DE102013001734A1

DE102013001734A1 - Sicherheitselement mit rinnen- oder rippenförmigen Strukturelementen

Info

Publication number: DE102013001734A1
Application number: DE102013001734.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Fuhse; Hans Lochbihler
Original assignee: Giesecke and Devrient GmbH
Current assignee: Giesecke and Devrient GmbH
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2014-07-31
Also published as: RU2015136649A; US10005309B2; CN104955658A; EP2951031B1; EP2951031A1; CN104955658B; RU2635776C2; WO2014117938A1; US20150352884A1

Abstract

Bei einem Sicherheitselement zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, das eine Oberseite aufweist, auf der eine Mikroreliefstruktur (2) ausgebildet ist, die mindestens zwei Teilbereiche (8, 9) hat, welche jeweils eine Vielzahl rinnen- und/oder rippenförmiger, nebeneinanderliegender und sich längs einer Längsrichtung (10, 11) erstreckender, reflektierender oder rückstreuender Strukturelemente (3) aufweisen, wobei die Längsrichtungen (10, 11) der Teilbereiche (8, 9) unterschiedlich sind, ist vorgesehen, dass die Strukturelemente (3) jeweils hinsichtlich der Breite quer zur Längsrichtung (10, 11) mit dem bloßen Auge nicht auflösbar sind und einfallendes paralleles Licht (4) achromatisch in einen Fächer (5) auffächern, der quer zur Längsrichtung (10, 11) liegt und einen Öffnungswinkel von mindestens 30° hat.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Sicherheitselement zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, das eine Oberseite aufweist, auf der eine Mikroreliefstruktur ausgebildet ist, die mindestens zwei Teilbereiche hat, welche jeweils eine Vielzahl rinnen- oder rippenförmiger, nebeneinanderliegender und sich längs einer Längsrichtung erstreckender, reflektierender oder rückstreuender Strukturelemente aufweisen, wobei die Längsrichtungen der Teilbereiche unterschiedlich sind.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Wertdokument mit einem solchen Sicherheitselement.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Herstellungsverfahren für ein Sicherheitselement für Wertdokumente, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, wobei ein Substrat bereitgestellt wird, das eine Oberseite aufweist, auf der Oberseite eine Mikroreliefstruktur ausgebildet wird, die mindestens zwei Teilbereiche hat, welche jeweils eine Vielzahl rinnen- oder rippenförmiger, nebeneinanderliegender und sich längs einer Längsrichtung erstreckender, reflektierender oder rückstreuender Strukturelemente aufweisen, wobei die Längsrichtungen der Teilbereiche unterschiedlich sind.
Im Stand der Technik sind Sicherheitselemente bekannt, die optisch variable Flächenmuster bereitstellen. Solche optisch variablen Flächenmuster können Laufeffekte oder dreidimensional wirkende Darstellungen erzeugen. Die Effekte werden dabei über Beugungsgitter (z. B. in Form von Hologrammen), Mikrospiegel oder einer Kombination aus Mikrolinsen und Mikrobildern erzielt.
Die WO 2012/069163 A1 offenbart ein Sicherheitselement, das aus Retroreflektoren besteht, die mit einer farbveränderlichen Beschichtung versehen sind. Durch ein Zusammenspiel aus Einfach- und Mehrfachreflexionen in den Retroreflektoren mit der winkelabhängigen Farbe der Beschichtung (insbesondere Dünnfilmbeschichtung mit winkelabhängigem „Colorshift”) werden besondere Farbeffekte erzeugt. Als Spezialfall werden Rinnenstrukturen als Retroreflektoren offenbart, die Pump- und Laufeffekte realisieren. Die genannten Pump- oder Laufeffekte beziehen sich auf bewegliche Farbveränderungen. Weiter wird erwähnt, dass sich mit solchen Rinnenstrukturen durch Variation der Rinnenrichtung auch dreidimensional erscheinende Darstellungen realisieren lassen.
Die WO 2011/079347 A1 offenbart, wie sich mit rinnen- oder rippenartigen Strukturen dreidimensionale Effekte erzeugen lassen. Dazu können entweder die Strukturen der Höhenkontur einer gewölbten Fläche folgen oder mit den Strukturen unterschiedliche Ansichten eines Objekts für das linke und rechte Auge eines Betrachter bereitgestellt werden.
Die WO 2012/048847 A1 offenbart ein Sicherheitselement, das Darstellungen bereitstellt, die aus Punkten oder Linien zusammengesetzt sind, welche scheinbar vor oder hinter der Ebene des Sicherheitselementes schweben. Diese Punkte oder Linien werden als Lichtflecke bezeichnet und sind durch Fokuspunkte und -linien von Hohl- oder Wölbspiegeln gegeben. Um diesen Effekt zu erreichen, muss ein Betrachter die Lichtflecken einer Linsenstruktur jeweils mit beiden Augen sehen. Bei einer Zylinderlinsenstruktur werden die entsprechenden Fokallinien mit beiden Augen an unterschiedlichen Stellen wahrgenommen. Die Höhe bzw. Tiefe, mit der der Lichtfleck vor oder hinter der Ebene des Sicherheitselementes schwebt, hängt von der Fokallänge ab. Die nötigen Strukturen sind relativ aufwendig in der Herstellung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sicherheitselement der eingangs genannten Art anzugeben, das einen schwer reproduzierbaren oder nachahmbaren Effekt bereitstellt und dabei einfacher herzustellen ist, insbesondere was die zu erzeugenden Strukturen angeht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Sicherheitselement der eingangs genannten Art, bei dem die Strukturelemente jeweils hinsichtlich der Breite quer zur Längsrichtung mit dem bloßen Auge nicht auflösbar sind und einfallendes paralleles Licht achromatisch in einen Fächer auffächern, der quer zur Längsrichtung liegt und einen Öffnungswinkel von mindestens 30° hat.
Die Aufgabe wird weiter gelöst mit einem Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art, bei dem die Strukturelemente jeweils hinsichtlich der Breite quer zur Längsrichtung mit dem bloßen Auge nicht auflösbar sind und so ausgebildet werden, dass sie einfallendes paralleles Licht achromatisch in einen Fächer auffächern, der quer zur Längsrichtung liegt und einen Öffnungswinkel von mindestens 30° hat.
Die Erfindung erreicht es, die in der WO 2012/069163 A1 genannten Laufeffekte und dreidimensional erscheinenden Darstellungen auch mit Mikroreliefstrukturen zu erzielen, die keine Farbbeschichtung haben, da die Reflexion achromatisch ist. Es wird ein Graustufeneffekt erreicht. Die Effekte beruhen nicht auf einer bereichsweise unterschiedlichen Farbwirkung, für welche die genannte WO-Schrift Retroreflektoren und eine spezielle Dünnfilmbeschichtung kombiniert, sondern zeigen bereichsweise unterschiedliche Helligkeit in Reflexion.
Bevorzugt sind die Strukturelemente nicht als Retroreflektoren ausgebildet. Das ist in der Herstellung einfacher, weil flachere Strukturen verwendet werden können. Weiter erreicht man den Vorteil, dass diese Effekte auf beiden Seiten, also auch auf der Rückseite einer entsprechend gestalteten Folie verwirklicht werden können, was mit Retroreflektoren, die nur zu einer Seite retroreflektieren können, nicht möglich ist.
Auch im Unterschied zur WO 2012/048847 A1 sind die Strukturen sehr viel kleiner, was es erleichtert, sie in Folienmaterial abzuformen. Ein Betrachter sieht nicht mehr einzelne Lichtflecken, die aus der Auflösung einer Linsenstruktur herstammen, sondern lediglich die Gesamtheit aller Strukturelemente, die mit bloßem Auge, ohne Vergrößerungsmittel, nicht mehr aufzulösen sind. Die Abbildungseigenschaften der erfindungsgemäßen Strukturen sind für einen Betrachter nicht mehr wahrnehmbar.
Die Erfindung verwendet somit ein optisch variables Flächenmuster auf Basis optisch wirksamer Relief-Strukturelemente, die einfallendes paralleles Licht um eine vorgegebene Achse, die durch die Längsachse der Strukturelemente festgelegt ist, auffächern. Ordnet man in den verschiedenen Teilbereichen optisch wirksame Strukturelemente an, die das Licht um unterschiedliche Achsen auffächern, so erscheinen diese Teilbereiche einem Betrachter je nach Betrachtungswinkeln (jeweils bezogen auf die Lichtquelle) hell oder dunkel. Dreht man ein solches Sicherheitselement in seiner durch die Oberfläche definierten Ebene, kann man erkennen, wie einzelne Bereiche abwechselnd hell oder dunkel werden. Die Helligkeit der einzelnen Bereiche hängt für den Fall senkrecht einfallenden Lichts davon ab, ob die Längsrichtung quer zu einer Beobachtungsebene liegt oder nicht. Die Beobachtungsebene wird dabei durch die Senkrechte zur Oberfläche des Sicherheitselementes, die Betrachtungsrichtung und die Beleuchtungsrichtung aufgespannt. Bei nicht senkrechter Lichteinfallsrichtung muss die Auffächerung im Allgemeinen nicht in einer Ebene liegen, sondern kann auch in einer gekrümmten Fläche liegen.
Durch entsprechende Ausgestaltung der Teilbereiche lassen sich auf diese Weise kinematische Effekte oder dreidimensionale Darstellungen erzeugen. Die durch die Erfindung bereitgestellten Effekte zeichnen sich durch eine gute Wahrnehmbarkeit aus, und das Sicherheitselement ist vergleichsweise einfach herzustellen.
Die Auffächerung des einfallenden Lichtes erfolgt durch die achromatische, strahlenoptisch wirkende Mikroreliefstruktur. Dies ist gegenüber der Verwendung von Beugungsgittern (z. B. Hologrammen) vorteilhaft, da der Wirkungsgrad solcher Mikroreliefstrukturen deutlich besser ist. Während bei Beugungsgittern in der Praxis ein erheblicher Anteil des einfallenden Lichtes in die nullte Beugungsordnung gelangt und damit für die Auffächerung und somit für den Effekt verloren geht, lässt sich mit einer erfindungsgemäßen Mikroreliefstruktur ein gut definierter Streuwinkelbereich von nahezu konstanter Helligkeitsverteilung erzielen. Mit anderen Worten, die Lichtverteilung im Fächer ist weitgehend homogen und in Richtung des spiegelnden Reflexes der Oberfläche des Sicherheitselementes wird nicht bedeutend mehr Strahlung reflektiert, als in den Rest des Fächers.
Bevorzugt sind die Strukturelemente so ausgebildet, dass senkrecht einfallendes Licht symmetrisch um die Oberflächennormale aufgefächert wird.
Die Auffächerung erfolgt mit Vorteil im Wesentlichen gleichmäßig, d. h. innerhalb des Öffnungswinkels des Fächers ergibt sich eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung des reflektierten bzw. rückgestreuten Lichts. Unter einer im Wesentlichen gleichmäßigen Verteilung des reflektierten bzw. rückgestreuten Lichts wird hier insbesondere verstanden, dass innerhalb des Öffnungswinkels des Fächers die beobachtete Helligkeit des reflektierten bzw. rückgestreuten Lichts um nicht mehr als einen Faktor 3 variiert, vorzugsweise um nicht mehr als einen Faktor 2, besonders bevorzugt um nicht mehr als einen Faktor 0,5.
Einer solchen gleichmäßigen Verteilung wären Knicke im Profil der Strukturelemente abträglich. Das Profil jedes rinnenförmigen Strukturelementes ist deshalb erfindungsgemäß glatt, so dass aus einem großen Betrachtungswinkelbereich eine ähnlich hohe reflektierte Helligkeit beobachtet wird, solange Betrachtung und Beleuchtung in der Ebene des Fächers liegen. Mit Vorteil haben die erfindungsgemäßen Strukturelemente jeweils quer zur Längsrichtung gesehen ein Profil, das keine Unstetigkeit aufweist.
Je größer der Öffnungswinkel des Fächers ist, desto größer ist der Betrachtungswinkelbereich, aus dem ein Bewegungseffekt beobachtet werden kann, wenn das Sicherheitselement gedreht wird. Einem starken Effekt ist es weiter förderlich, wenn die Strukturelemente das einfallende parallele Licht längs der Längsrichtung so reflektieren oder rückstreuen, dass es um nicht mehr als 10°, bevorzugt um nicht mehr als 5° aufgefächert ist. Eine größere Auffächerung in dieser Richtung würde die Strukturelemente wieder nahezu isotop streuen lassen und zunehmend matt erscheinen lassen, so dass die Drehung der Längsrichtung gegenüber der Betrachtungsebene letztlich keine guten kinematischen Effekte etc. mehr erzeugt.
In einer einfach herzustellenden Gestaltung bewirkt das Sicherheitselement ein Muster, das vor einem Hintergrund liegt. Die Drehung in der Bildebene bewirkt eine Kontrastinversion, da sich das Muster und sein Hintergrund hinsichtlich ihrer Längsrichtung der Strukturelemente unterscheiden, wobei idealerweise die Längsrichtungen senkrecht zueinander liegen. Das Muster und sein Hintergrund bilden zwei Teilbereiche. In einer ersten Orientierung erscheint das Muster hell und der Hintergrund dunkel. Dreht man das Sicherheitselement in der Bildebene, d. h. rotiert man die Betrachtungsebene gegenüber der Längsrichtung, vertauschen sich hell und dunkel.
Die unterschiedlichen Orientierungen von Längsrichtungen sind jedoch nicht auf zwei Richtungen oder gar auf senkrechte Lage zueinander beschränkt. Durch eine kontinuierliche Variation der Orientierung der Längsrichtungen können auch Pump- oder Laufeffekte realisiert werden. Solche Bewegungseffekte ziehen besonders die Aufmerksamkeit eines Betrachters auf sich und eignen sich daher vorteilhaft als einfach erkennbare Merkmale zur Authentifizierung eines Sicherheitselementes.
Ferner können durch geeignete Ausrichtungen der Längsrichtungen auch Effekte realisiert werden, die einem Betrachter ein dreidimensionales Objekt darbieten. Hierzu kann eine Höheninformation des wiederzugebenden Objektes bzw. eine Distanz zum wiederzugebenden Objekt durch die Orientierung der Längsrichtung der einzelnen Strukturelemente codiert werden. In diesem Fall nimmt ein Betrachter eine lateral unterschiedliche Parallaxe in der ebenen, mit der Mikroreliefstruktur versehenen Oberfläche wahr.
Die Strukturtiefe liegt in der Größenordnung der halben Strukturweite. Da man bei vielen Anwendungen eine maximale Dicke des Sicherheitselementes nicht überschreiten möchte, sind Breiten der rinnen- oder rippenförmigen Strukturelemente kleiner 30 μm bevorzugt, um die Dicke des Sicherheitselementes möglichst gering zu halten. Eine Untergrenze für die Breite liegt bei etwa 2 μm, bedingt durch das Beugungsverhalten des Lichtes an Strukturen in Größenordnungen der Wellenlänge. Denn für kleinere Breiten nehmen der Streu- bzw. der Beugungsanteil des reflektierten Lichtes zu. Bei sehr kleinen Strukturelementen, beispielsweise bei Breiten kleiner 10 μm, können daher vorteilhaft unregelmäßige bzw. aperiodische Strukturen verwendet werden, um beispielsweise beugungsbedingte Farbeffekte zu vermeiden. Ferner ist die Breite der rinnen- und/oder rippenförmigen Strukturelemente so gewählt, dass eine einzelnes der rinnen- und/oder rippenförmigen Strukturelemente nicht mehr vom Betrachter aufgelöst werden kann.
Die Strukturelemente können in ihrem Profil in vielen verschiedenen Varianten ausgebildet werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn sie von der Oberseite aus konvex sind. Für die Strukturelemente sind besonders Profile bevorzugt, die einen Bogen eines Kreises, einer Ellipse oder einer Parabel enthalten. Eine besonders einfach herzustellende Variante, die einen guten optischen Effekt zeigt, sind Strukturelemente, welche durch Rinnen oder Rippen gebildet sind, deren Fläche einem Teil einer Mantelfläche eines Kreiszylinders entspricht.
Mehrfachreflexionen des einfallenden Lichtes würden bei senkrechtem Einfall sprunghafte Änderungen der reflektierten Helligkeit im Fächer verursachen. Um solche Mehrfachreflexionen, wie sie bei Retroreflektoren zwingend erforderlich sind, zu vermeiden, ist es zu bevorzugen, die Strukturelemente so auszugestalten, dass ihre Steigung gegenüber der Ebene, welche durch die Oberfläche aufgespannt ist, so klein ist, dass sie einen Winkel von nicht mehr als 45°, bevorzugt nicht mehr als 30° einschließt.
Zur Verbesserung des Helligkeitseffektes ist es zu bevorzugen, dass die Strukturelemente mindestens bereichsweise eine reflektierende oder reflexionserhöhende Beschichtung aufweisen, insbesondere eine Metallisierung, eine hochbrechende Beschichtung, ein Dünnschichtelement mit Farbkippeffekt, eine Beschichtung mit Flüssigkristallen und/oder eine Beschichtung mit einer metallisch wirkenden oder reflektierenden Druckfarbe.
Die unterschiedlichen Teilbereiche können ineinander verschachtelt werden, so dass sich einem Betrachter aus unterschiedlichen Betrachtungsrichtungen unterschiedliche Darstellungen ergeben. Auf diese Weise kann ein Stereogramm oder bei entsprechender Bewegung des Sicherheitselementes ein kinematischer Effekt erzeugt werden.
Die Ausbildung des Sicherheitselementes auf einer transparenten Trägerfolie erlaubt es, das Sicherheitselement von beiden Seiten mit dem vom Sicherheitselement erzeugten Effekt zu verwenden.
Mit dem erfindungsgemäßen Sicherheitselement lassen sich insbesondere auch quasi endlose Bewegungseffekte realisieren, d. h. Effekte, bei denen eine Bewegung bei Rotation des Sicherheitselementes kontinuierlich weiterläuft, ohne an ein Ende zu kommen. Beispielsweise könnten sehr viele Bereiche hintereinander angeordnet sein, deren Längsrichtung sich jeweils um 5° unterscheidet. Nach 180°/5° = 36 Bereichen liegt dann wieder die ursprüngliche Ausrichtung vor. Ordnet man beispielsweise 72 solcher Bereiche auf einer Linie hintereinander an, so sieht man jeweils zwei der Bereiche hell aufleuchten. Bei Rotation des Sicherheitselementes wandert diese helle Stelle von Bereich zu Bereich kontinuierlich weiter. Dreht man das Sicherheitselement um volle 360°, so wandert ein heller Reflex beispielsweise kontinuierlich vom ersten Bereich zum letzten Bereich 72, wobei am Ende natürlich wieder die Ausgangssituation vorliegt. Der Effekt springt also nicht und ist bei Rotation aus allen Richtungen gut zu beobachten. Natürlich kann anstatt der Zahl 72 auch eine andere Anzahl an Bereichen und/oder auch eine andere Winkelunterscheidung der Längsrichtungen als die genannten 5° verwendet werden. Die Bereiche können auch in anderen Formen, beispielsweise auf einem Kreis angeordnet sein.
Mit den erfindungsgemäßen Sicherheitselementen lassen sich auch Darstellungen erzeugen, die sich bei Rotation des Sicherheitselementes scheinbar mit einer anderen Drehgeschwindigkeit bewegen. So könnten beispielsweise 36 unterschiedliche Bereiche ineinander verschachtelt werden, die aus jeweils um 5° verschiedenen Rotationsrichtungen sichtbar sind und jeweils praktisch gleiche Darstellungen zeigen, die aber gegeneinander verdreht sind. Bei Rotation des Sicherheitselementes sieht ein Betrachter somit eine Darstellung, die sich scheinbar anders dreht als das Sicherheitselement an sich (oder beispielsweise eine Banknote, die das Sicherheitselement trägt). Die Darstellungen können insbesondere so ausgelegt sein, dass der Eindruck entsteht, die Darstellung würde sich wie eine Kompassnadel nicht mitdrehen. Alternativ kann auch der Eindruck einer deutlich schnelleren Bewegung entstehen. Weiterhin sind Ausführungen realisierbar, in denen sich Teilbereiche unterschiedlich schnell zu drehen scheinen, wie beispielsweise unterschiedlich große Zahnräder in einem Getriebe.
Für das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kommen insbesondere Direktbelichtungstechniken, z. B. mit Hilfe eines Laserwriters in Frage. Die Herstellung kann analog zu dem bekannten Herstellungsverfahren für Mikrolinsen erfolgen. Das Original der Mikroreliefstruktur wird über Direktbelichtung mit Hilfe eines Laserwriter in ein mit Photolack beschichtetes Substrat geschrieben und anschließend der belichtete Anteil des Photolacks entfernt. Ein belichtetes Original kann anschließend galvanisch abgeformt und somit ein Prägestempel erzeugt werden. Letztendlich wird die Struktur über einen Prägeprozess beispielsweise in W-Lack auf Folie repliziert. Alternativ kann ein Nanoimprint-Verfahren eingesetzt werden. Dieses photolithographische Herstellungsverfahren bietet viele Gestaltungsmöglichkeiten in der Wahl der Geometrie der Mikroreliefstruktur.
Anschließend erfolgt bevorzugt eine Bedampfung der Oberfläche zur Reflexionserhöhung, beispielsweise einer Metall-Beschichtung. Hierzu kommen unter anderem Elektronenstrahlbedampfen, Sputtern oder thermisches Verdampfen unter Vakuum in Frage. Zum Abschluss wird die Struktur zum Schutz vorzugsweise mit einer Deckschicht kaschiert.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann so ausgebildet werden, dass die beschriebenen bevorzugten Ausbildungen und Ausführungsformen des Sicherheitselementes hergestellt werden.
Das Sicherheitselement kann insbesondere als Sicherheitsfaden, Aufreißfaden, Sicherheitsband, Sicherheitsstreifen, Patch oder als Etikett ausgebildet sein. Insbesondere kann das Sicherheitselement transparente Bereiche oder Ausnehmungen überspannen.
Das Sicherheitselement kann insbesondere Teil einer noch nicht umlauffähige Vorstufe zu einem Wertdokument sein, das neben dem erfindungsgemäßen Sicherheitselement beispielsweise auch weitere Echtheitsmerkmale (wie z. B. im Volumen vorgesehene Lumineszenzstoffe) aufweisen kann. Unter Wertdokumenten werden hier einerseits das Sicherheitselement aufweisende Dokumente verstanden. Andererseits können Wertdokumente auch sonstige Dokumente und Gegenstände sein, die mit dem erfindungsgemäßen Sicherheitselement versehen werden können, damit die Wertdokumente nicht kopierbare Echtheitsmerkmale aufweisen, wodurch eine Echtheitsüberprüfung möglich ist und zugleich unerwünschte Kopien verhindert werden. Chip- oder Sicherheitskarten, wie z. B. Bank- oder Kreditkarten, sind weitere Beispiele für ein Wertdokument.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Nachfolgend wird die Erfindung beispielshalber anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert ist. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung zur Verdeutlichung des Aufbaus eines Sicherheitselementes, das eine Mikroreliefstruktur aufweist,
2 eine Rasterelektronenmikroskopieaufnahme eines Ausführungsbeispiels für die Mikroreliefstruktur der 1,
3 und 4 mögliche Abwandlungen der Mikroreliefstruktur des Sicherheitselementes,
5 exemplarische Teilbereiche der Mikroreliefstruktur zur Verdeutlichung möglicher Bildeffekte,
6 ein Ausführungsbeispiel der Mikroreliefstruktur zur Erzeugung eines Tiefeneffektes,
7 eine Ausführungsform der Mikroreliefstruktur zur Erzeugung eines Laufeffektes,
8 eine weitere Ausführungsform der Mikroreliefstruktur zur Erzeugung eines Laufeffektes und
9 eine Schemadarstellung zur Verdeutlichung der Variation einer Längsrichtung der Mikroreliefstruktur, ebenfalls zur Erzeugung eines Bewegungseffektes.
1 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung durch ein Sicherheitselement 1, das eine reflektierende Mikroreliefstruktur 2 aufweist, die in einem Substrat gebildet ist. Auf seiner Oberseite weist dieses Substrat mehrere Strukturelemente auf, die im gezeigten Fall als Längsrippen gebildet sind, welche sich senkrecht zur Zeichnungsebene erstrecken und an ihrer Oberfläche quer zu dieser Längsrichtung das Profil eines Kreisbogens haben. Die einzelnen Strukturelemente 3 haben damit einen Ausschnitt einer Kreiszylindermantelfläche. Alternativ zu dieser Gestaltung sind auch andere Profile möglich, z. B. elliptische oder parabolische Formen als Basis des Profils. Es wird diesbezüglich auf den vorstehenden, allgemeinen Teil der Beschreibung verwiesen.
Parallel einfallendes Licht 4 wird an jedem Strukturelement 3 der Mikroreliefstruktur 2 in einen Fächer 5 reflektiert. Exemplarisch sind reflektierte Lichtstrahlen 6a, 6b und 6c eingezeichnet. Der Winkelbereich des Fächers 5 ist mindestens 30°, bevorzugt nicht kleiner als 45° und besonders bevorzugt (wie im eingezeichneten Fall) mindestens 90°. In der anderen Richtung, d. h. in der Darstellung der 1 senkrecht zur Zeichenebene findet keine nennenswerte Strahlaufweitung statt. Hierunter ist zu verstehen, dass die Auffächerung nicht mehr als 10°, besonders bevorzugt weniger als 5° beträgt. Eine größere Auffächerung in dieser Richtung, d. h. senkrecht zur Zeichnungsebene und damit entlang der Längsrichtung der Strukturelemente 3 wurde die einzelnen Strukturelemente 3 wieder nahezu isotop streuen lassen, womit die Oberfläche der Mikroreliefstruktur 1 zunehmend matt erschiene.
2 zeigt eine Rasterelektronenmikroskopieaufnahme einer exemplarischen Mikroreliefstruktur 2. Man beachte, dass bei der Aufnahme die Probe so eingebaut war, dass die Darstellung der 2 von unten auf die Mikroreliefstruktur 2 blickt. 2 zeigt folgende optionale Merkmale des Sicherheitselementes bzw. der Mikroreliefstruktur 2:
Die Strukturelemente 3 variieren hinsichtlich ihrer Längsrichtung. Im exemplarischen Fall der 2 sind zwei unterschiedliche Längsrichtungen vorhanden, die gegeneinander um 90° verdreht sind. Andere Winkellagen sind möglich.
Die Breite der einzelnen Strukturelemente 3 quer zur Längsrichtung ist mit dem unbewaffneten Auge nicht auflösbar. Wie die eingetragene Skalierung in der 2 zeigt, liegt sie im Ausführungsbeispiel bei wenigen Mikrometern und damit unterhalb einer Strukturgröße von 100 μm, die mit dem bloßen Auge noch erkennbar wäre.
Die einzelnen Strukturelemente 3 können sich sowohl hinsichtlich der quer zur Längserstreckung gemessenen Breite als auch hinsichtlich ihrer längs der Längsrichtung gemessenen Länge unterscheiden. Auch die Länge kann so sein, dass ein einzelnes Strukturelement nicht mehr mit dem bloßen Auge erkennbar ist. Dies ist jedoch nicht zwingend, wie die z. T. länger durchlaufenden Strukturelemente 3 in 2 veranschaulichen.
Bevor anhand der 3 und 4 auf mögliche Ausgestaltungen der Profile der Strukturelemente 3 eingegangen wird, sei anhand der 5 die Funktionsweise bzw. der Effekt erläutert, den die Strukturelemente 3 der Reliefstruktur 2 bewirken. 5 zeigt zwei Teilbereiche 8 und 9, die sich hinsichtlich der Längsrichtung 10, 11 ihrer Strukturelemente 3 unterscheiden. Die jeweilige Längsrichtung ist durch die Richtung der Schraffur in den Teilbereichen 8 und 9 symbolisiert. Im Beispiel der 5 liegen die Längsrichtungen 10 und 11 rechtwinklig zueinander. Mit den Doppelpfeilen ist die Richtung des Fächers 5 veranschaulicht, in den parallel einfallendes Licht 4 reflektiert wird. Die Darstellung der 5 geht dabei von senkrechtem Einfall des Lichtes auf die Oberfläche des Sicherheitselementes 1 aus. Natürlich kippt der Fächer 5 bei schrägem Einfall so, dass er bezogen auf die Oberflächennormale des Sicherheitselementes symmetrisch zur Lichteinfallsrichtung liegt. Der Fächer 5 muss hier nicht in einer Ebene liegen, sondern kann auch gegebenenfalls in einer gekrümmten Fläche liegen. Ein Beobachter, der sich im Bereich des Fächers 5 des Teilbereiches 8 befindet, sieht diesen Teilbereich hell. Der Teilbereich 9, dessen Fächer 5 senkrecht dazu liegt, erscheint ihm hingegen dunkel. Bewegt sich der Beobachter relativ zum Sicherheitselement, beispielsweise indem das Sicherheitselement gedreht wird, wechselt die Helligkeit, unter der die Teilbereiche 8 und 9 erscheinen. Bei einer Drehung des Sicherheitselementes um 90° findet eine vollständige Kontrastumkehr statt.
Dieser Effekt kennzeichnet das Sicherheitselement 1. Verwendet man beispielsweise die Struktur gemäß Teilbereich 8 für den Vordergrund eines Motivs, und die Struktur des Teilbereichs 9 für den Hintergrund, tritt eine Kontrastinvertierung zwischen Vordergrund und Hintergrund auf, wenn das Sicherheitselement um 90° rotiert wird. Für einen Beobachter verkehrt sich das Motiv in sein Negativ.
Die erfindungsgemäße Wirkung kann natürlich nicht nur mit der Struktur gemäß 1 oder andersartigen rippenförmigen, also konvexen Strukturelementen 3 erreicht werden, sondern auch mit rinnenförmigen, d. h. konkaven Strukturelementen. Ein solches Beispiel ist in 3 dargestellt. Hier tritt exakt derselbe Effekt auf.
4 verdeutlicht, dass konkave Strukturelemente 3a auch mit konvexen Strukturelementen 3b abgewechselt werden können. 4 verdeutlicht dies exemplarisch an Strukturelementen 3, die im Profil einem Bogenabschnitt eines Kreises 7 folgen. Die Mikroreliefstruktur 2 der 1 hat damit insgesamt eine wellenartige Struktur.
Die Profiltiefe ist in den Mikroreliefstrukturen 2 so gewählt, dass bevorzugt keine Mehrfachreflexion stattfindet, da diese zu einer sprunghaften, ungleichmäßigen Verteilung der Helligkeit in den Fächer 5 führen würde.
6 verdeutlicht eine Variante, bei der die Teilbereiche 8, 9 der 5 in Form eines Motivs gestaltet sind, der exemplarisch als Stern ausgebildet ist. Die Motive 12a, 12b und 12c unterscheiden sich durch die Längsrichtungen 13a–13c ihrer Strukturelemente 3. In der Darstellung der 6 mit drei Motiven 12a, 12b und 12c sieht der Betrachter einen Laufeffekt, wenn er das Sicherheitselement dreht. Je nach Lage ist beispielsweise zuerst das Motiv 12a hell, dann das Motiv 12b und dann das Motiv 12c. Die Helligkeit unterscheidet sich durch die Orientierung der Längsrichtungen 13a bis 13c.
In einer besonderen Ausführungsform bewirkt das Sicherheitselement einen stereoskopischen Effekt. Zwei Teilbereiche, hier die Motive 12a und 12c, sind so beabstandet, dass das linke Auge des Betrachters bei passendem Betrachtungsabstand im Fächer des Motivs 12a steht, das rechte Auge im Fächer des Motivs 12c (das Motiv 12b ist dann entfallen). Der Betrachter sieht deshalb in seinem linken und rechten Auge das Motiv an unterschiedlichen Positionen, womit es ihm je nach Drehlage vor oder hinter der Ebene des Sicherheitselementes erscheint. Man erhält so ein Stereogramm mit Tiefeneffekt. In welcher Tiefe der Betrachter das dargebotene Motiv vermutet, hängt vom Abstand der Motive 12a und 12c ab. Der Betrachter sieht die Gesamtheit aller Strukturelemente des Motivs 12a gemeinsam in gleicher Helligkeit. Analoges gilt für das Motiv 12b.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sicherheitselementes 1, bei dem die Mikroreliefstruktur einen Laufeffekt bewirkt. Die Motive 12a bis 12c der 6 sind nun so ausgebildet, dass sie in einem Abstand P liegen, der kleiner als die Ausdehnung des Motivs ist. Sie sind zum Teil überlappend verschachtelt. Im überlappenden Bereich wechseln sich dabei Strukturelemente 3 des einen Motivs mit Strukturelementen 3 des anderen Motivs ab. In der Darstellung der 7 ist dies durch eine Kreuzung der Längsrichtungen schematisch veranschaulicht. Natürlich kann an einem gegebenen Flächenbereich nur ein Strukturelement 3 entweder mit der Längsrichtung des einen Motivs oder der Längsrichtung des anderen Motivs vorhanden sein. Es wechseln sich deshalb Strukturelemente unterschiedlicher Ausformung in kleinen Flächenbereichen innerhalb des Überlappungsbereiches ab.
Eine solche Überlappung ist beispielsweise für einen Laufeffekt sinnvoll, bei dem sich das Motiv nahezu kontinuierlich bewegen und nicht springen soll. Natürlich können die Bereiche auch unterschiedliche Motive zeigen, z. B. die Form eines Symbols (z. B. €-Zeichen) und die Form einer Wertzahl. Die Bereiche können auch sehr komplexe Formen haben und beispielsweise ein gerastertes Halbtonbild darbieten. Weiter können die Bereiche praktisch kontinuierlich von einer ersten Form in eine zweite Form übergehen, womit sich auch ein Verwandlungseffekt realisieren lässt.
In weiter fortgeschrittenen Ausführungen liegen viele Bereiche vor, die leicht unterschiedliche Längsrichtungen der Strukturelemente aufweisen und einem Betrachter bei Rotation wie oben beschrieben aus unterschiedlichen Winkeln hell oder dunkel erscheinen. Liegen beispielsweise in der Mikroreliefstruktur 2 viele solcher Bereiche 14.1–14.7 in einer Reihe, bei denen sich die Längsrichtung von einem Bereich zum nächsten nur um einen geringen Winkel θ ändert, so leuchten diese Bereiche beim Drehen nacheinander auf. Es entsteht ein Laufeffekt, wie 8 verdeutlicht.
Analog lässt sich auch ein Pumpeffekt generieren, indem beispielsweise die Lage der Längsrichtung von einer kleineren Darstellung zur nächstgrößeren jeweils um den gleichen Winkel verändert werden. Die unterschiedliche Orientierung der Längsrichtungen der Strukturelemente 3 ist nicht auf senkrecht zueinander stehende Anordnungen beschränkt, wie oben bereits ausgeführt wurde. Durch eine kontinuierliche oder nahezu kontinuierliche Variation der Längsrichtungen können Pump- und Laufeffekte realisiert werden. 9 zeigt eine Draufsicht auf eine Mikroreliefstruktur 2, die Teilbereiche 15.1 bis 15.10 umfasst, in denen die Längsrichtung jeweils um 10° zwischen benachbarten Teilbereich differiert. Die Grenzlinien zwischen den Teilbereichen sind dabei nur zur Verdeutlichung in die Zeichnung eingetragen.
Obwohl die Bewegungseffekte naturgemäß eigentlich auf eine Bewegung bei Rotation des Sicherheitselementes ausgerichtet sind, hat sich gezeigt, dass die Effekte auch beim Kippen des Sicherheitselementes gut sichtbar sind. Dies ist vorteilhaft, da es beispielsweise den meisten Menschen leichter fällt bzw. schneller möglich ist, eine Banknote um eine beliebige Achse zu kippen als sie in einer festen Ebene zu drehen.
Die Achsen, um die einfallendes Licht aufgefächert wird, können auch den Höhenkonturlinien einer gewölbten Fläche folgen. Es hat sich gezeigt, dass ein solches Sicherheitselement dann ebenfalls eine solche Wölbung aufzuweisen scheint. Dabei ergibt sich jedoch ein Informationsverlust, da aus dem Verlauf der Konturlinien nur darauf geschlossen werden kann, in welche Richtung eine Fläche geneigt ist, nicht jedoch aber, ob sie ansteigt oder abfällt bzw. wie stark sie ansteigt oder abfällt. Somit kann man beispielsweise nicht unterscheiden, ob eine Fläche nach vorne oder hinten gewölbt ist oder eine große oder kleine Steigung vorliegt (man könnte z. B. nicht zwischen der Draufsicht auf einen Kegel und auf eine Kugel unterscheiden). Gerade bei komplexen Darstellungen wie beispielsweise einem Portrait fällt dieser Informationsverlaust aber kaum auf, sondern wird vom menschlichen Gehirn offenbar aufgrund der Erfahrung wieder ergänzt. Dies ist oft sogar sehr nützlich und vorteilhaft, insbesondere dann, wenn ein Sicherheitselement von beiden Seiten betrachtet werden kann: Man vermutet dann zum Beispiel von beiden Seiten, dass ein Gesicht zum Betrachter hin gewölbt ist und man nicht von hinten in eine hohle Maske schaut.
Das Sicherheitselement kann bevorzugt auf Basis einer transparenten Trägerfolie gefertigt werden. Es bietet dann von beiden Seiten betrachtet einen optisch variablen Effekt von vergleichbarer Qualität. Beispielsweise liegt von der Vorderseite gesehen die Struktur der 1 und von der Rückseite gesehen die Struktur der 3 vor. Dies macht das Sicherheitselement besonders bevorzugt geeignet für Fensterbereiche von Wertdokumenten oder für Sicherheitsfäden, Pendelfäden etc. bei Banknoten.
Als lichtauffächernde Strukturen können u. a. linsenähnliche Strukturen oder Strukturen mit stückweise kreisförmigen, parabolischen oder elliptischen Querschnitten benutzt werden.
Die Strukturen können konvex oder konkav sein, ohne dass sich die optische Wirkung gravierend unterscheidet. Es ist auch denkbar, abwechselnd nach oben bzw. nach unten gewölbte (konvexe oder konkave) Strukturen zu benutzen, beispielsweise mit kreisförmigem Querschnitt. Auch sinusförmige oder -ähnliche Profile sind möglich.
Die Strukturen sind bevorzugt so gestaltet, dass keine Mehrfachreflexionen des (senkrecht) einfallenden Lichts auftreten können, die sprunghafte Änderungen der reflektierten Helligkeit verursachen. Vorteilhaft sind somit Reliefstrukturen, deren Steigung so klein ist, dass sie lokal mit der makroskopischen Ebene des Sicherheitselementes nur einen Winkel von höchstens 45°, bevorzugt höchstens 30° einschließen.
Die Strukturen können regelmäßig bzw. periodisch sein oder auch unregelmäßig (z. B. Anordnung von Streustrukturen mit kreisförmigen Querschnitten, die unregelmäßig variierende Radien aufweisen).
Damit eine strahlenoptische Wirkung gegenüber Beugungseffekten dominiert, werden Strukturgrößen (z. B. Perioden bei regelmäßiger Anordnung) von mehr als 3 μm, bevorzugt mehr als 5 μm und besonders bevorzugt mehr als 10 μm verwendet.
Die in den Figuren mit ihren Querschnitten abgebildeten Strukturen laufen vorteilhaft in die Zeichenebene mit praktisch unverändertem Querschnitt hinein. Die Ausdehnung in dieser Richtung ist vorteilhaft mindestens 5 μm, besonders vorteilhaft mindestens 10 μm oder 20 μm groß, da sonst beugungsbedingt oder durch Streuung an den Kanten auch in einer zweiten Richtung eine hier unerwünschte Auffächerung stattfindet.
Die Strukturelemente bewirken eine Reflexion des einfallenden Lichtes. Hierfür ist es bevorzugt, sie reflektierend oder rückstreuend zu beschichten. Sie werden bevorzugt auf einer Trägerfolie geprägt, beispielsweise indem auf die Trägerfolie ein Prägelack aufgebracht wird, der beispielsweise thermoplastisch oder strahlungshärtend sein kann.
Die erfindungsgemäßen Strukturelemente können auch mit anderen geprägten Strukturen, insbesondere Mikrospiegelstrukturen, kombiniert und insbesondere verschachtelt werden. Beispielsweise können einen Laufeffekt erzeugende erfindungsgemäße Strukturelemente mit Mikrospiegelstrukturen verschachtelt werden, so dass über dem aus einem großem Betrachtungswinkelbereich sichtbaren Bewegungseffekt dann nur in einem sehr kleinen Winkelbereich eine Mikrospiegeldarstellung, z. B. eine Wertzahl, hell aufleuchtet.
Bezugszeichenliste

1: Sicherheitselement
2: Mikroreliefstruktur
3: Strukturelement
4: Licht
5: Fächer
6a–c: reflektierte Lichtstrahlen
7: Kreis
8, 9: Teilbereich
10, 11: Längsrichtung
12a–c: Motiv
13a–c: Längsrichtung
14.1–14.7, 15.1–15.10: Teilbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/069163 A1 [0005, 0011]
WO 2011/079347 A1 [0006]
WO 2012/048847 A1 [0007, 0013]

Claims

Sicherheitselement zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, das eine Oberseite aufweist, auf der eine Mikroreliefstruktur (2) ausgebildet ist, die mindestens zwei Teilbereiche (8, 9) hat, welche jeweils eine Vielzahl rinnen- und/oder rippenförmiger, nebeneinanderliegender und sich längs einer Längsrichtung (10, 11) erstreckender, reflektierender oder rückstreuender Strukturelemente (3) aufweisen, wobei die Längsrichtungen (10, 11) der Teilbereiche (8, 9) unterschiedlich sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (3) jeweils hinsichtlich der Breite quer zur Längsrichtung (10, 11) mit dem bloßen Auge nicht auflösbar sind und einfallendes paralleles Licht (4) achromatisch in einen Fächer (5) auffächern, der quer zur Längsrichtung (10, 11) liegt und einen Öffnungswinkel von mindestens 30° hat.
Sicherheitselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fächer (5) einen Öffnungswinkel von mindestens 45°, bevorzugt mindestens 90° hat.
Sicherheitselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (3) das einfallende parallele Licht (4) längs der Längsrichtung (10, 11) so reflektieren oder rückstreuen, dass es um nicht mehr als 10° aufgefächert ist.
Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (3) jeweils quer zur Längsrichtung gesehen ein Profil haben, das keine Unstetigkeit aufweist.
Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (3) von der Oberseite aus gesehen konvex sind.
Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil einen Querschnitt hat, der ein Bogen eines Kreises (7), einer Parabel oder einer Ellipse ist.
Sicherheitselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (3) durch Rinnen oder Rippen gebildet sind, deren Fläche einem Teil einer Mantelfläche eines Kreiszylinders entspricht.
Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (3) gegenüber einer durch die Oberseite definierten Ebene einen Neigungswinkel von maximal 45°, bevorzugt maximal 30° haben.
Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (3) mindestens bereichsweise mit einer reflektierenden oder reflexionserhöhenden Beschichtung versehen sind, insbesondere einer Metallisierung, einer hochbrechenden Beschichtung, einem Dünnschichtelement mit Farbkippeffekt, einer Beschichtung mit Flüssigkristallen oder einer Beschichtung mit einer metallisch wirkenden oder reflektierenden Druckfarbe.
Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Teilbereiche (12a–12c) entweder ineinander verschachtelt sind, so dass sich einem Betrachter aus unterschiedlichen Betrachtungsrichtungen unterschiedliche Darstellungen ergeben, oder so beabstandet sind, dass sie ein Stereogramm darbieten.
Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens fünf Teilbereiche (14.1–14.7; 15.1–15.10) vorliegen, deren Längsrichtungen unterschiedlich sind, so dass sich einem Betrachter bei Rotation des Sicherheitselementes (1) um eine senkrecht zur Oberfläche liegende Achse ein kinematischer Effekt, insbesondere ein Lauf- oder Pumpeffekt darbietet.
Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Teilbereichen vorliegt, deren Längsrichtungen sich unterscheiden, wobei die Längsrichtungen einer Höhenkonturlinie einer gewölbten Fläche folgen, um einem Betrachter einen 3D-Effekt darzubieten.
Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine transparente Trägerfolie aufweist, in der die Mikroreliefstruktur (2) ausgebildet ist, wobei das Sicherheitselement (1) eine beidseitige Wahrnehmung des vom Sicherheitselement (1) erzeugten Effekts erlaubt.
Wertdokument mit einem Sicherheitselement (1) nach einem der obigen Ansprüche.
Verfahren zum Herstellen eines Sicherheitselements (1) für Wertdokumente, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, wobei ein Substrat bereitgestellt wird, das eine Oberseite aufweist, auf der Oberseite eine Mikroreliefstruktur (2) ausgebildet wird, die mindestens zwei Teilbereiche (8, 9) hat, welche jeweils eine Vielzahl rinnen- und/oder rippenförmiger, nebeneinanderliegender und sich längs einer Längsrichtung (10, 11) erstreckender, reflektierender oder rückstreuender Strukturelemente (3) aufweisen, wobei die Längsrichtungen (10, 11) der Teilbereiche (8, 9) unterschiedlich sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (3) jeweils hinsichtlich der Breite quer zur Längsrichtung (10, 11) mit dem bloßen Auge nicht auflösbar sind und so ausgebildet werden, dass sie einfallendes paralleles Licht (4) achromatisch in einen Fächer (5) auffächern, der quer zur Längsrichtung (10, 11) liegt und einen Öffnungswinkel von mindestens 30° hat.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sicherheitselement (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 13 hergestellt wird.