RU2593618C2

RU2593618C2 - Способ и устройство для создания цветных картин с использованием дифракционной решетки

Info

Publication number: RU2593618C2
Application number: RU2012124337/28A
Authority: RU
Inventors: Шарль БОЭГЛИ
Original assignee: Боэгли-Гравюр С.А.
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2010-11-22
Publication date: 2016-08-10
Also published as: EP2513687A1; CA2781475A1; JP2013514539A; CN102792193A; RU2012124337A; BR112012014869A2; CA2781475C; CN102792193B; EP2336810A1; US20120243094A1; US9140834B2; WO2011072408A1; BR112012014869B1; JP5905394B2

Abstract

Способ получения цветного изображения с помощью дифракционной решетки при воздействии света включает в себя создание на поверхности твердого тела массива дифракционной решетки в течение процесса микроструктурирования посредством воздействия лазера. Излучение лазера является излучением лазерной установки в наносекундном или пикосекундном диапазоне. Каждый массив дифракционной решетки состоит из подобластей, продольные размеры которых имеют значение, меньшее, чем разрешающая способность человеческого глаза. Каждая подобласть содержит, по крайней мере, один пиксель. Указанный один пиксель обеспечивает получение отдельного спектрального цвета. При этом способ дополнительно содержит этап анализа указанной поверхности твердого тела для получения на этой поверхности решетчатой формы, причем перед созданием дифракционной решетчатой поверхности поверхность твердого тела регулируют с учетом полученных требований к форме тела. Технический результат заключается в создании изображения с большой эффективностью и большей яркостью. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для получения цветного изображения с помощью дифракционной решетки согласно родовому понятию п.1 формулы. По существу, термин "цветное изображение" включает все типы модификации поверхности, на которых можно получить какой-либо цвет. В частности, цвета, как правило, смешанные цвета (хотя и не исключительно), аналогично человеческому глазу, обычно создаются посредством дифракции полихроматического света на соответствующей дифракционной решетке. Обычные цвета или смешанные цвета могут иметь место в микроструктурах, знаках, логотипах, или в специальной области применения - признаков аутентификации (признаки защиты).

Получение спектральных цветов, основных цветов и смешанного цвета посредством дифракционных микроструктур известно из уровня техники. Типичным примером получения таких цветов являются публикации WO 2006/066731 A1, WO 98/23979 или EP 0585966 A2. Во всех вышеперечисленных ссылках предшествующего уровня техники микроструктуру дифракционной решетки получают с помощью лазера или электронно-лучевой литографии на относительно мягкой синтетической подложке. Данные способы литографии требуют множества и отчасти сложных технологических операций, известных из литературы, для получения микроструктур решетки.

Эти способы также применимы к микроструктуре оптических дифракционных решеток согласно публикации US 2006/0018021 A1, где раскрыта эллиптическая микроструктура.

Известно множество областей применения, где используются оптические свойства, отвечающие, с одной стороны, высоким эстетическим потребностям человека, и, с другой стороны служащие для аутентификации товаров. Такие оптические свойства применяются например, в отношении упаковочной пленки для сигарет, пищи или лекарств (пленка, как правило, обрабатывается валиками для тиснения), или применяется в отношении поверхности декоративных предметов, например, корпуса часов, обычного или сапфирового стекла карманных наручных часов, или монет. В частности, цветные изображения, наносимые на упаковочную пленку, впоследствии могут иметь большое значение в случае, если металлизированный слой пленки будет сокращен или полностью исключен. Принимая во внимание вышеупомянутые валики для тиснения или декоративные предметы, микроструктурированию подвергается металлическая поверхность и в случае гравировального инструмента - это твердый слой материала. Этот процесс раскрыт, например, в заявке WO 2007/012215 A1 заявителя настоящего изобретения.

Таким образом, целью заявленного изобретения является обеспечение способа и устройства для получения микроструктуры дифракционной решетки с целью создания цветного изображения с большей дифракционной интенсивностью и большей яркостью, для применения в отношении гравировальных инструментов, таких как валики для тиснения или гравировальные штампы и, исходя из этого, для применения в отношении упаковочной пленки, или декоративных предметов. Эта задача достигается посредством способа по п. 1 и устройства по п. 13 формулы.

Далее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на чертежи, на которых изображены примеры его выполнения.

На фиг. 1 показана принципиальная схема устройства согласно настоящему изобретению, которое содержит две лазерные установки для создания массива дифракционной решетки непосредственно на поверхности твердого тела.

На фиг. 2 показан пример формирования лазерного луча после его прохождения через комбинацию маски и диафрагмы.

На фиг. 3 показано поперечное сечение предпочтительной микроструктуры концентрирующей дифракционной решетки.

На фиг. 4 показана первая маска для создания концентрирующей дифракционной решетки, имеющей структуру, показанную на фиг. 3.

На фиг. 5 показана вторая маска для создания концентрирующей дифракционной решетки, имеющей структуру, показанную на фиг. 3.

На фиг. 6 показана другая дифракционная решетка, представленная в виде решетки с колонками или несквозными отверстиями, содержащая треугольные колонки или углубления в поперечном сечении.

На фиг. 7 показан массив дифракционной решетки с объединенными цветными пикселами.

На фиг. 8 показан участок, невидимый по разрешению человеческому глазу и образованный из множества различных площадей цветных пикселей.

На фиг. 1 показано устройство для изготовления дифракционной решетки с двумя лазерными установками. Слева на чертеже расположена установка эксимерного лазера, пригодная для изготовления, например, массива концентрирующей дифракционной решетки. Справа на чертеже расположена лазерная установка, являющаяся фемто- или пикосекундной лазерной установкой, которая предназначена для создания маски и/или диафрагмы для получения, с одной стороны, структуры дифракционной решетки, а с другой стороны, эта установка предназначена для изготовления непосредственно работоспособной дифракционной решетки с волнообразным микрорельефом или для наложения одной микроструктуры решетки, получаемой посредством эксимерного лазера, на вторую микроструктуру дифракционной решетки при изменении расстояния между выступами волнообразной микроструктуры дифракционной решетки.

Первая лазерная установка L1 состоит из эксимерного лазера на молекулах фтористого криптона (KrF) с длиной волны 248 нанометра (нм), и предназначена для изготовления микроструктур на поверхности твердого тела согласно соответствующему способу проектирования маски. Вторая лазерная установка состоит из фемтосекундного лазера 15, который имеет среднюю длину волны 775 нм или увеличенную частоту в два, либо в три раза, и предназначена для создания наноструктур (например, дифракционной решетки с волнообразной микроструктурой) на поверхности твердого тела, или маски, согласно представленному способу. В рамках данной заявки термин «твердое тело» означает любой материал (подложку), на поверхность которого с помощью лазера может быть нанесена микроструктурированная дифракционная решетка, например, на стекло (стекло карманных наручных часов), либо на сапфировые, керамические поверхности, поверхности пригодных синтетических материалов, и, главным образом, на металлические поверхности ювелирных изделий и монет и, в частности, также на твердые материалы, поверхность которых обработана гравировальным инструментом, таким как гравировальная плита и гравировальный штамп для тиснения упаковочной пленки, а также органических твердых тел. Поверхность, о которой идет речь, может быть предварительно обработана химическим или механическим способом и структурирована. Кроме того, может быть предусмотрено покрытие твердым материалом, например, тетраэдрически связанным аморфным углеродом (ta-C), карбидом вольфрама (WC), карбидом бора (В₄С), карбидом кремния (SiC), или сходным твердым материалом.

Микроструктура может быть представлена, например, в виде так называемой концентрирующей дифракционной решетки, период которой равен от 1 до 2 мкм, с наноструктурой в виде, например, самоорганизующейся волнообразной микроструктуры, имеющей период от 300 нм до 1000 нм, которая действует как оптическая дифракционная решетка. Как будет изложено ниже, возможен любой массив периодической решетки дифракционно-оптической активной структуры, что приводит к получению угловой дисперсии (разделение на спектральные цвета) путем дифракции при воздействии света.

На фиг. 1 показан лазерный луч 2 прямоугольного сечения эксимерного лазера 1. Интенсивность лазерного луча может быть отрегулирована и изменена посредством аттенюатора 3. С помощью гомогенизатора 3А и полевой линзы 3В создают равномерное распределение интенсивности лазерного луча вдоль его поперечного сечения в однородной точке HS. Необходимый для формирования микроструктуры профиль лазерного луча в поперечном сечении получают путем однородного распределения интенсивности луча посредством маски 18, расположенной на уровне однородной точки HS.

Геометрическая форма отверстия диафрагмы 6, расположенной после маски, и предпочтительно находящейся в контакте с маской, предназначена для получения необходимой формы профиля лазерного луча - формы поперечного сечения или контура луча, после того, как луч прошел через маску 18. Маска 18 и диафрагма 6 расположены в устройстве замены маски и диафрагмы.

Вместо эксимерного лазера на молекулах фтористого криптона (KrF), в качестве первого лазера 1 может быть использован лазер на молекулах фтористого аргона (ArF) с длиной волны 193 нанометра (нм), лазер на молекулах фтора (F₂) с длиной волны 157 нм, или эксимерный лазер на молекулах ксенон-хлора с длиной волны 308 нм.

Вместо фемтосекундного лазера, в качестве второго лазера 15, может быть использован пикосекундный лазер Nd:YAG с длиной волны 1064 нм, или с длиной волны вдвое короче (532 нм) либо в три раза короче (266 нм).

После прохождения через маску 18 и диафрагму 6 лазерный луч, см. также фиг.2, падает на угловое зеркало 7, которое направляет луч через фокусирующую оптику, причем лазер отображает профиль подходящей интенсивности для образования микроструктуры на поверхности 9 слоя аморфного углерода (ta-C) вала для тиснения

10 при заранее заданном масштабе изображения, например 8:1. Стрелки 11 иллюстрируют следующее - валик для тиснения 10 может поворачиваться вдоль своей продольной оси на определенные углы. Кроме того, валик для тиснения 10 расположен на перемещающем устройстве 32.

Для регулирования конкретной точной позиции плоскости изображения лазерного луча, получаемого посредством оптики формирования изображения, для создания на слое по всей поверхности валика для тиснения микроструктур, положение валика для тиснения и, связанные с производством отклонения валика для тиснения от идеальной формы, измеряются посредством устройства 16 для обзора позиции валика для тиснения, например, с помощью тригонометрического способа измерений. Данные, полученные в результате такого измерения, используются в дальнейшем для автоматической регулировки ролика 10 для тиснения посредством перемещающего устройства 32 и для управления коррекцией вдоль оси z перемещающего устройства 32 в течение процесса структурирования.

Как уже было кратко упомянуто в описании, в примере конструкции согласно фиг. 1, интенсивность профиля, необходимая для процесса структурирования эксимерным лазером согласно соответствующему способу проектирования маски, формируется посредством маски и диафрагмы.

Ниже будет подробно описан данный процесс структурирования со ссылкой на фиг. 2. Лазерный луч 29 с равномерным распределением интенсивности 74 попадает на плоскость маски (HS). Профиль интенсивности вдоль поперечного сечения лазерного луча, необходимый для образования микроструктуры на поверхности слоя аморфного углерода (ta-C) валика для тиснения 10, формируют с помощью маски 18, расположенной в однородной точке HS. На настоящем чертеже схематически показана маска 18, имеющая прозрачные области 19, расположенные так, что они образуют решетку, и непрозрачный для лазерного луча промежуток 20. Таким образом, формируется профиль интенсивности 75 в виде решетки с кубическими профилями интенсивности.

Диафрагма 6, расположенная после маски в направлении действия лазерного луча, предпочтительно находится в контакте с маской. Диафрагма образует форму поперечного сечения профиля лазерного луча, после того, как луч прошел через отверстия маски 18 определенной геометрической формы или ее прозрачную поверхность. На настоящей фигуре форма отверстия 6Т диафрагмы, которое является прозрачным для лазерного луча, или форма поверхности диафрагмы внутри непрозрачной части 6Р, выполнена в виде треугольника. После прохождения через диафрагму профиль 76 лазерного луча 29А имеет треугольную форму в поперечном сечении.

На фиг. 2 в сильно увеличенном масштабе в направлении координаты "x" проиллюстрированы: период решетки маски 18, ее толщина, а также расстояние между кубическими профилями интенсивности 75, 76 лазерного луча после маски в направлении действия луча. Кроме того, в проиллюстрированном примере период решетки маски равен 4-20 мкм при масштабе решетки 8:1 по отношению к ее реальному размеру, с целью получения, например, микроструктур решеток с периодом 0,5-5 мкм на поверхности твердого тела 9 (например, слоя аморфного углерода (ta-c) на валике для тиснения 10), посредством лазерного луча 29А, сформированного маской. В действительности, при равных размерах площади поверхности однородной точки HS и структурированной области маски 18, например, 8 мм × 8 мм=64 мм², структурированная область маски в противоположность рисунку 2, состоит из ленточной решетки с периодом 400-2000 нм, а лазерный луч, сформированный маской, состоит из 400-2000 кубических профилей интенсивности.

Размер, форма, расстояние, положение и количество прозрачных поверхностей маски 18 (далее именуемых как «структура маски»), задают профиль интенсивности лазерного луча для создания микроструктуры, имеющей заранее заданный оптический эффект в слое аморфного углерода (ta-c). Диафрагма 6 задает поперечное сечение профиля интенсивности лазерного луча и, таким образом, геометрическую форму микроструктурированных поверхностных элементов на валике для тиснения. Термин «поверхностные элементы» используется для обозначения поверхности на валике для тиснения или гравировальной плите, причем поверхность, о которой идет речь, формируют лазерным лучом посредством маски и диафрагмы, попадающего на слой аморфного углерода (ta-c), которым покрыта поверхность вала, в виде последовательности импульсов этого луча без относительного перемещения лазерного луча и поверхности вала.

В результате путем изменения микроструктуры маски и, в частности, путем поворота маски вокруг оптической оси лазерного луча на предварительно заданные углы, направленность интенсивности профиля лазерного луча, сформированного маской, и попадающего на слой аморфного углерода (ta-c) валика для тиснения, посредством фокусирующей оптики 8, может быть изменена. Таким образом может быть изменен оптический эффект микроструктурированных поверхностных элементов при воздействии полихроматическим светом, например, направление наблюдения, угол обзора, а также цвет и интенсивность луча.

Посредством поворота диафрагмы 6 вокруг оптической оси лазерного луча на предварительно заданные углы, направление поперечного сечения, сформированного с помощью диафрагмы лазерного луча, попадающего на слой аморфного углерода (ta-c) на валик для тиснения через фокусирующую оптику, изменяется. Таким образом, может изменяться и направление образованных лазером поверхностных элементов на поверхности валика для тиснения.

Микроструктурированные поверхностные элементы могут располагаться рядом согласно конкретному изображению или, после поворота маски на предварительно заданный угол, могут быть совмещены с такой же микроструктурой под заданным углом. Кроме того, в случае, если используются разные маски, то могут быть совмещены различные микроструктуры в области поверхностных элементов. Если различные маски расположены рядом, то поверхностные элементы могут иметь одинаковую или различную поверхность и микроструктуру.

Если белый свет, близкий к солнечному, дифрагируется или если на дифракционную решетку воздействуют полихроматичным светом, например, посредством ламп дневного света или лампочек (далее - «свет»), вследствие зависимости угла дифракции от длины волны происходит так называемая угловая дисперсия, т.е. разделение света на спектральные цвета, фотоны которого имеют конкретную длину волны, т.е. происходит разделение на монохроматический свет. Таким образом, в случае, если ни один порядок дифракции не перекрыт, то можно наблюдать спектральные цвета в дифрагированном свете.

Согласно изобретению, посредством массивов дифракционной решетки создают смешанные цвета путем наложения длин волн спектральных цветов множества фотонов, которые можно наблюдать с одного или нескольких заранее выбранных углов обзора и одного или нескольких заранее выбранных азимутальных направлений обзора массивов дифракционной решетки. С помощью массивов дифракционной решетки на поверхности твердого тела, имеющей различные периоды решетки в микроскопических подобластях (площадь цветных пикселей, невидимая человеческому глазу) предпочтительно получают смешанные цвета при воздействии света на массив дифракционной решетки при помощи фотонов трех различных основных спектральных цветов -красного, зеленого и синего, длины волн которых входят в дифракционный спектр. Длина волны для основных спектральных цветов выбрана в зависимости от предполагаемого применения. Таким образом, если смешанный цвет будет видим человеческому глазу, то для основного спектрального красного цвета длина волны должна быть равна λ_кр=630 нм, зеленого - λ_зел=530 нм, синего - λ_син=430 нм. Перечисленные значения являются предпочтительными.

Массив дифракционной решетки может состоять, например, из участков цветных пикселей (главным образом красных, зеленых и синих пикселей), аналогично колбочкам сетчатки человеческого глаза, подразделяющихся на три типа и реагирующих на красный, зеленый и синий цвет. Применяемыми дифракционными решетками являются: решетки с канавками и решетки с ребрами, решетки с колонками, концентрирующие решетки, которые изготавливают посредством эксимерного лазера согласно соответствующему способу проектирования маски, самоорганизующиеся волнообразные решетки с предварительно подобранными периодами решетки, получаемые посредством воздействия фемто- или пикосекундных лазеров в соответствии с методом фокусировки или путем наложения друг на друга микроструктур.

При заданном угле падения света, или диффузного излучения, период дифракционной решетки и направление дифракционной решетки в площади цветного пикселя определяют направление дифракции спектральных цветов и, таким образом, определяют угол обзора и азимутального направления обзора основных цветов в отношении отдельного цветного пикселя. В связи с чем выбирают длину волны смешанного цвета, а массивы дифракционной решетки выравнивают таким образом, чтобы угол дифракции и направление дифракции, по крайней мере, одного порядка дифракции, было одинаковым для каждой длины волны смешанного цвета в целях достижения эффективного смешивания цвета в отношении, по крайней мере, одного угла обзора, по крайней мере, в одном азимутальном направлении.

Далее со ссылкой на фиг. 3 и 8 будет описано создание микроструктуры концентрирующей решетки, а также изготовление маски, пригодной для создания такой микроструктуры. В концентрирующей дифракционной решетке максимум разделительной функции, и, таким образом, максимум наибольшей интенсивности может быть смещен от максимума нулевого порядка дифракции до максимума большего порядка дифракции посредством изменения наклона граней, т.е. с помощью изменения угла блеска α_B, поскольку максимум разделительной функции и, следовательно, максимум наибольшей интенсивности всегда расположены в направлении отражения относительно нормали ступеней SN. Когда изменяется угол α_B, то угол дифракции α_m (угол обзора различных порядков дифракции и, следовательно, положения максимумов дифракционной решетки) остается неизменным до тех пор, пока период решетки g и угол падения света α_е являются постоянными. Кроме того, на фиг. 3 под позицией «s» показана боковая грань концентрирующей решетки, h - высота концентрирующей решетки, eS - падающий луч, GN - нормаль решетки, SN - нормаль ступеней.

Так как почти вся поверхность решетки или, точнее, поверхность, сформированная шириной ступени s, умноженная на длину канавки и на количество канавок, используется для получения эффекта дифракции, то интенсивность дифракции и, следовательно, наблюдаемая яркость рассеянных спектральных цветов в концентрирующей решетке существенно выше, чем дифракция на простой ленточной решетке (решетки с канавками и решетки с ребрами).

Микроструктуру концентрирующей решетки, показанную на фиг. 3, получают посредством маски, показанной на фиг. 4. Маска состоит из подложки кварцевого стекла, непрозрачная поверхность которого может быть получена с помощью фемтосекундного лазера или лазером на молекулах фтора, причем избегают одновременной передачи треугольной области луча, необходимого для получения микроструктуры концентрирующей решетки при воздействии упомянутого эксимерного лазера, и сканирования маски. При воздействии импульсами фемтосекундного лазера или лазера на молекулах фтора поверхность кварцевого стекла становится шероховатой и модифицируется таким образом, что падающий свет рассеивается, но не поглощается. Термин «модифицируется» предполагает изменение плотности материала, микроструктуры и показателя преломления подложки. Таким образом, обеспечивается очень низкая термическая нагрузка, высокая точность размеров и длительный срок службы.

При производстве маски на основе подложки кварцевого стекла посредством фемтосекундного лазера в соответствии с методом фокусировки или посредством лазера на молекулах фтора согласно соответствующему способу проектирования маски, получают непрозрачную область, содержащую прозрачные треугольные участки, путем сканирования с наименьшим возможным фокусом, или поперечное сечение F и перекрывающие друг друга импульсы, которые представлены на фиг. 4 в качестве небольших серых окружностей после воздействия фемтосекундным лазером или небольших окружностей черного цвета после воздействия лазера на молекулах фтора. Небольшие квадраты иллюстрируют то, что также может быть применен лазерный луч, поперечное сечение которого выполнено в виде квадрата. Таким образом, за исключением треугольников, показанных белым цветом, вся поверхность, проиллюстрированная серым цветом, сканируется. Более конкретно, просканированная поверхность становится шероховатой и модифицируется при соответствующей плотности потока лазерного луча так, что данная поверхность сильно рассеивает падающий луч эксимерного лазера и, следовательно, действует, как непрозрачная поверхность в отношении луча.

Величина G - основание треугольника, равная произведению 8 (использован масштаб 8:1 для получения концентрирующей дифракционной решетки согласно соответствующему способу проектирования маски посредством эксимерного лазера) на постоянную решетки g. Соответствующим образом, H - высота, φ - основной угол треугольника, I - расстояние между треугольниками в направлении сканирования маски. В случае, если используется лазер на молекулах фтора, то применяют масштаб 25:1.

Микроструктура концентрирующей решетки может альтернативно изготавливаться посредством ленточной маски 79 согласно фиг.5, причем полосы маски имеют две различные ширины, как требуется для получения канавки концентрирующей решетки, коэффициент пропускания которой колеблется между 0 и 1 и между 1 и 0 для соответствующей ширины полос в соответствии с заранее определенной линейной или ступенчатой функциями. И в этом случае, величины 8g и 8g × sinα_B являются результатом примененного масштаба 8:1, который использован при создании микроструктуры концентрирующей дифракционной решетки согласно соответствующему способу проектирования маски.

Существует большое количество возможных вариантов производства пригодной маски, которая может быть создана с помощью фемтосекундного лазера или лазера на молекулах фтора. Выбранную маску располагают вместе с подходящей диафрагмой в устройстве замены в целях получения микроструктуры концентрирующей решетки в первой лазерной установке L1, т.е для дальнейшего воздействия эксимерным лазером 1 согласно соответствующему способу проектирования маски. Диафрагма может быть получена тем же способом, что и маска. В качестве подложки для маски или диафрагмы могут быть использованы следующие материалы: кварцевое стекло (SiO₂), сапфир (Al₂O₃), фторид кальция (CaF₂), или фторид магния (MgF₂).

Фемтосекундный лазер может быть использован для получения волнообразной поверхности в микруструктуре решетки и позволяет создать спектральные цвета, которые затем могут быть смешаны. Для регулируемого создания различных интервалов волнообразных поверхностей, посредством которых получают желаемую постоянную решетки для создания соответствующего спектрального цвета, плоскость подложки наклонена на определенный угол по отношению к лазерному лучу в течение формирования волнообразной поверхности.

Поскольку, как упомянуто выше, сетчатка глаза человека воспринимает лишь область 200 мкм × 200 мкм, то максимальная длина стороны квадрата цветного пикселя должна иметь значение не менее, чем 200 мкм, деленное на 3 (66,67 мкм). Таким образом, чтобы получить смешанный цвет, область 200 мкм × 200 мкм должна содержать, по крайней мере 9 квадратных цветных пикселей основного цвета - красного, зеленого и голубого, причем каждый пиксель по существу содержит отдельный спектральный цвет, являющийся одним из основных. Следовательно, в отношении длины стороны цветного пикселя 33,33 мкм, область 81 согласно фиг. 8, содержит в сумме 36 квадратных цветных пикселя 82, 83, 84 - красного, зеленого и голубого цвета соответственно.

Такой порядок параметров обеспечивает новый класс признаков аутентификации, где в какой-либо конкретной области, например один или несколько цветных пикселей различного цвета, чередуются, что является незаметным для сетчатки человеческого глаза за исключением обнаружения такого чередования посредством настроенного спектрометра.

Ниже указан типичный расчет микроструктуры решетки в соответствии с областью 81, показанной на фиг. 8. Для длины стороны квадрата цветного пикселя (33,33 мкм) при перпендикулярном падении света и угле дифракции, равным 30° (угол обзора α_m для красного, зеленого и голубого цвета с рассчитанными значениями периода решетки - g_красн=1.26 мкм, g_зелен=1-06 мкм, g_голуб=0.86 мкм) квадрат красного пикселя содержит 29 периодов дифракционной решетки, квадрат зеленого пикселя содержит 38 периодов дифракционной решетки и квадрат синего пикселя содержит 47 периодов дифракционной решетки.

Интенсивность дифракции цветного пикселя - это функция количества периодов решетки, т.е. функция суммарной длины канавок решетки в цветном пикселе и длины волны основного цвета. Контроль интенсивности достигается только за счет размера площади поверхности или количества отдельных основных цветовых пикселей соответственно. В связи с чем различные факторы должны приниматься во внимание (например, источник света), т.е., например, солнечный свет утром или вечером, лампы дневного освещения, лампочки и т.д., которые имеют различные характеристики интенсивности в диапазоне исходящих длин волн, и, следовательно, имеют различное влияние на интенсивность каждого цвета спектра. Кроме того, должна учитываться спектральная чувствительность человеческого глаза в отношении дневного зрения.

В соответствии с расчетами, основанными на цветовом атласе по стандарту DIN 5033, белый цвет получают, например, из вышеупомянутых цветов спектра - красного, зеленого и синего, полученных посредством дифракции на решетке в направлении наблюдения со следующей структурой пикселей, когда площадь 200 мкм × 200 мкм состоит из 36 цветных пикселей, причем площадь поверхности одного пикселя 33.33 мкм × 33.33 мкм состоит из: 14 красных цветовых пикселей 82, 10 зеленых цветовых пикселей 83, и 12 синих цветовых пикселей 84. На основании вышеуказанного расчета розовый цвет получают посредством следующей структуры пикселей: 21 красный пиксель 82, 7 зеленых пикселей 83 и 8 синих пикселей 84.

Упоминание о разрешающей способности человеческого глаза не означает, что получаемые спектральные и смешанные цвета не пригодны для машинного считывания, а также их анализа. Особенно в случае признаков аутентификации, которые, как правило, должны сводиться к минимуму, машинное считывание является особенно приемлемым.

При заданном угле падения света, или диффузного излучения, период дифракционной решетки и направление дифракционной решетки в площади цветного пикселя определяют направление дифракции спектральных цветов и, таким образом, определяют угол обзора и азимутального направления обзора основных цветов в отношении отдельного цветного пикселя. В связи с чем выбирают различные периоды решеток для отдельных длин волн смешанного цвета, а дифракционные решетки выравнивают таким образом, чтобы угол дифракции и направление дифракции, по крайней мере, для одного порядка дифракции, были одинаковыми для каждой длины волны смешанного цвета в целях достижения эффективного смешивания цвета в отношении, по крайней мере, одного угла обзора, по крайней мере, в одном азимутальном направлении.

Согласно фиг. 3 угол α_B концентрирующей дифракционной решетки 77 является углом наклона канавок дифракционной решетки (угол блеска), а угол дифракции α_m - это угол между нормалью решетки GN и направлением дифракции интенсивности максимума дифрагированной монохроматической части луча gs соответствующего порядка дифракции z. Таким образом, на фиг. 3 показан угол обзора α_m и направление обзора gS для вышеуказанной части луча при заранее определенном угле падения α_е.

Угол дифракции α_m определяется длиной волны падающего света, углом падения α_е и периодом решетки g. Термин «азимутальное направление обзора» аВ дифрагированного монохроматического луча относится к направлению, происходящему из нормали решетки GN, пересекающему линию плоскости, образованной нормалью решетки и направлением дифракции gS с плоскостью решетки GE, и характеризуется азимутальным углом α_z, см. также фиг. 7. На фиг. 7 sB иллюстрирует направление обзора дифрагированного луча.

Таким образом, угол обзора смешанного цвета дополнительно зависит от соответствующих периодов дифракционной решетки различных цветовых пикселей, а направление микроструктуры дифракционной решетки определяет направление обзора, т.е. в различных площадях цветовых пикселей для создания смешанного цвета необходимы канавки GF дифракционной решетки. Создание смешанного цвета должно выполняться в области, которая является невидимой для человеческого глаза - не более, чем 200 мкм × 200 мкм, и формируется путем наличия надлежащего количества различных площадей цветовых пикселей.

Наблюдение в нескольких направлениях может быть осуществлено, если канавки GF решетки цветных пикселей имеют несколько азимутальных направлений - например, если микроструктура решетки в одной половине пикселей основного цвета, содержащегося в микроскопической подобласти, направлена перпендикулярно по отношению к микроструктуре в соседней половине пикселей. Кроме того, на фиг.8 показано два азимутальных направления обзора аВ, перпендикулярных друг другу, в частности, при воздействии диффузным белым светом на микроструктуру решетки. Однако для этого половины от суммарного количества цветных пикселей внутри микроскопической подобласти должно быть достаточно для получения смешанного цвета. Несмотря на вышеизложенное, в данном случае смешанный цвет будет восприниматься со сниженной интенсивностью в каждом из двух азимутальных направлений обзора.

Кроме того, таким способом можно наблюдать три азимутальных направления, отстоящих друг от друга на 120°. Согласно фиг. 6 с помощью решеток с колонками 80, т.е. посредством колонок Р в форме приподнятостей или комплементарных углублений с различной формой поперечного сечения (например, окружности, треугольника, прямоугольника, шестиугольника) и различных размеров, можно наблюдать множество азимутальных направлений обзора. Например, треугольная колонка или углубление образует три азимутальных направления обзора аВ, которые отстоят друг от друга на 2/3 π=120°.

В случае, если для основных цветов выбран разный размер пикселей, то длина стороны большего пикселя должна быть кратна длине стороны меньшего пикселя, так, чтобы микроскопическая подобласть была полностью заполнена цветными пикселями для достижения максимально возможной интенсивности смешанного цвета. Уменьшение интенсивности, т.е. эффект затемнения, может быть достигнут за счет вставки площади пикселей в микроскопическую подобласть, которая, например, не структурирована в отношении подложки из слоя аморфного углерода (ta-C) или имеет микроструктуру, которая поглощает свет длин волн либо рассеивает его в различных направлениях.

Для управления интенсивностью основных цветов в целях получения смешанных цветов, за исключением количества и площади поверхности цветовых пикселей, выбора порядка дифракции пикселей в направлении обзора, в пикселях основных цветов микроскопической подобласти могут быть использованы различные типы дифракционных решеток, т.к, например, посредством концентрирующих дифракционных решеток получают большую интенсивность, чем с помощью решетки с канавками или с ребрами.

Согласно изобретению массивы дифракционной решетки применимы к поверхностям твердых тел, таких как металлы, металлические сплавы, стекло, синтетические материалы с твердыми поверхностями, а также слоем аморфного углерода (ta-C), или к иным твердым материалам - твердым сплавам, и карбидам - карбид вольфрама или карбид бора. Более конкретно, массивы дифракционных решеток могут быть применимы к износостойким твердым материалам, например, гравировальным инструментам в целях нанесения признаков аутентификации, цветных изображений или знака с цветовым эффектом на фольгу для упаковки. Причем очевидно, что катод микроструктуры дифракционной решетки на гравировальном инструменте должен быть спроектирован с таким поперечным сечением и размерами микроструктуры, чтобы, исходя из свойств материала, который подлежит гравированию, и из параметров процесса гравирования, гравируемый анод обеспечивал бы оптимальный рисунок для предполагаемого дифракционного оптического эффекта.

Первая лазерная установка L1 с устройством замены диафрагмы и маски позволяет располагать любую желаемую маску и диафрагму на пути луча эксимерного лазера, что обеспечивает большой выбор не только в отношении различных микроструктур дифракционных решеток с различными постоянными решетки, но также и в отношении большого количества возможных конструкций внешнего контура микроструктуры дифракционной решетки. Таким образом, возможно разработать форму структурных элементов области, сформированной из множества микроскопических подобластей в виде: квадратов, прямоугольников, треугольников, параллелограммов, шестиугольников и т.д. или, возможно, окружностей. В данной области возможно наличие большого количества микроструктур дифракционной решетки для получения различных цветов и смешанного цвета. В некоторых случаях также возможно создать, например, появляющуюся трехмерную структуру куба, состоящего из трех параллелограммов или звезд с множеством лучей.

Кроме того, две лазерные установки позволяют наложить друг на друга разнообразные микроструктуры решеток. Например, получить конкретную микроструктуру решетки и поверхностные элементы, расположенные в изображении, с помощью эксимерного лазера, на которых располагают волнообразную микроструктуру посредством фемтосекундного лазера с целью создания иной комбинации цвета со смешанным цветом, которая может, в частности, также использоваться для признаков аутентификации. Также могут быть получены различные углы обзора, непрерывное или ступенчатое изменение цвета, или появление либо исчезновение цветовых узоров или цветных изображений при наклоне или повороте дифракционной решетки путем скачкообразного изменения периода решетки или путем изменения направления канавок дифракционной решетки.

Claims

1. Способ получения цветного изображения с помощью дифракционной решетки при воздействии света, характеризующийся тем, что на поверхности твердого тела создают массивы дифракционной решетки в течение процесса микроструктурирования посредством воздействия лазера, излучением, по крайней мере, одной лазерной установки в наносекундном или пикосекундном диапазоне, причем каждый массив дифракционной решетки состоит из подобластей, продольные размеры которых имеют значение, меньшее, чем разрешающая способность человеческого глаза, при этом каждая подобласть содержит, по крайней мере, один пиксель, причем указанный по крайней мере один пиксель является ограниченной микроструктурой дифракционной решетки, предназначенной для получения отдельного спектрального цвета, который дифрагируется при выбранных параметрах решетки и угле падения света α_e и при определенном угле дифракции α_m в, по крайней мере, одном определенном азимутальном угле обзора аВ, при этом способ дополнительно содержит этап анализа указанной поверхности твердого тела для получения на этой поверхности решетчатой формы, причем перед созданием дифракционной решетчатой поверхности поверхность твердого тела регулируют с учетом полученных требований к форме поверхности.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что каждая указанная подобласть содержит, по крайней мере, два пикселя, с различной постоянной решетки для получения двух различных спектральных цветов при том же угле дифракции α_mи азимутальном направлении обзора аВ.

3. Способ по п. 2, характеризующийся тем, что площадь пикселя и/или количество пикселей выбирают таким образом, чтобы различные спектральные цвета налагались друг на друга в, по крайней мере, одном заранее выбранном направлении обзора для получения смешанного цвета.

4. Способ по п. 2 или 3, характеризующийся тем, что длину волны для основных спектральных цветов - красного, зеленного и синего выбирают в зависимости от предполагаемого применения, причем если смешанный цвет будет видим человеческому глазу, то длина волны для красного цвета равна λ_кр=630 нм, зеленого цвета - λ_зел=530 нм, синего цвета - λ_син=430 нм.

5. Способ по любому из пп. 1-3, характеризующийся тем, что подобласти имеют продольный размер с максимальным значением 200 мкм, причем максимальный продольный размер области пикселей равен 66,67 мкм.

6. Способ по любому из пп. 1-3, характеризующийся тем, что пиксели представлены посредством линейной или кольцевой концентрирующей решетки, линейной или кольцевой решетки с канавками или решетки с ребрами, или решетки с колонками, имеющей поперечное сечение в виде окружности или в виде многоугольника.

7. Способ по п. 6, характеризующийся тем, что дифракционную решетку выполняют в соответствии со способом проектирования маски с помощью маски, расположенной во вращающем и поворотном устройстве замены маски и диафрагмы на пути луча эксимерного лазера.

8. Способ по. 7, характеризующийся тем, что маску получают посредством воздействия фемтосекундного лазера согласно методу фокусирования или посредством водействия лазера на молекулах фтора согласно соответствующему способу проектирования маски, при этом поверхность подложки подвергают облучению так, что получают непрозрачные области путем придания поверхности подложки шероховатости и путем модифицирования ее поверхности, причем в качестве подложки используют кварцевое стекло (SiO₂), или сапфир (Al₂O₃), или фторид кальция (CaF₂), или фторид магния (MgF₂).

9. Способ по любому из пп. 1-3, характеризующийся тем, что пиксели включают дифракционные решетки с волнообразной поверхностью, полученной посредством воздействия пико- или фемтосекундного лазера.

10. Способ по п. 9, характеризующийся тем, что пиксели получают путем наложения решетки на волнообразную микроструктуру.

11. Способ по любому из пп. 1-3, 7, 8, 10, характеризующийся тем, что несколько подобластей располагают рядом для формирования знаков, изображений, логотипов или признаков аутентификации.

12. Способ по любому из пп. 1-3, 7, 8, 10, характеризующийся тем, что поверхностью твердого тела является покрытая твердым материалом поверхность валика для тиснения или гравировального штампа для тиснения упаковочной пленки, причем покрытие твердым материалом состоит из тетраэдрически связанного аморфного углерода ta-C, или карбида вольфрама WC, или карбида бора B₄C, или карбида кремния SiC, или аналогичного твердого материала.

13. Устройство для осуществления способа по любому из пп. 1-3, 7, 8, 10, характеризующееся тем, что первая лазерная установка (L1) для получения концентрирующей дифракционной решетки, решетки с канавками и решетки с ребрами, или решетки с колонками, содержит эксимерный лазер на молекулах фтористого криптона KrF (1) с длиной волны 248 нм, или лазер на молекулах фтористого аргона ArF с длиной волны 193 нм, или лазер на молекулах фтора с длиной волны 157 нм, или эксимерный лазер на молекулах ксенон-хлора с длиной волны 308 нм, а вторая лазерная установка (L2) для получения волнообразной структуры содержит фемтосекундный лазер (15) с центральной длиной волны 775 нм или с длиной волны, соответствующей удвоенной или утроенной частоте, или пикосекундный лазер Nd:YAG с длиной волны 1064 нм, или с длиной волны, соответствующей удвоенной или утроенной частоте.

14. Устройство по п. 13, характеризующееся тем, что между первой лазерной установкой (1) и ее фокусирующей оптикой 8 расположены, по крайней мере, одна комбинация маски и диафрагмы (18, 6), причем ряд комбинаций маски и диафрагмы установлены во вращающем и поворотном устройстве замены, при этом устройство замены приспособлено для размещения в нем независимо друг от друга маски (18) и диафрагмы (6) на пути луча (29) лазера (1), причем маска (18) и диафрагма (6) установлены в держателях с возможностью линейного или вращательного перемещения и вращения вокруг собственной оси.

15. Устройство по п. 14, характеризующееся тем, что маска (6) является треугольной маской (78) или ленточной маской (79) для получения концентрирующей дифракционной решетки.

16. Устройство по любому из пп. 14 или 15, характеризующееся тем, что оно выполнено с возможностью структурирования областей на поверхности валика для тиснения или гравировального штампа для нанесения оптически эффективной дифракционной области на упаковочную пленку.

17. Устройство по любому из пп. 14 или 15, характеризующееся тем, что оно выполнено с возможностью получения оптически эффективных дифракционных знаков или признаков аутентификации на элементах карманных наручных часов с нанесенным на них покрытием или без такого покрытия, на обычных или сапфировых стеклах карманных наручных часов, на поверхностях монет и декоративных изделий.

18. Способ изготовления упаковочной пленки, включающий этап выполнения способа по п. 1 для структурирования областей на поверхности валика для тиснения или гравировального штампа и этап тиснения упаковочной пленки посредством этих структурированных валика для тиснения или штампа с получением упаковочной пленки, имеющей оптически эффективные дифракционные области и/или признаки аутентификации, содержащие цветные пиксели спектрального цвета или пиксели различного цвета для получения смешанных цветов.

19. Способ по п. 18, характеризующийся тем, что упаковочную пленку делают сатинизированной в местах, где не предусмотрены оптически эффективные области дифракции, признаки аутентификации и/или логотипы.