RU140190U1

RU140190U1 - MICRO-OPTICAL IMAGE FORMING SYSTEM FOR VISUAL AND INSTRUMENTAL CONTROL

Info

Publication number: RU140190U1
Application number: RU2013130282/28U
Authority: RU
Inventors: Антон Александрович Гончарский; Александр Владимирович Гончарский; Святослав Радомирович Дурлевич
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Центр Компьютерной Голографии"
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2014-04-27

Abstract

1. Микрооптическая система формирования изображений для визуального и инструментального контроля, состоящая из размещенного на плоской подложке плоского дифракционного оптического элемента, отличающаяся тем, что указанный оптический элемент состоит из элементарных областей R, размером до 50 мкм, i=l, 2, ...Ν; j=l, 2, ...Ν, где Ν - число разбиений оптического элемента на элементарные области по осям координат, причем часть площади каждой из элементарных областей Rзанимают оптические элементы с фазовой функцией, равной константе, либо фрагменты внеосевых линз Френеля с параболоидной фазовой функцией и/или фрагменты плоских внеосевых линз Френеля с седлообразной фазовой функцией, сформированные в виде микрорельефа, обеспечивающего заданную диаграмму направленности рассеянного дневного света, реализующую синтез изображений, состоящих из отдельных точек, с визуальным эффектом смещения сформированных изображений при наклонах подложки относительно наблюдателя, а другую часть площади каждой из элементарных областей Rзанимает область Q, внутри которой сформированы фрагменты киноформа, формирующего при освещении микрооптической системы лазерным излучением 2D изображение, используемое для инструментального контроля.2. Микрооптическая система по п.1, отличающаяся тем, что внеосевые линзы Френеля и, или киноформ сформированы как многоградационные элементы.3. Микрооптическая система по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что область Qзанимает площадь в пределах 15-50% от площади каждой из элементарных областей R.1. Micro-optical imaging system for visual and instrumental control, consisting of a flat diffractive optical element placed on a flat substrate, characterized in that said optical element consists of elementary regions R, up to 50 μm in size, i = l, 2, ... Ν; j = l, 2, ... Ν, where Ν is the number of partitions of the optical element into elementary regions along the coordinate axes, and part of the area of each of the elementary regions R is occupied by optical elements with a phase function equal to a constant, or fragments of off-axis Fresnel lenses with a paraboloid phase function and / or fragments of flat off-axis Fresnel lenses with a saddle-shaped phase function, formed in the form of a microrelief, providing a given radiation pattern of scattered daylight, which implements the synthesis of images consisting of separate points, with the visual effect of the displacement of the formed images when the substrate is tilted relative to the observer, and the other part of the area of each of the elementary regions R is occupied by the Q region, inside which kinoform fragments are formed, which forms a 2D image used for instrumental control when the microoptical system is illuminated by laser radiation. 2. The micro-optical system according to claim 1, characterized in that the off-axis Fresnel lenses and or kinoforms are formed as multi-gradation elements. The micro-optical system according to claims 1 and 2, characterized in that the Q region occupies an area within 15-50% of the area of each of the elementary regions R.

Description

Заявляемая в качестве полезной модели микрооптическая система формирования изображений для визуального и инструментального контроля относится, преимущественно, к приспособлениям, используемым для удостоверения подлинности изделий, и может быть эффективно использована для защиты банкнот, ценных бумаг, документов, пластиковых карт от подделки.Declared as a useful model, the micro-optical imaging system for visual and instrumental control relates mainly to devices used to authenticate products and can be effectively used to protect banknotes, securities, documents, plastic cards from counterfeiting.

В настоящее время, с целью предотвращения подделки банкнот, ценных бумаг, документов, пластиковых карт используют различные защитные технологии. Это могут быть водяные знаки, ныряющие нити, голограммы, внедренные жидкокристаллические оптические элементы, изменяющие поляризацию падающего света, латентные изображения и т.п. (van Renesse, Rudolf L, Optical Document Security, 3^rd ed. British Library Cataloguing in Publication Data, 2005, ISBN 1-58053-258-6, van Renesse, Rudolf L, Optical Document Security, 2^nd ed. British Library Cataloguing in Publication Data, 1998, ISBN 0-89006-982-4).At present, in order to prevent counterfeiting of banknotes, securities, documents, plastic cards, various protective technologies are used. It can be watermarks, diving threads, holograms, embedded liquid crystal optical elements that change the polarization of the incident light, latent images, etc. (van Renesse, Rudolf L, Optical Document Security, 3 ^{rd ed. British Library Cataloguing in Publication} Data, 2005, ISBN 1-58053-258-6, van Renesse, Rudolf L, Optical Document Security, 2 ^nd ed. British Library Cataloguing in Publication Data, 1998, ISBN 0-89006-982-4).

Одной из основных проблем контроля подлинности документов, банкнот, пластиковых карт является разработка новых оптических элементов защиты для визуального и инструментального контроля. Такие элементы должны допускать надежный визуальный контроль, слабо зависящий от условий освещения, а также инструментальный контроль. Защитные элементы должны быть хорошо защищены от подделки или имитации и допускать массовое тиражирование.One of the main problems of authenticating documents, banknotes, plastic cards is the development of new optical security elements for visual and instrumental control. Such elements must allow reliable visual control, slightly dependent on lighting conditions, as well as instrumental control. Protective elements should be well protected from counterfeiting or imitation and allow mass replication.

Близкой к заявляемой полезной модели по совокупности признаков является известная оптическая система формирования изображений (Патент США №7,468,842 или Патент США №7,333,268), которая получила название motion. Описанная в патентах США система включает в себя слой микроизображений и слой фокусирующих элементов, выполненных в виде лентикулярных линз (микролинз). Такая система позволяет получить эффект движения (motion) изображения при изменении угла наблюдения, что может быть установлено по движению сформированного изображения при наклонах оптической системы. В настоящее время, технология motion используется для защиты банкнот. К недостаткам технологии необходимо отнести достаточно большую толщину защитного элемента, которая составляет от 30 до 40 микрон, что накладывает ограничения на использование такого защитного элемента в виде ныряющей нити. Попытки уменьшить толщину микрооптической системы Motion ухудшают качество изображения и повышают требования к технологии синтеза защитной нити Motion. К недостаткам нити Motion нужно отнести и то, что эта технология предназначена только для визуального контроля и не предусматривает инструментальный контроль.Close to the claimed utility model in terms of features is the well-known optical imaging system (US Patent No. 7,468,842 or US Patent No. 7,333,268), which is called motion. The system described in US patents includes a layer of microimages and a layer of focusing elements made in the form of lenticular lenses (microlenses). This system allows you to get the effect of motion (motion) of the image when changing the viewing angle, which can be established by the movement of the generated image with the tilt of the optical system. Currently, motion technology is used to protect banknotes. The disadvantages of the technology include a sufficiently large thickness of the protective element, which is from 30 to 40 microns, which imposes restrictions on the use of such a protective element in the form of a diving thread. Attempts to reduce the thickness of the Motion micro-optical system degrade image quality and increase the requirements for Motion security thread synthesis technology. The disadvantages of the Motion thread include the fact that this technology is intended only for visual control and does not provide for instrumental control.

Наиболее близкой (прототип) по совокупности признаков является патент EA 017394.The closest (prototype) in terms of features is patent EA 017394.

Микрооптическая система согласно патенту EA 017394 обеспечивает возможность синтеза легко контролируемого эффекта движения изображений, состоящих из светящихся точек, при наклонах подложки относительно наблюдателя при освещении микрооптической системы дневным светом. Согласно патенту EA 017394, микрооптическая система формирования визуальных изображений состоит из размещенного на плоской подложке одного слоя плоских оптических элементов, представляющих собой плоские внеосевые линзы Френеля с параболоидной фазовой функцией и, или плоские внеосевые линзы Френеля с седлообразной фазовой функцией, сформированные в виде микрорельефа, обеспечивающего заданную диаграмму направленности рассеянного света, реализующую синтез изображений, состоящих из отдельных точек, с визуальным эффектом смещения сформированных изображений при наклонах подложки относительно наблюдателя.The microoptical system according to patent EA 017394 provides the ability to synthesize an easily controlled effect of the movement of images consisting of luminous dots when the substrate tilts relative to the observer when the microoptic system is illuminated with daylight. According to EA 017394, a micro-optical visual imaging system consists of a single layer of flat optical elements placed on a flat substrate, which are flat off-axis Fresnel lenses with a paraboloid phase function and, or flat off-axis Fresnel lenses with a saddle phase function, formed in the form of a microrelief providing a given pattern of radiation of scattered light, which implements the synthesis of images consisting of individual points, with the visual effect of the displacement of Baths images at inclinations of the substrate relative to the observer.

В частном случае реализации патента EA 017394, плоские внеосевые линзы Френеля с параболоидной фазовой функцией выполнены одинаковыми, непересекающимися между собой, сформированными в виде микрорельефа, обеспечивающего заданную диаграмму направленности рассеянного света, реализующую синтез изображений, состоящих из отдельных точек, с визуальным эффектом смещения сформированных изображений вправо-влево, при наклоне подложки вправо-влево и с визуальным эффектом смещения сформированных изображений вверх-вниз при наклоне подложки от себя - на себя. В другом частном случае плоские внеосевые линзы Френеля с седлообразной фазовой функцией могут быть выполнены одинаковыми, непересекающимися между собой, сформированными в виде микрорельефа, обеспечивающего заданную диаграмму направленности рассеянного света, реализующую синтез изображений, состоящих из отдельных точек, с визуальным эффектом смещения сформированных изображений вверх-вниз, при наклоне подложки вправо-влево и с визуальным эффектом смещения сформированных изображений вправо-влево при наклоне подложки от себя - на себя.In the particular case of the implementation of the patent EA 017394, flat off-axis Fresnel lenses with a paraboloid phase function are made identical, disjoint from each other, formed in the form of a microrelief, providing a predetermined pattern of scattered light, which implements the synthesis of images consisting of individual points, with a visual effect of the displacement of the formed images right-left, when the substrate is tilted left and right and with the visual effect of shifting the generated images up and down when the substrate is tilted away - to myself. In another particular case, flat off-axis Fresnel lenses with a saddle-shaped phase function can be made identical, disjoint among themselves, formed in the form of a microrelief that provides a given directional pattern of scattered light that implements the synthesis of images consisting of individual points, with a visual effect of shifting the formed images upward downward, when the substrate is tilted to the right and left, and with the visual effect of shifting the generated images to the right and left, when the substrate is tilted away from itself, .

С целью увеличения динамического эффекта смещения изображений, плоские внеосевые линзы Френеля выполняются пересекающимися, сформированными в виде микрорельефа, при этом в области пересечения двух плоских внеосевых линз Френеля микрорельеф обеспечивает диаграмму направленности рассеянного света, реализующую для наблюдателя визуальный эффект смещения точек изображения на обоих пересекающихся элементах. Также с целью увеличения динамического эффекта смещения изображений, заявлена микрооптическая система, состоящая из двух типов внеосевых линз Френеля, (например, плоских внеосевых линз Френеля с вогнутой параболической фазовой функцией и плоских внеосевых линз Френеля с выпуклой фазовой функцией), при этом каждый тип формирует свою часть изображения так, что для наблюдателя смещение частей изображения происходит в противоположные стороны, что увеличивает эффект относительного движения частей изображения.In order to increase the dynamic effect of image displacement, flat off-axis Fresnel lenses are made intersecting, formed in the form of a microrelief, while in the region of intersection of two flat off-axis Fresnel lenses, the microrelief provides a directional pattern of scattered light that implements for the observer the visual effect of the displacement of image points on both intersecting elements. Also, in order to increase the dynamic effect of image displacement, a micro-optical system is proposed consisting of two types of off-axis Fresnel lenses (for example, flat off-axis Fresnel lenses with a concave parabolic phase function and flat off-axis Fresnel lenses with a convex phase function), while each type forms its own part of the image so that for the observer the displacement of the parts of the image occurs in opposite directions, which increases the effect of the relative movement of the parts of the image.

Заявленная в патенте EA 017394 микрооптическая система предназначена только для визуального контроля при освещении микрооптической системы дневным светом. Задачей настоящей полезной модели является расширение возможностей контроля защитной нити по сравнению с прототипом и создание микрооптической системы для визуального и инструментального контроля с более высоким уровнем защищенности от подделок, а также сужение круга технологий, которые позволяют синтезировать данную микрооптическую систему. При этом достигаемый технический результат заключается в возможности формирования изображений, состоящих из светящихся точек с визуальным эффектом смещения сформированных изображений при наклонах подложки относительно наблюдателя при освещении микрооптической системы дневным светом, а также в возможности формирования 2D изображений, используемых для инструментального контроля, при освещении микрооптической системы когерентным светом. Задачей настоящей заявки является также обеспечение возможности использования стандартного высокопроизводительного технологического процесса изготовления, тиражирования и нанесения защитных элементов.The microoptical system claimed in patent EA 017394 is intended only for visual inspection when the microoptical system is illuminated with daylight. The objective of this utility model is to expand the control capabilities of the protective thread compared to the prototype and create a micro-optical system for visual and instrumental control with a higher level of protection against fakes, as well as narrowing the range of technologies that allow synthesizing this micro-optical system. Moreover, the technical result achieved consists in the possibility of forming images consisting of luminous points with a visual effect of the displacement of the formed images when the substrate tilts relative to the observer when the micro-optical system is illuminated with daylight, and also in the possibility of generating 2D images used for instrumental control when illuminating the micro-optical system coherent light. The objective of this application is also to enable the use of a standard high-performance manufacturing process, manufacturing, replication and application of protective elements.

Поставленная задача с достижением указанного технического результата решается в заявленной микрооптической системе, состоящей из размещенного на плоской подложке плоского дифракционного оптического элемента, которой состоит из элементарных областей размером до 50 микрон, i=1, 2, … Ν; j=1, 2, … Ν, где Ν - число разбиений оптического элемента на элементарные области по осям координат, причем часть площади каждой из элементарных областей R_ij занимают оптические элементы с фазовой функцией равной константе, либо фрагменты внеосевых линз Френеля с параболоидной фазовой функцией и/или фрагменты плоских внеосевых линз Френеля с седлообразной фазовой функцией, сформированные в виде микрорельефа, обеспечивающего заданную диаграмму направленности рассеянного дневного света, реализующую синтез изображений, состоящих из отдельных точек, с визуальным эффектом смещения сформированных изображений при наклонах подложки относительно наблюдателя при освещении микрооптической системы дневным светом, а другую часть площади каждой из элементарных областей R_ij занимает область Q_ij, внутри которой сформированы фрагменты киноформа, формирующего при освещении микрооптической системы лазерным излучением 2D изображение, используемое для инструментального контроля.The problem with the achievement of the specified technical result is solved in the claimed micro-optical system, consisting of a flat diffractive optical element placed on a flat substrate, which consists of elementary regions up to 50 microns in size, i = 1, 2, ... Ν; j = 1, 2, ... Ν, where Ν is the number of partitions of the optical element into elementary regions along the coordinate axes, and part of the area of each of the elementary regions R _{ij is} occupied by optical elements with a phase function equal to a constant, or fragments of off-axis Fresnel lenses with a paraboloid phase function and / or fragments of flat off-axis Fresnel lenses with a saddle-shaped phase function, formed in the form of a microrelief, providing a given radiation pattern of scattered daylight, realizing the synthesis of images consisting of separately points, with the visual effect of the displacement of the formed images when the substrate is tilted relative to the observer under daylight illumination of the micro-optical system, and the other part of the area of each of the elementary regions R _ij is occupied by the region Q _ij , inside which fragments of the kinoform are formed, which forms when the micro-optical system is illuminated by 2D laser radiation image used for instrumental control.

Микрооптическая система может включать внеосевые линзы Френеля и, или киноформ сформированные как многоградационные элементы.A micro-optical system may include off-axis Fresnel lenses, and, or kinoforms formed as multi-gradation elements.

Микрооптическая система может быть синтезирована так, что область Q_ij занимает площадь в пределах 15-50% от площади каждой из элементарных областей R_ij.The micro-optical system can be synthesized so that the region Q _ij occupies an area within 15-50% of the area of each of the elementary regions R _ij .

Микрооптическая система может быть выполнена, при необходимости, с возможностью частичного отражения и частичного пропускания света.The micro-optical system can be made, if necessary, with the possibility of partial reflection and partial transmission of light.

В частном случае, микрооптическая система может быть выполнена с возможностью отражения света.In the particular case, the micro-optical system can be configured to reflect light.

Также в частном случае, микрооптическая система может быть выполнена с возможностью пропускания света.Also in the particular case, the micro-optical system can be configured to transmit light.

При необходимости, микрооптическая система выполняется в виде защитной метки, используемой для защиты банкнот, ценных бумаг, документов, пластиковых карт.If necessary, the micro-optical system is made in the form of a security label used to protect banknotes, securities, documents, plastic cards.

Совокупность заявленных признаков обеспечивает достижение заявленного технического результата.The combination of the claimed features ensures the achievement of the claimed technical result.

Сущность полезной модели поясняется изображениями, где на фиг.1 приведена схема наблюдения микрооптической системы в дневном свете; на фиг.2 приведен фрагмент внеосевой плоской линзы Френеля с параболической фазовой функцией; на фиг.3 изображен фрагмент внеосевой линзы Френеля с седлообразной фазовой функцией; на фиг.4 приведено изображение точечного источника света, видимого наблюдателем, отраженного от внеосевой плоской линзы Френеля с параболоидной или седлообразной фазовой функцией; на фиг.5 приведена схема формирования микрорельефа микрооптической системы; на фиг.6 представлено как наблюдатель видит изображение из цифр "50 50 50 50", состоящее из отдельных точек, сформированных плоскими оптическими элементами - внеосевыми линзами Френеля - при нормальном положении микрооптической системы (θ=0); на фиг.7 представлено как наблюдатель видит изображение из цифр "50 50 50 50", состоящее из отдельных точек, сформированных плоскими оптическими элементами при наклоне подложки относительно наблюдателя; на фиг.8 приведен фрагмент микрорельефа киноформа, формирующего изображение при освещении микрооптической системы когерентным светом; на фиг.9 приведен пример 2D изображения, формируемого киноформом; на фиг.10 приведен другой пример 2D изображения, формируемого киноформом.The essence of the utility model is illustrated by images, where Fig. 1 shows a scheme for observing a micro-optical system in daylight; figure 2 shows a fragment of an off-axis flat Fresnel lens with a parabolic phase function; figure 3 shows a fragment of an off-axis Fresnel lens with a saddle-shaped phase function; figure 4 shows the image of a point source of light visible by the observer reflected from an off-axis flat Fresnel lens with a paraboloid or saddle-shaped phase function; figure 5 shows a diagram of the formation of the microrelief of the microoptical system; figure 6 shows how the observer sees the image from the numbers "50 50 50 50", consisting of individual points formed by flat optical elements - off-axis Fresnel lenses - in the normal position of the micro-optical system (θ = 0); Fig. 7 shows how the observer sees the image from the numbers "50 50 50 50", consisting of individual points formed by flat optical elements when the substrate is tilted relative to the observer; in Fig.8 shows a fragment of the microrelief of the kinoform, forming the image when illuminating the micro-optical system with coherent light; figure 9 shows an example of a 2D image formed by kinoform; figure 10 shows another example of a 2D image formed by kinoform.

Микрооптическая система, заявленная в настоящем техническом решении, представляет собой расположенный на плоской подложке плоский оптический элемент, состоящий из фрагментов линз Френеля с параболоидной и/или седлообразной фазовой функцией, фрагментов киноформа и областей без микрорельефа (с фазовой функцией равной константе). На фиг.1 приведена схема наблюдения микрооптической системы 1 при освещении ее точечным источником дневного света 2, видимое наблюдателем 3 под углом Θ. На фиг.2 приведен фрагмент плоской внеосевой линзы Френеля с параболоидной фазовой функцией, фокусирующей изображение в точку подобно цельному вогнутому зеркалу, имеющему форму параболоида (Гончарский А.В., Гончарский А. А. "Компьютерная оптика. Компьютерная голография" Изд-во МГУ, Москва 2004, ISBN 5-211-04902-0). Глубина микрорельефа линз Френеля в оптическом диапазоне длин волн составляет 0.1-0.3 микрона. На фиг.3 приведен фрагмент микрорельефа плоской внеосевой линзы Френеля с седлообразной фазовой функцией. Произвольный фрагмент, вырезанный из плоской линзы Френеля, называется внеосевой линзой Френеля.The micro-optical system claimed in this technical solution is a flat optical element located on a flat substrate, consisting of fragments of Fresnel lenses with a paraboloid and / or saddle-shaped phase function, fragments of kinoform and regions without microrelief (with a phase function equal to a constant). Figure 1 shows the observation scheme of the micro-optical system 1 when illuminated by a point source of daylight 2, visible to the observer 3 at an angle Θ. Figure 2 shows a fragment of a flat off-axis Fresnel lens with a paraboloid phase function focusing the image to a point like a solid concave mirror shaped like a paraboloid (Goncharsky A.V., Goncharsky A. A. "Computer optics. Computer holography" Publishing House of Moscow State University Moscow 2004, ISBN 5-211-04902-0). The depth of the microrelief of Fresnel lenses in the optical wavelength range is 0.1-0.3 microns. Figure 3 shows a fragment of the microrelief of a flat off-axis Fresnel lens with a saddle-shaped phase function. An arbitrary fragment cut from a flat Fresnel lens is called an off-axis Fresnel lens.

Внеосевая линза Френеля при освещении ее точечным источником света формирует для наблюдателя изображение в виде яркой точки. Как показано на фиг.4, яркая точка 4 смещается в пределах внеосевой линзы Френеля ограниченной белой пунктирной линией 5 при изменении угла наклона микрооптической системы относительно наблюдателя. Характер смещения определяется типом фазовой функции линзы Френеля. При наклонах подложки вправо-влево для параболоидной фазовой функции изображение источника смещается вправо-влево, а при наклонах подложки от себя - на себя, изображение смещается вверх-вниз. Для внеосевой линзы Френеля с седлообразной фазовой функцией изображение источника смещается вверх - вниз, при наклоне подложки вправо-влево, а при наклонах подложки от себя - на себя, изображение смещается вправо-влево. Эта идея положена в основу прототипа настоящей полезной модели (патент EA 017394).An off-axis Fresnel lens when illuminated with a point light source forms an image in the form of a bright dot for the observer. As shown in figure 4, the bright point 4 is shifted within the off-axis Fresnel lens by a limited white dashed line 5 when the angle of inclination of the micro-optical system relative to the observer changes. The nature of the displacement is determined by the type of phase function of the Fresnel lens. When the substrate tilts left and right for the paraboloid phase function, the source image is shifted left and right, and when the substrate tilts away from itself, toward itself, the image is shifted up and down. For an off-axis Fresnel lens with a saddle-shaped phase function, the source image is shifted up and down, when the substrate tilts to the right and left, and when the substrate tilts away from itself, toward itself, the image is shifted to the right and left. This idea is the basis of the prototype of this utility model (patent EA 017394).

Заявленный в полезной модели плоский оптический элемент разбит на элементарные области R_ij, i=1, 2, … Ν; j=1, 2, … Ν, где Ν - число разбиений оптического элемента на элементарные области по осям координат. Размер R_ij не превосходит 50 микрон, причем часть площади каждой из элементарных областей R_ij занимают оптические элементы с фазовой функцией равной константе (фрагменты оптического элемента без микрорельефа), либо фрагменты внеосевых линз Френеля с параболоидной фазовой функцией и, или фрагменты плоских внеосевых линз Френеля с седлообразной фазовой функцией. Сформированный ими микрорельеф обеспечивает заданную диаграмму направленности рассеянного дневного света и позволяет синтезировать изображения, состоящие из отдельных точек, с визуальным эффектом смещения сформированных изображений при наклоне подложки относительно наблюдателя при освещении микрооптической системы дневным светом. Другую часть площади каждой из элементарных областей R_ij занимает область Q_ij, внутри которой сформированы фрагменты киноформа, формирующего при освещении микрооптической системы лазерным излучением 2D изображение, используемое для инструментального контроля.The flat optical element declared in the utility model is divided into elementary regions R _ij , i = 1, 2, ... Ν; j = 1, 2, ... Ν, where Ν is the number of partitions of the optical element into elementary regions along the coordinate axes. The size of R _ij does not exceed 50 microns, and part of the area of each of the elementary regions R _{ij is} occupied by optical elements with a phase function equal to constant (fragments of an optical element without a microrelief), or fragments of off-axis Fresnel lenses with a paraboloid phase function and, or fragments of flat off-axis Fresnel lenses with saddle phase function. The microrelief formed by them provides a given radiation pattern of scattered daylight and allows us to synthesize images consisting of individual points with the visual effect of the displacement of the formed images when the substrate is tilted relative to the observer when the micro-optical system is illuminated with daylight. The other part of the area of each of the elementary regions R _ij is occupied by the region Q _ij , inside which fragments of the kinoform are formed, which forms a 2D image used for instrumental control when the micro-optical system is illuminated with laser radiation.

Размер элементарных областей не превосходит 50 микрон - предел визуального разрешения элементов изображения на плоском оптическом элементе для человеческого глаза. Таким образом, наблюдатель не может видеть границ разбиения микрооптической системы на элементарные области. Используя различные фрагменты линз Френеля можно синтезировать изображения, состоящие из отдельных ярких точек. На фиг.6 приведен пример формирования такого изображения при нормальном положении подложки относительно наблюдателя (θ=0). На фиг.7 приведен пример, демонстрирующий смещение изображения при наклонах подложки вправо-влево для изображений, сформированных с помощью фрагментов внеосевых линз Френеля с седлообразной фазовой функцией при наклонах подложки.The size of the elementary regions does not exceed 50 microns - the limit of visual resolution of image elements on a flat optical element for the human eye. Thus, the observer cannot see the boundaries of the partition of the micro-optical system into elementary regions. Using various fragments of Fresnel lenses, it is possible to synthesize images consisting of separate bright points. Figure 6 shows an example of the formation of such an image at the normal position of the substrate relative to the observer (θ = 0). Fig. 7 is an example showing the image displacement when the substrate is tilted left and right for images formed using fragments of off-axis Fresnel lenses with a saddle-shaped phase function when the substrate is tilted.

Заявленная микрооптическая система, кроме эффекта визуального смещения сформированных изображений, состоящих из точек, позволяет, в отличие от прототипа, формировать 2D изображения, визуализируемые с помощью лазерного излучения. Такие изображения формируются плоским фазовым оптическим элементом - киноформом. На фиг.8 приведен фрагмент киноформа, формирующего изображение, представленное на фиг.9. Глубина микрорельефа фрагмента киноформа на фиг.8 пропорциональна потемнению в каждой точке рисунка. Изображения, визуализируемые с помощью лазерного излучения, получили в литературе название CLR (Covert Laser Readable) изображений. Такие изображения можно контролировать с помощью CLR детекторов, например патент на промышленный образец №74441. Пример изображения, формируемого киноформом для этих целей приведен на фиг.9.The claimed micro-optical system, in addition to the effect of visual displacement of the formed images consisting of points, allows, in contrast to the prototype, the formation of 2D images visualized using laser radiation. Such images are formed by a flat phase optical element - kinoform. In Fig.8 shows a fragment of the kinoform, forming the image shown in Fig.9. The microrelief depth of the kinoform fragment in Fig. 8 is proportional to the darkening at each point in the figure. Images visualized using laser radiation are called CLR (Covert Laser Readable) images in the literature. Such images can be controlled using CLR detectors, for example, patent for industrial design No. 74441. An example of the image formed by kinoform for these purposes is shown in Fig.9.

Скрытые изображения, визуализируемые с помощью лазерного излучения можно использовать и для автоматизированного приборного контроля подлинности защитных меток. В заявке ЕАПВ №201100415 предложены способ и устройство для автоматизированного контроля подлинности CLR изображений формируемых киноформом. На фиг.10 приведен пример изображения, формируемого многоградационным киноформом. Точка на фиг.10 соответствует нулевому порядку дифракции. Согласно заявке ЕАПВ№201100415 процедура автоматизированного контроля будет инвариантной относительно положения прибора и защитной метки, если в качестве признака для автоматизированного контроля использовать угловые расстояния между яркими точками изображения.Latent images visualized using laser radiation can also be used for automated instrument control of the authenticity of protective labels. EAPO application No. 2011100415 proposes a method and apparatus for the automated control of the authenticity of CLR images generated by kinoform. Figure 10 shows an example of an image formed by multi-gradation kinoform. The point in FIG. 10 corresponds to the zeroth diffraction order. According to the application of EAPV No. 2011100415, the automated control procedure will be invariant with respect to the position of the device and the security mark, if angular distances between the bright points of the image are used as a sign for the automated control.

В настоящей заявке для целей инструментального контроля используются фрагменты плоских оптических элементов - киноформов. В случае использования в областях Q_ij бинарных киноформов, формируемые с помощью лазерного излучения изображения являются симметричными.In this application, for the purposes of instrumental control, fragments of flat optical elements — kinoforms — are used. In the case of using binary kinoforms in the regions Q _ij , the images formed by laser radiation are symmetrical.

Скрытые изображения, визуализируемые с помощью лазерного излучения представленные на фиг.9 и 10 не являются симметричными относительно нулевого порядка дифракции. Такие изображения могут быть сформированы только с помощью многоградационных киноформов, имеющих ассиметричный микрорельеф (Гончарский А.В., Гончарский А.А. "Компьютерная оптика. Компьютерная голография" Изд-во МГУ, Москва 2004, ISBN 5-211-04902-0). Точность изготовления таких элементов составляет 20 нанометров (А.А. Гончарский. Об одной задаче синтеза нано-оптических элементов. - Вычислительные методы и программирование, Т.9, №2, 2008.). Такие оптические элементы хорошо защищены от подделок.Latent images visualized using laser radiation shown in Fig.9 and 10 are not symmetrical with respect to the zero diffraction order. Such images can be formed only with the help of multi-gradation kinoforms having an asymmetric microrelief (Goncharsky A.V., Goncharsky A.A. "Computer optics. Computer holography" Publishing House of Moscow State University, Moscow 2004, ISBN 5-211-04902-0) . The accuracy of manufacturing such elements is 20 nanometers (A. A. Goncharsky. On one problem of the synthesis of nano-optical elements. - Computational methods and programming, Vol. 9, No. 2, 2008.). Such optical elements are well protected from fakes.

Заявленная полезная модель предназначена для формирования визуальных изображений в видимом диапазоне длин волн (от 0.38 микрона до 0.74 микрона). Скрытые CLR изображения визуализируются с помощью лазерных диодов в видимом диапазоне длин волн. Микрооптическая система имеет глубину микрорельефа 0,1-0,3 микрона. Внеосевая линза Френеля при ее освещении точечным источником формирует для наблюдателя изображение в виде яркой точки. Максимальная яркость изображения для много градационной линзы Френеля соответствует глубине микрорельефа равной λ/2. Например, при λ=0,56 микрона наибольшую эффективность имеют внеосевые линзы Френеля с глубиной 0,28 микрон. При падении на такую линзу Френеля оптического излучения с другой длиной волны формируется то же самое изображение, но с меньшей эффективностью. Таким образом, микрооптическая система при падении на нее оптического излучения видимого диапазона формирует визуальное изображение, состоящее из отдельных ярких точек.The claimed utility model is intended for the formation of visual images in the visible wavelength range (from 0.38 microns to 0.74 microns). Hidden CLR images are visualized using laser diodes in the visible wavelength range. The micro-optical system has a microrelief depth of 0.1-0.3 microns. The off-axis Fresnel lens, when illuminated by a point source, forms an image in the form of a bright dot for the observer. The maximum image brightness for a multi-gradation Fresnel lens corresponds to a microrelief depth of λ / 2. For example, at λ = 0.56 microns, off-axis Fresnel lenses with a depth of 0.28 microns are most effective. When optical radiation with a different wavelength is incident on such a Fresnel lens, the same image is formed, but with less efficiency. Thus, a micro-optical system, when optical radiation of the visible range is incident on it, forms a visual image consisting of separate bright points.

2D изображение формируется киноформом при освещении микрооптической системы лазерным излучением. Энергетическая эффективность сформированного изображения зависит от отношения площадей Q_ij и R_ij.A 2D image is formed by kinoform when the micro-optical system is illuminated by laser radiation. The energy efficiency of the generated image depends on the ratio of the areas Q _ij and R _ij .

Центральным моментом технологии изготовления микрооптической системы, заявленной в полезной модели, является изготовление оригинала микрооптической системы. Для изготовления оригинала микрооптической системы можно использовать электронно-лучевую литографию или оптические технологии формирования микрорельефа высокого разрешения. Эта технология мало распространена, стоимость электронно-лучевых литографов составляет несколько миллионов евро. Электроннолучевая технология синтеза оригиналов наукоемка. Все это сужает технологии, которые могут быть использованы для синтеза заявленной микрооптической системы и обеспечивает надежную защиту от подделок и имитации.The central point of the manufacturing technology of the micro-optical system, as claimed in the utility model, is the manufacture of the original micro-optical system. To produce the original micro-optical system, you can use electron beam lithography or optical technology for the formation of high-resolution microrelief. This technology is not common, the cost of electron beam lithographs is several million euros. Electron beam technology for the synthesis of originals is knowledge-intensive. All this narrows down the technologies that can be used to synthesize the claimed micro-optical system and provides reliable protection against fakes and imitations.

Таким образом, основные отличия заявленной микрооптической системы от прототипа заключаются в следующем:Thus, the main differences of the claimed microoptical system from the prototype are as follows:

1. По сравнению с прототипом, заявленная микрооптическая система имеет фасеточную структуру, в которой оптический элемент разбит на элементарные области размером менее 50 микрон, где находятся не только фрагменты внеосевых линз Френеля, но и фрагменты киноформов.1. Compared with the prototype, the claimed micro-optical system has a facet structure in which the optical element is divided into elementary regions smaller than 50 microns in size, where not only fragments of off-axis Fresnel lenses, but also fragments of kinoforms are located.

2. В отличие от прототипа, заявленная в полезной модели микрооптическая система формирует изображения не только для визуального контроля в дневном свете. При освещении микрооптической системы когерентным излучением, формируется другое 2D изображение, которое может использоваться для инструментального контроля. Приборы для инструментального контроля существуют и защищены патентами.2. Unlike the prototype, the micro-optical system declared in the utility model forms images not only for visual control in daylight. When illuminating the micro-optical system with coherent radiation, another 2D image is formed, which can be used for instrumental control. Instrumentation control devices exist and are protected by patents.

3. Заявленная микрооптическая система обладает большей защищенностью от подделок и имитаций, поскольку технология изготовления является более наукоемкой. Изготовление многоградационных киноформов предъявляет к технологии синтеза микрорельефа очень жесткие требования. Точность изготовления микрорельефа элементов заявленных в полезной модели составляет порядка 20 нанометров.3. The claimed micro-optical system is more protected from fakes and imitations, since the manufacturing technology is more knowledge-intensive. The manufacture of multi-gradation kinoforms imposes very stringent requirements on the technology of microrelief synthesis. The accuracy of manufacturing the microrelief of the elements claimed in the utility model is about 20 nanometers.

Заявляемая полезная модель допускает массовое тиражирование оптических элементов, поскольку для их изготовления можно использовать стандартную технологию тиражирования голограмм, в том числе в виде фольги горячего тиснения. На практике процесс изготовления плоского оптического элемента включает следующие стадии: расчет параметров и структуры микрорельефа плоских оптических элементов, формирующих защитные изображения, формирование рассчитанного микрорельефа на плоском носителе с помощью электронно-лучевой литографии. Далее следует стандартная технология массового тиражирования голограмм, а именно, гальванопластика, прокатка, нанесение клеевых слоев, резка и т.д. Возможность использования стандартного голографического оборудования для массового тиражирования позволяет изготавливать заявляемые в качестве полезной модели микрооптические защитные системы по низкой цене.The inventive utility model allows for mass replication of optical elements, because for their manufacture, you can use the standard technology for replicating holograms, including in the form of hot stamping foils. In practice, the manufacturing process of a flat optical element includes the following stages: calculation of the parameters and structure of the microrelief of the flat optical elements forming protective images, the formation of the calculated microrelief on a flat medium using electron beam lithography. The following is the standard technology for the mass replication of holograms, namely, electroforming, rolling, applying adhesive layers, cutting, etc. The possibility of using standard holographic equipment for mass replication makes it possible to produce microoptical protective systems declared as a utility model at a low price.

В качестве примера реализации поленой модели были изготовлены две микрооптические системы. В первом примере была изготовлена микрооптическая система на подложке, которая при наклоне подложки, формировала в дневном свете изображение из цифр "50 50 50 50" (фиг.6). Для формирования изображения на фиг.6 использовались фрагменты внеосевых линз Френеля с седлообразной фазовой функцией (фиг.3). Для формирования изображений, состоящих из ярких точек, использовались внеосевые линзы Френеля диаметром 920 микрон. Высота букв «50» составляла 2,8 мм. При наклонах подложки имел место эффект смещения фрагментов изображения так, как показано на фиг.7. При высоте цифры «50» в 2,8 мм максимальный эффект смещения составляет порядка 0,9 мм.As an example of the implementation of the log model, two micro-optical systems were manufactured. In the first example, a micro-optical system was made on a substrate, which, when the substrate was tilted, formed an image from the numbers "50 50 50 50" in daylight (Fig. 6). To form the image in Fig.6, fragments of off-axis Fresnel lenses with a saddle-shaped phase function were used (Fig.3). For the formation of images consisting of bright points, off-axis Fresnel lenses with a diameter of 920 microns were used. The height of the letters “50” was 2.8 mm. When the slopes of the substrate there was an effect of displacement of the image fragments as shown in Fig.7. With the height of the figure “50” of 2.8 mm, the maximum displacement effect is about 0.9 mm.

В качестве 2D изображения для инструментального контроля использовалось изображение, представленное на фиг.9. Площадь элементарных областей Q_ij составляла 0,2 площади элементарных областей R_ij. Для визуализации скрытых CLR изображений использовался CLR детектор (патент на промышленный образец №74441).As a 2D image for instrumental control, the image shown in Fig. 9 was used. The area of the elementary regions Q _ij was 0.2 area of the elementary regions R _ij . For visualization of hidden CLR images, a CLR detector was used (patent for industrial design No. 74441).

Вторая микрооптическая система отличалась от первой киноформом, формирующим в когерентном свете изображение, представленное на фиг.10.The second micro-optical system was different from the first kinoform, forming in coherent light the image shown in Fig.10.

Микрорельеф плоских оптических элементов записывался с помощью электроннолучевой литографии (электронный литограф Carl Zeiss ZBA-21) на пластинах с электронным резистом. Разрешение электронного литографа - 0.1 микрона. Из изготовленных пластин с электронным резистом после их металлизации с помощью гальванопластики были изготовлены мастер матрицы микрооптических систем. После стандартной голографической процедуры мультипликации были изготовлены мультиплицированные мастер-матрицы, с которых были изготовлены рабочие матрицы для прокатки. На стандартном оборудовании для прокатки фирмы James River была изготовлена голографическая фольга. После нанесения клеевых слоев были изготовлены образцы голографической нити и банкнотной бумаги с защищенной ныряющей нитью. Толщина голографической фольги составляла 19 микрон.The microrelief of flat optical elements was recorded using electron beam lithography (Carl Zeiss ZBA-21 electronic lithograph) on plates with an electronic resist. The resolution of the electronic lithograph is 0.1 microns. After fabrication of plates with an electronic resist after metallization using electroplating, the master of the matrix of micro-optical systems was made. After the standard holographic animation procedure, multiplied master matrices were made, from which working matrices for rolling were made. Holographic foil was made using standard James River rolling equipment. After applying the adhesive layers, samples of a holographic thread and banknote paper with a protected diving thread were made. The thickness of the holographic foil was 19 microns.

Изготовленные образцы оптической защитной нити, внедренной в банкнотную бумагу, продемонстрировали возможность как визуального контроля заявленной микрооптической системы, так и приборного контроля. Микрооптическая система, представленная в заявке на полезную модель, может быть эффективно использована для защиты банкнот, сертификатов, чеков, пластиковых карт.The fabricated samples of an optical security thread embedded in banknote paper demonstrated the possibility of both visual inspection of the claimed micro-optical system and instrument control. The micro-optical system presented in the application for a utility model can be effectively used to protect banknotes, certificates, checks, plastic cards.

Claims

1. Micro-optical imaging system for visual and instrumental control, consisting of a flat diffractive optical element located on a flat substrate, characterized in that said optical element consists of elementary regions R _ij , up to 50 μm in size, i = l, 2, .. .Ν; j = l, 2, ... Ν, where Ν is the number of partitions of the optical element into elementary regions along the coordinate axes, and part of the area of each of the elementary regions R _{ij is} occupied by optical elements with a phase function equal to a constant, or fragments of off-axis Fresnel lenses with paraboloid phase function and / or fragments of flat off-axis Fresnel lenses with a saddle-shaped phase function, formed in the form of a microrelief, providing a given radiation pattern of scattered daylight, which implements the synthesis of images consisting of separately points, with the visual effect of the displacement of the formed images when the substrate is tilted relative to the observer, and the other part of the area of each of the elementary regions R _ij is occupied by the region Q _ij , inside which fragments of the kinoform are formed, which forms a 2D image when illuminating the micro-optical system with laser radiation, which is used for instrumental control .

2. The micro-optical system according to claim 1, characterized in that the off-axis Fresnel lenses and or kinoforms are formed as multi-gradation elements.

3. The micro-optical system according to claims 1 and 2, characterized in that the region Q _ij occupies an area within 15-50% of the area of each of the elementary regions R _ij .