RU2843516C1 - Оптическое защитное устройство, защищенное изделие, содержащее указанное оптическое защитное устройство - Google Patents

Abstract

Заявлено оптическое защитное устройство, содержащее последовательно расположенные оптическую подложку, термопластичный слой и оптическую многослойную структуру, представляющую собой распределенный интерференционный отражатель, который состоит из по меньшей мере двух последовательно чередующихся оптически прозрачных слоев с различными показателями преломления n₁ и n₂, и предварительно заданными различными толщинами слоев d₁ и d₂, соответственно, при этом n₂<n₁, при этом оптически прозрачный слой оптической многослойной структуры, имеющий показатель преломления n₁, и непосредственно контактирующий с одной стороны с указанным термопластичным слоем и с другой стороны с прилегающим к нему оптически прозрачным слоем многослойной структуры, имеющим показатель преломления n₂, выполнен таким образом, что по меньшей мере одна часть поверхности указанного оптически прозрачного слоя, имеющего показатель преломления n₁, с соответствующими прилегающими к нему участками термопластичного слоя и оптического прозрачного слоя многослойной структуры, имеющего показатель преломления n₂, образуют по меньшей мере один оптически прозрачный, рельефно-структурированный дифракционный элемент, а на остальной по меньшей одной части этого оптически прозрачного слоя многослойной структуры, имеющего показатель преломления n₁, и непосредственно контактирующего с одной стороны с указанным термопластичным слоем, расположены визуально видимые защитные идентификационные признаки, представляющие собой непрозрачную черно-белую, полиграфическую информацию о защищаемом объекте, при этом по меньшей мере одна часть термопластичного слоя, выполнена таким образом, что содержит по меньшей мере один металлизированный, рельефно-структурированный поляризационный элемент, расположенный пространственно-смещенным по отношению к местоположению по меньшей мере одного рельефно-структурированного дифракционного элемента. Кроме того, заявлено защищенное устройство, выполненное с возможностью нанесения на него оптического защитного устройства. 2 н. и 29 з.п. ф-лы, 12 ил.

Description

Область техники

Изобретение относится к области защиты от подделки и/или идентификации и/или проверки подлинности изделий, подлежащих защите, в частности ценных бумаг и т.п. Таким образом, изобретение относится к оптическому защитному устройству, защищенному устройству, содержащему указанное оптическое защитное устройство.

Уровень техники

Задачей настоящего изобретения является создание оптического защитного устройства (ОЗУ) с высокой степенью защиты от подделки, одновременно являющегося свидетельством подлинности защищаемого объекта. Авторы изобретения создали оптическое защитное устройство с многоуровневой степенью защиты, где в качестве средств для защиты от подделки, и в качестве знаков подлинности используются, как средства полиграфической защиты, впечатанные в поверхность слоев защитного устройства в виде полиграфических черно-белых или цветных символов, букв, цифр или их различных комбинаций и защитные элементы с дифракционными и поляризационными эффектами, проявляющимися при различных условиях визуализации. В частности, заявленное изобретение относится к технике защиты различных изделий от подделки и/или их идентификации с помощью комплексных (совмещенных между собой) оптических устройств, разработанных на основе двух информационно-несущих элементов, представленных в виде:

а) оптической многослойной структуры в виде распределенного интерференционного отражателя, состоящего из по меньшей мере двух последовательно чередующихся оптически прозрачных слоев с различными показателями преломления, при этом число указанных оптически прозрачных слоев может быть три, четыре и т.д., и каждый из указанных оптических прозрачных слоев выполнены с соответствующими показателя преломления n₁ и n₂ и заданными толщинами d₁, d₂, обеспечивающими высокий цветопеременный равномерный фоновый эффект в широком оптическом спектре и широком угле наблюдения в отраженном и в проходящем свете.

b) по меньшей мере одного рельефно-структурированного прозрачного дифракционного элемента и по меньшей мере металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента, выполненных таким образом, что на поверхности одного из слоев и в объеме другого слоя оптического защитного устройства формируются динамически подвижные по поверхности и цветовоспроизведению дифракционные и/или поляризационные цветные изображения, содержащие визуально видимые, приборно-визуализируемые и/или машиночитаемые защитные цветные признаки, а также черно-белые структуры. При этом указанные цветовые и топологические изменения дифракционных и поляризационных изображений происходят одновременно с изменяющимся однородно по поверхности оптического защитного устройства (ОЗУ) цветным фоном, создаваемым распределенным интерференционным отражателем при изменении угла и/или направления наблюдения невооруженным глазом.

В настоящее время в области защиты изделий от подделки все более широкое применение получают дифракционные решетки и голограммы в рельефно-несущем исполнении, а также поляризационные элементы. Однако комбинация защитных элементов с различными физическими свойствами без потерь качества изображения и, соответственно, уровня защиты, затрудняется для воспроизведения в одном устройстве.

Из уровня техники известно многослойное защитное оптическое дифракционное устройство и способ его изготовления, см. RU 2759482, опубл. 15.11.2021 г., IPC B42D 25/328, содержащее многослойное защитное оптическое дифракционное устройство, содержащее пленку-носитель и нанесенные на нее по меньшей мере два термопластичных прозрачных изотропных полимерных слоя, по меньшей мере два металлических слоя, однородный оптически прозрачный слой; и лаковое покрытие, расположенное поверх по всей поверхности оптического защитного устройства; при этом меньшей мере два термопластичных прозрачных изотропных полимерных слоя и по меньшей мере два металлических слоя выполнены таким образом, что обеспечивается формирование по меньшей мере двух информационно-несущих элементов в виде по меньшей мере двух различных дифракционных решеток.

Недостатком данного решения является сложность высокоточного топологического пространственного совмещения информационно-несущих элементов, в частности дифракционных решеток, размещенных на указанных информационно-несущих элементах в едином трафарете устройства.

Близким аналогом заявленного устройства является многослойное защитное оптическое дифракционно-поляризационное устройство и способ его изготовления, раскрытое в RU 2763388 C1, опубл. 28.12.2021 г., содержащее многослойное защитное оптическое дифракционно-поляризационное устройство, содержащее: пленку-носитель и последовательно нанесенные друг на друга: 2 термопластичных, прозрачных, изотропных, полимерных слоя и два металлических слоя, твердотельный оптический анизотропный слой на основе ЖК материала и лаковое покрытие, расположенное поверх по всей поверхности оптического защитного устройства; при этом указанные элементы выполнены таким образом, что обеспечивается формирование по меньшей мере двух информационно-несущих элементов содержащих дифракционные структуры в виде дифракционных решеток и рельефных голограмм выполненный предварительно определенным образом. Недостатком указанного известного устройства также является достаточная сложность совмещения отдельных элементов.

В патенте RU 2480550 C1, опубл. 27.04.2013 г., IPC D21H 21/48, раскрыт комбинированный защитный элемент, содержащий многослойную структуру, в различных слоях которой сформированы различаемые визуально, сопряженные изображения, причем одно или более изображений выполнены в виде голографических решеток, размещенных в различных слоях многослойной структуры, а также печатные изображения и изображения, полученные путем высокоточной деметаллизации или тиснения, и способ изготовления указанного комбинированного защитного элемента, включающий получение многослойной полимерной структуры, нанесение на эту структуру лаковых, красочных и фоторезистивных масок посредством печатных технологий и формирование на основе масок сопряженных голографических, печатных, тисненых и вытравленных изображений, при этом нанесение названных масок и формирование сопряженных изображений проводят в одном технологическом цикле с использованием голографического рельефа в качестве меток для оптической приводки, причем области, закрываемые масками, располагаются внутри областей с голографическим рельефом. Недостатком известного защитного элемента является ограничение в точности приводки голографического и печатного изображений, обуславливающее невозможность создания комплексных голографических печатных образов с точностью приводки друг к другу менее 50-100 мкм, особенно при массовом производстве таких защитных элементов, что влияет на качество и точность воспроизводимых защитных признаков.

Авторы изобретения считают необходимым пояснить, что в современных средствах защиты в основе визуального, приборного и/или машиночитаемого выявления защитных признаков в многослойных структурах лежат интерференционный, дифракционно-интерференционный и поляризационно-интерференционный эффекты, соответственно.

Из уровня техники также известен защитный элемент с двумя изображениями и двусторонним голографическим эффектом, раскрытый в патенте RU 2685791 C2, опубл. 23.04.2019 г., IPC B42D 25/328, указанный защитный элемент содержит первый прозрачный слой с голографической поверхностной структурой, первый металлический слой, расположенный на указанном первом прозрачном слое в виде первого дифракционного изображения, формируя таким образом прозрачные и непрозрачные области и голографическую поверхностную структуру, второй слой, расположенный на указанном первом металлическом слое и имеющий вторую голографическую поверхностную структуру, второй слой, расположенный на указанном первом металлическом слое и имеющий вторую голографическую поверхностную структуру и второй металлический слой, расположенный на указанном втором слое в виде второго изображения, формируя таким образом прозрачные и непрозрачные области и голографическую поверхностную структуру. При этом указанные прозрачные области первого металлического слоя и второго металлического слоя расположены так, что прозрачные и непрозрачные области этих слоев совпадают, так что при рассмотрении в проходящем свете с одной стороны и при рассмотрении в проходящем свете с другой стороны защитного элемента выявляет изображение на одной стороне и его зеркальное изображение на другой стороне соответственно. Голографическая поверхностная структура первого металлического слоя отличается от голографической поверхностной структуры второго металлического слоя, так что защитный элемент проявляет первый голографический эффект в непрозрачных областях при рассмотрении с одной стороны в отраженном свете и проявляет второй голографический эффект в непрозрачных областях, отличающийся от первого голографического эффекта, при рассмотрении с другой стороны в отраженном свете.

Таким образом, недостатком ближайшего аналога-прототипа в качестве защитного элемента с прозрачным изображением в виде прозрачного светопропускающего трафарета и двусторонне отражающих дифракционных изображений, основанных на голографических эффектах, заявленном в патенте RU 2685791 C2 является сложность высокоточного топологического пространственного совмещения по меньшей мере одной картинно деметаллизированной прозрачной области и по меньшей мере одной зеркально отражающей области с картинными голографическими решетками, размещенных попарно на каждой из двух сторон этого элемента в едином трафарете микродеметаллизации. Кроме того, недостатком предложенной технологии изготовления защитного элемента с использованием резистивной маски в виде изображения, является возможное несовпадение топологий прозрачных и непрозрачных участков обоих информационно-несущих слоев, что ухудшает качество хранящихся в них защитных признаков. Более того, основным недостатком указанного защитного элемента, раскрытого в RU 2685791 C2, является ограниченность его функциональных возможностей только видимыми невооруженным глазом защитными признаками, что существенно ограничивает его степень защиты от несанкционированного доступа.

Задача заявленного изобретения заключается в устранении недостатков вышеуказанных известных технических решений и создание нового варианта многослойного оптического защитного устройства (ОЗУ) с высокой степенью защиты от подделки, одновременно являющегося свидетельством подлинности защищаемого объекта и обладающего несколькими степенями защиты, которое будет детально описано далее в настоящем изобретении.

Для более ясного понимания физических явлений, происходящих в заявленном оптическом защитном устройстве, авторы изобретения считают необходимым остановиться на основных физических явлениях, и технических средствах, на которых основаны защитные признаки заявленного оптического защитного устройства.

Первое из них, это явление интерференции, возникающее при многократных отражениях света от двух параллельных поверхностей, которое заложено в работу известного в уровне техники и широко используемого в спектроскопии и в метрологии интерферометра Фабри-Перо.

Для иллюстрации вышеуказанного явления интерференции в отражателе, например распределенном интерференционном отражателе, со ссылкой на фиг. 1 схематично показана интерференция двух лучей, в частности падающего луча(I_пад) и отраженного луча (I_отр) при прохождении светового пучка с длиной волны в вакууме λ _о , падающего из окружающей среды, в данном случае из воздуха с показателем преломления n_окр (что соответствует n_air) под углом θ и преломленного под углом ϕ через плоскопараллельный изотропный диэлектрический слой толщиной d с показателем преломления n _{λ 0} на этой длине волны. При этом оптическая разность хода δλ _о между двумя отраженными лучами равна:

Соответствующая фаза δλ _о между двумя отраженными лучами равна:

где λ₀ - длина волны в вакууме; π - величина сдвига фазы отраженной волны на 180° поскольку показатель преломления в воздухе (т.е. в окружающей среде) всегда меньше показателя преломления в вакуумной среде, т.е. n_air<n _{λ 0} . Указанный скачок фазы излучения имеет место на границе «воздух/пленка», но отсутствует при отражении на границе «пленка/воздух», поскольку n _{λ 0}>n_air.

Далее со ссылкой на фиг. 2 рассмотрим пример интерференции отраженных и прошедших волн оптического монохромного излучения, где падающий луч обозначен как I_пад, а отраженные лучи, как I_отр1, I_отр2, I_отр3, I_отр4, I_отр5, I_отр7. При этом, в общем случае, оптическое монохромное излучение может падать под различными углами на многослойную структуру, расположенную на подложке и имеющую несколько границ раздела, образующимися несколькими парами чередующихся оптически прозрачных пленок с высоким n₁ и низким n₂ показателями преломления, при этом n₁>n₂, что является основой работы широко известного оптического устройства в виде распределенного брэгговского отражателя (далее, как РБО). При этом оптическая длина каждого из слоев многослойной структуры такого РБО равна одной длине волны или кратна четному числу четвертей длины волны перпендикулярно падающего на них и проходящего через них монохромного излучения с длиной волны λ_о согласно закону Брэгга-Вульфа (см. Р. Дичборн, Физическая оптика, Перевод под ред. Л.А. Вайнштейна и О.А. Шустина, Изд. «Наука», Гл.ред. Физ.Мат. Лит., Москва, 1965, стр. 631; Х.Г. Унгер, Планарные и волоконные оптические волноводы, Перевод под ред. В.В. Шевченко, Изд. «Мир», Москва, 1980, стр. 654).

Структура такого отражателя, сформированная из по меньшей мере одной пары, состоящей из двух прозрачных диэлектрических слоев с различными показателями преломления n_H (соответствует n₁ в рамках заявленного изобретения) и n_L (соответствует n₂ в рамках настоящего изобретения), последовательно чередующихся между собой слоев с периодом чередования λ_b для одной и той же (например, лазерной) длины волны λ_b. При этом период чередования λ_b слоев с толщиной t_H и t_L с известными величинами показателей преломления n_H и n_L, соответственно, определяются из условия, при которых волны, отраженные от границ раздела сред данного РБО при перпендикулярно падающей волне на поверхность РБО, находятся в одинаковой фазе как:

где n_eff - эффективный показатель преломления РБО

а четвертьволновые толщины слоев рассчитываются соответственно, как:

В многослойных тонких, в том числе четверть волновых диэлектрических структурах, часто используются различные варианты распределенных брэгговских отражателей (РБО). Типичными примерами реализации таких РБО устройств являются искусственные одномерные фотонные кристаллы и объемные голограммы, представляющие слоистые структуры, в которых показатель преломления материалов, из которых они изготовлены, периодически изменяется в одном из трех пространственных направлений, перпендикулярном этим слоям.

Варианты многослойных РБО в виде оптических микрорезонаторов со сплошными зеркалами на основе чередующихся слоев полупроводниковых материалов различного состава широко используются в современных вариантах конструкции «поверхностно - излучающих лазеров с вертикальными резонаторами» (vertical cavity surface emitting laser - VCSEL) (см., например RU 2554302 C2, IPC H01S 3/00, опубл. 20.05.2015 г.).

При этом каждый из указанных полупроводниковых (диэлектрических) слоев имеет толщину, равную или эквивалентную четверти предварительно заданной длины волны лазерного излучения.

При этом комбинированной разновидностью зеркала в таком микрорезонаторе может быть так называемое GIRO-зеркало («Giant Reflectivety to order O» или («GIRO – grating») - «GIRO - зеркало» с практически 100%-ным обратным отражением линейно поляризованного лазерного излучения (см. патент US 6191890 B1, опубл. 20.02.2003 г., IPC G02B 5/18, представляющее собой диэлектрическую многослойную структуру, один из слоев которой с высоким показателем преломления n_h выполнен в виде рельефно-волноводного слоя с супер пространственно-высокочастотной величиной, обратной периоду чередования волноводных структур, поверхностно-рельефной дифракционной решетки, параметры которой подобраны таким образом, что обеспечивают практически 100% отражение света.

В уровне техники (см., например публикации: RU 2034318 С1, опубл. 30.01.1995 г., IPC G02B 5/28; US 6680799 B1, опубл. 20.01.2004 г., IPC G02B 5/18; US 8238025, опубл. 05.05.2011 г., IPC G02F 1/03), в частности в лазерной технике широко известно использование дифракционно-поляризующих многослойных зеркал с одним слоем в виде диэлектрической субволновой дифракционно-решеточной структуры, и с высокой отражательной и поляризационной селективностью. Указанная многослойная структура представляет собой последовательность диэлектрических слоев с отличающимися показателями преломления n₁, n₂, при этом n_1, n₂.

При этом, как указано выше, один из диэлектрических слоев структуры выполнен с возможностью одностороннего или двустороннего рельефного структурирования его поверхности в виде дифракционной решетки с периодом λ₀, определяющим расстояние между соседними пиками штрихов решетки, который задается из условия устранения возможного возникновения дифракции:

где λ₀ представляет собой, например, монохромную лазерную длину волны, равную 632,8 нм, испускаемую He-Ne лазером в видимой области спектра 400-650 нм. Следует отметить, что период λ₀ относится к периодам субволновых решеток, т.е. высоко-пространственно частотных по величине штрихов решеток, в отличие периодов λ_b (период чередования λ_b слоев) между двумерными плоскими слоями.

Вышеупомянутые дифракционно-поляризующие многослойные зеркала с субволновой дифракционной структурой обеспечивают:

1а) высокую отражательную способность(~99%), 1b) спектральную (менее десятка(нм)селективность) для монохроматической длины волны от ближней ИК до ближней УФ области спектра при падении излучения на поверхность структур под углом примерно 90°, и

1c) высокую пространственную угловую (~10°) селективность для монохроматической длины волны от ближней ИК до ближней УФ области спектра при падении излучения на поверхность структур под углом примерно 90°.

Но при этом, указанные преимущества 1а), 1b) и 1c) многослойных РБО структур, используемых в лазерной технике, являются свойствами, ограничивающими применение подобных структур в области оптической защиты от подделки для защитных элементов и устройств поскольку:

2а) указанные структуры, в том числе защитные признаки, включенные в них, должны наблюдаться потенциальным потребителем изделия, подлежащего защите, как правило, в расходящихся пучках излучения с широкими углами обзора, наклона и/или вращения, особенно при указанном нормальном угле падения излучения на поверхность устройства,

2b) внедренные в указанные структуры защитные признаки могут одновременно находиться и считываться в широкой спектральной области источника верифицирующего излучения,

2с) внедренные в указанные структуры защитные признаки должны быть по меньшей мере визуально видимыми и/или визуализируемыми c помощью поляризационных средств и/или машиночитаемыми защитными признаками и наблюдение защитных признаков и их динамических изменений спектральных и/или пространственно-топологических характеристик может осуществляться в прошедшем, отраженном свете при нормальном и наклонном световом пучке.

Действительно, даже без наличия в описанных выше решениях дифракционно-поляризующих поверхностно-рельефных решеток с супер малыми, периодами штрихов (7), недостатками известных из уровня техники решений, описанных выше, при применении их в области защитных элементов являются высокие спектральные и угловые селективности.

Однако эти недостатки устраняются авторами заявленного изобретения.

Следует отметить, что описанные выше, известные из уровня техники устройства на основе распределенных интерференционных отражателей, в том числе распределенные брэгговские отражатели (РБО), являются разновидностью интерферометра Фабри-Перо и являются важными компонентами монохромных источников излучения с длиной волны λ_b таких как:

- лазеров с вертикальным резонатором, с излучающей поверхностью;

- других типов лазерных диодов с узкой шириной спектральной линии, таких как лазеры с распределенной обратной связью (DFB) и лазеры с распределенным брэгговским отражателем (DBR).

Как указывалось выше, структура таких РБО сформирована из одной или более пар двух прозрачных диэлектрических слоев с различными показателям преломления, т.е. слоя с высоким показателем преломления, n_H, и слоя с низким показателем преломления n_L, последовательно чередующихся между собой с периодом чередования λ_b пар слоев с предварительно заданными толщинами согласно условиям (5) и (6) слоев с n_H n_L, соответственно, равными четверти одной монохромной длины волны светового пучка, ортогонально падающего на поверхность РБО. Это приводит к требуемой для лазерной техники, высокой спектральной и угловой селективности.

Поэтому цветные изображения, формируемые в этих слоях для целей оптической защиты, удовлетворяющие вышеуказанным условиям (5) и (6) для одной и той же длины волны λ_b при использовании традиционной РБО, будут искажаться по яркости и воспроизведению с искажением отдельных цветов при наблюдении под широким углом зрения.

В отличие от решений традиционных РБО, где толщины слоев с низким и высоким показателями преломления, т.е. t_L, t_H удовлетворяют условиям (5) и (6) равенства четвертьволновости для одной длины волны, условно названной как λ_b, авторы изобретения предлагают другое решение для целей использования в устройствах защиты от подделки.

Оптическое защитное устройство согласно изобретению создается на основе оптической многослойной структуры в виде варианта распределенного интерференционного отражателя (РИО), содержащего по меньшей мере два последовательно чередующихся оптически прозрачных слоя с различными показателями преломления n₁ и n₂, соответственно, при этом n₂ n₁, и исходя из показателей преломления n₁ и n₂ каждого из по меньшей мере двух указанных слоев и их соотношением n₁/n₂, задаются толщины слоев d₁ и d₂, при этом толщина d₁ оптически прозрачных слоев с показателем преломления n₁ задается равной четверти по меньшей мере одной длине волны λ₁ из диапазона длин волн оптического спектра электромагнитного излучения, а толщина d₂ оптически прозрачных слоев с показателем преломления n₂ задается равной четверти по меньшей одной другой длине волны λ₂ из диапазона длин волн оптического спектра электромагнитного излучения.

Указанные соотношения параметров подтверждаются экспериментальными исследованиями, которые представлены на фиг. 6А-6D, иллюстрирующие расчетные и экспериментально измеренные спектры отражения и пропускания образца распределенного интерференционного отражателя согласно одному примеру реализации изобретения.

Полученные соотношения параметров задаются, из условия получения заданной однородной цветовой фоновой картины на поверхности оптического защитного устройства при облучении оптического защитного устройства ОЗУ световым излучением видимого диапазона, составляющего от 400 до 650 нм. Этот фон заданно меняется по цвету при изменении угловых и вращательных движений при визуализации ОЗУ.

Таким образом, авторами настоящего изобретения предлагается конструкция оптического защитного устройства (ОЗУ) с распределенным интерференционным отражателем (РИО), в котором обеспечивается, как визуальный, так и машиночитаемый контроль проверки на подлинность в широком спектральном и пространственно-угловом диапазоне и устраняются искажения по яркости воспроизводимых цветовых изображений за счет устранения вышеуказанных недостатков традиционных РБО.

Сущность изобретения

Согласно первому аспекту изобретения предлагается многослойное оптическое защитное устройство, содержащее последовательно расположенные оптическую подложку, термопластичный слой и оптическую многослойную структуру, причем указанная оптическая многослойная структура представляет собой распределенный интерференционный отражатель, и состоит из по меньшей мере двух последовательно чередующихся оптически прозрачных слоев с различными показателями преломления n₁ и n₂, при этом n₁ находится в диапазоне 1,8-2,35, а n₂ находится в диапазоне 1,3-1,8, и предварительно заданными различными толщинами слоев d₁ и d₂, соответственно, при этом n₂ n₁, при этом оптически прозрачный слой оптической многослойной структуры, имеющий показатель преломления n_1, и непосредственно контактирующий с одной стороны с указанным термопластичным слоем и с другой стороны с прилегающим к нему оптически прозрачным слоем многослойной структуры, имеющем показатель преломления n₂, выполнен таким образом, что по меньшей мере одна часть поверхности указанного оптически прозрачного слоя, имеющего показатель преломления n_1, с соответствующими прилегающими к нему участками термопластичного слоя и оптического прозрачного слоя многослойной структуры, имеющему показатель преломления n₂, образуют по меньшей мере один оптически прозрачный, рельефно-структурированный дифракционный элемент, а на остальной по меньшей одной части этого оптически прозрачного слоя многослойной структуры, имеющего показатель преломления n₁, и непосредственно контактирующего с одной стороны с указанным термопластичным слоем, расположены визуально видимые защитные идентификационные признаки, представляющие собой непрозрачную черно-белую, полиграфическую информацию о защищаемом объекте, содержащие символы белого и/или черного цвета, при этом символы черного цвета представляют собой непрозрачные, поглощающие свет черные символы в виде одного из: текста, цифр, букв, знаков и/или их комбинаций, и/или символы белого цвета представляют собой светоотражающие белые символы в виде одного из: текста, цифр, букв, знаков и/или их комбинаций.

Кроме того, по меньшей мере одна часть термопластичного слоя, выполнена таким образом, что содержит по меньшей мере один металлизированный, рельефно- структурированный поляризационный элемент, расположенный пространственно-смещенным по отношению к местоположению по меньшей мере одного рельефно-структурированного дифракционного элемента,

при этом указанный по меньшей мере один рельефно-структурированный дифракционный элемент имеет предварительно заданные пространственно-ориентированные по направлению штрихов решеток по меньшей мере один первый набор дифракционных решеток и по меньшей мере один металлизированный рельефно-структурированный поляризационный элемент имеет предварительно заданные пространственно-ориентированные по направлению штрихов по меньшей мере один второй набор дифракционных решеток, при этом первый и второй наборы штрихов отличаются друг от друга,

при этом величины пространственных периодов штрихов в дифракционных решетках из по меньшей мере одного первого набора по меньшей мере одного рельефно-структурированного дифракционного элемента оптической многослойной структуры задаются равными или больше длины волны, соответствующей верхней границе длин волн из диапазона оптического спектра электромагнитного излучения, и величины пространственных периодов штрихов в по меньшей мере одном втором наборе дифракционных решеток второго металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента оптической многослойной структуры задаются равными по меньшей мере одной длине волны, являющейся меньше длины волны, соответствующей нижней границе длин волн из диапазона оптического спектра электромагнитного излучения,

причем толщина d₁ оптически прозрачных слоев с показателем преломления n₁ задается равной четверти по меньшей мере одной длине волны λ₁ из диапазона длин волн оптического спектра электромагнитного излучения, а толщина d₂ оптически прозрачных слоев с показателем преломления n₂ задается равной четверти по меньшей одной другой длине волны λ₂ из диапазона длин волн оптического спектра электромагнитного излучения, при этом толщины d₁ и d₂ оптически прозрачных слоев с показателем преломления n₁ и n₂, соответственно, задаются из условия обеспечения предварительно заданной однородной цветопеременной равномерно - однородной фоновой картины в отраженном и в проходящем свете на поверхности оптического защитного устройства при облучении излучением из диапазона длин волн оптического спектра электромагнитного излучения, при этом по меньшей мере один рельефно-структурированный дифракционный элемент оптической многослойной структуры и по меньшей мере один металлизированный рельефно-структурированный поляризационный элемент выполнены таким образом, что на поверхности оптического защитного устройства в месте пространственного расположения рельефно-структурированного дифракционного элемента и металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента формируются динамически подвижные по поверхности и цветовоспроизведению дифракционно-голографические и/или поляризационные изображения, содержащие визуально видимые, приборно-визуализируемые и визуально невидимые машиночитаемые защитные признаки на динамически однородно изменяющемся фоне многослойной структуры.

В указанном устройстве оптическая, прозрачная подложка выполнена с возможностью нанесения на защищенное устройство, имеет показатель преломления n₁ и толщину в диапазоне 12-100 мкм и может быть выполнена из полиэтилентерефталата (ПЭТ) или полипропилена (ПП), имеющими показатели преломления ≈1,57 и 1,36, соответственно.

Устройство согласно изобретению, дополнительно содержит по меньшей мере один слой адгезива, посредством которого термопластичный слой, и оптическая многослойная структура прикрепляются к оптической, прозрачной подложке.

Кроме того, оптическая, прозрачная подложка дополнительно содержит разделительный слой, выполненный из синтетических восковых композиций или из клеевого состава и расположенный со стороны защищенного устройства.

При этом, согласно одному варианту реализации, оптическая многослойная структура, представляющая собой распределенный интерференционный отражатель, состоит из трех последовательно чередующихся оптических, прозрачных слоев, где слой с показателем преломления n₂ расположен между двумя слоями с показателями преломления n₁ , при этом оптический прозрачный слой с показателем преломления n₂ представляет собой слой криолита Na₃AlF₆ с показателем преломления n₂, равным 1,35, и с толщиной, например d₂=100 нм, а два слоя с показателями преломления n₁ выполнены из сульфида цинка, ZnS с показателем преломления n₁, равным 2,35, и с толщиной d₁, равной, например 44 нм.

Согласно другому варианту реализации, оптическая многослойная структура, представляющая собой распределенный интерференционный отражатель, состоит из четырех последовательно чередующихся оптических, прозрачных слоев с различными показателями преломления n₁ и n₂, соответственно, где оптический прозрачный слой оптической многослойной структуры, имеющий показатель преломления n₂, выполнен из криолита Na₃AlF₆, а

оптический прозрачный слой оптической многослойной структуры, имеющий показатель преломления n₁, выполнен из сульфида цинка ZnS.

Кроме того, оптические прозрачные слои оптической многослойной структуры, имеющие показатель преломления n₁, могут быть выполнены из материала, представляющего собой одно из: TiO₂, F₂O₃, Nb₂O₅, Si₃N₄, ZnS, In₂O₃, SiO, Si₂O₃, ZnO, Ta₂O₅, V₂O₅, WO₃, ZrO₂, TiO_2, при этом в заявленном оптическом защитном устройстве оптические прозрачные слои оптической многослойной структуры, имеющие показатель преломления n₁, имеют толщину d₁ в диапазоне 30-600 нм.

При этом оптические прозрачные слои оптической многослойной структуры, имеющие показатель преломления n₂, выполнены из материала, представляющего собой одно из: Na₃AlF_6, AlF₆, SiO₂, Al₂O₃, AlO(ОН), В₂О₃, MgF_2, или их смеси и имеют толщину d₂ в диапазоне 100-350 нм.

В заявленном многослойном оптическом защитном устройстве термопластичный слой выполнен из алкидно-уретанового лака PARADE L-15 и имеет показатель преломления ≈1,5 и толщину 10 мкм.

Следует отметить, что величины пространственных периодов штрихов в дифракционных решетках из по меньшей мере одного первого набора по меньшей мере одного рельефно-структурированного дифракционного элемента оптической многослойной структуры задаются равными по меньшей мере одной величине из диапазона пространственных частот от 800 лин/мм до 1400 лин/мм, обеспечивающих формирование защитных признаков в многоцветных дифракционных изображениях в видимом диапазоне оптического спектра, равном от 400 нм до 650 нм.

При этом величины пространственных периодов штрихов в по меньшей мере одном втором наборе дифракционных решеток по меньшей мере одного металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента оптической многослойной структуры задаются равными по меньшей мере одной длине волны, являющейся меньше длины волны соответствующей нижней границе длин волн, равной 400 нм из диапазона оптического спектра электромагнитного излучения, составляющего 400-650 нм и задаются равными одному из значений длин волн в диапазоне 100-300 нм, например: 200, 250 и 300 нм.

Кроме того, форма штрихов по меньшей мере в одном первом наборе дифракционных решеток по меньшей мере в одном рельефно-структурированном дифракционном элементе и по меньшей мере в одном втором наборе металлизированных дифракционных решеток по меньшей мере в одном металлизированным рельефно-структурированном поляризационном элементе, представляет собой прямые и/или криволинейные линии.

Следует отметить, что по меньшей мере один рельефно-структурированный дифракционный элемент, содержащий по меньшей мере один первый набор дифракционных решеток, выполнен таким образом, что каждая решетка из по меньшей мере одного первого набора дифракционных решеток является фрагментом, обеспечивающим формирование изотропного, для визуального наблюдения извне, дифракционного многоцветного изображения всего рельефно-структурированного дифракционного элемента, пространственная площадь которого равна сумме площадей, составляющих его фрагментов и проявляющего, дифракционные свойства с дифракционными эффектами в нулевом и ±1-м дифракционных порядках, а металлизированный рельефно-структурированный, поляризационный элемент, содержащий по меньшей мере один второй набор металлизированных дифракционных решеток, выполнен таким образом, что каждая дифракционная решетка из по меньшей мере одного второго набора металлизированных дифракционных решеток является фрагментом, обеспечивающим формирование изотропного, для визуального наблюдения извне, т.е. «человеком с улицы», в неполяризованном свете, многоцветных изображений в нулевом отраженном и прошедшем пучках, а в поляризованном свете, также обеспечивает поляризационные свойства этих изображений, содержащие видимые и скрытые, приборно-визуализируемые и машиночитаемые в поляризованном свете, цветные защитные признаки.

Согласно второму аспекту изобретения представлено защищенное устройство, выполненное с возможностью нанесения на него многослойного оптического защитного устройства по первому аспекту изобретения, описанному выше.

Указанное защищенное устройство представляет собой одно из: ценный документ, банкнота, пластиковая карта, кредитная карта, ваучер, акция, чековая книжка, акцизная марка, идентификационный документ, паспорт, водительское удостоверение.

Описание чертежей

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

фиг. 1 - представлена схема явления многолучевой интерференции при прохождении световой волны через плоскопараллельный диэлектрический слой согласно известному уровню техники.

Фиг. 2 - представлена схема многолучевой интерференции при прохождения световой волны в многослойной структуре с несколькими границами раздела на основе распределенного интерференционного отражателя (РИО) согласно известному уровню техники.

Фиг. 3 - схематичный вид в поперечном сечении оптического защитного устройства согласно варианту реализации изобретения.

Фиг. 4A - схематичный вид рельефно-структурированного дифракционного элемента 6 с дифракционными решетками 6а, 6b, 6c, 6d согласно варианту реализации изобретения.

Фиг. 4B - схематичный вид металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента 8 с металлизированными дифракционными решетками 8а, 8b, 8c, 8d согласно варианту реализации изобретения.

Фиг. 5а - схема распространения излучения при прохождении через металлизированный рельефно-структурированный поляризационный элемент 8 в режиме пропускания и отражения с формированием дифракционно-поляризационных изображений.

Фиг. 5b - схема распространения излучения при прохождении через рельефно-структурированный дифракционный элемент 6, с формированием дифракционных изображений нулевого, +1, -1 порядков дифракций.

Фиг. 5с - схема наблюдения визуально видимых защитных идентификационных признаков 7, имеющих площадь Ω(x, y), представляющих собой непрозрачную черно-белую полиграфическую информацию о защищаемом объекте.

Фиг. 6А - представлен расчетный спектр отражения образца распределенного интерференционного отражателя согласно Примеру 1 согласно одному варианту реализации изобретения.

Фиг. 6B - представлен экспериментально измеренный спектр отражения образца распределенного интерференционного отражателя согласно Примеру 1 согласно одному варианту реализации изобретения.

Фиг. 6С - представлен расчетный спектр пропускания образца распределенного интерференционного отражателя согласно Примеру 1 согласно одному варианту реализации изобретения.

Фиг. 6D - представлен экспериментально измеренный спектр пропускания образца распределенного интерференционного отражателя согласно Примеру 1 согласно одному варианту реализации изобретения.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Все документы, упомянутые в этой заявке, являются неотъемлемой частью описания заявки, т.е. их раскрытия являются полностью включенными в настоящее описание заявки путем ссылки.

Ссылки на элементы в единственном числе следует понимать включающими элементы во множественном числе и наоборот, если иное явно не оговорено, или ясно не следует из контекста.

В этой заявке изложение пределов значений не предполагается ограничивающим, а предполагается относящимся индивидуально к любому и всем значениям, попадающим в пределы, если в этой заявке не указано иное, а каждое отдельное значение в таких пределах включается в описание изобретения, как если бы оно было индивидуально приведено в этой заявке.

Использование конкретных составов композиций материалов, используемых при изготовлении конструктивных элементов, являющихся составной частью заявленного изобретения, не ограничивается представленными примерами, а допускает использование любых других композиций с аналогичными свойствами известными для специалистов в данной области техники.

Слова «около», «приблизительно» или подобные при численном значении специалисту в данной области техники следует понимать, как показывающие отклонение, при котором обеспечивается удовлетворительная работа в предполагаемой области применения. Аналогично этому, слова, относящиеся к приближенному значению, такие как «приблизительно» или «по существу», при использовании относительно физических характеристик специалисту в данной области техники следует понимать, как выражающие пределы отклонения, при которых обеспечивается удовлетворительная работа в случае соответствующего использования, функционирования, целевого назначения или чего-либо подобного.

Пределы значений и/или числовых значений приводятся в этой заявке только для примера и не накладывают ограничений на объем описанных вариантов осуществления. Когда пределы значений приводятся, они предполагаются включающими каждое значение в пределах, как если бы оно было представлено индивидуально, однако если иное особо не оговорено. Использование любого или всех примеров, или вводного слова перед примером («например», «такой как» или подобного), приводимого в этой заявке, предназначено только для лучшего освещения вариантов осуществления и не является ограничением объема вариантов осуществления. Никакую формулировку в описании не следует толковать как показывающую какой-либо незаявленный элемент существенным при практическом применении вариантов осуществления.

В настоящем описании термины «голограмма», «дифракционная решетка», «пространственно-структурированная дифракционная решетка» или «картинная дифракционно-решеточная структура», голограмма, используются как равнозначные синонима, а также термины «поляризационная структура» или «интерференционная-поляризационная структура» используются как два равнозначных синонима.

Заявленное оптическое защитное устройство (далее, как ОЗУ) содержит в своем составе многослойную структуру в виде распределенного интерференционного отражателя (далее, как РИО), который состоит из по меньшей мере двух последовательно чередующихся оптически прозрачных слоев с различными показателями преломления n₁ и n₂, соответственно, при этом n₂ n₁, и по меньшей мере двух рельефно-структурированных дифракционных элементов, при этом по меньшей мере один рельефно-структурированный дифракционный элемент сформирован на, по меньшей мере, одной части оптически прозрачного слоя, имеющего показатель преломления n₁, с соответствующими прилегающими к нему участками термопластичного слоя и оптического прозрачного слоя многослойной структуры, имеющему показатель преломления n₂, а по меньшей мере один металлизированный рельефно-структурированный поляризационный элемент выполнен в объеме на, по меньшей мере, части термопластичного слоя вне поверхности рельефно-структурированного дифракционного элемента.

При этом рельефно-структурированный дифракционный элемент и металлизированный рельефно-структурированный поляризационный элемент представляют собой первый набор дифракционных решеток и второй набор дифракционных решеток, соответственно, с предварительно заданными пространственно двумерно-ориентированными по углу в плоскости (x, y) оптического защитного устройства штрихами дифракционных решеток и с заданными периодами расположения штрихов в каждом из них, которые отличаются для первого и второго набора дифракционных решеток.

При этом оптическая многослойная структура в виде распределенного интерференционного отражателя и рельефно-структурированный дифракционный элемент, а также металлизированный рельефно-структурированный поляризационный элемент образуют информационно-несущую структуру оптического защитного устройства (ОЗУ), которые условно можно представить, как комбинацию трех защитных элементов:

где символами обозначены соответствующие пространственное-разнесенные в объеме оптического защитного устройства защитные элементы, а именно их площади:

ψ (x,y) - само оптическое защитное устройство (ОЗУ),

χ (x,y) - рельефно-структурированные дифракционный элемент, по сути представляющий собой дифракционно-интерференционный элемент,

ξ (x,у) - металлизированный рельефно-структурированный поляризационный элемент, по сути представляющий собой поляризационно-интерференционный элемент,

Ω (x, у) - светорассеивающий элемент.

Комбинация трех защитных элементов указанных выше предполагает наличие, по меньшей мере, одной неструктурированной зоны с гладкой поверхностью по меньшей мере одного из слоев многослойной структуры, которая не занята вышеупомянутой комбинацией трех защитных элементов, т.е. всей суммой площадей:

χ(x,у)+ξ(x,y)+Ω(x,y) указанных защитных элементов.

Спектры отражения и пропускания ОЗУ в области расположения этой неструктурированной зоны приведены на Фиг. 6A-6D.

Далее остановимся на особенностях выполнения каждого из трех защитных элементов.

Первый рельефно-структурированный дифракционный элемент

Рельефно-структурированный дифракционный элемент с площадью χ(x,y) (далее, как рельефно-структурированный дифракционный элемент χ(x,y)) представляет собой первый набор дифракционных решеток, изготовленный согласно двум методикам: дот-матрикс голограммы (ДМГ), фрейм-матрикс голограммы (ФМГ) (см. Rudolf L. van Renesse. Security aspects of commercially available dot matrix and image matrix origination systems // SPIE International Conference on Optical Holography and its Applications, 24-27 May 2004,Kiev, Ukraine) с последующим его тиражированием по технологии Roll-to-Roll известной из публикации M.P.C. Watts, «Advances in roll to roll processing of optics», Proc. of SPIE, vol. 6883, 688305-1-688305-11 (2008).

Рельефно-структурированный дифракционный элемент χ(x,y) представляет собой по меньшей мере один первый набор пространственно-ориентированных и разнесенных дифракционных решеток, на по меньшей мере одной части оптически прозрачного слоя, имеющего показатель преломления n₁, с соответствующими прилегающими к нему участками термопластичного слоя и оптического прозрачного слоя многослойной структуры, имеющему показатель преломления n₂, при этом каждая из указанных дифракционных решеток характеризуется отличающимися и/или одинаковыми для каждой дифракционной решетки своими, предварительно заданными параметрами, содержащими: период штрихов λ₁, угловую ориентацию штрихов θ₁ в пространстве, глубину h₁ штрихов и форму штрихов, что обеспечивает формирование визуально-видимых многоцветных изображений нулевого и ± первого дифракционного порядка. При этом период λ₁ штрихов каждой из дифракционных решеток рельефно-структурированного дифракционного элемента χ(x,у) соответствует предварительно заданной длине волны видимого диапазона, составляющего 400÷650нм и находится в области от 800 до 1400 лин/мм, определяющих набор визуально видимых многоцветных защитных идентификационных признаков в заданной спектральной области.

Каждая из дифракционных решеток по меньшей мере одного рельефно-структурированного дифракционного элемента с площадью

χ(x, y) проявляет, как правило, дифракционные свойства со слабыми поляризационными эффектами в нулевом и ±1-м дифракционных порядках. Это означает, что если величины пространственных периодов λ₁ штрихов, выраженные в терминах «число штрихов в миллиметре», в предварительно определенной каждой из дифракционных решеток рельефно-структурированного дифракционного элемента χ(x,y) находятся в указанной области частот от 800 до 1400 лин/мм и их величины равны или больше длины волны соответствующей верхней границе длин волн (400нм) из диапазона оптического спектра, то рельефно-структурированный дифракционный элемент функционирует, в основном, как дифракционная решетка, без заметного проявления поляризационных свойств в «нулевом» и дифракционных пучках, пригодных в качестве защитных признаков.

Металлизированный рельефно-структурированный поляризационный элемент

Металлизированный рельефно-структурированные поляризационный элемент с площадью ξ(x,y) (далее, как металлизированный рельефно-структурированный поляризационный элемент ξ(x,y)) представляет собой по меньшей мере один второй набор дифракционных решеток, изготовленный согласно указанному выше дот-матрикс методу, который детально описан в следующей публикации: см. Rudolf L. van Renesse. Security aspects of commercially available dot matrix and image matrix origination systems // SPIE International Conference on Optical Holography and its Applications, 24-27 May 2004, Kiev, Ukraine; с использованием лазерного коротковолнового УФ излучения, или электронно-лучевого пучка, и представляет собой по меньшей мере один второй набор пространственно-ориентированных, металлизированных дифракционных решеток, в по меньшей мере части внутреннего объема термопластичного прозрачного слоя, с одной стороны контактирующей с прозрачной подложкой, а с другой с по меньшей мере частью прозрачного слоя, имеющим показатель преломления n₁, которая не занята по меньшей мере одним первым рельефно-структурированным дифракционным элементом с площадью χ (x,y), при этом каждая из указанных дифракционных решеток характеризуется отличающимися и/или одинаковыми для каждой субволновой дифракционной решетки своими, предварительно заданными параметрами, содержащими: период штрихов λ₂ решетки, угловую ориентацию штрихов θ₂ в пространстве, глубину h₂ штрихов и форму штрихов, что обеспечивает формирование видимых и невидимых многоцветных изображений визуализируемых с помощью приборных средств с использованием поляризационных устройств.

При этом все периоды λ₂ штрихов второго набора дифракционных решеток в металлизированном рельефно-структурированном поляризационном элементе меньше периодов λ₁ штрихов первого набора дифракционных решеток в рельефно-структурированном дифракционном элементе, т.е.

λ₂<λ₁ (10).

При этом все периоды дифракционных решеток металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента удовлетворяют условию (9) «аномалии Вуда» и «Резонансам Рэлея», детально описанным далее.

Пример выполнения и процессы, происходящие в субволновых металлизированных дифракционных решетках, раскрыт в патенте US 6122103, «Broadband wire grid polarizer for the visible spectrum», IPC G02B 5/18, опубл.19. 09. 2000 г.

Следует отметить, что дифракционные решетки, удовлетворяющие условию (9) не обеспечивают дифракцию света в заданной видимой области спектра, они обеспечивают формирование двух взаимно ортогонально линейно-поляризованных (прошедшего и отраженного) пучков нулевого дифракционного порядка, ориентация вектора поляризации которых определяется ориентацией штрихов в каждой из i решеток, где i=1,2, 3, 4, …N.

При этом в каждой из подобных решеток с металлизированными штрихами возникают лишь нулевые (зеркально отраженный и прошедший) «дифракционные» порядки для режимов отражения и пропускания пучков света с взаимно ортогональной поляризацией TM и TE - (вдоль и поперек штрихов) каждой из дифракционных решеток) в наборе, соответственно. Таким образом, металлизированный рельефно-структурированный поляризационный элемент ξ (x,y) функционирует, как поляризатор для предварительно определенных длин волн видимого излучения, в диапазоне 400÷650нм. В зависимости от величины периода λ₂ штрихов в дифракционной решетке из второго набора дифракционных решеток указанная решетка отражает ТЕ-поляризованную компоненту вектора поляризации(«S»-поляризация), падающего на нее неполяризованного или поляризованного светового излучения, которая параллельна направлению ориентации штрихов решетки и пропускает ТМ-поляризованную волну («Р»-поляризация), перпендикулярную штрихам этой же решетки в заданной области видимого электромагнитного излучения.

Этот эффект известен из уровня техники, как «аномалии Вуда» или как «резонансы Рэлея»:

где λ₂ - период решетки, n - показатель преломления среды, окружающей решетку, k - целое число, соответствующего порядку дифракционного члена, λ₂ - длина волны излучения в воздухе и θ - угол падения излучения, измеряемых в воздухе, где возникает эффект резонанса, который зависит от угла падения излучения на защитное устройство при его идентификации, т.е. выявлении подлинности защищаемого изделия. При этом величины показателей преломления сред, граничащие с обеих сторон металлизированной дифракционной решетки из второй группы дифракционных решеток металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента, могут быть равными или отличаться.

Эффект угловой зависимости заключается в смещении области пропускания в сторону больших длин волн λ при увеличении угла θ. Таким образом, длина волны согласно «аномалии Вуда» в соответствие с выражением (9) зависит от угла падения пучка излучения на оптическое защитное устройство (ОЗУ), т.е. длина волны λ возрастает с увеличением угла падения пучка света на ОЗУ.

Методы изготовления субволновых металлизированных решеток широко известны из уровня техники, например метод электронно-лучевой литографии: А.В. Гончарский, В.В. Попов, В.В. Степанов, «Введение в компьютерную оптику», Изд-во МГУ, 1991, стр. 132.

Выполнение оптического защитного устройства в виде многослойной оптической структуры на основе распределенного интерференционного отражателя и с по меньшей мере одним рельефно-структурированным дифракционным элементом и по меньшей мере одним металлизированным рельефно-структурированными поляризационным элементом обеспечивает повышение степени защиты устройства с увеличением количества защитных признаков в нем, а также с увеличением их функциональных способностей с использованием различных методов идентификации указанных защитных признаков:

1) наблюдение невооруженным глазом в естественном свете защитных признаков;

2) приборный, с использованием внешнего поляризованного света с простейшими поляризаторами для визуализации скрытых защитных признаков;

3) машиночитаемый для определения параметров дифракционных решеток, обеспечивающих визуально видимые и скрытые пространственные и цветовые свойства поляризационных изображений, сформированных в субволновых дифракционных структурах.

При этом наблюдение невооруженным глазом в естественном свете защитных признаков (метод визуального наблюдения) в виде однородного по цвету фона на всей площади ψ(x,y) защитного оптического устройства обеспечивается оптической многослойной структурой в виде распределенного интерференционного отражателя (РИО).

Многослойная структура чередующихся одна за другой пленок или слоев выполнена из оптически прозрачных для длин волн в видимой области спектра, например, в диапазоне 400÷650 нм, материалов с высоким (n₁) и низким (n₂) показателями преломления, и с предварительно заданными толщинами слоев для заданных длины волн излучения из указанной выше спектральной области. Многослойная структура, выполненная в виде варианта распределенного интерференционного отражателя (РИО), обеспечивает формирование динамически изменяющегося однородного по цвету фона (синий-фиолетовый, фиолетовый-желтый, желтый-серебристый, серебристый-прозрачный) на всей площади защитного устройства ψ(x,y) при изменении условий его визуализации (взаимного пространственно-углового расположения источника освещения и наблюдателя относительно самого защитного устройства).

На этом динамически изменяющемся фоне ОЗУ наблюдаются предварительно заданные визуально-видимые многоцветные изображения нулевого и ± первого дифракционного порядков в зависимости от угла наблюдения, сформированные в рельефно-структурированном дифракционном элементе χ(x,y).

Вся площадь ψ(x,y) оптического защитного устройства (ОЗУ) включает в себя динамически подвижные по пространству и цветовоспроизведению защитные изображения, основанные на дифракционно-интерференционных эффектах, формируемых по меньшей мере одним рельефно-структурированным дифракционным элементом χ(x,y) и поляризационно-интерференционных эффектах, формируемых по меньшей мере одним металлизированным рельефно-структурированным поляризационным элементом ξ(x,y).

При этом области с площадью χ(x,y) по меньшей мере одного рельефно-структурированного дифракционного элемента и с площадью ξ(x,y) по меньшей мере одного металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента, основанные на дифракционно-интерференционных и поляризационно-интерференционных эффектах, соответственно, могут быть выполнены как взаимно контактирующими или разнесенными друг от друга, т.е. не контактирующими, вплоть до 1-го мм или более между ними, или даже внедренными друг в друга.

Все три вышеупомянутых защитных признака, сформированные по площади ψ(x,y) оптического защитного устройства, обеспечиваются:

1) распределенным интерференционным отражателем, 2) по меньшей мере одним рельефно-структурированным дифракционным элементом χ(x,y), представляющим собой дифракционно-интерференционный элемент и 3) металлизированным рельефно-структурированным поляризационным элементом ξ(x,y), представляющим собой интерференционно-поляризационный элемент.

Рельефно-структурированный дифракционный элемент χ(x,y) содержит по меньшей мере один первый набор дифракционных решеток, который может быть представлен в виде следующего выражения:

где i - порядковый номер решеток, а N - их общее число (решеток) обеспечивает визуально видимые и невидимые защитные признаки, как минимум в нулевых и/или ±1-ых порядках дифракции решеток χ_i(x,y) из набора дифракционных решеток. При этом дифракционные защитные эффекты, указанного рельефно-структурированного дифракционного элемента определяются предварительно заданными величинами периодов между штрихами каждой из дифракционных решеток в наборе решеток, большими, чем длины волн в видимой области спектра (дискретно или непрерывно, т.е. направления штрихов в соседних решетках набора переходят от одной решетки к другой плавным изменением при переходе от одной решетке к другой или дискретно резко, например в пределах от 400 нм и до 650 нм), с заданными величинами (локальными и/или непрерывными, т.е. штрихи решеток могут быть прямолинейными или искривленными в каждой из решеток) углов θ их пространственной ориентации.

Металлизированный рельефно-структурированный поляризационный элемент ξ(x,y) содержит по меньшей мере один второй набор дифракционных решеток, который может быть представлен в виде следующего выражения:

где j - есть порядковый номер решеток, а m - общее число решеток в наборе, обеспечивает формирование взаимно ортогональных по направлению поляризации (TE и/или TM) «изображений» в прошедшем и отраженном «нулевых» порядках дифракции решеток ξ_j(x,y) металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента, визуализируемых с помощью неполяризованного или поляризованного видимого света. Поляризационные цветные «изображения», обеспеченные формированием от одной и той же решетки в прошедшем и отраженном «нулевых» порядках дифракции, имеют взаимно ортогональные по направлению состояния поляризации (ТМ и/или ТЕ); они взаимно дополняют друг друга и их можно видеть в не поляризованном свете, но проявляют свою анизотропию в поляризованном считывающем свете. Пространственная ориентация направлений вектора поляризации изображений в решетках по меньшей мере одного металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента ξ(x,y) определяется направлением штрихов в каждой из набора дифракционных решеток. Получаемые защитным устройством оптические изображения содержат информационно-несущие видимые, например, визуально видимые цветные и невидимые поляризационные защитные признаки.

При этом формируемые визуально видимые и невидимые поляризационные защитные признаки определяются, по меньшей мере, одним или более параметрами дифракционных решеток во втором наборе дифракционных решеток, к ним относятся:

- период штрихов λ₂, при этом λ₂ ≤ 400 ÷ 650 нм, т.е. дискретно, но меньше длины волны в видимой области спектра,

- скважность W (отношение ширины L₂ металлического штриха решетки к периоду решетки λ₂),

- угловая ориентация штрихов θ (x,y) решетки в пространстве в диапазоне от 0° до 180° в плоскости (x,y),

- глубина h(x,y) штрихов,

- топологический профиль или форма G(x,y) штрихов, что обеспечивает формирование видимых и невидимых многоцветных изображений визуализируемых с помощью приборных средств с использованием поляризационных устройств.

При этом все периоды λ₂ штрихов второго набора металлизированных дифракционных решеток в металлизированном рельефно-структурированном поляризационном элементе меньше периода λ₁ штрихов решеток из первого набора дифракционных решеток в рельефно-структурированном дифракционном элементе, т.е. λ₂ λ₁. При этом все периоды дифракционных решеток второго набора решеток металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента удовлетворяют условию (9) «аномалии Вуда» и «Резонансам Рэлея».

В качестве защитных элементов, сформированных по меньшей мере одним металлизированным рельефно-структурированным поляризационным элементом, могут быть различные наборы и/или комбинации символов, букв, цифр, штрихкодов, образующих по меньшей мере один скрытый защитный признак, (и/или видимые невооруженным глазом цветные защитные признаки,) и т.д. и их комбинаций, объединенных в одну область или пространственно-разделенных между собой в пределах указанного металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента ξ(x,y).

В качестве третьего защитного элемента, представляющего собой по сути светорассеивающий элемент, рассматриваются визуально-видимые защитные идентификационные признаки (см. позицию 7 на фиг. 3) имеющие площадь Ω (x,y), и представляющие собой непрозрачную черно-белую полиграфическую информацию о защищаемом объекте. Указанные визуально-видимые защитные идентификационные признаки расположены на, по меньшей мере, одной части площади гладкой поверхности оптически прозрачного слоя 4₁ многослойной структуры, не занятой рельефно-структурированными дифракционным элементом (6) и металлизированным рельефно-структурированным поляризационным элементом (8). Такое расположение и выполнение визуально-видимых защитных идентификационных признаков обуславливает обеспечение смесевых цветов на поверхности защитного устройства и обеспечение эффекта динамического изменения пространственно-однородного фонового цвета в пределах гладких областей оптически прозрачных слоев многослойной структуры. При падении излучения на защитное устройство в зону расположения частей с непрозрачной черной-белой полиграфической информацией визуально-видимых защитных идентификационных защитных признаков, падающий свет, при отражении от непрозрачных участков с белой полиграфической информацией, проходит через многослойную структуру, представляющую собой распределенный интерференционный отражатель и дополнительно окрашивается при обратном прохождении через прозрачные слои, вследствие эффекта интерференции, и при падении света на непрозрачные участки с черной полиграфической информацией отражение света не происходит, а свет лишь отражается от прозрачных слов оптической многослойной структуры. За счет этого, цвета защитного устройства на черных и/или белых участках визуально-видимых защитных идентификационных признаков различаются друг от друга, и учитывая спектральную составляющую любых цветных поверхностей авторы изобретения добиваются получения широкого спектра смесовых цветов на защитном устройстве + защищаемом изделии.

Таким образом, предложенная конструкция оптического защитного устройства (ОЗУ) обеспечивает четыре возможных комбинаций формирования и наблюдения защитных признаков в виде:

1. - РИО(x,y) - распределенный интерференционный отражатель (РИО),

2. - РИО (x,y)+χ(x,y) - РИО в комбинации с по меньшей мере одним рельефно-структурированный дифракционным элементом,

3. - РИО (x,y)+ξ(x,y) - РИО в комбинации с по меньшей мере одним металлизированным рельефно-структурированным поляризационным элементом,

4. - РИО (x,y)+Ω(x,y) - РИО в комбинации с визуально видимыми защитными идентификационными признаками.

Далее рассмотрим примеры реализации защитного устройства со ссылкой на фиг. 3 и 4a, 4b , где на фиг. 3 приведен схематичный вид в поперечном сечении оптического защитного устройства 1, содержащего последовательно расположенные оптическую, прозрачную подложку 2, термопластичный слой 3 , оптическую многослойную структуру 4, и защитный слой 5, причем указанная оптическая многослойная структура представляет собой вариант РИО, и состоит из по меньшей мере двух последовательно чередующихся оптически прозрачных слоев 4₁ и 4₂ с различными показателями преломления n₁ и n₂, соответственно, при этом n₂ n₁.

Оптические прозрачные слои 4₁, имеющие более высокий показатель преломления n₁, по сравнению с показателем преломления n₂ оптических прозрачных слоев 4₂, как правило, выполнены из диэлектрического материала, в качестве указанных материалов могут быть использован по меньшей мере один из перечисленных материалов или их комбинации: TiO₂, F₂O₃, Nb₂O₅, Si₃N₄, ZnS, In₂O₃, SiO, Si₂O₃, ZnO, Ta₂O₅, V₂O₅, WO₃, ZrO₂, TiO₂, прозрачные халькогениды (сульфиды, селениды и теллуриды), нитриды. Оптические прозрачные слои 4₁ имеют толщину слоя d₁ в диапазоне 30-600 нм, которая зависит от технологических условий изделия, подлежащего защите.

Диапазон значений показателей преломления n₁ и n₂ может незначительно варьироваться в зависимости от используемого материала в оптических прозрачных слоях и главным образом, в зависимости от назначения как самого защитного устройства, так и защищаемого изделия. Исследования авторов изобретения показали, что n₁ может находится в диапазоне 1,8÷2,35, а n₂ в диапазоне 1,3÷1,8.

Оптические прозрачные слои 4₂, имеющие более низкий показатель преломления n₂, по сравнению с показателем преломления n₁, оптических прозрачных слоев 4₁, как правило, выполнены из по меньшей мере одного из перечисленных материалов или их комбинаций: Na₃(AlF₆)(криолит), AlF₆, SiO₂, Al₂O₃, AlO(ОН), В₂О₃, MgF₂ или их смесей. Для оптического прозрачного слоя 4₂ подходят все прозрачные фториды.

Оптические прозрачные слои 4₂ имеют толщину слоя d₂ в диапазоне 100-350 нм которая зависит от технологических условий изделия, подлежащего защите.

Многослойная структура 4 может быть, например, выполнена из по меньшей мере двух чередующихся слоев, например, оптического прозрачного слоя 4₁, выполненного из сульфида цинка ZnS с показателем преломления n₁=2,35 и оптического прозрачного слоя 4₂ с показателем преломления n₂=1,35. При этом толщины указанных слоев может находиться в диапазоне 30-600 и 100-350 нм, соответственно.

Примерами комбинаций материалов с различными показателями преломления для слоев 4_1, 4_2, могут быть, например, сульфид цинка (для слоя 4₁) и фторид магния (для слоя 4₂), диоксид титана (для слоя 4₁) и диоксид кремния (для слоя 4₂) и др.

Оптически прозрачные слои 4₁ и 4₂ имеют толщину в диапазоне 30-600 нм и 100-350 нм, соответственно.

Эти толщины равны или эквивалентны четверти предварительно заданным длинам волн излучения, падающего на оптическое защитное устройство 1. Таких слоев с высоким и низким показателями преломления n₁ и n₂, в составе многослойной структуры может быть по меньшей мере два, см. слои 4₁ и 4₂. При этом поверхность оптически прозрачного слоя 4₁ многослойной структуры, имеющего показатель преломления n₁, и непосредственно контактирующая с одной стороны с указанным термопластичным слоем 3 и с другой стороны с прилегающим к нему оптически прозрачным слоем 4₂ многослойной структуры 4, имеющем показатель преломления n₂, выполнена таким образом, что, по меньшей мере, одна часть площади поверхности указанного оптически прозрачного слоя 4₁, имеющего показатель преломления n₁, с соответствующими прилегающими к нему участками термопластичного слоя 3 и оптического прозрачного слоя 4₂ многослойной структуры 4, имеющему показатель преломления n₂, образует по меньшей мере один рельефно-структурированный дифракционный элемент 6, занимающий площадь χ(x,y), а на части площади указанной поверхности оптически прозрачного слоя 4₁ многослойной структуры 4, имеющий показатель преломления n₁, и непосредственно контактирующий с одной стороны с указанным термопластичным слоем 3, и не занятой рельефно-структурированным дифракционным элементом 6, расположены визуально-видимые защитные идентификационные признаки 7, представляющие собой непрозрачную черно-белую полиграфическую информацию о защищаемом объекте, занимающие площадь Ω(x,y), представляющие собой непрозрачную черно-белую полиграфическую информацию о защищаемом объекте.

При этом второй металлизированный рельефно-структурированный поляризационный элемент 8 с площадью ξ(x,y) представляет собой по меньшей мере один второй набор пространственно-ориентированных и разнесенных металлизированных дифракционных решеток, который расположен в объеме по меньшей мере одного участка термопластичного слоя 3, который прилегает к слою 4₁ вне площади расположения первого рельефно-структурированного дифракционного элемента 6 с площадью χ(x,y).

Таким образом, по меньшей мере одна часть площади поверхности термопластичного слоя 3, не занятая первым рельефно-структурированным дифракционным элементом 6, выполнена таким образом, что образует в соответствующей по меньшей мере части объема термопластичного слоя 3 по меньшей мере один металлизированный рельефно-структурированный поляризационный элемент 8 с площадью ξ(x,y), указанная часть объема условно показана на фиг. 3 на границе (см. пунктирная линия)между подслоями 3а и 3b, термопластичного слоя 3. При этом рельефно-структурированный дифракционный элемент 6 и металлизированный рельефно-структурированный поляризационный элемент 8 имеют отличающиеся предварительно заданные пространственно-ориентированные по направлению штрихов по меньшей мере один первый и по меньшей мере один второй наборы дифракционных решеток, соответственно.

При этом структуры и особенности выполнения рельефно-структурированного дифракционного элемента 6 и металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента 8 детально раскрыты выше.

Следует отметить, что прозрачная подложка 2 выполнена из полиэтилентерефталата (ПЭТ) или полипропилена (ПП) имеющими показатели преломления примерно 1,57 и 1,36, соответственно, и с толщиной от 12 до 100 мкм. Прозрачная подложка 2 выполнена в виде пленки с возможностью нанесения на защищенное устройство. Оптическая, прозрачная подложка 2 дополнительно содержит разделительный слой (не показан на фиг. 3), выполненный из синтетических восковых композиций или из клеевого состава и расположенный со стороны защищенного устройства.

Термопластичный слой 3 имеет показатель преломления ~n₁ и представляет собой известный из уровня техники алкидно-уретановый лак PARADE L-15. На фиг. 3 термопластичный слой условно разделен пунктирной линией на две части 3а и 3b для наглядного представления места расположения металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента 8 по меньшей мере в части объема термопластичного слоя 3.

При этом металлизированный рельефно-структурированный, поляризационный элемент 8, имеющий площадь ξ(x,y), выполнен в виде по меньшей мере одного второго набора пространственно картинно-ориентированных металлизированных дифракционных решеток из металлизированных штрихов, обеспечивающих визуально видимые цветные изображения, а также невидимые, но приборно-визуализируемые, с помощью внешних поляризаторов, поляризационные изображения с защитными признаками и/или машиночитаемые на основе поляризационно-интерференционных эффектов.

На Фиг. 4А и 4B представлены схематичные виды рельефно-структурированного дифракционного элемента и металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента.

На фиг. 4A представлен схематичный вид рельефно-структурированного дифракционного элемента 6, содержащий первый набор дифракционных решеток, который может быть представлен, как: χ(x,y)=Σ^Nχ_i(x,y), и содержащий в своем составе набор микрообластей в виде дифракционных решеток χ_i(x,y), состоящий из четырех (N=4) дифракционных решеток, где i - порядковый номер каждой из решеток, а их общее число (N). В данном примере со ссылкой на фиг. 4А, решетки обозначены, как 6a, 6b, 6c, 6d. Указанные решетки обеспечивают визуально видимые и невидимые защитные признаки в виде изотропных изображений, наблюдаемых по меньшей мере в нулевых и/или ±1-ых порядках в микрообластях дифракции решеток χ_i(x,y) указанного набора дифракционных решеток.

При этом дифракционные защитные эффекты указанного рельефно-структурированного дифракционного элемента χ(x,y) определяются предварительно заданными для каждого из входящих в его состав индивидуальными топологическими формами и техническими параметрами. Основными такими параметрами являются:

- величина периодов λ₁(x,y) штрихов каждой из дифракционных решеток в наборе сегментов в виде отдельных решеток должна быть равной или больше длины волны, соответствующей верхней границе длин волн из диапазона оптического спектра электромагнитного излучения в пределах от 400 нм и до 650 нм; при таких периодах указанные решетки проявляют только изотропные дифракционные свойства. Штрихи решеток могут быть, заданно прямолинейными или искривленными в каждой из решеток χ_i(x,y) (дискретно или непрерывно, т.е. направления штрихов в соседних решетках набора переходят от одной решетки к другую с плавным изменением при переходе от одной к другой или дискретно резко),

- пространственно-угловая ориентация θ(x,y) штрихов решеток χ_i(x,y) допускается заданно дискретно или непрерывно в диапазоне от 0° до 180° в плоскости (x,y),

- форма штрихов и глубина канавок между ними h(x,y) не ограничиваются.

На фиг. 4B представлен схематичный вид металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента 8, содержащего второго набор металлизированных дифракционных решеток 8а, 8b, 8c и 8d. Следует отметить, что металлизированные дифракционные решетки могут быть выполнены из Al, Cu, Fe и других подходящих материалов. Указанный металлизированный рельефно-структурированный поляризационный элемент 8 содержит второй набор металлизированных дифракционных решеток, который также может быть представлен в виде следующего выражения:

ξ(x,y)=Σ^mξ_j(x,y),

где j - есть порядковый номер решеток, а m - общее число решеток в наборе решеток. В данном примере со ссылкой на фиг. 4B, решетки обозначены, как 8a, 8b, 8c, 8d. Основным отличием таких решеток от решеток в рельефно-структурированном дифракционном элементе является меньший (в пределах от ~100 нм до ~300 нм) период металлических, а не диэлектрических решеток по сравнению с длинами волн видимого диапазона (от 400 нм и до 650 нм). Такие решетки проявляют в видимой области не дифракционные, а поляризационные свойства. Они обеспечивают формирование взаимно ортогональных по направлению поляризации (TE (s-поляризация) и/или TM (p-поляризация)) «изображений» в прошедшем и зеркально отраженном «нулевых» порядках дифракции решеток ξ_j(x,y), визуализируемых с помощью неполяризованного или поляризованного видимого света.

При этом поляризационные цветные «изображения», обеспеченные формированием одним и тем же защитным элементом ξ(x,y)=Σ^mξ_j(x,y) с набором различных решеток ξ_j(x,y), имеют взаимно ортогональные по направлению состояния поляризации (ТМ и/или ТЕ) в прошедшем и зеркально отраженном “нулевых” порядках дифракции. Эти изображения взаимно дополняют друг друга по цвету и их можно видеть в не поляризованном свете, но проявляют свою анизотропию в поляризованном считывающем свете. Пространственная ориентация направлений вектора поляризации изображений в решетках металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента ξ(x,y) определяется направлением штрихов в каждом из второго набора дифракционных решеток ξ_j(x,y). Получаемые защитным устройством оптические изображения содержат информационно-несущие видимые, например, визуально видимые цветные и невидимые поляризационные защитные признаки.

Как и в случае варианта, представленного на фиг. 4А, рельефно-структурированного дифракционного элемента χ(x,y), основными параметрами металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента ξ(x,y) со вторым набором металлизированных дифракционных решеток являются период решетки λ₂, который меньше длины волны, соответствующей нижней границе длин волн из диапазона оптического спектра электромагнитного излучения, падающего на защитное устройство, а также угловая ориентация штрихов θ(x,y) этих решеток в пространстве, топологический профиль и форма G(x,y) штрихов, глубина h(x,y) штрихов.

Общим свойством рельефно-структурированного дифракционного элемента χ(x,y) и металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента ξ(x,y) является возможность наличия междифракционных зазоров 9, см. фиг. 4А и 4B между соответствующими первым и вторым наборами дифракционных решеток. Следует отметить, что наличие междифракционных зазоров предварительно заданной ширины, например в диапазоне ~(1-30) мкм, обусловлено технологическими требования при производстве указанных дифракционных структур, что упрощает точность совмещения отдельных дифракционных решеток в наборе дифракционных решеток.

На фиг. 5а условно представлено распространение излучения, контролирующего подлинность или идентифицирующего, падающего на оптическое защитное устройство 1 при прохождении через металлизированный рельефно-структурированный поляризационный элемент 8 в режиме пропускания и отражения.

Таким образом, рельефно-структурированный металлизированный поляризационный элемент 8 функционирует как поляризатор для предварительно определенных длин волн видимого излучения, в диапазоне 400÷650нм. В зависимости от величины периода λ₂ штрихов в дифракционной решетке из второго набора металлизированных дифракционных решеток, составляющих второй металлизированный рельефно-структурированный поляризационный элемент 8, металлизированная решетка пространственно локально отражает ТЕ-поляризованную волну, параллельную пространственно-локально ориентированным штрихам дифракционных решеток ξ_j(x,y) из второго набора дифракционных решеток металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента ξ(x,y) и пропускает ТМ-поляризованную волну (P поляризация) перпендикулярную штрихам дифракционной решетки ξ_j(x,y) второго набора дифракционных решеток металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента в заданной области видимого электромагнитного излучения.

На фиг. 5b условно представлено распространение излучения, представляющее собой пучок излучения при прохождении через рельефно-структурированный дифракционный элемент 6, где пучок излучения, при падении на оптическое защитное устройство 1 и проходя через рельефно-структурированный дифракционный элемент 6 формирует дифракционные изображения нулевого, +1, -1 порядках дифракции (на фиг. 5b обозначено, как 0 порядок, +1 порядок, -1 порядок).

На фиг. 5с условно представлена схема наблюдения визуально видимых защитных идентификационных признаков 7, представляющих собой непрозрачную черно-белую полиграфическую информацию о защищаемом объекте, при попадании внешнего излучения на оптическое защитное устройство 1, и прохождении через визуально видимые защитные идентификационные признаки 7, т.е. черно-белую полиграфическую информацию, в зависимости от цвета (черного или белого), происходит преобразования цветовой визуализации изображений, описанные выше.

Следует отметить, что изготовление оптического защитного устройства (ОЗУ) 1 осуществляется путем предварительного изготовления термопластичного слоя 3 и многослойной структуры 4 по известным рулонным технологиям методами Dot Matrix или термопластичной нано-импринтной литографии (T-NIL) с последующим их совмещением в единое устройство 1. Детальное описание этих процессов раскрыто в следующих источниках информации:

1) А. Скупов, Нано-импринтерная литография. Материалы и техника, Вектор высоких технологий, 3 (32), 8-12, 2017,

2) А. Скупов, Нано-импринтерная литография. Материалы и техника, Электроника. наука, технология, бизнес, 4 56-60 2017, Литография с наноимпринтом. Wikipedia/ The Free Encyclopedia

3) С.А. Шойдин, А.Л. Пазоев, А.Ф. Смык, А.В. Шурыгин Синтезированные на приемном конце канала связи голограммы 3D-объекта в технологии Dot Matrix, Computer Optics, 2022, Vol. 46(2) DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1037

Защитные элементы в виде рельефно-структурированных дифракционных элементов 6 с площадью χ(x,y) с дифракционными решетками χ_i(x,y) видимого диапазона могут быть сформированы на Dot Matrix установке с помощью He-Cd лазера с длинами волн 441,6 нм. В качестве материалов для формирования решеток ξ_j(x,y) из набора дифракционных решеток металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента ξ(x,y) пригодны для использования, например, позитивные фоторезисты для голографии, а также негативные фоторезисты на основе поли(винил-4-метоксициннамата) марки СЧМ-А1 производства НИОПиК, обеспечивающие запись голограмм с разрешением до 8000 мм^-1 с использованием N₂ или He-Cd лазеров с длинами волн 337,1 и 325 нм, соответственно, которые детально раскрыты в следующих публикациях: (см. В.М. Козенков, А.А. Спахов, В.В. Беляев и др., Спектральная сенсибилизация оптической анизотропии в твердотельных пленках поливинилциннамата., Журнал Технической Физики, 2018, том 88, вып. 4, 592-596); патент RU 2497167 С1, IPC G02F 1/3378, опубл. 27.10.2013г; патент RU 2763388 С1, IPC B42D 25/328, опубл. 28.12.2021 г.

Для металлизированных дифракционных решеток ξ_j(x,y) из второго набора металлизированных дифракционных решеток металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента ξ(x,y) можно использовать и электронно-лучевую литографию с последующим получением для обоих типов решеток никелевых матриц для последующего размножения копий методом NIL (nanoimprint lithography) с использованием метода механического тиснения в слое термопластичного алкидно-уретанового лака PARADE-L15 (производитель АО “ПКФ СПЕКТР”, Россия).

Далее последовательно, путем терморезистивного распыления в вакууме, наносится структура в виде распределенного интерференционного отражателя 4 и затем формируется вся структура оптического защитного устройства (ОЗУ) 1.

Далее будут описаны конкретные примеры реализации заявленного защитного устройства.

Оптическое защитное устройство предназначено для использования при защите от подделки различных изделий и содержит последовательно расположенные: оптическую, прозрачную подложку, термопластичный слой и оптическую многослойную структуру, выполненную в виде распределенного интерференционного отражателя.

Пример 1

В оптическом защитном устройстве 1 оптическая прозрачная подложка 2 выполнена из полиэтилентерефталата (ПЭТ), имеет толщину 20-25 мкм, и показатель преломления ~1,53. На указанную подложку 2 нанесен термопластичный слой 3(в данном примере термопластичный лак) который представляет собой слой из алкидно-уретанового лака PARADE-L15, с толщиной ~10 мкм и показателем преломления ~1,5.

Оптическая многослойная структура 4 представляет собой вариант распределенного интерференционного отражателя, который был получен методом терморезистивного напыления в вакууме на подложку и состоит из 3 последовательно чередующихся оптически прозрачных слоев, т.е. слоя 4₂, представляющего собой слой криолита Na₃AlF₆ с показателем преломления равным n₂=1,35 и с толщиной ~100 нм между двумя слоями 4₁ сульфида цинка ZnS с показателем преломления n₁=2,1 и толщиной ~44 нм.

Оптически прозрачный слой 4₁ многослойной структуры непосредственно контактирующий с одной стороны с указанным термопластичным слоем 3 и с другой стороны с прилегающим к нему оптически прозрачным слоем 4₂ многослойной структуры, выполнен таким образом, что часть площади поверхности указанного оптически прозрачного слоя 4₁, с соответствующими прилегающими к нему участками термопластичного слоя и оптического прозрачного слоя 4₂ образуют по меньшей мере один рельефно-структурированный дифракционный элемент 6, который изготовлен с помощью голографической установки Kine-max (производства Polish Holigraphic System) по «Dot-Matrix» технологии излучением полупроводникового лазера с длиной волны 440 нм путем одновременного совмещением фрагментов χi(x,y) в единый элемент χ(x,y). В зависимости от конкретного применения ОЗУ рельефно-структурированный дифракционный элемент 6 имеет размер в пределах нескольких сантиметров c пространственной областью χ(x,y)=Σχ_i(x,y), содержащей первый набор, состоящий трех дифракционных решеток с областью χ_i(x,y).

Затем с полученного рельефно-структурированного полимерного оригинала методом гальванопластики формировалась его металлическая копия в виде никелевой матрицы, с помощью которой методом механического тиснения по «Roll-to-Roll» технологии в слое 3 термопластичного лака на полимерной основе 2, в данном примере на оптической прозрачной подложке 2 выполненной из полиэтилентерефталата (ПЭТ) далее производилось размножение копий рельефно-структурированного дифракционного элемента 6 с пространственной областью. Оригинальные сегменты дифракционных решеток 6а, 6b и 6c, представляющих собой первый набор дифракционных решеток, состоящий из нескольких, например трех дифракционных решеток первого рельефно-структурированного элемента 6 выполнены с пространственной частотой линейных штрихов от 800 до 1400 лин/мм, ориентированных относительно друг друга под предварительно определенными углами, относительно друг друга в плоскости (x,y), Визуально оптическое защитное устройство выглядит в виде цветного частично прозрачного зеркала. На его однородно-меняющемся при изменении условий наблюдения цветном фоне просматривалось изображение рельефно-структурированного дифракционного элемента, также динамически изменяющегося не только по окраске цвета, но и по топологически пространственной форме.

На остальной по меньшей одной части площади поверхности оптически прозрачного слоя 4₁ многослойной оптической структуры 4, непосредственно контактирующей с одной стороны с указанным термопластичным слоем 3, и не занятой рельефно-структурированным дифракционным элементом 6, расположены визуально видимые защитные идентификационные признаки 7, представляющие собой непрозрачную черно-белую полиграфическую информацию о защищаемом объекте, которые впечатаны методом полиграфии и представляют собой например черно-белую информационно-рекламную этикетку.

При этом по меньшей мере одна часть площади поверхности термопластичного слоя, не занятая рельефно-структурированным дифракционным элементом 6, выполняется таким образом, чтобы образовать в соответствующей по меньшей мере части объема термопластичного слоя металлизированный рельефно-структурированный поляризационный элемент 8, который изготавливается известным из уровня техники наноимпринтной литографии методом nanoimprint lithography с использованием для массового тиражирования фотополимерные композиции, разработанные в НИОПиКе специально для массового тиражирования 2D рельефно-структурированных дифракционных решеток, раскрытых в патентах: RU 732785; RU 814091; RU 1297624; RU 2041486.

В качестве материалов для формирования оригинала металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента 8 с площадью ξ(x,y) и с периодом λ₂ в пределах дифракционных структур, меньшим длины волны видимого света, пригодны фоторезисты для голографии на основе поли(винил-4-метоксициннамата) марки СЧМ-А1 производства НИОПиКа, описанные в патентах:RU 2497167; RU 2763388, обеспечивающие запись голограмм с разрешением до 8000 мм^-1 с использованием He-Cd лазера с длиной волны 325 нм. Вторые наборы дифракционных решеток металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента 8 с площадью ξ(x,y) являются ориентированными, под углом 90 градусов друг относительно друга, как представлено на фиг. 4B.

Контроль спектров отражения/пропускания получаемого оптического защитного устройства, вне области расположения рельефно-структурированного дифракционного элемента 6 осуществлялся в реальном масштабе времени с помощью спектрофотометра с дейтерий-галогенным источником света.

На фиг. 6A-D показаны расчетные (A) и экспериментально измеренные (B) спектры отражения и расчетные (C) и экспериментально измеренные (D) спектры пропускания образца распределенного интерференционного отражателя согласно Примеру 1 в виде частично прозрачного зеркала со слоем Na₃AlF₆ (n₂~ 1.35) с толщиной равной 100 нм между слоями ZnS (n₁=2,35) с толщиной, равной 44 нм, каждый.

На фиг. 6А, 6С проиллюстрированы предварительно сделанные расчетные спектры на отражение и пропускание многослойной оптической структуры распределенного интерференционного отражателя в виде частично прозрачного зеркала, представленного на фиг. 3.

Расчетные спектры (см. фиг. 6A, C) показывают, что многослойная оптическая структура в виде распределенного интерференционного отражателя, состоящего из слоя криолита Na₃AlF₆ толщиной 100 нм между слоями ZnS толщиной 44 нм, имеет величину коэффициента пропускания 73% в максимуме спектра отражения на длине волны 450 нм со спектральной полушириной интерференционного максимума, равного 460 нм согласно фиг.6A. При этом увеличение толщины слоя криолита Na₃AlF₆ приводило к смещению оптического резонанса и возможности получить различные интерференционные цвета отражения зеркала, а также цветопеременные покрытия, работающие как на просвет, так и на отражение. Поскольку оба материала (Na₃AlF₆ и ZnS) практически прозрачны в видимой области спектра, сумма коэффициентов пропускания и отражения практически равна единице.

Промышленная применимость

Заявленное изобретение может использоваться для защиты от подделок ценных документов и/или идентификации, и/или проверки подлинности изделий, подлежащих защите, в частности ценных бумаг, паспортов, банкнот, чеков, кредитных карт, марок, а также пластиковых карт, ваучеров, акций, чековых книжек, акцизных марок, идентификационных документов, в частности паспортов, водительских удостоверений и тому подобное.

Claims (35)

1. Оптическое защитное устройство, содержащее последовательно расположенные оптическую подложку, термопластичный слой и оптическую многослойную структуру, причем указанная оптическая многослойная структура представляет собой распределенный интерференционный отражатель, и состоит из по меньшей мере двух последовательно чередующихся оптически прозрачных слоев с различными показателями преломления n₁ и n₂, и предварительно заданными различными толщинами слоев d₁ и d₂, соответственно, при этом n₂<n₁, при этом оптически прозрачный слой оптической многослойной структуры, имеющий показатель преломления n₁, и непосредственно контактирующий с одной стороны с указанным термопластичным слоем и с другой стороны с прилегающим к нему оптически прозрачным слоем многослойной структуры, имеющим показатель преломления n₂, выполнен таким образом, что по меньшей мере одна часть поверхности указанного оптически прозрачного слоя, имеющего показатель преломления n₁, с соответствующими прилегающими к нему участками термопластичного слоя и оптического прозрачного слоя многослойной структуры, имеющего показатель преломления n₂, образуют по меньшей мере один оптически прозрачный, рельефно-структурированный дифракционный элемент, а на остальной по меньшей одной части этого оптически прозрачного слоя многослойной структуры, имеющего показатель преломления n₁, и непосредственно контактирующего с одной стороны с указанным термопластичным слоем, расположены визуально видимые защитные идентификационные признаки, представляющие собой непрозрачную черно-белую, полиграфическую информацию о защищаемом объекте,

при этом по меньшей мере одна часть термопластичного слоя выполнена таким образом, что содержит по меньшей мере один металлизированный, рельефно-структурированный поляризационный элемент, расположенный пространственно-смещенным по отношению к местоположению по меньшей мере одного рельефно-структурированного дифракционного элемента,

при этом указанный по меньшей мере один рельефно-структурированный дифракционный элемент имеет предварительно заданные пространственно-ориентированные по направлению штрихов решеток по меньшей мере один первый набор дифракционных решеток и по меньшей мере один металлизированный рельефно-структурированный поляризационный элемент имеет предварительно заданные пространственно-ориентированные по направлению штрихов по меньшей мере один второй набор дифракционных решеток, при этом первый и второй наборы штрихов отличаются друг от друга,

при этом величины пространственных периодов штрихов в дифракционных решетках из по меньшей мере одного первого набора по меньшей мере одного рельефно-структурированного дифракционного элемента оптической многослойной структуры задаются равными или больше длины волны, соответствующей верхней границе длин волн из диапазона оптического спектра электромагнитного излучения, и величины пространственных периодов штрихов в по меньшей мере одном втором наборе дифракционных решеток второго металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента оптической многослойной структуры задаются равными по меньшей мере одной длине волны, являющейся меньше длины волны, соответствующей нижней границе длин волн из диапазона оптического спектра электромагнитного излучения,

причем толщина d₁ оптически прозрачных слоев с показателем преломления n₁ задается равной четверти по меньшей мере одной длине волны λ₁ из диапазона длин волн оптического спектра электромагнитного излучения, а толщина d₂ оптически прозрачных слоев с показателем преломления n₂ задается равной четверти по меньшей одной другой длине волны λ₂ из диапазона длин волн оптического спектра электромагнитного излучения, при этом толщины d₁ и d₂ оптически прозрачных слоев с показателем преломления n₁ и n₂, соответственно, задаются из условия обеспечения предварительно заданной однородной цветопеременной равномерно-однородной фоновой картины в отраженном и в проходящем свете на поверхности оптического защитного устройства при облучении излучением из диапазона длин волн оптического спектра электромагнитного излучения, при этом по меньшей мере один рельефно-структурированный дифракционный элемент оптической многослойной структуры и по меньшей мере один металлизированный рельефно-структурированный поляризационный элемент выполнены таким образом, что на поверхности оптического защитного устройства в месте пространственного расположения рельефно-структурированного дифракционного элемента и металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента формируются динамически подвижные по поверхности и цветовоспроизведению дифракционно-голографические и/или поляризационные изображения, содержащие визуально видимые, приборно-визуализируемые и визуально невидимые машиночитаемые защитные признаки на динамически однородно изменяющемся фоне многослойной структуры.

2. Устройство по п.1, в котором оптическая прозрачная подложка выполнена с возможностью нанесения на защищенное устройство.

3. Устройство, по п.1, дополнительно содержащее по меньшей мере один слой адгезива, посредством которого термопластичный слой, и оптическая многослойная структура прикрепляются к оптической, прозрачной подложке.

4. Устройство по п.1, в котором оптическая прозрачная подложка имеет показатель преломления n₁.

5. Устройство по п.1, в котором оптическая прозрачная подложка имеет толщину в диапазоне 12-100 мкм.

6. Устройства по п.1, в котором оптическая прозрачная подложка выполнена из полиэтилентерефталата (ПЭТ) или полипропилена (ПП), имеющих показатели преломления ≈1,57 и 1,36, соответственно.

7. Устройство по п.1, в котором оптическая прозрачная подложка дополнительно содержит разделительный слой, выполненный из синтетических восковых композиций или из клеевого состава и расположенный со стороны защищенного устройства.

8. Устройство по п.1, в котором визуально видимые защитные идентификационные признаки, представляющие собой непрозрачную черно-белую полиграфическую информацию о защищаемом объекте, содержат символы белого и/или черного цвета.

9. Устройство по п.8, в котором символы черного цвета представляют собой непрозрачные, поглощающие свет черные символы в виде одного из: текста, цифр, букв, знаков и/или их комбинаций.

10. Устройство по п.8, в котором символы белого цвета представляют собой светоотражающие белые символы в виде одного из: текста, цифр, букв, знаков и/или их комбинаций.

11. Устройство по п.8, в котором символы белого и/или черного цветов представляют символы в виде одного из: текста, цифр, букв, знаков и/или их комбинаций.

12. Устройство по п.1, в котором показатель преломления n₂ находится в диапазоне 1,3-1,8.

13. Устройство по п.1, в котором показатель преломления n₁ находится в диапазоне 1,8-2,35.

14. Устройство по п.1, в котором оптическая многослойная структура, представляющая собой распределенный интерференционный отражатель, состоит из трех последовательно чередующихся оптических, прозрачных слоев, где слой с показателем преломления n₂ расположен между двумя слоями с показателями преломления n₁.

15. Устройство по п.14, в котором в оптической многослойной структуре оптический прозрачный слой с показателем преломления n₂ представляет собой слой криолита Na₃AlF₆ с показателем преломления n₂, равным 1,35, и с толщиной d₂=100 нм, а два слоя с показателями преломления n₁ выполнены из сульфида цинка, ZnS с показателем преломления n₁, равным 2,35, и с толщиной d₁, равной 44 нм.

16. Устройство по п.1, в котором оптическая многослойная структура, представляющая собой распределенный интерференционный отражатель, состоит из четырех последовательно чередующихся оптических, прозрачных слоев с различными показателями преломления n₁ и n₂, соответственно.

17. Устройство по п.16, в котором оптический прозрачный слой оптической многослойной структуры, имеющий показатель преломления n₂, выполнен из криолита Na₃AlF₆.

18. Устройство по п.16, в котором оптический прозрачный слой оптической многослойной структуры, имеющий показатель преломления n₁, выполнен из сульфида цинка ZnS.

19. Устройство по п.1, оптические прозрачные слои оптической многослойной структуры, имеющие показатель преломления n₁, выполнены из материала, представляющего собой одно из: TiO₂, F₂O₃, Nb₂O₅, Si₃N₄, ZnS, In₂O₃, SiO, Si₂O₃, ZnO, Ta₂O₅, V₂O₅, WO₃, ZrO₂, TiO₂.

20. Устройство по п.1, в котором оптические прозрачные слои оптической многослойной структуры, имеющие показатель преломления n₁, имеют толщину d₁ в диапазоне 30-600 нм.

21. Устройство по п.1, оптические прозрачные слои оптической многослойной структуры, имеющие показатель преломления n₂, выполнены из материала, представляющего собой одно из: Na₃AlF₆, AlF₃, SiO₂, Al₂О₃, AlO(ОН), В₂О₃, MgF₂, или их смеси.

22. Устройство по п.1, в котором оптические прозрачные слои оптической многослойной структуры, имеющие показатель преломления n₂, имеют толщину d₂ в диапазоне 100-350 нм.

23. Устройство по п.1, в котором термопластичный слой выполнен из алкидно-уретанового лака PARADE L-15 и имеет показатель преломления ≈1,5 и толщину 10 мкм.

24. Устройство по п.1, в котором величины пространственных периодов штрихов в дифракционных решетках из по меньшей мере одного первого набора по меньшей мере одного рельефно-структурированного дифракционного элемента оптической многослойной структуры задаются равными по меньшей мере одной величине из диапазона пространственных частот от 800 лин/мм до 1400 лин/мм, обеспечивающих формирование защитных признаков в многоцветных дифракционных изображениях в видимом диапазоне оптического спектра, равном от 400 нм до 650 нм.

25. Устройство по п.1, в котором величины пространственных периодов штрихов по меньшей мере в одном втором наборе дифракционных решеток по меньшей мере одного металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента оптической многослойной структуры задаются равными по меньшей мере одной длине волны, являющейся меньше длины волны соответствующей нижней границе длин волн, равной 400 нм из диапазона оптического спектра электромагнитного излучения, составляющего 400-650 нм.

26. Устройство по п.25, в котором величины пространственных периодов штрихов по меньшей мере в одном втором наборе дифракционных решеток по меньшей мере одного металлизированного рельефно-структурированного поляризационного элемента оптической многослойной структуры задаются равными одному из значений длин волн: 200, 250, 300 нм.

27. Устройство по п. 1, в котором форма штрихов по меньшей мере в одном первом наборе дифракционных решеток по меньшей мере в одном рельефно-структурированном дифракционном элементе и по меньшей мере в одном втором наборе дифракционных решеток по меньшей мере в одном металлизированным рельефно-структурированном поляризационном элементе, представляет собой прямые и/или криволинейные линии.

28. Устройство по п.1, в котором по меньшей мере один рельефно-структурированный дифракционный элемент, содержащий по меньшей мере один первый набор дифракционных решеток, выполнен таким образом, что каждая решетка из по меньшей мере одного первого набора дифракционных решеток является фрагментом, обеспечивающим формирование изотропного, для визуального наблюдения извне, дифракционного многоцветного изображения всего рельефно-структурированного дифракционного элемента, пространственная площадь которого равна сумме площадей, составляющих его фрагментов и проявляющего, дифракционные свойства с дифракционными эффектами в нулевом и ±1-м дифракционных порядках.

29. Устройство по п.1, в котором металлизированный, рельефно-структурированный, поляризационный элемент, содержащий по меньшей мере один второй набор дифракционных решеток, выполнен таким образом, что каждая дифракционная решетка из по меньшей мере одного второго набора дифракционных решеток выполнена металлизированной, и является фрагментом, обеспечивающим формирование изотропного, для визуального наблюдения извне, в неполяризованном свете, многоцветных изображений в нулевом отраженном и прошедшем пучках, а в поляризованном свете также обеспечивает поляризационные свойства указанных изображений, содержащие видимые и скрытые, приборно-визуализируемые и машиночитаемые в поляризованном свете цветные защитные признаки.

30. Защищенное устройство, выполненное с возможностью нанесения на него оптического защитного устройства по одному из пп.1-29.

31. Устройство по п. 30, которое представляет собой одно из: ценный документ, банкнота, пластиковая карта, кредитная карта, ваучер, акция, чековая книжка, акцизная марка, идентификационный документ, паспорт, водительское удостоверение.