JP2013541435A - 多重光学可変装置 - Google Patents

Abstract

セキュリティ要素、セキュリティ要素を含むセキュリティ装置およびセキュリティ装置の製造方法が開示され、この要素は複数の合焦要素と複数の画像要素を含み、画像要素は対象物平面内に、各画像要素が合焦要素の１つと関連付けられるように配置され、対象物平面は、少なくとも第一と第二の個別の小領域を含み、第一の小領域の中の画像要素は、第二の小領域の中の画像要素に関して、ある位相変位距離だけ位相変位されており、第一と第二の小領域は、第一と第二の光学可変画像または部分画像を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、セキュリティおよび装飾を目的とした光学可変装置およびその製造方法に関する。

レンチキュラレンズ（半円柱形のレンズ）のアレイの焦点を、複数の画像要素群が相互に挟み込むように配置されている対象物平面に合わせる光学可変装置を提供することが知られている。画像要素（短冊片）の群がそれぞれ別の画像に属し、それによって、その装置を見ている人が視野角を変えると異なる画像が見える。非円柱形のレンズを含む装置、たとえば球面マイクロレンズの二次元アレイを含むものも知られている。

セキュリティ応用においては、特に紙幣等の柔軟なセキュリティ文書を取り扱う場合、セキュリティ文書に形成するレンズアレイの厚さをなるべく薄くすることが好ましい。上述のような公知のレンチキュラ装置は比較的厚く（数百マイクロメートル）、柔軟なセキュリティ文書への応用に適していない。

紙幣の厚さを著しく厚くしないようにするために、焦点距離が比較的短く、したがって必然的に横方向の寸法が小さい（おそらく、５０〜６５マイクロメートル以下のオーダ）マイクロレンズが望ましい。この大きさのレンズでは、画像要素を対象物平面に形成するために使用できる工程が制限される。たとえば、グラビア印刷（輪転グラビア印刷と呼ばれることもある）は現時点で、幅が３５マイクロメートル以上の印刷線しか生成できない。この線の幅の場合、横方向の寸法が６５マイクロメートルのレンズの幅で十分に実現できるのは、ごく単純な光学可変効果、たとえば画像のコントラストが視野角の変化によってポジティブからネガティブに切り替わる単色のフリップ画像に限られる。より複雑なマルチフレーム効果は、グラビア印刷できる図形等の最小サイズに限度があるため、グラビア印刷では不可能である

上述のフリップ画像等の単純な効果は、印刷技術を使用するだけで簡単に偽造できることがわかっている。したがって、このような効果のセキュリティ上の価値は低い。そのセキュリティ上の価値は、３５〜４５マイクロメートルよりずっと細い線を印刷することによって増大できる可能性がある。しかしながら、問題は、従来のグラビア印刷では３５〜４５マイクロメートルよりずっと細い線を確実に印刷できないという点であった。

上記の問題を鑑み、より偽造しにくく、しかも、グラビア印刷を含むさまざまなセキュリティ印刷技術によって製造可能なセキュリティ装置を提供することが望ましい。

定義
焦点サイズＨ
本明細書で使用される場合、焦点サイズという用語は、ある特定の視野角でレンズを通じて回折した光線が対象物平面と交差する点の幾何学的分布の寸法、通常は有効径または幅を指す。焦点サイズは、理論的計算、光線追跡シミュレーションまたは実際の測定から推測してもよい。

焦点距離ｆ
本明細書において、焦点距離は、レンズアレイのマイクロレンズに関して使用される場合、平行光線がアレイのレンズ側から入射した時の、マイクロレンズの頂点から、強度密度分布の最大値の位置を特定することによって得られる焦点の位置までの距離を意味する（Ｔ．Ｍｉｙａｓｈｉｔａ，“Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏｌｅｎｓｅｓ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ ａｒｒａｙｓ”（２００７）Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ４６，ｐ５３９１参照）。

ゲージ厚さｔ
ゲージ厚さは、透明または半透明材料の片面の１つの小型レンズの頂点から、その半透明材料の反対面の、実質的に対象物平面と一致する、画像要素が設置されている面までの距離である。

レンズ周期とピッチ
レンズアレイのレンジ周期は、レンズアレイの表面上の所与の距離における小型レンズの数である。ピッチは、１つの小型レンズの頂点から隣接する小型レンズの頂点までの距離である。均一なレンズアレイでは、ピッチはレンズ周期と反比例する。

レンズ幅Ｗ
マイクロレンズアレイの小型レンズの幅は、小型レンズの一方の縁辺からその小型レンズの反対の縁辺までの距離である。半球形または半円柱形小型レンズのレンズアレイでは、幅はレンズの直径と等しくなる。

曲率半径Ｒ
小型レンズの曲率半径は、レンズの表面上のある点から、そのレンズ表面の法線が、その小型レンズの頂点を通って垂直に延びる線（レンズ軸）と交差する点までの距離である。

球欠高さｓ
小型レンズの球欠高さ、すなわち表面下がりは、頂点から、軸上の、小型レンズの縁辺から軸を通って垂直に延びる最短の線が交差する点までの距離である。

屈折率ｎ
媒体ｎの屈折率は、真空内の光の速度とその媒体内の光の速度の比である。レンズの屈折率ｎは、以下のスネルの法則に従って、そのレンズの表面に到達する光線が屈折する量を決定する。
ｎ₁ ^*Ｓｉｎ（α）＝ｎ^*Ｓｉｎ（θ）
式中、αは入射光とレンズ表面の入射点における法線との間の角度であり、θは屈折した光線と入射点における法線との間の角度であり、ｎ₁は空気の屈折率（ｎ₁の近似値は１とすることができる）である。

円錐定数Ｐ
円錐定数Ｐは、円錐曲線を説明する数量であり、幾何光学では、球（Ｐ＝１）、楕円（０＜Ｐ＜１またはＰ＞１）、放物線（Ｐ＝０）、双曲線（Ｐ＜０）のレンズを特定するために使用される。参考文献の中には、円錐定数を文字Ｋで表すものもある。ＫとＰにはＫ＝Ｐ−１の関係がある。

ローブ角
あるレンズのローブ角は、そのレンズにより形成される全視野角である。

アッベ数
透明または半透明材料のアッベ数は、その材料の分散（波長による屈折率のばらつき）の測定値である。あるレンズについて適当なアッベ数を選択することは、色収差の抑制に役立つ。

セキュリティ文書
本明細書で使用される場合、セキュリティ文書という用語は、価値のあるあらゆる種類の文書や代用貨幣および身分証明書を含み、たとえば、これらに限定されないが、紙幣や貨幣等の通貨、クレジットカード、小切手、パスポート、身分証明カード、証券や株券、運転免許証、権利書、航空機や列車のチケット等の旅行用公文書、入場券や切符、出生、死亡および婚姻証明書、学術的記録等がある。

透明ウィンドウとハーフウィンドウ
本明細書で使用される場合、ウィンドウという用語はセキュリティ文書の中の、印刷が適用される実質的に不透明な領域と比較して、透明または半透明の領域を指す。ウィンドウは、完全に透明で、光の透過が実質的にまったく影響を受けない状態であっても、または一部透明、または部分的に半透明で、光を透過するが、そのウィンドウ領域から物体がはっきりと見えない状態であってもよい。

ウィンドウエリアは、少なくとも１層の透明ポリマ材料と透明ポリマ基板の少なくとも片面に形成された１つまたは複数の不透明化層を有するポリマセキュリティ文書において、少なくとも１つの不透明化層の、ウィンドウエリアを形成する領域を除去することによって形成してもよい。不透明化層が透明基板の両面に形成されている場合、完全に透明なウィンドウは、透明基板の両面の不透明化層のウィンドウエリア内を除去することによって形成してもよい。

ある程度透明または半透明エリアは、以下、「ハーフウィンドウ」と呼ばれ、両面に不透明化層を有するポリマセキュリティ文書においては、そのセキュリティ文書の片面のみの不透明化層を除去することによって形成してもよく、それによって「ハーフウィンドウ」は完全に透明ではなく、一部の光を透過させながら、物体はハーフウィンドウからはっきりと見えない。

あるいは、基板を実質的に不透明な材料、たとえば紙または繊維材料等で形成し、透明なプラスチック材料の挿入材を紙または繊維基板の切欠き部または窪みに挿入して、透明なウィンドウまたは半透明のハーフウィンドウエリアを形成することも可能である。

不透明化層
１つまたは複数の不透明化層を透明基板に形成して、セキュリティ文書の不透明性を増大させてもよい。不透明化層は、Ｌ_T＜Ｌ₀となるもので、式中、Ｌ₀は文書への入射光の量、Ｌ_Tは文書を透過する光の量である。透明化層は、さまざまな不透明化コーティングのいずれの１つまたはそれ以上を含んでいてもよい。たとえば、不透明化コーティングは、二酸化チタン等の顔料を熱活性化架橋性ポリマ材料のバインダまたはキャリアの中に分散させたものを含んでいてもよい。あるいは、透明プラスチック材料の基板を、紙またはその他部分的または実質的に不透明な材料の不透明化層の間に挟み、そこに後から識別を印刷またはその他の方法で形成してもよい。

本発明は、第一の態様において、複数の合焦要素と複数の画像要素を含むセキュリティ要素を提供し、画像要素は対象物平面に、各画像要素が合焦要素の１つと関連付けられるように配置され、
対象物平面は少なくとも第一と第二の個別の小領域を含み、第一の小領域内の画像要素は第二の小領域内の画像要素に関して、ある位相変位距離だけ位相変位され、
第一と第二の小領域は、第一と第二の光学可変画像または部分画像を生成し、
小領域間に位相変位を取り入れることによって、レンズの下に同じ大きさの画像要素を用いる標準的なレンチキュラ装置と比較して、より多くのアニメーションフレームが提供される。原則として、本発明による装置を使用して生成できるアニメーションフレームの数は無限である。

好ましい実施形態において、第一および／または第二の小領域の画像要素は補完的画像要素とペアにされ、それによって、第一および／または第二の光学可変画像がフリップ画像となる。

フリップ画像とは、異なる視野角で、異なる状態、たとえばポジティブの状態とネガティブの状態とが切り替わる画像である。

好ましくは、合焦要素は、対象物平面から、合焦要素の焦点距離より短い距離に位置付けられる。この距離は好ましくは、対象物平面における合焦要素の焦点の幅が画像要素の大きさと実質的に等しいか、画像要素の大きさと所定の量だけ異なるが、依然として第一と第二の画像を生成するような距離である。

合焦要素を、若干焦点がずれるが、依然としてセキュリティ要素が認識可能な画像を形成できるような位置に移動させることで、各合焦要素は、対象物平面内での合焦要素の焦点スポットの広がりにより、特定の強度を発生させることが可能となる。

セキュリティ要素はさらに、追加の小領域を含んでいてもよく、追加の小領域の各々の中の画像要素は、第一と第二の小領域の画像要素に関して位相変位され、追加の小領域の各々は、視野角の変化とともに輝度が変化する、別の画像または部分画像を生成する。原則として、いくつの小領域でも選択できるが、小領域の最大数は一般に、異なる視野角で区別可能な画像または部分画像を生成するために選択可能な、個別の位相変位の最大数に依存する。

小領域は、どの所望の形状または大きさであってもよい。１つの実施形態において、小領域の形状と大きさは異なる。他の実施形態では、実質的に同じ形状および／または大きさの小領域のアレイを設けてもよい。後者の場合、各小領域が部分画像を生成し、全部の小領域が集合的に複合画像、たとえば人物像を生成してもよい。

小領域が集合的に、少なくとも３つの諧調を有するグレイスケール画像を生成してもよい。諧調レベルは好ましくは、小領域内の画像要素間の位相変位によって決定される。

特に好ましい実施形態において、小領域は集合的に、視野角の変化とともに実質的に連続的にコントラストが変化するように見えるグイスケール画像を生成する。各視野角で投影される画像は固有であり、その結果、容易に認識可能で、印刷方法だけで複製することがより困難な、非常にダイナミックで、特徴的で、明白な効果が得られる。

好ましくは、画像要素はグラビア印刷された要素である。あるいは、これらはエンボス加工、オフセット印刷、スクリーン印刷またはフレキソグラフィ印刷による要素であってもよい。画像要素は好ましくは線要素であるが、画像要素を形成するために使用される方法に応じて、点、その他の幾何学形状、英数字等のその他の形状とすることもできる。

画像要素が線要素である場合、これらは好ましくは、合焦要素の幅の半分に実質的に等しい幅を有する。

合焦要素は好ましくは、屈折または回折円柱レンズ、またはゾーンプレートである。これらはまた、屈折または回折一部球面または多角形ベースのマイクロレンズであってもよい。他の実施形態において、合焦要素は、レンズ軸に垂直な平面において一部楕円形状の円柱レンズである。

他の態様において、本発明は上述の実施形態のいずれか１つによるセキュリティ要素を含むセキュリティ装置を提供する。

他の態様において、本発明の第二の態様によるセキュリティ装置を含むセキュリティ文書が提供される。

また別の態様において、本発明は上述の実施形態のいずれか１つによるセキュリティ要素を含む紙幣用基板を提供する。

さらにまた別の態様において、セキュリティ装置を形成する方法が提供され、これは、
透明または半透明基板を提供するステップと、
複数の合焦要素を基板の第一の面に形成するステップと、
複数の画像要素を基板の画像面に形成し、各画像要素が合焦要素の１つと関連付けられるようにするステップと、
を含み、
画像面が少なくとも第一と第二の個別の小領域を含み、第一の小領域内の画像要素は、第二の小領域内の画像要素に関して位相変位され、
第一と第二の小領域は第一と第二の画像または部分画像を生成する。

合焦要素は、エンボス加工によって、たとえば基板の第一の面に形成された放射線硬化性インクの層にエンボス加工することによって形成してもよい。

画像要素は好ましくは、グラビア印刷によって形成される。これらはまた、エンボス加工、オフセット印刷、スクリーン印刷またはフレキソグラフィ印刷により形成されてもよい。

本発明のある好ましい実施形態を、添付の図面を参照しながら、あくまでも非限定的な例として以下に説明する。

図１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ、１Ｈ、１Ｊは、セキュリティ要素に形成されるべき複数の光学可変画像領域の平面図を示す。 図２は、セキュリティ要素の１つの実施形態の断面図である。 図３は、図２のセキュリティ要素により生成される、単色（バイナリ）光学可変コントラスト切替効果を示す。 図４Ａと４Ｂは、図２のセキュリティ要素の一部の拡大平面図を示す。 図５は、複数の諧調をセキュリティ要素の中に組み込む方法を示す。 図６は、異なる視野角での画像または部分画像の表示をどのように制御できるかを概略的に説明する。 図７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ、７Ｅは、視野角によりコントラストが徐々に変化する連続諧調光学可変画像を生成する、セキュリティ要素の他の実施形態を示す。 図８は、ビットマップにより生成されるグレイスケール光学可変装置を示す。 図９Ａと９Ｂは、図８のビットマップのピクセルと装置の画像要素の間の対応を示す。 図１０Ａと１０Ｂは、図９の図柄の一部のクローズアップである。

まず、図１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ、１Ｈ、１Ｊを参照すると、小領域１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄを有するセキュリティ要素１０の平面図が示されている。小領域１０Ａは、第一の視野角で画像２０Ａを生成する。第二の視野角では、小領域１０Ａは見え方が変化し、コントラストが切り替わってネガティブ画像２０Ａ’が示される。画像２０Ａ’では、明るい領域が暗くなり、暗い領域（文字「Ａ」と「Ｕ」）が明るくなる。

同様に、小領域１０Ｂは、第一の視野角で画像２０Ｂを生成し、第二の視野角でネガティブ画像２０Ｂ’を生成し、小領域１０Ｃはポジティブおよびネガティブ画像２０Ｃ、２０Ｃ’を生成し、小領域１０Ｄはポジティブおよびネガティブ画像２０Ｄ、２０Ｄ’を生成する。

従来のレンチキュラ画像では、ポジティブからネガティブへのコントラストの切替は、小領域１０Ａ〜１０Ｄの各々について同じ角度で発生するであろう。図１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ、１Ｈ、１Ｊに示される実施形態では、レンチキュラ画像の異なる小領域１０Ａ〜１０Ｄを、観察者に対してそのポジティブ状態が異なる視野角で投影されるように配置することによって、より複雑な多チャンネル「フリップ画像」効果が生まれる。その結果、より複雑なポジティブ／ネガティブコントラスト切替効果が得られ、これは印刷の使用だけで偽造することがはるかに困難である。本発明者らは、実験を通じて、異なる視野角での異なる画像小領域のポジティブ状態の投影をシミュレートすることは、印刷方法の使用だけでは不可能であることを発見した。

次に、図２を参照すると、異なる小領域１０Ａ〜１０Ｄの画像要素のためのグラビア印刷による線の相対的な位置が示されている。図２は、レンチキュラ（円柱）小型レンズ４２の形態の複数の合焦要素を有するセキュリティ要素４０を示す。小型レンズ４２は、複数の画像要素４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃ、４５Ｄが配置された対象物平面４４から距離ｔの位置に配置される。画像要素４５Ａは補完的画像要素４５Ａ’と、画像要素４５Ｂは補完的画像要素４５Ｂ’と、以下同様に、ペアにされる。距離ｔは、小型レンズ４２の焦点距離と実質的に等しい。

画像要素４５Ａと補完的画像要素４５Ａ’は一般に、同じ色でフリップ画像を生成する。画像要素４５Ｂ等は、４５Ａと同じ色であっても、または希望に応じて異なる色であってもよい。

図２の小型レンズの幅は６３．５マイクロメートルであり、画像要素４５Ａ等の幅は３５マイクロメートル、すなわち、小型レンズの幅の約半分と等しい。画像要素の幅は、３５マイクロメートルより大きくしてもよく、たとえば４５マイクロメートルとしてもよい。

画像要素４５Ａと補完的画像要素４５Ａ’は、セキュリティ要素の小領域１０Ａの中に配置される。セキュリティ要素を第一の角度θ_Aで見ると、小領域１０Ａの「ネガティブ」の補完的画像要素４５Ａ’だけが小型レンズ４２の視野内にあり、したがって、図１Ｃのネガティブ画像２０Ａ’が観察者に見える。これに対して、第二の角度Φ_Aで見ると、「ポジティブ」の画像要素４５Ａだけが見え、それゆえ、観察者に対してポジティブ画像２０Ａが生成される。

同様に、セキュリティ要素を角度θ_Bで見ると、小領域１０Ｂのネガティブの補完的画像要素４５Ｂ’が見え、ネガティブ画像２０Ｂ’が生成され、第二の角度Φ_Bでは、ポジティブ画像要素４５Ｂが見えるようになり、ポジティブ画像２０Ｂが生成される。当業者であれば、上記の文中、文字ＡとＢをＣとＤに置き換えられることがわかるであろう。

画像要素と補完的画像要素の各ペア、たとえば（４５Ａ、４５Ａ’）と（４５Ｂ、４５Ｂ’）は、基本的にその物理的特性においては同一であり、特定の小領域１０Ａまたは１０Ｂの中で、画像要素または補完的画像要素の、関連する小型レンズ４２に関する位置は変化しない。しかしながら、異なる小領域の中の画像要素間に位相変位が取り入れられることによって、異なる小領域が、他の小領域とは独立して、異なる角度でのコントラストの切替を表示できるようになっている。

図２の例には、画像要素４５Ｂの画像要素４５Ａに関する位相変位ΔＢ、画像要素４５Ｃの画像要素４５Ａに関する位相変位ΔＣ、画像要素４５Ｄの画像要素４５Ａに関する位相変位ΔＤがある。この場合の位相変位は、小型レンズ４２の幅の４分の１、２分の１、および４分の３であるが、当然のことながら、さまざまな位相変位を利用でき、必ずしも最小位相変位（この場合、小型レンズ幅の４分の１）の整数倍でなくてもよい。

図３は、セキュリティ要素に関するその視野角の変化によって、観察者に見える画像シーケンスが変化することを示している。第一の視野角３０ＡＢでは、小領域１０Ａと１０Ｂがそのポジティブ状態、すなわちポジティブ画像２０Ａと２０Ｂを投影し、その一方で、小領域１０Ｃと１０Ｄがそのネガティブ状態、すなわちネガティブ画像２０Ｃ’と２０Ｄ’を投影する。観察者に伝えられる正味の印象は、小画像２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄから構成される画像２５である。

視野角が３０ＡＤに変化すると、小領域１０Ｂはそのネガティブ状態２０Ｂ’に切り替わり、その一方で、小領域１０Ｄはそのポジディブ状態２０Ｄに変化する。視野角３０ＣＤでは、小領域１０Ａがそのネガティブ状態２０Ａ’に切り替わり、小領域１０Ｃがそのポジティブ状態２０Ｃに切り替わるため、画像２７が生成される。最後に、視野角３０ＢＣでは、小領域１０Ｂがそのポジティブ状態２０Ｂに戻り、小領域１０Ｄがそのネガティブ状態２０Ｄ’に戻るため、観察者に対しては画像２８の印象が生成される。

異なる小領域間に３種類の位相変位を取り入れることによって、１つの色と形状の画像要素で、レンチキュラアニメーションの４つの異なるフレームが得られ、これは、フレーム１が画像全体のポジティブ状態、フレーム２が画像全体のネガティブ状態という２つのアニメーションフレームしか得られない従来技術の装置とは対照的である。

次に、図４Ａと４Ｂを参照すると、セキュリティ要素４０の対象物平面４４の部分１２が示されている。部分１２は、装置の小領域１０Ａと１０Ｂにまたがる。大きな拡大図として、図４Ｂには部分１２の領域１３が示されている。領域１３は画像要素４５Ｂおよび補完的画像要素４５Ａ’と４５Ｂ’を含む。破線４３は、関連するレンズ４２の境界を示している。補完的画像要素４５Ａ’の左側縁辺は、関連するレンズの左側縁辺と一致する。これに対して、小領域１０Ｂの補完的画像要素４５Ｂ’の左側縁辺は、関連するレンズの、および補完的画像要素４５Ａ’の左側縁辺から距離Ｄだけ位相変位されている。図の例において、位相変位Ｄは、レンズ４２の幅の約４分の１である。

特に有利な実施形態において、小型レンズ４２と対象物平面４４の間の距離ｔは、小型レンズの焦点距離より短くされる。特に、距離ｔが、対象物平面４４における小型レンズの焦点の幅が画像要素４５Ａと補完的画像要素４５Ａ’等の大きさに依存するような距離であることが好ましい。小型レンズのパラメータは、たとえば、引用によって全体を本願に援用する、本願と同じ出願人による同時係属中のＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＡＵ２０１０／０００２４３号明細書に記載されている方法を用いることにより、軸上の焦点の幅が画像要素４５Ａの幅と実質的に同じ、または画像要素４５Ａの幅の２０％以内となるように選択できる。

焦点の幅を増大させることによって、小型レンズ４２から見た時の特定の画像要素４５Ａまたは補完的画像要素４５Ａ’等の輝度を変化させることができ、これは、いくつかの視野角では、スポットの範囲が限られているため、焦点スポットの全部が画像要素４５Ａまたは補完的画像要素４５Ａ’と重複するとはかぎらないからである。焦点の幅の増加量が多いほど、画像要素の輝度を変化させることのできる角度範囲が大きくなる。

その原理を、図５と６を参照して説明することができ、図では、光軸１４０を有する同一の小型レンズ１４２により、軸外角度１３０で３種類の画像要素１４５Ａ、１４５Ｂ、１４５Ｃが見える。画像要素の各々の幅ｗを有し、これは焦点の幅と実質的に等しい。もちろん、当然のことながら、焦点の幅は軸上と軸外で異なるかもしれないが、説明のために一定であると仮定する。本発明者らは、プロトタイプの装置を構成するために使用された幅６３．５マイクロメートルのレンズの場合、焦点幅が軸上で約３０マイクロメートルであり、軸から遠い軸外の点（小型レンズのローブ角の縁辺付近）で約２３マイクロメートルであることを発見した。

図６の画像要素１４５Ｃについて、円柱小型レンズ１４２の焦点スポットは画像要素１４５Ｃと完全に重複するため、観察者には画像要素１４５Ｃについて最大の輝度が見える。画像要素を位置１４５Ａまでシフトさせると、スポットのどの部分も画像要素と重複しないため、画像要素１４５Ａには実質的に光が到達しない。これに対して、画像要素が光軸１３０の上にある中間位置１４５Ｂでは、スポット領域の約半分が画像要素１４５Ｂに入る。それゆえ、同じ角度で見た時、観察者には画像要素１４５Ａの輝度の約５０％の輝度が見えることになる（スポットの強度は一定と仮定する）。図の例では、画像要素の位置が３つあり、それゆえ、特定の視野角で異なる３つの諧調が見える。視野角が変化すると、焦点スポットと画像要素の間の重複量が変化する。それゆえ観察者には、各視野角で、最大３つの諧調の、異なる個別諧調群が見えることになる。

当然のことながら、画像要素の位置は実質的に連続的な範囲とすることが可能であり、これは画像要素を対象物平面４４上に形成するために使用される工程の分解能によってのみ限定される。たとえば、グラビア印刷で印刷された図形等の場合、１つの視野角で観察者に対して投影される個別の諧調の数は、グラビア印刷シリンダを作るために使用された彫刻分解能に依存する。小型レンズの幅が６３．５マイクロメートル、グラビア工程の彫刻分解能が１インチあたり６４００ドットであるとすると、各レンズの下には１６の異なるアドレス指定可能な位置があることになり（１６＝６３．５／［２５４００／６４００］）、それゆえ、任意の所与の視野角で観察者に対して最大１６の個別の諧調が投影される。この例では、以下を前提とする。
（ｉ）焦点の幅は実質的に一定であり、小型レンズ１４２の幅の半分と実質的に等しい。
（ｉｉ）画像要素１４５Ａ、１４５Ｂ、１４５Ｃの幅は焦点の幅と略同じである。
（ｉｉｉ）焦点の幅は、画像要素位置を変化させることのできる最小限の量、この場合はグラビア工程の彫刻分解能の（略）整数倍である。

図１〜３の実施形態において、４つの異なる画像要素の位置は、画像要素４５Ａと補完的画像要素４５Ａ’および、それを位相変位させたものである４５Ｂ／４５Ｂ’、４５Ｃ／４５Ｃ’、４５Ｄ／４５Ｄ’に対応する。小型レンズ４２と対象物平面４４の間の距離ｔが小型レンズの焦点距離より短い場合、任意の所与の視野角で最大で４種の異なる諧調が得られ（ここでも、（ｉ）〜（ｉｉｉ）を前提とする）、その結果、（図１〜４の２パターンコントラスト切替に対して）グレイスケールコントラストの変化を示す多重光学可変画像が実現する。

いかなる視野角でも最大で４種の異なる諧調を有するこのようなグレイスケール多重セキュリティ要素の平面図が図７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ、７Ｅに示されており、図中、表現２０１〜２０５は、５つの異なる視野角から見た時のセキュリティ要素を示す。たとえば、表示２０１は３種の異なる諧調を有し、表示２０２には２つの諧調しかない。セキュリティ要素の対象物平面におけるスポットの範囲が限られているため、これらの表現の中間に、最大で４種類の諧調を有する表示があり、観察者には、視野角の変化に伴い、コントラストが実質的に連続的に変化するように見える。原則的に、視野角が連続的に変化する時に投影される諧調の総数は無限である。したがって、諧調のポジティブとネガティブのコントラスト切替効果は、視野角の変化に伴うフレームの連続体および諧調の連続体が投射されることと説明することができる。

次に、図８を参照すると、複数の一部円柱小型レンズ３４２を有する別のセキュリティ要素３１０の一部と、小型レンズ３４２の対象物平面３４４の小領域３２０のアレイが示されている。小領域の諧調は、入力画像（ビットマップ）３００の諧調に基づく。この例の入力ビットマップが有する諧調は０〜２５５である。ビットマップ３００の各ピクセルは、セキュリティ要素３１０の対象物平面３４４の中の６３．５マイクロメートル×６３．５マイクロメートル平方の面積を含むそれぞれの小領域３２０にマッピングされる。各小領域は、幅３５マイクロメートルのグラビア印刷された画像要素３４５を含み、画像要素３４５の左側縁辺は、光軸から、ビットマップ３００の対応するピクセルの諧調に応じた距離だけずれている。たとえば、ビットマップの２５５の諧調については、画像要素の左側縁辺が光軸上にあり、それによって図８の視野角３３１で輝度が最大となる。

位相変位、したがって、ある特定の視野角で見える諧調は、何種類の方法で固定されてもよい。位相変位と諧調の間の最も単純な関係は、これら２つの間に直線関係があると仮定することであり、それによって図８の視野角３３１については、焦点幅の半分の位相変位によって輝度は５０％減少し（すなわち、１２７の諧調）、４分の１の位相変位によって２５％減少し（すなわち、１９１の諧調）、以下同様である。この関係のより高度なモデリングは、以下を考慮することによって可能となる。
・軸外に移動するほど減少する焦点スポットの幅
・視野角の関数として非線形に変化する焦点スポットの位置
・一定でないスポットの強度
・観察者からセキュリティ要素までの距離

たとえば、ガウシアンビームのスポットがパラメータ

を有し、焦点スポットの中心がスネルの法則により決定される視野角依存位置

を有すると仮定すると、幾何学的な考慮に基づき、幅ｗの画像要素の輝度と角度θで観察される位相変位ｄの間の以下の関係が得られる。

式中、ｅｒｆは誤差関数であり、対象物平面内の焦点スポット位置は下式で得られる。

ここで、ｔは小型レンズの頂点から対象物平面までの距離であり、ｎは小型レンズの材料の屈折率である。

実際に、本発明者らは、諧調と位相変位の間に単純な直線関係があると仮定することで、装置３１０から観察者に投影される光学可変画像における入力ビットマップ画像の諧調を再生するのに十分であることを発見した。

セキュリティ要素３１０の「ピクセル」３２０の中の各画像要素３４５は、小型レンズ３４２の光軸に関して特定の位相変位を有する。同じ位相変位を有するピクセル３４５の各グループは、入力ビットマップ３００における特定の諧調に対応することになる。ｍ×ｎ個のピクセルを含む画像の場合、それゆえ、セキュリティ要素３１０の中にｍ×ｎ個の小領域があり、ピクセル（小領域）３２０の中の、特定の諧調を有する画像要素３４５は、異なる諧調を有するピクセルに関して位相変位されており、その位相変位は諧調の差によって決まる。装置を角度３３１で見た時、ｍ×ｎ個の小領域は集合的画像３２１の一部を形成する。

視野角が角度３３１から角度３３２に変化すると、観察者には、集合的画像３２１から集合的画像３２２へと実質的に連続的に変化するのが見える。同様に、視野角が角度３３３までさらに変化すると、画像要素３４５のコントラストが継続的に変化し、セキュリティ要素３１０は画像３２３を表示し、以下同様にして諧調が完全に反転して、画像３２１のネガティブ３２５が見える。

次に、図９Ａと９Ｂと１０Ａと１０Ｂを参照すると、グレイスケールビットマップ３００のピクセルと、対応する光学可変装置の画像要素との対応が示されている。ビットマップ３００は、図柄４００の中の連続する印刷された平行な線として表現されている。たとえば、図柄の領域４６０に対応する、ビットマップの領域３６０に注目すると、関連するレンズ（図示せず）に関して異なる位相変位を有し、また、もちろん、相互に関しても位相変位されたピクセル３６１と３６２が、それぞれの小領域の中の線要素４６１と４６２により表現されている。

実質的に上述のような光学可変装置を製造する方法の代表例においては、ＵＶ硬化性インクの層が、厚さ７５マイクロメートルの二軸延伸ポリプロピレン（ＢＯＰＰ）フィルムの片面に形成される。ＵＶインクは次に、レンズ構造４２がエンボス加工され、硬化されて、全体の厚さが約８５〜９０マイクロメートルのレンチキュラ基板が生成される。

レンズ構造４２の反対面には、単色の画像要素がグラビア印刷され、この画像要素は、相互におよび／または関連するレンズに関して適当に位相変位される。

画像要素の好ましい色は、十分なコントラストが得られるが、模倣が困難な色である。試験には黒インクが使用されているが、青、マゼンタ、すみれ色または緋色も好ましい色である。

代表的なグラビア印刷工程においては、分解能１０，１６０ｄｐｉ（画像要素位置の最小漸進的変化は２．５マイクロメートル）で彫刻されたグラビアシリンダが使用される。これに対応するグラビア彫刻ファイルは、位相変位された画像要素のバイナリデジタル画像であり、印刷後のデジタル画像要素の大きさの予想増大分が補償される。

１０ セキュリティ要素
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ 小領域
２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ ポジティブ画像
２０Ａ’、２０Ｂ’、２０Ｃ’、２０Ｄ’ ネガティブ画像
４０ セキュリティ要素
４２ 小型レンズ
４４ 対象物平面
４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃ、４５Ｄ 画像要素
４５Ａ’、４５Ｂ’ 補完的画像要素
１４０ 光軸
１４２ 小型レンズ
１４５Ａ、１４５Ｂ、１４５Ｃ 画像要素
３１０ セキュリティ要素
３２０ 小領域
３２１、３２２ 集合的画像
３４２ 小型レンズ
３４４ 対象物平面
３４５ 画像要素

Claims (32)

1. 複数の合焦要素と複数の画像要素を含み、前記画像要素が対象物平面に、各画像要素が前記合焦要素の１つと関連付けられるように配置されるセキュリティ要素において、
   前記対象物平面が少なくとも第一と第二の個別の小領域を含み、前記第一の小領域内の画像要素が前記第二の小領域内の画像要素に関して、ある位相変位距離だけ位相変位され、
   前記第一と第二の小領域が、第一と第二の光学可変画像または部分画像を生成するセキュリティ要素。
2. 前記第一および／または第二の小領域の前記画像要素が補完的画像要素とペアにされ、それによって、前記第一および／または第二の光学可変画像がフリップ画像となる、請求項１に記載のセキュリティ要素。
3. 前記合焦要素が前記対象物平面から、前記合焦要素の焦点距離より短い距離ｔに配置される、請求項１または２に記載のセキュリティ要素。
4. 前記距離ｔが、前記対象物平面における前記合焦要素の焦点の幅が前記画像要素の大きさと実質的に等しいか、前記画像要素の大きさと所定の量だけ異なるが、依然として前記第一と第二の画像を生成するような距離である、請求項３に記載のセキュリティ要素。
5. 追加の小領域をさらに含み、各追加の小領域内の画像要素が、前記第一と第二の小領域の前記画像要素に関して位相変位され、各追加の小領域が、他の光学可変画像または部分画像を生成する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のセキュリティ要素。
6. 前記小領域が少なくとも３つの諧調を有するグレイスケール画像を生成する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のセキュリティ要素。
7. 前記諧調が前記小領域内の前記画像要素間の前記位相変位により決定される、請求項６に記載のセキュリティ要素。
8. 前記小領域の前記画像要素が、前記関連する焦点要素に関して異なる距離だけ位相変位されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載のセキュリティ要素。
9. 前記合焦要素が透明または半透明基板の片面にある、請求項１〜８のいずれか１項に記載のセキュリティ要素。
10. 前記画像要素と、該当する場合は、前記補完的画像要素が透明または半透明基板の反対面にある、請求項９に記載のセキュリティ要素。
11. 前記光学可変画像または部分画像の輝度および／またはコントラストが視野角の変化とともに変化する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のセキュリティ要素。
12. 前記小領域が集合的に、前記視野角の変化とともにコントラストが実質的に連続的に変化するように見えるハーフトーンまたは連続トーン画像を生成する、請求項１１に記載のセキュリティ要素。
13. 前記画像要素がグラビア印刷された要素である、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のセキュリティ要素。
14. 前記画像要素がエンボス加工、オフセット印刷、スクリーン印刷またはフレキソグラフィ印刷による要素である請求項１〜１２のいずれか１項に記載のセキュリティ要素。
15. 前記画像要素が線要素である、請求項１〜１４のいずれか１項に記載のセキュリティ要素。
16. 前記線要素の各々の幅が、前記合焦要素の幅の半分と実質的に等しいか、それより大きい、請求項１５に記載のセキュリティ要素。
17. 前記位相変位距離が前記合焦要素の幅の半分より短いか、これと等しい、請求項１〜１６のいずれか１項に記載のセキュリティ要素。
18. 前記合焦要素が屈折または回折円柱レンズ、またはゾーンプレートである、請求項１〜１７のいずれか１項に記載のセキュリティ要素。
19. 前記合焦要素が屈折または回折一部球面または多角形ベースのマイクロレンズである、請求項１〜１７のいずれか１項に記載のセキュリティ要素。
20. 請求項１〜１９のいずれか１項によるセキュリティ要素を含むセキュリティ装置。
21. 請求項２０の前記セキュリティ装置を含むセキュリティ文書。
22. 請求項１〜１９のいずれか１項に記載のセキュリティ要素を含む紙幣用基板。
23. セキュリティ装置を形成する方法において、
    透明または半透明基板を提供するステップと、
    複数の合焦要素を前記基板の第一の面に形成するステップと、
    複数の画像要素を前記基板の画像面に形成し、各画像要素が前記合焦要素の１つと関連付けられるようにするステップと、
    を含み、
    前記画像面が少なくとも第一と第二の個別の小領域を含み、前記第一の小領域内の画像要素は、前記第二の小領域内の画像要素に関して位相変位され、
    前記第一と第二の小領域は第一と第二の光学可変画像または部分画像を生成する方法。
24. 前記合焦要素がエンボス加工によって形成される、請求項２３に記載の方法。
25. 前記合焦要素が、前記基板の前記第一の面に形成された放射線硬化性インクの層にエンボス加工することによって形成される、請求項２４に記載の方法。
26. 前記画像要素がグラビア印刷によって形成される、請求項２３〜２５のいずれか１項に記載の方法。
27. 前記画像要素がエンボス加工、オフセット印刷、スクリーン印刷またはフレキソグラフィ印刷により形成される、請求項２３〜２５のいずれか１項に記載の方法。
28. 前記第一および／または第二の小領域の前記画像要素が補完的画像要素とペアにされ、それによって、前記第一および／または第二の光学可変画像がフリップ画像となる、請求項２３〜２７のいずれか１項に記載の方法。
29. 前記画像面が追加の小領域をさらに含み、各追加の小領域内の画像要素が、前記第一と第二の小領域の前記画像要素に関して位相変位され、各追加の小領域が、他の光学可変画像または部分画像を生成する、請求項２３〜２８のいずれか１項に記載の方法。
30. 前記小領域の画像要素が、関連する合焦要素に関して異なる距離だけ位相変位される、請求項２３〜２９のいずれか１項に記載の方法。
31. 前記小領域が少なくとも３つの諧調を有するグレイスケール画像を生成する、請求項２３〜３０のいずれか１項に記載の方法。
32. 前記諧調が前記小領域内の前記画像要素間の前記位相変位により決定される、請求項３１に記載の方法。

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