CZ287857B6 - Optically diffractive structure - Google Patents

Description

Ohybová struktura

Oblast techniky

Vynález se týká ohybové struktury, zejména pro vizuálně identifikovatelné optické bezpečnostní prvky pro cenné dokumenty, například bankovky, kreditní karty, průkazy nebo šekové dokumenty, nebo jiné předměty, které je třeba chránit, skládající se z několika plošných úseků, které všechny mají alespoň jednu ohybovou opticky účinnou strukturu, přičemž pro vytvoření určité optické informace v určitých směrech pozorování je přítomno jeden nebo několik plošných úseků s mřížkovou strukturou, která je až na parametr optické hloubky identická, přičemž optická hloubka mřížkové struktury je v celém rozsahu plošného úseku konstantní, avšak rozdílná od optické hloubky mřížkové struktury jiného plošného úseku.

Dosavadní stav techniky

Použitím takové ohybové struktury mohou být pomocí ohybu a/nebo lomu dopadajícího okolního světla předávány pozorovateli vizuálně vnímatelné informace. Je ovšem také možné strojové zjištění optických informací pomocí vhodných přístrojů. Taková ohybová struktura se nechá nejjednodušeji realizovat jednou, zejména rovnou vlnovou reliéfní strukturou na povrchu plošného úseku nosného prvku, která odráží pomocí ohybu a/nebo lomu dopadající okolní světlo. Pod pojmem vlnová nebo reliéfní struktura se zde nerozumí nutně struktura, která má v průřezu plošného úseku pozorovatelnou konstantní, zejména sinusovou povrchovou linii, nýbrž se může jednat také o pravoúhle, stupňovitě nebo klínovitě tvarovanou povrchovou strukturu. Tyto povrchové struktury mohou být vytvářeny periodicky nebo neperiodicky. Dále je možné, že ohybové, opticky účinné struktury nejsou tvořeny výlučně reliéfními strukturami, nýbrž že jsou přítomny variacemi indexu lomu ve strukturované formě.

Ohyb dopadajícího, nebo strukturou procházejícího světla na strukturách plošných úseků, a tím informace, která je odtud vysílána ve formě optického ohybového obrázku, jsou určovány parametry mřížky nebo struktury. U reliéfních struktur je zde možno jmenovat počet vlnových nebo mřížkových čar na jednotku délky plošného úseku, takzvanou prostorovou frekvenci, jakož i orientaci a tvar průřezu reliéfní struktury. Tvar průřezu je, mimo jiné, určen výškovými rozdíly v reliéfní struktuře, a sice nejen výškovými rozdíly mezi jednotlivými vyvýšeninami navzájem, ale i mezi vyvýšeninami a prohlubněmi nebo dolíky reliéfní struktury. U struktur, které nejsou tvořeny reliéfními strukturami, nýbrž strukturálně rozmístěnými variacemi v indexu lomu, jsou parametry struktury definovány podle předcházejících provedení, přičemž dodatečně je třeba zohlednit indexy lomu opticky účinné vrstvy nebo vrstev. Vhodnou konstrukcí a umístěním struktur můžeme dostat strukturu, která ovlivňuje fázový posuv dopadajícího světla takovým způsobem, že určitá optická informace je vysílána do určité úhlové oblasti pozorování a může být vnímána pozorovatelem, zatímco do jiné úhlové oblasti pozorování může být vysílána jiná informace. Změnu fázového posuvu pomocí struktury dostaneme jako součin indexu lomu a délky geometrické dráhy uvnitř struktury nebo na ní. Optický fázový rozdíl (OPD) u vlny, která se odráží nebo ohýbá v místě xi (přibližně vyvýšenina ve struktuře) a v místě x₂ (přibližně prohlubeň ve struktuře) by byl

OPD (xi, x₂) = í n (x_b z) dz - J n (x₂, z) dz.

Z tohoto vztahu také vyplývá, že dostaneme různý výsledek, pokud je reliéfní mřížka na odraz, jak je běžné, překryta lakem nebo není, protože obsahuje nejenom vlastní výškový rozdíl, ale i index lomu krycí vrstvy. Pozorovateli může být ve formě odraženého nebo strukturou prostupujícího světla zprostředkována vizuálně vnímatelná informace, popřípadě informace

-1 CZ 287857 B6 o pravosti zabezpečovaného předmětu, která odpovídá strukturám plošných úseků a je, mimo jiné, závislá na úhlu osvitu nebo úhlu pozorování.

Díky použití známých bezpečnostních prvků s ohybovou, opticky účinnou, strukturou u 5 předmětů, které je třeba chránit a jsou zmíněny na začátku, je možné učinit informaci o pravosti zabezpečovaného předmětu viditelnou také pro nevycvičeného laika. Zároveň je možné znemožnit nebo dostatečně ztížit padělání, například ve formě kopírování, při zohlednění známých padělatelských postupů, zejména optických kopírovacích postupů.

Jsou například známy ohybové struktury, u kterých cílenými variacemi nahoře zmíněných parametrů struktury - prostorové frekvence, orientace a tvaru průřezu reliéfní struktury, výškovými popřípadě fázovými rozdíly v reliéfní struktuře - může být zprostředkována pozorovateli v závislosti na směru osvětlení v určitém úseku úhlu pozorování určitá, z plošného úseku vycházející, vizuálně vnímatelná optická informace, zatímco v tom samém úseku úhlu 15 pozorování, vycházejíc z jiného plošného úseku ohybové struktury, není vnímatelná žádná, nebo je vnímatelná jiná optická informace. Otočením nosného elementu, nesoucího ohybovou strukturu, kolem osy, ležící v nosné rovině, nebo kolem osy, probíhající kolmo k nosné rovině, se mění informace, vycházející z nejprve pozorovaného plošného úseku - zejména se může tento plošný úsek jevit tmavý - zatímco jiný plošný úsek, který se nejdříve jevil tmavý, předává 20 optickou informaci, například ve formě barevného vjemu.

Podstata vynálezu

Předložený vynález má za úkol dále ztížit padělání, zejména kopírování ohybové struktury popsaného typu, a hlavně zvětšit rozmanitost možností kódování pro optickou informaci, pozorovatelnou uvnitř oblasti úhlu pozorování.

Tento úkol splňuje ohybová struktura, zejména pro vizuálně identifikovatelné optické 30 bezpečnostní prvky pro cenné dokumenty, například bankovky, kreditní karty, průkazy nebo šekové dokumenty, nebo jiné předměty, které je třeba chránit, skládající se z několika plošných úseků, které všechny mají alespoň jednu ohybovou opticky účinnou strukturu, přičemž pro vytvoření určité optické informace v určitých směrech pozorování je přítomno jeden nebo několik plošných úseků s mřížkovou strukturou, která je až na parametr optické hloubky 35 identická, přičemž optická hloubka mřížkové struktury je v celém rozsahu plošného úseku konstantní, avšak rozdílná od optické hloubky mřížkové struktury jiného plošného úseku, podle vynálezu, jehož podstatou je, že u jednotlivých plošných úseků, které jsou tvořeny mřížkovou strukturou, identickou až na parametr optické hloubky, jsou mřížkové struktury navzájem posunuty o zlomek periody mřížky.

Optická hloubka je u čistých reliéfních struktur určována jejich geometrickou hloubkou; odpovídá optickému rozdílu délek dráhy dvou paprsků, které jsou odráženy na vyvýšeninách, popřípadě prohlubních reliéfní struktury. U struktur s lokálními variacemi indexu lomu je optická hloubka, která je zodpovědná za fázový posuv světla, ohýbaného na vrstvě, dána různými 45 podmínkami lomu, jakož i dodatečně různými tloušťkami povlaku. Optická hloubka reliéfní struktury určuje mimo jiné podíl světla, odchýleného od geometrického směru odrazu, to znamená odrazovou účinnost této reliéfní nebo mřížkové struktury. Dvě reliéfní nebo mřížkové struktury, které jsou až na parametr optické hloubky identické, zprostředkují tak v určitém směru pozorování navzájem odlišnou optickou informaci. Pokud se podle vynálezu přiřadí mřížková 50 struktura s určitou první optickou hloubkou k žádané optické vlnové informaci uvnitř určité oblasti úhlu pozorování, a spojí se s přiřazením alespoň jedné další mřížkové struktury s druhou nebo další optickou hloubkou k další žádané informaci, bylo dosaženo další řídicí nebo kódovací možnosti pro obrazový vjem, kterého chceme dosáhnout při určité ohybové struktuře. Pokud jsou například plošné úseky opatřeny mřížkovou strukturou, která je až na svou optickou hloubku

-2CZ 287857 B6 identická a jejíž rozměry nejsou prostým okem rozlišitelné, mohou být tou samou oblastí ohybové struktury zprostředkovány různé optické informace.

Pomocí uspořádání plošných úseků, vytvořených podle vynálezu, a odpovídajícímu žádanému obrazovému vjemu, se může tímto v prvním směru pozorování objevit obrazový motiv v první barvě, který je vytvořen pomocí mřížkové struktury o první optické hloubce, zatímco v jiném směru pozorování může být vnímán obrazový motiv v jiné barvě, který je vytvořen plošnými úseky určité mřížkové struktury o druhé optické hloubce. Aby se dosáhlo takových efektů, ukazuje se jako výhodné, když je optická hloubka příslušné mřížkové struktury přiřazena určité, vizuálně vnímatelné vlnové délce nebo určitému vlnovému rozsahu. Optická hloubka mřížkové struktury může být ale také přiřazena nějaké přístrojově zjistitelné vlnové délce, popřípadě nějakému vlnovému rozsahu. Obecně je ohybová účinnost běžných, pravoúhlých popřípadě sinusových mřížek tehdy maximální, když jejich optická hloubka vyvolává fázové zpoždění π. Protože vlny se objevují periodicky, v prvním přiblížení se opakuje tato maximální ohybová účinnost u těchto symetrických tvarů mřížek při optické hloubce fázového zpoždění (2k - 1)*π, k= 1, . . . ,N. Geometricky se vypočítá tato hloubka u reflexních mřížek 1. řádu (k= 1) pomocí vzorce δζ= lambda/4n, přičemž n označuje index lomu krycí vrstvy. V případě pilovitě tvarované mřížky echelette je dosahováno maximální ohybové účinnosti při hloubce, která odpovídá fázovému zpoždění 2 krt. Mřížky vyššího řádu (k> 1) mají k- násobně větší hloubku a nechají se proto hůře zhotovit. Optimální ovladatelnosti je ale dosahováno s optimální hloubkou příslušné mřížkové struktury plošných úseků v rozsahu od 0 do několikanásobku, přednostně až do lOnásobku vlnové délky světla, sloužící k pozorování mřížkové struktury.

Zejména tehdy, když je žádán zvlášť homogenní zjevující se obrazový motiv, se doporučuje, opatřit skupiny plošných úseků identickou mřížkovou strukturou, takže již nejsou rozlišitelné prostým okem.

V dalším provedení vynálezu mají zvláštní význam plošné úseky, které jsou až na parametr optické hloubky vůči sobě přesazeny o zlomek periody mřížky. Posunutí může být přitom realizováno posuvem jedné mřížkové struktury oproti jiné mřížkové struktuře v nosné rovině. Je ale také možné, že mřížkové struktury jsou umístěny ve směru kolmém k nosné rovině, do jisté míry na rozdílných výškových úrovních. Toto posunutí je totožné s překrytím pozorované mřížkové struktury s další ohybovou, opticky účinnou strukturou, jejíž směr disperze může probíhat zejména příčně ktéto mřížkové struktuře. Z toho vyplývají možnosti ochrany před holografickými kopírovacími technikami. Hologramy se obvykle nechají jednoduše kopírovat tím, že se zhotoví hologram z hologramu. Jako holografické lasery se hlavně používají iontové argonové nebo HeCd lasery, neboť tyto lasery mají silné čáry v modrozeleném (488 nm), v modrém (454,442 nm) a v ultrafialovém (cca 350 nm) kmitočtovém pásmu. V tomto pásmu je citlivá i většina fotolaků, vhodných pro holografické povrchové reliéfy; v červeném kmitočtovém pásmu jsou naproti tomu tyto laky většinou necitlivé. Zhotovení a kopírování hologramů se může provádět sice i s červenými lasery (například He Ne); ktomu se v současnosti používají želatinové emulze obsahující stříbro (fotografické desky), které ale nevytváří žádný vhodný povrchový reliéf pro galvanické formování. Pokud je nyní optická hloubka mřížkových struktur utvářena tak, že ohybová účinnost pro modré světlo je velmi malá a pro červené světlo naproti tomu velmi velká, může být struktura modrým laserem jenom těžko kopírována. Je sice možné kopírování hologramu na fotoemulzi citlivou v červené oblasti a následné překopírování na reliéfní materiál citlivý v modré oblasti, nese to ale s sebou další, odborníkům známé nevýhody, a je to velmi nákladné.

Protože díky posunutí mřížkové struktury jednoho plošného úseku oproti mřížkové struktuře jiného plošného úseku může být na základě tím vyvolaného dodatečného ohybu dosaženo vymazání optické informace, vysílané do určitého směru pozorování, nechá se díky v předcházejícím textu popsanému vytvoření plošných úseků dosáhnout účinné ochrany proti

-3CZ 287857 B6 kopírování. Tak se nechá vytvořit u ohybové struktury plošný úsek, přibližně polovina pixelu, s takovou optickou hloubkou, že ohybová účinnost pro modré světlo je minimální, což zároveň znamená, že ohybová účinnost pro červené světlo sice není maximální, ale přesto je zřetelná (u modrého světla HeCd laseru sR = 442 nm je optická hloubka symetrické pravoúhlé nebo 5 sinusové mřížky s minimální ohybovou účinností pro tuto vlnovou délku právě 442 nm; při této optické hloubce ale existuje pro červené světlo s vlnovou délkou přibližně 600 nm ne maximální, ale patrná ohybová účinnost). Jiný plošný úsek, přibližně druhá polovina pixelu, je vytvořen s takovou optickou hloubkou, při které má červené světlo například maximální ohybovou účinnost, tedy s přibližně 300 nm. Při vhodnějším směru pozorování by tento plošný úsek nebo ίο obrazový bod mohl být pozorován v modrém pásmu jako mírně jasný. Mřížková struktura druhého plošného úseku může být nyní posunuta oproti mřížkové struktuře prvního plošného úseku o takový zlomek periody mřížky (cca 2π/3), že podíly dopadajícího světla, odchýlené prvními a druhými plošnými úseky, v červené oblasti prakticky zhasnou. Tím by se mohlo například vytvořit tmavé písmo na červeném pozadí. Pokud je takový hologram kopírován 15 modrým světlem, tedy k dispozici je jenom specifická modrá vlnová délka laseru, není plošný úsek, jehož mřížková struktura má optickou hloubku, která právě odpovídá vlnové délce v modrém pásmu, kopírován, protože její ohybová účinnost je pro modré světlo minimální. Mřížkové struktury s takovou optickou hloubkou nemohou být modrým laserovým světlem viděny , a tedy nemohou být ani kopírovány. Jiný plošný úsek, který může mít maximální 20 ohybovou účinnost pro červené světlo, ale má i dobrou ohybovou účinnost pro modré světlo, může mít z těchto důvodů dobře kopírovatelnou strukturu. Pokud je ohybová struktura takto zkopírovaná v modrém pásmu přečtena červeným světlem, chybí subtraktivní (odečítací) efekt v červeném pásmu a vzorek se jeví v tomto místě jako mírně červený. Dříve zmíněné tahy písma by potom byly z důvodu špatného kontrastu špatně čitelné, popřípadě by nebyly čitelné vůbec, 25 čímž je možné rozlišení mezi pravou ohybovou strukturou a duplikátem.

Pro vytvoření homogenního obrazového vjemu je navrhováno, umístit těsně vedle sebe plošné úseky právě popsaného typu, a zejména z jejich velkého množství vytvořit dílčí úseky, které se nedají rozlišit prostým okem.

Je poukazováno na to, že ohybová struktura podle vynálezu nemusí být nutně vytvořena jako jednovrstvý reliéf (lakový reliéf), nýbrž může být i vícevrstvým systémem. Bylo by také možné, strukturu vtisknout do vícevrstvého substrátu z lakových vrstev s různým indexem lomu. Přitom se mohou různé laky vedle indexu lomu odlišovat také absorpcí. Tento vícevrstvý systém by vedl 35 k dalším interferenčním efektům a nenechal by se kopírovat jednoduchou holografií.

Přehled obrázků na výkresech

Další podrobnosti, znaky a přednosti vynálezu vyplývají z připojených obrázků, jakož i z následujícího popisu přednostních provedení struktury podle vynálezu. Na zobrazení znázorňují:

obr. 1: bezpečnostní prvek cenného dokumentu s ohybovou strukturou, skládající se z několika 45 schematicky naznačených plošných úseků, obr. 2: schematicky řez ohybovou strukturou podle vynálezu a obr. 3: dva plošné úseky ohybové struktury podle vynálezu, s navzájem posunutou mřížkovou 50 strukturou.

-4CZ 287857 B6

Příklady provedení vynálezu

Obr. 1 znázorňuje nosič 2 cenného dokumentu s bezpečnostním prvkem 4. Bezpečnostní prvek 4 zahrnuje ohybovou strukturu, ve které je zakódována, popřípadě uložena vizuálně vnímatelná informace ve formě obrázku 6. Bezpečnostní prvek 4, popřípadě ohybová struktura, se skládá z velkého počtu schematicky znázorněných plošných částí 8, které mají jednu nebo několik mřížkových struktur, na obr. 1 neznázoměných.

Obr. 2 znázorňuje řez výřezem z ohybové struktury vytvořené podle vynálezu. Ohybová struktura obsahuje plošné úseky 10, 12. 14, které zahrnují každý jednu pravoúhlou mřížkovou strukturu 16,18, 20. Mřížkové struktury 16, 18, 20 mají stejnou prostorovou frekvenci, stejný klíčovací poměr jakož i stejný geometrický tvar, odlišují se pouze v geometrické hloubce. Mřížkové struktury 16,18, 20 jsou dále nezaměnitelné rozložením příslušných plošných úseků 10, 12,14.

Hloubka příslušných mřížkových struktur 16,18, 20 je popřípadě přiřazena obrazovému vjemu, žádanému v určitém směru, popřípadě určité barvě nebo barevnému vjemu. Může obecně činit až násobek vlnové délky světla sloužícího k pozorování. Činí podle úvodem provedeného výkladu ave zde znázorněném případě pravoúhlé mřížkové struktury až čtvrtinu maximálně účinné ohybové vlnové délky (nebo její lichý násobek), takže mezi vlnami odráženými vyvýšeninami a prohlubněmi struktury může být dosaženo fázového rozdílu π (pokud je mřížková struktura pokryta průhlednou krycí vrstvou, je třeba zohlednit ještě index lomu této vrstvy.) Tímto způsobem může být světlo, dopadající pod úhlem dopadu a, vnímáno při pozorování pod úhlem pozorování β ve formě určitého barevného vjemu z plošných úseků 10, 14 popřípadě z mřížkových struktur 16, 20, které jsou s nimi identické. Naproti tomu může být vhodným stanovením optické hloubky vytvořena mřížková struktura 18 plošného úseku 12 tak, že tento plošný úsek 12 zprostředkovává jiný barevný vjem. Pokud za účelem bezpečnostní zkoušky, třeba při přístrojovém ověřování pravosti, dopadá na bezpečnostní prvek popřípadě jeho strukturu světlo určité vlnové délky a pod určitým úhlem dopadu, mohou se pod určitým úhlem pozorování objevit plošné úseky o určité optické hloubce v určité barvě dopadajícího světla, zatímco ohybová účinnost jiných plošných úseků popřípadě jejich mřížkových struktur je pro tuto vlnovou délku tak malá, že tyto plošné úseky se objeví tmavé.

Nyní existuje možnost, vytvořit tak jednotlivé plošné úseky s mřížkovou strukturou, až na parametr optické hloubky identickou, že tyto mřížkové struktury jsou navzájem posunuty o zlomek periody mřížky, což je schematicky znázorněno na obr. 3. Vztahovou značkou 30 je označen dílčí úsek ohybové struktury, přibližně pixel bezpečnostního prvku. Dílčí úsek 30 zahrnuje dva plošné úseky 32, 34, které mají po jedné mřížkové struktuře 36, 38. Mřížkové struktury 36, 38 jsou až na parametr optické hloubky identické, to znamená že mají stejnou prostorovou frekvenci, stejný tvar průřezu, to znamená stejné čelo impulsu, stejnou geometrii prodlevy, jakož i stejný klíčovací poměr. Hloubka mřížkových struktur 36, 38 je ale volena tak, že ohybová účinnost je při od sebe odchylných vlnových délkách maximální. Mřížkové struktury 36, 38 jsou vůči sobě umístěny posunuté o zlomek periody g mřížky v nosné rovině bezpečnostního prvku. Při pozorování dílčího úseku 30 dojde v oku k součtu vlnových polí, vysílaných od plošných úseků 32, 34, který může být matematicky popsán jako čtverec amplitud, ohnutých na plošných úsecích 32, 34, s relativní hodnotou 1, popřípadě Exp (i0), přičemž fáze 0 je dána jako 2n5x/g. Intenzitu dostaneme tedy jako = (1+ Exp(i0) * (1 + Exp(-i0)) =2 + 2 cos * 0

Relativním posuvem mřížkových struktur 36, 38 vůči sobě se nechá tedy dodatečně nastavit jas dílčího úseku 30. Z předešlých úvah vyplývá, že posuvu mřížky o polovinu periody mřížky odpovídá fázový posuv π, takže může být dosahováno například vymazání prvního ohybového řádu na základě takto dosažené funkce ohybové struktury jako děliče paprsku.

Claims (7)

1. Ohybová struktura, zejména pro vizuálně identifikovatelné optické bezpečnostní prvky pro cenné dokumenty, například bankovky, kreditní karty, průkazy nebo šekové dokumenty, nebo jiné předměty, které je třeba chránit, skládající se z několika plošných úseků, které všechny mají alespoň jednu ohybovou opticky účinnou strukturu, přičemž pro vytvoření určité optické informace v určitých směrech pozorování je přítomno jeden nebo několik plošných úseků s mřížkovou strukturou, která je až na parametr optické hloubky identická, přičemž optická hloubka mřížkové struktury je v celém rozsahu plošného úseku konstantní, avšak rozdílná od optické hloubky mřížkové struktuiy jiného plošného úseku, vyznačující se tím, že u jednotlivých plošných úseků (10, 12, 14, 32, 34), které jsou tvořeny mřížkovou strukturou (16, 18, 20, 36, 38), identickou až na parametr optické hloubky, jsou mřížkové struktury (16, 18, 20, 36, 38) navzájem posunuty o zlomek periody mřížky.

2. Ohybová struktura podle nároku 1, vyznačující se tím, že optická hloubka příslušných mřížkových struktur (16, 18, 20, 36, 38) je zvolena tak, aby odpovídala určité, vizuálně vnímatelné, nebo přístrojově zjistitelné vlnové délce (λ) světla, sloužící k pozorování mřížkové struktury (16, 18, 20, 36, 38), nebo k témuž účelu sloužícímu vlnovému rozsahu.

3. Ohybová struktura podle nároku 2, vyznačující se tím, že optická hloubka příslušných mřížkových struktur (16, 18, 20, 36, 38) plošných úseků (10, 12, 14, 32, 34) je v rozsahu mezi nulou a desetinásobkem vlnové délky (λ) světla, sloužícího k pozorování této mřížkové struktury (16, 18, 20, 36, 38).

4. Ohybová struktura podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že obsahuje skupinu plošných úseků (10,14) s identickou mřížkovou strukturou (16,20).

5. Ohybová struktura podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že plošné úseky (10, 12,14, 32, 34) spolu navzájem sousedí.

6. Ohybová struktura podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že vůči sobě posunuté mřížkové struktury (36, 38) do sebe stále plynule přecházejí.

7. Ohybová struktura podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že obsahuje vícevrstvý systém, u něhož je mřížková struktura vyražena do substrátu sestávajícího z vrstev z různých laků.