Микрооптическая система формирования визуальных изображений

Заявляемая в качестве полезной модели микрооптическая система формирования визуальных изображений относится, преимущественно, к приспособлениям, используемым для удостоверения подлинности изделий, и может быть эффективно использована для защиты банкнот, ценных бумаг, документов, пластиковых карточек, банковских расчетных карточек, акцизных, идентификационных, контрольных марок, а также различных товаров народного потребления от подделки. Микрооптическая система согласно полезной модели состоит из фрагментов плоских внеосевых линз Френеля с параболоидной фазовой функцией и, или плоских внеосевых линзы Френеля с седлообразной фазовой функцией, и фрагментов дифракционных решеток. Специальный выбор параметров линз Френеля и дифракционных решеток обеспечивает возможность формирования визуального изображения, состоящего из светящихся точек с визуальным эффектом смещения сформированных изображений при наклонах подложки относительно наблюдателя менее 40 градусов. При наклонах подложки на углы более 40 градусов происходит смена изображения, состоящего из светящихся точек, на другое двумерное изображение, формируемое дифракционными решетками. Заявленная совокупность существенных признаков полезной модели обеспечила достижение технического результата, заключающегося в расширении возможностей визуального контроля, а также в повышении защищенности микрооптической системы от подделок. Реализация микрооптической системы формирования визуальных изображений возможна с использованием существующего стандартного оборудования.

Заявляемая в качестве полезной модели микрооптическая система формирования визуальных изображений относится, преимущественно, к приспособлениям, используемым для удостоверения подлинности изделий, и может быть эффективно использована для защиты банкнот, ценных бумаг, документов, пластиковых карт от подделки.

В настоящее время, с целью предотвращения подделки банкнот, ценных бумаг, документов, пластиковых карт используют различные защитные технологии. Это могут быть водяные знаки, ныряющие нити, голограммы, внедренные жидкокристаллические оптические элементы, изменяющие поляризацию падающего света, латентные изображения и т.п. (van Renesse, Rudolf L, Optical Document Security, 3^rd ed. British Library Cataloguing in Publication Data, 2005, ISBN 1-58053-258-6, van Renesse, Rudolf L, Optical Document Security, 2^rd ed. British Library Cataloguing in Publication Data, 1998, ISBN 0-89006-982-4).

Одной из основных проблем контроля подлинности документов, банкнот, пластиковых карт является разработка новых оптических элементов защиты для визуального контроля. Такие элементы должны допускать надежный визуальный контроль, слабо зависящий от условий освещения. Защитные элементы должны быть хорошо защищены от подделки или имитации и допускать массовое тиражирование.

Близкой к заявляемой полезной модели по совокупности признаков является известная оптическая система формирования изображений (Патент США 7,468,842 или Патент США 7,333,268), которая получила название motion. Описанная в патентах США система включает в себя слой микроизображений и слой фокусирующих элементов, выполненных в виде лентикулярных линз (микролинз). Такая система позволяет получить эффект движения (motion) изображения при изменении угла наблюдения, что может быть установлено по движению сформированного изображения при наклонах оптической системы. В настоящее время, технология motion используется для защиты банкнот. К недостаткам технологии необходимо отнести достаточно большую толщину защитного элемента, которая составляет от 30 до 40 микрон, что накладывает ограничения на использование такого защитного элемента в виде ныряющей нити. Попытки уменьшить толщину микрооптической системы Motion ухудшают качество изображения и повышают требования к технологии синтеза защитной нити Motion.

Наиболее близкой (прототип) по совокупности признаков является заявка ЕАПВ 201000535/31.

Микрооптическая система согласно заявке ЕАПВ 201000535/31 обеспечивает возможность синтеза легко контролируемого эффекта движения изображений, состоящих из светящихся точек, при наклонах подложки относительно наблюдателя. Изобретение позволяет уменьшить толщину защитного элемента по сравнению с технологией motion и расширить область его применения. Согласно заявке ЕАПВ 201000535/31, микрооптическая система формирования визуальных изображений состоит из размещенного на плоской подложке одного слоя плоских оптических элементов, представляющих собой плоские внеосевые линзы Френеля с параболоидной фазовой функцией и, или плоские внеосевые линзы Френеля с седлообразной фазовой функцией, сформированные в виде микрорельефа, обеспечивающего заданную диаграмму направленности рассеянного света, реализующую синтез изображений, состоящих из отдельных точек, с визуальным эффектом смещения сформированных изображений при наклонах подложки относительно наблюдателя.

В частном случае реализации изобретения (ЕАПВ 201000535/31), плоские внеосевые линзы Френеля с параболоидной фазовой функцией выполнены одинаковыми, непересекающимися между собой, сформированными в виде микрорельефа, обеспечивающего заданную диаграмму направленности рассеянного света, реализующую синтез изображений, состоящих из отдельных точек, с визуальным эффектом смещения сформированных изображений вправо-влево, при наклоне подложки вправо-влево и с визуальным эффектом смещения сформированных изображений вверх-вниз при наклоне подложки от себя - на себя. В другом частном случае плоские внеосевые линзы Френеля с седлообразной фазовой функцией могут быть выполнены одинаковыми, непересекающимися между собой, сформированными в виде микрорельефа, обеспечивающего заданную диаграмму направленности рассеянного света, реализующую синтез изображений, состоящих из отдельных точек, с визуальным эффектом смещения сформированных изображений вверх-вниз, при наклоне подложки вправо-влево и с визуальным эффектом смещения сформированных изображений вправо-влево при наклоне подложки от себя - на себя.

С целью увеличения динамического эффекта смещения изображений, плоские внеосевые линзы Френеля выполняются пересекающимися, сформированными в виде микрорельефа, при этом в области пересечения двух плоских внеосевых линз Френеля микрорельеф обеспечивает диаграмму направленности рассеянного света, реализующую для наблюдателя визуальный эффект смещения точек изображения на обоих пересекающихся элементах. Также с целью увеличения динамического эффекта смещения изображений, заявлена микрооптическая система, состоящая из двух типов внеосевых линз Френеля, (например, плоских внеосевых линз Френеля с вогнутой параболической фазовой функцией и плоских внеосевых линз Френеля с выпуклой фазовой функцией), при этом каждый тип формирует свою часть изображения так, что для наблюдателя смещение частей изображения происходит в противоположные стороны, что увеличивает эффект относительного движения частей изображения.

Задачей настоящей заявки является расширение возможностей визуального контроля защитной нити по сравнению с прототипом и создание микрооптической системы для визуального контроля с более высоким уровнем защищенности от подделок, а также сужение круга технологий, которые позволяют синтезировать данный визуальный эффект. При этом достигаемый технический результат заключается в возможности формирования изображения, состоящего из светящихся точек с визуальным эффектом смещения сформированных изображений при наклонах подложки относительно наблюдателя менее 40 градусов. При наклонах подложки более чем на 40 градусов, происходит смена изображений так, что изображение из светящихся точек исчезает, а на его месте наблюдатель видит другое 2D изображение, формируемое дифракционными решетками. Задачей настоящей заявки является также обеспечение возможности использования стандартного высокопроизводительного технологического процесса изготовления, тиражирования и нанесения защитных элементов.

Поставленная задача с достижением указанного технического результата решается в заявленной микрооптической системе формирования визуальных изображений, состоящей из размещенного на плоской подложке плоского дифракционного оптического элемента, и в которой указанный оптический элемент состоит из элементарных областей R_ij, размером до 50 микрон, i=1, 2,N; j=1, 2,N, где N - число разбиений оптического элемента на элементарные области по осям координат, причем часть площади каждой из элементарных областей R_ij занимают оптические элементы с фазовой функцией равной константе, либо фрагменты внеосевых линз Френеля с параболоидной фазовой функцией и/или фрагменты плоских внеосевых линз Френеля с седлообразной фазовой функцией, сформированные в виде микрорельефа, обеспечивающего заданную диаграмму направленности рассеянного света, реализующую синтез изображений, состоящих из отдельных точек, с визуальным эффектом смещения сформированных изображений при наклонах подложки относительно наблюдателя менее 40 градусов, а другую часть площади каждой из элементарных областей R_ij занимает область Q_ij, внутри которой сформированы дифракционные решетки разной ориентации с периодами менее 0,7 микрон в виде микрорельефа, обеспечивающего заданную диаграмму направленности рассеянного света, реализующую синтез 2D изображения, видимого наблюдателю на всем дифракционном оптическом элементе при наклонах подложки более чем на 40 градусов.

Микрооптическая система может включать внеосевые линзы Френеля сформированые как многоградационные элементы.

Микрооптическая система может быть синтезирована так, что область Q_ij занимает площадь в пределах 15-50% от площади каждой из элементарных областей R_ij.

Микрооптическая система формирования визуальных изображений может быть выполнена, при необходимости, с возможностью частичного отражения и частичного пропускания света.

В частном случае, микрооптическая система формирования визуальных изображений выполнена с возможностью отражения света.

Также в частном случае, микрооптическая система формирования визуальных изображений выполнена с возможностью пропускания света.

При необходимости, микрооптическая система формирования визуальных изображений выполняется в виде защитной метки, используемой для защиты банкнот, ценных бумаг, документов, пластиковых карт.

Совокупность заявленных признаков обеспечивает достижение заявленного технического результата.

Сущность полезной модели поясняется изображениями, где на фиг.1 приведена схема наблюдения микрооптической системы; на фиг.2 приведен фрагмент внеосевой плоской линзы Френеля с параболической фазовой функцией; на фиг.3 изображен фрагмент внеосевой линзы Френеля с седлообразной фазовой функцией; на фиг.4 приведено изображение точечного источника света, видимого наблюдателем, отраженного от внеосевой плоской линзы Френеля с параболоидной или седлообразной фазовой функцией; на фиг.5 приведена схема формирования микрорельефа микрооптической системы; на фиг.6 представлено как наблюдатель видит изображение из цифр "50 50 50 50", состоящее из отдельных точек, сформированных плоскими оптическими элементами - внеосевыми линзами Френеля - при нормальном положении микрооптической системы (=0); на фиг.7 представлено как наблюдатель видит изображение из цифр "50 50 50 50", состоящее из отдельных точек, сформированных плоскими оптическими элементами при наклоне подложки относительно наблюдателя; на фиг.8 приведен пример 2D изображения, формируемого микрооптической системой при наклонах подложки относительно наблюдателя больше 40 градусов; на фиг.9 приведен второй пример 2D изображения, формируемого микрооптической системой при наклонах подложки относительно наблюдателя больше 40 градусов.

Микрооптическая система, заявленная в настоящем техническом решении, представляет собой расположенный на плоской подложке плоский оптический элемент, состоящий из фрагментов линз Френеля с параболоидной и/или седлообразной фазовой функцией, фрагментов дифракционных решеток и областей без микрорельефа (с фазовой функцией равной константе). На фиг.1 приведена схема наблюдения микрооптической системы 1 при освещении ее точечным источником 2, видимое наблюдателем 3 под углом . На фиг.2 приведен фрагмент плоской внеосевой линзы Френеля с параболоидной фазовой функцией, фокусирующей изображение в точку подобно цельному вогнутому зеркалу, имеющему форму параболоида (Гончарский А.В., Гончарский А.А. "Компьютерная оптика. Компьютерная голография" Изд-во МГУ, Москва 2004, ISBN 5-211-04902-0). Глубина микрорельефа линз Френеля в оптическом диапазоне длин волн составляет 0.1-0.3 микрона. На фиг.3 приведен фрагмент микрорельефа плоской внеосевой линзы Френеля с седлообразной фазовой функцией. Произвольный фрагмент, вырезанный из плоской линзы Френеля, называется внеосевой линзой Френеля.

Внеосевая линза Френеля при освещении ее точечным источником света формирует для наблюдателя изображение в виде яркой точки. Как показано на фиг.4, яркая точка 4 смещается в пределах внеосевой линзы Френеля ограниченной белой пунктирной линией 5 при изменении угла наклона микрооптической системы относительно наблюдателя. Характер смещения определяется типом фазовой функции линзы Френеля. При наклонах подложки вправо-влево для параболоидной фазовой функции изображение источника смещается вправо-влево, а при наклонах подложки от себя - на себя, изображение смещается вверх-вниз. Для внеосевой линзы Френеля с седлообразной фазовой функцией изображение источника смещается вверх-вниз, при наклоне подложки вправо-влево, а при наклонах подложки от себя - на себя, изображение смещается вправо-влево. Эта идея положена в основу прототипа настоящего изобретения (заявка ЕАПВ 201000535/31).

Заявленный в полезной модели плоский оптический элемент разбит на элементарные области R_ij , i=1, 2,N; j=1, 2,N, где N - число разбиений оптического элемента на элементарные области по осям координат. Размер R_ij не превосходит 50 микрон, причем часть площади каждой из элементарных областей R_ij занимают оптические элементы с фазовой функцией равной константе (фрагменты оптического элемента без микрорельефа), либо фрагменты внеосевых линз Френеля с параболоидной фазовой функцией и, или фрагменты плоских внеосевых линз Френеля с седлообразной фазовой функцией. Сформированный ими микрорельеф обеспечивает заданную диаграмму направленности рассеянного света и позволяет синтезировать изображения, состоящие из отдельных точек, с визуальным эффектом смещения сформированных изображений при углах наклона подложки относительно наблюдателя менее чем на 40 градусов. Другую часть площади каждой из элементарных областей R_ij занимает область Q_ij, внутри которой сформированы дифракционные решетки разной ориентации. Выбор периода решеток менее 0,7 микрон (1400 штрихов/мм) обеспечивает то, что диаграмма направленности рассеянного от решеток света, и диаграмма направленности света рассеянного от линз Френеля находятся в разных угловых диапазонах. Таким образом, при углах наклона подложки менее чем 40 градусов наблюдатель видит только изображение, сформированное внеосевыми линзами Френеля. При углах наклона подложки более чем 40 градусов наблюдатель видит только изображение, сформированное дифракционными решетками. Таким образом происходит эффект смены изображений так, что изображения из светящихся точек с кинематическим эффектом движения исчезает, а на всей области оптического элемента наблюдатель видит другое изображение, формируемое только дифракционными решетками.

Размер элементарных областей не превосходит 50 микрон - предел визуального разрешения элементов изображения на плоском оптическом элементе для человеческого глаза. Таким образом, наблюдатель не может видеть границ разбиения микрооптической системы на элементарные области. Используя различные фрагменты линз Френеля можно синтезировать изображения, состоящие из отдельных ярких точек. Выбор параметров линз Френеля обеспечивает формирование диаграммы направленности отраженного излучения в диапазоне углов меньше 40 градусов. На фиг.6 приведен пример формирования такого изображения при нормальном положении подложки относительно наблюдателя (=0). На фиг.7 приведен пример, демонстрирующий смещение изображения при наклонах подложки вправо-влево для изображений, сформированных с помощью фрагментов внеосевых линз Френеля с седлообразной фазовой функцией при углах наклона подложки меньше 40 градусов.

Заявленная микрооптическая система, кроме эффекта визуального смещения сформированных изображений, состоящих из точек, позволяет, в отличие от прототипа, создавать эффект смены изображений, так что наблюдатель видит разное изображение при углах наклона менее 40 градусов и более 40 градусов.

Заявленная полезная модель предназначена для формирования визуальных изображений в видимом диапазоне длин волн (от 0.38 микрона до 0.74 микрона). Микрооптическая система имеет глубину микрорельефа 0,1-0,3 микрона. Внеосевая линза Френеля при ее освещении точечным источником формирует для наблюдателя изображение в виде яркой точки. Максимальная яркость изображения для многоградационной линзы Френеля соответствует глубине микрорельефа равной /2. Например при =0,56 микрона наибольшую эффективность имеют внеосевые линзы Френеля с глубиной 0,28 микрон. При падении на такую линзу Френеля оптического излучения с другой длиной волны формируется то же самое изображение, но с меньшей эффективностью. Таким образом, микрооптическая система при падении на нее оптического излучения и углах наблюдения менее 40 градусов видимого диапазона формирует визуальное изображение, состоящее из отдельных ярких точек.

Двумерное (2D) изображение формируется фрагментами дифракционных решеток, имеющими разную ориентацию и период меньший 0,7 микрона. Дифракционные решетки расположены в каждой из областей Q_ij (фиг.5). Размеры областей Q_ij (менее 50 микрон) и расстояния между соседними областями выбраны так, что при углах наклона подложки более 40 градусов и освещении микрооптической системы источником белого света позволяют формировать цветное 2D-изoбpaжeниe, заполняющее всю область микрооптической системы.

Выбор периода дифракционных решеток менее 0,7 микрона и параметров внеосевых линз Френеля обеспечивает формирование диаграмм направленности внеосевых линз Френеля и дифракционных решеток в разных угловых диапазонах. Как следствие наблюдатель видит при углах наклона менее 40 градусов только изображение из светящихся точек, формируемое линзами Френеля, а при углах более 40 градусов только 2D-изoбpaжeниe, формируемое дифракционными решетками.

Формирование микрорельефа заявленной микрооптической системой представляет собой более сложную задачу, чем изготовление прототипа. Контролируемый эффект смены изображения слабо зависит от условий освещения и типов источников света, что является несомненным достоинством с точки зрения практического применения предлагаемой микрооптической системы формирования изображений. Следует отметить, что заявляемая микрооптическая система позволяет формировать изображения, как в режиме отражения света, так и в режиме пропускания, который может быть использован как элемент защиты банкнот, ценных бумаг, документов, пластиковых карт от подделки.

Центральным моментом технологии изготовления микрооптической системы, заявленной в изобретении, является изготовление оригинала микрооптической системы. Для изготовления оригинала прототипа (ЕАПВ 201000535/31) микрооптической системы можно использовать электронно-лучевую литографию или оптические технологии формирования микрорельефа высокого разрешения. Запись оригиналов микрооптической системы, включающей фрагменты решеток с диапазоном периодов 0,3-0,7 микрон, можно осуществить только с помощью электронно-лучевой литографии. Эта технология мало распространена, стоимость электронно-лучевых литографов составляет несколько миллионов евро. Электронно-лучевая технология синтеза оригиналов наукоемка. Все это сужает технологии, которые могут быть использованы для синтеза заявленной микрооптической системы и обеспечивает надежную защиту от подделок и имитации.

Таким образом, основные отличия заявленной микрооптической системы от прототипа заключаются в следующем:

1. По сравнению с прототипом, заявленная микрооптическая система имеет фасеточную структуру, в которой оптический элемент разбит на элементарные области размером менее 50 микрон, где находятся не только фрагменты внеосевых линз Френеля, но и фрагменты дифракционных решеток.

2. Специальный выбор параметров внеосевых линз Френеля и параметров дифракционных решеток позволяет формировать эффект смены изображений. При углах наклона подложки менее 40 градусов наблюдатель может видеть изображение, состоящее из ярких точек с эффектом смещения изображений, как это имеет место в прототипе. При углах наклона подложки более 40 градусов, в отличие от прототипа, микрооптическая система формирует цветное 2D изображение.

Заявленная микрооптическая система расширяет возможности визуального контроля по сравнению с прототипом, поскольку при углах наклона подложки более 40 градусов изображение из светящихся точек исчезает и наблюдатель видит другое 2D изображение

3. Заявленная микрооптическая система обладает большей защищенностью от подделок и имитаций, поскольку оригинал микрооптической системы можно изготовить только с помощью наукоемкой электронно-лучевой технологии, которая не является широко распространенной.

Заявляемое изобретение допускает массовое тиражирование оптических элементов, поскольку для их изготовления можно использовать стандартную технологию тиражирования голограмм, в том числе в виде фольги горячего тиснения. На практике процесс изготовления плоского оптического элемента включает следующие стадии: расчет параметров и структуры микрорельефа плоских оптических элементов, формирующих защитные изображения, формирование рассчитанного микрорельефа на плоском носителе с помощью электронно-лучевой литографии. Далее следует стандартная технология массового тиражирования голограмм, а именно, гальванопластика, прокатка, нанесение клеевых слоев, резка и т.д. Возможность использования стандартного голографического оборудования для массового тиражирования позволяет изготавливать заявляемые в качестве изобретения микрооптические защитные системы по низкой цене.

В качестве примера реализации, изобретения были изготовлены две микрооптические системы. В первом примере была изготовлена микрооптическая система на подложке, которая при наклоне подложки меньше 40 градусов, формировала изображение из цифр "50 50 50 50" (фиг.6). Для формирования изображения на фиг.6 использовались фрагменты внеосевых линз Френеля с седлообразной фазовой функцией (фиг.3). Для формирования изображений, состоящих из ярких точек, использовались внеосевые линзы Френеля диаметром 920 микрон. Высота букв «50» составляла 2,8 мм. При наклонах подложки меньше 40 градусов имел место эффект смещения фрагментов изображения так, как показано на фиг.7. При высоте цифры «50» в 2,8 мм максимальный эффект смещения составляет порядка 0,9 мм. При углах наклона подложки более 40 градусов, микрооптическая система формировала 2D-изображение, представленное на фиг.8. Для формирования 2D-изображения использовались дифракционные решетки с периодом 0,5 микрона. Размер изображения составил 3×50 мм.

Микрорельеф плоских оптических элементов записывался с помощью электроннолучевой литографии (электронный литограф Carl Zeiss ZBA-21) на пластинах с электронным резистом. Разрешение электронного литографа - 0,1 микрона. Из изготовленных пластин с электронным резистом после их металлизации с помощью гальванопластики были изготовлены мастер матрицы микрооптических систем. После стандартной голографической процедуры мультипликации были изготовлены мультиплицированные мастер-матрицы, с которых были изготовлены рабочие матрицы для прокатки. На стандартном оборудовании для прокатки фирмы James River была изготовлена голографическая фольга. После нанесения клеевых слоев были изготовлены образцы голографической нити и банкнотной бумаги с защищенной ныряющей нитью. Толщина голографической фольги составляла 19 микрон.

В качестве второго примера была изготовлена микрооптическая система на подложке, которая при наклоне подложки меньше 40 градусов, формировала изображение из цифр "50 50 50 50" (фиг.6). Для формирования изображения на фиг.6 использовались фрагменты внеосевых линз Френеля с параболоидной фазовой функцией (фиг.2). При углах наклона подложки более 40 градусов, микрооптическая система формировала изображение, представленное на фиг.9.

Изготовленные образцы оптической защитной нити, внедренной в банкнотную бумагу, с визуальным эффектом смены изображения, состоящего из светящихся точек при углах наклона подложки менее 40 градусов, на цветное 2D-изображение при углах наклона более 40 градусов, продемонстрировали высокие возможности заявленной микрооптической системы для защиты банкнот, сертификатов, чеков, пластиковых карт.

1. Микрооптическая система формирования визуальных изображений, состоящая из размещенного на плоской подложке плоского дифракционного оптического элемента, отличающаяся тем, что указанный оптический элемент состоит из элементарных областей R_ij размером до 50 мкм, i=1, 2, N; j=1, 2, N, где N - число разбиений оптического элемента на элементарные области по осям координат, причем часть площади каждой из элементарных областей R_ij занимают оптические элементы с фазовой функцией, равной константе, либо фрагменты внеосевых линз Френеля с параболоидной фазовой функцией и/или фрагменты плоских внеосевых линз Френеля с седлообразной фазовой функцией, сформированные в виде микрорельефа, обеспечивающего заданную диаграмму направленности рассеянного света, реализующую синтез изображений, состоящих из отдельных точек, с визуальным эффектом смещения сформированных изображений при наклонах подложки относительно наблюдателя менее 40º, а другую часть площади каждой из элементарных областей R_ij занимает область Q_ij, внутри которой сформированы дифракционные решетки разной ориентации с периодами менее 0,7 мкм в виде микрорельефа, обеспечивающего заданную диаграмму направленности рассеянного света, реализующую синтез 2D изображения, видимого наблюдателю на всем дифракционном оптическом элементе при наклонах подложки более чем на 40º.

2. Микрооптическая система по п.1, отличающаяся тем, что внеосевые линзы Френеля и/или дифракционные решетки сформированы как многоградационные элементы.

3. Микрооптическая система по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что область Q_ij занимает площадь в пределах 15-50% от площади каждой из элементарных областей R_ij.