TWI402183B - 以利用形狀記憶材料之浮動影像壓片之微透鏡 - Google Patents

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Description

以利用形狀記憶材料之浮動影像壓片之微透鏡
本發明係關於提供一或多個合成影像的壓片。
具有一圖形影像或其他標記的壓片材料已受到廣泛利用，尤其係作為用於鑑別一物品或文件之標籤。例如，一傳統成像壓片利用曝露透鏡類型之一高增益回射壓片，其中影像係藉由透過一光罩或圖案的壓片之雷射照射而形成。該壓片包含複數個透明玻璃微球體，其係部分嵌入一黏結劑層並部分曝露於該黏結劑層上面，一金屬反射層係塗布於複數個微球體之各微球體的嵌入表面上。該黏結劑層包含碳黑，其在該壓片係成像時可最小化撞擊於該壓片上的任何雜散光。
藉由嵌入該黏結劑層的微透鏡之聚焦效應來進一步集中雷射束之能量。在且僅在從與雷射照射係導向該壓片實質上相同的角度查看該壓片之情況下可以查看形成於此回射壓片中的影像。換言之，其意味著該影像僅在一極為有限的觀察角度內可查看。
一般而言，此揭示內容說明由具有形狀記憶特徵之一形狀記憶聚合物材料形成之一壓片，該等形狀記憶特性引起該壓片回應一外部刺激在一第一狀態與一第二狀態之間轉變。該壓片在該形狀記憶聚合物材料之一表面上具有一微透鏡層。由於該形狀記憶聚合物材料之形狀記憶特性，可以在曝露於外部刺激之後旋即以一受控與可重複方式改變該等微透鏡之光學性質。例如，該壓片可以係成像以使得在適當視角查看時呈現一合成影像。該合成影像可以回應該外部刺激可見地"出現"或"消失"。此範例效應係由於該等微透鏡之一光學性質的改變所致，即由於該形狀記憶聚合物材料之轉變所致對微透鏡層之實體形狀的改變的結果。例如，當將該壓片曝露於一外部刺激(例如熱、溶劑或濕氣)時，該壓片從一第一實體狀態轉變至一第二實體狀態。該等微透鏡之一光學性質(例如焦距)回應藉由該形狀記憶聚合物材料所經歷之實體轉變而從一第一值改變至一第二值。
可以將本文說明的壓片用於各種應用。如一範例，可以將該壓片用作一被動感測器用於視覺上指示對於一給定溫度之曝露。如另一範例，該壓片可以作為一濕氣感測器、壓力感測器操作或可以感測一溶劑之存在。還可以將該壓片用作一安全特徵，其回應外部刺激而視覺上改變，從而確認黏貼該壓片之一物品的確實性。作為一安全特徵，可以將該壓片用於各種應用，例如鈔票、護照、駕駛執照、身份證、信用卡或其他安全文件。
在一具體實施例中，一壓片包含具有一微透鏡表面的一形狀記憶聚合物材料之層，其中該等微透鏡之各微透鏡與該壓片內的複數個影像之一者相關聯。該形狀記憶聚合物材料之層藉由從一第一狀態(其中該等微透鏡之一光學性質具有一第一值)轉變至一第二狀態(其中該等微透鏡之光學性質具有一第二值)來回應一外部刺激。
在另一具體實施例中，一方法包含將包括一形狀記憶聚合物材料之層的壓片形成為一永久形狀，其中該層具有一微透鏡表面，以及使該壓片成像使得微透鏡表面於該壓片內之位置形成影像。該方法進一步包括將該形狀記憶聚合物材料之層變形為一暫時形狀。
在另一具體實施例中，一物品具有黏貼於其之一壓片，其中該壓片包含具有一微透鏡表面的一形狀記憶聚合物材料之層，該等微透鏡由形成於該壓片內之位置的一或多個影像視覺上產生一合成影像。該形狀記憶聚合物材料之層藉由從一第一狀態(其中該等微透鏡之一光學性質具有一第一值)轉變至一第二狀態(其中該微等透鏡之光學性質具有一第二值)來回應一外部刺激。
附圖及以下說明中提出本發明之一或多個具體實施例的細節。從說明與附圖並從申請專利範圍將會明白本發明之其他特徵、目的及優點。
圖1A係一範例壓片10之放大斷面圖。在此範例中，壓片10包含具有第一與第二表面之一平凸或非球面基底薄片11，該第一表面具有實質上半球面或半非球面微透鏡14之一陣列而該第二表面12係實質上平面的。該基底薄片11係由一形狀記憶聚合物材料形成，如以下進一步詳細說明。在此第一具體實施例中，選擇該等微透鏡之形狀與該基底薄片11之厚度以使得入射至該陣列的準直光係大致聚焦於該第二面12。在該壓片10之第二面上提供一材料層16。在某些具體實施例中，材料層16可以係一輻射敏感材料。基底薄片11可以係透明、半透明或亞半透明的。
圖1B係包含一單一微透鏡層的微透鏡壓片20之放大斷面圖。在圖1B之所解說具體實施例中，壓片20包含具有第一與第二表面之一透明平凸或非球面壓片，該第一表面具有形成於其上的實質上半球面或半非球面微透鏡22之一陣列而該第二表面24係實質上平面的。該層26係由一形狀記憶聚合物材料形成，如以下進一步詳細說明。在此第二具體實施例中，選擇該等微透鏡22之形狀與該層26之厚度，以使得入射至該陣列的準直光係聚焦於該單一層26內部的區域28。層26之厚度至少部分取決於該等透鏡22之光學特性，例如該等透鏡聚焦光的距離。例如，可以利用在離透鏡之前面60 μm之一距離處聚焦光的微透鏡。在某些具體實施例中，層26之厚度可以在20至100 μm之間以使得該等微透鏡將光聚焦於層26內部。
圖1A至1B之壓片10與20的微透鏡較佳的係具有一影像形成折射表面以便發生影像形成；一般而言，此係藉由一彎曲微透鏡表面來提供。對於彎曲表面，該等微透鏡將較佳的係具有一均勻折射率。浸入空氣中的球面折射表面之影像焦距f 藉由以下表達式給出： 其中n 係包含該表面之材料的折射率，而R係該表面的曲率半徑。該折射率取決於材料之構成原子的電子性質並因此在不能改變該等原子之電子組態之情況下對於一特定波長之光係固定的。在此情況下，用於控制一折射表面的成像性質之一方法係透過改變該球面折射表面之曲率半徑(即形狀)。本揭示內容之技術提供一種機制用於在曝露於外部刺激或環境改變之後由一形狀記憶聚合物材料形成的微透鏡14與22之折射表面的形狀的受控改變。
可以將環境敏感微透鏡用作2006年4月6日申請的標題為"具有浮動的合成影像之壓片"的美國申請案第11/399,695號中說明的"浮動影像"壓片中的透鏡層，該美國申請案係2001年7月3日申請的美國申請案第09/898,580號之一部分延續，其係2000年2月22日申請的美國申請案第09/510,428號(目前係美國專利第6,288,842號)之一部分延續，各申請案的全部內容皆以引用方式併入本文中。因為在曝露於不同外部刺激之後可使該等微透鏡之光學性質(例如曲率半徑及焦距)旋即改變，故可以生產一壓片，其視覺上提供具有基於環境因素而可預測地改變的一外觀之一浮動影像。
儘管該等微透鏡表面較佳的係本質上係球面的，但非球面表面亦可接受。該等微透鏡可以具有任何對稱性(例如圓柱或球形的)，只要該等折射表面藉由材料降解、削剝、組合物改變或相變在材料層16內(圖1A)或於區域28(圖1B)形成真實影像。該等微透鏡可以由一複製或壓紋程序形成，其中在形狀上改變該壓片之表面以產生具有成像特性之一重複輪廓。
依據本發明之原理，該等微透鏡由一形狀記憶聚合物材料形成。即，在圖1A與1B之範例中，圖1A之基底壓片11或圖1B之層26由一形狀記憶聚合物材料形成。一般而言，形狀記憶聚合物材料係藉由實體地改變形狀回應外部刺激之聚合物。顯然，可以將形狀記憶聚合物材料形成為一"永久"形狀(本文稱為第二實體"狀態")，於高於一轉變溫度T trans 之一溫度變形為一暫時形狀(第一實體"狀態")並冷卻同時保持變形的形狀。在釋放之後，該材料將保持其暫時形狀直至其係曝露於高於T trans 之一溫度，於該點該材料轉變至該第二實體狀態並恢復其永久形狀。該形狀記憶材料之一成分(稱為"切換"段)決定該聚合物之永久與暫時形狀。高於該等切換段之T trans ，該等切換段係撓性的，可以使該聚合物變形。低於該等切換段之T trans ，該等切換段失去其可撓性。
可以藉由交聯聚合物結構來使所需形狀成為永久形狀。交聯可以係化學的或實體的。例如，藉由添加三或四功能反應物、e(electron；電子)束交聯或分解形成自由基(其開始最終交聯聚合物的側鏈)的過氧化物來交聯橡膠以防止流動。與纏結分子量相等或比其小的交聯之間的平均分子量較佳的係循環該結構而不由於流動所致而扭曲。
一較佳共價交聯的系統之一範例可以係基於乙烯共聚合物。減低聚乙烯晶體結構大小以針對一更清楚的虛擬影像而最小化光散射的任何共聚單體皆係合適的。可以採用電子束照射或過氧化物交聯，隨後加熱並冷卻成暫時形狀。當將該材料加熱至熔化溫度以上時，將恢復永久形狀。
實體交聯的聚合物係熱塑性彈性體之基礎。此等橡膠材料可以係射出成型並甚至藉由重新熔化來再次模製，與共價交聯的橡膠不同。塊體共聚合物可以係較佳的。某些範例係具有聚醇或聚酯軟段之聚胺酯硬段或具有聚烯烴軟段之聚苯乙烯硬段。為了此等類型之聚合物可用於此發明，該切換段之轉變溫度應低於該硬段之T g 或T m 。例如，聚酯切換段可以係基於聚己內酯的並在60℃附近熔化，而該聚胺酯硬段可以具有大約130℃之一玻璃轉變溫度。用於形成永久形狀之一實際溫度範圍係130℃與分解臨限溫度之間。用於形成暫時形狀之一實際範例係65至125℃並針對該形狀冷卻至50℃以下以允許該聚酯切換段結晶化。隨後重新加熱至60℃以上將熔化該等聚酯段並允許該永久形狀重新形成。
因此，該外部刺激可以係溫度之改變。或者，材料可以係設計成用以在曝露於一溶劑，曝露於濕氣，曝露於壓力改變或曝露於其他環境改變時改變狀態。例如，曝露於一溶劑可降低室溫以下的材料之有效T trans 。一形狀記憶材料之轉變溫度可以係該形狀記憶材料之熔化溫度T m 或玻璃轉變溫度T g 。儘管在整個此揭示內容中該轉變溫度係一般地稱為玻璃轉變溫度T g ，應明白該轉變溫度還可以係該材料之熔點T m 。此外，在某些具體實施例中，該形狀記憶聚合物材料可以具有多個轉變溫度。
舉例而言，形成該等微透鏡之形狀記憶聚合物可以係具有一聚(ε－己內酯)切換段之一聚胺酯；具有一聚(四氫呋喃)切換段之一聚胺酯；聚冰片烯；聚乙烯、乙烯共聚合物或利用離子化輻射共價交聯的其他聚合物(熱縮聚合物)；使用甲基丙烯酸酯端基功能化之一寡(ε－己內酯)二醇；或其他形狀記憶聚合物。如另一範例，該形狀記憶聚合物可以由以不同矽氧烷與丙烯酸酯之比率與一(甲基)丙烯酸酯單體共反應的具有不同功能性與一系列分子量之支化矽氧烷形成。例如，該支化矽氧烷可以係甲基丙稀酸基氧基脲矽氧烷(MAUS)、丙稀酸基胺基胺基矽氧烷(ACMAS)、甲基丙稀酸基胺基胺基矽氧烷(MACMAS)或甲基苯乙烯酸基脲矽氧烷(MeStUS)。而且舉例而言，該(甲基)丙稀酸酯單體可以係丙烯酸異冰片酯(IBA)、環己基丙烯酸酯、三甲基環己基丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸或丙烯酸第三丁酯。
在可見與紅外線波長內具有1.35與3.0之間之一均勻折射率的微透鏡可以係最有用的。適當的微透鏡材料將具有可見光之最小吸收，並且在將一能量源用於使一輻射敏感層成像的具體實施例中，該等材料還應展現該能量源之最小吸收。在圖1A所解說的範例具體實施例中，該等微透鏡14之折射能力較佳的係使得入射於折射表面上的光將折射並聚焦於每一微透鏡之相反側上，即該光將係聚焦於該等微透鏡之後表面12上或聚焦於與該等微透鏡14相鄰的材料16上。在該材料層16係輻射敏感之具體實施例中，該等微透鏡14較佳的係於該層之適當位置形成一去磁真實影像。大致100至800倍的影像去磁對於形成具有較佳解析度之影像尤其有用。
在該壓片內(例如微透鏡層中或與該等微透鏡相鄰之材料層上)提供影像圖案之一方式係利用一輻射源來使該壓片成像。咸信能夠提供具有200 nm與11微米之間之一波長的輻射的裝置尤其較佳。用於此發明的高峰值功率輻射源之範例包括準分子閃光燈、被動Q切換微晶片雷射、及Q切換釹摻雜之釔鋁石榴石(簡稱為Nd：YAG)、釹摻雜之釔鋰氟化物(簡稱為Nd：YLF)及鈦摻雜之藍寶石(簡稱為Ti：藍寶石)雷射。此等高峰值功率源最適用於輻射敏感材料，其透過削剝(即材料之移除)或在多光子吸收程序中形成影像。有用的輻射源之其他範例包括提供低峰值功率之裝置，例如雷射二極體、離子雷射、非Q切換固態雷射、金屬汽相雷射、氣體雷射、弧光燈及高功率白熾光源。當藉由一非削剝方法使輻射敏感媒體成像時，此等來源尤其有用。
為使圖1A之壓片10或圖1B之壓片20成像，將來自該輻射源之能量分別導向該等微透鏡14或22，並控制其提供一高發散的能量光束。依據此發明之一範例性成像程序由將準直光從一雷射透過一透鏡導向透鏡壓片組成。為產生具有一浮動影像之一壓片，如以下進一步說明，在一具體實施例中將光透射穿過具有一高數值孔徑(NA)之一發散透鏡以產生一高發散光錐體。例如，可以將具有等於或大於0.3之NA的透鏡用於特定具體實施例。
可以透過利用一強烈光源藉由描繪"物件"之輪廓或藉由利用一光罩來形成欲成像之"物件"。為了如此記錄之影像具有一合成態樣，來自該物件之光在一寬廣的角度範圍內輻射。當由一物件輻射之光來自該物件之一單一點並在一寬廣的角度範圍內輻射時，所有光線皆承載關於該物件之資訊(但僅來自該單一點)，儘管資訊係來自該光線之角度的透視。因為每一個別微透鏡佔據相對於光軸之一唯一位置，故撞擊於每一微透鏡上的光將具有相對於入射至每一其他透鏡上之光的一唯一入射角度。因而，將藉由每一微透鏡將光透射至該壓片之一唯一位置並產生一唯一影像。
更精確而言，在描繪該物件之輪廓的範例中，一單一光脈衝在該壓片中僅產生一單一成像點，故為提供與每一微透鏡相鄰之一影像，將多個光之脈衝用於由多個成像點產生該影像。對於每一脈衝，光軸位於相對於前一脈衝期間的光軸位置之一新的位置。相對於該等微透鏡的光軸位置之連續改變導致每一微透鏡上的入射角度之一對應改變，以及相應的藉由該脈衝產生於該壓片中的成像點之位置。因此，藉由該等微透鏡聚焦之入射光在該輻射敏感層中成像一選定圖案。因為每一微透鏡之位置相對於每一光軸係唯一的，故針對每一微透鏡形成於該輻射敏感材料中(或該等微透鏡本身中)的影像將不同於與每一其他透鏡相關聯之影像。
用於形成浮動合成影像之另一方法利用一透鏡陣列來產生高發散光以使該壓片成像。該透鏡陣列由配置成一平面幾何形狀的全部具有高數值孔徑的多個小透鏡組成。當藉由一光源照明該陣列時，該陣列將產生多個高發散光錐體，每一個別錐體處於其陣列中的對應透鏡之中心。由於該陣列之大小，藉由該等小透鏡形成之個別能量錐體將曝露該壓片，如在接收光之脈衝時一個別透鏡係依次定位於該陣列之所有點。何透鏡接收入射光之選擇係藉由利用一反射光罩來發生，該反射光罩具有對應於欲曝露的合成影像之區段的透明區域與不應曝露影像的反射區域。藉由使該光罩係藉由入射能量充分得到照明，允許能量通過的光罩之部分將形成許多個別高發散光錐體，其如藉由一單一透鏡描繪影像來描繪該浮動影像之輪廓。因此，僅需要一單一光脈衝來在該微透鏡壓片中形成整個合成影像。
當藉由一觀察者在反射或透射光下進行查看時，形成於該壓片中的該等個別影像提供看起來係懸浮或浮動於該壓片之上面、平面中及/或下面的合成影像。可將藉由以上成像技術形成之合成影像視為許多影像(部分或完整)加總在一起的結果，所有影像皆具有一真實物件之不同透視。許多唯一影像係透過一微型透鏡陣列加以形成，所有該等透鏡"看見"該物件或從一不同有利點成像。在該等個別微型透鏡後面，在該壓片中產生該影像之一透視，其取決於該影像之形狀與接收成像能量源之方向。然而，並非該透鏡看見的任何東西皆係記錄於該壓片中。僅將記錄藉由該透鏡看見的具有足夠能量來修改該壓片的影像或物件之部分。
浮動於該壓片之上的合成影像可以利用一光學成像技術來產生，該技術涉及一發散透鏡使得從該材料層透過該等微透鏡之各微透鏡並透過該發散透鏡返回而描繪之一假設"影像光線"集會在該壓片上面之一位置相會。以相同方式，浮動於該壓片之下的合成影像可以使用一光學成像技術來產生，該技術涉及一會聚透鏡使得從該材料層透過該等微透鏡之各微透鏡並透過該會聚透鏡返回而描繪之一假設"影像光線"集會在該壓片下面之一位置相會。
可以利用不要求材料層16(圖1A)係一輻射敏感材料的來形成該浮動合成影像之其他方法。例如，可以利用高解析度以油墨為主的印刷技術、微影蝕刻技術或所需結構之奈複製來在該材料層16上形成個別影像。該等個別影像可以係完整或部分完整影像，其中每一個別影像與一不同微透鏡相關聯，其在透過該等微透鏡查看時形成一合成影像。例如，該壓片可以採用摩爾放大之原理。例如，參見1998年1月27日發佈的Drinkwater等人的美國專利第5,712,731號。例如，一壓片可包括具有利用油墨印刷之成分以及如上述成像之成分的個別影像。在壓片涉及摩爾放大之某些具體實施例中，與該等微透鏡相關聯的個別影像之各影像可以係相同的。如另一範例，一高強度源可以藉由引起各微透鏡後面的材料層之光降解或碳化而係用於形成個別影像。
依據本發明之原理製造的合成影像可看起來係二維的(具有長度與寬度)並出現於該壓片之下面或平面中或上面；或三維的(具有長度、寬度及高度)。三維合成影像可以出現於僅該壓片之下面或上面或如所需處於該壓片之下面、平面中及上面的任一組合。
可以將圖1A與1B之壓片10與20用於各種應用。如一範例，可以將具有一形狀記憶聚合物材料並如所述成像的壓片用作一被動感測器用於視覺上指示對於一給定溫度之曝露。如另一範例，該薄片可以作為一濕氣感測器、壓力感測器操作或可以感測一溶劑之存在。還可以將該薄片用作一安全特徵，其回應外部刺激而視覺上改變，從而確認黏貼該薄片之一物品的確實性。作為一安全特徵，可以將該薄片用於各種應用，例如鈔票、護照、駕駛執照、身份證、信用卡或其他安全文件。
圖2係解說產生具有一由一形狀記憶材料形成之微透鏡層的一壓片之一範例方法的流程圖，該形狀記憶材料在曝露於一或多個外部刺激時可預測地改變該等微透鏡之光學性質。首先，由一形狀記憶聚合物材料來形成包含一微透鏡陣列之一壓片(30)。例如，可以藉由將一溶液壓鑄於具有一凹陷陣列之一工具上並藉由曝露於紫外(UV)光固化該溶液來產生具有一微透鏡陣列之一壓片。所得壓片可以分別類似於圖1A、1B之壓片10或壓片20。本文中此組態或第二狀態係稱為該壓片之"永久"形狀。接下來，在該壓片中形成一影像(32)。該影像可以係一合成影像(稱為一"虛擬"或"浮動"影像)，其係利用上述技術之一者加以形成。
在製造期間，可以接著將該壓片加熱至高於該形狀記憶聚合物之T g 的溫度，並接著以某一方式來使其實體變形(34)。如一範例，可以藉由將一壓縮力施加至該壓片來展平該壓片。該變形導致該等微透鏡之一光學性質(例如該等微透鏡之焦距)的改變。例如，當展平該壓片時，該等微透鏡之曲率半徑以及該焦距增加。由於該光學性質之改變，該虛擬影像可不再可見或可視覺上係改變。接著，該壓片係冷卻同時保持於變形的形狀(36)。此程序導致該壓片係固定於該暫時變形的形狀，其係稱為第一狀態。將該壓片固定於一暫時形狀之此程序係稱為"程式化"。
該壓片將保持展平的形狀直至再次將該壓片加熱至高於該形狀記憶聚合物之T g 的溫度(38)，於該點該壓片恢復其永久形狀(該第二狀態)(40)，並且該虛擬影像重新出現或返回其原始視覺外觀。例如，當處於該第一狀態時，該等微透鏡可具有50至70微米之間的曲率半徑，當處於該第二狀態時，該等微透鏡可具有20至35微米之間的曲率半徑。如另一範例，當處於該第一狀態時，該等微透鏡可具有450至600微米之間的焦距，當處於該第二狀態時，該等微透鏡可具有65至85微米之間的焦距。
圖3係解說具有由依據本發明之原理的形狀記憶材料形成之一微透鏡層的範例性壓片之溫度對時間特性的曲線圖。如圖3所示，於時間t 1 該壓片係使用一形狀記憶聚合物，於室溫T r 壓鑄成一永久形狀。該永久形狀包括一微透鏡陣列。於時間t 2 ，使該薄片成像以包括如上所述之一虛擬影像。於時間t 3 ，將該壓片加熱至高於該形狀記憶聚合物之T g 的溫度並藉由進行展平來變形成一暫時形狀。因此，該虛擬影像不再呈現。在t 3 與t 4 之間，將該壓片冷卻回至室溫T r 。該壓片現在保持其暫時形狀。於時間t 5 ，將該壓片加熱至T g 以上。接著，該壓片恢復其永久形狀並且該虛擬影像重新出現。因而，在此範例中，該虛擬影像從t 2 至t 3 係呈現的，從t 3 至t 5 不可見，並且在時間t 5 之後重新出現。
或者，可以使用除上述微透鏡之簡單展平以外的暫時成型。例如，可以採用具有不同於該等微透鏡之設計的壓紋輥或大小比例大於該等微透鏡之文字。在該等微透鏡各處皆係展平並且圖案甚至更深的情況下，該物件可看起來係一字母訊息或不具有浮動影像之一較大圖示。在加熱之後，較大影像可大幅度(或可能完全)旋即消失，同時該浮動影像出現。若該等壓紋之間的區域不干擾該等微透鏡，則可具有壓紋影像與該浮動影像兩者(根據干擾的微透鏡之比例而具有各種清楚程度)，其隨著該壓紋影像僅係一鬼影或可能完全消失而變成一更明顯的浮動影像。
圖4係解說產生具有由一形狀記憶材料形成之一微透鏡層的壓片之另一範例方法的流程圖。首先，由一形狀記憶聚合物材料形成一壓片(44)。在此範例中，可以將該壓片形成一實質上平坦形狀。該平坦形狀係該壓片之永久形狀。接著，將該壓片加熱至高於該形狀記憶聚合物之T g 的溫度並藉由使用一微透鏡陣列圖案壓紋來變形(46)。該壓片係冷卻，同時保持於該壓紋的形狀(48)。由於該壓紋，該壓片保持具有一微透鏡陣列之一暫時形狀。
接著，如上所述來使該壓片成像以便當於適當視角查看時該壓片產生一虛擬影像(50)。該壓片將保持該微透鏡陣列形狀直至再次將該壓片加熱至高於該形狀記憶聚合物之T g 的溫度(52)，於該點該壓片實質上恢復其永久平坦形狀(54)，並且該虛擬影像消失或視覺上改變。例如，當該壓片返回其平坦形狀時，由於該等微透鏡之一光學性質的改變(即曲率半徑及焦距)，該虛擬影像可不再可見。
例如，當處於該第一狀態時，該等微透鏡可具有20至35微米之間的曲率半徑；而當處於該第二狀態時，該等微透鏡可具有大於250微米的曲率半徑。如另一範例，當處於該第一狀態時，該等微透鏡可具有75至95微米之間的焦距，而當處於該第二狀態時，該等微透鏡可具有750至950微米之間的焦距。
圖5係解說具有由依據本發明之原理的形狀記憶材料形成之一微透鏡層的另一範例性壓片之溫度對時間特性的曲線圖。如圖5所解說，於時間t 1 ，該壓片係使用一形狀記憶聚合物於室溫T r 壓鑄成一永久形狀。於時間t 2 ，將該壓片加熱至高於該形狀記憶聚合物之T g 的溫度並藉由使用一圖案進行壓紋以在該壓片之一表面上形成一微透鏡陣列來變形至一暫時形狀。在t 2 與t 3 之間，將該壓片冷卻回至室溫T r 。該壓片現在保持其暫時形狀。於時間t 4 ，使該薄片成像以包括如上所述之一虛擬影像。
於一隨後時間t 5 ，將該壓片加熱至T g 以上。接著，該壓片實質上恢復其永久平坦形狀。因此，該虛擬影像消失。因而，在此範例中，該虛擬影像從t 4 至t 5 係呈現的並在時間t 5 之後消失。在某些具體實施例中，該壓片在係加熱至T g 以上之後可能不精確地返回原始形狀並可保持一微弱的微透鏡陣列形狀。然而，該虛擬影像仍可實質上消失，因為任何殘餘微透鏡形狀將不具有一實質上小曲率半徑來使該虛擬影像可見。
在圖3與5所說明的範例中，可以將該等壓片用作感測器來偵測與產生一視覺指示，其指示該壓片係曝露於一高於T g 的溫度。例如，可以將該壓片施加至一物品並用作一溫度感測器以當產品已曝露於一特定溫度時進行指示。如一範例，該物品可以係不應曝露於高溫之一藥品或一食品。該壓片可以由具有一接近可損壞該物品之溫度的T g 的形狀記憶材料形成。在圖3之範例中，該壓片可包括一虛擬影像，其具有一訊息或警告指示該物品已係曝露於一高溫並可能已係損壞或可能不適合消費。在此範例中，甚至當該壓片隨後返回一低於T g 的溫度時該虛擬影像持續，因為當該壓片已返回其永久實體狀態時該虛擬影像呈現。該虛擬影像可包括文字及/或圖形。在圖5之範例中，該壓片可包括一虛擬影像，其包含文字及/或圖形指示該物品一直未曝露於不合需要的條件(例如高溫)。在此情況下，當該壓片係曝露於一高溫時，該虛擬影像消失。甚至當該壓片隨後返回一低於T g 的溫度時，該虛擬影像不重新出現，因為該壓片已返回其永久實體狀態。
在某些具體實施例中，該壓片可用作一時間/溫度指示器，其指示該物品已係曝露於針對一對應累積時間量之範圍之一溫度範圍。例如，該形狀記憶聚合物可以係如此以使得曝露於一稍高於T g 之溫度一更長時間週期產生與曝露於一顯著高於Tg 之溫度一更短時間週期相同的效應。在對於一高於T g 之溫度的一累積曝露之後，形狀記憶效應將發生。
在其他範例具體實施例中，該壓片可指示對一溶劑之曝露。例如，當該壓片接觸一溶劑時，該溶劑可引起該等微透鏡膨脹，其可改變該等微透鏡之大小或形狀來引起該虛擬影像改變或消失。此外，該溶劑可降低該形狀記憶材料之有效T g ，在某些情況下降低至低於室溫之一溫度。在此範例中，在曝露於該溶劑之後該壓片可旋即表現得好像其已係高於該形狀記憶材料之T g ，並經歷上述之形狀記憶效應。在該溶劑之蒸發之後，該形狀記憶材料可旋即實質上回覆至其先前大小及/或形狀。該溶劑較佳的係不實質上損壞或溶解該形狀記憶材料。
在其他範例具體實施例中，該壓片可指示對一濕氣之曝露。例如，該壓片可由一親水材料形成，例如一親水丙烯酸酯。如另一範例，該壓片可由一親水水凝膠材料形成，例如聚乙烯氧化物或聚乙烯醇。如另一範例，該壓片可由一使用胺甲酸乙酯交聯的以水為主聚合物形成。例如，當該壓片接觸濕氣時，可以改變一光學性質，例如材料之折射率n 。如另一範例，在曝露於濕氣之後該等微透鏡之曲率半徑亦可旋即改變。
如上所述，可以將具有一寬廣範圍之T g 的各種形狀記憶材料用於形成本發明之壓片。可以根據該壓片之特定應用來選擇適當形狀記憶材料及其對應T g 。例如，該壓片可由具有一高轉變溫度(例如大於80℃且更特定言之在80至90℃之間或100至110℃之間)之一形狀記憶材料形成。在本揭示內容之原理的另一範例性應用中，當該壓片係由具有稍高於室溫之一T g 的形狀記憶聚合物形成時，可以藉由壓力與身體熱量之施加來使該虛擬影像消失及/或重新出現。在此情況下，該形狀記憶聚合物可具有25至35℃之間的轉變溫度。可以將此類壓片用作一安全特徵；例如，作為鈔票、身份證、駕駛執照、信用卡、護照及其他安全文件中之一驗證特徵。
現將藉由如本文說明所產生的三個範例壓片來解說本發明之原理。
範例1
圖6A至6C係解說依據本文說明的技術產生一微透鏡陣列的一第一實驗之結果的原子力顯微鏡(AFM)影像。將一5,000 MW支化聚矽氧(甲基丙稀酸基氧基脲終結的聚雙甲基矽氧烷)(5K MAUS)以40/60 w/w溶解於丙烯酸異冰片酯(IBA)以形成一溶液。接下來，將0.5 wt%的光起始劑DarocurTM 1173添加至該溶液。
將此溶液之一膜壓鑄於一5密爾厚的聚醯亞胺工具上。該工具包含藉由平坦部分準分子雷射加工(ELMoF)程序產生之一六邊形凹陷陣列(34微米間隔)。例如，對於該ELMoF程序之細節，參見Fleming等人的美國專利第6,285,001號(2001年9月4日)。該等凹陷具有30微米之直徑，並具有特徵為28.7微米曲率半徑與－0.745圓錐常數的球面形狀。該聚醯亞胺基板上的膜係使用一聚對苯二甲酸乙二酯(PET)之薄片覆蓋並藉由曝露於低強度紫外(UV)光10分鐘加以固化。圖6A係解說藉由此程序產生的所得微透鏡陣列的原子力顯微鏡(AFM)影像。該微透鏡陣列表示該膜(壓片)之永久形狀。
藉由於110℃針對一PET膜壓縮並隨後在壓力下冷卻至室溫來展平一塊微透鏡陣列。圖6B係解說變形的微透鏡陣列膜之AFM影像。該展平的微透鏡陣列膜表示該膜之暫時形狀。圖6A與6B所示的微透鏡之形狀的AFM分析表明鑄造狀態微透鏡之曲率半徑係大致23微米，而該等展平的微透鏡之曲率半徑係大致60微米。與該等鑄造狀態微透鏡相比較，該曲率半徑之此2.6倍的增加對該等展平的微透鏡之光學功率具有一顯著效果。
圖7A至7B係解說針對(A)該等鑄造狀態微透鏡之一透鏡與(B)該等展平的微透鏡之一展平的透鏡的光線追蹤模型(華盛頓州柏衛市的Zemax Development Corporation的Zemax光學設計程式)之結果的光線追蹤模型。圖8A至8B係針對(A)鑄造狀態微透鏡與(B)展平微透鏡之光學顯微圖。該模型表明該鑄造狀態透鏡應將可見光(λ＝550 nm)聚焦於距離該透鏡之前表面74.4微米的一近繞射限制光點。相反，如圖7B所示，於此距離的展平的透鏡之聚焦光點大小係該鑄造狀態透鏡的七倍大。此與圖8A至8B的光學顯微圖一致，該等圖顯示藉由該鑄造狀態透鏡陣列中的透鏡形成之焦平面係銳利明亮的光點，而該展平的透鏡陣列之相同平面的影像包含大許多的暗淡光點。
隨後將該展平的膜以一無約束組態加熱至110℃，從而導致圖6C所示之恢復的結構。圖9係解說使用AFM測量的一鑄造狀態微透鏡與一變形並接著熱恢復的微透鏡的表面輪廓之比較的曲線圖。應注意，在此等兩個透鏡之30微米的直徑內，其表面輪廓之差異至多大致200 nm，其指示初始形狀的優異恢復。此等結果指示可以將該材料併入一光學裝置，其可以根據其熱歷史來被動與可逆地改變其光學性能。在此範例中，該等微透鏡之光學性能係藉由熱與壓力所破壞，隨後藉由加熱該透鏡聚焦功率恢復。
範例2
在一第二具體實施例中，如範例1藉由聚合MAUS/IBA溶液來製造一平坦40/60 5K MAUS/IBA膜，在兩個PET膜之間使用一間隔物分離以控制厚度。利用範例1說明的聚醯亞胺工具以一微透鏡陣列圖案來壓紋所得膜。該壓紋程序涉及將該工具放置於放在一鋼板上之一襯墊上。將該MAUS/IBA膜放置於該工具上，其係使用另一PET膜與另一鋼板覆蓋。接著，將堆疊放置於一精密壓機中，預先加熱至110℃，按壓10分鐘，並接著在壓力下冷卻至室溫。將複製的膜之一部分以一無約束組態加熱至110℃之溫度10分鐘以將該膜恢復至其原始拓撲。
圖10A顯示此實驗中該等壓紋的微透鏡之AFM顯微圖而圖10B顯示在將該膜"恢復"至其原始平坦狀況之後的該等壓紋的透鏡之AFM顯微圖。該等透鏡形狀之AFM輪廓表明該等壓紋的透鏡之曲率半徑係大致29微米而"恢復"的透鏡之曲率半徑係該值的至少10倍。利用上面的等式1，該等壓紋的透鏡具有大致87微米之一焦距，相比較"恢復"至平坦狀況的該等透鏡具有870微米之一焦距。此範例顯示藉由利用MAUS/IBA膜，可以利用熱與壓力將功能微透鏡壓紋至一形狀記憶材料上，並且該等微透鏡在隨後對熱之曝露上經歷一光學功率之顯著改變。
範例3
藉由在包含一添加劑之一7密爾厚的聚碳酸酯膜上塗布形狀記憶微透鏡來形成一壓片，該添加劑在曝露於來自一Nd：YAG雷射(波長＝1064 nm)之光時變為黑色。使用一溶液來塗布該膜，該溶液包含重量百分比40%的聚矽氧樹脂(5K甲基苯乙烯酸基脲矽氧烷(MeStUS))與重量百分比60%的丙烯酸異冰片酯(IBA)。將Darocur 1173(0.5%)用作該光起始劑。針對塗層來按壓包含所需透鏡的藉由該ELMoF程序圖案化的一塊氟化聚醯亞胺工具並且透過該基板利用對於強度31.4毫瓦/cm2 及峰值波長371 nm的一微波驅動水銀燈之輸出的4分鐘曝露來固化該塗層。所得壓片包含由形狀記憶聚合物材料形成的30 μm直徑、60 μm焦距之形狀記憶透鏡。利用以1瓦特之平均輸出功率操作之一脈衝的Nd：YAG雷射(脈衝持續時間為1奈秒，脈衝頻率為1 kHz)透過該等微透鏡在雷射可雕刻聚碳酸酯膜中繪製浮動影像。藉由產生於該等微透鏡之各微透鏡後面的黑色微影像來形成該等浮動影像。
圖11A係在上述壓片之一樣本中繪製的三個範例性影像52之照片。該等影像係浮動/下沈方形與圓形。於280℉(137.8℃)在大小大致為3"×3"的兩個拋光鉻板之間以一16,000磅的力來按壓圖11A所示的成像的樣本壓片一分四十五秒。當從該壓機移除該樣本壓片時，該壓片保持展平的組態，並由於該等微透鏡之展平所致包含具有一清晰外觀的區域。在此等清晰區域中，該等浮動/下沈圓形與方形之浮動影像不再可見。
圖11B係該壓縮的樣本壓片之清晰區域之一者的照片。儘管該等浮動影像已消失，但該樣本壓片保持一微弱的2D(2 dimensional；2維)影像54，其顯示方形與圓形形狀。此係由於在該浮動影像寫入程序期間產生於該等微透鏡後面的黑色微影像所致。此等2D影像位於該等浮動影像之形狀中，故其給出一2D圖案之一微弱外觀，但不顯示為一浮動/下沈的浮動影像。當將該樣本壓片重新加熱至高於透鏡配方中的IBA成分之T g 的溫度時，該等原始微透鏡形狀恢復並且該等浮動影像52重新出現。圖11C係在重新加熱之後該樣本壓片之照片。
已說明本發明的各種具體實施例。此等及其他的具體實施例處於以下申請專利範圍的範疇內。
10．．．壓片
11．．．基底壓片
12．．．第二表面/後表面
14．．．微透鏡
16．．．材料層
20．．．壓片
22．．．微透鏡
24．．．第二表面
26．．．層
28．．．區域
圖1A至1B係由一形狀記憶材料形成之範例微透鏡壓片的放大斷面圖。
圖2係解說產生具有由一形狀記憶材料形成之一微透鏡層的壓片之一範例程序的流程圖。
圖3係解說具有由一形狀記憶材料形成之一微透鏡層的範例性壓片之溫度對時間特性的曲線圖。
圖4係解說程式化具有由一形狀記憶材料形成之一微透鏡層的壓片之一範例程序的流程圖。
圖5係解說具有由一形狀記憶材料形成之一微透鏡層的另一範例性壓片之溫度對時間特性的曲線圖。
圖6A至6C係解說一範例微透鏡陣列的原子力顯微鏡(AFM)影像。
圖7A至7B係解說針對一鑄造狀態透鏡與一展平透鏡的光線追蹤模型之結果的光線追蹤圖。
圖8A至8B係針對一鑄造狀態透鏡與一展平透鏡之光學顯微圖。
圖9係解說使用AFM測量的一鑄造狀態微透鏡與一變形並接著熱恢復的微透鏡的表面輪廓之比較的曲線圖。
圖10A係顯示範例性壓紋的微透鏡之AFM顯微圖。
圖10B係顯示依據本發明之原理將膜恢復至其原始平坦狀況之後的壓紋的透鏡之AFM顯微圖。
圖11A至11C係具有一浮動影像成像的樣本壓片之照片，該浮動影像在以一高溫壓縮該壓片時消失並在加熱該壓片時重新出現。
(無元件符號說明)

Claims (39)

  1. 一種壓片，其包含：具有一微透鏡表面的一形狀記憶聚合物材料之一層，其中該形狀記憶聚合物包含一具有一聚(甲基)丙烯酸酯切換段之一聚矽氧烷，其中該等微透鏡之各微透鏡與該壓片內的複數個影像之一者相關聯，且其中該形狀記憶聚合物材料之該層藉由從一該等微透鏡之一光學性質具有一第一值之第一狀態轉變至一該等微透鏡之該光學性質具有一第二值之第二狀態來回應一外部刺激。
  2. 如請求項1之壓片，其中該等微透鏡具有折射表面，其在該形狀記憶聚合物材料之該層處於該第一狀態或該第二狀態之一者時，將光透射至該壓片內的位置以由形成於該壓片內的影像產生一合成影像。
  3. 如請求項1之壓片，其中該等影像之至少一者係一部分完整影像，並且該等影像之各影像與該等微透鏡之一不同微透鏡相關聯。
  4. 如請求項1之壓片，其中與該等微透鏡相關聯的該等影像之各影像相同。
  5. 如請求項1之壓片，其中該外部刺激係大於該形狀記憶聚合物材料之一轉變溫度的一溫度。
  6. 如請求項5之壓片，其中該轉變溫度係一玻璃轉變溫度。
  7. 如請求項1之壓片，其中該外部刺激係一溶劑或濕氣。
  8. 如請求項1之壓片，其中該形狀記憶聚合物材料包含與一(甲基)丙烯酸酯單體共反應的一支化矽氧烷。
  9. 如請求項8之壓片，其中該支化(telechelic)矽氧烷包含甲基丙稀酸基氧基脲矽氧烷(MAUS)、丙稀酸基胺基胺基矽氧烷(ACMAS)、甲基丙稀酸基胺基胺基矽氧烷(MACMAS)及甲基苯乙烯酸基脲矽氧烷(MeStUS)之一者。
  10. 如請求項8之壓片，其中該聚(甲基)丙烯酸酯包含一(甲基)丙稀酸酯單體，該單體包含丙烯酸異冰片酯、環己基丙烯酸酯、三甲基環己基丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸及丙烯酸第三丁酯之一者。
  11. 如請求項1之壓片，其中該光學性質係該等微透鏡之一焦距，以及其中當該形狀記憶聚合物材料之該層從一第一實體狀態轉變至一第二實體狀態時，該等微透鏡之一曲率半徑改變。
  12. 如請求項11之壓片，其中該等微透鏡具有折射表面，其在該層處於該第二狀態時將光透射至該壓片內的位置，以由形成於形狀記憶聚合物材料之該層內的該等影像產生一合成影像，其中該焦距之該第一值處於450至600微米之間，以及其中該焦距之該第二值處於25至85微米之間。
  13. 如請求項11之壓片，其中該等微透鏡具有折射表面，其在該層處於該第一 狀態時將光透射至該壓片內的位置，以由形成於形狀記憶聚合物材料之該層內的該等影像產生一合成影像，其中該焦距之該第一值處於25至125微米之間，以及其中該焦距之該第二值處於750至950微米之間。
  14. 如請求項1之壓片，其中該合成影像包括文字或圖形之至少一者。
  15. 如請求項1之壓片，其中該合成影像包括一警告，其指示已施加該壓片之一物品可能已受到損壞。
  16. 如請求項1之壓片，其中該形狀記憶聚合物材料之一轉變溫度大於80℃。
  17. 如請求項1之壓片，其中該形狀記憶聚合物材料之一轉變溫度在25至35℃之間。
  18. 如請求項1之壓片，其進一步包含與形狀記憶聚合物材料之該層相鄰佈置並與該微透鏡表面相反的一材料層，其中該等微透鏡在該材料內形成一或多個影像，且其中該等微透鏡具有折射表面，其將光透射至該材料之位置以由形成於該材料內的該等影像產生該合成影像。
  19. 如請求項18之壓片，其中該材料層係一輻射敏感材料。
  20. 如請求項1之壓片，其中該等微透鏡在該形狀記憶聚合物材料之該層內形成該一或多個影像，且其中該等微透鏡具有折射表面，其將光透射至該層之位置以由形成於該層內的該等影像產生該合成影像。
  21. 一種壓片，其包含：具有一微透鏡表面的一形狀記憶聚合物材料之一層， 其中該形狀記憶聚合物材料包含具有一聚(ε-己內酯)切換段之一聚胺酯、具有一聚(四氫呋喃)切換段之一聚胺酯、聚冰片烯、共價交聯的聚乙烯或乙烯共聚合物、及使用一甲基丙烯酸酯端基功能化之一寡(ε-己內酯)二醇之一者，其中該等微透鏡之各微透鏡與該壓片內的複數個影像之一者相關聯，且其中該形狀記憶聚合物材料之該層藉由從一該等微透鏡之一光學性質具有一第一值之第一狀態轉變至一該等微透鏡之該光學性質具有一第二值之第二狀態來回應一外部刺激。
  22. 一種方法，其包含：將包括一形狀記憶聚合物材料之一層的一壓片形成於一永久形狀，其中該層具有一微透鏡表面，其中該形狀記憶聚合物包含一具有一聚(甲基)丙烯酸酯切換段之一聚矽氧烷；使該壓片成像使得該微透鏡表面於該壓片內之位置形成影像；以及將該形狀記憶聚合物材料之該層變形為一暫時形狀。
  23. 如請求項22之方法，其中使該壓片成像包含使該壓片成像以針對該等微透鏡之各微透鏡形成該等影像之一者，其中該等影像之至少一者係一部分完整影像。
  24. 如請求項22之方法，其中使形狀記憶聚合物材料之該層變形包含： 藉由於大於該形狀記憶聚合物材料之一轉變溫度的一溫度展平該微透鏡表面將該形狀記憶聚合物材料之該層變形為一暫時形狀；以及冷卻該壓片同時使該壓片變形。
  25. 如請求項22之方法，其中當冷卻該壓片之後將該壓片加熱至高於該形狀記憶聚合物材料之該轉變溫度的一溫度時，該壓片從該暫時形狀轉變至該永久形狀。
  26. 如請求項22之方法，其中使該壓片成像包含在使形狀記憶聚合物材料之該層變形之前在該永久形狀中使該壓片成像。
  27. 如請求項22之方法，其中使該壓片成像包含在使形狀記憶聚合物材料之該層變形之後在該暫時形狀中使該壓片成像。
  28. 一種物品，其具有黏貼於其之一壓片，其中該壓片包含：一形狀記憶聚合物材料之一層，其具有一微透鏡表面，其由形成於該壓片內之位置的一或多個影像視覺上產生一合成影像，其中該形狀記憶聚合物包含一具有一聚(甲基)丙烯酸酯切換段之一聚矽氧烷，且其中該形狀記憶聚合物材料之該層藉由從一該等微透鏡之一光學性質具有一第一值之第一狀態轉變至一該等微透鏡之該光學性質具有一第二值之第二狀態來回應一外部刺激。
  29. 如請求項28之物品，其中該壓片視覺上指示該物品對於 濕氣、一壓力或一溫度之一者的曝露。
  30. 如請求項28之物品，其中該物品係一鈔票、一護照、一駕駛執照、一身份證、一信用卡或一安全文件之一者。
  31. 一物品具有黏貼於其之一壓片，其中該壓片包含：具有一微透鏡表面的一形狀記憶聚合物材料之一層，該等微透鏡由形成於該壓片內之位置的一或多個影像視覺上產生一合成影像，其中該形狀記憶聚合物材料包含具有一聚(ε-己內酯)切換段之一聚胺酯、具有一聚(四氫呋喃)切換段之一聚胺酯、聚冰片烯、共價交聯的聚乙烯或乙烯共聚合物、及使用一甲基丙烯酸酯端基功能化之一寡(ε-己內酯)二醇之一者，且其中該形狀記憶聚合物材料之該層藉由從一該等微透鏡之一光學性質具有一第一值之第一狀態轉變至一該等微透鏡之該光學性質具有一第二值之第二狀態來回應一外部刺激。
  32. 如請求項31之物品，其中該壓片視覺上指示該物品對於濕氣、一壓力或一溫度之一者的曝露。
  33. 如請求項31之物品，其中該物品係一鈔票、一護照、一駕駛執照、一身份證、一信用卡或一安全文件之一者。
  34. 一種方法，其包含：將包括一形狀記憶聚合物材料之一層的一壓片形成於一永久形狀，其中該層具有一微透鏡表面，其中該形狀記憶聚合物材料包含具有一聚(ε-己內酯)切換段之一聚胺酯、具有一聚(四氫呋喃)切換段之一聚胺酯、聚冰片 烯、共價交聯的聚乙烯或乙烯共聚合物、及使用一甲基丙烯酸酯端基功能化之一寡(ε-己內酯)二醇之一者；使該壓片成像使得該微透鏡表面於該壓片內之位置形成影像；以及將該形狀記憶聚合物材料之該層變形為一暫時形狀。
  35. 如請求項34之方法，其中使該壓片成像包含使該壓片成像以針對該等微透鏡之各微透鏡形成該等影像之一者，其中該等影像之至少一者係一部分完整影像。
  36. 如請求項34之方法，其中使形狀記憶聚合物材料之該層變形包含：藉由於大於該形狀記憶聚合物材料之一轉變溫度的一溫度展平該微透鏡表面將該形狀記憶聚合物材料之該層變形為一暫時形狀；以及冷卻該壓片同時使該壓片變形。
  37. 如請求項34之方法，其中當冷卻該壓片之後將該壓片加熱至高於該形狀記憶聚合物材料之該轉變溫度的一溫度時，該壓片從該暫時形狀轉變至該永久形狀。
  38. 如請求項34之方法，其中使該壓片成像包含在使形狀記憶聚合物材料之該層變形之前在該永久形狀中使該壓片成像。
  39. 如請求項34之方法，其中使該壓片成像包含在使形狀記憶聚合物材料之該層變形之後在該暫時形狀中使該壓片成像。
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