Микрооптическая система формирования изображений для визуального контроля подлинности изделий

МИКРООПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ДЛЯ ВИЗУАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ПОДЛИННОСТИ ИЗДЕЛИЙ Заявляемая в качестве изобретения микрооптическая система формирования визуальных изображений относится преимущественно к приспособлениям, используемым для удостоверения подлинности изделий, и может быть эффективно использована для защиты банкнот,ценных бумаг, документов, пластиковых карточек, банковских расчетных карточек, акцизных,идентификационных, контрольных марок, а также различных товаров народного потребления от подделки. Микрооптическая система согласно изобретению состоит из размещенного на плоской подложке однослойного плоского фазового оптического элемента, который состоит из элементарных областей, видимых наблюдателю и имеющих при нормальном положении микрооптической системы заданный цвет. В каждой из элементарных областей синтезируется плоский фазовый оптический элемент, имеющий ассиметричную диаграмму направленности рассеянного излучения, такую что цветное изображение, видимое наблюдателю при нормальном положении микрооптической системы, при повороте ее на 180 становится серым и исчезает. Заявленная микрооптическая система формирует новый визуальный признак контроля при повороте на 180. Совокупность существенных признаков изобретения обеспечила достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности визуального контроля защищаемых с его помощью изделий за счет получения легко контролируемого визуального эффекта, а также в снижении уровня доступности технологии изготовления указанных защитных средств. Реализация микрооптической системы формирования визуальных изображений возможна с использованием существующего стандартного оборудования. Гончарский Антон Александрович,Гончарский Александр Владимирович, Дурлевич Святослав Радомирович (RU) Заявляемая микрооптическая система формирования изображений для визуального контроля подлинности изделий относится к области оптических защитных технологий, преимущественно к так называемым защитным меткам, используемым для удостоверения подлинности банкнот, пластиковых карт,ценных бумаг и т.д. В настоящее время для удостоверения подлинности банкнот, пластиковых карт, ценных бумаг широко используются голографические технологии. Один из известных применяемых эффектов в оптических защитных технологиях - это эффект смены изображения, который наблюдается на голограмме или на плоском оптическом элементе при изменении угла падающего света. Оптический элемент называется плоским, если превращение волнового фронта в этом элементе происходит как результат дифракции света на микрорельефе, глубина которого для элементов, работающих в видимом свете, не превосходит одного микрона. Известны различные способы записи оригиналов голограмм и плоских оптических элементов,обеспечивающих создание указанного эффекта. Это - оптическая запись, дот-матрикс, кинемакстехнология и другие (Optical Document Security, Third Edition, Rudolf L. Van Renesse. Artech House, Boston, London, 2005). Все перечисленные способы изготовления оригиналов формируют голограмму или плоский оптический элемент с симметричным микрорельефом. К оптическим элементам с симметричным профилем микрорельефа относятся, например, любые бинарные микроструктуры. Оптические элементы с симметричным профилем микрорельефа позволяют формировать изображения, симметричные относительно нулевого порядка дифракции. Вне зависимости от используемых технологий записи оригинала при изменении угла наклона микрооптической системы наблюдается следующий эффект смены изображений: например, в нормальном положении голограммы наблюдатель видит одно изображение, а при повороте на 90 вместо первого изображения появляется другое изображение. Однако если продолжить поворот с 90 до 180, то при угле 180 получают исходное изображение. Это обусловлено тем, что перечисленные выше технологии изготовления оригиналов (оптическая запись, дот-матрикс, кинемакс технология и другие) формируют голограмму с симметричным микрорельефом. Указанный эффект очень хорошо контролируется визуально, но имеет существенный для защитных технологий недостаток - воспроизводимость. Это значительно снижает защитные функции указанных микрооптических систем. Существует большое количество технологий изготовления оригиналов плоских оптических элементов с симметричным микрорельефом. Наиболее близким к заявляемому изобретению техническим решением по совокупности признаков является микрооптическая система,описанная в патенте US 6417968 В 1 (прототип). Известная микрооптическая система представляет собой поверхностную структуру, включающую в себя поверхностные элементы, которые расположены в мозаичном порядке и которые имеют микроскопические рельефные структуры и множество разделенных элементов, поверхности которых подразделяются на, по меньшей мере, первую и вторую части поверхности, и разделенные элементы поверхности включают асимметричные дифракционные решетки, которые имеют оптический эффект дифракции, в которой подразделенные разделенные элементы поверхности, прилегающие к первым частям поверхности, разделяются вторыми частями поверхности, и решетки векторов асимметричных дифракционных решеток из первых частей поверхности и вторых частей поверхности отличаются друг от друга по азимуту, в котором асимметричные дифракционные решетки из первых частей поверхности всех разделенных элементов поверхности имеют одинаковое первое значение азимута и асимметричные дифракционные решетки из вторых частей поверхности всех разделенных элементов поверхности имеют одинаковое второе значение азимута и при этом отношение суммы всех первых частей поверхности N-го элемента разделенной поверхности к общей площади N-го элемента разделенной поверхности формирует значение поверхностного соотношения AN специфичного для N-го элемента разделенной поверхности, и вдоль заранее размеченной оси все элементы разделенной поверхности располагаются в соответствии с их значением поверхностного соотношения AN между элементами разделенной поверхности с пропорциональным значением поверхности AN = 0 и AN = 1 в мозаике всех элементов. Другими словами, в указанном источнике информации описана микрооптическая система, состоящая из элементарных участков, в каждом из которых записана асимметричная дифракционная решетка с разной ориентацией штрихов решеток и, соответственно, с разными азимутальными углами, под которыми отражается падающий свет. Структура поверхности известной микрооптической системы обеспечивает эффект изменения интенсивности отраженного света от областей голограммы, заполненных дифракционными решетками с асимметричным профилем микрорельефа, при наблюдении голограммы под разными углами. Недостатки известной микрооптической системы (прототипа) связаны с использованием в качестве базового оптического элемента достаточно простых дифракционных решеток, ограниченных в возможности формирования диаграммы направленности рассеянного излучения. Так при освещении известной микрооптической системы точечным источником света изменение интенсивности рассеянного света от элементарных областей можно наблюдать лишь одним глазом, поскольку диаграмма направленности рассеянного от дифракционной решетки света представляет собой точку. Задача настоящего изобретения заключается в повышении защитной функции средств, используемых для удостоверения подлинности банкнот, пластиковых карт, ценных бумаг и т.д. Еще одной задачей,решаемой заявляемым изобретением, является снижение уровня доступности технологии изготовления указанных защитных средств. Поставленная задача решается путем создания средств контроля подлинности изделий, имеющих признаки, синтезируемые плоскими оптическими элементами со сложным ассиметричным микрорельефом. Заявляемая микрооптическая система формирует новый защитный признак для визуального контроля оптических защитных меток. В соответствии с изобретением описывается микрооптическая система формирования изображений для визуального контроля подлинности изделий на основе дифракционного оптического элемента, в которой указанный элемент состоит из N элементарных областей, при этом каждая элементарная i-ая область i = 1,N характеризуется заданным цветом, видимым наблюдателю при нормальном положении микрооптической системы, в каждой i-ой элементарной области расположен рассчитанный для указанного цвета плоский фазовый оптический элемент, диаграмма направленности которого для рассеянного излучения в верхней полуплоскости сосредоточена в области Q1 углови , такой, что 0 - 10 + 1, 0 -0 + , покрывающей оба глаза наблюдателя, где ( 0, 0) - направление на наблюдателя, , 1 - заданные параметры, а в нижней полуплоскости диаграмма направленности рассеянного излучения сосредоточена в области Q2 углови , такой, что 0 - 20 + 2, 180 + 0 -180 + 0 + ,где 2 - заданный параметр, причем площадь Q2 не менее, чем в 10 раз превышает площадь Q1, что обеспечивает в стандартном положении микрооптической системы формирование для наблюдателя изображения, состоящего из цветных элементарных областей, которое при повороте микрооптической системы на 180 теряет цветность, становится серым и исчезает. Плоские фазовые оптические элементы согласно изобретению представляют собой плоские оптические элементы с кусочно-гладкой фазовой функцией либо многоградационные киноформы. Центральным моментом заявляемого изобретения является использование плоских фазовых оптических элементов. Каждый плоский фазовый оптический элемент характеризуется своей фазовой функцией и, наоборот, зная фазовую функцию, можно рассчитать микрорельеф плоского фазового оптического элемента. Пусть u(x,y,0-0) - скалярная волновая функция монохроматического излучения, падающего на плоский оптический элемент, расположенный в плоскости z=0. Пусть u(x,y,0+0) - скалярная волновая функция после прохождения плоского оптического элемента, если элемент работает на прохождение,или после отражения от него, если элемент работает на отражение. Каждый плоский оптический элемент характеризуется передаточной функцией t(x,y), такой, что u(x,y,0+0)=u(x,y,0-0)t(x,y). Плоский оптический элемент называется фазовым, если Здесь- длина волны монохроматического излучения. Функция (х,у) называется фазовой функцией плоского фазового оптического элемента. Плоские оптические элементы были предложены Френелем более 200 лет назад и решали задачи фокусировки излучения в точку. В настоящее время плоская оптика может решать широкий набор задач формирования излучения. Одной из классических задач является синтез оптического элемента для формирования в фокальной плоскости равномерно освещенной прямоугольной области или нескольких равномерно засвеченных прямоугольников. Задачу синтеза плоских оптических элементов можно разделить на две составляющие: расчет фазовой функции для каждой элементарной области и синтез микрорельефа плоского фазового оптического элемента. Расчет фазовой функции в элементарной области Gi плоского оптического элемента сводится к решению нелинейного операторного уравнения относительно фазовой функции (х,у). Известно, что скалярные волновые функции в плоскости z=0 и z=f связаны соотношением Поскольку наблюдение осуществляется из плоскости z=f, задание диаграммы направленности плоского фазового оптического элемента эквивалентно заданию- заданная функция. Сформулируем нелинейное уравнение для определения фазовой функции плоского оптического элемента: Здесь. Задавая длину волныдля каждой элементарной области, мы тем самым определяем ее цвет в стандартном положении микрооптической системы. Решая уравнение (1) для каждой элементарной области Gi при заданном , находим фазовую функцию для каждой элементарной области. В настоящее время существуют эффективные алгоритмы решения обратных задач синтеза плоских оптических элементов. Различают два подхода. Первый позволяет рассчитать кусочно-гладкую фазовую функцию. Во втором подходе фазовая функция не является кусочно-гладкой и может быстро осциллировать. Такие элементы получили название киноформов (Computer OpticsComputer Holography by A.V.Goncharsky, A.A. Goncharsky, Moscow University Press, Moscow, 2004). Киноформ, как оптический элемент и метод его расчета был представлен в работе L.B. Lesem, P.M.Hirsch, J. A. Jr. Jordan, The kinoform: a new wavefront reconstruction device, IBM J. Res. Dev., 13 (1969),105-155. В настоящем изобретении необходимо формировать асимметричную диаграмму направленности плоского фазового оптического элемента. Такие задачи решает многоградционный киноформ. Существующие алгоритмы позволяют рассчитать микрорельеф дифракционного оптического элемента - многоградационного киноформа, если заданы геометрические параметры, длина волны падающего монохроматического света и диаграмма направленности, которую нужно сформировать. Поскольку фазовая функция киноформов не является кусочно-гладкой и может осциллировать, это накладывает определенные требования к точности воспроизведения микрорельефа при синтезе плоского оптического элемента. Для широкого класса задач формирования излучения можно рассчитать кусочно-гладкую фазовую функцию, решающую задачу синтеза. К таким задачам относится задача формирования в фокальной плоскости с помощью плоской оптики равномерно засвеченной прямоугольной области или нескольких прямоугольников, что используется в настоящем изобретении. Как в случае киноформа, так и в случае плоского элемента с гладкой фазовой функцией, на этапе синтеза плоского оптического элемента необходимо сформировать микрорельеф с высокой точностью, которая для оптического диапазона может составлять порядка 20 нм (Об одной задаче синтеза нанооптических элементов, А. А. Гончарский, Вычислительные методы и программирование, 2008, т. 9,2), что предъявляет высокие требования к технологии формирования микрорельефа. Оба подхода к расчету и формированию плоских оптических элементов, представляющих собой киноформ и плоский элемент с кусочно-гладкой фазовой функцией, применимы для реализация настоящего изобретения. Базовой технологией для формирования микрорельефа плоских оптических элементов в оптическом диапазоне может быть технология электронно-лучевой литографии (Computer OpticsComputerHolography by A.V. Goncharsky, A.A. Goncharsky, Moscow University Press, Moscow, 2004). Указанная технология позволяет формировать микрорельеф плоского оптического элемента с точностью, необходимой для синтеза заявленных микрооптических систем. Оборудование для электронной литографии весьма дорогостоящее, технология наукоемка и имеет ограниченное распространение. Все это создает надежный барьер для защиты заявленной системы от подделок. Для массового тиражирования плоских оптических элементов, формирующих эффект смены изображений на 180, может быть использовано стандартное оборудование для голографических технологий: гальваника, установки мультипликации, оборудование для прокатки, нанесения клеевых покрытий и т.п. Необходимо отметить, что на всех этапах тиражирования обеспечивается точность, достаточная для устойчивого воспроизведения заявленного эффекта. Заявленная микрооптическая система формирует новый признак визуального контроля, когда смена изображений происходит не при повороте на 90, а при повороте на 180, при этом в стандартном положении микрооптической системы наблюдатель видит цветное изображение, которое при повороте на 180 теряет свою цветность и исчезает. На фиг. 1 приведена схема наблюдения эффекта смены изображений при повороте на 180. На фиг. 2 - плоский фазовый оптический элемент, состоящий из дифракционных решеток с асимметричным профилем микрорельефа. На фиг. 3 - диаграмма направленности плоского фазового оптического элемента - дифракционной решетки с асимметричным профилем микрорельефа. На фиг. 4 - диаграмма направленности плоского оптического элемента в одной из элементарных областей. На фиг. 5 - фрагмент фазовой функции плоского оптического элемента - многоградационного киноформа. На фиг. 6 - фрагмент микрорельефа плоского оптического элемента - многоградационного киноформа, формирующего диаграмму направленности, представленную на фиг. 4. На фиг. 7 - фрагмент кусочно-гладкой фазовой функции. На фиг. 8 - фрагмент микрорельефа плоского оптического элемента с кусочно-гладкой фазовой функцией. На фиг. 9 приведена схема разбиения микрооптической системы на элементарные области. Оптическая схема наблюдения эффекта смены изображений приведена на фиг. 1. Здесь Л и П - это положения левого глаза и правого глаза наблюдателя соответственно. Микрооптическая система расположена в плоскости z = 0 и освещается источником света, расположенном на оси 0z. Плоские оптические элементы, расположенные в элементарных областях, имеют диаграмму направленности рассеянного излучения, зависящую от углов в сферической системе координат ( , ), угол(0) отсчитывается от оси z, угол(02 ) отсчитывается от оси 0 х, 0, 0 - направление на наблюдателя. Не уменьшая общности, фиг. 1 выполнена для 0 = 0. Заявляемая микрооптическая система для визуального контроля подлинности изделия (фиг. 1) имеет следующие отличия от прототипа. В известной микрооптической системе используются асимметричные диффракционные решетки, которые состоят из прямых параллельных штрихов с фиксированным расстоянием между штрихами (фиг. 2). Диаграмма направленности диффракционной решетки строго определена и представляет собой точку, т.е. решетка отражает падающий свет на фиксированном расстоянии фактически в небольшое пятно на фокальной плоскости (фиг. 3), что обеспечивает эффект изменения интенсивности элементарных областей, заполненных решетками с асимметричным профилем, при наблюдении голограммы под разными углами. В заявляемой микрооптической системе используются плоские фазовые оптические элементы, которые имеют сложную структуру микрорельефа. Плоские фазовые оптические элементы дают возможность сформировать любую диаграмму направленности рассеянного излучения. Асимметричность диаграммы направленности многоградационных плоских фазовых оптических элементов обеспечивает эффект смены изображения при повороте на 180. Используя плоский фазовый оптический элемент, можно сформировать любую диаграмму направленности, например прямоугольник с заданным положением в пространстве и размерами или несколько прямоугольников. На фиг. 4 приведена диаграмма направленности плоского оптического элемента с ассиметричной диаграммой направленности в одной из элементарных областей. В стандартном положении микрооптической системы полоска Q1 накрывает оба глаза наблюдателя, при этом наблюдатель двумя глазами видит элементарную светящуюся область. Расчет диаграммы направленности плоского оптического элемента для каждой элементарной области осуществляется при заданном значении длины волны, что обеспечивает цветность изображения в нормальном положении оптического защитного элемента. Диаграмма направленности плоских оптических элементов ассиметрична и в нижней полуплоскости формирует область Q2, площадь которой намного (более чем в 10 раз) превышает площадь полоскиQ1. Большой размер области Q2 обеспечивает эффект смены изображений при повороте на 180. Таким образом, микрооптическая система формирует новый признак для визуального контроля, заключающийся в том, что цветное изображение в стандартном положении микрооптической системы меняется при повороте на 180: теряет цветность и становится серым пятном. Сформированная диаграмма направленности (фиг. 4) обеспечивает устойчивый контроль изображений. Относительно небольшие изменения направления падающего света, ориентации самой микрооптической системы не влияют на формируемый визуальный эффект. Визуальный эффект легко контролируется. Плоские оптические элементы могут представлять собой киноформы и иметь разрывную (быстро осциллирующую) фазовую функцию (фиг. 5). Фрагмент микрорельефа многоградационного киноформа приведен на фиг. 6. Высота микрорельефа в каждой точке фиг. 6 пропорциональна потемнению в этой точке. Та же задача может быть решена с помощью плоского оптического элемента с кусочно-гладкой фазовой функцией. На фиг. 7 приведен фрагмент кусочно-гладкой фазовой функции, решающей задачу формирования диаграммы направленности рассеянного излучения, представленной на фиг. 4. Фрагмент микрорельефа плоского фазового оптического элемента с кусочно-гладкой фазовой функцией представлен на фиг. 8. Высота микрорельефа в каждой точке фиг. 8 пропорциональна потемнению в этой точке. Вариант разбиения оптического элемента на элементарные плоскости приведен на фиг. 9. Заявленная микрооптическая система позволяет обеспечить простой и надежный визуальный контроль для наблюдателя. Технология изготовления оригиналов плоских оптических элементов с ассиметричной диаграммой направленности рассеянного излучения не является общедоступной, что обеспечивает надежную защиту заявленных микрооптических систем от подделок. Технология массового тиражирования доступна и обеспечивает низкую цену микрооптических систем при массовом тиражировании. Важным параметром, определяющим в первую очередь качество формируемых изображений в эффекте смены изображений, является угол отклонения лучей. Чем больше этот угол, тем более чистый эффект можно получить. Базовой технологией для формирования микрорельефа плоского фазового оптического элемента может быть электроннолучевая технология. Чем выше разрешающая способность в технологии формирования микрорельефа, тем больше угол отклонения лучей. Электронно-лучевая технология уникальна тем, что обеспечивает очень высокое разрешение. Современные литографы позволяют формировать микрорельеф штампами порядка 0,1 на 0,1 мкм, лучшие из них имеют размер штампа вплоть до 20 нм на 20 нм. Точность формирования микрорельефа по высоте также составляет порядка 10-20 нм. При глубине микрорельефа плоского оптического элемента порядка 300 нм (Computer OpticsComputer Holography by A.V. Goncharsky, A.A. Goncharsky, Moscow University Press, Moscow, 2004) электронно-лучевая технология позволяет изготовить асимметричный микрорельеф для синтеза микрооптических систем формирования эффекта смены изображения при повороте на 180. Визуальный эффект легко контролируется, микрооптическая система хорошо защищена от подделок. Нижеприведенный пример конкретного выполнения изобретения подтверждает возможность осуществления изобретения, не ограничивая его объем. Пример. В качестве примера была рассчитана и изготовлена микрооптическая система для формирования эффекта смены изображений при повороте на 180. Для синтеза оригинала плоского оптического элемента была использована электронно-лучевая технология. Оригинал был мультиплицирован. С помощью мультиплицированных матриц были изготовлены микрооптические системы в виде наклеек, демонстрирующие эффект смены изображений при повороте на 180. Задача синтеза микрооптической системы решалась с помощью плоских фазовых оптических элементов в двух вариантах исполнения: многоградационных киноформов (фиг. 6) и кусочно-гладких плоских фазовых оптических элементов (фиг. 8). Плоский оптический элемент размером 20 мм на 20 мм разбивался на элементарные области размером 50 мкм на 50 мкм, как это сделано на фиг. 9. Общее число элементарных областей составило 160000. Диаграмма направленности плоских оптических элементов,расположенных в элементарных областях, представлена на фиг. 4. Расчет диаграммы направленности производился при заданной длине волныдля каждой элементарной области. В каждой i-ой элементарной области был расположен рассчитанный для указанного цвета плоский фазовый оптический элемент, диаграмма направленности которого для рассеянного излучения в верхней полуплоскости сосредоточена в области Q1 углови , такой, что 0 - 10 + 1, 0 -0 + , покрывающей оба глаза наблюдателя, где ( 0, 0) - направление на наблюдателя, , 1 заданные параметры, а в нижней полуплоскости диаграмма направленности рассеянного излучения сосредоточена в области Q2 углови , такой, что 0 - 20 + 2, 180 + 0 -180 + 0 +, где 2 - заданный параметр, причем площадь Q2 не менее, чем в 10 раз превышает площадь Q1. Параметры 0, 1 2, 0,выбирались равными: Отношение площадей областей Q2 и Q1 = 30. В нормальном положении микрооптической системы для наблюдателя формировалось цветное изображение, состоящее из элементарных цветных областей (фиг. 1), а при повороте на 180 цветность изображения пропадала, оно становилось серым и исчезало. Проведенные исследования показали высокую эффективность предложенных в заявке решений. Эффект смены изображений при повороте на 180 наблюдался двумя глазами и был устойчив относительно изменений положения источника света или микрооптической системы. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Микрооптическая система формирования изображений для визуального контроля подлинности изделий на основе дифракционного оптического элемента, отличающаяся тем, что указанный элемент,расположенный в плоскости Оху, состоит из N элементарных областей, при этом каждая элементарная iая область i = 1,N характеризуется заданным цветом, видимым наблюдателю при нормальном положении микрооптической системы, в каждой i-ой элементарной области расположен рассчитанный для указанного цвета плоский фазовый оптический элемент, диаграмма направленности которого для рассеянного излучения в верхней полуплоскости сосредоточена в прямоугольной области Q1 углови , такой, что 0 - 10+ 1, 0 -0 + , покрывающей оба глаза наблюдателя, гдеиуглы в сферической системе координат, уголотсчитывается от оси Oz, направленной на источник света, а уголотсчитывается от оси Ох, ( 0, 0,) - направление на наблюдателя, , 1 - заданные параметры, а в нижней полуплоскости диаграмма направленности рассеянного излучения сосредоточена в прямоугольной области Q2 углови , такой, что 0 - 20 + 2, 180 + 0 -180 + 0+ , где 2 - заданный параметр, причем площадь Q2 не менее, чем в 10 раз превышает площадь Q1,что обеспечивает в стандартном положении микрооптической системы формирование для наблюдателя изображения, состоящего из цветных элементарных областей, которое при повороте микрооптической системы на 180 теряет цветность, становится серым и исчезает. 2. Микрооптическая система по п.1, отличающаяся тем, что плоские фазовые оптические элементы представляют собой многоградационные киноформы. 3. Микрооптическая система по п.1, отличающаяся тем, что плоские фазовые оптические элементы представляют собой плоские оптические элементы с кусочно-гладкой фазовой функцией.