DE102018004052A1

DE102018004052A1 - Optisch variables Sicherheitselement mit reflektivem Flächenbereich

Info

Publication number: DE102018004052A1
Application number: DE102018004052.7A
Authority: DE
Inventors: Raphael Dehmel; Christian Fuhse; Kai Herrmann Scherer; Maik Rudolf Johann Scherer
Original assignee: Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Current assignee: Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Priority date: 2018-05-18
Filing date: 2018-05-18
Publication date: 2019-11-21
Also published as: CN111757812A; WO2019219237A1; EP3793841B1; EP3793841A1; CN111757812B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisch variables Sicherheitselement (12) zur Absicherung von Wertgegenständen, mit einem Träger (22) mit einem reflektiven Flächenbereich (20), dessen Ausdehnung eine x-y-Ebene und eine darauf senkrecht stehende z-Achse definiert, wobei der reflektiven Flächenbereich (20) eine Vielzahl von reflektiven Teilbereichen (30) enthält und jeder Teilbereich (30) mehrere, gleich orientierte reflektive Facetten (32) aufweist, und eine Orientierung jeder Facette (32) relativ zur x-y-Ebene durch die Angabe ihres normalisierten Normalenvektors (n) bestimmt ist, die Projektion des Normalenvektors in die x-y-Ebene eine Neigungsrichtung (r) der Facette definiert, die Länge (L) einer Facette ihre Abmessung in Neigungsrichtung, die Breite (B) einer Facette ihre Abmessung senkrecht zur Neigungsrichtung in der x-y-Ebene, und die Höhe (H) einer Facette ihre Abmessung in z-Richtung ist. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass in den reflektiven Teilbereichen (30) die gleich orientierten Facetten (32) entlang ihrer gemeinsamen Neigungsrichtung (r) mit abnehmender Länge (L) und abnehmender Höhe (H) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisch variables Sicherheitselement zur Absicherung von Wertgegenständen, mit einem Träger mit einem reflektiven Flächenbereich, der eine Vielzahl von reflektiven Teilbereichen enthält, wobei jeder Teilbereich mehrere, gleich orientierte reflektive Facetten aufweist.
Datenträger, wie etwa Wert- oder Ausweisdokumente, oder andere Wertgegenstände, wie etwa Markenartikel, werden zur Absicherung oft mit Sicherheitselementen versehen, die eine Überprüfung der Echtheit der Datenträger gestatten und die zugleich als Schutz vor unerlaubter Reproduktion dienen.
Eine besondere Rolle bei der Echtheitsabsicherung spielen Sicherheitselemente mit betrachtungswinkelabhängigem oder dreidimensionalem Erscheinungsbild, da diese selbst mit modernsten Kopiergeräten nicht reproduziert werden können. Dazu sind die Sicherheitselemente mit optisch variablen Elementen ausgestattet, die dem Betrachter unter unterschiedlichen Betrachtungswinkeln einen unterschiedlichen Bildeindruck vermitteln und beispielsweise je nach Betrachtungswinkel einen anderen Farb- oder Helligkeitseindruck und/oder ein anderes graphisches Motiv zeigen. Im Stand der Technik sind dabei als optisch variable Effekte beispielsweise Bewegungseffekte, Pumpeffekte, Tiefeneffekte, Reliefeffekte oder Flipeffekte beschrieben, die mit Hilfe von Hologrammen, Mikrolinsen oder Mikrospiegeln realisiert werden.
Hologramm-basierte optisch variable Elemente sind weit verbreitet, ihre Auffälligkeit und Wiedererkennbarkeit sind allerdings durch ihre relativ geringe Brillanz und die diffraktive Farbaufspaltung des reflektierten Lichts beeinträchtigt. Darüber hinaus bieten sie aufgrund ihrer verhältnismäßig leichten Herstellbarkeit eine geringere Fälschungssicherheit als auf Mikrolinsen- oder Mikrospiegel-Strukturen basierende Sicherheitselemente.
Die Umsetzung der oben genannten optisch variablen Effekte mit Hilfe von Mikrolinsen ermöglicht eine beleuchtungsunabhängige gute Sichtbarkeit. Mikrolinsen-Strukturen bedingen aber zumeist eine große Schichtdicke des Sicherheitselements. Auch ist die Herstellung von Mikrolinsen-basierten Echtheitsmerkmalen mit einigen technischen Herausforderungen verbunden: In der Motivschicht unter der Linsenschicht müssen nur wenige Mikrometer große Motive mit hoher Qualität dargestellt werden, und sowohl die Linsenschicht als auch die Motivschicht müssen mit hoher Rastertreue hergestellt werden. In der Praxis können derzeit meist nur periodische Muster von Symbolen erzeugt werden, deren Größe auf wenige Millimeter beschränkt ist. Die Darstellung der Symbole ist dabei oft leicht verzerrt und unscharf, was den Wiedererkennungswert des Sicherheitselements herabsetzt.
Eine attraktive Variante ist daher die Umsetzung optisch variabler Effekte mit Hilfe von Mikrospiegeln, die technologisch weniger komplex ist und großflächige und scharfe Motive in flachen Sicherheitselementen ermöglicht. Für eine gute Wahrnehmbarkeit und einen attraktiven visuellen Eindruck sind dabei die Helligkeit und die Brillanz der Mikrospiegel-Strukturen von besonders großer Bedeutung.
Mikrospiegelanordnungen werden in Sicherheitselementen derzeit beispielsweise dadurch erzeugt, dass eine gewünschte Effektfläche in gleichartige Pixel einer Größe von beispielsweise 20 µm × 20 µm unterteilt wird, dass jedem Pixel eine Spiegelsteigung zugeordnet wird, also festgelegt wird, in welcher Weise die Mikrospiegel des Pixels gegenüber einer Substratebene verkippt sein sollen, und dass die Pixel dann mit keilförmigen Mikrospiegeln der jeweiligen Spiegelsteigung gefüllt werden. Die Mikrospiegel haben dabei meist eine feste Grundfläche, typischerweise 10 µm × 10 µm. Ein Beispiel einer ähnlichen Gestaltung ist in der Druckschrift EP 2 390 106 B1 beschrieben. Nachteilig ist bei solchen Gestaltungen allerdings, dass die periodische Anordnung der Mikrospiegel oft zu unerwünschten diffraktiven Effekten und farbigen Lichtreflexen führt, die das eigentlich gewünschte achromatische Erscheinungsbild der Mikrospiegelanordnung stören.
Auch aperiodische Anordnungen von Mikrospiegeln sind bekannt und beispielsweise in der Druckschrift WO 2012/ 055505 A1 beschrieben. Bei aperiodischen Anordnungen werden diffraktive Effekte weitgehend vermieden, dafür wird in der Regel eine größere Zahl an Mikrospiegeln benötigt, um einen gegebenen Flächenbereich auszufüllen, was zu einem niedrigeren Flächenverhältnis von glatten Spiegelflächen zu (in der Praxis) gerundeten Randbereichen und damit zu geringerer Brillanz führen kann.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein optisch variables Sicherheitselement der eingangs genannten Art anzugeben, das die Nachteile des Stands der Technik vermeidet, und bei dem insbesondere eine hohe Fälschungssicherheit mit hoher Helligkeit und Brillanz verbunden sind.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei einem gattungsgemäßen Sicherheitselement definiert die Ausdehnung des reflektiven Flächenbereichs eine x-y-Ebene und eine darauf senkrecht stehende z-Achse. Die Orientierung jeder Facette relativ zur x-y-Ebene ist durch die Angabe ihres normalisierten Normalenvektors bestimmt, wobei die Projektion des Normalenvektors in die x-y-Ebene eine Neigungsrichtung der Facette definiert. Als Länge einer Facette wird ihre Abmessung in Neigungsrichtung bezeichnet, als Breite einer Facette ihre Abmessung senkrecht zur Neigungsrichtung in der x-y-Ebene, und als Höhe einer Facette ihre Abmessung in z-Richtung. Erfindungsgemäß ist nun bei einem derartigen Sicherheitselement vorgesehen, dass in den reflektiven Teilbereichen die gleich orientierten Facetten entlang ihrer gemeinsamen Neigungsrichtung mit abnehmender Länge und abnehmender Höhe angeordnet sind.
Auf diese Weise wird eine Facettenanordnung erzeugt, die ein gewünschtes Erscheinungsbild des Flächenbereichs mit hoher Helligkeit und Brillanz erzeugen kann und dennoch nirgends periodisch ist. Aufgrund der fehlenden Periodizität ist die Anordnung schwieriger nachzustellen und weist daher eine hohe Fälschungssicherheit auf. Gleichzeitig werden störende diffraktive Effekte und daraus resultierende farbige Lichtreflexe vermieden, wodurch eine größere Lichtmenge für die gewünschte Reflexion zu Verfügung steht. Gegenüber herkömmlichen aperiodischen Gestaltungen weist die jetzt vorgeschlagene Anordnung den Vorteil auf, dass eine geringe Zahl von Facetten zur Füllung eines Teilbereichs erforderlich ist. Vor allem bei flachen Facettenneigungen entstehen große zusammenhängende Flächen mit hoher Helligkeit. Zusätzlich werden durch die in Neigungsrichtung abnehmende Facettengröße gegenseitige Verschattungseffekte minimiert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die gleich orientierten Facetten zumindest in einer Teilmenge der Teilbereiche jeweils entlang ihrer gemeinsamen Neigungsrichtung mit einer um denselben konstanten Faktor abnehmenden Länge und Höhe angeordnet. Konkret ergibt sich dabei aus der Höhe und Länge der in Neigungsrichtung k-ten Facette die Höhe und Länge der nachfolgenden, in Neigungsrichtung (k+1)-ten Facette durch $H_{k+1} = f * H_{k} {und L}_{k + 1} = f * L_{k}$
mit einem Faktor f kleiner 1, welcher jeweils für den ganzen Teilbereich konstant ist. Der konstante Faktor kann auch für alle Teilbereiche der genannten Teilmenge gleich sein.
Mit Vorteil liegt der konstante Faktor zwischen 0,6 und 0,95, vorzugsweise zwischen 0,75 und 0,85. In einer vorteilhaften Gestaltung sind die gleich orientierten Facetten sogar in allen Teilbereichen in der genannten Weise angeordnet.
In einer weiteren, ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung sind die gleich orientierten Facetten zumindest in einer Teilmenge der Teilbereiche jeweils entlang ihrer gemeinsamen Neigungsrichtung mit einer von Facette zu Facette um eine konstante Höhendifferenz abnehmenden Höhe angeordnet. Konkret ergibt sich dabei aus der Höhe und Länge der in Neigungsrichtung k-ten Facette die Höhe und Länge der nachfolgenden, in Neigungsrichtung (k+1)-ten Facette durch H_k+1 = H_k - Δ. Die Länge jeder Facette ergibt sich mit dem Neigungswinkel α aus ihrer Höhe zu Lk = Hk/ tan (α). Die Höhendifferenz Δ ist jeweils für den ganzen Teilbereich konstant, sie kann allerdings sogar für alle Teilbereiche der genannten Teilmenge gleich sein.
Mit Vorteil liegt die genannte konstante Höhendifferenz zwischen 50 nm und 400 nm, vorzugsweise zwischen 80 nm und 150 nm. In einer vorteilhaften Gestaltung sind die gleich orientierten Facetten in allen Teilbereichen in der genannten Weise angeordnet.
Bei den geschilderten Varianten mit konstantem Faktor bzw. konstanter Höhendifferenz können die Höhen der Facetten zusätzlich um eine kleine, jeweils im Wesentlichen zufällig gewählte Höhenvariation variiert werden, wobei die zusätzliche im Wesentlichen zufällige Höhenvariation vorteilhaft weniger als 5%, insbesondere weniger als 2% der Ausgangshöhe vor der Höhenvariation beträgt. Die Länge der Facette wird dann entsprechend angepasst, um den Neigungswinkel konstant zu halten.
Die gewählte Formulierung, nach der die Höhen der Facette um eine im Wesentlichen zufällig gewählte Höhenvariation variiert, trägt dabei der Tatsache Rechnung, dass eine zufällige Variation auch beispielsweise mithilfe computergenerierter „Zufallszahlen“ realisiert werden kann, die streng genommen deterministisch sind.
Die Höhe der Facetten des reflektiven Flächenbereichs überschreitet vorzugsweise eine Maximalhöhe H_max nicht, welche weniger als 20 µm, bevorzugt 10 µm oder weniger, besonders bevorzugt 5 µm oder weniger beträgt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass jeweils die erste, in Neigungsrichtung hinterste Facette jedes Teilbereichs mit einer Höhe ausgebildet wird, die kleiner oder gleich der Maximalhöhe ist.
Die gleich orientierten Facetten grenzen mit Vorteil entlang der gemeinsamen Neigungsrichtung direkt aneinander. Alternativ können die Facetten in Neigungsrichtung auch mit einem kleinen Abstand in der x-y-Ebene angeordnet sein. Der Abstand der Facetten beträgt dabei vorteilhaft weniger als 10%, insbesondere weniger als 5% der mittleren Länge der beiden angrenzenden Facetten.
Die reflektiven Teilbereiche weisen zweckmäßig in der gemeinsamen Neigungsrichtung der Facetten eine Länge unterhalb von 300 µm, vorzugsweise unterhalb von 100 µm, besonders bevorzugt zwischen 20 µm bis 100 µm auf. Die reflektiven Teilbereiche können quadratisch, rechteckig, aber auch mit beliebigem Umriss ausgebildet sein. Insbesondere kann zumindest ein Teil der reflektiven Teilbereiche mit einem Umriss in Form eines Motivs, insbesondere in Form von Zeichen oder Symbolen ausgebildet sein. Bei einem allgemeinen Umriss liegt zweckmäßig die größte Abmessung der Teilbereiche in der Ebene unterhalb von 300 µm, vorzugsweise unterhalb von 100 µm, besonders bevorzugt zwischen 20 µm bis 100 µm.
Die Breite der Facetten nimmt vorzugsweise jeweils die maximale, zur Verfügung stehende Breite eines Teilbereichs ein. Die Facettenform folgt dabei vorteilhaft dem Randverlauf des Teilbereichs, der auch schräg oder gekrümmt verlaufen kann.
Vorteilhaft sind in den reflektiven Teilbereichen entlang der gemeinsamen Neigungsrichtung acht oder weniger, vorzugsweise fünf oder weniger, insbesondere zwei, drei oder vier Facetten angeordnet.
Die reflektiven Facetten sind mit Vorteil so orientiert, dass der reflektive Flächenbereich für einen Betrachter als gewölbte, insbesondere kontinuierlich gewölbte Fläche wahrnehmbar ist, vorzugsweise als eine in zwei Raumrichtungen gewölbte, insbesondere kontinuierlich gewölbte Fläche wahrnehmbar ist. Weiter ist mit Vorteil vorgesehen, dass die reflektiven Facetten so orientiert sind, dass der reflektive Flächenbereich beim Kippen oder Drehen des Sicherheitselements einen Bewegungseffekt, Pumpeffekt, Tiefeneffekt, Reliefeffekt und/oder Flipeffekt erzeugt.
Mit Vorteil weisen die reflektiven Facetten eine metallische oder halbleitende Beschichtung, eine hochbrechende Beschichtung oder eine Beschichtung mit einer farbkippenden Schicht auf. Die farbkippende Schicht kann insbesondere als Dünnschichtsystem bzw. Dünnfilm-Interferenzbeschichtung ausgebildet sein. Dabei kann z. B. eine Schichtfolge Metallschicht - dielektrische Schicht - Metallschicht oder eine Schichtfolge aus mindestens drei dielektrischen Schichten, wobei die Brechzahl der mittleren Schicht geringer ist als die Brechzahl der beiden anderen Schichten, verwirklicht werden. Als dielektrisches Material kann z. B. ZnS, SiO₂, TiO₂, MgF₂ verwendet werden.
Die farbkippende Schicht kann auch als Interferenzfilter, dünne semitransparente Metallschicht mit selektiver Transmission durch Plasmaresonanzeffekte, Nanopartikel, etc. ausgebildet sein. Ebenso kann die farbkippende Schicht als diffraktive Reliefstruktur oder Sub-Wellenlängengitter realisiert sein.
Der reflektive Flächenbereich kann alternativ oder zusätzlich mit einer Flüssigkristallbeschichtung, vorzugsweise mit einer vollflächigen cholesterischen Flüssigkristallbeschichtung, versehen sein.
Die reflektiven Facetten stellen im Wesentlichen ebene, gegen die x-y-Ebene geneigte Flächenelemente dar, wobei die Formulierung „im Wesentlichen“ der Tatsache Rechnung trägt, dass sich in der Praxis herstellungsbedingt keine perfekt ebenen Flächenelemente erzeugen lassen. Die Facetten eines Teilbereichs sind alle gleich orientiert, wobei kleine Variationen im Neigungswinkel von wenigen Prozent möglich sind. Vorzugsweise sind die Neigungswinkel eines Teilbereichs auf weniger als 3%, bevorzugt weniger als 2%, insbesondere weniger als 1% gleich.
Die Erfindung enthält auch einen Datenträger mit einem Sicherheitselement der beschriebenen Art. Bei dem Datenträger kann es sich insbesondere um ein Wertdokument, wie eine Banknote, insbesondere eine Papierbanknote, eine Polymerbanknote oder eine Folienverbundbanknote, um eine Aktie, eine Anleihe, eine Urkunde, einen Gutschein, einen Scheck, eine hochwertige Eintrittskarte, aber auch um eine Ausweiskarte, wie etwa eine Kreditkarte, eine Bankkarte, eine Barzahlungskarte, eine Berechtigungskarte, einen Personalausweis oder eine Passpersonalisierungsseite handeln.
Die Erfindung enthält weiter ein Verfahren zur Herstellung eines Sicherheitselements der oben beschriebenen Art, bei dem

- ein Träger bereitgestellt und mit einem reflektiven Flächenbereich versehen wird, dessen Ausdehnung eine x-y-Ebene und eine darauf senkrecht stehende z-Achse definiert,
- wobei der reflektive Flächenbereich mit einer Vielzahl von reflektiven Teilbereichen und jeder Teilbereich mit mehreren, gleich orientierten reflektiven Facetten ausgebildet wird,
- wobei eine Orientierung jeder Facette relativ zur x-y-Ebene durch die Angabe ihres normalisierten Normalenvektors bestimmt ist, die Projektion des Normalenvektors in die x-y-Ebene eine Neigungsrichtung der Facette definiert, die Länge einer Facette ihre Abmessung in Neigungsrichtung, die Breite einer Facette ihre Abmessung senkrecht zur Neigungsrichtung in der x-y-Ebene, und die Höhe einer Facette ihre Abmessung in z-Richtung ist, und
- die gleich orientierten Facetten in den reflektiven Teilbereichen entlang ihrer gemeinsamen Neigungsrichtung mit abnehmender Länge und abnehmender Höhe angeordnet werden.

Weitere Ausführungsbeispiele sowie Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert, bei deren Darstellung auf eine maßstabs- und proportionsgetreue Wiedergabe verzichtet wurde, um die Anschaulichkeit zu erhöhen.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Banknote mit einem erfindungsgemäßen optisch variablen Sicherheitselement in Form eines aufgeklebten Transferelements,
2 eine Illustration zum Zustandekommen des dreidimensionalen Erscheinungsbilds des Sicherheitselements der 1,
3 eine perspektivische Ansicht eines reflektiven Teilbereichs, der mit fünf hintereinanderliegenden Facetten gefüllt ist,
4 eine Darstellung einer der Facetten der 3 im Detail zur Veranschaulichung der Definition der die Orientierung und Größe der Facetten beschreibenden Größen,
5 in perspektivischer Ansicht einen mit Facetten zu füllenden Teilbereich innerhalb eines reflektiven Flächenbereichs,
6 eine senkrechte Aufsicht auf den Flächenbereich und Teilbereich der 5, und
7 den Höhenverlauf der durch die Facetten des Teilbereichs gegebenen Reliefstruktur in einer Seitenansicht aus Richtung VII von 6.

Die Erfindung wird nun am Beispiel von Sicherheitselementen für Banknoten erläutert. 1 zeigt dazu eine schematische Darstellung einer Banknote 10 mit einem erfindungsgemäßen optisch variablen Sicherheitselement 12 in Form eines aufgeklebten Transferelements. Es versteht sich allerdings, dass die Erfindung nicht auf Transferelemente und Banknoten beschränkt ist, sondern bei allen Arten von Sicherheitselementen eingesetzt werden kann, beispielsweise bei Etiketten auf Waren und Verpackungen oder bei der Absicherung von Dokumenten, Ausweisen, Pässen, Kreditkarten, Gesundheitskarten und dergleichen. Bei Banknoten und ähnlichen Dokumenten kommen neben Transferelementen beispielsweise auch als Sicherheitsfäden oder Sicherheitsstreifen ausgebildete Sicherheitselemente in Betracht.
Das in 1 gezeigte Sicherheitselement 12 ist selbst außerordentlich flach mit maximalen Höhendifferenzen von etwa 10 µm ausgebildet, vermittelt dem Betrachter aber dennoch einen deutlichen dreidimensionalen Eindruck des dargestellten Motivs einer scheinbar aus der Ebene der Banknote 10 herausgewölbten Wertzahl 14 hoher Helligkeit und Brillanz. Das Sicherheitselement 12 enthält hierzu einen reflektiven Flächenbereich 20, dessen Ausdehnung eine x-y-Ebene definiert, die hier mit der Oberfläche der Banknote 10 zusammenfällt. Die z-Achse steht senkrecht auf der x-y-Ebene, so dass das durch die drei Achsen gebildete Koordinatensystem ein Rechtssystem bildet.
Der besondere Aufbau erfindungsgemäßer optisch variabler Sicherheitselemente wird nun mit Bezug auf die 2 bis 4 näher erläutert. Zunächst illustriert 2 das Zustandekommen des dreidimensionalen Erscheinungsbilds des Sicherheitselements 12, wobei das Bezugszeichen 40 die vom Betrachter bei der Betrachtung des Sicherheitselements 12 wahrgenommene, in zwei Raumrichtungen gewölbte Fläche, beispielsweise die Wertzahl 14 der 1 darstellt.
Im Träger 22 des Sicherheitselements 12 ist dabei nicht die vom Betrachter wahrgenommene gewölbte Fläche 40 selbst ausgebildet, sondern vielmehr eine Reliefstruktur 24 mit einer Vielzahl kleiner reflektiver Teilbereiche 30, von denen im Ausschnitt der 2 vier Teilbereiche 30-1 bis 30-4 gezeigt sind. Die Teilbereiche 30 weisen jeweils mehrere reflektive Facetten 32 auf, die innerhalb eines Teilbereichs 30 jeweils alle mit gleicher Orientierung ausgebildet sind.
Zur genaueren Erläuterung zeigt 3 eine perspektivische Ansicht eines reflektiven Teilbereichs 30, der mit fünf hintereinanderliegenden Facetten 32-1 bis 32-5 gefüllt ist. In 4 ist eine der Facetten 32 der 3 genauer dargestellt, um die Definition der die Orientierung und Größe der Facetten beschreibenden Größen zu veranschaulichen.
Mit Bezug zunächst auf 4 ist die Orientierung jeder Facette 32 durch die Angabe ihres normalisierten Normalenvektors n = (n_x, n_y, n_z) mit |n| = 1 und positiver z-Komponente bestimmt. Die Projektion des Normalenvektors n in die x-y-Ebene des Flächenbereichs 20 definiert eine Neigungsrichtung r in der x-y-Ebene. Die Neigungsrichtung r stellt einen in der x-y-Ebene liegenden Vektor dar, dessen Richtung die Richtung angibt, in die senkrecht einfallendes Licht von der Facette 32 reflektiert wird. Falls der Normalenvektor n in einem Teilbereich senkrecht auf der x-y-Ebene stehen sollte, kann die Neigungsrichtung dieses Teilbereichs für die nachfolgend erläuterte Konstruktion beliebig in der x-y-Ebene gewählt werden.
Die Abmessungen der Facetten 32 sind nun jeweils bezogen auf ihre Neigungsrichtung r definiert, wie in 4 illustriert. Als Länge L einer Facette 32 wird ihre Abmessung in Neigungsrichtung bezeichnet, als Breite B einer Facette ihre Abmessung senkrecht zur Neigungsrichtung in der x-y-Ebene und als Höhe einer Facette ihre Abmessung in z-Richtung. Wie aus 4 unmittelbar ersichtlich, ist der Neigungswinkel α einer Facette 32 gegen die x-y-Ebene mit der Länge und der Höhe der Facette über die Beziehung tan (α) = H/L verknüpft.
Zurückkommend auf die Darstellung der 2 sind die Facetten 32 des Flächenbereichs 20, um das Reflexionsverhalten der gewölbten Fläche 40 nachzubilden, in jedem Teilbereich 30 gerade so orientiert, dass ihr Normalenvektor n dort dem über die Ausdehnung des Teilbereichs 30 gemittelten lokalen Normalenvektor N der gewölbten Fläche 40 entspricht.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Teilbereiche 30 mit quadratischem Umriss ausgebildet, sie können im Allgemeinen aber auch beliebige andere Umrissformen aufweisen, wie weiter unten im Ausführungsbeispiel der 5 bis 7 illustriert. Die Kantenlänge K bzw. die maximale Abmessung der Teilbereiche 30 in der x-y-Ebene liegt unterhalb von 300 µm und liegt insbesondere im Bereich von 20 µm bis 100 µm.
Länge L und Breite B der Facetten 32 liegen oberhalb vom 3 µm, vorzugsweise oberhalb von 5 µm, und die Höhe der Facetten liegt zwischen 0 und 10 µm, vorzugsweise zwischen 0 und 5 µm, so dass der gesamte reflektive Flächenbereich Höhenunterschiede von maximal 10 µm aufweist, welche mit bloßem Auge nicht wahrnehmbar sind.
Da die geometrische Reflexionsbedingung „Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel“ für die Reflexion von gerichtetem Licht 42 (2) nur von der lokalen Orientierung des Normalenvektors der reflektierenden Fläche 40, 24 abhängt und die Teilbereiche 30 zudem sehr klein sind und damit selbst nicht in Erscheinung treten, zeigt der reflektive Flächenbereich 20 mit der Reliefstruktur 24 im Wesentlichen dieselben Reflexionseigenschaften wie die zu imitierende dreidimensionale Fläche 40 und erzeugt daher beim Betrachter trotz seiner geringen Höhendifferenzen den ausgeprägt dreidimensionalen Eindruck der imitierten Fläche 40.
Die Besonderheit der vorliegenden Erfindung besteht nun in der besonders geschickten Anordnung der Facetten 32 in den Teilbereichen 30, die zu einer hohen Helligkeit und Brillanz des Flächenbereichs 20 führt.
Da die Facetten 32 in den Teilbereichen 30 jeweils gleich orientiert sind, also denselben Neigungswinkel α und denselben normalisierten Normalenvektor aufweisen, ist auch die in die x-y-Ebene projizierte Neigungsrichtung r für alle Facetten 32 eines Teilbereichs 30 gleich, so das in jedem Teilbereich von einer gemeinsamen Neigungsrichtung der Facetten gesprochen werden kann.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, sind die gleich orientierten Facetten 32 bzw. 32-1 bis 32-5 in den reflektiven Teilbereichen 30 entlang ihrer gemeinsamen Neigungsrichtung r mit abnehmender Höhe H und abnehmender Länge L angeordnet. Dazu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die in Neigungsrichtung r erste (hinterste) Facette 32-1 eines Teilbereichs 30 eine gewünschte maximale Höhe H_max aufweist und die in Neigungsrichtung r nachfolgenden Facetten 32 jeweils 80% der Höhe und 80% der Länge der vorhergehenden Facette aufweisen. Da sich Höhe und Länge der Facetten 32 dabei stets um den gleichen Faktor ändern, bleibt der Neigungswinkel, der durch tan(α) = H/L gegeben ist, unverändert.
Um ein konkretes Zahlenbeispiel anzugeben, betrage der gewünschte Neigungswinkel für einen Flächenbereich α = 30° und die erste Facette 32-1 weise als maximal gewünschte Höhe eine Höhe von H₁ = 10 µm auf. Ihre Länge L₁ ergibt dann sich aus dem Neigungswinkel α = 30° mit der Beziehung L₁ = H₁/ tan (α) zu L₁ = 17,32 µm. Die zweite Facette 32-2 schließt in Neigungsrichtung unmittelbar an die erste Facette 32-1 an, weist aber nur eine Höhe von H₂ = 0,8* H₁ = 8 µm auf. Ihre durch den Neigungswinkel α festgelegte Länge ist dann L₂ = H₂/ tan (α) = 13,86 µm, wobei nach Konstruktion automatisch auch L₂ = 0,8*L₁ gilt. Die dritte Facette 32-3 schließt in Neigungsrichtung unmittelbar an die zweite Facette 32-2 an, weist aber nur eine Höhe H₃ = 0,8* H₂ = 6,4 µm und eine durch den Neigungswinkel α gegebene Länge L₃ = H₃/ tan (α) = 11,08 µm auf, wobei auch hier wieder L₃ = 0,8*L₂ gilt. Anlog weisen die weiteren Facetten 32-4 und 32-5 Höhen von H₄ = 5,12 µm und H₅ = 4,1 µm und zugehörige Längen L₄ bzw. L₅ auf. Die Summe der Längen L₁ bis L₅ entspricht der Kantenlänge K des Teilbereichs 30. Die Breite der Facetten 32-1 bis 32-5 ist im Ausführungsbeispiel konstant und entspricht der Kantenbreite K des quadratischen Teilbereichs 30.
Eine solche Anordnung ist nirgends periodisch und weist daher eine hohe Nachahmungssicherheit und durch das Fehlen störender diffraktiver Effekte und farbiger Lichtreflexe auch eine hohe Brillanz auf. Gegenüber herkömmlichen aperiodischen Gestaltungen ist die Brillanz der Facettenanordnung deutlich erhöht, da insbesondere bei kleinen Neigungswinkeln α große zusammenhängende Flächen möglich sind. Durch die in Neigungsrichtung abnehmende Facettengröße werden auch gegenseitige Verschattungseffekte minimiert.
Die Anordnung der Facetten 32 und die Wahl der Facettenparameter für einen allgemeinen, mit beliebigem Umriss ausgebildeten Teilbereich 30 werden nun anhand der 5 bis 7 näher beschrieben. Zunächst zeigt 5 in perspektivischer Ansicht einen mit Facetten 32 zu füllenden Teilbereich 30 innerhalb eines reflektiven Flächenbereichs 20. Aus dem lokalen Normalenvektor N der darzustellenden gewölbten Fläche 40 ergibt sich durch Mittelung der für den Teilbereich 30 gewünschte normalisierte Normalenvektor n. Aus diesem erhält man durch Projektion in die x-y-Ebene die gemeinsame Neigungsrichtung r für alle Facetten des Teilbereichs 30. Der Winkel zwischen den Vektoren n und r ist dabei der Komplementärwinkel zum Neigungswinkel α der Facetten, ergänzt sich also mit diesem zu 90°. Der Neigungswinkel α sei im Teilbereiche 30 beispielhaft α = 30°.
Die Facetten 32 sollen nun entlang einer Gerade 50 in Neigungsrichtung r von hinten nach vorne mit abnehmender Höhe und abnehmender Länge angeordnet werden. Die Begriffe ‚hinten‘ und ‚vorne‘ beziehen sich dabei auf die Richtung des Vektors r und sind daher stets eindeutig definiert. Mit Bezug auf 6, die den Flächenbereich 20 mit dem Teilbereich 30 in senkrechter Aufsicht zeigt, werden hierzu zunächst zwei Tangenten 52 an den Umriss 34 des Teilbereichs 30 angelegt, welche senkrecht auf der Geraden 50 stehen und deren Abstand die Länge Lges des Teilbereichs 30 in Neigungsrichtung r angibt. Im Ausführungsbeispiel sei dieser Abstand beispielhaft Lges = 55 µm.
Nun wird eine gewünschte Maximalhöhe für die Facetten vorgeben, etwa H_max = 10 µm, sowie ein Skalierungsfaktor für die abnehmende Facettengröße, beispielsweise f = 0,8. Dann wird eine erste Facette mit H₁ = H_max gewählt und die zugehörige Länge L₁ = H₁/ tan (30°) = 17,32 µm bestimmt. Es wird eine zweite Facette mit H₂ = f*H₁ und L₂ = f*L₁ hinzugefügt, die aufgrund der Wahl der Werte für die Höhe und Länge denselben Neigungswinkel α wie die erste Facette aufweist, tan(α) = H₂/L₂ = H₁/L₁. Im Ausführungsbeispiel ist etwa H₂ = 8 µm und L₂ = 13,86 µm.
Dann werden solange jeweils mit dem Skalierungsfaktor f verkleinerte Facetten hinzugefügt, bis die Summe der Facettenlängen die Länge des Teilbereichs Lges erreicht oder übersteigt. Im Ausführungsbeispiel ist dies nach dem Hinzufügen der fünften Facette der Fall, da die Summe der Facettenlängen dann L_sum = 17,32 µm + 13,86 µm + 11,08 µm + 8,87 µm + 7,09 µm = 58,22 µm beträgt und damit die Länge L_ges = 55 µm übersteigt.
Um diese Facettenanordnung in dem Teilbereich 30 unterzubringen, werden die Längen und Höhen auf die gewünschte Gesamtlänge Lges skaliert, und dazu alle Längen und Höhen mit einem Passerfaktor P = L_ges/L_sum multipliziert, der vorliegend P = 55/58,22 beträgt. Dadurch wird sichergestellt, dass

a) die Facettenanordnung in Neigungsrichtung r genau in den Teilbereich passt, da die skalierte Summe der Facettenlängen genau Lges beträgt,
b) die Maximalhöhe H_max nicht überschritten wird, da der Passerfaktor nach Konstruktion stets kleiner oder gleich 1 ist, und
c) die Neigungswinkel α durch die Skalierung nicht verändert werden, da Länge L und Höhe H mit demselben Passerfaktor multipliziert werden, so dass der durch den Quotient (P*H)/(P*L) = H/L gegebene Neigungswinkel unverändert bleibt.

Im genannten Ausführungsbeispiel beträgt beispielsweise die Höhe der ersten Facette 32-1 nach der Skalierung H'₁ = P*H₁= 9,45 µm und ihre Länge beträgt L'₁ = P*L₁ = 16,36 µm. Die Größen der weiteren Facetten 32-2 bis 32-5 sind entsprechend jeweils um einen Faktor 0,8 kleiner als die vorgehende Facette, also H'₂ = 7,56 µm und L'₂ = 13,09 µm, etc. Alle Facetten weisen einen Neigungswinkel von α = 30° auf und die Summe der Facettenlängen beträgt durch die Skalierung gerade Lges = 55 µm.
Mit Bezug auf 6 wird mit den so skalierten Facetten 32-1 bis 32-5 ein Rechteck gefüllt, das durch die beiden bereits genannten Tangenten 52 und durch zwei Tangenten 54 an den Teilbereich 30 parallel zur Geraden 50 definiert ist. Die Facetten werden dann auf das Innere des Teilbereichs 30 beschränkt, so dass nur der Teilbereich 30, dieser aber vollständig mit den beschriebenen Facetten gefüllt ist. In 6 sind die Facetten 32-1 bis 32-5 zur Illustration von hinten (links oben in 6) nach vorne (rechts unten in 6) abwechselnd unterschiedlich schraffiert eingezeichnet.
Der Höhenverlauf der durch die Facetten 32-1 bis 32-5 gegebenen Reliefstruktur 24 ist in 7 illustriert, die eine Seitenansicht des Teilbereichs 30 aus Richtung VII von 6, also in Neigungsrichtung r und entlang der Geraden 50 von 6 zeigt. Ebenfalls eingezeichnet ist der normalisierte Normalenvektor n des Teilbereichs 30, der den Ausgangspunkt der Konstruktion der Facetten 32-1 bis 32-5 darstellt.
Bei dem Höhenverlauf der Reliefstruktur 24 ändert sich neben der jeweiligen Abmessung der Facetten 32-1 bis 32-5 in z-Richtung auch deren relative Höhe bezogen auf die x-y-Ebene. Dabei sind die Facetten in der Oberfläche des Trägers so gebildet, dass die tiefsten Punkte bzw. die minimalen Höhenwerte aller Facetten in einer Ebene liegen.
Liegen die jeweiligen Spitzenwerte bzw. die maximalen Höhenwerte aller Facetten 32-1 bis 32-5 des Teilbereichs 30, bezogen auf die x-y-Ebene, andererseits alle auf gleicher Höhe bzw. in einer zu x-y-Ebene parallelen Ebene, wie dies bei der Betrachtung der in 7 dargestellten Reliefstruktur 24 von der Rückseite der Fall ist, sind die Facetten 32-1 bis 32-5 entlang ihrer gemeinsamen Neigungsrichtung mit zunehmender Länge und zunehmender Höhe angeordnet. Auch bei einer solchen Anordnung werden gegenseitige Verschattungseffekte minimiert.
Bezugszeichenliste

10: Banknote
12: Sicherheitselement
14: herausgewölbte Wertzahl
20: reflektiver Flächenbereich
22: Träger
24: Reliefstruktur
30: Teilbereiche
30-1 bis 30-4: Teilbereiche
32: Facetten
32-1 bis 32-5: Facetten
34: Umriss
40: gewölbte Fläche
42: einfallendes Licht
50: Gerade
52: Tangenten
54: Tangenten

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2390106 B1 [0007]
WO 2012/ 055505 A1 [0008]

Claims

Optisch variables Sicherheitselement zur Absicherung von Wertgegenständen, mit einem Träger mit einem reflektiven Flächenbereich, dessen Ausdehnung eine x-y-Ebene und eine darauf senkrecht stehende z-Achse definiert, wobei - der reflektive Flächenbereich eine Vielzahl von reflektiven Teilbereichen enthält und jeder Teilbereich mehrere, gleich orientierte reflektive Facetten aufweist, und - eine Orientierung jeder Facette relativ zur x-y-Ebene durch die Angabe ihres normalisierten Normalenvektors bestimmt ist, die Projektion des Normalenvektors in die x-y-Ebene eine Neigungsrichtung der Facette definiert, die Länge einer Facette ihre Abmessung in Neigungsrichtung, die Breite einer Facette ihre Abmessung senkrecht zur Neigungsrichtung in der x-y-Ebene, und die Höhe einer Facette ihre Abmessung in z-Richtung ist, dadurch gekennzeichnet, dass - in den reflektiven Teilbereichen die gleich orientierten Facetten entlang ihrer gemeinsamen Neigungsrichtung mit abnehmender Länge und abnehmender Höhe angeordnet sind.
Sicherheitselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gleich orientierten Facetten zumindest in einer Teilmenge der Teilbereiche jeweils entlang ihrer gemeinsamen Neigungsrichtung mit einer um denselben konstanten Faktor abnehmenden Länge und Höhe angeordnet sind.
Sicherheitselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der konstante Faktor zwischen 0,6 und 0,95, vorzugsweise zwischen 0,75 und 0,85 liegt.
Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gleich orientierten Facetten zumindest in einer Teilmenge der Teilbereiche jeweils entlang ihrer gemeinsamen Neigungsrichtung mit einer von Facette zu Facette um eine konstante Höhendifferenz abnehmenden Höhe angeordnet sind.
Sicherheitselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die konstante Höhendifferenz zwischen 50 nm und 400 nm, vorzugsweise zwischen 80 nm und 150 nm liegt.
Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Facetten des reflektiven Flächenbereichs eine Maximalhöhe H_max nicht überschreitet, die weniger als 20 µm, bevorzugt 10 µm oder weniger, besonders bevorzugt 5 µm oder weniger beträgt.
Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gleich orientierten Facetten entlang der gemeinsamen Neigungsrichtung direkt aneinandergrenzen.
Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektiven Teilbereiche in der gemeinsamen Neigungsrichtung der Facetten eine Länge unterhalb von 300 µm, vorzugsweise unterhalb von 100 µm, besonders bevorzugt zwischen 20 µm bis 100 µm aufweisen.
Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gleich orientierten Facetten mit einer Breite ausgebildet sind, die jeweils die maximale, zur Verfügung stehende Breite des Teilbereichs einnimmt, wobei die Facettenform vorteilhaft dem Randverlauf des Teilbereichs folgt.
Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in den reflektiven Teilbereichen entlang der gemeinsamen Neigungsrichtung acht oder weniger, vorzugsweise fünf oder weniger, insbesondere zwei, drei oder vier Facetten angeordnet sind.
Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der reflektiven Teilbereiche mit einem Umriss in Form eines Motivs, insbesondere in Form von Zeichen oder Symbolen ausgebildet ist.
Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektiven Facetten so orientiert sind, dass der reflektive Flächenbereich für einen Betrachter als gewölbte, insbesondere kontinuierlich gewölbte Fläche wahrnehmbar ist, vorzugsweise als eine in zwei Raumrichtungen gewölbte, insbesondere kontinuierlich gewölbte Fläche wahrnehmbar ist.
Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektiven Facetten so orientiert sind, dass der reflektive Flächenbereich beim Kippen oder Drehen des Sicherheitselements einen Bewegungseffekt, Pumpeffekt, Tiefeneffekt, Reliefeffekt und/oder Flipeffekt erzeugt.
Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektiven Facetten eine metallische oder halbleitende Beschichtung, eine hochbrechende Beschichtung oder eine Beschichtung mit einer farbkippenden Schicht aufweisen.
Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der reflektive Flächenbereich mit einer Flüssigkristallbeschichtung versehen ist, vorzugsweise mit einer vollflächigen cholesterischen Flüssigkristallbeschichtung.
Datenträger mit einem Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15.
Verfahren zum Herstellen eines optisch variablen Sicherheitselements nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem - ein Träger bereitgestellt und mit einem reflektiven Flächenbereich versehen wird, dessen Ausdehnung eine x-y-Ebene und eine darauf senkrecht stehende z-Achse definiert, - wobei der reflektive Flächenbereich mit einer Vielzahl von reflektiven Teilbereichen und jeder Teilbereich mit mehreren, gleich orientierten reflektiven Facetten ausgebildet wird, - wobei eine Orientierung jeder Facette relativ zur x-y-Ebene durch die Angabe ihres normalisierten Normalenvektors bestimmt ist, die Projektion des Normalenvektors in die x-y-Ebene eine Neigungsrichtung der Facette definiert, die Länge einer Facette ihre Abmessung in Neigungsrichtung, die Breite einer Facette ihre Abmessung senkrecht zur Neigungsrichtung in der x-y-Ebene, und die Höhe einer Facette ihre Abmessung in z-Richtung ist, - die gleich orientierten Facetten in den reflektiven Teilbereichen entlang ihrer gemeinsamen Neigungsrichtung mit abnehmender Länge und abnehmender Höhe angeordnet werden.