Защитное устройство на основе дифракционных структур нулевого порядка Российский патент 2023 года по МПК G02B5/18 B42D25/328 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Современные устройства с оптически изменяющимися свойствами (Optically Variable Devices- OVDs), такими как оптически изменяющиеся чернила (Optically Variable Inks - OVIs), дифракционные устройства с оптически изменяющимися изображениями (Diffractive Optically Variable Image Devices - DOVIDs) и т. д. могут иметь практически любую внешнюю двухмерную пространственно-топологическую форму как всего устройства, так и каждой из сформированных в ней двухмерных дифракционно-решеточных структур в пределах указанной топологической формы. Горячим или холодным клеевым способом эти защитные устройства могут переноситься на защищаемые ими изделия. Этим обеспечивается снижение вероятности подделки этих изделий.

Предлагаемое изобретение относится к многослойным защитным устройствам на основе рельефных дифракционных микроструктур нулевого порядка (Zero-Order Diffractive MicroStructures - ZODMSs), сформированных на поверхности прозрачного слоя с высоким показателем преломления, размещенного между двух прозрачных слоев с более низкими показателями преломления. Микроструктуры имеют пространственную частоту и период меньший или значительно меньший определенной, например, самой коротковолновой длины волны (λ ≅ 400 нм) электромагнитного излучения в видимой области спектра. Подобные структуры также иногда называются резонансными волноводными решетками (RWG) или резонансными волноводами с негерметичным режимом.

Одна или несколько дополнительных оптических структур, таких как двухмерные одноосно или картинно ориентированные (двулучепреломляющие) слои, могут быть сформированы совместно с предложенной ZODMS структурой. Они обеспечивают таким образом само устройство дополнительными приборно-визуализируемыми и/или машиночитаемыми признаками защиты. Кроме того, они также модифицируют оптические характеристики дифракционной микроструктуры нулевого порядка, совершенствуя (усложняя) защитные признаки, хранящиеся в них.

В качестве защитных признаков устройства используют специальные визуально видимые и/или невидимые, но приборно-визуализируемые и/или машиночитаемые цветовые эффекты. Одним из эффектов может быть, например, изменение цвета при наклоне и /или вращении защищаемого ими изделия. Такие устройства могут применяться в областях аутентификации, идентификации или защиты различных изделий от подделки, таких как (но, не ограничиваясь) банкноты, кредитные карты, паспорта, билеты, защищенные документы и тому подобное.

2. Уровень техники

Известно использование DOVIDs с интерференционно полученными дифракционными решетками (ДР) в виде голограмм для защиты от подделки банкнот или кредитных карт. Однако широкое распространение и доступность оборудования ограничивают защитные свойства таких структур. Кроме того, DOVIDs обладают недостаточным уровнем защиты, поскольку потенциальные пользователи защищенного ими изделия не имеют возможности оценить качество голографического изображения. Следовательно, существует потребность в новых устройствах оптической защиты, более доступных, например, для визуального восприятия.

Защитные устройства типа OVIs, как описано в патенте [1], обеспечивают более высокий уровень защиты, поскольку потребителям легче наблюдать изменение цвета, чем сложное изображение. Но они также коммерчески доступны. Это снижает ценность OVIs как инструмента защиты от подделок.

В патенте [2] описан цветной фильтр с микроструктурами нулевого порядка типа ZODMSs для использования в качестве устройств аутентификации. При равномерном освещении неполяризованным полихроматическим светом такие устройства демонстрируют уникальные динамически изменяющиеся цветовые эффекты при наклоне или вращении (особенно при повороте на 90°) вокруг перпендикуляра к плоскости, в которой они находятся. Поэтому они могут быть четко идентифицированы. Однако их возможности визуальной оценки изменения цветового эффекта ограничены [3]. Это обусловлено тем, что такие цветные фильтры работают как резонансно излучающие волноводы с узкополосной структурой отраженного и/или прошедшего через него спектра падающего излучения.

В патенте [4] также описаны дифракционные решетки нулевого порядка для использования в элементах защиты. Элементы имеют те же недостатки, что и фильтры в патенте [2].

Целью настоящего изобретения является устранение одного или нескольких из этих недостатков известного уровня техники. Другой целью является расширение функциональных возможностей защитных признаков при одновременном относительно простом и недорогом способе как массового изготовления самого защитного элемента, так и приборно-визуализируемой и/или машиночитаемой проверки подлинности хранящихся в нем защитных признаков.

3. Сущность изобретения

1. Согласно первому аспекту настоящего изобретения обеспечивается компьютерный дизайн оптического устройства с пленочным излучающим волноводом ZODMS типа, содержащий сформированные на нем в качестве основных защитных элементов от одной и более поверхностно-микрорельефных дифракционно-решеточных структур. Указанные структуры обеспечивают, по крайней мере, визуально-видимые, но недифракционные изображения и приборно-визуализируемый их поляризационный защитный признак, а также невидимые, но машиночитаемые защитные признаки технических параметров высокочастотных решеток, проявляющих поляризационные-интерференционные эффекты, главным образом в нулевом порядке регистрации, а также в других, (например в ± 1-ом для других дифракционных решеток видимой области спектра) дифракционно-интерференционных порядках. Такими параметрами являются заданные величины пространственных периодов расположения штрихов ∧(х.у) (дискретно в пределах области от 150 нм и до 1500 нанометров) и заданное (локальное и/или непрерывное) пространственное распределение их направлений (углов ориентации) θ(х,у) в пределах от чуть более 0° до чуть менее 180° единого заданного направления в системе координат в плоскости (х,у), а также топологические профили G(х,у) и глубины H(х,у) канавок между ними.

Информация о некоторых невидимых защитных признаках передается в соответствующую внешнюю базу данных и служит для своевременной верификации как самого защитного элемента ψ(х,у), так и защищаемого им изделия. Все дифракционные структуры выполнены в виде практически любой двухмерной топологической пространственной формы и размера контура границ области как всего устройства ψ(х,у), так и каждого из сформированных в нем cубобластей (i-тых подучастков) пространственно-двухмерных защитных образов в пределах указанной топологической формы χ_i(х,у) в плоскости (х,у). Это могут быть различные символы типа букв, цифр, символов, штрих-кодов и т. д. и их комбинаций, объединенных в одну область или пространственно-разделенные между собой в пределах единого защитного элемента ψ(х,у),

где i - есть порядковый номер субобластей, а N - их общее число.

Эти образы выполнены в составе множества сюжетно взаимно зависимых или независимых между собой «изображений», некоторые из которых могут содержать информационно-несущие невидимые поляризационные и видимые, например цветовые, защитные признаки. Они сформированы в виде рельефной микроструктурированной поверхности сплошного прозрачного или полупрозрачного (пропускание видимого света Т от 50 % и более) волноводного слоя неорганического или органического, например, полимерного, диэлектрика с высоким показателем преломления n₂ (как правило, величина n₂ находится в пределах ≅ 2÷2,2). В качестве таких диэлектриков могут быть использованы такие материалы как In₂O₃ (n ~ 2,0), SiO (n ~ 2,0), Si₂O₃ (n ~ 1,9), ZnO (n ~ 2,1), Ta₂O₅ (n ~ 2,0), V₂O₅ (n ~ 2,2), WO₃ (n ~ 2,0), ZrO₂ (n ~ 2,0), TiO₂ (n ~ 2,3), ZnS (n ~ 2,1) и др.

Волноводный слой может быть сформирован на подложке с использованием методов вакуумного покрытия, например, химического осаждения из паровой фазы, термического или электронно-лучевого испарения, импульсного лазерного осаждения, напыления, например, постоянным током или ВЧ-напыления и т.д.

Покрытие может быть также выполнено, например, с помощью печати, особенно флексопечати, глубокой печати, струйной печати или трафаретной печати, наливом или погружением, УФ- или термоотверждаемой печатью и/или тому подобное. При этом используемые материалы для волноводного слоя могут иметь величину показателя преломления порядка 2,2 или менее 2,0.

Рельефно-структурированная поверхность этого слоя выполняется, в основном, в виде рельефно-структурированных супервысокочастотных резонансных дифракционных решеток (Zero-Contrast resonant Grating - ZCG) (схематически указанных на фиг. 2а,b) в плоскости (х,у)).

2. Согласно второму аспекту предложенного изобретения, дизайн оптического защитного устройства ZODMS типа прежде всего ассоциируется с комбинированной волноводной структурой прозрачного в видимой области спектра слоя диэлектрика, например типа сульфида цинка ZnS с высоким показателем преломления (HRI) n₂ ≅ 2.2 с определенной равномерной по всей площади ψ(х,у) этого слоя толщиной. Она обеспечивает степень отражения света 40-42% супер высокочастотной дифракционной решетки с периодом порядка 350 нм и глубиной канавок между штрихами h около 130 нм. Как минимум одна из сторон этого слоя рельефно микроструктурирована в виде множества супер высокочастотных дифракционных решеток нулевого порядка с индивидуальными для каждого ZODMSs из этого множества субобластей χ_i(х,у) указанными выше параметрами. Этот слой с комбинированной волноводной структурой размещен между, например двумя прозрачными слоями с более низкими, чем, например, у слоя ZnS, показателями преломления (LRI) n₁<n₂ n₃<n₂. Как минимум, один из указанных слоев или одновременно оба, непосредственно контактирующие с гладкой или рельефно-структурированной поверхностью волноводного слоя могут являться оптически анизотропными с величинами двулучепреломления (ДЛП) Δn= |n_о-n_е|= Const.

При этом диэлектрический слой, например ZnS c показателем преломления n₂>n₁,n₃, выполняет, согласно заявляемому изобретению, информационно-несущую роль, поскольку на его как минимум одной поверхности по «roll-to-roll» технологии формируются заложенные в оригинале компьютерного дизайна поверхностно микрорельефные дифракционно- решеточные ZODMS структуры как для слоя с более высоким показателем преломления. Далее на эти структуры, например методом «roll-to-roll» технологии с обеих сторон наносятся, полимерные изотропные или анизотропные (одноосно или картинно ориентированные полимерные или жидко - кристаллические) слои, образуя комбинированные волноводные структуры. При этом оба слоя выполняют вспомогательную роль для существенной модификации параметров защитных признаков оригинальных ZODMS структур.

Резонансные волноводные решетки χ_i(х,у), как сказано выше, состоят из комбинации тонкопленочного волноводного слоя с показателем преломления n₂ и поверхностных рельефно - несущих волновых решеток ZODMS типа на одной или обеих его сторонах.

Резонанс возникает, когда падающий свет с определенной длиной волны и углом падения дифрагируется супер высокочастотной решеткой и соответствует одному из модовых режимов прохождения в его волноводном компоненте. Поскольку определенная часть спектра излучения выводится из волновода, пройдя в нем определенный путь L длиной в несколько десятков длин волн, при отражении и пропускании света наблюдаются сильные спектральные и, соответственно, цветовые изменения в нем. Это регистрируется в качестве защитных признаков в виде недифракционных (моно- или полицветных) поляризационных изображений в «зеркально» отраженном и прошедшем пучках нулевого порядка. При этом в случае оптической прозрачности всех слоев оба пучка являются взаимно дополняющими по спектру длин волн в видимой области излучения.

Указанные резонансы относятся к типу аномальных явлений дифракции в решетчатых структурах. Термин «аномалия» подразумевает значительные изменения внешних наблюдаемых дифрагированных порядков даже при относительно небольших изменениях физических параметров, таких как угол считывания, длина волны и/или цвет дифрагирующего излучения, и состояния поляризации падающей на эти структуры волны.

Когда дифракционная решетка и пластинчатый волновод сближаются, и угол дифрагированной моды совпадает с углом управляемой моды, возникает явление так называемого резонанса в управляемой моде.

Можно реализовать эти субволноводные решетки для перенаправления света из установленного считывания нулевого порядка. На основе множества резонансных волноводных решеток, имеющих разные пространственные в плоскости (х,у) направления векторов решеток, свет может быть выведен из волноводной решетки в режиме утечки (излучения) из волновода под углом «зеркального» отражения после прохождения оптического луча этого излучения в волноводе на расстояние L от одного до двух и более десятков длин волн λ (в зависимости от конкретной длины волны λ_i) и отключен (выведен) другой или той же волноводной решеткой.

2.1. Продолжением второго аспекта при этом является то, что волноводный режим работы первого указанного информационно-несущего пространственно-сплошного слоя с дифракционными решетками ZODMS типа и высоким показателем преломления n₂, обеспечивается его расположением между двумя полимерными слоями с, как правило, однородными или предлагаемыми пространственно периодическими картинными по координатам (х,у), одинаковыми или разными показателями преломления n₁ и n₃, величины которых приблизительно на величину Δn = n₂-n_1,3 ≅ 0,2 ниже показателя преломления n₂ первого слоя. Такие слои выполняются из жидко - кристаллических и фотоанизотропных материалов. В последнем случае такие исходно изотропные слои проявляют эффект фотоиндуцированной оптической анизотропии под действием пространственно картинного по состоянию поляризации, или неполяризованного, но направленного излучения, поглощаемого им.

3. В соответствии с третьим аспектом в предлагаемом изобретении в качестве указанных полимерных слоев могут быть использованы слои с величинами показателей преломления n₁ и n₃ значительно меньшими, чем 1,5. Такими слоями являются, например, пористые покрытия из наночастиц кремнезема и некоторые другие прозрачные, так называемые, аэрогели с показателями преломления n₁ и n₃ в области 1,1 ÷ 1,2. При этом в качестве материалов для изготовления слоя с поверхностно микрорельефными дифракционно-решеточными ZODMS структурами, могут быть использованы прозрачные в видимой области спектра материалы с также более низкими показателями преломления, чем указанные ранее величины n₂ ≅ 2÷2,2, например, с величинами в области от 1,35 до 1,7. Этими материалами могут быть как изотропные полимеры, так и анизотропные вещества, обеспечивающие также формирование прозрачных в видимой области спектра анизотропных (двулучепреломляющих) структур в виде:

- либо аморфных слоев из термопластичных полимеров с однородно ориентированной по направлению в плоскости (х,у) оптической осью,

- либо аморфных пространственно картинно молекулярно-ориентированных слоев из жидкокристаллических (мезоморфных) полимеризационно-способных материалов с высоким показателем преломления n₂ .

При этом, величина одного из обыкновенного - n_2о или необыкновенного - n_2е показателей преломления этих слоев должна быть на величину Δn = n_2е,о-n_1,3 ≅ 0,25 выше показателей преломления n₁ и n₃, например, указанных аэрогельных слоев.

Такие картинные i- тые двулучепреломляющие дифракционные решетки в каждом из субобластей с пространственными формами χ_i(х,у) в слое с более высоким показателем преломления n₂ n отличаются не только визуально видимыми для пользователя рекламно-развлекательными признаками, но и могут иметь достаточно скрытые приборно- визуализируемые защитные признаки, а также такие действительно защитные машиночитаемые признаки как наперед заданные (локальные или непрерывные) пространственные распределения направлений (углов ориентации θ(х,у) в пределах до180°) штрихов, так и величин пространственных частот Ω(х,у) от 500 до 1000 лин/мм (или ее синонима пространственного периода ∧(х.у)= 1/ Ω (х,у) в мкм) штрихов, глубиной H(х,у) в пределах от 10 до 250 нм и формой канавок между ними, проявляющихся в визуально динамически изменяющихся наблюдаемых защитных признаках в виде цветных анизотропных (двулучепреломляющих) дифракционных изображений или визуально невидимых, но визуализируемых с помощью внешних поляризаторов и/ или машиночитаемых признаков, переданных во внешнюю базу данных для верификации защитного элемента.

Оптическое устройство может дополнительно включать в себя один или несколько недифракционных визуально видимых светорассеивающих пикселей μ(х,у) размером в доли миллиметров в виде случайных по размеру и пространственному расположению поверхностных микроуглублений в информационно-несущем слое с показателем преломления n₂, Причем каждый такой пиксель соответствует определенному уровню интенсивности светорассеяния. Он также может быть охарактеризован как элемент защиты.

4. Четвертым аспектом изобретения является использование, по меньшей мере, вместо одного из двух изотропных полимерных слоев с показателем преломления n_1,3(х,у) ₌ Сonst, одного одноосно ориентированного слоя линейного полимера с заданной величиной ДЛП Δn = n_e-n_o ≠ 0, где n_e и n_o - величины необыкновенного и обыкновенного показателя преломления. В качестве таких одноосно ориентированных слоев полимеров могут быть использованы линейные полимеры, применяемые для изготовления промышленно выпускаемых одноосно ориентированных пленок и волокон. Такими термопластичными полимерами с предельным значением ДЛП Δn могут быть полиэтилен (0,065), полипропилен (0,039), полистирол (- (0,14 - 0,16)), ПЭТ (0,212) и т.д.

При этом в состав этих анизотропных слоев, методом известной картинной сублимационной цветной термопечати вводятся различные сублимирующиеся анизотропные и/или изотропные вещества, каждое из которых способно под действием УФ-излучения определенного спектрального состава анизотропно или изотропно люминесцировать в определенных областях видимого спектра, характерных для этого вещества. В результате, изменяя спектральный состав и состояние поляризации считывающего УФ-излучения, угол его падения на защитный элемент и вращая его относительно перпендикуляра к нему, а также изменяя ориентационное состояние поляризации люминесцентного излучения можно получать визуально не видимые, но УФ-визуализируемые изображения, динамически изменяющиеся по поляризационному, цветовому и топологически-композиционному сюжету.

Это обеспечивает предлагаемое устройство дополнительными защитными признаками, которые будут отсутствовать при наблюдении на стадии первого (визуального) уровня. Однако они проявляются при наблюдении на стадии второго уровня (приборного с помощью одной поляризованной УФ-подсветки или дополнительно с применением поляризованного и/или неполяризованного УФ и/или видимого поляризованного света, например свечения экрана практически любого бытового ЖК дисплейного элемента, например смартфона). Скрытые, в том числе многоцветные изображения визуализируются в виде, например, мигающих сегментов (рисунок, логотип, текст и т.д.) на постоянно светящемся фоне.

При этом главным условием получения эффекта поляризованной люминесценции в анизотропных участках первого полимерного слоя является подбор люминесцирующих красителей таким образом, чтобы благодаря особенностям их строения, достигалось их максимально сильное межмолекулярное взаимодействие с макромолекулами полимерного слоя по типу анизотропии диполь-дипольного, Ван-дер-Ваальсовского, или ковалентного взаимодействия. Кроме того, молекулы красителей должны иметь линейную, протяженную систему π -связей, что также является необходимым условием для достижения эффекта поляризации люминесценции красителя.

5. Пятым аспектом изобретения является использование вместо, например, изотропного третьего твердотельного полимерного слоя с однородным по объему показателем преломления n₃(х,у ) ≅ n₂ - 0,2 = Сonst, картинного по пространственной ориентации оптической оси в плоскости (х,у) прозрачного ДЛП полимерного слоя на основе жидко - кристаллического материала (ЖКМ) с заданной величиной ДЛП Δn= |n_e-n_o| = Const ≠ 0, где n_e и n_o - величины необыкновенного и обыкновенного показателя преломления.

В качестве ЖКМ могут использоваться прозрачные в видимой области спектра термотропные или лиотропные вещества, проявляющие мезогенные свойства (текучесть, как у жидкости, и оптическую анизотропию, как у твердых кристаллов) в определенном температурном интервале (ТЖКМ) или при определенной концентрации некоторых растворителей (ЛЖКМ).

При этом получение указанного твердотельного анизотропного слоя осуществлялось путем первоначального нанесения раствора ЖКМ в изотропном состоянии непосредственно на другую сторону второго информационно-несущего слоя ZnS с показателем преломления n₂ и с рельефно-структурированной поверхностью ZODMS, тождественной поверхности напротив, но с меньшей глубиной штрихов в нем. При этом поверхность ZnS слоя, кроме информационно-несущей роли в виде ZODMS структуры выполняет и две важные технологические роли:

1. обеспечивает высокую смачиваемость наносимого на нее раствора ЖКМ в изотропном состоянии и

2. формирует картинную молекулярную ориентацию молекул в объеме ЖК слоя в анизотропном мезоморфном (двулучепреломляющем) жидкокристаллическом состоянии, в полном соответствии с пространственным распределением направлений штрихов в субобластях χi(х,у) ZODMS защитного элемента.

Последующая за этим статическая («замороженная») фиксация сформированной таким образом пространственной картины ДЛП осуществляется либо выпариванием растворителя из слоя ЛЖКМ, либо «сшивкой» мономерных или олигомерных ЖК молекул между собой в результате, например, их фото- или термополимеризации в слое ТЖКМ. При этом абсолютные максимальные величины фазовой задержки δ, сформированной в объеме каждой из субобластей χi(х,у) ЖК слоя равны.

При этом направления оптических осей в нем совпадают с направлением штрихов в соответствующей субобласти ZODMS. Однако фазовые дифракционно-решеточные структуры в их объемах отсутствуют, за исключением приповерхностной областей, непосредственно входящих в канавки ZODMSs.

Как и в третьем аспекте, в слое ЖКМ дополнительно можно растворять анизотропные, люминесцирующие под УФ-излучением молекулы, что обеспечивает в анизотропном твердом слое на основе ЖКМ формирование скрытых светящихся признаков защиты, визуализируемых с помощью УФ-излучения и динамически изменяющимися по топологической форме свечения в зависимости от состояния поляризации возбуждающего и/или люминесцентного излучения на стадии контроля подлинности самого защитного элемента.

Все это обеспечивает предлагаемое устройство еще одними дополнительными защитными признаками второго уровня, которые отсутствуют при наблюдении первого (визуального) уровня. Второй уровень (приборного с помощью одной УФ-подсветки или дополнительно с применением УФ или видимого поляризованного света, например свечения экрана практически любого бытового ЖК дисплейного элемента, например смартфона). Скрытые изображения визуализируются в виде, например мигающих сегментов (рисунок, логотип, текст и т.д.) на постоянно светящемся фоне.

Изложенные выше аспекты касаются размещения открытых и скрытых защитных признаков в предлагаемом защитном устройстве на основе ZODMS.

6. Заключительным аспектом является использование в каждом из вариантов заявляемого устройства, как минимум, двух из трех уровней защитных признаков, с возможностью их наблюдения в отраженном или прошедшем свете, как минимум, с одной из сторон защитного устройства.

1. Первый уровень защиты - непосредственное наблюдение в неполяризованном, как минимум, «белом» или спектрально-селективном свете, визуально видимых невооруженным глазом защитных признаков в изображении(ях), хранящихся в едином пространстве ψ(х,у) защитного устройства, или в функционально независимых и/или зависимых определенных его частях χi(х,у). Эти визуально видимые защитные признаки могут наблюдаться, например:

1.1 - в нулевом порядке дифракции «зеркально» отраженного и/или прошедшего считывающего излучения как спектрально-селективные или «моно» цветные недифракционные изображения, хранящиеся в ZODMSs фрагментах, и динамически изменяющиеся как по цвету, так и топологической форме χi(х,у) в зависимости от угла падения пучка света на защитное устройство и/или при его вращении вокруг оси наблюдения;

1.2. - в ± 1-ом порядке дифракции отраженного и/или прошедшего считывающего излучения при наличии в предлагаемых защитных устройствах субучастков с изотропными или анизотропными стандартными дифракционными решетками, дифрагирующими в видимой области спектра, как многоцветные изображения, динамически изменяющиеся по цвету и топологической форме в зависимости от угла падения пучка света на защитное устройство и/или его наклона и вращения вокруг оси наблюдения;

1.3. - в зеркально или частично зеркально отраженном или прошедшем направлении как «белые» или изотропно светорассеивающие «белые» изображения.

2. Второй уровень защиты - путем визуализации полностью или частично невидимых фрагментов защитных изображений с помощью одного или двух внешних поляризационных устройств типа поляроидов или устройств с ЖК-дисплеями, излучающими поляризованный свет, и/или с помощью неполяризованной или поляризованной УФ-подсветки защитного элемента и его визуального восприятия, в том числе поляризационного, визуально видимого люминесцентного изображения, исходящего от него.

Эти визуализируемые защитные признаки могут наблюдаться, например:

2.1. - в нулевом порядке дифракции отраженного и/или прошедшего считывающего излучения как спектрально-селективные или «моно» цветные недифракционные дихроичные изображения, хранящиеся в ZODMSs фрагментах, и динамически изменяющиеся с позитивного на негативный вид в зависимости от ориентации вектора поляризации света, падающего под любым углом на защитное устройство и при вращении последнего на 90° вокруг оси, перпендикулярной к нему;

2.2. - в нулевом порядке дифракции отраженного и прошедшего считывающего излучения (указанном в предыдущем пункте) как динамически изменяющиеся многоцветные изображения в пучке света, падающего под углом на защитное устройство или при вращении последнего на 90° вокруг оси, перпендикулярной к нему и наблюдаемое через второй поляризатор, скрещенный по ориентации вектора поляризации с первым поляризатором;

при этом визуализированный защитный признак соответствует субучастку χ_i(х,у) с однородной по величине периода и ориентации штрихов супердифракционной решеткой ZODMSs фрагмента слоя с n₂, который вместо совмещения с одним из изотропных слоев n₁ или n₃, совмещен с ДЛП слоем из ЖК материала;

при этом анизотропная супер решетка, канавки которой заполнены анизотропным слоем не обладает свойством дифракции видимой области, но ее поверхность является хорошим ориентантом не только приповерхностных молекул ЖКМ, но и в его объеме, что и обеспечивает свойство многоцветности визуализируемых защитных признаков на этапе 2.2;

2.3. - в ± 1-ом порядке дифракции отраженного и прошедшего считывающего излучения при наличии в предлагаемых защитных устройствах субучастков с анизотропными стандартными дифракционными решетками, работающими в видимой области спектра, динамически изменяющиеся по цвету и топологической форме в зависимости от угла падения и состояния поляризации пучка света на защитное устройство и при его вращении вокруг оси наблюдения;

при этом визуализированный защитный признак соответствует субучастку слоя с показателем преломления n₂ с однородной по величине периода и ориентации штрихов двухмерной анизотропной дифракционной решеткой, канавки которой, как и в п. 2.2. заполнены ДЛП слоем из ЖК материала;

2.4. - в нулевом порядке дифракции отраженного и прошедшего считывающего излучения как динамически изменяющиеся многоцветные изображения в пучке света, прошедшем через защитное устройство, размещенное между скрещенными поляризаторами в месте расположения стандартных поляризационных дифракционных решеток, работающих в видимой области спектра, канавки которых заполнены одним ДЛП слоем из ЖК материала и обладают, как указано в п. 2.3. свойством анизотропнной дифракции а их поверхность, как также указано в п 2.3, является хорошим ориентантом молекул ЖКМ в его объеме, что и обеспечивает свойство многоцветности визуализируемых защитных признаков на данном этапе;

2.5. - в нулевом порядке дифракции отраженного и прошедшего считывающего излучения как динамически изменяющиеся многоцветные изображения в пучке света, прошедшем через защитное устройство, размещенное между скрещенными поляризаторами в месте расположения на поверхности волноводного диэлектрического слоя с показателем преломления n₂ низкоглубинных дифракционных решеток, являющихся ориентантом анизотропных молекул в объеме слоя ЖКМ, нанесенного на поверхность этих решеток;

2.6. - аналогичен п. 2.5, но вместо низкоглубинных дифракционных решеток, являющихся ориентантом анизотропных молекул в объеме слоя ЖКМ, используется мономолекулярный слой фотоанизотропного материала (ФАМ), в котором с помощью поляризованного, например, УФ-излучения, осуществляется по заранее заданному дизайном защитного элемента прстранственно-картинная ориентация молекул ФАМ слоя [5], способного пространственно-ориентировать наносимый на его поверхность слой ЖКМ [6] в качестве одного из слоев, наносимых на указанный волноводный слой;

2.7. - в неполяризованном или поляризационном, визуально видимом люминесцентном свете излучения, исходящего от изотропно или анизотропно растворенных в полимерных слоях защитного устройства УФ-дихроичных, в том числе сублимирующихся люминофоров; в качестве полимерной матрицы для ввода в них таких люминофоров предложены пространственно картинно ориентированные по направлению оптической оси ЖК-материалы и одноосно ориентированные термопластичные полимеры. Ввод сублимирующихся люминофоров в эти структуры может осуществляться методом сублимационной термопечати.

3. Третий уровень защиты - любое из указанных выше изображений с наличием в них машиночитаемых защитных признаков.

Таким образом, применение предложенных в изобретении прозрачных анизотропных (двулучепреломляющих) слоев обеспечивает формирование и дополнительных оптически анизотропных (двулучепреломляющих) структур на их поверхности и в объеме. При этом размещение между ними волноводного изотропного высоко отражающего слоя с ZODMSs элементами, обеспечивают, таким образом, само защитное устройство значительным числом дополнительных визуально видимых, приборно-визуализируемых и/или машиночитаемых признаков защиты. Кроме того, эти слои также модифицируют и оптические характеристики ZODMSs с дифракционной микроструктурой нулевого порядка, делая их в том числе оптически анизотропными. Это совершенствует защитные признаки, хранящиеся в них.

4. Краткое описание чертежей

Признаки, элементы и преимущества изобретения вытекают из следующего описания осуществления изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых показаны:

фиг.1 - схематический вид сверху оптического защитного устройства с указанием пространственной ориентации решеток в отдельных его элементах, форм и профилей штрихов в них;

фиг.2 - вид в поперечном сечении варианта предлагаемого устройства;

фиг.2а,b - варианты предлагаемого устройства с рельефным структирированием с

одной (а) и двух (b) сторон.

фиг.3 - схема выявления в неполяризованном и поляризованном свете защитных признаков, размещенных в предлагаемом защитном устройстве;

фиг.4 - схематический вид сверху (а) и поперечного сечения (b) конструкции простейшего защитного устройства ZODMSa;

Описание вариантов исполнения дифракционного защитного устройства ZODMS типа далее представлено со ссылкой фиг. 1 - фиг.4.

На фиг. 1 схематически представлен вид сверху защищаемого изделия 1, например, в виде банкноты, банковской или кредитной карты, идентификационного или платежного документа, который имеет основу-носитель 2 и оптическое защитное устройство 11, размещенное в прозрачном участке 3 основы-носителя 2 ценного документа 1. Прозрачный участок 3, может быть, например прозрачным окном 3, практически совпадающим по геометрической форме и месторасположению по границе ψ(х,у) с защитным устройством 11.

При этом будучи многослойной структурой, защитное устройство 11 включает в своем составе комплексный оптический волноводный слой 12 с высоким показателем преломления n₂, границы которого совпадают с ψ(х,у) самого устройства 11 или меньше его с, как минимум, одним или двумя и более из множества основных информационно- несущих недифракционных по-разному одноцветных изображений ξ_i(х,у), например, 15-1, 15-2. Они визуально наблюдаются как независимые друг от друга или дополняющие друг друга по спектру свечения конфигурации изображения в нулевом порядке дифракции «зеркально» отраженного, а также «нулевого порядка» прошедшего (не показанного на фиг.1) пучка считывающего излучения.

Кроме того, в слое 12 может быть сформирована еще, как минимум, одна из трех поверхностно-рельефных структур. Это, например, структура 16, в виде одного или нескольких различно рельефно-структурированных «изображений», таких, например, как стандартные по пространственному периоду оптические дифракционные, динамически изменяющиеся изображения ζ_m(х,у), наблюдаемые, не в «нулевом», а в, как минимум, в одном из ± 1-ых порядках дифракции отраженного и прошедшего излучения. Это и одно или несколько визуально наблюдаемых изображений 17 в виде случайно рассеивающих структур с пограничными контурами δ_k(х,у) или внедренные в волноводные участки 18 слоя 12, не показанные на фиг.1, суперобласти с гладкими или супер низкоглубинными (в пределах от нескольких единиц до порядка двух десятков нанометров) дифракционно-решеточными поверхностями.

Указанные изображения 16, наблюдаются в, например, первом порядке дифракции видимого света, с, по меньшей мере, двумя и/или более информационно-несущими визуально видимыми, приборно-визуализируемыми и/или машиночитаемыми изображениями, динамически изменяющимися по цветовому признаку при его наклоне и вращении цветовых и/или изменяющихся защитных признаков. Эти признаки заложены как технические параметры оптических элементов на стадии дизайна в определенных оптических элементах, условно показанных, например, в виде 15 и 16.

Оставшееся пространство слоя элемента 12 может быть либо просто волноводным слоем с гладкой поверхностью 18 без упомянутых выше поверхностно-структурированных областей 16 и 17, либо рельефно структурировано в виде супер низкоглубинных дифракционных решеток. Визуальная невидимость указанных решеток обусловлена их крайне низкой величиной дифракционной эффективности.

На координатной по (х,у) сноске на фиг. 1а показаны структура и величины угла θ_i(х_i,у_i) пространственной ориентации штрихов 19 и пространственного периода ∧_i(х_i.у_i) в конкретных точках в плоскости (х,у) указанных рельефно-поверхностных дифракционных структур защитных элементов 15, 16 и, при необходимости, 18 слоя 12. В зависимости от технологии изготовления комплексного волноводного слоя 12 защитного устройства 11, его параметры могут иметь одинаковые технические характеристики на обеих его сторонах, за исключением глубины канавок между штрихами, как показано в сноске фиг. 2b) на фиг. 2.

На фиг. 1 не показаны два слоя 13 и 14 (они показаны на фиг. 2) с показателями преломления n₁ и n₃, меньшими чем n₂, обеспечивающие не только ввод считывающего излучения в волноводное устройство 12, и вывод из него этого излучения, содержащего в себе защитную информацию, но и влияющие на технические и защитные параметры выводимых признаков.

На фиг.2 и фиг.2а и фиг.2b представлены в поперечном сечении структуры варианта реализованного прозрачного многослойного защитного устройства 11 с определенной топологической пространственной формой контура границы ψ(х,у) и размещенного на временной технологической подложке, например в виде ПЭТ пленки-носителя 20 толщиной в пределах от 12-30 мкм, с разделительным слоем 21. Другие стандартные технологические слои типа клеевых структур холодного и/или горячего действия на фиг.2 не показаны. В зависимости от типа защищаемого изделия и технологии его изготовления, пленка-носитель 20 является основой-носителем устройства 11 и может быть удалена при размещении в окне или прозрачной основе-носителе 3 защищаемого изделия 1 (см. фиг. 1). Разделительный слой 21 выполнен из синтетических восковых композиций и имеет толщину 0,2-0,5 мкм или может быть выполнен из клеевого состава толщиной 3-5 - мкм в зависимости назначения защитного устройства 12.

На несущей ПЭТ пленке-носителе 20 через разделительный слой 21, непосредственно контактирующий с пленкой-носителем 20, после полимерного слоя 22, защищающего устройство 11 от всевозможных механических и химических повреждений, расположен слой 13, выполненный, например, из одноосно ориентированного термопластичного прозрачного полимера с показателем преломления n₁.

Слой 13 имеет топологически, как минимум, одну и ту же разделительную плоскую или рельефно-структурированную поверхность в виде, например, супер высокочастотных 15 и других 16-18 структур с одной из сторон информационно-несущего волноводного слоя 12 с высоким показателем преломления n₂. С другой стороны слоя 12 расположен второй, например, изотропный или анизотропный (двулучепреломляющий) слой 14 с низким показателем преломления n₃ со встречной микроструктурной поверхностью как на второй стороне слоя 12. Далее для защиты от различных механических, химических и других повреждений на всю поверхность устройства наносится лаковое покрытие 23.

В зависимости от конкретного варианта исполнения защитного элемента каждый из слоев 13 и 14 может быть выполнен из изотропного или анизотропного материала в виде ориентированного термопластичного прозрачного полимера или ЖК материала и последовательно расположенных на сторонах волноводного рельефонесущего слоя 12.

При этом сам волноводный слой 12 с высоким показателем преломления выполнен, как правило, из диэлектрического материала органического или неорганического происхождения типа ZnS или реже из двулучепреломляющего термотропного или лиотропного ЖКМ.

На фиг.2а и фиг.2b дается визуальное представление двух вариантов конструкции комплексного защитного устройства 11, в котором хотя бы одна сторона двухмерного по координатам (х,у) слоя 12 была поверхностно- рельефно микроструктурирована в виде:

- структур ZODMS типа с супер высокочастотными решетками 15 (15-1 и 15-2),

- обычных оптических дифракционных решеток в видимой области спектра 16,

- случайно рельефных структур 17,

- гладких плоских субобластей, составляющих часть области 18 или

-обычных оптических дифракционно решеток в видимой области спектра (не показанных на фиг.2а,b) с супер мелкоглубинным (менее 15 нм) рельефом на остальной части области 18.

В качестве слоя 13 или 14 на одну из сторон слоя 12 защитного устройства 11 с рельефно-структурированной поверхностью может быть нанесен слой из ЖК материала с низким показателем преломления n₁ или n₃. При этом сама поверхность (кроме указанных гладких субобластей) слоя 12 выполняет не только информационно-несущую в виде защитных признаков роль, но и технологическую роль ориентанта ЖКМ при формировании пространственно-модулированного (картинного) направления оптической оси в объеме нанесенного на нее слоя ЖК композиции. Однако участки слоя ЖК, расположенные над субобластями 18 поверхности слоя 12 будут случайно ориентированы. Эта проблема решается путем, фотохимической или фотофизической модификации всей поверхности слоя 12 или указанной его субобласти 18, мономолекулярным слоем 24 из фотоанизотропного материала (ФАМ) [5], проявляющего фотоиндуцированную картинную по пространственной молекулярной ориентации под действием поляризованного или неполяризованного излучения, поглощаемого им и обеспечивающего картинную ориентацию оптической оси слоя жидкого кристалла, нанесеннего на него [6]. Более того, области ЖКМ, также нанесенные на участки 15, 16 и 17 слоя 12 с модифицированной мономолекулярным слоем 24 рельефно-структурированной поверхностью приобретают комбинированную (гибридную) картинно-модулированную ориентацию своей оптической оси. Это позволяет еще более увеличить информационную емкость защитных свойств всего устройства 11 путем создания новых принципов получения поляризационных защитных признаков.

На фиг. 3 схематически представлены некоторые варианты выявления наблюдателем 30 защитных признаков, которые могут быть размещены в символьных изображениях 15, 16, 17 и 18 предлагаемого защитного устройства 11. При визуальном считывании этот процесс осуществлялся в неполяризованном свете 31 без поляроидов 32 и 33, падающем на устройство 11 под углом ϕ. Визуализация скрытых признаков производилась в поляризованном свете с одним 32 или двумя взаимно ортогонально ориентированными между собой поляроидами 32, 33.

При этом, как показано на фиг. 3, предлагаемый способ верификации использует в каждом из вариантов, как минимум, два из трех уровней защитных признаков, хранящихся как минимум в одном из символов субобластей 15-18 с возможностью их наблюдения в «зеркально» отраженном 34 или прошедшем 33 свете как минимум с одной из сторон защитного устройства 11.

В первом уровне защиты осуществляется непосредственное наблюдение в неполяризованном как минимум «белом» или спектрально-селективном свете 31 визуально видимых невооруженным глазом 30 защитных признаков в изображениях, хранящихся в едином пространстве ψ(х,у) защитного устройства 11, или в функционально независимых и/или зависимых определенных его частях 15-18 χi(х,у);

Во втором уровне защиты производится визуализация для наблюдателя 30 полностью или частично невидимых фрагментов защитных изображений 15, 16 и 18 с помощью внешних поляризационных устройств типа поляроидов 32 и 33 или устройств с ЖК-дисплеями (не показаны на фиг. 3), излучающими уже линейно или циркулярно-поляризованный свет. Визуализирующее излучение может принадлежать также внешнему источнику УФ-излучения с различными длинами волн и различными люминофорными молекулами в самих люминесцентных защитных признаках, переизлучающими это поглощенное ими излучение в люминесцирующий световой поток видимого света, в том числе с различным вектором поляризации и в различной области спектра. В последнем случае УФ-источник может облучать защитное устройство 11, содержащее в своем составе анизотропные люминофоры с различными спектрами поглощения и свечения. В третьем уровне защиты по замыслу дизайна машиночитаемое считывание защитных признаков может осуществляться с любых из указанных выше изображений, хранящих эти признаки.

Далее для краткости приводятся несколько наиболее характерных примеров визуализации защитных признаков в одном из вариантов предлагаемого защитного устройства 11, представляющего собой структуру, состоящую из односторонне рельефно структурированного изотропного волноводного слоя 12 неорганического диэлектрика, например ZnS, с высоким показателем преломления n₂ =2.2, размещенного между одноосно ориентированным полимерным слоем 13 и слоем 14, выполненным из ЖКМ.

При этом слой 13 нанесен на гладкой стороне волноводного слоя 12, а ЖК слой 14 сформирован, например, методом полива из раствора, на другой рельефно-структурированной стороне этого слоя 12.

В результате однородный оптически прозрачный слой 14 становился комплексным по пространственному распределению оптической оси сформированного ДЛП в нем. Это пространственное распределение зависит от пространственной ориентации мезоморфных молекул, пространственно- картинно- самоориентирующихся в объеме этого слоя 14 в областях, расположенных напротив указанных субобластей χi(х,у), например, 15-1 и 15-2 слоя 12 в соответствии с пограничной поверхностной ZODMS или другой дифракционно-решеточной структурой, сформированной, например, на участках 15-1 и 15-2, а также в субобластях 16 и 18 слоя 12.

При этом в объеме оптически-анизотропного слоя 14 могут быть образованы два, наложенных друг на друга типа анизотропных изображений: а) - двухмерные поляризационные дифракционно-решеточные «изображения» в виде изотропных штрихов волноводного слоя 12 и анизотропных канавок между ними, заполненных ориентированными мезоморфными молекулами слоя 14 и b) - поляризационные недифракционно-решеточные «изображения» из таких же мезоморфных молекул, но расположенных в объеме слоя 14 вне канавок и пространственно- картинно самоориентированных в его объеме в результате анизотропии межмолекулярного взаимодействия с мезоморфными молекулами а) в канавках. При этом молекулярная ориентация в поляризованных изображениях b) совпадает с ориентацией штрихов в поляризованных изображениях а).

Применение в качестве ориентантов ЖКМ супер высокочастотных решеток (как в субобласти 15) или обычных оптических решеток (как в субобласти 16) или с супер низкоглубинными (менее 20 нм) канавками (как в субобласти 18) позволяет, при необходимости, формировать защитные признаки только типа b). Это же возможно и при использовании фотоанизотропных материалов в качестве фотоориентантов 24 (как в случае субобластей 18).

С учетом описанного выше следует, что:

1. При первом уровне защиты визуально видимые защитные признаки наблюдаются:

1.1. - в субобластях χi(х,у), например 15-1 и 15-2 слоя 12 с пограничной поверхностной дифракционно-решеточной ZODMS структурой:

в нулевом порядке дифракции «зеркально» отраженного или прошедшего излучения защитные признаки наблюдаются как спектрально-селективные или «моно» цветные недифракционные изображения, динамически изменяющиеся по цвету и топологической форме в зависимости от угла падения пучка света на защитное устройство и/или его вращения вокруг оси наблюдения;

1.2. - в субобласти 16 слоя 12 с изотропными стандартными рельефными дифракционными решетками, работающими в видимой области спектра и с теми же слоями 13 и 14 с обеих сторон:

в ± 1 порядке дифракции защитные признаки наблюдаются как дифракционные изображения, динамически изменяющиеся по цвету и топологической форме в зависимости от угла падения пучка света на защитное устройство и/или его вращения вокруг оси наблюдения;

1.3. - в субобластях 17 и 18:

в зеркально-отраженном свете источника 31 наблюдаются как изотропно светорассеивающие «белые» изображения субобластей 17 на темном или равномерно яркосветящемся отраженном фоне субобластей 18.

2. При втором уровне защиты эти визуализируемые защитные признаки наблюдаются:

2.1. - в субобластях 15 слоя 12 с теми же ZODMSs фрагментами χi(х,у) с изотропным слоем 13 и тем же обрамляющим ЖК-полимерным структурным слоем 1:

в нулевом порядке дифракции как спектрально - селективные или «моно» цветные недифракционные дихроичные изображения, например все те же 15-1 и 15-2 изображения (указанные в п. 1.1.), но динамически переходящие с позитивного на негативный вид при периодическом с помощью поляризатора 36 изменении ориентации на 90° вектора поляризации падающего пучка света 32 на защитное устройство 11 со стороны изотропного слоя 13;

2.2. - в субобластях 15 слоя 12 с теми же ZODMSs фрагментами χi(х,у) с изотропным слоем 13 и тем же обрамляющим ЖК полимерным структурным слоем 14, размещенные между двумя скрещенными поляризаторами 32 и 33:

в нулевом порядке дифракции как динамически изменяющиеся многоцветные (отличные от п.1.1. и п. 2.1.) недифракционные изображения пучка света, при взаимном наклоне или вращении элементов 11, 32 и 33;

2.3. - в субобластях 16 слоя 12 с изотропным слоем 13 и тем же обрамляющим ЖК полимерным структурным слоем 14, размещенные между двумя скрещенными поляризаторами 32 и 33:

в нулевом порядке дифракции как динамически изменяющиеся многоцветные (отличные от п.1.1. и п. 2.1.) недифракционные изображения 2.3. пучка света, при взаимном наклоне или вращении элементов 11, 32 и 33;

2.4. - в субобластях 16 слоя 12 с изотропным слоем 13 и тем же обрамляющим полимерным структурным ЖК-слоем 14, которые размещены между двумя скрещенными поляризаторами 32 и 33:

в ± 1 порядке дифракции как динамически изменяющиеся многоцветные (отличные от п. 2.3.) дифракционные изображения 2.4. пучка света, при взаимном наклоне и/или вращении элементов 11, 32 и 33;

2.5. - в субобластях 18 слоя 12 с как минимум с множеством оптических с супермелкоглубинных дифракционных решеток ДР изотропным слоем 13 и тем же обрамляющим полимерным структурным ЖК-слоем 14, размещенные между двумя скрещенными поляризаторами 32 и 33:

в нулевом порядке дифракции как динамически изменяющиеся многоцветные недифракционные изображения 2.5. пучка света, при взаимном наклоне или вращении элементов 11, 32 и 33 друг относительно друга;

2.6. - в зеркально отраженном и прошедшем световом пучке субучастков 18 с как минимум множеством обычных ДР или супер мелкоглубинных ДР между скрещенными поляризаторами:

как недифракционные изображения 2.6., динамически изменяющиеся по цвету при взаимном наклоне или вращении элементов 11, 32 и 33 друг относительно друга.

3. При третьем уровне защиты анизотропная операция верификации относится ко всем невидимым ДЛП признакам, формируемым с помощью как минимум одного из трех анизотропных слоев.

5. Осуществление изобретения

Пример реализации

В качестве примера далее приводится простейший вариант реализации предлагаемого изобретения с использованием неорганического диэлектрического волноводного слоя 12 ZnS с показателем преломления n_{2 =} 2.1 и структурой ZODMS типа, сформированной на обеих его сторонах, на которые наносились слои 13 и 14 на основе фотополимеризующихся композиций.

Микрорельефные плоские оптические элементы дифракционно-решеточного типа записываются с помощью электронно-лучевой литографии (электронный литограф Carl Zeiss ZBA-21) на пластинах с электронным резистом. Однако фрагменты χ_j(х,у) могут изготавливаться не только электронно-лучевым методом, но и с помощью коммерческой голографической установки, например Kine-max (производства Polish Holigraphic System), по «Dot-Matrix» технологии излучением полупроводникового лазера с длиной волны 440 нм с последующим совмещением фрагментов χ_i(х,у) и χ_j(х,у) в одном УФ-литографическом процессе.

Последующим получением с них никелевых мастер-копий методом массовой «рулонной технологии» были изготовлены образцы защитного устройства 40, поперечное сечение которого дано на фиг. 4а, а лицевая структура его двухмерных защитных образов χ_i(х,у) ZODMS типа, размещенных на пленочном слое комплексного волновода 42 схематически представлена на фиг. 4b. Элемент 40 выполнен на полимерной основе типа двухосно (позиция 50 на фиг. 4b) ориентированной пленке 41 ПЭТ толщиной 19 мкм с разделительным слоем 42 толщиной доли мкм. На поверхности этого слоя 42 размещался термопластичный полимерный слой 43, на котором с помощью никелевой прессформы тиснились информационно-несущие микрорельефные дифракционные структуры χ_i(х,у) 47-49 (стрелки 50 - 52 показывают ориентацию штрихов в них) с пространственным периодом 350 нм и глубиной рельефа с синусоидальным профилем в них от 120 до 150 нм. Поверх всего защитного элемента методом вакуумного напыления наносился слой сульфида цинка (ZnS) 44 с n₂ ≈ 2,1 и максимумом поглощения 440-460 нм. При этом величина отражающей способности составляла ≈ 40-42% в более длинноволновой видимой области спектра. Режим напыления обеспечивал получение волноводной слоя с заданной толщиной и двухсторонней топологической синусоидальной рельефной структурой поверхности. На полученную рельефно-несущую волноводную структуру методом полива из раствора наносился полимерный слой 45 и далее наносилось лаковое покрытие 46, защищающее изделие от механических, химических и других повреждений.

Полученный защитный элемент, размещался перпендикулярно оси между источником излучения и наблюдателем и вращался на 90 градусов вокруг этой оси. Источником излучения при этом был естественный «белый» свет.

Причем, даже в обычном рассеянном свете области голограммы по-разному окрашены и при повороте голограммы на 90 цвета изменялись. Таким образом, даже в простейшем виде изготовленные образцы показывают высокую эффективность предложенных технических решений.

6. Промышленная применимость

Предложенные выше варианты защитного устройства обеспечивают улучшение и расширение, как минимум, второго уровня защиты. Оно может быть успешно применено к документам, таким как кредитные карты, удостоверения личности, паспорта, банкноты, чеки и т.п., в целях их аутентификации, обеспечивая дополнительный поляризационный уровень защиты и более эффективную аутентификацию защищенного документа.

7. Терминология и обозначения

Дифракционные МикроСтруктуры Нулевого Порядка - Zero-Order Diffractive Microstructive (ZODMs).

Оптически изменяющиеся устройства - Optically Variable Devices (OVDs).

Устройства с дифракционными оптически изменяющимися изображениями - Diffractive Optically Variable Image Devices (DOVIDs).

ФАМ - фотоанизотропный материал - как правило, исходно изотропный по оптическим свойствам аморфный твердотельный материал на основе оптически анизотропных молекул, проявляющих фотофизическую и/или фотохимическую поверхностно-объемную картинную молекулярно-упорядоченную переориентацию и формирование пространственно-направленной оптической оси в нем при одно- и/или двухфотонно поглощении ими излучения с пространственно-картинным распределением состояния (линейной, эллиптической или круговой) его поляризации.

Фотоориентация ЖК слоя - пространственно-картинное формирование направления молекулярной оптической оси в объеме слоя термотропного и/или лиотропного жидкого кристалла путем его нанесения на поверхность фотоанизотропного материала, облученного поляризованным или неполяризованным активирующим излучением до или после нанесения на него слоя ЖК.

8. Используемые источники:

1. US 4 705 356 (1987) «Thin film optical variable article having substantial color shift with angle and method».

2. US 4484797 (1984) «Diffractive subtractive color filter responsible to angle of incidence polychromatic illuminating light».

3. M. T. Gale «Решетчатые микроструктуры нулевого порядка» в R. L. van Renesse, Optical Document Security, 2nd Ed., p. 267-287).

4. WO 03/059643 (2003) «Diffractive security element having an integrated optical waveguide».

5. RU 2 683 873 (2019) «Способ формирования поляризационно-чувствительного материала, поляризационно-чувствительный материал, полученный указанным способом, и поляризационно-чувствительные материалы и устройства, включающие указанный поляризационно-чувствительный материал», В. Беляев, Д. Чаусов, В. Козенков, А. Спахов.

6. V. Chigrinov, V. Kozenkov, Н.-S. Kwok. «Photoalignment of Liquid Crystalline Materials: Physics and Application», J. Wiley & Sons, Ltd., Chichester, 2008, рр. 231.

Изобретение относится к области защиты от подделки ценных документов и касается многослойного защитного устройства. Защитное устройство содержит тонкопленочный оптически прозрачный в видимой области спектра волноводный диэлектрический слой, поверхность которого картинно-рельефно структурирована в виде дифракционно-решеточной микроструктуры нулевого порядка (ZODMS), а также включает в себя семейство других поверхностно-рельефных микроизображений, отличных от ZODMS. С обеих его сторон нанесены тонкопленочные полимерные прозрачные покрытия. Как минимум один из тонкопленочных полимерных слоев выполнен из анизотропного материала с введенными как минимум в один из них на молекулярном уровне люминофорами, прозрачными в видимой области спектра, но поглощающими в УФ области и образующими скрытые анизотропные защитные признаки в виде люминесцирующих изображений, визуализируемых в виде динамически изменяющегося по цвету и пространственной конфигурации свечения при изменении наклонной или вращательной ориентации защитного элемента, а также состояния поляризации поглощаемого и переизлучаемого люминофорами излучения. Технический результат заключается в улучшении защитных свойств устройства. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Многослойное защитное устройство с определенной топологической пространственной формой контура границы ψ(х,у) и размещенное на временной подложке, например, в виде полиэтилентерефталатной пленки-носителя с разделительным слоем, содержащее в своем составе тонкопленочный комбинированный оптически прозрачный волноводный в видимой области спектра диэлектрический слой с высоким показателем преломления n₂, поверхность которого, по крайней мере с одной стороны, картинно-рельефно структурирована в виде как минимум одной супервысокочастотной дифракционно-решеточной микроструктуры нулевого порядка (Zero-Order Diffractive MicroStructures – ZODMSs) изображения ZODMS типа, а также включающего в себя, как минимум, семейство других поверхностно-рельефных микроизображений χ_i(х,у), в том числе типа обычных дифракционных решеток оптического диапазона, отличных от ZODMS, с нанесенными с обеих его сторон тонкопленочными полимерными прозрачными покрытиями с показателями преломления n₁ и n₃, ниже n₂, внутренние поверхности которых совпадают с внутренними поверхностями волноводного слоя, отличающееся тем, что как минимум один из указанных тонкопленочных полимерных прозрачных слоев выполнен из единого анизотропного материала, например, в виде одноосно ориентированного слоя органического термопластичного полимера, или из оптически анизотропных материалов в виде фото- или термополимеризующихся жидкокристаллических мономеров или олигомеров, образующих пространственно-картинно-ориентированные по направлению оптической оси анизотропные двулучепреломляющие полимеры с введенными как минимум в один из них на молекулярном уровне методом цветной сублимационной термопечати, анизотропными и/или изотропными органическими или неорганическими сублимирующимися люминофорами, прозрачными в видимой области спектра, но поглощающими в УФ области и образующими скрытые анизотропные защитные признаки в виде люминесцирующих изображений, визуализируемых в виде динамически изменяющегося по цвету и пространственной конфигурации свечения при изменении наклонной или вращательной ориентации защитного элемента, а также состояния поляризации поглощаемого указанными люминофорами УФ и переизлучаемого ими видимого излучения.

2. Защитное устройство по п. 1, в котором параметрами дифракционных решеток, служащих в качестве защитных признаков, являются заданные величины пространственных периодов расположения штрихов ∧(х.у) (дискретно в пределах от 150 нм и до 1500 нм) и заданное (локальное и/или непрерывное) пространственное распределение их направлений (углов ориентации) θ(х,у) в пределах от чуть более 0° до чуть менее 180° единого заданного направления в системе координат в плоскости (х,у), а также топологические профили G(х,у) и глубины H(х,у) канавок между ними.

3. Защитное устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что пространственные периоды штрихов и углы их пространственных направлений в дифракционных структурах ZODMSs типа и оптических структурах с порядком дифракции в видимой области спектра выполнены с допуском ± 5%.

4. Защитное устройство по п. 1, в качестве волноводного слоя в котором могут использоваться изотропные неорганические и/или органические диэлектрики и полимеры, прозрачные в видимой области двулучепреломляющие термотропные или лиотропные жидкокристаллические материалы.

5. Защитное устройство по п. 1, в качестве слоев с показателями преломления n₁ и n₃ используются одноосно ориентированные термопластичные полимеры.

6. Защитное устройство по п. 1, в качестве одного из слоев с низкими показателями преломления используются аэрогели с показателями преломления в видимой области спектра в пределах от 1.2 до 1.4.

7. Защитное устройство по п. 1, в котором в качестве анизотропных люминофоров используются прозрачные в видимой области спектра сублимирующиеся вещества с различными областями спектров дихроичного УФ-поглощения и видимой люминесценции.

8. Защитное устройство по пп. 1, 7, в котором пространственно-локальное введение сублимирующихся веществ в полимерные слои в виде скрытых изображений, обеспечивающих многоцветные, визуально видимые светящиеся изображения, осуществляется с использованием метода многоцветной сублимационной термопечати.

9. Способ верификации защищаемого объекта с защитным устройством по одному из пп. 1-8, использующий в каждом из вариантов заявляемого устройства как минимум два из трех уровней защитных признаков с возможностью их наблюдения в отраженном и/или прошедшем свете как минимум с одной из сторон защитного устройства, при этом в первом уровне защиты осуществляется непосредственное наблюдение в неполяризованном, как минимум «белом» или спектрально-селективном, свете визуально видимых невооруженным глазом защитных признаков в изображениях, хранящихся в едином пространстве ψ(х,у) защитного устройства, или в функционально независимых и/или зависимых определенных его частях χ_i(х,у); при втором уровне защиты визуализация полностью или частично невидимых защитных признаков в фрагментах защитных изображений осуществляется с помощью внешних поляризационных устройств типа поляроидов или устройств с ЖК дисплеями, излучающими поляризованный свет или с помощью внешнего источника УФ-излучения с различными длинами волн, переизлучаемых люминофорными молекулами, входящими в состав композиций слоев, в которых размещены указанные защитные изображения, и третий уровень защиты любых из указанных выше изображений производится с наличием в них машиночитаемых параметров защитных признаков.

10. Способ верификации по п. 9, в котором некоторые из этих визуально видимых защитных признаков наблюдаются:

- в нулевом порядке дифракции «зеркально» отраженного и/или прошедшего считывающего излучения как спектрально- селективные или «моно» цветные недифракционные изображения, хранящиеся в ZODMSs фрагментах волноводного слоя, динамически изменяющиеся как по цвету, так и топологической форме χ_i(х,у) в зависимости от угла падения пучка света на защитное устройство и/или его вращения вокруг оси наблюдения;

- в ± 1 порядке дифракции отраженного и/или прошедшего считывающего излучения на субучастках волноводного слоя с изотропными стандартными дифракционными решетками, работающими в видимой области спектра, как динамически изменяющиеся по цвету и топологической форме дифракционные изображения в зависимости от угла падения пучка света на защитное устройство и/или его вращения вокруг оси наблюдения.

11. Способ верификации по п. 9, в котором некоторые из внешне визуализируемых защитных признаков наблюдаются:

- в нулевом порядке дифракции отраженного и/или прошедшего считывающего излучения как спектрально–селективные или «моно» цветные недифракционные дихроичные изображения, хранящиеся в ZODMSs фрагментах того же участка защитного устройства, но в поляризованном излучении, динамически изменяющиеся с позитивного на негативный вид в зависимости от ориентации вектора поляризации падения пучка света на защитное устройство; при этом облучение защитного устройства осуществляется с одним поляризатором со стороны изотропного слоя;

- в нулевом порядке дифракции отраженного и/или прошедшего считывающего излучения как другие динамически изменяющиеся многоцветные изображения, хранящиеся в тех же участках ZODMSs фрагментов волноводного слоя защитного устройства, но размещенных между скрещенными поляризаторами;

- в нулевом порядке дифракции отраженного и/или прошедшего считывающего излучения на субучастках волноводного слоя с изотропными стандартными дифракционными решетками, работающими в видимой области спектра, размещенных между скрещенными поляризаторами, как динамически изменяющиеся по цвету и топологической форме недифракционные изображения, сформированного в объеме жидкокристаллического слоя в зависимости от угла падения пучка света на защитное устройство и/или его вращения вокруг оси наблюдения относительно скрещенных поляризаторов;

- в ± 1 порядке дифракции отраженного и/или прошедшего считывающего излучения на тех же субучастках волноводного слоя, что и вышеизложенные, и тех же условиях наблюдения в скрещенных поляризаторах, но с другими изменениями в цветовых и топологических формах наблюдаемых дифракционных изображений, сформированных в двухмерных поляризационных дифракционных решетках на границе волноводного и жидкокристаллического слоев;

- в отраженном и/или прошедшем считывающем излучении на субучастках двулучепреломляющего жидкокристаллического слоя, высококонтактно граничащего с изотропными стандартными по пространственному периоду и супернизкоглубинными дифракционными решетками, работающими в видимой области спектра и размещенными между скрещенными поляризаторами; при этом недифракционные поляризационные изображения, сформированные в объеме жидкокристаллического слоя, наблюдаются как динамически изменяющиеся по цвету и топологической форме в зависимости от угла падения пучка света на защитное устройство и/или его вращения вокруг оси наблюдения относительно скрещенных поляризаторов.

12. Способ верификации по п. 9, в котором внешне невидимые люминесцентные защитные признаки визуализируются с помощью облучения защитного устройства неполяризованным или поляризованным УФ-излучением определенного спектрального состава и наблюдаются в неполяризованном или поляризованном с помощью поляризатора видимом излучении, излучаемом молекулами люминофора, содержащимися в скрытых защитных изображениях, хранящихся в самом защитном устройстве.