EP3233512B1

EP3233512B1 - Optisch variables durchsichtssicherheitselement

Info

Publication number: EP3233512B1
Application number: EP15804317.4A
Authority: EP
Inventors: Christian Fuhse
Original assignee: Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Current assignee: Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2015-12-01
Publication date: 2019-03-06
Anticipated expiration: 2035-12-01
Also published as: US10124621B2; CA2963024C; WO2016096094A1; EP3233512A1; CA2963024A1; AU2015366007A1; CN107087404B; AU2015366007B2; DE102014019088A1; CN107087404A; US20180037049A1

Description

Die Erfindung betrifft ein optisch variables Durchsichtssicherheitselement zur Absicherung von Wertgegenständen, mit einem ebenen, optisch variablen Flächenmuster, das in Durchsicht ein farbiges Erscheinungsbild mit einem betrachtungswinkelabhängigen mehrfarbigen Farbwechsel zeigt.
Datenträger, wie Wert- oder Ausweisdokumente, aber auch andere Wertgegenstände, wie etwa Markenartikel, werden zur Absicherung oft mit Sicherheitselementen versehen, die eine Überprüfung der Echtheit des Datenträgers gestatten und die zugleich als Schutz vor unerlaubter Reproduktion dienen. Dabei gewinnen zunehmend Durchsichtssicherheitsmerkmale, wie etwa Durchsichtsfenster in Banknoten, an Attraktivität.
Herkömmliche transparente oder semitransparente Sicherheitselemente mit einem betrachtungswinkelabhängigen mehrfarbigen Farbwechsel im Durchlicht weisen allerdings verschiedene Nachteile auf. So ist etwa bekannt, mit transparent oder semitransparent beschichteten Hologrammgittern oder Transmissionsgittern im Durchlicht Beugungsfarben zu erzeugen, wobei durch geeignete Wahl der Gitterperioden und der Azimutwinkel der Gitter erreicht werden kann, dass unter verschiedenen Betrachtungswinkeln unterschiedliche Darstellungen mit sich ändernden Farben entstehen. Das Erscheinungsbild solcher Gitterbilder hängt allerdings stark von den Beleuchtungsverhältnissen ab. Bei Beleuchtung mit einer Punktlichtquelle können einzelne Teilbereiche bei bestimmten Winkeln sehr hell aufblitzen und schnell wieder verschwinden, während in diffusem Umgebungslicht nur ein sehr schwacher oder gegebenenfalls sogar gar kein Beugungseffekt sichtbar sein kann. Auch hängt die wahrgenommene Farbe nicht nur vom Betrachtungswinkel zum Sicherheitselement, sondern auch von der Richtung zur Lichtquelle ab, wobei zudem ein entsprechendes Sicherheitselement zur Betrachtung der Beugungsfarben erster Ordnung nicht direkt vor eine Lichtquelle gehalten werden darf, sondern das Sicherheitselement muss etwas aus der direkten Verbindungslinie heraus gehalten werden. Weiter werden beim Kippen des Sicherheitselements alle Regenbogenfarben durchlaufen, so dass die auftretenden Farbwechsel weitgehend undefiniert sind und die beobachteten Farbeffekte vom ungeschulten Betrachter oft einfach nur als bunt wahrgenommen werden. Schließlich sind holografische Techniken inzwischen auch außerhalb des Sicherheitsbereichs verbreitet und bieten daher nur noch einen begrenzten Nachahmungsschutz.
Bei einer anderen Lösung werden mit Dünnfilmsystemen durch Interferenz im Auflicht und Durchlicht Farben erzeugt, die sich betrachtungswinkelabhängig verändern. Verschiedene Farben werden dabei üblicherweise durch eine Variation der Schichtdicken, beispielsweise der Dicke einer dielektrischen Abstandsschicht in einem Dreischichtaufbau Absorber/Dielektrikum/ Absorber verwirklicht. Die Einstellung einer gewünschten Farbe über die Anpassung der Schichtdicken ist allerdings technologisch sehr aufwendig. Eine Möglichkeit besteht im bereichsweisen Druck einer oder mehrerer dielektrischer Schichten, dabei sind jedoch sehr hohe Anforderungen an die Gleichmäßigkeit der gedruckten Schichten gestellt und die laterale Auflösung ist auf die mit den entsprechenden Druckverfahren erzielbare Auflösung beschränkt. Zudem sind Motivwechsel beim Kippen mit solchen Dünnfilmsystemen praktisch nicht realisierbar.
Eine weitere Lösung besteht darin, mit transparent oder semitransparent beschichteten Subwellenlängenstrukturen im Auf- und Durchlicht Farben zu erzeugen, die sich beim Kippen der Strukturen verändern. Solche Subwellenlängenstrukturen sind allerdings in ihrer Herstellung sehr anspruchsvoll und nur schwer im geforderten großtechnischen Maßstab herzustellen.
DE 10 2009 053 925 A1 betrifft ein Sicherheitselement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei durch eine opake jalousieartige Struktur hindurch ein darunter liegendes Motivbild in Durchsicht betrachtungswinkelabhängig sichtbar oder nicht sichtbar ist. In einer Variante kann ein zusätzliches Motiv durch bereichsweise unterschiedliche Orientierung der Jalousieelemente dargestellt werden. In einer anderen Variante ist ein zusätzliches Motiv durch ein Dünnschichtelement auf der opaken Schicht ausgebildet sein.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Durchsichtssicherheitselement der eingangs genannten Art anzugeben, das die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Insbesondere soll das Durchsichtssicherheitselement ein ansprechendes visuelles Erscheinungsbild mit hoher Fälschungssicherheit verbinden und idealerweise in dem im Sicherheitsbereich geforderten großtechnischen Maßstab herstellbar sein.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Da Neigungswinkel und Azimutwinkel in den genannten Teilbereichen des optisch variablen Flächenmusters jeweils für alle Facetten gleich sind, stellen die Teilbereiche jeweils gerade die Bereiche gleich orientierter Facetten dar.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Facetten eines Teilbereichs nicht nur dieselbe Orientierung, sondern auch dieselbe Form und Größe auf. Die von jedem Teilbereich eingenommene Fläche auf dem optisch variablen Flächenmuster ist in vorteilhaften Ausgestaltungen mindestens 50 mal, bevorzugt mindestens 100 mal, besonders bevorzugt mindestens 1000 mal größer als die von einer einzelnen Facette dieses Flächenbereich im Mittel eingenommen Fläche. Die Teilbereiche enthalten also in der Regel eine sehr große Anzahl einzelner Facetten.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung unterschieden sich die Facetten der zumindest zwei Teilbereiche im Neigungswinkel gegen die Ebene um 5° oder mehr, bevorzugt um 10° oder mehr, besonders bevorzugt um 20° oder mehr. Alternativ oder zusätzlich unterschieden sich die Facetten der zumindest zwei Teilbereiche im Azimutwinkel in der Ebene um 45° oder mehr, bevorzugt um 90° oder mehr, insbesondere um 180°.
Die Facetten des Flächenmusters sind bevorzugt durch ebene Flächenstücke gebildet, die jeweils durch ihre Form, Größe und Orientierung charakterisiert sind. Die Orientierung einer Facette wird durch die Neigung α gegen die Ebene des Flächenmusters und durch einen Azimutwinkel θ in der Ebene des Flächenmusters angegeben. Der Azimutwinkel θ ist dabei der Winkel zwischen der Projektion des Normalenvektors der Facette auf die Ebene des Flächenmusters und einer Referenzrichtung in der Ebene. Da der Azimutwinkel θ von der Wahl der Referenzrichtung abhängt, hat sein Absolutwert keine Bedeutung, wohl aber die Differenz der Azimutwinkel verschiedener Teilbereiche, da diese die unterschiedliche relative Orientierung der Facetten in den zugehörigen Teilbereichen beschreibt. Grundsätzlich ist es auch möglich, wenn auch gegenwärtig nicht bevorzugt, gekrümmte Facetten vorzusehen. Auch bei diesen gekrümmten Facetten kann die Orientierung durch einen über ihre Fläche gemittelten Normalenvektor und damit über einen gemittelten Neigungswinkel α und einen gemittelten Azimutwinkel θ angegeben werden.
Die Abmessung der Facetten ist vorzugweise so groß, dass keine oder kaum Beugungseffekte auftreten, so dass die Facetten im Wesentlichen nur strahlungsoptisch wirken. Insbesondere weisen die Facetten mit Vorteil eine kleinste Abmessung von mehr als 2 µm, vorzugsweise von mehr als 5 µm, insbesondere von mehr als 10 µm auf. Insbesondere für die Anwendung bei Banknoten und anderen Wertdokumenten weisen die Facetten bevorzugt eine Höhe unterhalb von 100 µm, bevorzugt unterhalb von 50 µm, insbesondere von weniger als 10 µm auf. Die Facetten können regelmäßig, beispielsweise in Form eines 1- oder 2-dimensionalen periodischen Rasters, etwa eines Sägezahngitters, oder auch aperiodisch angeordnet sein.
Eine weitere Möglichkeit, unerwünschte Beugungseffekte zu unterdrücken, besteht darin, die Facetten in ihrer Höhe über dem Flächenbereich aperiodisch gegeneinander zu versetzen. Bei einer aperiodischen Versetzung der Facetten gibt es keinen einfachen, regelmäßigen Zusammenhang zwischen den Höhen benachbarter Facetten, so dass eine konstruktive Interferenz des an benachbarten Facetten reflektierten Lichts und damit das Entstehen eines überlagerten Beugungsmusters zuverlässig verhindert werden. Einzelheiten einer solchen aperiodischen Versetzung können der Druckschrift WO 2012/055506 A1 entnommen werden, deren Offenbarungsgehalt insoweit in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
Als Interferenzschicht kommen grundsätzlich alle Beschichtungen in Frage, die im Durchlicht einen betrachtungswinkelabhängigen Farbwechsel zeigen. Ein erstes Beispiel einer vorteilhaften Interferenzschicht ist ein Dünnschichtelement mit semitransparenten Metallschichten und einer dielektrischen Abstandsschicht, insbesondere mit einem Aufbau Absorber/ Dielektrikum/ Absorber, wobei als Absorberschichten beispielsweise Metalle wie Ag, Au, Cr oder Al eingesetzt werden können und als Dielektrikumsschicht SiO₂, MgF₂ oder Polymere zum Einsatz kommen können. Auch dielektrische Schichtsysteme, insbesondere Multilagensysteme kommen als Interferenzschicht in Betracht, insbesondere Schichtaufbauten mit zumindest einer hochbrechenden Schicht, wie etwa TiO₂ oder ZnS, vorzugsweise kombiniert mit zumindest einer niedrigbrechenden Schicht, wie etwa SiO₂ oder MgF₂. Das Dünnschichtelement kann auch halbleitende Schichten, wie etwa Si enthalten, beispielsweise kann ein Dünnfilmaufbau der Schichtenfolge Si/SiO₂/Si verwendet werden. Als dielektrische Abstandsschichten können dabei statt Oxiden beispielsweise auch Polymere eingesetzt werden. Schließlich können auch flüssigkristalline Schichten, insbesondere mit farbwechselnden cholesterischen Flüssigkristallen als Interferenzschicht eingesetzt werden.
Das gesamte optisch variable Flächenmuster ist vorteilhaft mit derselben Interferenzschicht versehen, die gleichzeitig auf alle Facetten aufgebracht wird. Die Interferenzschicht kann nach dem Aufbringen durch nachfolgende Prozessschritte noch strukturiert werden kann, um interferenzschichtfreie Bereiche zu erzeugen. Auch kann die Interferenzschicht abhängig von der Neigung der Facetten eine lokal unterschiedliche Dicke aufweisen, wie weiter unten genauer erläutert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Interferenzschicht eine Schichtdicke auf, die nicht wesentlich von dem Neigungswinkel der beschichteten Facetten abhängt. Eine solche im Wesentlichen konstante Schichtdicke kann beispielsweise mit ungerichteten Beschichtungsverfahren erreicht werden oder ergibt sich bei einer Beschichtung mit cholesterischen Flüssigkristallen in Form konstanter Abstände der Ebenen mit gleichem Brechungsindex.
In einer anderen, besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind die Facetten mit einer Interferenzschicht versehen, deren Schichtdicke mit dem Neigungswinkel α der Facetten variiert, insbesondere mit zunehmendem Neigungswinkel α abnimmt. Die gegenwärtigen Erfinder haben überraschend gefunden, dass sich durch eine solche Interferenzschicht besonders starke Farbunterschiede zwischen Facetten unterschiedlicher Neigung erzeugen lassen. Dadurch steht einerseits eine besonders große Farbpalette für die farbigen Erscheinungsbilder zu Verfügung, die sogar die Erzeugung von Echtfarbbildern ermöglicht, andererseits können auf diese Weise stark ausgeprägte Farbwechsel beim Kippen der Flächenmuster realisiert werden. Eine derartige variierende Schichtdicke der Interferenzschicht kann beispielsweise mit gerichteten Beschichtungsverfahren, wie etwa Vakuumbedampfungsverfahren erreicht werden. Bei solchen Verfahren führt der Neigungswinkel der Facetten zu einer Vergrößerung der effektiven Oberfläche, so dass auf geneigten Facetten weniger Material pro Flächeneinheit deponiert wird und die resultierende Schichtdicke somit stark vom Neigungswinkel der Facetten abhängt.
Die Facetten sind mit Vorteil in eine Prägelackschicht geprägt, die einen ersten Brechungsindex aufweist. Über der Interferenzschicht ist eine Lackschicht mit einem zweiten Brechungsindex aufgebracht, der sich von dem ersten Brechungsindex der Prägelackschicht um weniger als 0,3 insbesondere um weniger als 0,1 unterscheidet. Durch diesen im Wesentlichen gleichen Brechungsindex der beiden Lackschichten durchquert einfallendes Licht das Sicherheitselement unabhängig vom lokalen Neigungswinkel α der Facetten im Wesentlichen ohne Richtungsablenkung und stellt so eine gleichmäßige Helligkeitsverteilung in der Ebene des Flächenmusters sicher.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die zumindest zwei Teilbereiche in Form eines Motivs angeordnet, wobei das optisch variable Flächenmuster das von den Teilbereichen gebildete Motiv in Durchsicht zumindest in bestimmten Kippstellungen des Sicherheitselements mit zwei oder mehr verschiedenen Farben zeigt. Dazu sind die Neigungswinkel α und die Azimutwinkel θ der Facetten und die Interferenzschicht in den beiden Teilbereichen mit Vorteil so aufeinander abgestimmt, dass die Teilbereiche in einer bestimmten Kippstellung gleiche Farben und in anderen Kippstellungen unterschiedliche Farben zeigen. Insgesamt zeigt das Sicherheitselement dann ein Motiv, das beim Kippen aus einer homogen erscheinenden Fläche entsteht oder in eine homogen erscheinende Fläche verschwindet.
Da die vollständige Farbwirkung der beschichteten Facetten nicht nur von ihrer Orientierung, sondern auch von den Eigenschaften der konkret gewählten Interferenzschicht abhängt, müssen in den Teilbereichen sowohl die Neigungswinkel α der Facetten, die Azimutwinkel θ der Facetten und die Interferenzschicht so aufeinander abgestimmt sein, dass die gewünschte Farbwirkung erreicht wird.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung enthält das optisch variable Flächenmuster zumindest drei Teilbereiche, die in Form eines Hintergrundbereichs und von zwei Vordergrundbereichen angeordnet sind, und in denen die Neigungswinkel α und die Azimutwinkel θ der Facetten und die Interferenzschicht so aufeinander abgestimmt sind, dass das optisch variable Flächenmuster in Durchsicht

in einer ersten Kippstellung ein erstes Motiv zeigt, bei dem der erste Vordergrundbereich mit einer Motivfarbe und der zweite Vordergrundbereich und der Hintergrundbereich mit einer von der Motivfarbe unterschiedlichen Hintergrundfarbe erscheinen, und
in einer zweiten Kippstellung ein zweites Motiv zeigt, bei dem der zweite Vordergrundbereich mit der Motivfarbe und der erste Vordergrundbereich und der Hintergrundbereich mit der Hintergrundfarbe erscheinen.

Mit Vorteil enthält das optisch variable Flächenmuster in einer Weiterbildung zumindest vier Teilbereiche, die in Form eines Hintergrundbereichs, von zwei Vordergrundbereichen und eines Überlappungsbereichs angeordnet sind, und in denen die Neigungswinkel α und die Azimutwinkel θ der Facetten und die Interferenzschicht so aufeinander abgestimmt sind, dass das optisch variable Flächenmuster in Durchsicht

in einer ersten Kippstellung ein erstes Motiv zeigt, bei dem der erste Vordergrundbereich und der Überlappungsbereich mit einer Motivfarbe und der zweite Vordergrundbereich und der Hintergrundbereich mit einer von der Motivfarbe unterschiedlichen Hintergrundfarbe erscheinen, und
in einer zweiten Kippstellung ein zweites Motiv zeigt, bei dem der zweite Vordergrundbereich und der Überlappungsbereich mit der Motivfarbe und der erste Vordergrundbereich und der Hintergrundbereich mit der Hintergrundfarbe erscheinen.

In allen Gestaltungen enthält das optisch variable Flächenmuster mit Vorteil zumindest zwei Teilbereiche, in denen die Facetten den gleichen Neigungswinkel a, aber sich um 180° unterscheidende Azimutwinkel θ aufweisen. Die Neigungswinkel α sind dabei mit Vorteil größer als 5°, besonders bevorzugt größer als 10°, und betragen beispielsweise 15°, 20° oder 25°. Wie weiter unten genauer erläutert, kann auf diese Weise ein Kippbild mit einem aus einer homogenen Fläche herauskippendem oder in eine homogene Fläche hineinkippendem Motiv realisiert werden.
Enthält das optisch variable Flächenmuster zumindest vier Teilbereiche, so ist mit Vorteil vorgesehen, dass das optisch variable Flächenmuster einen ersten und zweiten Teilbereich enthält, in denen die Facetten den gleichen Neigungswinkel ao, aber sich um 180° unterscheidende Azimutwinkel θ aufweisen, und weiter einen dritten und vierten Teilbereich enthält, in denen die Facetten unterschiedliche Neigungswinkel α₁ bzw. α₂ aufweisen und in denen sich der Azimutwinkel θ um 90° oder 270° von dem Azimutwinkel des ersten und zweiten Teilbereichs unterscheidet. Die Neigungswinkel α₀ sind dabei mit Vorteil größer als 5°, besonders bevorzugt größer als 10°, und betragen beispielsweise 15°, 20° oder 25°. Wie weiter unten genauer erläutert, kann auf diese Weise in besonders einfacher Weise ein Kippbild mit zwei unterschiedlichen Motiven realisiert werden.
Grundsätzlich können Kippbilder mit zwei unterschiedlichen, auch überlappenden Motiven bereits mit einem optisch variablen Flächenmuster mit nur drei Teilbereichen realisiert werden. Im Fall zumindest teilweise überlappender Motive erfordert dies allerdings in der Regel eine Verschachtelung der den Motiven zugeordneten Teilbereiche, bei der, wie weiter unten genauer beschrieben, das Flächenmuster in schmale Streifen oder kleine Pixel zerlegt wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung enthält das optisch variable Flächenmuster zumindest drei Teilbereiche, in denen die Neigungswinkel α und die Azimutwinkel θ der Facetten und die Interferenzschicht so aufeinander abgestimmt sind, dass die Teilbereiche in einer Kippstellung in Durchsicht Rot, Grün, bzw. Blau erscheinen. Vorzugsweise werden diese Farben bei unverkipptem Sicherheitselement, also bei senkrechter Durchsichtsbetrachtung erzeugt. In einer vorteilhaften Weiterbildung kann das optisch variable Flächenmuster dabei in den Teilbereichen zusätzlich eine zu den geneigten Facetten gepasserte Schwarzmaske aufweisen, die der Einstellung der Durchsichtshelligkeit der Facetten in den jeweiligen Teilbereichen dient. Die drei Teilbereiche können, gegebenenfalls zusammen mit der gepasserten Schwarzmaske, dabei mit Vorteil jeweils die Farbauszüge eines Echtfarbbilds darstellen. Auf diese Weise lassen sich in der ausgewählten Kippstellung in Durchsicht realistisch erscheinende Echtfarbbilder darstellen.
Die Erfindung enthält auch einen Datenträger mit einem Durchsichtssicherheitselement der beschriebenen Art, wobei das Durchsichtssicherheitselement vorzugsweise in oder über einem Fensterbereich oder einer durchgehenden Öffnung des Datenträgers angeordnet ist. Bei dem Datenträger kann es sich insbesondere um ein Wertdokument, wie eine Banknote, insbesondere eine Papierbanknote, eine Polymerbanknote oder eine Folienverbundbanknote handeln, 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 zum Herstellen eines optisch variablen Durchsichtssicherheitselements, bei dem ein Substrat bereitgestellt wird und das Substrat mit einem ebenen, optisch variablen Flächenmuster versehen wird, das in Durchsicht ein farbiges Erscheinungsbild mit einem betrachtungswinkelabhängigen mehrfarbigen Farbwechsel zeigt. Erfindungsgemäß wird dabei das optisch variable Flächenmuster mit einer Vielzahl von im Wesentlichen strahlungsoptisch wirkenden Facetten erzeugt wird, deren Orientierung jeweils durch einen Neigungswinkel α gegen die Ebene des Flächenmusters, der zwischen 0° und 45° liegt, und durch einen Azimutwinkel θ in der Ebene des Flächenmusters charakterisiert ist, werden die Facetten mit einer Interferenzschicht mit einem im Durchlicht betrachtungswinkelabhängigen Farbwechsel versehen, und wird das optisch variable Flächenmuster mit zumindest zwei Teilbereichen mit jeweils einer Vielzahl gleich orientierter Facetten erzeugt, wobei sich die Facetten der zumindest zwei Teilbereiche voneinander im Neigungswinkel gegen die Ebene und/oder im Azimutwinkel in der Ebene unterscheiden.
In einer vorteilhaften Verfahrensvariante werden die Facetten in einem gerichteten Beschichtungsverfahren, insbesondere in einem Vakuumbedampfungsverfahren mit der Interferenzschicht beschichtet.
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:

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer Banknote mit einem erfindungsgemäßen optisch variablen Durchsichtsicherheitselement,
Fig. 2: schematisch den Schichtaufbau des Sicherheitselements der Fig. 1 im Querschnitt,
Fig. 3: schematisch ein berechnetes Farbspektrum von Facetten mit einer dreischichtigen Interferenzbeschichtung mit einer ersten, 25 nm dicken Ag-Schicht, einer SiO₂-Abstandsschicht der Dicke d und einer zweiten, ebenfalls 25 nm dicken Ag-Schicht, aufgetragen in Abhängigkeit von der Dicke d und dem Winkel φ des Lichteinfalls auf die Interferenzbeschichtung,
Fig. 4: zur Erläuterung des auftretenden Kippeffekts das Sicherheitselement der Fig. 2 mit der Interferenzbeschichtung der Fig. 3, in (a) in nicht verkippter Lage und in (b) in einer um β = 20° nach rechts gekippten Lage,
Fig. 5: ein Sicherheitselement nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem in unterschiedlichen Kippstellungen unterschiedliche Motive sichtbar sind, wobei (a) in Aufsicht die Aufteilung des optisch variablen Flächenmusters des Sicherheitselements in drei Teilbereiche zeigt, und (b) bis (d) das Sicherheitselement im Querschnitt in verschiedenen Kippstellungen zeigen,
Fig. 6: ein Sicherheitselement nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, dessen optisch variables Flächenmuster in vier Teilbereiche aufgeteilt ist,
Fig. 7: schematisch ein berechnetes Farbspektrum von beschichteten Facetten bei senkrechtem Lichteinfall auf die Ebene des Flächenmusters, wobei die Interferenzbeschichtung durch eine dreischichtige Interferenzbeschichtung mit einer ersten, 25 nm dicken Ag-Schicht, einer SiO₂-Abstandsschicht der nominellen Dicke d₀ und einer zweiten, ebenfalls 25 nm dicken Ag-Schicht gebildet ist, und die Schichtdicke d der Abstandsschicht mit dem Neigungswinkel α gemäß der Beziehung d = d₀ cos α abnimmt, wobei das Farbspektrum in Abhängigkeit von der nominellen Dicke d₀ der Abstandsschicht und dem Neigungswinkel α der Facetten aufgetragen ist, und
Fig. 8: in (a) bis (e) im Querschnitt verschiedene Zwischenstadien bei der Herstellung eines optisch variablen Flächenmusters zur Darstellung eines Echtfarbbilds mit einer passergenauen Schwarzmaske.

Die Erfindung wird nun am Beispiel von Sicherheitselementen für Banknoten erläutert. Fig. 1 zeigt dazu eine schematische Darstellung einer Banknote 10 mit einem erfindungsgemäßen optisch variablen Durchsichtssicherheitselement 12, das über einer durchgehenden Öffnung 14 der Banknote 10 angeordnet ist. Das Sicherheitselement 12 zeigt in Durchsicht ein farbiges Erscheinungsbild mit einem Motiv 16, 18, das einen betrachtungswinkelabhängigen mehrfarbigen Farbwechsel aufweist.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 zeigt das Sicherheitselement 12 bei senkrechter Durchsichtsbetrachtung eine homogene, einfarbig gelbe Fläche, in der die Wertzahl "10" des Vordergrundbereichs 16 wegen des fehlenden Farbunterschieds zum Hintergrund 18 nicht erkennbar ist. Wird das Sicherheitselement 12 jedoch nach rechts oder links gekippt (Bezugszeichen 20-R, 20-L) und unter einem schrägen Winkel betrachtet, so ändern sich die Farben des Vordergrunds 16 und des Hintergrunds 18 in unterschiedlicher Weise, so dass die Wertzahl "10" in der gekippten Lage aufgrund des Farbunterschieds deutlich hervortritt. Beispielsweise wechselt sich die Durchsichtsfarbe des Hintergrundbereichs 18 beim Kippen nach rechts 20-R von Gelb zu Grün, während die Durchsichtsfarbe des Vordergrundbereichs 16 von Gelb zu Rot wechselt. Bei Kippen nach links 20-L ergeben sich umgekehrte Farbänderungen, das heißt, die Durchsichtsfarbe des Hintergrundbereichs 18 wechselt von Gelb zu Rot, während die Durchsichtsfarbe des Vordergrundbereichs 16 von Gelb zu Grün wechselt. Das Sicherheitselement 12 zeigt so in Durchsicht aus unterschiedlichen Betrachtungsrichtungen ganz unterschiedliche visuelle Erscheinungsbilder, was vor allem bei Durchsichtselementen für den Betrachter unerwartet ist und daher einen hohen Aufmerksamkeits- und Wiedererkennungswert aufweist.
Fig. 2 zeigt schematisch den Schichtaufbau des erfindungsgemäßen Sicherheitselements 12 im Querschnitt, wobei nur die für die Erläuterung des Funktionsprinzips erforderlichen Teile des Schichtaufbaus dargestellt sind.
Das Sicherheitselement 12 weist ein ebenes, optisch variables Flächenmuster auf, das eine Vielzahl von im Wesentlichen strahlungsoptisch wirkenden Facetten 32 enthält. Die Facetten 32 sind durch ebene Flächenstücke gebildet und sind jeweils durch ihre Form, Größe und Orientierung charakterisiert. Wie oben bereits allgemein erläutert, wird die Orientierung einer Facette 32 durch die Neigung α zur Ebene 30 des Flächenbereichs und durch einen Azimutwinkel θ in der Ebene 30 angegeben, wobei der Azimutwinkel θ der Winkel zwischen der Projektion des Normalenvektors 46, 48 einer Facette 32 auf die Ebene 30 und einer Referenzrichtung Ref ist.
Wie in Fig. 2 gezeigt, weisen die Facetten 32 in den Teilbereichen 16 und 18 dieselben Neigungswinkel a, beispielsweise α = 20° auf, die Azimutwinkel θ unterscheiden sich allerdings um 180°, so dass die Facetten 32 im Teilbereich 16 nach links gekippt sind, während die Facetten 32 im Teilbereich 18 nach rechts gekippt sind.
Die Facetten 32 des Flächenmusters sind in einen vorzugsweise transparenten Prägelack 34 eingeprägt und weisen im Ausführungsbeispiel einen quadratischen Umriss mit einer Abmessung von 20 µm x 20 µm auf. Die Facetten 32 sind weiter mit einer nahezu transparenten oder zumindest semitransparenten Interferenzbeschichtung 36 versehen, die in Durchsicht einen vom Betrachtungswinkel abhängigen Farbeindruck erzeugt.
Die Interferenzbeschichtung 36 kann beispielsweise aus einem Dreischicht-Dünnfilmaufbau mit zwei metallischen semitransparenten Schichten, etwa aus Aluminium, Silber, Chrom, Gold oder Kupfer und einer dazwischen liegenden dielektrischen Abstandsschicht, etwa aus SiO₂, MgF₂ oder einem Polymer gebildet sein. Bei den zunächst beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Dicke der Interferenzbeschichtung 36 unabhängig von dem Neigungswinkel α der Facetten 32.
Über der Interferenzbeschichtung 36 ist eine weitere Lackschicht 38 aufgebracht, die im Wesentlichen denselben Brechungsindex wie die Lackschicht 34 aufweist, was sicherstellt, dass einfallendes Licht die Schichtenfolge des Sicherheitselements 12 unabhängig vom lokalen Neigungswinkel α der Facetten 32 im Wesentlichen ohne Richtungsablenkung durchquert und so eine gleichmäßige Helligkeitsverteilung in der Ebene des Flächenmusters erzeugt.
Die Interferenzbeschichtung 36 der Facetten erzeugt im Durchlicht einen Farbeindruck, der sowohl von der Einfallsrichtung des Lichts relativ zur Ebenennormale des optisch variablen Flächenmusters als auch vom individuellen Neigungswinkel der Facetten 32 abhängt, da beide Faktoren den Einfallswinkel des Lichts bezogen auf die Normale der Interferenzbeschichtung 36 beeinflussen.
Fig. 3 zeigt schematisch ein berechnetes Farbspektrum von Facetten 32 mit einer dreischichtigen Interferenzbeschichtung 36 mit einer ersten, 25 nm dicken Silberschicht, einer SiO₂-Abstandsschicht der Dicke d und einer zweiten, 25 nm dicken Silberschicht. Die Dicke der Abstandsschicht ist dabei auf der Abszisse aufgetragen, während auf der Ordinate der Winkel φ des Lichteinfalls auf die Interferenzbeschichtung, bezogen auf senkrechten Lichteinfall (φ = 0°) aufgetragen ist. Wie in Fig. 3 dargestellt, liegt die Durchsichtsfarbe bei senkrechtem Lichteinfall bei sehr dünnen Abstandsschichten zunächst außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs und wechselt dann über Blau (B), Grün (G) und Gelb (Y) zu Rot (R) bei Abstandsschichten mit Schichtdicken im Bereich von etwa 130 nm. Nach einem Bereich ohne sichtbare Durchsichtsfarbe wiederholt sich diese Abfolge bei höheren Schichtdicken von 200 nm bis etwa 350 nm.
Verwendet man bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 eine solche Interferenzbeschichtung 36 mit einer SiO₂-Abstandsschicht der Dicke d = 130 nm, so ergeben sich bei senkrechtem Lichteinfall 40 je nach Kippzustand des Sicherheitselement 12 die in Fig. 4(a) und (b) gezeigten Situationen.
Fig. 4(a) zeigt das Sicherheitselement 12 zunächst in einer nicht verkippten Lage, in der das Licht 40 parallel zur Ebenennormale 42 einfällt. Wegen des Neigungswinkels der Facetten 32 in den Teilbereichen 16,18 von α = 20°, fällt das Licht 40 in beiden Teilbereichen gleichermaßen unter einem Winkel von φ = 20° bezogen auf die Interferenzschichtnormale 46 bzw. 48 ein. Wie der Fig. 3 am Punkt 50 entnommen werden kann, erzeugt die Interferenzbeschichtung 36 in beiden Teilbereichen 16,18 eine gelbe Durchsichtsfarbe. Der unterschiedliche Azimutwinkel der Facetten 32 hat dabei keine Auswirkung auf die Durchsichtsfarbe, da er nicht zu einer Veränderung des Lichteinfallswinkels führt. Aufgrund des fehlenden Farbkontrasts können die Teilbereiche 16,18 daher in Durchsicht nicht unterschieden werden und das Sicherheitselement 12 erscheint als einfarbige, homogene Fläche.
In Fig. 4(b) ist das Sicherheitselement 12 um β = 20° nach rechts gekippt, so dass das Licht 40 nicht mehr parallel zur Ebenennormalen 42 einfällt, sondern mit dieser einen Winkel von β = 20° einschließt. Aufgrund des unterschiedlichen Azimutwinkels hat die Verkippung des Sicherheitselements 12 unterschiedliche Auswirkungen auf die Facetten 32 in den Teilbereichen 16 bzw. 18.
Im Teilbereich 16 wird durch die Verkippung nach rechts der Winkel zwischen dem einfallenden Licht 40 und der Interferenzschichtnormale 46 um β = 20° vermindert, so dass das Licht 40 dort nunmehr senkrecht auf die Interferenzschicht 36 einfällt (φ = 0°). Wie der Fig. 3 am Punkt 54 entnommen werden kann, erzeugt die Interferenzbeschichtung 36 daher im Teilbereich 16 eine rote Durchsichtsfarbe. Im Teilbereich 18 wird anderseits durch die Verkippung der Winkel zwischen dem einfallenden Licht 40 und der Interferenzschichtnormale 48 um β = 20° erhöht, so dass das Licht 40 dort nunmehr unter einem Winkel von φ = 40° auf die Interferenzschicht 36 einfällt. Wie der Fig. 3 am Punkt 52 entnommen werden kann, erzeugt die Interferenzbeschichtung 36 daher im Teilbereich 18 eine grüne Durchsichtsfarbe.
Bei einer Verkippung um 20° nach links kehren sich die Verhältnisse entsprechend um, so dass dann das Licht 40 im Teilbereich 18 senkrecht auf die Interferenzschicht 36 einfällt und dort eine rote Durchsichtsfarbe erzeugt, während es im Teilbereich 16 unter einem Winkel von φ = 40° auf die Interferenzschicht 36 einfällt und eine grüne Durchsichtsfarbe erzeugt.
Der einfarbige homogene Farbeindruck bei senkrechtem Lichteinfall in Fig. 4(a) ist eine Folge der Gleichheit der Neigungswinkel α in den beiden Teilbereichen 16,18 bei gleichzeitiger Azimutwinkeldifferenz von 180°. Durch andere Wahl der Neigungswinkel und/oder Azimutwinkel lässt sich auch erreichen, dass sich der homogene Farbeindruck bei anderen Betrachtungsrichtungen einstellt. Wird etwa bei unveränderten Azimutwinkeln im Teilbereich 18 als Neigungswinkel α = 30° nach links und im Teilbereich 16 als Neigungswinkel α = 0° gewählt, so ergibt sich ein einfarbiger homogener Farbeindruck bei einem Kippwinkel von 15° nach links.
Ein erfindungsgemäßes Sicherheitselement 60 kann auch ein Kippbild zeigen, bei dem in unterschiedlichen Kippstellungen unterschiedliche Motive sichtbar sind, wie nunmehr mit Bezug auf Fig. 5 erläutert. Fig. 5(a) zeigt zunächst in Aufsicht die Aufteilung des optisch variablen Flächenmusters des Sicherheitselements 60 in drei Teilbereiche 62, 64, 66, welche in Form eines Hintergrundbereichs 62, eines ersten Vordergrundbereichs 64 (Dreieck) und eines zweiten Vordergrundbereichs 66 (Kreis) angeordnet sind.
Fig. 5 zeigt weiter in (b) bis (d) das Sicherheitselement 60 im Querschnitt in verschiedenen Kippstellungen. Das Sicherheitselement 60 ist grundsätzlich wie das Sicherheitselement 12 der Fig. 2 aufgebaut, enthält allerdings drei Teilbereiche mit unterschiedlicher Orientierung der Facetten 32. In den Vordergrundbereichen 64 und 66 weisen die Facetten denselben Neigungswinkel α gegen die Ebene 30, beispielsweise α =20° auf, die Azimutwinkel θ der beiden Vordergrundbereiche unterscheiden sich allerdings um 180°, so dass die Facetten 32 im Teilbereich 64 nach rechts gekippt sind, während die Facetten 32 im Teilbereich 66 nach links gekippt sind. Im Hintergrundbereich 62 sind die Facetten 32 parallel zur Ebene des Flächenelements ausgerichtet, weisen also einen Neigungswinkel von α = 0° auf.
Die Interferenzschicht 36 ist in diesem Ausführungsbeispiel so gewählt, dass sie bei senkrechtem Lichteinfall (φ = 0°) eine orange Durchsichtsfarbe erzeugt, bei Lichteinfall unter φ = 10° eine gelbe Durchsichtsfarbe, bei Lichteinfall unter φ = 20° eine grüne Durchsichtsfarbe und bei Lichteinfall unter φ = 30° eine blaue Durchsichtsfarbe.
In der nicht verkippten Lage der Fig. 5(b) fällt das Licht 40 parallel zur Ebenennormalen 42 ein und fällt daher auch senkrecht auf die Facetten 32 des Hintergrundbereichs 62, während es sowohl mit den Facetten 32 des ersten Vordergrundbereichs 64 als auch mit Facetten 32 des zweiten Vordergrundbereichs 66 jeweils einen Winkel von 20° einschließt. Der Hintergrundbereich 62 erscheint daher im Durchlicht orange, während die beiden Vordergrundbereiche 64, 66 grün erscheinen.
In der Lage der Fig. 5(c) ist das Sicherheitselement 60 um β = 10° nach links gekippt, so dass das Licht 40 nicht mehr parallel zur Ebenennormalen 42 einfällt, sondern mit dieser einen Winkel β = 10° einschließt. Im Hintergrundbereich 62 wird durch die Verkippung der Winkel zwischen dem einfallenden Licht 40 und der Interferenzschichtnormalen 72 um β = 10° erhöht, so dass das Licht 40 dort nunmehr unter einem Winkel von φ = 10° einfällt und als Hintergrundfarbe eine gelbe Durchsichtsfarbe erzeugt. Im ersten Vordergrundbereich 64 wird durch die Verkippung der Winkel zwischen dem einfallenden Licht 40 und der Interferenzschichtnormalen 74 dagegen um β = 10° vermindert, so dass das Licht 40 dort nunmehr ebenfalls unter einem Winkel von φ = 10° einfällt und daher wie im Hintergrundbereich 62 eine gelbe Durchsichtsfarbe (die Hintergrundfarbe) erzeugt. Im zweiten Vordergrundbereich 66 wird anderseits durch die Verkippung der Winkel zwischen dem einfallenden Licht 40 und der Interferenzschichtnormalen 76 um β = 10° erhöht, so dass das Licht 40 dort nunmehr unter einem Winkel von φ = 30° auf die Interferenzschicht 36 einfällt und daher eine blaue Durchsichtsfarbe (die Motivfarbe) erzeugt. Im Ergebnis ist bei dieser Kippstellung nur das Motiv des zweiten Vordergrundbereichs 66 sichtbar, da das Motiv des ersten Vordergrundbereichs 64 farbgleich mit dem Hintergrundbereich 62 verschmilzt.
Umgekehrt ist in der Lage der Fig. 5(d) das Sicherheitselement 60 um β = 10° nach rechts gekippt. Im Hintergrundbereich 62 wird durch diese Verkippung der Winkel zwischen dem einfallenden Licht 40 und der Interferenzschichtnormalen 72 wieder um β = 10° erhöht, so dass das Licht 40 dort unter einem Winkel von φ = 10° einfällt und wieder eine gelbe Durchsichtsfarbe (die Hintergrundfarbe) erzeugt. Der erste und zweite Vordergrundbereich tauschen nunmehr ihre Rollen. Im ersten Vordergrundbereich 64 wird durch die Verkippung der Winkel zwischen dem einfallenden Licht 40 und der Interferenzschichtnormalen 74 um β = 10° erhöht, so dass das Licht 40 dort nunmehr unter einem Winkel von φ = 30° einfällt und eine blaue Durchsichtsfarbe (die Motivfarbe) erzeugt. Im zweiten Vordergrundbereich 66 wird anderseits durch die Verkippung der Winkel zwischen dem einfallenden Licht 40 und der Interferenzschichtnormalen 76 um β = 10° vermindert, so dass das Licht 40 dort unter einem Winkel von φ = 10° auf die Interferenzschicht 36 einfällt und daher wie im Hintergrundbereich 62 eine gelbe Durchsichtsfarbe (die Hintergrundfarbe) erzeugt. Im Ergebnis ist bei dieser Kippstellung nur das Motiv des ersten Vordergrundbereichs 64 sichtbar, da das Motiv des zweiten Vordergrundbereichs 66 farbgleich mit dem Hintergrundbereich 62 verschmilzt.
Bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 2 und 5 wurde zur Illustration von einem Farbwechsel bei einer Rechts/Links-Verkippung des Sicherheitselements ausgegangen. Je nach dem Azimutwinkel der Facetten 32 können natürlich mit Vorteil auch andere Kipprichtungen, beispielsweise eine Oben/Unten-Verkippung, für den Farbwechsel eingesetzt werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 sind die Vordergrundbereiche 64, 66 in der Ebene des Flächenmusters räumlich voneinander getrennt, weisen also keine Überlappung auf. Sollen Kippmotive mit Überlappungen realisiert werden, so kann dies beispielsweise durch eine Verschachtelung der den Motiven zugeordneten Teilbereiche erreicht werden Dazu wird das Flächenmuster in schmale Streifen oder kleine Pixel zerlegt, die abwechselnd einerseits das erste Vordergrundmotiv 64 und das Hintergrundmotiv 62 und andererseits das zweite Vordergrundmotiv 66 und das Hintergrundmotiv 62 enthalten. Die Abmessungen der kleinen Streifen oder Pixel liegt dabei insbesondere unterhalb von 300 µm oder sogar unterhalb von 100 µm, so dass die Aufteilung des Flächenmusters mit bloßem Auge nicht erkennbar ist oder zumindest nicht auffällt.
Die Verschachtelung von überlappenden Darstellungen mit drei Teilbereichen mit unterschiedlichen Facettenorientierungen führt allerdings in der Regel dazu, dass die Buntheit bzw. der Kontrast der Durchsichtsfarben nicht die maximal möglichen Werte erreicht, da durch die Verschachtelung teilweise nur Mischfarben erzeugt werden können, und Mischfarben in der Regel eine geringer Buntheit als die Ausgangsfarben aufweisen.
Sehr kontrastreiche und bunte Kippbilder lassen sich allerdings durch die Verwendung von vier Teilbereichen mit unterschiedlichen Facettenorientierungen verwirklichen, wie in Fig. 6 schematisch gezeigt.
Bei dem Sicherheitselement 80 ist das optisch variable Flächenmuster in vier Teilbereiche 82, 84, 86, 88 aufgeteilt, die in Form eines Hintergrundbereichs 82, eines ersten Vordergrundbereichs 84 (Quadrat ohne Kreissegment 88), eines zweiten Vordergrundbereichs 86 (Kreisscheibe ohne Kreissegment 88) und eines Überlappungsbereichs 88 (Kreissegment) angeordnet sind. Der erste Vordergrundbereich 84 bildet dabei zusammen mit dem Kreissegment 88 als erstes darzustellendes Motiv das vollständige Quadrat, der zweite Vordergrundbereich 86 bildet zusammen mit dem Kreissegment 88 als zweites darzustellendes Motiv die vollständige Kreisscheibe. Obwohl die beiden darzustellenden Motive im Überlappungsbereich 88 überlappen, soll ihre Durchsichtsfarbe nicht durch Farbmischung entstehen.
Die Neigungen und Azimutwinkel der Facetten in den vier Teilbereichen sind dazu so gewählt, dass das Sicherheitselement 80 in einer ersten Kippstellung im Durchlicht als erstes darzustellendes Motiv das vollständige Quadrat (erste Vordergrundbereich 84 und Kreissegment 88 zusammen) mit einer einheitlichen Motivfarbe und das restlichen Flächenmuster (zweite Vordergrundbereich 86 und Hintergrundbereich 82) mit einer von der Motivfarbe unterschiedlichen Hintergrundfarbe zeigt. In einer zweiten Kippstellung zeigt das Sicherheitselement 80 im Durchlicht als zweites darzustellendes Motiv den vollständigen Kreis (zweiter Vordergrundbereich 86 und Kreissegment 88 zusammen) mit der einheitlichen Motivfarbe, während das restliche Flächenmuster (erster Vordergrundbereich 84 und Hintergrundbereich 82) mit der Hintergrundfarbe erscheint.
Um dies zu erreichen sind die Neigung und der Azimutwinkel der Facetten im Hintergrundbereich 82 also so gewählt, dass sie sowohl in der ersten als auch in der zweiten Kippstellung jeweils die Hintergrundfarbe erzeugen. Die Neigung und der Azimutwinkel der Facetten im ersten Vordergrundbereich 84 sind so gewählt, dass sie in der ersten Kippstellung die Motivfarbe und in der zweiten Kippstellung die Hintergrundfarbe erzeugen, während die Facetten im zweiten Vordergrundbereich 86 so gewählt sind, dass sie in der ersten Kippstellung die Hintergrundfarbe und in der zweiten Kippstellung die Motivfarbe erzeugen. Im Überlappungsbereich 88 schließlich sind Neigung und Azimutwinkel der Facetten so gewählt, dass sie sowohl in der ersten wie in der zweiten Kippstellung jeweils die Motivfarbe erzeugen. Insgesamt werden also vier Teilbereiche mit unterschiedlichen Orientierungen der Facetten benötigt.
Die erforderlichen Neigungen und Azimutwinkel in den verschiedenen Teilbereichen können beispielsweise durch folgende Vorgehensweise ermittelt werden, wobei konkret angenommen wird, dass die erste Kippstellung durch eine Verkippung 90-0 des Sicherheitselements 80 um einen bestimmten Winkel aus der Waagrechten nach oben entsteht, während die zweite Kippstellung durch eine Verkippung 90-U des Sicherheitselements 80 um denselben Winkel nach unten entsteht.
Zunächst wird für die Facetten des ersten und zweiten Vordergrundbereichs 84, 86 der Azimutwinkel in Verkippungsrichtung 90-0, 90-U, also auf θ = 270° bzw. θ = 90° bezogen auf die in der Figur gezeigte Referenzrichtung Ref festgelegt. Als Neigungswinkel α wird für beide Vordergrundbereiche derjenige Winkel festgelegt, der bei einer Neigung der Spiegel nach oben bzw. unten in der ersten bzw. zweiten Kippstellung die gewünschte Motivfarbe erzeugt. Dies entspricht im Wesentlichen dem bereits im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebenen Vorgehen. Zur Veranschaulichung sind in Fig. 6 in den verschiedenen Teilbereichen auch jeweils die Projektionen der Normalenvektoren der Facetten auf die Ebene des Flächenmuster eingezeichnet. Beispielsweise weisen die Facetten im ersten Vordergrundbereich 84 einen Neigungswinkel α = 25° und einen Azimutwinkel von θ = 270° bezogen auf die Referenzrichtung Ref auf, wie durch den projizierten Normalenvektor 94 gezeigt (der Azimutwinkel wird von der Referenzrichtung aus wie üblich entgegen dem Uhrzeigersinn gemessen). Entsprechend weisen die Facetten im zweiten Vordergrundbereich 86 ebenfalls einen Neigungswinkel α = 25°, aber einen Azimutwinkel von θ = 90° bezogen auf die Referenzrichtung Ref auf, wie durch den projizierten Normalenvektor 96 gezeigt.
Ähnlich wie bei Fig. 2 weisen die Facetten in den Teilbereichen 84, 86 dieselben Neigungswinkel α auf, während sich die Azimutwinkel θ um 180° unterscheiden. Wegen der Symmetrie der Anordnung ist dadurch sichergestellt, dass der erste Vordergrundbereich 84 in der ersten Kippstellung dieselbe Durchsichtsfarbe (Motivfarbe) zeigt wie der zweite Vordergrundbereich 86 in der zweiten Kippstellung. Der erste Vordergrundbereich 84 zeigt in der zweiten Kippstellung die Hintergrundfarbe, ebenso wie der zweite Vordergrundbereich 86 in der ersten Kippstellung.
Weiter wurde im Rahmen einer Versuchsreihe ermittelt, bei welchen Neigungswinkeln die mit der gewählten Interferenzbeschichtung beschichteten Facetten bei einem Azimutwinkel von 0° oder 180° in der ersten Kippstellung die Motivfarbe bzw. die Hintergrundfarbe zeigen. Diese Neigungswinkel hängen im Allgemeinen von der Art der Interferenzbeschichtung, der Abhängigkeit der Interferenzschichtdicke vom Neigungswinkel der Facetten und den Brechungsindizes der einbettenden Lackschichten ab, können aber problemlos durch eine einfache Versuchsreihe ermittelt werden. Beispielsweise ergibt sich, dass die Facetten in der ersten Kippstellung bei einem Azimutwinkel von 0° und einem Neigungswinkel α_M die Motivfarbe zeigen und bei einem Neigungswinkel α_H die Hintergrundfarbe zeigen. Wegen der Symmetrie der Anordnung ist dann sichergestellt, dass die Facetten diese Farben auch in der zweiten Kippstellung zeigen, da diese durch eine Verkippung des Sicherheitselements um denselben Winkelbetrag wie die erste Kippstellung erreicht wird.
Die Facetten im Überlappungsbereich 88 werden dann mit einem Neigungswinkel α = α_M und einem Azimutwinkel von θ = 0° oder θ = 180° gebildet, während die Facetten im Hintergrundbereich 82 mit einem Neigungswinkel α = α_H und einem Azimutwinkel von θ = 0° oder θ = 180° gebildet werden. Die zugehörigen projizierten Normalenvektoren 98 bzw. 92 sind für θ = 0° in Fig. 6 eingezeichnet. Aufgrund der Wahl der Orientierung der Facetten in den verschiedenen Teilbereichen 82, 84, 86, 88 werden dann gerade die oben beschriebenen visuellen Erscheinungsbilder in den beiden Kippstellungen realisiert.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen war die Dicke der Interferenzbeschichtung unabhängig von dem Neigungswinkel der Facetten. Besonders starke Farbunterschiede lassen sich allerdings erzeugen, wenn zum Aufbringen der Interferenzbeschichtung ein Beschichtungsverfahren gewählt wird, bei dem die erzielte Schichtdicke von der Neigung der Facetten abhängt. Dies kann beispielsweise durch eine gerichtete Vakuumbedampfung der Facetten erreicht werden, wobei sich bei senkrechter Bedampfung eine Schichtdicke ergibt, die im Wesentlichen proportional zum Cosinus des Neigungswinkels α ist, also $d = d_{0} cos α$
mit der nominellen Schichtdicke d₀, die bei ungeneigten Facetten erhalten wird. Wie die Erfinder überraschend gefunden haben, können durch die mit zunehmender Neigung abnehmende Schichtdicke die in Fig. 3 gezeigten Farbunterschiede zwischen unterschiedlich gezeigten Facetten noch deutlich verstärkt werden.
Fig. 7 zeigt dazu schematisch ein berechnetes Farbspektrum von beschichteten Facetten bei senkrechtem Lichteinfall auf die Ebene des Flächenmusters, wobei die Interferenzbeschichtung durch eine dreischichtige Interferenzbeschichtung mit einer ersten, 25 nm dicken Silberschicht, einer SiO₂-Abstandsschicht der nominellen Dicke do und einer zweiten, ebenfalls 25 nm dicken Silberschicht gebildet ist. Dabei ist angenommen, dass die reale Schichtdicke d der Abstandsschicht bei einer Facette mit Neigungswinkel α gemäß der Beziehung d = d₀ cos α mit dem Neigungswinkel abnimmt. Die nominelle Dicke d₀ ist auf der Abszisse aufgetragen, während der Neigungswinkel α der Facetten auf der Ordinate aufgetragen ist.
Wie ein Vergleich der Figuren 3 und 7 zeigt, werden durch die neigungsabhängige Schichtdicke wesentlich stärkere Farbunterschiede erreicht. Da Facetten unterschiedlicher Neigung einfach durch Prägung in eine Prägelackschicht 34 erzeugt werden können, können Teilbereiche stark unterschiedlicher Farbe mit hoher Genauigkeit von wenigen Mikrometern zueinander anordnet werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen sich nicht nur mit Interferenzbeschichtung konstanter Dicke, sondern vorteilhaft auch mit einer Interferenzbeschichtung mit neigungsabhängiger Dicke verwirklichen, wodurch beispielsweise Kippbilder mit besonders starken Farbkontrasten erzeugt werden können.
Besonders bemerkenswert und überraschend ist dabei, dass es bei manchen Interferenzschichtsystemen bestimmte Schichtdicken gibt, bei denen mit ein und derselben Interferenzbeschichtung je nach Neigungswinkel der Facetten als Durchsichtsfarben die Grundfarben Rot, Grün und Blau erzeugt werden können. Im in Fig. 7 gezeigten Schichtsystem wird beispielsweise bei einer nominellen Dicke der Abstandsschicht von d₀ = 330 nm bei einem Neigungswinkel von α = 0° die Durchsichtsfarbe Rot (Punkt 100), bei einem Neigungswinkel von α = 25° die Durchsichtsfarbe Grün (Punkt 102) und bei einem Neigungswinkel von α = 40° die Durchsichtsfarbe Blau (Punkt 104) erzeugt.
Auf diese Weise lassen sich durch geeignete Anordnung von kleinen roten, grünen und blauen Farbbereichen in Durchsicht Echtfarbbilder erzeugen, da jede beliebige Farbe als additive Farbmischung dieser drei Grundfarben dargestellt werden kann. Die Teilbereiche werden dazu beispielsweise wie bei einem herkömmlichen RGB-Display in Form kleiner Pixel oder Streifen ausgebildet.
Um realistische Echtfarbbilder erzeugen zu können, muss noch die Helligkeit der Farbbereiche in den einzelnen Pixeln gezielt eingestellt werden können. Die Farbbereiche einzelner Pixel können dazu beispielsweise schwarz überdruckt oder mit einer opaken Metallisierung überzogen werden, wobei die technologische Herausforderung in der passergenauen Anordnung der Überdruckung oder des Überzugs besteht.
Konkret kann ein optisch variables Flächenmuster zur Darstellung eines Echtfarbbilds mit einer passergenauen Schwarzmaske in der mit Bezug auf Fig. 8 beschriebenen Weise hergestellt werden. Fig. 8 zeigt in (a) bis (e) im Querschnitt verschiedene Zwischenstadien bei der Herstellung des optisch variablen Flächenmusters 110, wobei jeweils nur ein kleiner Ausschnitt des Flächenmusters gezeigt ist, nämlich gerade ein einzelnes Farbpixel 112 mit einem roten Farbbereich 114-R, einem grünen Farbbereich 114-G und einem blauen Farbbereich 114-B. Die Größe des Farbpixels 112 beträgt beispielsweise 100 µm x 100 µm.
Mit Bezug auf Fig. 8(a) sind in dem roten Farbbereich 114-R Facetten 32 mit einem Neigungswinkel α = 0° (entsprechend Punkt 100 in Fig. 7), in dem grünen Farbbereich 114-G Facetten 32 mit einem Neigungswinkel α = 25° (entsprechend Punkt 102 in Fig. 7) und im blauen Farbbereich 114-B Facetten 32 mit einem Neigungswinkel α = 40° (entsprechend Punkt 104 in Fig. 7) in die Lackschicht 34 eingeprägt. Zwischen den Facetten 32 sind Erhöhungen 116 vorgesehen, die später die Schwarzfläche für jeden Farbbereich bilden und deren Flächenverhältnis zu den Facetten entsprechend der gewünschten Helligkeit des jeweiligen Farbbereichs gewählt wird. Soll beispielsweise die Rotkomponente in dem gezeigten Farbpixel 112 eine Helligkeit von 70% aufweisen, nehmen die Facetten 70% und die Erhöhungen 30% der Gesamtfläche des Farbbereichs 112-R ein.
Anschließend wird die geprägte Lackschicht 34, wie in Fig. 8(b) gezeigt, vollflächig mit der gewählten Interferenzbeschichtung 36 versehen, etwa mit dem oben genannten Dreischichtsystem aus einer ersten 25 nm dicken Silberschicht, einer nominell 330 nm dicken SiO₂-Abstandsschicht und einer zweiten 25 nm dicken Silberschicht. Zumindest die SiO₂-Abstandsschicht wird mit gerichteten Beschichtungsverfahren, beispielsweise durch senkrechte Bedampfung erzeugt, so dass sich die beschriebene Abhängigkeit der tatsächlichen Schichtdicke der Abstandsschicht von dem Neigungswinkel α der Facetten einstellt.
Dann wird, wie in Fig. 8(c) gezeigt, die Interferenzbeschichtung 36 nur auf den Erhöhungen 116 abgetragen. Dies kann beispielsweise mit einem Metalltransferverfahren erfolgen, wie es in der Druckschrift DE 10 2010 019 766 A1 beschrieben ist, oder es kann beispielsweise ein Ätzresist vollflächig auf die beschichtete Lackschicht gedruckt und so abgerakelt werden, dass der Resist nur in den mit Facetten versehen Vertiefungen verbleibt und die Interferenzbeschichtung 36 von den nicht mit Resist bedeckten Erhöhungen weggeätzt werden kann.
Nun wird auf die gegenüberliegende Seite des Flächenmusters ein geschwärzter Fotolack 118 aufgebracht, wie in Fig. 8(d) gezeigt, und von der Oberseite durch das teilbeschichtete Flächenmuster hindurch belichtet (Bezugszeichen 120), wie in Fig. 8(e) dargestellt. Die Belichtungsdosis wird dabei so gewählt, dass der Fotolack bei Belichtung durch die Interferenzschicht bei der Entwicklung abgetragen wird, der durch die Erhöhungen 116 ohne Interferenzschicht belichtete Fotolack aber stehen bleibt. Nach dem Entwickeln erhält man auf diese Weise auf der Rückseite des Flächenmusters eine Schwarzmaske 122, die genau an den Stellen geschwärzt ist, an denen keine mit einer Interferenzschicht 36 versehenen Facetten 32 vorliegen, wie in Fig. 8(f) gezeigt. Das Flächenmuster der Fig. 8(f) wird dann durch weitere Verfahrensschritte zu dem fertigen Sicherheitselement weiterverarbeitet, beispielsweise durch Aufbringen einer weiteren Lackschicht 38 auf die Interferenzbeschichtung 36 und durch Aufbringen weiterer Schutz- oder Funktionsschichten.
Bei einer anderen Verfahrensvariante kann im Schritt der Fig. 8(b) anstelle der Interferenzbeschichtung auch zunächst eine Hilfsschicht, etwa eine opake Aluminiumschicht aufgebracht werden, die nur der Strukturierung des Fotolacks 118 dient. Nach dem Strukturieren des Fotolacks 118 zur Erzeugung der Schwarzmaske im Schritt der Fig. 8(f) wird die Hilfsschicht vollständig entfernt und die gewünschte Interferenzschicht 36 vollflächig aufgebracht. Diese Variante bietet den Vorteil, dass die Interferenzbeschichtung weder im Belichtungsschritt (Fig. 8(e)) als zuverlässige Belichtungsmaske dienen können muss, noch dass die Interferenzbeschichtung gut weggeätzt (Fig. 8(c)) werden können muss. Vielmehr kann eine auf diese Erfordernisse optimierte Hilfsschicht ausgewählt werden, während die Interferenzbeschichtung nur aufgrund der gewünschten farbgebenden Eigenschaften ausgewählt wird.
Grundsätzlich kann die Schwarzmaske allerdings auch durch andere Verfahren erzeugt werden, beispielsweise durch Metalltransferverfahren, Ätzverfahren oder auch direkt oder indirekt über durch geprägte Strukturen gesteuerte Laserablation.

Bezugszeichenliste

10: Banknote
12: Durchsichtssicherheitselement
14: durchgehende Öffnung
16: Vordergrund
18: Hintergrund
20-R, 20-L: Kipprichtungen
30: Ebene des Flächenbereichs
32: Facetten
34: Prägelack
36: Interferenzbeschichtung
38: Lackschicht
40: einfallendes Licht
42: Ebenennormale
46, 48: Interferenzschichtnormale
50, 52, 54: Punkte in Fig. 3
60: Sicherheitselement
62, 64, 66: Teilbereiche
72, 74, 76: Interferenzschichtnormale
80: Sicherheitselement
82, 84, 86, 88: Teilbereiche
90-O, 90-U: Kipprichtungen
92, 94, 96, 98: projizierte Normalenvektoren
100, 102, 104: Punkte in Fig. 7
110: optisch variables Flächenmuster
112: Farbpixel
114-R, 114-G, 114-B: Farbbereiche
116: Erhöhungen
118: Fotolack
120: Belichtung
122: Schwarzmaske
Ref: Referenzrichtung

Claims

Optisch variables Durchsichtssicherheitselement (12) zur Absicherung von Wertgegenständen (10) mit einem ebenen, optisch variablen Flächenmuster (16, 18) wobei das optisch variable Flächenmuster eine Vielzahl von im Wesentlichen strahlungsoptisch wirkenden Facetten (32) enthält, deren Orientierung jeweils durch einen Neigungswinkel α gegen die Ebene (30) des Flächenmusters, und durch einen Azimutwinkel θ in der Ebene des Flächenmusters charakterisiert ist,
wobei das optisch variable Flächenmuster zumindest zwei Teilbereiche (16, 18) mit jeweils einer Vielzahl gleich orientierter Facetten enthält, wobei sich die Facetten der zumindest zwei Teilbereiche voneinander im Neigungswinkel gegen die Ebene und/oder im Azimutwinkel in der Ebene unterscheiden,
der Neigungswinkel α zwischen 0° und 45° liegt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Facetten der zumindest zwei Teilbereiche mit einer Interferenzschicht (36) versehen sind,
die Interferenzschicht im Durchlicht einen betrachtungswinkelabhängigen Farbwechsel aufweist, und
das optisch variable Flächenmuster in Durchsicht ein farbiges Erscheinungsbild mit einem betrachtungswinkelabhängigen mehrfarbigen Farbwechsel zeigt.
Durchsichtssicherheitselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von jedem Teilbereich eingenommene Fläche auf dem optisch variablen Flächenmuster mindestens 50 mal, bevorzugt mindestens 100 mal, besonders bevorzugt mindestens 1000 mal größer als die von einer einzelnen Facette dieses Flächenbereich im Mittel eingenommen Fläche.
Durchsichtssicherheitselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Facetten der zumindest zwei Teilbereiche im Neigungswinkel gegen die Ebene um 5° oder mehr, bevorzugt um 10° oder mehr, besonders bevorzugt um 20° oder mehr unterscheiden und/oder dass sich die Facetten der zumindest zwei Teilbereiche im Azimutwinkel in der Ebene um 45° oder mehr, bevorzugt um 90° oder mehr, insbesondere um 180° unterscheiden.
Durchsichtssicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Facetten jeweils mit einer Interferenzschicht versehen sind, deren Schichtdicke mit dem Neigungswinkel α der Facetten variiert, vorzugsweise mit zunehmendem Neigungswinkel α abnimmt.
Durchsichtssicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Teilbereiche in Form eines Motivs angeordnet sind, so dass das optisch variable Flächenmuster in Durchsicht das von den Teilbereichen gebildete Motiv zumindest in bestimmten Kippstellungen des Sicherheitselements mit zwei oder mehr verschiedenen Farben zeigt.
Durchsichtssicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigungswinkel α und die Azimutwinkel θ der Facetten und die Interferenzschicht in den Teilbereichen so aufeinander abgestimmt sind, dass die Teilbereiche in einer bestimmten Kippstellung gleiche Farben und in anderen Kippstellungen unterschiedliche Farben zeigen.
Durchsichtssicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch variable Flächenmuster . zumindest drei Teilbereiche enthält, die in Form eines Hintergrundbereichs und von zwei Vordergrundbereichen angeordnet sind, und in denen die Neigungswinkel α und die Azimutwinkel θ der Facetten und die Interferenzschicht so aufeinander abgestimmt sind, dass das optisch variable Flächenmuster in Durchsicht
- in einer ersten Kippstellung ein erstes Motiv zeigt, bei dem der erste Vordergrundbereich mit einer Motivfarbe und der zweite Vordergrundbereich und der Hintergrundbereich mit einer von der Motivfarbe unterschiedlichen Hintergrundfarbe erscheinen, und

- in einer zweiten Kippstellung ein zweites Motiv zeigt, bei dem der zweite Vordergrundbereich mit der Motivfarbe und der erste Vordergrundbereich und der Hintergrundbereich mit der Hintergrundfarbe erscheinen.
Durchsichtssicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch variable Flächenmuster zumindest vier Teilbereiche enthält, die in Form eines Hintergrundbereichs, von zwei Vordergrundbereichen und eines Überlappungsbereichs angeordnet sind, und in denen die Neigungswinkel α und die Azimutwinkel θ der Facetten und die Interferenzschicht so aufeinander abgestimmt sind, dass das optisch variable Flächenmuster in Durchsicht
- in einer ersten Kippstellung ein erstes Motiv zeigt, bei dem der erste Vordergrundbereich und der Überlappungsbereich mit einer Motivfarbe und der zweite Vordergrundbereich und der Hintergrundbereich mit einer von der Motivfarbe unterschiedlichen Hintergrundfarbe erscheinen, und

- in einer zweiten Kippstellung ein zweites Motiv zeigt, bei dem der zweite Vordergrundbereich und der Überlappungsbereich mit der Motivfarbe und der erste Vordergrundbereich und der Hintergrundbereich mit der Hintergrundfarbe erscheinen.
Durchsichtssicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch variable Flächenmuster zumindest zwei Teilbereiche enthält, in denen die Facetten den gleichen Neigungswinkel a, aber sich um 180° unterscheidende Azimutwinkel θ aufweisen.
Durchsichtssicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch variable Flächenmuster einen ersten und zweiten Teilbereich enthält, in denen die Facetten den gleichen Neigungswinkel ao, aber sich um 180° unterscheidende Azimutwinkel θ aufweisen, und einen dritten und vierten Teilbereich enthält, in denen die Facetten unterschiedliche Neigungswinkel α₁ bzw. α₂ aufweisen und in denen sich der Azimutwinkel θ um 90° oder 270° von dem Azimutwinkel des ersten und zweiten Teilbereichs unterscheidet.
Durchsichtssicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch variable Flächenmuster zumindest drei Teilbereiche enthält, in denen die Neigungswinkel α und die Azimutwinkel θ der Facetten und die Interferenzschicht so aufeinander abgestimmt sind, dass die Teilbereiche in einer Kippstellung in Durchsicht Rot, Grün, bzw. Blau erscheinen.
Durchsichtssicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Facetten in eine Prägelackschicht mit einem ersten Brechungsindex geprägt sind und über der Interferenzschicht eine Lackschicht mit einem zweiten Brechungsindex aufgebracht ist, der sich von dem ersten Brechungsindex um weniger als 0,3 insbesondere um weniger als 0,1 unterscheidet.
Durchsichtssicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Interferenzschicht durch ein Dünnschichtelement mit semitransparenten Metallschichten und einer dielektrischen Abstandsschicht, durch einen dielektrischen Schichtaufbau mit zumindest einer hochbrechenden Schicht, vorzugsweise kombiniert mit zumindest einer niedrigbrechenden Schicht gebildet ist, oder zumindest eine cholesterische Flüssigkristallschicht enthält.
Durchsichtssicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Facetten im Wesentlichen als ebene Flächenelemente ausgebildet sind; und/oder die Facetten in einem periodischen Raster angeordnet sind und insbesondere ein Sägezahngitter bilden, oder dass die Facetten aperiodisch angeordnet sind.
Verfahren zum Herstellen eines optisch variablen Durchsichtssicherheitselements, bei dem ein Substrat bereitgestellt wird und das Substrat mit einem ebenen, optisch variablen Flächenmuster versehen wird, das in Durchsicht ein farbiges Erscheinungsbild mit einem betrachtungswinkelabhängigen mehrfarbigen Farbwechsel zeigt, wobei
- das optisch variable Flächenmuster mit einer Vielzahl von im Wesentlichen strahlungsoptisch wirkenden Facetten erzeugt wird, deren Orientierung jeweils durch einen Neigungswinkel α gegen die Ebene des Flächenmusters, der zwischen 0° und 45° liegt, und durch einen Azimutwinkel θ in der Ebene des Flächenmusters charakterisiert ist,

- das optisch variable Flächenmuster mit zumindest zwei Teilbereichen mit jeweils einer Vielzahl gleich orientierter Facetten erzeugt wird, wobei sich die Facetten der zumindest zwei Teilbereiche voneinander im Neigungswinkel gegen die Ebene und/oder im Azimutwinkel in der Ebene unterscheiden, und

- die Facetten der zumindest zwei Teilbereiche mit einer Interferenzschicht mit einem im Durchlicht betrachtungswinkelabhängigen Farbwechsel versehen werden.