專利名稱：具有顯示懸浮的合成圖像的微透鏡薄片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能產(chǎn)生一個或多個合成圖像的薄片，觀察者可在相對于該薄片的空間看到懸浮的上述合成圖像，該圖像的視圖隨觀察角的不同而變化。
背景技術(shù)：
具有圖形圖像或其他標(biāo)識的薄片材料應(yīng)用廣泛，特別是用作鑒別物品或文書真?zhèn)蔚臉?biāo)簽。例如，在美國專利No.3,154,872、3,801,183、4,082,426和4,099,838提到的那些薄片已經(jīng)用作車輛牌照的確認(rèn)標(biāo)簽，并作為駕駛執(zhí)照、官方文書、盒式磁帶、撲克牌、飲料包裝箱等的防偽膜使用。其他用途包括在廣告和宣傳展示中用于標(biāo)識警車、消防車或其他應(yīng)急車輛的圖形，并可用作建立品牌知名度的獨(dú)特標(biāo)簽。
在美國專利No.4,200,875(Galanos)中提出了另一種形式的成像薄片。Galanos提出使用特殊的“高增益的外露透鏡型逆射薄片”，在該薄片中，圖像是通過將激光穿過一掩模或圖案輻射到薄片上形成的。上述薄片包括許多局部嵌入粘合劑層、局部暴露在粘合劑層上的許多透明玻璃微組成。在每個微球的嵌入表面上都涂有金屬反射層。上述粘合劑層含有炭黑——據(jù)稱在成像時能將射引薄片上的雜散光減至最少。通過嵌入粘合劑層的微透鏡的聚焦效應(yīng)，能進(jìn)一步集中激光束的能量。
在Galanos的反光薄片中形成的圖像，能而且只能從激光照射薄片的角度上觀察薄片時才能看到。換句話說，只有在非常有限的觀察角內(nèi)才能看到圖像。由于以上和其他原因，需要改進(jìn)上述薄片的某些性能。
早在1908年，Gabriel Lippman發(fā)明出一種在具有一個或多個光敏層的雙凸透鏡介質(zhì)中產(chǎn)生真實(shí)的三維景象圖像的方法。該方法被稱為整體攝影技術(shù)，在1984年圣地亞哥的SPIE會議錄中，由De Montebello撰寫的“三維數(shù)據(jù)的處理與顯示II”文中也有記述。在Lippman的方法中，攝影底片通過在一個透鏡陣列曝光，使其中每一個透鏡都透射出重顯景象的一個縮小圖像，就像從該透鏡占據(jù)在薄片上的一點(diǎn)透視到攝影底片上的光敏層上看到的一樣。當(dāng)攝影底片顯影后，通過透鏡陣列觀看底片上的合成圖像的觀察者能看到拍攝到的景象的三維照片。該照片可以是黑白色或彩色的，取決于使用的光敏材料。
在底片曝光期間，因?yàn)橥ㄟ^透鏡形成的每一個圖像只進(jìn)行了一次縮小圖像的倒置，所以產(chǎn)生的三維畫面是幻視像。即觀察到的圖像深度凹凸反置，使實(shí)物看起來像“里面翻到外面”。這是一個主要缺點(diǎn)，因?yàn)橐Ｕ龍D像，需要實(shí)現(xiàn)兩次光學(xué)倒置。校正方法非常復(fù)雜，它涉及一個照相機(jī)的多次曝光，或使用多個照相機(jī)，或使用多個透鏡的相機(jī)，以紀(jì)錄同一個物體的許多視圖，這多個視圖必需極其準(zhǔn)確地重合，從而得到一個三維圖像。而且，使用傳統(tǒng)相機(jī)的任何方法都需要實(shí)物出現(xiàn)在相機(jī)前。這進(jìn)一步使上述方法不適用于攝制虛物(指在效果上存在，但實(shí)際上不存在的物體)的三維圖像。整體攝影技術(shù)的另一個缺點(diǎn)是必須從觀察的一側(cè)對合成圖像照明，才能形成可以觀察到的實(shí)像。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種微透鏡薄片，其合成圖像顯示懸浮在該薄片的上方或下方。為方便起見，這些懸浮的圖像被稱為浮像，它們可以位于薄片的上方或下方(可以兩維也可以是三維圖像)，或可以在薄片的上方、下方和薄片平面上出現(xiàn)三維圖像。這些圖像是黑白色或彩色的，并能隨觀測者觀察角的變化而移動。不象一些全息照相薄片，本發(fā)明的已成像薄片不能用來創(chuàng)建一個其自身的復(fù)制品。而且，觀察者用肉眼就可看到懸浮的圖像。
本發(fā)明的薄片具有上文所述的合成圖像，并具有多種用途，例如在護(hù)照、身份證、鈔票、游行許可證、信用卡、產(chǎn)品識別格式和廣告宣傳中用作確認(rèn)其真實(shí)性的防偽安全圖像；產(chǎn)生懸浮或沉陷或懸浮和沉陷的商標(biāo)圖像的品牌宣傳圖像；在諸如警車、消防車或其他應(yīng)急車輛的徽章上作為圖形使用的識別圖形圖像；在諸如公共電話亭、夜間牌示、車輛的儀表盤顯示上作為圖形使用的告知圖形圖像；服裝和流行飾品上的裝飾物；逆反射安全服和裝備；在諸如名片、掛牌、藝術(shù)品、鞋子和瓶裝產(chǎn)品上通過使用合成圖像來提高裝飾性。
本發(fā)明進(jìn)一步提供一種能制成含有上述合成圖像的成像薄片的新方法。在一個實(shí)施方案中，只形成一個合成圖像。也有一些實(shí)施方案，其中形成兩個或多個合成圖像，且該合成圖像出現(xiàn)在薄片的上方和下方。其他實(shí)施方案是由傳統(tǒng)的印制圖像和本發(fā)明所述的合成圖像組合而成的。
附圖簡述在此參考一些附圖來對本發(fā)明進(jìn)行說明。其中

圖1是“外露式透鏡”微透鏡薄片的放大截面圖；圖2是“嵌入式透鏡”微透鏡薄片的放大截面圖；圖3是包括平凸基片的微透鏡薄片的放大截面圖；圖4是將發(fā)散能量投射到由微球構(gòu)成的微透鏡薄片的圖示；圖5是微透鏡薄片一部分的平面圖，該圖顯示在緊貼一個個微球的材料層中紀(jì)錄的樣品圖像，并進(jìn)一步顯示所記錄的從合成圖像的完全復(fù)制到部分復(fù)制的圖像系列；圖6是使用由鋁片制成的輻射敏感材料層的微透鏡薄片的光學(xué)顯微鏡照片，依據(jù)本發(fā)明，其成像后會顯示懸浮于薄片上方的合成圖像；圖7是使用由鋁片制成的輻射敏感材料層的微透鏡薄片的光學(xué)顯微鏡照片，依據(jù)本發(fā)明，其成像后會顯示懸浮于薄片下方的合成圖像；圖8是顯示懸浮于微透鏡薄片上方的合成圖像的形成幾何光學(xué)示圖；圖9是當(dāng)在反射光中觀察薄片時，本發(fā)明所述的薄片上方顯示懸浮的合成圖像的薄片示意圖；圖10是當(dāng)在透射光中觀察薄片時，本發(fā)明所述的薄片上方顯示懸浮的合成圖像的薄片示意圖；圖11是當(dāng)觀察時，顯示懸浮于微透鏡薄片下方的合成圖像的形成幾何光學(xué)示圖；圖12是當(dāng)在反射光中觀察薄片時，本發(fā)明所述的薄片下方顯示懸浮的合成圖像的薄片示意圖；圖13是當(dāng)在透射光中觀察薄片時，本發(fā)明所述的薄片下方顯示懸浮的合成圖像的薄片示意圖；圖14是使用光學(xué)裝置產(chǎn)生發(fā)散能量以形成本發(fā)明所述合成圖像的圖示；圖15是使用第二種光學(xué)裝置產(chǎn)生發(fā)散能量以形成本發(fā)明所述合成圖像的圖示；圖16是使用第三種光學(xué)裝置產(chǎn)生發(fā)散能量以形成本發(fā)明所述合成圖像的圖示。
較佳實(shí)施方案的說明本發(fā)明所述的微透鏡薄片通過許多微透鏡產(chǎn)生的單個圖像而形成懸浮于該薄片的上方、薄片平面上、和/或下方的合成圖像。
為了對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，將在下文第I部分中介紹微透鏡薄片，接下來在第II部分中介紹這種薄片的一些材料層(較好是輻射敏感材料層)，在第III部分中介紹輻射源，并在第IV部分中介紹成像過程。本說明書還提供了幾個實(shí)施例，進(jìn)一步解釋本發(fā)明的多種實(shí)施方案。
I.微透鏡薄片能形成本發(fā)明所述圖像的微透鏡薄片是由一層或多個單層的微透鏡組成，在緊貼這層或多層微透鏡的一面鋪置一層材料(最好是輻射敏感材料或涂層如下文所述)。例如，圖1為“外露式透鏡”類型的微透鏡薄片10，它含有局部嵌入粘合劑層14的一單層透明微球12，該粘合劑層14通常為聚合物材料。上述微球既能透過用來使材料層成像的波長的輻射光，又能透過觀察合成圖像波長的光線。在每個微球的背面都鋪置一層材料層16，并在圖示的實(shí)施方案中，材料層16通常只與每一個微球12的部分表面相接觸。這種類型的薄片在美國專利No.2,326,634中有更詳細(xì)的說明，目前可使用由3M公司制造的名為Scotchlite 8910系列的反光織物。圖2為另一種合適的微透鏡薄片類型。這種微透鏡薄片20是“嵌入式透鏡”類型的薄片，其中微球透鏡22嵌入通常用聚合物材料制成的透明防護(hù)涂層24中。在微球后面透明間隔層28背面鋪置一層材料層26，該間隔層26通常也是聚合物材料。這種類型的薄片在美國專利No.3,801,183中有更詳細(xì)的說明，目前可使用由3M公司制造的名為Scotchlite 3290系列的工程級逆向反射薄片。另一種合適的微透鏡薄片類型被稱為包封式透鏡薄片，在美國專利No.5,064,272中對此種類型的一個例子進(jìn)行了說明，目前有3M公司制造的名為Scotchlite 3870系列的高強(qiáng)度級反光薄片。
圖3顯示了另一種合適的微透鏡薄片類型。這種薄片包括透明的平凸或非球面基片20。該基片20具有第一和第二主面。第二主面32基本上是平的，第一主面上具有許多的半球面或半非球面微透鏡34陣列。選取的微透鏡形狀和底部薄片厚度須使入射到微透鏡陣列的準(zhǔn)直光大致聚焦在第二主面上。這種類型的薄片例如在美國專利No.5,254,390中有記述，目前有3M公司生產(chǎn)的名No.2600系列的3M保密卡接受器。
為生成圖像，上述薄片的微透鏡最好具有一成像折射表面，此成像折射表面通常是彎曲的。對于彎曲表面，微透鏡最好具有均勻的折射率。使用其他具有梯度折射率(GRIN)的材料則無需采用彎曲表面來折射光線。本性上微透鏡的表面最好呈球形，但非球形表面也可以使用。微透鏡可以是對稱的，如圓柱形或球形，只要通過折射表面可以形成實(shí)像。微透鏡本身的形狀可以是一個個分立的，如球形平凸鏡頭、球形雙凸鏡頭、棒狀、微球、珠狀或圓柱形鏡頭。能用來制造微透鏡的材料包括玻璃、聚合物、礦物、水晶、半導(dǎo)體和這些材料與其他材料的結(jié)合。也可以使用非分立折整體微透鏡元件。因此，也可使用模制或壓紋的方法(改變薄片表面的形狀以得到重復(fù)的外形和成像特性)制造微透鏡。
均勻的在可見光和紅外波長范圍內(nèi)折射率為1.5-3.0的微透鏡用途最廣。合適的微透鏡材料對可見光的吸收應(yīng)盡量很小，在采用能量源使輻射敏感層成像的實(shí)施方案中，微透鏡材料對能量的吸收也應(yīng)盡量最小。不管微透鏡是分立的還是復(fù)制的，也不管該微透鏡是用什么材料制成的，微透鏡的折射本領(lǐng)最好能使入射到折射表面的光線發(fā)生折射，并聚焦到微透鏡的背面。具體的是，光線應(yīng)聚焦到微透鏡的背面或緊貼子微透鏡的材料上。在材料層是輻射敏感的實(shí)施方案中，微透鏡最好在該材料層的適當(dāng)位置上形成縮小的實(shí)像?？s小大約100-800倍的圖像特別適用于形成高分辨率的圖像。在此節(jié)中先前引述的那些美國專利中，對具有必需聚焦條件的微透鏡薄片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了說明，該結(jié)構(gòu)可使入射到微透鏡薄片前表面的光能聚焦在最好是輻射敏感的材料層上。
最好使用直徑在15到275微米之間的微球，但其他尺寸的微球也可以使用。通過使用在上述范圍中較小直徑的微球，可以獲得高分辨率的合成圖像，此時該合成圖像顯得與微球?qū)娱g距較??；使用較大直徑的微球也可獲得高分辨率的合成圖像，此時該合成圖像顯得與微球?qū)娱g距較在。例如平凸形、圓柱形、球形或非球形的其他微透鏡。若其鏡頭尺寸與所述微球的尺寸差不多，預(yù)計得到的光學(xué)效果也相似。
II.材料層如前文所述，有一材料層緊貼于所述許多微透鏡。材料層可以具有高反射率——像在前文所述的某些微透鏡薄片中使用的材料層一樣，也可具有低反射率。當(dāng)材料的反射率很高時，該薄片就具有如美國專利No.2,326,634中所述的逆反射特性。當(dāng)觀察者在反射光或透射光中觀察時，在與許多微透鏡相關(guān)連的上述材料中形成的一個個圖像就會組成看起來懸浮在薄片上方、薄片平面上、和/或下方的合成圖像。盡管可以使用其它方法，但形成上述圖像的最佳辦法是用輻射敏感材料作為此材料層，然后通過輻射來以所需方式改變該材料來形成圖像。因而，盡管本發(fā)明沒有限制，但緊貼在微透鏡上的材料層的剩余問題將主要以輻射敏感材料層為例來進(jìn)行討論。
本發(fā)明中可使用的輻射敏感材料包括金屬、聚合物、半導(dǎo)體材料和這些材料的混合物的涂層和薄膜。在本發(fā)明中，如果將材料暴露在一定強(qiáng)度的可見光或其他幅射的照射下，該材料的曝光表面與未暴露在輻射下的材料表面相比發(fā)生改變，具有對比，那么這種材料就是“輻射敏感”的。由此形成的圖像可以是組成變化、材料去除或燒蝕、相變或輻射敏感涂層發(fā)生聚合的結(jié)果。輻射敏感金屬薄膜材料的例子包括鋁、銀、銅、金、鈦、鋅、錫、鉻、釩、鉭和這些金屬的合金。這些金屬的天然顏色和經(jīng)輻射暴光后改變的顏色之間的差異一般形成了對比。如前文所述，也可以采用燒蝕或輻射加熱材料的方法，直到該材料的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化來產(chǎn)生圖像。例如，美國專利4,743,526中記述了加熱金屬合金來產(chǎn)生顏色改變的方法。
除金屬合金外，金屬氧化物和金屬低氧化物也可以用作輻射敏感介質(zhì)。這類材料包括鋁、鐵、銅、錫和鉻形成的氧化物。諸如硫化鋅、硒化鋅、二氧化硅、氧化銦錫、氧化鋅、氟化鎂和硅等非金屬材料也可產(chǎn)生對本發(fā)明有用的顏色對比。
也可采用多層薄膜材料來制得特殊的輻射敏感材料。這些多層材料的結(jié)構(gòu)可以因出現(xiàn)或去除一種顏色或因?qū)Ρ葎┒a(chǎn)生對比的改變。具有代表性的結(jié)構(gòu)包括能在特定波長光線的照射下成像(例如通過顏色的改變)的光學(xué)組合件和調(diào)諧空腔。其中一個具體的例子是美國專利No.3,801,183中提出的使用冰晶石/硫化鋅(Na3AlF6/ZnS)作為介質(zhì)鏡。另一個例子是采用由鉻/聚合物(如等離子聚合丁二烯)/二氧化硅/鋁組成的光學(xué)組合件，鉻層的厚度在4nm左右，聚合物層的厚度在20-60nm之間，二氧化硅層的厚度在20-60nm之間，鋁層的厚度在80-100nm之間，且選取的各層厚度要使特定的顏色反射率落在可見光譜內(nèi)。薄片調(diào)諧空腔可使用前文所述的任何單層薄膜。例如，對于由大約4nm厚的鉻層和厚度大約在100nm-300nm之間的二氧化硅層構(gòu)成的調(diào)諧空腔，需調(diào)節(jié)二氧化硅層的厚度，使得在特定波長光線的輻照下產(chǎn)生有色圖像。
本發(fā)明適用的輻射敏感材料也包括熱致變色材料?！盁嶂伦兩笔侵府?dāng)材料經(jīng)受發(fā)生溫度變化時，其顏色發(fā)生變化?？稍诒景l(fā)明中使用的熱致變色材料的例子在美國專利No.4,424,990中有記述，它們包括碳酸銅、混有硫脲的硝酸銅、含硫化合物諸如硫醇、硫醚、亞砜和砜與碳酸銅的混合物。其他適合用作熱致變色化合物的例子在美國專利No.4,121,011中有記述，其中包括硼、鋁和鉍的水合硫酸鹽與氮化物，硼、鐵和磷的氧化物與水合氧化物。
當(dāng)然，如果材料層不準(zhǔn)備使用輻射源下來成像的話，那么該材料層可以是，但并不需要是輻射敏感材料。最好能采用簡單的方法制造出輻射敏感材料，然而，也要使用合適的輻射源。
III.輻射源如前文所述，在緊貼微透鏡的那個材料層上產(chǎn)生圖像圖案的最好方式是采用輻射源使輻射敏感材料成像。本發(fā)明方法可使用任何能產(chǎn)生所需強(qiáng)度和波長幅射的能源，尤其需要使用能產(chǎn)生波長在200nm至11μm之間的輻射的設(shè)備。本發(fā)明可使用的高功率峰值的輻射源包括受激準(zhǔn)分子閥光燈，無源Q開關(guān)微芯片激光器，和Q開關(guān)摻釹釔鋁石榴石(縮寫為Nd:YAG)、摻釹氟化釔鋰(縮寫為Nd:YLF)和摻鈦藍(lán)寶石(縮寫為Ti藍(lán)寶石)激光器。這些高功率峰值輻射源大多用于通過燒蝕——材料的去除或在多光子吸收過程中成像的輻射敏感材料。還可使用提供低功率峰值的設(shè)備作輻射源，包括激光器二極管、離子激光器、非Q開關(guān)固態(tài)激光器、金屬蒸汽激光器、氣體激光器、弧光燈和高功率白熾光源。當(dāng)輻射敏感介質(zhì)采用非燒蝕方法成像時，這些輻射源尤其有用。
對于所有適用的輻射源，其輻射的能量都指向微透鏡薄片材料，并控制形成高度發(fā)散的輻射束。對于電磁波頻譜的紫外、可見和紅外區(qū)的能源，如圖14、15和16所示的例子，可通過適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)元件控制光線，下文對此有更詳細(xì)的說明。在一個實(shí)施方案中，需要對一些光學(xué)元件進(jìn)行排列——通常稱為光學(xué)組合件，采用此光學(xué)組合件將適當(dāng)發(fā)散或分散的光線導(dǎo)向薄片材料，對微透鏡進(jìn)行照射，進(jìn)而以所需的角度照射到材料層上。要得到本發(fā)明所述的合成圖像，最好采用大于等于0.3數(shù)值孔徑(定義為最大發(fā)散射線的半角的正弦)的光線發(fā)散裝置。具有較大數(shù)值孔徑的光線發(fā)散裝置產(chǎn)生的合成圖像有較大的觀察角，圖像的表觀移動范圍也更大。
IV.成像過程依照本發(fā)明，典型的成像過程包括將本身激光器通過透鏡的準(zhǔn)直光光射向微透鏡薄片。為了使薄片產(chǎn)生懸浮圖像，如下文進(jìn)一步所述，需使該光線透過具有高數(shù)值孔徑(NA)的發(fā)散透鏡，以產(chǎn)生高度發(fā)散的錐形光束。高數(shù)值孔徑透鏡是數(shù)值孔徑等于大于0.3的透鏡。將微球的輻射敏感涂層置于遠(yuǎn)離該透鏡的地方，使錐形光束的軸線(光軸)垂直于微透鏡薄片的幾何平面。
因?yàn)橄鄬τ诠廨S，各個微透鏡占據(jù)一個特定的位置，所以入射到每一個微透鏡上的光線相對于入射到其他微透鏡上的光線，具有物定的入射角。這樣，上述光線會透過每一個微透鏡，到達(dá)材料層上一個特定的位置，并產(chǎn)生特定的圖像。更精確地說，單個光脈沖在材料層上只產(chǎn)生一個成像點(diǎn)，因此為了在緊貼每一個微透鏡處產(chǎn)生圖像，需要使用多脈沖光線由多個成像點(diǎn)形成圖像。對于每一個脈沖，其光軸相對于上一個脈沖期間的光軸位置在一個新的位置。光軸位置相對于微透鏡的這些連續(xù)變化引起光線在每一個微透鏡上的入射角的相對變化，相應(yīng)地，由該脈沖在材料層上形成的成像點(diǎn)的位置也發(fā)生變化。結(jié)果，聚焦在微球后方的入射光在輻射敏感材料層上產(chǎn)生一個所選圖案的像。因?yàn)橄鄬τ诿恳粋€光軸，每個微球的位置是特定的，所以每個微球在輻射敏感材料上形成的像與其他每個微球形成的像是不同的。
形成懸浮的合成圖像的另一種方法是使用透鏡陣列來產(chǎn)生高度發(fā)散的光線，從而使微透鏡材料成像。所述透鏡陣列是由許多高數(shù)值孔徑的微小透鏡排列成平面幾何圖形組成的。當(dāng)用光源照明此透鏡陣列時，該陣列會產(chǎn)生許多高度發(fā)散的錐形光束，每一個單獨(dú)的錐形光束匯集在透鏡陣列中相應(yīng)的透鏡上。選用的透鏡陣列的實(shí)際尺寸要能容納合成圖像的最大橫向尺寸。依靠陣列的尺寸，通過透鏡形成的一個個錐形光能會使微透鏡材料曝光，就象一個個透鏡依次置于陣列的所有點(diǎn)上來接收光脈沖一樣。通過使用反射性掩模來選擇接收入射光的透鏡。這個掩模上具有對應(yīng)于要進(jìn)行曝光的合成圖像的部分的透明區(qū)域；而在相應(yīng)于不欲曝光的部分為反射區(qū)域。由于透鏡陣列具有橫向?qū)挾?，因此無需使用多重光脈沖來成像。
通過用入射光能對掩模完全照明，掩模上允許光能透過的部分會形成許多單個的高度發(fā)散的錐形光束，從而形成懸浮圖像的輪廓，就好像該圖像是由一個單獨(dú)的透鏡成像一樣。結(jié)果，只需一個光脈沖就可在微透鏡薄片上形成整個合成圖像?；蛘卟皇褂梅瓷湫匝谀＃墒褂霉馐恢谜{(diào)節(jié)系統(tǒng)(如電流XY掃描器)來局部照明透鏡陣列，并在該陣列上描繪出合成圖像。因?yàn)樵诖思夹g(shù)中的光能是空間局域化的，所以在任何給定時間，透鏡陣列中只有一些透鏡被照明。那些被照明的透鏡會產(chǎn)生高度發(fā)散的錐形光束，使微透鏡材料曝光，從而在薄片中形成合成圖像。
透鏡陣列本身可以由許多個分立的微透鏡制成，或采用腐蝕工藝制成整體透鏡陣列。適合制作透鏡的材料是那些對入射波長的光能不吸收的材料。在透鏡陣列中的一個個透鏡最好具有大于0.3的數(shù)值孔徑，以及大于30微米且小于10毫米的直徑。上述陣列可以有抗反射涂層，用以減少會對透鏡材料產(chǎn)生內(nèi)部損傷的背反射效應(yīng)。此外，也可以使用具有有效負(fù)焦距和與該透鏡陣列相當(dāng)尺寸的許多單個透鏡來增強(qiáng)離開陣列的光的發(fā)散性。在整體陣列中，選用的單個微透鏡的形狀需具有高數(shù)值孔徑和約大于60％的高填充因子。
圖4是入射到微透鏡薄片的發(fā)散能量示意圖。對于各個微透鏡，在其上或其中形成圖像I的材料層的各個部分不同，因?yàn)楦鱾€微透鏡從不同的觀察角“看到”入射的光線。這樣，通過每一個微透鏡在材料層上形成一個特定的圖像。
成像以后，根據(jù)三維實(shí)物的尺寸情況，會在每一個微透鏡后面的輻射敏感材料上出現(xiàn)該實(shí)物的完整或局部圖像。實(shí)際物體在微透鏡后面所形成的圖像的范圍取決于入射到該微透鏡上的光能強(qiáng)度。三維實(shí)物的有些部分可能距離微透鏡區(qū)相當(dāng)遠(yuǎn)，致使入射到那些微透鏡上的光能的強(qiáng)度低于使材料發(fā)生改變所需的輻射強(qiáng)度。而且，對于間閥上的立體圖像，當(dāng)采用數(shù)值孔徑固定不變的透鏡成像時，對三維實(shí)物的所有部分，并不是薄片的所有部分都暴露于入射光線的照射。結(jié)果，相對于實(shí)物那些部分的輻射敏感介質(zhì)不發(fā)生改變，在微透鏡后面只出現(xiàn)該實(shí)物的部分圖像。圖5是微透鏡薄片一部分的透視圖，該圖顯示在緊貼一個個微透鏡的輻射敏感層上形成的樣品圖像，并進(jìn)一步顯示所記錄的從合成圖像的完全復(fù)制到部分復(fù)制的圖像。圖6和圖7是本發(fā)明的成了像的微透鏡薄片的光學(xué)顯微微照片，該薄片中的輻射敏感層是鋁層。如圖所示，一些圖像是完整的，其他則是局部的。
這些合成圖像也可以認(rèn)為是許多局部和完整的圖像——即實(shí)物的所有的不同透視圖疊加在一起的結(jié)果。這許多特定的圖像是通過微透鏡的陣列形成的，所有的這些微透鏡從不同的有利位置“看到”該實(shí)物或圖像。在每一個微透鏡后面的材料層上形成的圖像透視圖取決于圖像的形狀和材料層接收到的成像光線的輻射方向。然而，并不是透鏡看到的任何東西都能記錄在輻射敏感材料上。只有被透鏡看到并有足夠能量改變輻射敏感材料的圖形或?qū)嵨锊糠植拍鼙挥涗浵聛怼?br> 在強(qiáng)光源的輻射下，將“實(shí)物”的輪廓映射下來或通過使用掩模來使“實(shí)物”成像。為使這樣記錄下來的圖像具有合成示像，從實(shí)物上射出的光線需具有寬范圍的發(fā)射角。當(dāng)從實(shí)物上發(fā)射的光線是從實(shí)物的單個點(diǎn)上射出，并具有寬范圍的發(fā)射角度時，所有的光線都攜帶著該實(shí)物的信息——但只是那一點(diǎn)的信息，盡管該信息是從上述光線的角度透視得到的?，F(xiàn)在考慮，為了獲取關(guān)于該實(shí)物的較為完整的由光線攜帶的信息，光線需要從構(gòu)成實(shí)物的許多點(diǎn)的集合上以寬范圍的角度發(fā)射出去。在本發(fā)明中，從實(shí)物上發(fā)射出來的光線的角度范圍是由置于該實(shí)物和微透鏡材料之間的光學(xué)元件控制的。這些光學(xué)元件是用來提供產(chǎn)生合成圖像所必需的最佳角度范圍。選用最好的光學(xué)元件，可使錐形光束的錐形頂點(diǎn)落在實(shí)物的位置上。最佳的錐角約大于40度。
用微透鏡對實(shí)物進(jìn)行縮小，從實(shí)物上發(fā)射出的光線聚焦在靠微透鏡后面的能量敏感涂層上。焦斑的實(shí)際位置或在透鏡后部所成圖像的實(shí)際位置取決于從實(shí)物上發(fā)射出來的光線的入射方向。從實(shí)物的一點(diǎn)上發(fā)射出來的每個錐形光束照明著許多微透鏡中的一部分，只有被足夠強(qiáng)度的光照明的這些微透鏡才會永久記錄下實(shí)物在那點(diǎn)的圖像。
可用幾何光學(xué)來說明本發(fā)明各種合成圖像的形成。如前所述，以下講述的成像過程是本發(fā)明中較好的實(shí)施方案，但不代表所有實(shí)施方案。
A.形成懸浮于薄片上方的合成圖像如圖8所示，入射能量100(本實(shí)施例中是光)射入光漫射器101，使本身光源的光中的不均勻性均勻化。用光準(zhǔn)直儀捕獲漫射的散射光并使其平行，向發(fā)散透鏡105a發(fā)射均勻的分布式光線100b。從發(fā)散透鏡透過的光線100c發(fā)散射向微透鏡薄片106。
單個微透鏡111將射入微透鏡薄片106上的光線能量聚焦在材料層(在圖示的實(shí)施方案中為輻射敏感涂層112)上。這個聚焦的能量使輻射敏感涂層112發(fā)生變化，從而產(chǎn)生圖像。該圖像的尺寸、形狀和外觀取決于光線和輻射敏感涂層之間的相互作用。
圖8所示的裝置會使薄片產(chǎn)生一合成圖像，如下文所述，觀察者看到的該合成圖像懸浮于薄片上方。這是因?yàn)槿绻麑l(fā)散光線100c穿過透鏡向后延長，會相交在發(fā)散透鏡的焦點(diǎn)108a上。換句話說，如果假想的“成像光線”從材料層經(jīng)過每一個微透鏡發(fā)射返回并透過發(fā)散透鏡，那么它們會在點(diǎn)108a相交，該點(diǎn)就是合成圖像出現(xiàn)的位置。
B.觀察懸浮于薄片上方的合成圖像要觀察形成合成圖像的薄片時，采用從觀察者相同方向上射到薄片的光(反射光)，或從觀察者背面方向上射到薄片的光(透射光)，或兩種情況兼有。圖9是當(dāng)在反射光下觀察時，用觀察者A的肉眼看到的懸浮于薄片上方的合成圖像的示意圖。肉眼可以校正到正常視力，但不能用諸如放大鏡或特殊觀察器等其他方法作輔助。當(dāng)用反射光(可以是準(zhǔn)直的或漫反射的)照明成像薄片時，光線會從成像薄片反射回來，其反射回來的方式取決于被光線照到的材料層。根據(jù)定義，在材料層中形成的圖像看起來與材料層上非成像的部分不同，這樣就可以看到圖像。
例如，光線L1會被材料層反射回觀察者方向。然而，材料層可能不能完全將光線L2由該材料層上的已成像部分反射回觀察者，或者一點(diǎn)反射也沒有。這樣，觀察者會看到在108a處光線的缺失，這些光線疊加后，在108a處會顯示懸浮于薄片上方的合成圖像。簡而言之，光線會從成像部分以外的整個薄片上發(fā)生反射，即在108a處會出現(xiàn)相對較暗的合成圖像。
也可能是未成像的材料部分吸收或透過入射光，相應(yīng)地已成像的材料部分會反射或部分吸收入射光，從而產(chǎn)生形成合成圖像所需的對比效應(yīng)。在上述情況下形成的合成圖像相對較亮，而薄片的其余部分與之相比則較暗。這種合成圖像被稱為“實(shí)像”，因?yàn)樗怯蓪?shí)際存在的光線——而不是虛幻的光線在焦點(diǎn)108a處產(chǎn)生的圖像?？筛鶕?jù)需要選用上述可能的各種組合。
也可以用透射光線觀察某些成像薄片，如圖10所示。例如，當(dāng)材料層的已成像部分是透明的，而未成像的部分不透明時，大多數(shù)光線L3會被材料層吸收或反射，而透射光線L4會穿過材料層的已成像部分，并通過微透鏡射向焦點(diǎn)108a。在焦點(diǎn)處會出現(xiàn)合成圖像。在本實(shí)施例中，該合成圖像與薄片的其余部分相比較亮。這種合成圖像被稱為“實(shí)像”，因?yàn)樗怯蓪?shí)際光線——而不是虛幻光線在焦點(diǎn)108a處形成的像。
此外，如果材料層的已成像部分不是半透明的，而材料層的其余部分是半透明的，那么在圖像區(qū)域內(nèi)沒有透射光，會使形成的合成圖像與薄片的其余部分相比顯得較暗。
C.形成懸浮于薄片下方的合成圖像在與觀察者相背的薄片的面上也可以形成懸浮的合成圖像。通過使用會聚透鏡來代替圖8所示的發(fā)散透鏡105，就可以形成懸浮于薄片下方的懸浮圖像。如圖11所示，入射能100(本實(shí)施例中是光)射向光漫射器101，使來自光源的光中不均勻性均勻化。然后用準(zhǔn)直儀102收集這種漫射光線100a并使其平行，向會聚透鏡105b投射光線100b。從會聚透鏡透過的光線100d入射到位于該會聚透鏡和該會聚透鏡的焦點(diǎn)108b之間的微透鏡薄片106上。
一個個微透鏡111將入射到微透鏡薄片106上的光線能量聚焦在材料層(在圖示的實(shí)施方案中為輻射敏感材料涂層112)上。這個聚焦的能量會改變輻射敏感涂層112，從而產(chǎn)生圖像。該圖像的尺寸、形狀和外觀取決于光線與輻射敏感涂層之間的相互作用。圖11所示的裝置會使薄片產(chǎn)生合成圖像，且如下文所述，觀察者看到的該合成圖像懸浮于薄片下方。這是因?yàn)槿绻麑酃饩€100d延長透過薄片，則會相交在會取透鏡的焦點(diǎn)108b上。換句話說，如果假想的“成像光線”從會聚透鏡105b發(fā)射出來，然后通過每一個微球，并通過每一個微透鏡在材料層上所成的像，那么它們就會在點(diǎn)108b相交，該點(diǎn)就是合成圖像出現(xiàn)的位置。
D.觀察懸浮于薄片下方的合成圖像具有看似懸浮于薄片下方的合成圖像的薄片，可在反射光或入射光或兩者兼有的光線中對其觀察。圖12是當(dāng)在反射光下觀察時，看似懸浮于薄片下方的合成圖像的示意圖。例如，材料層會將光線L5反射返回朝著觀察者方向。然而，材料層可能不能將光線L6由該材料層上的已成像部分完全反射返回朝著觀察者方向，或者一點(diǎn)反射也沒有。這樣，觀察者會看到在108b處光線的缺失，這些反射的光線疊加后，在108b處會產(chǎn)生顯示懸浮于薄片下方的合成圖像。簡而言之，光線會從除成像部分以外的整個薄片上發(fā)生反射，即在108b處呈現(xiàn)出相對較暗的合成圖像。
也可能是未成像的材料部分吸收或透過入射光，相應(yīng)地已成像的材料部分會反射或部分吸收入射光，從而產(chǎn)生形成合成圖像所需的對比效應(yīng)。在上述情況下形成的合成圖像會呈現(xiàn)出相對較亮的圖像，而薄片的其余部分與之相比則較暗?？筛鶕?jù)需要選用上述各種可能的組合。
也可以用透射光線觀察某些成像薄片，如圖13所示。例如，當(dāng)材料層上的已成像部分是透明的，而未成像的部分不透明時，大多數(shù)光線L7會被材料層吸收或反射，而透射光線L8會穿過材料層的已成像部分。將那些透射光線(此處稱為“成像光線”)向入射光的反方向延伸，就會在108b處形成合成圖像。在焦點(diǎn)處會出現(xiàn)清晰的合成圖像，在本實(shí)施例中的合成圖像與薄片的其余部分相比較亮。
此外，如果材料層上的成像已部分不是半透明，而材料層的其余部分是半透明的，那么在圖像區(qū)域內(nèi)沒有透射光，會使形成的合成圖像與薄片的其余部分相比顯得較暗。
E.復(fù)合雜圖像根據(jù)本發(fā)明原理形成的合成圖像可以顯示是二維的——即具有長和寬，且在薄片的下方或上方或薄片平面上；或者是三維的——即圖像具有長、寬和高。三維的合成圖像只能在薄片的下方或上方出現(xiàn)；或是根據(jù)需要，出現(xiàn)在薄片下方、薄片平面和薄片上方的任意組合位置上。術(shù)語“在薄片平面上”通常僅指將薄片展平后的薄片平面。也就是說，不平展的薄片也可以形成合成圖像，該圖像至少看似部分位于此處所使用意義的短語——“在薄片平面上”。
三維合成圖像不是出現(xiàn)在一個焦點(diǎn)上，而是在連續(xù)許多個焦點(diǎn)上形成的圖像的組合。這些焦點(diǎn)的范圍可從薄片的一側(cè)到達(dá)薄片，或穿過薄片到達(dá)薄片另一側(cè)上的點(diǎn)。最好通過連續(xù)移動薄片或光源來改變兩者的相對位置(優(yōu)于使用許多個不同透鏡的方法)，使材料層在多個焦點(diǎn)處成像來獲取三維圖像。由此得到的空間上復(fù)雜的圖像主要由許多單個的點(diǎn)組成。相對于薄片平面，該圖像在三維笛卡兒座標(biāo)的任一方向上都有空間范圍。
在另一種成像效果中，可以使合成圖像移入微透鏡薄片的一個區(qū)域內(nèi)而消失不見。這種類型圖像的形成有點(diǎn)類似于懸浮圖像的例子，外加將不透明的掩模與微透鏡材料相接觸，以部分阻擋射向局部微透鏡材料的成像光線。當(dāng)觀察這種圖像時，可將圖像移入成像光線被接觸掩模減少或消除的區(qū)域。這樣圖像看起來就在那個區(qū)域內(nèi)“消失”了。
依據(jù)本發(fā)明形成的合成圖像具有非常寬的觀察角，即觀察者可以在薄片平面和觀察軸線之間的寬角度范圍內(nèi)看到合成圖像。在使用由單層平均直徑約為70-80微米的玻璃微球組成的微透鏡薄片，并使用數(shù)值孔徑為0.64的非球體透鏡時所形成的合成圖像，可在圓錐形視界中看得見。該圓錐形視界的中心軸取決于入射能量的光軸。在環(huán)境光照下，依照上述條件形成的合成圖像在大約80-90度全角度的錐形面內(nèi)都能看見。使用發(fā)散性較小或數(shù)值孔徑較低的成像透鏡會形成較小的半角錐形。
按照本發(fā)明方法形成的圖像也可以具有受限的觀察角。換句話說，該圖像只有在一特定的方向——或該方向的較小角度范圍中才能看到。在這種圖像的形成過程中，入射到末端非球形透鏡上的光線被調(diào)節(jié)到只有部分透鏡被激光輻射照射，除此以外，其成像過程類似于下文實(shí)施例1中所述的方法。入射光能量對透鏡的局部照射致使受限的錐形發(fā)散光束入射到微透鏡薄片上。對于鋁涂層的微透鏡薄片，只有在受限的觀察錐角內(nèi)才能看到暗灰色的合成圖像和亮灰色的背景。該圖像相對于微透鏡薄片看似是懸浮的。
實(shí)施例本發(fā)明將進(jìn)一步通過以下一些實(shí)施例進(jìn)行說明。為方便起見，可結(jié)合某些附圖。
實(shí)施例1本實(shí)施例為含有鋁材料層的嵌入式透鏡薄片，其合成圖像懸浮在該薄片的上方。使用圖14所示的光學(xué)系統(tǒng)來形成懸浮的像。該光學(xué)系統(tǒng)中包括由美國Spectra Physics公司生產(chǎn)的Quanta-RayTMDCR-2(10)型號的Nd:YAG激光器300。該激光器在1.06微米的基波波長處以Q開關(guān)的模式運(yùn)作。該激光器的脈沖寬度通常為10-30毫微秒。從激光器發(fā)射出來的光能經(jīng)99％反射率的轉(zhuǎn)鏡302、磨砂玻璃漫射器304、5倍的光束擴(kuò)展望遠(yuǎn)鏡306和數(shù)值孔徑為0.64、焦距為39.0毫米的非球面透鏡308而改變方向。從非球面透鏡308射出的光射向XYZ鏡臺310。該鏡臺是由三個線性鏡臺組成，它是由美國賓西法尼亞州匹茲堡市的Aerotech公司生產(chǎn)的名No.ATS50060的商品。一個線性鏡臺用來使非球面透鏡沿著非球面焦點(diǎn)和微透鏡薄片(即z軸)之間的軸線移動，另外兩個鏡臺能使薄片沿著兩條相互正交的水平軸線，相對于光軸移動。
激光射向磨砂玻璃漫射器，以便消除熱聚焦造成的光束不均勻性。一接近漫射器，5倍光束擴(kuò)展望遠(yuǎn)鏡306就會使漫射器射出的發(fā)散光線平行，并擴(kuò)展該光束，使其照射在整個非球面透鏡308上。
在本實(shí)施例中，將非球面透鏡放置在XYZ鏡臺的XY平面的上方，使得透鏡的焦點(diǎn)位于微透鏡薄片312的上方1厘米處。使用由加拿大魁北克省Saint-Fey市的Gentec公司生產(chǎn)的ED500型號的帶有機(jī)械掩模的有孔能量計，用來控制薄片平面上的光能強(qiáng)度。調(diào)節(jié)激光的輸出，使其照射在距離非球面透鏡的焦點(diǎn)1厘米處的能量計時，在照明面積上大約為每平方厘米8毫焦耳(8mJ/cm2)。將一個帶有80nm厚的鋁輻射敏感層的嵌入式透鏡薄片312固定在XYZ鏡臺上，并使鋁層涂面背向非球面透鏡308。
使用由美國賓西法尼亞州匹茲堡市的Aerotech公司生產(chǎn)的名No.U21的控制器產(chǎn)生所需的控制信號用來移動XYZ鏡臺，并控制激光器300的脈沖電壓。通過向控制器輸入x-y-z坐標(biāo)數(shù)據(jù)、移動指令和成像所需的激光器發(fā)射指令的CAD文件來使鏡臺移動。通過調(diào)整X、Y和Z鏡臺的移動和用于在微透鏡材料的上方空間形成圖像的激光的脈沖來產(chǎn)生任意復(fù)雜的合成圖像。對于脈沖速率為10Hz的激光，鏡臺的移動速度調(diào)整到50.8厘米/分鐘。這樣就會在鄰近微透鏡的鋁層上形成連續(xù)的合成線條。
當(dāng)在環(huán)境光線下觀察此微透鏡薄片時，圖像在亮灰色背景的對照下呈暗灰色。當(dāng)焦點(diǎn)和嵌有微球的薄片表面之間的間隔固定為1厘米時，得到的圖像是在薄片上方大約1厘米處看似懸浮著的二維合成圖像。而且，該合成圖像可隨著觀察者的觀看角度的變化而出現(xiàn)相當(dāng)大的移動，因此觀察者可以通過改變觀察角很容易地觀看合成圖像的不同方位。
實(shí)施例2在本實(shí)施例中，使用帶有透明反射鏡輻射敏感層的外露式透鏡薄片結(jié)構(gòu)，以形成看心懸浮于微透鏡薄片下方的合成圖像。在實(shí)施例1中使用的光學(xué)系統(tǒng)也可在本實(shí)施例中使用。相對于非球面透鏡308放置微透鏡薄片，使該透鏡幾乎與微透鏡薄片相接觸。將激光器輸出調(diào)整到在非球面透鏡正下方獲得大約14mJ/cm2。此外露式透鏡薄片含有局部嵌入的、如美國專利3,801,183所述的微球，在微球的一面介質(zhì)鏡蒸汽沉積的硫化鋅(ZnS)。ZnS層的標(biāo)稱厚度為60nm。與實(shí)施例1中一樣，當(dāng)薄片以50.8厘米/分鐘的速度移動時，在10Hz脈率下運(yùn)行的激光器會在微透鏡薄片上形成連續(xù)的合成線條。通過鏡臺系統(tǒng)可以形成一個“球狀”圖案(具有四個內(nèi)切弧的圓)。
在環(huán)境光線下，上述球體在白/黃色背景的對照下顯現(xiàn)出淺黑色的圖像。該淺黑色的合成圖像顯示懸浮在薄片下方大約39毫米處。合成圖像的位置對應(yīng)于非球面透鏡的焦點(diǎn)位置。本實(shí)施例中此焦點(diǎn)位置在透鏡后面大約39毫米處。
實(shí)施例3本實(shí)施例是使用透鏡陣列來代替單個的非球面透鏡，在具有鋁輻射敏感層的外露式透鏡薄片上形成合成圖像。使用如圖15所示的類型的光學(xué)系統(tǒng)來形成懸浮的合成圖像。該光學(xué)系統(tǒng)由Q開關(guān)激光器300、99％反光鏡302、光學(xué)漫射器304和光束擴(kuò)展望遠(yuǎn)鏡306組成。本實(shí)施例中使用的光學(xué)系統(tǒng)的各元件與實(shí)施例1中所述的那些元件完全相同。本實(shí)施例中的光學(xué)系統(tǒng)還包括一個二維透鏡陣列407、反射掩模409和雙凹面負(fù)透鏡411。反射掩模409上相對于微透鏡材料412區(qū)域的那部分是透明的，從而使微透鏡材料暴露在激光輻射下；而遮光框的其他部分的表面則不透明或反射光線。
透鏡陣列407是由美國阿拉巴馬州漢斯維爾市的MEMS Optical，LLC公司生產(chǎn)的3038型號的熔凝石英折射微透鏡陣列組成。將這個密填的球面透鏡陣列放置在與直徑為75毫米、焦距為負(fù)150毫米的雙凹面負(fù)透鏡411幾乎相接觸的位置。將涂有80nm厚的鋁輻射敏感層的外露式透鏡薄片412放置在距離雙凹面負(fù)透鏡411的25毫米以內(nèi)。將微透鏡材料放置在距離微透鏡陣列和雙凹面負(fù)透鏡的合成光徑焦距大約1厘米處。調(diào)節(jié)激光器的輸出，使其在微透鏡薄片的外露式透鏡表面上產(chǎn)生約為4mJ/cm2的能量。激發(fā)單個脈沖曝光產(chǎn)生整個圖像。
當(dāng)在環(huán)境光線下觀察得到的已成像微透鏡薄片時，會在該薄片上方大約1厘米處顯示出懸浮的像。該圖像在亮灰色背景的對照下呈暗灰色。
實(shí)施例4在本實(shí)施例中，由散射源發(fā)出的光線經(jīng)反射后得到發(fā)散光源。該散射反射體由直徑大約為5毫米的陶瓷珠子組成。在本實(shí)施例中使用圖16所示的類型的光學(xué)系統(tǒng)。它包括與實(shí)施例1中所述激光器相似的Q開關(guān)Nd:YAG激光器500，還有用來縮小入射激光束尺寸至大約1毫米直徑的望遠(yuǎn)鏡502。然后將光線以充分偏離法線的某個角度入射到陶瓷珠子504上，使其照明面向微透鏡薄片512的陶瓷珠子504的半球的大約四分之一?？梢酝ㄟ^紅外攝像機(jī)觀察散射輻射來加以證實(shí)之。
將陶瓷珠子504放置在距XY鏡臺510上方大約25毫米遠(yuǎn)的位置。調(diào)整激光器發(fā)射的入射光線，使其與樣品鏡臺平行。將含有80nm厚鋁輻射敏感層的嵌入式透鏡薄片512固定在XY鏡臺510上，并使用控制器來對鏡臺和激光器輸送控制信號。調(diào)節(jié)激光器的輸出，使其在微透鏡薄片的表面上達(dá)到大約8mJ/cm2。調(diào)節(jié)陶瓷珠子504的照度，使微透鏡薄片512的表面暴露在最均勻的光線下。激光脈沖為10Hz時，XY鏡臺510的移動速度為50.8厘米/分鐘。當(dāng)微透鏡薄片暴露在由陶瓷反射器發(fā)出的散射光線下時，鏡臺就會記錄下復(fù)雜圖像的輪廓。
在環(huán)境光線下，合成圖像懸浮在薄片上方大約25毫米處，并在亮灰色背景的對照下呈現(xiàn)暗灰色。該圖像相對于觀察者的觀察位置可以產(chǎn)生大范圍的移動。在透射光線下，可觀察到明亮的合成圖像懸浮在薄片上方大約25毫米處。
實(shí)施例5在本實(shí)施例中，一嵌入式透鏡薄片的材料層由多層光學(xué)疊片組成。調(diào)整該材料層的性能使其在可見光譜中呈現(xiàn)特定的顏色。采用真空蒸發(fā)和等離子聚合作用，將薄膜層沉積在微透鏡薄片的一個表面上。該薄膜層依次由鉻/等離子聚合丁二烯/二氧化硅/鋁組成，其鉻層緊貼嵌入式透鏡。調(diào)節(jié)各單層材料的厚度，以得到顏色為可見光譜的紅、綠和藍(lán)色。表1為制備的各單層材料的具體厚度。
表1多層結(jié)構(gòu)
然后，將以涂層微透鏡為底基的薄片疊壓在一背襯上使其相互接觸。然后克石灰石的25wt％的漿液，從而將酸度中和至pH1.7。最終的浸出液中含2g/L H2SO4、5.8g/L Ni、4.3g/L Fe(包括3.3g/L Fe2+)、18.8g/L Mg和0.20g/L Co。浸取殘余物的重量是413克。表7中列出了進(jìn)料、殘余物的組成和浸取過程的提取率。
表7實(shí)施例6的結(jié)果
實(shí)施例7用飲用水分別制備低鎂含量礦石(Mg wt％＜6，如褐鐵礦)的漿液和高鎂含量礦石(Mg wt％＞8，如腐泥土)的漿液。腐泥土的鐵含量是11wt％。褐鐵礦漿液和腐泥土漿液的固體含量分別是20wt％和25wt％。在這個實(shí)驗(yàn)中，在常壓和溫度為95-105℃的條件下，將1001克褐鐵礦漿液與286g98wt％的硫酸在反應(yīng)器中混合2.5小時。浸出液中含28g/L H2SO4、2.6g/LNi、74g/L Fe、1.9g/L Mg和0.20g/L Co。通過加入不含鈉的亞硫酸鹽將氧化還原電位控制在835-840mV(SHE)。當(dāng)酸度穩(wěn)定在28g/L H2SO4左右之后，向反應(yīng)器中連續(xù)加入720克腐泥土漿液和40克含針鐵礦的晶種。這個實(shí)驗(yàn)中硫酸/褐鐵礦、腐泥土/褐鐵礦和硫酸/(褐鐵礦+腐泥土)的重量比分別是1.40、0.90和0.74。在95-105℃和常壓下，將浸取腐泥土和鐵沉淀反應(yīng)進(jìn)行10小時。無需加入不含鈉的亞硫酸鹽，氧化還原電位為720-800mV(SHE)。浸出液中含11g/L H2SO4、4.3g/L Ni、14.8g/L Fe、16.6g/L Mg和0.16g/L Co。最后在95-105℃和常壓下，向反應(yīng)器中加入含80克石灰石的25wt％的漿液，從而將酸度中和至pH1.7。最終的浸出液中含1.7g/L H2SO4、4.3g/L Ni、2.1g/L Fe、17.3g/L Mg和0.16g/L Co。浸取殘余物的重量是381克。表8中列出了進(jìn)料、殘余物的組成和浸取過實(shí)施例1中所述的光學(xué)系統(tǒng)也在本實(shí)施例中用來成像。在本實(shí)施例中，將末端非球面透鏡放置在幾乎與樣品接觸的位置上，使形成的合成圖像懸浮在薄片上方。對激光能量進(jìn)行調(diào)整，使其能量密度能永久改變表2中所示的各個多層疊片的光學(xué)特性。此在材料描繪出的文字字符“SAMPLE”的圖像的方式與實(shí)施例1中所述的方式相似。在環(huán)境光照下，該合成圖像在微透鏡薄片的背景顏色的對照下呈現(xiàn)暗色，其輪廓線為白/黃色。所有的合成圖像都顯示懸浮在薄片下方大約39毫米處，并隨觀察者對薄片觀察角的變化而移動。
實(shí)施例7在本實(shí)施例中，采用銀原子百分?jǐn)?shù)為50與鋅原子百分?jǐn)?shù)為50的一種相變合金(Ag50Zn50)，由鉻和二氧化硅組成的調(diào)諧雙層疊片作為輻射敏感層，在嵌入式透鏡薄片上形成彩色的合成圖像。使用的輻射光不會使該相變合金燒蝕，而調(diào)諧雙層疊片提高在可見電磁波譜中的藍(lán)色部分的光譜反射系數(shù)。輻射敏感層沉積在封閉式透鏡薄片的間隔層上，其沉積方式與實(shí)施例5中將多層疊片的薄片層沉積以微透鏡為底基的薄片上的工序相似。首先，分別將鉻層和二氧化硅層真空沉積在聚合物間隔層上，使其厚度分別為40nm和260nm。接下來，在二氧化硅層上濺射一層80nm厚的Ag50Zn50合金。然后將該樣品疊置起來，然后剝離使微透鏡薄片的透明部分曝光。
在環(huán)境(反射)光線下觀察時，上述薄片呈藍(lán)紫色。使用與實(shí)施例1中相似的光學(xué)系統(tǒng)來使Ag50Zn50輻射敏感層成像。使用發(fā)射1.06微米波長光線的連續(xù)波Nd:YAG激光器代替Q開關(guān)激光器作為光源。在光學(xué)系統(tǒng)中使用聲光調(diào)制器來控制脈沖寬度。發(fā)射一級衍射光束，使其穿過圖14所示類型的光學(xué)系統(tǒng)。將以封閉式透鏡薄片樣品固定在XYZ鏡臺上。調(diào)節(jié)輸入聲光調(diào)制器的激光能量，使其在微透鏡材料上的能量為810毫瓦。將聲光調(diào)制器設(shè)置為100微秒脈沖寬度時脈沖為10Hz。將如實(shí)施例1中所述的非球面正透鏡放置在距離微透鏡材料表面上方12毫米處。當(dāng)輻射敏感層暴露在激光輻射下，用XYZ鏡臺就可形成圖像。
當(dāng)在環(huán)境光照下觀察薄片時，成像區(qū)域呈亮綠色，并懸浮在微透鏡薄片上方大約12毫米處。
實(shí)施例8在本實(shí)施例中，使用含有銅輻射敏感層的復(fù)制式透鏡結(jié)構(gòu)作為微透鏡薄片。使用在美國專利No.5,254,390文中所述的復(fù)制式類型的薄片作為微透鏡的薄片。采用真空蒸發(fā)工藝，使80nm厚的銅輻射敏感層沉積在上述薄片的平坦表面上。將微復(fù)制式微透鏡材料暴露在如實(shí)施例1所述的光學(xué)裝置發(fā)射的激光輻射下。將末端非球面透鏡放置在距離微透鏡材料表面6.5毫米處的焦點(diǎn)上。調(diào)節(jié)激光器的輸出，使激光在薄片表面的能量密度大約為7mJ/cm2。當(dāng)XYZ鏡臺的移動速度為50.8厘米/分鐘時，將激光脈沖設(shè)置為10Hz。在樣品上方形成一個“球體”圖形(具有四個內(nèi)切弧的圓)。
當(dāng)在環(huán)境光照下觀察該薄片時，在銅色輻射敏感層的對照下可以看到懸浮球體的發(fā)白的圖像。該合成圖像顯示懸浮在薄片上方大約6毫米處。
實(shí)施例9本實(shí)施例描述平面合成圖像的結(jié)合，該合成圖像顯示懸浮于薄片下方。使用在實(shí)施例1中所述的光學(xué)系統(tǒng)，使含有80nm厚鋁輻射敏感層的外露式微透鏡薄片成像。將非球面透鏡放置在幾乎接觸到微透鏡薄片的位置上，調(diào)節(jié)激光器的輸出，使其在樣品表面產(chǎn)生4mJ/cm2的能量密度。對控制器進(jìn)行編程，以便開成一文字字符“SAMPLE”的圖形。將一個吸收性掩模放置在開敞式薄片的頂部。通過采用普通影印機(jī)，在透明薄片上印刷成排的文字字符“SAMPLE”的方式制得上述掩模。文字字符吸收激光輻射，而周圍區(qū)域則透過激光輻射。放置具有這種吸收性掩模的外露式透鏡薄片，使得形成的“SAMPLE”字符位于掩模位置頂部的上方。
當(dāng)在環(huán)境光照下觀察時，字符“SAMPLE”顯示懸浮在薄片下方大約39毫米處，而未曝光的字符“3M”則顯示在薄片平面上。只有在“SAMPLE”字符形成的暗色字符圖像的對照下才能觀察到“3M”字符。
實(shí)施例10本實(shí)施例是能形成復(fù)雜的三維圖像的薄片。在本實(shí)施例中使用含有80nm厚的鋁輻射敏感層的嵌入式微透鏡薄片。使用在實(shí)施例1中使用的光學(xué)系統(tǒng)。將微透鏡薄片粘貼在XYZ移動鏡臺的XY平面上，而將非球面透鏡粘貼在Z軸上。該非球面透鏡的數(shù)值孔徑為0.64，焦距為39毫米。對控制器進(jìn)行編程，使其產(chǎn)生一個對角線(立方體上兩個對角之間的距離)為5厘米長的等比例立方體輪廓。該立方體的相對位置和取向，如控制器中編制所決定的，其合成立方體圖像的一個端點(diǎn)距離薄片表面上方大約5毫米處，而該合成立方體圖像的另一個端點(diǎn)距離該表面上方大約5.5厘米處。對立方體圖像進(jìn)行取向，使該立方體的一角最靠近觀察者。
在形成等比例立方體圖形的過程中，控制激光器每個脈沖的能量，使其不管發(fā)散透鏡和薄片之間的間隔有多大，都要在樣品表面上產(chǎn)生8mJ/cm2的恒定的能量密度。激光器在10Hz下運(yùn)作，X、Y和Z鏡臺的移動速度為50.8厘米/分鐘。通過控制器在微透鏡薄片上方的空間連續(xù)形成等比例立方體的圖形。
當(dāng)在環(huán)境光照下觀察時，在亮灰色背景的對照下，形成的等比例合成立方體圖像呈暗灰色，它顯示懸浮在薄片表面上方5毫米至5.5厘米之間。而且，當(dāng)觀察者改變觀察角時，等比例立方體在微透鏡薄片的上方呈現(xiàn)在空間中旋轉(zhuǎn)，使一些先前在不同觀察角下看起來模糊的立方體表面暴露在光線中。
實(shí)施例11本實(shí)施例是其懸浮圖像能消失消失的情況。即通過改變觀察角，該合成圖像可以消失或重新被觀察到。使用含有80nm厚的鋁輻射敏感層的嵌入式透鏡薄片。用來成像的光學(xué)系統(tǒng)與實(shí)施例1中的相似。調(diào)整非球面透鏡到薄片之間的距離，使焦點(diǎn)位于微透鏡薄片上方1厘米處。對控制器進(jìn)行編程，以產(chǎn)生“球體”圖形(具有四個內(nèi)切弧的圓)。并調(diào)整激光器的輸出，使其在樣品表面產(chǎn)生8mJ/cm2的能量密度。在樣品本身上，將半透明膠帶的一個方形部分粘貼在嵌入式透鏡薄片上。放置該方形的膠帶部分是為了在球體的成像過程中，使受到激光輻射的成像區(qū)域的一部分與半透明帶膠覆蓋的部分發(fā)生重疊。
當(dāng)在環(huán)境光線下觀察成像薄片時，觀察到的懸浮的球體圖形在亮灰色背景的對照下呈暗灰色，且顯示懸浮在薄片上方1厘米處。通過改變觀察角，上述“球體”就會移入或移出半透明膠帶遮蓋的區(qū)域。當(dāng)球體移入遮蓋區(qū)域時，在該區(qū)域的球體的部分就看不見了。當(dāng)球體移出上述遮蓋區(qū)域時，在該區(qū)域的球體的部分又再次出現(xiàn)。在合成圖像移入遮蓋區(qū)域的過程中，該合成圖像不僅僅是逐漸消失，而是在移入遮蓋區(qū)域時，剛好完全消失。
形成本發(fā)明的有合成圖像的成像薄片與眾不同，而且在普通設(shè)備上不可能復(fù)制?？梢栽诰哂刑囟ㄓ猛尽T如用于護(hù)照、身份證、鈔票、鑒定圖、信用卡的薄片上形成合成圖像。需要查核的文件會在層狀薄片上形成這些圖像，用來辨別、確認(rèn)和保證該文件真實(shí)性?？梢允褂弥T如疊壓——含有或不含粘合劑的傳統(tǒng)結(jié)合方式。例如所有電子產(chǎn)品、激光唱盤、駕駛執(zhí)照、紅頭文件、護(hù)照或貼有商標(biāo)的產(chǎn)品等有價物品的供應(yīng)者，只要將本發(fā)明所述的多層膜片施加在他們的產(chǎn)品上，并指導(dǎo)他們的顧客只購買如此標(biāo)示的可信的商品。對于需要這些保護(hù)的產(chǎn)品，可以通過將產(chǎn)生合成圖像的薄片納入到它們的結(jié)構(gòu)中去，或通過將上述薄片粘貼在產(chǎn)品上，就能達(dá)到加強(qiáng)保護(hù)的作用。該合成圖像可用于廣告、牌照等展示材料上，并可用于需要一個特定圖像來形象表示的眾多其他用途的展示材料。當(dāng)在廣告或諸如標(biāo)語、布告板或半拖車等大型物體的信息展示中使用該合成圖像時，可增強(qiáng)人們對該信息的關(guān)注。
無論是在環(huán)境光線下、透射光線下或在使用逆反射薄片時的逆反射光線下，能產(chǎn)生合成圖像的薄片具有非常突出的視覺效果。該視覺效果可用來作為裝飾，以美化粘貼有上述成像薄片的物品的外表。這種飾品能傳達(dá)一種強(qiáng)烈的風(fēng)格和時尚感，并能以引人注目的方式表現(xiàn)設(shè)計者的標(biāo)志或品牌?？梢钥吹?，將上述薄片用于裝飾的例子包括在諸如便服、運(yùn)動服、設(shè)計師服裝、外套、鞋襪、便帽、禮帽、手套等服飾衣服上使用。類似地，在流行的附件上可以使用此成像薄片，以達(dá)到裝飾、吸引人們注意和商標(biāo)辨認(rèn)的目的。這些附件包括女用手提包、皮夾、公文包、背包、挎包、電腦機(jī)箱、皮箱、筆記簿等。上述成像薄片的其他裝飾用途可擴(kuò)展到各種各樣的、通常用裝飾性圖像、商標(biāo)或標(biāo)示來進(jìn)行美化的物品。這些例子包括書籍、家電、電子產(chǎn)品、五金器皿、車輛、運(yùn)動器械、收藏品、藝術(shù)品等。
當(dāng)裝飾性成像薄片是逆反射性時，在注意時尚或品牌的同時，還要注意安全和人射保護(hù)。服飾和附件上的逆反射附著物是人們所熟知的，并能在低光度的環(huán)境下增強(qiáng)穿用者的可見性和顯著度。當(dāng)這種逆反射附著物與能產(chǎn)生合成圖像的薄片組合使用時，可在環(huán)境光線、透射光線或逆反射光線中得到引人注目的視覺效果?？梢韵胂?，本技術(shù)在安全和防護(hù)性服裝與配件領(lǐng)域中的應(yīng)用包括諸如背心、制服、消防員衣服、鞋襪、腰帶和安全帽等的職業(yè)安全服飾；諸如運(yùn)行裝置、鞋襪、救生衣、保護(hù)性頭盔和制服等運(yùn)動裝備和衣服；兒童的安全服等。
可用許多已知的技術(shù)將此成像薄片固定在上文所述的物品上。這些技術(shù)包括在美國專利No.5,691,846(Benson，Jr.等人發(fā)明)、5,738,746(Billingsley等人發(fā)明)、5,770,124(Marecki等人發(fā)明)和5,837,347(Marecki發(fā)明)中所記述的。選用上述何種技術(shù)取決于基層材料的性質(zhì)。在基層材料為織物的情況下，可將該薄片進(jìn)行沖切或繪圖儀切割，然后通過縫紉、熱熔粘合、機(jī)械固定、射頻焊接或超聲波焊接等技術(shù)固定上述薄片。對于耐用品，最好選用壓敏粘合劑的固定技術(shù)。
在有些情況下，可以將薄片固定在襯底或物品上以后，再形成最佳圖像。這在習(xí)需要慣用的或獨(dú)特的圖像時特別有用，例如，先將未成像的薄片固定在基材或物品上，然后將藝術(shù)品、素描、抽象設(shè)計、照片等用計算機(jī)生成，或數(shù)碼傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中，然后在薄片上成像。接下來用計算機(jī)對前文所述的成像設(shè)備進(jìn)行控制。在同一張薄片上可形成多個合成圖像，這些合成圖像可以是相同的或不同的。合成圖像也可以和其他的普通圖像——如印刷的圖像、全息圖、等值圖、衍射光柵、遠(yuǎn)距離圖、照片等一起使用。在物品上施加所述薄片之前或之后，可在該薄片上形成圖像。
熟悉此工藝的人會對本發(fā)明所述的實(shí)施方案作各種不同的修改和結(jié)合。只要在本發(fā)明附加的權(quán)利要求書所限定的范圍內(nèi)進(jìn)行修改。
權(quán)利要求
1.一種薄片，它包括a.至少一層微透鏡，該層具有第一和第二面；b.在緊貼微透鏡層第一面的位置上設(shè)置一層材料；c.在與許多微透鏡中的每個微透鏡相鄰的所述材料上形成至少部分完整的圖像，該圖像與材料形成對照；d.合成圖像，由各個單獨(dú)圖像提供，所述圖像用肉眼觀察時顯示懸浮在所述薄片的上方或下方，或者上下方均有。
2.權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，所述合成圖像在反射光下顯示，懸浮在所述薄片上方、下方或者懸浮在所述薄片的平面上。
3.權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，所述合成圖像在透射光下顯示，懸浮在所述薄片上方、下方或者懸浮在所述薄片的平面上。
4.權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，當(dāng)觀察位置相對于該薄片變化時，合成圖像會顯示相對于該薄片進(jìn)行移動。
5.權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，當(dāng)觀察該薄片的角度變化時，合成圖像會消失并重新出現(xiàn)。
6.權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，該薄片包括一個以上的合成圖像。
7.權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，所述輻射敏感材料選自氟化鋁鈉、氧化鈦、氯氧化鉍或者碳酸鉛。
8.權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的薄片，其特征在于，該薄片在汽車牌照上使用。
9.權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的薄片，其特征在于，該薄片在鈔票和其他有價證券上使用。
10.權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的薄片，其特征在于，該薄片在時裝上使用。
11.權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的薄片，其特征在于，該薄片在安全服上使用。
12.權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的薄片，其特征在于，該薄片在一些附屬品上使用。
13.權(quán)利要求12所述的薄片，其特征在于，所述附屬品包括女用手提包、皮夾、公文包、背包、挎包、電腦機(jī)箱、皮箱、筆記簿。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有合成圖像的微透鏡薄片，該合成圖像顯示懸浮在所述薄片的上方或下方，或顯示懸浮在兩處。合成圖像可以是兩維的或三維的。本發(fā)明還涉及上述成像薄片的制備取方法，其中包括對緊貼微透鏡的輻射敏感材料層進(jìn)行輻照。
文檔編號B41M3/14GK1650193SQ02813404
公開日2005年8月3日 申請日期2002年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月3日
發(fā)明者J·M·弗羅扎克, R·T·克拉薩, S·P·馬基, R·M·奧斯格德三世 申請人:3M創(chuàng)新有限公司