KR20210072795A - 광학 보안 요소, 마킹된 물체, 물체 인증 방법 및 위조에 대한 인증 또는 보안을 위한 광학 보안 요소의 용도 - Google Patents

광학 보안 요소, 마킹된 물체, 물체 인증 방법 및 위조에 대한 인증 또는 보안을 위한 광학 보안 요소의 용도 Download PDF

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피에르 드고트
토도르 디노이브
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Abstract

광학 보안 요소는 굴절성의 투명한 또는 부분적으로 투명한 광학 재료로 만들어지며, 상기 광학 보안 요소는, 주어진 깊이의 릴리프 패턴을 가지는 광 방향전환 표면 및 초점 거리 fc를 가지는 초면 레이어와, 초점 거리 fL 의 인접 렌즈 요소의 광학 조립체를 포함하며, 상기 광학 조립체는 점 유사(point-like) 광원으로부터 그를 거쳐 수광되는 입사광을 방향전환시키고 관찰자의 망막에 초면 패턴을 포함하는 투사된 이미지를 직접 형성하도록 구성된다. 또한, 마킹된 물체, 물체를 시각적으로 인증하는 방법, 및 위조에 대한 인증 또는 보안을 위한 광학 보안 요소의 용도가 개시된다.

Description

광학 보안 요소, 마킹된 물체, 물체 인증 방법 및 위조에 대한 인증 또는 보안을 위한 광학 보안 요소의 용도
본 발명은 적절한 조명 하에서 초면(caustic) 패턴을 투사하도록 조작 가능한 굴절성 또는 반사성 광학 보안 요소의 기술 분야, 및 이러한 광학 보안 요소의 위조에 대한 인증 또는 보안을 위한 방법 및 용도에 관한 것이다.
흔하게 입수 가능한 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 등에서 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, 보이지 않는 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, 명시적(overt), 대중적(general public) 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(blister) 및 바이알(vial)을 포함할 수 있다. 최근, 예를 들어, 중합체 및 하이브리드 은행권은 그들의 디자인에 투명한 윈도우를 도입하여, 그와 상용 가능한 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.
GuardianTM "보안 피처 참조 가이드", 2013년 5월 2판에는 투명한 지폐 윈도우에 대한 솔루션이 기재되어 있다. 공개된 대부분의 보안 피처는 윈도우 투명성을 방해한다. 그 중 하나(Eclipse®)는 그러하지 아니하다. Eclipse®는 밝은 점 광원에서 투명한 윈도우을 통해 볼 때 숨겨진 이미지를 드러내는 회절 장치이다.
Eclipse®와 같은 회절 보안 피처는 투사된 이미지에 있어서의 강한 색수차, 밝은 광원에 대한 필요성, 및 영차 회절(즉, 소스로부터의 잔류 광)의 존재를 포함하는 다수의 단점을 갖는다.
다른 공지된 피처는, 비-금속화된 표면 홀로그램과 같은, 스크린에 패턴을 투사하기 위해 반사 모드 또는 투과 모드에서 사용되는 회절 광학 요소이다. 이러한 피처의 단점은, 직접 관찰할 때 이들이 매우 낮은 콘트라스트(contrast)의 시각 효과를 나타낸다는 것이다. 더욱이, 패턴을 투사하기 위해서는 단색성 광원과 함께 사용될 때, 이들은 만족스러운 결과를 제공하기 위해서 전형적으로 레이저를 요구한다. 아울러, 명확하게 가시적인 광학 효과를 제공하기 위해서는 광원, 회절 광학 요소 및 관찰자 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 일 목적은, 종래 기술의 단점을 극복하며 굴절성의 투명한 또는 부분적으로 투명한 광학 재료로 만들어지거나 초면 레이어의 광 방향전환 표면을 포함하는 광학 보안 요소를 제공하는 것이며, 광학 보안 요소는 추가 수단을 사용하지 않거나(즉, 육안으로) 또는 흔하게 그리고 쉽게 입수 가능한 수단, 예를 들어, 태양, 가로등, 스마트 폰의 플래시 램프 등과 같은 단순한 점 유사 광원(광원은 그 각도 사이즈가 1°이하이면 "점 유사(point-like)"로 간주됨)을 사용하여 사람에 의해 시각적으로 쉽게 인증될 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 대량 제조에 용이하거나 양산(mass-production) 제조 공정과 상용 가능한 광학 보안 요소를 제공하는 것이다. 더욱이, 광학 보안 요소의 조명은 쉽게 입수 가능한 수단(예를 들어, 휴대폰의 LED 또는 태양과 같은 광원)으로도 가능해야 하고, 사용자(관찰자)에 의한 우수한 시각적 관찰을 위한 조건이 광원, 광학 보안 요소 및 관찰자의 눈의 너무 엄격한 상대적 공간 배치를 필요로 하지 않아야만 한다.
환언하면, 보안 피처의 존재 여부를 확인할 때의 사용자(관찰자)에 의한 처리는 가능한 한 간단해야 하며, 솔루션은 가장 광범위한 활용 조건과 호환되어야 한다.
본 발명의 다른 목적은, 추가 수단(즉, 육안으로) 또는 흔하고 쉽게 입수 가능한 수단(예컨대, 단순한 확대 렌즈 또는 점 유사 소스, 예를 들어 휴대폰의 LED)을 사용하여 사람에 의해 시각적으로 쉽게 인증될 수 있는 보안 피처를 가지는, 광학 보안 요소를 포함하는, 마킹된 물체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 굴절성의 투명한 또는 부분적으로 투명한 광학 재료로 만들어지거나 또는 초면 레이어의 반사성 광 방향전환 표면을 포함하는 광학 보안 요소로 마킹된 물체를 시각적으로 인증하는 효율적인 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 위조에 대한 인증 또는 보안에 사용하기 위한 광학 보안 요소를 제공하는 것이다.
일 양태에 따르면, 본 발명은, 굴절성의 투명한 또는 부분적으로 투명한 광학 재료로 만들어지는 광학 보안 요소에 관한 것으로, 상기 광학 보안 요소는 주어진 깊이의 릴리프 패턴을 가지는 광 방향전환 표면 및 초점 거리 fc를 가지는 초면 레이어와, 초점 거리 fL의 인접 렌즈 요소의 광학 조립체를 포함하고, 상기 광학 조립체는 점 유사(point-like) 광원으로부터 그를 거쳐 수광되는 입사광을 방향전환시키고 상기 광학 보안 요소를 거쳐 상기 점 유사 광원을 바라보는 관찰자의 망막에 초면 패턴을 포함하는 투사된 이미지를 직접 형성하도록 구성된다.
또한 광 전파와 관련하여, 소스 → 초면 레이어 → 렌즈의 순서는, 소스 → 렌즈 → 초면 레이어(고전 광학계에서 알려진 등가물)로 반전될 수 있음에 주목한다.
광학 보안 요소는 투명하거나 부분적으로 투명한 물체 또는 상기 물체에 포함된 투명 윈도우의 투명도를 변경하지 않는다. 또한 광학 보안 요소는, 유리하게는, 보안 피처의 존재 여부를 확인할 때 사용자(관찰자)에 의한 간단한 조작과 양호한 시각적 관찰을 가능하게 하며 대량 생산 제조 프로세스와 호환된다.
굴절성 광학 보안 요소의 투명한 양태는 적어도 부분적으로 투명한 기재(예컨대, 유리 또는 플라스틱 병, 병 뚜껑, 시계 유리, 보석류, 보석 등)를 마킹하는 데 특히 적합하다. 바람직하게는, 굴절성 광학 보안 요소는 가시 광선(즉, 대략 380nm 내지 대략 740nm의 광 파장에 대해)에 투명하다(또는 부분적으로 투명하다).
본 발명에 따른 광학 보안 요소는 다음 중 하나를 포함한다:
a) 상기 초면 레이어는 포지티브 초점 거리(f C 〉0)를 갖고 상기 렌즈 요소는 네거티브 초점 거리(f L 〈 0)를 갖거나,
b) 상기 초면 레이어는 네거티브 초점 거리(f C 〈 0)를 갖고 상기 렌즈 요소는 포지티브 초점 거리(f L 〉0)를 갖음.
바람직하게는, 상기 렌즈 요소의 상기 초점 거리와 상기 초면 레이어의 상기 초점 거리 사이의 관계는 다음 식을 만족한다.
Figure pct00001
여기서:
R은 상기 초면 레이어와 상기 관찰자의 눈 사이의 거리이고;
d s 는 상기 점 유사 광원과 상기 광학 보안 요소 사이의 거리이고;
d R 은 상기 눈으로부터의 편안한 판독 거리이며, 적어도 25㎝임.
상기 포지티브 초점 거리는 상기 네거티브 초점 거리의 절대 값보다 크거나 같도록 선택된다.
상기 네거티브 초점 거리는 -15㎜ 내지 -125㎜, 특히 -30㎜ 내지 -50㎜의 범위에 있을 수 있다.
예를 들어, 상기 초면 레이어는 -30㎜ 내지 -50㎜ 범위의 네거티브 초점 거리 f C 를 갖고 30㎜ 내지 50㎜ 범위의 대응하는 포지티브 초점 거리 f L 를 갖는 상기 렌즈 요소와 결합되고, 상기 렌즈 요소는 평면-볼록 렌즈이다.
본 발명에 따른 광학 보안 요소는, 소비자 제품, 유가 문서 및 지폐를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 물체를 마킹하는데 사용된다.
다른 양태에 따르면, 본 발명은 주어진 깊이의 릴리프 패턴 및 초점 길이 fC를 가지는 초면 레이어와 초점 길이 fL의 인접 광학 재료 층에 의해 형성되는 광학 조립체의 반사성 광 방향전환 표면을 포함하는 광학 보안 요소에 관한 것으로, 상기 광학 조립체는 점 유사 광원으로부터 수광되는 입사광을 방향전환시키고 관찰자의 망막에 초면 패턴을 포함하는 투사된 이미지를 직접 형성하도록 구성된다.
본 발명에 따르면, 상기 광학 보안 요소는 다음 중 하나를 포함한다.
a) 포지티브 초점 거리(f C 〉0)를 가지는 상기 초면 레이어 및 네거티브 초점 거리(f L 〈 0)를 가지는 광학 재료 층, 또는
b) 네거티브 초점 거리(f C 〈 0)를 가지는 상기 초면 레이어 및 포지티브 초점 거리(f L 〉0)를 가지는 상기 렌즈 요소.
바람직하게는, 상기 광학 재료 층의 상기 초점 거리와 상기 초면 레이어의 상기 초점 거리 사이의 관계는 다음 식을 만족한다.
Figure pct00002
여기서:
R은 상기 초면 레이어와 눈 사이의 거리이고;
d s 는 상기 점 유사 광원과 상기 광학 보안 요소 사이의 거리이고;
d R 은 상기 눈으로부터의 편안한 판독 거리이며, 적어도 25㎝임.
본 발명에 따른 상기 광학 보안 요소는 소비자 제품, 유가 문서 및 지폐를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 물체를 마킹하는데 사용된다.
또 다른 양태에 따르면, 본 발명은, 소비재, 유가 문서 및 지폐를 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 마킹된 물체에 관한 것으로, 상기 마킹된 물체는, 추가 수단(즉, 육안으로) 또는 흔하고 쉽게 입수 가능한 수단(예컨대, 흔하고 입수 가능한 단순한 점 유사 광원)을 사용하여 사람에 의해 시각적으로 쉽게 인증될 수 있는 보안 피처를 가진 광학 보안 요소를 포함한다.
또 다른 양태에 따르면, 본 발명은, 관찰자에 의해 본원에 설명된 광학 보안 요소에 의해 마킹된 물체를 시각적으로 인증하는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은:
상기 광 방향전환 표면으로부터 거리 ds에서 점 유사 광원으로 상기 광학 보안 요소의 광 방향전환 표면을 조명하는 단계;
상기 광학 보안 요소로부터 거리 di에서 초면 패턴의 가상 이미지를 시각적으로 관찰하는 단계; 및
상기 초면 패턴이 참조 패턴과 시각적으로 유사하다는 상기 관찰자에 의한 평가 시에 상기 물체가 진본이라고 결정하는 단계
를 포함한다.
또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 소비재, 유가 문서 및 지폐를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 물체를 위조하는 것에 대해 인증 또는 보호하기 위한, 본원에 설명된 바와 같은 광학 보안 요소의 용도에 관한 것이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명할 것이며, 상이한 도면에 걸쳐 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 나타내고, 여기에서 본 발명의 중요한 양태들 및 특징들이 도시되어 있다.
도 1은, 본 발명의 일 양태에 따른 광학 보안 요소의 광학 구성의 개략도이며, 초면 레이어는 포지티브 초점 거리(f C 〉0)를 갖고 렌즈 요소는 네거티브 초점 거리(f L 〈 0)를 갖는다.
도 2는, 본 발명의 일 양태에 따른 광학 보안 요소의 광학 구성의 개략도이며, 초면 레이어는 네거티브 초점 거리(f C 〈 0)를 갖고 렌즈 요소는 포지티브 초점 거리(f L 〉0)를 갖는다.
도 3은, 도 1에 나타낸 광학 구성을 따라 물리적 이미지를 기록하는데 사용되는 개략적인 설정을 나타낸다.
도 4는, 포지티브 렌즈에 커플링된 네거티브 초점 거리를 갖는 초면 레이어를 사용하여 물리적 이미지를 기록하는데 사용되는 개략적인 설정을 나타낸다.
도 5 및 도 6은, 각각, fL=-30㎜ 및 fL=-50㎜를 갖는 네거티브 렌즈 요소에 커플링된 광학 보안 요소 뒤 40㎜에서의 표면에 초면 이미지를 투사하도록 설계된 포지티브 초면 레이어(fC=40㎜)를 사용하는 위에 언급된 설정으로 얻어지는 이미지의 예를 보여준다.
도 7 및 도 8은, 도 5 및 도 6에서 사용되고 각각 초점 거리 fL=40㎜ 및 fL=50㎜를 갖는 포지티브 렌즈 요소에 커플링된 초면 광학 요소의 네거티브 초점 거리(fC=-40㎜) 사본을 사용하는 도 4에 설명된 설정으로 얻어지는 이미지의 예를 보여준다.
도 9는, a) 별개의 네거티브 렌즈 요소(3)를 가지는 개별 포지티브 렌즈렛(8)(lenslet)을 가지는 포지티브 초면 레이어(2)를 갖는 요소, b) 초면 레이어(2)를 갖고 그리고 네거티브인 렌즈 요소(3)인 후면을 갖는 요소, c) 네거티브 렌즈 요소(3)의 표면 위의 초면 레이어(2)(양 표면의 합)를 포함하는 가능한 광학 보안 요소의 예들을 보여준다.
도 10은, a) 네거티브 초면 레이어(2) 및 별개의 포지티브 렌즈 요소(3)를 갖는 요소, b) 네거티브 초면 레이어(2)를 갖고 그리고 포지티브 렌즈 요소(3)인 후면을 갖는 요소, c) 포지티브 렌즈 요소(3)의 표면 위의 네거티브 초면 레이어(2)(양 표면의 합)를 포함하는 가능한 광학 보안 요소의 예들을 보여준다.
도 11 및 도 12는, 광학 보안 요소의 초면 레이어의 렌즈렛의 앙상블에 의해 망막 상에 이미지를 생성하는 광학 스킴(scheme)을 나타내며, 포지티브 초점 거리(fC 〉0)를 가지는 초면 레이어와 네거티브 초점 거리(fL〈 0)를 가지는 렌즈 요소가 결합된다.
도 13 및 도 14는, 광학 보안 요소의 초면 레이어의 렌즈렛의 앙상블에 의해 망막 상에 이미지를 생성하는 광학 스킴을 나타내며, 네거티브 초점 거리(fC〈 0)를 가지는 초면 레이어와 포지티브 초점 거리(fL 〉0)를 가지는 렌즈 요소가 결합된다.
도 15 및 도 16은, 광학 설정 및 fL=-40㎜를 갖는 네거티브 렌즈에 인접한 fC=40㎜를 갖는 포지티브 초면 레이어를 갖고 각각 3㎜ 및 5㎜의 홍채 직경을 갖는 눈 모델로부터 25㎜에 위치되는 광학 보안 요소에 의해 생성된 시뮬레이션된(광선 추적된(ray-traced)) 이미지를 보여준다.
도 17 및 도 18은, fL=40㎜를 갖는 포지티브 렌즈에 인접한 fC=-40㎜를 갖는 네거티브 초면 레이어를 갖고 3㎜의 고정된 홍채 직경을 갖는 눈 모델로부터 각각 25㎜ 및 40㎜ 거리에 위치되는 광학 보안 요소에 의해 생성된 시뮬레이션된(광선 추적된) 이미지를 보여준다.
도 19 및 도 20은, fC=-40㎜를 갖는 초면 레이어와 fL=45㎜를 갖는 렌즈 요소를 가지는 광학 요소에 의해 생성된 이미지를 보여주며, 네거티브 초점 거리를 갖는 초면 레이어는 포지티브 초점 거리를 갖는 렌즈 요소 위에 놓인다.
본원의 설명에서는 몇 가지 용어가 사용되며, 이들은 아래에 추가로 정의된다.
광학에서, 용어 "초면(caustic)"은, 하나 이상의 표면 - 이 중 적어도 하나는 곡선형임 - 에 의해 반사되거나 굴절된 광선의 엔빌로프(envelope) 뿐만 아니라, 이러한 광선을 다른 표면 위로 투사하는 것을 지칭한다. 보다 구체적으로, 초면이란, 집중된 광의 곡선으로서 광선의 엔빌로프의 경계를 정의하는, 각 광선에 접하는 곡선 또는 표면이며, 예를 들어, 풀(pool) 바닥에 태양 광선에 의해 형성된 광 패턴은 단일의 굴절성 광 방향전환 표면(물결 모양의 공기-물 계면)에 의해 형성된 초면 "이미지" 또는 패턴인 반면에, 유리 컵의 곡선형 표면을 거쳐 통과하는 광은 그의 경로를 방향전환시키는 둘 이상의 표면(예컨대, 공기-유리, 유리-물, 공기-물...)을 가로지를 때 당해 유리 컵이 놓인 테이블 위에 컵 유사(cups-like) 패턴을 생성한다.
예를 들어 광학(보안) 요소를 만드는데 사용되는 광학 재료 기재는, 릴리프 패턴을 가져서 광 방향전환 표면을 형성하도록, 표면이 예를 들어 가공에 의해 특정하게 형성되는 원 재료 기재이다. 광학 재료 기재는 엠보싱, 몰딩, UV 캐스팅 등과 같은 복제 공정에 의해 성형 될 수도 있다.
굴절성 광 방향전환 광학 요소에 대해 적합한 광학 재료 기재는, 광학적으로 클리어하고(optically clear), 투명하거나 적어도 부분적으로 투명하고, 기계적으로 안정적이어야 한다. 본 발명의 목적을 위해, 즉 시각적으로 인식 가능한 초면 패턴을 생성할 수 있는 광학 보안 요소를 제공하기 위해, 투명하거나 부분적으로 투명한 재료는, 광 확산이 시각적으로 인식 가능한 초면 패턴 형성을 저해하지 않도록, 사실 상 헤이즈(H)가 낮고 투과율(T)이 높은 재료에 상당한다. 전형적으로, 투과율 T 〉50%가 바람직하고, T 〉90%가 가장 바람직하다. 또한, 낮은 헤이즈 H〈 10%가 사용될 수 있지만, H〈 3%가 바람직하고 H〈 1%가 가장 바람직하다. 적합한 광학 재료 기재는 또한 매끄럽고 결함 없는 표면을 제공하기 위해 성형(예컨대, 기계가공) 프로세스 중에 올바르게 거동해야 한다. 적합한 기재의 일례는 (Plexiglas, Lucite, Perspex 등의 상품명으로도 알려져 있는) PMMA의 광학적으로 투명한 슬래브(slab)이다.
반사성 광 방향전환 표면의 경우에, 광학 재료 기재는 반드시 균질하거나 투명하지는 않다. 예를 들어, 재료는 가시 광선에 대해 불투명할 수 있다(그러면 가공된 표면의 고전적인 금속화에 의해 반사율이 얻어진다). 적합한 기재의 일례는 규정 격자(ruled gratings) 및 레이저 미러의 마스터(master)에 사용되는 것과 같은 금속, 또는 추가로 금속화 될 수 있는 비반사성 기재이다.
이 실시형태에서, 용어 "렌즈 요소"는 기재의 표면에 적용되는 ("거울" 층과 같은) 반사성 초면 레이어 또는 기재의 반사면(전달 요소)에 적용되는 굴절성 초면 레이어일 수 있다.
"광 방향전환 표면(들)"(light-redirecting surface)은 소스로부터 들어오는 광을 초면 패턴이 형성되는 투사면 위로 방향전환시키는 역할을 하는 광학 보안 요소의 표면(또는 표면들)이다. 본 발명에 따르면, 투사면은 후술하는 바와 같이 관찰자의 망막이다.
용어 "초면 패턴"(caustic pattern)(또는 "초면 이미지")은, 적합하게 성형된 광학 표면(즉, 적절한 릴리프 패턴을 가짐)이, 투사면의 어떤 영역으로부터 광을 전향하고, 미리 결정된 광 패턴으로 투사면의 다른 영역 위에 이를 집중시키도록(즉, 따라서 상기 "초면 패턴"을 형성함), 적합한(바람직하게는 점 유사이지만, 반드시 점 유사일 필요는 없음) 소스로부터 광을 방향전환시킬 때, 투사면 위에 형성되는 광 패턴으로서 지칭된다. 방향전환(redirection)이란, 광학 요소가 존재하지 않는 경우의 광원으로부터 투사면까지의 경로에 대해 광학 요소가 존재하는 경우의 소스로부터의 광선 경로의 변경을 일컫는다. 본 발명에 따르면, 고려되는 투사면은 인간 눈의 망막이다.
차례로, 곡선형의 광학 표면은 "릴리프 패턴"(relief pattern)이라 지칭될 것이며, 상기 표면에 의해 결합된 광학 요소는 광학 보안 요소로서 지칭될 것이다. 초면 패턴은, 증가된 복잡성의 대가일 수 있으나, 하나보다 많은 곡선형 표면과 하나보다 많은 물체에 의한 광의 방향전환의 결과일 수 있음에 주목해야 한다. 게다가, 초면 패턴을 생성하기 위한 릴리프 패턴을 (예컨대, 보안 홀로그램에서 등과 같이) 회절 패턴과 혼동해서는 안 된다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 광학 보안 요소의 릴리프 패턴의 최대 깊이는, 초정밀 가공(UPM) 및 복제화 공정에 의해 강제되는 한계 즉, 대략 0.2㎛ 초과이면서, 〈 250㎛ 또는 보다 바람직하게는〈 30㎛이다. 이 설명에 따르면, 광 방향전환 표면 위의 릴리프 패턴에서 가장 높은 지점과 가장 낮은 지점 사이의 높이 차는 릴리프 깊이로서 지칭된다.
초면 요소는, 일반적으로, 당해 요소 뒤의 스크린 위에 광 패턴을 투사하도록 설계된다. 본 발명의 개념을 설명하기 위해, 초면 표면은, 표면을 공동으로 정의하는 작은 렌즈 요소, 즉 "렌즈렛"의 집합으로서 모델링될 수 있다. 따라서 이러한 토이(toy) 모델에 의하면, 초면 표면은, 예를 들어 약 40㎜의 초점 거리를 갖는 포지티브 렌즈렛의 집합으로 생각할 수 있다. 이는 시준된 빔으로 조명될 때 투사에서 초면 이미지가 형성되는 거리이다. 사실 상 보안 요소는, (릴리프 패턴을 갖는 초면 표면을 갖는) 초면 레이어와, 입사광을 방향전환하기 위한 전달 요소의 광학 조립체이다. 전달 요소는, 렌즈 요소(또는 복수의 동축의 렌즈 요소) 또는 초면 레이어가 적용되는, 가능하게는 반사성의, 단순한 지지 요소일 수 있다.
실제 예에 있어, 본 발명에서는, 관찰자의 망막에 직접적으로 형성되는 이미지를 얻기 위해, 적절한 렌즈(즉, 전달 요소)와 조합하여 초면 레이어가 사용된다. 이러한 초면 레이어는 두 가지 유형이 있다:
- 점 광원으로부터의 조명 시, 표면에 투사된 실제 초면 이미지를 형성할 수 있는(단독으로 취함) 경우 "포지티브"(positive);
- (광원의 동일 측 상에) 가상 이미지를 형성할 수 있는 경우 "네가티브"(negative).
위의 두 경우(포지티브 및 네거티브 초면 레이어들)에서, 이미지는 전형적으로 광학 요소로부터 수 ㎝의 거리(di)에; 예를 들어 소스가 무한대(즉, ds ≫ di)인 경우 40㎜에 형성된다. 이 값은 여기서, 고전적인 렌즈의 경우와 유사하게, 초면 레이어의 "초점 거리"(fC)라 부른다. 초면 레이어의 주어진 표면이 실제의 초면 이미지를 투사하면, 상보적(complementary) 표면은 동일하지만 가상 이미지를 투사하며, 그 반대도 마찬가지이다. 두 표면의 초점 거리도 동일한 절대값(및 반대 부호)을 갖는다. 아래에 더 주어진 예들에서, 포지티브 및 네거티브 초면들 양쪽 모두가 사용된다.
이미지로 돌아가, (전달 요소로서의) 렌즈는, 적절한 판독 거리에서, 샘플을 거쳐 볼 때 이미지가 망막에 직접 생성되도록, 초면 요소에 의해 투사된 실제 이미지를 가상 이미지로 변환한다. 이미지는, 예를 들어 로고, 그림, 숫자, 또는 특정 컨텍스트와 관련될 수 있는 임의의 다른 정보일 수 있다.
여기서 "실제 이미지" 및 "가상 이미지"라는 용어는 고전적인 광학과 유사하게 사용된다. 실제 이미지의 경우, 이미지 포인트에 대응하는 광선속(bundle of ray)이 수렴한다. 가상 이미지의 경우, (발산) 광선속은 뒤쪽으로 연장되면 대응하는 이미지 포인트들로부터 기원되는 것처럼 보이지만, 스크린이 가상 이미지의 위치에 위치되면, 실제 이미지가 그 위에 형성되지 않는다.
이에 따라, 광원의 가상 이미지를 가상 소스라 부른다.
많은 수의 광학 표면, 구성 및 파라미터를 탐색할 목적으로 모든 관련 초면 레이어를 제작하는 것은 엄청나게 비용이 많이 들게 되어 대신에 광학적 모델링이 사용되었다. 광학적 모델링은 상용 프로그램(Zemax)을 사용하여 광선 추적(raytracing)으로 수행되었다. 모델링의 정확성은 이미징 광학 분야(예컨대, 카메라 렌즈 설계)에서의 대부분의 적용에 사용되는 정확성에 필적한다는 점을 강조한다. 그러므로, 결과는 높은 신뢰도를 갖고서 현실과 대응한다고 가정할 수 있다.
인간의 눈을 모델링하는데 사용되는 파라미터는 아래 표 1에 요약되어 있다.
표 1 인간의 눈 모델링 파라미터
Figure pct00003
도 1은 본 발명의 일 양태에 따른 광학 보안 요소의 광학 스킴을 보여주며, 여기서 초면 레이어는 포지티브 초점 거리(f C 〉0)를 갖고 렌즈 요소는 네거티브 초점 거리(f L 〈 0)를 갖는다. 광원(1)에 의한 조명 시 눈으로 이미지를 보기 위해서, 피크 투 밸리(Peak to Valley) 높이 △h=30㎛ 및 초점 거리 40㎜를 갖는 초면 레이어(2)가 (도 1의 예시된 실시형태에서, 눈쪽의) 그 옆에 삽입된 네거티브 렌즈 요소(3)와 결합되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 광원(1)은 초면 레이어(2)로부터 적어도 400㎜의 거리에 위치된다. 설정은 눈(4) 앞쪽 약 20-30㎜의 거리에 유지되며, 이는 눈 릴리프 거리 R로서 간주된다. 망막의 이미지(5)도 도 1에 도시되어 있다. 광학 보안 요소를 나오는 빔은 발산하고, 따라서 눈 홍채는 시야 및 보이는 초면 이미지 부분을 제한한다. 광학 요소가 눈에 가까울수록, 시야가 커지고 보이는 초면 이미지 부분이 커진다.
도 2는 광학 보안 요소의 광학 스킴을 보여주는데, 초면 레이어는 네거티브 초점 거리(f C 〈 0)를 갖고 렌즈 요소는 포지티브 초점 거리(f L 〉0)를 갖는다. 초면 요소(2')는 도 1에서 사용된 원래 요소의 네거티브 사본인 표면을 가지며 그 결과 -40㎜의 네거티브 초점 거리를 갖는다. 이것은 포지티브 렌즈 요소(3')와 결합되고 눈(4)으로부터 거리 R에서 도 1의 설정과 유사하게 유지된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 광원(1)은 초면 요소(2')로부터 적어도 400㎜의 거리에 위치된다. 눈의 망막에 이미지(5)가 생성된다. 도면에서 볼 수 있듯이 보안 요소의 출구에서 광선이 수렴되고 눈 홍채가 망막에 도달하기 전에 더 적은 광선을 클리핑(clipping)하므로 도 1에 비해 초면 이미지의 더 큰 부분이 보인다.
물리적 이미지를 기록하는데 사용되는 개략적인 설정이 도 3에 나타나져 있다. 눈은 250㎜에 초점을 맞춘 16㎜ 초점 거리 대물 렌즈(8)(Fujinon HF16A-1B)와 VGA 컬러 센서(7)가 장착된 상용 카메라 모듈(6)(uEye UI-1225LE-C-HQ)에 의해 시뮬레이션 된다. 설정은 눈으로 보는 것과 닮은 이미지를 얻도록 선택된다. 이 경우, (두께 2㎜ 10×10㎜ PMMA 슬래브 위에 가공된) 피크 투 밸리 높이 △h=30㎛이고 초점 거리 40㎜를 가지는 초면 레이어(2)가 그 옆에 삽입된 네거티브 렌즈 요소(3)와 결합된다. 사용되는 네거티브 렌즈 요소(3)는 각각 -15, -30, -50 및 -125㎜의 초점 거리를 갖는다. 도 3에 도시된 실시형태에서, 네거티브 렌즈 요소(3)와 대물 렌즈(8) 사이의 거리는 50㎜이다. 광원(1)은 휴대폰의 플래시 램프이며, 본 비제한적인 실시형태에서는 삼성 S3 휴대폰의 LED이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 광원(1)은 초면 레이어(2)로부터 적어도 400㎜의 거리에 위치된다.
카메라 센서가 초면 이미지가 형성된 망막을 시뮬레이션 하였다. 어떤 경우에는, 시야를 최대화하기 위해 더 큰 애퍼처(aperture)도 사용되었다. 본 개시에서 "시야"라는 용어는 그의 각도 사이즈가 아니라 가시 윈도우의 측 방향(lateral) 사이즈를 의미한다. 또한 약 50㎜의 초면 요소까지의 주어진 거리로 카메라에 의해 기록된 이미지는, 홍채가 약 3~4㎜ 열려 있는 동안 포켓 토치에서 초면 요소를 통해 볼 때 통상적 사무실 환경에서 눈으로 본 것과 유사하였다.
도 4는 물리적 이미지를 기록하는데 사용되는 개략적인 설정을 보여준다. 도 3에서와 같이, 눈은 250㎜(다이어프램 완전 개방)에 초점을 맞춘 16㎜ 초점 거리 대물 렌즈(8)(Fujinon HF16A-1B)와 VGA 컬러 센서(7)가 장착된 상용 카메라 모듈(6)(uEye UI-1225LE-C-HQ)에 의해 시뮬레이션 되고, 광원(1)은 휴대폰의 플래시 램프(본 비제한적인 실시형태에서 삼성 S3 휴대폰의 LED임)이다. (도 3에 사용된 초면 레이어의 표면 사본으로서 얻어지는) 피크 투 밸리 높이 △h=30㎛ 및 -40㎜의 네거티브 초점 거리를 가지는 초면 레이어(2')는 그 옆에 삽입된 포지티브 렌즈 요소(3')와 결합된다. 포지티브 렌즈 요소(3')는 40㎜ 및 50㎜의 각각의 초점 거리를 갖는다. 도 4에 도시된 실시형태에서, 네거티브 렌즈 요소(3)와 대물 렌즈(8) 사이의 거리는 5㎜이다. 광원(1)은 초면 레이어(2')로부터 적어도 400㎜의 거리에 위치된다.
도 5 및 도 6은, 각각, f L =-30㎜ 및 f L =-50㎜를 갖는 네거티브 렌즈 요소와 초점 거리가 f c =40㎜인 초면 레이어를 사용하여 위에서 언급된 도 3의 설정으로 얻어지는 이미지의 예를 보여준다.
구체적으로, 도 5는 심볼(100)의 2/3만을 커버할 수 있는 시야(FOV)를 갖는 선명한 이미지를 나타낸다. 이는 휴대폰의 플래시 램프로의 방향으로 요소를 볼 때 눈에 보이는 것이다.
차례로, 도 6은 f L =-50㎜를 갖는 네거티브 렌즈 요소를 사용하면 네거티브 렌즈 요소가 초면 레이어의 포지티브 초점 거리를 보상할 만큼 충분히 강력하지 않기 때문에 이미지가 흐려지기 시작함을 나타낸다. FOV는 f L =-30㎜를 갖는 렌즈 요소에 의한 것보다 크며 이미지의 더 큰 부분이 보인다. 그러나, 이미지는 센서("망막")에서 더 작은 영역을 차지한다. 따라서 초점 거리를 증가시키면, 시야는 증가하지만 배율은 감소된다.
도 7 및 도 8은 도 4에 설명된 설정으로 얻어지는 이미지의 예를 보여준다. 여기서, 도 5 및 도 6의 이미지를 생성하는데 사용되는 초면 레이어의 사본은, 도 5 및 도 6의 이미지를 생성하도록 초점 거리 fc=-40㎜인 네거티브 초면 레이어로서 사용된다. 포지티브 렌즈 f L =40㎜ 및 f L =50㎜는 관찰에 적합한 가상 이미지를 생성하는데 사용된다. 두 경우 모두, 보여지는 초면 패턴의 부분은 도 5 및 도 6에 제공된 예에 비해 훨씬 크다. 이는 그러한 광학 보안 요소 이후 수렴하는 광빔 때문이다. 도 8에 나타내는 경우, 배율은 더 작으며 원형 클리핑의 부분은 12.7㎜의 렌즈 애퍼처 때문이다. 두 경우 모두, 이러한 구성은 10×10㎜ 치수를 갖는 초면 레이어의 애퍼처를 완전히 볼 수 있도록 허용한다.
관련 파라미터 및 광학 요소의 실용적 적용 범위를 결정하기 위해, 광학 요소를 형성하는 광학 조립체의 각 구성요소에 의해 수행되는 기능이 개별적으로 설명되고 분석된다.
실제 광학 요소에서, 이러한 기능들은 초면 레이어로서 그리고 전달 요소로서 모두 작용하는 단일의 요소에 의해 함께 수행되거나 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이 하나의 초면 레이어와 하나(또는 그 이상)의 전달 요소의 광학 조립체에 의해 개별적으로 수행될 수 있다.
도 9는, a) 렌즈렛(9)을 가지는 초면 레이어(2)와 별개의 네거티브(평면-오목) 렌즈 요소(3)(전달 요소)를 가지는 요소, b) 렌즈렛(9)을 가지는 초면 레이어와 네거티브 렌즈 요소(3)인 곡선형 후면을 갖는 전달 요소를 가지는 요소, c) (평면-오목) 네거티브 렌즈 요소(3)의 곡선형 표면 위에 렌즈렛(9)을 갖는 초면 레이어(양 표면의 합)를 포함하는 가능한 광학 요소의 예들을 보여준다.
도 10은, a) 렌즈렛(9)을 가지는 네거티브의 초면 레이어(2)와 별개의 (평면-볼록) 포지티브의 렌즈 요소(3)를 가지는 요소, b) 렌즈렛(9)을 가지는 네거티브의 초면 레이어와 포지티브 렌즈 요소(3)인 후면을 가지는 요소, c) 포지티브 렌즈 요소(3)의 표면 위에 렌즈렛(9)을 갖는 네거티브 초면 레이어(양 표면의 합)를 포함하는 가능한 광학 요소의 예들을 보여준다. 외부 제약(미리 규정된 최대 값을 확장하는 피크 투 밸리)에 의해 허용되는 최대 값 위의 처짐(sag)(곡률 높이; curvature height)을 갖는 모든 표면은 "프레넬화(Fresnelization)" 기술에 의해 감소될 수 있다.
또한, 편리한 토이 모델 시스템으로서, 규칙적인 도트의 배열로 구성된 "초면 이미지"(또는 "초면 패턴")를 투사하도록 마이크로 렌즈들의 배열이 사용된다. 본 발명의 작동 원리를 설명하기 위해, 이 접근법은 보다 정교한 초면 레이어 표면을 사용하는 것에 대해 몇 가지 장점을 갖는다.
- 선택된 시스템은 이해, 설명 및 모델화가 매우 간단함
- 초면 레이어의 가장 관련성이 높은 피처를 포함함
- 관련 파라미터가 분석적으로 정의될 수 있으며, 그들은 잘 정의된 의미(예컨대, 초면 레이어의 초점 거리)를 갖음.
이어서 이렇게 탐구된 개념은 일반 초면 레이어 표면의 보다 정교한 사례로 간단한 방식으로 전달될 수 있다. 이 스킴 내에서, 광학 요소는 다음의 기능들을 결합한다.
- 공간의 어떤 위치에서 (실제 또는 가상) 초면 이미지를 생성(반드시 눈의 수용력 내에 있는 것은 아님);
- 초면 이미지를 적절한 위치로 전달하여, 초면 이미지가 망막 위에 눈에 의해 초점 맞춰질 수 있도록 함. 눈의 수용력을 고려하면, 중계된 이미지는 눈으로부터 최소 25㎝ 떨어진 곳에 위치되어야 한다. 실제는, 광학 요소는 눈 바로 앞에 위치되거나, 눈으로부터 많아봐야 수 ㎝ 떨어져 위치되므로, 중계된 이미지는 광학 요소 뒤에 형성된다(가상 이미지).
- 이미지 형성 광선들이 클리핑되지 않고 동공을 통과할 수 있는 방법으로 그들을 지향시킴.
처음 두 기능을 달성하기 위한 두 가지 주된 방법이 있다(세 번째 기능은 보다 아래에서 별도로 논의됨).
일 실시형태는 포지티브 초점 거리( f C 〉0)를 가지는 초면 레이어와 네거티브 초점 거리( f L 〈 0)를 가지는 렌즈 요소를 결합하는 것으로 구성되며, 도 9 및 광학 요소(10)의 초면 레이어(2)의 렌즈렛과 렌즈(3)의 앙상블에 의해 망막에 이미지를 형성하는 광학 스킴을 나타내는 도 11 내지 도 12를 추가로 참조한다. 이 실시형태를 설명하기 위해 위의 토이 모델을 사용하면, 원거리 또는 무한대에 위치된 소스로부터의 시준된 광 빔(11)으로, 네거티브 렌즈 요소(3)는 소스의 가상 이미지(12)를 생성한다. 가상 이미지(12)는 광학 요소(10)와 렌즈(3)의 초점 사이에 위치된다. 가상 이미지(12)로부터 기원하는 광은 렌즈렛 배열에 의해 광 필드로 분할되고 눈 렌즈(14)는 망막에 다수의 밝은 포인트를 생성하며, 이들은 가상 소스(12)의 다수의 이미지(13)이며, 각각의 밝은 스팟(spot)은 렌즈렛 배열로부터의 렌즈에 대응한다. 눈 렌즈(14)는 망막의 한 포인트에서 모든 평행 빔을 집중시키는 푸리에 렌즈로서 작용한다. 망막 이미지 평면(15) 상의 밝은 포인트들의 앙상블은 초면 이미지와 같은 래스터(raster)를 형성한다.
대안으로, 포지티브 초면은 실제 이미지를 투사하는 것(렌즈렛당 하나의 포인트)으로 볼 수 있으며, 이는 도 12에서 "17"로 나타낸 눈에서 적절한 거리에서 네거티브 렌즈에 의해 가상 이미지로 변환된다. 포지티브 초면 레이어를 갖는 광학 요소는 조리개 직경(16)에 의해 제한되는 시야(FOV; field-of-view) 직경을 갖는다. 이 제한은 다음 식에서 알 수 있다.
Figure pct00004
여기서 diris는 홍채 직경, R은 초면 레이어와 눈 사이의 거리, f L 은 렌즈 요소의 초점 거리, θ는 고려 중인 눈 이미징 각도이다. 예를 들어, 눈의 가장 높은 해상도 부분(중심와)(fovea) θ=5°만 고려하며 해상도가 낮은 망막의 부분 θ=20°도 고려한다(표 1 참조).
R이 제로를 향하는 제한적인 경우에 dFOV가 가장 크지만 눈 홍채보다 크지는 않다. 더욱이, 항상 눈으로부터 초면 레이어까지 약간의 거리가 있어야 하므로 R=0㎜일 경우는 불가능하다.
다른 실시형태는 네거티브 초점 거리( f C 〈 0)를 가지는 초면 레이어와 포지티브 초점 거리( f L 〉0)를 가지는 렌즈 요소를 결합하는 것으로 구성되며, 도 10 및 광학 요소(10)에서 포지티브 렌즈 요소(3')와 결합된 초면 레이어(2')의 렌즈렛의 앙상블에 의해 망막(망막 이미지 평면(15))에 이미지를 생성하는 광학 스킴을 나타내는 도 13 및 도 14를 추가로 참조한다.
이미 언급된 바와 같이, 네거티브 초점 거리( f C 〈 0)를 가지는 초면 레이어는 광원의 동일한 측에 가상의 초면 이미지(12)를 형성할 수 있다. 초면 레이어(2)의 작은 렌즈 각각은 렌즈 요소(3) 전에 가상의 소스(소스의 가상 이미지)를 생성한다. 이들 가상의 소스의 세트는 가상의 물체이며 다음의 포지티브 렌즈 요소(3)에 의해 이미지화 되어 눈 자체가 이미지(13)의 형태로 그의 망막(15) 위에 이미지화하는 가상의 초면 이미지(17)를 형성한다. 포지티브 렌즈의 초점 거리는 초면 렌즈렛의 초점의 절대 값과 같거나 더 길도록 선택되어야 한다. 이는 눈에 대한 최소 판독 거리 dR보다 더 멀리 가상의 초면 이미지(17)의 생성을 허용하고, 이미지 광선에 대해 눈을 스트레인(strain)시키는 것이 광의 원뿔을 수렴시키는 것을 방지한다. 따라서, 적절한 거리 dR에 가상 이미지를 형성하면 눈 조정이 보다 쉬워지게 된다.
여기서 눈으로 보이는 초면 레이어의 부분, 즉 시야(dFOV)의 직경은 눈 이미징 각도 θ와 눈 홍채의 직경 diris에 의해 정의된다(도 13 및 도 14 참조). 이 경우:
Figure pct00005
여기서:
Figure pct00006
일반적으로, 렌즈 fL의 초점 거리까지 거리 R을 증가시키는 것은 (포지티브 초면 레이어의 경우와는 달리) 광학 요소의 더 큰 부분을 볼 수 있게 허용한다. 이전 예에서와 같이, 고려 중인 눈 이미징 각도 θ는 초면 이미지가 얼마나 정확하게 보여지는지를 결정한다. 중심와 각도 한계(fovea angular limit) 위에서(5°위) 초면 이미지는 눈으로 인식되지만 해상도는 감소한다.
가상 이미지가 눈으로부터 편안한 판독 거리 dR(통상적으로, 최소 25㎝)에 형성되어야 한다는 요구 조건은 다음 식으로 해석된다.
Figure pct00007
여기서:
f L 및 f C 는, 각각, 렌즈 요소와 초면 레이어의 초점 거리이고;
R은 초면 레이어와 눈 사이의 거리이고;
d R 은 눈으로부터의 편안한 판독 거리이며, 최소 25㎝이다.
위에서 언급된 식은 무한대에 있는 광원에 대해 점근적으로(asymptotically) 정확함에 주목한다. 소스의 유한 거리 ds에 대해, 올바른 식은 실제 다음과 같다.
Figure pct00008
실제, ds는 무한대(따라서
Figure pct00009
)라 고려할 수 있을 만큼 충분히 크므로, 다음 논의에서 점근식이 사용된다.
이미 지적된 바와 같이, 가상 소스에서 기원하는 것처럼 보이는 모든 광선이 동공으로 들어가 망막에 도달할 수 있는 것은 아닌데, 일부 광선은 홍채에 의해 차단되기 때문이다. 이에 따라, 타겟 이미지의 일부만 망막에 형성되고 나머지는 클리핑된다. 최종적으로 보여지는 이미지 부분은 도 11 내지 도 14에 나타낸 것처럼 기하학적 구조 및 렌즈 파라미터에 따라 달라진다.
특히, 네거티브 초면 레이어가 포지티브 렌즈 요소와 결합되면, 광선속의 엔빌로프가 동공쪽으로 수렴된다. 반대로, 포지티브 초면 레이어가 네거티브 렌즈 요소와 결합되면, 광선속의 엔빌로프는 발산된다. 따라서, 이미지의 더 큰 부분을 가시화할 목적으로, 포지티브 렌즈 요소와 결합된 네거티브 초면 레이어로 작업하는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로, 시야(dFOV)의 직경이 망막에 형성되는 이미지에 실제로 기여하는 초면 레이어 부분의 직경으로서 정의되면 다음과 같은 사실을 즉시 알 수 있다:
- 포지티브 초면 레이어가 네거티브 렌즈 요소와 결합되는 경우,
Figure pct00010
이므로, dFOV는 동공 직경 diris보다 작아야 된다.
- 네거티브 초면 레이어가 포지티브 렌즈 요소와 결합되는 경우, dFOV는, 정확한 기하학적 구조에 따라 그리고 최대 눈 이미징 각도 θ로부터 규정되는 제한이 완화된다면 diris보다 실질적으로 클 수 있다.
네거티브 렌즈 요소와 결합된 포지티브 초면 레이어의 경우에, 이미지는 홍채에 의해 클리핑된다. 초면 레이어의 주어진 초점 거리에 대해, 렌즈 요소의 초점 거리가 길수록(절대 값으로, |fL|), 망막에 투사되는 초면 이미지의 부분은 커진다. 그러나 |fL| 〉fC의 경우, 식(E)를 만족하지 않기 때문에, 눈의 수용력이 더 이상 이미지를 망막에 초점 맞추기에 충분하지 않으므로, |fL|을 임의로 크게 만들 수 없다. 또한 |fL| 증가함에도, 이미지의 인식된 사이즈는 그렇지 않다. 환언하면, 이미지 프레임이 커져 서가 아니라, 세부 사항이 작아지기 때문에 더 많은 이미지를 볼 수 있게 된다.
도 15 및 도 16은 관찰자의 눈으로부터 25㎜의 거리에 배치되고 초점 거리 fL=-40㎜의 네거티브 렌즈 요소와 연계된 초점 거리 fC=40㎜를 갖는 포지티브 초면 레이어로 만들어진 광학 보안 요소의 사용을 보여준다. 광학 요소로부터의 발산하는 광은 도 15에 나타낸 바와 같이 직경 diris=3㎜를 갖는 눈의 홍채에 의해 클리핑된다. 전체 초면 이미지 중 작은 부분이 보인다. 제한된 시야에도 불구하고 눈은 이미지를 스캔하여 의도된 초면 이미지의 훨씬 더 큰 부분을 볼 수 있고 물체의 진위를 확인할 수 있다.
보이는 초면 패턴의 부분을 증가시키는 하나의 방법은 투과되는 광을 줄이고 눈이 그의 홍채를 열도록 하는 것이다. 도 16은 홍채가 diris=5㎜로 열려있을 때 눈으로 보이는 초면 패턴의 더 큰 부분을 나타낸다. 오른쪽에 도시된 눈 망막 위의 이미지는, 초점 거리 fC=40㎜인 초면 레이어와 초점 거리 fL=-30㎜인 네거티브 렌즈 요소를 갖는 도 5에 도시된 바와 같은 카메라에 의해 얻어지는 이미지와 유사하다.
생리학적으로 정상적인 상황에서 눈은 동공을 닫음으로써 광에 반응하며, 이는 상충되는 상황을 가져온다. 한편, 밝은 이미지가 망막에 형성되기를 바라면서 동시에 동공이 가능한 한 넓게 열려 있을 것을 원할 수 있다.
이러한 고려로부터 포지티브 초면 레이어와 네거티브 렌즈 요소의 조합을 사용하여 망막에 초면 이미지를 투사할 수 있지만 사용자 경험과 관련하여 최적은 아님은 분명하다.
포지티브 렌즈 요소와 결합된 네거티브 초면 레이어의 경우에, 기하학적 구조와 파라미터를 적절히 선택하여 클리핑 문제를 해결할 수 있다. 이 스킴을 사용하면 광선속이 동공쪽으로 수렴되기 때문에, 주어진 동공 직경에 대해, 일반적으로, 이미지의 더 큰 부분을 볼 수 있다.
눈 홍채가 정상 조건에서 3 내지 5㎜ 열려 있는 것으로 간주될 경우, 그래서 예컨대 네거티브 초점 거리 -40㎜를 갖는 초면 레이어와 포지티브 렌즈 40㎜가, 눈으로부터 25㎜ 거리에 유지되고 7.5㎜보다 큰 초면 요소의 일부를 볼 수 있게 한다.
바람직하게는, 초면 레이어의 훨씬 더 큰 부분을 보기 위해, 눈으로부터의 거리를 25㎜에서 예를 들어 도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이 40㎜로 증가시킬 수 있다. 포지티브 렌즈 요소와 결합된 네거티브 초면 요소의 일반적인 경우에, 눈으로부터의 최적 거리는 포지티브 렌즈 요소의 초점 거리와 대략 같다.
도 17 및 도 18은, fL=40㎜인 포지티브 렌즈에 인접한 fc=-40㎜인 네거티브 초면 레이어를 가지며 3㎜의 고정된 홍채 직경을 갖는 눈(4) 모델로부터 25㎜ 및 40㎜ 거리에 각각 위치되는 광학 보안 요소에 의해 생성된 시뮬레이션된(즉, 광선 추적된) 이미지를 보여준다.
도 17에서, 도면 왼쪽 부분은 25㎜ 거리에 관찰자의 눈(4)이 있는, 초면 레이어 슬래브와 네거티브 렌즈 요소로 구성된 설정을 보여주며, 도면 오른쪽 부분은 관찰자의 망막에 투사된 초면 이미지를 보여준다. 네거티브 렌즈렛으로 구축되고 포지티브 렌즈에 커플링되고 눈으로부터 25㎜에 유지되는 릴리프 패턴에서 방향전환되는 일부 광선을 직경 3㎜의 눈 홍채가 클리핑하기 때문에, 관찰되는 초면 이미지는 완전하지 못하다. 초면 요소와 눈 사이의 거리가 멀어지면, 도 18에 나타낸 바와 같이 초면 이미지의 클리핑을 줄이는 데 도움이 된다. 초면 이미지의 클리핑을 줄이는 다른 방법은, 초면 요소의 투과를 줄여 눈이 그의 홍채를 5㎜ 이상의 직경으로 유지되게 열도록 강제하여 이미지의 강도를 줄이는 것이다.
특별한 경우에, 초면 레이어로부터의 눈 거리가 포지티브 렌즈 요소의 초점 거리와 같을 때, 모든 광선속은 함께 수렴하여 방해받지 않고 동공을 통과한다.
초면 레이어 및 렌즈 요소의 초점 거리들 사이의 관계는 눈이 광선속을 망막에 집중시킬 수 있도록 여전히 식(E)을 만족시켜야 한다.
지금까지, 초면 광학 요소 및 렌즈에 의해 수행되는 기능이 개별적으로 설명되었으며 두 가지 다른 구성 요소로 모델링되었다. 이는, (i) 초면 이미지가 형성되는 방법, 및 (ii) 관련 파라미터가 무엇인지 이해시키고 설명하는 목적으로 편리하다. 그러나 실제로는 이러한 의미에서 엄격한 요구 조건은 없으며 두 기능을 단일의 "유효한" 구성 요소로 결합될 수 있다.
초면 레이어 표면과 렌즈 요소 표면이 단일의 광학 표면으로 함께 결합되는 경우, 결합된 표면은 초면 표면 단독의 계산에 사용되는 수치적 방법을 적용함으로써 직접 계산될 수 있다. 그러나 대부분의 경우, 근축의, 얇은 요소 근사가 유효하다. 편리하게도, 이 새로운 표면은 두 개별 표면의 대수적 합에 단순 대응한다. 환언하면, 광학 조립체의 광축을 따라 z축을 가지는 렌즈 요소 표면이 z=gL(x, y)로 주어지고, 초면 레이어 표면이 z=gC(x, y)로 주어지면, 결과적인 등가 결합 표면은 z=gL(x, y)+gC(x, y)로 주어진다.
본 발명에 따르면, 초면 레이어는 -30㎜ 내지 -50㎜ 범위의 네거티브 초점 거리 fC, 예를 들어 fC=-40㎜를 가질 수 있고, 30㎜ 내지 50㎜ 범위의 포지티브 초점 거리 fL, 예를 들어 fL=45㎜를 가지는 렌즈 요소 - 렌즈 요소는 평면-볼록 렌즈임 - 와 결합된다.
도 19 내지 도 20은 fC=-40㎜인 초면 레이어와 fL=45㎜인 렌즈 요소를 가진 광학 요소에 의해 생성된 이미지를 보여주며, 네거티브 초점 거리를 가진 초면 레이어는 포지티브 초점 거리를 가지는 렌즈 요소 위에 놓인다.
이와 관련하여, 도 19에 나타낸 바와 같이, 눈 홍채 직경 diris=3㎜인 경우, 눈 릴리프 거리 25㎜에서 눈에 보이는 필드는 전체 이미지와 대응하지 않으며 심지어 원형이 아니다. 초면을 25㎜보다 먼 거리, 예컨대, 40㎜로 이동시키면, 시야(FOV)가 열리고, 이는 생성되는 이미지의 품질을 향상시킨다. 이는 도 20에 적절히 설명되어 있다.
본 발명에 따르면, 광학 보안 요소는 소비재, 유가 문서 및 지폐를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 물체에 적용되거나 포함됨으로써, 본 발명에 따른 마킹된 물체를 만들어 낼 수 있다.
상기 물체는 다음의 단계를 포함하는, 마킹된 물체를 시각적으로 인증하는 방법을 사용하여 관찰자에 의해 쉽게 시각적으로 인증될 수 있다:
- 광 방향전환 표면으로부터의 거리 ds에서 점 유사 광원으로 광학 보안 요소의 광 방향전환 표면을 조명하는 단계;
- 편안한 판독 거리 dR(즉, 눈의 수용력과 양립 가능함) 보다 큰, 눈으로부터 어떤 거리에 형성된 초면 패턴의 가상 이미지를 시각적으로 관찰하는 단계;
- 투사된 초면 패턴이 참조 패턴과 시각적으로 유사하다고 관찰자가 평가할 때 물체가 진품이라고 결정하는 단계.
환언하면, 투사된 초면 패턴과 참조 패턴 사이의 유사도를 시각적으로 확인함으로써 광학 보안 요소의 진위 여부(그리고 따라서, 이 보안 요소로 마킹된 물체의 진위 여부)를 직접 평가할 수 있다.
본 발명에 따른 광학 보안 요소는 소비재, 유가 문서 및 지폐를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 물체를 위조하는 것에 대한 인증 또는 보안을 위해 사용될 수 있다. 이러한 사용은 일반적으로, 위에서 언급된 바와 같이, 광학 보안 요소로 물체를 마킹하고 마킹된 물체를 시각적으로 인증하는 것을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
이에 따라, 마킹된 물체는 흔히 사용 가능한 수단을 사용하여 "보통 사람"에 의해 인증될 수 있다. 적합한 광원에 의한 조명 시에, 이미지는 관찰자의 망막에 직접 투사되며 그가 적용되는 물체의 투명도를 변경하지 않는다. 유리하게는, 심지어 약한 광원(예컨대, 표면 위 반사, 표시 LED 등)으로도 운용될 수 있다. 더욱이, 피처에 의해 투사된 이미지는 현저한 색수차(chromatic aberration)를 갖지 않으며 이미지를 형성하는 데 사용되지 않는 잔류 미광(residual-stray light)으로부터의 현저한 인공음영으로 곤란을 겪지 않는다.
위에 개시된 발명의 대상은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 독립 청구항에 의해 규정되는 본 발명의 더 나은 이해를 제공하는 데에 기여한다.

Claims (14)

  1. 굴절성의 투명한 또는 부분적으로 투명한 광학 재료로 만들어지는 광학 보안 요소이며, 상기 광학 보안 요소는 주어진 깊이의 릴리프 패턴을 가지는 광 방향전환 표면 및 초점 거리 fc를 가지는 초면 레이어와, 초점 거리 fL 의 인접 렌즈 요소의 광학 조립체를 포함하고, 상기 광학 조립체는 점 유사(point-like) 광원으로부터 그를 거쳐 수광되는 입사광을 방향전환시키고 상기 광학 보안 요소를 거쳐 상기 점 유사 광원을 바라보는 관찰자의 망막에 초면 패턴을 포함하는 투사된 이미지를 직접 형성하도록 구성되는, 광학 보안 요소.
  2. 제1항에 있어서,
    다음 중 하나를 포함하고,
    a) 상기 초면 레이어는 포지티브 초점 거리(f C 〉0)를 갖고 상기 렌즈 요소는 네거티브 초점 거리(f L 〈 0)를 갖거나,
    b) 상기 초면 레이어는 네거티브 초점 거리(f C 〈 0)를 갖고 상기 렌즈 요소는 포지티브 초점 거리(f L 〉0)를 갖는, 광학 보안 요소.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 렌즈 요소의 상기 초점 거리와 상기 초면 레이어의 상기 초점 거리 사이의 관계는 다음 식을 만족하고,
    Figure pct00011

    여기서:
    R은 상기 초면 레이어와 상기 관찰자의 눈 사이의 거리이고;
    d s 는 상기 점 유사 광원과 상기 광학 보안 요소 사이의 거리이고;
    d R 은 상기 눈으로부터의 편안한 판독 거리이며, 적어도 25㎝인, 광학 보안 요소.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 포지티브 초점 거리는 상기 네거티브 초점 거리의 절대 값보다 크거나 같도록 선택되는, 광학 보안 요소.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 네거티브 초점 거리는 -15㎜ 내지 -125㎜, 특히 -30㎜ 내지 -50㎜의 범위에 있는, 광학 보안 요소.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초면 레이어는 -30㎜ 내지 -50㎜ 범위의 네거티브 초점 거리 f C 를 갖고 30㎜ 내지 50㎜ 범위의 포지티브 초점 거리 f L 를 갖는 상기 렌즈 요소와 결합되고, 상기 렌즈 요소는 평면-볼록 렌즈인, 광학 보안 요소.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    소비자 제품, 유가 문서 및 지폐를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 물체를 마킹하는, 광학 보안 요소.
  8. 주어진 깊이의 릴리프 패턴 및 초점 길이 fC를 가지는 초면 레이어와 초점 길이 fL의 인접 광학 재료 층에 의해 형성되는 광학 조립체의 반사성 광 방향전환 표면을 포함하는 광학 보안 요소이며, 상기 광학 조립체는 점 유사 광원으로부터 수광되는 입사광을 방향전환시키고 관찰자의 망막에 초면 패턴을 포함하는 투사된 이미지를 직접 형성하도록 구성되는, 광학 보안 요소.
  9. 제8항에 있어서,
    다음 중 하나를 포함하고,
    a) 포지티브 초점 거리(f C 〉0)를 가지는 상기 초면 레이어 및 네거티브 초점 거리(f L 〈 0)를 가지는 광학 재료 층, 또는
    b) 네거티브 초점 거리(f C 〈 0)를 가지는 상기 초면 레이어 및 포지티브 초점 거리(f L 〉0)를 가지는 상기 렌즈 요소인, 광학 보안 요소.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광학 재료 층의 상기 초점 거리와 상기 초면 레이어의 상기 초점 거리 사이의 관계는 다음 식을 만족하고,
    Figure pct00012

    여기서:
    R은 상기 초면 레이어와 눈 사이의 거리이고;
    d s 는 상기 점 유사 광원과 상기 광학 보안 요소 사이의 거리이고;
    d R 은 상기 눈으로부터의 편안한 판독 거리이며, 적어도 25㎝인, 광학 보안 요소.
  11. 제8항에 있어서,
    소비자 제품, 유가 문서 및 지폐를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 물체를 마킹하는, 광학 보안 요소.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 광학 보안 요소를 포함하는, 소비재, 유가 문서 및 지폐를 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 마킹된 물체.
  13. 관찰자에 의해 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 광학 보안 요소에 의해 마킹된 물체를 시각적으로 인증하는 방법으로서,
    상기 광 방향전환 표면으로부터 거리 ds에서 점 유사 광원으로 상기 광학 보안 요소의 광 방향전환 표면을 조명하는 단계;
    상기 광학 보안 요소로부터
    Figure pct00013
    인 거리 di에서 초면 패턴의 가상 이미지를 상기 광학 보안 요소로부터 시각적으로 관찰하는 단계; 및
    상기 초면 패턴이 참조 패턴과 시각적으로 유사하다는 상기 관찰자에 의한 평가 시에 상기 물체가 진본이라고 결정하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  14. 소비재, 유가 문서 및 지폐를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 물체를 위조하는 것에 대해 인증 또는 보호하기 위한, 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 광학 보안 요소의 용도.
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