ИЗОБРАЗИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С РАСПОЛОЖЕННЫМИ НА ПОДЛОЖКЕ ОПТИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПОДВЕШЕННОГО НАД ИЛИ ПОД ПОДЛОЖКОЙ ИЗОБРАЖЕНИЯ, СОСТОЯЩЕГО ИЗ СВЕТОВЫХ ПЯТЕН Российский патент 2016 года по МПК B42D25/30 G02B27/22 

Изобретение относится к изобразительному (изображающему) элементу, имеющему подложку с участком поверхности, на котором расположено множество оптических элементов. Кроме того, изобретение относится к способу изготовления подобного изобразительного элемента и носителю данных с подобным изобразительным элементом.

Носители данных, такие как ценные документы или удостоверения личности, но также ценные предметы, такие как, например, фирменные изделия, для защиты часто оснащаются защитными элементами, которые позволяют произвести проверку подлинности носителя данных и одновременно служить защитой от воспроизводства без разрешения.

Особое внимание при этом в настоящее время уделяется защитным элементам с создающими трехмерный эффект изображениями, поскольку, с одной стороны, их может распознать и проверить даже неспециалист, а, с другой стороны, их нельзя воспроизвести в точном соответствии оригиналу обычными способами копирования.

При этом известно несколько технологий, посредством которых при рассмотрении двумя глазами плоских изображений можно создать трехмерный эффект изображения. Например, в случае анаглифических изображений друг на друга наложены два стереоскопических полуизображения. При рассмотрении с помощью вспомогательного средства, например, красно-зеленых очков или поляризационных очков оба полуизображения разделяются для обоих глаз.

Другая технология использует линзовые или зеркальные растровые изображения, которые состоят из многослойной структуры со слоем с мотивом и с расположенным на расстоянии от слоя с мотивом линзовым или же зеркальным слоем. Примером этой техники являются трехмерные муаровые линзы, как они описаны в документе WO 2009/000530 А2.

Еще один подход, как он описан, например, в документе WO 90/08338 А1 заключается в том, что мотив образуют как плоский рельеф, причем поверхность мотива имитируется и/или в виде отдельных элементов повторяется на поверхности изображении.

Наконец, для защитных элементов уже давно используются голограммы, голографические стереограммы и подобные голограммам изображения решеток, чтобы создать трехмерный эффект изображения. При этой технике дифракция света и интерференция играют решающую роль в голографических структурах и дифракционных решетках.

Исходя из этого, в основу изобретения положена задача создания изобразительного элемента названного в начале типа, который имеет привлекательный внешний вид. Для обеспечивающего защиту применения изобразительный элемент к тому же должен иметь высокую защиту от подделывания и, кроме того, обеспечивать возможность простой проверки подлинности также неспециалисту.

Эта задача решена в изобразительном элементе, способе его изготовления, носителе данных с подобным изобразительным элементом и способе изготовления объемной голограммы.

Предлагаемый в изобретении изобразительный (изображающий) элемент содержит подложку с участком поверхности, на котором расположено множество оптических элементов. При этом изобразительный элемент выполнен с возможностью создания, при освещении параллельным светом от источника света, изображения, состоящего из множества световых пятен, которые воспринимаются наблюдателем как подвешенные выше или ниже указанного участка поверхности, расположены в форме заданного мотива и представляют собой реальные или виртуальные изображения освещающего изобразительный элемент источника света, причем оптические элементы образованы рефракционными (преломляющими) и/или рефлективными (отражающими) оптическими элементами, с каждым световым пятном состоящего из световых пятен изображения соотнесен по меньшей мере один рефракционный и/или рефлективный оптический элемент, который при освещении изобразительного элемента способствует созданию соответствующего ему светового пятна, т.е. участвует в создании светового пятна, причем для каждого светового пятна и соотнесенного с ним оптического элемента действительно условие: f/d < 5, где f - высота висения светового пятна над или под участком поверхности, a d - диаметр способствующего созданию этого светового пятна оптического элемента.

Следовательно, изобретение основывается на идее задания трехмерного мотива, который состоит из световых пятен, подвешенных над или под изобразительным элементом. Для создания светового пятна при освещении изобразительный элемент имеет расположенные рядом или с последовательным чередованием части зеркал, линз или призм, которые выполнены таким образом, что они в пространстве изображения при подходящем освещении, т.е. освещении параллельным светом, создают подвешенные отражения света, которые вместе представляют собой заданный трехмерный мотив. Такие подвешенные (висящие) отражения света в физическом смысле являются реальными изображениями или виртуальными изображениями освещающего изобразительный элемент источника света, как это подробнее поясняется ниже. При этом освещение изобразительного элемента параллельным светом, например от расположенного далеко источника света, обеспечивает особенно хорошее визуальное впечатление.

Возникающее за счет освещения трехмерное состоящее из световых пятен изображение предлагает наблюдателю необычный и визуально привлекательный трехмерный эффект изображения, который придает изобразительному элементу высокую ценность с точки зрения привлечения внимания и распознавания. Наличие или отсутствие этого эффекта легко может определить любой пользователь, то есть изобразительный элемент можно просто верифицировать. Тем не менее, зеркальное или же линзовое устройство по причине необходимого ноу-хау и необходимой технологии потенциальному подделывателю настроить трудно.

Далее рефракционные и/или рефлективные оптические элементы для более краткого обозначения будут называться лишь как «оптические элементы». Однако понятно, что это обозначение в рамках изобретения всегда подразумевает рефракционные и/или рефлективные оптические элементы. Оптические элементы могут быть либо чисто рефракционными (преломляющими), например, такими как линза или микропризма, чисто рефлективными (отражающими), например, такими как зеркало или микрозеркало, либо и рефракционными, и рефлективными, например такими как линза с полупрозрачным покрытием или микропризма с полупрозрачным покрытием. В любом случае эффекты дифракции и интерференции в предлагаемых рефракционных и/или рефлективных оптических элементах не играют роли и ими всегда можно пренебречь.

Благодаря тому, что каждого светового пятна и соотнесенного с ним оптического элемента действительно условие: f/d < 5, где f - высота висения светового пятна над или под участком поверхности, a d - диаметр способствующего созданию этого светового пятна оптического элемента, световые пятна при обычном расстоянии рассмотрения в 30 см для обоих глаз наблюдателя находятся в пределах отверстия соответствующего оптического элемента.

Согласно предпочтительному варианту изобретения световые пятна состоящего из световых пятен изображения подвешены над или под участком поверхности на нескольких разных высотах, образуя трехмерный мотив. Согласно альтернативному, также предпочтительному варианту изобретения все расположенные в определенных областях световые пятна состоящего из световых пятен изображения подвешены над или под участком поверхности на

одной высоте, образуя кулисный мотив. С преимуществом на состоящем из световых пятен изображении трехмерный мотив также может быть скомбинирован с двухмерным мотивом, поскольку в этом случае также при плохих условиях освещения еще может быть распознано состоящее из световых пятен изображение и тем самым возможна проверка подлинности.

Целесообразно, если оптические элементы включают в себя изогнутые зеркала, прежде всего вогнутые зеркала или выпуклые зеркала. Изогнутые зеркала могут быть выполнены сферическими, эллиптическими, вращательно-симметричными асферическими, невращательно-симметричными асферическими или в форме желобков, причем в последнем случае желобки могут проходить по прямой или изогнуто. Эллиптические зеркала в направлении х и у имеют различный изгиб зеркала, в асферических зеркалах зеркальная поверхность отличается от шаровой формы. Асферические зеркала могут быть вращательно-симметричными или в самом общем случае также невращательно-симметричными. Прямолинейные зеркала в форме желобков могут в особом случае рассматриваться как эллиптические зеркала, в которых радиус изгиба в пространственном направлении бесконечно большой. Для осуществления малой структурной высоты изогнутые зеркала также могут быть образованы, по меньшей мере, частично зеркалами Френеля.

В качестве альтернативы или дополнительно, оптические элементы также могут включать в себя линзы, прежде всего сферические, эллиптические, вращательно-симметричные асферические, невращательно-симметричные асферические или цилиндрические линзы. Эллиптические линзы в направлении х и у имеют различный изгиб зеркала, в асферических линзах светопреломляющая поверхность линзы отличается от шаровой формы. Асферические линзы могут быть вращательно-симметричными или в самом общем случае также невращательно-симметричными. Цилиндрические линзы могут в особом случае рассматриваться как эллиптические линзы, в которых радиус изгиба в пространственном направлении бесконечно большой. Также линзы могут, по меньшей мере, частично быть образованы линзами Френеля, чтобы получить малую структурную высоту.

В предпочтительном варианте изобретения с каждым световым пятном состоящего из световых пятен изображения соотнесен ровно один оптический элемент.

Согласно альтернативному, также предпочтительному варианту изобретения с каждым световым пятном состоящего из световых пятен изображения соотнесен не только один оптический элемент, а множество оптических элементов. При этом соотнесение означает, что оптический элемент при освещении за счет зеркального отражения (рефлексии) и/или преломления света (рефракции) способствует созданию этого светового пятна. Оптические элементы предпочтительно распределены на удалении друг от друга по участку поверхности. Благодаря возникающим промежуточным пространствам между отдельными оптическими элементами в этом случае несколько групп оптических элементов, которые соответственно соотнесены с различными световыми пятнами, могут быть расположены на том же участке поверхности с последовательным чередованием. Таким образом можно достичь особо высокого пространственного расширения в состоящем из световых пятен изображении, как это будет более подробнее разъяснено ниже.

В качестве еще одного преимущества соотнесения множества оптических элементов с одним световым пятном было выявлено, что на основании возможных в этом случае меньших габаритов отдельных оптических элементов, могут использоваться элементы с плоскими пограничными поверхностями, которые проще рассчитать и изготовить, как один единственный изогнутый оптический элемент того же оптического действия.

Для создания состоящего из световых пятен изображения, в котором световые пятна имеют различную яркость, является предпочтительным с каждым световым пятном состоящего из световых пятен изображения соотносить такое количество оптических элементов, которое соответствует яркости светового пятна в рамках образованного световыми пятнами мотива. Если оптические элементы имеют различный размер, то также с каждым световым пятном может быть соотнесена такая общая площадь оптических элементов, которая соответствует яркости светового пятна в рамках образованного световыми пятнами мотива.

Особо предпочтительно оптические элементы образованы плоскими микрозеркалами или малыми микропризмами.

Предварительно заданный мотив также может быть переливающимся изображением, которое при рассмотрении с различных направлений показывает разные изображения. Конкретный пример создания такого переливающегося изображения будет описан ниже. Понятно, что понятие «переливающиеся изображения» также включает в себя такие изображения, в которых переливаются также только части изображений.

В переливающихся изображениях при изменении направления рассмотрения, прежде всего наклоне изображения, изображения или части изображений меняются; поэтому такие изображения также называют кинеграммами. Смена изображения может происходить при горизонтальном или вертикальном наклоне, или при наклоне в направлении, находящемся между горизонтальным и вертикальным.

Если смена содержания изображения происходит резко, то говорят о флип-изображениях. Если смена выполняется через промежуточные ступени, то говорят о морфинг-изображениях.

Кроме того, также и 2D-3D-изображения могут быть выполнены в виде состоящего из световых пятен изображения. При этом, наряду с участками с трехмерным эффектом (которые видны перед или за уровнем изобразительного элемента или которые, кажется, проникают через уровень изобразительного элемента), присутствуют также и участки с двухмерным эффектом в или рядом с уровнем изобразительного элемента (на высотной ступени 0 или рядом с высотной ступенью 0).

В случае 2D-3D-изображения 2D- и 3D-участки могут располагаться рядом друг с другом и/или при изменении направления рассмотрения попеременно появляться в одном и том же месте. В случае такого переливающегося 2D-3D-изображения, например, двухмерное содержание изображения (текст или логотип) в зависимости от направления может включаться или исключаться из 3D-изображения.

В предпочтительном варианте изобретения созданный изобразительной структурой предопределенный мотив является образованным световыми пятнами круглым телом.

Согласно одному усовершенствованию изобретения участок поверхности, на котором расположено множество оптических элементов, также может быть изогнутым, например цилиндрически или сферически изогнутым.

В еще одном варианте изобретения часть оптических элементов создает скрытую информацию в изображении, которую невозможно распознать без вспомогательных средств. Скрытая информация в изображении при этом является противоположностью описанной выше открытой информации в образованном световыми пятнами изображении, которую при обычном освещении невозможно распознать невооруженным взглядом без дополнительных вспомогательных средств. Напротив, скрытая информация в изображении при обычном освещении не может быть распознана невооруженным взглядом без помощи, а, например, видна только при направленном освещении лазерным лучом или требует особого приемного экрана.

В предпочтительном варианте изобретения оптические элементы включают в себя периодическое расположение (систему) микрозеркал, которые соответственно имеют расстояние до следующего элемента в 2 мм или менее, прежде всего в 1 мм или менее. В этом случае наблюдатель более не распознает отраженные зеркалами изображения, но видит по каждому зеркалу только одну световую точку, форма которой зависит от подсветки окружения. Если наблюдатель наклоняет изобразительный элемент, то световые точки зеркал смещаются немного в сторону, а именно в зависимости от выполнения зеркал в качестве выгнутых или выпуклых зеркал так, как если бы световые точки располагались перед или предпочтительно за уровнем изобразительного элемента. За счет периодического расположения микрозеркал наблюдатель тем самым видит правильную решетку из световых точек, которые при наклоне изобразительного элемента предпочтительно создают впечатление такого движения, как если бы они находились на еще один уровень дальше. Поэтому решетка световых точек может образовывать фон для еще одного мотива, например, для эффекта свода, описанного в также поданной немецкой патентной заявке DE 102009056934.0, или для пилообразного изображения с кинематическим эффектом, как, например, голограммные структуры документа ЕР 0868313 В1 (там абзац [0034] или же фиг. 8 с отражающими пилообразными структурами).

Чтобы, с одной стороны, защитить оптические элементы от загрязнений и износа, и чтобы, с другой стороны, эффективно предотвратить несанкционированную имитацию путем снятия оттисков со структуры поверхности, оптические элементы предпочтительно утапливают в окружающий слой или комбинацию окружающих слоев, прежде всего в защитный слой. Как правило, такое утапливание изменяет высоту висения световых пятен, поскольку разница показателя преломления между материалом утопления и воздухом или же материалом утопления и материалом линзы изменяет оптическое прохождение лучей. Однако такое изменение оптического прохождения лучей можно без проблем соответствующим образом учесть при выполнении оптических элементов, чтобы после утапливания осуществить желаемые высоты висения.

В предпочтительной форме выполнения оптические элементы выполнены в виде тисненых структур в слое лака для тиснения. Если изобразительный элемент, по меньшей мере, частично выполнен рефлектирующим, то тисненые структуры предпочтительно имеют усиливающее отражение покрытие. В качестве усиливающее отражение покрытия может использоваться, прежде всего, металлизация по всей поверхности или растровая, обеспечивающее сильное преломление покрытие, тонкослойный элемент с эффектом переливания цвета или холестерический жидкокристаллический слой.

Структурная высота тисненых структур предпочтительно ниже 100 мкм, предпочтительно ниже 20 мкм, особо предпочтительно ниже 5 мкм.

Предлагаемые изобразительные элементы могут быть скомбинированы с другими защитными признаками, например дифракционными структурами, с голограммными структурами во всех вариантах осуществления, с металлизацией или без металлизации, со структурами длин подволн, с металлизацией или без металлизации, с решетками длин подволн, со слоистыми системами, которые при наклоне проявляют смену цвета, полупрозрачными или непрозрачными, с дифракционными оптическими элементами, с рефракционными оптическими элементами, например, такими как формы призменных лучей, со специальными формами отверстий, с защитными признаками с целенаправленно установленной электрической проводимостью, с введенными веществами с магнитной кодировкой, с веществами с фосфоресцирующим, флуоресцентным или люминесцентным эффектом, с защитными признаками на основе жидких кристаллов, с матовыми структурами, с дополнительными элементами микрозеркал, с элементами с эффектом жалюзи или с пилообразными структурами. Другие защитные признаки, с которыми могут комбинироваться предлагаемые изобразительные элементы, указаны в документе WO 2005/052650 А2 на страницах 71-73; в этом отношении они включаются в данное описание.

Объектом изобретения является также способ изготовления предлагаемого в изобретении изобразительного элемента, выполненного с возможностью создания, при освещении параллельным светом от источника света, изображения, состоящего из множества световых пятен, которые воспринимаются наблюдателем как подвешенные выше или ниже участка поверхности, расположены в форме заданного мотива и представляют собой реальные или виртуальные изображения освещающего изобразительный элемент источника света. Предлагаемый в изобретении способ характеризуется тем, что на участке поверхности подложки располагают множество рефракционных и/или рефлективных оптических элементов, причем с каждым световым пятном состоящего из световых пятен изображения соотносят по меньшей мере один рефракционный и/или рефлективный оптический элемент, который при освещении изобразительного элемента способствует созданию соответствующего ему светового пятна, причем для каждого светового пятна и соотнесенного с ним оптического элемента действительно условие: f/d < 5, где f - высота висения светового пятна над или под участком поверхности, a d - диаметр способствующего созданию этого светового пятна оптического элемента.

Согласно предпочтительному варианту способа желаемый трехмерный мотив с точками P_j изображений и значениями Z_j высоты задают по ху-плоскости, причем точки изображения соответствуют возникающим при освещении световым пятнам, для каждой точки Р изображения назначают яркость I_j от 0% до 100%, с точками P_j изображения соотносят конусы раствора, которые имеют соотношение открытия >0,2, для каждой точки P_j изображения, путем пересечения исходящего из точки изображения конуса открытия с ху-плоскостью определяют диапазон E_j влияния, разделяют ху-плоскость на несколько крупных полей, и крупные поля соответственно разделяют на несколько мелких полей, для каждой точки P_j изображения на основе определенного значения Z_j высоты и определенного значения I_j яркости определяют количество заполняемых мелких полей, определенные для точки P_j заполняемые мелкие поля изображения распределяются по существу равномерно по крупным полям в диапазоне E_j влияния точки P_j изображения, и заполняемые мелкие поля заполняют рефракционными и/или рефлективными оптическими элементами, которые при освещении изобразительного элемента способствуют созданию светового пятна, соответствующего точке P_j изображения.

Согласно еще одному предпочтительному варианту способа круглое тело представляют подвешенными световыми точками. Предпочтительно, при этом исходят из блока данных, который описывает поверхность отображаемого тела точками в пространстве, угловыми точками многоугольников, векторами нормалей и характеристиками поглощения (цвет, яркость).

Такие блоки данных, подходящие форматы и способы обработки в принципе известны специалисту, примерами являются например: VRML (Virtual Reality Modeling Language), STL (Surface Tesselation Language; Standard Triangulation Language) или 3D-CAD (3D- Computer Aided Design).

Блоки данных, которые описывают поверхность тела, могут, например, создаваться при компьютерном техническом черчении или посредством лазерного 3D-сканирования настоящих трехмерных тел. В последнем способе при сканировании тела лазерными лучами регистрируют точки в пространстве, которые описывают тело. Эти точки могут быть сохранены, например, в так называемом формате Point-Cloud на компьютере.

Для создания 3D-состоящего из световых пятен изображения для круглого тела необходимо обработать такой блок данных, как описано в качестве примера далее на основании операций а) - в).

а) Концепция освещения

Чтобы сделать поверхность тела видимой, необходимы контрасты светлый-темный. Самое естественное впечатление производит тело, если эти контрасты светлый-темный создают посредством концепции освещения. Для этого считают приемлемым один или несколько расположенных вне тела источников света, и посредством закона косинусов Ламберта, закона рефлексии или других подходящих физических законов из направлений фиктивных источников света, нормальней к поверхности и характеристик поглощения определяют яркость поверхности во всех релевантных точках тела.

б) Создание световых точек

Как будет описано подробнее далее, с каждой релевантной точкой тела соотносят диапазоны влияния в структуре из микрозеркал или микропризм. Внутри диапазона влияния определенные участки поверхности заполняют

микрозеркалами или микропризмами описанным выше образом так, что точка тела светится с желаемой яркостью,

в) Расчет сокрытия

Наконец, круглое тело имеет с направления рассмотрения переднюю и заднюю сторону, поэтому некоторые части тела скрыты и невидимы. Поэтому для каждого микроэлемента (или же микрозеркала или микропризмы) следует следить за тем, чтобы он соотносился только с той точке поверхности тела, которая расположена ближе всего к нему или дальше всего от него на соединительной прямой точки поверхности микроэлемента, в зависимости от того, с какой стороны должно рассматриваться состоящее из световых пятен изображение. Эту точку поверхности тела определяют способом расчета сокрытия, который сам по себе известен из 3D-CAD, например, таким как способ построения лучей или способ буфера глубины изображения. Если также включить собственно скрытые точки в состоящее из световых пятен изображение то тело кажется прозрачным, что, однако, в исключительных случаях также может быть желаемым.

Наконец, изобретение также содержит носитель данных с изобразительным элементом описанного типа, причем элемент изображения может быть расположен, прежде всего, в виде отражающего защитного элемента в непрозрачной области носителя данных или в виде, по меньшей мере, частично прозрачного защитного элемента в или над прозрачной оконной областью или сквозным отверстием носителя данных. Прежде всего, носитель данных может быть ценным документом, например банкнотой, прежде всего бумажной банкнотой, полимерной банкнотой или банкнотой из комбинированной пленки, но также и удостоверением личности на основе пластиковой карты, например кредитной карты, банковской карты, карты для оплаты наличными, карты права доступа, удостоверением личности или страницей персонализации в паспорте.

Кроме того, изобретение содержит устройство индикации с управляющим устройством и изобразительным элементом описанного выше типа, причем пространственная направленность оптических элементов изобразительного элемента может настраиваться посредством управляющего устройства. Таким образом изобразительный элемент в зависимости от управления может показывать различные изображения, состоящие из световых пятен. Изменение пространственной направленности оптических элементов при этом может

выполняться очень быстро, благодаря чему у наблюдателя возникает впечатление непрерывной последовательности изображений. Устройство индикации может тем самым использоваться как 3D-дисплей для самых различных вариантов применения.

Наконец, изобретение содержит способ изготовления объемной голограммы, в котором на пластинке для записи, например фотополимерной пластинке, в качестве эталонной волны используются нерассеянные лазерные лучи, а в качестве объектной волны для интерференции используются отраженные или отклоненные от изобразительного элемента описанного выше типа лазерные лучи. При этом в изобразительных элементах с рефлективными оптическими элементами, например, такими как микрозеркала, отраженные лазерные лучи используются как объектная волна, в то время как в изобразительных элементах с рефракционными оптическими элементами, например, такими как микропризмы, в качестве объектной волны используют отклоненные лазерные лучи.

Другие примеры осуществления и преимущества изобретения далее разъясняются на примере фигур, при изображении которых отказались от воспроизведения с соблюдением масштаба и пропорций для увеличения наглядности.

Показано на чертежах:

Фиг. 1 - схематическое изображение банкноты с предлагаемым защитным элементом;

Фиг. 2 - схематически первый пример осуществления изобретения с вогнутыми зеркалами в качестве рефлективных оптических элементов,

Фиг. 3 - другой пример осуществления изобретения с выпуклыми зеркалами в качестве рефлективных оптических элементов,

Фиг. 4 - заданный мотив из световых пятен в форме трехмерной световой пирамиды,

Фиг. 5 (А) - выпуклое зеркало и (Б) - замененное зеркалом Френеля выпуклое зеркало на (А),

Фиг. 6 - вид сверху на множество изогнутых зеркал, (А) с зеркалами с квадратной основной поверхностью и (Б) с желобообразно выполненными зеркалами различной ориентации,

Фиг. 7 - еще один пример осуществления изобретения, в котором рефракционные оптические элементы образованы линзами,

Фиг. 8 на (А) - (Г) - четыре примера осуществления, в которых изогнутое вогнутое зеркало разложено на оптические микроэлементы с квадратной основной поверхностью и плоской зеркальной поверхностью,

Фиг. 9 - заполнение структуры в форме шахматной доски согласно фиг. 8(Б) с микрозеркалами, причем на (А) показан промежуточный шаг только с одной группой микрозеркал, а на (Б) - полное заполнение с двумя группами микрозеркал для двух соседних световых пятен,

Фиг. 10 наглядно показывает расчет плоских зеркальных поверхностей микрозеркал на фиг. 8 и фиг. 9,

Фиг. 11 наглядно показывает расчет микропризм, которые возникают при разложении одной собирательной линзы,

Фиг. 12 схематически показывает защитный элемент с утопленными микрозеркалами, и

Фиг. 13 показывает на (А) - (В) три варианта осуществления, в которых предлагаемое состоящее из световых пятен изображение служит в качестве оригинала для объемной голограммы.

Теперь изобретение будет объяснено на примере защитных элементов для банкнот. На фиг. 1 для этого показано схематическое изображение банкноты 10, которая оснащена предлагаемым защитным элементом 12. Защитный элемент 12 может быть выполнен в виде рефлектирующего защитного элемента, который присутствует в непрозрачной области банкноты 10, или может быть выполнен в виде прозрачного защитного элемента, который расположен, например, над прозрачной оконной областью банкнот 10.

При освещении, например, за счет солнечных лучей или потолочной лампы, защитный элемент 12 создает для наблюдателя трехмерное изображение, состоящее из множества световых пятен, воспринимаемых наблюдателем как подвешенные соответственно над или под уровнем защитного элемента 12. Различные световые пятна при этом имеют различную высоту висения, благодаря чему световые пятна вместе образуют трехмерный мотив, например выступающую из банкноты световую пирамиду.

Эти возникающие за счет освещения и выступающие из банкноты или отступающие в нее состоящие из световых пятен изображения предлагают наблюдателю необычный, визуально привлекательный трехмерный эффект изображения, который может легко проверить и запомнить также и неспециалист.

Для разъяснения принципа изобретения на фиг. 2 показан первый пример осуществления защитного элемента 20, в котором трехмерный мотив 30 изображен упрощенно тремя точками 32 изображения. Защитный элемент 20 содержит подложку 22, которая на одном участке поверхности содержит множество небольших вогнутых зеркал 24. Поскольку на фигуре упрощенно показаны только три точки 32 изображения мотива, соответственно также показаны только три вогнутых зеркала 24. Однако понятно, что защитный элемент 20 на практике обычно будет иметь большое количество, например несколько десятков, несколько сотен или даже несколько тысяч, рефракционных и/или рефлективных оптических элементов 24. Конкретные примеры защитных элементов с большим количеством оптических элементов описаны ниже по тексту.

Возвращаясь к изображению на фиг. 2, фокусное расстояние f расположенных на уровне подложки 22 вогнутых зеркал 24 соответственно выбрано так, что вогнутые зеркала 24 при освещении удаленным источником 34 света создают заданные точки изображения в виде световых пятен 32. Точнее сказать, световые пятна 32 представляют собой реальные изображения источника света, как показано в левой части изображения на фиг. 2 геометрическим прохождением лучей 36.

Трехмерный эффект изображения, то есть восприятие наблюдателем 40 того, что световые пятна 32 подвешены на определенной высоте над поверхностью подложки 22, возникает только при рассмотрении обоими глазами. Для этого за счет выполнения структуры вогнутых зеркал должно быть обеспечено, что реальные изображения 32 источника 34 света расположены соответственно для обоих глаз 42 внутри раскрытия основной оптической системы, в данном случае вогнутого зеркала 24.

Как проиллюстрировано на правой части изображения фиг. 2, световое пятно 32 именно тогда находится для обоих глаз 42 внутри открытия вогнутого зеркала 24, когда смотря от светового пятна 32 угол ω открытия вогнутого зеркала 24 больше, угла рассмотрения α наблюдателя 40. Угол ω открытия при этом задан соотношением диаметра d зеркала и фокусного расстояния, fω = d/f,

угол α рассмотрения - соотношением расстояния а между глазами и расстоянием b рассмотрения, т.е. α = a/b. Для типичного расстояния между глазами а ≈ 6,5 см и типичного расстояния рассмотрения b ≈ 30 см таким образом получают условие

f/d < b/a ≈ 5,

то есть то условие, что отношение высоты f висения светового пятна 32 к диаметру вогнутого зеркала 24, создающего световое пятно, должно быть меньше примерно 5. Если диаметр вогнутого зеркала 24, как в примере осуществления на фиг. 2, составляет, например d = 0,5 мм, то можно реализовать высоту висения до 2,5 мм с трехмерным эффектом изображения.

Рефракционные и/или рефлективные оптические элементы могут иметь габариты в несколько 100 мкм или даже несколько миллиметров, но также могут быть выполнены и существенно меньших размеров. Например, вогнутое зеркало можно разложить на множество микрозеркал и распределить их по определенному участку поверхности подложки 22, как будет подробнее описано ниже по тексту. Однако, в любом случае габарит использованного согласно изобретению оптического элемента существенно выше длины световой волны, благодаря чему эффектами преломления и интерференции можно пренебречь. Прежде всего, поэтому габариты оптических элементов, предпочтительно, больше 2 мкм, предпочтительно даже больше 5 мкм.

Световые пятна 32 заданного мотива 30 для наблюдателя 40 могут быть подвешены не только над, но также и под поверхностью 22 подложки. Со ссылкой на фиг. 3 для этого на участке поверхности подложки 22 расположено множество небольших выпуклых зеркал 26, фокусные расстояния которых выбраны так, что выпуклые зеркала 26 при освещении удаленным источником 34 света создают заданные точки изображения в качестве световых пятен 32. Точнее говоря, световые пятна 32 в этом случае представляют собой виртуальные изображения источника 34 света, которые для наблюдателя создают впечатление висения под поверхностью подложки, как намечено на правой части изображения на фиг. 3 геометрическим прохождением 38 лучей.

Как вогнутые, так и выпуклые зеркала могут быть предусмотрены в одном и том же защитном элементе, если части мотива выступают, то другие части должны отступать за поверхность подложки. Для иллюстрации на фиг. 4 показан заданный мотив в форме трехмерной световой пирамиды 50 из множества световых пятен 52, которые подвешены на различной высоте висения над или же под поверхностью подложки 22.

В примере осуществления на фиг. 4 все изогнутые зеркала выполнены с диаметром 0,5 мм. Фокусное расстояние f для вогнутых зеркал указывают положительным (высота висения над поверхностью подложки), для выпуклых зеркал - отрицательным (высота висения под поверхностью подложки). При таком условии световое пятно 52-1 острия пирамиды имеет высоту висения в f = +2 мм, в то время как световые пятна 52-2 и 52-3 кромок пирамиды подвешены на высоте f = +1,2 мм или же f = +0,4 мм. Световые пятна 52-1 - 52-3 с их положительной высотой висения создаются за счет вогнутых зеркал, как, в принципе, уже было разъяснено для фиг. 2.

Двигаясь по пирамиде 50 дальше наружу, световые пятна 52-4 и 52-5 имеют высоту висения в f = -0,4 мм или же f = -1,2 мм, то есть для наблюдателя подвешены под поверхностью 22 подложки. Наконец, основание пирамиды, образовано световыми пятнами 52-6, которые имеют высоту висения в f = -2 мм и тем самым расположены на 4 мм ниже острия 52-1 пирамиды.

Для всех световых пятен 52 выполнено условие |f| / d < 5, благодаря чему пирамида 50 для наблюдателя при обычном расстоянии рассмотрения кажется действительно трехмерной и кажется, что она пронизывает уровень подложки снизу вверх.

Высота висения световых пятен определяется радиусом изгиба изогнутых зеркал, как в качестве примера показано на фиг. 5(A) для выпуклого зеркала 60. При диаметре d и радиусе r изгиба выпуклое зеркало 60 имеет фокусное расстояние f = r/2. Например, при диаметре зеркала d = 0,5 мм для фокусного расстояния или же высоты висения в f = 2 мм необходим радиус изгиба r = 4 мм. Структурную высоту выпуклого зеркала в этом случае получают из отношения h*(2r-h)=(d/2)² к h = 7,8 мкм.

В зависимости от желаемой высоты висения, при этом могут возникать зеркальные структуры, высота h которых для желаемого применения слишком высока, например, потому что превышена максимально допустимая высота тиснения или глубина тиснения в вытисненном слое. В этом случае выпуклое зеркало 60 на фиг. 5(A) будет заменено соответствующим зеркалом 62 Френеля, которое имеет структурную высоту h_f, которая существенно ниже, чем показано на фиг. 5(Б). Ширина z зон 64 Френеля при этом может выбираться любой, пока они большие относительно длины световых волн, прежде всего пока z > 2 мкм. В обратном случае ширина z зон 64 Френеля не играет никакой роли для оптической эффективности зеркала 62 Френеля.

Если изогнутые зеркала защитного элемента имеют несколько различных фокусных расстояний, то есть световые пятна состоящего из световых пятен изображения имеют несколько различных высот висения над и/или под поверхностью подложки, то возникает действительно трехмерный мотив. Однако в некоторых вариантах осуществления также возможно выполнение всех изогнутых зеркал с одинаковым фокусным расстоянием, благодаря чему все световые пятна состоящего из световых пятен изображения имеют одинаковую высоту висения. Таким образом возникает кулисный мотив, который висит на определенной высоте над или под поверхностью подложки.

Изогнутые зеркала не должны иметь сферического изгиба. В качестве предлагаемых оптических элементов могут использоваться, например, также эллиптические вогнутые и выпуклые зеркала, которые имеют различный изгиб зеркал в направлении х и у. Поскольку фокусное расстояние f изогнутого зеркала согласно сказанному выше пропорционально радиусу r изгиба, то при вращении эллиптически изогнутого зеркала для наблюдателя изменяется высота f висения соответствующего светового пятна.

Если заданный мотив, по меньшей мере, частично содержит эллиптические вогнутые или выпуклые зеркала, то световые пятна на фокусных уровнях соответствующих мест при вращении структуры поднимаются на фоне или же опускаются в фон. Этот эффект особо явно возникает, если поднимающиеся или же опускающиеся при вращении световые пятна комбинируются с не изменяющимися при вращении световыми пятнами, которые представляют собой неподвижную эталонную точку для глаза.

Со ссылкой на вид сверху на фиг. 6(A) множество изогнутых зеркал 70 может быть расположено, например, прямоугольной или квадратной основной поверхностью на участке 72 поверхности защитного элемента.

Для создания трехмерного эффекта изображения для наблюдателя достаточно уже бокового параллакса, то есть параллакса вдоль соединительной линии обоих глаз 42 наблюдателя 40. Поэтому изогнутые зеркала 74, 76, 78 могут быть выполнены также в форме желобков, как показано на виде сверху на фиг. 6(Б). Выполненные в форме желобков изогнутые зеркала имеют только в одном направлении, а именно поперек желобку, отличающийся от нуля изгиб, в то время как изгиб исчезает в направлении желобка.

С помощью построенного за счет изогнутых зеркал 74, 76, 78 в форме желобков изображения можно также осуществлять привлекательные визуальные эффекты. При этом световые пятна при подходящем угле рассмотрения кажутся подвешенными над или под поверхностью подложки в форме висящих в воздухе, светящихся штрихов.

Из-за расположения глаз рядом друг с другом при трехмерном желобковом изображении, если желобки 74 проходят перпендикулярно к соединительной линии глаз 42, возникает сильнейший пространственный эффект. Но также и проходящие поперек желобки 76 имеют перпендикулярную часть и тем самым также создают состоящее из световых пятен изображение с трехмерным эффектом.

Если расположенные наклонно в плоскости изображения желобки 76 повернуть так (80), что желобки будут стоять перпендикулярно, то трехмерный эффект усиливается. Если наблюдатель, напротив, поворачивает желобки 76 горизонтально, то трехмерный эффект снижается. В случае защитного элемента, который как показано на фиг. 6(Б), содержит участки с различной ориентацией желобков 74, 76, 78, световые пятна соответствующих участков при вращении (80) структуры поднимаются на фоне или же опускаются в фон.

При этом под изогнутыми зеркалами в форме желобков следует понимать как вогнутые зеркала в форме желобков, так и выпуклые зеркала в форме желобков. Вогнутые зеркала в форме желобков создают световые пятна, которые подвешены над поверхностью подложки, в то время как выпуклые зеркала в форме желобков, создают световые пятна, которые подвешены под поверхностью подложки.

Кроме того, изогнутые зеркала в форме желобков не должны проходить прямолинейно, как показано на фиг. 6(Б), а они могут быть расположены также изогнуто. Также посредством такого осуществления можно осуществить привлекательные визуальные эффекты.

В еще одном варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг. 7, оптические элементы образованы вместо отражающих зеркал светопреломляющими (рефракционными) линзами. Рефракционный защитный элемент 90 в этом случае представляет собой прозрачный защитный элемент, который наблюдатель 40 проверяет на подлинность на просвет в направлении в идеальном случае удаленного источника 95 света.

В качестве линз могут использоваться как собирательные линзы 92, так и рассеивающие линзы 96, причем, смотря от наблюдателя 40, выпуклые собирательные линзы 92 создают в качестве реальных изображений подвешенные над защитным элементом 90 световые пятна 94, а вогнутые рассеивающие линзы 96 создают в качестве виртуальных изображений подвешенные под защитным элементом 90 световые пятна 98.

Линзы могут быть, прежде всего, сферическими, эллиптическими или цилиндрическими. Цилиндрические линзы создают световые пятна в форме штрихов, в случае эллиптических линз меняется высота висения световых пятен при вращении защитного элемента, как уже описывалось выше для эллиптических зеркал. Для изображенных на фиг. 7 плоско-выпуклых или же плоско-вогнутых линз 92, 96 для диаметра d, радиуса r изгиба, фокусного расстояния f и высоты h линзы при показателе преломления материала линзы n = 1,5 для линз, граничащих с воздухом, действует:

f = 2*r

и

h*(2r-h) = (d/2)²

При указанном диаметре d линзы и заданной высоте f висения тем самым можно определить радиус r изгиба и структурную высоту h линзы. Если структурная высота линзы для желаемого варианта применения слишком высока, то линзы также могут быть заменены соответствующими линзами Френеля, как описано в связи с фиг. 5 для зеркала Френеля. Также здесь следует следить за тем, чтобы ширина зон Френеля была велика относительно длины волн света, но в остальном могут выбираться любыми.

В описанных ранее примерах осуществления с каждым световым пятном состоящего из световых пятен изображения соотнесен точно один оптический элемент, который при освещении создает это световое пятно, а именно вогнутое зеркало 24 (фиг. 2), выпуклое зеркало 26 (фиг. 3), собирательная линза 92 или рассеивающая линза 96 (фиг. 7). Однако достигаемое в состоящем из световых пятен изображении то есть минимальное расстояние между двумя световыми пятнами на состоящем из световых пятен изображении при таком осуществлении ограничено диаметром изогнутых зеркал

или линз. Этот диаметр опять же привязан посредством выше названного условия для трехмерного эффекта изображения f/d < 5 к высоте висения световых пятен. Высокое разрешение на состоящем из световых пятен изображении тем самым достижимо только для незначительных вариантов высоты висения и тем самым для незначительного трехмерного эффекта.

Для получения, тем не менее, более высокого разрешения в созданном состоящем из световых пятен изображении при неизменно высокой высоте висения использованные в прежних примерах осуществления большие зеркала или линзы заменяются соответственно большинством небольших микрозеркал или микропризм, которые вместе имеют по существу тот же оптический эффект, что и исходный оптический элемент. Для более простого наименования далее микрозеркала и микропризмы вместе называют оптическими микроэлементами.

В этом случае с каждым световым пятном соотнесено множество оптических элементов в форме оптических микроэлементов. При этом более высокое разрешение в состоящем из световых пятен изображении достигается за счет того, что оптические микроэлементы расположены не непрерывно друг рядом с другом, а распределены на удалении друг от друга по участку поверхности. Промежуточные пространства между оптическими элементами светового пятна в этом случае могут заполняться оптическими элементами, которые соотнесены с другими световыми пятнами. Таким образом несколько групп оптических микроэлементов, которые соотнесены соответственно с различными световыми пятнами, могут быть расположены на том же участке поверхности с последовательным чередованием.

Минимальное расстояние между двух световых пятен в состоящем из световых пятен изображении в этом случае более не задано габаритами исходных больших зеркал или линз, а гораздо меньшими габаритами оптических микроэлементов, на которые разложены исходные зеркала или линзы.

К тому же при разложении одного изогнутого зеркала или изогнутой линзы на множество оптических микроэлементов в принципе сначала также изогнутые поверхности оптических микроэлементов из-за их небольшого размера, как правило, заменяются плоскими поверхностями. Эта замена, прежде всего, если габариты оптических микроэлементов меньше, чем разрешающая способность ситуации рассмотрения, не оказывает ухудшающего воздействия на созданное состоящее из световых пятен изображение. Преимуществом является, если оптические микроэлементы с плоскими поверхностями проще рассчитать и изготовить. С этой точки зрения даже может быть рекомендовано разложить изогнутые зеркала или линзы на небольшие оптические микроэлементы с плоскими поверхностями, потому что чередование нескольких групп оптических микроэлементов не желательна или не требуется.

Для иллюстрации на фиг. 8(A) - фиг. 8(Г) показаны четыре примера осуществления, в которых вогнутое зеркало разложено на оптические микроэлементы 100 с квадратной основной поверхностью и плоской зеркальной поверхностью, В примере осуществления на фиг. 8(A) вогнутое зеркало для создания светового пятна заменено структурой из n×n микрозеркал 100, которые расположены без расстояния на участке защитного элемента друг рядом с другом. Микрозеркала 100, например, имеют габариты 50 мкм × 50 мкм и могут отображаться плоской зеркальной поверхностью, не ухудшая качество отображения. Количество n×n микрозеркал составляет, например, 10×10, благодаря чему микрозеркала занимают общую поверхность в 0,5 мм × 0,5 мм. Расчет ориентации плоских зеркальных поверхностей далее описывается ниже со ссылкой на фиг. 10. Как понятно специалисту, расчет и изготовление плоских микрозеркал 100 существенно проще расчета и изготовления изогнутого вогнутого зеркала с тем же оптическим эффектом.

Пример осуществления на фиг. 8(Б) показывает вариант, при котором изогнутое вогнутое зеркало сначала заменено как на фиг. 8(A) множеством микрозеркал 102 с плоской поверхностью. Однако микрозеркала 102 на участке поверхности защитного элемента расположены в шахматном порядке, благодаря чему каждое второе положение зеркала остается свободным. Эти сначала незанятые и показанные на фигуре белым поля 104 в этом случае могут быть заполнены микрозеркалами, которые соотнесены с другим световым пятном.

Разрешение состоящего из световых пятен изображения может быть существенно увеличено за счет такого чередования групп микрозеркал: если, например, два световых пятна, которые висят на высоте 5 мм, расположены всего на расстоянии 0,2 мм напротив друг друга, то для этого необходимы изогнутые зеркала или линзы с фокусным расстоянием f = 5 мм. Как описано выше, диаметр и фокусное расстояние оптических элементов для трехмерного эффекта должны удовлетворять условию f/d < 5, из чего при заданных значениях следует оптический диаметр d > 1 мм. Т.е. расположенные рядом друг с другом изогнутые зеркала или линзы должны находиться на расстоянии более 1 мм, в результате чего необходимого разрешения в 0,2 мм таким образом достичь нельзя.

Если напротив используется разложение, как на фиг. 8(Б), при котором только каждое второе поле с микрозеркалами 102, размером 50 мкм × 50 мкм, используется для создания первого светового пятна, расположенные между ними поля 104 заполняются микрозеркалами, которые создают второе световое пятно, расположенное в 0,2 мм рядом. Условие f/d < 5 требует оптического диаметра более 1 мм, что, например, может быть достигнуто за счет расположения 12×12 микрозеркал 102 в шахматном порядке с 12×12 свободными полями 104 и тем самым d = 2*12*50 мкм = 1,2 мм. Минимальное расстояние между созданным группой 102 микрозеркал световым пятном и вторым световым пятном, которое создается расположенными в полях 104 микрозеркалами, отныне составляет 50 мкм, благодаря чему без проблем можно достичь требуемое разрешения в 0,2 мм.

Заполнение шахматной структуры на фиг. 8(Б) микрозеркалами еще раз проиллюстрировано на фиг. 9 в изображении в разрезе. Со ссылкой на фиг. 9(A) каждое второе поле заполняется микрозеркалами 102 размером 50 мкм × 50 мкм для создания первого светового пятна 110. Микрозеркала 102 образуют группу микрозеркал, которые все соотнесены с тем же световым пятном 110 и вместе создают его при освещении.

Расположенные между микрозеркалами 102 поля 104 доступны для заполнения микрозеркалами, которые соотнесены с другими световыми пятнами. В экстремальном случае поля 104 могут быть заполнены микрозеркалами 106, которые служат для создания светового пятна 112, которое удалено всего на диаметр d_m микрозеркал, т.е. в примере осуществления 50 мкм, от первого светового пятна 110, как проиллюстрировано на фиг. 9(Б).

Как видно на фиг. 9, оптический диаметр d групп 102, 106 микрозеркал при меняющемся расположении зеркал задан посредством d = 2*n*d_m, причем n представляет собой количество микрозеркал группы в одном пространственном направлении. Поэтому благодаря подходящему выбору n оптический диаметр d, несмотря на высокое разрешение d_m должен всегда делаться достаточно большим, чтобы выполнить условие f/d < 5.

Возвращаясь к изображению на фиг. 8, понимается, что заполнение участка поверхности защитного элемента может выбираться в зависимости от желаемого количество вкладываемых групп оптических микроэлементов. Например, также микрозеркалами 102 должно заполняться только каждое четвертое поле, которое соотнесено с определенным световым пятном, как иллюстрирует фиг. 8(B). Показанные на фигуре белым, сначала еще свободные поля 104 в этом случае могут быть заполнены микрозеркалами, которое соотнесены с тремя другими световыми пятнами. В еще одном варианте осуществления каждое девятое поле заполнено соотнесенными с определенными световым пятнам микрозеркалами 102, как показано на фиг. 8(Г). Показанные на фигуре белым, сначала еще свободные поля 104 в этом случае могут быть заполнены микрозеркалами, которое соотнесены с восьмью другими световыми пятнами.

Расчет плоских зеркальных поверхностей микрозеркал наглядно показан на фиг. 10. В сечении показано несколько микрозеркал 102 и расположенных между ними, свободных полей 104 одного варианта осуществления согласно фиг. 8(Б) и 9(A).

Для расчета (х₀, у₀, z₀) обозначает положение создаваемого светового пятна 110, z₀ > 0, (х, у, 0) - положение рассчитываемого зеркального элемента, n - это вектор нормали зеркала в положении (х, у, 0), k - вектор направления падающего луча света, а р - вектор направления отраженного луча света.

Следует соответственно определить положение зеркальных поверхностей, то есть вектор n нормали так, чтобы свет, падающий с заданного направления k для всех соотнесенных со световым пятном 110 микрозеркал 102, отражается на фокус (х₀, у₀, z₀). Согласно изобретению это удается за счет

, ,

Если источник 120 света в положении (x_L, y_L, z_L), таков:

Если группа 102 микрозеркал рассчитывается на вертикальное падение света, то ,

благодаря чему получают вектор n нормали к

,

при этом было использовано сокращение

Аналогичным образом вектор n нормали может быть рассчитан для микрозеркал, фокус (х₀, у₀, z₀) расположен на z₀ < 0 ниже уровня защитного элемента. Для этого согласно изобретению исходят из отношения

дальнейший расчет выполняется как для вогнутых зеркал.

Изогнутые зеркала можно подрегулировать при разложении на оптические микроэлементы посредством небольших микропризм, которые, если размер микропризм ниже разрешающей способности ситуации рассмотрения, могут использоваться с тем же оптическим действием, но проще в расчете и изготовлении.

На фиг. 11 для иллюстрирования при шахматном разложении как на фиг. 8(Б) показано несколько микропризм 122 в сечении. По аналогии с подходом в случае микрозеркал 102 также и для микропризм 122 вектор n нормали может быть рассчитан таким образом, что падающий от источника 120 света свет, соответственно, преломляется к желаемому положению светового пятна 110. Остающиеся на фиг. 11 свободными поля 124 могут быть заполнены микропризмами, которые соотнесены с другим световым пятном.

При всех описанных вариантах рефракционные и/или рефлективные оптические элементы могут быть также утоплены в окружающий материал или же снабжены защитным слоем. За счет такого утопления («заделывания») оптические элементы, с одной стороны, защищаются от загрязнений и износа, а с другой стороны, эффективно предотвращается несанкционированная подрегулировка путем снятия оттисков со структуры поверхности.

Утапливание схематически показано на фиг. 12 для защитного элемента 130 с микрозеркалами 132. За счет утапливания микрозеркал 132 в прозрачный защитный слой 134 и возникающего скачка показателя преломления на поверхности 136 защитного слоя 134 изменяется положение созданных световых пятен 140 относительно положения 142 светового пятна при не утопленном расположении микрозеркал. Точнее говоря, при утапливании микрозеркал 132 в защитный слой с показателем n преломления изменяется высота висения светового пятна 140, созданного микрозеркалами 132, примерно на коэффициент 1/n. Обычные слои 134 защитного лака имеют показатель преломления примерно в n = 1,5, благодаря чему высота висения световых пятен снизится относительно рассчитанных для открытого применения значений высоты висения примерно на 2/3. Это изменение, само собой разумеется, как правило, учитывается при расчете расположения микрозеркал так, что после утапливания желаемые значения высоты висения не достигаются.

В случае утопленных призм или линз различие показатель преломления между материалом призм или же линз и материалом, в который выполняется утапливание, может быть соответственно учтен при расчете отклонения луча света.

Для получения визуально привлекательного трехмерного состоящего из световых пятен изображения световые пятна могут иметь различную яркость. При этом также может быть желательно, что световое пятно, то есть подвешенная в пространстве точка мотива, кажется различно светлым с различных направлений. Подобные различные яркости световых пятен могут создаваться в рамках изобретения различными способами. Например, для этого оптические элементы, которые соотнесены со световым пятном, в зависимости от желаемой доли максимальной яркости могут затемняться.

Однако в настоящее время является предпочтительным отрегулировать яркость светового пятна после разложения на оптические микроэлементы по доли поверхности, которая заполнена оптическими микроэлементами, или по количеству полей, которые отвечают по каждому телесному углу за световое пятно. За счет этого возникают участки изображения, которые не содержат зеркал или призм, направленных на световое пятно, и которые должны поддерживаться темными.

Подобные участки изображений могут, например, создаваться одним из следующих образов. В первом варианте более темные участки в отраженном состоящем из световых пятен изображении снабжаются световыми ловушками, например со структурами длин подволн, такими как, например, структуры «глаз мотылька», или с отражающими структурами в форме воронки с крутыми боковыми гранями, при которых падающий свет отражается мало или вообще не отражается. Однако из-за крутых боковых кромок подобные световые ловушки непросты в изготовлении. Поэтому предлагается оснастить темные участки в зеркальном состоящем из световых пятен изображении зеркалами, которые ориентированы так, что в нем отражаются участки пространства, которые не содержат источников света. Для этого зеркала могут быть направлены, например, на тело наблюдателя.

В случае прозрачных защитных элементов темные участки, предпочтительно, оснащаются призмами, которые отклоняют лучи света с направлений к глазу наблюдателя, в которых нет источников света, например от пола.

Участок поверхности, на котором расположены оптические элементы, не должен быть плоским, а может быть изогнут как угодно. Это удается особенно просто, если оптические элементы образованы оптическими микроэлементами.

Поскольку и без того, для каждого оптического микроэлемента рассчитывается вектор нормали (фиг. 10, 11), локальное положение и ориентация поверхности защитного элемента может учитываться без больших дополнительных затрат, как разъясняется ниже на примере расположения микрозеркал.

Если как выше (х₀, у₀, z₀) описывается положение желаемого светового пятна, (х, у, z) - положение микрозеркала в пространстве, причем это положение содержит изогнутую поверхность защитного элемента, то далее n обозначает вектор нормали микрозеркала в положении (х, у, z), k - вектор направления падающего света, а р - вектор направления от микрозеркал к световому пятну, то согласно изобретению

, ,

при этом верхний знак действителен для z₀ > 0, т.е. подвешенного над уровнем подложки, реального изображения, а нижний математический знак для z₀ < 0, т.е. висящего ниже уровня подложки, виртуального изображения.

В усовершенствовании изобретения защитный элемент при освещении также может создавать переливающееся изображение из световых пятен, при котором для наблюдателя с различных направлений становятся видны различные изображения. Для этого, например, для отражающего защитного элемента можно действовать следующим образом, подход для прозрачного защитного элемента аналогичен.

Защитный элемент при боковом наклоне должен показывать смену изображения от состоящего из световых пятен изображения А на состоящее из световых пятен изображение В. Сначала для обоих состоящих из световых пятен изображений определяют необходимые оптические элементы, которые создают состоящие из световых пятен изображения при освещении. При этом, как описано в связи с фиг. 8 - фиг. 10, с каждым световым пятном соотносится множество оптических элементов, в данном случае множество микрозеркал.

При расположении микрозеркал на участке поверхности защитного элемента в этом случае для состоящего из световых пятен изображения А выпускают те микрозеркала, в которых х-компонент n_x вектора нормали больше нуля. За счет этого половина мест зеркал становится свободной, и изображение становится видимым только на ограниченном угловом участке.

Для состоящего из световых пятен изображения В выпускаются те микрозеркала, в которых х-компонент n_x вектора нормали меньше нуля. При таком уменьшенном расположении зеркал высвободившиеся места зеркал состоящего из световых пятен изображения А заполняются. При боковом наклоне расположения в этом случае попеременно становится видимым состоящее из световых пятен изображение А и состоящее из световых пятен изображение В.

Защитный элемент может быть осуществлен для вертикального наклона, например, за счет того, что для состоящего из световых пятен изображения А отбрасывают те зеркала, у которых у-компонент вектора n_y нормали больше нуля, а для состоящего из световых пятен изображения В - микрозеркала, для которых n_y < 0. Уменьшенные расположения зеркал с их ограниченной зоной видимости в этом случае смешиваются на участке поверхности защитного элемента.

Вместо названных условий, само собой разумеется, могут использоваться также и другие критерии для разделения состоящих из световых пятен изображений переливающегося изображения. Например, посредством условий

n_y > c₁ для изображения А,

c₁ < n_y < c₂ для изображения В,

n_y < c₂ для изображения С

с двумя численными значениями c₁ < с₂ три состоящих из световых пятен изображения А, В, С могут сменять друг друга при вертикальном наклоне. За счет выбора численных значений c₁ и с₂ по желанию можно настроить размеры участков видимости.

Наряду с попеременной сменой нескольких 3D-состоящих из световых пятен изображений, также возможна смена одного или нескольких 3D-состоящих из световых пятен изображений и одного или нескольких изображений, составленных иным способом.

Также можно порекомендовать скомбинировать на состоящем из световых пятен изображении трехмерный мотив с двухмерным мотивом, в котором все точки изображения находятся на той же высоте, предпочтительно на высоте уровня защитного элемента или после уровня защитного элемента. А именно, такие двухмерные мотивы из световых пятен еще можно хорошо распознать также при худших условиях освещения. Например, если двухмерный мотив переднего плана скомбинирован с трехмерным фоновым мотивом, то состоящее из световых пятен изображение исчезает не полностью также при плохих условиях освещения, а только уменьшается до более прочного двухмерного мотива переднего плана. Поэтому проверка подлинности еще возможна также при плохих условиях освещения.

То есть состоящее из световых пятен изображение может содержать наряду с подвешенными трехмерными световыми пятнами, которые видны с определенных углов обзора, также и кажущиеся двухмерными участки, которые видны с таких же или иных углов обзора. То есть 2D- и 3D-участки могут располагаться рядом друг с другом и/или при изменении направления рассмотрения попеременно появляться в одном и том же месте.

В случае 2D- и 3D-изображений, наряду с участками с трехмерным эффектом (которые видны перед или за уровнем защитного элемента или которые, кажется, проникают через уровень защитного элемента), можно видеть также и участки с двухмерным эффектом на уровне защитного элемента или рядом с уровнем защитного элемента (на высотной ступени 0 или рядом с высотной ступенью 0).

Для участка на высоте ноль можно исходить из заполнения зеркалами или призмами, которые рассчитываются для световых точек на меньшей высоте (например, высоте 0,5 мм) с желаемым участком угла обзора. Здесь содержатся все вектора нормали, которые обслуживают заявленный телесный угол. Если для подвешенных световых точек микрозеркала или микропризмы отсортирован на уровне защитного элемента так, что определенные точки обслуживаются в пространстве, то рассчитанные таким образом микрозеркала, включая их наклон, статистически распределяются по участку, предусмотренному для высоты 0. Затем никакие определенные точки в пространстве не освещаются, а обслуживают, как желаемо, телесный угол. Для меньшей интенсивности следует эту статистически смешанно заполненную поверхность выполнить без пробелов, например, за счет того, что не все пиксели заполняются или пиксели заполняются не полностью.

Согласно другому усовершенствованию состоящее из световых пятен изображение в дополнение к открыто видимой информации изображения также имеет еще и скрытую информацию изображения (Hidden Image). Для этого оптические элементы открытой информации изображения расположены на удалении друг от друга и пробелы, по меньшей мере, частично заполнены оптическими элементами скрытой информации изображения.

Скрытая информация изображения может быть, например, создана, за счет того, что с соответствующими световыми пятнами может быть соотнесен очень небольшой угол раствора, например угол раствора = 0 для параллельного света.

Со световыми пятнами скрытой информации изображения также могут быть соотнесены различные направления, которые расположены так далеко друг от друга, что при рассмотрении без вспомогательных средств не регистрируется связанное изображение. Для проверки подлинности изображение может приниматься на матовую пластинку. Направления скрытой информации изображения предпочтительно расположены вне направлений, с которых рассматривается открытое трехмерное состоящее из световых пятен изображение, за счет чего можно без проблем распознать наличие скрытой информации.

В предпочтительном варианте осуществления оптические элементы скрытой информации изображения отчасти или полностью размещаются на тесно соседствующих частичных участках защитного элемента и при необходимости несколько раз повторяются над поверхностью защитного элемента. Скрытая информация изображения в этом случае может быть зарегистрирована при освещении узким лазерным лучом последовательно или как единое целое и спроецирована на экран, размещенный в подходящем месте.

Далее будет точнее описан особо предпочтительный подход при изготовлении общего трехмерного состоящего из световых пятен изображения.

Сначала желаемый трехмерный мотив определяется точками P_j изображения и значениями Z_j высоты над ху-плоскостью, причем точки изображения при освещении соответствуют возникающим световым пятнам. Для обычного расстояния рассмотрения примерно в 30 см расстояния точек изображения при этом должны находиться в диапазоне от 0,1 до 0,5 мм. Далее с точками P_j изображения соотносится яркость I_j от 0% до 100%. Затем с точками изображения соотносят конусы раствора, которые имеют соотношение открытия >0,2, например, соотношение открытия 0,4. Для каждой точки P_j изображения пересечение исходящего из точки изображения конуса раствора с ху-плоскостыо определяет на ней диапазон E_j влияния для точки P_j изображения.

Сама ху-плоскость разделяется на первые поля большего размера, например с размером 0,1 мм × 0,1 мм. Каждое из полей большего размера разделяется на вторые поля меньшего размера, например, с размером 10 мкм × 10 мкм. Поля большего размера далее будут обозначаться как крупные поля, поля меньшего размера - как мелкие поля.

Теперь в диапазоне P_j влияния каждой точки P_j изображения резервируют такое количество мелких полей для этой точки изображения, которое определено на основании значения Z_j высоты и значения I_j яркости. Например, количество мелких полей может выбираться пропорционально значению яркости и обратно пропорционально (Z_j)^α с показателем α 1 степени, который в случае световых пятен, образованных желобообразными зеркалами или цилиндрическими линзами составляет α = 1, а в случае световых пятен, образованных двухмерно фокусирующими линзами или зеркалами - α = 2. Зарезервированные для точки P_j изображения мелкие поля затем по существу равномерно распределяют по крупным полям в диапазоне Ej влияния точки P_j изображения.

При этом в количество мелких полей по каждому крупному полю также может войти коэффициент корректировки, который, например, определяется следующим образом: сначала без коэффициента корректировки в рамках каждого крупного поля суммируется количество заполняемых мелких полей, которые относятся к различным точкам P_j изображения. За счет этого получают предложение по заполнению для количества в общем заполненных мелких полей в каждом крупном поле.

Если количество заполненных мелких полей для всех крупных полей ниже, чем максимально возможное количество, то коэффициент корректировки может выбираться более 1, и заполнение можно умножать на этот коэффициент корректировки, благодаря чему достигается максимальное заполнение в некоторых крупных полях. Однако если количество заполненных мелких полей превышает максимальное заполнение, то соответственно выбирается коэффициент корректировки менее 1, который после умножения приводит к заполнению меньшему или равному максимальному заполнения. Если максимальное заполнение превышается только в нескольких крупных полях, то вместо равномерного снижения также можно снизить до максимального заполнения только самые высокие интенсивности или мелкие поля крупных полей с превышением смещаются в примыкающие крупные поля.

Полученное таким образом заполнение теперь может быть осуществлено на участке поверхности защитного элемента. В заполненных мелких полях располагают зеркала или призмы, которые отражают или же преломляют падающий свет на соответствующее световое пятно. На остающихся при этом свободными участках поверхности защитного элемента можно разместить дополнительные защитные элементы, например там можно разместить скрытое изображение описанного выше типа.

Предлагаемое состоящее из световых пятен изображение также может служить оригиналом для объемной голограммы, как теперь будет проиллюстрировано на примере трех вариантов осуществления со ссылкой на фиг. 13.

В примере осуществления фиг. 13(A) изобразительная структура 140 служит в качестве оригинала, который имеет отражающее трехмерное состоящее из световых пятен изображение с микрозеркалами, которое рассчитано для вертикального падения света. Фотополимерная пластинка 142 служит в качестве пластинки для записи объемной голограммы. Фотополимерная пластинка 142 размещается перед изобразительной структурой 140 таким образом, что лазерные лучи лазера 144 для записи после расширения 146 лучей падают как эталонная волна 148 на фотополимерную пластинку 142 вертикально. Часть лазерных лучей пронизывает фотополимерную пластинку 142, вертикально падает на изобразительную структуру 140 и после отражения образует на изобразительной структуре 140 объектную волну, которая в фотополимерной пластинке 142 интерферирует с эталонной волной 148. За счет этого в фотополимерной пластинке 142 освещаются решетки Брэгга, которые показывают в качестве объемного решетчатого изображения то же трехмерное изображение, что и служащее в качестве оригинала трехмерное состоящее из световых пятен изображение изобразительной структуры 140.

В варианте на фиг. 13(Б) служащая в качестве оригинала (Master) изобразительная структура 140 получает отражающее трехмерное состоящее из световых пятен изображение которое рассчитано для падения света под определенным углом от вертикали. Соответственно на изобразительную структуру 140 и расположенную перед изобразительной структурой 140 фотополимерную пластинку 142 под этим углом подаются лазерные лучи. За счет интерференции эталонной волны 148 и отраженной после пронизывания лучами фотополимерной пластинки 142 изобразительной структуры объектной волны создается объемное решетчатое изображение в фотополимерной пластинке 142, которая показывает то же трехмерное изображение, что и служащее в качестве оригинала трехмерное состоящее из световых пятен изображение изобразительной структуры 140.

Наконец, в примере осуществления на фиг. 13(B) изобразительная структура 140 служит в качестве оригинала, с преломляющим трехмерным изображением, состоящим из световых пятен, с микропризмами, которое рассчитано для вертикального падения света. Здесь на изобразительную структуру 140 и расположенную перед изобразительной структурой фотополимерную пластинку 142 через разделитель 150 лучей и направляющее зеркало 152 с противоположных сторон подают лазерные лучи, В фотополимерной пластинке 142 эталонная волна 148 и преломленная изобразительной структурой 140 объектная волна интерферируют и создают таким образом объемное решетчатое изображение, которая показывает то же трехмерное изображение, что и служащее в качестве оригинала трехмерное состоящее из световых пятен изображение изобразительной структуры 140.

Изобретение относится к изобразительному элементу, имеющему подложку с участком поверхности, на котором расположено множество оптических элементов. Он выполнен с возможностью создания, при освещении параллельным светом от источника света, изображения, состоящего из множества световых пятен, которые воспринимаются наблюдателем как подвешенные выше или ниже указанного участка поверхности, расположены в форме заданного мотива и представляют собой реальные или виртуальные изображения освещающего изобразительный элемент источника света. Причем оптические элементы образованы рефракционными и/или рефлективными оптическими элементами, с каждым световым пятном состоящего из световых пятен изображения соотнесен по меньшей мере один рефракционный и/или рефлективный оптический элемент, который при освещении изобразительного элемента способствует созданию соответствующего ему светового пятна, причем для каждого светового пятна и соотнесенного с ним оптического элемента действительно условие: f/d < 5, где f - высота висения светового пятна над или под участком поверхности, a d - диаметр способствующего созданию этого светового пятна оптического элемента. 4 н. и 26 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Изобразительный элемент, имеющий подложку с участком поверхности, на котором расположено множество оптических элементов, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью создания, при освещении параллельным светом от источника света, изображения, состоящего из множества световых пятен, которые воспринимаются наблюдателем как подвешенные выше или ниже указанного участка поверхности, расположены в форме заданного мотива и представляют собой реальные или виртуальные изображения освещающего изобразительный элемент источника света, причем оптические элементы образованы рефракционными и/или рефлективными оптическими элементами, с каждым световым пятном состоящего из световых пятен изображения соотнесен по меньшей мере один рефракционный и/или рефлективный оптический элемент, который при освещении изобразительного элемента способствует созданию соответствующего ему светового пятна, причем для каждого светового пятна и соотнесенного с ним оптического элемента действительно условие: f/d < 5, где f - высота висения светового пятна над или под участком поверхности, a d - диаметр способствующего созданию этого светового пятна оптического элемента.

2. Изобразительный элемент по п. 1, отличающийся тем, что световые пятна состоящего из световых пятен изображения подвешены над или под участком поверхности на нескольких разных высотах, образуя трехмерный мотив.

3. Изобразительный элемент по п. 1 или 2, отличающийся тем, что все расположенные в определенных областях световые пятна состоящего из световых пятен изображения подвешены над или под участком поверхности на одной высоте, образуя кулисный мотив.

4. Изобразительный элемент по п. 1, отличающийся тем, что оптические элементы включают в себя изогнутые зеркала, прежде всего вогнутые или выпуклые зеркала.

5. Изобразительный элемент по п. 4, отличающийся тем, что изогнутые зеркала выполнены сферически, эллиптически, вращательно-симметрично асферически, невращательно-симметрично асферически или в форме желобков, причем в последнем случае желобки проходят по прямой или изогнуто.

6. Изобразительный элемент по п. 4 или 5, отличающийся тем, что изогнутые зеркала, по меньшей мере, частично образованы зеркалами Френеля.

7. Изобразительный элемент по п. 1, отличающийся тем, что оптические элементы включают в себя линзы, прежде всего сферические, эллиптические, вращательно-симметрично асферические, невращательно-симметрично асферические или цилиндрические линзы.

8. Изобразительный элемент по п. 7, отличающийся тем, что линзы, по меньшей мере, частично образованы линзами Френеля.

9. Изобразительный элемент по п. 1, отличающийся тем, что с каждым световым пятном состоящего из световых пятен изображения соотнесен ровно один оптический элемент.

10. Изобразительный элемент по п. 1, отличающийся тем, что с каждым световым пятном состоящего из световых пятен изображения соотнесено множество оптических элементов, предпочтительно, что оптические элементы распределены на удалении друг от друга по участку поверхности.

11. Изобразительный элемент по п. 10, отличающийся тем, что световые пятна состоящего из световых пятен изображения имеют различную яркость, и с каждым световым пятном соотнесено такое количество оптических элементов, которое соответствует яркости светового пятна внутри образованного световыми пятнами мотива, или с каждым световым пятном соотнесена такая общая поверхность оптических элементов, которая соответствует яркости светового пятна внутри образованного световыми пятнами мотива.

12. Изобразительный элемент по п. 10, отличающийся тем, что оптические элементы, которые соотнесены с различными световыми пятнами, расположены на участке поверхности с последовательным чередованием.

13. Изобразительный элемент по одному из пп. 10-12, отличающийся тем, что оптические элементы образованы плоскими микрозеркалами или небольшими микропризмами.

14. Изобразительный элемент по п. 1, отличающийся тем, что заданный мотив является переливающимся изображением, которое при различных направлениях рассмотрения показывает различные изображения.

15. Изобразительный элемент по п. 1, отличающийся тем, что участок поверхности, на котором расположено множество оптических элементов, изогнут.

16. Изобразительный элемент по п. 1, отличающийся тем, что подмножество оптических элементов создает скрытую информацию изображения, которая является нераспознаваемой без вспомогательных средств.

17. Изобразительный элемент по п. 1, отличающийся тем, что оптические элементы включают в себя периодическое расположение микрозеркал, которые соответственно находятся на удалении от следующего элемента в 2 мм или менее.

18. Изобразительный элемент по п. 1, отличающийся тем, что оптические элементы утоплены в окружающий слой или в комбинацию окружающих слоев, прежде всего в защитный слой.

19. Изобразительный элемент по п. 1, отличающийся тем, что оптические элементы выполнены в виде тисненых структур в слое лака для тиснения.

20. Изобразительный элемент по п. 19, отличающийся тем, что тисненые структуры имеют усиливающее отражение покрытие, прежде всего металлизацию, обеспечивающее сильное преломление покрытие, тонкослойный элемент с эффектом переливания цвета или холестерический жидкокристаллический слой.

21. Изобразительный элемент по п. 19 или 20, отличающийся тем, что тисненые структуры имеют структурную высоту менее 100 мкм, предпочтительно менее 20 мкм, особо предпочтительно менее 5 мкм.

22. Изобразительный элемент по п. 1, отличающийся тем, что заданный мотив является образованным световыми пятнами круглым телом.

23. Изобразительный элемент по п. 1, отличающийся тем, что он является защитным элементом для защищенных от подделки бумаг, ценных документов и других защищаемых предметов, прежде всего защитной нитью, защитной лентой, защитной полосой, этикеткой или переводным элементом.

24. Способ изготовления изобразительного элемента по одному из пп. 1-23, выполненного с возможностью создания, при освещении параллельным светом от источника света, изображения, состоящего из множества световых пятен, которые воспринимаются наблюдателем как подвешенные выше или ниже участка поверхности, расположены в форме заданного мотива и представляют собой реальные или виртуальные изображения освещающего изобразительный элемент источника света, характеризующийся тем, что на участке поверхности подложки располагают множество рефракционных и/или рефлективных оптических элементов, причем с каждым световым пятном состоящего из световых пятен изображения соотносят по меньшей мере один рефракционный и/или рефлективный оптический элемент, который при освещении изобразительного элемента способствует созданию соответствующего ему светового пятна, причем для каждого светового пятна и соотнесенного с ним оптического элемента действительно условие: f/d < 5, где f - высота висения светового пятна над или под участком поверхности, a d - диаметр способствующего созданию этого светового пятна оптического элемента.

25. Способ по п. 24, отличающийся тем, что
- задают желаемый трехмерный мотив с помощью точек P_j изображения и значений Z_j высоты над ху-плоскостью, причем точки изображения при освещении соответствуют возникающим световым пятнам,
- для каждой точки P_j изображения назначают яркость I_j от 0% до 100%,
- с точками P_j изображения соотносят конусы раствора, которые имеют соотношение открытия >0,2,
- для каждой точки P_j изображения путем пересечения исходящего из точки изображения конуса раствора с ху-плоскостью определяет диапазон E_j влияния,
- разделяют ху-плоскость на несколько крупных полей, и крупные поля соответственно разделяют на несколько мелких полей,
- для каждой точки P_j изображения на основании установленного значения Z_j высоты и установленного значения I_j яркости определяют количество заполняемых мелких полей,
- заполняемые для точки P_j изображения мелкие поля по существу равномерно распределяют по крупным полям в диапазоне E_j влияния точки P_j изображения, и
- заполняемые мелкие поля заполняют рефракционными и/или рефлективными оптическими элементами, которые при освещении изобразительного элемента способствуют созданию соответствующего точке P_j изображения светового пятна.

26. Носитель данных с изобразительным элементом по одному из пп. 1-23.

27. Носитель данных по п. 26, отличающийся тем, что изобразительный элемент является, по меньшей мере, частично прозрачным защитным элементом, который расположен в или над прозрачной оконной областью или сквозным отверстием носителя данных.

28. Носитель данных по п. 26, отличающийся тем, что изобразительный элемент является отражающим защитным элементом, который расположен в непрозрачной области носителя данных.

29. Носитель данных по одному из пп. 26-28, отличающийся тем, что он является ценным документом, таким как банкнота, прежде всего бумажная банкнота, полимерная банкнота, банкнота из многослойной пленки или документ, паспорт или удостоверение личности на основе пластиковой карты.

30. Способ изготовления объемной голограммы, в котором на пластинке для записи в качестве эталонной волны используют нерассеянные лазерные лучи, а в качестве объектной волны для интерференции используют лазерные лучи, отраженные или отклоненные от изобразительного элемента по одному из пп. 1-23.