RU228287U1 - Микрооптическая система формирования визуальных изображений - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится, преимущественно, к приспособлениям, используемым для удостоверения подлинности изделий, и может быть эффективно использована для защиты банкнот, ценных бумаг, документов, пластиковых карточек, акцизных марок, а также брендов от подделки. Микрооптическая система формирования визуальных изображений представляет собой размещенный на плоской подложке однослойный фазовый оптический элемент. Область оптического элемента Q разбита на элементарные области размером менее 100 микрон так, что одна часть элементарных областей отвечает за формирование трехмерного изображения поверхности первого барельефа, а вторая часть отвечает за формирование изображения поверхности второго барельефа. Для изготовления микрорельефа используется электронно-лучевая литография с точностью формирования микрорельефа 20 нанометров по глубине. При освещении микрооптической системы белым светом при углах дифракции от -40 до 40 градусов наблюдатель на всей поверхности оптического элемента видит эффект смены двух барельефных изображений. Заявленная совокупность существенных признаков полезной модели обеспечила достижение технического результата, заключающегося в расширении возможностей визуального контроля, а также в повышении защищенности микрооптической системы от подделок. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

Полезная модель относится, преимущественно, к приспособлениям, используемым для удостоверения подлинности изделий, и может быть эффективно использована для защиты банкнот, ценных бумаг, документов, пластиковых карт от подделки.

В настоящее время, с целью предотвращения подделки банкнот, ценных бумаг, документов, пластиковых карт используют различные защитные технологии. Это могут быть водяные знаки, ныряющие нити, голограммы, внедренные жидкокристаллические оптические элементы, изменяющие поляризацию падающего света, латентные изображения и т.п. Дифракционные оптические элементы позволяют создавать различные дифракционные эффекты при изменении положения оптического элемента относительно источника света или наблюдателя. В последнее время появляется большое количество публикаций патентов с так называемыми плазмонными технологиями (Jiang, Нао, Bozena Kaminska, Hector Porras, et al "Microlens Arrays above Interlaced Plasmonic Pixels for Optical Security Devices with High-Resolution Multicolor Motion Effects." Advanced Optical Materials 7 (2019)). Это направление связано в первую очередь с оптическими метаматериалами и оно представляет безусловный научный интерес (Lim, К.Т.Р., Liu, Н., Liu, Y. et al. "Holographic colour prints for enhanced optical security by combined phase and amplitude control." Nature Communications 10, 25 (2019)). Однако с точки зрения приложений большие проблемы возникают при попытках массового изготовления разработанных метаструктур. К одной из важных разработок в области оптических защитных элементов относятся микрооптические системы для формирования изображений с кинетическими эффектами движения (патенты CIIIA N 7,468,842 N 7,333,268). Основным недостатком этой технологии является большая толщина микрооптической системы, так как она состоит из двух слоев (слой микролинз и слой микроизображений). Заявленная микрооптическая система по сравнению с патентом США N 7,468,842 имеет меньшую толщину поскольку является однослойной.

Близкой по совокупности признаков является патент на полезную модель RU 127208 "Микрооптическая система формирования визуальных изображений." Изображение формируется с помощью пересекающихся линз Френеля с параболической и седлообразной фазовой функцией. При небольших углах дифракции наблюдатель видит изображение цифр или букв, которые при наклонах оптического элемента изменяют свое положение друг относительно друга. Формируемое микрооптической системой изображение состоит из светящихся точек и является двумерным. При больших углах дифракции микрооптическая система в полезной модели RU 127208 позволяет формировать другое двумерное изображение. В заявленной полезной модели основным контролируемым визуальным признаком является смена трехмерных изображений двух барельефов.

Наиболее близкой (прототип) является полезная модель RU 146690 "Микрооптическая система формирования визуальных изображений". Эта микрооптическая система формирования визуальных изображений, представляет собой размещенный на плоской подложке однослойный фазовый оптический элемент. Область оптического элемента Q разбита на две непересекающиеся области R и D, область R состоит из элементарных областей, заполненных дифракционными решетками. Область D отвечает за формирование трехмерного изображения барельефа, видимого наблюдателю при малых углах дифракции. При больших углах дифракции на все области оптического элемента наблюдатель видит цветное двумерное изображение. Принципиальное отличие заявленной полезной модели является то, что заявленная микрооптическая система формирует эффект смены трехмерных изображений поверхности двух барельефов. Физически наблюдатель видит в одной и той же области оптического элемента при определенных углах наклона оптического элемента изображение первого барельефа, а при других углах наклона в том же месте изображение второго барельефа. Эта задача является намного более сложной по сравнению с прототипом (RU 146690).

Задачей настоящей заявки на полезную модель является расширение возможностей визуального контроля по сравнению с прототипом и создание микрооптической системы для визуального контроля с более высоким уровнем защищенности от подделок, а также сужение круга технологий, которые позволяют синтезировать данный визуальный эффект.

Поставленная задача с достижением указанного технического результата решается в заявленных микрооптических системах по п. 1 и 2. Микрооптическая система по п. 1 представляет собой размещенный на плоской подложке однослойный фазовый оптический элемент. Область оптического элемента Q разбита на элементарные области Q_ij размером менее 100 микрон, i=l,2…I, j=l,2,…,J, I, J-заданные параметры. В области Q⁽¹⁾, состоящей из элементарных областей, для которых сумма i+j нечетна, сформирован плоский оптический элемент, фазовая функция которого ϕ⁽¹⁾(х,у) равна сумме функции h⁽¹⁾ (х,у), описывающей поверхность первого барельефа, и линейной функции ψ⁽¹⁾(х,у)=а₁х+b₁y. В области Q⁽²⁾, состоящей из элементарных областей, для которых сумма i+j четна, сформирован плоский оптический элемент фазовая функция которого ϕ⁽²⁾(х,у) равна сумме функции h⁽²⁾(x,y), описывающей поверхность второго барельефа, и линейной функции ψ⁽²⁾(x,y)=a₂x+b₂y. Здесь х, у -декартовы координаты в плоскости оптического элемента, а₁, b₁, а₂,b₂ - заданные константы. При освещении микрооптической системы белым светом при углах наклона подложки в диапазоне от -40 до+40 градусов наблюдатель на всей поверхности оптического элемента видит эффект смены двух барельефных изображений.

Микрооптическая система по п. 2 представляет собой размещенный на плоской подложке однослойный фазовый оптический элемент. В области Q выделена область R, которая состоит из K элементарных областей R_k, k=1…K, каждая из которых имеет размер не более 50 мкм. Параметры областей R_k выбираются так, чтобы в круге радиусом 300 мкм с центром в любой точке, принадлежащей области оптического элемента Q, содержит не менее 5 элементарных областей R_k. Элементарные области R_k заполнены дифракционными решетками с периодами менее 0,7 мкм. При освещении микрооптической системы белым светом при углах наклона подложки в диапазоне от -40 до+40 градусов наблюдатель на всей поверхности оптического элемента видит эффект смены двух барельефных изображений. При углах наклона подложки более 40° наблюдатель видит на всей поверхности оптического элемента двухмерное цветное изображение, формируемое дифракционными решетками.

Микрооптическая система формирования визуальных изображений по пп. 1-2, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью частичного отражения и частичного пропускания света.

Микрооптическая система формирования визуальных изображений по пп. 1-2, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью пропускания света.

Микрооптическая система формирования визуальных изображений по пп. 1-2, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью отражения света.

Микрооптическая система формирования визуальных изображений по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что выполнена в виде защитной метки для банкнот, ценных бумаг, документов, пластиковых карточек, банковских расчетных карточек, акцизных, идентификационных, контрольных марок, а также различных товаров, защищающей их от подделки.

Сущность полезной модели поясняется изображениями, где на фиг. 1 и 2 приведены схемы наблюдения визуальных изображений при положительных и отрицательных углах дифракции соответственно; на фиг.3 приведен пример расположения элементарных областей Q_ij на области оптического элемента Q по п. 1; на фиг. 4 приведен пример расположения элементарных областей Q_ij и областей R_k на области оптического элемента Q по п. 2; на фиг. 5 и 6 приведены примеры первого и второго барельефного изображения; на фиг. 7 приведен фрагмент микрорельефа оптического элемента в областях Q⁽¹⁾ и Q⁽²⁾; на фиг. 8 приведен пример 2D-изображения, видимого при больших углах дифракции.

Микрооптическая система, заявленная в настоящем техническом решении, представляет собой расположенный на плоской подложке плоский оптический элемент.На фиг.1 и 2 приведены схемы наблюдения микрооптической системы для положительных и отрицательных углов дифракции 9 соответственно. При положительных углах наблюдатель может видеть изображение первой барельефной поверхности, а при отрицательных - второй барельефной поверхности. Микрооптическая система обозначена цифрой 1, источник света обозначен цифрой 2, наблюдатель, обозначенный цифрой 3, видит изображение под углом θ.

На фиг. 3 приведено разбиение области Q микрооптической системы по п. 1 на элементарные области Q_ij. Области с нечетной суммой i+j формируют область Q⁽¹⁾. Эти области на фиг.3 белого цвета. Области с четной суммой i+j формируют область Q⁽²⁾, которые обозначены на фиг. 3 черным цветом. Область Q⁽¹⁾ отвечает за формирование изображения первого барельефа, а область Q⁽²⁾ за формирование второго барельефа.

Фиг. 4 иллюстрирует один из возможных вариантов расположение элементарных областей R_k, k=1…K на фрагменте микрооптической системы по п. 2. Каждая из элементарных областей R_k имеет размер не более 50 мкм. Любой круг радиусом 300 мкм с центром в точке, принадлежащей области оптического элемента Q, содержит не менее 5 элементарных областей R_k. Элементарные области R_k заполнены дифракционными решетками с периодами менее 0,7 мкм. Решетки могут отличаться как периодом, так и углом наклона штрихов. Такое расположение элементарных областей позволяет сформировать цветное 2D изображение, видимое наблюдателю на всей области оптического элемента при больших углах дифракции θ.

На фиг. 5 и фиг. 6 приведены примеры поверхностей первого и второго барельефов соответственно. Форма поверхности первого барельефа задается функцией h⁽¹⁾(x,y), Здесь х, у -декартовы координаты в плоскости оптического элемента. Плоский оптический элемент согласно формуле полезной модели имеет в области Q⁽¹⁾ фазовую функцию ϕ⁽¹⁾(х,у) равную сумме функции h⁽¹⁾(x,y), описывающей поверхность первого барельефа, и линейной функции ψ⁽¹⁾(х,у)=а₁х+b₁y. Здесь а₁ и b₁ - заданные константы. Оптический элемент с линейной фазовой функцией представляет собой отражающую наклонную плоскость. Линейное слагаемое в фазовой функции ϕ⁽¹⁾(х,у) обеспечивает возможность синтеза предложенной микрооптической системы для разного расположения источника света и наблюдателя относительно плоского оптического элемента. Форма поверхности второго барельефа задается функцией h⁽²⁾(x,y). Плоский оптический элемент согласно формуле полезной модели имеет в области Q⁽²⁾ фазовую функцию ϕ⁽²⁾(х,у) равную сумме функции h⁽²⁾(x,y), описывающей поверхность первого барельефа, и линейной функции ψ⁽²⁾(х,у)=а₂х+b₂y. Здесь а₂ и b₂ - заданные константы. Каждый плоский фазовый оптический элемент однозначно задается своей фазовой функцией. Фазовая функция однозначно определяет микрорельеф плоского оптического элемента. Зная ϕ(х,у) можно рассчитать и изготовить плоский фазовый оптический элемент с глубиной микрорельефа порядка длины волны, формирующий заданное изображение (Гончарский А.В., Гончарский А.А. "Компьютерная оптика. Компьютерная голография" Изд-во МГУ, Москва 2004, ISBN 5-211-04902-0).

На фиг. 7 приведен увеличенный фрагмент микрорельефа размером 10×10 микрон. Микрорельеф с такими параметрами позволяет формировать изображение, видимое наблюдателю при углах дифракции θ от -40 до 40 градусов. Особенностью такого микрорельефа, как видно из рисунка 6 является многоградационным и асимметричным. Глубина микрорельефа составляет порядка 0,25 микрона. Для формирования микрорельефа может быть использована электронно-лучевая технология (Гончарский А.В., Гончарский А.А. "Компьютерная оптика. Компьютерная голография" Изд-во МГУ, Москва 2004, ISBN 5-211-04902-0). Электронно-лучевая технология позволяет формировать микрорельеф с высокой точностью порядка 10-20 нанометров по глубине микрорельефа.

На фиг. 8 приведен пример двумерного цветного изображения, формируемого микрооптической системой при больших углах дифракции. Это двумерное изображение формируется фрагментами дифракционных решеток на всей области оптического элемента.

Основное отличие заявленной микрооптической системы от прототипа (полезная модель RU 146690) заключается в следующем. В прототипе визуальный эффект состоял в возможности формирования одного барельефного 3D-изображения при небольших углах дифракции. При больших углах дифракции наблюдатель видел на всей поверхности оптического элемента цветное 2D-изображение. В заявленной полезной модели, в отличие от прототипа, микрооптическая системы по п. 1 формирует эффект смены двух трехмерных изображений поверхностей барельефов.

Микрооптическая система по п. 2 формирует как эффект смены двух трехмерных изображений поверхностей барельефов при небольших углах дифракции, так и возможность формирования цветного 2D-изображения при больших углах дифракции.

Эффект смены двух трехмерных изображений поверхности барельефов позволяют формировать простой, легко контролируемый визуальный признак, слабо зависящий от размера и спектра источника света.

Изготовление заявленных микрооптических систем представляет собой сложную задачу, поскольку точность изготовления микрорельефа составляет 20 нанометров, а разрешение составляет десятые доли микрона. Изготовление микрооптических систем возможно с использованием электронно-лучевой технологии, которая не является распространенной, но является дорогостоящей и наукоемкой.

В качестве примера реализации полезной модели были изготовлены две микрооптические системы. Первая из них демонстрирует возможность реализации микрооптических систем по п. 1. Вторая - демонстрирует возможность реализации микрооптических систем по п. 2. Размер микрооптических систем в обоих случаях составлял 16×16 мм. Микрорельеф плоских оптических элементов записывался с помощью электроннолучевой литографии (электронный литограф Carl Zeiss ZBA-21) на пластинах с электронным резистом. Микрорельеф микрооптических систем является многоградационным (Гончарский А.В., Гончарский А.А. "Компьютерная оптика. Компьютерная голография" Изд-во МГУ, Москва 2004, ISBN 5-211-04902-0). Точность изготовления микрорельефа составляет порядка 20 нм. Микрооптические системы представляют собой никелевые гальванокопии микрорельефа полученного на электронном резисте.

В первом примере была изготовлена микрооптическая система, которая при углах дифракции углах дифракции θ от 0 до 40 градусов формирует изображение поверхности первого барельефа. При углах дифракции θ от -40 до 0 градусов наблюдатель видит изображение поверхности второго барельефа. Расположение областей Q^(l) и Q⁽²⁾ соответствует фиг. 3. Таким образом был сформирован эффект смены двух изображений трехмерных поверхностей (барельефов), представленных на фиг. 5 и фиг. 6. Сложности расчета и изготовления заявленных микрооптических систем заключается в том, что изображения первого и второго барельефов формируется в одном и том же месте. Микрорельеф микрооптических систем должен быть рассчитан и изготовлен с точностью порядка 20 нанометров по высоте, чтобы при наблюдении изображения первого барельефа исключить появление следов изображения второго барельефа и наоборот. Изготовленный образец микрооптической системы продемонстрировал высокое качество визуального эффекта смены двух изображений барельефов.

Во втором примере была изготовлена микрооптическая система по п. 2 с использованием схемы расположения областей Q⁽¹⁾, Q⁽²⁾ и областей R_k в соответствии с фиг. 4. Размер элементарных областей Q_ij составил 40×40 микрон. Размер областей R_k составил 10×10 микрон. В отличие от микрооптической системы по п. 1. в микрорельеф микрооптической системы по п. 2 включены фрагменты дифракционных решеток, расположенных в областях R_k. Как показано на фиг. 8, микрооптическая система по п. 2 формирует при углах дифракции более 40 градусов 2D-изображение, состоящее из цветных ромбов. Для формирования 2D-изображения использовались дифракционные решетки с периодами 0,6 микрона и 0,5 микрона. Изготовленный образец микрооптической системы продемонстрировал высокое качество визуального эффекта смены двух изображений барельефов при углах дифракции θ от -40 до 40 градусов, а также цветного 2D-изображения, видимого наблюдателю при больших углах дифракции θ более 40 градусов.

Изготовленные образцы микрооптических систем продемонстрировали, что визуальный защитный признак смены двух барельефных изображений слабо зависит от источника света.

Разработанные методы синтеза микрооптических систем позволяют изготавливать мастер-матрицы для массового тиражирования оптических защитных элементов. Такие элементы могут быть использованы для защиты от подделки банкнот, ценных бумаг, документов, пластиковых карточек, банковских расчетных карточек, акцизных, идентификационных, контрольных марок, а также различных товаров.

Claims (6)

1. Микрооптическая система формирования визуальных изображений, представляющая собой размещенный на плоской подложке однослойный фазовый оптический элемент, отличающаяся тем, что область оптического элемента Q разбита на элементарные области Q_ij размером менее 100 микрон, i=l,2…I, j=1,2,…,J, I, J - заданные параметры, в области Q⁽¹⁾, состоящей из элементарных областей, для которых сумма i+j нечетна, сформирован плоский оптический элемент, фазовая функция которого ϕ⁽¹⁾(х,у) равна сумме функции h⁽¹⁾(х,у), описывающей поверхность первого барельефа, и линейной функции ψ⁽¹⁾(х,у)=a₁x+b₁y, в области Q⁽²⁾, состоящей из элементарных областей, для которых сумма i+j четна, сформирован плоский оптический элемент, фазовая функция которого ϕ⁽²⁾(х,у) равна сумме функции h⁽²⁾(x,y), описывающей поверхность второго барельефа, и линейной функции ψ⁽²⁾(x,y)=а₂х+b₂y, здесь х, у -декартовы координаты в плоскости оптического элемента, а₁,b₁, а₂,b₂ - заданные константы, при освещении микрооптической системы белым светом при углах наклона подложки в диапазоне от -40 до+40 градусов наблюдатель на всей поверхности оптического элемента видит эффект смены двух барельефных изображений.

2. Микрооптическая система формирования визуальных изображений по п. 1, отличающаяся тем, что в области Q выделена область R, которая состоит из K элементарных областей R_k, k=1…K, каждая из которых имеет размер не более 50 мкм, причем любой круг радиусом 300 мкм с центром в точке, принадлежащей области оптического элемента Q, содержит не менее 5 элементарных областей R_k, элементарные области R_k заполнены дифракционными решетками с периодами менее 0,7 мкм, при освещении микрооптической системы белым светом при углах наклона подложки в диапазоне от -40 до +40 градусов наблюдатель на всей поверхности оптического элемента видит эффект смены двух барельефных изображений, а при углах наклона подложки более 40° наблюдатель видит на всей поверхности оптического элемента другое двухмерное цветное изображение, формируемое находящимися в элементарных областях R_k дифракционными решетками.

3. Микрооптическая система формирования визуальных изображений по пп. 1, 2, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью частичного отражения и частичного пропускания света.

4. Микрооптическая система формирования визуальных изображений по пп. 1, 2, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью пропускания света.

5. Микрооптическая система формирования визуальных изображений по пп. 1, 2, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью отражения света.

6. Микрооптическая система формирования визуальных изображений по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что выполнена в виде защитной метки для банкнот, ценных бумаг, документов, пластиковых карточек, банковских расчетных карточек, акцизных, идентификационных, контрольных марок, а также различных товаров, защищающей их от подделки.