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Procède et appareil pour l'impression électromagnétique.
La présente invention concerne un nouveau procédé et un nouvel appareil pour l'impression d'informations, marques ou décorations sur des surfaces et plus particulièrement concerne la production de ces dessins ou marques perceptibles pnr l'action d'un faisceau configura d'énergie électromagnétique projet''.
Le terme "impression" employa dans le présent mémoire descriptif comprend la génération de marques perceptibles, sur ou à l'intérieur d'un milieu convenable, dont la détection peut être possible ou discernée par des moyens approprias.
Il existe beaucoup de circonstances où les techniques courantes d'impression ou de marquage sont dans l'impossibilité
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de satisfaire aux demandes existantes. Par exemple, le progrès
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t'''c1nologiQue des dernières années a réalisé des résultats signi-
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ficatifs dans le réduction.de la dimension du produit en dévelop-
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pnnt des composants miniatures et sous-niniptures pour être uti- liRPs dans .les cas où l'espace et le pcids doivent être réduits nu minimum. Toutefois, lorsque la miniaturisation des composants ^'Fa produite elle a créé un problème pour le marcuage, l'tia#- #- ; ,. \p décoration et l'identification de ces composants.
Dans de 0i':reur,es circonstances, les impressions sur ces composants
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ninintures exigent une légende de dimension "micro" qui peut seu-
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1. "o-it, tre observée à travers un dispositif grossissant optique,
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cette exigence n'a pu être satisfaite par la techninue ante-
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-"'''1-:0.
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En plus de cette insuffisance des techniques de micro-
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:w r.E,:;.on, les rectrictions des conditions des procédés l'impres- s-on existantes, à cause de la nécessité d'exercer une pression f '## cont**./; contre la surface à marquer, empêchent l'identifica- 1':'!. n: ; âurîs ees structurlement fragiles et des surfaces qui -:#-. "\".;;r,f- <:'8 ondulations irrégulières ou des contours à des de- -?'#- "i:;.\es.
De t>lus, sans les pratiques d'impression conven- w8 '.#.<", 1".zs;?e d'3 l'encre ou d'autres substances organiques ' ne r?r> 5 une application absolument permanente de l'infor- t,' î.' "s ou décoration sur de nombreuses surfaces si ces surfaces pont. ou"'ises à une sévère exposition à de puissants solvants ,:'Ütr:J (".1":.; ou sont soumises à des périodes prolongées de chauffage, pr- exemple, à une exposition de 1.000 heures dans un milieu à 0 CO'1mr' il est deJ'T1;'.ndé à certains composants 61ectronioues.
I lu3 Arc l'impression conventionnelle, les techniques de marr.
'"##p ç existantes comprennent des gravures chimique? ou des abra- sion8 ?can;u'3s ;ceb5-ci toutefois, tout en' étant permanentes ne vw. produire une légende ou décoration de dimension "micro"*
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L'état de le technicue courantepour le production des marques d'identification ou des légendes décoratives sur des sur- faces est généralement limité à queloues formes comme suit : (1) le dépôt d'un modèle ou dessin de substance fluide (corme l'en- cre) en. une couleur contrastant avec la surface- comme dans les procédés conventionnels d'impression à l'encre, qui comprennent (mais ne sont pas limités à) l'impression directe ou "Offset" à partir de caractères encrés ou au moyen d'un stencil constitué par un écran découpé à la matrice ou produit photographiquement;
(2) enlèvement de matière à partir d'une surface qui conprend la gravure chimique et l'abrasion mécanqiue ;ou (3) déformation de la surface par estampege, emboutissage ou analogue.
Tous ces procédés de marquage connus ainsi que d'autres montrent d'indiscutables avantages et caractéristiques de qualité et d'économie qui peuvent dicter son erploi dnns des applications particulières. Toutefois, à mesure que la dimension de maroue ou légende d'identification diminue, le degré de lp difficulté pour produire cette marque avec une définition suffisaient claire de- vient de plus en plus difficile, même sous des conditions contrô- lées, les techniques connues de marquage et d'identification de surface présentent une limitation de dimensions dons les domaines miniatures 'environ 0,5 cm en hauteur de caractère.
D'autres li- mitations imposées par les techniques d'impression mininture exis- tantes consistent dans leur incapacité à produire une légende in- stantanément sèche ou qui soit permanente dans ce domaine de di- mension miniature.
La présente invention surmonte ces limitations en four- nissant un procédé et un appareil pour la micro-impression de mar- ques claires, définitives et permanentes à une échelle réduite net- tement au-delà des possibilités des technirues d'impression con- ventionnelles existantes. En pratique, la dimension de la micro- impression produite par la présente invention est limitée seule- ment par le système optique produisant le faisceau d'énergie con-
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et/ou la surface réceptrice contre laauelle ce faisceau d'énergie est. dirigé.
La présente invention forme des lettres, légendes ou des- cins décoratifs sur des surfaces par des moyens de projection
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der',---.-gîe configurée sur une surface compatible à marquer de façon à altérer cette surface pour que les lettres, légendes ou dessins déc0Ft1fs puissent être vus ou perçus par les sens, Cette im- . pression peut également être produite à l'intérieur d'un ou plu- sieurs plans dans la sous-couche d'une matière convenable.
En termes généraux, l'invention dans son sens le plus peut être expliauée comme suit :
Il a été établi, qu'une projection à haute intensité d'é-
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nf-gie ayant une source de r 'diati0t19 à l'intérieur du spectre optique com:ne, par exemple, le rayon produit par l'amplification de lumière à émission stinulée de rpdiution (c'est-à-dire :
laser) peut (1) être initialement passée à travers une lentille divergen- te en vue d'élargir le rpyon et de ce fait diminuer ou atténuer ron niveau d'énergie ; (2) ensuite être passée à travers un sten- cil approprié duauel elle ressort suivant une configuration pré-
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d ternine d'une telle énergie et (3) ensuite être dirigée à travers une lentille convergente qui réfracte les rayons émergents vers un point focal de l'énergie cohérente résultante, hautement concentrée, selon la. configuration désirée.
Le terme "stencil" utilisé dans cet exposé est destiné à désigner un élément en une
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matière semblable à une feuille portant une legende ou décoration prpd/.tcrint.e dnns laaue3.le le légende ou décorption est transpa- pour la longueur d'onde de l'énergie incidente tandis que
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rs4e de la feuille lui est opaque, ou, alternativement dans laquelle légende ou décoration particulière est opaque pour la
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lor'"umur d'onde de l'énergie incidente tandis que le reste de la ###nllie lui est transparent.
A cause des hauts niveaux d'énergie concentrés dans le ryon convergent, une surface absorbant la radiation est autre-
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ment sensible, lorsqu'elle est couple par ces rayons convergents, ces incidents et configurés, peuvent être physiquement ou chimi- quement changés en un dessin correspondant à celui du stencil. La nature de changement de surface contrôlée dépend du niveau d'éner- gie du rayon convergent à son plan d'intersection avec la surface à imprimer, le type de la' surface réceptrice et la durée de l'ex- position.
Le changement résultant peut vprier d'une vaporisation complète de la surface à une conversion chimique ou .physique de .la surface ; c'est-à-dire, il peut y avoir une destruction complète de la surface ou purement et simplement un changement non destruc- teur qui peut être soit visible soit latent. Mais dans tcus les cas, le changement est toujours dans le dessin configuré du sten- cil ou légende employé comme dans le stade 2) ci-dessus et d'une dimension déterminée par le diamètre de la section efficace du rayon convergent à son plan à l'incidence avec la surface à im- primer.
Les buts de l'invention sont : de fournir un procédé et un appareil : - pour imprimer des légendes prédéterminées sur des sur- faces choisies par un faisceau d'énergie configuré et contrôla du spectre optique, - pour effectuer une impression sur une surface, ou sur un plan intermédiaire au niveau d'une surface sous-jacente d'un objet sans contact physique avec la surface ou sous-surface à im- primer, - pour la micro-impression sur une surface ou sous-sur- face d'une couche selon un dessin ou légende choisi au moyen d'un faisceau contrôlé et configuré d'énergie où la légende ou maroue d'identification résultante est imprimée sous une dimension rédui- te,
la réduction de la dimension atteinte ayant une limitation pra- tiaue déterminée seulement par le système optioue ou autre système' de perception nécessaire pour observer le résultat imprimé,
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- pour produire une impression sur des surfaces structu"
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rarement fragiles qui ne peuvent pas résister aux pressions'de transfert de l'image qui sont nécessaires dans les systèmes d'im- cession classiques, - pour effectuer une impression simultanée ou successive, avec une définition claire sur des surfaces ondulées irrégulières de hauteurs respectives changeantes.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente in-
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vention rewQrt1ront de la description qui va suivre, faite en .regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif, mais nul- lement limitatif plusieurs formes de réalisation conforme à l'in- vont.ion.
Sur cesdessins :
Lp figure 1 représente schématiquement une première réa- lisation de l'appareil pour la mise en pratique de cette invention.
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La figure 2 est une vue schéma tlaue agrandie de la sour- ce d'énergie avec les éléments de réduction, de stencil et de gros- sassement %t représente une seconde réalisation pratique de l'ap- pareil.
Bien due l'invention puisse être réalisée en ayant re- cours à diverses sources d'énergie à partir du spectre optique,
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-]nY: 1(' but de décrire commodément les deux formes de réalisa- tison, on expliauera les détails de l'invention, en utilisant un laser comme source d'énergie, le terme "laser" étant le sigle de: "amplification de lumière par émission stimulée de radiation".
Le rayon de la radiation produite par les lasers est la plus in-
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t-use forme d'énergie contrôlée développée à ce jour. Quoiqu'il r isse être suffisamment puissant pour vaporiser n'importe qu'elle ' substance connue, le rayon laser peut être commandé pour permet- tre de nombreuses applications utiles, parmi lesquelles l'impres-
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""#on et le marquage sans pression ni contact, en particulier en #ractsres de taille microscopique comme exposé dans le présent ivoire descriptif. Le spectre optique est considéré comme étant
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composé des spectres ultra-violet, visible et infra-rouge et, en conséquence il possède des caractéristiques qui peuvent être com- mandées et influencées par des systèmes optioues conventionnels.
Un laser peut être défini cf'une façon générale corme étant un dispositif qui convertit une certaine forme d'énergie en 'un rayon de radiation extrêmement intense et étroit.
Pour mieux comprendre la présente invention, on se re- portera d'abord à la forme de réalisation selon la figure 2 qu'il- lustre schématiquement les moyens 'de produire un modèle configuré hautement concentré d'énergie radiante pour effectuer une impres- sion directe sur des surfaces matérielles comme représenté sur cette figure, on a montré en relation coaxiale espacée un laser pulsé à rubis 10, une lentille divergente 11, un stencil 12 por- tant la légende M, et une lentille convergente 13.
Lorsque le laser 10 est excisé, il produit unéémission pulsée monodirectionnelle d'énergie radiante cohérente sous forme d'un intense et étroit rayon, qui dans la forme de réalisation re- présentée est de l'ordre de 0,6 cm de diamètre. Ce rayon d'énergie peut être réfléchi ou envoyé à travers n'importe ouel milieu trans- mettant la lumière (lentilles optiques) sans dégradation. C'est seulement quand ce rayon frappe sa première surface non réflectrice, absorbant les radiations, oue cette énergie radiante ' convertit en chaleur.
Le "milieu transmettantla lumière" auquel on fait al- lusion n'est pas limité à un milieu passant la lumière visible seu- lement mais comprend un milieu qui est transparent rour une source d'énergie d'une longueur d'onde quelconque prise dans le spectre optioue. L'expression "transparent" sera employée ci-après doms ce sens.
Lorsque le rayon pulsé émerge de l'extraite de sortie du laser 10, se densité d'énergie non focalisée peut varier d'une fraction de joule par centimètre carré à des niveaux dépassant 1. 000 joules par centimètre carré avec les largeurs de ligne in- férieures à 1 angstrom.
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Avant d'être dirigé contre le stencil 12, ce rayon pulsé de sortie du laser 10 est envoyé à travers une lentille divergente 11 qui pugmente la largeur du rayon, accompagnée de ce'fait par une diminution de la densité d'énergie. Cette réduction du niveau de la densité d'énergie, en contrepartie de l'augmentation de la largeur du rayon, peut être nécessaire pour éviter d'endommager les portions de stencil opaques recevant l'énergie incidente. Ega- lement, la divergence du rayon permet l'emploi d'un plus grand stencil qui, en fait, est plus aisé à fabriquer qu'un petit.
Toute- fois, lorsqu'on choisit une matière de stencil dont la portion opa- que n'est, pas affectée par les niveaux de densité d'énergie du rayon de laper incident non focalisé, on peut se passer dé lentilles pour faire diverger le rayon. Il convient également de noter oue bien que les formes de réalisation illustrées représentent une lentille divergente (négative) pour effectuer l'agrandissement du rayon, il est également possible d'y substituer une lentille convexe (posi- tive) qui produira un rayon divergentdes distances au-delà de son foyr.
Ce rayon d'intensité diminuée est ensuite dirigé contre le stencil 12 et sort de l'autre côté sous la forme configurée "M" comme portée par le stencil, la portion de stencil transparente permettant le passage de l'énergie tandis que la portion opaque ab- sorbe ou réfléchit les bas niveaux d'intensité d'énergie incidente.
Ce rayon d'énergie configuré en "M" émergeant du stencil est ensuite envoyé dans une lentille convexe 13 qui réfracte ces rayons de façon convergente, ce qui réduit la dimension de ladite configuration ou dessin tandis que, en même temps, le niveau d'en- grenage augmente. Le. densité d'énergie dans le rayon convergent augmente proportionnellement à la réduction de la section efficace au rayon.
Par un choix convenable de lentilles et de système opti- que, on peut obtenir tous les rapports désirés entre la dimension du dessin stencil agrandi et la dimension finale du faisceau d'éner- gie configuré. Bien que les réalisations représentées aux figures
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1 et 2 illustrentschématiouement un système simple -le lentilles divergente et convergente, on sait que n'importe quel système à une seule lentille est incapable, de façon inhérente, de grossir et réduire exactement l'image et de tels écarts de l'image réelle par rapport aux prédictions th'orioues sont considérés corme des aberrations.
Ces aberrations ne sont pas causes par une quelcon- que construction défectueuse de la lentille telle ou'un manque de sphéricité exacte de ses surfaces, mais sont simplement des conséquences des lois de réfraction et réflection pur les surfa- ces sphériques. Cependant, en construisant une lentille composa formée par un certain nombre de lentilles particulières, il est pos- sible d'équilibrer les aberrations d'une pnrtie du système par rap- port à celles d'un autre et obtenir ainsi un résultat oui soit moins nuisible pour les objectifs désiras. Evidemment, plus la qualité optique du système à lentille est bonne, plus la défini- tion de la légende sera bonne.
Le modèle d'énergie radiante ve- nant de la lentille convergente 13 transporte une densité d'éner- gie de niveaux destructeurs et peut maintenant être utilisé de dif- férentes façons pour mener à bonne fin l'impression désirée com- me il sera exposé ci-après.
Revemnt à la forme de réalisation illustrée à la fi- gure 1, on a représenta un mécanisme ancreur 20 et un système d'in- tensité d'énergie commandée 30 mont° sur une courroie de trans- mission 40 continuellement en mouvement, transportant des articles 41.
Le mécanisme encreur 20 comporte un réservoir à encre classique 21 avec des rouleaux encreurs 22a, 22b, 22c. Le systè- me d'intensité d'énergie commandée 30 comporte les lments il- lustrés schématiquement sur la figure 2, c'est-à-dire une source d'énergie laser 10, une lentille divergente 11 un stencil 12 por- tant une légende M et une lentille convergente 13.
A mesure que les articles 41 sont transportas sous les rouleaux à encre 22c, une couche fluide d'encre y est déposée.
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rl'ÇI\1.C article .1 une fois encré est ensuite porté successivement fous le système à intensité d'énergie commandée 30 où une pulsa- tion P fortement excitée, configurée selon le dessin "M" du sten- cil 12 frappe la surface encrée de 1''article 41. Cette pulsation cohérente d'énergie radiante transporte une énergie suffisante pour ou'une simple oulsation conformée par le modèle frappant la couche d'encre fluide vaporise complètement et presque instantané- ment l'encra selon la forme "M" désirée,
exposant ainsi la couche Intérieurs de l'article 41 au-dessous du film d'encre selon la
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l'p-nde "H". Evidemment, la couche sous-jacente devra être d'une oulnnr différente de celle de l'encre en vue de produire une im- rn:r nn visible. On doit remarquer que dans le forme de réalisa- tion illustrée, la partie transparente du stencil porte la légende
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nu!11 f' qui laisse passer un faisceau d'énergie selon cette con- f'i :",ur1.tlort- Les portions opaques et transparentes du stencil 12 pourraient aussi bien avoir été interverties auquel cas le faisceau 'nerie projeta frappant la surface encrée vaporiserait une sur- f--25 forre ondant à la largeur du rayon en laissant seulement une i ',,fn4,r, vn^.re ntfii.
Etant dcnné que la durée de la pulsation ex- o't'e P est extrêmement courte, approximativement 0,5 milliseconde, JL. c.at=e^;:nt ?7tWl de l'article 41 à mesure qu'il se déplace sur une courroie de transmission continuellement en mouvement 40 nen ons d'effet perceptible sur le dessin ou impression résultant for"1/- sur la surface de l'article.
On notera également que bien nue les deux réalisations a=-:A v..-. mentionnent une durée de pulsation dé 0,5 milliseconde cette dure peut être variée pour satisfaire les conditions de densité d'énergie pour n'importe quelle application particulière.
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Un: "mission d'énergie de plus grande intensité permet une durée de rulsation plus courte que ne le permet une émission d'énergie de -'oindre nerie pour réaliser le même travail.
Les investigations de la demanderesse ont montré que
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touws .-brntion perpendiculaire à l'axe longitudinal du modèle
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d'énergie convergente n'affecte pas défavorablement la clarté de l'image incidente sur l'article à imprimer parce ou'une bonne pro- fondeur de foyer peut être obtenue avec un système -le lentille ap- proprié.
La couche d'encre fluide restant après l'exposition au rayon laser sèche ensuite à l'air ou peut être séchée d'une manière conventionnelle comme pour les autres procédés d'impression.
Outre l'impression par vaporisation, selon une configu- ration prescrite au moyen d'encre fluide, humide cornue représenté par l'appareil de la figure 1, la réalisation de la figure 2 a été appliquée avec succès pour effectuer une impression directement.
'sur diverses surfaces, comme, par exemple, sur'des métaux, par va- lorisation commandée de la surface métallique elle-même selon une configuration désirée ; pour vaporise: un revêtement de surfade per- manent tel au'un revêtement d'oxyde naturel ou plaoué; pour brûler purement et simplement la surface d'un objet pour y faire apparat- tre une légende, par exemple sur du papier ou sur du bois; fondre et faire adhérer une poudre thermoplastique sur la surface d'un article selon la forme de l'image désirée; fondre une poudre cé- ramiaue selon une forme configurée sur une surface; et faire un alliage d'un dépôt métalliaue avec le métal de base d'une surface à Imprimer.
Des expériences ont également montré la pénibilité d'sp- pliquer les techniques exposées ci-dessusà la formation de cavités à configuration commandées à l'intérieur d'un métal transparent possédant des propriétés d'absorption de radiation.
Par exemple, un bloc de matière plastique transparents comme du méthacrylate de méthyle portant une couche ou une dispersion d'une mntière à den- site variable absorbant les radiations, telle que du noir de car- bone quand il est soumisà un faisceau d'énergie commandé et con- figura engendre une cavité présentant une coupe latrie corres- pondant quantil la forme à la configuration du faisceau d'nercie
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Ce résultat peut être expliqué par le fait nue lorsque
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1-",-ler-,ie transmise à travers le bloc frappe la substance absor- bans la radiation,
la température excèdara la température de va- irisation de cette matière et celle-ci est vaporisée. Ce change-
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#-.. oe phase engendre des pressions gazeuses qui déforment le mi- lieu plastique suivant une forme de section transversale corres- pondant au faisceau d'énergie, et sur une profondeur déterminée.
Il est maintenant manifeste que la présente invention est composée de trois variables de base, à savoir, la source d'éner- gie, le système de stencil optique, et la substance réceptrice,
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c?est-à-dire la substance à changer pour produire le dessin visi- . désiré.
OuQimue les formes de réalisation décrites exposent cha- cune une source d'énergie laser, la demanderesse applique d'autres former, de source rayonnante choisies dans le spectre optique,
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co I"P. par exemple, un arc au carbone, un arc au zirconium, une ....7';' < éclair nu xénon, une lumière infra-rouge, et trouve que rr>"- -in puisés provenant de ces sources d'énergie et frappant .. r ..¯teurs surface sensible appropriée produisent des ré- svltrïr- prévisibles.
En choisissant une source d'énergie particulière des
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*#?,)#> ï< \':' tels que le pouvoir radiant, le cycle de répétition, le 1,.' "exposition, 1p dimension de l'image thermique à produire, lu n.'lifi1 du milieu récepteur et le coût de l'installation doi- ven^. '.: .." r't oris en considération. Evidemment un récepteur comme ' Tf 'tf! w1JJde une haute température de vaporisation et 11 de- #"."1,' '##' une piu-î çrpnde énergie pour changer sa surface qu'une sub- .
##>r\rr> n''-nt une plus basse température de vapor1sAt1on.
Le 5yntùme h stencil opticue comporte des limitations en ni" 'lui concr:rnfa le degr de résolution de l'image et le degré de f'\ #f'-.M.'v ot etc(- choisi en tenant compte des considérations #'"j'Tr.n L (1) 1a dimension et en connénuence les cnract4r1st1- ques de 'effraction (2) lE! tolérance de densité d'énergie de chacun
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des éléments optinùe et de stencil pour éviter tout dommage d'or- dre thermique, (3) le degré de grossissaient ou de dégrossissement qui est dicte par le rapport de la dimension entre le stencil et ' la légende imprimée résultante, (4) les caractéristiques spectra- les de la source d'énergie,
par exemple une source Mettant une énergie à très haute proportion d'ultra- violet demanderait l'em- ploi d'optiques spéciales de telle sorte que la radiation émise serait transmise entravera les lentilles et non absorbée par elles.
En ce Qui concerne la surface réceptrice., les considé- rations d'absorption la température de vaporisation, les chaleurs ; latentes associées à la vaporisation, les caractéristiques de chan- gement de couleur, -ou tout autre action voulue, sont des facteurs importants.
En ce qui concerne les propriétés de changement de cou- leur, des encres peuvent être composées de telle sorte que quand elles- seront exposées au niveau de seuil d'une longueur d'onde* particulière du spectre optiaue, leur couleur sera Modifiée de façon permanente. Donc, une surface revêtue d'une telle encre, quand elle reçoit un faisceau,configura et pulsé d'énergie d'intensité suf- fisante., change sa'couleur selon la configuration voulue.
Des essais employant les techninues exposées ci-inclus ont produit des résultats uniformément remarquable)! en produisant des légendes et des maroues d'identification très lisibles avec . des lettres ou des -chiffres inférieurs à 25 microns de hauteur, - en utilisant le système à encre décrit et sur d'autres récepteurs choisis pour leur compatibilité avec la source d'énergie et les systèmes optioues.
Il va de soi que la présente invention n'a été décrite ci-dessus qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et oue l'on pourra y apporter toutes variantes sans sortir de son cadre.