KR102544539B1 - 광학 보안 요소 - Google Patents

Abstract

본 발명은 얇은 광학 보안 요소에 관한 것으로서, 광원으로부터의 입사광을 방향전환시켜서 투사면 위에 투사 이미지를 형성하도록 조작가능한 릴리프 패턴을 갖는, 광-방향전환 반사면 또는 굴절면을 포함하고, 이러한 광학 보안 요소의 광학적 파라미터가 특정 투사 기준을 충족하여, 투사 이미지가 사람에 의해 용이하게 시각적으로 인식가능한 기준 패턴을 재현하는 초면 패턴을 포함한다. 본 발명은 또한, 광학 보안 요소의 릴리프 패턴을 디자인하는 방법에 관한 것이다.

Description

광학 보안 요소

본 발명은 적절한 조명 하에서 초면(caustic) 패턴을 투사하도록 조작가능한 반사성 또는 굴절성 광학 보안 요소 및 이러한 광학 보안 요소를 디자인하는 방법의 기술 분야에 관한 것이다.

일반적으로 입수가능한 수단을 사용하여, 소위 "보통 사람"에 의해 인증될 수 있는, 물체에 대한 보안 피처(security feature)에 대한 요구가 있다. 이러한 수단들은 오감, 주로 시각과 촉각을 사용하는 것과 더불어 예를 들어 휴대폰과 같은, 널리 보급된 도구(tool)를 사용하는 것을 포함한다.

보안 피처의 몇 가지 일반적인 예는 은행권(banknote), 신용카드, 신분증, 티켓, 인증서, 문서, 여권 등의 위에서 발견될 수 있는 포렌식 섬유, 스레드(thread) 또는 포일(예를 들어, 종이와 같은 기재(substrate)에 내포됨), 워터마크, 오목판 프린팅 또는 마이크로프린팅(가능하면 광학적 가변성 잉크로 기재 위에 인쇄됨)이다. 이러한 보안 피처는, 광학적 가변성 잉크, 보이지않는 잉크(invisible ink) 또는 발광 잉크(특정한 여기광(excitation light)을 사용한 적절한 조명 하에서 발광 또는 인광함), 홀로그램 및/또는 촉감 피처를 포함할 수 있다. 보안 피처의 주요 양태는 위조하기가 매우 어려운 일부 물리적 특성(광학 효과, 자기 효과, 물질 구조 또는 화학 성분)을 가져서 이러한 보안 피처로 마킹된 물체는 (시각적으로 또는 특정한 장치에 의해서) 상기 특성이 관찰되거나 드러날 수 있다면 진품으로서 신뢰가능하게 간주될 수 있다.

그러나, 물체가 투명하거나 부분적으로 투명할 때, 이러한 특징은 적합하지 않을 수 있다. 실제로, 투명 물체는, 요구되는 보안 피처를 갖는 보안 요소가 미적 또는 기능적인 이유로, 이들의 투명성이나 이들의 외형을 변경하지 않는 것을 요구한다. 주목할 만한 예로는 약학 제품용 블리스터 및 바이알을 포함할 수 있다. 최근, 예를 들어, 중합체 및 하이브리드 은행권은 그들의 디자인에 투명한 윈도우를 도입하여, 그와 상용가능한 보안 피처에 대한 요구를 발생시킨다.

문서, 은행권, 보안 티켓, 여권 등을 위한 보안 요소의 가장 최근의 보안 피처 대부분은 투명 물체/영역을 위해 특별히 개발되지 않았으며, 그래서 이러한 적용례에는 적합하지 않다. 예를 들어, 보이지 않은 잉크 및 형광 잉크로 얻은 다른 피처들은 특정한 여기 도구 및/또는 검출 수단을 요구하고, 이는 "보통 사람"이 손쉽게 이용 가능하지 않을 수 있다.

반(semi)-투명 광학 가변성 피처(예를 들어, 액정 코팅물, 또는 표면 구조체로부터의 잠상(latent images))가 공지되어 있으며, 이러한 종류의 기능을 제공할 수 있다. 불행하게도, 이러한 보안 피처를 포함하는 마킹은 일반적으로, 효과가 잘 보이도록 어두운/균일한 배경과 대비되어 관찰되어야만 한다.

다른 공지된 피처는 비-금속화된 표면 홀로그램과 같은, 회절 광학 요소이다. 이러한 피처의 단점은, 직접 관찰할 때 이들이 매우 낮은 콘트라스트(contrast) 시각 효과를 나타낸다는 것이다. 더욱이, 패턴을 투사하기 위해서는 단색성 광원과 함께 사용될 때, 이들은 만족스런 결과를 제공하기 위해서 전형적으로 레이저를 요구한다. 아울러, 명확하게 가시적인 광학 효과를 제공하기 위해서는 광원, 회절 광학 요소 및 사용자 눈의 상당히 정밀한 상대적 공간 배치가 요구된다.

예를 들어, 유리 바이알에는 레이저 음각된 마이크로-텍스트 및/또는 마이크로-코드가 사용되어 왔다. 그러나 이들은 이들의 구현을 위한 고가의 도구 및 이들의 검출을 위한 특정한 확대 도구를 요구한다.

따라서, 본 발명의 목적은, 추가 수단을 사용하지 않거나(즉, 육안으로) 또는 일반적이며 쉽게 입수가능한 수단(예를 들어, 단순 확대경)을 사용하여, 사람에 의해, 시각적으로 쉽게 인증될 수 있는 보안 피처를 갖는, 투명 또는 부분적으로 투명한 물체(또는 기재)를 위한 광학 보안 요소를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 대량 제조에 용이하거나 양산(mass-production) 제조 공정과 상용가능한 광학 보안 요소를 제공하는 것이다. 더욱이, 광학 보안 요소의 조명은 쉽게 입수가능한 수단(예를 들어, 휴대폰의 LED 또는 태양과 같은 광원)으로도 가능해야 하고, 사용자에 의한 우수한 시각적 관찰을 위한 조건이 광원, 광학 보안 요소 및 사용자의 눈의 너무 엄격한 상대적 공간 배치를 필요로 하지 않아야만 한다.

또한, 상기 열거된 대부분의 물체는 적어도 하나의 치수에서 감소된 크기를 갖는다(예를 들어, 은행권은 두께가 100 ㎛ 미만일 수 있음). 따라서, 본 발명의 추가 목적은 감소된 치수(예를 들어, 300 ㎛ 미만의 두께)의 물체와 상용가능한 광학 보안 요소를 제공하는 것이다.

본 발명의 추가의 목적은, 상기 감소된 치수(들)와 상용가능한 목표(target) 시각 효과를 선택하는 효율적인 방법을 제공하는 것이다.

하나의 양태에 따르면, 본 발명은, 광원으로부터의 입사광을 방향전환시켜 투사면(projection surface) 위에 투사 이미지를 형성하도록 작동가능한, 릴리프 패턴(relief pattern)을 갖는 광-방향전환 반사면(reflective light-redirecting surface) 또는 투명하거나 부분적으로 투명한 광-방향전환 굴절면을 포함하는 광학 보안 요소로서, 상기 광학 보안 요소의 광학 파라미터가 특정 투사 기준을 충족하여, 상기 투사 이미지가, 어떠한 추가 수단도 사용하지 않거나(즉, 육안으로) 또는 일반적이고 쉽게 입수가능한 수단을 사용하여, 사람에 의해 쉽게 인식가능한 기준 패턴을 재현하는 초면 패턴(caustic pattern)을 포함하되, 이러한 광학 보안 요소로 마킹된 물체가 사람에 의해 시각적으로 쉽게 인증될 수 있는, 광학 보안 요소에 관한 것이다. 광학 보안 요소의 릴리프 패턴의 감소된 두께는, 예를 들어 은행권 또는 보안 문서(예를 들어, 신원 서류, 여권, 카드 등)와 같은 감소된 치수의 물체를 마킹하는 것에 특히 적합하다. 굴절성 광학 보안 요소의 투명한 양태는 적어도 부분적으로 투명한 기재(예를 들어, 유리 또는 플라스틱 병, 병뚜껑, 시계 유리, 장신구, 보석 등)를 마킹하는 것을 특히 적합하게 한다.

특히, 광학 보안 요소의 릴리프 패턴이 매우 얇은 경우(즉, 전형적으로 250 ㎛ 미만의 릴리프 깊이를 가질 때), 사람에 의해서 시각적으로 인식가능하도록, 투사면 위에 투사된 초면 패턴에 의해 편의상 재현될 수 있는 기준 패턴을 결정하는 것이 크게 어렵다는 측면에서, 본 발명의 또다른 양태는, 특정 디지털 이미지 선택 테스트에 따라 투사된 초면 패턴에 의해 재현될 기준 패턴의 후보 디지털 이미지의 선택에 기초하여 광학 보안 요소의 광-방향전환 표면의 릴리프 패턴을 효율적으로 디자인하는 방법에 관한 것이다: 후보 디지털 이미지가 테스트 요건을 준수하는 경우, 구체화된 깊이를 갖는 해당 릴리프 패턴을 계산한 후, 광-방항전환 반사면 또는 구체화된 굴절률의 투명하거나 부분적으로 투명한 광-방향전환 표면을 기계가공하여, 계산된 릴리프 패턴을 재현하고 전술한 투사 기준을 충족할 것인 광학 보안 요소에 도달하여, 그렇게 함으로써 적절한 조명 하에, 사람에 의해서 시각적으로 쉽게 인식가능한, 선택된 디지털 이미지의 기준 패턴을 재현하는 투사된 초면 패턴을 제공할, 광학 보안 요소를 수득하는 것이 가능하다. 이러한 방법은 마킹된 물체의 시각적 인증에 알맞은 매우 얇은 릴리프 패턴(즉, 250㎛ 이하, 또는 심지어 30 ㎛ 이하의 깊이)을 디자인하는 데에 특히 효율적이고, 디자인 공정 작업을 상당히 가속화하게 한다.

따라서, 하나의 양태에 따르면, 본 발명은, 광-방향전환 표면으로부터의 거리 d_s에서 점-유사 광원(point-like source)으로부터 받은 입사광을 방향전환시켜 광-방향전환 표면으로부터의 거리 d_i에 배치된 투사면 위에 초면 패턴을 포함하는 투사 이미지를 형성하도록 조정된, 깊이 δ의 릴리프 패턴을 갖는, 광-방향전환 반사면 또는 굴절률 n의 투명하거나 부분적으로 투명한 광-방향전환 표면을 포함하는 광학 보안 요소에 관한 것으로서, 상기 초면 패턴이 기준 패턴을 재현하고, 상기 광학 보안 요소는, 릴리프 패턴 중 값 A의 면적을 광원에 의해 조명하고 광학 보안 요소에 의해 (평균) 조도 값 E_A를 투사면에 전달할 때, 투사면 위의 투사 이미지의 영역 내에서 선택되는 값 α₁의 원형 영역에 대한 평균 조도 값 E_α1이 다음의 투사 기준, E_α1 ≤ E_A (1/2 + α₀/α₁ + √(1/4 + α₀/α₁))(여기서, 스케일링 면적 파라미터(scaling area parameter) α₀이, 광-방향전환 반사면인 경우에는 α₀ = 4π d_i δ이거나 광-방향전환 굴절면인 경우에는 α₀ = 2π (n-1) d_i δ이고, α₁이 상기 면적 값 A보다 작다)을 충족한다.

바람직하게는, 투사된 초면 패턴으로부터의 기준 패턴의 시각적 인식이 훨씬 더 용이한 작업이 되도록, d_i의 값은 30 cm 이하여만 하고, 비율 d_s/d_i의 값은 5 이상이어야 한다. 또한 바람직하게는, 투사면은 편평하다.

매우 얇은 광학 보안 요소를 제공하기 위해, 릴리프 패턴의 깊이 δ의 값은 250 ㎛ 이하, 또는 심지어 30 ㎛ 이하일 수 있다. 더욱이, 광학 보안 요소는 광학 물질 기재의 편평한 밑판(base) 위에 배치된 그의 릴리프 패턴을 추가로 가질 수 있고, 광학 보안 요소의 전체 두께는 100 ㎛ 이하이다.

또다른 양태에 따르면, 본 발명은, 릴리프 패턴 중 값 A의 면적을 광원에 의해 조명하고 광학 보안 요소에 의한 조도 값 E_A를 투사면으로 전달할 때, 투사면 위의 투사 이미지의 영역 내에서 선택되는 값 α₁의 원형 영역에 대한 평균 조도 값 E_α1이 다음의 투사 기준, Eα₁ ≤ E_A (1/2 + α₀/α₁ + √(1/4 + α₀/α₁))(여기서, 스케일링 면적 파라미터 α₀이 광-방향전환 반사면인 경우 α₀ = 4π d_i δ 또는 광-방향전환 굴절면인 경우 α₀ = 2π (n-1) d_i δ이고, α₁이 상기 면적 값 A보다 작다)을 충족하도록, 광-방향전환 표면으로부터의 거리 d_s에서, 점-유사 광원으로부터 받은 입사광을 방향전환시켜 광-방향전환 표면으로부터의 거리 d_i에 배치된 투사면 위에 초면 패턴을 포함하는 투사 이미지를 형성하도록 조정된, 광-방향전환 반사면 또는 굴절률 n의 투명하거나 부분적으로 투명한 광-방향전환 표면의 값 δ 이하의 깊이의 릴리프 패턴을 디자인하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은,

a) 투사면 위의 초면 패턴에 의해 재현될 기준 패턴의 디지털 이미지를 선택하는 단계로서, 상기 디지털 이미지는 총 픽셀 개수 N_A를 갖고 디지털 이미지에 대한 모든 픽셀 값의 합은 I_A이며, 상기 선택 단계는, N이 정수이고 1 ≤ N ≤ N_A인디지털 이미지 내 N 픽셀의 각 원형 영역에서, 상기 원형 영역 내 N 픽셀 중 각 픽셀 값의 합인 값 I(N)이, 값 I_max(N) = N (I_A/N_A) (1/2 + N₀/N + √(1/4 + N₀/N))(여기서 N₀이 디지털 이미지 내에서 N_A(α₀/A)에 의해 제공되는 픽셀의 개수이다) 미만인 것을 확인함으로써 수행되는 단계;

b) 단계 a)에서 선택된 디지털 이미지의 기준 패턴에 해당하는 δ 이하의 깊이의 릴리프 패턴을 계산하는 단계; 및

c) 광학 물질 기재의 표면을 기계가공하여, 단계 b)에서 계산된 릴리프 패턴을 재현하는 광-방향전환 표면을 형성함으로써, 상기 기계가공된 광-방향전환 표면을 포함하는 광학 보안 요소를 수득하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 방법은 또한, 1 ≤ N ≤ N_A인 임의의 N에 대한 테스트를 완전히 준수하도록, 필요한 경우 픽셀 값을 조정함으로써, I(N)<I_max(N)인 테스트(또는 선택 기준)를 충족하지 않거나 단지 부분적으로 충족하는(즉, N 픽셀의 일부 원형 영역만이 충족되는) 후보 디지털 이미지를 수정하는 단계를 포함한다. 따라서, 기준 패턴의 디지털 이미지를 선택하는 단계 a)는, 기준 패턴의 후보 디지털 이미지의 일부가 I(N)가 I_max(N) 미만인 선택 기준을 충족하지 않는, 기준 패턴의 후보 디지털 이미지를 개질하는 예비 단계를 포함할 수 있는데, 상기 예비 수정 단계는, 후보 디지털 이미지의 상기 일부가 1 ≤ N ≤ N_A인, 임의의 N에 대한 선택 기준을 준수하도록, 조정된 픽셀 값을 갖도록 만들어서 선택예정인 수정된 후보 디지털 이미지를 제공함으로써, 수행된다. 픽셀 값의 조정은 필터링 조작으로부터의 결과일 수 있다. 따라서, 후보 디지털 이미지의 픽셀 값은, 이미지 콘트라스트를 감소하도록, 필터(예를 들어, 고역 필터(high-pass filter))를 이용하여 후보 이미지를 필터링하여 조정될 수 있고, 필터의 파라미터(예를 들어, 고역 필터의 차단 주파수)가 선택 기준에 해당한다.

따라서, 본 발명의 이러한 변형에 따르면, 디지털 이미지 위에 나타낸, 적합하지 않은 목표 패턴을, 본 발명의 디지털 이미지 선택 기준에 대해 적합한 것으로 변환할 수 있고, 이는 후속하는 단계 a)에서 선택될 수 있다.

상기 방법의 단계 c)에서, 광학 물질 기재 표면의 기계가공은 초정밀 절삭(ultra-precision machining)(UPM), 레이저 어블레이션(laser ablation) 및 리소그래피(lithography) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 방법에 따라 기계가공된 광-방향전환 표면은, 몰딩법에 의해, 복제품(또는 광학 보안 요소의 대량-생산을 위한 복제품)을 만들기 위해 사용될 마스터(master) 광-방향전환 표면일 수 있고, 기재 위에 (예를 들어, 물체 위에 적용가능한 마킹을 형성하도록) 복제될 수 있다. 기계가공된 광-방향전환 표면의 복제는 (예를 들어, 롤-투-롤(roll-to-roll)이나 포일-투-포일(foil-to-foil) 제조 공정에서) UV 캐스팅 및 엠보싱(embossing) 중 임의의 하나를 포함할 수 있다.

추가적인 양태에 따르면, 본 발명은 사용자에 의해, 본 발명에 따른 광학 보안 요소로 마킹된 물체를 시각적으로 인증하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은, 하기 단계를 포함한다:

- 광-방향전환 표면으로부터 (대략적으로) 거리 d_s에서 점-유사 광원으로 광학 보안 요소의 광-방향전환 표면을 조명하는 단계;

- 광학 보안 요소로부터 거리 d_i에서 투사면 위에 투사된 초면 패턴 위를 시각적으로 관찰하는 단계; 및

- 투사된 초면 패턴이 기준 패턴과 시각적으로 유사한 것으로 사용자에 의해 평가 시, 물체가 진품인 것으로 결정하는 단계.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명할 것이며, 상기 도면에서 유사한 참조 번호는 유사한 요소를 나타내고, 여기에서 본 발명의 중요한 측면들 및 특징들이 도시되어 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 초면 패턴의 투사를 위한 굴절성 광학 요소의 광학적 구성의 모식도이다.
도 2는 숫자 100을 나타내는 후보 디지털 이미지의 기준 패턴을 도시한다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 도 2의 기준 패턴의 디지털 이미지의 선택을 도시하되, 상이한 스캔 윈도우에 의해 도 2의 후보 디지털 이미지를 스캔한 결과를 나타낸다.
도 3은 기준 패턴의 예이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 도 3의 기준 패턴의 디지털 이미지의 선택의 추가 도시이고, 상이한 스캔 윈도우에 의해 도 3의 후보 디지털 이미지를 스캔한 결과를 나타낸다.
도 4a는 해당하는 투사된 초면 패턴(배경)과 함께, 포일(전경) 위에 캐스팅된 얇은 투명 굴절성 광학 보안 요소의 도면이다.
도 4b는 도 4a의 전경에 나타낸 광학 보안 요소에 의해 투사된 초면 패턴의 사진이다.
도 5는 조지 워싱턴의 초상화를 나타내는 기준 패턴에 해당하는 투사된 초면 패턴의 도면이다.

광학에서, 용어 "초면(caustic)"은, 적어도 하나가 휘어진, 하나 이상의 표면에 의해 반사되거나 굴절된 광선의 인벨로프(envelope) 뿐만 아니라, 이러한 광선을 다른 표면 위로 투사하는 것을 지칭한다. 더욱 구체적으로, 초면이란, 집중된 광의 곡선으로서, 광선들의 인벨로프의 경계를 정의하는, 각 광선에 접선인 곡면 또는 표면이다. 예를 들어, 수영장 바닥에 태양 광선에 의해 형성된 광 패턴은 단일 광-방향전환 표면(물결 모양의 공기-물 계면)에 의해 형성된 초면 "이미지" 또는 패턴인 반면에, 유리 컵의 곡면을 통해 통과하는 빛은 그의 경로를 방향전환시키는 둘 이상의 표면(예를 들어, 공기-유리, 유리-물, 공기-물...)을 가로지를 때, 유리 컵이 놓인 테이블 위에서 컵(cusp) 유사 패턴을 만든다.

이하에서는, (굴절성) 광학 (보안) 요소가 하나의 곡면 및 하나의 편평한 표면에 의해 결합되는 가장 일반적인 구성이, 보다 일반적인 경우를 제한하지 않으면서, 예로서 사용될 것이다. 본 출원인은 적절히 성형된 광학 표면(즉, 적절한 릴리프 패턴을 갖는 광학 표면)이 광원으로부터 빛을 방향전환시켜 이를 스크린의 몇몇 영역으로부터 전향시켜 이미-결정된 광 패턴으로 스크린의 다른 영역 위에 이를 집중시킬 때(따라서, 상기 "초면 패턴"을 형성할 때), 스크린(투사면)에 형성된 광 패턴으로서 더 일반적인 "초면 패턴"(또는 "초면 이미지")으로 본 명세서에서 지칭할 것이다. 방향전환이란, 광학 요소가 부재한 경우의 광원으로부터 스크린까지의 경로에 대해, 광학 요소가 존재하는 경우의 광원으로부터 광선 경로의 변화를 지칭한다. 다시 말해서, 휘어진 광학 표면은 "릴리프 패턴"으로 지칭될 것이고, 이러한 표면을 경계면으로 하는 광학 요소는 광학 보안 요소로서 지칭될 것이다. 비록 증가한 복잡성의 대가일 수 있으나, 초면 패턴이 하나 초과의 곡면 및 하나 초과의 물체에 의한 광의 방향전환의 결과일 수 있음에 주목해야 한다. 더욱이, 초면 패턴을 만들기 위한 릴리프 패턴은 회절 패턴(예를 들어, 보안 홀로그램에서와 유사)과 혼동해서는 안된다.

본 발명에 따르면, 이러한 개념이 예를 들면 소비재, 아이디 카드/신용카드, 은행권 등과 같은 일반적인 물체에 적용될 수 있음이 발견되었다. 그러기 위해서는, 광학 보안 요소의 크기를 철저하게 줄이고, 특히 허용가능한 수치 미만의 릴리프 깊이를 수반하는 것이 요구된다. 놀랍게도, 릴리프는 깊이 측면에서 강하게 제한되기는 하지만, 여전히 (기준 패턴을 나타내는) 선택된 (디지털) 이미지의 근사체(approximation)가 충분한 품질로 투사면 위에서 구현될 수 있어서, 투사면(또는 스크린) 위의 시각적으로 관찰되는 초면 패턴으로부터 선택된 이미지의 시각적 인식을 허용한다는 점이 발견되었다. 디자인 및 기계가공이 매우 까다로운 광학 보안 요소로부터 투사되기 때문에(따라서 위조가 매우 어려움), 이처럼 스크린 위의 단순한 가시적인 초면 패턴으로부터 직접적으로 기준 패턴을 인식하는 것은, 이러한 광학 보안 요소로 마킹된 물체의 신뢰가능한 인증을 허용하는 가치있는 보안 테스트를 구성한다.

본 명세서에서, 아래의 "릴리프"는 골짜기의 밑바닥과 산의 정상 사이의 고도차(즉, "고저간(peak to valley)" 스케일)와 흡사하게, 표면의 최고점과 최저점 사이 높이차(광학 보안 요소의 광축을 따라 측정됨)의 존재로 이해되어야 한다. 본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 광학 보안 요소의 릴리프 패턴의 최대 깊이는, 초정밀절삭(UPM) 및 복제화 공정에 의해 강제되는 한계, 즉 0.2 ㎛ 초과이지만, ≤ 250 ㎛, 또는 더욱 바람직하게는 ≤ 30 ㎛ 이다. 본 명세서에 따르면, 광-방향전환 표면 위의 릴리프 패턴에서의 최고점과 최저점 사이의 높이차는 릴리프 깊이 δ로 지칭된다.

본 명세서에서 몇 가지 용어가 사용되고, 이는 이하에서 추가로 정의된다.

디지털 이미지의 근사체를 형성하는, 초면 패턴(이미지)은 적합한 광원(바람직하게는, 필수적이지는 않지만, 점-유사 광원)에 의해 조명되었을 때, 광학 보안 요소에 의해 투사된 광 패턴으로서 이해되어야 한다. 앞서 언급된 바와 같이, 광학 (보안) 요소는 초면 이미지 형성에 원인인 굴절성 물질의 슬래브(slab)로서 이해되어야 한다.

광-방향전환 표면(들)은, 광원으로부터의 입사광(incoming light)을, 초면 패턴이 형성되는, 스크린 또는 (바람직하게는 편평한) 투사면으로 방향전환시키는 것을 담당하는 광학 보안 요소의 표면(또는 표면들)이다.

광학 (보안) 요소를 만들기 위해 사용되는 광학 물질 기재는, 릴리프 패턴을 갖고 이에 따라 광-방향전환 표면을 형성하도록 표면이 특별히 기계가공된 원료 기재이다. 광-방향전환 반사면의 경우에, 광학 물질 기재는 필수적으로 균일하거나 투명하지는 않는다. 예를 들어, 물질은 가시광에 대해 불투명할 수 있다(기계가공된 표면의 고전적인 금속화에 의해 반사율이 얻어진다). 광-방향전환 굴절면의 경우, 원료 기재는 (인간 눈에 가시적인 스펙트럼의 광자에 대한) 굴절률 n을 가지면서 투명(또는 부분적으로 불투명)하고 균일하고, 해당하는 광-방향전환 표면은 "굴절률 n의 투명하거나 부분적으로 투명한 광-방향전환 굴절면"으로 명명된다.

본 명세서에 따른 마스터는, 계산된 외곽선(특히, 계산된 릴리프 패턴)으로부터의 광-방향전환 표면의 첫 번째 물리적 실현물이다. 이것은 여러 복제본(도구)으로 복제된 후, 대량 복제에 사용될 수 있다.

본 명세서에서 사용된 바와 같은 점-유사 광원은, 광이 광-방향전환 표면으로부터의 거리 d_s에 있는 단일 점에서 발생하는 것으로 간주될 수 있을 정도로, (광학 보안 요소의 관점으로부터의) 각크기(angular size)가 충분히 작은 광원이다. 경험상으로, 이는 (광원 직경) x d_i/d_s의 양이 광-방향전환 표면으로부터의 거리 d_i에서 투사면 위의 투사 이미지에서 목표 초면 패턴의 원하는 해상도(예를 들어, 0.05-0.1 mm)보다 작다는 것을 의미한다(도 1 참조). 스크린은 초면 패턴이 투사되는 표면으로 이해되어야 한다. 또한, 광원과 광-방향전환 표면 사이의 거리는 광원 거리 d_s로 명명되고, 광-방향전환 표면과 스크린 사이의 거리는 이미지 거리 d_i로서 명명된다.

도구(또는 모호성(ambiguity)을 제거하는 것이 필요한 경우, 복제 도구)라는 용어는, 주로 대량 복제에 사용되는 광-방향전환 표면의 외곽선을 갖는 물리적 물체를 위해 주로 사용된다. 이는, 예를 들어 마스터 표면의 사본을 생성하는 것일 수 있다(원본 릴리프는 엠보싱 또는 주입에 의해, 해당하는 반전 릴리프(inverted relief)를 갖는 마스터로부터 재현됨). 광-방향전환 표면의 릴리프 패턴을 기계가공하기 위해 사용되는 도구의 경우, 기계가공 도구라는 용어는 모호성을 제거하기 위해 사용된다.

본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 점-유사 광원(S)으로부터의 광을 방향전환시키며 적합한 스크린(3) 위로 투사하기 위한, 반사성 또는 굴절성 표면을 갖는 광학 보안 요소(1)가 제공되며, 상기 스트린(3)은 도 1에 도시된 바와 같이, 의미있는 이미지가 형성되는 임의의 (주로 편평한) 표면 또는 임의의 물체(그 중 편평한 부분) 등일 수 있다. 광-방향전환 표면의 특별한 디자인은 곡면 위에 (인식가능한) 초면 패턴을 투사하게 할 수 있다. 이미지는 예를 들어 로고, 사진, 숫자 또는 특별한 전후사정과 관련될 수 있는 임의의 다른 정보일 수 있다. 바람직하게는, 스크린은 편평한 투사면이다.

도 1의 구성은 광원(S)으로부터의 광이 릴리프 패턴(2)을 갖는 적절한 형태의 광학 표면에 의해 방향전환되는 것을 보여준다. 이러한 일반적인 아이디어는 예를 들어 자동차 헤드라이트용 반사성 표면, LED 조명용 반사체 및 렌즈; 레이저 광학(optics), 프로젝터 및 카메라의 광학 시스템으로부터 알려져 있다. 그러나, 일반적으로, 목표는 광의 불균일한 분포를 균일한 것으로 변환하는 것이다. 대조적으로, 본 발명의 목적은, ((디지털) 기준 이미지 위에 나타내는 바와 같은) 기준 패턴의 상대 휘도의 일부 영역을 (대략적으로) 재현하는, 불균일한 광 패턴, 즉 초면 패턴을 수득하는 것이다: 만약 광학 요소의 조명받은 릴리프 패턴(2)이, 공지된 기준 패턴(5)을 (가능하게는 전체적 세기 축척 계수(overall intensity scaling factor)에 의해 달라지는) 충분한 품질로 재현하여, 스크린(3) 위에 초면 패턴(4)을 형성하면, 그 후 스크린 위의 초면 패턴을 시각적으로 관찰하는 사람은, 그것이 기준 패턴의 유효한 재현을 구성하는지 아닌지를 쉽게 확인할 것이고, 초면 패턴이 기준 패턴과 충분히 유사한 경우에는, (가장 가능성있게) 광학 보안 요소로 마킹된 물체가 진품이라고 생각할 것이다.

도 1의 실시양태에 따르면, 본 예에 따른 점-유사 광원인, 광원(S)로부터의 광선(6)은, 광원 거리 d_s에서 릴리프 패턴(2)를 갖는 광-방향전환 표면을 갖는 (굴절성) 광학 보안 요소(1)로 전파된다. 본 명세서에서, 광학 보안 요소는 굴절률 n의 투명하거나 부분적으로 투명한 균일한 물질로 제조된다. 소위 초면 패턴(4)은 광학 보안 요소(1)의 광-방향전환 표면으로부터 이미지 거리 d_i에 있는 스크린(3) 위에 투사된다. 광학 보안 요소의 진본성(authenticity)(따라서 이러한 보안 요소로 마킹된 물체의 진본성)은 투사된 초면 패턴과 기준 패턴 사이의 유사 정도를 시각적으로 확인함으로써 직접 평가될 수 있다.

바람직하게는, 먼저 릴리프 패턴(2)은 구체화된 목표 디지털 이미지로부터 시작하여 계산된다. 이러한 계산법은, 예를 들어, 유럽 특허 출원 EP 2 711 745 A2 및 EP 2 963 464 A1에 개시된다. 계산된 릴리프 패턴으로부터, 해당 물리적 릴리프 패턴이, 초정밀절삭(UPM)을 이용하여, 적절한 광학 물질 기재(예를 들어, 굴절률 n의 투명하거나 부분적으로 투명한 물질, 또는 불투명한 물질의 반사면)의 표면 위에 구현할 수 있다. 반사면을 형성하기 위해 불투명한 광학 물질 기재의 표면 위에 릴리프를 기계가공하는 경우, 우수한 반사율은, 릴리프 위의 금속의 얇은 층을 증착(금속화)하는 추가의 통상적인 조작에 의해 수득될 것이다. 공차(tolerance)가 "1 미크론 미만" 수준 또는 심지어 나노-스케일 수준에 도달할 수 있도록, UPM은 매우 높은 정확도를 달성되도록 다이아몬드 기계가공 도구 및 나노테크놀로지 도구를 사용한다. 이와 달리, 전통적인 기계가공에서 "고정밀"이란, 한 자리 수의 미크론 공차를 지칭한다. 물리적 릴리프 패턴을 표면 위에 구현하기 위한 다른 잠재적으로 적합한 기법은 레이저 어블레이션 및 그레이스케일 리소그래피이다. 마이크로-제조 분야에서 알려진 바와 같이, 이들 기법 각각은 비용, 정밀성, 속도, 해상도 등의 관점에서 상이한 강도 및 한계를 갖는다. 일반적으로, 초면 패턴을 만들기 위한 계산된 릴리프 패턴은, 전체 크기가 10 cm x 10 cm인 경우, 적어도 2 mm의 전형적인 깊이를 갖는 매끄러운 외곽선(즉, 불연속부 없음)을 갖는다.

굴절성 광-방향전환 광학 요소를 위한 적합한 광학 물질 기재는 광학적으로 깨끗하거나, 투명하거나 적어도 부분적으로 투명하며 기계적으로 안정적이어야 한다. 전형적으로, 투과율 T ≥ 50%이 바람직하고, T ≥ 90%이 가장 바람직하다. 또한, 낮은 헤이즈 H ≤ 10%가 이용될 수 있지만, H ≤ 3%가 바람직하고, H ≤ 1%가 가장 바람직하다. 매끄럽고 결함이 없는 표면을 제공하기 위해서, 광학 물질은 또한 기계가공 공정 동안 정확하게 거동해야 한다. 적절한 기재의 예는 PMMA(Plexiglas, Lucite, Perspex 등의 상표명으로 알려짐)의 광학적으로 투명한 슬라브이다. 반사성 초면 광-방향전환 광학 요소의 경우, 적합한 광학 물질 기재는 기계적으로 안정해야하며, 이것에 거울-유사 마감을 제공하는 것이 가능해야 한다. 적합한 기재의 예는 금속, 예컨대 규정 격자(ruled grating) 및 레이저 거울의 마스터로서 사용되는 것들, 또는 추가로 금속화될 수 있는 비-반사성 기재이다.

대규모 생산을 위해, 도구 구현 및 목표 물체 위에서의 광학 보안 요소의 대량 복제의 추가 단계가 요구된다. 마스터로부터의 도구 구현에 적합한 공정은, 예를 들어, 전주법(electroforming)이다. 대량 복제에 접합한 공정은, 예를 들어, 중합체 필름의 핫 엠보싱 또는 광중합체의 UV 캐스팅(casting)이다. 주목할 것은, 대량 복제의 목적을 위해, 마스터나 이로부터 유도되는 도구가 광학적으로 투명할 필요가 없으며, 따라서 심지어 최종 제품이 굴절성 광학 요소일지라도 불투명한 물질(특히, 금속)도 사용될 수 있다는 것이다. 그럼에도 불구하고, 도구화 및 대량 복제로 진행하기 전에 초면 이미지의 품질을 확인할 수 있기 때문에, 일부 경우에는 마스터가 투명한 것이 유리할 수 있다.

보안 피처로서 (릴리프 패턴을 갖는 광-방향전환 표면을 갖는) 광학 요소를 사용하기 위한 중요한 측면은, 목표 물체와 상용가능해야 하는 물리적 스케일 및 초면 이미지를 투사하기 위해 요구되는 광학적 구성이다.

일반적으로, 이러한 종류의 용도를 위해, 최대 측방향 크기는 물체의 전체 크기로 제한되며, 덜 유리한 경우에, 일반적으로 수 cm에서 1 cm 미만의 범위일 수 있다. 예를 들어 은행권과 같은 특정 용도의 경우, 목표하는 전체 두께는 극도로 작을 수 있다(100 ㎛ 이하 단위). 더욱이, 용인가능한 두께 편차(릴리프)는, 기계적인 제약(얇은 영역과 관련된 약점) 및 작업 고려사항(예를 들어, 은행권을 적층하면, 빌(bill)의 보다 두꺼운 부분에 해당하게 더미가 불룩해질 것이며, 이는 취급과 저장을 복잡하게 함)을 포함하는, 다양한 이유 때문에, 훨씬 더 작다. 전형적으로, 전체 두께가 약 100 ㎛인 은행권의 경우, 이 은행권에 포함될 광학 보안 요소의 릴리프 패턴을 위한 목표 두께는 약 30 ㎛일 수 있다. 약 1 mm 두께의 신용 카드 또는 아이디 카드의 경우, 이러한 신용/아이디 카드에 포함될 광학 보안 요소의 릴리프 패턴의 목표 두께는 약 400 ㎛ 미만, 바람직하게는 약 250 ㎛ 이하일 것이다.

또한, 광원 거리 및 이미지 거리는 일반적으로, 사용자의 편의에 의해 수십 센티미터로 제한된다. 주목할 만한 예외는 태양이나 천장에 설치된 조사등(spot light)인데, 다만 이들은 특정 상황에서 덜 쉽게 입수가능하다. 또한, 인식하기 보다 쉬운, 선명한(그리고 콘트라스트가 우수한) 이미지를 얻기 위해서, 두 거리 사이의 비율 d_s/d_i는 전형적으로 5 내지 10 초과이다. 더욱이, 바람직하게는 점-유사 광원(예를 들어, 통상적인 휴대폰의 LED 조명)이 되는 광원(S)과 함께 비율 d_s/d_i ≥ 5는, 광원이 사실상 거의 "무한히" 먼 곳에 있는 것으로 생각하게 하고, 따라서, 대략적으로 광학 보안 요소로부터 초점 거리에서의 투사면이 투사된 초면 패턴의 명확한 시인을 위해 적합할 것이다. 결과적으로, 사용자에 의한 우수한 시각적 관찰 조건은 광원, 광학 보안 요소 및 사용자의 눈의 지나치게 엄격한 상대적 공간 배치는 요구하지 않는다.

일반적으로, 두께 및 릴리프는 가장 중요한 파라미터 중 하나이다. 임의의 목표 이미지(기준 패턴) 및 광학적 기하학적 구성(즉, 조명/투사된 초면 패턴의 관찰을 위한 기하학적 조건)을 고려하면, 계산된 광학 표면이 규정된 한계 미만의 릴리프 패턴을 가질 것이라는 보장은 없다. 사실, 일반적인 경우에는, 그 반대 상황이 발생하기 쉽다. 이는 전술한 광학 보안 요소에 대한 엄격한 강제된 제한 조건에서 특히 그렇다. 광학 표면을 최적화하기 위한 수치 시뮬레이션이 시간과 자원 측면에서 고가인 것을 고려하면, 과도한 시행 착오는 실행가능한 옵션이 아니며, 첫 번째 시도에서- 또는 적어도 단지 적은 시도 횟수만으로도 유용한 결과를 얻을 수 있음을 보장하는 것이 매우 바람직하다. 또한, 모든 목표 이미지가 낮은 깊이의 매끄러운 릴리프 패턴과 상용가능한 것이 아니므로, 목표 이미지의 선택 측면에서 제한되지 않는 것이 매우 바람직하다.

수 많은 테스트 후, 깊이 제한을 고려할 때, 광학적 기하학적 구성 및 특히 목표 초면 패턴의 신중한 선택으로 이것이 달성될 수 있음이 밝혀졌다. 다음과 같은 파라미터가 제공된다(도 1 참조):

- 이미지 거리: d_i

- 광원 거리: d_s

- 광-방향전환 표면의 면적(단면적): A

- 광원 S에 의해 광학적 보안 요소를 조명할 때, 광-방향전환 표면에 의해 투사면으로 전달되는 조도: E_A; 이는, 광-방향전환 표면의 단면의 투사(즉, 그의 기하학적 새도우)에 해당하는 면적에 대해 평균하였을 때, 투사면에 전달되는 조도가 E_A와 동일한 평균 값을 가진다는 것을 의미함.

- 목표 릴리프 패턴 (최대) 깊이: δ

- 광학 보안 요소의 굴절률: n(광-방향전환 굴절면인 경우),

"무한히 먼 곳"에 위치된 점-광원의 경우에(즉, 실제로는 d_s >> d_i, 적어도 d_s ≥ 5 d_i인 경우에), 스케일링 면적 파라미터 α₀ 가 굴절률 n의 굴절성 광학 보안 요소인 경우에 관계 α₀ = 2п (n-1) d_i δ 또는 광학 요소의 반사면인 경우에 관계 α₀ = 4п d_i δ로 정의된다고 할 때, 투사면(3) 위의 초면 이미지의 임의의 원형 영역 α₁(α₁ < A)인 경우에, 투사면(3)(바람직하게는 광학 보안 요소의 초점면(focal plane)에 배치됨) 위의 임의의 원형 영역 α₁에 대해, 평균화된 조도에 해당하는, 값 E_α1이 E_α1 ≤ E_A (1/2 + α₀/α₁ + (1/4 + α₀/α₁)^1/2)인 투사 기준을 충족하도록 하는 것이, 목표 초면 이미지의 최적화된 선택이다(이는 깊이 δ 이내의 해당 릴리프 패턴을 갖는 광-방향전환 표면을 갖는, 알맞은 광학 보안 요소를 제공하는 것을 가능하게 할 것이다).

실제로, 소정의 α₁ 값(인간 눈의 가시광선 스펙트럼에서의 전형적인 해상도 길이가 약 80 μm임을 고려하면, 스크린 위의 초면 패턴을 관찰할 때, 해상도 면적 이상이다)을 이용하여, 면적 α₁의 시인 윈도우에 의해 투사 이미지의 영역을 가로질러 스캔하고 해당하는 조도 E_α1이 실제로 상기 투사 기준을 충족하는지 확인하는 것으로 충분하다. 또한, 상기 투사 기준이 실로 충족되는지를 확인하기 위해서, 광-방향전환 표면의 윤곽을 기계가공하여 후보(목표) 릴리프 패턴을 효과적으로 구현하고, 광학 요소의 조명을 수행한 후, 면적 α₁의 시인 윈도우에 의해 스크린 위의 투사 이미지를 스캔하는 것은 심지어 필수사항도 아니다: 릴리프 패턴의 소정의 목표 윤곽 및 소정의 파라미터(d_s, d_i, A, n(광-방향전환 굴절성 광학 보안 요소의 경우), δ, E_A)에 해당하는, 투사면 위의 광선(optical ray)의 분포를 가로질러 테스트 면적 α₁에 의한 스캔 작업의 단순한 시뮬레이션(예를 들어, 광선 추적(ray tracing)을 통한 것)은, 상기 투사 기준에 대해 신뢰가능한 확인을 제공할 것이다. 더욱이, 투사 이미지의 일부 특정 하부-영역에서만 투사 기준이 충족되지 않는 경우에는, 이러한 결점을 보정하기 위해 목표 윤곽의 해당 부분을 국부적으로 조정하는 것이 매우 용이하다(이는 해당 기준 패턴을 약간 수정하는 것과 동등하다).

그러나, 심지어 이러한 시뮬레이션-조정 단계(이미 종래 방법보다 훨씬 저렴함)도 피할 수 있다. 실로, 본 발명의 또다른 양태에 따르면, 기준 패턴의 디지털 이미지로부터 직접 목표 릴리프 패턴을 선택할 수 있게 하는 방법이 제공되는데, 이로부터 투사 기준을 충족하는 물리적 광학 보안 요소(제공된 깊이의 해당 릴리프 패턴을 갖는 광-방향전환 표면을 가짐)가 용이하게 수득될 수 있다. 상기 투사 기준을 충족하는 광학 보안 요소를 제공하기 위해 광-방향전환 반사면 또는 굴절률 n의 투명하거나 부분적으로 투명한 광-방향전환 굴절면의 깊이 δ의 릴리프 패턴을 디자인하는 이러한 방법은, 테스트를 마쳤고 매우 효율적이란 것이 입증된 구체적인 디지털 이미지 테스트 기준에 기초하는데, 상기 테스트 기준은 (적절한 조명/스크린 위로의 투사 시) 광학 보안 요소에 의해 생성되는 해당 초면 패턴이 재현되어야만 하는 기준 패턴의 디지털 이미지에만 단지 행해지는 것이다.

실로, 투사 기준(및 이에 따라, 소정의 파라미터 d_s, d_i, n(굴절성 광학 보안 요소의 경우), δ, α₀, A 및 E_A를 이용함)을 충족하는 광학 보안 요소에 의해 생성되는 그대로의, 투사면 위의 초면 패턴에 의해 재현될, 후보 기준 패턴의 디지털 이미지가, 픽셀 N_A의 총수를 갖고 디지털 이미지에 대한 각 픽셀의 합이 값 I_A를 갖는다면, 그다음, 디지털 이미지 내에서 N 픽셀(N은 정수이고 1 ≤ N ≤ N_A)로 구성된 실질적으로 원형인 영역 각각에 대하여, 그 원형 영역 내 N 픽셀들의 각각의 픽셀 값의 합이, 값 I_max(N) = N (I_A/N_A) (1/2 + N₀/N + √(1/4 + N₀/N))(여기서, N₀은 디지털 이미지 내에서 N_A(α₀/A)로 제공된 픽셀의 수이다) 미만인 경우, 후보 기준 패턴은 투사 기준을 충족할 수 있는 광학 보안 요소를 효과적으로 디자인하기에 알맞을 것으로 관찰되었다.

가변 크기의 N 픽셀들(최대 N_A까지 변하는 N)의 시인 윈도우에 의해 기준 패턴의 후보 디지털 이미지를 스캔하고 "윈도우 세기(intensity)"인 I(N)이 N 픽셀 세트에 대한 특정 최대 값 I_max(N) 미만인 것을 확인하는 상기 선택 테스트는, (후보 디지털 이미지가 저장되는 메모리 내의) 프로세서에서 수행하기에 상당히 용이하고, 디지털 이미지 프로세싱의 해당 실행은 디지털 이미지의 전체 스캔에 대한 빠른 응답을 제공하여, 투사 기준을 충족하는 광학 보안 요소를 디자인하는 작업을 상당히 간단하게 하면서도 가속화하여, 이는 이러한 광학 보안 요소로 생성되는 초면 패턴을 관찰하는 사람이 상기 광학 보안 요소로 마킹된 물체가 진품인지 아닌지를 쉽게 결정할 수 있게 한다.

더욱이, 상기 방법의 추가적인 이점은, (N의 일부 값(들)에 대한) 선택 테스트 I(N) < I_max(N)을 충족하지 못하는, 기준 패턴의 후보 디지털 이미지의 특정 부분을 수정하는 것을 상당히 용이하게 한다는 점이다: 이것은, 이에 따라 수정된 세기 I'(N)(즉, N 픽셀의 스캔 윈도우 내의 수정된 픽셀 값의 합)이 선택 테스트를 통과하도록, 디지털 이미지의 상기 특정 부분 내의 N 픽셀 세트의 픽셀의 값을 변경하는 것으로 충분하다. 또한, 이러한 수정은 프로세서의 메모리에 저장된 초기 후보 디지털 이미지를 갖는 프로세서에서 실행하하는 것이 용이하다. 따라서, 본 발명은, 1과 N_A 사이에 있는 적어도 몇 개의 N의 값에 대한 선택 테스트, I(N) < I_max(N)에 관련된 요건을 준수하는 변환된 디지털 기준 패턴을 제공하도록, 제공된 후보 디지털 기준 패턴을 용이하게 조정하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 다음의 파라미터 값: A = 1cm x 1 cm, d_s = 30 cm, d_i = 4 cm, (최대 깊이) δ = 30 μm 및 n = 1.5를 이용한 도 2a 내지 도 2e 및 도 3a 내지 도 3e에 도시된 바와 같이, 디지털 이미지를 테스트하기 위해 사용되는 스캔 윈도우들은 각각, n₀의 몇 가지 배수를 포함할 수 있다(이는, 예를 들어, 이미지 해상도에 관련될 수 있고, 목표 광학 보안 요소에 관련한 파라미터 α₀에 해당하는 픽셀 중, (실질적으로) 원형 영역에 해당하는 디지털 이미지 내, N_A(α₀/A) ≒ 0.038 N_A으로 주어진 픽셀 개수의 분수에 해당할 수 있다). 스캔닝을 이미지의 가장자리까지 확장하기 위해서, 적절한 경계 조건이 부여될 수 있는데, 예를 들면, 가장자리에 대해 연장의 거울 대칭(mirror symmetry)을 부여함으로써 이미지를 모서리 너머로 연장하는 반사 경계 조건을 들 수 있다. 도 2는 (어두운 배경 위에) 숫자 100을 나타내고, N_A = 1024 x 1024 픽셀을 갖는 후보 디지털 이미지의 기준 패턴을 도시한다. 도 2a, 2b, 2c, 2d 및 2e는, n₀ = 314(여기서, N₀ = 3.9 10⁴)로, 각각 N = n₀, 4n₀, 16n₀, 64n₀ 및 256n₀ 픽셀의 스캔 (원형) 윈도우 W1, W2, W3, W4 및 W5에 의해 후보 디지털 이미지를 스캔한 결과를 나타내고, 각각의 스캔된 이미지는 0에서 I_max(N)까지의 정상화된 그레이 스케일로 나타내었다(그레이 스케일 막대가 도 2a 내지 도 2e의 오른편에 도시되어 있고, 여기서, I(N) = 0에 해당하는 흑색에 대한 픽셀 값은 0이고, I(N) = I_max(N)에 해당하는 백색은 255이다). 물리적 (투사된) 이미지의 크기는 10 mm x 10 mm이고, 픽셀 크기는 대략적으로 0.0098 mm에 해당한다. I(N) < I_max(N)의 선택 테스트에 대해, 도 2d의 스캔된 이미지는 겨우 통과하였고 도 2e는 I(N) < I_max(N)의 선택 테스트를 충족시키지 못했음이 명백한데, 그 이유는 도 2d에서는 점선의 외곽선(contour)으로 나타낸 개별적으로 한정되는 경계선을 갖는, 숫자 100 중 하나 하나의 숫자에 해당하는 구역에서, 및 도 2e에서는 점선의 외곽선으로 표시한 전체 중앙 파트의 구역에서, 값 I(N)이 I_max(N)에 도달하기 때문이다(이들이 백색 구역으로 보여진다). 따라서, 도 2의 후보 이미지는, 낮은 릴리프(여기서는 δ = 30 μm)를 갖는 광학 보안 요소를 수득하기에 적합하지 않다.

그에 반하여, 도 3(도 2와 동일한 파라미터 값을 이용함)에 도시된 바와 같이, 숫자 100을 나타내지만 부가적인 선들이 배경에 도시되어 있는(길로슈(guilloche) 음각-유사 패턴) 후보 디지털 이미지의 기준 패턴은, 선택 테스트 I(N) < I_max(N)을 충족하는데 성공하였는데, 그 이유는, 각각 N = n₀, 4n₀, 16n₀, 64n₀ 및 256n₀ 픽셀의 스캔한 (원형) 윈도우에 의해 후보 디지털 이미지를 스캔한 결과를 나타내는 도 3a, 3b, 3c, 3d 및 3e(각각의 스캔된 이미지는 0 내지 I_max(N)의 정상화된 그레이 스케일(흑색에 대한 0에서 백색에 대한 255까지 픽셀 값을 갖는 그레이 스케일 막대가 도 3d의 오른편에 도시됨)로부터 하기가 명백하기 때문이다: I(N)이 값 I_max(N)에 도달하는 구역이 없다(백색 구역을 둘러싸는 한정된 경계를 갖는 이미지의 어떠한 부분도 없다).

본 발명의 바람직한 변형예에 따르면, 선택 테스트를 충족하지 못하는 기준 패턴의 후보 디지털 이미지의 특정 부분 내에서 픽셀 값을 수정하는 대신, 필터의 파라미터를 투사 기준으로 조정하는 경우(예를 들어, 컷-오프(cut-off) 주파수를 갖는 고역 필터를 기준 패턴에 맞게 조정하는 경우), 필터링 작업을 후보 이미지에 맞게 적용하여, 이미지 콘트라스트를 감소시키는 것이 성공적으로 테스트되었다.

이와 같이, 상기 새로운 방법은, 광학 요소의 광-방향전환 표면을 형성하기 위해 광학 물질 기재 표면의 윤곽을 알맞게 기계가공함으로써 재현될 것인, 해당하는 릴리프 패턴을 계산하여, 매우 낮은 릴리프 깊이와 감소된 크기임에도 불구하고, 투사 기준을 여전히 만족할 수 있는, 광학 보안 요소에 도달하기 위한, 적절한 방법에 이르기 위해, 이미지 픽셀 값에 관한 특정 선택 기준에 따라 이러한 기준 패턴의 디지털 이미지를 스캔하거나, 적합하지 않은 후보 기준 패턴을 수정함으로써, 알맞은 기준 패턴을 효율적으로 선택하는 것을 가능케 한다.

따라서, 본 발명에 따르면, (파라미터 값 d_s, d_i, (최대 깊이) δ, A, E_A, n(굴절성 광학 보안 요소의 경우)의 세트에 해당하는) 상기 투사 기준을 만족할 수 있는 광학 보안 요소를 제공하기 위해서, 광학 물질 기재 위에 광-방향전환 표면을 형성하도록, 제공된 (매우 낮은) 깊이의 릴리프 패턴을 디자인하는 조작이, 하기 단계를 포함한다:

i) I_max(N) = N (I_A/N_A) (1/2 + N₀/N + √(1/4 + N₀/N))이고, N₀이 디지털 이미지 내에서 N_A(α₀/A)로 제공되는 픽셀의 개수인, 특정 선택 기준 I(N) < I_max(N)(1 ≤ N ≤ N_A)에 따라 이러한 기준 패턴의 디지털 이미지를 스캔함으로써 알맞은 기준 패턴을 선택하는 단계;

ii) 단계 i)에서 선택된 기준 패턴에 해당하는 δ 이하 깊이의 릴리프 패턴을 계산하는 단계;

iii) 광학 물질 기재 표면을 기계가공하여, 단계 ii)에서 계산된 깊이 값의 릴리프 패턴을 갖는 광-방향전환 표면을 형성하는 단계. 결과적인 광학 보안 요소는, 이후 시각적인 인증 목적으로 사용될 수 있다.

도 4a는, 본 발명에 따른 투명한 굴절성 포일 물질 위에 UV 캐스팅되어 있는, 깊이 δ = 30 ㎛의 릴리프 패턴을 갖는 광-방향전환 굴절면을 갖는, 매우 얇은 광학 보안 요소(즉, 앞쪽에 있는 이미지의 투명한 부분)의 구현의 사진을 보여준다. 광학 보안 요소의 전체 깊이는 100 ㎛이고, 이의 면적 A는 1 cm²이다. 포일의 굴절성 물질은 약 1.5의 굴절률 n을 가지며, 폴리에스터로 구성되어 있다. 릴리프 패턴을 형성하기 위해 사용되는 수지의 굴절율도 약 1.5이다. 스크린 위의 투사된 초면 패턴(뒤쪽에 있는 이미지)도 보여진다(도 4b 참고). 기준 패턴은 도 3의 것이다.

도 4b는 도 4a의 광학 보안 요소에 의해 투사된 초면 패턴의 사진이다. 여기서, 점-유사 광원은 광-방향전환 표면으로부터 d_s = 30 cm 거리에 있는 LED이고, 초면 패턴이 투사되는 편평한 스크린은 d_i = 40 mm 거리에 있다. 초면 패턴은 도 3의 기준 패턴의 음각 패턴을 갖는 숫자 100의 패턴을 깔끔하게 재현한다.

도 5는 본 발명의 투사 기준을 충족하는, 깊이 30 μm을 갖는 기준 패턴으로부터, 조지 워싱턴의 초상화를 나타내는 기준 패턴에 해당하는 투사된 초면 패턴의 도면이고, 양호한 콘트라스트로 시각적으로 매우 양질의 세부사항을 투사하는 능력을 보여준다.

상기 개시된 발명의 대상은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 간주되어야하며, 독립항에 의해 정의된 본 발명의 더 나은 이해를 제공하는 데에 기여한다.

Claims (13)

1. 광-방향전환 표면으로부터의 거리 d_s에서, 점 광원(point light source)으로부터 받은 입사광을 방향전환시켜 광-방향전환 표면으로부터의 거리 d_i에 배치된 투사면(projection surface) 위에 초면 패턴(caustic pattern)을 포함하는 투사 이미지를 형성하도록 조정된, 깊이 δ의 릴리프 패턴(relief pattern)을 갖는 것인, 광-방향전환 반사면(reflective light-redirecting surface) 또는 굴절률 n의 투명하거나 부분적으로 투명한 광-방향전환 굴절면(refractive transparent or partially transparent light-redirecting surface)
   을 포함하고,
   상기 초면 패턴이 기준 패턴을 재현하며,
   릴리프 패턴 중 값 A의 면적을 점 광원에 의해 조명하고 광학 보안 요소에 의해 조도 값 E_A를 투사면에 전달할 때, 투사면 위의 투사 이미지의 영역 내에서 선택되는 값 α₁의 원형 영역에 대한 평균 조도 값 E_α1이 다음의 투사 기준을 충족하는,
   광학 보안 요소:
   E_α1 ≤ E_A (1/2 + α₀/α₁ + √(1/4 + α₀/α₁))
   여기서, 스케일링 면적 파라미터(scaling area parameter) α₀은, 광-방향전환 반사면인 경우에는 α₀ = 4π d_i δ이거나, 광-방향전환 굴절면인 경우에는 α₀ = 2π (n-1) d_i δ이고, α₁이 상기 면적 값 A보다 작다.
2. 제1항에 있어서, d_i 값이 30 cm 이하이고 d_s/d_i 비율의 값이 5 이상인, 광학 보안 요소.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 릴리프 패턴의 깊이 δ의 값이 30 μm 이하인, 광학 보안 요소.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 릴리프 패턴의 깊이 δ의 값이 250 μm 이하인, 광학 보안 요소.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 릴리프 패턴이 편평한 밑판(base) 위에 배치되고, 광학 보안 요소의 전체 두께가 100 ㎛ 이하인, 광학 보안 요소.
6. 릴리프 패턴 중 값 A의 면적을 점 광원에 의해 조명하고 광학 보안 요소에 의해 조도 값 E_A를 투사면으로 전달할 때, 투사면 위의 투사 이미지의 영역 내에서 선택되는 값 α₁의 원형 영역에 대한 평균 조도 값 E_α1이 다음의 투사 기준, Eα₁ ≤ E_A (1/2 + α₀/α₁ + √(1/4 + α₀/α₁))(여기서, 스케일링 면적 파라미터 α₀은, 광-방향전환 반사면인 경우 α₀ = 4π d_i δ이거나 광-방향전환 굴절면인 경우 α₀ = 2π (n-1) d_i δ이고, α₁이 상기 면적 값 A보다 작다)을 충족하도록,
   광-방향전환 표면으로부터의 거리 d_s에서, 점 광원으로부터 받은 입사광을 방향전환시켜 광-방향전환 표면으로부터의 거리 d_i에 배치된 편평한 투사면 위에 초면 패턴을 포함하는 투사 이미지를 형성하도록 조정된, 광-방향전환 반사면 또는 굴절률 n의 투명하거나 부분적으로 투명한 광-방향전환 표면의 값 δ 이하의 깊이의 릴리프 패턴을 디자인하는 방법으로서, 상기 방법이
   a) 투사면 위의 초면 패턴에 의해 재현될 기준 패턴의 디지털 이미지를 선택하는 단계로서, 상기 디지털 이미지는 총 픽셀 개수 N_A를 갖고 디지털 이미지에 대한 모든 픽셀 값의 합은 I_A이며, 상기 선택 단계는, 디지털 이미지 내 N(N은 정수이고 1 ≤ N ≤ N_A이다) 픽셀의 각 원형 영역에 대해, 상기 원형 영역 내 N 픽셀 중 각 픽셀 값의 합인 값 I(N)이, 값 I_max(N) = N (I_A/N_A) (1/2 + N₀/N + √(1/4 + N₀/N))(여기서 N₀이 디지털 이미지 내에서 N_A(α₀/A)에 의해 제공되는 픽셀의 개수이다) 미만인 것을 확인함으로써 수행되는 단계;
   b) 단계 a)에서 선택된 디지털 이미지의 기준 패턴에 해당하는 δ 이하의 깊이의 릴리프 패턴을 계산하는 단계; 및
   c) 광학 물질 기재의 표면을 기계가공하여, 단계 b)에서 계산된 릴리프 패턴을 재현하는 광-방향전환 표면을 형성함으로써, 상기 기계가공된 광-방향전환 표면을 포함하는 광학 보안 요소를 수득하는 단계
   를 포함하는, 방법.
7. 제6항에 있어서, 기준 패턴의 디지털 이미지를 선택하는 단계 a)가, 일부가 I(N)이 I_max(N) 미만인 선택 기준을 충족하지 않는 기준 패턴의 후보 디지털 이미지를 수정하되, 상기 수정이, 1 ≤ N ≤ N_A인, 임의의 N에 대한 선택 기준을 준수하도록 조정된 픽셀 값을 갖도록, 상기 후보 디지털 이미지의 상기 일부를 만듦으로써, 후보 디지털 이미지의 상기 일부 내에서 픽셀 값을 조정하여, 선택예정인 수정된 후보 디지털 이미지를 제공하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 방법.
8. 제7항에 있어서, 후보 디지털 이미지의 픽셀 값이, 이미지 콘트라스트(contrast)를 감소시키기 위해 후보 이미지를 필터로 필터링함으로써 조정되는 것인, 방법.
9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 물질 기재 표면의 기계가공이 초정밀 절삭(ultra-precision machining), 레이저 어블레이션(laser ablation) 및 리소그래피(lithography) 중 어느 하나를 포함하는 것인, 방법.
10. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    기계가공된 광-방향전환 표면이, 복제품을 만들기 위해 사용될 마스터 광-방향전환 표면인 것을 추가로 포함하는 것인, 방법.
11. 제10항에 있어서,
    기재 위에 기계가공된 광-방향전환 표면을 복제하는 것을 추가로 포함하는 것인, 방법.
12. 제11항에 있어서,
    복제가 UV 캐스팅 및 엠보싱(embossing) 중 하나를 포함하는 것인, 방법.
13. 광-방향전환 표면으로부터 거리 d_s에서, 점 광원에 의해 광학 보안 요소의 광-방향전환 표면을 조명하는 단계;
    광학 보안 요소로부터 거리 d_i에서 투사면 위에 투사된 초면 패턴에 대해 시각적으로 관찰하는 단계; 및
    투사된 초면 패턴과 기준 패턴 사이의 유사 정도를 사용자가 시각적으로 확인하여 물체가 진품인지 결정하는 단계
    를 포함하는, 제1항에 따른 광학 보안 요소로 마킹된 물체를 사용자에 의해 시각적으로 인증하는 방법.

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