專利名稱：顯現(xiàn)浮動(dòng)合成圖像的薄片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄片，所述薄片提供在相對(duì)薄片懸浮的空間中被觀察者感知的一個(gè)或多個(gè)合成圖像，其中，合成圖像的透視效果隨觀察角度而變化。
背景技術(shù)：
具有圖形圖像或其它標(biāo)記的薄片材料被廣泛使用，特別是用于鑒別物品或文件的標(biāo)簽。例如，諸如美國(guó)專利3,154,872；3,801,183；4,082,426；和4,099,838中所描述的薄片用作確認(rèn)粘貼標(biāo)簽，用于車輛牌照，以及駕駛執(zhí)照，政府文件，盒式磁帶，撲克牌，飲料罐等等的防偽薄膜。其它應(yīng)用包括用于標(biāo)識(shí)目的的圖像應(yīng)用，諸如警車，消防車或其它應(yīng)急車輛，或在廣告和宣傳展示品種和作為使商標(biāo)突出的區(qū)別標(biāo)簽。
在美國(guó)專利4,200,875(格蘭納(Galanos))中揭示了另一種圖像薄片。格蘭納(Galanos)揭示了特別的“暴露透鏡型高增益反光薄片”應(yīng)用，其中通過(guò)遮光板或圖案由激光對(duì)薄片照射形成該圖像。該薄片包括部分嵌入粘合層并且部分暴露在粘合層外的多個(gè)透明玻璃微球體，并且在這些微球體中的每一個(gè)的嵌入表面上涂覆有金屬反射層。粘合層包括碳黑，當(dāng)它成像時(shí)，碳黑會(huì)減小入射到薄片上的任意雜散光。激光束能量由嵌入粘合層的微球體的聚焦效果進(jìn)一步集中。
如果并且只有如果從激光照射在薄片的相同角度觀察時(shí)，才能看見(jiàn)在Galanos的反光薄片中形成的圖像。換句話說(shuō)，這意味著只有在非常有限的觀察角度中才能看見(jiàn)圖像。為了那個(gè)和其它的原因，需要提高這種薄片的某些特性。
在1908年，Gabriel Lippman發(fā)明了在有一層或更多層的光敏層的透鏡狀介質(zhì)中產(chǎn)生景像的真實(shí)三維圖像的方法。在1984年，在圣地亞哥召開(kāi)的SPIE的會(huì)議錄中De Montebello的“Processing and Display of Three-Dimensional DataII”中描述了那個(gè)稱作集成照片的工藝。在Lippman的方法中，照片底片通過(guò)透鏡陣列(或“小透鏡”)曝光，使得當(dāng)從小透鏡所占據(jù)的薄片點(diǎn)的投影觀察時(shí)，陣列中的各個(gè)小透鏡把正在再現(xiàn)的景像的微小圖像發(fā)射到照片底片上的光敏層。在已經(jīng)使照片底片顯影后，通過(guò)小透鏡陣列觀察底片上合成圖像的觀察者看見(jiàn)照片景象的三維圖像。根據(jù)所用的光敏材料，圖像可以是黑白或是彩色的。
因?yàn)樵诘灼钠毓膺^(guò)程中，由小透鏡形成的圖像只經(jīng)過(guò)每個(gè)微小圖像的一次反轉(zhuǎn)，所以所產(chǎn)生的三維圖像是幻視鏡的。那就是，圖像的透視深度是反轉(zhuǎn)的，所以物體表現(xiàn)為“從里向外翻”。這是主要的缺點(diǎn)，因?yàn)闉榱思m正圖像需要完成兩次光學(xué)反轉(zhuǎn)。這些方法是復(fù)雜的，包括用單個(gè)照相機(jī)或多個(gè)照相機(jī)，或多透鏡照相機(jī)的多次曝光，以記錄相同物體的多個(gè)視圖，并且需要多個(gè)圖像的非常精確的記錄以提供單個(gè)三維圖像。另外，依賴于常規(guī)照相機(jī)的任意方法需要在照相機(jī)前存在實(shí)物。這進(jìn)一步反映了不適宜于產(chǎn)生虛擬物體的三維圖像(指在效果上存在物體，而實(shí)際上不存在)的方法。集成照片的另一個(gè)缺點(diǎn)是必需從觀察側(cè)照射合成圖像來(lái)形成可以被觀察到的實(shí)像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種微透鏡薄片，它具有在薄片的上面或下面懸浮地出現(xiàn)的合成圖像。為了方便把這些懸浮圖像稱作浮動(dòng)圖像，它們可以位于薄片的上面或下面(也可以是兩維或三維圖像)，或可以是出現(xiàn)在薄片上面，在薄片中，或是在薄片下面的三維圖像。圖像可以是黑白色或是彩色的，可以隨著觀察者的移動(dòng)而出現(xiàn)。與一些全息圖像薄片不同，本發(fā)明的成像薄片不能用于產(chǎn)生它自己的復(fù)制品。另外，觀察者可以用肉眼觀察浮動(dòng)圖像。
具有所述合成圖像的本發(fā)明的薄片可以用于各種應(yīng)用，諸如護(hù)照上的防止竄改保密圖像，身份證，入場(chǎng)券(event passes)，結(jié)婚(affinity)證，產(chǎn)品鑒別格式和用于檢驗(yàn)和鑒別的廣告宣傳，提供浮動(dòng)或下沉的商標(biāo)突出圖像或浮動(dòng)和下沉的商標(biāo)突出圖像，在圖形應(yīng)用(諸如用于警察，火警或其它急救車輛的標(biāo)記)中的標(biāo)識(shí)表示圖像；在圖形應(yīng)用(諸如公用電話亭，夜間標(biāo)記和汽車儀表板顯示)中的信息表示圖像；通過(guò)在產(chǎn)品(諸如商業(yè)卡，懸掛標(biāo)簽，工藝，鞋類和瓶類產(chǎn)品)上使用合成圖像的新產(chǎn)品的突出。
本發(fā)明進(jìn)一步提供了形成包含所需合成圖像的成像薄片的新穎手段方法。在一個(gè)實(shí)施例中，形成了單個(gè)合成圖像。也揭示了形成兩個(gè)或更多個(gè)合成圖像的一些實(shí)施例，以及合成圖像出現(xiàn)在薄片的上面和下面的一些實(shí)施例。其它的實(shí)施例可以包括通常的印刷圖像和本發(fā)明所形成的合成圖像的組合。


在這里將參考附圖描述本發(fā)明，其中圖1是“暴露透鏡”微透鏡薄片的放大的橫截面圖；圖2是“嵌入透鏡”微透鏡薄片的放大的橫截面圖；圖3是包含平凸基本薄片的微透鏡薄片的放大的橫截面圖；圖4是表示碰撞到由微球體構(gòu)成的微透鏡薄片上的發(fā)散能量的圖形表示；圖5是描述記錄在鄰近單個(gè)微球體的材料層中的取樣圖象的微透鏡薄片部分的平面圖，并且進(jìn)一步示出了從合成圖像的完整復(fù)制到部分復(fù)制的記錄圖像；圖6是根據(jù)本發(fā)明的微透鏡薄片的光學(xué)顯微照片，所述薄片具有由鋁薄膜制造的輻射靈敏材料層并且已經(jīng)成像而提供好象浮動(dòng)在薄片上面的合成圖像；圖7是根據(jù)本發(fā)明的由鋁薄膜制造的輻射靈敏材料層的微透鏡薄片的光學(xué)顯微照片，它已經(jīng)成像而提供好像浮動(dòng)在薄片下面的合成圖像；圖8是好像浮動(dòng)在微透鏡薄片上面的合成圖像形成的幾何光學(xué)表示圖；圖9是當(dāng)在反射光中觀察薄片時(shí)，具有好像浮動(dòng)在本發(fā)明的薄片上的合成圖像的薄片示意表示圖；圖10是當(dāng)在透射光中觀察薄片時(shí)，具有好像浮動(dòng)在本發(fā)明的薄片上的合成圖像的薄片示意表示圖；圖11是當(dāng)觀察到好像浮動(dòng)在微透鏡薄片下時(shí)的合成圖像的形成的幾何光學(xué)表示圖；圖12是當(dāng)在反射光中觀察薄片時(shí)，具有好像浮動(dòng)在本發(fā)明的薄片下的合成圖像的薄片的示意表示圖；圖13是當(dāng)在透射光中觀察薄片時(shí)，具有好像浮動(dòng)在發(fā)明的薄片下的合成圖像的薄片的示意表示圖；圖14描述了產(chǎn)生用于形成本發(fā)明合成圖像的發(fā)散能量的光脈沖。
圖15描述了產(chǎn)生用于形成本發(fā)明合成圖像的發(fā)散能量的第二光脈沖；和圖16描述了產(chǎn)生用于形成本發(fā)明合成圖像的發(fā)散能量的第三光脈沖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的微透鏡薄片提供了合成圖像，這是由許多結(jié)合看起來(lái)是懸掛或浮動(dòng)在薄片的平面上，平面中或平面下面的微透鏡的單個(gè)圖像所提供的。
為提供本發(fā)明中的合成圖像，在下面的第一部分中將描述微透鏡薄片，接著描述第二部分中這樣薄片的材料層(較佳是輻射靈敏材料層)，第三部分中是輻射源，第四部分中的圖像處理。還提供了幾個(gè)樣品來(lái)進(jìn)一步解釋本發(fā)明的不同實(shí)施例。
I.本發(fā)明的圖像可以形成于這樣的微透鏡薄片中，該微透鏡薄片包括一個(gè)或更多的分立微透鏡層，并且鄰近微透鏡層的一側(cè)沉積一層材料(最好是將在下面描述的輻射靈敏材料或涂層)。例如，圖1示出了“暴露透鏡”類型的微透鏡薄片10，它包括部分嵌入粘合層14的單層透明微球體12，其中粘合層一般是聚合物材料。微透鏡對(duì)于幅射波長(zhǎng)(可以用于在材料層中成像)和光波長(zhǎng)(在所述光中將觀察合成圖像)兩者都是透明的。使材料層16沉積在各個(gè)微透鏡的后表面，在示出的實(shí)施例中，典型地只與各個(gè)微球體12的一部分表面接觸。這類薄片在美國(guó)專利2,326,634中更詳細(xì)地描述，并且現(xiàn)在從3M可得到，其牌號(hào)為Scotchlite8910系列反射結(jié)構(gòu)。
圖2示出另一個(gè)合適的微透鏡薄片類型。這個(gè)微透鏡薄片20是“嵌入式透鏡”型薄片，其中把微球體透鏡22嵌入在透明保護(hù)外涂層24中，該涂層是典型的聚合物材料。使材料層26沉積在透明襯墊層28的背后的微球體后面，其中透明襯墊層也是聚合物材料。這類薄片在美國(guó)專利3,801,183中詳細(xì)描述并且現(xiàn)在已在3M的Scotchlite3870系列標(biāo)記下的高強(qiáng)度等級(jí)反光薄片中應(yīng)用。
圖3示出另一個(gè)合適類型的微透鏡薄片。這個(gè)薄片包括有第一和第二寬表面的透明平-凸面或非球面基層20，第二表面32基本上是平面的，并且第一表面有基本上是半球體的或是半非球體的微透鏡34的陣列。選擇微透鏡的形狀和基層的厚度使得入射到陣列上的準(zhǔn)直光大約在第二表面上聚焦。在第二表面上提供材料層36。例如，在美國(guó)專利5,254,390中描述這類薄片，并且現(xiàn)在已在3M的2600系列標(biāo)記下的3M保密卡接收器中應(yīng)用。
薄片的微透鏡最好有在折射表面是形成的圖像，以便發(fā)生成象；通常這是由彎曲的微透鏡表面提供的。對(duì)于彎曲表面，微透鏡最好有均勻的折射率。提供漸變折射率(GRIN)的其它有用材料不必需要彎曲表面來(lái)折射光。微透鏡表面最好是球面特性的，但是也可以接受非球面表面。只要折射表面形成實(shí)像，微透鏡可以有諸如圓柱或的任意對(duì)稱性。微透鏡本身可以是分立的形式，諸如圓形平-凸小透鏡，圓形雙凸小透鏡，棒，微球體，圓珠，或圓柱小透鏡。形成微透鏡的材料包括玻璃，聚合物，礦石，晶體、半導(dǎo)體以及這些和其它材料的組合物。也可以使用不分立的微透鏡元件。這樣，也可以使用由折彎或壓紋(embossing)工藝(在那里改變薄片表面的形狀來(lái)產(chǎn)生有圖像特性的重復(fù)分布)形成的微透鏡。
在可見(jiàn)光和紅外光波長(zhǎng)上的均勻折射率在1.5和3.0之間的微透鏡最為有用。適宜的微透鏡材料對(duì)可見(jiàn)光吸收最小，并且在使用能量源使使輻射靈敏層成像的實(shí)施例中，材料應(yīng)該展現(xiàn)對(duì)能量源的吸收最小。無(wú)論微透鏡是分立的或是折彎的，也無(wú)論微透鏡是用那種材料制造的，微透鏡的折射能量最好使入射到折射表面的光折射并且在微透鏡的另一側(cè)聚焦。更具體地說(shuō)，光會(huì)聚焦在微透鏡的后表面或在鄰近微透鏡的材料上。在材料層是輻射靈敏的實(shí)施例中，微透鏡較適宜在那層的合適位置處形成縮小的實(shí)像。圖像縮小大約100到800倍對(duì)形成有好的分辨率的圖像特別有用。在這節(jié)前面所述的美國(guó)專利中描述微透鏡薄片結(jié)構(gòu)，以提供必要的聚焦條件使得入射到微透鏡薄片前表面的能量聚焦在最好是幅射靈敏的一個(gè)材料層上。
擁有從15微米到275微米的直徑范圍的微透鏡是較適宜的，雖然其它尺寸的微透鏡也可以使用。對(duì)于好象離開(kāi)微球體展的距離相當(dāng)近的合成圖像，使用具有在上述范圍較小端的直徑的微球體可以得到優(yōu)良的合成圖像分辨率，對(duì)于好象離開(kāi)微球體層的距離相當(dāng)較遠(yuǎn)的合成圖像，使用較大的微球體可以得到優(yōu)良的合成圖像分辨率。可以期望其它微透鏡(諸如平一凸形，圓柱形，球面形或非球面形微透鏡，它們具有與微球體所表示的小透鏡尺寸可比擬的小透鏡尺寸產(chǎn)生相似的光學(xué)結(jié)果。
II.材料層如上所述，在鄰近微透鏡處提供材料層。當(dāng)觀察者在反射光或透射光下觀察時(shí)，在與多個(gè)微透鏡相關(guān)聯(lián)的材料中形成的單個(gè)圖像提供一種合成圖像，所述合成圖像好象懸掛或浮動(dòng)在薄片上面，薄片的平面中和/或薄片的下面。雖然可以使用其它方法，但是提供這樣圖像的較佳方法是提供輻射靈敏材料作為材料層，并且使用輻射需要方式來(lái)改變材料以得到圖像。這樣，雖然本發(fā)明不僅限于此，但是將大部分在輻射靈敏材料層的情況中提供鄰近微透鏡的材料層的其余的討論。
對(duì)于本發(fā)明有用的輻射靈敏材料層包括金屬聚合物和半導(dǎo)體材料以及它們的混合物的涂層和薄膜。作為本發(fā)明的參考，如果用給定等級(jí)的可見(jiàn)光或其它的輻射形式使材料而經(jīng)曝光的材料外貌曝光，改變?yōu)榕c未曝光于該幅射的材料形成對(duì)比度，則該材料是“輻射靈敏的”。這樣產(chǎn)生的圖像可以是材料移去或消融，金相變化，或輻射靈敏度涂層的聚合的合成變化的結(jié)果。這些輻射靈敏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。這些金屬一般形成由于金屬的自然顏色和在輻射曝光后的金屬改變顏色間的差別而引起的對(duì)比度。如上所述，通過(guò)消融或由輻射加熱材料直到材料的光學(xué)變化而形成圖像為止，也可以提供該圖像。例如，美國(guó)專利4,743,526描述了加熱金屬合金以提供顏色變化。
除了金屬合金之外，也可以使用金屬氧化物和金屬次氧化物作為輻射靈敏介質(zhì)。這類材料包括由鋁，鐵，銅，錫和鉻形成的氧化物。非金屬材料。(諸如硫化鋅，硒化鋅，二氧化硅，氧化錫銦，氧化鋅，氟化鎂和硅)也可以提供對(duì)于本發(fā)明有用的顏色和對(duì)比度。
還可以使用多層薄膜材料以提供獨(dú)特的輻射靈敏材料。能夠配置這些多層材料提供外貌的對(duì)比度改變或除去一種顏色或?qū)Ρ冉橘|(zhì)。實(shí)例結(jié)構(gòu)包括設(shè)計(jì)成由特定輻射波長(zhǎng)成像(例如，通過(guò)顏色的變化)的光學(xué)疊層或可調(diào)諧腔。美國(guó)專利3,801,183中描述了一個(gè)特定例子，它揭示了把冰晶石/硫化鋅(Na3AlF6/ZnS)用作絕緣鏡。另一個(gè)實(shí)例是由鉻/聚合物(諸如丁二烯聚合的等離子體)/二氧化硅/鋁組成的光學(xué)疊層，這些層的厚度是對(duì)鉻為4nm，對(duì)聚合物是20nm和60nm之間，對(duì)二氧化硅是20nm和60nm之間，對(duì)鋁是80nm和100nm之間，在其中，選擇單一層厚度來(lái)提供在可見(jiàn)光譜中的特定顏色反射率。薄膜可調(diào)諧腔可以與上述任意單層薄膜一起使用。例如，具有約4nm厚的鉻層，和大約100nm和300nm之間的二氧化硅層的可調(diào)諧腔，根據(jù)特定幅射波長(zhǎng)調(diào)節(jié)二氧化硅層的厚度以提供顏色圖像。
對(duì)發(fā)明有用的輻射靈敏材料也包括熱色性材料。“熱色性”描述了一種材料，當(dāng)把它暴露在變化的溫度中時(shí)，它的顏色也變化。在本發(fā)明中有用的熱色性材料的例子由美國(guó)專利4,424,990描述，并且包括碳酸銅，具有硫脲的硝酸銅，以及具有含硫化合物的碳酸銅，所述含硫化合物諸如硫醇，硫醚，亞砜，和砜。美國(guó)專利4,121,011描述了其它合適的熱色性化合物的例子，包括了硫酸鹽氫氧化物，氮化硼，鋁，和鉍，以及硼的氧化物和氫氧化物，鐵和磷。
自然地，如果不打算使用輻射源使材料層成像，那么材料層可以，但不需要，是輻射靈敏的。但是，為了易于制造最好是輻射靈敏材料，因此也最好使用適宜的輻射源。
III.輻射源如上所述，在鄰近微透鏡的材料層上提供圖像圖案的較佳方法是使用輻射源來(lái)使輻射靈敏材料成像。用本發(fā)明的方法可以使用提供所需強(qiáng)度和波長(zhǎng)的幅射的任意能量源。相信能夠提供波長(zhǎng)在200nm和11微米之間的輻射的裝置是特別適宜的。對(duì)本發(fā)明有用的高峰值功率輻射源的例子包括激發(fā)物閃光燈，被動(dòng)調(diào)Q微芯片激光器，和調(diào)Q摻鐿釹鋁石榴石(縮寫(xiě)為NdYAG)，摻鐿釹氟化鋰(縮寫(xiě)為NdYlF)和摻藍(lán)寶石鈦(縮寫(xiě)為T(mén)isapphire)激光器。這些高峰值功率源最適用于通過(guò)燒蝕形成圖像的輻射靈敏材料，所謂燒蝕就是除去材料或是多光子吸收過(guò)程。其它有用輻射源的例子包括給出低峰值功率的裝置，諸如激光二極管，離子激光器，非調(diào)Q固體激光器，金屬蒸氣激光器，氣體激光器，弧光燈和高功率白熾光源。當(dāng)使用非燒蝕方法使輻射靈敏介質(zhì)成像時(shí)，這些光源特別有用。
對(duì)于所有有用的輻射源，把來(lái)自輻射源的能量引導(dǎo)到微透鏡薄片材料并且被控制來(lái)給出高發(fā)散能量束。對(duì)于在電磁光譜的紫外，可見(jiàn)和紅外部分的能量源，由合適的光學(xué)元件控制光，其例子如圖14，15和16所示，并且在下面更詳細(xì)地討論。在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)光學(xué)元件的這種布置要求(通常是指光學(xué)系列)是指這樣的光學(xué)系列，它通過(guò)合適的發(fā)散或擴(kuò)散把光引向薄片材料，使得可以按所需角度照射微透鏡和材料層。通過(guò)使用具有大于或等于0.3的數(shù)字孔徑(定義為最大發(fā)散光線的半角的正弦值)光傳播裝置，較佳地得到本發(fā)明的合成圖像。有較大數(shù)字孔徑的光傳播裝置產(chǎn)生有較大視角的合成圖像，和圖像的較大范圍的明顯移動(dòng)。
IV.成像工藝根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例成像工藝包括從激光器通過(guò)透鏡把準(zhǔn)直光引導(dǎo)向微透鏡薄片。如下面所述，為了產(chǎn)生的有浮動(dòng)圖像的薄片，通過(guò)具有高數(shù)字孔徑(WA)的發(fā)散透鏡發(fā)射光以產(chǎn)生高發(fā)散光錐形。高NA透鏡是指NA等于或大于0.3的透鏡。微透鏡的輻射靈敏涂層側(cè)的位置遠(yuǎn)離透鏡，使得錐形光的軸(光軸)垂直于微透鏡薄片的平面。
因?yàn)槊總€(gè)單獨(dú)的微透鏡占據(jù)了相對(duì)于光軸的唯一位置，所以照射到每個(gè)微透鏡的光相對(duì)于入射到每個(gè)其它微透鏡上的光具有唯一的入射角度。這樣，通過(guò)每個(gè)微透鏡把光發(fā)射到材料層上的唯一位置，并且產(chǎn)生唯一的圖像。更確切地說(shuō)，單個(gè)光脈沖只在材料層上產(chǎn)生單個(gè)成像點(diǎn)，使得產(chǎn)生鄰近各個(gè)微透鏡的圖像，使用多個(gè)光脈沖產(chǎn)生出自多個(gè)成像點(diǎn)的圖像。對(duì)于每個(gè)脈沖，光軸位于相對(duì)于前一個(gè)脈沖的光軸位置的新位置處。這些相對(duì)于微透鏡光軸位置的連續(xù)變化導(dǎo)致在每個(gè)透鏡入射角上的相應(yīng)變化，因此導(dǎo)致通過(guò)該脈沖在材料層中產(chǎn)生的成像點(diǎn)位置中的變化。作為結(jié)果，聚焦在微透鏡背面的入射光使所選的圖案在輻射靈敏層中成像。因?yàn)橄鄬?duì)每個(gè)光軸每個(gè)微球體的位置是唯一的，所以對(duì)每個(gè)微球體，在輻射靈敏材料中相關(guān)聯(lián)的圖像與各個(gè)其它微透鏡形成的圖像不同。
用于形成浮動(dòng)合成圖像的另一個(gè)方法使用透鏡陣列來(lái)產(chǎn)生高發(fā)散光以使微透鏡材料成像。該透鏡陣列包括布置在同一幾何平面上的高數(shù)字孔徑的多個(gè)小透鏡。當(dāng)光源照射該陣列時(shí)，該陣列會(huì)產(chǎn)生多個(gè)錐形高發(fā)散光，各個(gè)單獨(dú)錐形以它們?cè)陉嚵兄械南鄳?yīng)透鏡為中心。選擇陣列的物理尺寸來(lái)容納合成圖像的最大橫向尺寸。依靠陣列的尺寸，由小透鏡形成的單一能量錐形將照射微透鏡材料，就象當(dāng)接收光脈沖時(shí)把單個(gè)透鏡連續(xù)地放置在陣列的所有點(diǎn)上。通過(guò)使用反射遮光板而發(fā)生哪個(gè)透鏡接收入射光的選擇。這種遮光板將有相當(dāng)于暴露合成圖像部分的透明區(qū)域和不暴露圖像的反射區(qū)域。由于透鏡陣列的橫向延伸，所以不必使用多個(gè)光脈沖來(lái)描繪出圖像。
通過(guò)使用由入射能量充分照射的遮光板，允許能量通過(guò)的部分遮光板將形成勾畫(huà)出浮動(dòng)圖像的許多高發(fā)散光單一錐形，就象由單一透鏡描繪出該圖像一樣。結(jié)果，在微透鏡薄片中形成完整的合成圖像只需要單個(gè)光脈沖。另一方面，作為反射遮光板的替換，可以使用諸如xy電流掃描計(jì)之類的光束定位系統(tǒng)局部照射透鏡陣列，并且追蹤在陣列上的合成圖像。由于用本技術(shù)的能量是空間上局部化的，在任意給定時(shí)間，只照射陣列中很少小透鏡。那些被照射的小透鏡將產(chǎn)生使微透鏡材料曝光以形成薄片中的合成圖像所需要的的高發(fā)散光錐形。
用分立的小透鏡或由蝕刻工藝可以制造透鏡陣列本射以產(chǎn)生單塊的透鏡陣列。適用于透鏡的材料是那些在入射能量波長(zhǎng)不吸收的透鏡。在陣列中的各個(gè)透鏡最好具有大于0.3，以及直徑大于30微米但是小于10mm。這些陣列可以有防反射涂層，它減小會(huì)導(dǎo)致透鏡材料內(nèi)部損傷的反光效應(yīng)。另外，還可以使用有有效負(fù)聚焦長(zhǎng)度和大小等于透鏡陣列尺寸的單個(gè)透鏡，以增加離開(kāi)陣列的光的散射。選擇在單塊陣列中的各個(gè)透鏡的形狀，使之具有高的數(shù)值孔徑，并且提供大約大于60％的大的填充因子。
圖4是照射微透鏡薄片上的發(fā)散能量的圖形示意表示圖。在形成圖像I的材料層上或中的一部分對(duì)每個(gè)微透鏡是不同的，因?yàn)槊總€(gè)微透鏡“看見(jiàn)”從不同透視角度入射的能量。這樣，在與每個(gè)微透鏡相關(guān)聯(lián)的材料層形成了唯一的圖像。
在成像后，根據(jù)延伸物體的尺寸，特在每個(gè)微透鏡后的輻射靈敏材料中出現(xiàn)物體的整個(gè)或部分圖像。再現(xiàn)實(shí)際物體作為微球體后的圖像的范圍取決于入射到微透鏡上的能量密度。一部分延伸物體可以充分地遠(yuǎn)離微透鏡區(qū)域，入射到那些微球體上的能量的能量密度比修改材料所需的輻射程度低。而且，對(duì)于空間延伸的圖像，當(dāng)由固定NA透鏡成像時(shí)，對(duì)于所有延伸物體的部分，不是所有薄片部分會(huì)被暴露到入射輻射中。作為結(jié)果，那些物體的部分不會(huì)在輻射靈敏介質(zhì)中被修改并且只有部分物體的圖像會(huì)出現(xiàn)在微透鏡后。圖5是描述了在鄰近單個(gè)微球體的輻射靈敏層中形成的樣品圖像的一部分微透鏡薄片的透視圖，并且進(jìn)一步示出從合成圖像的完整折彎到部分折彎所記錄的圖像。圖6和7是根據(jù)本發(fā)明成像的微透鏡薄片的光學(xué)顯微照片，其中，輻射靈敏層是鋁層。這里所示的一些圖像是完整的，其它是部分的。
也可以認(rèn)為這些合成圖像是包括部分和完整圖像的許多相加在一起結(jié)果，所有這些都具有真實(shí)物體的不同透視圖。通過(guò)最小透鏡陣列形成許多唯一的圖像，它們都從不同的有利點(diǎn)“看見(jiàn)”物體或圖像。在各個(gè)最小透鏡后面，根據(jù)圖像的形狀和圖像能量源接收的方向產(chǎn)生在材料層中的圖像透視。但是，不是透鏡所看到的所有東西都記錄在輻射靈敏材料中。只記錄通過(guò)有足夠能量來(lái)修改輻射靈敏材料的透鏡看到的圖像或物體部分。
通過(guò)使用強(qiáng)光源，追蹤該“物體”的外形或使用遮光板，形成要成像的“物體”。對(duì)于這樣記錄的有合成外表的圖像，來(lái)自物體的光必需在廣闊的角度范圍上幅射。當(dāng)從物體輻射的光正來(lái)自物體的單個(gè)點(diǎn)，并且正在廣闊的角度范圍上幅射時(shí)，所有的光線都載有該物體的信息，雖然信息來(lái)自光線的透視角度，但信息只來(lái)自單個(gè)點(diǎn)?，F(xiàn)在考慮為了得到由光線攜帶的，關(guān)于物體的相當(dāng)完整的信息，光必需從構(gòu)成物體的許多點(diǎn)的集合在廣闊的角度范圍上幅射。在本發(fā)明中，由插入在物體和微透鏡材料之間的光學(xué)元件控制從物體發(fā)散的光線的角度范圍。選擇這些光學(xué)元件來(lái)給出產(chǎn)生合成圖像所需要的最佳角度范圍。光學(xué)元件的最佳選擇導(dǎo)致了光錐形，從而錐形的頂點(diǎn)在物體位置處終止。最佳錐形角度約大于40度。
由最小透鏡縮小物體，并且使來(lái)自物體的光聚焦到對(duì)著最小透鏡后側(cè)的能量靈敏涂層。在透鏡后側(cè)的聚焦點(diǎn)或圖像的真實(shí)位置依賴于從物體的開(kāi)始的入射光線的方向。從在物體上一點(diǎn)發(fā)射的光的各個(gè)錐形照射了一部分最小透鏡，并且只有那些由充分能量照射的最小透鏡會(huì)記錄下物體上那點(diǎn)的永久圖像。
使用幾何光學(xué)描述根據(jù)本發(fā)明的不同合成圖像的形成。如上所述，下面所述的成像過(guò)程是本發(fā)明的較佳的實(shí)施例，但不是唯一的。
A.產(chǎn)生浮動(dòng)在薄片上面的合成圖像參考圖8，把入射能量100(在這個(gè)例子中是光)引導(dǎo)到光散射體101上以使光源中的任意非均勻性均勻化。光準(zhǔn)直器102捕獲擴(kuò)散的散射光100a和使之準(zhǔn)直，光準(zhǔn)直器102把均勻分布的100b引導(dǎo)到發(fā)散透鏡105a。光線100c從發(fā)散透鏡發(fā)散到微透鏡薄片106。
照射在微透鏡薄片106上的光線能量由單個(gè)微透鏡111聚焦到材料層上(在示出的實(shí)施例中是輻射靈敏涂層112)。該聚焦能量更改輻射靈敏涂層112來(lái)提供圖像，該圖像的尺寸，形狀和外貌取決于光線和輻射靈敏涂層之間互相作用的外觀。
在圖8中所示的布置可提供有合成圖像的薄片，對(duì)于觀察者所述合成圖像好象浮動(dòng)在薄片上，如下面所述，因?yàn)槿绻l(fā)散光線100c從透鏡后部延伸，將在發(fā)散透鏡的聚焦點(diǎn)108a處相交。換句話說(shuō)，如果從材料層通過(guò)各個(gè)微透鏡和通過(guò)發(fā)散透鏡返回而追蹤假設(shè)的“圖像線”，則它們將在合成圖像出現(xiàn)的108a處相交。
B.觀察浮動(dòng)在薄片上面的合成圖像使用從觀察者相同側(cè)照射到薄片上的光(反射光)，或從觀察者相對(duì)側(cè)照射到薄片上的光(透射光)，或兩者兼而有之，可以觀察到有合成圖像的薄片。圖12是當(dāng)在反射光下觀察時(shí)，對(duì)于觀察者A的肉眼好象浮動(dòng)在薄片上面的合成圖像的示意表示圖。例如，可以把肉眼校正為正常視力，而沒(méi)有另外的放大鏡或?qū)Ｓ糜^察器的幫助。當(dāng)由準(zhǔn)直或散射的反射光照射成像薄片時(shí)，光線按光線所射到的材料層確定的的一種方法從成像薄片反射。通過(guò)定義，在材料層中形成的圖像與材料層的非成像部分不同，因此可覺(jué)察這個(gè)圖像。
例如，由材料層可以使光L1反射回到觀察者。但是，材料層不會(huì)把光L2反射回觀察者，或根本不會(huì)來(lái)那里的自成像部分。這樣，在108a處觀察者可以探測(cè)到缺少光線，光線的總和在108a處產(chǎn)生好象浮動(dòng)在薄片上面的合成圖像。簡(jiǎn)而言之，光可以從除了成像部分之外的整個(gè)薄片反射，這意味著在108a處將是明顯的相當(dāng)暗的合成圖像。
相應(yīng)地不成像的材料也可能吸收或透射入射光，并且成像材料將反射或部分吸收入射光，以提供形成合成圖像所需要的對(duì)比率效果。在那些情況下的合成圖像與顯現(xiàn)相當(dāng)暗的余留的薄片相比將顯現(xiàn)相當(dāng)亮的圖像?？梢园堰@個(gè)合成圖像稱作“實(shí)像”，因?yàn)樗钦鎸?shí)光，而不是產(chǎn)生在焦點(diǎn)108a處的圖像的缺少的光?？梢园葱柽x擇這些可能性的不同組合。
如圖10所示，通過(guò)透射光觀察也可以某些成像薄片。例如，當(dāng)材料層的成像部分是透明的而非成像部分不是透明的時(shí)，材料層將吸收或反射那么部分光L3，而同時(shí)透射光L4將通過(guò)材料層的成像部分，并且由微透鏡引導(dǎo)到焦點(diǎn)108a。在焦點(diǎn)處，合成圖像是清楚的，在這個(gè)例子中，它要比薄片的余下部分顯得更亮。可以把這個(gè)合成圖像稱作“實(shí)像”，因?yàn)樗钦鎸?shí)光，而不是在聚焦點(diǎn)108a處產(chǎn)生圖像缺少的光。
另一方面，如果材料層的成像部分是不透明的，但材料層的余下部分是透明的，那么在圖像區(qū)域中的透射光的缺少將提供比薄片余下部分顯得更暗的合成圖像。
C.產(chǎn)生浮動(dòng)在薄片下面的合成圖像也可以提供顯現(xiàn)懸掛在離開(kāi)觀察者的薄片的相對(duì)側(cè)上的合成圖像。如圖8所示，可以用會(huì)聚透鏡代替發(fā)散透鏡105來(lái)產(chǎn)生這個(gè)浮動(dòng)在薄片下面浮動(dòng)圖像。參考圖11，把入射能量100(在這個(gè)例子中是光)引導(dǎo)到散射器101上使光源的任意非均勻性均勻化。然后光準(zhǔn)直器102收集散射光100a和使其準(zhǔn)直，光準(zhǔn)直器102把光100b引導(dǎo)到會(huì)聚透鏡105b。光線100d從會(huì)聚透鏡入射到微透鏡薄片106上，把微透鏡薄片106放置在會(huì)聚透鏡和會(huì)聚透鏡焦點(diǎn)108b之間。
單個(gè)微透鏡111把照射到微透鏡薄片106上的光線能量聚焦到材料層上(在示出的實(shí)施例中是輻射靈敏涂層112)。該聚焦能量更改輻射靈敏涂層112，以提供圖像，所述圖像的尺寸，形狀和外貌取決于光線和輻射靈敏涂層之間的互相作用。
在圖11中所示的布置可提供有合成圖像的薄片，對(duì)于一個(gè)觀察者，該合成圖像好象浮動(dòng)在如下所述的薄片下面，因?yàn)槿绻麜?huì)聚光線100d通過(guò)薄片延伸，將在發(fā)散透鏡的焦點(diǎn)108a處相交。換句話說(shuō)，如果假設(shè)的“圖像線”沿著從會(huì)聚球體105b通過(guò)各個(gè)微透鏡和通過(guò)關(guān)聯(lián)于每個(gè)微透鏡的材料層中的圖像路線走，則它們將在合成圖像出現(xiàn)的108a處相交。
D.觀察浮動(dòng)在薄片下面的合成圖像在反射光，透射光，或在兩者中，也可觀察到具有好像浮動(dòng)在薄片下面的合成圖像的薄片。圖12是當(dāng)在反射光下觀察時(shí)，好象浮動(dòng)在薄片下面的合成圖像的示意表示圖。例如，由材料層可以使L5反射回觀察者。但是，材料層不會(huì)把光L6反射回觀察者，或根本不會(huì)來(lái)自成像部分。這樣，在108b處觀察者可以探測(cè)到缺少光線，光線的總和在108b處產(chǎn)生好象浮動(dòng)在薄片下面的合成圖像。簡(jiǎn)而言之，光可以從除了成像部分之外的整個(gè)薄片反射，這意味著將在108b處顯現(xiàn)相當(dāng)暗的合成圖像。
相應(yīng)地，不成像的材料也可能吸收或透射入射光，并且成像材料將反射或吸收入部分射光，以產(chǎn)生需要提供合成圖像的對(duì)比度效果。在那些情況下，與顯現(xiàn)相當(dāng)暗的薄片的余下部分相比較合成圖像將顯現(xiàn)相當(dāng)亮的圖像?？梢园葱柽x擇這些可能性的不同組合。
如圖13所示，通過(guò)透射光也可以觀察某些成像薄片。例如，當(dāng)材料層的成像部分是透明的而非成像部分不是透明的時(shí)，那么材料層將吸收或反射大部分光L7，而同時(shí)透射光L8將通過(guò)材料層的成像部分。這里把那些光線的延伸稱作“圖像光線”，在入射光的方向相反導(dǎo)致在108b處形成了合成圖像。合成圖像在焦點(diǎn)是清楚的，在這個(gè)例子中，在焦點(diǎn)處的合成圖像比薄片的余下部分顯現(xiàn)更亮。
可替換地，如果材料層的成像部分是不透明的，但材料層的余下部分是透明的，那么在圖像區(qū)域中缺少透射光將提供比薄片余下部分顯現(xiàn)更暗的合成圖像。
E.復(fù)合圖像根據(jù)本發(fā)明原則構(gòu)成的合成圖像可認(rèn)為是兩維的，這意味著它們有長(zhǎng)度和寬度，并且可以顯現(xiàn)在薄片下面，在薄片平面中，或在薄片上面，它也可以是三維的，這意味著它們有長(zhǎng)度，寬度和高度。三維合成圖像只可以顯現(xiàn)在薄片下面或上面，或按需要顯現(xiàn)在薄片的下面，薄片的平面中，或薄片的上面的任意組合中。一般，術(shù)語(yǔ)“在薄片的平面中”只是指當(dāng)薄片平坦放置時(shí)的薄片的平面。那就是，不平坦的薄片也可以有合成圖像，可認(rèn)為所述合成圖像至少有一部分如這里使用的短語(yǔ)“在薄片的平面中”。
三維合成圖像不顯現(xiàn)在單一焦點(diǎn)處，而作為具有連續(xù)聚焦點(diǎn)的圖像的合成，并且聚焦點(diǎn)范圍是從薄片的一側(cè)到薄片其它側(cè)上的一點(diǎn)或從薄片的一側(cè)通過(guò)薄片到其它側(cè)上的一點(diǎn)。最好相對(duì)其它薄片或能量源連續(xù)移動(dòng)薄片或能量源而得到(而不是提供多個(gè)不同透鏡)，以致在多個(gè)聚焦點(diǎn)處使材料層成像。產(chǎn)生的空間復(fù)合圖像基本上由許多單一點(diǎn)組成。這個(gè)圖像具有在相對(duì)于薄片平面的三個(gè)笛卡爾坐標(biāo)中的任何一個(gè)坐標(biāo)上的空間范圍。
在另一類實(shí)施中，可以構(gòu)成合成圖案使之移到微透鏡薄片中它消失的區(qū)域中。這類圖像以類似于懸浮例子的方式進(jìn)行制造，只是另外放置與微透鏡材料接觸的不透明的遮光板部分阻擋部分微透鏡的成像光。當(dāng)觀察這類圖像時(shí)，可以構(gòu)成該圖像使之移到接觸遮光板減小或消除成像光的區(qū)域。該圖像看起來(lái)“消失”在那個(gè)區(qū)域中。
根據(jù)本發(fā)明形成的合成圖像可以有非常廣闊的視角，意味著觀察者可以通過(guò)在薄片平面和觀察軸之間的寬廣角度范圍內(nèi)看見(jiàn)合成圖像。在微透鏡薄片上形成的合成圖像包括具有平均直徑大約70-80微米的玻璃微球體，當(dāng)使用數(shù)值孔徑為0.64的非球面透鏡時(shí)，合成圖像在圓錐形視場(chǎng)中是可見(jiàn)的，所述圓錐形視場(chǎng)的中心軸由入射能量的光軸確定。在周圍照明下，可以通過(guò)大約80-90度全角的圓錐觀察到這樣形成的合成圖像。使用有較小發(fā)散角或較低NA的成像透鏡可以形成較小的半角圓錐。
還可以把通過(guò)本發(fā)明的過(guò)程形成的圖像構(gòu)成為具有有限制的視角。換句話說(shuō)，只有從一個(gè)特定方向，或是那個(gè)方向上有較小角度變化外觀察，才可以見(jiàn)到該圖像。以類似下面實(shí)例一所描述的方法形成這樣的圖像，除了調(diào)整入射到最終非球面透鏡上的光，使得只有一部分透鏡被激光輻射照射。入射能量注滿部分透鏡導(dǎo)致入射到微透鏡薄片上的散射光的有限制的錐形。對(duì)于涂覆鋁的微透鏡薄片，合成圖像只作為淡灰色背景上的深灰色圖像而在有限制視錐中出現(xiàn)。該圖像相對(duì)微透鏡薄片好象浮動(dòng)。
例子將通過(guò)下面的實(shí)例進(jìn)一步解釋本發(fā)明，為了方便起見(jiàn)，可以參考某些附圖。例1這個(gè)例子描述有鋁材料層的嵌入透鏡薄片，和好象浮動(dòng)在薄片上面的合成圖像。使用在圖14中描述的光脈沖類型來(lái)形成浮動(dòng)圖像。光脈沖包括SpectraPhysics Quanta-RayTMDCR-2(10)NdYAG激光器300，它工作于基本波長(zhǎng)為1.06微米的調(diào)Q模式。這個(gè)激光器的脈沖寬度通常從10-30ns。在激光器以后，通過(guò)99％反射旋轉(zhuǎn)鏡302，基本玻璃散射體304，5X光束擴(kuò)展望遠(yuǎn)鏡306，和數(shù)值孔徑為0.64以及焦距為39.0mm的非球面透鏡308使能量再定向。把來(lái)自非球面透鏡308的光引導(dǎo)到XYZ平臺(tái)310。平臺(tái)包括三個(gè)線性平臺(tái)，并且按賓夕法尼亞州，匹茲堡的Aerotech公司的牌號(hào)ATS50060可得到。一個(gè)線性平臺(tái)用于把非球面透鏡沿著非球面焦點(diǎn)和微透鏡薄片之間的軸(Z軸)上移動(dòng)，而另外兩個(gè)平臺(tái)則使得薄片相對(duì)光軸在兩個(gè)互相垂直的水平軸上移動(dòng)。
把激光引導(dǎo)到基本玻璃散射體304，以消除由熱透鏡引起的任何光束不均勻性。緊鄰散射體，5X光束擴(kuò)展望遠(yuǎn)鏡306準(zhǔn)直來(lái)自散射體的發(fā)散光并且放大光束來(lái)注滿非球面透鏡308。
在這個(gè)實(shí)例中，把非球面透鏡放置在XYZ平臺(tái)的XY平面上方，使得透鏡的焦點(diǎn)在微透鏡薄片312的上面1cm。使用由加拿大，魁北克的圣特菲(Saint-Fey)的Gentec公司提供的牌號(hào)為ED500的帶有機(jī)械遮光板的小孔能量計(jì)來(lái)控制在薄片平面中的能量密度。調(diào)節(jié)激光器輸出，在距離非球面透鏡焦點(diǎn)1cm的能量計(jì)的照射區(qū)域中得到大約8毫焦耳每平方厘米(8mJ/cm2)。把具有80nm厚的鋁輻射靈敏層的嵌入透鏡薄片312的樣品附加在XYZ平臺(tái)310上，使得涂覆鋁的側(cè)面遠(yuǎn)離非球面透鏡308。
由賓夕法尼亞洲匹茲堡的Aerotech公司提供的牌號(hào)為U21的控制器提供了對(duì)XYZ平臺(tái)312的移動(dòng)的必要控制信號(hào)并且控制激光器300的脈沖電壓。通過(guò)把一個(gè)CAD文件輸入控制器，用需要x-y-z坐標(biāo)信息，移動(dòng)指令，和激光點(diǎn)火指令的控制器中來(lái)移動(dòng)平臺(tái)從而產(chǎn)生圖像。通過(guò)用激光脈沖協(xié)調(diào)X，Y和Z平臺(tái)的移動(dòng)，使之在微透鏡材料上的空間中沿著圖像的路線，來(lái)形成任意復(fù)雜的合成圖像。激光脈沖速率為10Hz時(shí)，把平臺(tái)速度調(diào)整為50.8厘米/分鐘。這樣在鄰近微透鏡的鋁層中形成了連續(xù)的合成線。
當(dāng)在環(huán)境光下觀察微透鏡薄片時(shí)，圖像是相對(duì)淡灰色背景的深灰色。對(duì)于在聚焦點(diǎn)和圓珠薄片表面之間的固定的1cm間距，產(chǎn)生的圖像是好象浮動(dòng)在薄片上方大約1cm處的合成圖像。而且，合成圖像展示了相對(duì)觀察者透視視覺(jué)的相當(dāng)大的移動(dòng)，這樣觀察者可以容易地觀察到依賴視角的合成圖像的各個(gè)方面。
例2在這個(gè)例子中，使用具有透明鏡面輻射靈敏層的暴露的透鏡薄片結(jié)構(gòu)以形成好象浮動(dòng)在微透鏡薄片下面的合成圖像。在例1中使用的光脈沖也可以用于這個(gè)例子中。相對(duì)非球面透鏡308放置微透鏡薄片使得透鏡幾乎接觸微透鏡薄片。調(diào)節(jié)激光器輸出得到直接在非球面透鏡下面的大約14mJ/cm2的照射。如美國(guó)專利3,801,183描述的由部分嵌入微透鏡組成的暴露透鏡薄片，具有沉積到微透鏡一側(cè)上的硫化鋅(ZnS)絕緣鏡蒸氣。ZnS層的厚度通常是560nm。如在例1中，當(dāng)薄片以50.8cm/min移動(dòng)時(shí)，工作在10Hz的激光器導(dǎo)致了在微透鏡薄片中形成連續(xù)合成線。平臺(tái)系統(tǒng)跟蹤“球體”圖案(有四個(gè)內(nèi)接弧的圓)。
在環(huán)境光下，球體顯現(xiàn)為相對(duì)白色/黃色背景的黑色圖像。黑色組合圖像好象浮動(dòng)在薄片下面大約39mm處。合成圖像的位置符合非球面透鏡焦點(diǎn)位置，在這個(gè)例子中它在透鏡后面大約39mm處。
例3這個(gè)例子描述了在帶有鋁輻射靈敏層的暴露透鏡薄片中使用透鏡陣列代替單一非球面透鏡而形成的合成圖像。使用在圖15中描述的光脈沖來(lái)形成浮動(dòng)合成圖像。光脈沖包括調(diào)Q激光器300，99％反射鏡302，光學(xué)散射體304，和光束擴(kuò)展望遠(yuǎn)鏡306。在這個(gè)例子中使用的這些光脈沖元件與例1中描述的元件相同。這個(gè)例子中的光脈沖也包括兩維透鏡陣列407，反射遮光板409和負(fù)雙凹透鏡411。反射遮光板409的區(qū)域是透明的，與要暴露于激光輻射的微透鏡材料412的區(qū)域一致，而遮光板的剩余表面是不透明或反射的。
透鏡陣列407包括從阿拉巴馬州，Huntsville的LLC，MEMs光學(xué)可提到的牌號(hào)為3038的融熔硅折射微透鏡陣列。把封閉封裝的非球面透鏡陣列放置得幾乎接觸有75mm直徑和150mm負(fù)焦距的負(fù)雙凹透鏡薄片411。帶有80nm厚的鋁輻射靈敏層的暴露透鏡薄片412放置在內(nèi)負(fù)雙凹透鏡411的25mm。把微透鏡材料放置在離開(kāi)微透鏡陣列和負(fù)雙凹透鏡的組合光學(xué)路徑焦距大約1cm。調(diào)節(jié)激光器輸出以在微透鏡薄片的暴露的透鏡表面上產(chǎn)生大約4mJ/cm2的照射。起動(dòng)單個(gè)激光脈沖使整個(gè)圖像曝光。
當(dāng)在環(huán)境光中觀察時(shí)，所產(chǎn)生的成像微透鏡薄片展現(xiàn)了好象浮動(dòng)在薄片上大約1cm處的圖像。圖像顯現(xiàn)相對(duì)于淡灰色背景的深灰色。
例4在這個(gè)例子中，通過(guò)從散射光源的反射得到發(fā)散光源。散射反射器包括直徑大約5mm的陶瓷圓珠。在這個(gè)例子中使用圖16所示類型的光脈沖。它包括類似于例1所描述的調(diào)Q NdYA6激光器500，以及后面接著把入射激光束尺寸減小到大約1mm直徑的望遠(yuǎn)鏡502。然后光以充分偏離普通光的角度照射到陶瓷圓珠504，從而照射到面向微透鏡薄片512的陶瓷圓珠504半球的約四分之一。通過(guò)紅外照相機(jī)觀察散射輻射進(jìn)行了確認(rèn)。
陶瓷圓珠504放置在XY平臺(tái)510上方大約25mm距離處。調(diào)節(jié)來(lái)自激光器的入射光使之平行于樣品平臺(tái)。把帶有80nm鋁輻射靈敏層的嵌入透鏡薄片512附加在XY平臺(tái)510上并且由控制器把控制信號(hào)提供給平臺(tái)和激光器。調(diào)整激光輸出，以在微透鏡薄片表面處得到大約8mJ/cm2的照射。調(diào)整陶瓷圓珠504的照射，以使大部分均勻光照射到微透鏡薄片512的表面。在激光脈沖在10Hz時(shí)，XY平臺(tái)510以50.8cm/分鐘移動(dòng)。用平臺(tái)跟蹤出合成圖像，而微透鏡薄片暴露在來(lái)自陶瓷反射器的散射輻射中。
在環(huán)境光中，合成圖像浮動(dòng)在薄片上方大約25mm處，并且顯現(xiàn)相對(duì)于淡灰色背景的深灰色。該圖像相對(duì)觀察者觀察位置有大的移動(dòng)。在透射光下，發(fā)光合成圖像浮動(dòng)在薄片上方大約25mm處。
例5在這個(gè)例子中，嵌入式透鏡薄片的材料層包括在可見(jiàn)光譜中可調(diào)諧為特定顏色的多層光學(xué)堆疊。在微透鏡基本薄片的一個(gè)面上，由真空蒸發(fā)和等離子聚合沉積薄膜層來(lái)得到包括鉻/等離子聚丁二烯/二氧化硅/鋁的層序列，并且鉻層鄰近嵌入透鏡。調(diào)整單個(gè)材料的厚度，得到可見(jiàn)光譜的紅色，綠色，和藍(lán)色部分中的顏色。表1提供了所制備的單個(gè)材料的特定厚度。
表1多層結(jié)構(gòu)

然后使涂覆的微透鏡薄片層疊到與層疊材料接觸的多層的背面。然后除去微透鏡薄片的襯墊，以上表給出的顏色使嵌入透鏡的前表面曝光。
使用在例1中描述的光脈沖使本例子的樣品成像。在這個(gè)例子中，非球體的聚點(diǎn)置于微透鏡薄片上面1cm處。調(diào)節(jié)激光器輸出以在微透鏡薄片表面上得到5mJ/cm2的能量密度。在照射區(qū)域中修改多層堆疊的光學(xué)特性。以類似于例1中描述的方法跟蹤球體圖案來(lái)得到在多層堆中的圖像。
在環(huán)境光中，照射區(qū)域在微透鏡薄片的背景顏色中出現(xiàn)了從黃色到橙色的顏色。所有的合成圖像在薄片上浮動(dòng)出現(xiàn)并且相對(duì)觀察者移動(dòng)。
例6這個(gè)例子描述了作為用于產(chǎn)生顏色合成圖像的輻射靈敏層的第二種類型的多層可調(diào)諧堆疊。在包括嵌入透鏡薄片的微透鏡薄片上制備這類光學(xué)堆疊。在微透鏡薄片的一個(gè)面上，由真空蒸發(fā)方法沉積薄膜層來(lái)得到由下面表2示出的，包括鉻/冰晶石/鋁(Cr/Na3AlF6/Al)，鉻/二氧化硅/鋁(Cr/SiO2/Al)，或鉻/氟化錳/鋁(Cr/MgF2/Al)層序列。調(diào)整絕緣材料SiO2，Na3AlF6和MgF2的厚度來(lái)得到可見(jiàn)光譜中的各種顏色。表2提供了制備各種樣品的各種材料的特定厚度。
表2多層結(jié)構(gòu)


然后使涂復(fù)的微透鏡基本薄片層疊到背面，致使多層與層疊材料接觸。接著除微透鏡薄片的襯墊用上表中給出的顏色使嵌入透鏡的前表面曝光。
使用在實(shí)例1中描述的光脈沖使這些樣品成像。在這個(gè)例子中，最終非球面透鏡的位置放置到幾乎接觸樣品以提供好象浮動(dòng)在薄片下面的合成圖像。調(diào)整激光器的能量來(lái)得到能夠永久改變?nèi)绫?所示的各個(gè)多層堆疊的光學(xué)性質(zhì)的能量密度。以類似于例1所述的方法對(duì)于在這種材料中的圖像跟蹤字母數(shù)字字符SAMOLE“(樣品)”。在環(huán)境光中，合成圖像表現(xiàn)出帶有相對(duì)于微透鏡薄片的背景色的白色/黃色輪廓的暗色。所有的合成圖像好像浮動(dòng)在薄片下面大約39mm處，并且隨著觀察薄片的觀察者而移動(dòng)。
例7在這個(gè)例子中，在嵌入透鏡薄片中形成彩色合成圖像，所述嵌入透鏡薄片使用原子百分比為50的銀和原子百分比為50的鋅(Ag50Zn50)的金相改變合金和由鉻與二氧化硅組成的作為輻射靈敏層的可調(diào)諧雙層堆疊。所施加的輻射不會(huì)燒融金相改變合金，而可調(diào)諧雙層提高了可見(jiàn)電磁光譜的藍(lán)光部分的光譜反射率。類似于在例5中使用的在微透鏡基本薄片上沉積多層堆疊的薄膜層所使用的過(guò)程，在封閉微透鏡薄片的間隔層上沉積輻射靈敏層。首先，分別在聚合物間隔層上真空沉積厚度各為40nm和260nm的鉻和二氧化硅層。接著，在二氧化硅層上濺射沉積厚度為80nm的Ag50Zn50合金層。接著把樣品層疊，并且剝離使微透鏡薄片的清除部分暴露。
當(dāng)在環(huán)境光(反射光)下觀察時(shí)，薄片表現(xiàn)為紫藍(lán)色。使用類似于例1中的光脈沖使Ag50Zn50輻射靈敏層成像。使用工作在1.06μm波長(zhǎng)的連續(xù)光NdYAG激光器取代調(diào)Q激光器作為能量源。使用在光脈沖中的聲光調(diào)制器來(lái)控制脈沖寬度。通過(guò)在圖14中所描述類型的光脈沖發(fā)送一級(jí)衍射光束。把封閉透鏡薄片的樣品附加到XYZ平臺(tái)上。調(diào)節(jié)到聲光調(diào)制器中的激光功率，在微透鏡材料處給出810mW的功率。設(shè)置聲光調(diào)制器以得到脈沖寬度為100微秒的20Hz脈沖。把如在例1中描述的正的非球面透鏡放置在微透鏡材料表面上方12mm處。由XYZ平臺(tái)跟蹤圖像，而激光輻射使輻射靈敏層曝光圖像。
當(dāng)在環(huán)境光中觀察薄片時(shí)，成像區(qū)域表現(xiàn)為淡藍(lán)色，并且浮動(dòng)在微透鏡薄片上方12mm處。
例8在這個(gè)例子中，使用帶有銅輻射靈敏層的彎折透鏡結(jié)構(gòu)作為微透鏡薄片。使用由美國(guó)專利5,254,390描述的這類彎折薄片作為微透鏡薄片。在薄片平面上真空蒸發(fā)80nm厚的銅輻射靈敏層。使微彎折的微透鏡材料曝光于來(lái)自如同例1中所描述的光脈沖的激光輻射。把最終的非球面透鏡放置為焦點(diǎn)離微透鏡材料表面6.5mm。調(diào)整激光器輸出，以在薄片表面處給出大約7mJ/cm2。設(shè)置激光器使脈沖為10Hz，而XYZ平臺(tái)移動(dòng)速度為50.8cm/分鐘。在上述樣品上方跟蹤“球體”圖案(有四個(gè)內(nèi)接弧的圓)。
當(dāng)在環(huán)境光中觀察薄片時(shí)，相對(duì)輻射靈敏層的銅色可以觀察到浮動(dòng)的白色球體圖象。這個(gè)合成圖好象浮動(dòng)在薄片上面6mm處。
例9這個(gè)例子描述了平面合成圖像的組合，具有好象浮動(dòng)在薄片下面的合成圖象。采用例1中描述的光學(xué)結(jié)構(gòu)，使有80nm厚的鋁輻射靈敏層的暴露透鏡微透鏡薄片成像。放置非球面透鏡使之幾乎接觸微透鏡薄片，并且調(diào)節(jié)激光器輸出使之在樣品表面處產(chǎn)生4mJ/cm2。對(duì)控制器編程以跟蹤字母數(shù)字字符“SAMPAL(樣品)”。在打開(kāi)的薄片頂部放置吸收遮光板。通過(guò)常規(guī)的影印在透明薄片上成行地印刷字母數(shù)字字符“3M”來(lái)制造遮光板。字母數(shù)字字符吸收輻射，而周圍區(qū)域透射激光輻射。放置帶有這個(gè)吸收遮光板的暴露透鏡薄片，使得在遮光板部分的頂部上形成“SAMPLE(樣品)”字符。
當(dāng)在環(huán)境光下觀察時(shí)，字符“SAMPLE”好象浮動(dòng)在薄片下面大約39mm處，而未暴露的字符“3M”出現(xiàn)在薄片的平面中。只有相對(duì)于“樣品”字符的黑色字符才能觀察到“3M”字符。
例10這個(gè)樣品描述了有復(fù)合的三維圖像的薄片。在這個(gè)例子中使用了有80nm厚的鋁輻射靈敏層的嵌入式透鏡微透鏡薄片。使用在例1中使用的光脈沖。把微透鏡薄片附加到XYZ平移臺(tái)的XY平面上，而把非球面透鏡附加于z軸上。非球面透鏡有0.64的數(shù)值孔徑和39mm的焦距。對(duì)控制器編程來(lái)跟蹤有5cm長(zhǎng)立方體對(duì)角線(在立方體兩個(gè)相對(duì)角之間的距離)的等距立方體。在控制器中對(duì)立方體的相對(duì)位置和方向編程在薄片表面上面大約5mm處放置合成立方體圖像的一端，在表面上面5.5cm處放置合成立方體圖像的另一端。給立方體圖像定向來(lái)放置立方體最靠近觀察者的一角。
在跟蹤等距立方體期間，控制來(lái)自激光器的每個(gè)脈沖的能量，在樣品表面產(chǎn)生8mJ/cm2的恒定能量密度，而不考慮發(fā)散透鏡和薄片之間的間隔距離。激光器工作在10Hz并且XYZ平臺(tái)的移動(dòng)速度為50.8cm/分鐘。由控制器在微透鏡薄片上面的空間中連續(xù)跟蹤等距立方體的圖像。
當(dāng)在環(huán)境光下觀察時(shí)，等距合成立方體圖像以相對(duì)淡灰色背景的深灰色顯現(xiàn)，在表面上面5mm和5.5cm間浮動(dòng)。另外，當(dāng)觀察者改變他或她的視覺(jué)透視時(shí)，等距立方體在微透鏡薄片上面的空間中顯現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，并且暴露原先在不同視角中模糊的立方體的側(cè)面。
例11這個(gè)例子描述了可以消失的浮動(dòng)圖像。即是，通過(guò)改變視角可以使合成圖像從視覺(jué)中消失或再出現(xiàn)。采用有80nm厚鋁輻射靈敏層的嵌入透鏡薄片。采用類似于例1中的光脈沖來(lái)形成圖像，并且把非球面透鏡到薄片的距離調(diào)整為使焦點(diǎn)位于微透鏡薄片上面1cm。對(duì)控制器編程，以產(chǎn)生“球體”圖案(有四個(gè)內(nèi)接弧的圓)并且調(diào)整激光器輸出，以在樣品表面提供8mJ/cm2。在樣品本身上，把透明帶的正方形部分附加到嵌入透鏡薄片的表面放置帶的正方形部分，以致在球體成象期間，由激光成像的一部分區(qū)域與由透明帶覆蓋的部分重疊。
當(dāng)在環(huán)境光下觀察成像薄片時(shí)，觀察到的浮動(dòng)球體圖案是相對(duì)于淡灰色背景的深灰圖像，并在薄片上面1cm處浮動(dòng)。通過(guò)改變視角，“球體”移入或者移出由透明帶屏蔽的區(qū)域。當(dāng)球體移到屏蔽區(qū)域中時(shí)，在那個(gè)區(qū)域中的球體消失了。當(dāng)球體移出屏蔽區(qū)域時(shí)，在那個(gè)區(qū)域中的球體部分再次出現(xiàn)。當(dāng)合成圖像通過(guò)屏蔽區(qū)域時(shí)，不只是漸漸減弱，而是當(dāng)它通過(guò)那個(gè)區(qū)域時(shí)確實(shí)完全地消失了。
包含了本發(fā)明合成圖像的成像薄片與眾不同，并且不可能用常規(guī)裝置(equipment)復(fù)制。能夠在特定專門(mén)應(yīng)用的薄片上形成合成圖像，所述專門(mén)應(yīng)用諸如護(hù)照，身份證，識(shí)別圖形，結(jié)婚(affinity)證。需要檢驗(yàn)的文檔可以具有在層疊薄片上形成的這些圖像，用于標(biāo)識(shí)、鑒別和突出。也可以使用常規(guī)的諸如有或沒(méi)有粘合劑的疊層的結(jié)合方法。說(shuō)明物品價(jià)值的提供物，例如盒裝電子產(chǎn)品，CD，駕駛執(zhí)照，標(biāo)題文檔，護(hù)照或有商標(biāo)的產(chǎn)品，可以簡(jiǎn)單地把本發(fā)明的多層薄膜施加到它們的產(chǎn)品中，并且指示它們的顧客只接受標(biāo)有如此價(jià)值的鑒定的物品。對(duì)于需要這類保護(hù)的產(chǎn)品，可以通過(guò)在它們結(jié)構(gòu)中包含有合成圖像的薄片或者通過(guò)把這樣的薄片粘貼到產(chǎn)品上來(lái)增強(qiáng)這些產(chǎn)品的吸引力?？梢允褂眠@類合成圖像作為顯示材料，用于廣告，汽車牌照，和其它需要獨(dú)特的圖像視覺(jué)描繪的應(yīng)用。
可以在相同薄片上形成多個(gè)合成圖像，而那些合成圖像可以是相同的或不同的。也可以連同其它常規(guī)圖像一起使用合成圖像，所述常規(guī)圖像諸如印刷圖像，全息圖，等值線圖，衍射光柵，顯示圖像(kinegrams)，照片，等等。
那些工藝上的能手將清楚所揭示實(shí)施例的各種修改和組合，并規(guī)定那些修改在本發(fā)明附加的權(quán)利要求所限定的范圍中。
權(quán)利要求
1.一種薄片，其特征在于，包括a.至少一種微透鏡層，該層有第一和第二側(cè)；b.鄰近微透鏡層的第一側(cè)沉積的一層材料；c.在與多個(gè)微透鏡中的每一個(gè)相關(guān)聯(lián)的材料中形成的至少部分完整的圖像，其中圖像與材料有反差；和d.對(duì)肉眼顯現(xiàn)浮動(dòng)在薄片的上面或下面，或浮動(dòng)在上面和下面的由單個(gè)圖像形成的合成圖像。
2.如權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，在反射光下，合成圖像顯現(xiàn)浮動(dòng)在薄片上面。
3.如權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，在透射光中，合成圖像顯現(xiàn)浮動(dòng)在薄片上面。
4.如權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，在反射光下，合成圖像顯現(xiàn)浮動(dòng)在薄片下面。
5.如權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，在透射光中，合成圖像顯現(xiàn)浮動(dòng)在薄片下面。
6.如上面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的薄片，其特征在于，由肉眼觀察的合成圖像還顯現(xiàn)在薄片平面中的至少一部分。
7.如權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，材料是輻射靈敏材料。
8.如權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，材料是金屬輻射靈敏材料。
9.如權(quán)利要求8所述的薄片，其特征在于，金屬輻射靈敏材料是從鋁，銀，銅，鈦，鋅，錫，鉻，釩，鉭和這些金屬的合金中選出。
10.如權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，材料是非金屬輻射靈敏材料的。
11.如權(quán)利要求10所述的薄片，其特征在于，非金屬輻射靈敏材料是從硫化鋅，硒化鋅，二氧化硅，氧化錫銦，氧化鋅，氟化鎂和硅中選出的。
12.如權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，材料是輻射靈敏金屬氧化物。
13.如權(quán)利要求12所述的薄片，其特征在于，輻射靈敏金屬氧化物材料是從由鋁，鐵，銅，錫和鉻形成的氧化物中選出的。
14.如權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，材料是熱鉻輻射靈敏材料。
15.如權(quán)利要求14所述的薄片，其特征在于，熱鉻輻射靈敏材料是從碳酸銅，具有硫脲的硝酸銅，和包括硫醇，硫醚，亞砜和砜，氫氧化硫，硼化氮，鋁和鉍的硫化物的碳酸銅中選出的。
16.如權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，材料是多層薄膜輻射靈敏材料。
17.如權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，進(jìn)一步包括了布置在材料層和微透鏡之間的間隔層。
18.如權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，薄片是暴露的透鏡薄片。
19.如權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，薄片是嵌入透鏡薄片。
20.如權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，微透鏡是從平凸透鏡，圓形雙凸透鏡，棒，微透鏡，珠和圓柱小透鏡中選出的。
21.如權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，合成圖像可以在小于100度的視角中被感知。
22.如權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，當(dāng)觀察位置相對(duì)于薄片改變時(shí)合成圖像顯現(xiàn)相對(duì)于薄片的移動(dòng)。
23.如權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，當(dāng)薄片的觀察角度改變時(shí)合成圖像消失和再現(xiàn)。
24.如權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，薄片包括多于一種合成圖像。
25.一種在微透鏡薄片上形成合成圖像的方法，其特征在于，包括以下步驟a.形成有微透鏡陣列和鄰近微透鏡層一側(cè)的輻射靈敏材料層的薄片；b.提供輻射源；和c.使用輻射源，在與多個(gè)微透鏡中的每一個(gè)相關(guān)聯(lián)的輻射靈敏材料中形成至少一部分完整的圖像，由此薄片展示了由單個(gè)圖像形成的完整的圖像，對(duì)于肉眼顯現(xiàn)浮動(dòng)在薄片上面或下面或兩者。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，通過(guò)多個(gè)有圖案的輻射源曝光形成每個(gè)圖像，并且在每次曝光期間，薄片相對(duì)輻射源處于不同的位置。
27.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，通過(guò)透鏡陣列用輻射源進(jìn)行至少一次曝光來(lái)形成每個(gè)圖像。
28.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，通過(guò)透鏡陣列用輻射源進(jìn)行至少一次曝光來(lái)形成各個(gè)圖像。
29.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，用輻射源多次曝光形成圖像，在每次曝光中，薄片處于離開(kāi)輻射源不同距離處。
30.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，輻射源提供波長(zhǎng)在200nm和11μm之間的輻射。
31.如權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，由權(quán)利要求25的方法制造。
32.如權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，薄片進(jìn)一步包括把薄片施加到襯底的粘合層。
33.如權(quán)利要求31所述的薄片，其特征在于，把薄片粘合到襯底。
34.如權(quán)利要求32所述的制品，其特征在于，襯底是文檔。
35.如權(quán)利要求32所述的制品，其特征在于，襯底是標(biāo)記。
36.如權(quán)利要求1所述的制品，其特征在于，使用薄片來(lái)顯示廣告信息。
37.如權(quán)利要求32所述的薄片，其特征在于，襯底是識(shí)別卡的組件。
38.如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，襯底是容器。
39.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，合成圖像也對(duì)肉眼顯現(xiàn)至少一部分在薄片平面中。
40.如權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，合成圖像是兩維圖像。
41.如權(quán)利要求1所述的薄片，其特征在于，合成圖像是三維圖像。
42.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，合成圖像是兩維圖像。
43.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，合成圖像是三維圖像。
全文摘要
揭示了有合成圖像的微透鏡薄片，其中合成圖像在薄片上面或下面浮動(dòng)，或上面和下面都浮動(dòng)。合成圖像可以是兩維圖像或三維圖像。也揭示了提供這類成像薄片的方法，包括在鄰近微透鏡處對(duì)輻射靈敏材料層施加輻射。
文檔編號(hào)G02B5/128GK1452726SQ00819452
公開(kāi)日2003年10月29日 申請(qǐng)日期2000年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月22日
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