PL203166B1 - Element zmienny optycznie - Google Patents

Description

Opis wynalazku

W określonych dziedzinach, jak zabezpieczanie dokumentów, dąży się do stworzenia cech zabezpieczających, które są przeznaczone do stwierdzania oryginalności, a ponadto są łatwo rozpoznawalne i proste do objaśnienia.

W WO 97/19821 opisany jest przykł adowo zmienny optycznie wzór powierzchniowy z co najmniej jedną reprezentacją graficznej konfiguracji. Każdej reprezentacji przyporządkowane są obszary powierzchni określonego rodzaju. Przy oświetleniu światłem widzialnym reprezentacje te są widoczne w postaci obrazów, które pod róż nymi ką tami obserwacji zawierają jasne i ciemne punkty. Wspomniane obszary powierzchni mają struktury siatkowe, których liczba linii jest większa niż 250 linii/mm, w związku z czym w zakresie widzialnym powstają wyraźnie widoczne efekty dyfrakcyjne.

Dokument z dyfrakcyjnym elementem optycznym jest znany na przykład z EP 0 105 099 B1. Element zabezpieczający ma strukturę dyfrakcyjną, która wskutek ugięcia padającego światła wytwarza co najmniej jeden barwny wzór, przedstawiający cechę oryginalności, która można kontrolować wizualnie. Struktura dyfrakcyjna jest tak ukształtowana, że powstający przy zadanym kierunku oświetlenia i obserwacji, barwny wzór przemieszcza się z lokalnie zadaną prędkością wzdłuż zadanego toru, gdy podłoże jest obracane w swej płaszczyźnie w określonym kierunku obrotów i z określoną prędkością.

W EP 0 375 833 B1 ujawniony jest zmienny optycznie wzór powierzchniowy z graficzną ilustracją, przy czym wzór powierzchniowy jest podzielony na m pól rastrowych, które zawierają czynne optycznie elementy dyfrakcyjne o więcej niż 10 liniach/mm. W tym znanym zmiennym optycznie wzorze powierzchniowym każde pole rastrowe ma największy wymiar poniżej 0,3 mm i podział na N elementów, z których każdy zawiera element dyfrakcyjny. Każdy element dyfrakcyjny odpowiada zadanemu pikselowi jednego z obrazów N. Parametry struktury reliefowej są w każdym z N elementów dyfrakcyjnych zadane poprzez przyporządkowanie powierzchni częściowej, w związku z czym każdy z obrazów N jest widoczny w zadanym kierunku obserwacji wzoru powierzchniowego.

Optyczny interferencyjny element zabezpieczający jest opisany w US-A 3 858 977. Ten znany element zawiera podłoże i filtr, mający co najmniej jedną optyczną warstwę interferencyjną. Optyczna warstwa interferencyjna ma znaną charakterystykę swej spektralnej zdolności odbicia i różniącą się od niej, znaną spektralną zdolność transmisji. Oba te parametry zmieniają się wraz z kątem padania światła. Podłoże, którym może być obszar powierzchni wartościowego dokumentu, na przykład banknotu, ma fragment powierzchni, który sąsiaduje z filtrem i jest barwiony, aby absorbować część światła, przechodzącego przez filtr.

Zmienne optycznie wzory powierzchniowe, ukształtowane analogicznie, jak opisane powyżej, zmienne optycznie wzory powierzchniowe, mogą zależnie od doboru deseniu i technologii, w zależności od kąta patrzenia wytwarzać różne wizualne, zmienne optycznie efekty, takie jak trójwymiarowość względnie perspektywiczność, efekt ruchu, zmiany obrazów i temu podobne. Przy obracaniu lub przechylaniu wzoru powierzchniowego względnie zaopatrzonego w taki wzór elementu wokół określonych osi przestrzennych pojawia się wiele elementów deseniowych w typowych barwach tęczy.

To quasi-ciągłe przejście przez całe spektrum tęczy jest w niektórych przypadkach zabezpieczania niekorzystne. Pozostają one w sprzeczności z celem, polegającym na stworzeniu cech zabezpieczających, które są przeznaczone do stwierdzania oryginalności, a ponadto są łatwo rozpoznawalne i proste do objaśnienia. Takie ciągłe przejście barw względnie zmiana barw jest mianowicie trudne do zdefiniowania. Poza tym potrzebne jest wyraźne odgraniczenie cech pod względem ich funkcjonalności i wyglądu zewnętrznego pomiędzy zastosowaniem do zabezpieczeń i zastosowaniami komercyjnymi, aby uniknąć fałszerstw w drodze zwykłej imitacji lub przeniesienia cech komercyjnych na zabezpieczane dokumenty.

Celem wynalazku jest opracowanie zmiennego optycznie elementu, który przy obracaniu lub przechylaniu nie sprawia na obserwatorze wrażenia ciągłego przechodzenia barw, lecz zdefiniowanej, prawie dyskretnej zmiany barw.

Zadanie to rozwiązano według wynalazku tak, że częściowe powierzchnie zmiennego optycznie elementu o achromatycznych strukturach powierzchniowych, mających różne charakterystyki w zakresie rozpraszania, odbicia i ugięcia, występują w kombinacji, umieszczone jedna na drugiej, ze strukturą cienkopowłokową. Postawione przed wynalazkiem zadanie rozwiązano ponadto za pomocą elementu zabezpieczanego, który zawiera zmienny optycznie wzór powierzchniowy z dwiema lub więcej powierzchniami częściowymi, które mają achromatyczne struktury powierzchniowe o różnych charakPL 203 166 B1 terystykach w zakresie rozpraszania, odbicia i ugięcia oraz występują w kombinacji, umieszczone jedna na drugiej, ze strukturą cienkopowłokową.

Achromatyczne struktury powierzchniowe są przy tym strukturami powierzchniowymi, które dla obserwatora wydają się w zasadzie bezbarwne. Przykładem achromatycznych struktur powierzchniowych są makrostruktury, achromatyczne struktury dyfrakcyjne odbijające (struktury asymetryczne), struktury symetryczne, na przykład siatki sinusoidalne, struktury matowe lub struktury typu „kinoform. W tych różnorodnych rodzajach achromatycznych struktur powierzchniowych własności achromatyczne są realizowane poprzez różne ukształtowanie struktury powierzchniowej. Przykłady struktur achromatycznych są ujawnione w cytowanym na wstępie WO 97/19821.

W przypadku achromatycznych dyfrakcyjnych struktur odbijających, na przykł ad siatek w kształ cie zębów piły, oraz achromatycznych struktur symetrycznych, na przykład siatek sinusoidalnych, okres struktury powierzchniowej jest nie krótszy niż 1,5 μm. Struktury dyfrakcyjne odbijające charakteryzują się tym, że lokalnie można je opisać jako funkcje liniowe (kształt zębów piły, kształt prostokątny), a zatem działają jak przechylone lustro.

Korzystny zakres wielkości pojedynczych elementów strukturalnych struktury powierzchniowej wynosi od 2 do 10 μm. Typowa głębokość tych struktur powierzchniowych leży w przedziale od 500 nm do 2 μm. Nad struktury o wielkości tego rzędu należy ze względów technologicznych przedkładać struktury jeszcze większe.

W ten sposób wspomniane struktury achromatyczne leżą w zakresie, w którym zjawiska dyfrakcyjne jedynie w nieznacznym stopniu oddziałują na własności optyczne, zaś struktury działają w zasadzie jak przechylone lustra. Przykłady budowy achromatycznych struktur dyfrakcyjnych odbijających można znaleźć w artykule Renen Staub i innych, „Non-standard Diffraction Structures for OVD's SPIE, tom 3314, strony 194 do 202, 1998.

Makrostruktury działają również w zasadzie poprzez odbicie. Makrostrukturę można przedstawić jako częściowo ciągłą i różniczkowalna funkcję M(x,y) współrzędnych x i y poprowadzonej w myślach płaszczyzny odniesienia. Funkcja M(x,y) opisuje zakrzywioną co najmniej w części powierzchnię, przy czym w częściowym obszarze zachodzi równanie AM(x,y) = 0, zaś funkcja M(x,y) nie jest okresową funkcją trójkątną ani prostokątną. Makrostruktura ma trójwymiarowy kształt reliefu, który może mieć postać kompletnego wzoru i tworzyć na przykład logo lub symbol. Sąsiednie ekstremalne wartości makrostruktury są oddalone od siebie zazwyczaj co najmniej o 0,1 mm.

Makrostruktury matowe są opisywane przez stochastyczny profil powierzchniowy, przy czym średnie głębokości i lateralne wielkości struktur są opisywane przez parametry statyczne. W różnych kierunkach uprzywilejowania mogą przy tym występować różne parametry struktur. Istotne parametry struktur stanowi przykładowo średnia głębokość i długość korelacyjna. Tego typu struktury matowe są wytwarzane w procesach, mających statyczne charakterystyki. W przypadku tych procesów chodzi na przykład o trawienie na mokro, ścieranie, piaskowanie lub temu podobne.

Typowe wartości liczbowe średniej chropowatości struktur matowych wynoszą 20 do 2000 nm, korzystnie 50 do 500 nm. Typowe wartości liczbowe długości korelacyjnej struktur matowych wynoszą 200 do 50000 nm, korzystnie 500 do 10000 nm.

Struktury typu „kinoform są strukturami, które za pomocą zjawisk dyfrakcyjnych wytwarzają efekt rozpraszania, określony w zależności od użytkownika.

Zmienny optycznie wzór powierzchniowy według wynalazku znajduje zastosowanie zwłaszcza w elementach zabezpieczanych, takich jak dokumenty, banknoty, karty kredytowe lub temu podobne. Zabezpieczane elementy składają się z kombinacji struktur cienkopowłokowych z achromatycznymi dyfrakcyjnymi strukturami powierzchniowymi, co pozwala wyjątkowo dobrze dopasować do siebie wizualne efekty struktury cienkopowłokowej i wizualne efekty dyfrakcyjnej struktury powierzchniowej.

Korzystne postaci wykonania zmiennego optycznie wzoru powierzchniowego według wynalazku są podane w zastrzeżeniach zależnych.

Korzystna postać wykonania zmiennego optycznie wzoru powierzchniowego polega na tym, że achromatyczne struktury powierzchniowe mają postać struktur matowych o różnych charakterystykach rozpraszania.

Szczególnie interesująca możliwość polega na takim ukształtowaniu struktur matowych, że charakterystyki rozpraszania są zróżnicowane w odniesieniu do zmiany barwy i kontrastu we względnej jasności. Uzyskany w wyniku tego efekt optyczny umożliwia wyjątkowo dobre odgraniczenie cech optycznych.

PL 203 166 B1

Inne korzystne efekty optyczne można osiągnąć tak, że struktury matowe różnią się swoją średnią głębokością i/lub swoją długością korelacyjną. Za pomocą parametrów w postaci średniej głębokości i długości korelacyjnej można wyznaczyć szerokość stożka rozpraszania i jego kształt. Częściowe powierzchnie ze strukturami matowymi, które różnią się w odniesieniu do powyższych parametrów, charakteryzują się zatem różnie ukształtowanymi stożkami rozpraszania.

Struktury matowe mogą mieć postać izotropowych struktur matowych. Pojecie „izotropowy oznacza przy tym, że charakterystyka rozpraszania struktury matowej nie jest zależna od kąta obrotu w płaszczyźnie. Takie struktury izotropowe stosuje się zwłaszcza wówczas, gdy zmiany ką ta obrotu nie powinny pociągać za sobą zmiany optycznego działania zmiennego optycznie elementu.

Aby osiągnąć dodatkowe efekty optyczne, struktury matowe mogą mieć postać anizotropowych struktur matowych. W ten sposób można uzyskać efekty dynamiczne, na przykład zmianę jasności lub odcienia szarości zależnie od kąta obrotu.

Inna korzystna postać wykonania zmiennego optycznie wzoru powierzchniowego według wynalazku polega na tym, że achromatyczne struktury powierzchniowe stanowią achromatyczne struktury dyfrakcyjne odbijające i/lub makrostruktury o różnych charakterystykach odbicia.

Wielkość pojedynczych elementów strukturalnych w dyfrakcyjnej odbijającej strukturze powierzchniowej leży w przedziale od 2 do 10 μm. Typowa głębokość tych struktur powierzchniowych leży w przedziale od 500 nm do 2 μm. Wielkość makrostruktury znajduje się korzystnie w przedziale od 20 do 30 nm. Wysokość makrostruktury wynosi korzystnie mniej niż 5 μm, może jednak wynosić również 40 μm. Makrostruktury i struktury dyfrakcyjne odbijające działają w zasadzie poprzez odbicie. Dobierając różne charakterystyki odbicia, można uzyskać dużą liczbę różnych efektów optycznych.

Przy doborze wymiarów makrostruktur odstęp zboczy i ich nachylenie dla poszczególnych elementów należy w miarę możliwości dobrać tak, by efekty ugięcia nie występowały w zakresie widzialnym. Ponadto strukturę cienkopowłokową należy korzystnie umieścić na makrostrukturze, to znaczy w kierunku obserwatora.

Proste makrostruktury są dla powierzchni częściowych opisywane funkcjami matematycznymi, na przykład M(x,y) = a x (1 + sin(2nFy x y) dla makrostruktury okresowej. Fy oznacza przy tym częstość przestrzenna okresowej makrostruktury M(x,y) w kierunku osi współrzędnych y. Ponadto możliwe jest rozwiązanie, w którym makrostruktura jest złożona okresowo z zadanego wycinka innej funkcji matematycznej. Częstość przestrzenna Fy ma wartość co najwyżej 10 linii/mm, korzystnie zaś wynosi mniej niż 3 linie/mm.

Szczególnie korzystne jest przy tym ukształtowanie struktury powierzchniowej jednej powierzchni częściowej w kształcie zębów piły (struktury dyfrakcyjnej odbijającej). Przykłady innych korzystnych struktur geometrycznych stanowią struktury mikrosoczewkowe i struktury faliste (makrostruktury).

Zależnie od zastosowania korzystne jest użycie struktury cienkopowłokowej z cienką warstwą o wysokim współczynniku załamania lub struktury cienkopowłokowej z cienką warstwą o niskim współczynniku załamania. Wysoki współczynnik załamania wynosi korzystnie powyżej 2, na przykład 2.3 lub 2.4. Niski współczynnik załamania wynosi korzystnie mniej niż 1.5, na przykład 1.4.

Struktury cienkopowłokowe mogą być przy tym zbudowane na różne sposoby. Po pierwsze mogą się one składać z parzystej lub nieparzystej liczby warstw dielektrycznych o różnych współczynnikach załamania, na przykład z 5 lub 10 takich warstw. Ponadto struktura cienkopowłokowa może się składać z warstwy absorpcyjnej i warstwy dystansowej (λ/4 lub λ/2), z którą graniczy warstwa odbijająca lub optyczna (prześwitująca) warstwa rozdzielcza.

Korzystna jest także kombinacja zmiennego optycznie wzoru powierzchniowego według wynalazku z innymi cechami zabezpieczającymi. Tak na przykład można połączyć zmienny optycznie wzór powierzchniowy z występującą jedynie częściowo warstwą odbijającą lub ze strukturą dyfrakcyjną, na przykład „kinegramem. Ponadto można wytwarzać także mozaikowe wzory powierzchniowe.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zmienny optycznie wzór powierzchniowy przy kierunkowym oświetleniu światłem białym celem uwidocznienia działania kombinacji struktury cienkopowłokowej z dwiema izotropowymi strukturami matowymi, fig. 2 - układ zbliżony do fig. 1, przy czym zmienny optycznie wzór powierzchniowy w porównaniu do fig. 1 - został przechylony, oraz fig. 3 - schemat asymetrycznej struktury achromatycznej ze strukturą cienkopowłokową i płaskiej struktury cienkopowłokowej.

Na fig. 1 ukazane jest podłoże 10 ze wzorem powierzchniowym, który zawiera kombinacje struktury cien kopo włokowej z dwiema izotropowymi strukturami matowymi. Strzałka 12, skierowana

PL 203 166 B1 w stronę podłoża 10, uwidacznia kierunkowe oświetlenie światłem białym. Takie oświetlenie kierunkowe występuje przykładowo wówczas, gdy światło pochodzi z pojedynczego źródła światła, znajdującego się w dość dużej odległości od podłoża 10.

Obie struktury matowe podłoża 10 różnią się swoją średnią głębokością i/lub długością korelacyjną, w związku z czym jedna struktura matowa rozprasza padające kierunkowo światło białe w większym zakresie kątowym niż druga struktura matowa. Stożek rozpraszania struktury matowej o większym zakresie kątowym jest oznaczony odnośnikiem 14, zaś stożek rozpraszania drugiej struktury matowej jest oznaczony odnośnikiem 16.

Przy założeniu, że własności cienkiej powłoki i własności struktur matowych są w przybliżeniu niezależne od siebie, osiąga się te korzyść, że obserwator może łatwo stwierdzić charakterystyczną zmianę barw przy oświetleniu kierunkowym, ponieważ zmiana barw nie polega jedynie na lustrzanym odbiciu.

Odnośnikiem 18 jest oznaczony kierunek obserwacji, to znaczy kierunek patrzenia obserwatora na podłoże 10. Obserwator musi przechylić podłoże 10 i tak je ustawić, aby źródło światła pojawiło się w lustrzanym odbiciu. W wyniku nałożenia na siebie struktury cienkopowłokowej i obu struktur matowych następuje korzystne powiększenie obszarów obserwacji, w których widoczny jest efekt cienkiej powłoki. Zgodnie z fig. 1 przykładowo część powierzchni podłoża 10, zaopatrzona w strukturę matową ze stożkiem rozpraszania 16, widoczna jest w barwie jasnoczerwonej, to znaczy w czerwonej barwie cienkiej powłoki o odpowiednio dużym natężeniu. Ta powierzchnia częściowa, która jest pokryta strukturą matową ze stożkiem rozpraszania 14, widoczna jest wprawdzie w barwie czerwonej, jednak z uwagi na większy obszar rozpraszania jest ciemniejsza, ponieważ natężenie w kierunku obserwacji, oznaczonym strzałką 18, jest odpowiednio zredukowane. Uwidocznione jest to w postaci punktów 20 i 22.

Przy przechylaniu podłoża 10 - jak pokazano na fig. 2 następuje zmiana odbitego od cienkiej powłoki, kierunkowego oświetlenia 12 światłem białym, na przykład na barwę zieloną, co zaznaczono strzałką 23. Oznaczone strzałką 12, kierunkowe oświetlenie światłem białym i oznaczony strzałką 18 kierunek obserwacji pozostają bez zmian.

W wyniku różnych charakterystyk rozpraszania odpowiednio do stożka rozpraszania 14 i stożka rozpraszania 16 obu struktur matowych uprzednio jaśniejsza powierzchnia częściowa, oznaczona jako punkt 20 na fig. 1, wydaje się teraz ciemniejsza, zaś uprzednio ciemniejsza powierzchnia częściowa, oznaczona jako punkt 20 na fig. 1, wydaje się teraz jaśniejsza, zgodnie z punktem 22' na fig. 2. Konkretne barwy są przy tym określone przez cienką powłokę. Zmiana barwy z czerwieni w zieleń jest oczywiście podana jedynie przykładowo. Poza zmiana barwy zachodzi korzystnie także zmiana kontrastu we względnej jasności. Oba te efekty zmiany barw i kontrastu można korzystnie użyć jako elementy odniesienia, co pozwala na łatwa komunikację z obserwatorem.

Na fig. 3 uwidoczniona jest schematycznie kombinacja struktury cienkopowłokowej 24 z asymetryczną strukturą achromatyczną. Odnośnikiem 26 przedstawiony jest przy tym schematycznie wzór powierzchniowy, złożony z dwóch różnych elementów powierzchniowych 28 i 30, które stykają się ze sobą. Obszar 32 uwidacznia układ z przechyloną na zasadzie zębów piły strukturą cienkopowłokową, zaś obszar ukazuje schematycznie płaską strukturę cienkopowłokową. Różne optyczne działania obu struktur cienkopowłokowych 32 i 34 mają miejsce w zasadzie dlatego, że dla przechylonej struktury cienkopowłokowej 32 istnieje różnica pomiędzy decydującą o efekcie optycznym grubością Deff cienkiej powłoki i grubością Dphys fizycznie naparowanej warstwy. W przeciwieństwie do tego w przypadku płaskiej struktury cienkopowłokowej 34 nie ma różnicy pomiędzy decydującą o efekcie optycznym grubością Deff cienkiej powłoki i grubością Dphys fizycznie naparowanej warstwy. Za pomocą takiej struktury cienkopowłokowej 24 można korzystnie wytwarzać dwa różne efekty - zależnie od tego, czy na cienką powłokę zastosowano materiał o wysokim współczynniku załamania, czy też o niskim współczynniku załamania. Własności optyczne cienkich warstw są opisane na przykład w książce O.S. Heavens „Opticai properties of thin solid films, Londyn, Butterworths Scientific Publications, 1955, strony 154 i następne.

W przypadku materiału na cienką powłokę, mającego wysoki współczynnik załamania, można realizować rozwiązania, w których powierzchnie częściowe mają różne barwy, które pozostają stabilne w dość dużym zakresie kątów przechylania. W przypadku materiału na cienką powłokę, mającego niski współczynnik załamania, można realizować asymetryczną zmianę barw, to znaczy jedna powierzchnia częściowa 28 względnie 30 wykazuje przy przechylaniu na przykład zmianę barwy z czerwieni w zieleń, natomiast inna powierzchnia częściowa 30 względnie 28 wykazuje zmianę barwy z zieleni w czerwień. Czerwień jednej i czerwień drugiej powierzchni częściowej nie są jednak po ta6

PL 203 166 B1 kim przechyleniu identyczne, lecz różnią się lekko od siebie. To samo dotyczy odpowiednio barwy zielonej lub innych barw.

W ten sposób efekt achromatycznie dyfrakcyjny zostaje nałożony na efekt interferencyjny cienkiej powłoki z zadaną zmianą barw, wskutek czego zapewniona jest określona zmiana barw. Wywołana według wynalazku, określona zmiana barw eliminuje problemy związane definiowaniem, jakie występują względnie są trudne do usunięcia w przypadku znanej ciągłej zmiany barw.

Claims (11)

1. Element zmienny optycznie, znamienny tym, że częściowe powierzchnie zmiennego optycznie elementu o achromatycznych strukturach powierzchniowych, mających różne charakterystyki w zakresie rozpraszania, odbicia i ugięcia, występują w kombinacji, umieszczone jedna na drugiej, ze strukturą cienkopowłokową.

2. Element zmienny optycznie według zastrz. 1, znamienny tym, że achromatyczne struktury powierzchniowe mają postać struktur matowych o różnych charakterystykach rozpraszania.

3. Element zmienny optycznie według zastrz. 2, znamienny tym, że charakterystyki rozpraszania są zróżnicowane w odniesieniu do zmiany barwy i kontrastu we względnej jasności.

4. Element zmienny optycznie według zastrz. 2, znamienny tym, że struktury matowe różnią się swoją średnią głębokością i/lub swoją długością korelacyjną.

5. Element zmienny optycznie według zastrz. 2, znamienny tym, że struktury matowe mają postać izotropowych struktur matowych.

6. Element zmienny optycznie według zastrz. 2, znamienny tym, że struktury matowe mają postać anizotropowych struktur matowych.

7. Element zmienny optycznie według zastrz. 1, znamienny tym, że achromatyczne struktury powierzchniowe mają postać achromatycznych struktur dyfrakcyjnych odbijających i/lub makrostruktur o róż nych charakterystykach odbicia.

8. Element zmienny optycznie według zastrz. 7, znamienny tym, że struktura powierzchniowa jednej powierzchni częściowej ma postać struktury w kształcie zębów piły.

9. Element zmienny optycznie według zastrz. 1, znamienny tym, że struktura cienkopowłokowa zawiera warstwę cienką o wysokim współczynniku załamania, zwłaszcza o współczynniku załamania powyżej 2.

10. Element zmienny optycznie według zastrz. 1, znamienny tym, że struktura cienkopowłokowa zawiera warstwę cienką o niskim współczynniku załamania, zwłaszcza o współczynniku załamania poniżej 1,5.

11. Element zabezpieczony z elementem zmiennym optycznie według jednego z poprzednich zastrz.