa cáustica con la distancia focal negativa se sitúa sobre el elemento de lente con la distancia focal positiva.
En este sentido, como se muestra en la figura 19, para un diámetro del iris del ojo d iris=3 mm, el campo que observa el ojo a la distancia de descanso ocular de 25 mm no corresponde a la imagen completa y ni siquiera es circular. Alejando las cáusticas a una distancia de más de 25 mm, por ejemplo, 40 mm, se abre el campo de visión (FOV), lo que mejora la calidad de la imagen creada. Esto se ilustra apropiadamente en la figura 20.
Según la presente invención, el elemento óptico de seguridad puede aplicarse en o incorporarse a un objeto seleccionado de un grupo que comprende productos de consumo, documentos de valor y billetes, produciendo así un objeto marcado según la invención.
Dicho objeto puede ser fácilmente autenticado visualmente por un observador utilizando un método de autentificación visual de objetos marcados, que comprende las etapas de:
- iluminar la superficie de reorientación de luz del elemento óptico de seguridad con una fuente de luz puntual a la distancia ds desde la superficie de reorientación de luz;
- observar visualmente una imagen virtual de un patrón cáustico formado a una distancia desde el ojo mayor que una distancia de lectura cómoda dR (es decir, compatible con la potencia acomodativa del ojo); y
- decidir que el objeto es auténtico tras una evaluación por parte del usuario de que el patrón cáustico proyectado es visualmente similar al patrón de referencia.
Dicho de otra forma, la autenticidad del elemento óptico de seguridad (y, por lo tanto, la del objeto marcado con este elemento de seguridad) puede evaluarse directamente verificando visualmente un cierto grado de semejanza entre el patrón cáustico proyectado y el patrón de referencia.
El elemento óptico de seguridad según la invención se puede utilizar para autenticar o proteger contra falsificaciones un objeto seleccionado del grupo que comprende productos de consumo, documentos de valor y billetes. Dicho uso comprende, en general, aunque no se limita a, marcar el objeto con el elemento óptico de seguridad y autenticar visualmente el objeto marcado, tal y como se ha mencionado antes.
Por consiguiente, el objeto marcado puede ser autenticado por una "persona de a pie" con el uso de medios comúnmente accesibles. Al iluminarla con una fuente de luz adecuada, una imagen se proyecta directamente sobre la retina del observador y no modifica la transparencia del objeto sobre el que se aplica. Ventajosamente, puede funcionar incluso con una fuente de luz débil (por ejemplo, un reflejo sobre una superficie, un LED indicador, etc.). Asimismo, la imagen proyectada por la característica no presenta una aberración cromática significativa y no alberga artefactos significativos de luz parásita residual que no se utiliza para formar la imagen.
La materia objeto divulgada anteriormente se debe tener en cuenta a efectos ilustrativos y no restrictivos y sirve para poder comprender mejor la invención definida en las reivindicaciones independientes.
Claims (14)
1. Un elemento óptico de seguridad fabricado con un material óptico refractivo transparente o parcialmente transparente y que comprende un conjunto óptico de una capa cáustica (2) que tiene una superficie de reorientación de luz con un patrón en relieve de una profundidad determinada y una distancia focal fc, y un elemento de lente (3) adyacente de distancia focal f configurado para reorientar la luz incidente recibida desde una fuente de luz puntual (1), a través de ella, y formar una imagen proyectada (5) que contiene un patrón cáustico directamente en la retina de un observador (4) que mira a la fuente puntual a través del elemento óptico de seguridad.
2. El elemento óptico de seguridad según la reivindicación 1, que comprende uno de los siguientes:
a) la capa cáustica tiene una distancia focal positiva (fc > 0) y el elemento de lente tiene una distancia focal negativa (fL < 0), o
b) la capa cáustica tiene una distancia focal negativa (fc < 0) y el elemento de lente tiene una distancia focal positiva (fL > 0).
3. El elemento óptico de seguridad según la reivindicación 2, en donde una relación entre la distancia focal del elemento de lente y la distancia focal de la capa cáustica satisface la siguiente ecuación:
donde:
R es la distancia entre la capa cáustica y el ojo del observador;
ds es la distancia entre la fuente de luz puntual y el elemento óptico de seguridad; y
dR es la distancia de lectura cómoda para el ojo, que es de al menos 25 cm.
4. El elemento óptico de seguridad según una cualquiera de las reivindicaciones 2 o 3, en donde la distancia focal positiva se elige para que sea igual o mayor que el valor absoluto de la distancia focal negativa.
5. El elemento óptico de seguridad según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en donde la distancia focal negativa oscila de -15 mm a -125 mm, en particular, de -30 mm a -50 mm.
6. El elemento óptico de seguridad según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en donde la capa cáustica tiene la distancia focal negativa fc que oscila de -30 mm a -50 mm y se combina con el elemento de lente que tiene una distancia focal positiva fL que oscila de 30 mm a 50 mm, siendo el elemento de lente una lente plano convexa.
7. El elemento óptico de seguridad según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que marca un objeto seleccionado del grupo que comprende: productos de consumo, documentos de valor y billetes.
8. Un elemento óptico de seguridad que comprende una superficie de reorientación de luz reflectante de un conjunto óptico formado por una capa cáustica, que tiene un patrón en relieve de una profundidad determinada y una distancia focal fc, y una capa de material óptico adyacente de distancia focal fL, estando configurado dicho conjunto óptico para reorientar la luz incidente recibida desde una fuente de luz puntual y para formar una imagen proyectada que contiene un patrón cáustico directamente sobre la retina de un observador.
9. El elemento óptico de seguridad según la reivindicación 8, que comprende uno de los siguientes:
a) la capa cáustica que tiene una distancia focal positiva (fc > 0) y la capa de material óptico que tiene una distancia focal negativa (fL < 0), o
b) la capa cáustica que tiene una distancia focal negativa (fc < 0) y el elemento de lente que tiene una distancia focal positiva (fL > 0).
10. El elemento óptico de seguridad según la reivindicación 9, en donde una relación entre la distancia focal de la capa de material óptico y la distancia focal de la capa cáustica satisface la siguiente ecuación:
donde:
R es la distancia entre la capa cáustica y el ojo;
ds es la distancia entre la fuente de luz puntual y el elemento óptico de seguridad; y
dR es la distancia de lectura cómoda para el ojo, que es de al menos 25 cm.
11. El elemento óptico de seguridad según la reivindicación 8, que marca un objeto seleccionado del grupo que comprende: productos de consumo, documentos de valor y billetes.
12. Un objeto marcado, seleccionado de un grupo que comprende productos de consumo, documentos de valor y billetes, que comprende el elemento óptico de seguridad según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11.
13. Un método para que un observador autentique visualmente un objeto marcado con el elemento óptico de seguridad según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, que comprende las etapas de:
iluminar una superficie de reorientación de luz del elemento óptico de seguridad con una fuente de luz puntual a una distancia ds de la superficie de reorientación de luz;
observar visualmente a través del elemento óptico de seguridad una imagen virtual de un patrón cáustico a una distancia di del elemento óptico de seguridad, con
y
decidir que el objeto es auténtico tras una evaluación por parte del observador de que el patrón cáustico es visualmente similar al patrón de referencia.
14. Un uso del elemento óptico de seguridad según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, para autenticar o proteger contra falsificaciones un objeto seleccionado de un grupo que comprende productos de consumo, documentos de valor y billetes.
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