МИКРОЛИНЗОВОЕ ЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ С ПЛАВАЮЩИМ ИЗОБРАЖЕНИЕМ, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЕ МАТЕРИАЛ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ
MICROLENS PROTECTIVE COATING WITH FLOATING IMAGE USING MATERIAL WITH SHAPE MEMORY

Ссылка на родственные заявки
Данная заявка связана с совместно рассматриваемой заявкой на патент США №11/460685, поданной 28 июля 2006 года, озаглавленной «Полимерные изделия с памятью формы с микроструктурированной поверхностью», и с совместно рассматриваемой заявкой на патент США №11/460682, поданной 28 июля 2006 года, озаглавленной «Способы изменения формы поверхности полимерного изделия с памятью формы».
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к защитному покрытию, которое обеспечивает одно или несколько составных изображений.
Уровень техники
Материалы для защитных покрытий с графическим изображением или другой меткой широко используются, в частности в качестве меток для аутентификации изделия или документа. Например, одно общепринятое защитное покрытие с изображением использует световозвращающее защитное покрытие открыто-линзового типа с высоким коэффициентом усиления, в котором изображения формируются путем облучения защитного покрытия лазером через маску или шаблон. Это защитное покрытие содержит множество прозрачных стеклянных микросфер, частично внедренных в связующий слой, а частично открытых над связующим слоем, и металлический отражающий слой, нанесенный на внедренную поверхность каждой из множества микросфер. Связующий слой содержит сажу, которая, как утверждается, минимизирует рассеянное излучение, которое воздействует на защитное покрытие в процессе нанесения изображений.
Энергия лазерного луча дополнительно концентрируется за счет фокусирующего действия микролинз, внедренных в связующий слой. Изображения, формируемые в этом световозвращающем защитном покрытии, могут быть увидены, если - и только если - защитное покрытие рассматривается под практически тем же углом, под которым лазерное излучение было направлено на защитное покрытие. Это означает, другими словами, что изображение видимо только в очень ограниченном угле рассмотрения.
Сущность изобретения
В целом, данное раскрытие описывает защитное покрытие, сформированное из полимерного материала с памятью формы, имеющего характеристики памяти формы, которые заставляют защитное покрытие совершать переход из первого состояния во второе состояние в ответ на внешнее стимулирующее воздействие. Защитное покрытие содержит слой микролинз на одной поверхности полимерного материала с памятью формы. Вследствие характеристик памяти формы полимерного материала с памятью формы оптические свойства микролинз могут изменяться управляемым и повторяемым способом при воздействии внешнего стимула. Например, изображения могут быть нанесены на защитное покрытие так, чтобы представлять собой составное изображение при просмотре под подходящим углом зрения. Это составное изображение может визуально «появляться» или «исчезать» в ответ на внешнее стимулирующее воздействие. В этом примере воздействие достигается за счет изменения оптического свойства микролинз, которое является результатом изменения физической формы слоя микролинз из-за перехода полимерного материала с памятью формы. Например, когда защитное покрытие подвергается воздействию внешнего стимула, такого, как нагрев, растворитель или влажность, защитное покрытие переходит из первого физического состояния во второе физическое состояние. Одно из оптических свойств микролинз, такое как фокусное расстояние, изменяется с первого значения на второе значение в ответ на физический переход, испытываемый полимерным материалом с памятью формы.
Описанное здесь защитное покрытие может использоваться во множестве приложений. В качестве одного примера защитное покрытие может использоваться в качестве пассивного датчика, визуально показывающего воздействие определенной температуры. В качестве другого примера, защитное покрытие может работать в качестве датчика влажности, датчика давления или может улавливать наличие растворителя. Защитное покрытие может также использоваться в качестве защитного признака, который визуально изменяется в ответ на внешнее стимулирующее воздействие, тем самым подтверждая аутентичность изделия, к которому прикреплено защитное покрытие. В качестве защитного признака защитное покрытие может использоваться во множестве приложений, таких как банкноты, паспорта, водительские удостоверения, идентификационные карты, кредитные карты или другие защищаемые документы.
В одном варианте осуществления защитное покрытие содержит слой полимерного материала с памятью формы, имеющий поверхность из микролинз, в котором каждая из микролинз связана с одним из множества изображений в защитном покрытии. Слой полимерного материала с памятью формы реагирует на внешнее стимулирующее воздействие путем перехода из первого состояния, в котором оптическое свойство микролинз имеет первое значение, во второе состояние, в котором оптическое свойство микролинз имеет второе значение.
В другом варианте осуществления способ содержит этапы, на которых формируют защитное покрытие, включающее в себя слой полимерного материала с памятью формы в постоянной форме, причем этот слой имеет поверхность из микролинз, и наносят изображение на защитное покрытие так, чтобы поверхность из микролинз формировала изображения в положениях внутри защитного покрытия. Этот способ дополнительно включает в себя этап, на котором деформируют слой полимерного материала с памятью формы во временную форму.
В еще одном варианте осуществления изделие имеет прикрепленное к нему защитное покрытие, причем это защитное покрытие содержит слой полимерного материала с памятью формы, имеющего поверхность из микролинз, которая визуально дает составное изображение из одного или нескольких изображений, сформированных в позициях в защитном покрытии. Слой полимерного материала с памятью формы реагирует на внешнее стимулирующее воздействие путем перехода из первого состояния, в котором оптическое свойство микролинз имеет первое значение, во второе состояние, в котором оптическое свойство микролинз имеет второе значение.
Подробности одного или нескольких вариантов осуществления изобретения приводятся в прилагаемых ниже чертежах и описании. Прочие характеристики, цели и преимущества изобретения станут очевидными из описания, чертежей и формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1А-1В являются увеличенными видами в поперечном сечении примера микролинзовых защитных покрытий, сформированных из материала с памятью формы.
Фиг.2 является блок-схемой алгоритма, иллюстрирующей пример процесса производства защитного покрытия со слоем микролинз, сформированного из материала с памятью формы.
Фиг.3 является графиком, иллюстрирующим зависимость температуры от времени для примера защитного покрытия со слоем микролинз, сформированного из материала с памятью формы.
Фиг.4 является блок-схемой алгоритма, иллюстрирующей пример процесса программирования защитного покрытия со слоем микролинз, сформированного из материала с памятью формы.
Фиг.5 является графиком, иллюстрирующим зависимость температуры от времени для другого примера защитного покрытия со слоем микролинз, сформированного из материала с памятью формы.
Фиг.6А-6С являются изображениями атомной микроскопии, иллюстрирующими пример микролинзового массива.
Фиг.7А-7В являются трассировками лучей, иллюстрирующими результаты модели трассировки лучей для отлитой линзы и уплощенной линзы.
Фиг.8А-8В являются оптическими микрографиями для отлитой линзы и уплощенной линзы.
Фиг.9 является графиком, иллюстрирующим сравнение профиля поверхности, измеренного с помощью атомной микроскопии, для отлитой микролинзы и микролинзы, которая была деформирована, а затем термически восстановлена.
Фиг.10А является атомно-микроскопическим микроснимком, показывающим пример выдавленных микролинз.
Фиг.10В является атомно-микроскопическим микроснимком, показывающим выдавленные линзы после того, как пленка была восстановлена до изначального плоского состояния в соответствии с принципами изобретения.
Фиг.11А-11С являются фотографиями образца защитного покрытия, на которое нанесены плавающее изображение, исчезавшее, когда защитное покрытие было сдавлено при высокой температуре, и появлявшееся снова, когда защитное покрытие было нагрето.
Подробное описание изобретения
Фиг.1А является увеличенным видом в поперечном сечении примера защитного покрытия 10. В этом примере защитное покрытие 10 содержит плосковыпуклый или асферический лист 11 основания, имеющий первую и вторую поверхности, причем первая поверхность содержит массив практически полусферических или полуасферических микролинз 14, а вторая поверхность 12 является практически плоской. Лист 11 основания формируется из полимерного материала с памятью формы, как более подробно описывается ниже. В этом первом варианте осуществления форма микролинз и толщина листа 11 основания выбираются так, чтобы коллимированный свет, падающий на массив, фокусировался приблизительно на второй поверхности 12. На второй поверхности защитного покрытия 10 обеспечивается слой материала 16. В некоторых вариантах осуществления слой материала 16 может быть чувствительным к радиации материалом. Лист 11 основания может быть прозрачным, светорассеивающим или полупрозрачным.
Фиг.1В является увеличенным видом в поперечном сечении микролинзового защитного покрытия 20, содержащего один слой микролинз. В проиллюстрированном варианте осуществления по Фиг.1В защитное покрытие 20 содержит прозрачное плосковыпуклое или асферическое защитное покрытие, имеющее первую и вторую поверхности, причем первая поверхность содержит массив практически полусферических или полуасферических микролинз 24, сформированных на ней, а вторая поверхность 22 является практически плоской. Слой 26 формируется из полимерного материала с памятью формы, как более подробно описывается ниже. В этом втором варианте осуществления форма микролинз 24 и толщина слоя 26 выбираются так, чтобы коллимированный свет, падающий на массив, фокусировался на участках 28 внутри слоя 26. Толщина слоя 26 зависит по меньшей мере частично от оптических характеристик микролинз 24, таких как расстояние, на котором микролинзы фокусируют свет. Например, могут использоваться микролинзы, которые фокусируют свет на расстоянии 60 мкм от переднего края линзы. В некоторых вариантах осуществления толщина слоя 26 может быть в пределах 20-100 мкм, чтобы микролинзы фокусировали свет внутри слоя 26.
Микролинзы защитных покрытий 10, 20 по Фиг.1А-1В предпочтительно имеют формирующую изображение преломляющую поверхность для того, чтобы происходило формирование изображения; обычно это обеспечивается изогнутой поверхностью микролинзы. При изогнутых поверхностях микролинзы будут предпочтительно иметь одинаковый коэффициент преломления. Фокусное расстояние/изображения сферической преломляющей поверхности, окруженной воздухом, задается формулой:
где n является коэффициентом преломления материала поверхности, a R является радиусом кривизны поверхности. Коэффициент преломления зависит от электронных свойств атомов, из которых состоит материал, а потому является постоянным для конкретной длины волны света, если электронная конфигурация атомов не может меняться. В этом случае единственным средством для управления свойствами создания изображения преломляющей поверхности является изменение радиуса кривизны, то есть формы сферической преломляющей поверхности. Технологии, описываемые в данном рассмотрении, обеспечивают механизм для управляемого изменения формы преломляющих поверхностей микролинз 14, 22, сформированных из полимерного материала с памятью формы, под воздействием внешнего стимулирующего воздействия или под воздействием изменений окружающей среды.
Чувствительные к окружающей среде микролинзы могут использоваться в качестве линзового слоя в защитных покрытиях с «плавающим изображением», описанных в заявке на патент США №11/399695, озаглавленной «Защитное покрытие с составным изображением, которое плавает», поданной 6 апреля 2006 года, которая является частичным продолжением заявки на патент США №09/898580, поданной 3 июля 2001 года, которая является частичным продолжением заявки на патент США №09/510428, поданной 22 февраля 2000 года, ныне патента США №6288842, все содержание каждой из которых включено сюда посредством ссылки. Поскольку оптические свойства микролинз, например радиус кривизны, а тем самым фокусное расстояние, могут изменяться под воздействием различных внешних стимулов, может быть изготовлено защитное покрытие, которое визуально обеспечивает плавающее изображение, внешний вид которого предсказуемым образом изменяется на основе воздействий окружающей среды.
Хотя поверхности микролинз предпочтительно являются сферическими, асферические поверхности также приемлемы. Микролинзы могут иметь любую симметрию, например цилиндрическую или сферическую, при условии, что преломляющие поверхности формируют реальные изображения либо в слое материала 16 (Фиг.1А), либо в участках 26 путем разложения материала, абляции материала, изменения состава материала или фазового перехода (Фи. 1В). Микролинзы могут формироваться с помощью процесса копирования или выдавливания, когда поверхность защитного покрытия изменяет форму, давая повторяющийся профиль с характеристиками получения изображения.
trans
trans
trans
trans
В соответствии с принципами изобретения микролинзы формируются из полимерного материала с памятью формы. Таким образом, на примерах по Фиг.1А и 1В лист 11 основания по Фиг.1А или слой 28 по Фиг.1В формируется из полимерного материала с памятью формы. В целом, полимерные материалы с памятью формы являются полимерами, которые реагируют на внешнее стимулирующее воздействие путем физического изменения формы. Важно, что полимерные материалы с памятью формы могут быть сформированы в «постоянной» форме (здесь обозначается как второе физическое «состояние»), деформированы во временную форму (первое физическое «состояние») при температуре выше температуры перехода T и охлаждены с сохранением деформированной формы. После высвобождения материал будет сохранять свою временную форму до тех пор, пока не будет подвергнут температуре выше T, при которой материал переходит во второе физическое состояние и восстанавливает свою постоянную форму. Один компонент материала с памятью формы, называемый «переключающим» сегментом, определяет постоянную и временную формы полимера. При температуре выше T переключающих сегментов эти переключающие сегменты являются гибкими, полимер может быть деформирован. Ниже T переключающих сегментов переключающие сегменты теряют свою гибкость.
Желательная форма может быть сделана постоянной путем поперечного связывания структуры полимера. Поперечные связи могут быть химическими или физическими. Например, резина поперечно связывается для предотвращения текучести путем добавления три- или тетрафункциональных реагентов, электронно-лучевым поперечным связыванием или пероксидами, которые разлагаются, формируя свободные радикалы, которые начинают боковые цепочки, которые поперечно связывают полимер. Для зацикливания структуры без искажения за счет текучести предпочтителен средний молекулярный вес между поперечными связями, сравнимый с общим молекулярным весом или меньший.
Пример предпочтительной ковалентно поперечно-связанной системы может основываться на этиленовых сополимерах. Пригодны любые сомономеры, уменьшающие размер структуры кристалла полиэтилена для минимизации рассеивания света для более чистого мнимого изображения. Можно использовать электронно-лучевое облучение или пероксидное поперечное связывание с последующим нагревом и охлаждением во временной форме. Когда материал нагревается до температуры выше температуры плавления, постоянная форма восстановится.
g
m
Физически поперечно-связанные полимеры являются основой термопластичных эластомеров. Эти резиновые материалы могут быть получены литьем под давлением и даже отлиты снова путем повторного плавления, в отличие от ковалентно поперечно-связанных резин. Блочные сополимеры могут быть предпочтительны. Некоторыми примерами являются полиуретановые твердые сегменты с полиолевыми или полиэфирными мягкими сегментами или полистирольные твердые сегменты с полиолефиновыми мягкими сегментами. Для того чтобы эти типы полимеров были полезны для настоящего изобретения, температура перехода для переключающего сегмента должна быть ниже, чем T или Т твердого сегмента. Например, полиэфирный переключающий сегмент может базироваться на поликапролактоне и плавиться в районе 60°С, в то время как полиуретановый твердый сегмент может иметь температуру стеклования приблизительно 130°С. Практический температурный диапазон формирования постоянной формы составляет от 130°С до границы разложения. Практически диапазон для формирования временной формы составляет от 65 до 125°C с охлаждением в этой форме до температуры ниже 50°С, что позволяет полиэфирному переключающему сегменту кристаллизоваться. Последующий нагрев до температуры выше 60°С расплавит полиэфирные сегменты и позволит восстановиться постоянной форме.
trans
m
g
g
m
Внешним стимулирующим воздействием может быть, таким образом, изменение температуры. Альтернативно, материал может быть сконструирован так, чтобы изменять состояния при воздействии растворителя, воздействии влажности, изменении давления или при прочих изменениях окружающей среды. Например, воздействие растворителя может снижать эффективную T материала до температуры ниже комнатной. Температура перехода материала с памятью формы может быть температурой плавления Т или температурой стеклования T материала с памятью формы. Хотя температура перехода будет обычно обозначаться в данном рассмотрении как температура стеклования T, понятно, что вместо этого температура перехода может быть температурой плавления Т материала. Дополнительно, в некоторых вариантах осуществления полимерный материал с памятью формы может иметь более одной температуры перехода.
В качестве примера полимером с памятью формы, из которого формируются микролинзы, может быть полиуретаном с поли(ε-капролактоновым) переключающим сегментом; полиуретаном с поли(тетрагидрофурановым) переключающим сегментом; полинорборненом, полиэтиленом, этиленовыми сополимерами или другими полимерами, ковалентно поперечно связанными с помощью ионизирующего излучения (термоусаживающиеся полимеры); олиго(ε-капролактон)диолом, функционализированным с помощью метакрилатных конечных групп; или другим полимером с памятью формы. В качестве другого примера полимер с памятью формы может быть сформирован из телехелатных силоксанов с различными функциональностями и диапазонами молекулярных масс, совместно реагирующих с (мет)акрилатным мономером при различных соотношениях силоксана с акрилатом. Например, телехелатный силоксан может быть метакрилоксимочевинным силоксаном (MAUS), акриламидоамидным силоксаном (ACMAS), метакриламидоамидным силоксаном (MACMAS) или метилстирилмочевинным силоксаном (MeStUS). Также в качестве примера (мет)акрилатным мономером может быть изоборнилакрилат (IBA), циклогексилакрилат, триметил циклогексилакрилат, метилметакрилат, метакриловая кислота или t-бутилакрилат.
Микролинзы с равномерным коэффициентом преломления между 1,35 и 3,0 на видимых и инфракрасных длинах волн могут быть наиболее полезны. Подходящие материалы микролинз будут иметь минимальное поглощение видимого света, и в вариантах осуществления, в которых источник энергии используется для создания изображения на чувствительном к излучению слое, материалы должны также проявлять минимальное поглощение источника энергии. В примере варианта осуществления, проиллюстрированного на Фиг.1А, преломляющая сила микролинз 14 предпочтительно такова, что свет, падающий на преломляющую поверхность, будет преломляться и фокусироваться на противоположной стороне каждой микролинзы, то есть свет будет сфокусирован либо на задней поверхности 12 микролинз, либо на материале 16, смежном с микролинзами 14. В вариантах осуществления, в которых слой материала 16 реагирует на излучение, микролинзы 14 предпочтительно формируют уменьшенное реальное изображение в подходящем месте на этом слое. Уменьшение изображения в приблизительно от 100 до 800 раз, в частности, полезно для формирования изображений с хорошим разрешением.
Одним из способов обеспечения структур изображения внутри защитного покрытия, например в слое микролинз или на слое материала, смежном с микролинзами, является использование источника излучения для создания изображения на защитном покрытии. Предполагается, что предпочтительны устройства, способные обеспечивать излучение с длиной волны между 200 нанометрами и 11 микрометрами. Примерами источников излучения с высокой пиковой мощностью, полезных для этого изобретения, являются эксимерные лампы-вспышки, кристаллические лазеры с пассивно модулируемой добротностью и активированные неодимом иттрий-алюминиевые красные (сокращенно Nd:YAG), активированные неодимом иттрий-литиевофторидные (сокращенно Nd:YLF) и активированные титаном сапфировые (сокращенно Ti:sapphire) лазеры с модулируемой добротностью. Эти источники с высокой пиковой мощностью наиболее полезны с чувствительными к излучению материалами, которые формируют изображения путем абляции, то есть удаления материала, или в процессах мультифотонного поглощения. К прочим примерам полезных источников излучения относятся устройства, которые дают низкую пиковую мощность, такие как лазерные диоды, ионные лазеры, твердотельные лазеры без модулируемой добротности, лазеры на парах металлов, газовые лазеры, дуговые лампы и высокомощные лампы накаливания. Эти источники, в частности, полезны, когда изображение наносится на чувствительную к излучению среду неабляционным способом.
Для создания изображения в защитном покрытии 10 по Фиг.1А или защитном покрытии 20 по Фиг.1В энергия источника излучения направляется на микролинзы 14 или 22 соответственно и управляется так, чтобы дать сильно расходящийся луч энергии. Примерный процесс создания изображения в соответствии с настоящим изобретением состоит из направления коллимированного света от лазера через линзу в направлении микролинзового защитного покрытия. Для создания защитного покрытия с плавающим изображением, как дополнительно описывается ниже, в одном варианте осуществления свет пропускается через рассеивающую линзу с высокой числовой апертурой (ЧА), давая конус сильно рассеянного света. Например, в некоторых вариантах осуществления может использоваться линза с ЧА, равной или большей 0,3.
Подлежащий изображению «объект» может быть сформирован за счет использования интенсивного источника света путем либо очерчивания контура «объекта», либо использования маски. Чтобы таким образом записанное изображение имело комбинированный аспект, свет от объекта излучается в широком диапазоне углов. Когда свет, исходящий от объекта, приходит от одной точки объекта и испускается по широкому диапазону углов, все световые лучи несут информацию об объекте, но только от этой одной точки, хотя эта информация является информацией проекции угла светового луча. Поскольку каждая отдельная микролинза занимает уникальное положение относительно оптической оси, свет, падающий на каждую микролинзу, будет иметь уникальный угол падения по отношению к свету, падающему на каждую другую микролинзу. Таким образом, свет будет передаваться каждой микролинзой на уникальный участок защитного покрытия и давать уникальное изображение.
Точнее, в примере с очерчиванием контура объекта один импульс света дает только одну изображаемую точку в защитном покрытии, обеспечивая изображение, смежное с каждой микролинзой, и множество импульсов света используются для изображения из множества изображенных точек. Для каждого импульса оптическая ось располагается в новом положении по отношению к положению оптической оси при предыдущем импульсе. Последовательные изменения положения оптической оси по отношению к микролинзам дают в результате соответствующее изменение угла падения на каждую микролинзу и соответственно в положении изображаемой точки, создаваемой в защитном покрытии этим импульсом. В результате падающий свет, сфокусированный микролинзой, отображает выбранный рисунок в чувствительном к излучению слое. Поскольку положение каждой микролинзы уникально по отношению к каждой оптической оси, изображение, формируемое в чувствительном к излучению слое (или в самой микролинзе) для каждой микролинзы будет отличаться от изображения, связанного с любой другой микролинзой.
Другой способ формирования плавающих составных изображений использует массив линз для получения сильно рассеянного света для создания изображения в защитном покрытии. Массив линз состоит из множества маленьких линз с большими числовыми апертурами, размещенных на плоскости. Когда весь массив освещается источником света, массив даст множество конусов сильно рассеянного света, каждый отдельный конус отцентрирован на соответствующей ему линзе в массиве. Вследствие размера массива отдельные конусы энергии, сформированные линзочками, будут экспонироваться в защитном покрытии так, как если бы отдельная линза была размещена последовательно во всех точках массива при приеме импульсов света. Выбор линз, принимающих падающий свет, происходит путем использования отражающей маски, имеющей прозрачные участки, соответствующие частям составного изображения, которые должны быть проэкспонированы, и отражающие участки, в которых изображение не должно экспонироваться. При полном освещении маски падающей энергией те части маски, которые пропускают энергию, будут формировать множество индивидуальных конусов сильно рассеянного света, очерчивающих плавающее изображение так, как если бы изображение было очерчено одной линзой. В результате требуется только один импульс света для формирования всего составного изображения в микролинзовом защитном покрытии.
Отдельные изображения, сформированные в защитном покрытии, при просмотре наблюдателем в отраженном или проходящем свете, обеспечивают составное изображение, которое кажется подвешенным или плывущим над, в плоскости и (или) под защитным покрытием. Составные изображения, сформированные посредством вышеописанных технологий отображения, можно рассматривать как результат суммирования многих изображений, частичных и полных, каждое из которых является различной проекцией реального объекта. Множество уникальных изображений формируется посредством массива миниатюрных линз, каждая из которых «видит» объект или изображение с отличной точки зрения. За отдельными миниатюрными линзами в защитном покрытии создается проекция изображения, которая зависит от формы изображения и направления, с которого принимается энергия источника. Однако не все, что видит линза, записывается в защитном покрытии. Только та часть изображения или объекта, видимая линзой, которая имеет достаточную для модификации защитного покрытия энергию, будет записана.
Составное изображение, плавающее над защитным покрытием, может быть создано с помощью технологии оптического отображения, включающей в себя рассеивающую линзу, так, чтобы множество гипотетических «лучей изображения», проходящих из слоя материала через каждую из микролинз и обратно через рассеивающую линзу, встречались в положении над защитным покрытием. Таким же образом составное изображение, плавающее под защитным покрытием, создается с помощью технологии оптического отображения, включающей в себя использование собирающей линзы, так, чтобы множество гипотетических «лучей изображения», проходящих из слоя материала через каждую из микролинз и обратно через собирающую линзу, встречались в положении под защитным покрытием.
Могут быть использованы прочие способы формирования плавающего составного изображения, которые не требуют, чтобы слой материала 16 (Фиг.1А) был чувствительным к излучению. В качестве примеров, отдельные изображения могут формироваться на слое материала 16 с помощью технологии чернильной печати с высоким разрешением, фотолитографических технологий или нанорепликации желательных структур. Отдельные изображения могут быть полными или частично полными изображениями, причем каждое отдельное изображение связано с отдельной микролинзой, чтобы при просмотре через микролинзы формировалось составное изображение. Например, защитное покрытие может использовать принципы муарового увеличения. См., например, патент США №5712731 на имя Drinkwater et al., выданный 27 января 1998 г. Например, защитное покрытие может содержать отдельные изображения, имеющие компоненты, напечатанные с помощью чернил, а также компоненты, изображенные как описано выше. В некоторых вариантах осуществления, в которых защитное покрытие использует муаровое увеличение, все отдельные изображения, связанные с микролинзами, могут быть идентичны. В качестве другого примера может использоваться источник с высокой интенсивностью для формирования отдельных изображений за счет фоторазложения или обугливания слоя материала за каждой микролинзой.
Составные изображения, выполненные в соответствии с принципами настоящего изобретения, могут представляться либо двумерными (имеющими длину и ширину) и возникать либо под, либо в плоскости, либо над защитным покрытием; либо трехмерными (имеющими длину, ширину и высоту). Трехмерные составные изображения могут возникать только под или над защитным покрытием, либо, по желанию, в любой комбинации из положений под, в плоскости и над защитным покрытием.
Защитные покрытия 10, 20 по Фиг.1А и 1Б могут использоваться во множестве приложений. В качестве одного примера защитное покрытие, имеющее полимерный материал с памятью формы и с нанесенными, как описано, изображениями, может использоваться в качестве пассивного датчика для визуального указания на воздействие заданной температуры. В качестве другого примера защитное покрытие может действовать как датчик влаги, датчик давления или может определять наличие растворителя. Защитное покрытие может также использоваться как защитное средство, визуально изменяющееся в ответ на внешнее стимулирующее воздействие, тем самым подтверждая аутентичность изделия, к которому прикреплено защитное покрытие. В качестве защитного средства защитное покрытие может использоваться во множестве таких приложений, как банкноты, паспорта, водительские удостоверения, идентификационные карточки, кредитные карточки или в других защищаемых документах.
Фиг.2 является блок-схемой алгоритма, иллюстрирующей пример способа производства защитного покрытия со слоем микролинз, сформированным из материала с памятью формы, который предсказуемым образом меняет оптические свойства микролинз при воздействии одного или нескольких внешних стимулов. Сначала защитное покрытие, содержащее массив микролинз, формируется из полимерного материала с памятью формы (30). Например, защитное покрытие, имеющее массив микролинз, может получаться путем выливания раствора на инструмент, имеющий массив углублений, и обработки раствора ультрафиолетовым (УФ) светом. Получаемое защитное покрытие может быть подобно защитному покрытию 10 или защитному покрытию 20 по Фиг.1А, 1Б соответственно. Эта конфигурация, или второе состояние, называется здесь «постоянной» формой защитного покрытия. Затем в защитном покрытии формируется изображение (32). Изображение может быть составным изображением, обозначаемым как «мнимое» или «плавающее» изображение, формируемым с помощью одной из вышеописанных технологий.
g
В процессе производства защитное покрытие может затем быть нагрето до температуры выше T полимера с памятью формы, а затем физически деформировано некоторым способом (34). В качестве одного примера защитное покрытие может быть уплощено с помощью приложения сдавливающей силы к защитному покрытию. Эта деформация приводит к изменению оптического свойства микролинз, такого как фокусное расстояние микролинз. Например, когда защитное покрытие уплощается, радиус кривизны микролинз увеличивается, так же, как и фокусное расстояние. Из-за изменения оптического свойства мнимое изображение более не может быть видимым или может визуально измениться. Затем защитное покрытие охлаждается, удерживаясь в деформированной форме (36). Этот процесс приводит к тому, что защитное покрытие фиксируется во временной деформированной форме, называемой первым состоянием. Этот процесс фиксирования защитного покрытия во временной форме называется «программированием».
Защитное покрытие будет сохранять уплощенную форму до тех пор, пока защитное покрытие снова не будет нагрето до температуры выше Tg полимера с памятью формы (38), при которой защитное покрытие восстанавливает свою постоянную форму (второе состояние) (40), и мнимое изображение снова появляется или возвращается к своему изначальному внешнему виду. Например, в то время как в первом состоянии микролинзы могут иметь радиус кривизны между 50 и 70 микронами, во втором состоянии микролинзы могут иметь радиус кривизны между 20 и 35 микронами. В другом примере в первом состоянии микролинзы могут иметь фокусное расстояние между 450 и 600 микронами, в то время как во втором состоянии микролинзы могут иметь фокусное расстояние между 65 и 85 микронами.
1
r
2
3
g
3
4
r
5
g
2
3
3
5
5
Фиг.3 является графиком, иллюстрирующим зависимость температуры от времени для примера защитного покрытия со слоем микролинз, сформированным из материала с памятью формы, в соответствии с принципами изобретения. Как показано на Фиг.3, в момент времени t защитное покрытие отливается из полимера с памятью формы в постоянной форме при комнатной температуре Т. Постоянная форма содержит массив микролинз. В момент времени t в защитном покрытии формируется мнимое изображение, как описано выше. В момент времени t защитное покрытие нагревается до температуры выше T полимера с памятью формы и деформируется во временную форму путем уплощения. В результате мнимое изображение более не присутствует. Между t и t защитное покрытие охлаждается обратно до комнатной температуры Т. Теперь защитное покрытие сохраняет временную форму. В момент времени t защитное покрытие нагревается выше T. Затем защитное покрытие восстанавливает свою постоянную форму, и мнимое изображение снова появляется. Таким образом, в этом примере мнимое изображение присутствует с t по t, невидимо с t по t, и снова появляется после момента t.
Альтернативно может использоваться временное формование, отличное от простого уплощения микролинз, описанного выше. Например, может использоваться выдавливающий ролик с рисунком, отличным от микролинз, или текст большего размера, чем микролинзы. В том случае, когда микролинзы везде уплощаются, а рисунок еще глубже, объект может выглядеть буквенным сообщением или большой иконкой без плавающего изображения. После нагрева большое изображение может большей частью (или полностью) исчезать, в то время как появляется плавающее изображение. Если участки между вдавливаниями не затрагивают микролинзы, может быть возможным иметь и выдавленное изображение, и плавающее изображение (с различными степенями четкости в зависимости от пропорции незатронутых микролинз), которое становится более различимым плавающим изображением, при этом выдавленное изображение становится фантомным или полностью исчезает.
g
Фиг.4 является блок-схемой алгоритма, иллюстрирующей еще один пример способа получения защитного покрытия со слоем микролинз, сформированным из материала с памятью формы. Сначала защитное покрытие формируется из полимерного материала с памятью формы (44). В данном примере защитное покрытие может формироваться практически плоской формы. Плоская форма является постоянной формой защитного покрытия. Затем защитное покрытие нагревается до температуры выше T полимера с памятью формы и деформируется путем выдавливания с помощью шаблона микролинзового массива (46). Защитное покрытие охлаждается, удерживаясь в выдавленной форме (48). В результате выдавливания защитное покрытие удерживает временную форму, имеющую массив микролинз.
g
Затем в защитном покрытии создается изображение, как описано выше, так что защитное покрытие дает мнимое изображение при просмотре под подходящим углом зрения (50). Защитное покрытие будет сохранять форму массива микролинз до тех пор, пока снова не будет нагрето до температуры выше T полимера с памятью формы (52), при которой защитное покрытие практически восстановится в своей постоянной плоской форме (54), а мнимое изображение исчезнет или визуально изменится. Например, когда защитное покрытие возвращается к своей плоской форме, из-за изменения оптического свойства микролинз, то есть радиуса кривизны и, таким образом, фокусного расстояния, мнимое изображение может перестать быть видимым.
Например, в первом состоянии микролинзы могут иметь радиус кривизны между 20 и 35 микронами, во втором состоянии микролинзы могут иметь радиус кривизны более 250 микрон. В другом примере в первом состоянии микролинзы могут иметь фокусное расстояние между 75 и 95 микронами, в то время как во втором состоянии микролинзы могут иметь фокусное расстояние между 750 и 950 микронами.
1
r
2
g
2
3
r
4
Фиг.5 является графиком, иллюстрирующим зависимость температуры от времени для еще одного примера защитного покрытия со слоем микролинз, сформированным из материала с памятью формы, в соответствии с принципами изобретения. Как показано на Фиг.5, в момент времени t защитное покрытие отливается из полимера с памятью формы в постоянной форме при комнатной температуре Т. В момент времени t защитное покрытие нагревается до температуры выше T полимера с памятью формы и деформируется во временную форму путем выдавливания с помощью шаблона для формирования массива микролинз на поверхности защитного покрытия. Между t и t защитное покрытие охлаждается обратно до комнатной температуры Т. Теперь защитное покрытие сохраняет временную форму. В момент времени t в защитном покрытии формируется мнимое изображение, как описано выше.
5
g
4
5
5
g
В последующий момент времени t защитное покрытие нагревается выше T. Затем защитное покрытие практически восстанавливает свою постоянную плоскую форму. В результате мнимое изображение исчезает. Таким образом, в этом примере мнимое изображение присутствует с t no t и исчезает в момент t. В некоторых вариантах осуществления защитное покрытие может не возвращаться точно в начальную форму после нагревания выше T и может сохранять слабую форму массива микролинз. Однако мнимое изображение может все равно практически исчезать, поскольку остаточная форма микролинз не будет иметь достаточно малого радиуса кривизны для воспроизведения видимого мнимого изображения.
g
g
g
g
В примерах, описанных на Фиг.3 и 5, защитные покрытия могут быть использованы в качестве датчиков, фиксирующих и визуально указывающих на тот факт, что защитное покрытие было подвергнуто воздействию температуры выше T. Например, защитное покрытие может быть нанесено на изделие и использоваться в качестве температурного датчика, показывающего, что продукт подвергался воздействию определенной температуры. В качестве одного примера изделием может быть фармацевтическое изделие или продукт питания, которые не должны подвергаться воздействию высоких температур. Защитное покрытие может быть сформировано из материала с памятью формы, имеющего T, близкую к температуре, при которой изделие может быть повреждено. В примере по Фиг.3 защитное покрытие может содержать мнимое изображение с сообщением или предупреждением, показывающим, что изделие было подвергнуто воздействию высокой температуры и могло быть повреждено или может быть непригодно для потребления. В данном примере мнимое изображение сохраняется, даже если защитное покрытие позже возвращается к температуре ниже T, поскольку мнимое изображение наличествует, когда защитное покрытие вернулось в свое постоянное физическое состояние. Мнимое изображение может содержать текст и (или) графику. В примере по Фиг.5 защитное покрытие может включать в себя мнимое изображение, содержащее текст и (или) графику, показывающие, что изделие не подвергалось воздействию нежелательных условий (например, высокой температуры). В этом случае мнимое изображение исчезает при воздействии высокой температуры на защитное покрытие. Мнимое изображение не появляется снова, даже если защитное покрытие позже возвращается к температуре ниже T, поскольку мнимое изображение наличествует, когда защитное покрытие вернулось в свое постоянное физическое состояние.
g
g
g
В некоторых вариантах осуществления защитное покрытие может действовать в качестве датчика времени/температуры, показывающего, что изделие подвергалось воздействию диапазона температур в течение соответствующего диапазона суммарных количеств времени. Например, полимер с памятью формы может быть таким, что воздействие температуры, ненамного большей T, в течение более длительного промежутка времени дает тот же эффект, что и воздействие температуры, значительно превышающей T, в течение более короткого промежутка времени. Эффект памяти формы проявится после суммарного воздействия температуры выше T.
g
g
В других примерах варианта выполнения защитное покрытие может показывать воздействие растворителя. Например, когда защитное покрытие вступает в контакт с растворителем, растворитель может вызывать сжатие микролинз, что может изменить размер или форму микролинз, вызывая изменение или исчезновение мнимого изображения. Более того, растворитель может понижать эффективную T материала с памятью формы, в некоторых случаях до температуры ниже комнатной температуры. В данном примере при воздействии растворителя защитное покрытие может вести себя так, как будто оно было нагрето выше T материала с памятью формы, и испытывать описанный выше эффект памяти формы. После испарения растворителя материал с памятью формы может в значительной степени вернуться к предшествующим размеру и (или) форме. Предпочтительно растворитель практически не разрушает и не растворяет материал с памятью формы.
В дальнейших примерах вариантов осуществления защитное покрытие может указывать воздействие влаги. Например, защитное покрытие может быть сформировано из гидрофильного материала, такого как гидрофильный акрилат. В другом примере защитное покрытие может быть сформировано из гидрофильного гидрогелевого материала, такого как оксид полиэтилена или поливиниловый спирт. В качестве еще одного примера защитное покрытие может быть сформировано из полимера на водной основе, поперечно-связанного уретаном. Например, когда защитное покрытие приходит в контакт с влагой, оптическое свойство, такое как коэффициент преломления п материала, может изменяться. В качестве другого примера радиус кривизны микролинз может также изменяться при воздействии влаги.
g
g
g
Как указано выше, множество материалов с памятью формы, имеющих широкий диапазон T, могут использоваться для формирования защитного покрытия по настоящему изобретению. Подходящий материал с памятью формы и соответствующая ему T могут выбираться в зависимости от конкретного применения защитного покрытия. Например, защитное покрытие может быть сформировано из материала с памятью формы, имеющего высокую температуру перехода, например выше 80°С, в частности между 80 и 90°С или между 100 и 110°С. В еще одном примере применения принципов данного рассмотрения, когда защитное покрытие формируется из полимера с памятью формы, имеющего T немного выше комнатной температуры, мнимое изображение может исчезать и (или) появляться при приложении давления и температуры тела. В этом случае полимер с памятью формы может иметь температуру перехода между 25 и 35°С. Такое защитное покрытие может использоваться в качестве защитного средства, например в качестве средства подтверждения действительности для банкнот, идентификационных карточек, водительских удостоверений, кредитных карт, паспортов и прочих защищенных документов.
Принципы изобретения будут теперь проиллюстрированы с помощью трех примеров защитных покрытий, полученных как описано здесь.
Пример 1
Фиг.6А-6С являются изображениями атомной микроскопии (AFM), иллюстрирующими результаты первого эксперимента, в котором микролинзовый массив был получен в соответствии с описанными здесь технологиями. Телехелатный силикон с молекулярной массой 5000 (оканчивающийся метакрилоксимочевиной полидиметилсилоксан) (5К MAUS) был растворен в изоборниловом акрилате (IBA) в соотношении 40/60 по объему, формируя раствор. Затем к раствору добавлялось 0,5 мас.% фотоинициатора Darocur™ 1173.
Пленка этого раствора была отлита на полиамидный инструмент толщиной 5 мил. Инструмент содержал шестиугольный массив углублений (с шагом 34 микрона), полученный с помощью процесса обработки плоскостей эксимерным лазером (ELMoF). Подробности процесса ELMoF см., например, в патенте США №6285001 на имя Fleming et al., выданном 4 сентября 2001 года. Углубления имели диаметр 30 микрон и сферическую форму с радиусом кривизны 28,7 микрона и конической константой -0,745. Пленка на полиамидной подложке была покрыта листом полиэтилентерефталата (PET) и обработана путем воздействия низкоинтенсивного ультрафиолетового (УФ) света в течение 10 минут. Фиг.6А является изображением атомной микроскопии (АРМ), иллюстрирующим получившийся массив микролинз, полученный в этом процессе. Массив микролинз представляет постоянную форму пленки (защитного покрытия).
Кусок микролинзового массива был уплощен сжатием пленки PET при 110°C с последующим охлаждением до комнатной температуры под давлением. Фиг.6В является изображением AFM, иллюстрирующим деформированную пленку с массивом микролинз. AFM-анализ формы микролинз, показанных на Фиг.6А и 6В, предполагает, что радиус кривизны отлитых микролинз составлял приблизительно 23 микрона, в то время как радиус кривизны уплощенных микролинз составлял приблизительно 60 микрон. Это увеличение радиуса кривизны в 2,6 раза имело отчетливое воздействие на оптическую силу уплощенных микролинз по сравнению с отлитыми микролинзами.
Фиг.7А-7В являются трассировками лучей, иллюстрирующими результаты модели трассировки лучей (Zemax Optical Design Program, Zemax Development Corporation, Бельвью, штат Вашингтон) для (А) линзы из отлитых микролинз и (В) уплощенной линзы из уплощенных микролинз. Фиг.8А-8В являются оптическими микрофотографиями для (А) отлитых микролинз и (В) уплощенных микролинз. Модель предполагает, что отлитая линза должна фокусировать видимый свет (Å=550 нм) в пятно с ограниченной дифракцией на расстоянии 74,4 мкм от передней поверхности линзы. Напротив, как показано на Фиг.7В, размер сфокусированного пятна уплощенной линзы на этом расстоянии был в семь раз больше, чем для отлитой линзы. Это согласуется с оптическими микрофотографиями на Фиг.8А-8В, которые показывают, что изображения в фокальной плоскости, сформированные линзами отлитого линзового массива, были резкими яркими пятнами, в то время как изображение в той же плоскости для уплощенного линзового массива содержало гораздо более крупные тусклые пятна.
Уплощенная пленка затем нагревалась в неограниченной конфигурации до 110°С, что давало восстановившуюся структуру, показанную на Фиг.6С. Фиг.9 является графиком, иллюстрирующим сравнение профиля поверхности, измеренного с помощью AFM, отлитой микролинзы и микролинзы, которая была деформирована, а затем термически восстановлена. Отметим, что на 30-микронном диаметре разница в профиле этих двух линз составляла максимум приблизительно 200 нм, что указывает на прекрасное восстановление изначальной формы. Эти результаты показали, что материал может быть внедрен в оптическое устройство, которое может пассивно и обращаемо изменять свои оптические характеристики в зависимости от своей термической истории. В данном примере оптические характеристики микролинз были разрушены нагревом и давлением, с последующим восстановлением фокусировки линзы с помощью нагрева.
Пример 2
Во втором эксперименте плоская пленка 40/60 5К MAUS/IBA была приготовлена путем полимеризации раствора MAUS/IBA, как в Примере 1, между двумя РЕТ-пленками, разделенными разделителем для управления толщиной. На полученной пленке с помощью шаблона массива микролинз были сделаны выдавливания при помощи полиамидного инструмента, описанного в Примере 1. Процедура выдавливания содержала размещение инструмента на прокладке, положенной на стальную пластину. Пленка MAUS/IBA помещалась на инструмент, покрывалась еще одной РЕТ-пленкой и еще одной стальной пластиной. Затем эта конструкция помещалась в высокоточный пресс, нагревалась до 110°С, сжималась на 10 минут, а затем охлаждалась до комнатной температуры под давлением. Часть пленки нагревалась в неограниченной конфигурации до температуры 110°С в течение 10 минут, чтобы восстановить исходную топологию пленки.
Фиг.10А показывает атомно-микроскопическую микрофотографию выдавленных микролинз в данном эксперименте, а Фиг.10 В показывает атомно-микроскопическую микрофотографию выдавленных линз после того, как пленка была «восстановлена» в начальном плоском состоянии. АFМ-профили форм линз предполагают, что радиус кривизны выдавленных линз составлял приблизительно 29 микрон, в то время как радиус кривизны «восстановленных» линз составляет по меньшей мере в десять раз большую величину. По Уравнению 1, приведенному выше, выдавленные линзы имели фокусное расстояние приблизительно 87 мкм, по сравнению с фокусным расстоянием 870 мкм для линз, «восстановленных» в плоском состоянии. Этот пример показал, что путем использования пленок MAUS/IBA можно выдавливать функционирующие микролинзы на материале с памятью формы с помощью нагрева и давления, и что микролинзы испытывают сильное изменение оптической силы при последующем воздействии нагрева.
Пример 3
2
Защитное покрытие формировалось путем нанесения микролинз с памятью формы на поликарбонатную пленку толщиной 7 мил, содержащую добавку, которая становится черной при воздействии светом лазера Nd:YAG (длина волны =1064 нм). Пленка покрывалась раствором, содержащим 40% по массе силиконовой смолы (5К метилстирилмочевинный силоксан (MeStUS)) и 60% по массе изоборнилакрилата (IBA). Darcour 1173 (0,5%) использовался в качестве фотоинициатора. Часть фторированного каптонного инструмента, размеченного с помощью процесса ELMoF, содержащего желательный линзовый шаблон, прижималась к покрытию, и покрытие обрабатывалось через подложку с помощью 4-минутной экспозиции излучением ртутной лампы на микроволнах с интенсивностью 31,4 мВт/см и пиковой длиной волны 371 нм. Полученное защитное покрытие содержало линзы с памятью формы диаметром 30 мкм и фокусным расстоянием 60 мкм, сформированные из полимерного материала с памятью формы. Плавающие изображения рисовались в гравируемой лазером поликарбонатной пленке через микролинзы с помощью импульсного лазера Nd:YAG, действующего со средней выходной мощностью 1 Вт (длительность импульса 1 наносекунда, частота импульса 1 кГц). Плавающие изображения формировались из черных микроизображений, получаемых за каждой микролинзой.
Фиг.11А является фотографией трех примерных изображений 52, нарисованных в образце описанного выше защитного покрытия. Изображения являются плавающими/ныряющими квадратами и кругами. Образец защитного покрытия с изображениями, показанный на Фиг.11А, был сжат при 280°F (137,8°С) в течение одной минуты и сорока пяти секунд между двумя отполированными хромовыми пластинами, размером приблизительно 3"×3", с силой 16.000 фунтов. Когда образец защитного покрытия был изъят из пресса, защитное покрытие сохраняло уплощенную конфигурацию и содержало участки, бывшие чистыми из-за уплощения микролинз. В этих чистых участках плавающие изображения из плавающих/ныряющих кругов и квадратов более не были видны.
Фиг.11В является фотографией одного из чистых участков сжатого образца защитного покрытия. Несмотря на то что плавающие изображения исчезли, образец защитного покрытия сохранил фантомное двумерное изображение 54, передающее квадратную и круговую форму. Оно существует за счет черных микроизображений, выполненных за микролинзами в процессе записи плавающего изображения. Эти двумерные изображения были размещены в формах плавающих изображений, давая фантомную двумерную структуру, но не выглядели как плавающие/ныряющие плавающие изображения. Когда образец защитного покрытия был снова нагрет до температуры выше компонента IBA в формуле линзы, исходные формы микролинз восстановились, и плавающие изображения 52 снова появились. Фиг.11С является фотографией образца защитного покрытия после повторного нагрева.
Описаны различные варианты выполнения изобретения. Эти и прочие варианты выполнения находятся в объеме нижеследующей формулы изобретения.