RU196408U1

RU196408U1 - MICRO-OPTICAL SYSTEM FOR FORMING 2D IMAGES

Info

Publication number: RU196408U1
Application number: RU2019138263U
Authority: RU
Inventors: Антон Александрович Гончарский; Александр Владимирович Гончарский; Святослав Радомирович Дурлевич; Дмитрий Владимирович Мельник
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Центр Компьютерной Голографии"
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2020-02-28

Abstract

Полезная модель относится к приспособлениям, используемым для удостоверения подлинности изделий, и может быть эффективно использована для защиты паспортов, документов и пластиковых карт от подделки. Микрооптическая система представляет собой прозрачный для оптического излучения плоский фазовый элемент. Микрооптическая система состоит из элементарных областей, содержащих фрагменты киноформов. Размер элементарных областей составляет не более 80 микрон, соседние области располагаются на расстоянии не более 80 микрон друг от друга. Микрооптическая система при ее освещении точечным источником белого света формирует в отраженном свете анимированное изображение при перемещении источника света относительно оптического элемента. Технический результат заключается в расширении возможностей визуального контроля оптических защитных элементов. 7 ил.The utility model relates to devices used for authentication of products, and can be effectively used to protect passports, documents and plastic cards from falsification. The micro-optical system is a flat phase element transparent to optical radiation. The micro-optical system consists of elementary regions containing fragments of kinoforms. The size of the elementary regions is not more than 80 microns, neighboring regions are located at a distance of not more than 80 microns from each other. When illuminated with a point source of white light, the micro-optical system forms an animated image in reflected light when the light source is moved relative to the optical element. The technical result consists in expanding the capabilities of visual control of optical protective elements. 7 ill.

Description

Заявляемая в качестве полезной модели микрооптическая система формирования изображений для визуального контроля относится, преимущественно, к приспособлениям, используемым для удостоверения подлинности изделий, и может быть эффективно использована для защиты паспортов, документов и пластиковых карт от подделки.Declared as a utility model, the micro-optical imaging system for visual inspection relates mainly to devices used to authenticate products, and can be effectively used to protect passports, documents and plastic cards from counterfeiting.

В настоящее время с целью предотвращения подделки паспортов, документов и пластиковых карт широко используются рельефные голограммы (van Renesse, Rudolf L, Optical Document Security, 3^rd ed. British Library Cataloguing in Publication Data, 2005, ISBN 1-58053-258-6, van Renesse, Rudolf L, Optical Document Security, 2^nd ed. British Library Cataloguing in Publication Data, 1998, ISBN 0-89006-982-4). Одной из основных проблем контроля подлинности паспортов, документов и пластиковых карт является разработка новых защитных оптических элементов для визуального контроля. Такие элементы должны допускать надежный визуальный контроль, слабо зависящий от условий освещения. Защитные элементы должны быть хорошо защищены от подделки или имитации, и допускать массовое тиражирование.Currently, in order to prevent counterfeiting of passports, documents and cards widely used relief hologram (van Renesse, Rudolf L, Optical Document Security, 3 ^{rd ed. British Library Cataloguing in Publication} Data, 2005, ISBN 1-58053-258-6, van Renesse, Rudolf L, Optical Document Security, 2 ^nd ed. British Library Catalog in Publication Data, 1998, ISBN 0-89006-982-4). One of the main problems of authenticating passports, documents and plastic cards is the development of new protective optical elements for visual inspection. Such elements should allow reliable visual control, slightly dependent on lighting conditions. Protective elements should be well protected from counterfeiting or imitation, and allow mass replication.

Одним из видов защиты документов являются латентные изображения, которые невозможно увидеть при нормальных условиях освещения, но они становятся видимыми в поляризованном свете (US 6124970). Существуют и другие технологии изготовления различных скрытых изображений. Эти изображения визуализируются с помощью лазерного излучения. К таким элементам относятся так называемые CLR (Covert Laser-Readable) изображения. Разработаны приборы автоматизированного контроля CLR изображений (патент ЕА018419 (В1)). В этом патенте при освещении оптического элемента лазером формируется одно и то же изображение, контролируемое прибором. Недостатком такого метода контроля является невозможность его проведения без специальных приспособлений. Оптический элемент является металлизированным и не является прозрачным для оптического излучения.One type of document protection is latent images that cannot be seen under normal lighting conditions, but they become visible in polarized light (US 6124970). There are other manufacturing techniques for various hidden images. These images are visualized using laser radiation. Such elements include the so-called CLR (Covert Laser-Readable) images. Automated control devices for CLR images have been developed (patent EA018419 (B1)). In this patent, when an optical element is illuminated by a laser, the same image is formed, controlled by the device. The disadvantage of this method of control is the impossibility of its implementation without special devices. The optical element is metallized and is not transparent to optical radiation.

В отличие от патента ЕА018419 (В1) (прототип), в заявленной полезной модели оптический элемент является прозрачным и позволяет читать информацию, расположенную под ним. Для освещения используется не лазерное излучение, а обычный точечный источник белого света. В качестве такого источника можно использовать фонарик мобильного телефона. В среднем количество проданных в РФ мобильных телефонов приближается к количеству граждан. Таким образом, дополнительного приспособления для контроля подлинности оптического элемента не требуется. Визуальный контроль оптических элементов заключается в том, что наблюдатель освещает оптический элемент точечным источником света, при этом при движении источника света наблюдатель видит анимированное изображение.In contrast to the patent EA018419 (B1) (prototype), in the claimed utility model, the optical element is transparent and allows you to read the information located under it. For lighting, it is not laser radiation that is used, but an ordinary point source of white light. As such a source, you can use the flashlight of a mobile phone. On average, the number of mobile phones sold in the Russian Federation is approaching the number of citizens. Thus, an additional device for authenticating the optical element is not required. Visual control of the optical elements consists in the fact that the observer illuminates the optical element with a point light source, while the observer sees an animated image when the light source moves.

Задачей настоящей полезной модели является разработка микрооптических систем для защиты паспортов, документов, ID и пластиковых карт. Важнейшим требованием к микрооптическим системам, используемых для этих целей, является их прозрачность в оптическом диапазоне. В то же время, микрооптическая система должна обеспечивать высокий уровень защищенности от подделки. Задачей настоящей полезной модели является также обеспечение возможности использования стандартного высокопроизводительного технологического процесса изготовления, тиражирования и нанесения защитных элементов.The objective of this utility model is to develop micro-optical systems for protecting passports, documents, IDs and plastic cards. The most important requirement for micro-optical systems used for these purposes is their transparency in the optical range. At the same time, the micro-optical system should provide a high level of security against falsification. The objective of this utility model is also to enable the use of a standard high-performance manufacturing process, manufacturing, replication and application of protective elements.

Для этой цели в настоящей заявке на полезную модель предлагается использовать оптически прозрачный дифракционный оптический элемент, который в отраженном свете позволяет формировать 2D изображения при освещении элемента точечным источником белого света. При движении источника света наблюдатель видит анимированное изображение.For this purpose, in this application for a utility model, it is proposed to use an optically transparent diffractive optical element, which in reflected light allows the formation of 2D images when the element is illuminated by a point source of white light. When the light source moves, the observer sees an animated image.

Поставленная задача с достижением указанного технического результата решается в настоящей полезной модели, в которой предлагается использовать микрооптическую систему, состоящую из размещенного на плоской подложке оптически прозрачного дифракционного оптического элемента. Область оптического элемента включает элементарные области R_ij, i=1, 2, …I; j=1, 2, …J, где I, J - число разбиений оптического элемента на элементарные области по осям координат х,у, размер областей R_ij не превышает 80 микрон, соседние области располагаются на расстоянии не более 80 микрон друг от друга. Оптический элемент разделен на страйпы S_n, n=1, 2, …N, представляющие собой прямоугольные области шириной от 0,4 до 1,5 мм, внутри каждого страйпа S_n элементарные области R_ij заполнены одинаковыми киноформами, формирующими изображение кадра K_n(х,у), n=1, 2, …N. Остальная область оптического элемента является пустой. При освещении микрооптической системы точечным источником света наблюдатель видит при движении источника света анимированное изображение, состоящее из последовательности кадров K_n, n=1,…N. Траектория движения источника света должна пересекать страйпы S_n.The problem with the achievement of the technical result is solved in this utility model, in which it is proposed to use a micro-optical system consisting of an optically transparent diffractive optical element placed on a flat substrate. The region of the optical element includes elementary regions R _ij , i = 1, 2, ... I; j = 1, 2, ... J, where I, J is the number of partitions of the optical element into elementary regions along the x, y coordinate axes, the size of the regions R _ij does not exceed 80 microns, neighboring regions are located at a distance of no more than 80 microns from each other. The optical element is divided into strips S _n , n = 1, 2, ... N, which are rectangular regions with a width of 0.4 to 1.5 mm, inside each strip S _{n the} elementary regions R _{ij are} filled with the same kinoforms forming the image of the frame K _n (x, y), n = 1, 2, ... N. The rest of the optical element is empty. When illuminating a micro-optical system with a point light source, the observer sees an animated image consisting of a sequence of frames K _n , n = 1, ... N when the light source moves. The trajectory of the light source must intersect the strips S _n .

Центральным моментом является использование многоградационных киноформов как оптических элементов, формирующих заданное изображение в фокальной плоскости, параллельной плоскости оптического элемента. Оптический элемент "киноформ" был впервые введен в обращение в статье Лизема (L.B. Lesem, P.M. Hirsch, J.A. Jordan "The Kinoform: A New Wavefront Reconstruction Device", IBM J. Res. Develop. 13, 150 (1969)). Киноформ представляет собой плоский фазовый оптический элемент с глубиной микрорельефа не более 0,3 микрона. Если задано изображение K_n(х,у) в фокальной плоскости, существуют разработанные итерационные алгоритмы, позволяющие рассчитать фазовую функцию плоского оптического элемента. Фазовая функция однозначно определяет микрорельеф плоского оптического элемента (Гончарский А.В., Гончарский А.А. "Компьютерная оптика. Компьютерная голография" Изд-во МГУ, Москва 2004, ISBN 5-211-04902-0).The central point is the use of multi-gradation kinoforms as optical elements forming a given image in the focal plane parallel to the plane of the optical element. The optical element "kinoform" was first introduced into the article by Lysem (LB Lesem, PM Hirsch, JA Jordan "The Kinoform: A New Wavefront Reconstruction Device", IBM J. Res. Develop. 13, 150 (1969)). Kinoform is a flat phase optical element with a microrelief depth of not more than 0.3 microns. If the image K _n (x, y) is specified in the focal plane, there are developed iterative algorithms that allow one to calculate the phase function of a planar optical element. The phase function uniquely determines the microrelief of a flat optical element (Goncharsky A.V., Goncharsky A.A. "Computer optics. Computer holography" Publishing House of Moscow State University, Moscow 2004, ISBN 5-211-04902-0).

Совокупность заявленных признаков обеспечивает достижение заявленного технического результата.The combination of the claimed features ensures the achievement of the claimed technical result.

Сущность полезной модели поясняется изображениями, где на фиг. 1 приведена схема разбиения области оптического элемента на элементарные области R_ij; на фиг. 2 приведена схема формирования страйпов S_n, n=1, 2, …N; на фиг 3 приведены кадры изображения K_n, n=1, 2, …N; на фиг. 4 приведена схема формирования изображения многоградационным киноформом, используемая для расчета его микроструктуры; на фиг. 5 представлена микроструктура многоградационного киноформа; на фиг. 6 приведено изображение одного из кадров K_n; на фиг. 7 приведена схема наблюдения визуального эффекта при освещении оптического элемента белым светом.The essence of the utility model is illustrated by images, where in FIG. 1 shows a diagram of dividing a region of an optical element into elementary regions R _ij ; in FIG. 2 shows a diagram of the formation of strips S _n , n = 1, 2, ... N; figure 3 shows the image frames K _n , n = 1, 2, ... N; in FIG. Figure 4 shows the image formation scheme of a multi-gradation kinoform used to calculate its microstructure; in FIG. 5 shows the microstructure of a multi-gradation kinoform; in FIG. 6 shows an image of one of the frames K _n ; in FIG. 7 is a diagram of observing a visual effect when illuminating an optical element with white light.

Микрооптическая система, заявленная в настоящей полезной модели, представляет собой расположенный на плоской подложке прозрачный плоский оптический элемент. В отличие от прототипа, в заявленной микрооптической системе оптический элемент является прозрачным для оптического излучения. Микрооптический элемент разбит на элементарные области R_ij, i=1, 2, …I, j=1, 2, …J, где I, J - число разбиений оптического элемента на элементарные области по осям координат х,у. Размер областей и расстояния между ними не превышают 80 микрон. Схема разбиения оптического элемента на элементарные области представлена на фиг. 1. Каждая элементарная область R_ij включает фрагмент киноформа, формирующего изображение на отражение при освещении оптического элемента белым светом.The micro-optical system claimed in this utility model is a transparent flat optical element located on a flat substrate. Unlike the prototype, in the inventive micro-optical system, the optical element is transparent to optical radiation. The micro-optical element is divided into elementary regions R _ij , i = 1, 2, ... I, j = 1, 2, ... J, where I, J is the number of partitions of the optical element into elementary regions along the x, y coordinate axes. The size of the regions and the distance between them do not exceed 80 microns. A scheme for dividing an optical element into elementary regions is shown in FIG. 1. Each elementary region R _ij includes a fragment of kinoform, forming an image on reflection when the optical element is illuminated with white light.

На фиг. 2 приведена схема формирования прямоугольных страйпов S_n. Страйпы расположены между пунктирными линиями на фиг. 2. Ширина страйпов по горизонтали лежит в пределах от 0,4 до 1,5 мм. По вертикали длина страйпа совпадает с вертикальным габаритом оптического элемента. В каждую область S_n, n=1, 2, …N, помещаются киноформы, формирующие одно и то же изображение. Киноформы, расположенные в каждом из страйпов S_n, формируют кадр изображения K_n(х,у), n=1, 2, …N. Обычно количество изображений N составляет от десяти до нескольких сотен. Фрагменты нескольких кадров K_n(х,у) приведены на фиг. 3.In FIG. 2 shows a diagram of the formation of rectangular strips S _n . The strips are located between the dashed lines in FIG. 2. The width of the strips horizontally lies in the range from 0.4 to 1.5 mm. Vertical stripe length coincides with the vertical dimension of the optical element. In each region S _n , n = 1, 2, ... N, kinoforms are formed that form the same image. The kinoforms located in each of the strips S _n form an image frame K _n (x, y), n = 1, 2, ... N. Typically, the number of N images is from ten to several hundred. Fragments of several frames K _n (x, y) are shown in FIG. 3.

На фиг. 4 приведена оптическая схема формирования изображения с помощью многоградационного киноформа. Оптический элемент расположен в плоскости z=0, обозначенной цифрой 1. Если изображение в плоскости z=f задано, то существуют разработанные итерационные алгоритмы, позволяющие рассчитать форму микрорельефа киноформа в элементарных областях R_ij (Гончарский А.В., Гончарский А.А. "Компьютерная оптика. Компьютерная голография" Изд-во МГУ, Москва 2004, ISBN 5-211-04902-0). На фиг. 5 представлена микроструктура многоградационного киноформа в градациях серого. Размер фрагмента киноформа составляет 80×80 микрон. Глубина микрорельефа пропорциональна потемнению в каждой точке изображения на фиг. 5. Максимальная глубина микрорельефа составляет 0,3 микрона. На фиг. 6 приведено изображение кадра, киноформ которого приведен на фиг. 5.In FIG. 4 shows an optical image forming circuit using multi-gradation kinoform. The optical element is located in the z = 0 plane, indicated by the number 1. If the image in the z = f plane is specified, then there are developed iterative algorithms to calculate the shape of the microrelief of the kinoform in elementary regions R _ij (Goncharsky A.V., Goncharsky A.A. "Computer Optics. Computer Holography" Publishing House of Moscow State University, Moscow 2004, ISBN 5-211-04902-0). In FIG. 5 shows the microstructure of multi-gradation kinoform in grayscale. The size of the kinoform fragment is 80 × 80 microns. The microrelief depth is proportional to the darkening at each point in the image in FIG. 5. The maximum microrelief depth is 0.3 microns. In FIG. 6 shows an image of a frame whose kinoform is shown in FIG. 5.

На фиг. 7 приведена схема наблюдения визуального эффекта. Плоскость оптического элемента обозначена цифрой 1. Свет от точечного источника 2 падает на оптический элемент, и формирует изображение, видимое наблюдателю. При движении источника света отраженное изображение перемещается по поверхности элемента, так что наблюдатель 3 видит анимированное изображение, состоящее из последовательности кадров K_n, n=1…N. Траектория движения источника света должна пересекать страйпы S_n.In FIG. 7 shows a visual effect observation scheme. The plane of the optical element is indicated by the number 1. Light from a point source 2 falls on the optical element and forms an image visible to the observer. When the light source moves, the reflected image moves along the surface of the element, so that observer 3 sees an animated image consisting of a sequence of frames K _n , n = 1 ... N. The trajectory of the light source must intersect the strips S _n .

Для того чтобы обеспечить высокое качество изображений при глубине микрорельефа порядка 0,3 микрона необходимо обеспечить точность формирования микрорельефа порядка 10 нм. Такую точность может обеспечить только электроннолучевая технология формирования микрорельефа. Электроннолучевая технология является наукоемкой, малораспространенной и очень дорогостоящей. Все это надежно защищает разработанные микрооптические системы от подделки. Образцы микрооптических систем, изготовленные с помощью электроннолучевой технологии, продемонстрировали высокое качество изображения. Разработанные элементы можно тиражировать большими тиражами, что обеспечивает их низкую стоимость при массовом производстве.In order to ensure high quality images with a microrelief depth of about 0.3 microns, it is necessary to ensure the accuracy of microrelief formation of about 10 nm. Such accuracy can only be ensured by electron beam microrelief formation technology. Electron beam technology is high-tech, small-scale and very expensive. All this reliably protects the developed micro-optical systems from falsification. Samples of micro-optical systems manufactured using electron beam technology have demonstrated high image quality. Designed elements can be replicated in large quantities, which ensures their low cost in mass production.

Таким образом, основные отличия заявленной полезной модели от прототипа заключаются в следующем:Thus, the main differences of the claimed utility model from the prototype are as follows:

1. В отличие от прототипа, заявленная в полезной модели микрооптическая система представляет собой прозрачный оптический элемент. Микрооптическая система в прототипе полностью металлизирована, и не является прозрачной для оптического излучения.1. In contrast to the prototype, the micro-optical system declared in the utility model is a transparent optical element. The micro-optical system in the prototype is completely metallized, and is not transparent to optical radiation.

2. В отличие от прототипа, для контроля подлинности микрооптической системы, заявленной в полезной модели, не нужно использовать специально сконструированные приборы. Контроль можно осуществлять визуально. Уровень защиты и в прототипе, и в заявленной полезной модели одинаков. И там, и там использованы многоградационные киноформы. Для имитации микроструктуры необходима точность формирования микрорельефа в 10 нм.2. Unlike the prototype, to control the authenticity of the micro-optical system, stated in the utility model, it is not necessary to use specially designed devices. Control can be carried out visually. The level of protection in the prototype and in the claimed utility model is the same. Both grades of film are used there and there. To simulate the microstructure, an accuracy of microrelief formation of 10 nm is required.

3. В прототипе для освещения используется источник когерентного света - лазерный диод. В заявленной полезной модели для освещения также можно использовать лазерный диод, но вполне достаточно использовать фонарик телефона, т.е. источник белого света. Таким образом, технология контроля для заявленной полезной модели намного проще при сохранении того же уровня защиты продукта.3. The prototype uses a coherent light source — a laser diode — for illumination. In the claimed utility model, a laser diode can also be used for lighting, but it is quite enough to use a phone flashlight, i.e. white light source. Thus, the control technology for the claimed utility model is much simpler while maintaining the same level of product protection.

Нижеприведенный пример конкретного выполнения изобретения подтверждает возможность осуществления изобретения, не ограничивая его объем.The following example of a specific implementation of the invention confirms the possibility of carrying out the invention without limiting its scope.

Пример. В качестве примера была рассчитана и изготовлена микрооптическая система по п. 1 формулы полезной модели. Микрооптическая система представляет собой прозрачный плоский фазовый оптический элемент. Размер оптического элемента 32×32 мм. Размер элементарных областей оптического элемента R_ij, заполненных киноформами, составляет 80×80 микрон. Микроструктура одного из киноформов приведена на фиг. 5. Размер фрагментов киноформа в каждой элементарной области составляет 80×80 микрон. В качестве источника света для наблюдения использовался фонарик мобильного телефона.Example. As an example, a micro-optical system according to claim 1 of the utility model formula was calculated and manufactured. The micro-optical system is a transparent flat phase optical element. The size of the optical element is 32 × 32 mm. The size of the elementary regions of the optical element R _ij filled with kinoforms is 80 × 80 microns. The microstructure of one of the kinoforms is shown in FIG. 5. The size of the kinoform fragments in each elementary region is 80 × 80 microns. A mobile phone flashlight was used as a light source for observation.

Для формирования микрорельефа использовалась установка электроннолучевого экспонирования ZBA-21 фирмы Carl Zeiss с изменяемой формой луча и с минимальным размером пикселя 0,1×0,1 микрона. Глубина микрорельефа составляла порядка 0,3 микрона. С помощью электроннолучевой литографии был сформирован микрорельеф оптического элемента размером 32×32 мм на пластине позитивного резиста. С помощью гальванопластики была получена мастер-матрица. С помощью установки мультипликации и гальванопластики была изготовлена мастер-матрица размером 6×6 дюймов. С помощью этой мастер-матрицы были изготовлены образцы микрооптических систем на стандартном тиражном голографическом оборудовании для производства голографических защитных элементов.For the formation of the microrelief, a ZBA-21 installation of Carl Zeiss company with a variable beam shape and with a minimum pixel size of 0.1 × 0.1 microns was used. The depth of the microrelief was about 0.3 microns. Using electron beam lithography, a microrelief of an optical element 32 × 32 mm in size was formed on a positive resist plate. Using electroplating, a master matrix was obtained. Using the installation of animation and electroplating, a 6 × 6 inch master matrix was manufactured. Using this master matrix, samples of micro-optical systems were manufactured using standard holographic circulation equipment for the production of holographic security elements.

Изготовленные образцы показали высокую эффективность предложенных в заявке решений.The manufactured samples showed high efficiency of the solutions proposed in the application.

Claims

A micro-optical system for generating visual images, characterized in that the micro-optical system consists of an optically transparent diffractive optical element placed on a flat substrate, the region of the optical element includes elementary regions R _ij , i = 1, 2, ... I; j = 1, 2, ... J, where I, J is the number of partitions of the optical element into elementary regions along the x, y coordinate axes, the size of the regions R _ij does not exceed 80 microns, neighboring regions are located at a distance of no more than 80 microns from each other, the optical element is divided into strips S _n , n = 1, 2, ... N, which are rectangles with a width of 0.4 to 1.5 mm, inside each region S _{n, the} elementary regions R _{ij are} filled with the same kinoforms forming the image of the frame K _n ( x, y), n = 1, 2, ... N, the remaining area of the optical element is empty, while under micro illumination optical system with a point source of white light, the observer sees when the light source moves, an animated image consisting of a sequence of frames K _n , n = 1, 2, ... N.