Патент на изобретение №2311304

(54) ЗАЩИТНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С МИКРО- И МАКРОСТРУКТУРАМИ

(57) Реферат:

Защитный элемент содержит многослойную структуру с размещенными между двумя прозрачными слоями многослойной структуры микроскопически мелкими оптически действующими структурами поверхностного образца. Оптически действующие структуры сформированы в виде поверхностных участков защитного знака образованной осями координат (х; у) плоскости поверхностного образца в отражающей граничной поверхности между слоями. По меньшей мере, один поверхностный элемент с размерами более 0,4 мм имеет дифракционную структуру (S;S*;S**), образованную аддитивной или субтрактивной суперпозицией описывающей макроскопическую структуру функции суперпозиции (М) с микроскопически тонким рельефным профилем (R). При этом функция суперпозиции (М), рельефный профиль (R) и дифракционная структура (S; S*; S**) являются функциями координат (х, у) и рельефный профиль (R) описывает оптически действующую структуру (9), обеспечивающую дифракцию света или рассеяние света, сохраняющую соответственно функции суперпозиции (М), предварительно определенный рельефный профиль (R). Средняя плоскость, определяемая, по меньшей мере, кусочно-непрерывной функцией суперпозиции (М), по меньшей мере, на участках изгибается и в каждой точке имеет предварительно определенный градиентом функции суперпозиции (М) локальный угол наклона (). Функция не является периодической треугольной или прямоугольной функцией и по сравнению с рельефным профилем (R) является медленно изменяющейся. При наклоне или повороте многослойной структуры наблюдатель видит на освещенных поверхностных элементах зависящие от направления наблюдения непрерывно перемещающиеся полосы. Экономичный защитный элемент обладает высокой устойчивостью по отношению к попыткам подделок, например посредством голографического копирования, так как образует двойственный барьер. 18 з.п. ф-лы, 13 ил.. Если оптически действующая структура 9 является плоской зеркальной поверхностью, параллельной поверхности многослойной структуры, то нормаль 21 к поверхности и направление отраженного света 22 образуют стороны угла отражения , причем =-. Если оптически действующая структура 9 является одной из известных решеток, то такая решетка отклоняет падающий свет 11 согласно различным порядкам дифракции 23-25, определяемым пространственной частотой f решетки, причем при условии, что описывающий решетку вектор решетки лежит в плоскости 20 дифракции. Содержащиеся в падающем свете 11 длины волн отклоняются под предварительно определенными углами согласно различным порядкам дифракции 23-25. Например, решетка отклоняет фиолетовый свет (=380 нм) одновременно как луч 26 соответственно плюс первому порядку дифракции 23, как луч 27 соответственно минус первому порядку дифракции 24 и как луч 28 соответственно минус второму порядку дифракции 25. Составляющие света с большими длинами волн падающего света 11 выходят в направлениях с увеличенными углами дифракции относительно нормали 21 к поверхности, например красный свет (= 700 нм) в направлениях, обозначенных стрелками 29, 30, 31. Полихроматический падающий свет 11 вследствие дифракции на решетке разветвляется на световые лучи различных длин волн падающего света 11, то есть видимая часть спектра простирается в диапазоне от фиолетового светового луча (стрелка 26, или 27, или 28) до красного светового луча (стрелка 29, или 30, или 31) в каждом порядке дифракции 23, или 24, или 25. Свет, дифрагированный согласно нулевому порядку дифракции, представляет собой свет 22, отраженный под углом отражения .

На фиг. 4 показана дифракционная решетка 32, сформированная на поверхностных элементах 17-19 (фиг. 2), микроскопически тонкий рельефный профиль R(x,y) которой имеет, например, синусообразное периодическое сечение профиля с постоянной высотой h профиля и пространственной частотой f. Исследованный рельеф дифракционной решетки 32 определяет среднюю плоскость 33, расположенную параллельно покрывающему слою 4. Параллельно падающий свет 11 проникает через покрывающий слой 4 и слой 5 формования и отклоняется на оптически действующей структуре 9 (фиг. 1) дифракционной решетки 32. Параллельные дифрагированные световые лучи 34 длины волны выходят из защитного элемента 2 в направлении наблюдения наблюдателя 35, который при освещении поверхностного образца 12 (фиг. 2) параллельно падающим светом 11 наблюдает цветные, ярко светящиеся поверхностные элементы 17, 18, 19.

На фиг. 5 плоскость 20 дифракции лежит в плоскости чертежа. По меньшей мере, на одном из поверхностных элементов 13-15 (фиг. 2) защитного знака 16 (фиг. 2) сформирована дифракционная структура S(x,y), средняя плоскость 33 которой выполнена выпуклой или локально наклоненной к поверхности многослойной структуры 1. Дифракционная структура S(x,y) является функцией координат х и у в плоскости поверхностного образца 12 (фиг. 2), параллельной поверхности многослойной структуры 1, в которой лежат поверхностные элементы 13, 14, (фиг. 2) 15. В каждой точке Р(х,у) дифракционная структура S(x,y) определяет расстояние z до плоскости поверхностного образца 12, параллельное нормали 21 к поверхности. В целом, дифракционная структура S(x,y) является суммой, состоящей из рельефного профиля R(x,y) (фиг. 4) дифракционной решетки 32 (фиг. 4) и однозначно определенной функции суперпозиции М(х,у), со средней плоскостью 33, причем S(x,y)=R(x,y)+M(x,y). Например, рельефный профиль R(x,y) образует периодическую дифракционную решетку 32 с профилем одной из известных синусоидальных, асимметричных или симметричных пилообразных или прямоугольных форм.

В другом варианте выполнения микроскопически тонкий рельеф R(x,y) дифракционной структуры S(x,y) представляет собой матовую структуру вместо периодической дифракционной решетки 32. Матовая структура представляет собой микроскопически тонкую стохастическую структуру с заданной характеристикой рассеяния для падающего света 11, причем при анизотропной матовой структуре вместо вектора решетки имеется предпочтительное направление. Матовые структуры рассеивают перпендикулярно падающий свет в конусе рассеяния с углом раскрытия, определяемым рассеивающей способностью матовой структуры, и с направлением отраженного света 22 в качестве оси конуса. Интенсивность рассеянного света, например, на оси конуса наибольшая и убывает с увеличением расстояния от оси конуса, причем свет, отклоненный в направлении образующих конуса рассеяния, для наблюдателя является невидимым. Поперечное сечение конуса рассеяния, перпендикулярное оси конуса, имеет симметрию вращения в случае матовой структуры, называемой здесь «изотропной». Если поперечное сечение в предпочтительном направлении в противоположность этому сплющено, т.е. эллиптически деформировано, причем короткая главная ось эллипса параллельна предпочтительному направлению, то матовая структура определяется здесь как «анизотропная».

Ввиду аддитивной или субтрактивной суперпозиции высота h (фиг. 4) рельефного профиля R(x,y) в области функции суперпозиции М(х,у) не изменяется, то есть рельефный профиль R(x,y) следует функции суперпозиции М(х,у). Однозначно определенная функция суперпозиции М(х,у) является, по меньшей мере, кусочно-дифференцируемой и, по меньшей мере, на участках изогнута, т.е. М(х,у)0, периодической или апериодической и не является треугольной или прямоугольной функцией. Периодические функции суперпозиции М(х,у) имеют пространственную частоту F, равную максимально 20 линий/мм. Для хорошей видимости соединительные участки между двумя соседними экстремальными значениями функции суперпозиции М(х,у) имеют длину, по меньшей мере, 0,025 мм. Предпочтительные значения для пространственной частоты F ограничены максимальным значением 10 линий/мм, а предпочтительные значения для расстояния между соседними экстремальными значениями составляют, по меньшей мере, 0,05 мм. Функция суперпозиции М(х,у) изменяется таким образом как макроскопическая функция в непрерывной области медленно по сравнению с рельефным профилем R(x,y).

Спроецированная на плоскость поверхностного образца 12 (фиг. 2) линия пересечения плоскости 20 дифракции со средней плоскостью 33 определяет след 36 (фиг.2). Функция суперпозиции М(х,у) имеет в каждой точке Р(х,у) на лежащих параллельно следу 36 соединительных участках с постоянными отрезками градиент 38 grad(M(x,y)). Обычно под градиентом 38 понимается составляющая grad(M(x,y)) в плоскости 20 дифракции, так как наблюдатель 35 определяет оптически действующую плоскость 20 дифракции. Дифракционная решетка 32 в каждой точке поверхностных элементов 13, 14, 15 имеет наклон , заданный градиентом 38 функции суперпозиции М(х,у).

Деформация средней плоскости 33 обуславливает новое предпочтительное оптическое действие. Это действие поясняется на основе поведения дифракции в точках пересечения А, В, С нормали 21 к поверхности и нормалей 21′, 21″ к средней плоскости 33, например вдоль следа 36. Преломление падающего света 11, отраженного света 22 и дифрагированных световых лучей 34 на граничных плоскостях многослойной структуры 1 для наглядности не показано на фиг. 5 и в последующих расчетах не учитывается. В каждой точке А, В, С пересечения наклон определяется градиентом 38. Нормали 21′ и 21″, вектор дифракционной решетки 32 (фиг. 4) и направление 39 наблюдения наблюдателя 35 лежат в плоскости 20 дифракции. Соответственно углу наклона изменяется угол падения (фиг. 3), образованный показанными штриховыми линиями нормалями 21, 21′, 21″ и белым параллельно падающим светом 11. Тем самым изменяется и длина волны отклоненных в заданном направлении 39 наблюдения к наблюдателю дифрагированных световых лучей 34. Если нормаль 21′ отклоняется от наблюдателя 35, то длина волны дифрагированных световых лучей 34 больше, чем в случае, когда нормаль 21″ наклоняется к наблюдателю 35. В показанном для иллюстрации примере световые лучи 34, дифрагированные в области точки пересечения А, для наблюдателя 35 имеют красный цвет (=700 нм). Световые лучи 34, дифрагированные в области точки пересечения В, имеют желто-зеленый цвет (=550 нм), и световые лучи 34, дифрагированные в области точки пересечения С, имеют синий цвет (=400 нм). Так как в показанном примере наклон непрерывно изменяется по выпуклости средней плоскости 33, для наблюдателя 35 вдоль следа 36 видимым является весь видимый спектр на поверхностном элементе 13, 14, 15, причем цветные полосы спектра на поверхностном элементе 13, 14, 15 проходят перпендикулярно следу 36. Для того чтобы цветные полосы спектра для наблюдателя 35 были видимыми на расстоянии 30 см, расстояние между точками пересечения А и С должно быть выбрано равным, по меньшей мере, 2 мм или более. Вне видимого спектра поверхность поверхностных элементов 13, 14, 15 имеет серый цвет с малой светосилой. При наклоне многослойной структуры 1 относительно оси 41 наклона перпендикулярно плоскости знака на фиг. 5 изменяется угол падения . Наблюдаемые цветные полосы спектров сдвигаются в область функции суперпозиции М(х,у) непрерывно вдоль следа 36. При наклоне, например, по часовой стрелке относительно оси 41 наклона многослойной структуры 1 цвет дифрагированного светового луча 34 в точке пересечения А изменяется на желто-зеленый, цвет дифрагированного луча 34 в точке пересечения изменяется на синий и цвет дифрагированного светового луча 34 в точке С пересечения изменяется на фиолетовый. Изменение цветов дифрагированного света 34 воспринимается наблюдателем 35 как непрерывное перемещение цветных полос по поверхностному элементу 13, 14, 15.

Это рассмотрение справедливо для любого порядка дифракции. То, каким образом множество цветных полос и какое количество порядков дифракции одновременно наблюдаются наблюдателем на поверхностном элементе 13, 14, 15, зависит от пространственной частоты дифракционной решетки 32 и числа периодов и амплитуды функции суперпозиции М(х,у) в пределах поверхностного элемента 13, 14, 15.

В другом варианте выполнения при использовании матовых структур вместо дифракционной решетки 32 наблюдатель 35 наблюдает в направлении отраженного света 22 только светлую бело-серую полосу вместо цветных полос. Эта светлая бело-серая полоса непрерывно перемещается при наклоне подобно цветным полосам по плоскости поверхностного элемента 13, 14, 15. В противоположность цветным полосам светлая бело-серая полоса для наблюдателя 35 в зависимости от рассеивающей способности матовой структуры является видимой и тогда, когда ее направление 39 наблюдения скошено относительно плоскости 20 дифракции. Далее под «полосами 40» (фиг. 6а) понимаются как цветные полосы порядка дифракции 23, 24, 25, так и сформированная матовой структурой светлая бело-серая полоса.

На фиг. 6а легко видеть смещение полосы от наблюдателя 35 (фиг. 5), если на защитном знаке 16 имеется опорный элемент. В качестве опорного элемента на поверхностном элементе 13, 14, 15 служат, например, размещенные на среднем поверхностном элементе 14 маркеры 37 (фиг. 2) и/или предварительно определенная ограничивающая форма поверхностного элемента 13, 14, 15. Предпочтительно опорный элемент устанавливает заданное условие наблюдения, которое посредством наклона многослойной структуры 1 (фиг. 1) устанавливается таким образом, что полоса 40 позиционируется относительно опорного элемента заданным образом. В области маркера 37 оптически действующая структура 9 (фиг. 1) граничной поверхности 8 (фиг. 1) предпочтительно выполнена как оптически действующая структура 9, дифракционная структура, зеркальная поверхность или рассеивающая свет рельефная структура, которая формируется путем реплицирования поверхностного образца 12 приводкой к поверхностным элементам 13, 14, 15. Светопоглощающий оттиск на защитном знаке 16 также может использоваться как опорный элемент для перемещения полосы 40 или маркер 37 формируется посредством структурированного отражающего слоя.

В другом варианте выполнения защитного знака 16 согласно фиг. 6 в качестве взаимных опорных элементов служат примыкающие по обе стороны к среднему поверхностному элементу 14 поверхностные элементы 13 и 15. Смежные поверхностные элементы 13 и 15 имеют оба дифракционную структуру S*(x,y). Дифракционная структура S*(x,y) в противоположность дифракционной структуре S(x,y) является разностью R-M, образованной из функции R(x,y) рельефа и функции суперпозиции М(х,у), то есть S*(x,y)=R(x,y)-М(х,у). Сформированные дифракционной структурой S*(x,y) цветные полосы чередуются в обратном порядке по сравнению с цветными полосами дифракционной структуры S(x,y), как это обозначено на фиг. 6а продольным обрамлением жирной линией полосы 40. Для обеспечения возможности наблюдения оптического действия без вспомогательного средства защитный знак 16 имеет размер вдоль оси координат у или следа 36, равный, по меньшей мере, 5 мм, предпочтительно более 10 мм. Размеры вдоль оси координат х составляют более 0,25 мм, но предпочтительно, по меньшей мере, 1 мм.

В примере выполнения защитного знака 16 согласно фиг. 6а-6с овальный поверхностный элемент 14 имеет дифракционную структуру S(x,y), зависимую только от координаты у, в то время как поверхностные элементы 13 и 15 с дифракционной структурой S*(x,y), зависимой только от координаты у на обеих сторонах овального поверхностного элемента 14, простираются вдоль координаты у. Функция суперпозиции М(у)=0,5·у²·К, причем К представляет кривизну средней плоскости 33. Градиент 38 (фиг. 5) и вектор решетки дифракционной решетки 32 (фиг. 4) или предпочтительное направление «анизотропной» матовой структуры ориентированы по существу параллельно или антипараллельно направлению координаты у.

В общем случае азимут вектора решетки или предпочтительное направление «анизотропной» матовой структуры определяются относительно плоскости градиента, которая определяется градиентом 38 и нормалью 21 к поверхности. Предпочтительные значения азимута равны 0° и 90°. При этом допустимы отклонения азимутального угла вектора решетки или предпочтительного направления =±20° относительно предпочтительного значения, чтобы в этой области вектор решетки или предпочтительное направление рассматривать как по существу параллельное или перпендикулярное к плоскости градиента. Сам по себе азимут не ограничивается названными предпочтительными значениями.

Чем меньше кривизна К, тем выше скорость перемещения полос 40 в направлении не обозначенной на фиг. 6а и 6с стрелки на единичное значение угла поворота вокруг оси 41 наклона. Полоса 40 показана на фиг. 6а-6с узкой, чтобы ясно показать эффект перемещения. Ширина полос 40 в направлении непоказанной стрелки зависит от дифракционной структуры S(y). В частности, в случае цветных полос спектральное цветовое представление простирается по большей части поверхностных элементов 13, 14, 15, так что перемещение полос 40 можно наблюдать посредством наблюдения перемещения сегментов в видимом спектре, например, полосы красного цвета.

Фиг. 6b показывает защитный знак 16 после поворота относительно оси 41 наклона на заданный угол наклона, под которым полосы 40 обоих внешних поверхностных элементов 13, 15 и среднего поверхностного элемента 14 лежат на линии, параллельной оси 41 наклона. Этот заданный угол наклона определяется выбором структуры М(Х,у) суперпозиции. В одном варианте выполнения защитного элемента 2 (фиг. 2) на поверхностном образце 12 (фиг. 2) можно видеть только заданный образец, когда в защитном знаке 16 полоса или полосы 40 занимают предварительно определенное положение, т.е. когда наблюдатель 35 рассматривает защитный элемент 2 в условиях наблюдения, определяемых заданным углом наклона.

На фиг. 6с после дальнейшего поворота относительно оси 41 наклона полосы 40 на защитном знаке 16 снова расходятся друг от друга, как на это указывают изображенные на фиг. 6с стрелки.

Разумеется, в другом варианте осуществления для защитного признака 16 может быть достаточным использование средней части 14 поверхности и одного из обоих поверхностных элементов 13, 15.

На фиг. 7 представлено сечение многослойной структуры 1 вдоль следа 36 (фиг. 2), например в области поверхностного элемента 14 (фиг. 2). Для того чтобы многослойная структура 1 не была слишком толстой и тем самым не вызывала бы трудности в изготовлении или применении, высота H_St (фиг. 1) дифракционной структуры S(x,y) ограничена. На приведенном не в масштабе чертеже по фиг. 7 в сечении отдельно изображена функция суперпозиции М(у)=0,5·у²·К слева от координатной оси z, по которой ориентирована высота многослойной структуры 1. В каждой точке Р(х,у) поверхностного элемента 14 значение z=M(x,y) ограничено заданным размахом (Hub) H=z₁-z₀. Как только функция суперпозиции М(у) в одной из точек Р₁, Р₂,…Р_n достигает значение z₁=M(P_j), где j=1,2,…,n, в функции суперпозиции М(у) возникает место разрыва (неоднородность), в котором на обращенной от точки P₀ стороне значение функции суперпозиции М(у) снижается на величину Н до высоты z₀, т.е. использованное в дифракционной структуре S(x,y) значение функции суперпозиции М(х,у) равно значению функции

Z={M(x;y)+C(x;y)} modulo Hub H -C(x;y).

Функция С(х; у) при этом по абсолютной величине ограничена некоторым диапазоном значений, например половиной значения высоты H_St структуры. Сформированные по техническим причинам разрывы непрерывности функции Z={M(x;y)+C(x;y)} modulo Hub H-C(x;y) не следует относить к экстремальным значениям функции суперпозиции М(х,у). Также в некоторых вариантах выполнения значения для размаха H могут иметь локально меньшие значения. В одном варианте выполнения дифракционной структуры S(x;y) локально изменяющийся размах H определяется тем, что расстояние между двумя последовательными точками разрывов непрерывности P_n не превосходит заданное значение в диапазоне от 40 до 300 мкм.

В поверхностных элементах 13 (фиг. 2), 14, 15 (фиг. 2) дифракционная структура S(x;y) простирается в обе стороны от оси координат z, а не только, как показано на фиг. 7, вправо от оси координат z. Ввиду суперпозиции высота H_St структуры равна сумме, образованной из Hub H и высоты h профиля, и равна значению дифракционной структуры S(x;y) в точке Р(х; у). Высота H_St структуры предпочтительно меньше чем 40 мкм, причем предпочтительное значение высоты H_St структуры меньше 5 мкм. Размах H функции суперпозиции М(х,у) ограничен значением менее 30 мкм и находится предпочтительно в диапазоне от Н=0,5 мкм до Н=4 мкм. Матовые структуры имеют тонкие структурные элементы рельефа микроскопического масштаба, которые определяют рассеивающую способность и могут быть описаны только статистическими характеристиками, такими как, например, среднее значение R_a, радиус корреляции l_c и т.д., причем значения для R_a находятся в диапазоне от 200 нм до 5 мкм с предпочтительными значениями от R_a=150 нм до R_a=1,5 мкм, в то время как радиусы корреляции l_c по меньшей мере, в одном направлении лежат в диапазоне от 300 нм до 300 мкм, предпочтительно от l_c=500 нм до l_c=100 мкм. В случае «изотропных» матовых структур статистические характеристики не зависят от предпочтительного направления, в то время как в случае «анизотропных» матовых структур элементы рельефа с радиусом корреляции l_c ориентированы перпендикулярно предпочтительному направлению. Высота h профиля дифракционной решетки 32 (фиг. 4) имеет значение в диапазоне от h=0,05 мкм до h = 5 мкм, причем предпочтительные значения лежат в более узком диапазоне h=0,6 ± 0,5 мкм. Пространственная частота f дифракционной решетки 32 выбрана в диапазоне от f=300 линий/мм до 3300 линий/мм. Начиная с частоты примерно F=2400 линий/мм, дифрагированный свет 34 (фиг. 5) наблюдается только в нулевом порядке дифракции, т.е. в направлении отраженного света 22 (фиг. 5).

Другими примерами функции суперпозиции М(х,у) являются следующие:

М(x,у)=0,5·(x² + у²)·К, M(x,y)=a·{1+sin(2F_x·x)·sin(2F_y·e)},

М(x,у)=a·x^1,5 +b·x, M(x,y)=a·{1+sin(2F_y·y)}, где F_x, F_y представляет собой пространственную частоту F функции суперпозиции М(х,у) в направлении оси координат х или у. В другом варианте выполнения защитного знака 16 функция суперпозиции М(х,у) составляется периодически из заданного сегмента другой функции и имеет один или несколько периодов вдоль следа 36.

На фиг. 8а функция суперпозиции М(х,у) = 0,5·(x² + у²)·К, то есть полусфера, и структура рельефа R(x,y), то есть «изотропная» матовая структура, образует дифракционную структуру S(x,y) (фиг.7) в обрамленном окружностью поверхностном элементе 14. Наблюдатель 35 (фиг. 5) распознает при дневном свете соответственно направлению наблюдения 39 (фиг. 5) светлое бледно-серое пятно 42 на темно-сером фоне 43, причем положение пятна 42 на поверхностном элементе 14 относительно маркера 37 и контраст между пятном 42 и фоном 43 зависят от направления 39 наблюдения. Протяженность пятна 42 определяется рассеивающей способностью матовой структуры и кривизной функции суперпозиции М(х,у). Защитный элемент 2 (фиг. 2) необходимо ориентировать, например, путем наклона относительно оси 41 наклона (фиг. 5) и/или поворота относительно нормали 21 к поверхности (фиг. 5) многослойной структуры 1 (фиг. 5) подобно показанному на фиг. 8b относительно заданного направления 39 наблюдения таким образом, чтобы пятно 42 находилось внутри маркера 37, который размещается, например, в центре поверхностного элемента 14 круговой формы.

Фиг. 9 иллюстрирует действие дифракции света на дифракционной структуре S(x,y) (фиг. 7) в плоскости 20 дифракции. Структура R(x,y) рельефа (фиг. 4) представляет собой дифракционную решетку 32 (фиг. 4) с синусоидальным профилем и с пространственной частотой f меньше чем 2400 линий/мм. Вектор решетки структуры R(x,y) рельефа лежит в плоскости 20 дифракции. Функция М(х,у) суперпозиции в поверхностном элементе 13 (фиг. 2), 14 (фиг. 2), 15 (фиг. 2) защитного знака 16 определяется действием дифракционной структуры S(x,y), причем свет 11, падающий перпендикулярно на многослойную структуру 1, отклоняется под определенным углом наблюдения + или – соответственно положительному порядку 23 дифракции (фиг. 3) или отрицательному порядку 24 дифракции (фиг. 3). В плоскости 20 дифракции первые лучи 44 с длиной волны ₁ образуют с падающим светом 11 угол наблюдения, а вторые лучи 45 с длиной волны ₂ образуют угол наблюдения -. Наблюдатель 35 (фиг. 5) видит поверхностный элемент 13, 14, 15 под углом наблюдения в цвете с длиной волны ₁. После поворота многослойной структуры 1 в ее плоскости на 180° поверхностный участок 13, 14, 15 представляется наблюдателю 35 под углом наблюдения – в цвете с длиной волны ₂. Если средняя плоскость 33 имеет локальный наклон = 0°, то длины волн ₁ и ₂ не отличаются. Для других значений локального наклона длины волн ₁ и ₂ отличаются. Показанная пунктиром нормаль 21′ к наклоненной средней плоскости 33 образует с падающим светом 11 угол , причем =-=. Первые лучи 44 и нормаль 21′ образуют угол ₁ дифракции, вторые лучи 45 и нормаль 21′ образуют угол ₂ дифракции.

Ввиду _k asin(sin +m_k · _k · f) и = для обоих первых порядков 23, 24 дифракции, то есть для m_k=±1, справедливо соотношение:

f· (₁ + ₂ )=2·sin()· cos() (1),

откуда следует, что для определенных значений угла наблюдения и пространственной частоты f сумма обеих длин волн _{1, 2} лучей 44, 45 пропорциональна косинусу локального угла наклона . Уравнение (1) легко вывести для других порядковых чисел m. Порядковые числа m и угол наблюдения для определенного наблюдаемого цвета определяются пространственной частотой f.

На фиг. 10а и 10b в качестве примера представлено выполнение защитного знака 16, причем на фиг. 10а защитный элемент 2 по отношению к защитному элементу 2 на фиг. 10b повернут в своей плоскости на 180°. Плоскость 20 дифракции (фиг.9) изображена со своим следом 36. На фиг. 10а, 10b защитный знак 16 охватывает три поверхностных участка 13, 14, 15 с дифракционной структурой S(x,y)=R(x,y)+ M(x,y), причем на трех поверхностных участках 13, 14, 15 дифракционные структуры S(x,y) различаются определенными с помощью уравнения (1) значениями локальных наклонов функции суперпозиции M(x,y) и пространственной частотой f рельефного профиля R(x,y). Поле 46 фона примыкает, по меньшей мере, к одному поверхностному участку 13, 14, 15 и имеет дифракционную решетку 32 (фиг. 4) с тем же рельефным профилем R(x,y) и с собственной пространственной частотой f поля 46 фона. Вектор решетки рельефного профиля R(x,y) ориентирован на поверхностном участке 13, 14, 15 и в поле 46 фона параллельно следу 36. При перпендикулярном освещении защитного элемента 2 белым светом 11 (фиг. 9) поверхностные участки 13, 14, 15 и поле 46 фона в защитном знаке 16 в случае ориентации согласно фиг. 10а под углом наблюдения + светятся одинаковым цветом и наблюдателю 35 (фиг. 5) защитный знак 16 представляется светящимся без контраста в едином цвете, например, дифрагированные первые лучи 44 (фиг. 9) имеют длину волны ₁, например 680 нм (красный). В ориентации, показанной на фиг. 10b, весь защитный знак 16 наблюдается под углом наблюдения -. Например, первый поверхностный элемент 13 светится во вторых лучах 45 (фиг. 9) с длиной волны ₂, например ₂ =570 нм (желтый), второй поверхностный элемент 14 светится во вторых лучах 45 с длиной волны ₃, например ₃ =510 нм (зеленый), и третий поверхностный элемент 15 светится во вторых лучах 45 с длиной волны ₄, например ₄ =400 нм (синий). В поле 46 фона, в котором средняя плоскость 33 (фиг. 9) дифракционной решетки 32 (фиг. 4) имеет наклон (фиг. 9) со значением =0 по причине симметрии и вторые лучи 45 имеют длину волны ₁, то есть поле 46 фона светится вновь в красном цвете. Преимуществом этого варианта выполнения является необычное оптическое поведение защитного знака 16, а именно наблюдаемый при одной единственной ориентации защитного элемента 2 цветовой контраст, который после поворота на 180° защитного элемента 2 вокруг нормали 21 к поверхности (фиг. 3) изменяется или исчезает. Защитный знак 16 служит таким образом для установления предварительно определенной ориентации защитного элемента 2 с голографически некопируемым защитным знаком 16.

Только для простоты в каждом поверхностном элементе 13, 14, 15 для примера принят единый цвет, то есть постоянный наклон . В общем случае поверхностный элемент 13, 14, 15 имеет сегмент из функции суперпозиции М(х,у), так что наклон в поверхностном элементе 13, 14, 15 непрерывно изменяется в заданном направлении и длины волн вторых лучей 45 имеют значения в диапазоне по обе стороны от длины волны _k. Вместо одинаково ограниченных поверхностных элементов 13, 14, 15 некоторое множество размещенных на поле 46 фона поверхностных элементов 13, 14, 15 образует логотип, надпись и т.д.

Показанная на фиг. 11 дифракционная структура S(x,y) выполнена более сложно. Функция суперпозиции М(х,у) представляет собой симметричную кусочно-непрерывную функцию, значение которой по оси координат х изменяется в соответствии с z=M(x,y), в то время как по оси координат у функция M(x,y) имеет постоянное значение z. Например, прямоугольный поверхностный элемент 13, 14 (фиг. 10), 15 (фиг, 10) своей длинной стороной ориентирован параллельно оси координат х и разделен на узкие элементарные площадки 47 шириной b, длинные стороны которых ориентированы параллельно оси координат у. Каждый период 1/F_x функции суперпозиции М(х,у) распространяется на некоторое число t элементарных площадок 47, например, число t находится в пределах от 5 до 10. Ширина b не должна превосходить значение 10 мкм, так как в противном случае дифракционная структура S(x,y) на элементарной площадке 47 будет определена недостаточным образом.

Дифракционные структуры S(x,y) соседних элементарных площадок 47 отличаются слагаемыми, рельефным профилем R(x,y) и сегментом функции суперпозиции М(х,у), соответствующим элементарной площадке 47. Рельефный профиль R_i(x,y) i-ой элементарной площадки 47 отличается от обоих рельефных профилей R_i+1(x,y) и R_i-1(x,y) соседних элементарных площадок 47, по меньшей мере, на один параметр решетки, такой как азимут, пространственная частота, высота h профиля (фиг. 4) и т.д. Если пространственная частота F_x или F_y составляет максимально 10 линий/мм, но не меньше чем 2,5 линии/мм, то наблюдатель 35 (фиг. 5) не может невооруженным глазом распознать на поверхностном элементе 13, 14, 15 подразделение на периоды функции суперпозиции М(х,у). Подразделение и расположение на элементарных площадках 47 дифракционной структуры S(x,y) повторяется на каждом периоде функции суперпозиции М(х,у). В других вариантах выполнения защитного знака 16 рельефный профиль R(x,y) изменяется непрерывно как функция фазового угла периодической функции суперпозиции М(х,у).

Показанные на фиг. 11 дифракционные структуры S(x,y) использованы в показанном на фиг. 12 варианте выполнения защитного знака 16, который проявляет своеобразный оптический эффект при освещении белым светом 11, когда защитный знак 16 наклоняется относительно оси 41 наклона, параллельной оси координат у. Защитный знак 16 содержит треугольный первый поверхностный элемент 14, который размещен в прямоугольном втором поверхностном элементе 13. Дифракционная структура S(x,y) в первом поверхностном элементе 14 отличается тем, что пространственная частота f рельефного профиля R(x,y) изменяется в направлении оси координат х на каждом периоде функции суперпозиции М(х,у) ступенчато или непрерывно в предварительно определенном диапазоне f пространственных частот, причем пространственная частота f_i на i-ой элементарной площадке 47 (фиг. 7) больше чем пространственная частота f_i-1 на предыдущей (i-1)-ой элементарной площадке 47. На каждом периоде, таким образом, первая элементарная площадка 47 имеет пространственную частоту f со значением f_A. Для элементарной площадки 47 в минимуме периода пространственная частота f=f_M, а для элементарной площадки 47 в конце периода пространственная частота имеет значение f=f_Е, причем f_АME и f=f_E-f_А. Во втором поверхностном элементе дифракционная структура S(x,y) отличается тем, что пространственная частота f рельефного профиля R(x,y) уменьшается в направлении оси координат х на периоде функции суперпозиции М(х,у) от одной элементарной площадки 47 к следующей ступенчато или непрерывно. В одном варианте выполнения, в качестве примера, дифракционная структура второго поверхностного участка, выраженная как S**(x,y)=R(-х,y)+M(-x,y), является зеркальным отражением в плоскость осей координат y,z дифракционной структуры S(x,y) первого поверхностного участка 14. Вектора решетки и след 36 (фиг. 11) плоскости 20 дифракции (фиг. 9) на обоих поверхностных элементах 13, 14 ориентированы по существу параллельно оси 41 наклона. Градиент 38 лежит по существу параллельно плоскости, образованной осями координат х и z.

На фиг. 12а защитный знак 16 располагается в х-у-плоскости, образованной осями координат х и у, причем направление 39 наблюдения (фиг. 5) образует с осью координат х прямой угол. В случае перпендикулярно падающего белого света 11 (фиг. 1) элементарные площадки 47 освещаются в области минимумов функции суперпозиции М(х,у). Так как эти элементарные площадки 47 для обеих дифракционных структур S(x,y), S**(x,y) имеют одинаковый рельефный профиль R(x,y) и один и тот же наклон 0°, то дифрагированные на обоих поверхностных элементах 13, 14 в направлении 39 световые лучи 34 (фиг. 5) соответствуют одной и той же области видимого спектра, например зеленой, так что цветовой контраст на защитном знаке 16 между первым поверхностным элементом 14 и вторым поверхностным элементом 13 исчезает. При наклоне защитного знака 16 относительно оси 41с наклона цветовой контраст становиться более отчетливым при увеличении угла наклона, как это показано на фиг. 12b. При наклоне влево цвет первого поверхностного элемента 14 смещается в направлении красной области, так как становятся эффективно действующими элементарные площадки 47 (фиг. 11) с рельефным профилем R(x,y), у которых пространственная частота f меньше чем f_M. Цвет второго поверхностного элемента 13 смещается в направлении синей области, так как становятся эффективно действующими элементарные площадки 47 с рельефным профилем R(x,y), у которых пространственная частота f больше чем f_M. На фиг. 12с защитный знак 1 наклонен относительно оси 41 наклона вправо по отношению к положению, показанному на фиг. 12а. Также при наклоне вправо цветовой контраст проявляется отчетливее, однако с заменой цветов. Цвет первого поверхностного элемента 14 смещается в направлении синей области, так как становятся эффективно действующими элементарные площадки 47 с рельефным профилем R(x,y), у которых пространственная частота f больше чем f_M, в то время как цвет второго поверхностного элемента 13 смещается в направлении красной области, так как становятся эффективно действующими элементарные площадки 47 (фиг. 11) с рельефным профилем R(x,y) дифракционной структуры S**(x,y), у которых пространственная частота f больше чем f_M.

В другом варианте выполнения дифракционной структуры S(x,y) по фиг. 11 рельефный профиль R(x,y) на элементарных площадках 47 каждого периода 1/F_x имеет одну и ту же пространственную частоту f, однако рельефный профиль R(x,y) от элементарной площадки 47 к элементарной площадке 47 отличается своим азимутальным углом вектора решетки относительно оси координат у. В пределах одного периода 1/F_x азимутальный угол изменяется ступенчато или непрерывно, например, в диапазоне = ± 40° при =0° в минимуме каждого периода. Азимутальный угол выбирается в зависимости от локального наклона (фиг. 5) средней плоскости 33 (фиг. 5) в области таким образом, чтобы, с одной стороны, дифракционная структура S(x,y) первого поверхностного элемента 14 (фиг. 12а) при всех углах наклона относительно оси 41 наклона (фиг. 12b,c) посылала дифрагированные световые лучи 34 (фиг. 5) цветовой области, определенной посредством пространственной частоты f, например зеленой области, в направлении 39 наблюдения (фиг. 5), а, с другой стороны, второй поверхностный элемент 13 (фиг. 12а), на котором сформирована зеркальная дифракционная структура S**(x,y), только при одном единственном предварительно определенном значении угла наклона светился бы в предварительно определенном цвете, например в смешанном цвете, сформированном в зеленой области. При других углах наклона второй поверхностный элемент 13 является темно-серым. Для приведенного для примера диапазона азимутальных углов =±20° зеленая область занимает диапазон зеленого цвета от длины волны =530 нм (0°) до длины волны =564 нм.

На фиг. 13 использованная в дифракционной структуре S(x,y) функция суперпозиции М(х,у) представляет собой функцию, асимметричную в направлении оси координат х. Функция суперпозиции М(х,у) возрастает в пределах периода 1/F_x периодически от минимального значения до максимального значения, например, как функция y=const·x^1,5. Пространственная частота F_x или F_y лежит в диапазоне от 2,5 до 10 линий/мм. Не показаны точки разрыва, которые возникают вследствие операции по модулю (modulo Hub H) (фиг. 7). Описанная выше «анизотропная» матовая структура с предпочтительным направлением, по существу параллельным оси координат х, используется как рельефный профиль R(x,y). Поэтому падающий свет 11 (фиг. 5) рассеивается расходящимся образом в основном параллельно оси координат у. В первом поверхностном элементе 14 (фиг. 12а) образована дифракционная структура S(x,y)=R(x,y)+M(x,y), а на втором поверхностном элементе 13 (фиг. 12а) образована дифракционная структура S**(x,y)=R(-x,y)+ M(-x,y). На основе фиг.12а поясняется оптическое действие защитного признака 16 в случае света 11 (фиг. 9), падающего перпендикулярно х-у-плоскости. Если защитный знак 6 лежит в х-у-плоскости, то падающий свет 11 с более высокой интенсивностью рассеивается от матовой структуры в области минимума функции суперпозиции М(х,у), рассеивающим действием остальных элементарных площадок 47 дифракционной структуры S(x,y), S**(x,y) можно пренебречь. Рассеянный от поверхностных элементов 13, 14 свет имеет цвет падающего света 11 (фиг. 5) и на обоих поверхностных элементах 13, 14 имеет одну и ту же поверхностную яркость, так что между обоими поверхностными элементами 13, 14 не наблюдается никакого контраста. На фиг. 12b падающий свет 11 (фиг. 11) падает под углом падения на защитный элемент 16, который наклонен влево относительно оси 41 наклона. Падающий свет 11 (фиг. 5) рассеивается только на втором поверхностном элементе 13. При этом условии освещения поверхностная яркость первого поверхностного элемента 14 на порядки величины меньше, чем для второго поверхностного элемента 13, так что первый поверхностный элемент 14 выделяется как темная поверхность относительно светлого второго поверхностного элемента 13. На фиг. 12с защитный знак 16 наклонен вправо, при этом только заменяются поверхностные яркости обоих поверхностных элементов 13, 14.

На фиг. 12а-12с вместо одного треугольного поверхностного элемента 14 на втором поверхностном элементе 13 расположено множество первых поверхностных элементов 14, которые образуют логотип, надпись и т.п.

В другом варианте выполнения вместо простых математических функций в дифракционной структуре S(x,y) применяются рельефные изображения, которые находят применение на монетах и медалях в качестве, по меньшей мере, кусочно-непрерывной функции суперпозиции М(х,у), причем предпочтительно профиль R(x,y) является «изотропной» матовой структурой. Наблюдатель, просматривающий защитный элемент 2, в этом варианте выполнения воспринимает трехмерное изображение с характерной поверхностной структурой. При повороте и наклоне защитного элемента 2 изменяется распределение яркости на изображении в соответствии с ожидаемым в истинном рельефном изображении, однако выступающие элементы не отбрасывают тени.

Без отклонения от идеи изобретения все дифракционные структуры S ограничиваются по высоте структуры значением H_St(фиг.1), как это пояснялось со ссылкой на фиг. 7. Применяемые в описанных выше конкретных вариантах выполнения рельефные профили R(x,y) и функции суперпозиции М(х,у) могут любым образом комбинироваться с другими дифракционными структурами S(x,y).

Применение вышеописанных защитных знаков 16 в защитном элементе 2 имеет то преимущество, что защитный знак 16 образует действенный барьер против попыток голографического копирования защитного элемента. При голографическим копировании сдвиги по положению или смещения цвета на поверхности защитного знака 16 можно распознать только в измененной форме.

Формула изобретения

1. Защитный элемент (2) из многослойной структуры (1) с размещенными между двумя прозрачными слоями (4; 5; 6) многослойной структуры (1) микроскопически мелкими оптически действующими структурами (9) поверхностного образца (12), причем оптически действующие структуры (9) сформированы в виде поверхностных участков (13; 14; 15; 46) защитного знака (16) в образованной осями координат (х; у) плоскости поверхностного образца (12) в отражающей граничной поверхности (8) между слоями (5; 6),

отличающийся тем, что

по меньшей мере, один поверхностный элемент (13; 14; 15) с размерами более 0,4 мм имеет дифракционную структуру (S; S*; S**), образованную аддитивной или субтрактивной суперпозицией описывающей макроскопическую структуру функции суперпозиции (М) с микроскопически тонким рельефным профилем (R), при этом функция суперпозиции (М), рельефный профиль (R) и дифракционная структура (S; S*; S**) являются функциями координат (х, у), и рельефный профиль (R) описывает оптически действующую структуру (9), обеспечивающую дифракцию света или рассеяние света, сохраняющую соответственно функции суперпозиции (М) предварительно определенный рельефный профиль (R), и средняя плоскость (33), определяемая, по меньшей мере, кусочно-непрерывной функцией суперпозиции (М), по меньшей мере, на участках изгибается и в каждой точке имеет предварительно определенный градиентом функции суперпозиции (М) локальный угол наклона (), не является периодической треугольной или прямоугольной функцией и по сравнению с рельефным профилем (R) является медленно изменяющейся.

2. Защитный элемент (2) по п.1, отличающийся тем, что функция суперпозиции (М) является кусочно-непрерывной периодической функцией с пространственной частотой (F) с максимальным значением 20 линий/мм.

3. Защитный элемент (2) по п.1, отличающийся тем, что функция суперпозиции (М) является асимметричной кусочно-непрерывной периодической функцией с пространственной частотой (F) от 2,5 до 10 линий/мм.

4. Защитный элемент (2) по п.1, отличающийся тем, что в поверхностном элементе (13; 14; 15) смежные экстремальные значения функции суперпозиции (М) удалены друг от друга, по меньшей мере, на 0,025 мм.

5. Защитный элемент (2) по п.1, отличающийся тем, что функция суперпозиции (М) описывает рельефное изображение.

6. Защитный элемент (2) по п.1, отличающийся тем, что функция суперпозиции (М) описывает полусферу.

7. Защитный элемент (2) по п.1, отличающийся тем, что рельефный профиль (R) представляет собой дифракционную решетку (32) с постоянной высотой профиля (h), которая имеет вектор решетки с азимутальным углом () и пространственную частоту (f) больше, чем 300 линий/мм.

8. Защитный элемент (2) по п.1, отличающийся тем, что рельефный профиль (R) представляет собой анизотропную матовую структуру, которая имеет предпочтительное направление с азимутальным углом ().

9. Защитный элемент (2) по п.3, отличающийся тем, что рельефный профиль (R) представляет собой дифракционную решетку (32), которая имеет вектор решетки с азимутальным углом () и пространственную частоту (f) больше, чем 300 линий/мм, поверхностный элемент (13; 14; 15) на каждом периоде (1/F) функции суперпозиции (М) разделен на некоторое число t элементарных площадок (47) шириной 1/(F·t), соответствующая элементарной площадке (47) дифракционная решетка (32) дифракционной структуры (S; S*; S**) отличается, по меньшей мере, одним параметром решетки от дифракционной решетки (32) смежной элементарной площадки (47), разделение и расположение на элементарных площадках (47) дифракционной структуры (S; S*; S**) повторяется на каждом периоде (1/F), дифракционная решетка (32) имеет азимутальный угол () и/или пространственную частоту (f) в соответствии с локальным наклоном () на элементарной площадке (47), и в пределах каждого периода (1/F) параметр решетки дифракционной решетки (32) ступенчато или непрерывно изменяется в предварительно определенном диапазоне азимутального угла () или в предварительно определенном диапазоне (f) пространственной частоты.

10. Защитный элемент (2) по п.7, отличающийся тем, что, по меньшей мере, в одном поверхностном элементе (13; 14; 15) дифракционная структура (S) сформирована как сумма рельефного профиля (R) и функции суперпозиции (М), пространственная частота (f1) рельефного профиля (R) меньше, чем 2400 линий/мм, и функция суперпозиции (М) в плоскости дифракции (20) рельефного профиля (R) имеет локальный наклон (), поверхностный элемент (13; 14; 15) граничит с полем (46) фона защитного знака (16), поле (46) фона имеет параллельную покрывающему слою (4) среднюю плоскость (33) с наклоном =0°, в которой сформирована синусообразная дифракционная решетка (32) с второй пространственной частотой (f2) и с вектором решетки, ориентированным параллельно в плоскости дифракции (20) рельефного профиля (R), вторая пространственная частота (f2) выбрана таким образом, что при перпендикулярной подсветке белым светом (11) в одном направлении наблюдения под предварительно определенным положительным углом наблюдения (+) поверхностный элемент (13; 14; 15) и поле (46) фона не различаются по цвету дифрагированного света, а после поворота на 180° многослойной структуры (2) относительно нормали (21) к поверхности под отрицательным углом наблюдения (-) поверхностный элемент (13; 14; 15) и поле (46) фона различаются по цвету дифрагированного света.

11. Защитный элемент (2) по одному из пп.1, 5 и 6, отличающийся тем, что рельефный профиль (R) представляет собой изотропную матовую структуру.

12. Защитный элемент (2) по одному из пп.1-10, отличающийся тем, что защитный знак (16; 16) имеет, по меньшей мере, два смежных поверхностных элемента (13; 14; 15), при этом в первом поверхностном элементе (14) сформирована первая дифракционная структура (S), а во втором поверхностном элементе (13; 15) сформирована отличающаяся от первой дифракционной структуры (S) вторая дифракционная структура (S*; S**), причем вектор решетки или предпочтительное направление первого рельефного профиля (R) в первом поверхностном элементе (14) и вектор решетки или предпочтительное направление второго рельефного профиля (R) во втором поверхностном элементе (13; 15) направлены, по существу, параллельно.

13. Защитный элемент (2) по одному из пп.1-10, отличающийся тем, что в дифракционной структуре (S; S*; S**) вектор решетки или предпочтительное направление рельефного профиля (R) лежит, по существу, перпендикулярно плоскости градиента, которая определяется градиентом (38) функции суперпозиции (М) и нормалью (21), перпендикулярной поверхности многослойной структуры (1).

14. Защитный элемент (2) по одному из пп.1-10, отличающийся тем, что в первом поверхностном элементе (14) сформирована первая дифракционная структура (S), которая образована как сумма рельефного профиля (R) и функции суперпозиции (М), а во втором поверхностном элементе (13; 15) сформирована вторая дифракционная структура (S*), которая образована как разность (R-M) того же рельефного профиля (R) и той же функции суперпозиции (М).

15. Защитный элемент (2) по одному из пп.1-10, отличающийся тем, что в дифракционной структуре (S; S*; S**) вектор решетки или предпочтительное направление рельефного профиля (R) лежит, по существу, перпендикулярно плоскости градиента, которая определяется градиентом (38) функции суперпозиции (М) и нормалью (21), перпендикулярной поверхности многослойной структуры (1).

16. Защитный элемент (2) по одному из пп.1-10, отличающийся тем, что в первом поверхностном элементе (14) первая дифракционная структура (S) образована как сумма рельефного профиля (R) и функции суперпозиции (М), а во втором поверхностном элементе (13; 15) вторая дифракционная структура (S*) представляет собой первую дифракционную структуру (S), зеркально отображенную на плоскость поверхностного образца (12).

17. Защитный элемент (2) по одному из пп.1-10, отличающийся тем, что дифракционная структура (S; S*; S**) ограничена высотой структуры (H_st) менее 40 мкм, а функция суперпозиции (М) ограничена размахом (Н) менее 30 мкм, причем использованное в дифракционной структуре (S; S*; S**) значение (z) функции суперпозиции (М) равно {(М)+С(х; у)} modulo Hub(H)-C(x; y), причем функция С(х, у) соответственно ограничена половиной высоты структуры (H_st).

18. Защитный элемент (2) по одному из пп.1-10, отличающийся тем, что дополнительные поверхностные элементы (17; 18; 19) с оптически действующими структурами являются частями (9) поверхностного образца (12) и, по меньшей мере, один из поверхностных элементов (17; 18; 19) граничит с защитным знаком (16).

19. Защитный элемент (2) по одному из пп.1-10, отличающийся тем, что, по меньшей мере, на одном поверхностном элементе (13; 14; 15) размещен, по меньшей мере, один маркер (37) с оптически действующей структурой (9), отличающейся от дифракционной структуры (S; S*; S**), причем маркер (37), применяемый в качестве опоры для ориентирования многослойной структуры (1), имеет одну из оптически действующих структур (9) из группы дифракционных или рассеивающих свет рельефных структур или зеркальную поверхность.

РИСУНКИ