Verfahren zum Herstellen eines mehrfarbigen Volumenhologramms, Dokument mit einem solchen Hologramm und Volumenhologramm-Master

B e s c h r e i b u n g

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines mehrfarbigen Volumenhologramms, ein Dokument mit einem solchen Hologramm und ein Volumenhologramm-Master , gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 , 10 bzw. 11 , wie sie z. B. für/als Hologramm-Overlays für Sicherheitsdokumente zum erhöhten Schutz gegen Kopieren oder Nachahmung Verwendung finden.

Bei Sicherheitsdokumenten verschiedenster Art, wie z. B. Ausweisen, Pässen, Führerscheinen und Wertpapieren werden schon jetzt eine Vielzahl unterschiedlicher Hologrammtechnologien angewandt. In den meisten Fällen ist die Wiedererkennbarkeit zumindest für den „Mann/Frau auf der Straße" sehr gering. Diese Hologramme bieten zwar schon einen relativ guten Schutz gegen Kopieren und Nachahmung, können aber mit etwas Aufwand von Spezialisten nachgestellt werden.

üblicherweise werden für die Wiedererkennung Morphing und/oder Flippeffekte verwendet. Zum Beispiel soll sich beim ändern des Betrachtungswinkels oder beim ändern des Rekonstruktionswinkels ein Objekt kontinuierlich oder sprunghaft in ein anderes ändern. Dies ist z. B. aus der US 4,761 ,543 bekannt, wobei dort ist der Effekt in allen Regenbogenfarben sichtbar ist (Prägehologramm= Oberflächenhologramm), oder aus der EP 0919961 B1 , in der dieser Effekt in nur einer festgelegten Farbe dargestellt werden kann (Volumenhologramm).

Hat man ein mehrfarbiges Volumenhologramm, muss dieses nach dem Stand der Technik mit mehreren Lasern aufgenommen oder nach der Belichtung durch Schrumpfen oder Schwellen partiell oder ganzflächig farblich verändert werden. Beim Schrumpfen oder Schwellen ist das aufgenommene Objekt außer in der Farbe in seiner Form stabil und der Rekonstruktionswinkel zum Rekonstruktionsstrahl ändert sich. Links-Rechts-Betrachtungswinkel bleiben für nach dem Stand der Technik aufgenommene Hologramme mehr oder weniger stabil.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines mehrfarbigen Volumenhologramms mit einer festgelegte, kontrollierten Farbänderung, ein solches Volumenhologramm und ein Dokument mit einem solchen Hologramm gemäß o. g. Gattung anzugeben, durch die der materielle und zeitliche Aufwand für Fälscher so erhöht wird, dass eine Fälschung nahezu unmöglich gemacht wird, wobei gleichzeitig die aus der Erfahrung für die Wiedererkennung und Kopier- und Nachahmungssicherheit besten Effekte in einem Element vereinigt und verstärkt sein sollen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den entsprechend rückbezogenen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Dem gemäß wird ein mehrfarbiges Volumenhologramm mittels mindestens eines Masterhologramms und eines einzigen monochromatischen Aufnahme- bzw. Kopierstrahls einer Wellenlänge im UV- bis IR-Bereich, wie z. B. Blau, hergestellt. Die Verwendung eines monochromatischen Aufnahmestrahls führt zu einer vereinfachten und dadurch zu einer kostengünstigeren Herstellung gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Herstellung mit mehrfarbigen Aufnahmestrahlen.

Vorzugsweise wird der monochromatische blaue Aufnahmestrahl mittels eines Lasers erzeugt. Dafür können übliche monochromatische Laser verwendet werden.

Es ist zu erkennen, dass zur Herstellung des erfindungsgemäßen farbigen Hologramms, insbesondere Volumenhologramms, ein spezieller Master zu verwenden ist, der ein Volumenhologramm, ein Oberflächenhologramm (Prägehologramm) oder eine Kombination aus beiden sein kann.

Von besonderem Vorteil ist, dass das mehrfarbige Volumenhologramm mittels Kopieren der Bragg'schen Netzebenen mehrerer monochromatischer Subhologramme eines Master-Hologramms in eine zu diesem Master-Hologramm z. B. parallel angebrachte Kopierschicht durch Belichten der Kopierschicht mit dem monochromatischen Aufnahmestrahl hergestellt wird. Dabei besteht der Aufnahmestrahl aus einem

Strahlenbündel von Strahlen gleicher Wellenlänge, wobei für jedes Subhologramm ein geeignetes Strahlenbündel vorhanden ist. Jedes Strahlenbündel trifft unter einem vorbestimmten Einfallswinkel auf die Kopierschicht, der jeweils so berechnet wird, dass die Struktur des zugeordneten Subhologramms in der Kopierschicht wiedergegeben wird.

So kann man einfach und kostengünstig mit einem einzigen monochromatischen Aufnahmestrahl die Bragg'schen Netzebenen mehrerer monochromatischer Subho- logramme in einer Schicht kopieren. Jedes Subhologramm ist dabei Teil eines Masterhologramms und wird durch Interferenz von zwei monochromatischen Wellen, nämlich einer Objekt- und einer Referenzwelle, in einer Schicht vorzugsweise einer Fotoschicht, insbesondre mit Indexmatch-Material (z. B. Flüssigkeit) erzeugt.

Die Fotoschicht wird auf das Master-Hologramm vorzugsweise mit Index Match Material oder durch Laminieren aufgebracht und dann mit dem monochromatischen Aufnahmestrahl belichtet. Ein Bündel des Aufnahmestrahls, das einem Subhologramm zugeordnet ist, wird dann an der der Fotoschicht zugewandten Seite/Fläche des Subhologramms hineingebrochen, dann an den Bragg'schen Netzebenen des Subhologramms reflektiert bzw. gebeugt und so erneut in die Fotoschicht umgelenkt. Das ursprüngliche Bündel des Aufnahmestrahls interferiert dann mit dem umgelenkten Bündel des Aufnahmestrahls in der Fotoschicht. Dabei bilden sich in der Fotoschicht Bragg'sche Netzebenen, die den Bragg'schen Netzebenen des Subhologramms gleichen.

Das Master-Hologramm wird mit mehreren monochromatischen Subhologrammen, insbesondere mit einem blauen, einem grünen und einem roten Subhologramm ausgewählt oder hergestellt. Dabei werden die monochromatischen Subhologramme jeweils mittels Referenzstrahlen mit unterschiedlichen Einfallswinkeln erzeugt. Der verwendete monochromatische Aufnahmestrahl zum Kopieren der verschiedenen Bragg'schen Ebenen der Subhologramme in der Fotoschicht weist dabei mehrere Teilstrahlen mit gleicher Wellenlänge aber unterschiedlichen Einfallswinkeln auf. Der Einfallswinkel eines jeden Teilstrahls ist jeweils auf das Kopieren einer Bragg'schen Netzebene abgestimmt.

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Das Verfahren ist selbstverständlich nicht auf Lichtwellenlängen im sichtbaren Spektrum beschränkt sondern lässt sich auch im Ultra Violet (UV) oder im Infra Rot (IR) Bereich anwenden. Sollten im gewünschten Spektralbereich keine kohärenten Lichtquellen verfügbar sein, so kann das Hologramm mit einer andern Wellenlänge hergestellt werden und bei Bedarf mit Schrumpfen oder Schwellen in die geforderte Wellenlänge getunt werden.

Wird ein Prägehologramm als „Master" für eine „blaue Kontaktkopie" verwendet, dann müssen die Gitter ebenfalls den Regeln in Bezug auf sehr flache Winkel entsprechen. Zu beachten ist, dass in diesem Fall die höheren Beugungsordnungen Farbeffekte erzeugen können, die durch geeignetes Design und Berechnung verstärkt oder vermieden werden können.

Für ein komplettes Farbdesign eines erfindungsgemäßen Hologramms muss natürlich mindestens ein blaues, ein grünes und ein rotes Hologramm vorhanden sein. Durch graphische Kombinationen, überlagerungen etc., kann so aus einem Masterhologramm nach diesem Verfahren ein echtfarbiges Hologramm kopiert werden. Durch dementsprechende Anordnung der einzelnen Farbelemente können nun auch Kippeffekte (auch schwarz-weiß durch Farbmischung), Laufeffekte, Verformungsund änderungseffekte (Morphing) in Echtfarbe erzielt werden, ohne weitere Laser zum Erzeugen des Aufnahmestrahls in anderen Farben bzw. Wellenlängen zu benutzen.

Vorzugsweise wird das Master-Hologramm mit mehreren Bereichen (Pixel) ausgewählt, die jeweils mindestens ein oder mehrere monochromatische Subhologramme aufweisen, die insbesondere mit unterschiedlichen Einfallswinkeln der Referenzstrahlen erzeugt werden.

Die Tatsache, dass ein Volumenhologramm mit diesem Verfahren in Serie produziert werden kann, das z. B. eine dreifarbige Rekonstruktion aufweist, jedoch nur mit einer einzigen Wellenlänge aufgenommen/hergestellt/kopiert wurde, ist ein enormer Rationalisierungssprung.

Will man nun ein solches erfindungsgemäßes Hologramm kopieren/fälschen, dann müssen mehrere Laser, mit für jedes Bildelement unterschiedlichen Winkeln, eingesetzt werden. So ist eine Kopie nahezu unvorstellbar. Die Nachahmung ist durch komplexes Design und das ohnehin schwierige Aufnahmeverfahren echtfarbiger Volumenhologramme extrem erschwert.

Für die Serienfertigung eines kopier- und nachahmungsgeschützten echtfarbigen Hologramms/Merkmals wird in besonderer Ausführung für das vorher beschriebene Verfahren ein Zusatzhologramm verwendet. Dabei wird zuerst insbesondere ein Reflexionsmaster hergestellt, der aus einer Summe von Elementar-Masterholog rammen (in Form von Pixeln/Bereichen) besteht. Dabei weist jedes Pixel vorzugsweise drei monochromatische Subhologramme in drei unterschiedlichen Farben auf und kann mit einer Wellenlänge, z. B. mit Blau, nach dem vorhergehend beschriebenen Verfahren ausgelesen werden. Die Besonderheit ist nun insbesondere darin zu sehen, dass jede Farbe bzw. jedes Pixel einen vorher festgelegten Rekonstruktionswinkel hat. Das heißt nun, dass der Einfallswinkel des Referenzstrahls für jedes Pixel bzw. jede Farbe individuell ist. Das bedeutet wiederum, dass für die Fotoschicht (Kontaktkopie) ebenfalls die Kopierstrahlen diesen Geometrien genügen müssen, so dass die für die Rekonstruktion notwendigen Bragg-Bedingungen erfüllt werden. Der Kopierstrahl ist also eine Gewirr chaotisch scheinender Strahlenbündel, die jedoch beim Masterprozess nach den Vorgaben des graphischen/farblichen Designs exakt berechnet und festgelegt werden. Um das Strahlengewirr einfach zu reproduzieren und für eine Serienproduktion aufzubereiten, wird z. B. ein Transmissionshologramm oder ein Reflexionshologramm mit einem „Objekt" aufgenommen, das die notwendigen Strahlen für die Rekonstruktion des Masters darstellt. Mit Hilfe dieses Zusatz-Hologramms, das vorzugsweise entsprechend auf der dem Masterhologramm abgewandten Seite der Kopier-Fotoschicht anzuordnen ist, kann nun einfach und kostengünstig, nach Belichtung des Zusatzhologramms mit einem monochromatischen parallelen (Laser-) Strahl, ein monochromatischer Kopier-/Aufnahmestrahl erzeugt werden, der aus mehreren Strahlenbündeln gleicher Wellenlänge aber mit unterschiedlichen Einfallswinkeln besteht. Mit Hilfe dieses Zusatz-Hologramms (vorzugsweise computergeneriert) kann nun die Kopie erfolgen und eine Serienfertigung

eines Merkmals durchgeführt werden, was auch ohne zusätzliche Maßnahmen, wie Schwellen oder Schrumpfen, derzeit nicht zu fälschen ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 : eine schematische Darstellung der Erzeugung eines (roten) Materhologramms;

Fig. 2: eine Darstellung der Erzeugung eines roten Masterhologramms in Variante mit blauer Wellenlänge und Einkoppelelement;

Fig. 3: eine schematische Schnittansicht eines monochromatischen Master- Hologramms mit einer Kopier-Fotoschicht;

Fig. 4: eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Master- Volumenhologramms mit mehreren Subhologrammen;

Fig. 5: eine Schemaansicht eines erfindungsgemäßen Master- Volumenhologramms mit jeweiligen Objekt- und Referenzstrahlen der vorhandenen Subhologramme und

Fig. 6: eine Schemaansicht mit einem Master-Volumenhologramm bei Herstellung einer Kontaktkopie mit monochromatischen Kopierstrahlen unter Winkeleinstellung mit Hilfe eines Zusatzhologramms.

In Fig. 1. ist der erste Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, nämlich die Erstellung z. B. eins roten (Master-) Hologramms 1 bzw. eine Volumengitter- Aufnahme unter Belichtung einer Fotoschicht 5 mit zwei Wellen/Strahlen 2 und 3 mit der Wellenlänge 633 nm. Dabei trifft ein roter Referenzstrahl 2 unter einem Winkel von 48° auf die Oberfläche des Masterhologramms und wird in dieses hineingebrochen (2'). Gleichzeitig trifft ein Objektstrahl 3 aus der entgegengesetzten Richtung kommend, unter einem Winkel von 3° auf die untere Fläche des Masterhologramms 1 auf und tritt nahezu ungebrochen in das Hologramm 1 ein. Es entstehen nun durch deren Interferenz in der Hologrammschicht 1 Bragg'schen Netzebenen 4 im durch die Aufnahmewellenlänge vorgegebenen Abstand. Das Hologramm 1 (der Master)

wird danach fototechnisch entwickelt, um für die Kopie genügend Wirkungsgrad zu erhalten.

In Fig. 2 ist ein Beispiel dargestellt, in dem das „rote" Masterhologramm mit der blauen Wellenlänge (z.B. 476nm ) unter Verwendung eines Einkoppelelements , hier eines Prismas 18 direkt hergestellt wird. Dabei stellen die Strahlen 17 und 19 jeweils die Objekt- bzw. Referenzstrahlen dar.

Fig. 3 veranschaulicht einen nachfolgenden Verfahrensschritt, wobei die Vorgehensweise (zur Vereinfachung der Erklärung) anhand eines „roten" Master- Volumenhologramms 1 und eines „blauen" Kopierlaserstrahls 6 dargestellt ist. Ein unbe- lichtetes Fotomaterial wurde vorhergehend als Kopier-Fotoschicht 5 mit dem nach Fig. 1 hergestellten „Master" 1 in Kontakt gebracht, vorzugsweise auflaminiert oder mit einem Indexmatch-Material. Die Fotoschicht 5 wird nun als neues Hologramm vom ursprünglich „roten" Master-Hologramm 1 mit einem blauen (z. B. 476 nm) Laser-Kopierstrahl 6 kopiert. Dabei trifft der Kopierstrahl 6 unter 45° von links kommend auf das Film-Sandwich. Der Strahl 6 wird in die Fotoschicht 5 (dichtes Medium) hineingebrochen (6'), durchläuft zuerst das noch unbelichtete Material der Kopierschicht 5 und trifft auf das untere Master-Hologramm 1 , wo es an dessen Bragg'schen Ebenen 4 gebeugt bzw. als Strahl 7 in Richtung Kopierschicht 5 („neues" Hologramm) reflektiert wird. In der Foto-/Kopierschicht 5 interferieren nun die Strahlen 6 und 7 miteinander und bilden neue Netzebenen 8, die in Geometrie und Abstand den Netzebenen des Hologramms 1 entsprechen. Wird nun das neu entstandene Hologramm 5 unter ca. 48°von rechts in weißes Licht (weißer Reflexionsstrahl 2a) gebracht, dann rekonstruiert es wieder rot (roter Rekonstruktionsstrahl 3a). Um den für rot relativ großen Gitterabstand mit blauem Licht zu erhalten, ist ein sehr großer Winkel 9 zwischen Strahl 6 und 7 notwendig. Bei der Vorgabe von 45° für den Einfallswinkel des Kopierstrahls 6, ergibt sich im Master-Medium für den Strahlteil 7 ein so flacher Winkel, dass an deren oberen Fläche Totalreflexion auftreten würde. Um dies zu verhindern, ist es für die im Beispiel gewählte Geometrie notwendig, bei der Kontaktkopie Index-Match Material zu verwenden, wodurch der Strahl 7 in das Kopiermedium eingekoppelt wird. Dadurch erfolgt Totalreflexion erst an der oberen Fläche der Kopierschicht 5, was die Kopiertätigkeit nicht stört.

In Fig. 4 wird ein Master-Hologramm mit einem blauen 11 (z. B. 443 nm), einem grünen 12 (z. B. 543 nm) und einem roten 13 (z. B. 633 nm) Subhologramm dargestellt. Die Aufnahmegeometrie wird z. B. für das rote Subhologramm 13 so berechnet, dass bei Rekonstruktion/Kopie mit blauem Laser (z. B.: 476 nm) unter z. B. 45° Rekonstruktionswinkel/ Einfallswinkel, eine Kontaktkopie möglich ist, wie in Fig. 2 dargestellt. Auch für das grüne 12 und blaue 11 Subhologramm werden Aufnahmegeometrien auf 45° für einen blauen Kopierstrahl berechnet. Die Berechnung ist so durchzuführen, dass nach Erhalt der Kontaktkopie oder in der Kontaktkopie bei Rekonstruktion mit weißem Licht alle Farben unter dem gleichen bzw. gewünschten Betrachtungswinkel zu sehen sind.

So kann ein mehrfarbiges Volumenhologramm kostengünstig mit nur einer (blauen) Wellenlänge aufgenommen/hergestellt/kopiert werden.

In Fig.5 ist aufgezeigt, wie ein Master-Volumenhologramm 1 mit einem blauen 11, einem grünen 12 und einem roten 13 Subhologramm entsteht (Masteraufnahme). Die Subhologramme werden jeweils durch Interferenz von zwei monochromatischen ebenen Wellen, einer Objektwelle 3 (links im Bild) und einer Referenzwelle 2 (rechts im Bild) erhalten.

Schließlich ist in Fig. 6 dargestellt, wie ein Master-Hologramm 1, versehen mit einer Kopier-Fotoschicht 5, mit einem Kopierstrahl 6, der ein Gewirr chaotisch scheinender Strahlenbündel 16 ist, bestrahlt wird. Diese sind jedoch beim Masterprozess nach den Vorgaben des graphischen/farblichen Designs exakt berechnet und festgelegt worden. Um das Strahlengewirr einfach zu reproduzieren und für eine Serienproduktion aufzubereiten, ist ein Zusatz-Hologramm 15 vorgesehen, z. B. ein Transmissions- (dargestellt) oder Reflexionshologramm (nicht dargestellt), das mit einem „Objekt" aufgenommen wurde, das die notwendigen Strahlen für die Rekonstruktion des Masters darstellt. Mit Hilfe dieses Hologramms kann nun die Kopie erfolgen und eine Serienfertigung eines fälschungssicheren echtfarbigen Hologramms durchgeführt werden.

Bezugszeichenliste

1. Masterhologramm

2. (roter) Referenzstrahl

2a (weiße) Rekonstruktionswelle

3. (roter) Objektstrahl

3a (roter) Rekonstruktionswelle

4. Bragg'sche Netzebenen

5. Kopier-Fotoschicht (neues Hologramm)

6. Kopierstrahl (blauer Laser)

7. Kopierstrahl-Teil (gebeugt)

8. Bragg'sche Netzebenen

9. Beugungswinkel

10. —

11. blaues Subhologramm

12. grünes Subhologramm

13. rotes Subhologramm

14. —

15. Zusatzhologramm

16. Kopierstrahlbündel

17. Objektstrahl (blau)

18. Prisma

19. Referenzstrahl (blau)