Опционально переводная оптическая система с уменьшенной толщиной
OPTIONALLY TRANSFERABLE OPTICAL SYSTEM WITH REDUCED THICKNESS

РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Эта заявка заявляет о приоритете в отношении Временной заявки на патент США с серийным №61/525,239, поданной 19 августа 2011 г. и включенной в эту заявку посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ
[0002] Данное изобретение в общем относится к усовершенствованной системе для представления одного или нескольких синтетических изображений и в особенности к опционально переводной оптической системе с уменьшенной толщиной.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ И КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] Как подробно описано, например, в Патенте США №7,333,268, выданном на имя Стинблика и др., фокусное расстояние фокусирующих элементов в микрооптических материалах определяет оптическое отделение фокусирующих элементов от матрицы пиктограмм изображений. Иными словами, матрицы в этих микрооптических материалах располагаются на обеих сторонах оптической прокладки таким образом, чтобы фокальная точка каждого фокусирующего элемента совместилась с соответствующей(-ими) ей пиктограммой(-ами) изображений. Когда фокальная точка находится на матрице пиктограмм изображений или в ее пределах, синтетическое изображение находится в резком фокусе. Однако если фокальная точка находится выше или ниже матрицы пиктограмм изображений, то синтетическое изображение является размытым и находится не в фокусе.
[0004] Данное изобретение позволяет избежать необходимости наличия оптической прокладки (т.е. гибкого прозрачного полимерного похожего на пленку материала) для обеспечения необходимого фокусного расстояния между фокусирующими элементами и соответствующей(-ими) им пиктограммой(-ами) изображений. В результате уменьшается общая толщина системы, достигается пригодность к использованию в качестве системы аутентификации, наносимой на поверхность, и повышается устойчивость к несанкционированному вмешательству.
[0005] Более конкретно, данное изобретение предоставляет опционально переводную оптическую систему с уменьшенной толщиной, которая в основном включает в себя систему представления синтетических изображений, состоящую из одной или нескольких структур структурированных пиктограмм изображений, в значительной степени находящихся в контакте с одной или несколькими структурами фокусирующих элементов, но не полностью включенных в них; при этом одна или несколько структур пиктограмм изображений и одна или несколько структур фокусирующих элементов функционируют совместно для формирования, по меньшей мере, одного синтетического изображения, по меньшей мере, части пиктограмм изображений; при этом интерстициальное пространство между фокусирующими элементами в одной или нескольких структурах фокусирующих элементов не участвует в формировании упомянутого, по меньшей мере, одного синтетического изображения.
[0006] Используемое здесь выражение «в значительной степени находящихся в контакте» означает, что либо верхняя, либо нижняя часть (например, вершина или основание) фокусирующих элементов в значительной степени находится в контакте с пиктограммами изображений или касается их.
[0007] Фокусирующие элементы, предусматриваемые для использования в данном изобретении, включают в себя рефракционные, отражающие (например, вогнутые отражающие, выпуклые отражающие), гибридные рефракционно-отражающие и дифракционные фокусирующие элементы. Примеры таких фокусирующих элементов описаны в Патенте США №7,333,268, выданном на имя Стинблика и др., Патенте США №7,468,842, выданном на имя Стинблика и др., и Патенте США №7,738,175, выданном на имя Стинблика и др., которые полностью включены в этот документ посредством ссылки, как если бы они были изложены здесь в полном объеме. Интерстициальное пространство между фокусирующими элементами в структурах, используемых в изобретенных микромасштабных системах, обычно составляет примерно 5 микрон или менее для систем с общей толщиной менее примерно 50 микрон, тогда как интерстициальное пространство в изобретенных макромасштабных системах обычно имеет больший размер - предпочтительно примерно 5 миллиметров или менее - для систем с общей толщиной 1 сантиметр или менее. Отмечается, что отражающие фокусирующие элементы отражают падающий свет и могут металлизироваться для достижения высокой эффективности фокусировки. Для металлизации в профили конструкций линз вогнутых отражающих или выпуклых отражающих структур может включаться отражающий слой металла (например, слой металла, нанесенный осаждением из паровой фазы). Вместо полностью непрозрачного отражающего слоя металла можно наносить полупрозрачный (или частично металлизированный) слой металла или слой с высоким коэффициентом преломления.
Кроме того, для создания отражательной способности можно использовать несколько слоев металла, нанесенного осаждением из паровой фазы; например, меняющие цвет интерферентные покрытия, формируемые из слоев диэлектрика или из комбинации слоев металла и диэлектрика - например, «металл-диэлектрик-металл», также могут обеспечивать необходимую отражательную способность.
[0008] Предусматриваемые для использования в данном изобретении пиктограммы изображений являются структурированными пиктограммами изображений (то есть пиктограммами изображений, имеющими физический рельеф). В одном примере осуществления изобретения пиктограммы изображений являются опционально покрытыми и/или заполненными пустотами или углублениями (например, пустотами в большей частью планарной конструкции, пустотами, опционально заполненными или покрытыми другим материалом), тогда как в другом примере осуществления изобретения пиктограммы изображений формируются приподнятыми участками или фигурными столбиками (например, приподнятыми участками большей частью планарной конструкции). Примеры структурированных пиктограмм изображений также описаны в Патенте США №7,333,268, выданном на имя Стинблика и др., Патенте США №7,468,842, выданном на имя Стинблика и др., и Патенте США №7,738,175, выданном на имя Стинблика и др.
[0009] Неожиданно и к своему удивлению авторы данного изобретения обнаружили, что подгонка фокусного расстояния фокусирующих элементов в изобретенной системе позволяет избежать необходимости оптической прокладки. Оказалось, что структура(-ы) пиктограмм изображений могут пересекать глубину фокусировки структуры (структур) фокусирующих элементов без необходимости оптической прокладки, что позволяет создать более тонкую и рационализированную систему, которая может представлять, по меньшей мере, одно синтетическое изображение. Более того, как будет более подробно описано ниже, авторы данного изобретения также обнаружили, что при использовании фокусирующих элементов определенной конструкции изобретенную систему можно переводить на ценный документ или продукт без пленочной основы или несущей подложки, образующих часть переводимой системы. Результатом обоих открытий стала система представления синтетических изображений с уменьшенной поперечной толщиной, пригодностью к использованию в качестве элемента защиты, наносимого на поверхность, и уменьшенным риском отслоения промежуточного слоя.
[0010] В число других реализуемых этим изобретением преимуществ входит повышенная устойчивость к несанкционированному вмешательству и улучшенная контрастность и четкость проецируемых изображений. Несомненно, по достоинству будет оценено то, что оптические системы без жесткой оптической прокладки между фокусирующими элементами и пиктограммами изображений труднее без повреждения удалить с конечной подложки после приклеивания. Более того, чем ближе фокусирующие элементы находятся к пиктограммам изображений, тем выше контрастность и четкость проецируемых изображений. Отсутствие увеличения толщины из-за пленочной оптической прокладки (обычно - двуосноориентированной пленочной оптической прокладки) между фокусирующими элементами и пиктограммами изображений позволяет уменьшить рассеивание света и двойное лучепреломление. Результатом этого являются изображения, выглядящие более четко и контрастно.
[0011] Как уже упоминалось, данным изобретением предусматривается использование различных интервалов размеров систем. В дополнение к микромасштабным системам также предусматривается использование макромасштабных систем. Такие системы большего масштаба могут представлять собой единичные или полные пленочные конструкции или формироваться структурами сменных пиктограмм изображений.
[0012] Другие особенности и преимущества изобретения станут понятны для лиц, имеющих обычную компетенцию, из следующего подробного описания и прилагаемых чертежей.
[0013] Если не определено иное, то все используемые технические и научные термины имеют значение, понимаемое всеми, имеющими обычную компетенцию в области техники, к которой относится это изобретение. Все публикации, заявки на патенты, патенты и другие упоминаемые здесь справочные материалы включаются во всей их полноте посредством ссылок. В случае противоречия преобладает данное описание, включая определения. В дополнение к этому материалы, методы и примеры имеют лишь иллюстративный характер и не предназначены для какого-либо ограничения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0014] Пониманию предмета изобретения могут способствовать следующие чертежи. Компоненты на чертежах не обязательно приведены в масштабе - основное внимание уделяется наглядной иллюстрации принципов предмета изобретения.
[0015] Конкретные особенности раскрываемого изобретения иллюстрируются ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображены поперечные боковые сечения следующих примеров осуществления данного изобретения:
ФИГ.1. Рефракционная оптическая система;
ФИГ.2. Переводная рефракционная оптическая система;
ФИГ.3. Вогнутая отражающая оптическая система;
ФИГ.4. Выпуклая отражающая оптическая система;
ФИГ.5. Переводная вогнутая отражающая оптическая система;
ФИГ.6. Дифракционная оптическая система с использованием пропускающих линз Френеля;
ФИГ.7. Дифракционная оптическая система с использованием отражающих линз Френеля.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0016] Примеры осуществления изобретенной системы будут раскрыты с использованием чертежей. Однако при этом нет каких-либо намерений ограничивать данное раскрытие предмета изобретения вариантами осуществления изобретения, раскрытыми в этом документе. Напротив, есть намерение указать все альтернативы, модификации и эквиваленты. Например, такие дополнительные особенности и функциональность, как те, что описаны в Патенте США №7,333,268, выданном на имя Стинблика и др., Патенте США №7,468,842, выданном на имя Стинблика и др., и Патенте США №7,738,175, выданном на имя Стинблика и др., также могут быть включены в изобретенную систему. Такие дополнительные особенности и функциональность могут включать в себя текстурированные поверхности для лучшей адгезии к последующим слоям, усилители адгезии и т.д. Изобретенная система может также включать в себя такую открытую или скрытую информацию, как индивидуальная или персонализированная информация в виде серийных номеров, штрихкодов, изображений и т.д., которая может формироваться с использованием традиционных печатных технологий или систем лазерной гравировки. Эта дополнительная функциональность позволит осуществлять взаимодействие синтетических изображений со скрытой информацией. В дополнение к этому информация может печататься поверх рисунка или текста или печататься на различных слоях на всех этапах изготовления или после него.
Рефракционные системы как вариант осуществления изобретения
[0017] В первом примере осуществления изобретения, изображенном на ФИГ.1, изобретенная система является рефракционной оптической системой 10, которая далее включает в себя основу или несущую подложку 12. В этом варианте осуществления изобретения система представления синтетических изображений 14 устроена на одной стороне несущей подложки 12. Как будет по достоинству оценено, несущая подложка 12 не влияет на оптическую функциональность системы. Иными словами, синтетические изображения представляются независимо от наличия или непрозрачности несущей подложки 12.
[0018] В этом первом примере осуществления изобретения в системе представления синтетических изображений 14 используются рефракционные фокусирующие элементы 16, фокусное расстояние каждого из которых таково, что структурированная пиктограмма изображения 18, в значительной степени контактирующая с его основанием или расположенная близко к такому основанию, пересекается с частью его глубины фокусировки, если смотреть перпендикулярно поверхности. В общем, эти фокусирующие элементы имеют очень малые числа F (например, 1 или меньше) и поверхность цилиндрической, сферической или асферической формы.
[0019] Используемый в этом документе термин «число F» означает отношение фокусного расстояния фокусирующего элемента (реального или виртуального в случае с выпуклыми рефлекторами) к эффективному диаметру его линзы.
[0020] Система представления синтетических изображений 14 может быть нанесена на несущую подложку 12. Несущая подложка 12 может быть изготовлена из пластика, целлюлозы, композитных материалов, полиамида (например, из нейлона-6), поликарбоната, полиэстера, полиэтилена, полиэтиленнафталата (PEN), полиэтилентерефталата (PET), полипропилена, пленок или листов из поливинилиденхлорида, листов майлара, целлофана, бумаги, ветоши/хлопка, их комбинаций и подобных материалов.
[0021] Структуры структурированных пиктограмм изображений и фокусирующих элементов системы представления синтетических изображений 14 могут формироваться из различных материалов, таких как большей частью или полностью прозрачных, цветных или бесцветных полимеров - акрилов, акрилированных полиэстеров, акрилированных уретанов, эпоксидных смол, поликарбонатов, полипропиленов, полиэстеров, уретанов и подобных материалов с использованием таких методов, как экструзия (например, экструзионное тиснение, мягкое тиснение), отливка с радиационным отверждением, литье под давлением, реакционное литье под давлением и реакционная отливка. Цветные или бесцветные материалы с высокими коэффициентами преломления (при 589 нанометрах, 20°C) более 1,5, 1,6, 1,7 или выше - такие, как те, что описаны в Публикации заявки на патент США №US 2010/0109317 A1, выданной на имя Хоффмюллера и др., также могут использоваться в практическом использовании данного изобретения.
[0022] Пример метода изготовления: пиктограммы формируются как пустоты в отверждаемом радиацией жидком полимере (например, в акрилированном уретане), отливаемом из литейной формы пиктограммы на пленочную основу (т.е. на несущую подложку 12), такую, как PET-пленка калибра 75 с усилителем адгезии, затем пустоты пиктограмм заполняются пигментированным красителем с субмикронными частицами с помощью ракеля (как при изготовлении гравюр), проходящего по поверхности полимера пиктограмм, затем заполненные места отверждаются соответствующим методом (например, посредством удаления растворителя, радиационного отверждения или химической реакции), затем на заполненных пиктограммах отливаются линзы посредством соединения пиктограммной стороны пленочной основы с литейной формой, наполненной радиационно-отверждаемым полимером, с последующим затвердеванием полимера в ультрафиолетовом свете (УФ) или с использованием другого вида актиничного излучения.
[0023] Для микромасштабных систем, используемых, например, в виде защитной полосы, нити, накладки или покрытия:
(a) фокусирующие элементы имеют предпочтительную ширину (при использовании цилиндрических фокусирующих элементов) и основной диаметр (при использовании нецилиндрических фокусирующих элементов), меньшие, чем примерно 50 микрон (более предпочтительно - меньшие, чем примерно 25 микрон и наиболее предпочтительно - от примерно 5 до примерно 15 микрон), предпочтительное фокусное расстояние, меньшее, чем примерно 50 микрон (более предпочтительно - меньшее, чем примерно 25 микрон и наиболее предпочтительно - от примерно 1 до примерно 5 микрон), и предпочтительное число F, равное 1 или меньшее, чем 1 (более предпочтительно - равное 0,75 или меньшее, чем 0,75);
(b) структурированные пиктограммы изображений являются либо опционально покрытыми и/или заполненными пустотами или углублениями с общей глубиной предпочтительно от примерно 50 нанометров до примерно 8 микрон или приподнятыми участками или фигурными столбиками с общей высотой предпочтительно от примерно 50 нанометров до примерно 8 микрон;
(c) несущая подложка имеет предпочтительную толщину в интервале от примерно 10 до примерно 50 микрон, более предпочтительно - от примерно 15 до примерно 25 микрон;
(d) общая толщина изобретенной системы предпочтительно менее примерно 50 микрон (более предпочтительно - менее примерно 45 микрон и наиболее предпочтительно - от примерно 10 до примерно 40 микрон).
[0024] Во втором примере осуществления изобретения, изображенном на ФИГ.2, изобретенная система является переводной рефракционной оптической системой 20, которая далее включает в себя удаляемую подкладку с микроструктурами 22, состоящую из несущей подложки 24 и слоя «форм для линз» 26. На ФИГ.2 изображена система 20 при нанесении на бумажную подложку 28. Рефракционная оптическая система 20 (с одним или несколькими адгезивными слоями) может переводиться на другую поверхность как переводная пленка с использованием таких технологий, как механическое, химическое, термальное и фотоиндуцированное разделение. Концепция разделения требуемых компонентов от несущей подложки известна в области перевода голографических изображений с помощью фольги, когда пленка с удаляемым покрытием (т.е. удаляемая подкладка) используется с такими оптическими покрытиями и адгезивами, что оптические покрытия и адгезивы могут переводиться на конечную подложку с помощью высоких температур и давления. Этот вариант осуществления изобретения особенно полезен в случаях, когда требуются пленки с очень малой поперечной толщиной.
[0025] С помощью данного примера осуществления изобретения изобретатели сделали удивительное открытие, которое заключается в том, что оптика, представляющая синтетические изображения, может быть успешно отделена от несущей пленки. Как будет по достоинству оценено сведущими в данной области техники, описанная здесь геометрия фокусирующих элементов с ее выступами и углублениями означает, что отделить оптическую конструкцию от несущей пленки сложнее, нежели более гладкую пленку или фольгу (например, голограммы), имеющую меньшую площадь поверхности и меньшее соотношение геометрических размеров микроструктурированных особенностей, что упрощает ее отделение от несущей пленки. Более того, неправильное отделение приводит к неравномерным нагрузкам на переводимую систему, что отрицательно сказывается на способности таких систем проецировать синтетические изображения. Функционирование оптики данного изобретения, представляющей синтетические изображения, основано на фокусировании света внутри объема переводной конструкции, а избыточная нагрузка может вызвать искажения в этом объеме. Описанные здесь технологии и оптические конструкции позволяют преодолеть эти трудности.
[0026] На ФИГ.2 система представления синтетических изображений 30 показана сопряженной (с возможностью отделения) с удаляемой подкладкой 22 посредством слоя «форм для линз» 26. Слой «форм для линз» 26 обычно является слоем отверждаемой смолы (например, полиэфиракрилата) толщиной от 3 до 50 микрон, а несущая подложка 24 обычно представляет собой пропускающую ультрафиолет пленку толщиной от 15 до 50 микрон (например, PET-пленку).
[0027] Опциональный придающий жесткость слой 32 показан на структуре структурированных пиктограмм изображений системы представления синтетических изображений 30. Производительность процесса повышается посредством придания системе 30 большей жесткости или сопротивляемости изгибу, нежели у несущей подложки 24 и слоя «форм для линз» 26. Придающий жесткость слой 32 может быть приготовлен из радиационно-отверждаемых акрилатов; его предпочтительная толщина составляет от 1 до 10 микрон. В дополнение к придающему жесткость слою 32 или вместо него на структуру структурированных пиктограмм изображений можно наносить один или несколько уплотнительных слоев. Такой уплотнительный слой может быть приготовлен из радиационно-отверждаемых акрилатов (например, из радиационно-отверждаемых акрилатов, содержащих органические или неорганические наполнители с пигментирующими или армирующими свойствами), покрытий на основе растворителей или воды, таких как акриловые и эпоксидные смолы, этиленвинилацетаты (EVA), полиуретаны, поливиниловые спирты (PVA) и подобные им вещества, и иметь толщину от 1 до 10 микрон.
[0028] На ФИГ.2 адгезивный слой 34 изображен на системе с увеличенной жесткостью. Адгезивный слой 34 может быть приготовлен из термически активируемых адгезивов (т.е. плавких или термосклеивающих адгезивов), контактных адгезивов или любых термореактивных или термопластических адгезивных систем, используемых для склеивания этих целевых поверхностей, включая акриловые и эпоксидные смолы, цианоакрилаты, полиамиды, полиуретаны, поливинилацетаты, резину и силиконы. Адгезивный слой 34 предпочтительно приготавливается из нелипнущего термически активируемого адгезива и имеет предпочтительную толщину от 1 до 100 микрон. Обычно температура активации термически активируемых адгезивов находится в интервале от примерно 70 до примерно 170°C, тогда как для активации контактных адгезивов дополнительное температурное воздействие не требуется.
[0029] Пример метода изготовления переводной рефракционной оптической системы, описанной в данном изобретении:
формирование удаляемой подкладки с микроструктурами, состоящей из слоя «форм для линз», закрепленного на несущей пленке (например, на пропускающей ультрафиолет несущей пленке), причем слой «форм для линз» формируется из отверждаемой смолы с множеством пустот с отрицательной геометрией линз; отрицательная геометрия линз образуется при отверждении смолы ультрафиолетом в контакте с жесткой поверхностью с положительной геометрией линз (например, с положительной формой для линз);
формирование переводной рефракционной оптической системы на слое «форм для линз» удаляемой подкладки с микроструктурами:
размещение слоя «форм для линз» удаляемой подкладки с микроструктурами в контакте с жесткой формой для пиктограмм и заполнение оптически функциональным отверждаемым ультрафиолетом жидким полимером (например, полиэфиракрилатом) множественных пустот слоя «форм для линз» и жесткой формы для пиктограмм с приложением давления посредством прижимного ролика для удаления излишков жидкого полимера и одновременной обработкой жидкого полимера УФ-излучением для отверждения отверждаемого ультрафиолетом полимера и последующего его снятия с формы для пиктограмм. Как будет по достоинству оценено сведущими в данной области техники, оптически функциональный полимер должен обладать достаточной адгезией к слою «форм для линз» удаляемой подкладки, чтобы выдержать процесс снятия после отверждения материала между слоем «форм для линз» и жесткой формой для пиктограмм и снятия его с формы для пиктограмм;
заполнение множественных пиктограмм изображений материалом, контрастирующим с оптически функциональным полимером (например, отверждаемой ультрафиолетом краской для флексопечати) для формирования слоя заполненных пиктограмм изображений;
опционально: нанесение одного или нескольких уплотнительных слоев, придающего жесткость слоя, пигментированного или окрашенного слоя, придающего непрозрачность слоя, или их комбинаций на слой заполненных пиктограмм изображений;
нанесение одного или нескольких адгезивных слоев (например, слоев нелипнущего термически активируемого адгезива) на опционально уплотненный, с увеличенной жесткостью, пигментированный/окрашенный и/или сделанный непрозрачным слой заполненных пиктограмм изображений.
[0030] После приготовления переводная рефракционная оптическая система 20 может использоваться как традиционная переводная фольга, то есть материал можно сворачивать в рулон, разворачивать и придавать ему требуемую окончательную форму, делая из него накладку, нить или лист с помощью методов преобразования, распространенных в сфере защитной печати и упаковки. Чтобы перевести систему представления синтетических изображений 30 с удаляемой подкладки 22, адгезивную сторону системы 20 следует привести в соприкосновение с требуемой конечной подложкой (например, с бумажной подложкой 28). Затем нужно воздействовать на систему теплом и/или давлением, чтоб адгезив в адгезивном слое 34 прочно приклеился к подложке 28. Затем удаляется удаляемая подкладка 22 со слоем «форм для линз» 26, оставляя за собой требуемую систему представления синтетических изображений 30.
[0031] Как будет по достоинству оценено по приведенному выше описанию, для надежного отсоединения при использовании этой технологии необходимо контролировать относительную прочность клеевого соединения в соответствии с указанными ниже данными:
Высокая прочность клеевого соединения:
адгезивный слой 34 с бумажной подложкой 28
слой «форм для линз» 26 с несущей подложкой 24
Средняя прочность клеевого соединения:
отверждаемый оптически функциональный полимер с формой для положительных линз
Низкая прочность клеевого соединения:
отверждаемый оптически функциональный полимер с жесткой формой для пиктограмм.
[0032] Несмотря на то, что прочность клеевого соединения может варьироваться в зависимости от условий процесса и требований к готовой продукции, необходимо учитывать указанную выше относительную сопрягающую прочность клеевого соединения. Например, если отверждаемый оптически функциональный полимер очень агрессивно приклеивается к жесткой форме для пиктограмм, то это устанавливает минимальное значение прочности клеевого соединения, и все другие клеевые соединения необходимо соответствующим образом корректировать в сторону увеличения.
Отражающие системы как вариант осуществления изобретения
[0033] В третьем примере осуществления изобретения, изображенном на ФИГ.3, изобретенная система является вогнутой отражающей оптической системой 36, которая далее включает в себя основание или несущую подложку 38. В этом варианте осуществления изобретения система представления синтетических изображений 40 устроена на одной стороне несущей подложки 38.
[0034] В этом примере осуществления изобретения в системе представления синтетических изображений 40 используются вогнутые отражающие фокусирующие элементы 42, фокусное расстояние каждого из которых таково, что структурированная пиктограмма изображения 44, размещенная в значительной степени в контакте со своей вершиной или высшей точкой или в непосредственной близости от них, пересекается с частью своей глубины фокусировки, если смотреть на нее перпендикулярно поверхности. Эти отражающие фокусирующие элементы покрыты отражающим материалом для достижения высокой эффективности фокусировки. Например, фокусирующие элементы могут быть конформно покрыты отражающим материалом - например, алюминием, хромом, медью, золотом, никелем, серебром, нержавеющей сталью, оловом, титаном, сульфидом цинка, фтористым магнием, диоксидом титана или другим материалом, обеспечивающим требуемый уровень отражательной способности. Толщина наносимого отражающего материала может составлять от 50 нанометров до примерно 2 микрон; материал наносится методом физического осаждения из паровой фазы (PVD), химического осаждения из паровой фазы (CVD) или другим соответствующим методом. После этого для защиты отражающего слоя может наноситься защитное покрытие. Защитные покрытия могут приготавливаться из радиационно-отверждаемых акрилатов (например, из радиационно-отверждаемых акрилатов, содержащих органические или неорганические наполнители с пигментирующими или армирующими свойствами), покрытий на основе растворителей или воды, таких как акриловые и эпоксидные смолы, этиленвинилацетаты (EVA), полиуретаны, поливиниловые спирты (PVA) и подобные им вещества, и иметь толщину от примерно 1 до примерно 10 микрон.
[0035] В общем, такие фокусирующие элементы имеют очень малое число F - предпочтительно меньшее, чем примерно 1 и более предпочтительно - между примерно 0,25 и примерно 0,50 - и цилиндрическую, сферическую или асферическую поверхность. Как отмечалось выше, число F означает отношение фокусного расстояния фокусирующего элемента к эффективному диаметру его линзы. Фокусное расстояние сферического вогнутого рефлектора равно радиусу кривизны, разделенному на два.
[0036] При использовании отражающих фокусирующих элементов с числом F, большим, чем примерно 1, оптическое разделение, требуемое для фокусировки на слое пиктограмм изображений, слишком велико для их практического использования без оптической прокладки. Если число F меньше, чем примерно 0,25, то фокусные точки рефлекторов будут лежать в пределах объема рефлектора (то есть внутри участка, ограниченного верхней и нижней точками рефлектора) и будут вне фокуса по отношению к слою пиктограмм изображений, сформированному на его основании. Поэтому для изобретенной системы предпочтительно число F в интервале от примерно 1 до примерно 0,25, чтобы система представляла фокусированные синтетические изображения без использования оптической прокладки.
[0037] Система представления синтетических изображений 40 может быть сформирована в контакте с несущей подложкой 38 при формировании структурированных пиктограмм изображений и фокусирующих элементов методом отливки и снятия с микроструктурированных форм с использованием радиационно-отверждаемых полимеров. В число подходящих несущих подложек входят те, что были описаны в первом примере осуществления изобретения. Таким же образом структуры структурированных пиктограмм изображений и фокусирующих элементов системы представления синтетических изображений 40 могут формироваться из материалов, указанных выше применительно к первому примеру осуществления изобретения.
[0038] Предпочитаемые размеры микромасштабных систем тоже такие же, что и размеры, указанные в первом примере осуществления изобретения. Что касается макромасштабных систем, используемых, например, в идентификационных комплектах или в форме декоративных элементов или оберточного материала для транспортных средств:
(a) фокусирующие элементы имеют предпочтительную ширину/основной диаметр в интервале от примерно 1 до примерно 10 миллиметров (мм), в том числе среди прочего ширину/основной диаметр в интервале от примерно 250 микром до примерно 1 мм и в интервале от примерно 50 до примерно 250 микрон, предпочтительное фокусное расстояние в интервале от примерно 25 микрон до примерно 5 мм (более предпочтительно - от примерно 250 микрон до примерно 1 мм) и предпочтительное число F, равное 1 или меньшее, чем 1 (более предпочтительно - равное примерно 0,5 или меньшее, чем примерно 0,5);
(b) структурированные пиктограммы изображений являются либо опционально покрытыми и/или заполненными пустотами или углублениями с общей глубиной предпочтительно от примерно 5 сантиметров (см) до примерно 1 микрона или приподнятыми участками или фигурными столбиками с общей высотой предпочтительно от примерно 5 сантиметров до примерно 1 микрона;
(c) несущая подложка имеет предпочтительную толщину в интервале от примерно 25 микрон до примерно 5 мм, более предпочтительно - от примерно 250 микрон до примерно 1 мм;
(d) общая толщина изобретенной рефракционной оптической системы предпочтительно менее примерно 1 см или равна примерно 1 см и включает среди прочего толщину в интервале от примерно 250 микрон до примерно 1 см, в интервале от примерно 50 до примерно 250 микрон и толщину менее примерно 50 микрон.
[0039] В предусматриваемых данным изобретением макромасштабных отражающих оптических системах могут использоваться пиктограммы изображений, формируемые с помощью традиционных технологий печати (например, с помощью обычной струйной или лазерной печати). Эти системы состоят из одной или нескольких структур отражающих фокусирующих элементов (например, вогнутых отражающих, выпуклых отражающих, отражающе-дифракционных) с указанными выше размерами (например, с шириной/основным диаметром в интервале от примерно 1 до примерно 10 миллиметров), и напечатанных пиктограмм изображений, в значительной степени находящихся в контакте (но без полного включения) с одной или несколькими структурами фокусирующих элементов. Напечатанные пиктограммы изображений имеют толщину линий, меньшую, чем примерно 1 миллиметр или равную примерно 1 миллиметру. Как будет по достоинству оценено сведущими в данной области техники, если использовать линии меньшей толщины, то при использовании этих относительно больших фокусирующих элементов в пределах отводимого места можно размещать более детализированные узоры.
[0040] В четвертом примере осуществления изобретения, изображенном на ФИГ.4, изобретенная система является выпуклой отражающей оптической системой 46, которая далее включает в себя основу или несущую подложку 48. Поверхность каждого выпуклого отражающего фокусирующего элемента 50 такова, что она «выпирает» в направлении зрителя. Эта фокусирующие элементы - «блестящие» в том смысле, что при освещении удаленным источником света на их поверхности появляется яркое световое пятно 52. Световое пятно 52 называется «блик».
[0041] При взгляде на систему 46 с пиктограммами изображений, расположенными над выпуклыми отражающими фокусирующими элементами, зритель увидит либо что блики загораживаются пиктограммами изображений, либо что они не загораживаются пиктограммами изображений. Иными словами, структура выпуклых отражающих фокусирующих элементов 50 при ее сопряжении со структурой структурированных пиктограмм изображений 54 формирует узор из загороженных и незагороженных бликов. Этот узор образует синтетическое изображение.
[0042] В общем, эти фокусирующие элементы также имеют очень малое число F - предпочтительно меньшее, чем примерно 1, и более предпочтительно - между примерно 0,25 и примерно 0,50, и сферическую или асферическую поверхность.
[0043] В дополнение к фокусирующим элементам, приготовленным с использованием описанных здесь методов (а также в Патенте США №7,333,268, выданном на имя Стинблика и др., Патенте США №7,468,842, выданном на имя Стинблика и др., и Патенте США №7,738,175, выданном на имя Стинблика и др.), макромасштабные отражающие фокусирующие элементы выпуклого или вогнутого типа также могут составлять отдельные дискретные конструкции или формироваться отливкой с таких дискретных структур. Например, металлические шарикоподшипники могут группироваться в упорядоченную уплотненную структуру на плоской поверхности, формируя структуру выпуклых рефлекторов. Если разместить прозрачную пленку поверх структуры шарикоподшипников при том, что на поверхности прозрачной пленки находится структура пиктограмм изображений с такой же уплотненной структурой и при том, что шаг структуры пиктограмм изображений масштабирован относительно шага структуры шарикоподшипника, то можно сформировать систему представления синтетических изображений.
[0044] Такая система выпуклых рефлекторов может быть полезна при использовании в дисплеях или рекламных щитах; при этом шарикоподшипники (например, из зеркально полированной нержавеющей стали диаметром 3,18 мм) перманентно прикрепляются к жесткой и плоской тыловой поверхности с помощью, например, эпоксидного клея или сварки. В такого рода установке пиктограммы изображений могут наноситься посредством традиционной струйной или лазерной печати (например, с помощью оборудования для струйной печати плакатов большого формата для рекламных щитов) на соответствующую прозрачную пригодную для печати пленку или такой же пластиковый лист (например, на прозрачный винил большого размера для рекламных щитов) и размещаться поверх шарикоподшипников таким образом, что напечатанная сторона обращена к структуре шарикоподшипников. Напечатанная структура может крепиться на шарикоподшипниках с помощью рамы; печатное изображение может покрываться полуперманентным адгезивом и затем приклеиваться к структуре шарикоподшипников. Затем накладной напечатанный слой может удаляться и заменяться на новые графические материалы, как это обычно делается на традиционных рекламных щитах.
[0045] Чтобы снизить стоимость и вес дискретных отражающих элементов, используемых в конечном дисплее, можно использовать следующий альтернативный подход: сначала формируется одна перманентная структура дискретных выпуклых отражающих элементов, как описано выше. После этого можно подогнать фокусное расстояние посредством заполнения интерстициального пространства структуры до требуемого уровня эпоксидной смолой или антиадгезионным агентом для снятия с формы с последующей отливкой полимерной копии этой структуры. С использованием технологий, известных в области макромасштабного формования (например, вакуумного формования, термоформования, заливки смолой и т.д.), можно формировать жесткий лист, имеющий геометрию вогнутой линзы, и удалять его с перманентной формы. После удаления жесткий лист можно металлизировать отражающим покрытием (например, физическим осаждением из паровой фазы, осаждением из раствора, электролитическим осаждением и т.д.), после чего лист будет готов к монтажу в качестве вогнутой отражающей системы представления синтетических изображений. При приведении напечатанной графической структуры (как описано выше) в контакт со структурой рефлекторов можно формировать синтетические изображения, что позволит создавать демонстрационные системы большого формата.
[0046] Размеры этих структур можно при необходимости изменять в соответствии с требуемым расстоянием от зрителя до объекта. Например, при расстоянии от зрителя до объекта, составляющем около 90 метров, расчетный диаметр отдельных рефлекторов составляет от примерно 8 мм до примерно 1 см.
[0047] Подобно уже описанным примерам осуществления изобретения система представления синтетических изображений 56 может отливаться в контакте с несущей подложкой 48 при использовании тех же материалов и при тех же размерах системы, что указаны для третьего примера осуществления изобретения.
[0048] В пятом примере осуществления изобретения, изображенном на ФИГ.5, изобретенная система является переводной вогнутой отражающей оптической системой 58, которая далее включает в себя среди прочих слоев удаляемую подкладку 60, состоящую из несущей подложки 62 и удаляемого покрытия 64. При том, что ФИГ.5 относится к переводной вогнутой отражающей оптической системе, описанная выше выпуклая отражающая оптическая система также является переводной.
[0049] На ФИГ.5 изображена система 58 при нанесении на бумажную подложку 66; при этом система представления синтетических изображений 68 снимаемо сопряжена с удаляемой подкладкой 60. Обычно антиадгезионное покрытие 64 является функциональным удаляемым покрытием с толщиной нанесения от 1 до 10 микрон, что позволяет осуществлять склеивание в обычных условиях с последующим снятием при переведении с помощью механических, химических, термальных и фотоиндуцированных методов разделения. Например, когда требуется снятие, активируемое высокой температурой и давлением, в состав несущей подложки 62 (например, пропускающей ультрафиолет PET-пленки толщиной от 15 до 50 микрон) входит покрытие, обладающее хорошей адгезией при температуре окружающей среды, но размягчающееся и теряющее адгезию под воздействием высокой температуры и давления при ламинировании, например, в настольном ламинаторе для документов или в промышленной фольгозаверточной машине, в которых высокая температура и давление используются в рамках непрерывного рулонного процесса. Примерами подходящих функциональных удаляемых покрытий могут среди прочего служить такие материалы с низкой энергией поверхности, как полиэтилен, полипропилен, силикон и углеводородные воски. Также подходят контактные адгезивы, прочность клеевого соединения которых значительно снижается при повышении температуры и в состав которых входят увеличивающие клейкость смолы и мономеры с соответствующей температурой стеклования (Tg), что обеспечивает возможность снятия при требуемой температуре.
[0050] На структуре фокусирующих элементов 76 показаны отражающий слой (например, слой металла, осажденного из паровой фазы) 70, опциональный защитный слой 72 и адгезивный слой 74. Отражающий слой является конформно покрытым отражающим слоем, приготовленным с использованием алюминия, хрома, меди, золота, никеля, серебра, нержавеющей стали, олова, титана, сульфида цинка, фтористого магния, диоксида титана или другого материала, обеспечивающего требуемый уровень отражательной способности. Толщина наносимого слоя может составлять от 50 нанометров до примерно 2 микрон; нанесение осуществляется методом физического осаждения из паровой фазы (PVD), химического осаждения из паровой фазы (CVD) или другим соответствующим методом. После этого для защиты отражающего слоя может наноситься защитное покрытие 72, приготавливаемое из радиационно-отверждаемых акрилатов (например, из радиационно-отверждаемых акрилатов, содержащих органические или неорганические наполнители с пигментирующими или армирующими свойствами), покрытий на основе растворителей или воды, таких как акриловые и эпоксидные смолы, этиленвинилацетаты (EVA), полиуретаны, поливиниловые спирты (PVA) и подобные им вещества, и иметь толщину от примерно 1 до примерно 10 микрон; а адгезивный слой может быть приготовлен из термически активируемых адгезивов (т.е. плавких или термосклеивающих адгезивов), контактных адгезивов или любых термореактивных или термопластических адгезивных систем, используемых для склеивания этих целевых поверхностей, включая акриловые и эпоксидные смолы, цианоакрилаты, полиамиды, полиуретаны, поливинилацетаты, резину и силиконы. Адгезивный слой предпочтительно приготавливается из нелипнущего термически активируемого адгезива (например, из полиуретана на водной основе) и имеет толщину нанесения от 1 до 10 микрон.
[0051] Пример метода изготовления переводной отражающей оптической системы в соответствии с данным изобретением включает в себя следующее:
нанесение отверждаемой смолы на поверхность удаляемой подкладки (например, гладкой или неструктурированной несущей подложки с функциональным удаляемым покрытием) и отверждение поверхности в контакте с жесткой формой для пиктограмм для формирования одной или нескольких структур пиктограмм изображений в виде пустот в пределах поверхности отверждаемой смолы;
заполнение пустот материалом, контрастирующим с отверждаемой смолой, для формирования слоя заполненных пиктограмм изображений;
нанесение отверждаемой смолы на поверхность слоя заполненных пиктограмм изображений и отверждение смолы в контакте с жесткой поверхностью, имеющей отрицательную геометрию линз (т.е. отрицательной формой для линз), с формированием одной или нескольких структур фокусирующих элементов на поверхности отверждаемой смолы;
нанесение конформного покрытия из металла или другого отражающего материала на фокусирующие элементы для формирования одной или нескольких структур отражающих фокусирующих элементов;
опционально: нанесение одного или нескольких защитных слоев на одну или несколько структур отражающих фокусирующих элементов;
нанесение одного или нескольких адгезивных слоев (например, слоев нелипнущего термически активируемого адгезива) на одну или несколько структур отражающих фокусирующих элементов с опциональным защитным покрытием.
[0052] Полученную подобную пленке конструкцию можно обрабатывать, преобразовывать, переводить как обычную переводную пленку. Иными словами, конструкцию можно приводить в контакт с целевой подложкой (например, бумагой для банкнот, удостоверениями личности или упаковкой для различных изделий) и после воздействия высокой температуры и давления полностью удалять удаляемую подкладку, оставляя на конечной подложке только систему представления синтетических изображений.
[0053] Примером непрерывного процесса переведения изобретенной системы на целевую подложку может служить использование машины для горячей штамповки производства компании Leonard Kurz Stiftung & Co. KG (модель №MHA 840). В рамках этого процесса система в виде подобных пленке конструкций общим числом до шести помещается в регистратор (в поперечном направлении (ПН)) на бумажной основе, парные колеса счетчика машины для горячей штамповки прижимают подобные пленке конструкции под давлением 550 ньютонов на колесо, что приводит к активированию слоев нелипнущего термически активируемого адгезива. Затем удаляемые подкладки отделяются от находящихся под ними конструкций и перематываются на обычных барабанах. Типичные параметры машины: скорость 100-120 м/мин, температура 135-160°C.
[0054] Вообще говоря, чтобы отражающая система надежно переводилась на конечную подложку (например, бумагу) прочность адгезионного соединения между подложкой и отражающей системой должна быть выше прочности соединения, удерживающего отражающую систему на удаляемой подкладке. Типичная прочность клеевого соединения такой структуры может находиться в интервале от 10 до 100 ньютонов на квадратный дюйм (Н/кв. дюйм) для соединения между отражающей системой и подложкой и в интервале от 0,1 до 10 Н/кв. дюйм для соединения между отражающей системой и удаляемой подкладкой.
Дифракционные системы как вариант осуществления изобретения
[0055] В шестом примере осуществления изобретения изобретенная система является опционально переводной дифракционной оптической системой. Дифракционные фокусирующие элементы также обеспечивают конвергенцию падающего света; системы, созданные с использованием таких фокусирующих элементов, тоньше описанных выше рефракционных и отражающих систем со сравнимыми числами F; общая толщина дифракционных оптических систем находится в интервале от примерно 3 до примерно 50 микрон (предпочтительно - от примерно 5 до примерно 10 микрон).
[0056] В изобретенной дифракционной оптической системе используются дифракционные фокусирующие элементы, изготовленные с использованием тех же материалов, что и в описанных выше рефракционных и отражающих системах. Эти дифракционные фокусирующие элементы имеют предпочтительную ширину/основной диаметр, меньшие, чем примерно 100 микрон (более предпочтительно - меньшие, чем примерно 75 микрон и наиболее предпочтительно - от примерно 15 до примерно 50 микрон).
[0057] Эти дифракционные фокусирующие элементы выбираются из группы дифракционных линз Френеля, линз зонной пластины Френеля, гибридных рефракционно-дифракционных линз, и их комбинаций. В примере осуществления изобретения используются дифракционные линзы Френеля, каждая из которых имеет набор концентрических колец с общим фокусом. Концентрические кольца лежат в общей плоскости, что делает каждую линзу крайне плоской в сравнении с рефракционными линзами со схожими числами F. Следующие одно за другим кольца могут иметь непрерывную кривизну для максимальной эффективности; кривизна также может аппроксимироваться на любое число шагов или фазовых уровней. Простейшая аппроксимация дифракционных линз Френеля имеет лишь два шага и известна как зонная пластина Френеля или бинарная линза Френеля. Более сложные аппроксимации в порядке возрастания сложности - это четверичные, восьмиуровневые, шестнадцатиуровневые и аналоговые. В предпочтительном варианте осуществления изобретения дифракционная линза Френеля является линзой аналогового профиля.
[0058] Структурированные пиктограммы изображений, используемые в изобретенной дифракционной оптической системе, схожи с теми, что используются в описанных выше рефракционных и отражающих системах.
[0059] Известно, что дифракционные фокусирующие элементы чувствительны к изменениям длины волны и подвержены сильной хроматической аберрации. В изобретенной системе, однако, дифракционные фокусирующие элементы могут быть либо пропускающими (см. дифракционную оптическую систему 78 на ФИГ.6) или отражающими (см. дифракционную оптическую систему 80 на ФИГ.7). В обеих системах структурированные пиктограммы изображений пересекаются с глубиной фокусировки соответствующего дифракционного фокусирующего элемента (например, линзы Френеля), что достигается без использования оптической прокладки.
[0060] Опционально переводная пропускающая дифракционная оптическая система 78 изготовляется с использованием того же метода из тех же конструкционных материалов, что и первый пример осуществления изобретения, за исключением того, что геометрия формы для рефракционных линз заменяется на геометрию, подходящую для получения дифракционных линз. Эта оптическая система также может переводиться с несущей подложки с использованием технологии, подробно описанной во втором примере осуществления изобретения.
[0061] Опционально переводная работающая в отражающем режиме дифракционная оптическая система 80 изготовляется с использованием того же метода и из тех же конструкционных материалов, что и третий пример осуществления изобретения, за исключением того, что геометрия формы для отражающих линз заменяется на геометрию, подходящую для получения отражающего вида дифракционных линз, которые впоследствии металлизируются. Эта оптическая система также может переводиться с несущей подложки с использованием технологии, используемой для перевода отражающей системы и подробно описанной в пятом примере осуществления изобретения.
[0062] Данное изобретение далее предоставляет волокнистые и неволокнистые материалы, изготовленные из изобретенной системы или использующие ее, а также изготовленные из этих материалов документы. Используемый здесь термин «документы» означает любого рода документы, обладающие финансовой ценностью - например, банкноты или валюту, облигации, чеки, дорожные чеки, лотерейные билеты, почтовые марки, сертификаты акций, правоустанавливающие документы и тому подобное, или такие удостоверения личности, как паспорта, идентификационные карточки, водительские права и тому подобное, или незащищенные документы - например, этикетки. Изобретенная оптическая система также предназначается для использования с товарами (потребительскими и непотребительскими), а также с пакетами, упаковкой и этикетками, используемыми с этими товарами.
[0063] В число других предполагаемых конечных видов применения изобретенной системы входят такие изделия для проецирования крупных изображений, как рекламные и мультимедийные дисплеи (например, рекламные щиты, дорожные и промышленные предупредительные знаки, коммерческие дисплеи, используемые в маркетинге и на торговых выставках), изделия для улучшения внешнего вида транспортных средств (например, наклейки и обертки), декоративные обертки и обои, занавески для душа, артистические композиции и тому подобное.
[0064] Другие особенности и преимущества изобретения будут очевидны для имеющих обычную компетентность из следующего подробного описания и прилагаемых чертежей. Если не определено иное, то все используемые технические и научные термины имеют значение, понимаемое всеми, имеющими обычную компетенцию в области техники, к которой относится это изобретение. Все публикации, заявки на патенты, патенты и другие упоминаемые здесь справочные материалы включаются во всей их полноте посредством ссылок. В случае противоречия преобладает данное описание, включая определения. В дополнение к этому материалы, методы и примеры имеют лишь иллюстративный характер и не предназначены для какого-либо ограничения.