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Die
Erfindung betrifft ein optisch variables Element, das wenigstens
in Teilflächen
eine, vorzugsweise zwischen zwei Schichten eines Schichtverbundes
eingebettete, eine gegenüber
einer gedachten Referenzfläche
räumlich
vor- und/oder zurückspringende,
optisch wirksame Struktur bildende Grenzfläche aufweist, wobei die optisch
wirksame Struktur wenigstens eine für einen Betrachter dreidimensional
erscheinende Freiformfläche
in Form eines alphanumerischen Zeichens, einer geometrischen Figur
oder eines sonstigen Objekts aufweist.
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Optisch
variable Elemente der vorstehend beschriebenen Art werden beispielsweise
als Sicherheitselemente zur Authentifikation oder Identifikation von
Wertdokumenten, z.B. Banknoten, Schecks, etc., von Ausweisen, von
Kreditkarten oder von sonstigen zu sichernden Gegenständen verwendet.
Auch für
dekorative Zwecke werden solche optisch variablen Elemente bereits
eingesetzt, wobei die Grenze zwischen Verwendung als Sicherheitselement
und Dekorationselement häufig
fliessend ist. Es wird dabei insbesondere häufig verlangt, dass Sicherheitselemente
auch eine gewisse dekorative Wirkung aufweisen, was beispielsweise
dann gilt, wenn es darum geht, die Echtheit von bestimmten Artikeln,
z.B. Zigaretten, wertvollen kosmetischen Präparaten, etc. durch entsprechende
Elemente zu gewährleisten.
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Zur
Verwendung als Sicherheits- oder dekoratives Element werden die
bekannten optisch variablen Elemente meist in Form von Transferfolien,
insbesondere Heissprägefolien,
oder in Form von Laminierfolien auf das entsprechende Substrat aufgebracht,
wobei die die optisch wirksame Struktur bildende Grenzfläche dann
zwischen zwei entsprechenden Lackschichten vorgesehen ist. Bei Transferfolien
sind diese Lackschichten Teil der vom Trägerfilm auf das Substrat übertragbaren
Dekorschicht-Anordnung, wobei anstelle einer Lackschicht auch eine
Kleberschicht vorgesehen oder die Lackschicht Klebereigenschaften
aufweisen kann. Bei Laminierfolien werden die Grenzflächen prinzipiell
in gleicher Weise erzeugt. Der Unterschied zwischen Laminier- und
Transferfolien ist jedoch darin zu sehen, dass bei Laminierfolien
die als Dekorationselement dienenden Lack- und ggf. Klebeschichten
auf dem Trägerfilm
verbleiben, wenn die Laminierfolie auf ein Substrat aufgebracht
wird. Schliesslich ist es auch denkbar, Verpackungs- oder Dekorationsfolien grundsätzlich wie
Laminierfolien auszubilden, jedoch diese Folien, beispielsweise
für Verpackungszwecke, als
solche zu verwenden, ohne dass sie auf ein Substrat auflaminiert
werden.
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In
diesem Zusammenhang ist es auch bereits bekannt, über eine
entsprechende Strukturierung der Grenzfläche zwischen zwei Schichten,
insbesondere Lackschichten, oder gegenüber Luft, dreidimensionale
Effekte zu erzeugen. Beispielsweise sind Scheck- und Kreditkarten
bekannt, bei denen bestimmte Objekte abhängig vom Betrachtungswinkel
in unterschiedlichen Positionen oder Perspektiven erscheinen, oder
beim Betrachter der Eindruck erweckt wird, als ob sich das entsprechende
Objekt dreidimensional aus der Oberfläche des Trägers für das optisch variable Element
herausheben würde.
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Diese
dreidimensionalen Effekte werden bisher meist holographisch erzeugt,
wobei diese Vorgehensweise zum einen den Nachteil hat, dass für die Herstellung
der für
eine Replikation in entsprechende Schichten erforderlichen Master
ein vergleichsweise grosser apparativer Aufwand zu betreiben ist.
Darüber
hinaus haben holographisch erzeugte Strukturen auch erhebliche optische
Nachteile. Insbesondere ist ihre Brillanz häufig mangelhaft. Darüber hinaus
besteht im allgemeinen keine Möglichkeit,
die Attraktivität
eines entsprechend optisch variablen Elementes dadurch zu steigern,
dass bestimmte Farbeffekte erzielt werden.
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Aus
der
DE 696 20 636
T2 sind Reliefstrukturen bekannt, welche als Mikrolinsen
dienen und einen beugungsoptischen, kinematischen Effekt, wie z.B.
ein Hologramm, Pixelgramm etc. erzeugen können. Diese Mikrolinsen dienen
beim Stand der Technik dazu, unterschiedliche Informationselemente
jeweils getrennt betrachten zu können.
Die Ausführungsform
gemäss
4 der
DE 696 20 636 T2 betrifft die spezifische
Ausgestaltung eines Retroreflektors, wobei ein linsenartiges Element
einer Ebene mit einer genau angepassten Reflektionsfläche einer
anderen Ebene zusammenwirkt. Ein dreidimensionaler Effekt in dem
Sinn, dass der Betrachter eine gegenüber einer Oberfläche vor- oder zurückspringend
erscheinende Fläche
zu sehen meint, ergibt sich bei dem Gegenstand nach dem Stand der
Technik nicht.
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In
der
DE 100 54 503
A1 sind binäre
Gitterstrukturen an sich beschrieben. Dieser Druckschrift kann jedoch
nicht als bekannt entnommen werden, entsprechende Gitterstrukturen
dann einzusetzen, wenn es darum geht, quasi die Wirkung einer Linse bzw.
Linsenstruktur zu erzielen.
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Die
US 6 324 004 B1 beschreibt
bereits ein optisch variables Element, das zumindest in Teilflächen eine
eine optisch wirksame Struktur bildende Grenzfläche aufweist, wobei die optisch
wirksame Struktur dreidimensionale Gebilde simuliert. Die aus der
US 6 324 004 B1 bekannte
Struktur erzeugt jedoch für
den Betrachter nicht den Eindruck von gewölbten Oberflächen.
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In
der
EP 0 375 833 B1 ist
schliesslich ein optisch variables Flächenmuster beschrieben, bei
dem es möglich
ist, stereoskopische Bilder (auf der Basis mehrerer Ansichten eines
Gegenstandes aus unterschiedlichem Betrachtungswinkel) zu erzeugen.
Es ist in dieser Druckschrift jedoch nicht die Möglichkeit beschrieben, gewölbt erscheinende
Oberflächen
von Freiformflächen
zu erzeugen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein optisch variables
Element vorzuschlagen, das sich mit den unterschiedlichsten, für die Erzeugung
von optisch wirksamen Strukturen bekannten Verfahren leicht herstellen
lässt,
bisher nicht bekannte Effekte für
den Betrachter zeigt und darüber hinaus
in der Gestaltung dem Designer eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten
bietet.
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Diese
Aufgabe wird bei einem gattungsgemässen optisch variablen Element
erfindungsgemäss
dadurch gelöst,
dass die Freiformfläche
von einem linsenartig, d.h. gegenüber der Referenzfläche räumlich vorgewölbt oder
zurückspringend
erscheinenden, ein Freiformelement mit gewölbter Oberfläche bildenden
Teilbereich der Grenzfläche
gebildet ist.
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Während also
bisher die dreidimensionalen Freiformflächen, beispielsweise Vögel, Buchstaben- oder
Zeichenkombinationen, Bilder von Personen, Gebirge, etc. lediglich
so erschienen, als ob sie entweder ihre Position bei Veränderung
des Betrachtungswinkels ändern
würden
oder über
der Oberfläche
des Substrats zu schweben schienen, werden erfindungsgemäss völlig unterschiedliche
optische Effekte vorgeschlagen, nämlich die Ausbildung des optisch
variablen Elementes derart, dass der die Freiformfläche, beispielsweise
Buchstaben, Zahlen, aber auch irgendwelche sonstigen Objekte, Logos,
etc. bildende Bereich so erscheint, als ob er gegenüber der
Substrat-Oberfläche
vorgewölbt
wäre oder
zurückspringen
würde,
d.h. so, als ob im Bereich der Freiformfläche eine gewölbte Oberfläche vorhanden wäre. Hierdurch
entsteht für
den Betrachter ein völlig neuartiger,
bisher nicht bekannter Effekt für
die optisch wirksame Struktur, nämlich
der einer gewissen räumlichen
Tiefe, wobei sich zusätzlich
bei geeigneter Ausbildung und Anordnung des linsenartig erscheinenden
Teilbereiches der Grenzfläche
besonders charakteristische optische Effekte erzielen lassen, die
den Wiedererkennungswert und damit die Identifikationswirkung entsprechender
optisch variabler Elemente stark erhöhen.
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Wenn
die Abmessungen der Freiformfläche sehr
klein sind, d.h. es sich beispielsweise um ein alphanumerisches
Zeichen mit geringer Strichdicke handelt, lässt sich der erfindungsgemässe Effekt
für ein
optisch variables Element bereits dadurch erreichen, dass die Freiformfläche wie
eine refraktive Linsenstruktur gestaltet ist. Es ist jedoch zu berücksichtigen,
dass die Schichten, zwischen denen die die optisch wirksame Struktur
bildende Grenzfläche
angeordnet ist, üblicherweise
Lackschichten sind, die normalerweise nur eine sehr begrenzte Dicke
aufweisen können.
Um auch bei Vorliegen verhältnismässig dünner Lack-
oder Kleberschichten den erfindungsgemäss angestrebten Effekt erzielen
zu können,
ist es zweckmässig, wenn
die Freiformfläche
als diffraktives Freiformelement mit einer Gitterstruktur, deren Gittertiefe
höchstens
10 μm beträgt, ausgebildet
ist, welches im wesentlichen den Umrisslinien der Freiformfläche folgende
Gitterlinien aufweist, wobei sich der Abstand der Gitterlinien vom
Mittelbereich der Freiformfläche
aus zu deren Rand hin, kontinuierlich verändert, d.h. entweder vermindert
oder vergrössert.
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In
einer Ausgestaltung des optisch variablen Elementes gemäss der Erfindung
kann die Gitterstruktur des Freiformelementes derart gestaltet sein, dass
die jeweils einen Flanken ihrer Gitterfurchen parallel zueinander
und etwa parallel zu einer Senkrechten auf die (gedachte) Referenzfläche verlaufen, während sich
der Winkel der jeweils anderen Flanken der Gitterfurchen gegenüber der
Senkrechten auf die Referenzfläche
in einer Richtung quer zu den Gitterlinien im wesentlichen kontinuierlich
von Gitterfurche zu Gitterfurche ändert, wobei als selbstverständlich unterstellt
wird, dass die Gitterfurchen einen sich verjüngenden Querschnitt aufweisen.
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Die
Herstellung derartiger Gitterstrukturen erfolgt vorzugsweise im
Wege des sog. „Direkt-Schreibens" mittels Laser- oder
Elektronenstrahl-Lithographie-Maschinen,
deren Verwendung es gestattet, ganz bestimmte Gitterstrukturen zu
erzeugen, d.h. tatsächlich
genau den angestrebten optischen Effekt für das Freiformelement zu erzeugen.
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Es
ist allerdings auch denkbar, die vorerwähnte Gitterstruktur mit Gitterfurchen,
deren Flanken unter einem Winkel gegeneinander angeordnet sind,
in anderer Weise als durch „Direkt-Einschreiben" zu erzeugen, nämlich dann,
wenn die unter einem Winkel zu der Senkrechten auf die Referenzfläche verlaufenden
Flanken der Gitterfurchen stufenförmig gestaltet sind, wobei
durch die die Stufen bildenden Flächen die – unter einem Winkel zu der Senkrechten
auf die Referenzfläche
verlaufenden – Flanken
in ihrer optischen Wirkung angenähert
sind. Bei einer derartigen Ausbildung der Flanken der Gitterfurchen
kann beispielsweise auch mittels Masken gearbeitet werden, wobei
die Feinheit der stufenförmigen
Auflösung
der (schrägen)
Flanken von der Zahl der verwendeten Masken, d.h. der gewünschten Stufen,
abhängt.
Dabei genügt
für eine
Vielzahl von Anwendungsfällen
bereits eine Aufteilung der entsprechenden Flanken in vier oder
acht Stufen. Bei hohen Qualitätsanforderungen
ist es aber auch möglich,
beispielsweise vierundsechzig Stufen vorzusehen, für deren
Ausbildung eine entsprechende Anzahl von Belichtungsvorgängen unter
Verwendung unterschiedlicher Masken notwendig ist.
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Eine
unter Umständen
sehr einfache Herstellung der Gitterstruktur des Freiformelementes lässt sich
dann erreichen, wenn die Gitterstruktur eine Binärstruktur ist, die im Querschnitt
im wesentlichen rechteckige Gitterfurchen und Gitterstege aufweist,
wobei vorzugsweise die Ausbildung derart ist, dass die Tiefe der
Gitterfurchen der Gitterstruktur der Freiformelemente über die
gesamte Freiformfläche etwa
gleich ist, d.h. die Veränderung
der „Brechkraft" (Beugung des Lichtes
in unterschiedliche Richtungen) lediglich dadurch erreicht wird,
dass die Breite der Gitterfurchen und/oder Gitterstege entsprechend variiert
wird.
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Eine
Besonderheit der von Gitterstrukturen gebildeten diffraktiven Freiformelemente
gemäss
der Erfindung ist darin zu sehen, dass derartige diffraktive Linsenstrukturen – anders
als refraktive Linsen – abhängig von
der für
die Beleuchtung oder Betrachtung des Objekts jeweils verwendeten
Lichtwellenlänge
einen verschiedenen visuellen Eindruck erzeugen, wodurch sich wiederum
besondere Design- oder Sicherheitseffekte erzielen lassen.
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Eine
weitere Möglichkeit,
dreidimensional erscheinende Freiformflächen zu erzeugen, besteht erfindungsgemäss darin,
dass die Freiformfläche
von einem holographisch erzeugten Freiformelement gebildet ist,
wobei holographisch hergestellte Linsen allerdings gegenüber diffraktiven
Linsenelementen gewisse Nachteile aufweisen. Beispielsweise lassen sich
Linsenelemente holographisch mit vertretbarem Aufwand nur herstellen,
wenn die Gestalt der Freiformfläche
verhältnismässig einfach
ist. Ausserdem erscheinen holographisch hergestellte Linsen wegen ihrer
sinusförmigen
Struktur nicht allzu brillant und weisen häufig Inhomogenitäten auf,
wodurch das visuelle Erscheinungsbild, das durch die Linse erzeugt werden
soll, beeinträchtig
werden kann. Auch lassen sich mit holographisch hergestellten Linsenelementen
bestimmte Farbeffekte nicht mit der gewünschten grossen Gestaltungsfreiheit
erzielen.
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Es
ist grundsätzlich
denkbar, ein optisch variables Element, das im wesentlichen eine
erfindungsgemäss
gestaltete Freiformfläche
aufweist, als Sicherheits- oder Dekorationselement zu verwenden. Vorteilhafterweise
ist jedoch die Freiformfläche
Teil einer optisch wirksamen Gesamt-Strukturanordnung, die neben dem Freiformelement
Teilbereiche mit für den
Betrachter unterschiedliche optische Effekte erzeugenden, optisch
variablen Elementen umfasst. Beispielsweise kann ein Freiformelement
mit den üblichen
beugungsoptisch wirksamen Strukturen kombiniert werden, wie sie
z.B. bekannt sind, um Bewegungseffekte, Flips, Wechsel zwischen
zwei unterschiedlichen Darstellungen, etc. zu erzeugen. Selbstverständlich ist
es auch möglich,
in einem optisch variablen Elemente mehrere Freiformelemente zu
kombinieren, beispielsweise ein Wort oder eine Zahl aus jeweils
ein eigenes Freiformelement bildenden Buchstaben oder Ziffern zusammenzusetzen,
wodurch dann der Eindruck erzielt wird, als ob das Wort oder die
Zahl plastisch gegenüber
dem Rest des optisch variablen Elementes hervorgehoben wären. Interessante
Effekte ergeben sich auch, wenn mehrere Freiformelemente ineinander
quasi verschachtelt werden, so dass dann bei verschiedenen Beleuchtungs- oder
Betrachtungsrichtungen jeweils die unterschiedlichen Freiformelemente
sichtbar sind. Grundsätzlich besteht
hier eine derartige Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten, beispielsweise
auch mit Matteffekten, Spiegelflächen,
etc., dass von einer näheren
Erläuterung
abgesehen werden soll.
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Eine
besonders interessante Möglichkeit
ist die, die optisch wirksame Struktur vollständig oder bereichsweise mit
einer Dünnschicht-Anordnung
zu kombinieren, wodurch abhängig
vom Betrachtungswinkel gezielte Farbwechsel erreicht werden können. Weitere
spezielle Effekte lassen sich durch die Verwendung von Halbleiterschichten
erzielen.
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Es
ist erfindungsgemäss
weiter vorgesehen, dass die die optisch wirksame Struktur bildende Grenzfläche zumindest
bereichsweise mit einer reflexionserhöhenden Beschichtung versehen
ist, die, wenn die Beobachtung des entsprechenden Effektes tatsächlich nur
im Drauflicht, d.h. in Reflexion, geschehen soll, zweckmässig von
einer Metallschicht gebildet ist. Allerdings ist es auch denkbar,
statt der Metallschicht als reflexionserhöhende Beschichtung eine dielektrische
Schicht mit einem gegenüber
den angrenzenden Schichten entsprechend unterschiedlichen Brechungsindex
vorzusehen oder aber auch eine entsprechend konfigurierte Mehrschicht-Anordnung
oder Halbleiter-Beschichtung.
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Eine
Betonung des Freiformelementes lässt sich
erfindungsgemäss
in einfacher Weise dadurch erreichen, dass die reflexionserhöhende Beschichtung
in Passerung zu dem wenigstens einen Freiformelement vorgesehen
ist, wobei die Passerung entweder derart sein kann, dass die reflexionserhöhende Beschichtung
nur im Bereich des Freiformelementes vorhanden ist, oder aber auch
derart, dass gerade im Bereich des Freiformelementes keine reflexionserhöhende Beschichtung
vorhanden ist, sondern nur in dem das Freiformelement umgebenden
Bereich des optisch variablen Elementes. Diese Ausbildung kann beispielsweise
dann sehr vorteilhaft sein, wenn um das Freiformelement herum Elemente
bzw. Strukturen vorgesehen sind, die nur in Reflexion sehr deutlich
erkennbare Effekte hervorrufen, beispielsweise Bewegungseffekte,
Bildwechsel, etc..
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Die
Passerung der reflexionserhöhenden Beschichtung
lässt sich
dann, wenn als Beschichtung eine Metallschicht dient, in einfacher
Weise durch die an sich bekannten Verfahren der bereichsweisen Demetallisierung
der Grenzschicht erzeugen.
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Wie
vorstehenden Darlegungen entnommen werden kann, kann das optisch
variable Element gemäss
der Erfindung in unterschiedlicher Weise und für die unterschiedlichsten Zwecke
eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist jedoch die Verwendung eines
optisch variablen Elementes gemäss
der Erfindung als Sicherheitselement gegen Fälschung von Wertdokumenten
oder für
zu sichernde Gegenstände,
vor allem auch deswegen, weil die erfindungsgemäss vorgesehenen linsenartigen
Freiformelemente die Möglichkeit
bieten, zusätzliche
Identifikations- bzw. Sicherungsmerkmale in das Sicherheitselement einzubringen,
die sich von den bisher für
Sicherheitselemente bekannten Merkmalen in neuartiger Weise und
damit für
den Benutzer des entsprechenden Wertdokumentes oder zu sichernden
Gegenstandes auffallender Weise unterscheiden.
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Die
Verwendung eines optisch variablen Elementes nach der Erfindung
als Sicherheitselement erfolgt vorteilhafterweise derart, dass das
optisch variable Element in die auf ein Substrat übertragbare Dekorschicht-Anordnung
einer Transferfolie, insbesondere einer Heissprägefolie, oder in die Dekorschicht-Anordnung einer Laminierfolie
inkorporiert ist, weil auf diese Weise entweder die Übertragung auf
ein Substrat oder die Erzeugung von Etiketten etc. in einer erfindungsgemässen Gestaltung
erleichtert wird.
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Weitere
Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung.
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Es
zeigen -:
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1a schematisch
einen Schnitt durch eine refraktive Linse,
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1b einen
Schnitt durch eine entsprechende diffraktive Linse mit im Querschnitt
etwa dreieckförmigen
Gitterfurchen,
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1c eine
diffraktive Linse ähnlich 1b mit
einer diffraktiven Binärstruktur,
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2a perspektivisch
eine wellenartige Freiformfläche,
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2b eine – stark
schematisierte und vergröberte – Draufsicht
auf die Freiformfläche
der 2a als diffraktives Freiformelement mit einer
Gitterstruktur gemäss 1b,
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2c eine
Draufsicht entsprechend 2b, jedoch
bei einem Freiformelement mit diffraktiver Binärstruktur gemäss 1c,
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3a perspektivisch
eine Freiformfläche
in Form eines Tropfens in refraktiver Ausbildung,
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3b eine
graphische Darstellung des Verlaufes der Grenzfläche der tropfenförmigen Freiformfläche gemäss 3a,
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4a und 4b Darstellungen
entsprechend 3a und 3b, jedoch
bei Ausführung der
Tropfen-Freiformfläche
als diffraktives Freiformelement mit im Querschnitt etwa dreieckförmigen Gitterfurchen,
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5a und 5b Darstellungen
entsprechend 3a und 3b bzw. 4a und 4b, jedoch
bei Ausbildung des Freiformelementes als diffraktive Binärstruktur,
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6a und 6b Darstellungen
entsprechend 3a und 3b für eine ringförmige Freiformfläche,
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7a, 7b und 7c Darstellungen bezüglich der
ringförmigen
Freiformfläche
entsprechend 4a, 4b und 5b der
tropfenförmigen
Freiformfläche,
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8a und 8b Darstellungen
einer L-förmigen
Freiformfläche
entsprechend den 3a und 3b bzw. 5a und 5b (Tropfen
und Ring),
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9a, 9b und 9c Darstellungen entsprechend
den 7a, 7b und 7c für die L-förmige Freiformfläche, und
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10 in
Draufsicht ein optisch variables Element mit einem die Freiformfläche bildenden
Gewebemuster.
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Die
stark schematisierten und relativ groben Darstellungen der 1a bis 1c zeigen
jeweils den linsenartig wirkenden Teilbereich eines optisch variablen
Elementes gemäss
der Erfindung, bei dem zwischen zwei Schichten 1, 2,
bei denen es sich um allgemeinen um Lackschichten handelt, eine
Grenzfläche 3 gebildet
ist, die meist mit einer reflexionserhöhenden, in der Zeichnung nicht
extra dargestellten Beschichtung, beispielsweise einer Metallisierung
in Form einer im Vakuum aufgedampften Metallschicht versehen ist.
Dabei ist auf der x-Achse der 1a bis 1c die
Abmessung des entsprechenden Linsenelementes in der jeweiligen Richtung
dargestellt, wobei es sich bei den Einheiten der 1a bis 1c um
beliebig angenommene Einheiten handelt, da es auf die genaue Grösse bzw.
den genauen Durchmesser der Linsenelemente nicht ankommt. Im allgemeinen
liegen die entsprechenden Abmessungen der Linsenelemente bzw. der
von den Linsenelementen gebildeten Freiformelemente jedoch zwischen
0,15 und 300 mm, vorzugsweise zwischen 3 und 50 mm.
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Auf
der y-Achse der 1a bis 1c ist
jeweils die Dicke bzw. die Höhe
der entsprechenden Schichten 1, 2 bzw. der von
der Grenzfläche 3 gebildeten
Struktur bzw. refraktiven Fläche
aufgetragen, wobei es sich bei den angegebenen Werten um die Phasendifferenz
in Radiant handelt. Bei Verwendung einer bestimmten Wellenlänge (z.B.
550 nm für
die maximale Empfindlichkeit des menschlichen Auges) lässt sich
aus dieser Phasendifferenz in bekannter Weise (auch unter Berücksichtigung
der jeweiligen Brechungsindizes) die tatsächliche geometrische Tiefe
berechnen.
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Wenn
man die 1a mit den 1b und 1c vergleicht,
ist erkennbar, dass die Dicke des optisch variablen Elementes gemäss 1a wenigstens
zehnmal so gross sein muss wie die Dicke der das optisch variable
Element bildenden Schichtanordnung gemäss 1b und
sogar zwanzigmal so gross wie die Dicke der Schichtanordnung der 1c.
Dass die das optisch variable Element bildenden Schichtanordnungen
der 1b und 1c wesentlich
dünner
sein können
als die der 1a beruht dabei auf der geringeren
Gesamthöhe
h der von der Grenzschicht 3 bestimmten, die Linsenwirkung erzeugenden
Struktur, die sich nur über
eine Höhe
h erstreckt, die umgerechnet (für
ein System n = 1,5/n = 1 in Transmission) bei 1b etwa
der doppelten Wellenlänge,
in 1c sogar nur etwa der einfachen Wellenlänge entspricht.
Jedenfalls ist bei den diffraktiven Linsenelementen der 1b und 1c die Höhe h, d.h.
die Gittertiefe, nicht grösser
als 10 μm.
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Wie
bereits erwähnt,
handelt es sich bei den Schichten 1 und 2 im allgemeinen
um Lackschichten entsprechender Zusammensetzung, wobei wenigstens
die dem Beobachter zugekehrte Lackschicht (im vorliegenden Falle
im allgemeinen die Schicht 1) weitgehend transparent sein
muss, wobei allerdings auch die Möglichkeit besteht, die Lackschichten
bei weitgehender Wahrung der Transparenz einzufärben. Für bestimmte Anwendungsfälle kann
eine der Schichten 1, 2 auch eine Kleberschicht
sein oder zumindest eine entsprechende Klebereigenschaften aufweisende
Lackschicht.
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Wenn
die Grenzschicht 3 mit einer Metallisierung oder einer
sonstigen, stark reflektierenden Beschichtung versehen ist, kann
die Schicht 2 zwar ebenfalls transparent, jedoch auch durchscheinend oder
undurchsichtig sein. Soll dagegen das optisch variable Element gemäss der Erfindung
in Transmission eingesetzt werden, beispielsweise zur Abdeckung
eines auf einem Substrat vorhandenen sichtbaren Merkmales, muss
auch die Schicht 2 transparent sein. In diesem Fall wird
die Grenzfläche
nicht mit einer- im allgemeinen undurchsichtigen – Metallisierung
versehen werden. Stattdessen wird man den Brechungsindex der beiden
transparenten Schichten 1 und 2 derart unterschiedlich
wählen
(wobei die Differenz der Brechungsindizes vorzugsweise wenigstens
0,2 betragen sollte), dass trotz Verwendung zweier transparenter
Schichten der durch die Grenzfläche 3 erzeugte
optische Effekt hinreichend deutlich sichtbar wird.
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Wenn
es dabei Schwierigkeiten bereitet, einen hinreichend hohen Unterschied
im Brechungsindex der Schichten zu verwirklichen, wäre es im
Rahmen der Erfindung auch denkbar, die Gitterfurchen der Freiformelemente
mit einem transparenten Material teilweise oder weitgehend zu verfüllen, das
einen entsprechend stark differierenden Brechungsindex aufweist,
bevor die durchgehende, zum Betrachter weisende Schicht aufgebracht
wird.
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Der
für die
Erzeugung des Linsenelementes gemäss 1a in
einem – grundsätzlich bekannten – Replikationsverfahren
notwendige Master lässt
sich im Hinblick auf die im Vergleich zu den Strukturen der Linsenelemente
der 1b und 1c wesentlich grösseren Abmessungen
verhältnismässig leicht durch
mechanische Präzisions-Abtragverfahren
herstellen.
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Die
diffraktive Gitterstruktur des Linsenelementes der 1b wird üblicherweise
in einem sog. „Direkt-Schreibverfahren" erzeugt, d.h. in
einem Verfahren, bei dem entweder mittels eines Lasers das Material
gemäss
dem gewünschten
Profil abgetragen wird oder mittels eines Lasers oder einer Elektronenstrahl-Lithographieeinrichtung
ein Photoresist gemäss
dem gewünschten
Profil belichtet wird und anschliessend durch Entwicklung des Photoresists
das gewünschte
Profil bzw. dessen Negativprofil erhalten wird.
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Diese
Vorgehensweise bietet den Vorteil, dass sich sehr unterschiedliche
Gitterstrukturen und insbesondere Gitterquerschnitte, z.B. auch
für bestimmte
Anwendungsfälle
sog. Blaze-Gitter, erzeugen lassen, wobei insbesondere erreicht
werden kann, dass der Winkel α zwischen
den in 1b schräg verlaufenden Flanken 4 der
Gitterfurchen 5 und einer Senkrechten S auf eine parallel
zur x-Achse verlaufende, gedachte Referenzfläche der das Linsenelement bildenden
Gitterstruktur sich – wie aus 1b deutlich
ersichtlich – kontinuierlich
vom paraboloidförmigen
Mittelbereich 6 der das Linsenelement bildenden Grenzfläche 3 aus
nach aussen verändert,
und zwar in dem Sinn, dass bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
die zu der Senkrechten S etwa parallelen Flanken 7 der
Gitterfurchen 5 gleichsam nur Unstetigkeitsstellen in einem
ansonsten im wesentlichen stetigen Linsenprofil, welches durch die
aufeinanderfolgenden schrägen
Flanken 4 der Gitterfurchen 5 sowie den zentrischen,
paraboloidförmigen
Abschnitt 6 der Grenzfläche 3 gebildet
ist, darstellen.
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Derartige
Linsenstrukturen sowie die Art ihrer Berechnung sind grundsätzlich in
der einschlägigen
Fachliteratur beschrieben, weshalb hierauf nicht näher eingegangen
werden soll.
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Dabei
ist auch die Möglichkeit
zu erwähnen, anstelle
der gemäss 1b über die
Höhe h
kontinuierlichen schrägen
Flanken 4 eine stufenförmige
Anordnung zu verwenden, bei welcher die die Stufen bildenden Flächen die
Flanken 4 in ihrer optischen Wirkung annähern. Derartige
Gitterstrukturen können sowohl
in sog. Direkt-Schreibverfahren als auch über geeignete Masken-Techniken
erzeugt werden, wobei die Zahl der Stufen abhängig von dem angestrebten Ergebnis
variiert werden kann. Für
eine Vielzahl von Anwendungsfällen
genügt
dabei bereits eine Aufteilung in vier oder acht Stufen. Bei hohen
Qualitätsanforderungen
ist es aber beispielsweise auch möglich, vierundsechzig Stufen
oder eine Stufenzahl gemäss einer
höheren
Potenz von 2 vorzusehen.
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In 1c ist
ein Linsenelement schematisch dargestellt, das von einer sog. Binärstruktur
gebildet ist. Das wesentliche Charakteristikum der Binärstruktur
gemäss 1c ist
dabei darin zu sehen, dass sowohl die Gitterfurchen 8 als
auch die Gitterstege 9 jeweils im Querschnitt im wesentlichen
rechteckig sind. Binärstrukturen
gemäss 1c werden
dabei üblicherweise
unter Verwendung entsprechender Masken hergestellt, wobei in diesem
Zusammenhang die weitere Besonderheit der Struktur gemäss 1c vorteilhaft
ist, dass nämlich
die Gittertiefe h der Gitterstruktur über das gesamte Linsenelement
einheitlich ist, so dass bei der Herstellung der zugehörigen Master
weder unterschiedliche Einwirkungszeiten des das Material entfernenden
Mittels vorgesehen noch mit unterschiedlichen Intensitäten des
durch die entsprechende Maske auf das Substrat einwirkenden Mittels
gearbeitet werden muss.
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Es
besteht weiterhin die Möglichkeit,
geeignete Linsenstrukturen mittels an sich bekannter holographischer
Verfahren herzustellen, wobei man dann Strukturen mit noch geringerer
Gittertiefe und etwa sinusförmigen
Verlauf erhält,
was aber eventuell zu den oben erläuterten Nachteilen führt.
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Die 2a, 3a, 6a und 8a zeigen
etwas schematisiert und stark vergrössert sowie in perspektivischer
Darstellung jeweils die Ansicht einer als refraktives Linsenelement
ausgebildeten Freiformfläche,
d.h. eines Freiformelementes, wobei in den Figuren jeweils nur eine
perspektivische Draufsicht auf die zwischen den beiden Schichten 1, 2 vorhandene
Grenzfläche 3 des
Freiformelementes gezeigt ist, um das Prinzip der Erfindung zu verdeutlichen.
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Derartige
refraktive Freiformelemente mit hinreichender optischer Auffälligkeit
lassen sich dabei nur erzielen, wenn entweder die Dicken der zwischen
sich die Grenzfläche 3 einschliessenden Schichten 1, 2 hinreichend
gross ist oder wenn die Abmessungen der Freiformfläche parallel
zu der gedachten Referenzfläche,
z.B. in 2a der Grundfläche 10,
hinreichend klein sind weil ja bei refraktiven Freiformelementen
die Höhe
h des Linsenelementes, wie 1a deutlich
erkennen lässt,
direkt von den Abmessungen der Freiformfläche in Richtung der x-Achse
abhängt.
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In 3a ist
ein tropfenförmiges
Freiformelement 11 gezeigt, wobei gemäss der Darstellung der 3a das
die tropfenförmige
Freiformfläche
bildende Freiformelement 11 so konstruiert ist, dass die Freiformfläche nach
oben über
die ansonsten plane Grenzfläche 3 vorzustehen
scheint. Selbstverständlich
könnte
entsprechend auch der Eindruck erzeugt werden, als ob der von dem
Freiformelement 11 gebildete Tropfen nach hinten (unten) über die
umgebende Grenzfläche 3 vorstehen
würde.
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6a zeigt
in einer Darstellung ähnlich 3a ein
ringförmiges,
refraktives Freiformelement 12, das beispielsweise den
Buchstaben „O" symbolisieren oder
aber auch nur dekorative Wirkung haben kann.
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Entsprechend
ist in 8a die Grenzfläche 3 perspektivisch
dargestellt, die sich ergibt, wenn der Buchstabe „L" durch ein refraktives
Freiformelement 13 veranschaulicht wird.
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Passend
zu den 3a, 6a und 8a zeigen
die 3b, 6b und 8b jeweils – in etwa
geschnitten senkrecht zur gedachten Referenzfläche – den Verlauf der Grenzfläche 3 bei
den zugehörigen
Freiformelementen 11, 12 und 13, wobei
die Bemassung der graphischen Darstellungen der 3b, 6b und 8b wiederum
entsprechend den 1a bis 1c ist,
d.h. auf der x-Achse beliebige Einheiten dargestellt sind, während die
Auslenkung senkrecht zur gedachten Referenzfläche auf der y-Achse in Radiant
dargestellt ist. Dabei verläuft das
Profil der 3b entlang der Symmetrieachse des
tropfenförmigen
Freiformelementes 11 in 3a, und
zwar von rechts unten in 3a nach links
oben, d.h. vom gerundeten Bereich zur Spitze des Tropfens. Bezüglich 8b ist
das Profil des linken Schenkels des „L", jeweils ebenfalls von rechts unten
nach links oben, aufgetragen, wodurch sich – wegen des rechts unten abzweigenden
Querschenkels des „L" – die Überhöhung im linken Bereich der 8b ergibt.
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Interessant
ist nun ein Vergleich der als Freiformelemente dienenden diffraktiven
Gitterstrukturen mit den refraktiven Strukturen der 2a, 3a, 6a und 8a.
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2b zeigt
schematisiert und stark vergrössert
eine Draufsicht auf die Freiformfläche der 2a, und
zwar aus Blickrichtung etwa senkrecht auf die Referenzfläche 10,
bei Ausbildung der Freiformfläche
als diffraktives Freiformelement mit einer Gitterstruktur mit im
wesentlichen den Umrisslinien der Freiformfläche folgenden Gitterlinien,
wobei sich der Abstand der Gitterlinien vom Mittelbereich des Freiformelementes
aus zu dessen Rand hin kontinuierlich verändert. Ein Vergleich der 2a und 2b lässt in diesem
Zusammenhang auch erkennen, dass der Begriff „Umrisslinien der Freiformfläche" im Sinne der Erfindung
nicht unbedingt die tatsächliche
Begrenzung der Freiformfläche
bedeutet. Es ist vielmehr wichtig, dass die Gitterstrukturen so verlaufen,
dass auch die räumliche
Gestaltung der Freiformfläche,
beispielsweise der unterschiedliche Abstand der Freiformfläche der 2a von
der gedachten Referenzfläche 10,
entsprechend Berücksichtigung
findet.
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2c zeigt
in einer ebenfalls der Darstellung der 2b entsprechenden
Darstellung die Struktur der Freiformfläche der 2a in
Draufsicht, wenn das Linsenelement nicht gemäss 1b von einer
Gitterstruktur mit sich kontinuierlich verändernden Gitterfurchen gebildet
ist, sondern wenn statt dessen die Gitterstruktur eine Binärstruktur
ist, wie sie grundsätzlich
in 1c gezeigt ist.
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Die 4a, 7a und 9a zeigen
wiederum grundsätzlich
den 3a, 6a und 8a entsprechende
Draufsichten auf das tropfenförmige Freiformelement 11,
das ringförmige
Freiformelement 12 bzw. das L-förmige Freiformelement 13,
wobei jedoch das Freiformelement wiederum jeweils nicht als refraktive
Linse sondern als diffraktive Gitterstruktur der grundsätzlichen
Ausbildung der 1b gestaltet ist.
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Die
den 3b, 6b und 8b entsprechenden
Schnitte bzw. Höhenprofile
sind entsprechend in den 4b, 7b und 9b gezeigt.
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Im
Zusammenhang mit der tropfenförmigen Freiformfläche der 3a bzw. 4a ist
in 5a schliesslich noch die Draufsicht bei Gestaltung
des Freiformelementes als Binärgitter
wiedergegeben, wobei das sich ergebende Höhenprofil der Grenzfläche 3 entsprechend
in 5b gezeigt ist. Bezüglich der ringförmigen und
L-förmigen
Freiformfläche
wurde davon abgesehen, eine perspektivische Ansicht der Grenzfläche 3 bei
Ausbildung des Freiformelementes als Binärstruktur darzustellen. Die
entsprechenden Höhenprofile
sind jedoch in den 7c und 9c (für das ringförmige bzw.
L-förmige Freiformelement)
gezeigt.
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Ein
entsprechender Vergleich der 3b, 6b und 8b mit
den 4b, 7b und 9b bzw. 5b, 7c und 9c zeigt
wiederum die deutliche Verminderung der Höhe der Strukturen beim Übergang
von einer refraktiven Struktur (3b, 6b, 8b)
zu einer diffraktiven kontinuierlichen Gitterstruktur (4b, 7b und 9b)
bzw. einer Binärstruktur
(5b, 7c und 9c).
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In 10 ist
schliesslich noch ein Beispiel für
eine komplexere Struktur mit von Freiformelementen gebildeten Freiformflächen wiedergegeben.
Es handelt sich um eine Gewebe- bzw. Gitterstruktur, bei der die
sich kreuzenden Fäden 14 bzw. 15 durch
deren Ausbildung als Freiformelemente gemäss der Erfindung betont sind.
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Bei
den beschriebenen Ausführungsbeispielen
handelt es sich nur um vergleichsweise einfache Ausführungsformen,
die beispielsweise, wie die 3 bis 9, jeweils nur ein Freiformelement umfassen.
Selbstverständlich
ist es möglich,
durch entsprechende Kombination unterschiedlicher Freiformelemente
optisch variable Elemente auch mit komplexen Effekten zu erzeugen,
wobei es insbesondere auch denkbar ist, zusätzlich zu den erfindungsgemässen, linsenartigen
Freiformelementen optisch aktive Strukturen, insbesondere diffraktive
Strukturen vorzusehen, die völlig
andersartige Effekte, beispielsweise Bewegungseffekte, Flips, Bildwechsel,
etc. generieren. Es ist auch denkbar, die Freiformelemente oder
sonstigen diffraktiven Strukturen mit einer Dünnschichtfolge, speziellen
Schichten (z.B. Halbleitern) oder mit speziellen Farben, z.B. iriodisierenden
Farben zu kombinieren, um auf diese Weise ganz besondere Farb(wechsel)effekte
zu erzielen. Dabei können
beispielsweise auch die erfindungsgemässen Freiformelemente z.B.
im Sinne des EP-Patentes No. 0 375 833 B1 mit anderen, optisch wirksamen Strukturen
oder mehrere Freiformflächen
untereinander kombiniert bzw. ineinander verschachtelt werden, so
dass für einen
Betrachter abwechselnd das oder ein bestimmtes linsenartiges Freiformelement
oder eine oder mehrere sonstige, optisch wirksame Strukturen erscheinen,
abhängig
davon, unter welchem Winkel das entsprechende Substrat betrachtet
wird. Eine Kombination der optisch variablen Elemente gemäss der Erfindung
mit Druckelementen, Mattstrukturen oder Spiegelflächen ist
ebenfalls möglich.
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Besonders
interessante Gestaltungen der optisch variablen Elemente gemäss der Erfindung lassen
sich dann erzielen, wenn die die wirksame Struktur bildende Grenzschicht 3 nur
bereichsweise mit einer reflexionserhöhenden Schicht, insbesondere
einer Metallisierung, versehen ist, wobei hier beispielsweise eine
Demetallisierung im Register mit den Freiformelementen vorgesehen
sein kann. Beispielsweise wäre
es denkbar, bei den Ausführungsformen
der 3a bis 9a jeweils
nur das Freiformelement, d.h. die tropfenförmige Freiformfläche 11 (der 3a, 4a und 5a),
das Ringelement 12 (der 6a und 7a)
oder das L-förmige
Element (der 8a und 9a) mit
einer Metallisierung im Bereich der Grenzfläche 3 zu versehen,
nicht jedoch die umgebende Grenzfläche zwischen den Schichten 1 und 2.
Das gewebeartige, optisch variable Element gemäss 10 könnte durch
teilweise Metallisierung ebenfalls interessanter gestaltet werden,
wobei z.B. nur die Flächenbereiche
der Grenzschicht 3, die die Fäden 14, 15 bilden,
metallisiert sein könnten,
während
in den Zwischenräumen
zwischen den Fäden 14, 15 keine
Metallisierung vorhanden ist, so dass insoweit das optisch variable
Element durchsicht wäre.
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Es
sei erwähnt,
dass die Grenzfläche 3 nicht unbedingt
beidseits von einer Lack- oder Kleberschicht begrenzt sein muss.
Insbesondere bei Benutzung des optisch variablen Elementes gemäss der Erfindung
in Transmission könnte
die Grenzfläche 3 auch
an Luft angrenzen, wodurch sich eventuell in einfacher Weise die
im Bereich der Grenzfläche 3 erforderliche
Brechungsindex-Differenz der Schichten beidseits der Grenzfläche 3 erzielen
liesse. Derartige Ausbildungen sind beispielsweise für Verpackungs- oder
Einschlagfolien, die nicht auf einem Substrat befestigt werden,
sehr geeignet.
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Schliesslich
kann ein optisch variables Element, gerade weil es relativ flach
ist, auch in Kombination mit gedruckten Elementen, z.B. bereichsweise überdruckt,
verwendet werden.