KR20110123280A - 렌즈어레이의 제조방법의 개량 - Google Patents

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Abstract

대물면에 다수의 이미지 요소의 상을 형성하는 렌즈어레이, 및 렌즈어레이의 제조방법이 제공된다. 렌즈어레이는 반대측면에 이미지 요소들이 배치된 투명 또는 반투명 재료의 일측면 속이나 표면에 형성된 다수의 렌즈렛을 포함하며, 각 렌즈렛의 정점으로부터 대물면까지의 거리에 해당하는 게이지 두께를 갖는다. 각 렌즈렛은 일련의 렌즈 파라미터들을 갖는다. 게이지 두께 및/또는 적어도 하나의 렌즈 파라미터는 각 렌즈렛이 대물면에서의 이미지 요소의 크기와 실질적으로 동일하거나 이미지 요소의 크기와 소정 량만큼 다른 대물면에서의 초점크기를 갖도록 최적화된다.

Description

렌즈어레이의 제조방법의 개량{IMPROVEMENTS IN METHODS FOR PRODUCING LENS ARRAYS}
본 발명은 렌즈어레이를 설계하고 제조하는 개량된 방법과, 그에 의해 제조된 렌즈어레이에 관한 것이다.
렌즈어레이는 여러 가지 다수의 유형의 광학적 효과가 발생하도록 한다. 예를 들어, 렌즈어레이의 초점면에서 하측의 이미지 요소에 초점이 맞추어진 렌즈어레이는 삼차원으로 보이는 내부이미지를 발생시킬 수 있는데, 이 내부이미지는 시야각이 변함에 따라서 움직이고 배율이 변하거나 변형시키거나 또는 렌즈어레이의 면의 외부에 분명한 깊이를 갖는다. 또 다른 효과는 렌즈의 아래에 예를 들어 다수의 원통형 렌즈 아래에 스트립 형상으로 두 개 이상의 이미지를 교대로 삽입하여 관찰자가 시야각이 변함에 따라서 다른 이미지를 볼 수 있도록 함으로써 얻어질 수 있다. 이런 시각적 효과들은 디스플레이, 선전용 자료, 수집 가능한 기사를 포함한 많은 응용에 그리고 보안문서에서 광학적 가변장치로서 유용하다.
렌즈어레이는 일반적으로 여기서는 렌즈형 시트라고 부르는 시트 재료를 제조하기 위해 투명한 폴리머 재료로 제조된다. 어레이를 형성하는 렌즈렛들의 패턴은 시트의 일측면에 엠보싱되거나 그 외의 방식으로 형성되어 있으며, 시트의 반대측면은 편평하고 일반적으로 광택이 있는 표면에 형성된다. 이미지 요소들은 예를 들어 인쇄에 의하거나 또는 레이저 마킹법에 의해 평면에 적용되거나 놓여진다. 이 시트 재료는 보통 단일층으로 제조되지만, 다층 방법도 사용된다.
이미지 요소는 인쇄도트를 포함할 수 있다. 일 공정에 있어서는, 인쇄 전에 평면상에 원하는 최종 인쇄를 나타내는 연속적인 이미지가 하프톤의 이미지로 변환된다. 인쇄 후에 하프톤 이미지는 평면상의 다수의 인쇄도트로서 나타날 것이다.
렌즈형상 시트의 두께(통상 게이지 두께라고 한다)는 전통적으로 렌즈렛의 초점거리에 의해 결정되었으므로 입사광선은 실질적으로 시트의 평면에 초점을 맞추게 된다. 이 설계는 소위 샘플링 효과의 이점을 취하도록 선택되었다. 샘플링 효과는 렌즈의 초점거리에 인쇄된 도트가 원통형 렌즈를 가로지르는 선으로서 특정 시야각에서 관찰자에게 나타날 것이며, 비원통형 렌즈에서는 전체 렌즈영역을 채우는 것으로 나타날 것이다. 따라서 관찰자는 특정 시야각에서 단일 렌즈 내부의 두 개의 인접한 도트를 구별할 수 없다.
경우에 따라서는 렌즈렛들의 재료 두께 및 렌즈 주파수(또는 피치)는 최종생산물의 필요성 외에도 시트재료 제조공정의 게이지 한계에 따라서 사전에 선택될 수 있다. 그리고 입사광선을 실질적으로 시트의 평탄면에 초점을 맞추기 위해서 렌즈의 곡률반경은 사용하는 폴리머 재료의 굴절률 및 아베수(Abbe number) 같은 추가의 파라미터에 기초하여 결정된다.
기술적으로 최근의 경향은 제조비용을 줄이기 위해 보다 얇은 렌즈형상 시트를 제조하는 한편, 동시에 광학적 효과 물품의 잠재용도를 넓히는 것이었다. 그러나 보다 얇은 렌즈형상 시트는 일반적으로 초점이 맞은 이미지를 생성하기 위해 보다 높은 주파수를 필요로 한다. 예를 들어, 폴리에스테르에 85미크론의 게이지 두께를 갖도록 제조된 재료는 센티미터당 대략 224개의 렌즈렛의 렌즈 주파수를 필요로 할 것이다. 이런 높은 주파수의 마이크로렌즈 어레이상에서의 인쇄광학효과상은 특히 문제가 되며, 얻을 수 있는 효과의 유형과 사용할 수 있는 프레스 및 프리프레스 방법들의 유형을 엄격히 제한한다. 또한 매우 높은 라인스크린을 이용해야 함으로써 높은 비율의 폐기물이 자주 생기며, 매우 정밀한 색상 대 색상의 정합이 중요해진다. 이런 문제점들은 매우 높은 주파수의 렌즈형상 시트재료를 사용하는 것이 그에 따라서 제한되었다는 것을 의미하였다.
상기 문제점들을 극복하기 위한 한가지 시도는 미합중국 특허 제 6,833,960호에 설명되어있다. 렌즈들은 인쇄기에서 경화성 수지를 사용하여 기재상에 반구형으로서 형성된다. 이 방법에서는 기재상에 렌즈들을 그들의 초점에 형성할 수 없다. 따라서 이 렌즈들은 실질적으로 초점이 맞지 않았으며 이는 샘플링 효과를 쓸모없게 만든다. 따라서 이 방법으로 생성된 상은 실질적으로 희미하다.
다른 방법은 미합중국 특허 제 6,989,931호에 설명되어 있는데, 이는 제 2 각도에서 투명한 스트라이프를 통해 볼 수 있는 렌즈형상 스크린 뒤에 일정 거리에 물체나 이미지가 놓여진 상태에서 제 1 각도로부터 렌즈형상 시트를 통해 볼 수 있는 인쇄된 스트라이프로 구성된 복합 이미지를 포함한다. 일 실시형태에 있어서, 초점 거리보다 얇은 렌즈형상 재료를 사용할 수 있는데, 렌즈형상 재료의 평탄면상에 인쇄된 스트라이프들이 다양한 광학적 효과상을 포함하지 않기 때문이다. 렌즈렛들은 전통적인 광학효과상에 필요한 해상력을 가질 필요가 없지만, 그 대신에 각 렌즈렛 뒤의 영역의 절반만을 본다. 그러나 다양한 렌즈형상의 상이나 복잡한 모아레 효과(moire effect)에 대하여 이런 방법을 사용하면 심한 흐려짐을 만들 수 있다.
따라서, 상당한 블러링(blurring)이나 그 외의 바람직하지 못한 이미지 결과를 초래하지 않고서 렌즈어레이의 게이지 두께를 줄이는 방법이 필요하다.
경우에 따라서는 특정의 게이지 두께로 렌즈형 시트를 제조하는 것이 바람직할 수도 있다. 이러한 경우에는 사용되는 인쇄공정(또는 이미지 요소를 형성하는 그 외의 공정)의 제약의 관점에서 이미지 품질을 유지하기 위해 렌즈 주파수를 줄이는 것이, 즉 각 렌즈렛의 폭을 증가시키는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 실질적인 블러링이나 그 외의 바람직하지 못한 이미지 결과를 도입하지 않고서도 낮은 렌즈 주파수를 사용할 수 있게 하는 렌즈어레이 및 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
본 명세서에서 포함된 문헌들, 행위들, 재료들, 장치들, 물품들 등의 논의는 어느 것이라도 단지 본 발명에 대한 전후관계를 제공하기 위한 것이다. 이들 내용들의 어느 것이나 전부는 본 출원의 각 청구항의 우선권일 이전에 오스트레일리아에 존재한 본 발명과 관련된 분야에서 종래 기술의 기초를 구성하거나 주지의 사실이었다는 것을 인정하는 것으로 받아들이는 것은 아니다.
발명의 개요
일 측면에 따라서, 본 발명은 대물면에 다수의 이미지 요소의 상을 만들기 위한 렌즈어레이로서, 렌즈어레이는 이미지 요소들이 반대측면에 배치된 투명 또는 반투명 재료의 일측면 속이나 상에 형성된 다수의 렌즈렛을 포함하며, 렌즈어레이는 각 렌즈렛의 정점에서 대물면까지의 거리에 해당하는 게이지 두께를 가지며, 각 렌즈렛은 일련의 렌즈 파라미터를 가지며, 게이지 두께 및/또는 적어도 하나의 렌즈 파라미터는 대물면의 이미지 요소들의 크기와 실질적으로 동일하며 이미지 요소들의 크기와 소정 량만큼 다른 대물면내의 초점크기를 갖도록 최적화되는 것을 특징으로 하는 렌즈어레이를 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 대물면에 다수의 이미지 요소의 상을 만들기 위한 렌즈어레이의 제조방법으로서, 렌즈어레이는 다수의 렌즈렛을 포함하고, 렌즈어레이는 각 렌즈렛의 정점으로부터 대물면까지의 거리에 해당하는 게이지 두께를 갖는데, 상기 방법은:
대물면의 적어도 일부에서 이미지 요소의 크기를 나타내는 척도 파라미터를 결정하는 단계,
상기 척도 파라미터를 사용하여 게이지 두께 및/또는 각 렌즈렛에 대한 일련의 렌즈 파라미터중의 적어도 하나의 파라미터를 최적화하는 단계, 및
상기 게이지 두께 및 상기 렌즈 파라미터를 갖는 렌즈어레이를 이미지 요소들이 투명 또는 반투명 재료의 반대측면에 배치되어 있는 투명 또는 반투명 재료의 일측면 속이나 상에 형성하는 단계를 포함하며,
따라서, 렌즈렛은 이미지 요소의 크기와 실질적으로 동일하며 이미지 요소의 크기와는 소정 량만큼 다른 대물면 내의 초점크기를 갖는 것을 특징으로 하는 방법이 제공된다.
상기 렌즈렛에 대한 일련의 렌즈 파라미터는 렌즈폭, 굴절률, 휨높이, 곡률반경, 코닉 파라미터(conic parameter) 및 아베수(Abbe number)를 포함할 수 있다. 이들 중의 일부 또는 전부는 대물면에 원하는 특징을 갖는 초점거리를 얻기 위하여 변할 수 있다.
바람직하게는, 각 렌즈렛은 원추형 곡선의 단면을 갖는다. 렌즈렛은 원통형이거나 또는 부분 구형인 비구면 단면을 가질 수 있다. 각 렌즈렛은 바람직하게는 렌즈어레이의 면에서 회전대칭이다. 일 실시형태에 있어서, 각 렌즈렛은 그 길이를 따라서 실질적으로 균일한 단면을 갖는 기다란 렌티큘일 수 있다.
정의
초점크기(H)
여기서 사용하는 초점크기라는 용어는 렌즈를 통하여 굴절된 광선이 특정 시야각에서 대물면과 교차하는 지점들의 기하학적 분포의 치수, 통상적으로는 유효직경 또는 폭을 의미한다. 초점크기는 이론적 계산, 광선추적시뮬레이션 또는 실제 측정으로 추측할 수도 있다. 본 발명자들은 ZEMAX 같은 소프트웨어를 사용하는 광선추적시뮬레이션이 여기서 설명하는 방법들에 따라서 설계된 렌즈들의 직접측정치와 근접하게 일치한다. 광선추적시뮬레이션은 입사광은 실제로는 정확히 평행하지 않다는 사실 고려하여 조정될 수 있다.
초점거리(f)
본 명세서에서, 초점거리는 렌즈어레이의 마이크로렌즈와 관련하여 사용되는 경우에는 마이크로렌즈의 정점으로부터 평행방사선이 어레이의 렌즈측면으로부터 입사될 때 최대 출력밀도분포를 위치시킴으로써 주어지는 초점의 위치까지의 거리를 의미한다(T. Miyashita, "Standardization for microlenses and microlens arrays" (2007) Japanese Journal of Applied Physics 46, p 5391 참조).
게이지 두께(t)
게이지 두께는 투명 또는 반투명 재료의 일측면상의 렌즈렛의 정점으로부터 이미지 요소들이 제공되며 대물면과 실질적으로 일치하는 반투명 재료의 반대측면상의 표면까지의 거리이다.
렌즈 주파수 및 피치
렌즈어레이의 렌즈 주파수는 렌즈어레이의 표면의 전역에 걸쳐서 주어진 거리에 있는 렌즈렛의 개수이다. 피치는 일 렌즈렛의 정점으로부터 인접한 렌즈렛의 정점까지의 거리이다. 균일한 렌즈 어레이에 있어서, 피치는 렌즈 주파수와 역관계를 갖는다.
렌즈폭(W)
마이크로렌즈어레이의 렌즈렛의 폭은 렌즈렛의 일측 가장자리로부터 렌즈렛의 반대측 가장자리까지의 거리이다. 반구형 또는 반원통형 렌즈렛을 갖는 렌즈어레이에서 폭은 렌즈렛의 직경과 동일할 것이다.
곡률반경(R)
렌즈렛의 곡률반경은 렌즈의 표면상의 일 지점으로부터 렌즈렛에 대한 법선이 렌즈렛의 정점을 통하여 수직하게 연장되는 라인(렌즈축선)과 교차하는 지점까지의 거리이다.
휨높이(s)
렌즈렛의 휨높이 또는 표면 휨(s)은 정점으로부터 축선을 통하여 수직하게 연장되는 렌즈렛의 가장자리로부터의 최단 라인과 교차하는 축선상의 일 지점까지의 거리이다.
굴절률(n)
매체의 굴절률(n)은 매체 속에서의 광속도에 대한 진공 속에서의 광속도의 비율이다. 렌즈의 굴절률(n)은 렌즈표면에 도달하는 광선이 다음과 같은 스넬의 법칙(Snell's law)에 따라서 굴절하는 양을 결정한다:
Figure pct00001
여기서, α는 입사광선과 렌즈표면에서의 입사지점에서의 법선 사이의 각도이고, θ는 굴절된 광선과 입사지점에서의 법선 사이의 각도이고, n1은 공기의 굴절률(근사치로서 n1을 1로 잡을 수 있다)이다.
코닉 상수(conic constant)(P)
코닉 상수(P)는 원추형 단면을 설명하는 양이며, 구형(P=1), 타원형(0<P<1 또는 P>1), 포물선형(P=0) 및 쌍곡선(P<0) 렌즈를 규정하기 위해 기하광학에서 사용된다. 일부 참고문헌들은 코닉 상수를 나타내는데 문자 K를 사용한다. K는 K=P-1을 통해 P와 관련된다.
로브각
렌즈의 로브각은 렌즈에 의해 형성되는 전체 시야각이다.
아베수(Abbe number)
투명 또는 반투명 재료의 아베수는 그 재료의 산란 측정치(파장에 대한 굴절률의 변화)다. 렌즈에 대한 아베수의 적절한 선택은 색수차를 최소화하는데 도움이 될 수 있다.
보안문서
여기서 사용하는 보안문서라는 용어는 지폐 및 주화, 신용카드, 수표, 여권, 신분증명서, 증권 및 주권, 운전면허증, 지권(deed of title), 항공권 및 철도승차권 같은 여행서류, 입장권 및 티켓, 탄생, 사망 및 결혼 증명서 및 성적증명서 같은 통화품목을 포함하는 모든 유형의 문서 및 유가화폐 그리고 신원확인자료를 포함하지만 이들에 한정되는 것은 아니다.
투명 윈도우 및 하프윈도우
여기서 사용하는 윈도우라는 용어는 인쇄되는 실질적으로 불투명한 영역에 비교하여 보안문서의 투명 또는 반투명 영역을 의미한다. 윈도우는 완전히 투명하여 빛이 실질적으로 영향을 받지 않고 투과할 수 있거나 부분적으로 투명하거나 반투명하여 빛은 투과하지만 물체는 윈도우 영역을 통하여 명확히 보여지지 않게 할 수 있다.
윈도우 영역은 윈도우 영역을 형성하는 부위에 적어도 하나의 불투명층을 생략함으로써 적어도 1층의 투명한 폴리머 재료층과 투명한 폴리머 기재의 적어도 일측면에 적용된 하나 이상의 불투명층을 갖는 폴리머 보안문서에 형성될 수 있다. 불투명층이 투명 기재의 양측면에 적용되는 경우, 윈도우 영역의 투명기재의 양측면상의 불투명층을 제거함으로써 완전히 투명한 윈도우가 형성될 수 있다.
이후로 "하프윈도우"라고 부르는 부분적으로 투명하거나 반투명한 영역은 오직 윈도우 영역내의 보안문서의 일측면상의 불투명층을 생략하여 "하프윈도우"가 완전히 투명하지는 않지만 물체가 하프윈도우를 통하여 명확하게 보이지 않게 하면서 일부광을 통과시킬 수 있게 함으로써 양측면에 불투명층을 갖는 폴리머 보안문서에 형성될 수 있다.
다른 방법으로서, 기재를 종이나 섬유성 재료 같은 실질적으로 불투명한 재료로 형성할 수 있는데, 여기서 종이나 섬유성 기재의 절제부나 오목부에 투명 플라스틱재료의 삽입체가 삽입되어 투명한 윈도우 또는 반투명한 하프윈도우 영역을 형성한다.
불투명층
투명 기재에는 하나 이상의 불투명층이 적용되어 보안 문서의 불투명성을 증가시킬 수 있다. 불투명층은 LT < L0이 되도록 되어있는데, 여기서 L0은 문서에 입사하는 광량이고, LT는 문서를 통해 투과하는 광량이다. 불투명층은 다양한 불투명 피복중의 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 불투명 피복은 열에 의해 활성화되는 가교성 폴리머 재료의 캐리어나 바인더 내에 분산된 이산화티타늄 같은 색소를 포함할 수 있다. 다른 방법으로서, 나중에 표시가 인쇄되거나 그 외의 방법으로 적용될 수 있는 종이나 그 외의 약간 또는 실질적으로 불투명한 재료로 된 불투명층 사이에 투명한 플라스틱 재료의 기재가 개재될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 렌즈어레이의 게이지 두께는 이미지 요소의 크기 및 일련의 렌즈 파라미터에 대하여 최적화될 수 있다.
다른 실시형태에 있어서, 렌즈 파라미터들은 이미지 요소의 크기 및 게이지 두께에 대하여 최적화될 수 있다.
초점크기가 이미지 요소의 크기와 상관관계가 있도록 렌즈 파라미터들을 선택함으로써 이미지 품질의 실질적인 희생 없이 렌즈어레이의 두께 또는 렌즈 주파수가 감소될 수 있다. 이는 렌즈렛을 통해 굴절되어 대물면에 도달하는 광선의 대부분이 여전히 원하는 시야각이나 시야각들에서 이미지 요소로 덮이는 부위와 교차할 것이기 때문이며 이에 따라서 샘플링 효과가 유지될 수 있다.
렌즈어레이의 두께는 여전히 고품질의 이미지 효과를 낳는 보다 얇은 렌즈형 시트를 제공하도록 감소될 수 있다. 다른 방법으로서, 각 렌즈렛 아래에 보다 많은 인쇄가 포함되도록 하여 이미지 품질의 향상 및/또는 보다 복잡한 시각적 효과의 창출을 가능하게 하기 위해 렌즈렛을 넓게 하면서 두께를 유지할 수 있다.
바람직하게는, 렌즈어레이의 두께는 모든 렌즈렛의 초점거리보다 작다.
특히 바람직한 실시형태에 있어서, 초점크기가 이미지 요소의 크기와 다른 소정 량은 이미지 요소의 크기의 20% 이하이다. 초점크기가 이미지 요소의 크기보다 크면, 일반적으로 굴절된 광선의 출력밀도분포의 비교적 작은 부분만이 스폿의 가장자리에 위치할 것이기 때문에 원하는 이미지 품질을 실질적으로 유지하면서도 보다 얇은 렌즈형 시트가 가능하게 한다. 초점크기가 약간 작다면, 이미지 효과를 만드는 이미지 구성요소 사이의 전이부가 보다 매끄럽게 만들어질 수 있다.
이미지 요소들은 도트, 라인 또는 그 외의 형상을 취할 수 있다. 이미지 요소들은 레이저 마킹을 포함한 다양한 방식으로 투명 또는 반투명 재료의 반대측면상의 대물면의 표면에 적용될 수 있다. 바람직한 실시형태에 있어서, 이미지 요소들은 대물면의 상기 표면상에 인쇄된다. 본 발명의 방법은 광학적 가변 장치 또는 물품을 형성하도록 전면에 렌즈렛이 형성된 투명 또는 반투명 재료의 후면에 다수의 인쇄된 도트를 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 방식으로서, 다수의 인쇄된 도트들은 (예를 들어, 섬유성 또는 폴리머 재료)로 된 기재에 적용될 수 있으며, 기재는 투명 또는 반투명 재료의 후면에 부착된다.
렌즈렛들은 기재에 적용된 투명 또는 반투명의 방사선 경화성 재료에 엠보싱 공정으로 형성될 수 있다. 투명 또는 반투명의 방사선 경화성 재료는 엠보싱 후에 경화될 수 있지만, 바람직하게는 실질적으로 동시에 엠보싱되고 경화된다. 기재는 바람직하게는 기재와 방사선 경화성 재료의 결합된 두께가 렌즈어레이의 게이지 두께에 대응하는 투명 또는 반투명 폴리머재료로 형성된다. 특히 바람직한 실시형태에 있어서, 기재는 유연한 시트형상의 구조이며, 기재 및 방사선 경화성 재료는 지폐, 신용카드 등 같은 보안문서를 구성한다. 기재는 바람직하게는 렌즈렛과 실질적으로 동일한 굴절률을 갖는다.
바람직한 일 실시형태에 있어서, 일련의 렌즈 파라미터는 각 렌즈렛에 대하여 동일하다.
바람직한 다른 실시형태에 있어서, 초점크기는 렌즈렛의 로브각 내에서 적어도 두 개의 방향에 걸쳐서 평균값을 취할 때 이미지 요소의 크기와 실질적으로 동일하거나 이미지 요소의 크기와 소정 량만큼 다르다.
초점크기가 평균 내어지는 방향은 바람직하게는 축상 방향 및 로브각의 가장자리에 가까운 축외 방향을 포함한다.
다른 측면에서, 본 발명은 다수의 렌즈렛을 포함하고 각 렌즈렛의 정점으로부터 대물면까지의 거리에 해당하는 게이지 두께를 갖는 렌즈어레이의 대물면에 다수의 이미지 요소의 상을 형성하기 위한 렌즈어레이의 설계방법으로서, 상기 방법은:
대물면의 이미지 요소들의 크기를 나타내는 척도 파라미터를 평가하는 단계,
각 렌즈렛에 대한 일련의 렌즈 파라미터를 선택하는 단계, 및
상기 척도 파라미터를 사용하여 게이지 두께 및/또는 각 렌즈렛에 대한 일련의 렌즈 파라미터중의 적어도 하나의 렌즈 파라미터를 최적화시키도록 설계하는 단계를 포함하며, 각 렌즈렛은 이미지 요소의 크기와 실질적으로 동일하거나 이미지 요소의 크기와 소정 량만큼 다른 대물면에서의 초점크기를 갖는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
바람직하게는 렌즈렛을 포함하는 렌즈어레이의 두께는 모든 렌즈렛의 초점거리보다 작다.
일련의 렌즈 파라미터들은 각 렌즈렛에 대하여 동일할 수 있다. 다른 방식으로서, 렌즈어레이의 영역이나 영역들에서의 렌즈렛들은 렌즈어레이 나머지의 렌즈렛과는 다른 렌즈 파라미터들을 가질 수 있다.
바람직하게는, 이 방법은 대물면의 적어도 일부에서 이미지 요소의 크기를 측정하는 단계를 더 포함하는데, 여기서 이미지 요소의 측정된 크기로부터 척도 파라미터가 평가된다. 이 측정은 밀도계를 사용하여 실시되거나, 또는 다른 방법으로서 이미지 요소들의 크기를 직접 측정함으로써 실시될 수 있다. 바람직하게는, 이미지 요소들은 교정 템플레이트의 일부이다. 특히 바람직한 실시형태에 있어서, 이미지 요소들은 인쇄된 라인 또는 도트들이다.
인쇄된 라인이나 도트들의 크기를 측정하면, 인쇄장치의 유형, 잉크 및 그 외의 재료 그리고 사용되는 프리프레스 장비에 따라서 변할 수 있는 실제의 인쇄 특성에 맞추어 렌즈 설계가 조정될 수 있게 된다.
척도 파라미터는 이미지 요소의 사이즈들의 평균 또는 최대치를 계산함으로써 평가될 수 있다. 다른 방법으로서, 강건한 추정치, 바람직하게는 M 추정치, 또는 이미지 요소의 크기들의 중간, 상위사분위(upper quartile) 또는 사분위간(interquartile) 평균 중의 하나를 사용하여 평가될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 광학적 가변장치의 제조 방법으로서:
기재를 제공하는 단계;
대물면에 위치하는 이미지 요소들을 상기 기재에 적용하는 단계;
이미지 요소들의 크기를 나타내는 척도 파라미터를 결정하는 단계; 및
기재상의 투명 또는 반투명 재료에 다수의 렌즈렛을 형성하는 단계를 포함하며,
각 렌즈렛은 이미지 요소의 크기와 실질적으로 동일하거나 이미지 요소의 크기와 소정 량만큼 다른 대물면에서의 초점크기를 갖도록 결정된 일련의 렌즈 파라미터들을 갖는 것을 특징으로 하는 방법이 제공된다.
바람직한 일 실시형태에 있어서, 척도 파라미터는 이미지 요소의 크기를 측정함으로써 결정된다.
바람직하게는 기재는 렌즈렛들이 기재의 일측면상의 제 1 표면 속이나 표면에 형성되고 이미지 요소들이 기재의 반대측면상의 제 2 표면에 적용된 투명하거나 반투명한 시트형상 재료로 형성된다. 렌즈렛들은 투명하거나 반투명한 시트형상 재료 자체로 형성될 수 있다. 다른 방법으로서, 렌즈렛들은 투명하거나 반투명하거나 또는 불투명할 수 있는 기재에 적용된 방사선 경화성의 투명 또는 반투명 수지를 엠보싱함으로써 투명 또는 반투명층에 형성될 수 있다.
이미지 요소들은 인쇄 또는 레이저 마킹을 포함한 어떤 편리한 공정으로도 형성될 수 있다. 특히 바람직한 방법에 있어서, 이미지 요소들은 인쇄된 도트들이다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 기재 및 상기 기재 속이나 표면에 형성된 다수의 렌즈렛, 그리고 상기 기재 속이나 표면의 대물면에 위치하는 다수의 이미지 요소를 포함하는 광학적 가변장치로서, 각 렌즈렛은 이미지 요소의 크기와 실질적으로 동일하거나 이미지 요소의 크기와 소정 량만큼 다르도록 결정된 일련의 렌즈 파라미터들을 갖는 것을 특징으로 하는 광학적 가변장치가 제공된다.
바람직하게는 렌즈렛들은 각 렌즈렛의 초점거리보다 작은 게이지 두께를 갖는 렌즈어레이의 일부이다.
또 다른 측면에 있어서, 본 발명은 본 발명의 제 1 측면에 따른 렌즈어레이를 포함하는 광학적 가변장치를 제공한다.
상기 방법으로 제조된 광학적 가변장치는 넓은 범위의 물품에 적용될 수 있지만, 본 발명은 보안문서의 분야에 특별한 용도를 가지며, 보다 구체적으로 지폐 등 같은 유연한 시트형상 기재로 형성된 보안문서 및 물품에 특별한 용도를 갖는다. 광학적 가변장치는 보안문서의 윈도우 또는 하프윈도우에 형성될 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시형태들을 첨부도면을 참조하여 비제한적 예로서만 설명할 것인데, 여기서:
도 1은 종래 기술 설계의 렌즈어레이의 단면을 보여준다;
도 2는 본 발명의 렌즈어레이의 일 실시형태를 보여준다;
도 3은 본 발명의 렌즈어레이의 대체 실시형태를 보여준다;
도 4 내지 도 6은 본 발명의 여러 가지 실시형태들에 따른 세 개의 렌즈렛의 축상 및 축외 초점크기를 도시한다;
도 7은 두 가지 다른 인쇄공정의 입력 및 출력 도트 형상들을 보여준다;
도 8은 종래 기술의 렌즈렛과 본 발명의 일 실시형태에 따른 렌즈렛의 출력밀도분포를 각각 보여준다;
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 렌즈렛을 통해 굴절되는 입사광선을 보여준다;
도 10은 렌즈렛의 형상을 도시한다;
도 11(a) 내지 도 11(d)는 렌즈어레이 및 이미지 요소들을 이용하는 물품과 그 물품을 형성하는 중간단계들의 개략단면도를 도시한다;
도 12(a) 내지 도 12(c)는 변형 방법으로 만들어진 도 11(d)와 유사한 물품의 개략단면도를 보여준다;
도 13(a) 내지 도 13(d)는 렌즈어레이 및 이미지 요소들을 이용하는 대체 물품과 그 물품을 형성하는 중간단계들의 개략단면도를 도시한다;
도 14 및 도 15는 도 11 내지 도 13의 물품을 제조하는 렌즈 어레이 제조공정의 두 가지 다른 실시형태를 보여주는 블록도이다;
도 16은 예로서의 렌즈형 장치의 일련의 교대로 인쇄된 이미지 요소들이다;
도 17은 축상에서 보았을 때(a)와 축외에서 보았을 때(b), 도 16의 장치의 이미지 요소들의 폭을 따라서의 여러 지점들의 (모의)상대 조도를 도시하다.
우선적인 실시형태의 상세한 설명
처음에 도 1을 참조하면, 렌즈두께(t)를 갖는 종래 기술 설계의 렌즈어레이(20)가 도시되어 있는데, 여기서 폭(W)과 실질적으로 구형의 측면을 갖는 렌즈렛(22)은 각각 입사광선(28a, 28b)을 흑색 도트(26a) 및 백색 도트(26b)에 초점 맞춘다. 이 두께(t)는 렌즈렛의 초점거리와 실질적으로 동일하며, 따라서 초점 크기(30)가 최소이다.
종래 기술의 렌즈렛의 초점 크기(30)는 하측면(24)에서의 인쇄 해상도보다 작다. 예를 들어 전통적인 렌즈형상 옵셋리소그래픽법(lenticular offset lithographic method)들은 대략 25미크론의 평균적인 하프톤 도트 크기를 인쇄한다. 폭이 254미크론인 적절히 설계된 렌즈형 렌즈는 축선상에 대략 5미크론의 초점 크기로 광을 평행하게 할 것인데, 이는 인쇄된 도트(26a, 26b)의 크기보다 상당히 작은 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따른 렌즈어레이(120)가 도시되어있다. 입사광선(128a, 128b)은 각각 도트(26a, 26b)쪽으로 굴절된다. 렌즈어레이(120)는 t보다 작은 두께(t')를 가지며, 렌즈렛(122)은 폭(W)을 갖는다. 렌즈렛(122)은 초점크기(130a, 130b)가 도트(26a, 26b)의 크기와 실질적으로 동일하게 되는 방식으로 설계된다. 우리는 초점크기가 인쇄된 하프톤 도트의 평균폭을 20% 이상 초과하지 않는 한은 이미지의 품질이 손상되지 않는다는 것을 발견하였다. 우리는 또한 단지 임의의 비초점 설계를 하면 이미지 품질을 심하게 떨어뜨려서 바람직하지 못하게 흐린 이미지가 된다는 것도 발견하였다. 초점크기는 또한 평균폭보다 약간 작은, 바람직하게는 20% 이상 작을 수 있다.
도 3은 대안의 렌즈어레이 설계를 표현하는데, 여기서 렌즈어레이(220)는 종래 기술의 렌즈어레이(20)와 동일한 두께(t)를 갖지만, 렌즈렛(222)의 폭(W)이 증가되었다. 동시에, 다른 렌즈 파라미터들도 변화되어 입사광(228a, 228b)이 굴절되어 대물면(224)에 도달하여 도트(26a, 26b)와 교차하여 초점크기(230a, 230b)는 역시 도트(26a, 26b)의 크기와 실질적으로 동일하게 된다. 예를 들어, 렌즈의 곡률반경은 도 3에 도시한 바와 같이 보다 크게 만들어질 수 있으며, 아마도 동시에 최적의 이미지 품질을 얻기 위해 굴절률, 원추형 파라미터(conic parameter) 또는 아베수 같은 그 외의 렌즈 파라미터들을 변화시킨다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따라서 설계된 광각 렌즈렛(105)의 광선궤적의 측단면도를 도시한다. 표면(101)에서 굴절된 광선(102)은 대물면(104)에 도달하여 초점크기(103A, 103B)가 된다. 이 실시형태에 있어서, 축상 지점의 초점크기(103A) 및 축외 지점의 초점크기(103b)는 렌즈렛의 전체 시야각에 걸쳐서 동일하게 조정되는데, 이 각도는 로브각(lobe angle)이라고도 알려져 있다.
도 5는 대안의 광각 렌즈렛(101)의 광선궤적의 측단면도를 보여주는데, 여기서 초점폭은 로브각 전체에 걸쳐서 인쇄된 하프톤 도트(109A)의 평균값과 실질적으로 동일하다. 도 6에는 또 다른 광각 렌즈렛의 광선궤적의 측단면도를 보여주는데, 여기서 인쇄된 하프톤 도트(109A)는 여전히 커서 재료 두께가 더욱 감소되거나 렌즈 주파수가 커지거나 또는 양쪽 모두의 현상이 생긴다.
도 7에서 최상단열의 도트(110)는 인쇄판에 출력된 인쇄교정형태상의 공지의 폭(109B)의 디지털 픽셀들을 나타낸다. 열(111)은 인쇄열(110)의 인쇄결과를 도시하는데, 여기서 주목할만한 도트게인으로 평균도트폭(109C)이 된다. 열(112)은 다른 인쇄법을 사용한 인쇄열(110)의 인쇄결과를 도시하는데, 여기서 도트게인은 열(111)보다 한층 더 커서 평균도트폭(109D)이 된다. 이 도시에서, 열(112)의 인쇄된 도트보다 열(111)의 인쇄된 도트에 다른 렌즈설계를 적용할 수 있는데, 여기서 열(111)에 대한 최적의 렌즈설계는 도 5와 유사할 수 있으며, 열(112)에 대한 최적의 렌즈설계는 도 6과 보다 근접하게 유사할 수 있다.
이제 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 렌즈렛에 의해 이미지가 형성된 인쇄된 하프톤 도트(109C)의 투영도가 도시되어있다. 도 8(a)는 대물면이 스폿(256)(도 9)을 생성하기 위해 어레이의 초점면(252)에 위치한 경우에 생기게 될 전력밀도분포(255)의 윤곽(250)을 보여준다. 대신에 대물면(262)의 스폿(266)은 도트(109C)보다 크지만, 샘플링 효과를 보유하기 위해 입사방사선의 대부분이 여전히 도트(109C)에 도달하도록 된 전력밀도분포(260, 265)를 갖는다.
연속적인 계조의 이미지를 종이나 플라스틱 같은 합성재료에 인쇄하기 위해서는 하프톤 이미지로 변환할 필요가 있다. 이렇게 하기 위한 많은 방법들이 기술적으로 알려져 있다. 이런 방법들은 소위 진폭변조(AM)법으로 크기를 변화시켜 이원 도트를 사용하거나 소위 주파수변조(FM)법으로 주파수를 변화시켜 동일 크기의 도트들을 사용함으로써 연속적인 계조를 나타낸다. 하이브리드라고 부르는 이들 두 방법의 다양한 조합도 사용된다. 본 목적을 위해, 이들 방법중의 어느 것이라도 이용할 수 있다. 그러나, 도트들은 일반적으로 일정한 크기로 유지되기 때문에 FM법은 디더링(dithering), 오차확산 또는 무작위나 확률적 스크리닝을 포함한 다양한 형태가 바람직한 방법이지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
인쇄된 하프톤 도트들의 특성들을 측정하는 것은 다양한 공지의 방법을 사용하여 이룰 수 있다. 예를 들어, 평균도트크기는 주어진 크기의 도트들의 견본들로 구성되어 다양한 밀도를 갖는 프레스 교정 템플레이트를 인쇄함으로써 결정될 수 있는데, 여기서 각 견본은 전형적으로 1% 내지 99%의 밀도값을 나타낸다. 템플레이트는 이후 필름이나 플레이트에 촬상되어 광학효과 기재의 매끈한 면 위에 인쇄된다. 그리고 인쇄된 결과는 밀도계나 유사한 도구를 사용하여 스캐닝됨으로써 인쇄된 도트크기를 결정할 수 있게 된다.
다른 방법으로서, 평균도트크기는 예를 들어 측정치의 증분을 표시하는 망선(reticle)이 끼워진 현미경을 사용하여 직접 측정될 수 있다. 이 직접법에 있어서, 도트들의 샘플은 각 색조값 범위가 측정되어 기록되고 그 평균크기가 측정될 수 있다.
우리는 약 20%의 색조값에서 도트를 측정한 것이 최상의 결과를 제공한다는 것을 발견하였다.
경우에 따라서, 프레스 조건 등이 변하기 때문에 상기 측정치를 얻을 수 없을 수 있다. 이 경우에는 이전의 경험이나 다른 방법으로 평균예상도트크기를 추측할 수 있다.
도 10을 참조하여 이제 본 발명에서 사용하기 위한 렌즈렛의 설계를 최적화하는 한 방법을 설명한다. 이런 비제한적 예의 목적으로 우리는 회전대칭인 비구면렌즈인 렌즈렛(300)을 취하였다. 이 방법은 기하학적 광학을 사용하면서 렌즈 주변에서의 주변효과는 무시하여 비교적 간단한 이론적 계산에 의존하였다. 당업자라면 보다 많은 복잡한 물리적 모델, 광선추적시뮬레이션 등을 포함한 그 외의 많은 방법이 가능함을 알 수 있을 것이다.
도 10(a)에서, 전폭(H) 및 반폭(h)의 인쇄된 도트(305)의 형태의 이미지 요소가 렌즈(300)의 정점(310)에 해당하는 (x, y)좌표계의 원점으로부터 미지의 거리(t)(게이지 두께)에 대물면에 위치한다. 렌즈(300)는 휨높이(s) 및 반폭(w) 그리고 굴절률(n)(도면에는 도시하지 않음)을 갖는다. 최적의 렌즈 설계로 인하여 x축에 평행하게 입사하고 렌즈(300)의 가장자리에 도달하여 도트(305)의 최상단을 교차하는 각도로 굴절되는 입사광선(320)이 만들어질 것이다. 따라서 렌즈 파라미터의 관점에서 t에 대한 표면과 도트(305)의 크기를 나타내는 척도 파라미터인 반폭(h)을 찾기를 원한다.
렌즈프로파일 함수(y(x))의 식은 다음과 같이 주어지는데,
Figure pct00002
여기서, R은 렌즈의 가장자리(305)에서의 렌즈반경이고, P는 코닉 상수(conic constant)로서 1-e2와 동일한데, e는 편심률이다. 원칙적으로 x의 보다 높은 승수를 포함하는 보다 일반적인 렌즈프로파일 함수(y(x))를 선택할 수 있다. 그러나, 렌즈설계의 목적으로는 위와 같은 y(x)의 이차식을 사용하는 것이 보다 편리하다.
가장자리(305)(x=s, y=w)에서 렌즈의 표면에 대한 법선(330)은 다음과 같은 기울기를 갖는데,
Figure pct00003
여기서 y'(x)는 y(x)의 1차도함수이다. 이 기울기는 α가 입사광선(320)과 법선(330) 사이의 각도인 경우에 Tan(α)과 같으며, 그래서
Figure pct00004
따라서
Figure pct00005
스넬의 법칙(Snell's law)에 의해
Figure pct00006
여기서 θ는 굴절된 광선(320')과 법선(330) 사이의 각도이고, n1은 공기의 굴절률(이후로 근사치로서 1로 잡는다)이다. 따라서
Figure pct00007
(s, w)와 (t, h)를 연결하는 선의 기울기(A)는
Figure pct00008
그리고
Figure pct00009
로 치환하면
Figure pct00010
(1)
t가 다음과 같이 쓸 수 있다는 것을 보여주기는 비교적 단순하다.
Figure pct00011
(2)
A는 상기 식(1)에서처럼 되고 그리고
Figure pct00012
(3)
두께(t)는 통상의 방법으로 렌즈 파라미터 R, n, P, w 및 s 중의 하나 이상에 대하여 최적화될 수 있는데, 즉 이들 파라미터들 중의 하나 이상에 대하여 식(2)의 표면의 편도함수(partial derivative)를 취하고 이 편도함수를 제로와 같게 설정함으로써 최적화될 수 있다. 그 결과의 연립방정식은 최적의 렌즈 두께를 제공하는 일련의 렌즈 파라미터를 찾기 위해 분석적이고 수치적으로 해결될 수 있다.
이 최적화는 강제최적화일 수 있다. 예를 들어, t의 범위에는 현실적인 제조한계가 있을 수 있으며, 따라서 t를 그 값들의 범위로 한정하는 것이 바람직할 수 있다. 강제최적화방법은 기술적으로 알려져 있다.
상기 식들은 x축에 평행한 입사광에 대하여 유도되었다. 이 유도는 축외 광선(340, 350) 및 축외 도트에 대하여 일반화될 수 있으며(도 10(b), 따라서 다음을 얻을 수 있는데,
Figure pct00013
여기서, D는 축외 도트크기이고, M은 렌즈렛의 일측 가장자리(345)에서 굴절된 광선(340')의 기울기이며, m은 렌즈렛의 반대측 가장자리(355)에서 굴절된 광선(350')의 기울기인데, 앞에서와 같이 t는 원하는 게이지 두께이고, s는 휨높이, w는 렌즈의 반폭이다.
입사광선의 편위각(angle of deviation) δ는 제로이며, M=-m=A이며, 이 식은 다음과 같이 줄여진다.
Figure pct00014
이 경우, D는 2h, 즉 전체 도트크기 및 다음과 같아지는데,
Figure pct00015
이는 앞에서 유도된 축상 광선에 대한 식에 해당한다.
상기와 다른 방법으로서, t를 고정해 놓은 상태에서 R, n, P 및 s의 일부 또는 전부의 함수로서 렌즈 반폭(w)를 최적화할 수 있다. 이는 식(2)를 다음과 같이 w의 관점에서 다시 기재함으로써 이룰 수 있다.
Figure pct00016
t가 고정되어 있다면, 최적의 렌즈 반폭(w)를 찾기 위해 강제최적화를 실시할 수 있다.
또 다른 대안으로서, 다른 렌즈 파라미터 R, n, P, 또는 s들도 위와 유사한 방식으로 최적화될 수 있다.
상기 모델은 색수차의 처리를 명료하게 포함하지 않는다. 당업자라면 렌즈의 코닉 상수(P) 및/또는 아베수를 색수차를 최소화하도록 선택할 수 있음을 알 수 있을 것이다.
도 11(d)에는 투명 또는 반투명 재료의 기재(410)로 형성되며, 기재(410)의 일측면상의 전면(411)에 형성된 렌즈어레이(420) 및 기재(410)의 반대측면상의 후면(412)에 형성된 이미지 요소(426a, 426b)를 갖는 물품(400)이 도시되어 있다. 물품(400)을 제조하는 바람직한 방법에 있어서, 이미지 요소(426a, 426b)들은 먼저 상기 반대측면상의 기재(410)의 후면(412)에 적용된다. 이미지 요소(426a, 426b)들은 바람직하게는 상기 후면(412)에 인쇄함으로써 적용되지만, 이들은 레이저 마킹을 포함한 다른 방법들에 의해 상기 후면 속이나 표면에 형성될 수 있다.
도 11(b)는 투명하거나 반투명 기재(401)의 전면(411)에 적용된 투명 또는 반투명의 엠보싱가능층(415)을 보여준다. 바람직하게는 엠보싱가능층은 방사선으로 경화할 수 있는 액체, 수지 또는 잉크인데, 이들은 인쇄공정으로 도포될 수 있다. 그리고 층(415)은 엠보싱 심(embossing shim)(416)(도 11(c))으로 엠보싱되어 기재(410)의 후면(412)상의 이미지 요소(426a, 426b)와 맞추어서 층(415)의 렌즈어레이(420)의 다수의 렌즈렛(422)을 형성한다. 엠보싱된 층(415)은 엠보싱공정중과 동시에 또는 그 후에 방사선에 의해, 예를 들어 자외선, X선, 전자비임 또는 열(적외선)에 의해 경화되어 렌즈어레이(420)에 엠보싱된 렌즈렛(422)의 구조를 고정시킨다.
도 12를 참조하면 기재의 전면(511)에 적용된 엠보싱가능층(515)에 형성된 렌즈어레이(520) 및 기재의 후면(512)속이나 상에 형성된 이미지 요소(526a, 526b)을 갖는 투명 또는 반투명 재료의 기재(510)로 형성된다는 점에서 도 11(d)의 것과 유사한 물품(510)을 제조하는 대체방법이 도시되어 있다.
도 12에 도시한 방법에 있어서, 먼저 엠보싱가능층(515)이 기재(510)의 일측면상의 전면(511)에 적용된 후(도 12(a)), 엠보싱 심(516)에 의해 엠보싱되고 나서(도 12(b)) 이미지 요소(526a, 526b)가 기재(510)의 반대측면상의 후면에 적용된다. 역시 엠보싱가능층(515)은 바람직하게는 인쇄공정에 의해 적용되는 방사선경화성 액체, 수지 또는 잉크로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 엠보싱 공정중과 실질적으로 동시에 또는 그 후에 방사선에 의해 경화된다. 이미지 요소(526a, 526b)는 기재(510)의 후면(512)상의 인쇄 또는 레이저 마킹에 의해 형성되어 그 결과 도 12(c)의 물품(500)을 생성한다.
도 11(d) 및 도 12(c)의 그 결과의 물품에 있어서, 게이지 두께 t=p+q를 갖는다는 것을 알 수 있을 것인데, 여기서 p는 투명 또는 반투명 기재(410, 510)의 두께이며 q는 엠보싱 후에 기재(410, 510)의 전면(411, 511)으로부터 각 렌즈렛(422, 522)의 정점까지 측정한 투명 또는 반투명층(415, 515)의 두께이다.
많은 경우에, 기재(410) 및 층(415)의 두께(p 및 q)가 미리 결정될 것이며, 평균도트크기 H=2h는 이미지 요소를 형성하는데 사용되는 인쇄법이나 그 외의 공정에 의해 결정될 것이며, 하나 이상의 렌즈 파라미터, 예를 들어 렌즈폭(W=2w), 곡률반경(R), 휨(s), 굴절률(n) 또는 코닉 상수(P)는 후술하는 도 14의 공정에 따라서 렌즈어레이(420, 520)를 형성하기 위한 엠보싱 심을 형성하도록 t(=p+q)에 대하여 최적화될 수 있다.
도 13(a) 내지 도 13(d)를 참조하면, 기재(610)의 일측면의 전면(611) 상의 이미지 요소(626a, 626b) 위에 가해진 투명 또는 반투명층(615)에 형성된 렌즈어레이(620)를 갖는 물품(600)을 제조하는 방법이 도시되어 있다. 도 13의 기재(610)는 투명하거나 반투명하거나 불투명할 수 있는데, 이는 렌즈어레이(620) 및 이미지 요소(626a, 626b)가 기재(610)의 동일측면상에 형성되기 때문이다. 도 13에 도시한 방법에서, 먼저 이미지 요소(626a, 626b)들이 바람직하게는 인쇄에 의해 기재상의 전면에 가해진 다음(도 13(a)), 투명 또는 반투명층(615)이 적용되며(도 13(b)) 엠보싱 심(616)에 의해 엠보싱된다. 역시 엠보싱가능층(615)은 바람직하게는 인쇄공정에 의해 적용될 수 있는 방사선경화성 액체, 수지 또는 잉크로 형성될 수 있으며, 렌즈어레이(620)의 렌즈렛(622)이 렌즈 구조를 고정하도록 동시에 또는 나중에 방사선에 의해 경화된다.
도 13(d)의 그 결과의 물품(600)은 기재(610)의 두께(p)가 (이미지 요소(626a, 626b)의 두께를 고려하면) 투명 또는 반투명층(615)의 두께(q)와 실질적으로 동일한 렌즈어레이(620)의 게이지 두께(t)에 영향을 주지 않는다는 점에서 도 11(d) 및 도 12(c)의 것과는 다르다. 물품(600)의 렌즈어레이(620)의 게이지 두께(t)는 도 11(a) 및 도 12(a)의 물품(400, 500)의 렌즈어레이(420, 520)의 게이지 두께(t)보다 작을 것 같기 때문에, 본 발명의 방법은 엠보싱 심(616)의 형상의 적절한 변화를 통해 렌즈폭(W)이나 곡률반경(R)을 줄이거나 또는 렌즈어레이(620)의 렌즈렛(622)의 다른 파라미터를 조정함으로써 감소된 게이지 두께를 보상하는데 사용될 수 있다.
이제 도 14를 참조하면, 본 발명의 특정 실시형태와 사용하기 위한 엠보싱 심을 형성하기 위한 공정의 플로우챠트가 도시되어 있다. 먼저 전술한 바와 같이 교정템플레이트가 인쇄되고(단계 700), 도트크기가 측정된다(단계 710). 그리고 초기의 렌즈 파라미터 세트가 선택되고(단계 720) 그 파라미터들이 다변량 최적화 공정에서 변화된다(단계 730, 740). 용액이 확인되면, 제조공정에서 사용하기 위해 엠보싱 심이 형성될 수 있다(단계 750).
도 15(a) 및 도 15(b)에서, 광학효과 물품을 형성하기 위한 두 가지 대체방법의 플로우챠트가 도시되어있다. 양자의 모든 경우에, 기재가 제공된다(단계 800). 도 15(a)에 도시된 공정은 도 11 및 도 13의 물품(400, 600)을 형성하는데 적합하다. 도 15(a)의 실시형태에 있어서, 두 개 이상의 교대로 된 이미지가 바람직하게는 인쇄에 의해 기재의 전면 또는 후면에 적용된다(단계 810). 그리고 기재의 전면에 예를 들어 인쇄공정에 의해 방사선 경화성 잉크가 적용된 후, 도 14의 단계 750에서 얻어진 엠보싱 심에 의해 잉크가 엠보싱된다(단계 820). 그리고 이 잉크는 경화하여 엠보싱된 표면의 광학효과 물품의 렌즈렛을 형성한다. 이 경화 단계는 엠보싱 단계와 실질적으로 동시에 일어날 수 있다(단계 830). 도 15(b)에서, 방사선 경화성 잉크가 대신에 기재의 일측면에 먼저 적용된다(단계 840). 그리고 잉크는 도 14의 단계 750에서 얻어진 엠보싱 심으로 엠보싱되고 경화되어 렌즈렛을 형성한다(단계 850). 그리고 광학효과 물품을 형성하기 위해 이미지 요소가 렌즈렛과 맞춰서 렌즈렛의 반대쪽의 기재의 측면에 가해진다.
실시예
도 16을 참조하면, 적절한 렌즈어레이와 짝을 이루었을 때 이원 "플립핑 이미지(flipping image)"를 생성하는데 사용되는 인쇄된 교대 이미지(900)의 일 예가 도시되어있다. 도시한 예에서, 이미지 요소들은 백색 줄(902)과 교대로 배치된 흑색 줄(901)이다. 렌티큘(lenticule)(920)을 갖는 렌즈형 렌즈어레이를 통해서 볼 때, 렌즈형 어레이 및 이미지 요소(901, 902)의 조합을 갖는 장치는 도 16에서 상부좌측에 도시한 이미지(910)로부터 이미지(920)로의 전환을 만드는데, 장치가 줄들의 방향에 평행한 축을 중심으로 관찰자에 대하여 기울어져 있으므로 흑색 영역과 백색 영역이 반전되어 있다.
흑색 및 백색 줄(901, 902)은 그라비아 인쇄에 의해 기재에 적용되었다. 현미경의 망선을 사용하여 측정할 때, 흑색 줄들은 32미크론의 평균폭을 갖는 반면 백색 줄들은 31.5미크론의 평균폭을 갖는다는 것이 발견되었다. 흑색 줄들에 대한 32미크론의 평균값이 이미지 요소의 크기를 나타내는 척도 파라미터로서 취해졌다. (인쇄된 이미지 요소(901, 902) 상에 윤곽으로 겹쳐져서 도시된) 렌티큘(930)의 폭(W)은 63.5미크론으로 고정되었으며, 게이지 두께(t)는 식(2)의 표현을 사용하여 최적화되었다. 그 결과 이미지 요소들이 렌티큘의 공칭 초점거리에 위치하는 경우 게이지 두께가 대략 110미크론인 것과 비교하여 10미크론의 휨높이(s) 및 55.4미크론의 곡률반경(R)에서 90미크론의 최적 게이지 두께(t)가 생겼다.
상기 설계를 갖는 렌티큘의 초점크기가 이미지 요소 크기에 충분히 근접하여 원하는 플립핑 이미지 효과를 만들었는지를 점검하기 위해, 상기 파라미터들을 Zemax Devlopment Corporation에서 생산하여 ZEMAX라는 상표로 판매되고 있는 광학설계 소프트웨어의 광선추적 시뮬레이션에 입력하였다. 도 17(a) 및 도 17(b)에 도시한 상대적 조명 구상을 사용하여 초점크기를 결정할 수 있는데, 이 초점크기는 상대조명이 제로로 떨어지는 경우 각각 지점쌍(960a, 960b) 및 (961a, 961b) 사이의 거리이다. 축상 초점크기(951)는 대략 30미크론인 반면 축외 초점크기(952)는 대략 23미크론이라는 것을 알 수 있다. 따라서 축상에서 본 "평균" 이미지 요소는 초점크기의 6%-7% 내에 있을 것이다.
본 발명의 정신이나 범위로부터 벗어남 없이 전술한 실시형태들의 다양한 변형이 만들어질 수 있음을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 렌즈 어레이의 렌즈렛 구조들은 기재에 적용된 투명 또는 반투명 엠보싱가능층 속에 엠보싱되는 대신에 투명 또는 반투명 기재의 표면에 직접 엠보싱될 수 있다. 또한, 이미지 요소들을 형성하기 위해서는 인쇄가 바람직한 공정이지만, 이미지 요소들을 레이저 마킹에 의해서 형성될 수도 있다. 이 경우, 레이저원으로부터 레이저를 투명 또는 반투명 기재 또는 층을 통해 기재 또는 층의 일측면상으로 향하게 함으로써, 렌즈어레이가 형성된 후에 기재 또는 층의 반대측면상에 레이저감응표면을 표시하여 이미지 요소들을 형성할 수 있다.

Claims (39)

  1. 대물면에 다수의 이미지 요소의 상을 만들기 위한 렌즈어레이로서, 렌즈어레이는 이미지 요소들이 반대측면에 배치된 투명 또는 반투명 재료의 일측면 속이나 상에 형성된 다수의 렌즈렛을 포함하며, 렌즈어레이는 각 렌즈렛의 정점에서 대물면까지의 거리에 해당하는 게이지 두께를 가지며, 각 렌즈렛은 일련의 렌즈 파라미터를 가지며, 게이지 두께 및/또는 적어도 하나의 렌즈 파라미터는 대물면의 이미지 요소들의 크기와 실질적으로 동일하며 이미지 요소들의 크기와 소정 량만큼 다른 대물면내의 초점크기를 갖도록 최적화되는 것을 특징으로 하는 렌즈어레이.
  2. 대물면에 다수의 이미지 요소의 상을 만들기 위한 렌즈어레이의 제조방법으로서, 렌즈어레이는 다수의 렌즈렛을 포함하고, 렌즈어레이는 각 렌즈렛의 정점으로부터 대물면까지의 거리에 해당하는 게이지 두께를 갖는데, 상기 방법은:
    대물면의 적어도 일부에서 이미지 요소의 크기를 나타내는 척도 파라미터를 결정하는 단계,
    상기 척도 파라미터를 사용하여 게이지 두께 및/또는 각 렌즈렛에 대한 일련의 렌즈 파라미터중의 적어도 하나의 파라미터를 최적화하는 단계, 및
    상기 게이지 두께 및 상기 렌즈 파라미터를 갖는 렌즈어레이를 이미지 요소들이 투명 또는 반투명 재료의 반대측면에 배치되어 있는 투명 또는 반투명 재료의 일측면 속이나 상에 형성하는 단계를 포함하며,
    따라서, 렌즈렛은 이미지 요소의 크기와 실질적으로 동일하며 이미지 요소의 크기와는 소정 량만큼 다른 대물면 내의 초점크기를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 렌즈렛에 대한 일련의 렌즈 파라미터는 렌즈폭, 굴절률, 휨높이, 곡률반경, 코닉 파라미터(conic parameter) 및 아베수(Abbe number) 중에서 두 개 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 렌즈어레이 또는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 한 항에 있어서, 렌즈어레이의 게이지 두께는 이미지 요소의 크기 및 일련의 렌즈 파라미터에 대하여 최적화되는 것을 특징으로 하는 렌즈어레이 또는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 한 항에 있어서, 렌즈 파라미터는 이미지 요소의 크기 및 게이지 두께에 대하여 최적화되는 것을 특징으로 하는 렌즈어레이 또는 방법.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 렌즈어레이의 게이지 두께는 전체 렌즈렛의 초점길이보다 작은 것을 특징으로 하는 렌즈어레이 또는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중의 한 항에 있어서, 초점크기가 이미지 요소의 크기로부터 변하는 소정 량은 이미지 요소의 크기의 20% 이하인 것을 특징으로 하는 렌즈어레이 또는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중의 한 항에 있어서, 이미지 요소는 도트 또는 라인의 형태를 취하는 것을 특징으로 하는 렌즈어레이 또는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중의 한 항에 있어서, 이미지 요소들은 인쇄에 의해 투명 또는 반투명 재료의 반대측면상의 표면에 적용되는 것을 특징으로 하는 렌즈어레이 또는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중의 한 항에 있어서, 이지지 요소들은 레이저 마킹에 의해 투명 또는 반투명 재료의 반대측면상의 표면에 적용되는 것을 특징으로 하는 렌즈어레이 또는 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중의 한 항에 있어서, 렌즈어레이는 렌즈렛이 내부나 표면에 형성되는 제 1 면 또는 전면, 및 이미지 요소들이 적용되는 제 2 면 또는 후면을 갖는 투명 또는 반투명 폴리머 재료의 기재를 포함하는 것을 특징으로 하는 렌즈어레이 또는 방법.
  12. 제 9 항에 종속되는 제 11 항에 있어서, 다수의 인쇄된 도트들은 대물면의 기재의 제 2 면 또는 후면에 인쇄되는 것을 특징으로 하는 렌즈어레이 또는 방법.
  13. 제 9 항에 있어서, 기재상에는 다수의 인쇄 도트들이 인쇄되고, 기재는 렌즈어레이의 투명 또는 반투명 재료에 부착되는 것을 특징으로 하는 렌즈어레이 또는 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중의 한 항에 있어서, 렌즈렛은 투명 또는 반투명의 방사선 경화성 재료에 엠보싱 공정으로 형성되는 것을 특징으로 하는 렌즈어레이 또는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 방사선 경화성 재료는 투명 또는 반투명 재료로 형성된 기재에 적용되며, 기재와 방사선 경화성 재료의 결합 두께는 렌즈어레이의 게이지 두께에 대응하는 것을 특징으로 하는 렌즈어레이 또는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 기재 및 렌즈렛은 실질적으로 동일한 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 렌즈어레이 또는 방법.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중의 한 항에 있어서, 일련의 렌즈 파라미터는 렌즈렛의 각각에 대하여 동일한 것을 특징으로 하는 렌즈어레이 또는 방법.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중의 한 항에 있어서, 렌즈어레이의 일 영역 또는 다수 영역의 렌즈렛은 렌즈어레이의 다른 영역 또는 영역들의 렌즈렛과는 다른 렌즈 파라미터들을 갖는 것을 특징으로 하는 렌즈어레이 또는 방법.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중의 한 항에 있어서, 초점크기는 렌즈렛의 로브각(lobe angle) 내에서 하나 이상의 방향에 대하여 평균 내었을 때 이미지 요소의 크기와 실질적으로 동일하거나 이미지 요소의 크기와 소정 량만큼 다른 것을 특징으로 하는 렌즈어레이 또는 방법.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중의 한 항에 있어서, 각 렌즈렛은 원추형 곡선의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 렌즈어레이 또는 방법.
  21. 제 1 항 내지 제 19 항 중의 한 항에 있어서, 각 렌즈렛은 렌즈어레이의 면에서 회전대칭인 것을 특징으로 하는 렌즈어레이 또는 방법.
  22. 제 1 항 내지 제 21 항 중의 한 항에 있어서, 각 렌즈렛은 그 길이를 따라서 실질적으로 균일한 단면을 갖는 기다란 렌티큘인 것을 특징으로 하는 렌즈어레이 또는 방법.
  23. 다수의 렌즈렛을 포함하고 각 렌즈렛의 정점으로부터 대물면까지의 거리에 해당하는 게이지 두께를 갖는 렌즈어레이의 대물면에 다수의 이미지 요소의 상을 형성하기 위한 렌즈어레이의 설계방법으로서, 상기 방법은:
    대물면의 이미지 요소들의 크기를 나타내는 척도 파라미터를 평가하는 단계,
    각 렌즈렛에 대한 일련의 렌즈 파라미터를 선택하는 단계, 및
    상기 척도 파라미터를 사용하여 게이지 두께 및/또는 각 렌즈렛에 대한 일련의 렌즈 파라미터중의 적어도 하나의 렌즈 파라미터를 최적화시키도록 설계하는 단계를 포함하며, 각 렌즈렛은 이미지 요소의 크기와 실질적으로 동일하거나 이미지 요소의 크기와 소정 량만큼 다른 대물면에서의 초점크기를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서, 일련의 렌즈 파라미터는 굴절률, 휨높이, 렌즈폭, 곡률반경, 코닉 파라미터 및 아베수를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 23 항 또는 제 24 항에 있어서, 대물면의 적어도 일부의 이미지 요소의 크기를 측정하는 단계를 더 포함하며, 상기 척도 파라미터는 이미지 요소의 측정된 크기로부터 평가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 측정은 밀도계를 사용하여 실시되는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 25 항에 있어서, 상기 측정은 이미지 요소의 크기를 직접 측정함으로써 실시되는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 25 항 내지 제 27 항 중의 한 항에 있어서, 이미지 요소들은 교정 플레이트의 일부인 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제 25 항 내지 제 27 항 중의 한 항에 있어서, 척도 파라미터는 이미지 요소들의 크기의 평균 또는 최대치를 계산함으로써 평가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제 25 항 내지 제 28 항 중의 한 항에 있어서, 척도 파라미터는 강건한 추정치를 사용하여 평가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제 30 항에 있어서, 상기 강건한 추정치는 M 추정치인 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제 30 항에 있어서, 상기 강건한 추정치는 이미지 요소의 크기들의 중간, 상위사분위(upper quartile) 또는 사분위간(interquartile) 평균 중의 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 광학적 가변장치의 제조 방법으로서:
    기재를 제공하는 단계;
    대물면에 위치하는 이미지 요소들을 상기 기재에 적용하는 단계;
    이미지 요소들의 크기를 나타내는 척도 파라미터를 결정하는 단계; 및
    기재상의 투명 또는 반투명 재료에 다수의 렌즈렛을 형성하는 단계를 포함하며,
    각 렌즈렛은 이미지 요소의 크기와 실질적으로 동일하거나 이미지 요소의 크기와 소정 량만큼 다른 대물면에서의 초점크기를 갖도록 결정된 일련의 렌즈 파라미터들을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제 32 항에 있어서, 상기 척도 파라미터는 이미지 요소의 크기를 측정함으로써 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 기재 및 상기 기재 속이나 표면에 형성된 다수의 렌즈렛, 그리고 상기 기재 속이나 표면의 대물면에 위치하는 다수의 이미지 요소를 포함하는 광학적 가변장치로서, 각 렌즈렛은 이미지 요소의 크기와 실질적으로 동일하거나 이미지 요소의 크기와 소정 량만큼 다르도록 결정된 일련의 렌즈 파라미터들을 갖는 것을 특징으로 하는 광학적 가변장치.
  36. 제 33 항 내지 제 35 항 중의 한 항에 있어서, 렌즈렛은 각 렌즈렛의 초점거리보다 작은 게이지 두께를 갖는 렌즈어레이의 일부인 것을 특징으로 하는 방법 또는 장치.
  37. 제 1 항 내지 제 22 항 중의 한 항에 따른 렌즈 어레이를 포함하는 광학적 가변장치.
  38. 제 35 항 내지 제 37 항 중의 한 항에 따른 광학적 가변장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 보안문서.
  39. 제 38 항에 있어서, 상기 광학적 가변장치는 보안문서의 윈도우 또는 절반 윈도우 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 보안문서.
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