DE10216562C1 - Sicherheitselement mit Mikro- und Makrostrukturen - Google Patents
Sicherheitselement mit Mikro- und MakrostrukturenInfo
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Abstract
Ein schwer kopierbares Sicherheitselement (2) umfasst einen Schichtverbund (1), der zwischen zwei Schichten (5; 6) des Schichtverbunds (1) eingebettete, mikroskopisch feine optisch wirksame Strukturen (9) eines Flächenmusters aufweist. In einer von Koordinatenachsen x und y aufgespannten Ebene des Flächenmusters sind in eine Grenzfläche (8) zwischen den Schichten (5; 6) in Flächenteilen eines holographisch nicht kopierbaren Sicherheitsmerkmals die optisch wirksamen Strukturen (9) abgeformt. In wenigstens einem Flächenteil ist die optisch wirksame Struktur (9) eine durch additive Überlagerung einer makroskopischen Überlagerungsfunktion (M) mit einem mikroskopisch feinen Reliefprofil (R) gebildete Beugungsstruktur (S, S*, S**). Sowohl das Reliefprofil (R), die Überlagerungsfunktion (M) als auch die Beugungsstruktur (S, S*, S**) sind Funktionen der Koordinaten x und y. Das Reliefprofil (R) ist eine lichtbeugende oder lichtstreuende optisch wirksame Struktur (9) und behält, der Überlagerungsfunktion (M) folgend, die vorbestimmte Profilhöhe bei. Die Überlagerungsfunktion (M) ist wenigstens stückweise stetig und keine periodische Dreieck- oder Rechteckfunktion. Im Vergleich zum Reliefprofil (R) ändert sich die Überlagerungsfunktion (M) langsam. Beim Kippen und Drehen des Schichtverbunds (1) erblickt der Beobachter auf den beleuchteten Flächenteilen helle, von der Betrachtungsrichtung abhängige, kontinuierlich wandernde Streifen.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Sicherheitselement gemäss dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche Sicherheitselemente bestehen aus einem dünnen Schichtverbund aus
Kunststoff, wobei in den Schichtverbund wenigstens Reliefstrukturen aus der
Gruppe Beugungsstrukturen, Licht streuende Strukturen und ebene Spiegelflächen
eingebettet sind. Die aus dem dünnen Schichtverbund geschnittenen
Sicherheitselemente werden auf Gegenstände geklebt zum Beglaubigen der
Echtheit der Gegenstände.
Der Aufbau des dünnen Schichtverbunds und die dazu verwendbaren
Materialien sind beispielsweise in der US 4,856,857 beschrieben. Aus der GB 2 129 739 A
ist zudem bekannt, den dünnen Schichtverbund mit Hilfe einer
Trägerfolie auf den Gegenstand aufzubringen.
Eine Anordnung der eingangs genannten Art ist aus der EP 0 429 782 B1
bekannt. Das auf ein Dokument aufgeklebte Sicherheitselement weist ein z. B. aus
der EP 0 105 099 A1 bekanntes, optisch variables Flächenmuster aus mosaikartig
angeordneten Flächenteilen mit bekannten Beugungsstrukturen auf. Damit ein
gefälschtes Dokument zum Vortäuschen einer scheinbaren Echtheit nicht ohne
deutliche Spuren mit einem nachgemachten, aus einem echten Dokument
ausgeschnittenen oder von einem echten Dokument abgelösten Sicherheitselement
versehen werden kann, werden in das Sicherheitselement und in angrenzende
Teile des Dokuments Sicherheitsprofile eingeprägt. Das echte Dokument
unterscheidet sich durch die sich nahtlos vom Sicherheitselement in angrenzende
Teile des Dokuments erstreckenden Sicherheitsprofile. Das Einprägen der
Sicherheitsprofile stört das Erkennen des optisch variablen Flächenmusters.
Insbesondere variiert die Position des Prägestempels auf dem Sicherheitselement von
Exemplar zu Exemplar des Dokuments.
Es ist auch bekannt, die Sicherheitselemente mit Merkmalen auszurüsten, die ein
Nachmachen bzw. ein Kopieren mit üblichen holographischen Mitteln erschweren oder
gar unmöglich machen. Beispielsweise sind in der EP 0 360 969 A1 und WO 99/38038
Anordnungen von asymmetrischen optischen Gittern beschrieben. Die
Flächenelemente weisen dort Gitter auf, die, unter verschiedenen Azimutwinkeln
eingesetzt, ein in der Helligkeit moduliertes Muster im Flächenmuster des
Sicherheitselements bilden. In einer holographischen Kopie wird das in der Helligkeit
modulierte Muster nicht wiedergegeben. Sind, wie in der WO 98/26373 beschrieben, die
Strukturen der Gitter kleiner als die Wellenlänge des zum Kopieren eingesetzten Lichts,
werden solche submikroskopische Strukturen nicht mehr erfasst und somit in der Kopie
nicht in der gleichen Art wiedergegeben.
Die in den beispielhaft genannten Dokumenten EP 0 360 969 A1, WO 98/26373
und WO 99/38038 beschriebene Schutzvorrichtung gegen das holographische Kopieren
wird mit produktionstechnischen Schwierigkeiten erkauft.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges, neuartiges
Sicherheitselement zu schaffen, das eine hohe Resistenz gegen Fälschungsversuche,
z. B. mittels eines holographischen Kopierverfahrens aufweisen soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1
angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
Weiter ist es vorteilhaft, ein Sicherheitselement nach den Ansprüchen 1 oder 2 mit
einer Überlagerungsfunktion zu verwenden, die ein Reliefbild beschreibt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden
im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Sicherheitselement im Querschnitt,
Fig. 2 das Sicherheitselement in Draufsicht,
Fig. 3 Reflexion und Beugung an einem Gitter,
Fig. 4 Beleuchtung und Beobachtung des Sicherheitselements,
Fig. 5 Reflexion und Beugung an einer Beugungsstruktur,
Fig. 6 das Sicherheitsmerkmal unter verschiedenen Kippwinkeln,
Fig. 7 eine Überlagerungsfunktion und die Beugungsstruktur im
Querschnitt,
Fig. 8 das Ausrichten des Sicherheitselements mittels Kennmarken,
Fig. 9 einen lokalen Neigungswinkel der Überlagerungsfunktion,
Fig. 10 das Ausrichten des Sicherheitselements mittels Farbkontrast im
Sicherheitsmerkmal,
Fig. 11 die Beugungsstruktur mit symmetrischer
Überlagerungsfunktion,
Fig. 12 das Sicherheitsmerkmal mit Farbumschlag und
Fig. 13 eine asymmetrische Überlagerungsfunktion.
In der Fig. 1 bedeutet 1 einen Schichtverbund, 2 ein Sicherheitselement, 3
ein Substrat, 4 eine Deckschicht, 5 eine Abformschicht, 6 eine Schutzschicht, 7
eine Kleberschicht, 8 eine reflektierende Grenzfläche, 9 eine optisch wirksame
Struktur und 10 eine transparente Stelle in der reflektierenden Grenzfläche 8. Der
Schichtverbund 1 besteht aus mehreren Lagen von verschiedenen, nacheinander
auf eine hier nicht gezeigte Trägerfolie aufgebrachten Kunststoffschichten und
umfasst in der angegebenen Reihenfolge typisch die Deckschicht 4, die
Abformschicht 5, die Schutzschicht 6 und die Kleberschicht 7. Die Deckschicht 4
und die Abformschicht 5 sind für einfallendes Licht 11 transparent. Falls auch die
Schutzschicht 6 und die Kleberschicht 7 transparent sind, werden hier nicht
gezeigte, auf der Oberfläche des Substrats 3 angebrachte Indicia durch die
transparente Stelle 10 erkennbar. Als Trägerfolie dient in einer Ausführung die
Deckschicht 4 selbst, in einer anderen Ausführung dient eine Trägerfolie zum
Applizieren des dünnen Schichtverbunds 1 auf das Substrat 3 und wird danach
vom Schichtverbund 1 entfernt, wie dies z. B. in der eingangs erwähnten GB 2 129 739 A
beschrieben ist.
Die gemeinsame Berührungsfläche zwischen der Abformschicht 5 und der
Schutzschicht 6 ist die Grenzfläche 8. In die Abformschicht 5 sind die optisch
wirksamen Strukturen 9 mit einer Strukturhöhe HSt eines optisch variablen Musters
abgeformt. Da die Schutzschicht 6 die Täler der optisch wirksamen Strukturen 9
verfüllt, weist die Grenzfläche 8 die Form der optisch wirksamen Strukturen 9 auf.
Um eine hohe Wirksamkeit der optisch wirksamen Strukturen 9 zu erhalten, ist die
Grenzfläche 8 mit einem Metallbelag versehen, vorzugsweise aus den Elementen
der Tabelle 5 der eingangs erwähnten US 4,856,857, insbesondere Aluminium,
Silber, Gold, Kupfer, Chrom, Tantal usw., der als Reflexionsschicht die
Abformschicht 5 und die Schutzschicht 6 trennt. Die elektrische Leitfähigkeit des
Metallbelags bewirkt ein hohes Reflektionsvermögen für sichtbares einfallendes
Licht 11 an der Grenzfläche 8. Jedoch eignen sich anstelle des Metallbelags auch
eine oder mehrere Schichten eines der bekannten, transparenten, anorganischen
Dielektrika, die z. B. in der Tabellen 1 und 4 der eingangs erwähnten US 4,856,857
aufgeführt sind, oder die Reflexionsschicht weist eine mehrschichtige
Interferenzschicht auf, wie z. B. eine zweischichtige Metall-Dielektrikum-
Kombination oder eine Metall-Dielektrikum-Metall-Kombination. Die
Reflexionsschicht ist in einer Ausführung strukturiert, d. h. sie bedeckt die
Grenzfläche 8 nur teilweise und in vorbestimmten Zonen der Grenzfläche 8.
Der Schichtverbund 1 wird als Kunststofflaminat in Form einer langen
Folienbahn mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Kopien des optisch
variablen Musters hergestellt. Aus der Folienbahn werden die Sicherheitselemente
2 beispielsweise ausgeschnitten und mittels der Kleberschicht 7 mit einem Substrat
3 verbunden. Das Substrat 3, meist in Form eines Dokuments, einer Banknote,
einer Bankkarte, eines Ausweises oder eines anderen wichtigen bzw. wertvollen
Gegenstandes, wird mit dem Sicherheitselement 2 versehen, um die Echtheit des
Gegenstandes zu beglaubigen.
Die Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt des Substrats 3 mit dem
Sicherheitselement 2. Durch die Deckschicht 4 (Fig. 1) und die Abformschicht 5
(Fig. 1) hindurch ist ein Flächenmuster 12 sichtbar. Das Flächenmuster 12 liegt in
einer von den Koordinatenachsen x, y aufgespannten Ebene und enthält ein
Sicherheitsmerkmal 16 aus wenigstens einem mit dem blossen Auge in der Kontur
gut erkennbaren Flächenteil 13, 14, 15, d. h. die Abmessungen des Flächenteils
sind zumindest in einer Richtung grösser als 0.4 mm. Das Sicherheitsmerkmal 16
ist in der Zeichnung der Fig. 2 aus darstellerischen Gründen doppelt umrahmt. In
einer anderen Ausführung ist das Sicherheitsmerkmal 16 von einem Mosaik aus
Flächenelementen 17 bis 19 des in der eingangs erwähnten EP 0 105 099 A1
beschriebenen Mosaiks umgeben. In den Flächenteilen 13 bis 15 und
gegebenenfalls in den Flächenelementen 17 bis 19 sind die optisch wirksamen
Strukturen 9 (Fig. 1), wie mikroskopisch feine diffraktive Gitter, mikroskopisch feine,
lichtstreuende Reliefstrukturen oder ebene Spiegelflächen in die Grenzfläche 8
(Fig. 1) abgeformt.
Anhand der Fig. 3 wird beschrieben, wie das auf die Grenzfläche 8 (Fig. 1)
einfallende Licht 11 durch die optisch wirksame Struktur 9 reflektiert und
vorbestimmt abgelenkt wird. Das einfallende Licht 11 fällt in der Beugungsebene
20, die senkrecht auf der Oberfläche des Schichtverbunds 1 mit dem
Sicherheitselement 2 (Fig. 1) steht und eine Flächennormale 21 enthält, auf die
optisch wirksame Struktur 9 im Schichtverbund 1 ein. Das einfallende Licht 11 ist
ein paralleles Bündel von Lichtstrahlen und schliesst mit der Flächennormalen 21
den Einfallswinkel α ein. Ist die optisch wirksame Struktur 9 eine ebene
Spiegelfläche parallel zur Oberfläche des Schichtverbunds 1, bilden die
Flächennormale 21 und die Richtung des reflektierten Lichts 22 die Schenkel des
Reflexionswinkels β, wobei β = -α. Falls die optisch wirksame Struktur 9 eines der
bekannten Gitter ist, lenkt das Gitter das einfallende Licht 11 in verschiedene, durch
die Spatialfrequenz f des Gitters bestimmte Beugungsordnungen 23 bis 25 ab,
wobei vorausgesetzt ist, dass der das Gitter beschreibende Gittervektor in der
Beugungsebene 20 liegt. Die im einfallenden Licht 11 enthaltenen Wellenlängen λ
werden unter den vorbestimmten Winkeln in die verschiedenen
Beugungsordnungen 23 bis 25 abgelenkt. Beispielsweise lenkt das Gitter violettes
Licht (λ = 380 nm) gleichzeitig als Strahl 26 in die plus 1. Beugungsordnung 23 als
Strahl 27, in die minus 1. Beugungsordnung 24 und als Strahl 28 in die minus
2. Beugungsordnung 25 ab. Lichtanteile mit längeren Wellenlängen λ des
einfallenden Lichts 11 werden in Richtungen mit grösseren Beugungswinkeln zur
Flächennormalen 21 austreten, beispielsweise rotes Licht (λ = 700 nm) in die mit
den Pfeilen 29, 30, 31 bezeichneten Richtungen. Das polychromatische einfallende
Licht 11 wird infolge der Beugung am Gitter in die Lichtstrahlen der verschiedenen
Wellenlängen λ des einfallenden Lichts 11 aufgefächert, d. h. der sichtbare Teil des
Spektrums erstreckt sich im Bereich zwischen dem violetten Lichtstrahl (Pfeil 26
bzw. 27 bzw. 28) und dem roten Lichtstrahl (Pfeil 29 bzw. 30 bzw. 31) in jeder
Beugungsordnung 23 bzw. 24 bzw. 25. Das in die nullte Beugungsordnung
gebeugte Licht ist das unter dem Ausfallwinkel β reflektierte Licht 22.
Die Fig. 4 zeigt ein in den Flächenelementen 17 (Fig. 2) bis 19 (Fig. 2)
abgeformtes Beugungsgitter 32, dessen mikroskopisch feines Reliefprofil R(x, y)
beispielsweise einen sinusförmigen, periodischen Profilquerschnitt von konstanter
Profilhöhe h und mit der Spatialfrequenz f aufweist. Das ausgemittelte Relief des
Beugungsgitters 32 legt eine parallel zur Deckschicht 4 angeordnete Mittelfläche 33
fest. Das parallel einfallende Licht 11 durchdringt die Deckschicht 4 und die
Abformschicht 5 und wird an der optisch wirksamen Struktur 9 (Fig. 1) des
Beugungsgitters 32 abgelenkt. Die parallelen gebeugten Lichtstrahlen 34 der
Wellenlänge λ verlassen das Sicherheitselement 2 in die Blickrichtung eines
Beobachters 35, der bei der Beleuchtung des Flächenmusters 12 (Fig. 2) mit dem
parallel einfallenden Licht 11 die farbigen, hell erstrahlenden Flächenelemente 17,
18, 19 erblickt.
In der Fig. 5 liegt die Beugungsebene 20 in der Zeichnungsebene. In
wenigstens einem der Flächenteile 13 (Fig. 2) bis 15 (Fig. 2) des
Sicherheitsmerkmals 16 (Fig. 2) ist eine Beugungsstruktur S(x, y) abgeformt, deren
Mittelfläche 33 gewölbt oder lokal zur Oberfläche des Schichtverbunds 1 geneigt
ist. Die Beugungsstruktur S(x, y) ist eine Funktion der Koordinaten x und y in der
zur Oberfläche des Schichtverbunds 1 parallelen Ebene des Flächenmusters 12
(Fig. 2), in der die Flächenteile 13, 14 (Fig. 2), 15 liegen. In jedem Punkt P(x, y)
bestimmt die Beugungsstruktur S(x, y) einen zur Flächennormalen 21 parallelen
Abstand z zur Ebene des Flächenmusters 12. Allgemeiner beschrieben, ist die
Beugungsstruktur S(x, y) die Summe aus dem Reliefprofil R(x, y) (Fig. 4) des
Beugungsgitters 32 (Fig. 4) und einer eindeutig definierten Überlagerungsfunktion
M(x, y), der Mittelfläche 33, wobei S(x, y) = R(x, y) + M(x, y). Beispielsweise
erzeugt das Reliefprofil R(x, y) das periodische Beugungsgitter 32 mit dem Profil
einer der bekannten sinusförmigen, asymmetrisch bzw. symmetrisch
sägezahnförmigen oder rechteckförmigen Formen.
In einer anderen Ausführung ist das mikroskopisch feine Reliefprofil R(x, y) der
Beugungsstruktur S(x, y) eine Mattstruktur anstelle des periodischen Beugungsgitters
32. Die Mattstruktur ist eine mikroskopisch feine, stochastische Struktur mit einer
vorbestimmten Streucharakteristik für das einfallende Licht 11, wobei bei einer
anisotropen Mattstruktur anstelle des Gittervektors eine Vorzugsrichtung tritt. Die
Mattstrukturen streuen das senkrecht einfallende Licht in einen Streukegel mit einem
durch das Streuvermögen der Mattstruktur vorbestimmten Öffnungswinkel und mit
der Richtung des reflektierten Lichts 22 als Kegelachse. Die Intensität des Streulichts
ist z. B. auf der Kegelachse am grössten und nimmt mit zunehmendem Abstand zur
Kegelachse ab, wobei das in Richtung der Mantellinien des Streukegels abgelenkte
Licht für einen Beobachter gerade noch erkennbar ist. Der Querschnitt des
Streukegels senkrecht zur Kegelachse ist rotationssymmetrisch bei einer hier
"isotrop" genannten Mattstruktur. Ist der Querschnitt in der Vorzugsrichtung hingegen
gestaucht d. h. elliptisch verformt mit der kurzen Hauptachse der Ellipse parallel zur
Vorzugsrichtung, wird die Mattstruktur hier mit "anisotrop" bezeichnet.
Wegen der additiven bzw. subtraktiven Überlagerung wird die Profilhöhe h
(Fig. 4) des Reliefprofils R(x, y) im Bereich der Überlagerungsfunktion M(x, y) nicht
verändert, d. h. das Reliefprofil R(x; y) folgt der Überlagerungsfunktion M(x, y). Die
eindeutig definierte Überlagerungsfunktion M(x, y) ist wenigstens stückweise
differenzierbar und wenigstens in Teilbereichen gekrümmt, d. h. ΔM(x, y) ≠ 0,
periodisch oder aperiodisch und ist keine periodische Dreieck- oder
Rechteckfunktion. Die periodischen Überlagerungsfunktionen M(x, y) weisen eine
Raumfrequenz F von höchstens 20 Linien/mm auf. Für eine gute Sichtbarkeit sind
Verbindungsstrecken zwischen zwei benachbarten Extremwerten der
Überlagerungsfunktionen M(x, y) wenigstens 0.025 mm lang. Die Vorzugswerte für
die Raumfrequenz F sind auf höchstens 10 Linien/mm begrenzt und die
Vorzugswerte für den Abstand benachbarter Extremwerte betragen wenigstens
0.05 mm. Die Überlagerungsfunktion M(x, y) variiert somit als makroskopische
Funktion im stetigen Bereich langsam im Vergleich zum Reliefprofil R(x, y).
Eine auf die Ebene des Flächenmusters 12 (Fig. 2) projizierte Schnittlinie der
Beugungsebene 20 mit der Mittelebene 33 legt eine Spur 36 (Fig. 2) fest. Die
Überlagerungsfunktion M(x, y) weist in jedem Punkt P(x, y) auf den parallel zur
Spur 36 liegenden Verbindungsstrecken mit stetigen Abschnitten einen Gradienten
38, grad(M(x, y)), auf. Allgemein ist mit dem Gradient 38 die Komponente des
grad(M(x, y)) in der Beugungsebene 20 gemeint, da der Beobachter 35 die optisch
wirksame Beugungsebene 20 festlegt. Das Beugungsgitter 32 weist in jedem Punkt
des Flächenteils 13, 14, 15 eine durch den Gradienten 38 der Überlagerungs
funktion M(x, y) vorbestimmte Neigung γ auf.
Die Deformation der Mittelfläche 33 bewirkt eine neue, vorteilhafte optische
Wirkung. Diese Wirkung wird anhand des Beugungsverhaltens in
Durchstosspunkten A, B, C der Flächennormale 21 und Normalen 21', 21" auf die
Mittelfläche 33, z. B. längs der Spur 36, erklärt. Die Brechung des einfallenden
Lichts 11, des reflektieren Lichts 22 und der gebeugten Lichtstrahlen 34 an den
Grenzflächen des Schichtverbunds 1 ist der Einfachheit halber in der Zeichnung der
Fig. 5 nicht dargestellt und in den nachfolgenden Rechnungen nicht
berücksichtigt. In jedem Durchstosspunkt A, B, C ist die Neigung γ durch den
Gradienten 38 bestimmt. Die Normalen 21' und 21", der Gittervektor des
Beugungsgitters 32 (Fig. 4) und eine Betrachtungsrichtung 39 des Beobachters 35
liegen in der Beugungsebene 20. Entsprechend dem Neigungswinkel γ ändert sich
der Einfallswinkel α (Fig. 3), den die gestrichelt gezeichneten Normalen 21, 21', 21"
und das weisse, parallel einfallende Licht 11 einschliessen. Damit ändert sich auch
die Wellenlänge λ der in einer vorbestimmten Betrachtungsrichtung 39 zum
Beobachter 35 abgelenkten gebeugten Lichtstrahlen 34. Ist die Normale 21' vom
Betrachter 35 weggeneigt, ist die Wellenlänge λ der gebeugten Lichtstrahlen 34
grösser, als wenn sich die Normale 21" zum Beobachter 35 hinneigt. In dem zur
Illustration gezeigten Beispiel weisen für den Betrachter 35 die im Bereich des
Durchstosspunktes A gebeugten Lichtstrahlen 34 eine rote Farbe (λ = 700 nm) auf.
Die im Bereich des Durchstosspunktes B gebeugten Lichtstrahlen 34 sind von gelb
grüner Farbe (λ = 550 nm) und die im Bereich des Durchstosspunktes C gebeugten
Lichtstrahlen 34 haben eine blaue Farbe (λ = 400 nm). Da sich im gezeigten
Beispiel die Neigung γ kontinuierlich über die Wölbung der Mittelfläche 33 ändert,
ist für den Beobachter 35 längs der Spur 36 das ganze sichtbare Spektrum auf dem
Flächenteil 13, 14, 15 sichtbar, wobei sich Farbbänder des Spektrums auf dem
Flächenteil 13, 14, 15 senkrecht zur Spur 36 erstrecken. Damit die Farbbänder des
Spektrums für den Beobachter 35 in 30 cm Entfernung erkennbar sind, ist für den
Abstand zwischen den Durchstosspunkten A und C wenigstens 2 mm Länge oder
mehr zu wählen. Ausserhalb des sichtbaren Spektrums, weist die Oberfläche des
Flächenteils 13, 14, 15 ein lichtschwaches Grau auf. Beim Kippen des
Schichtverbunds 1 um eine Kippachse 41 senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 5
verändert sich der Einfallswinkel α. Die sichtbaren Farbbänder der Spektren
verschieben sich im Bereich der Überlagerungsfunktion M(x, y) kontinuierlich längs
der Spur 36. Bei einem Kippen, z. B. im Uhrzeigersinn um die Kippachse 41, des
Schichtverbunds 1 ändert sich die Farbe des gebeugten Lichtstrahls 34 im
Durchstosspunkt A ins Gelbgrüne, die Farbe des gebeugten Lichtstrahls 34 im
Durchstosspunkt B ins Blaue und die Farbe des gebeugten Lichtstrahls 34 im
Durchstosspunkt C ins Violette. Die Veränderung der Farben des gebeugten Lichts
34 empfindet der Beobachter 35 als Wandern der Farbbänder in kontinuierlichen
Weise über den Flächenteil 13, 14, 15.
Diese Überlegung ist für jede Beugungsordnung zutreffend. Wie viele
Farbbänder von wie vielen Beugungsordnungen der Beobachter auf dem
Flächenteil 13, 14, 15 gleichzeitig erblickt, hängt von der Spatialfrequenz des
Beugungsgitters 32 und der Anzahl Perioden und der Amplitude der
Überlagerungsfunktion M(x, y) innerhalb des Flächenteils 13, 14, 15 ab.
In einer anderen Ausführung, bei der eine der Mattstrukturen anstelle des
Beugungsgitters 32 eingesetzt ist, erblickt der Beobachter 35 in der Richtung des
reflektierten Lichts 22 nur ein helles, weissgraues Band anstelle der Farbbänder.
Das helle, weissgraue Band wandert beim Kippen wie die Farbbänder kontinuierlich
über die Fläche des Flächenteils 13, 14, 15. Im Gegensatz zu den Farbbänder ist
das helle, weissgraue Band für den Beobachter 35 in Abhängigkeit vom
Streuvermögen der Mattstruktur auch dann sichtbar, wenn seine
Betrachtungsrichtung 39 schief zur Beugungsebene 20 ist. Nachstehend ist daher
mit "Streifen 40" (Fig. 6a) sowohl die Farbbänder einer Beugungsordnung 23, 24,
25 als auch das durch die Mattstruktur erzeugte helle weissgraue Band gemeint.
In der Fig. 6a ist die Verschiebung des Streifens vom Beobachter 35 (Fig. 5)
leichter erkennbar, wenn eine Referenz auf dem Sicherheitsmerkmal 16 vorhanden
ist. Als Referenz dienen auf dem Flächenteil 13, 14, 15, beispielsweise auf dem
mittleren Flächenteil 14, angeordnete Kennmarken 37 (Fig. 2) und/oder eine
vorbestimmte Begrenzungsform des Flächenteils 13, 14, 15. Mit Vorteil legt die
Referenz eine vorbestimmte Betrachtungsbedingung fest, die mittels Kippen des
Schichtverbunds 1 (Fig. 1) so einstellbar ist, dass der Streifen 40 vorbestimmt
gegenüber der Referenz positioniert ist. Im Bereich der Kennmarken 37 ist die
optisch wirksame Struktur 9 (Fig. 1) der Grenzfläche 8 (Fig. 1) mit Vorteil als eine
optisch wirksame Struktur 9, eine diffraktive Struktur, Spiegelfläche oder
lichtstreuende Reliefstruktur, ausgeführt, die beim Replizieren des Flächenmusters
12 im Register zu den Flächenteilen 13, 14, 15 abgeformt wird. Aber auch ein
lichtabsorbierender Aufdruck auf das Sicherheitsmerkmal 16 ist als Referenz für die
Bewegung des Streifens 40 verwendbar oder die Kennmarke 37 ist mittels der
strukturierten Reflexionsschicht erzeugt.
In einer weiteren Ausführung des Sicherheitsmerkmals 16 nach den Fig. 6
dienen die beiderseits an das mittlere Flächenteil 14 anschliessenden,
benachbarten Flächenteile 13 und 15 als gegenseitige Referenz. Die benachbarten
Flächenteile 13 und 15 weisen beide eine Beugungsstruktur S*(x, y) auf. Die
Beugungsstruktur S*(x, y) ist im Gegensatz zur Beugungsstruktur S(x, y) die
Differenz R - M aus der Relieffunktion R(x, y) und der Überlagerungsfunktion M(x, y),
also S*(x, y) = R(x, y) - M(x, y). Die durch die Beugungsstruktur S*(x, y) erzeugten
Farbbänder weisen einen umgekehrten Farbverlauf gegenüber den Farbbändern
der Beugungsstruktur S(x, y) auf, wie dies in der Zeichnung der Fig. 6a mittels
einer fetten Längsberandung des Streifens 40 angedeutet ist. Für eine gute
Sichtbarkeit der optischen Wirkung ohne Hilfsmittel weist das Sicherheitsmerkmal
16 längs der Koordinatenachse y bzw. der Spur 36 eine Abmessung von
wenigstens 5 mm, vorzugsweise mehr als 10 mm auf. Die Abmessungen längs der
Koordinatenachse x betragen mehr als 0.25 mm, vorzugsweise aber wenigstens
1 mm.
In der Ausführung des Sicherheitsmerkmals 16 gemäss den Fig. 6a bis 6c
weist das ovale Flächenteil 14 die nur von der Koordinate y abhängige
Beugungsstruktur S(y) auf, während sich die Flächenteile 13 und 15 mit der nur von
der Koordinate y abhängigen Beugungsstruktur S*(y) auf beiden Seiten des ovalen
Flächenteils 14 längs der Koordinate y erstrecken. Die Überlagerungsfunktion ist
M(y) = 0.5.y2.K, wobei K die Krümmung der Mittelfläche 33 ist. Der Gradient 38
(Fig. 5) und der Gittervektor des Beugungsgitters 32 (Fig. 4) bzw. die
Vorzugsrichtung der "anisotropen" Mattstruktur sind im wesentlichen parallel bzw.
antiparallel auf die Richtung der Koordinate y ausgerichtet.
Im allgemeinen ist der Azimut ϕ des Gittervektors bzw. der Vorzugsrichtung
der Mattstruktur auf eine Gradientenebene bezogen, die durch den Gradienten 38
und die Flächennormale 21 bestimmt ist. Die Vorzugswerte des Azimuts ϕ sind 0°
und 90°. Dabei sind Abweichungen im Azimutwinkel des Gittervektors bzw. der
Vorzugsrichtung von δϕ = ±20° auf den Vorzugswert zulässig, um in diesem
Bereich den Gittervektor bzw. die Vorzugsrichtung als im wesentlichen parallel bzw.
senkrecht zur Gradientenebene zu betrachten. An sich ist der Azimut ϕ nicht auf die
genannten Vorzugswerte beschränkt.
Je kleiner die Krümmung K ist, desto höher ist die Geschwindigkeit der
Bewegung der Streifen 40 in Richtung der in der Zeichnung der Fig. 6a und 6c
nicht bezeichneten Pfeile pro Winkeleinheit der Drehung um die Kippachse 41. Der
Streifen 40 ist in der Zeichnung der Fig. 6a bis 6c schmal gezeichnet, um den
Bewegungseffekt deutlich darzustellen. Die Breite der Streifen 40 in Richtung der
nicht bezeichneten Pfeile ist von der Beugungsstruktur S(y) abhängig.
Insbesondere bei den Farbbändern erstreckt sich der spektrale Farbverlauf über
einen grösseren Teil des Flächenteils 13, 14, 15, so dass die Bewegung der
Streifen 40 anhand des Wanderns eines Ausschnitts im sichtbaren Spektrum, z. B.
des Farbbands Rot, zu beobachten ist.
Die Fig. 6b zeigt das Sicherheitsmerkmal 16 nach einer Drehung um die
Kippachse 41 in einen vorbestimmten Kippwinkel, unter dem die Streifen 40 der
beiden äusseren Flächenteilen 13, 15 und des mittleren Flächenteils 14 auf einer
Linie parallel zur Kippachse 41 liegen. Dieser vorbestimmte Kippwinkel ist durch die
Wahl der Überlagerungsstruktur M(x, y) bestimmt. In einer Ausführung des
Sicherheitselements 2 (Fig. 2) ist auf dem Flächenmuster 12 (Fig. 2) ein
vorbestimmtes Muster nur zu sehen, wenn im Sicherheitsmerkmal 16 der oder die
Streifen 40 eine vorbestimmte Lage einnehmen, d. h. wenn der Beobachter 35 das
Sicherheitselement 2 unter den durch den vorbestimmten Kippwinkel bestimmten
Betrachtungsbedingungen betrachtet.
In der Fig. 6c sind nach einer weiteren Drehung um die Kippachse 41 die
Streifen 40 auf dem Sicherheitsmerkmal 16 wieder auseinandergewandert, wie dies
die nicht bezeichneten Pfeile in der Fig. 6c andeuten.
Selbstverständlich reichen für das Sicherheitsmerkmal 16 in einer anderen
Ausführung eine benachbarte Anordnung aus dem mittleren Flächenteil 14 und
einem der beiden Flächenteile 13, 15 aus.
Die Fig. 7 zeigt einen Querschnitt längs der Spur 36 (Fig. 2) durch den
Schichtverbund 1 z. B. im Bereich des Flächenteils 14 (Fig. 2). Damit der
Schichtverbund 1 nicht zu dick und damit schlecht herstellbar bzw. verwendbar
wird, ist die Strukturhöhe HSt (Fig. 1) der Beugungsstruktur S(x; y) beschränkt. In
der nicht massstäblichen Zeichnung der Fig. 7 ist beispielhaft die Überlagerungs
funktion M(y) = 0.5.y2.K links von der Koordinatenachse z, in der sich die Höhe des
Schichtverbunds 1 ausdehnt, im Schnitt allein dargestellt. In jedem Punkt P(x, y)
des Flächenteils 14 ist der Wert z = M(x, y) auf einen vorbestimmten Hub H = z1 -
z0 begrenzt. Sobald die Überlagerungsfunktion M(y) an einem der Punkte P1, P2,
. . ., Pn den Wert z1 = M(Pj) für j = 1, 2, . . ., n erreicht hat, tritt in der Überlagerungs
funktion M(y) eine Unstetigkeitsstelle auf, an der auf der vom Punkt P0
abgewandten Seite der Wert der Überlagerungsfunktion M(y) jeweils um den Wert
H auf die Höhe z0 reduziert ist, d. h. der in der Beugungsstruktur S(x; y) eingesetzte
Wert der Überlagerungsfunktion M(x; y) ist der Funktionswert
z = {M(x; y) + C(x; y)} modulo Hub H - C(x; y).
Die Funktion C(x; y) ist dabei betragsmässig auf einen Wertebereich beschränkt,
beispielsweise auf den halben Wert der Strukturhöhe HST. Die aus technischen
Gründen erzeugten Unstetigkeitsstellen der Funktion
{M(x; y) + C(x; y)} modulo Hub H - C(x; y) sind nicht als Extremwerte der
Überlagerungsfunktion M(x; y) zu zählen. Ebenso können in bestimmten
Ausführungen die Werte für den Hub H lokal kleiner sein. In einer Ausführung der
Beugungsstruktur S(x; y) ist der lokal variierende Hub H dadurch bestimmt, dass
der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Unstetigkeitsstellen Pn einen
vorbestimmten Wert aus dem Bereich von 40 µm bis 300 µm nicht überschreitet.
In den Flächenteilen 13 (Fig. 2), 14, 15 (Fig. 2) erstreckt sich die
Beugungsstruktur S(x, y) auf beiden Seiten der Koordinatenachse z und nicht nur,
wie in der Zeichnung der Fig. 7 gezeigt ist, rechts von der Koordinatenachse z.
Wegen der Überlagerung ist die Strukturhöhe HSt die Summe aus dem Hub H und
der Profilhöhe h (Fig. 4) und gleich dem Wert der Beugungsstruktur S(x, y) im
Punkt P(x; y). Die Strukturhöhe HSt ist mit Vorteil kleiner als 40 µm, wobei
bevorzugte Werte der Strukturhöhe HSt < 5 µm sind. Der Hub H der
Überlagerungsfunktion M(x, y) beschränkt sich auf weniger als 30 µm und liegt
vorzugsweise im Bereich H = 0.5 µm bis H = 4 µm. Die Mattstrukturen besitzen im
mikroskopischen Massstab feine Reliefstrukturelemente, die das Streuvermögen
bestimmen und nur mit statistischen Kenngrössen beschrieben werden können, wie
z. B. Mittenrauhwert Ra, Korrelationslänge Ic usw., wobei die Werte für den
Mittenrauhwert Ra im Bereich 200 nm bis 5 µm liegen mit Vorzugswerten von
Ra = 150 nm bis Ra = 1,5 µm, während die Korrelationslängen Ic zumindest in einer
Richtung im Bereich von 300 nm bis 300 µm liegen, vorzugsweise zwischen
Ic = 500 nm bis Ic = 100 µm. Bei den "isotropen" Mattstrukturen sind die
statistischen Kenngrössen unabhängig von einer Vorzugsrichtung, während bei den
"anisotropen" Mattstrukturen Reliefelemente mit der Korrelationslänge Ic senkrecht
zur Vorzugsrichtung ausgerichtet sind. Die Profilhöhe h des Beugungsgitters 32
(Fig. 4) weist einen Wert aus dem Bereich h = 0,05 µm bis h = 5 µm auf, wobei die
Vorzugswerte im engeren Bereich von h = 0,6 ± 0,5 µm liegen. Die Spatialfrequenz
f des Beugungsgitters 32 ist aus dem Bereich f = 300 Linien/mm bis
3300 Linien/mm gewählt. Ab etwa F = 2400 Linien/mm ist das gebeugte Licht 34
(Fig. 5) nur noch in der nullten Beugungsordnung, d. h. in Richtung des reflektierten
Lichts 22 (Fig. 5), beobachtbar.
Weitere Beispiele der Überlagerungsfunktion M(x, y) sind:
M(x, y) = 0,5.(x2 + y2).K, M(x, y) = a.{1 + sin(2πFx.x).sin(2πFy.y)},
M(x, y) = a.x1,5 + b.x, M(x, y) = a.{1 + sin(2πFy.y)}, wobei Fx bzw. Fy die Raumfrequenz F der Überlagerungsfunktion M(x, y) in Richtung der Koordinatenachse x bzw. y ist. In einer anderen Ausführung des Sicherheitsmerkmals 16 ist die Überlagerungsfunktionen M(x, y) aus einem vorbestimmten Ausschnitt einer anderen Funktion periodisch zusammengesetzt und weist eine oder mehrere Perioden längs der Spur 36 auf.
M(x, y) = 0,5.(x2 + y2).K, M(x, y) = a.{1 + sin(2πFx.x).sin(2πFy.y)},
M(x, y) = a.x1,5 + b.x, M(x, y) = a.{1 + sin(2πFy.y)}, wobei Fx bzw. Fy die Raumfrequenz F der Überlagerungsfunktion M(x, y) in Richtung der Koordinatenachse x bzw. y ist. In einer anderen Ausführung des Sicherheitsmerkmals 16 ist die Überlagerungsfunktionen M(x, y) aus einem vorbestimmten Ausschnitt einer anderen Funktion periodisch zusammengesetzt und weist eine oder mehrere Perioden längs der Spur 36 auf.
In der Fig. 8a bilden die Überlagerungsfunktion M(x, y) = 0,5.(x2 + y2).K, d. h.
eine Kugelkalotte, und die Reliefstruktur R(x, y), d. h. eine "isotrope" Mattstruktur,
die Beugungsstruktur S(x, y) (Fig. 7) im z. B. kreisförmig berandeten Flächenteil 14.
Der Beobachter 35 (Fig. 5) erkennt bei Tageslicht entsprechend der
Betrachtungsrichtung 39 (Fig. 5) einen hellen, weissgrauen Fleck 42 vor einem
dunkelgrauen Hintergrund 43, wobei die Position des Flecks 42 im Flächenteil 14 in
Bezug auf die Kennmarke 37 und der Kontrast zwischen Fleck 42 und Hintergrund
43 von der Betrachtungsrichtung 39 abhängig sind. Die Ausdehnung des Flecks 42
wird durch das Streuvermögen der Mattstruktur und der Krümmung der
Überlagerungsfunktion M(x, y) bestimmt. Das Sicherheitselement 2 (Fig. 2) ist
beispielsweise durch Kippen um die Kippachse 41 (Fig. 5) und/oder Drehen um die
Flächennormale 21 (Fig. 5) des Schichtverbunds 1 (Fig. 5) wie in der Fig. 8b
derart auf die vorbestimmte Betrachtungsrichtung 39 auszurichten, dass sich der
Fleck 42 innerhalb der Kennmarke 37 befindet, die beispielsweise in der Mitte des
kreisförmig berandeten Flächenteils 14 angeordnet ist.
Die Fig. 9 zeigt die lichtbeugende Wirkung der Beugungsstruktur S(x, y)
(Fig. 7) in der Beugungsebene 20. Die Reliefstruktur R(x, y) (Fig. 4) ist das
Beugungsgitter 32 (Fig. 4) mit einem z. B. sinusförmigen Profil und mit einer
Spatialfrequenz f kleiner als 2400 Linien/mm. Der Gittervektor der Reliefstruktur
R(x, y) liegt in der Beugungsebene 20. Die Überlagerungsfunktion M(x, y) im
Flächenteil 13 (Fig. 2), 14 (Fig. 2), 15 (Fig. 2) des Sicherheitsmerkmals 16 ist durch
die Wirkung der Beugungsstruktur S(x, y) bestimmt, wobei das senkrecht auf den
Schichtverbund 1 einfallende Licht 11 unter einem vorbestimmten
Betrachtungswinkel +ϑ bzw. -ϑ in die positive Beugungsordnung 23 (Fig. 3) bzw. in
die negative Beugungsordnung 24 (Fig. 3) abgelenkt wird. In der Beugungsebene
20 schliessen erste Strahlen 44 mit der Wellenlänge λ1 mit dem einfallenden Licht
11 den Betrachtungswinkel ϑ ein und zweite Strahlen 45 mit der Wellenlänge λ2
den Betrachtungswinkel -ϑ. Der Beobachter 35 (Fig. 5) erblickt das Flächenteil 13,
14, 15 unter dem Betrachtungswinkel 9 in der Farbe mit der Wellenlänge λ1. Nach
einer Drehung des Schichtverbunds 1 in seiner Ebene um 180° erscheint dem
Beobachter 35 das Flächenteil 13, 14, 15 unter dem Betrachtungswinkel -ϑ in der
Farbe der Wellenlänge λ2. Wenn die Mittelfläche 33 die lokale Neigung γ = 0°
aufweist, unterscheiden sich die Wellenlängen λ1 und λ2 nicht. Für andere Werte
der lokalen Neigung γ unterscheiden sich die Wellenlängen λ1 und λ2. Die
gepunktet gezeichnete Normale 21' auf die geneigte Mittelfläche 33 schliesst mit
dem einfallenden Strahl 11 den Winkel α ein, wobei α = -β = γ. Die ersten Strahlen
44 und die Normale 21' schliessen den Beugungswinkel ξ1 ein, die zweiten Strahlen
45 und die Normale 21' den Beugungswinkel ξ2.
Wegen ξk = asin(sinα + mk.λk.f) und α = γ ergibt sich für die beiden ersten
Beugungsordnungen 23, 24, d. h. für mk = ±1, die Beziehung
f.(λ1 + λ2) = 2.sin(ϑ).cos(γ) (1),
woraus folgt, dass für vorbestimmte Werte des Betrachtungswinkels ϑ und der
Spatialfrequenz f die Summe der beiden Wellenlängen λ1, λ2 der Strahlen 44, 45
proportional zum Kosinus des lokalen Neigungswinkels γ ist. Die Gleichung (1) ist
für andere Ordnungszahlen m leicht herzuleiten. Die Ordnungszahlen m und der
Betrachtungswinkel ϑ für eine bestimmte, beobachtbare Farbe sind durch die
Spatialfrequenz f bestimmt.
In den Fig. 10a und 10b ist als Beispiel eine Ausführung des
Sicherheitsmerkmals 16 dargestellt, wobei in der Fig. 10a das Sicherheitselement
2 gegenüber dem Sicherheitselement 2 in der Fig. 10b in seiner Ebene um 180°
gedreht ist. Die Beugungsebene 20 (Fig. 9) ist mit ihrer Spur 36 dargestellt. In den
Fig. 10a und 10b umfasst das Sicherheitsmerkmal 16 die drei Flächenteile 13,
14, 15 mit der Beugungsstruktur S(x, y) = R(x, y) + M(x, y), wobei sich in den drei
Flächenteilen 13, 14, 15 die Beugungsstrukturen S(x, y) durch die mit Hilfe der
Gleichung (1) bestimmten Werte der lokalen Neigungen γ der Überlagerungs
funktion M(x, y) und der Spatialfrequenz f der Reliefprofile R(x, y) unterscheiden.
Ein Hintergrundfeld 46 grenzt an wenigstens ein Flächenteil 13, 14, 15 und weist
das Beugungsgitter 32 (Fig. 4) mit dem gleichen Reliefprofil R(x, y) und der dem
Hintergrundfeld 46 eigenen Spatialfrequenz f auf. Der Gittervektor des Reliefprofils
R(x, y) ist in den Flächenteilen 13, 14, 15 und im Hintergrundfeld 46 parallel zur
Spur 36 ausgerichtet. Bei senkrechter Beleuchtung des Sicherheitselements 2 mit
weissem Licht 11 (Fig. 9) erstrahlen im Sicherheitsmerkmal 16 in der Ausrichtung
der Fig. 10a unter dem Betrachtungswinkel +ϑ die Flächenteile 13, 14, 15 und das
Hintergrundfeld 46 in der gleichen Farbe, und dem Beobachter 35 (Fig. 5) scheint
das Sicherheitsmerkmal 16 ohne Kontrast in einer einheitlichen Farbe zu leuchten,
beispielsweise weisen die abgelenkten ersten Strahlen 44 (Fig. 9) die Wellenlänge
λ1, z. B. 680 nm (rot), auf. In der in der Fig. 10b gezeigten Ausrichtung wird das
ganze Sicherheitsmerkmal 16 unter dem Betrachtungswinkel -ϑ beobachtet.
Beispielsweise leuchtet das erste Flächenteil 13 in den zweiten Strahlen 45 (Fig. 9)
der Wellenlänge λ2, z. B. λ2 = 570 nm (gelb), das zweite Flächenteil 14 in den
zweiten Strahlen 45 der Wellenlänge λ3, z. B. λ3 = 510 nm (grün) und das dritte
Flächenteil 15 in den zweiten Strahlen 45 der Wellenlänge λ4, z. B. λ4 = 400 nm
(blau). Im Hintergrundfeld 46, in dem die Mittelfläche 33 (Fig. 9) des
Beugungsgitters 32 (Fig. 4) die Neigung γ (Fig. 9) mit dem Wert γ = 0 aufweist, sind
aus Symmetriegründen auch die zweiten Strahlen 45 von der Wellenlänge λ1, d. h.
die Hintergrundfläche 46 erstrahlt wiederum in der roten Farbe. Der Vorteil dieser
Ausführung ist das auffällige optische Verhalten des Sicherheitsmerkmals 16,
nämlich der unter einer einzigen vorbestimmten Orientierung des
Sicherheitselements 2 sichtbare Farbkontrast der nach einer 180°-Drehung des
Sicherheitselements 2 um die Flächennormale 21 (Fig. 3) sich ändert bzw.
verschwindet. Das Sicherheitsmerkmal 16 dient somit zum Festlegen einer
vorbestimmten Orientierung des Sicherheitselements 2 mit dem nicht holographisch
kopierbaren Sicherheitsmerkmal 16.
Nur der Einfachheit halber ist in jedem Flächenteil 13, 14, 15 eine einheitliche
Farbe, d. h. eine konstante Neigung γ, als Beispiel angenommen worden. Im
allgemeinen weist das Flächenteil 13, 14, 15 einen Ausschnitt aus der
Überlagerungsfunktion M(x, y) auf, so dass sich die Neigung γ im Flächenteil 13,
14, 15 in einer vorbestimmten Richtung kontinuierlich ändert und die Wellenlängen
der zweiten Strahlen 45 aus einem Bereich beiderseits der Wellenlänge λk
stammen. Anstelle der gleichartig begrenzten Flächenteile 13, 14, 15 bilden eine
Vielzahl der auf dem Hintergrundfeld 46 angeordneten Flächenteile 13, 14, 15 ein
Logo, einen Schriftzug usw.
In der Fig. 11 ist die Beugungsstruktur S(x, y) komplizierter aufgebaut. Die
Überlagerungsfunktion M(x, y) ist eine symmetrische, stückweise stetige,
periodische Funktion, deren Wert längs der Koordinatenachse x gemäss z = M(x, y)
variiert, während M(x, y) längs der Koordinatenachse y einen konstanten Wert z
aufweist. Das z. B. rechteckige Flächenteil 13, 14 (Fig. 10), 15 (Fig. 10) ist mit
seiner Längsseite parallel zur Koordinate x ausgerichtet und in schmale Teilflächen
47 von der Breite b unterteilt, deren Längsseiten parallel zur Koordinatenachse y
ausgerichtet sind. Jede Periode 1/Fx der Überlagerungsstruktur M(x; y) erstreckt
sich über eine Anzahl t der Teilflächen 47, z. B. ist die Anzahl t im Wertebereich von
5 bis 10. Die Breite b soll 10 µm nicht unterschreiten, da sonst die Beugungs
struktur S(x, y) auf der Teilfläche 47 zuwenig definiert ist.
Die Beugungsstrukturen S(x, y) der benachbarten Teilflächen 47
unterscheiden sich in den Summanden, dem Reliefprofil R(x, y) und dem der
Teilfläche 47 zugeordneten Ausschnitt der Überlagerungsfunktion M(x, y). Das
Reliefprofil Ri(x, y) der i-ten Teilfläche 47 unterscheidet sich von den beiden
Reliefprofilen Ri+1(x, y) und Ri-1(x, y) der benachbarten Teilflächen 47 um
wenigstens einen Gitterparameter, wie Azimut, Spatialfrequenz, Profilhöhe h
(Fig. 4) usw. Beträgt die Raumfrequenz Fx bzw. Fy höchstens 10 Linien/mm aber
nicht weniger als 2,5 Linien/mm, kann der Beobachter 35 (Fig. 5) auf dem
Flächenteil 13, 14, 15 mit dem blossen Auge keine Unterteilung durch die Perioden
der Überlagerungsfunktion M(x, y) mehr erkennen. Die Unterteilung und die
Belegung der Teilflächen 47 mit der Beugungsstruktur S(x, y) wiederholt sich in
jeder Periode der Überlagerungsfunktion M(x, y). In einer anderen Ausführung des
Sicherheitsmerkmals 16 verändert sich das Reliefprofil R(x, y) kontinuierlich als
Funktion des Phasenwinkels der periodischen Überlagerungsfunktion M(x, y).
Die in der Fig. 11 dargestellten Beugungsstrukturen S(x, y) sind in der
Ausführung des in den Fig. 12 dargestellten Sicherheitsmerkmals 16
eingesetzt, das eine neuartige, optische Wirkung bei der Beleuchtung mit weissem
Licht 11 entfaltet, wenn das Sicherheitsmerkmal 16 um die zur Koordinatenachse y
parallele Kippachse 41 gekippt wird. Das Sicherheitsmerkmal 16 umfasst das
dreieckförmige erste Flächenteil 14, das im rechteckigen zweiten Flächenteil 13
angeordnet ist. Im ersten Flächenteil 14 zeichnet sich die Beugungsstruktur S(x, y)
dadurch aus, dass sich die Spatialfrequenz f des Reliefprofils R(x, y) in Richtung
der Koordinatenachse x innerhalb jeder Periode der Überlagerungsfunktion M(x, y)
schrittweise oder kontinuierlich in einem vorbestimmten Spatialfrequenz-Bereich δf
verändert, wobei die Spatialfrequenz fi in der i-ten Teilfläche 47 (Fig. 7) grösser ist
als die Spatialfrequenz fi-1 in der vorhergehenden (i - 1)-ten Teilfläche 47. In jeder
Periode weist somit die erste Teilfläche 47 die Spatialfrequenz f mit dem Wert fA
auf. Für die Teilfläche 47 im Minimum der Periode ist die Spatialfrequenz f = fM und
für die am Ende der Periode gelegenen Teilfläche 47 ist der Wert der
Spatialfrequenz f = fE, wobei fA < fM < fE, wobei δf = fE - fA. Im zweiten Flächenteil 13
zeichnet sich die Beugungsstruktur S(x, y) dadurch aus, dass sich die
Spatialfrequenz f des Reliefprofils R(x, y) in Richtung der Koordinatenachse x
innerhalb einer Periode der Überlagerungsfunktion M(x, y) von der einen Teilfläche
47 zur nächsten schrittweise oder kontinuierlich verkleinert. In einer Ausführung ist
als Beispiel die Beugungsstruktur S**(x, y) = R(-x, y) + M(-x, y) des zweiten
Flächenteils 13 die an der von den Koordinatenachsen y, z aufgespannten Ebene
gespiegelte Beugungsstruktur S(x, y) des ersten Flächenteils 14. Die Gittervektoren
und die Spur 36 (Fig. 11) der Beugungsebene 20 (Fig. 9) sind in beiden
Flächenteilen 13, 14 im wesentlichen parallel zur Kippachse 41 ausgerichtet. Der
Gradient 38 liegt im wesentlichen parallel zu der von den Koordinatenachsen x und
z aufgespannten Ebene.
In der Fig. 12a liegt das Sicherheitsmerkmal 16 in der von den
Koordinatenachsen x und y aufgespannten x-y-Ebene, wobei die
Betrachtungsrichtung 39 (Fig. 5) mit der Koordinatenachse x einen rechten Winkel
bildet. Bei senkrecht einfallendem weissen Licht 11 (Fig. 1) werden die Teilflächen
47 im Bereich der Minima der Überlagerungsfunktion M(x, y) beleuchtet. Da diese
Teilflächen 47 bei beiden Beugungsstrukturen S(x, y), S**(x, y) das gleiche
Reliefprofil R(x, y) und dieselbe Neigung γ ≈ 0° aufweisen, stammen die an den
beiden Flächenteilen 13, 14 in die Betrachtungsrichtung 39 gebeugten Lichtstrahlen
34 (Fig. 5) aus dem gleichen Bereich des sichtbaren Spektrums, z. B. grün, so dass
der Farbkontrast auf dem Sicherheitsmerkmal 16 zwischen dem ersten Flächenteil
14 und dem zweiten Flächenteil 13 verschwindet. Beim Kippen des
Sicherheitsmerkmals 16 um die Kippachse 41 tritt der Farbkontrast mit
zunehmendem Kippwinkel deutlicher hervor, wie dies in der Fig. 12b gezeigt ist.
Beim Kippen nach links verschiebt sich die Farbe des ersten Flächenteils 14 in
Richtung Rot, da die Teilflächen 47 (Fig. 11) mit den Reliefprofilen R(x, y) wirksam
werden, bei denen die Spatialfrequenz f kleiner als fM ist. Die Farbe des zweiten
Flächenteils 13 verschiebt sich in Richtung Blau, da die Teilflächen 47 wirksam
werden, bei denen die Spatialfrequenz f des Reliefprofils R(x, y) grösser als fM ist.
In der Fig. 12c ist das Sicherheitsmerkmal 1 von der in der Fig. 12a gezeigten
Lage um die Kippachse 41 nach rechts gekippt. Auch beim Kippen nach rechts tritt
der Farbkontrast deutlich hervor, jedoch mit vertauschten Farben. Die Farbe des
ersten Flächenteils 14 verschiebt sich in Richtung Blau, da die Teilflächen 47
wirksam werden, bei denen die Spatialfrequenz f des Reliefprofils R(x, y) grösser
als der Wert fM ist, während sich die Farbe des zweiten Flächenteils 13 in Richtung
Rot verschiebt, da die Teilflächen 47 (Fig. 11) wirksam werden, bei denen die
Spatialfrequenz f des Reliefprofils R(x, y) der Beugungsstruktur S**(x, y) gegenüber
dem Wert fM abnimmt.
In einer anderen Ausführung der Beugungsstruktur S(x, y) der Fig. 11 weist
das Reliefprofil R(x, y) in den Teilflächen 47 jeder Periode 1/Fx dieselbe
Spatialfrequenz f auf, jedoch unterscheidet sich das Reliefprofil R(x, y) von
Teilfläche 47 zu Teilfläche 47 durch seinen Azimutwinkel ϕ des Gittervektors relativ
zur Koordinatenachse y. Innerhalb einer Periode 1/Fx ändert sich der Azimutwinkel
p beispielsweise im Bereich δϕ = ±40° mit ϕ ≈ 0° im Minimum jeder Periode
schrittweise oder kontinuierlich. Der Azimutwinkel p ist in Abhängigkeit von der
lokalen Neigung γ (Fig. 5) der Mittelfläche 33 (Fig. 5) so aus dem Bereich δϕ
gewählt, dass einerseits die Beugungsstruktur S(x, y) des ersten Flächenteils 14
(Fig. 12a) bei allen Kippwinkeln um die Kippachse 41 (Fig. 12b, c) gebeugte
Lichtstrahlen 34 (Fig. 5) des mittels der Spatialfrequenz f vorbestimmten
Farbbereichs, z. B. aus dem Grün-Bereich, in die Betrachtungsrichtung 39 (Fig. 5)
aussendet und andererseits der zweite Flächenteil 13 (12a), in dem die gespiegelte
Beugungsstruktur S**(x, y) abgeformt ist, nur unter einem einzigen vorbestimmten
Kippwinkel in der vorbestimmten Farbe, z. B. in einer aus dem Grün-Bereich
erzeugten Mischfarbe, aufleuchtet. Bei anderen Kippwinkeln ist das zweite
Flächenteil 13 dunkelgrau. Für den hier beispielhaft angeführten
Azimutwinkelbereich δϕ = ±20° erstreckt sich der Grün-Bereich von der
Wellenlänge λ = 530 nm (ϕ ≈ 0°) bis zur Wellenlänge λ = 564 nm.
In der Fig. 13 ist die in der Beugungsstruktur S(x, y) eingesetzte
Überlagerungsfunktion M(x, y) eine asymmetrische Funktion in Richtung der
Koordinatenachse x. Die Überlagerungsfunktion M(x, y) steigt innerhalb der Periode
1/Fx aperiodisch von einem Minimalwert bis zu einem Maximalwert an, z. B. wie die
Funktion y = const.x1,5. Die Raumfrequenz Fx bzw. Fy liegt im Bereich von 2,5
Linien/mm bis und mit 10 Linien/mm. Nicht gezeigt sind die Unstetigkeitsstellen, die
durch die Operation Modulo Hub H (Fig. 7) entstehen. Die oben beschriebene
"anisotrope" Mattstruktur mit der Vorzugsrichtung im wesentlichen parallel zur
Koordinatenachse x ist als Reliefprofil R(x, y) eingesetzt. Das einfallende Licht 11
(Fig. 5) wird daher hauptsächlich parallel zur Koordinatenachse y aufgefächert
gestreut. Im ersten Flächenteil 14 (Fig. 12a) ist die Beugungsstruktur
S(x, y) = R(x, y) + M(x, y) und im zweiten Flächenteil 13 (Fig. 12a) ist die
Beugungsstruktur S**(x, y) = R(-x, y) + M(-x, y) abgeformt. Anhand der Fig. 12a ist
die optische Wirkung des Sicherheitsmerkmals 16 bei senkrecht auf die x-y-
Ebene einfallendem Licht 11 (Fig. 9) erklärt. Liegt das Sicherheitsmerkmal 16 in der
x-y-Ebene, wird das einfallende Licht 11 mit grosser Intensität von der
Mattstruktur im Bereich der Minima der Überlagerungsfunktion M(x, y) gestreut, die
Streuwirkung der übrigen Flächenteile 47 der Beugungsstrukturen S(x, y), S**(x, y)
ist zu vernachlässigen. Das von den Flächenteilen 13, 14 rückgestreute Licht weist
die Farbe des einfallenden Lichts 11 (Fig. 5) auf und hat in beiden Flächenteilen 13,
14 die gleiche Flächenhelligkeit, so dass kein Kontrast zwischen den beiden
Flächenteilen 13, 14 erkennbar ist. In der Fig. 12b trifft das einfallende Licht 11
(Fig. 5) unter einem Einfallswinkel α auf das Sicherheitsmerkmal 16, das nach links
um die Kippachse 41 gekippt ist. Nur noch im zweiten Flächenteil 13 wird das
einfallende Licht 11 (Fig. 5) gestreut. Bei dieser Beleuchtungsbedingung ist die
Flächenhelligkeit des ersten Flächenteils 14 um Grössenordnungen kleiner als
beim zweiten Flächenteil 13, so dass sich das erste Flächenteil 14 als dunkle
Fläche gegen das helle zweite Flächenteil 13 abhebt. In der Fig. 12c ist das
Sicherheitsmerkmal 16 nach rechts weggekippt, wobei nun die Flächenhelligkeiten
der beiden Flächenteile 13, 14 vertauscht sind.
In den Fig. 12a bis 12c könnten anstelle eines einzigen dreieckförmigen
ersten Flächenteils 14 auf dem zweiten Flächenteil 13 eine Vielzahl der ersten
Flächenteile 14 angeordnet sein, die ein Logo, einen Schriftzug usw. bilden.
In einer weiteren Ausführung finden anstelle der einfachen mathematischen
Funktionen auch Reliefbilder, wie sie auf Münzen und Medaillen verwendet werden,
als wenigstens stückweise stetige Überlagerungsfunktion M(x, y) in der
Beugungsstruktur S(x, y) Verwendung, wobei mit Vorteil das Reliefprofil R(x, y) eine
"isotrope" Mattstruktur ist. Der Beobachter des Sicherheitselements 2 in dieser
Ausführung erhält den Eindruck eines dreidimensionalen Bildes mit einer
charakteristischen Oberflächenstruktur. Beim Drehen und Kippen des
Sicherheitselements 2 verändert sich die Helligkeitsverteilung im Bild entsprechend
der Erwartung bei einem echten Reliefbild, jedoch werfen vorragende Elemente
keinen Schatten.
Ohne von der Idee der Erfindung abzuweichen, sind alle Beugungsstrukturen
S in ihrer Strukturhöhe auf den Wert HSt (Fig. 1) beschränkt, wie dies anhand der
Fig. 7 erläutert wurde. Die in den oben beschriebenen, speziellen Ausführungen
verwendeten Reliefprofile R(x, y) und Überlagerungsfunktionen M(x, y) sind beliebig
zu anderen Beugungsstrukturen S(x, y) kombinierbar.
Die Verwendung der oben beschriebenen Sicherheitsmerkmale 16 im
Sicherheitselement 2 weist den Vorteil auf, dass das Sicherheitsmerkmal 16 eine
wirksame Barriere gegen Versuche bildet, das Sicherheitselement 2 holographisch
zu kopieren. In einer holographischen Kopie sind die Lageverschiebungen bzw.
Farbverschiebungen auf der Fläche des Sicherheitsmerkmals 16 nur in veränderter
Form zu erkennen.
Claims (15)
1. Sicherheitselement (2) aus einem Schichtverbund (1) aus Kunststoff mit
zwischen Schichten (5; 6) des Schichtverbunds (1) eingebetteten,
mikroskopisch feinen optisch wirksamen Strukturen (9) eines Flächenmusters
(12), wobei die optisch wirksamen Strukturen (9) in Flächenteilen (13; 14; 15)
eines Sicherheitsmerkmals (16) in einer von Koordinatenachsen (x; y)
aufgespannten Ebene des Flächenmusters (12) in eine reflektierende
Grenzfläche (8) zwischen den Schichten (5; 6) abgeformt sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens ein Flächenteil (13; 14; 15) mit Abmessungen grösser als
0,4 mm als optisch wirksamen Struktur (9) eine durch additive oder subtraktive
Überlagerung einer eine makroskopische Struktur beschreibenden
Überlagerungsfunktion (M) mit einem mikroskopisch feinen Reliefprofil (R)
gebildete Beugungsstruktur (S; S*; S**) aufweist, die eine Funktion der
Koordinaten (x; y) ist, wobei das Reliefprofil (R) eine lichtbeugende optisch
wirksame Struktur (9) beschreibt, die der Überlagerungsfunktion (M) folgend
das vorbestimmte Reliefprofil (R) beibehält, und dass die wenigstens
stückweise stetige Überlagerungsfunktion (M) wenigstens in Teilbereichen
gekrümmt ist, keine periodische Dreieck- oder Rechteckfunktion ist und sich im
Vergleich zum Reliefprofil (R) langsam ändert.
2. Sicherheitselement (2) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Sicherheitsmerkmal (16; 16') wenigstens zwei benachbarte
Flächenteile (13; 14; 15) aufweist, und dass im ersten Flächenteil (14) die
erste Beugungsstruktur (S) und im zweiten Flächenteil (13; 15) die sich von
der ersten Beugungsstruktur (S) unterscheidende zweite Beugungsstruktur
(S*; S**) abgeformt sind, wobei der Gittervektor oder die Vorzugsrichtung
des ersten Reliefprofils (R) im ersten Flächenteil (14) und der Gittervektor
bzw. die Vorzugsrichtung des zweiten Reliefprofils (R) im zweiten Flächenteil
(13; 15) im wesentlichen parallel gerichtet sind.
3. Sicherheitselement (2) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Überlagerungsfunktion (M) eine asymmetrische, stückweise stetige,
periodische Funktion mit der Raumfrequenz (F) von höchstens 20 Linien/mm
ist.
4. Sicherheitselement (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Beugungsstruktur (S; S*; S**) der Gittervektor oder die
Vorzugsrichtung des Reliefprofils (R) im wesentlichen parallel zu einer
Gradientenebene liegt, die durch den Gradienten (38) der Überlagerungs
funktion (M) und eine senkrecht auf der Oberfläche des Schichtverbunds (1)
stehende Flächennormale (21) bestimmt ist.
5. Sicherheitselement (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass in einem ersten Flächenteil (14) die erste Beugungsstruktur (S) aus der
Summe aus dem Reliefprofil (R) und der Überlagerungsfunktion (M) gebildet
ist, und dass in einem zweiten Flächenteil (13; 15) die Beugungsstruktur (S*)
die Differenz (R - M) aus dem gleichen Reliefprofil (R) und der gleichen
Überlagerungsfunktion (M) ist.
6. Sicherheitselement (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Beugungsstruktur (S; S*; S**) der Gittervektor oder die
Vorzugsrichtung des Reliefprofils (R) im wesentlichen senkrecht zu einer
Gradientenebene liegt, die durch den Gradienten (38) der Überlagerungs
funktion (M) und eine senkrecht auf der Oberfläche des Schichtverbunds (1)
stehende Flächennormale (21) bestimmt ist.
7. Sicherheitselement (2) nach Anspruch 2 oder 3 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass im ersten Flächenteil (14) die erste Beugungsstruktur (S) aus der
Summe aus dem Reliefprofil (R) und der Überlagerungsfunktion (M) gebildet
ist, und dass im zweiten Flächenteil (13; 15) die Beugungsstruktur (S**) die
gespiegelte erste Beugungsstruktur (S) ist.
8. Sicherheitselement (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass auf wenigstens einem der Flächenteile (13; 14; 15) wenigstens eine
Kennmarke (37) angeordnet ist, und dass mittels der Kennmarke (37) eine
vorbestimmte Betrachtungsrichtung (39) festgelegt ist, unter der wenigstens
ein durch gebeugtes Licht (34) erhellter, mittels Kippen und Drehen des
Sicherheitsmerkmals (16) auf dem Flächenteil (13; 14; 15) verschiebbarer
Streifen (40) oder Fleck (42) auf die Kennmarke (37) ausgerichtet ist.
9. Sicherheitselement (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass in wenigstens einem Flächenteil (13; 14; 15) die Beugungsstruktur (S)
die Summe der Überlagerungsfunktion (M) und einer mittels des Reliefprofils
(R) beschriebenen Beugungsstruktur (32) mit einer Spatialfrequenz (f) ist
und die Überlagerungsfunktion (M) eine lokale Neigung (γ) aufweist, dass bei
senkrechter Beleuchtung mit weissem Licht (11) am Flächenteil (13; 14; 15)
in Richtung eines ersten Betrachtungswinkels (+ϑ) gebeugtes Licht erste
Strahlen (44) einer ersten Wellenlänge (λ1) umfasst und in Richtung eines
zweiten, zum ersten Betrachtungswinkel symmetrischen Betrachtungswinkel
(-ϑ) am Flächenteil gebeugtes Licht zweite Strahlen (45) einer zweiten
Wellenlänge (λ2) umfasst, wobei für den vorbestimmten Betrachtungswinkel
(ϑ) und die vorbestimmte Spatialfrequenz (f) die Summe der beiden
Wellenlängen (λ1; λ2) der Strahlen (44; 45) proportional zum Kosinus der
lokalen Neigung (γ) ist.
10. Sicherheitselement (2) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Flächenteil (13; 14; 15) an ein Hintergrundfeld (46) des
Sicherheitsmerkmals (16) grenzt, dass das Beugungsgitter (32) mit dem
Reliefprofil (R) in das Hintergrundfeld (46) abgeformt ist, und dass die
Spatialfrequenz (f) des Beugungsgitters (32) so bemessen ist, dass unter
den Betrachtungswinkeln (+ϑ; -ϑ) die ersten Strahlen (44) und die zweiten
Strahlen (45) die erste Wellenlänge (λ1) aufweisen.
11. Sicherheitselement (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass in jeder Periode der Überlagerungsfunktion (M) die Azimutwinkel (ϕ)
und/oder die Spatialfrequenzen (f) des Reliefprofils (R) entsprechend der
lokalen Neigung (γ) der Überlagerungsfunktion (M) schrittweise in Teilflächen
(46) oder kontinuierlich in einem vorbestimmten Azimutwinkelbereich (δϕ)
bzw. in einem vorbestimmten Spatialfrequenz-Bereich (δf) verändert sind.
12. Sicherheitselement (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Reliefprofil (R) ein Beugungsgitter (32) mit einer Spatialfrequenz (f)
grösser als 300 Linien/mm ist.
13. Sicherheitselement (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Reliefprofil (R) eine mikroskopisch feine Struktur ist, die eine
vorbestimmte Streucharakteristik für das einfallende Licht aufweist.
14. Sicherheitselement (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Beugungsstruktur (S; S*; S**) auf eine Strukturhöhe (HST) von
weniger als 40 µm und die Überlagerungsfunktion (M) auf einen Hub (H) von
weniger als 30 µm beschränkt sind, wobei der in der Beugungsstruktur (S;
S*; S**) eingesetzte Wert z der Überlagerungsfunktion (M) gleich
{(M) + C(x; y)} modulo Hub (H) - C(x; y) ist, wobei die Funktion C(x; y)
betragsmässig auf die halbe Strukturhöhe (HST) beschränkt ist.
15. Sicherheitselement (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass Flächenelemente (17; 18; 19) mit den optisch wirksamen Strukturen (9)
Teile des Flächenmusters (12) sind, und dass wenigstens eines der
Flächenelemente (17; 18; 19) an das Sicherheitsmerkmal (16) angrenzt.
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