Микрооптическая система формирования изображений для визуального контроля подлинности изделий

Заявляемая в качестве изобретения микрооптическая система формирования визуальных изображений относится, преимущественно, к приспособлениям, используемым для удостоверения подлинности изделий, и может быть эффективно применена 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 представляет собой размещенный на плоской подложке однослойный плоский фазовый оптический элемент, который состоит из N элементарных областей, размер которых не превосходит 150 микрон, видимых наблюдателю и имеющих при стандартном положении микрооптической системы заданный цвет. В каждой i-ой элементарной области, i=1N, расположены области R_ij, j=1m, размером не более 50 микрон, заполненные дифракционными решетками. Остальная часть каждой элементарной области заполнена киноформом, имеющим асимметричную диаграмму направленности рассеянного излучения, такую, что цветное изображение, видимое наблюдателю при стандартном положении микрооптической системы, при повороте ее на 180 градусов, становится серым и исчезает. При наклоне микрооптической системы на углы более 60 градусов и больших углах дифракции наблюдатель видит на всей поверхности микрооптической системы цветное изображение, формируемое дифракционными решетками. Реализация микрооптической системы формирования визуальных изображений возможна с использованием существующего стандартного оборудования.

Заявляемая микрооптическая система формирования изображений для визуального контроля подлинности изделий относится к области оптических защитных технологий, преимущественно к так называемым защитным меткам, используемым для удостоверения подлинности банкнот, пластиковых карт, ценных бумаг и т.д.

В настоящее время для удостоверения подлинности банкнот, пластиковых карт, ценных бумаг широко используются голографические технологии. Один из известных применяемых эффектов в оптических защитных технологиях - это эффект смены изображения, который наблюдается на голограмме или на плоском оптическом элементе при изменении угла падающего света.

Существует большое количество технологий изготовления оригиналов плоских оптических элементов - голограмм. Это - оптическая запись, дот-матрикс, кинемакс-технология и другие. (Optical Document Security, Third Edition, Rudolf L. Van Renesse. Artech House, Boston, London, 2005). Все перечисленные способы изготовления оригиналов формируют голограмму или плоский оптический элемент с симметричным микрорельефом.

Вне зависимости от используемых оптических технологий записи оригинала при изменении угла наклона микрооптической системы наблюдается следующий эффект смены изображений: например, в стандартном положении голограммы наблюдатель видит одно изображение, а при повороте на 90 градусов вместо первого изображения появляется другое изображение. Однако если продолжить поворот с 90 до 180 градусов, то при угле 180 градусов получают исходное изображение. Это обусловлено тем, что перечисленные выше технологии изготовления оригиналов (оптическая запись, дот-матрикс, кинемакс технология и другие) формируют голограмму с симметричным микрорельефом.

Оптические технологии синтеза защитных элементов с симметричным микрорельефом широко распространены и не гарантируют надежную защиту от подделок. С точки зрения защищенности от подделок наиболее перспективным является использование технологий синтеза микрооптических систем с асимметричным микрорельефом. Примером такой технологии может служить технология электроннолучевой литографии, заимствованная из микроэлектроники. Стоимость электроннолучевых литографов очень высока, технология наукоемка. Всего несколько фирм в мире используют технологию электронно-лучевой литографии для производства защитных оптических элементов для защиты банкнот, пластиковых карт, документов и т.д. Именно эта технология положена в основу патента (EA 018164 (B1)).

Наиболее близким к заявляемой полезной модели техническим решением по совокупности признаков является микрооптическая система, описанная в патенте EA 018164 (B1) (прототип). Формирование изображений в микрооптической системе, согласно патенту, осуществляется оптическими элементами, которые имеют асимметричный микрорельеф, чем обеспечивается возможность формирования разных изображений при повороте на 180 градусов, что невозможно при синтезе микрооптических систем с использованием оптических технологий записи оригиналов.

В прототипе описывается микрооптическая система формирования изображений для визуального контроля подлинности изделий на основе дифракционного оптического элемента, который состоит из N элементарных областей. Каждая элементарная i-ая область, i=1N, характеризуется заданным цветом, видимым наблюдателю при стандартном положении микрооптической системы. В каждой i-ой элементарной области расположен рассчитанный для указанного цвета плоский фазовый оптический элемент, диаграмма направленности которого для рассеянного излучения в верхней полуплоскости сосредоточена в области Q₁ углов и , такой, что {₀-₁<<₀+₁, ₀-<<₀+}, покрывающей оба глаза наблюдателя, где (₀, ₀) - направление на наблюдателя, , ₁ - заданные параметры, а в нижней полуплоскости диаграмма направленности рассеянного излучения сосредоточена в области Q₂ углов и , такой, что {₀-₂<<₀+₂, 180°+₀-<<180°+₀+}, где ₂ - заданный параметр, причем площадь не менее чем в 10 раз превышает площадь Q₁. В стандартном положении микрооптической системы такая диаграмма направленности обеспечивает формирование для наблюдателя изображения, состоящего из цветных элементарных областей, которое при повороте микрооптической системы на 180 градусов теряет цветность, становится серым и исчезает.

Центральным моментом прототипа является использование плоских фазовых оптических элементов с асимметричным микрорельефом. Такие элементы получили название киноформов. Киноформ, как оптический элемент и метод его расчета был представлен в работе L.B. Lesem, P.M. Hirsch, J.A.Jr. Jordan, The kinoform: a new wavefront reconstruction device, IBM. J. Res. Dev., 13 (1969), 105-155. Если заданы геометрические параметры, длина волны падающего монохроматического света, диаграмма направленности, то существуют алгоритмы, позволяющие рассчитать микрорельеф дифракционного оптического элемента - многоградационного киноформа, формирующего заданную диаграмму направленности. (Computer Optics & Computer Holography by A.V. Goncharsky, A.A. Goncharsky, Moscow University Press, Moscow, 2004).

Задача настоящей полезной модели заключается в повышении защитной функции средств, используемых для удостоверения подлинности банкнот, пластиковых карт, ценных бумаг, а также снижение уровня доступности технологии изготовления защитных элементов. Другой задачей является расширение возможности использования микрооптических систем для защитных целей.

Поставленная задача решается путем создания средств контроля подлинности изделий, имеющих признаки, синтезируемые плоскими оптическими элементами со сложным асимметричным микрорельефом. Заявляемая в полезной модели микрооптическая система формирует более сложный, по сравнению с прототипом, защитный признак для визуального контроля, включающий в себя как визуальный контроль при стандартном положении микрооптической системы, так и визуальный контроль при больших углах дифракции.

Поставленная задача в заявленной полезной модели решается в микрооптической системе формирования изображений для визуального контроля подлинности изделий на основе дифракционного оптического элемента, отличающаяся тем, что указанный элемент состоит из N элементарных областей, размером не более 150 микрон, при этом каждая элементарная i-ая область, i=1N, характеризуется заданным цветом, видимым наблюдателю при стандартном положении микрооптической системы. В каждой i-ой элементарной области расположены области R_ij, j=1m, размером не более 50 микрон, содержащие дифракционные решетки разной ориентации с периодами от 0,4 до 0,6 микрона, причем, остальную часть каждой i-ой элементарной области заполняет рассчитанный для указанного цвета киноформ, диаграмма направленности которого для рассеянного излучения в верхней полуплоскости сосредоточенна в области Q₁ углов и , такой, что {₀-₁<<₀+₁, ₀-<<₀+}, покрывающей оба глаза наблюдателя, где (₀, ₀) - направление на наблюдателя, , ₁ - заданные параметры, а в нижней полуплоскости диаграмма направленности рассеянного излучения сосредоточена в области Q₂ углов и , такой, что {₀-₂<<₀+₂, 180°+₀-<<180°+₀+}, где ₂ - заданный параметр, причем площадь Q ₂ не менее чем в 10 раз превышает площадь Q₁ . В стандартном положении микрооптической системы для наблюдателя формируется изображение, состоящее из цветных элементарных областей, которое при повороте микрооптической системы на 180 градусов теряет цветность, становится серым и исчезает. При наклоне микрооптической системы на углы более 60 градусов, при больших углах дифракции, наблюдатель видит на всей поверхности микрооптической системы цветное изображение, формируемое дифракционными решетками.

Базовой технологией для формирования микрорельефа плоских оптических элементов в оптическом диапазоне может быть технология электронно-лучевой литографии. (Computer Optics & Computer Holography by A.V. Goncharsky, A.A. Goncharsky, Moscow University Press, Moscow, 2004). Точность формирования микрорельефа по высоте составляет порядка 10-20 нм. При глубине микрорельефа плоского оптического элемента порядка 300 нм электронно-лучевая технология позволяет изготовить асимметричный микрорельеф для синтеза микрооптических систем как для формирования эффекта смены изображения при повороте на 180 градусов, так и формирования другого цветного изображения, видимого наблюдателю при больших углах дифракции.

Для массового тиражирования микрооптических систем, заявленных в полезной модели, может быть использовано стандартное оборудование для голографических технологий: гальваника, установки мультипликации, оборудование для прокатки, нанесения клеевых покрытий и т.п.Необходимо отметить, что на всех этапах тиражирования обеспечивается точность, достаточная для устойчивого воспроизведения заявленного эффекта.

Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 приведена схема наблюдения визуального изображения в стандартном положении микрооптической системы; на фиг. 2 - схема наблюдения визуального изображения при наклоне микрооптической системы и больших углах дифракции; на фиг. 3 - пример схемы разбиения микрооптической системы на элементарные области; на фиг. 4 - фрагмент микрорельефа плоского оптического элемента - многоградационного киноформа; на фиг. 5 - пример профиля асимметричного микрорельефа многоградационного киноформа; на фиг. 6 - диаграмма направленности многоградационного киноформа в одной из элементарных областей; на фиг. 7 - фрагмент микрорельефа одной из элементарных областей; на фиг. 8 - пример визуального изображения, видимого при наблюдении микрооптической системы в стандартном положении для угла поворота 0 градусов; на фиг. 9 - пример визуального изображения, видимого при наблюдении микрооптической системы в стандартном положении для угла поворота 180 градусов; на фиг. 10 - пример двуцветного визуального изображения, видимого при наблюдении микрооптической системы под большими углами дифракции.

Схема наблюдения визуальных изображений при стандартном положении микрооптической системы приведена на фиг. 1. Микрооптическая система в стандартном положении расположена в плоскости z=0 и освещается источником света, расположенным на оси 0z. При повороте микрооптической системы вокруг оси 0z на 180 градусов в плоскости 0xy наблюдатель видит эффект смены изображений. На фиг. 1 «Л» и «П» - это положения левого глаза и правого глаза наблюдателя, соответственно. Киноформы, расположенные в элементарных областях, имеют диаграмму направленности рассеянного излучения, зависящую от углов в сферической системе координат (, ), угол (0<<) отсчитывается от оси 0z, угол (0<<2) отсчитывается от оси 0x, 0, ₀ - направление на наблюдателя. Не уменьшая общности, схема на фиг. 1 выполнена для ₀=0.

Схема наблюдения визуальных изображений при наклоне микрооптической системы вокруг оси 0y на углы более 60 градусов и больших углах дифракции приведена на фиг. 2. На фиг. 3 приведена схема разбиения микрооптической системы на элементарные области. Характерные размеры элементарных областей порядка 150 микрон. На фиг. 4 приведен фрагмент микрорельефа многоградационного киноформа в одной из элементарных областей. Потемнение в каждой точке фиг. 4 пропорционально глубине микрорельефа в этой точке. Глубина микрорельефа составляет порядка 300 микрон. Микрорельеф является асимметричным. Пример профиля такого асимметричного микрорельефа представлен на фиг. 5.

На фиг. 6 приведена диаграмма направленности, формируемая киноформом, расположенным в одной из элементарных областей. В стандартном положении микрооптической системы полоска Q₁ накрывает оба глаза наблюдателя, при этом наблюдатель двумя глазами видит элементарную область, как светящуюся точку определенного цвета. Расчет диаграммы направленности киноформа для каждой элементарной области осуществляется при заданном значении длины волны аналогично прототипу. Диаграмма направленности обеспечивает цветность изображения в стандартном положении оптического защитного элемента. Диаграмма направленности плоских оптических элементов асимметрична и в нижней полуплоскости формирует область Q ₂, площадь которой намного (более чем в 10 раз) превышает площадь полоски Q₁. Большой размер области Q₂ обеспечивает эффект смены изображений при повороте на 180 градусов. Таким образом, микрооптическая система, аналогично прототипу, формирует признак для визуального контроля, заключающийся в том, что цветное изображение в стандартном положении микрооптической системы, меняется при повороте на 180 градусов: теряет цветность и становится серым.

В отличие от прототипа, заявленная в полезной модели микрооптическая система устроена так, что в каждую элементарную i-ую область, i=114, размером менее 150 микрон, включаются области R _ij, j=1m, размером не более 50 микрон, содержащие дифракционные решетки разной ориентации с периодами от 0,4 до 0,6 микрона. Фрагмент элементарной области с областями R_ij показан на фиг. 7. Наличие дифракционных решеток в областях R_ij , i=1N, j=1m, позволяет формировать дополнительное цветное изображение, видимое наблюдателю на всей поверхности микрооптического элемента при больших углах дифракции. Так, например, в стандартном положении микрооптической системы наблюдатель видит эффект смены цветного изображения, представленного на фиг. 8, на серое изображение, представленное на фиг. 9. Изображение на фиг. 9 наблюдатель видит после поворота микрооптической системы вокруг оси 0z на 180 градусов. Наличие дифракционных решеток в элементарных областях позволяет сформировать при наклоне микрооптической системы и больших углах дифракции другое цветное изображение, которое представлено на фиг. 10.

Каждая из областей R_ij имеет размер менее 50 микрон, что не превосходит предел разрешающей способности для человеческого глаза. Каждая элементарная область имеет характерный размер не более 150 микрон. Таким образом, наблюдатель не видит ни разбиения на элементарные области, ни области R_ij. При больших углах дифракции, которые обеспечиваются малыми периодами решеток от 0,4 до 0,6 микрона, наблюдатель видит другое цветное изображение, которое заполняет всю область микрооптической системы.

Основные отличия заявленной в полезной модели микрооптической системы от прототипа заключаются в следующем:

1. Область оптического элемента, аналогично прототипу, разбивается на элементарные области, размером менее 150 микрон. В отличие от прототипа, каждая i-ая элементарная область содержит области R_ij, заполненные дифракционными решетками. Остальная часть элементарных областей заполнена киноформами.

2. В отличие от прототипа, в котором формируется эффект смены изображения при повороте микрооптической системы на 180 градусов, в заявленной полезной модели обеспечивается возможность дополнительного визуального контроля другого цветного изображения, видимого наблюдателю при больших углах дифракции.

3. Более сложная конструкция микрооптической системы обеспечивает более высокий уровень защиты от подделок и сужает круг технологий, в рамках которых возможно изготовление заявленной микрооптической системы. Оптическими методами невозможно синтезировать киноформы и решетки с малыми периодами порядка 0,4-0,5 микрон. Более надежная защита расширяет возможности использования заявленной в полезной модели микрооптической системы для защиты банкнот, пластиковых карт, документов и т.д.

Нижеприведенный пример конкретного выполнения микрооптической системы подтверждает возможность реализации полезной модели без ограничения объемов производства.

Пример.

В качестве примера была рассчитана и изготовлена микрооптическая система для формирования визуальных изображений как в стандартном положении микрооптической системы, так и при больших углах дифракции. В стандартном положении микрооптическая система формировала эффект смены изображений при повороте на 180 градусов, а при наклоне микрооптической системы и больших углах дифракции формировалось другое цветное изображение, видимое наблюдателю. Для синтеза оригинала плоского оптического элемента была использована электронно-лучевая технология. Оригинал был мультиплицирован. С помощью мультиплицированных матриц с использованием стандартного оборудования для массового тиражирования (установки прокатки фольги, вырубки и т.п.) были изготовлены образцы микрооптических систем размером 25,4 мм на 25,4 мм.

Плоский оптический элемент разбивался на элементарные области размером 150 микрон на 150 микрон, как это показано на фиг.3. Общее число элементарных областей составило порядка 30000. В каждой i-ой элементарной области располагались области R_ij, i=1N, j=1m, размером менее 50 микрон, заполненные дифракционными решетками с периодами 0,4 и 0,5 микрона. В оставшейся части каждой элементарной области располагался киноформ. Цвет каждой элементарной области определяется синтезируемым изображением, пример которого приведен на фиг. 8. Для двуцветного изображения на фиг. 8 черный цвет соответствует синему (=0.45 микрона), а белый цвет соответствует красному (=0.62 микрона). Расчет диаграмм направленности киноформов, расположенных в элементарных областях проводился соответственно для синего и красного цветов.

Таким образом, в стандартном положении микрооптической системы (схема наблюдения на фиг. 1) для наблюдателя формировалось цветное изображение, состоящее из элементарных цветных областей (фиг. 8). Наблюдатель видит каждую элементарную область либо синим, либо красным цветом. При повороте микрооптической системы на 180 градусов цветность изображения пропадала, оно становилось серым и исчезало (фиг. 9). Эффект смены изображений при повороте на 180 градусов наблюдался двумя глазами и был устойчив относительно изменений положения источника света или микрооптической системы. При наблюдении по схеме, приведенной на фиг. 2, под большими углами дифракции наблюдатель видел двухцветное изображение, приведенное на фиг. 10, на всей поверхности микрооптической системы. Проведенные исследования показали высокую эффективность предложенных в заявленной полезной модели решений.

Микрооптическая система формирования изображений для визуального контроля подлинности изделий на основе дифракционного оптического элемента, отличающаяся тем, что указанный элемент состоит из N элементарных областей, размер которых не превосходит 150 микрон, при этом каждая элементарная i-я область, i=1..., характеризуется заданным цветом, видимым наблюдателю при стандартном положении микрооптической системы, в каждой i-й элементарной области расположены области R_i,j, j=1...m, размером не более 50 микрон, содержащие дифракционные решетки разной ориентации с периодами от 0,4 до 0,6 микрона, причем остальную часть каждой i-й элементарной области заполняет рассчитанный для указанного цвета киноформ, диаграмма направленности которого для рассеянного излучения в верхней полуплоскости сосредоточена в области Q₁ углов и , такой, что {₀-₁<<₀+₁, ₀-<<₀+}, покрывающей оба глаза наблюдателя, где (₀, ₀) - направление на наблюдателя, , ₁ - заданные параметры, а в нижней полуплоскости диаграмма направленности рассеянного излучения сосредоточена в области Q₂ углов и , такой, что {₀-₂<<₀+₂, 180°+₀-<<180°+₀+}, где ₂ - заданный параметр, причем площадь Q ₂ не менее чем в 10 раз превышает площадь Q₁ , что обеспечивает в стандартном положении микрооптической системы формирование для наблюдателя изображения, состоящего из цветных элементарных областей, которое при повороте микрооптической системы на 180 теряет цветность, становится серым и исчезает, а при наклоне микрооптической системы на углы более 60 и больших углах дифракции наблюдатель видит на всей поверхности микрооптической системы цветное изображение, формируемое дифракционными решетками.