CN104024921B - 具有减小的厚度的任选地可转移光学系统 - Google Patents

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Abstract

提供具有减小的厚度的任选地可转移光学系统。本发明的光学系统基本上是由合成影像呈现系统构成，其中结构化影像图标的一种或多种排列大致上与聚焦元件的一种或多种排列接触但不完全地嵌入其中。聚焦元件与影像图标排列相互配合以形成至少一个合成影像。通过本发明，消除了对提供在聚焦元件与它们的相关影像图标之间的必需焦距的光学间隔物的需要。因此，减小总系统厚度，使其能够适于用作表面应用的认证系统并提高抗干扰性。

Description

具有减小的厚度的任选地可转移光学系统
相关申请
本申请要求2011年8月19日提交的美国临时专利申请序列号61/525,239的优先权，其以援引的方式并入本文中。
技术领域
本发明主要涉及用于呈现一个或多个合成影像的改进系统，更具体地涉及具有减小的厚度的任选地可转移光学系统。
背景技术
如在例如授予Steenblik等人的美国专利号7,333,268中详细描述的，微光学材料的聚焦元件的焦距决定了聚焦元件与影像图标阵列的光学分离。换句话说，这些微光学材料的阵列位于光学间隔物(optical spacer)的任一侧，以便使各聚焦元件的焦点与其相关的影像图标对齐。当焦点位于影像图标阵列上或内部时，合成影像处于锐聚焦状态。然而，当焦点位于影像图标阵列的上方或下方时，合成影像是模糊且离焦的。
通过本发明，消除了对用于提供聚焦元件与它们的相关影像图标之间必需焦距的光学间隔物(即，柔性的透明聚合物薄膜样材料)的需要。结果，减小了总系统厚度，使该系统能够适合于用作表面应用认证系统，并且提高抗干扰性。
更具体地，本发明提供具有减小的厚度的任选地可转移光学系统，其基本上包含由结构化影像图标的一种或多种排列所组成的合成影像呈现系统，所述结构化影像图标的一种或多种排列基本上与聚焦元件的一种或多种排列接触但不完全地嵌入其内部，其中影像图标的一种或多种排列与聚焦元件的一种或多种排列相互配合以形成影像图标的至少部分的至少一个合成影像，其中聚焦元件的一种或多种排列中的聚焦元件之间的间隙空间并不有助于至少一个合成影像的形成。
本文中使用的短语“基本上接触”意图表示聚焦元件的顶部或底部(例如，顶点或基部)基本上与影像图标接触或触及。
预期用于本发明的聚焦元件包括折射元件、反射(例如，凹形反射、凸形反射)元件、混合的折射/反射元件、和衍射式聚焦元件。此类聚焦元件的实例描述于授予Steenblik等人的美国专利号7,333,268、授予Steenblik等人的美国专利号7,468,842、和授予Steenblik等人的美国专利号7,738,175中，其通过援引全文并入本文中，如同在本文中全部阐述。对于总厚度小于约50微米的系统而言，本发明微观尺度系统中所使用的排列中的聚焦元件之间的间隙空间通常为大约5微米或以下，而本发明宏观尺度系统中的间隙空间通常较大；对于总厚度小于或等于1厘米的系统而言，间隙空间优选为约5毫米或以下。应注意的是，反射式聚焦元件反射入射光并且可被金属化以获得高聚焦效率。对于金属化，凹形反射或凸形反射装置的透镜结构的外面可具有反射性金属层(例如，蒸气沉积金属层)。可以提供半透明(或部分金属化)的金属层或高折射率层，来代替完全不透明的反射性金属层。此外，多层的蒸气沉积材料可用于提供反射性，例如由介电层所组成的、或者由金属层与介电层的组合(诸如金属层/介电层/金属层)所组成的色移干涉涂层也可提供必需的反射性。
预期用于本发明的影像图标是结构化的影像图标(即，具有物理浮雕的影像图标)。在一个示例性实施方式中，影像图标是任选地经涂覆和/或经填充的空隙或凹缝(例如，在基本平面结构中的空隙，这些空隙任选地被另一种材料填充或涂覆)，而在另一个示例性实施方式中，这些影像图标是由凸起区域或成型柱（shaped post）(例如，在基本上的平面结构中的凸起区域)形成。结构化影像图标的实例也描述于授予Steenblik等人的美国专利号7,333,268、授予Steenblik等人的美国专利号7,468,842、和授予Steenblik等人的美国专利号7,738,175中。
意外地且相当出人意料地，本发明人已发现通过调整本发明系统中聚焦元件的焦距可以消除对光学间隔物的需要。已发现各排列的影像图标可在不需要光学间隔物的情况下与各排列的聚焦元件的焦深相交，从而形成能够呈现至少一个合成影像的更薄、更流线型的系统。此外，如将在下面更详细地说明，本发明人也已发现当采用某些聚焦元件设计时，可以将本发明系统转移到不具有构成被转移系统的任何部分的基膜或载体基材的有价值文件或产品上。这两个发现导致了横截面厚度减小、适合于作为表面应用安全性特征、且层间分层危险性降低的合成影像呈现系统。
通过本发明所实现的其它益处包括：抗干扰性得到提高、以及具有改善的对比度和清晰度的投影影像。正如将容易地理解的，在聚焦元件和影像图标之间缺乏牢固光学间隔物的光学系统，一旦结合则更难以完好地从最终基材中去除。此外，聚焦元件越接近影像图标，投影影像的对比度和清晰度就越高。由于没有在聚焦元件和影像图标之间的光学间隔膜(通常是双轴向取向的光学间隔膜)所增加的额外厚度，因而存在较小的光散射和双折射。由此形成看上去更清晰且具有更大对比度的影像。
如以上所提到的，本发明涵盖各种系统尺寸范围。除了微观尺度系统外，也涵盖宏观尺度系统。这种较大尺度系统可构成整体的或完整的膜结构，或者可以由可替换的影像图标的排列形成。
从下面的详细说明和附图，本发明的其它特征和优点对于本领域普通技术人员而言将是显而易见的。
除非另有规定，本文中使用的所有技术和科学术语具有与本领域普通技术人员通常理解的相同的含义。本文中所提到的所有出版物、专利申请、专利或者其它参考资料的全部内容通过援引并入本文中。在发生矛盾的情况下，将以本说明书(包括定义)为准。另外，本文中的材料、方法和例子仅仅是说明性的而并非意在限制。
附图说明
参照以下附图可以更好地理解本公开。附图中的部件不必按比例绘制，相反重点是放在清楚地说明本公开的原理。
通过参考附图来说明公开的本发明的具体特征，这些附图是以下本发明示例性实施方式的截面侧视图：
图1是折射式光学系统；
图2是可转移折射式光学系统；
图3是凹形反射式光学系统；
图4是凸形反射式光学系统；
图5是可转移凹形反射式光学系统；
图6是采用透射式菲涅耳透镜的衍射光学系统；和
图7是采用反射式菲涅耳透镜的衍射光学系统。
发明详述
现在将结合附图来揭示本发明系统的示例性实施方式。然而，并非意图将本公开局限于本文中所公开的实施方式。相反，意在覆盖所有的替代物、修改和等同物。例如，其它特征或功能(例如授予Steenblik等人的美国专利号7,333,268、授予Steenblik等人的美国专利号7,468,842、和授予Steenblik等人的美国专利号7,738,175中描述的那些)也可包含在本发明系统中。这种其它特征或功能可包括用于获得与其它层的更好的粘合的织构化表面、粘合促进剂等。本发明系统也可包含公开的或不公开的信息，例如可利用传统印刷技术或激光雕刻系统所形成的采用序列号、条形码、影像等形式的用户化或个性化信息。该增加的功能将会允许合成影像与转换信息之间产生相互作用。此外，可以在制造的所有阶段或制造后将信息套印或印刷在各层上。
折射系统的实施方式
在图1中最佳示出的第一示例性实施方式中，本发明系统是折射式光学系统10，其还包含支撑或载体基材12。在该实施方式中，将合成影像呈现系统14制作在载体基材12的一侧上。正如将容易理解地，载体基材12不促成该系统的光学功能。换言之，无论载体基材12是否存在或者是否不透明，合成影像都将呈现。
在此第一示例性实施方式中的合成影像呈现系统14采用折射式聚焦元件16，其各具有焦距使得当在垂直于表面的方向上观察时基本上与其基部接触或接近其基部放置的结构化影像图标18与其焦距深度的一部分相交。通常，这些聚焦元件具有非常低的f数(例如，小于或等于1)以及圆柱形、球形或非球形的表面。
本文中使用的术语“f数”意在表示聚焦元件的焦距(在凸形反射器的情况下实焦距或虚焦距)与其有效透镜直径的比率。
可将合成影像呈现系统14浇注在载体基材12上。构成载体基材12的材料可以是选自塑料、纤维素、复合材料、聚酰胺(例如尼龙6)、聚碳酸酯、聚酯、聚乙烯、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯、聚-1,2-二氯乙烯薄膜或薄片、聚酯薄膜、玻璃纸、纸、碎布/棉、及其组合等。
合成影像呈现系统14的结构化影像图标和聚焦元件的排列可由多种材料利用例如挤出(例如，挤出压印、软性模板压印)、辐射固化浇注、注射成型、反应注射成型、和反应浇注方法形成；所述材料例如是基本上透明或清晰的有色或无色聚合物，例如丙烯酸类树脂、丙烯酸酯化聚酯类、丙烯酸酯化聚氨酯类、环氧化合物、聚碳酸酯类、聚丙烯类、聚酯类、氨基甲酸酯类等。具有大于1.5、1.6、1.7或更大折射率(在589纳米处，20℃)的高折射率有色或无色材料(例如授予Hoffmuller等人的美国专利申请公开US 2010/0109317 A1中所描述)也可用于本发明的实施。
示例性制造方法是在辐射固化液体聚合物(例如，丙烯酸酯化聚氨酯)中形成如空隙的图标，将该液体聚合物从图标模具中浇注在基膜(即，载体基材12)上，例如75号粘合增强的PET膜，然后通过对聚合物图标表面进行凹版样刮片用染色材料着色的亚微米颗粒物填充该图标空隙，然后通过合适方式(例如，溶剂去除、辐射固化、或者化学反应)使填充物固化，然后通过使基膜的图标侧接触用辐射可固化聚合物填充的透镜模具将透镜浇注在经填充的图标上，通过施加紫外(UV)光或其它光化辐射而使聚合物固化。
就所使用的微观尺度系统(例如，固定板条、螺纹、小块、或叠加层的形式)而言：
(a)聚焦元件具有优选的宽度(在圆柱形聚焦元件的情况下)和小于约50微米(更优选地小于约25微米、最优选约5至约15微米)的基部直径(在非圆柱形聚焦元件的情况下)、小于约50微米(更优选地小于约25微米、最优选地约1至约5微米)的优选焦距、和小于或等于1(更优选地小于或等于0.75)的优选f数；
(b)结构化影像图标是任选地经涂覆和/或经填充的空隙或凹缝(各自测量为优选地约50纳米至约8微米的总深度)、或者凸起区域或成型柱(各自测量为优选地约50纳米至约8微米的总高度)；
(c)载体基材具有在约10至约50微米、更优选地约15至约25微米范围内的优选厚度；并且
(d)本发明系统的总厚度优选地为小于约50微米(更优选地小于约45微米、最优选地约10至约40微米)。
在图2中最佳示出的第二示例性实施方式中，本发明系统是可转移折射式光学系统20，其还包含具有微结构的脱模衬里22，该脱模衬里是由载体基材24和“透镜模具”层26组成。图2示出了在施加到纸基材28期间的系统20。可利用技术包括机械、化学、热和光致分离技术将折射式光学系统20(具有一个或多个粘合剂层)作为转移膜转移到另一表面。将期望的部件从载体基材上分离的概念在全息箔转移领域是已知的，由此为具有脱模涂层(即，脱模衬里)的膜提供光学涂层和粘合剂，因此可以通过施加热和压力而将光学涂层和粘合剂转移到最终基材上。该实施方式尤其可用于要求膜具有非常薄的横截面厚度的应用中。
通过本示例性实施方式，本发明人意外发现实际上可以成功地将合成影像呈现光学件与载体膜分离。正如本领域技术人员将容易地理解的，本文中所描述的聚焦元件的波峰和波谷几何形状意味着与较平滑的膜或箔(例如，全息图)相比该光学结构将更加难以从载体膜分离，所述较平滑的膜或箔具有微结构化特征的较小表面积和较低高宽比，从而使它们更易于从载体膜分离。此外，错误的分离操作导致将不均匀的应力施加到被转移的系统上，从而对这些系统投影合成影像的能力造成负面影响。本发明的合成影像呈现光学件依赖于光在被转移结构内部的聚焦，并且所施加应力会导致该结构体积的变形。通过采用本文中描述的技术和光学结构克服这些困难。
再次参照图2，图中显示合成影像呈现系统30经由“透镜模具”层26可分离地连接至脱模衬里22。“透镜模具”层26通常是厚度在3和50微米之间的可固化树脂(例如，丙烯酸酯化聚酯)层，同时载体基材24通常是厚度为15至50微米的UV透射膜(例如，PET膜)。
图中显示任选的加强层32是在合成影像呈现系统30的结构化影像图标的排列上。通过制作具有比载体基材24和“透镜模具”层26更高硬挺度或抗弯曲性的系统30而提升工艺性能。加强层32可由能量可固化丙烯酸酯类制成，并且具有在1和10微米之间的优选厚度。除了或代替加强层32，可将一个或多个密封层涂覆于结构化影像图标的排列上。这种密封层可由能量可固化的丙烯酸酯类(例如，含具有着色性能或加强性能的有机或无机填充剂的能量可固化丙烯酸酯类)、溶剂或水基涂层(例如丙烯酸树脂类、环氧化合物、乙烯-乙酸乙烯酯类(EVAs)、聚氨酯类、聚乙烯醇类(PVAs)等)而制成，并且可具有在1和10微米之间的厚度。
图2中显示粘合剂层34是在加强的系统30上。粘合剂层34可由被选择用来提供这些目标表面之间的粘合的热活化粘合剂(即，热熔或热封粘合剂)、压敏胶、或者任何热固性或热塑性粘合剂系统制成；所述粘合剂包括丙烯酸类树脂、氰基丙烯酸酯类、环氧化合物、聚酰亚胺类、聚氨酯类、聚乙酸乙烯酯类、橡胶、和硅酮类。粘合剂层34优选地是由无粘性的热活化粘合剂制成，并且具有在1和100微米之间的优选厚度。热活化粘合剂的常用活化温度可在大约70至大约170℃的范围内，而就压力活化粘合剂而言，无需额外的加热来活化粘合剂。
制造本发明的可转移折射式光学系统的示例性方法包括：
形成具有微结构的脱模衬里，该脱模衬里包含粘附到载体膜(例如，UV透射载体膜)的“透镜模具”层，其中“透镜模具”层是由具有多个负透镜几何形状的空隙的可固化树脂制成，所述负透镜几何形状是通过UV固化树脂在具有正透镜几何形状(即，正透镜模具)的刚性表面上制成；和
通过如下将可转移折射式光学系统形成于具有微结构的脱模衬里的“透镜模具”层上：
将具有微结构的脱模衬里的“透镜模具”层置于刚性图标模具上，同时用光学功能性UV可固化液体聚合物(例如，丙烯酸酯化聚酯)填充“透镜模具”层和刚性图标模具这两者中的多个空隙，用轧辊施加压力以去除过量的液体聚合物，同时使液体聚合物暴露于UV辐射，使得UV可固化聚合物固化或硬化并且可以从图标模具中提起。正如将由本领域技术人员容易理解的，光学功能性聚合物必须对脱模衬里的“透镜模具”层具有充分的粘附性，以便使该材料在“透镜模具”层和刚性图标模具之间固化后并从图标模具中提起的提起过程中保存下来；
用提供与光学功能性聚合物(例如，UV可固化柔性版印刷油墨)的对比度的材料填充多个影像图标，以形成经填充的影像图标层；
任选地将密封层、加强层、着色或染色层、遮光层中的一个或多个或者其组合施加到经填充的影像图标层上；和
将一个或多个的粘合剂层(例如，无粘性的热活化粘合剂层)施加到任选地密封的、加强的、着色/染色的、和/或不透明的、经填充的影像图标层上。
一旦制备完成，可以像传统的转印箔那样对可转移折射式光学系统20进行处理，即，可以将材料缠绕到滚筒上并从滚筒中展开，并且进一步通过保密印刷和包装行业中常用的转换方法转换成合适的最终形状，例如小片、螺纹、或薄片。为了从脱模衬里22中转移出合成影像呈现系统30，将系统20的粘合剂侧放置成与期望的最终基材(例如，纸基材28)接触。施加热和/或压力引起粘合剂层34中的粘合剂牢固地粘合至基材28。然后，将具有“透镜模具”层26的脱模衬里22剥离，在后面留下期望的合成影像呈现系统30。
正如基于以上描述将容易地理解的，为了利用该技术来实施可靠的分离，必须以如下方式控制相对结合强度：
最强的结合强度：
粘合剂层34与纸基材28的结合强度
“透镜模具”层26与载体基材24的结合强度
中等的结合强度：
固化的光功能性聚合物与正透镜模具的结合强度
最弱的结合强度：
固化的光学功能性聚合物与刚性图标模具的结合强度。
虽然结合强度根据工艺条件和最终产品要求可以是较高或较低，但必须以前述方式维持相对界面结合强度。例如，如果固化的光学功能性聚合物与刚性图标模具非常强地结合，那么这就设置了最小结合强度值，据此必须将所有的其它结合调整得更高。
反射系统的实施方式
在图3中最佳示出的第三示例性实施方式中，本发明系统是还包含支撑或载体基材38的凹形反射式光学系统36。在本实施方式中，合成影像呈现系统40被制作在载体基材38的一侧上。
本示例性实施方式中的合成影像呈现系统40采用凹形反射式聚焦元件42，其各自具有焦距使得当在垂直于表面的方向上观察时与其峰点或最高点基本上接触或接近的结构化影像图标44与其焦距深度的一部分相交。用反光材料涂覆这些反射式聚焦元件，以获得高聚焦效率。例如，可用反光材料(例如铝、铬、铜、金、镍、银、不锈钢、锡、钛、硫化锌、氟化镁、二氧化钛、或者提供期望水平反射率的其它材料)共形地涂覆这些聚焦元件。可利用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、或者其它的合适方法，以施用在大约50纳米至大约2微米范围内的厚度的此反光材料。然后可以涂覆保护涂料以保护反光层。保护涂层可由能量可固化丙烯酸酯类(例如，含具有着色性能或加强性能的有机或无机填充剂的能量可固化丙烯酸酯类)、溶剂或水基涂料(诸如丙烯酸类树脂、环氧化合物、EVA类、聚氨酯类、PVA类等)所制备，并且以在大约1至大约10微米范围内的厚度涂覆。
通常，这些聚焦元件具有非常低(优选小于大约1、更优选在大约0.25和大约0.50之间)的f数，以及圆柱形、球形或非球形的表面。如上所述，f数表示聚焦元件的焦距与其有效透镜直径的比率。就球形的凹形反射器而言，焦距等于曲率半径除以2。
就具有大于约1的f数的反射式聚焦元件而言，在不使用光学间隔物的情况下所需以聚焦在影像图标层上的光学分离过大，因而不实用。对于小于约0.25的f数的反射式聚焦元件，反射器的焦点将位于反射器的内部(即，在以反射器的顶部和凹部为界限的区域内)且将是离焦的，并且影像图标层形成于其基部。因此，对于本发明系统在不使用光学间隔物呈现聚焦合成影像，约1和约0.25之间的f数是优选的。
在结构化影像图标和聚焦元件的形成期间使用能量可固化聚合物通过浇注方法并从微结构化模具中分离将合成影像呈现系统40形成于载体基材38上。合适的载体基材包括在第一示例性实施方式中描述的载体基材。类似地，合成影像呈现系统40的结构化影像图标的排列和聚焦元件可以由在上面第一示例性实施方式中确定的材料形成。
微观尺度系统的优选尺寸也与第一示例性实施方式中确定的尺寸相同。就例如用于标示或者采用机动车辆贴花或包装物形式的宏观尺度系统而言：
(a)聚焦元件具有约1至约10毫米(mm)的优选宽度/基部直径，包括（但不限于）约250微米至约1 mm和约50至约250微米的宽度/基部直径，在约25微米至约5 mm(更优选约250微米至约1 mm)的优选焦距，和小于或等于约1(更优选地小于或等于约0.5)的优选f数；
(b)结构化影像图标是任选地经涂覆和/或经填充的空隙或凹缝(各自具有测量为优选地约5厘米(cm)至约1微米的总深度)、或者凸起区域或成型柱各自测量为具有优选约5cm至约1微米的总高度)；
(c)载体基材具有在约25微米至约5 mm、更优选地约250微米至约1 mm的优选厚度；和
(d)本发明的折射式光学系统的总厚度优选地小于或等于约1 cm，包括但不限于约250微米至约1 cm、约50至约250微米、以及小于约50微米的厚度。
本发明所涉及的宏观尺度反射式光学系统可采用使用常规印刷技术(例如，传统的喷墨打印或激光印刷)形成的影像图标。这些系统是由一种或多种反射式聚焦元件(例如，凹形反射、凸形反射、反射衍射)的排列组成，这些聚焦元件具有如上所述的尺寸(例如，在约1至约10毫米的宽度/基部直径)、以及基本上与聚焦元件的一种或多种排列接触但不完全嵌入其中的印刷的影像图标。所述印刷的影像图标具有小于或等于约1毫米的线宽度。正如将由本领域技术人员容易地理解的，当采用较细的线宽度时，更详细的设计可应用于由这些相对大的聚焦元件所提供的设计空间中。
在图4中最佳示出的第四示例性实施方式中，本发明系统是还包含支撑或载体基材48的凸形反射式光学系统46。各凸形反射式聚焦元件50的表面朝向观察者“凸出”。这些聚焦元件是“发亮的”，亦即当被远处的光源照明时亮光点52出现在表面上。该亮光点52被称为“反射高光”。
当对具有位于凸形反射式聚焦元件上方的影像图标的系统46进行观察时，观察者将看到这些反射高光被影像图标阻挡，或者它们不被影像图标阻挡。换句话说，该凸形反射式聚焦元件的排列50当与结构化影像图标的排列54连接时将形成被阻挡或不被阻挡的反射高光的图案。该图案形成合成影像。
通常，这些聚焦元件也具有非常低的f数和球形或非球形的表面，所述f数优选地小于约1、更优选地在约0.25和约0.50之间。
除了利用本文中(以及在授予Steenblik等人的美国专利第7,333,268号、授予Steenblik等人的美国专利第7,468,842、和授予Steenblik等人的美国专利第7,738,175号中)描述的方法制作的聚焦元件外，凸形或凹形类型的宏观尺度反射式聚焦元件也可形成独立的分立结构，或者可以通过从这些分立结构中进行浇注而形成。例如，可以将金属滚珠轴承集合在一起以形成在平直表面上的有规则的紧密组装（pack）的排列，形成凸形反射器的排列。通过将透明膜置于滚珠轴承排列的顶部，具有在其表面上有相同组装（packing）排列的影像图标的排列的透明膜，影像图标的排列具有与滚珠轴承配置的节距成比例的节距，那么可以形成宏观尺度的合成影像呈现系统。
这种凸形反射器的系统可用于显示器或广告牌的安装，在这种情况下滚珠轴承(例如，直径为3.18mm的高度抛光不锈钢)将会通过例如环氧化合物或者永久焊接而永久地粘接到刚性的平的背衬面。在此类型的安装中，可以通过传统的喷墨或激光印刷(例如，利用大幅面喷墨广告牌印刷设备)将影像图标印刷到合适的透明的、可印刷膜或塑料薄片(例如，大尺寸透明广告牌乙烯树脂)上并覆盖在滚珠轴承上，并且使印刷侧面对滚珠轴承排列。可利用框架将经印刷的排列固定在滚珠轴承上，或者用半永久性粘合剂覆盖该印刷然后粘附至滚珠轴承。然后，可以根据需要去除印刷的叠加层并且用新的图形代替，如典型的传统广告牌安装。
为了减小在最终显示器中使用分立反射元件的成本和重量，可选的方法是首先如上所述形成分立凸形反射元件的永久排列。然后可以通过用环氧化物或脱模剂将该排列的间隙空间填充到期望水平而调整焦距，随后由此排列浇注聚合物复制体。通过采用宏观尺度模具成型领域中已知的技术(例如，真空成型、热成型、树脂浇注等)，可以形成具有凹透镜几何形状的刚性薄片并将其从永久模具中取出。一旦被取出，则可用反光涂料使刚性薄片金属化(例如，通过物理气相沉积、溶液沉积、电镀等)，然后随时以凹形反射合成影像呈现系统的形式进行安装。通过将经印刷的图形排列(如上所述)放置成与反射器的排列接触，可以形成合成影像，形成大幅面显示系统。
必要时，可以根据要求的观察距离来修改这些配置的尺寸。例如，大约90米的观察距离估计需要约8 mm至约1 cm的单个反射器直径。
类似于前述的系统实施方式，可将合成影像呈现系统56浇注在载体基材48上，并且所使用材料和系统尺寸与第三示例性实施方式中所确定的相同。
在图5中最佳示出的第五示例性实施方式中，本发明系统是可转移凹形反射式光学系统58，其还包含在其它层中的由载体基材62和脱模涂层64组成的脱模衬里60。虽然图5涉及可转移凹形反射式光学系统，但上述凸形反射式光学系统也是可转移的。
图5示出了在施加到纸基材66期间的系统58，其中合成影像呈现系统68可分离地连接到脱模衬里60。通常，脱模涂层64是以1和10微米之间的厚度施加的功能性脱模涂层，其能够在环境条件下结合然后在转移时利用机械、化学、热和光致分离技术将其分离。例如，当期望热和压力活化的分离时，载体基材62(例如，具有在15和50微米之间厚度的UV透射的PET膜层)将会包含在环境温度下具有良好粘合性但在层压时施加热和压力(例如桌面文件层合机或者在连续幅材处理中施加热和压力的工业贴膜机(industrial foilingmachine))会软化和分离的涂层。合适的功能性脱模涂料的实例包括但不限于低表面能材料，例如聚乙烯、聚丙烯、硅酮、或烃蜡类。压敏粘合剂也是合适的，其结合强度在升高的温度下相当大地减弱，压敏粘合剂是用增粘树脂和具有适当玻璃化转变温度(Tg)的单体配制，用于提供在期望温度下的脱模。
图中显示反射层(例如，蒸气沉积金属层)70、任选的保护涂层72、和粘合剂层74是在聚焦元件的排列76上。反射层是用铝、铬、铜、金、镍、银、不锈钢、锡、钛、硫化锌、氟化镁、二氧化钛、或者提供期望水平的反射率的其它材料所制备的共形涂覆反射层。可利用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、或者其它合适方法，以约50纳米至约2微米的厚度施加该层。用来保护反射层的任选的保护涂层72可由能量可固化丙烯酸酯类(例如，含具有着色性能或补强性能的有机或无机填充剂的能量可固化的丙烯酸酯类)、溶剂基或水基涂料(例如丙烯酸类树脂、环氧化合物、EVA类、聚氨酯类、PVA类等)而制备，并且以约1至约10微米的厚度施加；同时粘合剂层可由被选择用来提供在这些目标表面之间的结合的热活化粘合剂(即，热熔或热封粘合剂)、压敏粘合剂、或者任何热固性或热塑性粘合剂系统(包括丙烯酸类树脂、氰基丙烯酸酯类、环氧化合物、聚酰亚胺类、聚氨酯类、聚乙酸乙烯酯类、橡胶、和硅酮类)而制备，优选地由无粘性的热活化粘合剂(例如，水基聚氨酯)制备，并且以约1至约10微米的厚度施用。
制造本发明的可转移反射式光学系统的示例性方法包括：
将可固化树脂材料施加至脱膜衬里(例如，具有功能性脱模涂层的平滑的或非结构化的载体基材)的表面，并且使该表面固化于刚性图标模具上，以形成采用在可固化树脂材料表面内部的空隙形式的影像图标的一种排列或多种排列；
用提供与可固化树脂材料有对比度的材料填充所述空隙，以形成经填充的影像图标层；
将可固化树脂材料施加至经填充的影像图标层的表面，使该树脂固化于具有负透镜几何形状(即，负透镜模具)的刚性表面，从而在可固化树脂材料的表面上形成聚焦元件的一种或多种排列；
将金属或其它反光材料的共形涂层施加到聚焦元件上，以形成反射式聚焦元件的一种或多种排列；任选地，
将一个或多个的保护涂层施加到反射式聚焦元件的一种或多种排列上；和
将一个或多个的粘合剂层(例如，无粘性的热活化粘合剂层)施加到一种或多种任选地经保护性涂覆的反射式聚焦元件的排列上。
可以通过如传统转移膜的方式对所形成的膜样结构进行处理/转换/转移。换言之，可使该结构与目标基材(例如，钞票纸、ID文档、或者产品包装)接触，并且在施加热和压力时可以将脱模衬里完全剥离，在最终基材上只留下合成影像呈现系统。
在用于将本发明系统转移到目标基材的连续转移法的实例中，使用从LeonardKurz Stiftung & Co.KG可获得的热冲压成形机(型号MHA 840)。在此方法中，将多达六膜样结构形式的系统置于在基纸上的(在横向方向(CD)上)的记录器中，热冲压成形机上的计数轮向该膜样结构施加压力(550牛顿(N)/轮)，由此使无粘性热活化粘合剂层活化。然后使脱模衬里与底层结构分离并重新卷绕在普通的圆柱体上。典型的机器设置为：速度(100-120米/分钟)、温度(135-160℃)。
一般来说，为了将反射系统可靠地转移到最终基材(例如，纸)上，基材与反射系统之间的粘合结合强度必须大于将反射系统保持到脱模衬里的结合强度。这种配置的典型结合强度可以在10至100牛顿每平方英寸(N/in2)的(反射系统与基材之间的结合)、以及在0.1至10 N/in2 (反射系统与脱模衬里之间的结合)。
衍射式系统的实施方式
在第六示例性实施方式中，本发明系统是任选地可转移衍射式光学系统。衍射式聚焦元件也提供入射光的会聚，利用这些聚焦元件所制作的系统比具有类似f数的上述折射和反射系统更薄，衍射光学系统的总厚度是约3至约50微米(优选地约5至约10微米)。
本发明衍射光学系统使用在上述折射和反射系统中使用的聚焦元件确认的相同材料制作的衍射式聚焦元件。这些衍射式聚焦元件具有小于约100微米(更优选地小于约75微米、最优选地约15至约50微米)的优选宽度/基部直径。
这些衍射式聚焦元件是选自衍射菲涅耳透镜、菲涅耳波带片透镜、和折射/衍射混合透镜、及其组合。在一个示例性实施方式中，使用衍射菲涅耳透镜，每个这种透镜具有一系列具有共同的焦点的同心的圆环。这些同心环位于共同的平面中，使得与具有相似f数的折射透镜相比各透镜是非常平坦的。这些连续的环可具有连续曲率以便获得最大效率，或者可以利用任何数量的步骤或相水平来近似该曲率。最简单的衍射式菲涅耳透镜近似化仅具有2个步骤并且被称为菲涅耳波带片或二元菲涅耳透镜。在增加的复杂度中，更复杂的近似化为4、8、16水平、以及类似水平。在优选实施方式中，衍射菲涅耳透镜是具有类似剖面的透镜。
本发明的衍射式光学系统中使用的结构化影像图标类似于用于上述折射和反射系统中的那些。
已知衍射式聚焦元件对波长变化敏感并且具有高色差的缺点。然而，在本发明系统中，衍射式聚焦元件可以是透射的(见图6中的衍射式光学系统78)或者反射的(见图7中的衍射光学系统80)。在其一系统中，结构化影像图标与相关衍射式聚焦元件(例如，菲涅耳透镜)的焦深相交，这是在不使用光学间隔物的情况下完成。
除了用适于制作衍射透镜的几何形状来代替折射透镜模具的几何形状外，利用与第一示例性实施方式相同的方法和材料构造来制造任选地可转移透射式衍射式光学系统78。也可以利用在第二示例性实施方式中详细描述的技术将此光学系统从其载体基材中转移出。
除了用适于制作反射型衍射式透镜的几何形状来代替反射透镜模具的几何形状外，利用与第三示例性实施方式相同的方法和材料构造来制造任选地可转移反射模式衍射光学系统80，随后使其金属化。同样地，可以利用第五示例性实施方式中详细描述的反射转移技术，将此光学系统从其载体基材中转移出。
本发明还提供由本发明系统所制作的或者应用本发明系统的纤维状和非纤维状片材，以及由这些材料所制作的凭证。本文中使用的术语“凭证”是指具有财务价值的任何类型的凭证，例如钞票或货币、证券、支票、旅行支票、彩票、邮票、股票证书、契据等，或者身份证件(例如护照、身份证、驾驶执照等)，或者非安全文件(例如标签)。也预期将本发明的光学系统应用于商品(消费商品或非消费商品)以及与这些商品一起使用的包、包装、或标签。
本发明系统的其它预期最终用途包括用于投射较大尺寸影像的产品，例如广告和多媒体显示器(例如，广告牌、交通安全标志和工业安全标志、用于销售或商业展览目的的商业显示)、用于提升车辆外观的产品(例如，贴花、包裹物)、装饰性包裹物和壁纸、淋浴帘、艺术显示等。
基于以下的详细说明和附图，本发明的其它特征和优点对于本领域技术人员将是显而易见的。除非另有规定，本文中使用的所有科学技术术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。本文中所提到的所有出版物、专利申请、专利和其它参考资料通过援引将其全部内容并入本文中。在冲突的情况下，将以本说明书(包括定义)为准。另外，这些材料、方法和实例仅是说明性的而并非意在限制。

Claims (23)

1.具有减小的厚度的光学系统，其为反射式光学系统，包含由基本上与聚焦元件的一种或多种排列接触但不完全嵌入其中的结构化影像图标的一种或多种排列构成的合成影像呈现系统，其中所述影像图标的一种或多种排列与所述聚焦元件的一种或多种排列相互配合以形成至少一部分的所述影像图标的至少一个合成影像，其中所述聚焦元件为凹形反射式聚焦元件，其中在所述聚焦元件的一种或多种排列中的聚焦元件之间的间隙空间并不有助于所述至少一个合成影像的形成，
其中所述光学系统被制作在载体基材的一侧上，
其中所述凹形反射式聚焦元件的f数介于0.25与0.5之间，
其中所述结构化影像图标放置成与所述凹形反射式聚焦元件的峰相接触，所述凹形反射式聚焦元件各自具有焦距使得所述结构化影像图标与所述凹形反射式聚焦元件的焦距深度的一部分相交，
其中所述凹形反射式聚焦元件的焦点位于所述结构化影像图标的排列上或其内部，
其中所述反射式聚焦元件被涂覆以反射性材料，
其中所述光学系统是任选地可转移的。
2.如权利要求1所述的光学系统，其中所述结构化影像图标是由以下形成：在基本平的结构中的空隙，其中所述空隙任选地用另一种材料填充或涂覆；在基本平的结构中的凸起区域；或其组合。
3.如权利要求1所述的光学系统，其中所述系统的厚度小于50微米，并且其中在聚焦元件的一种或多种排列中的所述聚焦元件之间的所述间隙空间为5微米或以下。
4.如权利要求1所述的光学系统，其中所述系统的所述厚度小于或等于1厘米，并且其中在所述聚焦元件的一种或多种排列中的所述聚焦元件之间的间隙空间为5毫米或以下。
5.如权利要求1所述的光学系统，其中所述聚焦元件的一种或多种排列具有选自完全不透明的反射金属层、半透明或部分金属化的金属层、高折射率层以及多层蒸气沉积材料的一个或多个层；以及
其中，任选地，所述聚焦元件的一种或多种排列具有多层蒸气沉积材料，所述多层蒸气沉积材料包括由金属层与介电层的组合所形成的色移干涉涂层。
6.如权利要求1所述的光学系统，其中，所述凹形反射系统是凹形反射微观尺度系统，其中所述凹形反射式聚焦元件具有小于50微米的基部直径和焦距、以及小于或等于1的f数，其中所述结构化影像图标是由以下形成：总深度测量为50纳米至8微米的任选地经填充或经涂覆的空隙；总高度测量为50纳米至8微米的凸起区域；或者两者，其中所述微观尺度系统具有小于50微米的厚度，并且其中所述载体基材具有10至50微米的厚度，或其中，所述凹形反射系统是凹形反射宏观尺度的系统，其中所述凹形反射聚焦元件具有1至10毫米的基部直径、25微米至5毫米的焦距，其中所述结构化影像图标是由以下形成：总深度测量为5厘米至1微米的空隙；总高度测量为5厘米至1微米的凸起区域；或者两者，其中所述宏观尺度系统具有小于或等于1厘米的厚度，并且其中所述载体基材具有在25微米至5毫米的厚度。
7.如权利要求1所述的光学系统，其中，所述系统是可转移的凹形反射式光学系统，其以指定的顺序包含以下层：
由载体基材和脱模涂层组成的脱模衬里；所述凹形反射式光学系统，其中所述结构化影像图标的一种或多种排列与所述脱模衬里的所述脱模涂层接触；
任选地，一个或多个保护性涂层；和
一个或多个可活化粘合剂层。
8.具有至少一个如权利要求1所述的光学系统的消费商品或非消费商品，所述光学系统(a)被安装在所述商品的表面或者用于所述商品的包、包装或标签的表面上，或者嵌入其内部；或者(b)部分地嵌入所述商品或者用于所述商品的包、包装或标签的内部。
9.用于投射大幅面影像的产品，其包含被安装在其表面上或嵌入其表面内的至少一个如权利要求1所述的光学系统，其中所述产品选自广告、用于提升车辆外观的产品、装饰性包裹物、壁纸、淋浴帘的组。
10.用于投射大幅面影像的产品，其包含被安装在其表面上或嵌入其表面内的至少一个如权利要求1所述的光学系统，其中所述产品选自多媒体显示。
11.用于投射大幅面影像的产品，其包含被安装在其表面上或嵌入其表面内的至少一个如权利要求1所述的光学系统，其中所述产品选自艺术显示。
12.片材，其具有相对的表面并且包含至少一个如权利要求1所述的光学系统，所述光学系统被安装在所述片材的表面上，或者嵌入其中，或者部分地嵌入所述片材内。
13.凭证，其是由如权利要求12所述的片材制成。
14.制造可转移反射式光学系统的方法，所述方法包括：
提供由载体基材和脱模涂层组成的脱模衬里；将可固化树脂材料施加至所述脱模衬里的所述脱模涂层的表面，并且使所述表面固化在刚性图标模具上，以在所述可固化树脂材料的表面内形成空隙形式的影像图标的一种或多种排列；
用提供与可固化树脂材料的对比度的材料填充所述空隙，以形成经填充的影像图标层；将可固化树脂材料施加至所述经填充的影像图标层的表面，并且使所述树脂固化在具有负透镜几何形状的刚性表面上，从而在所述可固化树脂材料的表面上形成聚焦元件的一种或多种排列；将金属或其它反光材料的共形涂层施加到所述聚焦元件上，以形成凹形反射式聚焦元件的一种或多种排列，其中所述聚焦元件进行配合以形成所述影像图标的至少一部分的至少一个合成影像；
将一个或多个粘合剂层施加至所述凹形反射式聚焦元件的一种或多种排列上，
其中所述凹形反射式聚焦元件的f数介于0.25与0.5之间，
其中所述结构化影像图标放置成与所述凹形反射式聚焦元件的峰相接触，所述凹形反射式聚焦元件各自具有焦距使得所述结构化影像图标与所述凹形反射式聚焦元件的焦距深度的一部分相交，
其中所述凹形反射式聚焦元件的焦点位于所述影像图标的排列上或其内部，
其中所述方法任选地包括在施加所述一个或多个粘合剂层之前将一个或多个保护性涂层施加至所述反射式聚焦元件的一种或多种排列上。
15.经转移至表面的光学系统，所述经转移的系统包含如权利要求1所述的光学系统以及选自加强层、密封层、着色或染色层、不透明层、可活化粘接剂层或者其组合的一个或多个功能性层。
16.片材，其具有相对的表面并包含被转移到其相对表面之一上的至少一个如权利要求15所述的光学系统。
17.凭证，所述凭证由具有相对的表面并包含被转移到其相对表面之一上的至少一个如权利要求15所述的光学系统的片材制备而得。
18.具有表面的消费商品或非消费商品，所述商品具有至少一个如权利要求15所述的光学系统，所述光学系统被转移至所述商品的表面，或者转移至用于所述商品的包、包装或标签的表面上。
19.用于投射大幅面影像的产品，所述产品包含被转移到其表面上的至少一个如权利要求15所述的光学系统，其中所述产品是选自广告、用于提升车辆外观的产品、装饰性包裹物、壁纸、淋浴帘的组。
20.用于投射大幅面影像的产品，所述产品包含被转移到其表面上的至少一个如权利要求15所述的光学系统，其中所述产品是选自多媒体显示。
21.用于投射大幅面影像的产品，所述产品包含被转移到其表面上的至少一个如权利要求15所述的光学系统，其中所述产品是选自艺术显示。
22.如权利要求6所述的光学系统，其是宏观尺度凹形反射式光学系统，其包含具有在1至10毫米宽度/基部直径的凹形反射式聚焦元件的一种或多种排列，以及基本上与所述聚焦元件的一种或多种排列接触但不完全嵌入其中的印刷的影像图标，所述印刷的图标具有小于或等于1毫米的线宽度，其中所述聚焦元件的一种或多种排列和影像图标相互配合以形成至少一部分所述影像图标的至少一个合成影像。
23.如权利要求22所述的宏观尺度凹形反射式光学系统，其中所述凹形反射式聚焦元件的一种或多种排列具有25微米至5毫米的焦距。
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