Листовой материал с плавающим составным изображением, содержащий микролинзы - RU2319185C2

Чертежи

Показать все 15 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение относится к листовым материалам, несущим одно или несколько составных изображений, зрительно воспринимаемых висящими в пространстве относительно листового материала, и в которых перспектива составного изображения меняется в зависимости от угла зрения.

Известно широкое использование листовых материалов с графическими изображениями или иными метками, в частности, для изготовления ярлыков, удостоверяющих подлинность изделия или документа. Например, листовые материалы, подобные описываемым в патентах США №3154872; 3801183; 4082426 и 4099838, применяются для изготовления наклеек для номерных знаков автомобилей, а также используются в качестве защитной пленки для водительских прав, правительственных документов, магнитофонных кассет, игральных карт, при изготовлении тары для напитков и т.д. Другие примеры использования включают, например, графические аппликации (наклейки) для целей идентификации, такие, например, как на полицейских, пожарных и иных аварийных машинах, рекламные материалы, материалы для стимулирования сбыта и характерные ярлыки, подтверждающие принадлежность к торговой марке.

Еще один вид листового материала, несущего изображение, приводится в патенте США №4200875 (Galanos). Galanos (Галанос) описывает использование особого «световозвращающего листового материала типа экспонированной линзы с особо высоким коэффициентом усиления», в котором изображения формируются путем лазерного облучения листового материала через маску или шаблон. Указанный листовой материал включает в себя множество прозрачных стеклянных микросфер, частично скрытых в связующем слое и частично открыто выступающих над ним, с металлическим отражающим слоем, нанесенным на скрытую поверхность каждой из множества микросфер. Связующий слой содержит газовую сажу, которая, по мнению специалистов, минимизирует любой рассеянный свет, падающий на лист во время его облучения. Энергия лазерного луча затем концентрируется с помощью фокусирующего эффекта микролинз, скрытых в связывающем слое.

Изображения, формируемые в ретроотражающем покрытии, предлагаемом Галанос, можно наблюдать при условии, и только при условии, если лист наблюдается под тем же углом, под которым лазерное излучение было направлено на лист. Иначе говоря, это означает, что изображение можно наблюдать только в пределах очень ограниченного угла зрения. Вследствие этого, а также в силу других причин возникло желание улучшить некоторые свойства такого листового материала.

Еще в 1908 году Gabriel Lippman (Г.Липпман) изобрел способ создания истинного трехмерного изображения объекта в линзообразной среде с одним или несколькими светочувствительными слоями. Этот процесс, известный как интегральная фотография, также описан De Montebello (Де Монтебелло) в работе Processing and display of three-dimensional data II (обработка и отображение трехмерных данных II), опубликованной в сборнике Proceedings of SPIE (протоколы Международного общества технической оптики), San Diego, 1984. По способу Липпмана фотографическая пластинка экспонируется через массив или растр, состоящий из линз (или микролинз), таким образом, что каждая микролинза массива передает микроизображение репродуцируемого объекта на светочувствительные слои фотопластинки таким, каким он видится в перспективе точки на листе, занимаемой микролинзой. После проявления фотографической пластинки наблюдатель, который смотрит на комбинированное изображение на пластинке через растр или массив микролинз, видит стереоскопическое изображение фотографируемого объекта. Изображение может быть черно-белым или цветным, в зависимости от используемого светочувствительного материала.

Поскольку изображение, формируемое микролинзами при экспонировании пластинки, каждое микроизображение прошло лишь одно инвертирование (обращение), то создаваемое трехмерное изображение является псевдоскопическим. То есть воспринимаемая глубина изображения является перевернутой таким образом, что объект кажется вывернутым наизнанку. Это является крупным недостатком, поскольку для исправления изображения требуются две оптических инверсии. Данные способы являются сложными, поскольку требуют неоднократного экспонирования с помощью одной или нескольких камер или использования многолинзовых камер для съемки множества видов одного и того же объекта и требуют очень точной фиксации множества изображений для получения одного стереоскопического (трехмерного) изображения. Кроме того, любой способ, который основан на использовании обычной камеры, требует присутствия перед камерой реального объекта. Это в свою очередь делает этот способ плохо приспособленным для получения стереоскопических изображений виртуального объекта (т.е. объекта, который существует практически, но не в реальности). Другой недостаток интегральной фотографии заключается в том, что комбинированное изображение требуется подсвечивать со стороны наблюдателя, чтобы можно было получить реальное, воспринимаемое визуально изображение.

Краткое изложение сущности изобретения

Настоящее изобретение описывает микролинзовый листовой материал, несущий составное изображение, которое кажется подвешенным под или над листовым материалом. Для удобства изложения данные «подвешенные» изображения называются плавающими и могут наблюдаться под или над листовым материалом (как плоские или стереоскопические) или могут быть стереоскопическими и наблюдаться над листовым материалом, в одной плоскости с ним или под ним. Изображения могут быть черно-белыми или цветными и создают иллюзию перемещения вместе с наблюдателем. В отличие от некоторых голографических листовых материалов, экспонированные листы, описываемые в настоящем изобретении, не могут использоваться для реплицирования. Кроме того, плавающие изображения могут наблюдаться невооруженным глазом.

Представленный согласно изобретению листовой материал с составным изображением может применяться в различных целях, таких как защита от искажения изображений в паспортах, на личных жетонах, банкнотах, разовых пропусках, специальных кредитных карточках, ярлыках для установления подлинности товара, а также проверка и контроль при рекламировании, подтверждение принадлежности к торговой марке, когда изображение товарного знака выглядит как плавающее или тонущее или плавающее и тонущее одновременно; применяться в опознавательных целях на графических аппликациях, подобных эмблемам полицейских, пожарных или иных аварийных машин, а также в информационных целях на киосках, ночных указателях и приборных щитках автомобилей и других транспортных средств; применяться для украшения одежды и модных аксессуаров, ретроотражательной защитной одежды и оборудования, а также для подтверждения новизны продукта путем использования составных изображений на таких предметах как визитные карточки, висячие бирки, кустарные изделия, обувь и стеклянная тара.

Кроме того, настоящее изобретение предоставляет новые возможности для создания графического листового материала, содержащего описываемые составные изображения. В одном из примеров осуществления данного изобретения формируется одно составное изображение. Есть примеры с формированием двух и более составных изображений, а также примеры составных изображений, которые создают впечатление, что они находятся над и под листовым материалом. В других примерах осуществления данного изобретения могут быть сочетания обычных печатных изображений с составными изображениями, формируемыми в соответствии с данным изобретением.

Краткое описание чертежей

В нижеследующем описании изобретения будут делаться ссылки на прилагаемые чертежи, где:

Фиг.1 представляет собой увеличенный поперечный разрез микролинзового листового материала с «открытыми линзами»;

Фиг.2 представляет собой увеличенный поперечный разрез микролинзового листового материала со «скрытыми линзами»;

Фиг.3 представляет собой увеличенный поперечный разрез микролинзового листового материала, включающего плосковыпуклый базовый лист;

Фиг.4 дает графическое представление расходящейся энергии, падающей на микролинзовый листовой материал, построенный из микросфер;

Фиг.5 представляет собой вид в плане участка микролинзового листового материала с образцами изображений, зафиксированных в слое материала, прилегающем к отдельным микросферам, и показывает, что зафиксированные изображения включают как полные, так и частичные копии комбинированного изображения;

Фиг.6 является оптическим микроснимком микролинзового листового материала с радиационно-чувствительным слоем (т.е. слоем, чувствительным к излучению), изготовленным из алюминиевой пленки, на которой было сформировано составное изображение, которое создает впечатление, что оно плавает над листовым материалом в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.7 является оптическим микроснимком микролинзового листового материала с радиационно-чувствительным слоем, изготовленным из алюминиевой пленки, на которой было сформировано составное изображение, которое создает впечатление, что оно плавает под листовым материалом в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.8 дает геометрическое оптическое представление формирования составного изображения, которое создает впечатление, что оно плавает над микролинзовым листовым материалом;

Фиг.9 дает схематическое представление листового материала с составным изображением, которое создает впечатление, что оно плавает над изобретенным листовым материалом при наблюдении листового материала в отраженном свете;

Фиг.10 дает схематическое представление листового материала с составным изображением, которое создает впечатление, что оно плавает над изобретенным листовым материалом при наблюдении листового материала в проходящем свете;

Фиг.11 дает геометрическое оптическое представление формирования составного изображения, которое создает впечатление, что оно плавает под микролинзовым листовым материалом;

Фиг.12 дает схематическое представление листового материала с составным изображением, которое создает впечатление, что оно плавает под изобретенным листовым материалом, являющимся предметом настоящего изобретения, при наблюдении листового материала в отраженном свете;

Фиг.13 дает схематическое представление листового материала с составным изображением, которое создает впечатление, что оно плавает под листовым материалом, являющимся предметом настоящего изобретения, при наблюдении листового материала в проходящем свете;

Фиг.14 изображает оптическую систему для создания расходящейся энергии, используемой для формирования составных изображений в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.15 изображает вторую оптическую систему для создания расходящейся энергии, используемой для формирования составных изображений в соответствии с настоящим изобретением; и

Фиг.16 изображает третью оптическую систему для создания расходящейся энергии, используемой для формирования составных изображений в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание изобретения

Микролинзовый листовой материал, описываемый в настоящем изобретении, обеспечивает составное или комбинированное изображение, составленное из отдельных изображений, получаемых от нескольких микролинз, которое кажется подвешенным или плавающим над листовым материалом, в одной плоскости с ним или/и под ним.

Для полного описания изобретения ниже в Части I дается описание микролинзовых листовых материалов, затем следуют описания слоев указанного материала (предпочтительно покрытий из радиационно-чувствительных материалов) в Части II, источников излучения в Части III и процесса формирования изображения в Части IV. Несколько примеров также приводятся в целях дальнейшего пояснения различных примеров воплощения данного изобретения.

I. Микролинзовый листовой материал

Микролинзовый листовой материал, в котором изображения могут формироваться согласно настоящему изобретению, состоит из одного или нескольких дискретных слоев микролинз со слоем материала, как будет ясно из нижеследующего описания (предпочтителен радиационно-чувствительный материал или покрытие), расположенного рядом с одной стороной микролинзового слоя или слоев. Например, на Фиг.1 представлен микролинзовый листовой материал 10 типа «открытой линзы», который включает в себя монослой прозрачных микросфер 12, которые частично скрыты в связывающем слое 14, обычно представляющем собой полимерный материал. Микросферы являются прозрачными как для волн излучения, которое может применяться для формирования изображения на слое материала, так и для волн света, при котором составное изображение будет наблюдаться. Слой материала 16 расположен на задней поверхности каждой микросферы и в приводимом примере осуществления изобретения обычно находится в контакте лишь с частью поверхности каждой из микросфер 12. Данный тип листового материала подробно описан в патенте США №2326634 и в настоящее время поставляется компанией 3М под названием «отражающая ткань серии Scotchlite 8910».

На Фиг.2 представлен еще один подходящий тип микролинзового листового материала. В данном микролинзовом листовом материале 20 типа «скрытой линзы» линзы 22 микросфер скрыты в прозрачном защитном покрытии 24, которое обычно представляет собой полимерный материал. Слой материала 26 расположен позади микросфер на обратной поверхности прозрачного разделительного слоя 28, который обычно представляет собой полимерный материал. Указанный тип листового материала подробно описан в патенте США №3801183 и в настоящее время поставляется компанией 3М под названием ретроотражающий листовой материал Scotchlite 3290 серии Engineer grade. Другой подходящий тип микролинзового листового материала называется листовой материал с капсулированными линзами, пример которого дается в патенте США №5064272 и в настоящее время поставляется компанией ЗМ под названием «световозвращающий листовой материал Scotchlite 3870 серии High Intensity grade».

На Фиг.3 представлен еще один подходящий тип микролинзового листового материала. Данный материал включает прозрачный плосковыпуклый или асферический базовый лист 20, имеющий первую и вторую широкие лицевые стороны, причем вторая сторона 32 значительно более плоская, а первая сторона снабжена массивом в основном полусферических или полуасферических микролинз 34. Форма микролинз и толщина базового листа выбираются таким образом, чтобы направленный свет, падающий на матрицу, фокусировался приблизительно на второй стороне. На второй стороне находится слой материала 36. Листовой материал подобного рода описан, например, в патенте США №5254390 и в настоящее время поставляется компанией 3М под названием «2600 series 3М Secure Card receptor».

Микролинзы листового материала предпочтительно имеют преломляющую поверхность, формирующую изображение, для того чтобы изображение было сформировано; обычно это обеспечивается криволинейной поверхностью микролинз. Для криволинейных поверхностей микролинзы будут предпочтительно иметь равномерный показатель преломления. Другие полезные материалы, которые обеспечивают переменный показатель преломления (ППП), не обязательно должны иметь криволинейную поверхность для преломления света. Поверхности микролинз предпочтительно сферические по характеру, но приемлемы и асферические поверхности. Микролинзы могут обладать любой симметрией, например цилиндрической или сферической, при условии, что реальные изображения формируются на преломляющих поверхностях. Сами микролинзы могут иметь дискретную форму, например круглые плосковогнутые микролинзы, круглые двояковогнутые элементарные линзы, стержни, микросферы, бусинки или цилиндрические элементарные линзы. Материалы, из которых микролинзы могут быть сформированы, включают стекло, полимеры, минералы, кристаллы, полупроводники и сочетания этих и других материалов. Могут применяться и недискретные микролинзовые элементы. Таким образом, микролинзы, сформированные в результате процесса репликации или тиснения (когда форма поверхности листового материала меняется таким образом, что получается повторяющийся профиль с характеристиками, влияющими на формирование изображений), могут также применяться.

Наиболее эффективны микролинзы с постоянным показателем преломления от 1,5 до 3,0 для видимых и инфракрасных волн. У подходящих микролинзовых материалов будет минимальное поглощение видимого света, и в примерах осуществления изобретения, в которых источник энергии используется для формирования изображения на радиационно-чувствительном слое, материалы также должны обладать минимальным поглощением энергии источника. Преломляющая сила микролинз, будь они дискретными или реплицированными, и независимо от материала, из которого микролинзы изготовлены, предпочтительно такова, что свет, падающий на преломляющую поверхность, будет преломляться и фокусироваться на противоположной стороне микролинзы. Точнее говоря, свет будет фокусироваться или на обратной стороне микролинзы, или на материале, прилегающем к микролинзе. В примерах воплощения изобретения, где слой материала является радиационно-чувствительным, микролинзы предпочтительно формируют уменьшенное реальное изображение в соответствующем месте этого слоя. Уменьшение изображения приблизительно в 100-800 раз особенно эффективно для формирования изображений с хорошим разрешением. Структура микролинзового листового материала для обеспечения таких необходимых условий для фокусировки, когда энергия, падающая на переднюю поверхность микролинзового листового материала, фокусируется на слое материала, который предпочтительно является радиационно-чувствительным, описана в патентах США, на которые были сделаны ссылки выше по тексту данного раздела.

Микросферы с диаметрами в диапазоне от 15 микрометров до 275 микрометров предпочтительны, хотя могут использоваться микросферы и других размеров. Хорошее разрешение комбинированного изображения для тех комбинированных изображений, которые должны казаться сдвинутыми относительно микросферного слоя на относительно короткое расстояние, можно получить путем использования микросфер с диаметрами, близкими к меньшему пределу вышеуказанного диапазона, а то же самое для составных изображений, которые должны казаться сдвинутыми от микросферного слоя на большее расстояние, можно получить с помощью микросфер большего размера. Можно ожидать, что другие микролинзы, такие как плосковогнутые, цилиндрические, сферические или асферические микролинзы, имеющие размеры, сравнимые с теми, которые указаны для микросфер, дадут аналогичные оптические результаты.

II. Слой материала

Как было указано выше, рядом с микролинзами находится слой материала. Слой материала может иметь высокую отражающую способность, как в некоторых вышеописанных листовых материалах микролинз, либо он может иметь низкую отражающую способность. Когда материал имеет высокую отражающую способность, листовой материал может обладать световозвращающими свойствами, что описано в патенте США №2326634.

Отдельные изображения, формируемые в материале, связанном с множеством микролинз, при наблюдении их в отраженном или проходящем свете, дают составное изображение, которое кажется подвешенным или плавающим над листовым материалом, в одной плоскости с ним или под ним. Хотя могут применяться и другие способы, все же предпочтительным способом получения подобных изображений является использование радиационно-чувствительного материала в качестве слоя материала и применение излучения для изменения этого материала желательным образом с целью получения изображения. Таким образом, хотя изобретение и не сводится только к этому, дальнейшее обсуждение слоя материала, прилегающего к микролинзам, будет проходить главным образом на примере слоя радиационно-чувствительного материала.

Радиационно-чувствительные материалы, применяемые в данном изобретении, включают покрытия и пленки металлических, полимерных и полупроводниковых материалов, а также их смесей. Как указывается в ссылке на настоящее изобретение, материал считается «радиационно-чувствительным», если при воздействии на него определенным уровнем видимого или иного излучения внешний вид данного экспонированного материала меняется и контрастирует с материалом, который не подвергался воздействию излучения. Изображение, полученное таким способом, может быть результатом комбинированного изменения, удаления или абляции материала, изменения фазы или полимеризации радиационно-чувствительного покрытия. Примеры радиационно-чувствительных материалов в виде металлических пленок включают алюминий, серебро, медь, золото, титан, цинк, олово, хром, ванадий, тантал и их сплавы. Данные металлы обычно обеспечивают контраст из-за разницы между природным цветом металла и измененным цветом металла после его облучения. Как указывалось выше, изображение может быть также получено в результате абляции или радиационного нагрева материала до момента, пока изменения оптических свойств материала не трансформируются в изображение. Например, в патенте США №4743526 описывается нагрев металлического сплава до изменения цвета.

Кроме металлических сплавов, металлические окиси и недокиси могут использоваться в качестве радиационно-чувствительной среды. Материалы данного класса включают окисные соединения, формируемые из алюминия, железа, меди, олова и хрома. Неметаллические материалы, такие как сульфид цинка, селенид цинка, двуокись кремния, индий, окись олова, окись цинка, фтористый магний и кремний, могут также обеспечить цвет или контраст, которые используются в настоящем изобретении.

Несколько слоев тонкопленочных материалов могут также применяться в качестве уникальных радиационно-чувствительных материалов. Данные многослойные материалы могут конфигурироваться с целью получения контрастных изменений внешнего вида спосорбом добавления или удаления цвета или контрастирующего вещества. Типичные структуры включают оптические пакеты или настраиваемые резонаторы, предназначенные для формирования на них изображения (например, путем изменения цвета) с помощью облучения их в особом диапазоне волн. Один характерный пример описан в патенте США №3801183, в котором приводится методика использования сульфида криолита/цинка (Na₃AlF₆ /ZnS) в качестве диэлектрического зеркала. В другом примере описывается оптический пакет, включающий хром/полимер (наподобие бутадиена, полимеризированного в плазме)/диоксид кремния/алюминий, в котором толщина слоев лежит в пределах 4 нм для хрома, от 20 нм до 60 нм для полимера, от 20 нм до 60 нм для диоксида кремния и от 80 нм до 100 нм для алюминия, и где толщина отдельных слоев выбирается с целью обеспечения конкретной цветовой отражательной способности в видимом спектре. Тонкопленочные настраиваемые резонаторы могли бы использоваться с любой из вышеописываемых однослойных тонких пленок, например настраиваемый резонатор со слоем хрома толщиной приблизительно 4 нм и слоем диоксида кремния толщиной приблизительно от 100 нм до 300 нм, причем толщина слоя диоксида кремния корректируется для обеспечения цветного изображения с помощью облучения в особом диапазоне волн.

Радиационно-чувствительные материалы, используемые в настоящем изобретении, также включают термохромные материалы. «Термохромным» считается материал, который изменяет цвет с изменением температуры. Примеры термохромных материалов, используемые в настоящем изобретении, описаны в патенте США №4424990, и они включают карбонат меди, нитрат меди с тиомочевиной и карбонат меди с серой с содержанием таких соединений, кактиоловые кислоты, эфиры тиоловой кислоты, сульфоксиды и сульфоны. Примеры других подходящих термохромных соединений описаны в патенте США №4121011, и они включают гидратные сульфаты и нитриды бора, алюминия и висмута, а также оксиды и гидроксиды бора, железа и фосфора.

Естественно, если слой материала не подлежит экспонированию с целью получения изображения с использованием источника излучения, то такой слой материала может, хотя не обязательно должен, быть радиационно-чувствительным. Тем не менее, радиационно-чувствительные материалы более предпочтительны из-за легкости их изготовления, а поэтому и предпочтительнее использовать подходящий источник излучения.

III. Источники излучения

Как указывалось выше, предпочтительным способом получения структуры изображения на слое материала, прилегающего к микролинзам, является использование источника излучения для формирования изображения на радиационно-чувствительном материале. Любой источник энергии, обеспечивающий излучение желаемой интенсивности и длины волны, может использоваться для реализации способа, описываемого в настоящем изобретении. Наиболее предпочтительными считаются устройства, способные обеспечить излучение в диапазоне длин волн от 200 нм до 11 микрометров. Примерами источников излучения с высокой пиковой мощностью для использования в настоящем изобретении могут быть эксимерные лампы-вспышки, микрочиповые лазеры с пассивной добротной модуляцией, лазеры с модуляцией добротности, использующие легированные ниодимом алюмоиттриевый гранат (Nd:YAG) и фторид иттрия-лития (Nd:YLF), и легированный титаном сапфир (Ti-сапфир). Указанные источники высокой пиковой мощности более всего подходят для использования с радиационно-чувствительными материалами, на которых изображение формируется путем абляции - удаления материала или путем многофотонного поглощения. Другие примеры используемых источников излучения включают устройства, которые дают низкую пиковую мощность, например полупроводниковые лазеры, ионные лазеры, твердотельные лазеры без модуляции добротности, паросветные лазеры, газовые лазеры, дуговые лампы и лампы накаливания высокой мощности. Указанные источники особенно подходят для формирования изображения на радиационно-чувствительном материале неабляционным способом.

Во всех случаях применения источников излучения энергия этих источников направляется на микролинзовый листовой материал и регулируется до формирования значительно расходящегося пучка энергии. Для источников энергии, находящихся в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном участках электромагнитного спектра, свет регулируется соответствующими оптическими элементами, примеры которых приведены на Фиг.14, 15 и 16 и подробно анализируются ниже. В одном из примеров воплощения данного изобретения от указанного пакета оптических элементов, который обычно называется оптической системой, требуется, чтобы оптическая система направляла свет на листовой материал с необходимым расхождением или рассеиванием, чтобы микролинзы и, соответственно, слой материала были облучены под нужным углом, составные изображения в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно получаются с помощью светорассеивающих устройств с числовыми апертурами (определяемыми как синус половины угла максимально расходящихся лучей), превышающими или равными 0,3. Светорассеивающие устройства с числовыми апертурами большего размера дают составные изображения с большим углом зрения и больший диапазон кажущегося движения изображения.

IV. Процесс формирования изображения

Примерный процесс формирования изображения в соответствии с настоящим изобретением заключается в пропускании направленного света от лазера через линзу на микролинзовый листовой материал. Для получения листового материала, имеющего плавающее изображение, описание которого следует ниже, свет посылается через рассеивающие линзы с высокой числовой апертурой (ЧА) для получения конуса сильно расходящегося света. Линза с высокой ЧА - это линза с ЧА, равной или превышающей 0.3. Та сторона микросфер, на которой нанесено радиационно-чувствительное покрытие, устанавливается от линз на таком расстоянии, чтобы ось конуса света (оптическая ось) была направлена перпендикулярно плоскости микролинзового листового материала.

Так как каждая отдельная микролинза занимает уникальное положение относительно оптической оси, то луч света, падающий на каждую микролинзу, будет обладать уникальным углом падения относительно луча света, падающего на все другие микролинзы. Таким образом, свет будет передаваться каждой микролинзой в уникальную точку слоя материала и создавать уникальное изображение. Точнее говоря, один световой импульс будет создавать только одну точку изображения на слое материала, поэтому чтобы получить изображение рядом с каждой микролинзой, нужно большое количество световых импульсов, чтобы воспроизвести изображение из многих изображаемых точек. Для каждого импульса оптическая ось занимает новое положение относительно положения, которое оптическая ось занимала во время предыдущего импульса. Такие последовательные изменения положения оптической оси относительно микролинз приводят к соответствующему изменению угла падения луча света на каждую микролинзу и, соответственно, к изменению положения точки изображения, создаваемой на слое материала этим импульсом. В результате падающий свет, фокусирующийся на задней стороне микросферы, формирует определенный растр изображения на радиационно-чувствительном слое. Поскольку положение каждой микросферы является уникальным относительно каждой оптической оси, для каждой микросферы изображение, формируемое на радиационно-чувствительном материале, будет отличаться от изображения, связанного с каждой другой микросферой.

Другой способ формирования плавающих составных изображений заключается в использовании массива линз для создания сильно расходящегося пучка света для формирования изображения на материале с микролинзами. Микролинзовый массив состоит из многих маленьких линз, которые все имеют высокие ЧА, расположенные планиметрически. Когда массив освещается источником света, то он создает многочисленные конусы сильно расходящегося света, причем каждый отдельный конус центрируется на соответствующей линзе массива. Физические размеры массива выбираются таким образом, чтобы вместить самый большой поперечный размер составного изображения. Вследствие такого размера массива отдельные конусы энергии, формируемые маленькими линзами (микролинзами), будут воздействовать на микролинзовый материал таким образом, как если бы какая-либо отдельная линза располагалась последовательно во всех точках массива при приеме световых импульсов. Избирательность, с которой линзы получают падающий свет, создается с помощью отражательной маски. Эта маска будет иметь прозрачные области, соответствующие участкам составного изображения, которые будут отображаться, и отражательные участки, которые не должны быть видны. Благодаря поперечному размеру линзового массива нет необходимости применять многократные световые импульсы для вычерчивания изображения.

Вследствие полного освещения маски падающей энергией пропускающие энергию участки маски будут формировать много отдельных конусов сильно расходящегося света, очерчивая плавающее изображение таким образом, как если бы оно было прочерчено одной линзой. Как следствие, требуется только один световой импульс для формирования всего составного изображения на микролинзовом листовом материале. В свою очередь, вместо отражательной маски может применяться система позиционирования луча, подобная гальванометрическому двухкоординатному (х-у) развертывающему устройству, для местного освещения линзового массива и вычерчивания комбинированного изображения на массиве. Поскольку с помощью данного способа энергия пространственно локализуется, освещаются только несколько микролинз в определенный момент времени. Те микролинзы, которые освещаются, будут создавать конусы сильно расходящегося света, который необходим для экспонирования микролинзового материала для формирования составных изображений на листовом материале.

Сам линзовый массив может быть изготовлен из дискретных микролинз или с помощью травления для получения монолитного линзового массива. Материалы, которые подходят для изготовления линз, должны быть такими, которые не поглощают свет на длине волны падающей энергии. Предпочтительно, чтобы отдельные линзы массива имели ЧА более 0,3 и диаметры более 30 микрометров, но менее 10 мм. Такие массивы могут иметь неотражающее покрытие для снижения влияния обратного отражения, которое может вызвать внутренние повреждения материала линзы. Кроме того, отдельные линзы с эффективным отрицательным фокальным расстоянием и размерами, эквивалентными линзовому массиву, также могут использоваться для увеличения расхождения (дивергенции) света, исходящего из массива. Формы отдельных микролинз в монолитном массиве выбираются с высокой ЧА и с возможностью обеспечения большого коэффициента заполнения, приблизительно превышающего 60%.

На Фиг.4 дается графическое схематическое представление расходящейся энергии, направленной на микролинзовый листовой материал. Часть слоя материала, на котором или в котором формируется изображение I, различна для каждой микролинзы, поскольку каждая микролинза «видит» поступающую энергию в разной перспективе. Таким образом, уникальное изображение формируется в слое материала, связанном с каждой микролинзой.

После формирования изображения в зависимости от размера протяженного объекта полное или частичное изображение объекта будет присутствовать в радиационно-чувствительном материале за каждой микросферой. Степень репродуцирования реального объекта в качестве изображения за микросферой зависит от плотности энергии, падающей на микросферу. Части протяженного объекта могут находиться достаточно далеко от района микролинз, вследствие чего энергия, падающая на эти микросферы, имеет плотность ниже уровня излучения, необходимого для модификации этого материала. Более того, если изображение является протяженным в пространстве, то при формировании изображения с помощью линзы с фиксированной ЧА не все части листового материала будут подвергаться облучению от всех деталей протяженного объекта. В результате те части объекта не будут модифицированы в радиационно-чувствительной среде, и только частичное изображение объекта появится позади микросфер. На Фиг.5 дается вид в перспективе части микролинзового листового материала, на котором представлены примерные изображения, сформированные в радиационно-чувствительном слое, прилегающем к отдельным микросферам, и показывается, что зафиксированные изображения включают как полные, так и частичные репликации составных изображений. На Фиг.6 и 7 приводятся оптические микроснимки микролинзового листового материала с изображением, сформированным в соответствии с настоящим изобретением, в котором радиационно-чувствительным слоем является слой алюминия. Из них видно, что одни изображения полные, а другие частичные.

Составные изображения можно также рассматривать как результат суммирования многих изображений как полных, так и частичных, которые все имеют различные перспективы реального объекта. Многие уникальные изображения сформированы через массив миниатюрных линз, все из которых «видят» объект или изображение с различных точек зрения. За отдельными миниатюрными линзами в слое материала создается перспектива изображения, которая зависит от формы изображения и направления, с которого энергия источника, формирующего изображение, была получена. Однако не все, что видит линза, фиксируется на радиационно-чувствительном материале. Только та часть изображения или объекта наблюдаемого линзой, которая обладает достаточной энергией для модификации радиационно-чувствительного материала, будет записана.

Объект, который должен быть воспроизведен в изображении, формируется с помощью источника интенсивного света путем вычерчивания контуров «объекта» или с помощью маски. Чтобы изображение, записываемое таким образом, имело составной ракурс, свет от объекта должен излучаться в широком диапазоне углов. Когда свет, излучаемый объектом, приходит из одной точки объекта и излучается в широком диапазоне углов, все световые лучи несут информацию об объекте, но только из этой одной точки, хотя информация передается из перспективы угла светового луча. Теперь представим, что для того, чтобы получить относительно полную информацию об объекте, которую несут лучи, свет должен излучаться в широком диапазоне углов от совокупности точек, которые составляют объект. В соответствии с настоящим изобретением диапазон углов световых лучей, исходящих от объекта, регулируется оптическими элементами, расположенными между объектом и материалом микролинз. Указанные оптические элементы выбираются с таким расчетом, чтобы обеспечить оптимальный угловой диапазон, необходимый для создания составого изображения. Лучшая подборка оптических элементов получается тогда, когда создается конус света с вершиной конуса, заканчивающейся в месте расположения объекта. Оптимальные углы конуса превышают 40 градусов.

Объект уменьшается миниатюрными линзами, и свет от объекта фокусируется на энергочувствительном покрытии на фоне задней стороны миниатюрной линзы. Реальное положение фокусного пятна или изображения на задней стороне линзы зависит от направления падающих световых лучей, исходящих от объекта. Каждый конус света, исходящий от точки на объекте, освещает какую-то долю миниатюрных линз, и только те миниатюрные линзы, которые освещены с достаточной энергией, зафиксирую постоянное изображение точки на объекте.

Геометрическая оптика будет использоваться для описания формирования различных составных изображений в соответствии с настоящим изобретением. Как уже отмечалось, нижеописываемые процессы формирования изображений являются предпочтительными, но не исключительными, примерами воплощения настоящего изобретения.

А. Создание комбинированного изображения, плавающего над листовым материалом

Как явствует из Фиг.8, падающая энергия 100 (в данном случае свет) направляется на световой диффузор 101 для гомогенизации любых неоднородностей источника света. Диффузно-рассеянный свет 100а захватывается и направляется световым коллиматором 102, который направляет равномерно распределенный свет 100b на рассеивающую линзу 105а. С рассеивающей линзы световые лучи 100с расходятся в направлении микролинзового листового материала 106.

Энергия световых лучей, падающая на микролинзовый листовой материал 106, фокусируется отдельными микролинзами 111 на слое материала (в иллюстрированном примере это радиационно-чувствительное покрытие 112). Указанная сфокусированная энергия модифицирует радиационно-чувствительное покрытие 112, формируя на нем изображение, размер, форма и внешний вид которого зависят от взаимодействия между световыми лучами и радиационно-чувствительным покрытием.

Конструкция, показанная на Фиг.8, может обеспечивать листовой материал с составным изображением, которое, как будет указано ниже, кажется наблюдателю плавающим над листовым материалом, поскольку расходящиеся лучи 100с, если их продлить в обратном направлении через линзу, пересекутся в фокальной точке 108а рассеивающей линзы. Иначе говоря, если проследить прохождение гипотетических «лучей изображения» от слоя материала через каждую микросферу и обратно через рассеивающую линзу, то они встретятся в точке 108а, а это место, где появляется составное изображение.

В. Наблюдение составного изображения, которое плавает над листовым материалом

Листовой материал с составным изображением можно наблюдать с помощью света, падающего на листовой материал с той же стороны, где находится наблюдатель (отраженный свет), или же со стороны, противоположной наблюдателю (проходящий свет), или с обеих сторон. Фиг.9 дает схематическое представление о составном изображении, которое кажется невооруженному глазу наблюдателя А плавающим над листовым материалом при отраженном свете. Невооруженный взгляд можно скорректировать до нормального зрения, но не иначе, как с помощью увеличения или специального просмотрового устройства. При освещении листового материала с изображением отраженным светом, которое может быть направленным или диффузным, световые лучи отражаются обратно от листового материала с изображением так же, как от слоя материала, на который падают световые лучи. Естественно, что изображения, сформированные в слое материала, по определению кажутся отличными от участков слоя материала, на которых нет изображения, и именно так изображение может восприниматься.

Например, свет L1 может отражаться от слоя материала назад к наблюдателю. Однако слой материала может не должным образом отразить или вообще не отразить свет L2 назад к наблюдателю от тех своих участков, которые несут изображение. Таким образом, наблюдатель может заметить отсутствие световых лучей в точке 108а, совокупность которых создает составное изображение, которое кажется плывущим над листовым материалом в точке 108а. Короче говоря, свет может отразиться от всего листового материала, за исключением его частей, несущих изображение, что означает, что относительно темное составное изображение появится в точке 108а.

Возможно также, что материал, не несущий изображение, поглотит или передаст падающий свет, в то время как материал со сформированным изображением соответственно отразит или частично поглотит падающий свет для обеспечения эффекта контраста, необходимого для формирования составного изображения. В этих обстоятельствах составное изображение покажется относительно ярким составным изображением по сравнению с оставшейся частью листового материала, которая будет казаться относительно темной. Данное составное изображение может называться «реальным изображением», поскольку именно реальный свет, а не отсутствие света, создает изображение в фокальной точке 108а. Можно по желанию выбирать различные сочетания этих возможностей.

Некоторые листовые материалы со сформированным изображением могут также просматриваться в проходящем свете, как это показано на Фиг.10. Например, если участки слоя материала с изображением прозрачны, а участки без изображения нет, то большая часть света L3 будет поглощаться или отражаться слоем материала, в то время как проходящий свет L4 будет пропускаться через участки слоя материала с изображением и направляться микролинзами на фокальную точку 108а. Составное изображение будет наблюдаться в фокальной точке, где оно в данном примере будет казаться ярче, чем остальная часть листового материала. Составное изображение может называться «реальным изображением», поскольку именно реальный свет, а не отсутствие света, будет создавать изображение в фокальной точке 108а.

В ином случае, если участки слоя материала, несущие изображение, непрозрачны, а остальная часть слоя материала прозрачна, то отсутствие проходящего света в областях, занятых изображением, приведет к созданию составного изображения, которое будет казаться темнее, чем остальная часть листового материала.

С. Создание составного изображения, плавающего под листовым материалом

Также может быть создано составное изображение, которое кажется подвешенным на стороне листового материала, противоположной наблюдателю. Данное плавающее изображение, которое плавает под листовым материалом, может быть создано с помощью собирающей линзы вместо рассеивающей линзы 105, показанной на Фиг.8. Как видно из Фиг.11, падающая энергия 100 (в данном случае свет) направляется на диффузор 101 для гомогенизации любых неоднородностей источника света. Затем рассеянный свет 100а собирается и направляется в коллиматор 102, который направляет свет 100b на собирающую линзу 105b. Выходя из собирающей линзы, световые лучи 100d падают на микролинзовый листовой материал 106, который помещен между собирающей линзой и фокальной точкой 108b собирающей линзы.

Энергия световых лучей, падающих на микролинзовый листовой материал 106, фокусируется отдельными микролинзами 111 на слое материала (в иллюстрируемом примере воплощения изобретения это радиационно-чувствительное покрытие 112). Данная сфокусированная энергия модифицирует радиационно-чувствительное покрытие 112, формируя изображение, размер, форма и внешний вид которого зависят от взаимодействия между световыми лучами и радиационно-чувствительным покрытием. Конструкция, показанная на Фиг.11, может обеспечивать листовой материал с составным изображением, которое, как будет указано ниже, кажется наблюдателю плавающим под листовым материалом, поскольку сходящиеся лучи 100d, если продлить их через листовой материал, пересекутся в фокальной точке 108b рассеивающей линзы. Иначе говоря, если бы прохождение гипотетических «лучей изображения» прослеживалось от собирающей линзы 105b через каждую микросферу и через изображения на слое материала, связанные с каждой микролинзой, то они бы встретились в точке 108b, a это место, где появляется комбинированное изображение.

D. Наблюдение составного изображения, которое плавает под листовым материалом

Листовой материал с составным изображением, которое кажется плавающим под листовым материалом, можно наблюдать при отраженном свете, при проходящем свете и при обоих типах освещения. На Фиг.12 дается схематическое представление составного изображения, которое кажется плавающим под листовым материалом при его наблюдении в отраженном свете. Например, свет L5 может отражаться назад к наблюдателю от слоя материала. Однако слой материала может и не отразить свет L6 назад к наблюдателю должным образом или вообще не отразить его от участков слоя, несущих изображение. Таким образом, наблюдатель может обнаружить отсутствие световых лучей в точке 108b, совокупность которых создает составное изображение, которое кажется наблюдателю плавающим под листовым материалом в точке 108b. Короче говоря, свет может отразиться от всего листового материала, за исключением его частей, несущих изображение, что означает, что относительно темное составное изображение появится в точке 108b.

Возможно также, что материал, не несущий изображение, поглотит или передаст падающий свет, в то время как материал, несущий изображение, соответственно отразит или частично поглотит падающий свет для обеспечения эффекта контраста, необходимого для формирования составного изображения. В этих обстоятельствах составное изображение покажется относительно ярким составным изображением по сравнению с остальной частью листового материала, которая будет казаться относительно темной. Можно по желанию выбирать различные сочетания этих возможностей.

Некоторые листовые материалы, несущие изображение, могут также просматриваться в проходящем свете, как это показано на Фиг.13. Например, если участки слоя материала с изображением прозрачны, а участки без изображения нет, то большая часть света L7 будет поглощаться или отражаться слоем материала, в то время как проходящий свет L8 будет пропускаться через участки слоя материала с изображением. Продление этих лучей, называемых «лучами изображения», обратно в направлении падающего света приводит к формированию составного изображения в точке 108b. Составное изображение будет наблюдаться в фокальной точке, где в данном примере оно будет казаться ярче остальной части листового материала.

В ином случае, если участки слоя материала, несущие изображение, непрозрачны, а остальная часть слоя материала прозрачна, отсутствие проходящего света в областях, занятых изображением, приведет к созданию составного изображения, которое будет казаться темнее, чем остальная часть листового материала.

Е. Комплексные изображения

Составные изображения, создаваемые в соответствии с принципами настоящего изобретения, могут казаться плоскими, то есть иметь длину и ширину, и наблюдаться под листовым материалом, в одной плоскости с ним или над ним или быть стереоскопическими или трехмерными, то есть иметь длину, ширину и высоту. Стереоскопические составные изображения могут появляться только под или над листовым материалом или, по желанию, в любом сочетании изображений, которые могут наблюдаться под материалом, в одной плоскости с ним или над ним. Термин «в одной плоскости с листовым материалом» относится к плоскости листового материала лишь в общем смысле, т.е. когда листовой материал плоский. То есть листовой материал, который не является плоским, может также нести составные изображения, которые будут казаться, по крайней мере, частично расположенными в «одной плоскости с листовым материалом» в соответствии с употреблением данного словосочетания.

Стереоскопические составные изображения не наблюдаются в одной фокальной точке, а скорее как набор изображений, имеющих сплошную среду, состоящую из фокальных точек, в которой фокальные точки находятся и на одной стороне листа, и внутри него, и на другой его стороне. Это предпочтительно достигается путем последовательного передвижения самого листового материала или источника энергии относительно друг друга (а не использованием множества разных линз) для того, чтобы сформировать изображение на слое материала во множестве фокальных точек. Получаемое пространственно-сложное изображение представляет собой набор многих отдельных точек. Это изображение может иметь протяженность в пространстве вдоль любой из прямоугольных координат относительно плоскости листового материала.

При другом виде воздействия составное изображение можно заставлять уходить в область микролинзового листового материала, где оно исчезает. Данный тип изображения создается способом, похожим на примеры левитации с добавлением матовой маски, устанавливаемой в контакте с микролинзовыми материалами, для того, чтобы частично заблокировать прохождение света, который формирует изображение, на часть микролинзового материала. При взгляде на такое изображение можно заставить его передвигаться в зону, где свет, формирующий изображение, или уменьшается, или убирается контактной маской. Кажется, что изображение «исчезает» в этой зоне.

Составные изображения, формируемые в соответствии с настоящим изобретением, могут иметь очень широкие углы обзора, что означает, что наблюдатель может видеть составное изображение в широком диапазоне углов между плоскостью листового материала и осью визирования. Составные изображения, формируемые в микролинзовом листовом материале, состоящем из монослоя стеклянных микросфер, имеющих средний диаметр около 70-80 микрометров, можно наблюдать с помощью асферических линз с ЧА 0,64 в коническом поле обзора, чья центральная ось определяется оптической осью падающей энергии. При общем освещении составное изображение, сформированное таким способом, можно наблюдать в конусе полного угла около 80-90 градусов. Используя формирующую изображение линзу с меньшей дивергенцией или более низкой ЧА, можно формировать меньшие конусы с половинным углом.

Изображения, формируемые по методике, описываемой в настоящем изобретении, можно также получать с ограниченным углом обзора. Другими словами, такое изображение можно наблюдать с определенного направления или с небольшими угловыми отклонениями от этого направления. Такие изображения формируются способом, подобным методике, которая приводится ниже в Примере 1, за исключением того, что свет, падающий на конечную асферическую линзу, устанавливается таким образом, что только часть линзы освещается лазером. Частичное заполнение линзы падающей энергией приводит к образованию ограниченного конуса расходящегося света, падающего на микролинзовый листовой материал. У микролинзовых материалов с алюминиевым покрытием составное изображение появляется только в пределах ограниченного конуса обзора как темно-серое изображение на светло-сером фоне. Изображение кажется плавающим относительно микролинзового листового материала.

ПРИМЕРЫ

Настоящее изобретение будет в дальнейшем поясняться следующими примерами, в которых для удобства могут содержаться ссылки на некоторые фигуры.

Пример 1

В данном примере описывается листовой материал со скрытыми линзами и слоем алюминиевого материала, несущий составное изображение, которое создает впечатление, что оно плавает над листовым материалом. Оптическая система типа, показанного на Фиг.14, использовалась для формирования плавающего изображения. Оптическая система включала лазер типа Spectra Physics Quanta-Ray™DCR-2 (10) Nd:YAG laser 300, работающий в режиме модуляции добротности на своей основной волне 1,06 микрометров. Обычная ширина импульса данного лазера находится в диапазоне от 10 до 30 нс. Из лазера энергия переправлялась с помощью 99-% отражательного поворотного зеркала 302, диффузора 304 с матовым стеклом, пятикратного (5х) телескопического устройства 306, расширяющего пучок, и асферической линзы 308 с ЧА 0,64 и фокусным расстоянием 39,0 мм. Свет от асферической линзы 308 направлялся на XYZ-координатную платформу 310. Данная платформа включает три линейных платформы и в настоящее время поставляется компанией Aerotech Inc. (Питтсбург, шт.Пенсильвания) под обозначением ATS50060. Одна линейная платформа использовалась для передвижения асферической линзы вдоль оси между асферической фокальной точкой и микролинзовым листовым материалом (ось Z), а другие две платформы позволяли передвигать листовой материал по двум взаимно ортогональным горизонтальным осям относительно оптической оси.

Свет лазера направлялся на диффузор 304 с матовым стеклом для устранения любых лучевых неоднородностей, вызываемых теплом от линзы. Пятикратное расширяющее (лучи) телескопическое устройство 306, расположенное в непосредственной близости к диффузору, сводило в параллельный пучок расходящийся свет диффузора и увеличивало пучок света для заполнения асферической линзы 308.

В данном примере асферическая линза располагалась над XY-плоскостью XYZ-координатной платформы таким образом, чтобы фокальная точка линзы находилась на 1 см выше микролинзового листового материала 312. Диафрагмированный измеритель энергии, поставляемый канадской компанией Gentec, Inc. (Сан-Фе (Saint-Fey), Квебек) под обозначением ED500, с механической маской использовался для регулирования плотности энергии в плоскости листового материала. Выходная мощность лазера подстраивалась на достижение приблизительно 8 миллиджоулей на квадратный сантиметр (8 мДж/см²) на освещенной поверхности измерителя энергии, установленного в 1 см от фокальной точки асферической линзы. Образец 312 листового материала со скрытыми линзами и радиационно-чувствительным покрытием из алюминия толщиной 80 нм закреплялся на XYZ-координатной платформе 310 таким образом, чтобы сторона, покрытая алюминием, была обращена в сторону от асферической линзы 308.

Контроллер, поставляемый компанией Aerotech Inc. (Питтсбург, шт.Пенсильвания) под обозначением U21, обеспечивал подачу необходимых управляющих сигналов для передвижения XYZ-координатной платформы 312 и управляющих напряжений для генерирования импульсов лазера 300. Платформы передвигались путем импортирования файла САПР в контроллер с информацией по координатам x-y-z, командам движения и командам запуска лазера, необходимым для формирования изображения. Произвольное комплексное комбинированное изображение формировалось путем координации движений платформ по осям X, Y и Z с генерированием импульсов лазера для вычерчивания изображения в пространстве над микролинзовым материалом. Скорость передвижения платформ устанавливалась на 50,8 см/мин для частоты генерирования импульсов лазером, равной 10 Гц. Таким образом в слое алюминия рядом с микролинзами формируются непрерывные комбинированные линии.

Наблюдая микролинзовый материал при общем освещении, можно было увидеть, что изображения были темно-серыми на светло-сером фоне. При фиксированном расстоянии в 1 см между фокальной точкой и поверхностью гранулированного листового материала получалось плоское составное изображение, которое создает впечатление, что оно плавает приблизительно в 1 см над листовым материалом. Кроме того, составное изображение двигалось в достаточно больших пределах относительно перспективы обзора, так что наблюдатель мог легко наблюдать различные ракурсы составного изображения, в зависимости от угла обзора.

Пример 2

В данном примере структура листового материала с открытыми линзами и с прозрачным зеркальным радиационно-чувствительным слоем применялась для формирования составного изображения, которое кажется плавающим под микролинзовым листовым материалом. Оптическая система, которая применялась в Примере 1, применялась также и в данном примере. Микролинзовый листовой материал располагался таким образом относительно асферической линзы 308, чтобы асферическая линза находилась почти в контакте с микролинзовым листовым материалом. Мощность лазера настраивалась на достижение около 14 мДж/см²непосредственно под асферической линзой. Листовой материал с открытыми линзами состоял из частично скрытых микросфер, описываемых в патенте США №3801183, с сернисто-цинковым (ZnS) диэлектрическим зеркалом, нанесенным осаждением из паров на одну сторону микросфер. Номинальная толщина слоя ZnS была равна 60 нм. Как и в Примере 1, лазер работал на частоте 10 Гц, а листовой материал продвигался со скоростью 50,8 см/мин, что приводило к формированию непрерывных комбинированных линий на микролинзовом листовом материале. Узор в виде «шара» (круг с четырьмя вписанными дугами) был вычерчен с помощью системы платформ.

При общем освещении шар казался темным изображением на бело-желтом фоне. Темное составное изображение создает впечатление, что оно плавает на расстоянии около 39 мм под листовым материалом. Положение составного изображения соответствовало положению фокальной точки асферической линзы, что для настоящего примера соответствовало положению точки, находящейся приблизительно в 39 мм позади линзы.

Пример 3

В данном примере описывается формирование составного изображения на листовом материале с открытыми линзами с радиационно-чувствительным слоем из алюминия и с применением массива линз вместо одной асферической линзы. Оптическая система типа, представленного на Фиг.15, использовалась для формирования плавающего составного изображения. Оптическая система состояла из лазера 300 с модуляцией добротности, 99-% отражательным зеркалом 302, оптическим диффузором 304 и расширяющим (лучи) телескопом 306. Указанные элементы оптической системы, используемые в данном примере, аналогичны тем, которые описаны в Примере 1. Оптическая система в данном примере также включала двухмерный линзовый массив 407, отражательную маску 409 и отрицательную двояковогнутую линзу 411. Участки отражательной маски 409, совпадающие с участками микролинзового листового материала 412, подвергаемыми воздействию лазерного излучения, были оставлены прозрачными, а остальная поверхность отражательной маски была непрозрачной или отражательной.

Линзовый массив 407 представлял собой массив микролинз из плавленого диоксида кремния, поставляемый компанией MEMS Optical, LLC (Хантсвиль, Алабама) под обозначением 3038. Данный массив закрытых пакетированных сферических линз устанавливался почти в контакте с отрицательной двояковогнутой отрицательной линзой 411 с диаметром 75 мм и отрицательным фокусным расстоянием 150 мм. Листовой материал 412 с открытыми линзами и с радиационно-чувствительным слоем из алюминия толщиной 80 нм помещался на расстоянии до 25 мм от отрицательной двояковогнутой линзы 411. Микролинзовый листовой материал помещался на расстоянии приблизительно 1 см от фокусного расстояния объединенного оптического пути микролинзового массива и отрицательной двояковогнутой линзы. Выходная мощность лазера настраивалась на получение около 4 мДж/см² на поверхности открытых линз микролинзового листового материала. Один импульс лазера генерировался для экспонирования всего изображения.

Получаемый экспонированный микролинзовый листовой материал, при его рассмотрении при общем внешнем освещении, имел изображения, которые казались плавающими на расстоянии приблизительно 1 см над ним. Изображение выглядело темно-серым на светло-сером фоне.

Пример 4

В данном примере источник расходящихся световых лучей был получен путем отражения от рассеивающего источника. Рассеивающий рефлектор состоял из керамической бусинки с диаметром приблизительно 5 мм. Применялась оптическая система наподобие представленной на Фиг.16 данного примера. Она состояла из лазера 500, использующего легированный ниодимом алюмоиттриевый гранат (Nd:YAG) с добротной модуляцией, наподобие описываемого в Примере 1 и телескопа 502, уменьшающего размер падающего лазерного луча до диаметра приблизительно 1 мм. Свет затем направлялся на керамическую бусинку 504 под углом, достаточно отходящим от прямого, чтобы осветить приблизительно одну четвертую часть полусферы керамической бусинки 504, которая обращена в сторону микролинзового листового материала 512. Это подтверждалось путем просмотра рассеивающегося излучения через инфракрасную камеру.

Керамическая бусинка 504 располагалась над XY-платформой 510 на расстоянии приблизительно 25 мм. Падающий свет лазера устанавливался параллельно платформе образца. Листовой материал 512 со скрытыми линзами с радиационно-чувствительным слоем из алюминия толщиной 80 нм закреплялся на XY-платформе 510, а контроллер обеспечивал управляющие сигналы, подаваемые на платформу и лазер. Выходная мощность лазера настраивалась на получение около 8 мДж/см² на поверхности микролинзового листового материала. Освещение керамической бусинки 504 настраивалось на достижение наиболее равномерного светового воздействия на поверхность микролинзового листового материала 512. XY-платформа 510 передвигалась со скоростью 50,8 см/мин, а лазер генерировал импульсы с частотой 10 Гц. Комплексное изображение вычерчивалось с помощью платформы, в то время как микролинзовый листовой материал подвергался воздействию рассеянного излучения от керамического рефлектора.

При рассеянном внешнем освещении составное изображение плавало приблизительно в 25 мм над листовым материалом и выглядело темно-серым на светло-сером фоне. Изображение перемещалось на значительные расстояния относительно положения наблюдателя. При проходящем свете светящееся составное изображение плавало приблизительно в 25 мм над листовым материалом.

Пример 5

В настоящем примере слой листового материала со скрытыми линзами состоял из многослойных оптических пакетов, настроенных на определенные цвета видимого спектра. На одной стороне базового микролинзового листа с помощью вакуумного испарения и плазменной полимеризации были нанесены слои тонкой пленки до получения последовательности слоев, состоящей из хрома/плазменно полимеризированного бутадиена/двуокиси кремния/алюминия, причем слой хрома помещался рядом со скрытыми линзами. Толщины отдельных материалов подгонялись таким образом, чтобы получить цвета в красном, зеленом и синем частях видимого спектра. В Таблице 1 приведены конкретные значения толщины отдельных подготовленных материалов.

Затем базовые микролинзовые листы с покрытием расслаивались до получения многослойной основы, находящейся в контакте с ламинирующим материалом. Облицовка микролинзового листового материала затем удалялась для обнажения передней поверхности скрытых линз с расцветкой, приведенной выше в таблице.

Применялась оптическая система наподобие описываемой в Примере 1 для формирования изображений на образцах, представленных в настоящем примере. В данном случае фокальная точка асферической оптики располагалась в 1 см над микролинзовым листовым материалом. Выходная мощность лазера настраивалась на получение плотности энергии, равной 5 мДж/см², на поверхности микролинзового листового материала. Оптические свойства многослойных пакетов модифицировались в облученных областях. Вычерчивался рисунок шара для получения изображений в многослойных пакетах с помощью методики, описываемой в Примере 1.

При рассеянном внешнем освещении облученные области имели цвет от светло-желтого до оранжевого на цветовом фоне микролинзового листового материала. Все комбинированные изображения казались плавающими над листовым материалом и двигались относительно наблюдателя.

Пример 6

В примере описывается второй тип многослойного настроенного пакета в качестве радиационно-чувствительного слоя для получения цветного комбинированного изображения. Оптические пакеты подготавливались на микролинзовом базовом листе, состоящем из листового материала со скрытыми линзами. На одну сторону микролинзовых базовых листов наносились тонкие слои пленки с помощью вакуумного испарения до получения последовательности слоев, включающей хром/криолит/алюминий (Cr/Na₃AlF₆/Al), хром/двуокись кремния/алюминий (Cr/SiO₂/Al) или хром/фтористый магний/алюминий (Cr/MgF₂/Al) в соответствии с нижеприведенной Таблицей 2. Значения толщины диэлектрических материалов SiO₂, Na₃AlF₆ и MgF₂ корректировались до получения различных цветов видимого спектра. В Таблице 2 даются конкретные значения толщины отдельных материалов, подготовленных в различных образцах.

Затем базовые микролинзовые листы с покрытием расслаивались до получения многослойной основы, находящейся в контакте с ламинирующим материалом. После чего облицовка микролинзового листового материала удалялась для обнажения передней поверхности скрытых линз с расцветкой, приведенной выше в таблице.

Оптическая система наподобие той, которая описывается в Примере 1, применялась для формирования изображений на этих образцах. В данном примере конечная асферическая линза располагалась почти в контакте с образцом для формирования комбинированного изображения, которое создает впечатление, что оно плавает под листовым материалом. Энергия лазера подстраивалась до получения плотности энергии, которая бы постоянно изменяла оптические свойства соответствующих многослойных пакетов, представленных в Таблице 2. Буквенно-цифровые знаки SAMPLE (образец) вычерчивались в качестве изображения на данном материале способом, описываемым в Примере 1. При внешнем освещении комбинированное изображение казалось темным с бело-желтым абрисом на цветовом фоне микролинзового листового материала. Все комбинированные изображения казались плавающими в 39 мм под листовым материалом и двигались относительно наблюдателя, рассматривающего листовой материал.

Пример 7

В данном примере формировалось комбинированное изображение в листовом материале со скрытыми линзами со сплавом с фазовым переходом, состоящим из 50 процентов атомной концентрации серебра и 50 процентов атомной концентрации цинка (Ag₅₀Zn₅₀) и настроенного двухслойного пакета, состоящего из хрома и двуокиси кремния, применяемого в качестве радиационно-чувствительного слоя. Сплав с фазовым переходом не подвергался абляции облучением, в то время как настроенный двухслойный пакет усиливает спектральную отражательную способность в синей области видимого электромагнитного спектра. Радиационно-чувствительный слой наносился на разделительный слой листового материала, имеющего скрытые линзы, способом, сходным с методикой, которая применялась для нанесения тонких слоев пленки многослойного пакета на микролинзовый базовый лист в Примере 5. Прежде всего, слои хрома и двуокиси кремния наносились вакуумным способом на полимерный разделительный слой до толщины, соответственно, 40 нм и 260 нм. Затем слой сплава Ag₅₀Zn₅₀ толщиной в 80 нм наносился напылением на слой двуокиси кремния. Затем образцы расслаивались и очищались до обнажения чистой части микролинзового листового материала.

При наблюдении в рассеянном внешнем свете листовой материал казался фиолетово-голубым. Оптическая система, подобная описываемой в Примере 1, применялась для формирования изображения на радиационно-чувствительном слое Ag₅₀Zn₅₀. В качестве источника энергии вместо лазера с модуляцией добротности применялся Nd:YAG лазер с непрерывной генерацией и длиной волны 1,06 мкм. Ширина импульса контролировалась с помощью акустико-оптического модулятора в оптической системе. Дифракционный луч первого порядка пропускался через оптическую систему, подобную той, которая показана на Фиг.14. Образцы листового материала со скрытыми линзами закреплялись на XYZ-платформе. Энергия лазера, направляемая в акустико-оптический модулятор, была отрегулирована на получение мощности в 810 мВт на микролинзовом материале. Акустико-оптический модулятор был настроен на генерирование импульсов с частотой 20 Гц и продолжительностью импульса 100 микросекунд. Положительная асферическая линза, подобная той, которая применялась в Примере 1, помещалась на расстоянии 12 мм над поверхностью микролинзового материала. Изображение прочерчивалось с помощью XYZ-координатной платформы, в то время как радиационно-чувствительный слой подвергался лазерному облучению.

При рассмотрении листового материала при рассеянном внешнем освещении области со сформированным изображением казались голубыми и создавали впечатление, что они плавали на расстоянии 12 мм над микролинзовым листовым материалом.

Пример 8

В данном примере применялась реплицированная линзовая структура с медным радиационно-чувствительным слоем. Реплицированный листовой материал, подобный описываемому в патенте США №5254390, использовался в качестве микролинзового листового материала. Радиационно-чувствительный слой меди наносился методом вакуумного испарения на плоскую поверхность листового материала до толщины 80 нм. Микрореплицированный микролинзовый материал подвергался воздействию лазерного излучения с помощью оптической системы, описываемой в Примере 1. Окончательная асферическая линза устанавливалась таким образом, что ее фокальная точка находилась в 6.5 мм от поверхности микролинзового материала. Выходная мощность лазера настраивалась на получение около 7 мДж/см² на поверхности листового материала. Лазер был отрегулирован на генерирование импульсов с частотой 10 Гц, а XYZ-координатная платформа двигалась со скоростью 50,8 см/мин. Рисунок «шара» (круг с четырьмя вписанными дугами) вычерчивался над образцом.

При рассмотрении листового материала при рассеянном внешнем освещении беловатое изображение плавающего шара можно было разглядеть на фоне радиационно-чувствительного слоя, имеющего цвет меди. Данное составное изображение создает впечатление, что оно плавает на расстоянии 6 мм над листовым материалом.

Пример 9

В данном примере дается описание комбинации плоского составного изображения с составным изображением, которое создает впечатление, что оно плавает под листовым материалом. На листовом микролинзовом материале с открытыми линзами и радиационно-чувствительным слоем толщиной 80 мм формировалось изображение с помощью оптической конфигурации, описываемой в Примере 1. Асферическая линза располагалась почти в контакте с микролинзовым листовым материалом, а выходная мощность лазера была отрегулирована на получение 4 мДж/см² на поверхности образца. Контроллер программировался на вычерчивание буквенно-цифровых знаков SAMPLE (образец). Поглощающая маска помещалась поверх открытого листового материала. Маска изготовлялась путем печатания буквенно-цифровых знаков 3М на прозрачных листах способом обычного фотокопирования. Буквенно-цифровые знаки поглощали излучение, а окружающие области передавали лазерное излучение. Листовой материал с открытыми линзами и поглощающей маской устанавливался так, чтобы знаки SAMPLE формировались поверх местоположения маски.

При рассмотрении при рассеянном внешнем освещении знаки SAMPLE создавали впечатление, что они плавают на расстоянии около 39 мм под листовым материалом, а неэкспонированные знаки 3М находятся в одной плоскости с листовым материалом. Знаки 3М наблюдались только на фоне темных знаков SAMPLE.

Пример 10

В данном примере дается описание листового материала с комплексным стереоскопическим изображением. В данном примере использовался микролинзовый листовой материал со скрытыми линзами и радиационно-чувствительным слоем из алюминия толщиной 80 нм. Использовалась оптическая система, применявшаяся в Примере 1. Микролинзовый листовой материал закреплялся на XY-плоскости XYZ-координатной платформы, а асферическая линза закреплялась на оси Z. ЧА асферической линзы было равно 0,64, а фокусное расстояние 39 мм. Контроллер программировался на вычерчивание контура изометрического куба с диагональю (т.е. расстоянием между двумя противоположными вершинами куба) длиной 5 см. В соответствии с относительным положением и ориентацией куба, введенными в программу контроллера, один конец комбинированного изображения куба размещался приблизительно в 5 мм над поверхностью листового материала, а другой конец комбинированного изображения куба размещался в 5,5 см над указанной поверхностью. Изображение куба было сориентировано таким образом, чтобы вершина куба располагалась как можно ближе к наблюдателю.

При вычерчивании изометрического куба энергия одного лазерного импульса была отрегулирована на получение постоянной плотности, равной 8 мДж/см², на поверхности образца, независимо от зазора между рассеивающей линзой и листовым материалом. Лазер функционировал с частотой 10 Гц, а Х-, Y- и Z-координатные платформы передвигались со скоростью 50,8 см/мин. Изображение изометрического куба непрерывно вычерчивалось в пространстве контроллером над микролинзовым листовым материалом.

При анализе при рассеянном внешнем освещении изометрическое комбинированное изображение куба казалось темно-серым на светло-сером фоне и казалось, что оно плавало в диапазоне от 5 мм до 5,5 см над поверхностью. Кроме того, при изменении наблюдателем его зрительной перспективы изометрический куб казался вращающимся в пространстве над микролинзовым листовым материалом, показывая свои стороны, которые были ранее закрыты при других углах обзора.

Пример 11

В данном примере дается описание плавающего изображения, которое можно заставить исчезнуть. То есть составное изображение можно заставить исчезнуть и снова появиться, изменив угол обзора. Применялся листовой материал со скрытыми линзами и радиационно-чувствительным слоем из алюминия толщиной 80 нм. Для формирования изображений использовалась оптическая система, подобная той, которая применялась в Примере 1, а расстояние от асферической линзы до листового материала было выбрано таким, чтобы фокальная точка находилась в 1 см над микролинзовым листовым материалом. Контроллер программировался на вычерчивание рисунка «шара» (круг с четырьмя вписанными дугами), а выходная мощность лазера была отрегулирована на получение 8 мДж/см² на поверхности образца. На самом образце прямоугольный отрезок прозрачной ленты прикреплялся к поверхности листового материала со скрытыми линзами. Данный отрезок ленты устанавливался таким образом, что при формировании изображения на шаре часть площади, облучаемой лазером, перекрывала участок, покрытый прозрачной лентой.

При рассмотрении листового материала со сформированным изображением при рассеянном внешнем освещении наблюдалось плавающее темно-серое изображение на светло-сером фоне, которое плавало в 1 см над листовым материалом. Изменяя угол обзора можно было наблюдать, как шар входит и выходит из области, которая была закрыта прозрачной лентой. При входе шара в закрываемую маской область часть шара в этой области исчезала. При выходе шара из закрываемой маской области часть шара в этой области появлялась вновь. Комбинированное изображение не просто плавно таяло при входе в закрытую маской область, а скорее полностью исчезало при входе в данную область.

Листовой материал с составным изображением, сформированным в соответствии с настоящим изобретением, имеет свои отличительные черты, которые невозможно повторить с помощью обычного оборудования. Составные изображения могут формироваться на листовом материале, который специально предназначен для использования с паспортами, опознавательными значками, банкнотами, опознавательной графикой и кредитными карточками. Документы, требующие проверки, могут содержать данные изображения, сформированные на слоистом листовом материале, применяемом для опознавания, удостоверения подлинности и подтверждения. Для этого можно использовать обычные связующие вещества, такие как ламинирование с клеящими веществами или без них. Поставщики ценной продукции, например корпусных изделий электронной промышленности, компакт-дисков, бланков водительских прав, документов, подтверждающих право на имущество, паспортов или фирменных изделий, могут просто прикрепить многослойную пленку, изготовленную в соответствии с настоящим изобретением, на свою продукцию и проинструктировать клиентов впредь считать ценными лишь только такие изделия, которые отмечены подобным образом. Привлекательность изделий, нуждающихся в подобной защите, может быть только усилена введением листового материала с комбинированными изображениями в конструкцию изделий или путем наклейки на изделия. Комбинированные изображения могут применяться в качестве демонстрационных материалов для рекламирования, заводских ярлыков и во множестве других случаев использования, где требуется наглядное представление какого-либо уникального изображения. Рекламная информация или информация на крупных объектах, например дорожных указателях, рекламных щитах или полуприцепах, будет привлекать повышенное внимание, если она включает в себя, как часть дизайна, комбинированное изображение.

Листовой материал, несущий составные изображения, имеет очень эффектный вид, будь то при внешнем освещении, проходящем свете, а также при ретроотраженном свете, если листовой материал обладает ретроотражающими свойствами. Указанный визуальный эффект может использоваться для украшения внешнего вида изделий, на которые крепится листовой материал, несущий изображение. Подобное добавление может подчеркивать модность или стиль и может обеспечить дизайнера очень эффектным логотипом или товарным знаком. Возможные варианты применения листового материала для украшения включают аппликации на швейных изделиях, например на повседневной одежде, спортивной одежде, дизайнерской одежде, верхней одежде, обуви, фуражках, шляпах, перчатках и т.д. Аналогичным образом, листовой материал, несущий изображение, может применяться и при изготовлении модных аксессуаров для украшения, улучшения привлекательности или указания торговой марки. Таковые могут включать кошельки, бумажники, портфели, рюкзаки, фасонные сумочки, компьютерные чехлы, саквояжи, записные книжки и т.д. Кроме того, листовой материал с изображением может применяться при изготовлении различных предметов, которые обычно украшаются декоративными изображениями, торговой маркой или логотипом. Соответствующие примеры включают книги, устройства, электронику, аппаратуру, транспортные средства, спортивный инвентарь, объекты коллекционирования, предметы искусства и т.д.

В тех случаях, когда декоративный листовой материал обладает световозвращающими свойствами, информация о популярности изделия или торговой марке может сочетаться с безопасностью и личной защитой. Световозвращающие добавления на аксессуарах хорошо известны и улучшают видимость и заметность их обладателя в условиях слабого освещения. Там, где таковые добавления включают листовой материал с составным изображением, они имеют очень эффектный вид при внешнем освещении, проходящем или световозвращенном свете. Примеры их возможного использования в швейных изделиях и аксессуарах, обеспечивающих личную безопасность и защиту, включают рабочую защитную одежду, например жилеты (фуфайки), рабочую униформу, одежду для пожарников, обувь, ремни и защитные головные уборы; спортивный инвентарь и одежду, например беговые принадлежности, обувь, защитные шлемы и униформу; защитную одежду для детей и т.д.

Закрепление листового материала, несущего изображение, на вышеуказанных изделиях может осуществляться хорошо известными способами, такими, какие указаны в патентах США №5691846 (Benson, Jr. et al), 5738746 (Billingsley et al), 5770124 (Marecki et al) и 5837347 (Marecki), выбор которых зависит от характера подложки. При тканевой подложке листовой материал может вырубаться или вычерчиваться, или закрепляться при помощи шитья, термоклея, механических скрепок, радиочастотной или ультразвуковой сварки. Для твердых изделий предпочтительно использование клея, схватывающего при надавливании.

В некоторых случаях лучше всего формировать изображение после прикрепления листового материала к подложке или к изделию. Это особенно удобно при желании иметь заказное или уникальное изображение. Например, произведения искусства, рисунки, абстрактные изображения, фотографии и т.п. можно изготавливать с помощью компьютера или вводить в компьютер цифровым способом и наносить на листовой материал, причем после закрепления листового материала на подложке или на изделии. Управление устройством для формирования изображения осуществляется от компьютера вышеописанным способом.

Множественные составные изображения можно формировать на одном и том же куске листового материала, причем данные изображения могут быть как одинаковыми, так и разными. Составные изображения могут также использоваться вместе другими обычными изображениями, например напечатанными изображениями, голограммами, изограммами, дифракционными решетками, кинеграммами, фотографиями и т.д.

Различные модификации и комбинации воплощений настоящего изобретения могут быть использованы специалистами, причем указанные модификации будут находиться в пределах настоящего изобретения, как оно определено в прилагаемых пунктах формулы изобретения.

Реферат

Листовой материал включает не менее одного слоя микролинз, слой материала, примыкающего к одной стороне слоя микролинз. В слое материала формируется множество изображений, из которых хотя бы одно является частично законченным изображением. Каждое изображение связано с одной из множества микролинз и содержит одну или несколько точек, расположенных в зависимости от угла падения света на каждую из множества микролинз, передающих свет в материал через преломляющую поверхность для получения при отраженном или преломленном свете одного или более составных изображений из изображений, созданных внутри материала. Составное изображение «плавает» над листовьм материалом, или под листовым материалом, или в плоскости листового материала. Листовой материал предназначен для изготовления банкнот, одежды или аксессуаров. Составное изображение может исчезать и появляться вновь при изменении наблюдателем своего положения относительно листового материала. Обеспечивается невозможность использования листового материала для реплицирования, а также возможность наблюдения невооруженным глазом. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 табл., 16 ил.

Формула