-
Die
Erfindung bezieht sich auf irisierende Materialien und insbesondere
auf irisierende Mehrschichtmaterialien, die ein vom Winkel abhängiges Irisieren
zeigen. Irisierende Materialien sind bekannt für attraktive Farbänderungseigenschaften,
die sie bei unterschiedlichem Licht und unter unterschiedlichen
Glanzwinkeln zeigen.
-
Das
US-Patent Nr. 5.116.461 beschreibt ein Verfahren für die Herstellung
eines winkeligen Beugungsgitters durch Maskieren und anschließendes Ätzen eines
optischen Mediums, um feine Linien und Zwischenräume, die durch die Maske definiert
sind, zu erzeugen. Die europäische
Patentanmeldung 0 442 206 offenbart ein holographisches Filter,
das unter Verwendung von Laserlicht hergestellt wird, um in einem
holographischen Material (z. B. einem Photopolymer) ein Stehwellenmuster
aufzubauen.
-
Die
vorliegende Erfindung zielt darauf, irisierende Materialien mit
einer neuartigen Struktur zu schaffen, die an die Verwendung in
vielen verschiedenen Anwendungen einschließlich Dokumentensicherheit,
Schmuckverpackungen, Werbelogos, Textilfasern und dergleichen, angepasst
werden kann.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Dokument geschaffen, das ein Basisblatt mit einer ebenen
Oberfläche
aufweist, auf der Informationen vorgesehen sein können, wobei
auf die gesamte ebene Oberfläche
oder auf einen Teil hiervon ein oder mehrere irisierende Materialien
aufgebracht sind, wobei das eine oder die mehreren irisierenden
Materialien jeweils ein Beugungsgitter aufweisen, das mehrere Blätter aus
einem ersten im Wesentlichen lichtdurchlässigen Material, das auf ein
zweites im Wesentlichen lichtdurchlässiges Material parallel ausgerichtet
und hiervon um bestimmte Beträge beabstandet
ist, enthält,
wobei das zweite Material einen Brechungsindex besitzt, der erheblich
niedriger als der Brechungsindex des ersten Materials ist, wobei
die Platten unter einem Winkel θ zu
einer Achse X geneigt sind und das Gitter eine Periode d(X) in Richtung
der Achse X besitzt, wobei der Winkel θ und die Periode d(X) derart
sind, dass ein zweites Beugungsgitter längs einer Achse Z, die zu der
Achse X senkrecht ist, geschaffen wird, wobei das zweite Beugungsgitter
eine Periode d(Z) besitzt und aus höchstens fünfundzwanzig Perioden und wenigstens
fünf Perioden
besteht, wobei die Beugungsbedingungen des zweiten Beugungsgitters
durch Wellen in einem Bereich von Wellenlängen gleichzeitig erfüllt werden können, wodurch
ein Irisieren hervorgerufen wird, derart, dass jegliche Informationen,
die auf der ebenen Oberfläche
des Basisblattes des Dokuments vorgesehen sind, nur aus einem Blickpunkt
klar gesehen werden können,
der zu der Oberfläche
des Grundblatts im Wesentlichen senkrecht ist.
-
Optional
kann ein Dokument der Erfindung mehrere irisierende Materialien
umfassen, die auf die ebene Oberfläche des Grundblatts aufgebracht
sind, wobei die Materialien so beschaffen sind, dass sie ein Muster
bilden, wovon jedes ein Irisieren unter einem unterschiedlichen
Glanzwinkel und/oder für
unterschiedliche Wellenlängen
der elektromagnetischen Strahlung hervorruft. Vorzugsweise sind
die Wellen elektromagnetischen Typs und besitzen Wellenlängen im
Bereich von etwa 10–1 bis 10–8 m.
Stärker
bevorzugt im Bereich von 10–3 bis 10–8 m
und am stärksten
bevorzugt im Bereich von 10–6 bis 10–7 m. Geeignete
Optionen für
das erste Material umfassen lichtdurchlässige Polymermaterialien und
Gläser
mit Brechungsindizes im Bereich von 1,5, ohne jedoch darauf eingeschränkt zu sein.
Andere lichtdurchlässige
Materialien, die Brechungsindizes in einer vergleichbaren Größenordnung
besitzen, werden dem Fachmann zweifel los als Möglichkeit erscheinen und liegen
nicht außerhalb
des Umfangs der Erfindung. Selbstverständlich sind die Brechungsindizes
des ersten und des zweiten Materials für die Erfindung nicht wesentlich,
sofern das Verhältnis
des Brechungsindexes des ersten Materials zu jenem des zweiten Materials
größer als
1 ist und vorzugsweise in der Nähe
von etwa 1,5 liegt oder größer ist.
-
Optional
ist das zweite Material Luft, alternativ sind das erste und das
zweite Material jeweils in Blattform vorgesehen und miteinander
verzahnt, um eine Mehrschichtstruktur zu bilden.
-
Diese
Mehrschichtstrukturen können
unter Verwendung vieler verschiedener Verfahren einschließlich stereolithographischer
Techniken, Mikrobearbeitungs- oder holographischer Techniken erhalten
werden, ohne jedoch darauf eingeschränkt zu sein.
-
Vorzugsweise
besteht das zweite Beugungsgitter aus fünfzehn Perioden oder weniger
und am stärksten
bevorzugt aus 5 bis 9 Perioden. Eine bevorzugte Ausführungsform
besteht aus 7 Perioden.
-
Vorzugsweise
liegt d in der Größenordnung von
10–1 bis
10–8 m,
stärker
bevorzugt im Bereich von 10–3 m bis 10–8 m,
wobei d dann, wenn ein Irisieren von sichtbarem Licht bewirkt wird,
in der Größenordnung
von 10–6 m
bis 10–7 m
und am stärksten
bevorzugt im Bereich von etwa 400 nm bis 770 nm liegt.
-
Es
wird auch eine irisierende Vorrichtung beschrieben, die mehrere
abwechselnde, im Wesentlichen ebene Schichten aus zwei im Wesentlichen lichtdurchlässigen Materialien
mit unterschiedlichen Brechungsindizes umfasst, wobei wenigstens
ein Teil einer Oberflä che
zu der Normalen der Ebenen der Schichten geneigt ist, wobei die
Dicke der Vorrichtung derart ist, dass eine durch die Vorrichtung
senkrecht zu jenem Teil der Oberfläche gezogene Linie nicht mehr
als 25 der abwechselnden Schichten schneidet, wodurch jener Teil
der Oberfläche
eine irisierende Wirkung zeigen kann.
-
Solche
Vorrichtungen können
ein Irisieren für verschiedene
Wellen einschließlich
elektromagnetischer Wellen hervorrufen. Optional ist eines der lichtdurchlässigen Materialien
Luft. Ein lichtdurchlässiges Materiali
oder beide lichtdurchlässigen
Materialien können
Polymermaterialien und/oder Gläser
umfassen. Für
bestimmte Anwendungen, in denen die Dicke der ebenen Schichten auf
einer mikroskopischen Skala geschaffen werden soll, umfassen einige
Verfahren für
die Herstellung solcher Vorrichtungen stereolithographische Techniken,
Mikrobearbeitungstechniken oder holographische Techniken, ohne jedoch
darauf eingeschränkt
zu sein.
-
Es
wird auch eine Dokumentensicherheitsvorrichtung beschrieben, die
eines oder mehrere der neuartigen irisierenden Materialien umfasst,
die auf eine gesamte Oberfläche
des Dokuments oder auf einem Teil hiervon angebracht sind. Das Dokument kann
beispielsweise ein privater oder vertraulicher Brief oder Bericht
sein, alternativ kann das Dokument eine Bankkarte oder eine andere
Identifizierungskarte sein, wobei die irisierenden Materialien eine
Betrugsnachweis-Identifizierungseinrichtung für die Karte schaffen. In einer
weiteren Alternative kann das Dokument eine Banknote sein.
-
Es
wird auch ein Schmuckmaterial beschrieben, das eine Oberflächenschicht
umfasst, die ein oder mehrere der neuartigen irisierenden Materialien enthält. Die
Ziermaterialien können
beispielsweise Einwickelpapiere, Karten, Gewebe für die Bekleidungsherstellung
und dergleichen umfassen. Optional kann das Schmuckmaterial in Form
von Fasern vorgesehen sein, die dann zu Geweben verwebt werden können. Unter
diesem Aspekt sind die Wellen, die zu einem Irisieren veranlasst
werden, vorzugsweise elektromagnetische Wellen, deren Wellenlängen im
Bereich von 10–6 bis 10–7 m,
d. h. im sichtbaren Bereich, liegen.
-
Optional
kann die Oberflächenschicht
mehrere neuartige irisierende Materialien umfassen, die so angeordnet
sind, dass sie ein Muster bilden, wobei jedes irisierende Material
ein Irisieren unter einem unterschiedlichen Glanzwinkel und/oder
für verschiedene
Wellenlänge
des sichtbaren Lichts hervorruft.
-
Es
ist festgestellt worden, dass irisierende Materialien gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung ein komplexes Beugungsverhalten ergeben, das
Anlass zu einem winkelabhängigen
Irisieren gibt. Diese Materialien können so entworfen sein, dass
sich Oberflächen
ergeben, die ein Irisieren nur bei nahe beieinander liegenden Glanzwinkeln
zeigen. Durch Anordnen der irisierenden Materialien auf geeigneten Substraten
können
Gegenstände
geschaffen werden, die Wellen unter Winkeln absorbieren, bei denen
kein Irisieren auftritt, so dass sich irisierende Eigenschaften
mit hohem Kontrast ergeben.
-
In
irgendeiner der obigen Ausführungsformen
der Erfindung in der die Wellen elektromagnetischer Art sind, kann
das irisierende Material ein pigmentiertes Substrat enthalten. In
solchen Ausführungsformen
kann das Material die Farbe oder das Muster des Substrats überall dort
zeigen, wo die Bedingungen für
ein Irisieren nicht erfüllt
sind. Die Bedingungen für
ein Irisieren können
in das Material eingeprägt
sein, etwa um die Echtheit des das Material tragenden Dokuments
zu prüfen.
-
Die
Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die folgenden Figuren
weiter beschrieben, worin:
-
1 einen
Querschnitt durch einen Beugungsgitterabschnitt eines irisierenden
Materials gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
-
2 die
relativen Streuwirkungsgrade des ersten Beugungsgitters (x-Achse)
und des zweiten Beugungsgitters (z-Achse) des Beugungsgitterabschnitts
eines irisierenden Materials gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
-
3 Streuzentren
für die
Beugungsgitter von 2 zeigt;
-
4a und 4b Impulsvektoren
für Photonen zeigen,
die auf die Beugungsgitter von 2 auftreffen
und von diesen gebeugt werden.
-
1 zeigt
eine Reihe lichtdurchlässiger Platten 1 mit
hohem Brechungsindex, die in einem Stapel, der unter einem Winkel θ zu einer
Achse X geneigt ist, regelmäßig parallel
angeordnet sind. Die Periode d(X) des Gitters längs der X-Achse ist durch den
Abstand zwischen den Platten 1 definiert. Senkrecht zur
Achse X ist eine zweite Achse Z orientiert. Die Periode d(Z) des
Gitters längs
der Achse Z ist durch den Abstand zwischen jenen Punkten definiert, an
denen die Z-Achse durch benachbarte Platten 1 verläuft. Daraus
ist ersichtlich, dass die Anzahl von Perioden längs der Z-Achse sowohl durch
die Breite der Platten 1 als auch durch den Winkel θ begrenzt ist.
-
Die
Gitter sowohl längs
der X- als auch längs der
Z-Achse können
in Wechselwirkung stehen, so dass auftreffendes Licht gleichzeitig
in jeder Achse gebeugt wird. Dieses Verhalten kann dadurch modelliert
und vorhergesagt werden (wie in 4(a) veranschaulicht
ist), dass ein Gitter aus diskreten Punkten im Impulsraum betrachtet
wird. Jeder Punkt repräsentiert
einen Endpunkt eines Impulsvektors, der zu einem auftreffenden Photon
gehört,
wenn dieses von irgendeiner Achse gebeugt worden ist. Da der Photonenimpuls
erhalten bleiben muss, müssen
die Impulsvektoren des auftreffenden Photons und des gebeugten Photons
zwei Punkte des Gitters miteinander verbinden. Folglich definieren
Linien, die diese Punkte verbinden, Photonen-Impulsvektoren, die mögliche Lösungen der
Beugungsgleichungen für die
beiden Gitter sind. Daraus kann abgeleitet werden, dass für ein von
beiden Gittern gebeugtes Photon nur ein möglicher Photon-Impulswert existiert, der
beide Gleichungen löst.
Für einen
gegebenen Auftreffwinkel ist der Photon-Impulswert gegeben durch
kph = 2π/λph,
wobei λph die Photonenwellenlänge ist.
-
Für den angesprochenen
Fachmann ist klar, dass Beugungsgitter Resonanzstrukturen sind,
deren Eigenschaften sich aus der Wechselwirkung ihrer beugenden
Elemente ergeben, wobei die Resonanzbedingungen umso weniger leicht
definiert sind, je weniger beugend die Elemente sind. Die Erfinder
haben festgestellt, dass sich das Verhalten des Gitters zu ändern beginnt,
wenn ein Gitter aus weniger als zehn Perioden besteht.
-
Im
Impulsraum-Diagramm (4(a))
ist die Wirkung der Begrenzung der Anzahl beugender Elemente (oder
Perioden d(Z)) im Gitter durch eine Verbreiterung der diskreten
Punkte in Linien gegeben, wie in 4(b) gezeigt
ist. Diese Linien können durch
viele verschiedene Wege verbunden sein, beispielsweise von Mitte
zu Mitte (B-zu-E), wodurch der Vektor für den Fall des unendlichen
Gitters wie in 4(a) gezeigt wiedergegeben wird,
oder durch Wege wie etwa A-zu-F
oder C-zu-D. Daraus ist ersichtlich, dass für denselben Auftreffwinkel
Photon-Impulsvektoren (kph) mit unterschiedlichem
Wert definiert werden können.
Das sichtbare Ergebnis ist, dass Photonen mit unterschiedlichen
Wellenlängen (wie
sie sich im sichtbaren Licht üblicherweise
finden) auf das irisierende Material der Erfindung unter dem gleichen
Winkel auftreffen können
und unter einem jeweils anderen Winkel gebeugt werden. Dies hat
unterschiedliche Farbtöne,
die vom Material zurückkehren,
zur Folge, was von einem Betrachter als Irisieren wahrgenommen wird.
-
Das
Ausmaß,
in dem die irisierende Wirkung erzielt wird, ist anhand der Streuintensität der Struktur
definiert, die proportional zu ϕ ist, wobei:
-
-
2 vergleicht
diese Größe für ein (z-Achsen-)Gitter
mit sieben Perioden mit der Größe für ein (x-Achsen-)Gitter
mit 100 Perioden. Wie ersichtlich ist, ist das x-Achsen-Gitter ein
viel effizienterer Streuer (sein Wirkungsgrad ist in dem Graphen
von 2 durch zwei Größenordnungen dividiert), während das z-Achsen-Gitter
einen viel breiteren Wellenlängenbereich
von Licht streut (beugt). Wie aus der Figur vorhergesagt werden
kann, würde,
wenn sich das x-Achsen-Gitter
unendlich weit erstrecken würde,
nur eine einzige Lichtwellenlänge
gebeugt.
-
Wie
wiederum in 4(b) gezeigt ist, kann die Impulsbreite
des Streu-Peaks in 2 aus den Längen der Vektoren A-zu-C und
D-zu-F geschätzt werden,
da diese das Ausmaß repräsentieren,
in dem Punkte im Impulsraum aufgrund des unüblichen Verhaltens eines Gitters
mit einer begrenzten Anzahl von Perioden zu Linien verbreitert werden.
-
Daraus
ist ersichtlich, dass eine ein irisierendes Material gemäß der vorliegenden
Erfindung tragende Oberfläche
andere optische Wirkungen zeigt, wenn sie unter Winkeln in der Nähe der Normalen
zur X-Achse betrachtet
wird, als wenn sie unter Winkeln in der Nähe der Normalen zu der Z-Achse
betrachtet wird. Im ersteren Fall werden nur sehr wenig Lichtwellenlängen gebeugt,
was ein reflektiertes Bild in einer einzigen Farbe ergibt, während im
letzteren Fall eine große
Anzahl von Wellenlängen
gebeugt wird, so dass für
den Betrachter ein mehrfarbiger, irisierender Farbton reflektiert
wird. Die Wirkung kann verwendet werden, um Bilder so zu verbergen,
dass sie nur aus bestimmten Winkeln klar gesehen werden können.
-
Mögliche Anwendungen
dieser Technologie umfassen die Beschichtung privater oder vertraulicher
Briefe oder Dokumente, so dass sie nur von einem Leser gelesen werden
können,
der sich direkt vor dem Dokument befindet. Ebenso können Daten auf
Bank- oder anderen Identifizierungskarten verborgen werden oder
ihre Fälschung
kann erschwert werden, indem diese Materialien als Oberflächenbeschichtungen
verwendet werden. Andere Fälschungssicherungsanwendungen
können
die Anwendung dieser Materialien auf Banknoten umfassen, so dass
bestimmte Bilder oder Informationen nur für bestimmtes Licht irisierend
sind.
-
Andere
Anwendungen können
von den ästhetischen
Qualitäten
der optischen Wirkungen Gebrauch machen, die von diesen Materialien
erzeugt werden, um ins Auge stechende Kunstwerke oder Werbematerialien
zu erzeugen. Ebenso können
attraktive Einwickelpapiere oder Geschenkkarten erzeugt werden.
Wenn die Erfindung auf Gewebe angewendet wird, können attraktive Bekleidungsstücke oder
Möbelstoffe
hergestellt werden. Andere ähnliche
Ausführungsformen
könnten
dem angesprochenem Fachmann deutlich werden, ohne vom wahren Umfang
der Erfindung, der in den Ansprüchen
definiert ist, abzuweichen.
