專利名稱：雙凸透鏡陣列及制造一個雙凸透鏡陣列用的工具的制作方法
優(yōu)先權和相關的申請本申請要求下列申請的優(yōu)先權U.S.Provisional PatentApplication Serial Number 60/297,148，entitled “Lenticular LensArray Optimization for Printed Display，”filed Jane 8，2001。上述優(yōu)先權申請的全部公開內(nèi)容引入此處供參考。
本發(fā)明的領域本發(fā)明一般地涉及一個雙凸透鏡陣列，用于產(chǎn)生來自交叉的或交錯的圖像的視覺效果。更具體地說，本發(fā)明涉及一個雙凸透鏡陣列，其中陣列上的每個透鏡元件的一個橫截面包括一個橢圓形。本發(fā)明還涉及產(chǎn)生這種雙凸透鏡陣列用的一種工具和一種方法。
本發(fā)明的背景一個雙凸透鏡能夠產(chǎn)生用于交叉的或交錯的(在下文稱“交錯的”)印刷圖像的視覺動畫效果。這些圖像能夠使用非沖擊印刷術即所謂的無模版印刷術印刷，或者借助普通的印刷過程即所謂的模版印刷術印刷。典型地，一個雙凸透鏡用途包括兩個主要的部件一個擠壓的、鑄造的或模壓的塑料的雙凸透鏡以及交錯的印刷圖像。雙凸透鏡的前面包括多個雙凸透鏡，排列為一個規(guī)則的陣列，具有圓柱形透鏡元件，彼此平行地前進。雙凸透鏡的后面是平坦和光滑的。交錯的圖像是印刷在雙凸透鏡的平坦和光滑的背面上。印刷圖像的示范性方法包括普通的印刷方法，比如絲網(wǎng)漏印，活版印刷，柔版印刷，平板膠印和照相凹版印刷；以及非沖擊印刷方法，比如電子照相術，圖解成像術，磁力成像術，噴墨打印術，熱成像術和照相術。任何上述印刷技術能夠使用于或者單張供給，或者卷材帶供給形式。
交錯的圖像是觀察者根據(jù)其通過雙凸透鏡元件觀察的角度單獨地觀察的。在第一觀察角度，第一圖像通過雙凸透鏡元件出現(xiàn)。當雙凸透鏡轉(zhuǎn)動時，第一圖像消失和另一個圖像通過雙凸透鏡元件出現(xiàn)。通過雙凸透鏡元件觀察兩個圖像能夠產(chǎn)生移動的幻像、深度和其它視覺效果。一個雙凸透鏡能夠產(chǎn)生通過不同的視覺效果產(chǎn)生的這些幻像。例如，視覺效果能夠包括三維(3-D)動畫或移動、倒轉(zhuǎn)、變形、變焦或它們的組合。
對于三維效果，不同的視覺元件的多數(shù)層交錯在一起以產(chǎn)生三維的幻像、距離和深度。例如，背景物體與前景物體成圖像時，當通過一個平直的前面的非傾斜的景片觀察時它顯現(xiàn)為凸起的。為了動畫成像或移動效果，多個順序的照片能夠產(chǎn)生動畫圖像的幻像。當透鏡的觀察角度改變時，一個觀察者觀察多個照片。動畫成像是在顯示機械移動，物體運動或使用中產(chǎn)品時作用的。
為了倒轉(zhuǎn)的視覺效果。當觀察的角度改變時，兩個或更多的圖像前后翻轉(zhuǎn)。倒轉(zhuǎn)效果可以顯示前和后以及原因和結果的情景。它還能夠顯示兩種語言的信息，比如由英語翻轉(zhuǎn)至西班牙語。
為了變形的視覺效果，當雙凸透鏡的觀察角度改變時，兩個或更多無關聯(lián)的圖像逐漸地傳送，或者彼此變形。最后，為了變焦效果，當雙凸透鏡的觀察角度改變時，一個物體由背景移動至前景。此物體也可以由一側面移動至另一側面，但通常較好的工作是由頂部至底部的格式。


圖1示出一個普通的雙凸透鏡陣列100的一個部分的橫剖面圖。陣列100包括雙凸透鏡102，104，106。每個雙凸透鏡102，104，106分別地具有一個圓柱形的透鏡元件102a，104a，106a。每個透鏡元件102a，104a，106a工作以聚焦光線在陣列100的一個后表面107上。在普通的陣列100工作時，多個圖像可以印刷在后表面107上。一個觀察者能夠借助陣列100的轉(zhuǎn)動通過透鏡元件102a，104a，106a單獨地觀察圖像。
每個雙凸透鏡102，104，106的專門的特征將參見示范性的雙凸透鏡104予以說明。每個透鏡元件102a，104a，106a具有一個半徑為R的圓形的橫截面。圓形的橫截面相當于具有一個半徑為R的希望的圓形108。透鏡元件104a具有圓形108的一部分。雙凸透鏡104還具有由透鏡元件104a的頂點至陣列100的后表面107的一個距離t。透鏡元件104a具有一個透鏡接合深度d，在此處它接合相鄰的透鏡元件102a，106a。最后，形成透鏡陣列100的材料確定了陣列100的折射率N。
距離t，半徑R和折射率N之間的關系由下式給出(1)-----t=RNN-1]]>如公式(1)所示，厚度t和半徑R是折射率N的函數(shù)，它是光線的波長的函數(shù)。因此，雙凸透鏡元件能夠根據(jù)為希望的用途提供最佳的全面性能的波長對一個特定的波長優(yōu)化。
陣列100的規(guī)則性可以被相鄰的透鏡元件頂點之間的間隔或距離S限定。對于普通的圓柱形雙凸透鏡陣列100，每個透鏡元件102a，104a，106a的頂點之間的最大的間隔由下式給出(2) Smax＝2R雙凸透鏡的一個節(jié)距P能夠定義為每單位長度(1pu)的雙凸透鏡的數(shù)目。例如，長度單位能夠包括1英寸(in)或1毫米(mm)。對于普通的圓柱形雙凸透鏡陣列100，最小的節(jié)距由下式給出(3)----Pmin=12R[1pu]]]>圖2示出一個光束軌跡，說明與一個普通的雙凸透鏡陣列100有關的一些問題。通常，陣列100借助光線由后表面107前進通過透鏡元件102a，104a，106a至一個觀察者工作。倒易性允許相反地觀察光線路徑，如圖2所示。理想的是，軸線上的光線L1前進通過透鏡元件104a，以及聚焦在陣列100的后表面107上的一個公共點202。然而，透鏡元件104a的圓的橫截面產(chǎn)生一個投射的圖像，具有球形像差。例如，光線L1是跨過后表面107的一個大面積204投射的。大的投射面積限制分辨率和能夠在后表面107上觀察到的交錯的圖像的數(shù)目。
此外，偏離軸線的光線L2前進通過透鏡元件104a以及聚焦在后表面107上接近點203。然而，透鏡元件104a的圓形的橫截面產(chǎn)生慧星像差和一個像散像差208。最后，圖2示出透鏡表面的深度d可能在相鄰的透鏡的接合處接近圓形橫截面的半徑。因此，光線L2的部分被透鏡元件106a阻擋，以及可能更改方向至錯誤的位置206。
圖3示出光束的投射，說明與普通的雙凸透鏡相關的另一個問題。圖3示出的光束是由普通的雙凸透鏡陣列100的不同的印刷區(qū)投射至一個觀察者。如圖所示，在中心區(qū)302的光束不是合理地與透鏡的圓角度區(qū)配。
再者，普通的雙凸透鏡單張供給的印刷術已使用于產(chǎn)生印刷在雙凸透鏡陣列上的促銷印刷廣告件。例如，廣告件包括較厚規(guī)格的雙凸透鏡材料設計的有限的體積，比如作為凸鈕、標志、服裝的保養(yǎng)標簽、采購顯示標點、郵政卡、祝賀卡、電話卡、商業(yè)卡、信用卡和類似卡。較厚規(guī)格的雙凸透鏡印刷產(chǎn)品是印刷在圓柱形的雙凸透鏡材料上，具有標準的厚度，例如，標準的厚度包括0.12mil(密耳)，0.016mil，0.018mil和至0.0900mil.在較厚的透鏡上的印刷質(zhì)量一般是可以接收的，因為雙凸透鏡的節(jié)距較粗糙(小于雙凸透鏡)以及印刷過程能夠在雙凸透鏡帶的范圍內(nèi)放置更多的印刷的像素。再者，雙凸透鏡材料在較厚的范圍內(nèi)比較薄規(guī)格的材料在光學上更寬容。
最近，雙凸透鏡的擠壓商，雙凸透鏡的鑄造/模壓和印刷制造商已經(jīng)實驗使用上述公共的圓柱形透鏡元件減小總的雙凸透鏡材料的厚度。然而，當雙凸透鏡陣列的厚度減小時，印刷的質(zhì)量經(jīng)受顯著的像差。由于厚度減小，節(jié)距必須增加以提供更多的每單位長度的雙凸透鏡，從而減小了雙凸透鏡之間的間隔。當與較厚的雙凸透鏡材料的設計比較時，較薄的形狀不允許使用那樣多的印刷的像素的圖像。因此，使用較薄材料時的印刷的視覺效果的質(zhì)量降低。
與較厚的雙凸透鏡材料有關的另一個問題是較厚的材料不能夠使用于大多數(shù)的消費者的包裝工業(yè)。這個問題的產(chǎn)生是由于0.012mil和更厚的較厚的材料不能夠使用于正確地處理圓柱形的或截錐形的包裝形狀，不產(chǎn)生由于塑料的記憶的拉伸而引起的脫層。即使一個強力的粘接劑使用于粘接較厚的雙凸透鏡件至包裝的單元，與脫層有關的問題仍會經(jīng)一段時間后產(chǎn)生，這是由于塑料的記憶拉伸材料至其自然的伸直的生產(chǎn)形狀時塑料材料的繼續(xù)的拉伸。
較厚的雙凸透鏡材料還經(jīng)受在標簽使用過程中的問題。動畫成像的印刷標簽的吹下或滑下式包裝標簽設備不能夠使用較厚的雙凸透鏡材料，這是由于上述塑料的記憶的產(chǎn)生。塑料的記憶導致較厚的雙凸透鏡的模具切割標簽在使用過程之前就升起離開雙凸透鏡標簽的卷材。
因此，在技術中存在一種需要，用于一個雙凸透鏡陣列，能夠借助緩和與普通的陣列相關的球形像差提供一個聚焦或分辨率更好的圖像。在技術中還存在一種需要，用于制造這種雙凸透鏡陣列的工具和方法。此外，在技術中存在一種需要，用于具有一個雙凸透鏡元件的雙凸透鏡陣列，它成形為緩和與普通的雙凸透鏡鏡元件有關的球形像差。在技術中還存在一種需要，用于具有薄結構的一個雙凸透鏡陣列，以緩和與較厚的普通的陣列有關的塑料的記憶的產(chǎn)生。
本發(fā)明的概述本發(fā)明能夠提供一個雙凸透鏡陣列，它能夠優(yōu)化動畫/三維圖像的印刷顯示質(zhì)量，用于大量生產(chǎn)。本發(fā)明能夠提供一個雙凸透鏡陣列，它能夠緩和典型地由普通的陣列產(chǎn)生的球形像差。例如，本發(fā)明能夠提供一個雙凸透鏡陣列，它能夠產(chǎn)生一個基本聚焦的軸向的圖像，以及能夠改進偏離軸線的圖像。此外，本發(fā)明能夠提供一個雙凸透鏡陣列，它具有一個減小的透鏡接合深度，它能夠緩和相鄰的透鏡對偏離軸線光線的阻擋。
按照本發(fā)明的雙凸透鏡陣列包括多個彼此相鄰設置的雙凸透鏡。每個雙凸透鏡能夠具有一個雙凸透鏡元件在其一個側面上和一個基本平坦的表面在其相對的側面上。每個雙凸透鏡元件能夠具有一個頂點和一個包括橢圓形一部分的橫截面。代替的方案是，橫截面可以包括一個橢圓形的近似部分。橢圓形可以包括一個長軸線，設置為基本垂直于每個相應的雙凸透鏡元件的基本平坦的表面。每個相應的雙凸透鏡的頂點能夠基本沿著橢圓形的長軸線設置。
本發(fā)明的這些和其它方面、目的和特點將通過下列的示范性實施例的詳細的說明和結合附圖的閱讀而明確表達出來。
附圖的簡要說明圖1示出一個普通的雙凸透鏡陣列的部分的橫剖面圖。
圖2示出一個光束的軌跡，說明與普通的雙凸透鏡陣列有關的問題。
圖3示出一個光束的軌跡，說明與普通的雙凸透鏡陣列另一個有關的問題。
圖4示出按照本發(fā)明的一個雙凸透鏡陣列的部分的橫剖面圖。
圖5示出一個光束的軌跡，說明按照本發(fā)明的一個示范性實施例的一個雙凸透鏡陣列的光學特點。
圖6示出一個光束投射，說明按照本發(fā)明的一個示范性實施例的附加的光學特征。
圖7示出按照本發(fā)明的一個代替的示范性實施例的一個雙凸透鏡陣列的部分的橫剖面圖。
圖8A示出按照本發(fā)明的一個示范性實施例的一個圓柱形棒的橫剖面圖，用于產(chǎn)生一個工具，用于形成橢圓形的透鏡元件。
圖8B示出按照本發(fā)明的一個示范性實施例的形成橢圓形的透鏡元件的工具的前視圖。
圖9示出按照本發(fā)明的一個示范性實施例的接近一個雙凸透鏡陣列的一個橢圓形透鏡元件的一個偽橢圓形雙凸透鏡的橫剖面圖。
圖10示出按照本發(fā)明的一個示范性實施例的一個偽橢圓形工具，用于產(chǎn)生一個偽橢圓形的雙凸透鏡元件。
示范性實施例的詳細說明本發(fā)明能夠減小與普通的雙凸透鏡陣列有關的球形像差，其方法是提供一個具有一個橢圓形橫截面形狀的雙凸透鏡陣列。橢圓形的橫截面形狀能夠提供一個在軸線上的光線的清晰的聚焦和能夠增加偏離軸線光線的清晰度。橢圓形的橫截面的特征形狀能夠根據(jù)一個特定的用途確定。許多的參數(shù)能夠影響橢圓形的形狀。例如，這些參數(shù)包括陣列材料的折射率N，由每個透鏡元件的頂點至陣列的后表面的厚度t，相鄰的透鏡接合處的透鏡的接合深度d以及其它的參數(shù)。一個偽橢圓形的透鏡元件也能夠提供一個具有減小的球形像差的雙凸透鏡陣列。
圖4示出按照本發(fā)明的一個示范性實施例的一個雙凸透鏡陣列400的一個部分的橫剖面圖。陣列400包括雙凸透鏡402，404，406。每個雙凸透鏡402，404，406分別具有一個橢圓形的透鏡元件402a，404a，406a。每個透鏡元件402a，404a，406a工作以聚焦光線在陣列400的一個后表面407上。在陣列400工作時，多個圖像能夠印刷在陣列400的后表面407上。
一個觀察者能夠借助轉(zhuǎn)動陣列400單獨地觀察通過透鏡元件402a，404a，406a的圖像。
每個雙凸透鏡402，404，406的專門的特征將參見示范性的雙凸透鏡404予以說明。每個透鏡元件402a，404a，406a具有一個橢圓形的橫截面，相當于一個希望的橢圓形408的一部分。透鏡元件404a包括橢圓形408的一部分。在透鏡元件404a的頂點，橢圓形408具有一個半徑R。雙凸透鏡404還具有由透鏡元件404a的頂點至陣列400的后表面407的一個距離t。透鏡元件404a具有一個透鏡接合深度d，在此處它接合相鄰的透鏡元件402a，406a。形成陣列400的材料確定了陣列400的折射率N。距離t，半徑R和折射率N之間的關系由上面討論的公式(1)給出。橢圓形408的特征現(xiàn)在予以說明。橢圓形408包括一個具有長軸線410和短軸線412的橢圓。橢圓形在±a點與長軸線410相交和在±b點與短軸線412相交。長軸線410和短軸線412在原點O交叉。橢圓形還具有焦點位于長軸線410上的±c點。相鄰的透鏡元件402a，404a，406a的接合點在離開長軸線410的一個距離y處與橢圓形408相交。雙凸透鏡404的光學軸線是橢圓形408的長軸線410，是垂直于陣列400的后表面407的。透鏡元件404a的頂點沿著橢圓形408的長軸線410定位。
對于雙凸透鏡陣列400，每個透鏡元件402a，404a，406a的頂點之間的最大的間隔由下式給出(4)Smax＝2b每個透鏡元件402a，404a，406a的頂點之間的最大的間隔也可由下式給出(5)----Smax=2RNN2-1]]>
陣列400具有一個節(jié)距，被每單位長度(1pu)的雙凸透鏡的數(shù)目限定。例如，單位長度能夠包括1in或1mm。對于雙凸透鏡陣列400最小的節(jié)距由下式給出(6)----Pmin=12b[1pu]]]>對于雙凸透鏡陣列400的一個特定的用途的參數(shù)能夠確定橢圓形408的特征。這些特征能夠?qū)τ诿總€用途確定。例如，橢圓形408的特征d，t，y和R能夠由形成陣列400的材料的折射率和標準的幾何形狀公式確定。例如，長軸線410能夠沿著一個矩形坐標系統(tǒng)的X一軸設置以及短軸線412能夠沿著Y一軸設置。因此，橢圓形408由下式給出(7) y2-2Rx+px2＝0常數(shù)P能夠借助下式中所示的錐度常數(shù)確定(8) p＝κ+1錐度常數(shù)κ能夠確定透鏡404的橢圓形以及可由下式確定(9)----κ=-1N2]]>折射率N典型地在約1.3至約2.0的范圍內(nèi)，以及對于在印刷業(yè)中使用的塑料一般地在約1.5至約1.6的范圍內(nèi)。因此，對于約束折射率范圍的錐度常數(shù)κ覆蓋由約-0.25至約-0.60。因此，這些錐度常數(shù)指示透鏡元件404a的一個橢圓形，因為錐度常數(shù)是小于零和大于-1指示一個橢圓形。
橢圓形408的偏心度e由下式給出(10)----e=-κ,]]>或(11)----e=ca]]>對于橢圓形408的其它標準的幾何形狀關系包括下式(12)----a=Rp,]]>或(13)----a=Rκ+1]]>
(14) b2＝a2-c2測定橢圓形408用的特征的一個實例將說明如下。選擇一種希望的材料以形成陣列400。希望的材料能夠具有相關的折射率N。使用折射率N，可以借助公式(9)確定用于橢圓形的一個錐度常數(shù)κ。此外，對于特定的用途能夠選擇一個雙凸透鏡厚度t。例如，透鏡厚度t能夠在約0.003至約0.100in范圍內(nèi)。在一個示范性的實施例中，雙凸透鏡厚度t能夠選擇在約0.007至約0.011in范圍內(nèi)的。代替的方案是，雙凸透鏡厚度t能夠使用標準的幾何形狀公式和確定橢圓形408的各點±a和±b確定。例如，半徑R能夠使用公式(1)確定，以及錐度常數(shù)K由公式(9)確定。隨后各點±a能夠使用公式(12)或(13)確定。之后，偏心度e能夠使用公式(10)確定。各點±c能夠使用公式(11)確定。各點±b能夠使用公式(14)確定。
距離y能夠根據(jù)對于陣列400的特定的用途選擇。距離y是透鏡元件404a的寬度的1/2。透鏡元件404a的寬度能夠限定透鏡元件404a在后表面407上的一個觀察場。因此，距離y能夠選擇以提供一個觀察場寬度，足夠用于希望數(shù)目的交錯的圖像。在選擇距離y之后，在長軸線410上對于距離y的x坐標能夠使用公式(7)確定。
橢圓形408的特定的特征可以由限定這些特征的參數(shù)的許多的組合確定。因此，本發(fā)明包含測定橢圓形的特征，它根據(jù)不同于上述一組選擇的或給定的開始的參數(shù)。
圖5示出一個光束軌跡，說明按照本發(fā)明的一個示范性實施例的雙凸透鏡陣列400的光學特征。雙凸透鏡陣列400能夠緩和典型地由普通的陣列產(chǎn)生的球形像差。例如，陣列400能夠提供一個基本聚焦的軸向圖像，以及能夠改進偏離軸線的圖像。如圖5所示，在軸線上的光線L1能夠前進通過陣列400的透鏡元件404a，以及能夠聚焦在后表面407上的點502。如圖所示，橢圓形的透鏡元件404a能夠緩和圍繞焦點502產(chǎn)生的球形像差。借助減小基本的球形像差，球形色差也能夠減小。
此外，在點503由于偏離軸線的光線L2產(chǎn)生的偏離軸線的圖像也比普通的透鏡改進，并帶有慧星像差508是清晰的殘余的像差。再者，橢圓形的透鏡元件404a能夠減少相鄰的透鏡元件之間的接合深度d。因此，陣列400能夠緩和偏離軸線的光線被相鄰的透鏡阻擋，如圖4所示。對于給定的厚度2y，半徑R和折射率N，幻像能夠減少，這是因為與具有相同的厚度、半徑和反射特征的普通陣列比較，偏離軸線的光線的阻擋減少。
圖6示出一個光束的投射，說明按照本發(fā)明的一個示范性的實施例的雙凸透鏡陣列400的補充的光學特征。圖6示出的光束由雙凸透鏡陣列400的不同的印刷區(qū)投射到一個觀察者。如圖所示，在中心區(qū)602的光束是合理地與橢圓形透鏡的角度匹配。
圖7示出按照本發(fā)明的一個代替的示范性實施例的一個雙凸透鏡陣列700的部分的橫剖面圖。陣列700能夠包括雙凸透鏡陣列400與基底702匹配。在一個示范性實施例中，透鏡元件402a，404a，406a能夠聚焦在基底702的一個后表面704上。由每個透鏡頂點至基底702的后表面704的總距離T能夠包括由透鏡頂點至陣列400的后表面407的距離t1加上由陣列400的后表面407至基底702的后表面704的距離t2。在實踐中，雙凸透鏡陣列是鑄造的，以及具有厚度t1典型地等于大致的透鏡的接合深度d，或稍大于透鏡的接合深度d。橢圓形的透鏡402a，404a，406a的特征能夠與以上參見圖4說明的那些相同。
陣列400和基底702能夠包括不同的材料。因此，不同的材料能夠具有不同的折射率。例如，陣列400能夠包括一種具有折射率N1的材料，以及基底702能夠包括一種具有折射率N2的材料。陣列和基底材料的不同的折射率能夠引入附加的球形像差。例如，對于一個厚度t2和折射率N2的一個單獨的附加的基底，相對于一個具有折射率N1和具有相同的R的單獨的材料的陣列，其聚焦位移偏移。聚焦位移的偏移根據(jù)材料的關系或者為正的，或者為負的。為了補償不同的折射率，公式(1)能夠改變?yōu)橄率?，用于當陣?00包括兩種或更多不同的材料時確定每個透鏡元件402a，404a，406a的半徑R(15)----R=(N1-1)(t1N1+t2N2+···+tnNn)]]>半徑R的值導致來自在基底702的后表面上形成的一個遠距離源的圖像。如以上所示，公式(15)能夠在雙凸透鏡陣列包括一個以上基底時使用。
錐度常數(shù)能夠由公式(9)確定以及能夠使用一個光學計算機程序優(yōu)化，以緩和附加地引入的基底的球形像差。
在一個代替的示范性實施例中，基底702可以通過一個粘接層(圖中未示出)比如樹脂粘接至陣列400。典型地，一個粘接層將具有一個有限的厚度和一個相關的折射率。如果使用一個粘接層，它可以作為一個附加的基底處理。因此，公式(15)能夠使用于補償粘接層的厚度和折射率，以及也可用于補償基底的厚度和折射率。相關的錐度常數(shù)按以前說明的方式確定和優(yōu)化。
在另一個代替的示范性實施例中，基底702能夠包括一個粘接層。
在另一個代替的示范性實施例中，基底702能夠包括一個不透明的基底。例如，不透明的基底包括紙。此外，交錯的圖像能夠印刷在不透明的基底的一個前表面706上。隨后，不透明的基底能夠疊層至雙凸透鏡陣列400。在此種情況下，圖像是位于陣列400的后表面407上。因此，基底的厚度不需要考慮測定正確的厚度T。然而，如果一個粘接層使用于疊層不透明的基底至陣列400，隨后粘接層的厚度應考慮測定正確的厚度T。
在另一個代替的示范性實施例中，雙凸透鏡402-406能夠鑄造到基底702上，這樣一個不連續(xù)性存在于一對或多對相鄰的雙凸透鏡之間。例如，雙凸透鏡402-406能夠鑄造到基底702上，這樣一個不連續(xù)性存在于雙凸透鏡402和404之間或雙凸透鏡404和406之間。
按照本發(fā)明的一個示范性實施例的一種橢圓形透鏡元件制造用的工具800將參見圖8A和8B予以說明。工具800能夠由金剛石或其它的適當?shù)牟牧现圃臁D8A示出一個基礎元件802的橫剖面圖，用于制造工具800，以形成按照本發(fā)明的一個示范性實施例的橢圓形透鏡元件。圖8B示出工具800的前視圖，用于形成按照本發(fā)明的一個示范性實施例的橢圓形透鏡元件。
工具800能夠使用于在一個心軸內(nèi)產(chǎn)生一個規(guī)則的溝槽陣列，用于鑄造或擠壓雙凸透鏡陣列。工具800不是使用于直接地形成雙凸透鏡陣列。例如，心軸能夠包括一個鼓筒，以及工具800能夠在鼓筒上形成一個螺旋的或螺紋的圖案。代替的方案是，工具800能夠在鼓筒上形成一個平直的切口(平行槽)圖案。再者，心軸在被工具800成形之前涂覆一層銅合金。使用銅合金是因為它能清潔地切割和保持其形狀。在切割之后，銅合金能夠電鍍另一種材料以增加心軸的耐久性。例如，電鍍材料能夠包括鉻。如果在切割之后使用涂層或電鍍材料，工具800的尺寸隨后能夠調(diào)節(jié)(增加)以補償涂層或電鍍材料的最終厚度。下列的說明涉及一個工具，它產(chǎn)生一個不帶涂層或電鍍的心軸。在實踐中，工具800的尺寸能夠按增加的涂層或電鍍的厚度計算。
如圖8A和8B的示范性的實施例中所示，基礎元件802包括一個圓柱形桿和具有一個半徑b，相當于工具800的橢圓形806的尺寸±b。基礎元件802能夠沿著一個平面804以與基礎元件802的短軸線808呈一個角度κ被切割。角度κ能夠由下列公式確定(16)----cosine(k)=ba]]>元素b和a相當于橢圓形806的橢圓特征。橢圓形806相當于按照本發(fā)明的一個示范性實施例的一個雙凸透鏡陣列的透鏡元件的希望的橢圓形，因此，每個橢圓形特征a，b和c相當于陣列的橢圓形透鏡元件的相同的特征。
在一個代替的示范性實施例中，基礎元件802能夠包括一個錐體。此錐體能夠包括一個截錐體。錐體能夠包括金剛石或其它的適當?shù)牟牧?。標準的幾何形狀公式能夠使用于確定一個正確的角度以切割錐體，用于產(chǎn)生工具800用的希望的橢圓形。因此，錐體能夠被切割為一個角度，以產(chǎn)生工具用的希望的橢圓形。截錐形基礎元件802的潛在的優(yōu)點包括需要的材料較少，以及錐頂角提供了制造設備的角度范圍能力的減小。
工具800具有一個母工具，它能夠用于切割一個心軸用于產(chǎn)生陣列的橢圓透鏡元件。心軸隨后能夠使用于產(chǎn)生雙凸透鏡陣列中的橢圓形的透鏡元件。例如，心軸能夠使用于鑄造或擠壓陣列的雙凸透鏡。
圖9示出一個偽橢圓形雙凸透鏡900，用于接近按照本發(fā)明的一個示范性實施例的雙凸透鏡陣列的橢圓形的透鏡元件。雙凸透鏡900能夠包括在按照本發(fā)明的一個示范性實施例的一個雙凸透鏡陣列內(nèi)。雙凸透鏡900包括一個偽橢圓形透鏡元件901。如圖所示，偽橢圓形透鏡元件901接近一個橢圓形902的一部分。偽橢圓形透鏡元件901包括一個圓形部分905，相關的平直部分906a，906b和相關的平直部分908a，908b。
圓形部分905包括一個圓形904的一部分，它接近橢圓形902的半徑R。因此，圓形904具有一個半徑等于橢圓形的半徑R。代替的方案是，圓形904具有一個不同于橢圓形半徑R的半徑，如果這個不同的半徑能夠更好地接近橢圓形。圓形部分905能夠包括圓形904的一部分，它在一個特定的容差內(nèi)接近橢圓形902。特定的容差能夠根據(jù)對于一個特定的用途希望的投射圖像的質(zhì)量確定。圓形和平直區(qū)的最大的殘余形狀誤差能夠保持為接近相同。
相關的平直部分906a，906b能夠設置在一點開始，在此點圓形904由橢圓形902超出特定的容差。因此，平直部分906a，906b能夠接近希望的橢圓形902的一部分。
相關的平直部分908a，908b能夠設置在一點開始，在此點平直部分906a，906b分別地由橢圓形902超出特定的容差。平直部分908a，908b能夠接近希望的橢圓形902的一部分。
任何數(shù)目的平直部分能夠使用于接近橢圓形902。平直部分的數(shù)目能夠調(diào)節(jié)以減少與橢圓形902的偏離。例如，使用較多的平直部分能夠達到與橢圓形902較小的偏離。換句話說，當使用較多的平直部分時，能夠達到較小的容差極限。典型地，如果使用較多的平直部分，隨后能夠使用一個較小的圓形部分905，以允許一個較小的容差極限。
在一個代替的示范性的實施例中，一組小平面能夠使用于接近希望的橢圓形，而不需使用一個圓形部分。在一個實施例中，相關的成對的小平面能夠使用于接近希望的橢圓形。在此實施例中，偽橢圓形透鏡元件能夠具有一點，在此點小平面對與透鏡元件的頂點會合。在一個代替的實施例中，頂點能夠使用一個單獨的小平面接近，它定位在基本與橢圓形的長軸線正交，以及相關的成對的小平面能夠使用于接近橢圓形的外部分。因此，偽橢圓形透鏡元件901能夠接近一個橢圓形902，從而改進了圖像的特征，其方式與上述圖4的陣列400所用的方式相同。
圖10示出按照本發(fā)明的一個示范性實施例的偽橢圓形工具1000，用于產(chǎn)生一個偽橢圓形的透鏡元件。工具1000能夠使用于在一個心軸內(nèi)產(chǎn)生一個規(guī)則的溝槽陣列，用于鑄造或擠壓雙凸透鏡陣列。工具1000不直接地使用于形成雙凸透鏡陣列。例如，一個心軸能夠包括一個鼓筒，以及工具1000能夠在鼓筒上形成一個螺旋的或螺紋的圖案。代替的方案是，工具1000能夠在鼓筒上形成一個平直的切口(平行槽)圖案。再者，心軸在被工具1000成形之前能夠涂覆一層銅合金。使用銅合金是因為它能夠清潔地切割和保持其形狀。在切割之后，銅合金能夠電鍍另一種材料以增加心軸的耐久性。例如，電鍍能夠包括鉻。如果在切割之后使用涂層或電鍍材料，工具1000的尺寸隨后能夠調(diào)節(jié)(增加)以補償涂層或電鍍材料的最終厚度。下列的說明涉及一個工具，它產(chǎn)生一個不帶涂層或電鍍的心軸。在實踐中，工具1000的尺寸能夠按增加的涂層或電鍍計算。
在圖10內(nèi)，僅示出橢圓形工具1000的一個側面。橢圓形工具1000的另一個側面具有所示的側面的鏡像。橢圓形工具1000能夠由金剛石或其它的適當?shù)牟牧现圃臁E圓形工具1000能夠包括一個工具用于切割一個形狀，它能夠使用于擠壓或鑄造按照本發(fā)明的一個示范性的實施例的雙凸透鏡陣列的偽橢圓形透鏡元件。
如圖所示，一個希望的橢圓形包括一個橢圓形1002。一個圓形1004具有一個半徑能夠接近橢圓形1002的一部分1005。點1007指示一條切線1006與橢圓形1004的交點，在此點圓形1004由橢圓形1002超出一個特定的容差。一個第一小平面1008能夠設置為由點1007開始，以及能夠接近橢圓形1002的一部分。一個第二小平面1010能夠設置為由點1009開始，在此點第一小平面由橢圓形1002超出特定的容差。第二小平面1010能夠接近橢圓形1002的一部分，直到達到希望的寬度y。
切線1006，第一小平面1008和第二小平面1010能夠分別地與橢圓形1002的長軸1003形成一個角度l，m和n。真實的角度l，m和n，半徑R和第一和第二小平面1008，1010的長度可以根據(jù)橢圓形1002的特征和特定的容差對于特定的用途確定。
在實踐中，圓形1004的半徑能夠選擇為接近橢圓形1002的半徑R。因此，圓形1004能夠具有一個半徑等于橢圓形的半徑R。代替的方案是，圓形1004能夠具有一個不同于橢圓形的半徑R的半徑，如果不同的半徑能夠更好地接近橢圓形。所選擇的半徑能夠使用，直到它由橢圓形1002超出特定的容差。第一小平面1008的角度m能夠根據(jù)在切線點1007處的橢圓形1002確定。類似地，第二小平面1010的角度n能夠根據(jù)在點1009處的橢圓形1002確定。
任何數(shù)目的小平面能夠使用于接近橢圓形1002。小平面的數(shù)目能夠調(diào)節(jié)以減少與橢圓形1002的偏離。例如，使用較多的小平面能夠達到與希望的橢圓形1002較小的偏離。換句話說，當使用較多的小平面時，能夠達到較小的容差極限。典型地，如果使用較多的小平面，隨后能夠使用一個較小的圓形部分1005，以允許一個較小的容差極限。
球形像差的緩和可以借助引入橢圓形的透鏡達到，與普通的透鏡比較，它允許使用較薄的透鏡以達到同樣的或更好的性能。使用于表達一個透鏡的集光能力的一個公共的量度被稱為聚焦率或F-數(shù)目(F/#)。聚焦率可以簡單地定義為透鏡的焦距除以透鏡的直徑(特殊地稱為透鏡的入射光瞳)。普通的透鏡的球形像差遵循已知的關系式，與1/(F/#)3成正比。當一個普通的雙凸透鏡減薄(t變小)，而保持節(jié)距時，明顯的是圖像分辨率/質(zhì)量迅速地降低，因為F#變小。例如，當t由0.020in改變至0.009in時，分辨率降低超過10倍。當較薄的雙凸透鏡板材與圓柱形物體接合時，如在本說明書其它地方解釋地，提供了顯著的優(yōu)點。
在一個代替的示范性實施例中，一組小平面能夠使用于接近希望的橢圓形，而不需要使用一個圓形部分。在一個實施例中，相關的成對的小平面可以使用于接近希望的橢圓形。在此實施例中，偽橢圓形元件能夠具有一點，在此點一對小平面與透鏡元件的頂點會合。在一個代替的實施例中，頂點能夠用一個單獨的小平面接近，它定位在基本與橢圓形的長軸線正交，以及相關的成對的小平面能夠使用于接近橢圓形的外部分。
工具1000能夠使用于一個具有偽橢圓形的心軸的成形。偽橢圓形心軸隨后使用于透鏡元件的鑄造或擠壓，它具有偽橢圓形用于一個雙凸透鏡陣列。
按照本發(fā)明的示范性的實施例的雙凸透鏡元件的橢圓形能夠提供超過普通的設計的下列的效益產(chǎn)生較小的視覺印刷投射像差；提供較高的印刷圖像的對比度；提供較薄規(guī)格的雙凸透鏡材料，它保持在較厚規(guī)格材料內(nèi)存在的印刷質(zhì)量(例如，較薄的雙凸透鏡材料能夠以小于0.012in的厚度制造，以及更專門地在約0.005in至約0.010in范圍內(nèi))；提供帶有更清晰的和更小的襯線和點尺寸的圖像；提供較薄規(guī)格的雙凸透鏡材料，它足夠柔軟，以便貼附至圓筒形或截錐形的包裝容器，比如缸子，瓶子，飲料杯，紙板等，而不會使消費者包裝脫層；提供較薄規(guī)格的雙凸透鏡材料，它能夠適用于工業(yè)生產(chǎn)線上的標簽粘貼機，用于轉(zhuǎn)動的卷材供給的吹下或滑下標簽系統(tǒng)；提供較薄規(guī)格的材料，它能夠減小厚度和每平方英寸的材料的重量，從而減少費用；提供增加的雙凸透鏡的觀察寬度區(qū)，用于較廣闊的動畫成像技術，并且達到較小的材料厚度和較細的透鏡節(jié)距；或者降低串音和圖像幻像。
按照本發(fā)明的各示范性的實施例的雙凸透鏡陣列的橢圓形透鏡元件能夠使用于下列的印刷產(chǎn)品類型和市場，這是由于較薄的雙凸透鏡材料能夠與橢圓形設計相結合整個的外雙凸透鏡包裝的增強件(盒子的外纏繞)；分段粘貼的雙凸透鏡標簽封條，用于外包裝；壓敏的和非壓敏的，自粘接的和非自粘接的雙凸透鏡標簽產(chǎn)品；多層的，多基底剝離開啟式壓敏的，非壓敏的雙凸透鏡標簽；疊層至硬紙板的雙凸透鏡；包裝內(nèi)包裝和包裝上包裝；具有裝飾性局部的或全部的雙凸透鏡杯纏繞件的飲料杯；錄像帶，數(shù)字視盤或光盤封蓋的雙凸透鏡處理；直接郵件；雜志插頁；招紙插頁；或競賽和游戲抽獎品，它包括使用局部的全部的雙凸透鏡增強件。
雖然以上詳細地說明了本發(fā)明的特定的實施例，這些說明僅為了示范的目的。對于技術熟練人員，在不脫離以下權利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍的條件下，可以作出除了上述之外，對于示范性實施例的公開的方面的各種改變和等同的步驟。權利要求書的范圍遵照最廣泛的解釋，從而包括這些改變和等同結構。
權利要求
1.一種雙凸透鏡陣列，用于產(chǎn)生通過上述雙凸透鏡陣列觀察的圖像的一個視覺效果，它包括一系列雙凸透鏡，彼此相鄰地設置，以形成雙凸透鏡陣列，每個雙凸透鏡包括一個雙凸透鏡元件在一個側面上，以及一個基本平坦的表面在一個相對的側面上，其中每個雙凸透鏡元件具有一個頂點和一個橫截面，包括一個橢圓形的一部分，橢圓形具有一個長軸線，設置為基本垂直于每個相應的雙凸透鏡元件的基本平坦的表面，以及其中每個相應的雙凸透鏡元件的頂點基本設置為沿著橢圓形的長軸線。
2.按照權利要求1的雙凸透鏡陣列，它還包括一個交錯的圖像，印刷在上述一系列雙凸透鏡的至少一個的平坦的表面上，其特征在于，當上述雙凸透鏡陣列的觀察角度改變時，上述交錯的圖像的視覺部分也改變。
3.按照權利要求1的雙凸透鏡陣列，它還包括一個交錯的圖像印刷在上述一系列雙凸透鏡的至少一個的平坦的表面上，其特征在于，當通過上述雙凸透鏡陣列觀察時，上述交錯的圖像的視覺部分產(chǎn)生一個三維的視覺效果。
4.按照權利要求1的雙凸透鏡陣列，它還包括一個不透明的基底具有一個交錯的圖像印刷在其上面，與上述多個雙凸透鏡的基本平坦的表面匹配，其中交錯的圖像印刷在上述多個雙凸透鏡的至少一個的基本平坦的表面的覆面的上述不透明的基底上，以及其特征在于，當上述雙凸透鏡陣列的觀察角度改變時，交錯的圖像的視覺部分也改變。
5.按照權利要求1的雙凸透鏡陣列，它還包括一個基底，與上述多個雙凸透鏡的基本平坦的表面匹配。
6.按照權利要求5的雙凸透鏡陣列，其特征在于，上述多個雙凸透鏡是鑄造到上述基底上的。
7.按照權利要求6的雙凸透鏡的陣列，其特征在于，一個不連續(xù)性存在于兩個相鄰的雙凸透鏡之間。
8.按照權利要求1的雙凸透鏡陣列，它還包括多個基底，與上述多個雙凸透鏡的基本平坦的表面匹配。
9.按照權利要求8的雙凸透鏡陣列，其特征在于，上述多個基底之一包括一個粘接層。
10.一種雙凸透鏡陣列，用于產(chǎn)生通過上述雙凸透鏡陣列觀察的圖像的一個視覺效果，它包括多個雙凸透鏡，彼此相鄰地設置，以形成雙凸透鏡陣列，每個雙凸透鏡包括一個雙凸透鏡元件在一個側面上，以及一個基本平坦的表面在一個相對的側面上，其中每個雙凸透鏡元件具有一個頂點和一個橫截面，包括一個橢圓形的一個近似部分，橢圓形具有一個長軸線，設置為基本垂直于每個相應的雙凸透鏡的基本平坦的表面，以及其中每個相應的雙凸透鏡的頂點基本設置為沿著橢圓形的長軸線。
11.按照權利要求10的雙凸透鏡陣列，其特征在于，橢圓形的近似部分包括一個圓形部分，它接近橢圓形的一個圓形部分；以及多個基本平直的部分，每個基本平直的部分接近橢圓形的一個部分。
12.按照權利要求10的雙凸透鏡陣列，其特征在于，橢圓形的近似部分包括一個圓形部分，它接近橢圓形的一個圓形部分；一個第一對相關的基本平直的部分，分別地設置為鄰接圓形部分的相對的末端，以及接近橢圓形的一個第一部分；以及一個第二對相關的基本平直的部分，分別地設置為鄰接第一對基本平直的部分中相應的一個，以及接近橢圓形的一個第二部分。
13.按照權利要求10的雙凸透鏡陣列，其特征在于，橢圓形的近似部分包括一個圓形部分，它接近橢圓形的一個圓形部分；以及一個第一基本平直的部分，設置為鄰接圓形部分以及接近橢圓形的一個第一部分。
14.按照權利要求13的雙凸透鏡陣列，其特征在于，橢圓形的近似部分還包括一個第二基本平直的部分，設置為鄰接第一基本平直的部分，以及接近橢圓形的一個第二部分。
15.按照權利要求10的雙凸透鏡陣列，它還包括一個基底，與上述多個雙凸透鏡基本平坦的表面匹配。
16.按照權利要求10的雙凸透鏡陣列，其特征在于，橢圓形的近似部分包括多個小平面，每個接近橢圓形的一部分。
17.按照權利要求16的雙凸透鏡陣列，其特征在于，多個小平面包括一系列相關的成對的小平面。
18.按照權利要求16的雙凸透鏡陣列，其特征在于，多個小平面包括一個頂點小平面設置在相應的雙凸透鏡元件的頂點，以及定位于基本與橢圓形的長軸正交；以及多個相關的成對的小平面，設置在上述頂點小平面的外面。
19.一種制造工具的方法，工具用于產(chǎn)生一個心軸，用于形成一個雙凸透鏡陣列的橢圓形的透鏡元件，它包括下列的步驟提供一個基礎元件，具有一個半徑b相當于一個橢圓形的短軸線，橢圓形相當于一個希望的橢圓形，用于雙凸透鏡陣列的每個透鏡元件；以及沿著一個平面切割基礎元件，平面與希望的橢圓形的短軸線成一個角度κ，其中橢圓形包括一個長軸線垂直于短軸線，其中希望的橢圓形的頂點設置在沿著長軸線的一點a上，以及其中角度κ由下式給出Cosine(κ)＝b/a。
20.按照權利要求19的方法，其特征在于，基礎元件包括一個圓柱形。
21.按照權利要求19的方法，其特征在于，基礎元件包括金剛石。
22.按照權利要求19的方法，其特征在于，半徑b和點a調(diào)節(jié)為偏離希望的橢圓形以補償一個保護的表面，它將在心軸被工具產(chǎn)生之后放置在心軸上。
23.按照權利要求19的方法，其特征在于，基礎元件包括一個錐形。
24.一種工具，用于產(chǎn)生一個心軸，用于形成一個雙凸透鏡陣列的偽橢圓形的透鏡元件，它包括一個圓形部分，它接近一個橢圓形的一個圓形部分，橢圓形相當于一個希望的橢圓形，用于雙凸透鏡陣列的每個透鏡元件；以及多個小平面，設置為鄰接上述圓形部分，每個小平面接近橢圓形的一部分。
25.按照權利要求24的工具，其特征在于，上述多個小平面包括一個第一對相關的小平面，分別地設置在上述圓形部分的相對的末端上。
26.按照權利要求25的工具，其特征在于，上述多個小平面還包括一個第二對相關的小平面，分別地設置為鄰接至第一對相關的小平面的相應的一個。
27.按照權利要求24的工具，其特征在于，上述圓形部分和上述多個小平面包括金剛石。
28.按照權利要求24的工具，其特征在于，此橢圓形比希望的橢圓形大，以補償保護的表面，它將在心軸被工具產(chǎn)生之后放置在心軸上。
全文摘要
一種雙凸透鏡陣列(400)用于產(chǎn)生通過雙凸透鏡陣列觀察的一個圖像的視覺效果，它包括多個雙凸透鏡(402，404，406)(402a，404a，406a)設置為彼此相鄰。每個雙凸透鏡包括一個雙凸透鏡元件，在一個側面上，以及一個基本平坦的表面(407)在相對的側面上。每個雙凸透鏡元件具有一個頂點和一個橫截面，包括一個橢圓形(408)的一部分。代替的方案是，橫截面能夠具有一個長軸線，設置為基本垂直于每個相應的雙凸透鏡元件的基本平坦的表面。每個相應的雙凸透鏡元件的頂點設置為基本沿著橢圓形的長軸線。
文檔編號G02B3/00GK1537248SQ02814547
公開日2004年10月13日 申請日期2002年6月10日 優(yōu)先權日2001年6月8日
發(fā)明者拉爾夫·B·約翰遜, 加里·A·雅格布森, A 雅格布森, 拉爾夫 B 約翰遜 申請人:蘭蒂可俐雙凸透鏡公司