显现浮动合成图像的薄片 【技术领域】
本发明涉及薄片，所述薄片提供在相对薄片悬浮的空间中被观察者感知的一个或多个合成图像，其中，合成图像的透视效果随观察角度而变化。
背景技术
具有图形图像或其它标记的薄片材料被广泛使用，特别是用于鉴别物品或文件的标签。例如，诸如美国专利3,154,872；3,801,183；4,082,426；和4,099,838中所描述的薄片用作确认粘贴标签，用于车辆牌照，以及驾驶执照，政府文件，盒式磁带，扑克牌，饮料罐等等的防伪薄膜。其它应用包括用于标识目的的图像应用，诸如警车，消防车或其它应急车辆，或在广告和宣传展示品种和作为使商标突出的区别标签。
在美国专利4,200,875(格兰纳(Galanos))中揭示了另一种图像薄片。格兰纳(Galanos)揭示了特别的“暴露透镜型高增益反光薄片”应用，其中通过遮光板或图案由激光对薄片照射形成该图像。该薄片包括部分嵌入粘合层并且部分暴露在粘合层外的多个透明玻璃微球体，并且在这些微球体中的每一个的嵌入表面上涂覆有金属反射层。粘合层包括碳黑，当它成像时，碳黑会减小入射到薄片上的任意杂散光。激光束能量由嵌入粘合层的微球体的聚焦效果进一步集中。
如果并且只有如果从激光照射在薄片的相同角度观察时，才能看见在Galanos的反光薄片中形成地图像。换句话说，这意味着只有在非常有限的观察角度中才能看见图像。为了那个和其它的原因，需要提高这种薄片的某些特性。
在1908年，Gabriel Lippman发明了在有一层或更多层的光敏层的透镜状介质中产生景像的真实三维图像的方法。在1984年，在圣地亚哥召开的SPIE的会议录中De Montebello的“Processing and Display of Three-Dimensional DataII”中描述了那个称作集成照片的工艺。在Lippman的方法中，照片底片通过透镜阵列(或“小透镜”)曝光，使得当从小透镜所占据的薄片点的投影观察时，阵列中的各个小透镜把正在再现的景像的微小图像发射到照片底片上的光敏层。在已经使照片底片显影后，通过小透镜阵列观察底片上合成图像的观察者看见照片景象的三维图像。根据所用的光敏材料，图像可以是黑白或是彩色的。
因为在底片的曝光过程中，由小透镜形成的图像只经过每个微小图像的一次反转，所以所产生的三维图像是幻视镜的。那就是，图像的透视深度是反转的，所以物体表现为“从里向外翻”。这是主要的缺点，因为为了纠正图像需要完成两次光学反转。这些方法是复杂的，包括用单个照相机或多个照相机，或多透镜照相机的多次曝光，以记录相同物体的多个视图，并且需要多个图像的非常精确的记录以提供单个三维图像。另外，依赖于常规照相机的任意方法需要在照相机前存在实物。这进一步反映了不适宜于产生虚拟物体的三维图像(指在效果上存在物体，而实际上不存在)的方法。集成照片的另一个缺点是必需从观察侧照射合成图像来形成可以被观察到的实像。
【发明内容】
本发明提供一种微透镜薄片，它具有在薄片的上面或下面悬浮地出现的合成图像。为了方便把这些悬浮图像称作浮动图像，它们可以位于薄片的上面或下面(也可以是两维或三维图像)，或可以是出现在薄片上面，在薄片中，或是在薄片下面的三维图像。图像可以是黑白色或是彩色的，可以随着观察者的移动而出现。与一些全息图像薄片不同，本发明的成像薄片不能用于产生它自己的复制品。另外，观察者可以用肉眼观察浮动图像。
具有所述合成图像的本发明的薄片可以用于各种应用，诸如护照上的防止窜改保密图像，身份证，入场券(event passes)，结婚(affinity)证，产品鉴别格式和用于检验和鉴别的广告宣传，提供浮动或下沉的商标突出图像或浮动和下沉的商标突出图像，在图形应用(诸如用于警察，火警或其它急救车辆的标记)中的标识表示图像；在图形应用(诸如公用电话亭，夜间标记和汽车仪表板显示)中的信息表示图像；通过在产品(诸如商业卡，悬挂标签，工艺，鞋类和瓶类产品)上使用合成图像的新产品的突出。
本发明进一步提供了形成包含所需合成图像的成像薄片的新颖手段方法。在一个实施例中，形成了单个合成图像。也揭示了形成两个或更多个合成图像的一些实施例，以及合成图像出现在薄片的上面和下面的一些实施例。其它的实施例可以包括通常的印刷图像和本发明所形成的合成图像的组合。
【附图说明】
在这里将参考附图描述本发明，其中：
图1是“暴露透镜”微透镜薄片的放大的横截面图；
图2是“嵌入透镜”微透镜薄片的放大的横截面图；
图3是包含平凸基本薄片的微透镜薄片的放大的横截面图；
图4是表示碰撞到由微球体构成的微透镜薄片上的发散能量的图形表示；
图5是描述记录在邻近单个微球体的材料层中的取样图象的微透镜薄片部分的平面图，并且进一步示出了从合成图像的完整复制到部分复制的记录图像；
图6是根据本发明的微透镜薄片的光学显微照片，所述薄片具有由铝薄膜制造的辐射灵敏材料层并且已经成像而提供好象浮动在薄片上面的合成图像；
图7是根据本发明的由铝薄膜制造的辐射灵敏材料层的微透镜薄片的光学显微照片，它已经成像而提供好像浮动在薄片下面的合成图像；
图8是好像浮动在微透镜薄片上面的合成图像形成的几何光学表示图；
图9是当在反射光中观察薄片时，具有好像浮动在本发明的薄片上的合成图像的薄片示意表示图；
图10是当在透射光中观察薄片时，具有好像浮动在本发明的薄片上的合成图像的薄片示意表示图；
图11是当观察到好像浮动在微透镜薄片下时的合成图像的形成的几何光学表示图；
图12是当在反射光中观察薄片时，具有好像浮动在本发明的薄片下的合成图像的薄片的示意表示图；
图13是当在透射光中观察薄片时，具有好像浮动在发明的薄片下的合成图像的薄片的示意表示图；
图14描述了产生用于形成本发明合成图像的发散能量的光脉冲。
图15描述了产生用于形成本发明合成图像的发散能量的第二光脉冲；和
图16描述了产生用于形成本发明合成图像的发散能量的第三光脉冲。
【具体实施方式】
本发明的微透镜薄片提供了合成图像，这是由许多结合看起来是悬挂或浮动在薄片的平面上，平面中或平面下面的微透镜的单个图像所提供的。
为提供本发明中的合成图像，在下面的第一部分中将描述微透镜薄片，接着描述第二部分中这样薄片的材料层(较佳是辐射灵敏材料层)，第三部分中是辐射源，第四部分中的图像处理。还提供了几个样品来进一步解释本发明的不同实施例。
I.本发明的图像可以形成于这样的微透镜薄片中，该微透镜薄片包括一个或更多的分立微透镜层，并且邻近微透镜层的一侧沉积一层材料(最好是将在下面描述的辐射灵敏材料或涂层)。例如，图1示出了“暴露透镜”类型的微透镜薄片10，它包括部分嵌入粘合层14的单层透明微球体12，其中粘合层一般是聚合物材料。微透镜对于幅射波长(可以用于在材料层中成像)和光波长(在所述光中将观察合成图像)两者都是透明的。使材料层16沉积在各个微透镜的后表面，在示出的实施例中，典型地只与各个微球体12的一部分表面接触。这类薄片在美国专利2,326,634中更详细地描述，并且现在从3M可得到，其牌号为Scotchlite8910系列反射结构。
图2示出另一个合适的微透镜薄片类型。这个微透镜薄片20是“嵌入式透镜”型薄片，其中把微球体透镜22嵌入在透明保护外涂层24中，该涂层是典型的聚合物材料。使材料层26沉积在透明衬垫层28的背后的微球体后面，其中透明衬垫层也是聚合物材料。这类薄片在美国专利3,801,183中详细描述并且现在已在3M的Scotchlite3870系列标记下的高强度等级反光薄片中应用。
图3示出另一个合适类型的微透镜薄片。这个薄片包括有第一和第二宽表面的透明平-凸面或非球面基层20，第二表面32基本上是平面的，并且第一表面有基本上是半球体的或是半非球体的微透镜34的阵列。选择微透镜的形状和基层的厚度使得入射到阵列上的准直光大约在第二表面上聚焦。在第二表面上提供材料层36。例如，在美国专利5,254,390中描述这类薄片，并且现在已在3M的2600系列标记下的3M保密卡接收器中应用。
薄片的微透镜最好有在折射表面是形成的图像，以便发生成象；通常这是由弯曲的微透镜表面提供的。对于弯曲表面，微透镜最好有均匀的折射率。提供渐变折射率(GRIN)的其它有用材料不必需要弯曲表面来折射光。微透镜表面最好是球面特性的，但是也可以接受非球面表面。只要折射表面形成实像，微透镜可以有诸如圆柱或的任意对称性。微透镜本身可以是分立的形式，诸如圆形平-凸小透镜，圆形双凸小透镜，棒，微球体，圆珠，或圆柱小透镜。形成微透镜的材料包括玻璃，聚合物，矿石，晶体、半导体以及这些和其它材料的组合物。也可以使用不分立的微透镜元件。这样，也可以使用由折弯或压纹(embossing)工艺(在那里改变薄片表面的形状来产生有图像特性的重复分布)形成的微透镜。
在可见光和红外光波长上的均匀折射率在1.5和3.0之间的微透镜最为有用。适宜的微透镜材料对可见光吸收最小，并且在使用能量源使使辐射灵敏层成像的实施例中，材料应该展现对能量源的吸收最小。无论微透镜是分立的或是折弯的，也无论微透镜是用那种材料制造的，微透镜的折射能量最好使入射到折射表面的光折射并且在微透镜的另一侧聚焦。更具体地说，光会聚焦在微透镜的后表面或在邻近微透镜的材料上。在材料层是辐射灵敏的实施例中，微透镜较适宜在那层的合适位置处形成缩小的实像。图像缩小大约100到800倍对形成有好的分辨率的图像特别有用。在这节前面所述的美国专利中描述微透镜薄片结构，以提供必要的聚焦条件使得入射到微透镜薄片前表面的能量聚焦在最好是幅射灵敏的一个材料层上。
拥有从15微米到275微米的直径范围的微透镜是较适宜的，虽然其它尺寸的微透镜也可以使用。对于好象离开微球体展的距离相当近的合成图像，使用具有在上述范围较小端的直径的微球体可以得到优良的合成图像分辨率，对于好象离开微球体层的距离相当较远的合成图像，使用较大的微球体可以得到优良的合成图像分辨率。可以期望其它微透镜(诸如平一凸形，圆柱形，球面形或非球面形微透镜，它们具有与微球体所表示的小透镜尺寸可比拟的小透镜尺寸产生相似的光学结果。
II.材料层
如上所述，在邻近微透镜处提供材料层。当观察者在反射光或透射光下观察时，在与多个微透镜相关联的材料中形成的单个图像提供一种合成图像，所述合成图像好象悬挂或浮动在薄片上面，薄片的平面中和/或薄片的下面。虽然可以使用其它方法，但是提供这样图像的较佳方法是提供辐射灵敏材料作为材料层，并且使用辐射需要方式来改变材料以得到图像。这样，虽然本发明不仅限于此，但是将大部分在辐射灵敏材料层的情况中提供邻近微透镜的材料层的其余的讨论。
对于本发明有用的辐射灵敏材料层包括金属聚合物和半导体材料以及它们的混合物的涂层和薄膜。作为本发明的参考，如果用给定等级的可见光或其它的辐射形式使材料而经曝光的材料外貌曝光，改变为与未曝光于该幅射的材料形成对比度，则该材料是“辐射灵敏的”。这样产生的图像可以是材料移去或消融，金相变化，或辐射灵敏度涂层的聚合的合成变化的结果。这些辐射灵敏金属薄膜材料的例子包括铝，银，铜，金，钛，锌、锡、铬，钒，钽，和这些金属的合金。这些金属一般形成由于金属的自然颜色和在辐射曝光后的金属改变颜色间的差别而引起的对比度。如上所述，通过消融或由辐射加热材料直到材料的光学变化而形成图像为止，也可以提供该图像。例如，美国专利4,743,526描述了加热金属合金以提供颜色变化。
除了金属合金之外，也可以使用金属氧化物和金属次氧化物作为辐射灵敏介质。这类材料包括由铝，铁，铜，锡和铬形成的氧化物。非金属材料。(诸如硫化锌，硒化锌，二氧化硅，氧化锡铟，氧化锌，氟化镁和硅)也可以提供对于本发明有用的颜色和对比度。
还可以使用多层薄膜材料以提供独特的辐射灵敏材料。能够配置这些多层材料提供外貌的对比度改变或除去一种颜色或对比介质。实例结构包括设计成由特定辐射波长成像(例如，通过颜色的变化)的光学叠层或可调谐腔。美国专利3,801,183中描述了一个特定例子，它揭示了把冰晶石/硫化锌(Na3AlF6/ZnS)用作绝缘镜。另一个实例是由铬/聚合物(诸如丁二烯聚合的等离子体)/二氧化硅/铝组成的光学叠层，这些层的厚度是：对铬为4nm，对聚合物是20nm和60nm之间，对二氧化硅是20nm和60nm之间，对铝是80nm和100nm之间，在其中，选择单一层厚度来提供在可见光谱中的特定颜色反射率。薄膜可调谐腔可以与上述任意单层薄膜一起使用。例如，具有约4nm厚的铬层，和大约100nm和300nm之间的二氧化硅层的可调谐腔，根据特定幅射波长调节二氧化硅层的厚度以提供颜色图像。
对发明有用的辐射灵敏材料也包括热色性材料。“热色性”描述了一种材料，当把它暴露在变化的温度中时，它的颜色也变化。在本发明中有用的热色性材料的例子由美国专利4,424,990描述，并且包括碳酸铜，具有硫脲的硝酸铜，以及具有含硫化合物的碳酸铜，所述含硫化合物诸如硫醇，硫醚，亚砜，和砜。美国专利4,121,011描述了其它合适的热色性化合物的例子，包括了硫酸盐氢氧化物，氮化硼，铝，和铋，以及硼的氧化物和氢氧化物，铁和磷。
自然地，如果不打算使用辐射源使材料层成像，那么材料层可以，但不需要，是辐射灵敏的。但是，为了易于制造最好是辐射灵敏材料，因此也最好使用适宜的辐射源。
III.辐射源
如上所述，在邻近微透镜的材料层上提供图像图案的较佳方法是使用辐射源来使辐射灵敏材料成像。用本发明的方法可以使用提供所需强度和波长的幅射的任意能量源。相信能够提供波长在200nm和11微米之间的辐射的装置是特别适宜的。对本发明有用的高峰值功率辐射源的例子包括激发物闪光灯，被动调Q微芯片激光器，和调Q掺镱钕铝石榴石(缩写为Nd：YAG)，掺镱钕氟化锂(缩写为Nd：YlF)和掺蓝宝石钛(缩写为Ti：sapphire)激光器。这些高峰值功率源最适用于通过烧蚀形成图像的辐射灵敏材料，所谓烧蚀就是除去材料或是多光子吸收过程。其它有用辐射源的例子包括给出低峰值功率的装置，诸如激光二极管，离子激光器，非调Q固体激光器，金属蒸气激光器，气体激光器，弧光灯和高功率白炽光源。当使用非烧蚀方法使辐射灵敏介质成像时，这些光源特别有用。
对于所有有用的辐射源，把来自辐射源的能量引导到微透镜薄片材料并且被控制来给出高发散能量束。对于在电磁光谱的紫外，可见和红外部分的能量源，由合适的光学元件控制光，其例子如图14，15和16所示，并且在下面更详细地讨论。在一个实施例中，对光学元件的这种布置要求(通常是指光学系列)是指这样的光学系列，它通过合适的发散或扩散把光引向薄片材料，使得可以按所需角度照射微透镜和材料层。通过使用具有大于或等于0.3的数字孔径(定义为最大发散光线的半角的正弦值)光传播装置，较佳地得到本发明的合成图像。有较大数字孔径的光传播装置产生有较大视角的合成图像，和图像的较大范围的明显移动。
IV.成像工艺
根据本发明的一个示例成像工艺包括从激光器通过透镜把准直光引导向微透镜薄片。如下面所述，为了产生的有浮动图像的薄片，通过具有高数字孔径(WA)的发散透镜发射光以产生高发散光锥形。高NA透镜是指NA等于或大于0.3的透镜。微透镜的辐射灵敏涂层侧的位置远离透镜，使得锥形光的轴(光轴)垂直于微透镜薄片的平面。
因为每个单独的微透镜占据了相对于光轴的唯一位置，所以照射到每个微透镜的光相对于入射到每个其它微透镜上的光具有唯一的入射角度。这样，通过每个微透镜把光发射到材料层上的唯一位置，并且产生唯一的图像。更确切地说，单个光脉冲只在材料层上产生单个成像点，使得产生邻近各个微透镜的图像，使用多个光脉冲产生出自多个成像点的图像。对于每个脉冲，光轴位于相对于前一个脉冲的光轴位置的新位置处。这些相对于微透镜光轴位置的连续变化导致在每个透镜入射角上的相应变化，因此导致通过该脉冲在材料层中产生的成像点位置中的变化。作为结果，聚焦在微透镜背面的入射光使所选的图案在辐射灵敏层中成像。因为相对每个光轴每个微球体的位置是唯一的，所以对每个微球体，在辐射灵敏材料中相关联的图像与各个其它微透镜形成的图像不同。
用于形成浮动合成图像的另一个方法使用透镜阵列来产生高发散光以使微透镜材料成像。该透镜阵列包括布置在同一几何平面上的高数字孔径的多个小透镜。当光源照射该阵列时，该阵列会产生多个锥形高发散光，各个单独锥形以它们在阵列中的相应透镜为中心。选择阵列的物理尺寸来容纳合成图像的最大横向尺寸。依靠阵列的尺寸，由小透镜形成的单一能量锥形将照射微透镜材料，就象当接收光脉冲时把单个透镜连续地放置在阵列的所有点上。通过使用反射遮光板而发生哪个透镜接收入射光的选择。这种遮光板将有相当于暴露合成图像部分的透明区域和不暴露图像的反射区域。由于透镜阵列的横向延伸，所以不必使用多个光脉冲来描绘出图像。
通过使用由入射能量充分照射的遮光板，允许能量通过的部分遮光板将形成勾画出浮动图像的许多高发散光单一锥形，就象由单一透镜描绘出该图像一样。结果，在微透镜薄片中形成完整的合成图像只需要单个光脉冲。另一方面，作为反射遮光板的替换，可以使用诸如xy电流扫描计之类的光束定位系统局部照射透镜阵列，并且追踪在阵列上的合成图像。由于用本技术的能量是空间上局部化的，在任意给定时间，只照射阵列中很少小透镜。那些被照射的小透镜将产生使微透镜材料曝光以形成薄片中的合成图像所需要的的高发散光锥形。
用分立的小透镜或由蚀刻工艺可以制造透镜阵列本射以产生单块的透镜阵列。适用于透镜的材料是那些在入射能量波长不吸收的透镜。在阵列中的各个透镜最好具有大于0.3，以及直径大于30微米但是小于10mm。这些阵列可以有防反射涂层，它减小会导致透镜材料内部损伤的反光效应。另外，还可以使用有有效负聚焦长度和大小等于透镜阵列尺寸的单个透镜，以增加离开阵列的光的散射。选择在单块阵列中的各个透镜的形状，使之具有高的数值孔径，并且提供大约大于60％的大的填充因子。
图4是照射微透镜薄片上的发散能量的图形示意表示图。在形成图像I的材料层上或中的一部分对每个微透镜是不同的，因为每个微透镜“看见”从不同透视角度入射的能量。这样，在与每个微透镜相关联的材料层形成了唯一的图像。
在成像后，根据延伸物体的尺寸，特在每个微透镜后的辐射灵敏材料中出现物体的整个或部分图像。再现实际物体作为微球体后的图像的范围取决于入射到微透镜上的能量密度。一部分延伸物体可以充分地远离微透镜区域，入射到那些微球体上的能量的能量密度比修改材料所需的辐射程度低。而且，对于空间延伸的图像，当由固定NA透镜成像时，对于所有延伸物体的部分，不是所有薄片部分会被暴露到入射辐射中。作为结果，那些物体的部分不会在辐射灵敏介质中被修改并且只有部分物体的图像会出现在微透镜后。图5是描述了在邻近单个微球体的辐射灵敏层中形成的样品图像的一部分微透镜薄片的透视图，并且进一步示出从合成图像的完整折弯到部分折弯所记录的图像。图6和7是根据本发明成像的微透镜薄片的光学显微照片，其中，辐射灵敏层是铝层。这里所示的一些图像是完整的，其它是部分的。
也可以认为这些合成图像是包括部分和完整图像的许多相加在一起结果，所有这些都具有真实物体的不同透视图。通过最小透镜阵列形成许多唯一的图像，它们都从不同的有利点“看见”物体或图像。在各个最小透镜后面，根据图像的形状和图像能量源接收的方向产生在材料层中的图像透视。但是，不是透镜所看到的所有东西都记录在辐射灵敏材料中。只记录通过有足够能量来修改辐射灵敏材料的透镜看到的图像或物体部分。
通过使用强光源，追踪该“物体”的外形或使用遮光板，形成要成像的“物体”。对于这样记录的有合成外表的图像，来自物体的光必需在广阔的角度范围上幅射。当从物体辐射的光正来自物体的单个点，并且正在广阔的角度范围上幅射时，所有的光线都载有该物体的信息，虽然信息来自光线的透视角度，但信息只来自单个点。现在考虑为了得到由光线携带的，关于物体的相当完整的信息，光必需从构成物体的许多点的集合在广阔的角度范围上幅射。在本发明中，由插入在物体和微透镜材料之间的光学元件控制从物体发散的光线的角度范围。选择这些光学元件来给出产生合成图像所需要的最佳角度范围。光学元件的最佳选择导致了光锥形，从而锥形的顶点在物体位置处终止。最佳锥形角度约大于40度。
由最小透镜缩小物体，并且使来自物体的光聚焦到对着最小透镜后侧的能量灵敏涂层。在透镜后侧的聚焦点或图像的真实位置依赖于从物体的开始的入射光线的方向。从在物体上一点发射的光的各个锥形照射了一部分最小透镜，并且只有那些由充分能量照射的最小透镜会记录下物体上那点的永久图像。
使用几何光学描述根据本发明的不同合成图像的形成。如上所述，下面所述的成像过程是本发明的较佳的实施例，但不是唯一的。
A.产生浮动在薄片上面的合成图像
参考图8，把入射能量100(在这个例子中是光)引导到光散射体101上以使光源中的任意非均匀性均匀化。光准直器102捕获扩散的散射光100a和使之准直，光准直器102把均匀分布的100b引导到发散透镜105a。光线100c从发散透镜发散到微透镜薄片106。
照射在微透镜薄片106上的光线能量由单个微透镜111聚焦到材料层上(在示出的实施例中是辐射灵敏涂层112)。该聚焦能量更改辐射灵敏涂层112来提供图像，该图像的尺寸，形状和外貌取决于光线和辐射灵敏涂层之间互相作用的外观。
在图8中所示的布置可提供有合成图像的薄片，对于观察者所述合成图像好象浮动在薄片上，如下面所述，因为如果发散光线100c从透镜后部延伸，将在发散透镜的聚焦点108a处相交。换句话说，如果从材料层通过各个微透镜和通过发散透镜返回而追踪假设的“图像线”，则它们将在合成图像出现的108a处相交。
B.观察浮动在薄片上面的合成图像
使用从观察者相同侧照射到薄片上的光(反射光)，或从观察者相对侧照射到薄片上的光(透射光)，或两者兼而有之，可以观察到有合成图像的薄片。图12是当在反射光下观察时，对于观察者A的肉眼好象浮动在薄片上面的合成图像的示意表示图。例如，可以把肉眼校正为正常视力，而没有另外的放大镜或专用观察器的帮助。当由准直或散射的反射光照射成像薄片时，光线按光线所射到的材料层确定的的一种方法从成像薄片反射。通过定义，在材料层中形成的图像与材料层的非成像部分不同，因此可觉察这个图像。
例如，由材料层可以使光L1反射回到观察者。但是，材料层不会把光L2反射回观察者，或根本不会来那里的自成像部分。这样，在108a处观察者可以探测到缺少光线，光线的总和在108a处产生好象浮动在薄片上面的合成图像。简而言之，光可以从除了成像部分之外的整个薄片反射，这意味着在108a处将是明显的相当暗的合成图像。
相应地不成像的材料也可能吸收或透射入射光，并且成像材料将反射或部分吸收入射光，以提供形成合成图像所需要的对比率效果。在那些情况下的合成图像与显现相当暗的余留的薄片相比将显现相当亮的图像。可以把这个合成图像称作“实像”，因为它是真实光，而不是产生在焦点108a处的图像的缺少的光。可以按需选择这些可能性的不同组合。
如图10所示，通过透射光观察也可以某些成像薄片。例如，当材料层的成像部分是透明的而非成像部分不是透明的时，材料层将吸收或反射那么部分光L3，而同时透射光L4将通过材料层的成像部分，并且由微透镜引导到焦点108a。在焦点处，合成图像是清楚的，在这个例子中，它要比薄片的余下部分显得更亮。可以把这个合成图像称作“实像”，因为它是真实光，而不是在聚焦点108a处产生图像缺少的光。
另一方面，如果材料层的成像部分是不透明的，但材料层的余下部分是透明的，那么在图像区域中的透射光的缺少将提供比薄片余下部分显得更暗的合成图像。
C.产生浮动在薄片下面的合成图像
也可以提供显现悬挂在离开观察者的薄片的相对侧上的合成图像。如图8所示，可以用会聚透镜代替发散透镜105来产生这个浮动在薄片下面浮动图像。参考图11，把入射能量100(在这个例子中是光)引导到散射器101上使光源的任意非均匀性均匀化。然后光准直器102收集散射光100a和使其准直，光准直器102把光100b引导到会聚透镜105b。光线100d从会聚透镜入射到微透镜薄片106上，把微透镜薄片106放置在会聚透镜和会聚透镜焦点108b之间。
单个微透镜111把照射到微透镜薄片106上的光线能量聚焦到材料层上(在示出的实施例中是辐射灵敏涂层112)。该聚焦能量更改辐射灵敏涂层112，以提供图像，所述图像的尺寸，形状和外貌取决于光线和辐射灵敏涂层之间的互相作用。
在图11中所示的布置可提供有合成图像的薄片，对于一个观察者，该合成图像好象浮动在如下所述的薄片下面，因为如果会聚光线100d通过薄片延伸，将在发散透镜的焦点108a处相交。换句话说，如果假设的“图像线”沿着从会聚球体105b通过各个微透镜和通过关联于每个微透镜的材料层中的图像路线走，则它们将在合成图像出现的108a处相交。
D.观察浮动在薄片下面的合成图像
在反射光，透射光，或在两者中，也可观察到具有好像浮动在薄片下面的合成图像的薄片。图12是当在反射光下观察时，好象浮动在薄片下面的合成图像的示意表示图。例如，由材料层可以使L5反射回观察者。但是，材料层不会把光L6反射回观察者，或根本不会来自成像部分。这样，在108b处观察者可以探测到缺少光线，光线的总和在108b处产生好象浮动在薄片下面的合成图像。简而言之，光可以从除了成像部分之外的整个薄片反射，这意味着将在108b处显现相当暗的合成图像。
相应地，不成像的材料也可能吸收或透射入射光，并且成像材料将反射或吸收入部分射光，以产生需要提供合成图像的对比度效果。在那些情况下，与显现相当暗的薄片的余下部分相比较合成图像将显现相当亮的图像。可以按需选择这些可能性的不同组合。
如图13所示，通过透射光也可以观察某些成像薄片。例如，当材料层的成像部分是透明的而非成像部分不是透明的时，那么材料层将吸收或反射大部分光L7，而同时透射光L8将通过材料层的成像部分。这里把那些光线的延伸称作“图像光线”，在入射光的方向相反导致在108b处形成了合成图像。合成图像在焦点是清楚的，在这个例子中，在焦点处的合成图像比薄片的余下部分显现更亮。
可替换地，如果材料层的成像部分是不透明的，但材料层的余下部分是透明的，那么在图像区域中缺少透射光将提供比薄片余下部分显现更暗的合成图像。
E.复合图像
根据本发明原则构成的合成图像可认为是两维的，这意味着它们有长度和宽度，并且可以显现在薄片下面，在薄片平面中，或在薄片上面，它也可以是三维的，这意味着它们有长度，宽度和高度。三维合成图像只可以显现在薄片下面或上面，或按需要显现在薄片的下面，薄片的平面中，或薄片的上面的任意组合中。一般，术语“在薄片的平面中”只是指当薄片平坦放置时的薄片的平面。那就是，不平坦的薄片也可以有合成图像，可认为所述合成图像至少有一部分如这里使用的短语“在薄片的平面中”。
三维合成图像不显现在单一焦点处，而作为具有连续聚焦点的图像的合成，并且聚焦点范围是从薄片的一侧到薄片其它侧上的一点或从薄片的一侧通过薄片到其它侧上的一点。最好相对其它薄片或能量源连续移动薄片或能量源而得到(而不是提供多个不同透镜)，以致在多个聚焦点处使材料层成像。产生的空间复合图像基本上由许多单一点组成。这个图像具有在相对于薄片平面的三个笛卡尔坐标中的任何一个坐标上的空间范围。
在另一类实施中，可以构成合成图案使之移到微透镜薄片中它消失的区域中。这类图像以类似于悬浮例子的方式进行制造，只是另外放置与微透镜材料接触的不透明的遮光板部分阻挡部分微透镜的成像光。当观察这类图像时，可以构成该图像使之移到接触遮光板减小或消除成像光的区域。该图像看起来“消失”在那个区域中。
根据本发明形成的合成图像可以有非常广阔的视角，意味着观察者可以通过在薄片平面和观察轴之间的宽广角度范围内看见合成图像。在微透镜薄片上形成的合成图像包括具有平均直径大约70-80微米的玻璃微球体，当使用数值孔径为0.64的非球面透镜时，合成图像在圆锥形视场中是可见的，所述圆锥形视场的中心轴由入射能量的光轴确定。在周围照明下，可以通过大约80-90度全角的圆锥观察到这样形成的合成图像。使用有较小发散角或较低NA的成像透镜可以形成较小的半角圆锥。
还可以把通过本发明的过程形成的图像构成为具有有限制的视角。换句话说，只有从一个特定方向，或是那个方向上有较小角度变化外观察，才可以见到该图像。以类似下面实例一所描述的方法形成这样的图像，除了调整入射到最终非球面透镜上的光，使得只有一部分透镜被激光辐射照射。入射能量注满部分透镜导致入射到微透镜薄片上的散射光的有限制的锥形。对于涂覆铝的微透镜薄片，合成图像只作为淡灰色背景上的深灰色图像而在有限制视锥中出现。该图像相对微透镜薄片好象浮动。
例子
将通过下面的实例进一步解释本发明，为了方便起见，可以参考某些附图。例1
这个例子描述有铝材料层的嵌入透镜薄片，和好象浮动在薄片上面的合成图像。使用在图14中描述的光脉冲类型来形成浮动图像。光脉冲包括SpectraPhysics Quanta-RayTM DCR-2(10)Nd：YAG激光器300，它工作于基本波长为1.06微米的调Q模式。这个激光器的脉冲宽度通常从10-30ns。在激光器以后，通过99％反射旋转镜302，基本玻璃散射体304，5X光束扩展望远镜306，和数值孔径为0.64以及焦距为39.0mm的非球面透镜308使能量再定向。把来自非球面透镜308的光引导到XYZ平台310。平台包括三个线性平台，并且按宾夕法尼亚州，匹兹堡的Aerotech公司的牌号ATS50060可得到。一个线性平台用于把非球面透镜沿着非球面焦点和微透镜薄片之间的轴(Z轴)上移动，而另外两个平台则使得薄片相对光轴在两个互相垂直的水平轴上移动。
把激光引导到基本玻璃散射体304，以消除由热透镜引起的任何光束不均匀性。紧邻散射体，5X光束扩展望远镜306准直来自散射体的发散光并且放大光束来注满非球面透镜308。
在这个实例中，把非球面透镜放置在XYZ平台的XY平面上方，使得透镜的焦点在微透镜薄片312的上面1cm。使用由加拿大，魁北克的圣特菲(Saint-Fey)的Gentec公司提供的牌号为ED500的带有机械遮光板的小孔能量计来控制在薄片平面中的能量密度。调节激光器输出，在距离非球面透镜焦点1cm的能量计的照射区域中得到大约8毫焦耳每平方厘米(8mJ/cm2)。把具有80nm厚的铝辐射灵敏层的嵌入透镜薄片312的样品附加在XYZ平台310上，使得涂覆铝的侧面远离非球面透镜308。
由宾夕法尼亚洲匹兹堡的Aerotech公司提供的牌号为U21的控制器提供了对XYZ平台312的移动的必要控制信号并且控制激光器300的脉冲电压。通过把一个CAD文件输入控制器，用需要x-y-z坐标信息，移动指令，和激光点火指令的控制器中来移动平台从而产生图像。通过用激光脉冲协调X，Y和Z平台的移动，使之在微透镜材料上的空间中沿着图像的路线，来形成任意复杂的合成图像。激光脉冲速率为10Hz时，把平台速度调整为50.8厘米/分钟。这样在邻近微透镜的铝层中形成了连续的合成线。
当在环境光下观察微透镜薄片时，图像是相对淡灰色背景的深灰色。对于在聚焦点和圆珠薄片表面之间的固定的1cm间距，产生的图像是好象浮动在薄片上方大约1cm处的合成图像。而且，合成图像展示了相对观察者透视视觉的相当大的移动，这样观察者可以容易地观察到依赖视角的合成图像的各个方面。
例2
在这个例子中，使用具有透明镜面辐射灵敏层的暴露的透镜薄片结构以形成好象浮动在微透镜薄片下面的合成图像。在例1中使用的光脉冲也可以用于这个例子中。相对非球面透镜308放置微透镜薄片使得透镜几乎接触微透镜薄片。调节激光器输出得到直接在非球面透镜下面的大约14mJ/cm2的照射。如美国专利3,801,183描述的由部分嵌入微透镜组成的暴露透镜薄片，具有沉积到微透镜一侧上的硫化锌(ZnS)绝缘镜蒸气。ZnS层的厚度通常是560nm。如在例1中，当薄片以50.8cm/min移动时，工作在10Hz的激光器导致了在微透镜薄片中形成连续合成线。平台系统跟踪“球体”图案(有四个内接弧的圆)。
在环境光下，球体显现为相对白色/黄色背景的黑色图像。黑色组合图像好象浮动在薄片下面大约39mm处。合成图像的位置符合非球面透镜焦点位置，在这个例子中它在透镜后面大约39mm处。
例3
这个例子描述了在带有铝辐射灵敏层的暴露透镜薄片中使用透镜阵列代替单一非球面透镜而形成的合成图像。使用在图15中描述的光脉冲来形成浮动合成图像。光脉冲包括调Q激光器300，99％反射镜302，光学散射体304，和光束扩展望远镜306。在这个例子中使用的这些光脉冲元件与例1中描述的元件相同。这个例子中的光脉冲也包括两维透镜阵列407，反射遮光板409和负双凹透镜411。反射遮光板409的区域是透明的，与要暴露于激光辐射的微透镜材料412的区域一致，而遮光板的剩余表面是不透明或反射的。
透镜阵列407包括从阿拉巴马州，Huntsville的LLC，MEMs光学可提到的牌号为3038的融熔硅折射微透镜阵列。把封闭封装的非球面透镜阵列放置得几乎接触有75mm直径和150mm负焦距的负双凹透镜薄片411。带有80nm厚的铝辐射灵敏层的暴露透镜薄片412放置在内负双凹透镜411的25mm。把微透镜材料放置在离开微透镜阵列和负双凹透镜的组合光学路径焦距大约1cm。调节激光器输出以在微透镜薄片的暴露的透镜表面上产生大约4mJ/cm2的照射。起动单个激光脉冲使整个图像曝光。
当在环境光中观察时，所产生的成像微透镜薄片展现了好象浮动在薄片上大约1cm处的图像。图像显现相对于淡灰色背景的深灰色。
例4
在这个例子中，通过从散射光源的反射得到发散光源。散射反射器包括直径大约5mm的陶瓷圆珠。在这个例子中使用图16所示类型的光脉冲。它包括类似于例1所描述的调Q Nd：YA6激光器500，以及后面接着把入射激光束尺寸减小到大约1mm直径的望远镜502。然后光以充分偏离普通光的角度照射到陶瓷圆珠504，从而照射到面向微透镜薄片512的陶瓷圆珠504半球的约四分之一。通过红外照相机观察散射辐射进行了确认。
陶瓷圆珠504放置在XY平台510上方大约25mm距离处。调节来自激光器的入射光使之平行于样品平台。把带有80nm铝辐射灵敏层的嵌入透镜薄片512附加在XY平台510上并且由控制器把控制信号提供给平台和激光器。调整激光输出，以在微透镜薄片表面处得到大约8mJ/cm2的照射。调整陶瓷圆珠504的照射，以使大部分均匀光照射到微透镜薄片512的表面。在激光脉冲在10Hz时，XY平台510以50.8cm/分钟移动。用平台跟踪出合成图像，而微透镜薄片暴露在来自陶瓷反射器的散射辐射中。
在环境光中，合成图像浮动在薄片上方大约25mm处，并且显现相对于淡灰色背景的深灰色。该图像相对观察者观察位置有大的移动。在透射光下，发光合成图像浮动在薄片上方大约25mm处。
例5
在这个例子中，嵌入式透镜薄片的材料层包括在可见光谱中可调谐为特定颜色的多层光学堆叠。在微透镜基本薄片的一个面上，由真空蒸发和等离子聚合沉积薄膜层来得到包括铬/等离子聚丁二烯/二氧化硅/铝的层序列，并且铬层邻近嵌入透镜。调整单个材料的厚度，得到可见光谱的红色，绿色，和蓝色部分中的颜色。表1提供了所制备的单个材料的特定厚度。
表1：多层结构 样品 Cr(nm) PP(nm) SiO2(nm) Al(nm) 颜色 1 4 97 0 80 蓝 2 4 65 65 80 淡蓝 3 4 89 65 80 绿 4 4 165 20 80 红/蓝
然后使涂覆的微透镜薄片层叠到与层叠材料接触的多层的背面。然后除去微透镜薄片的衬垫，以上表给出的颜色使嵌入透镜的前表面曝光。
使用在例1中描述的光脉冲使本例子的样品成像。在这个例子中，非球体的聚点置于微透镜薄片上面1cm处。调节激光器输出以在微透镜薄片表面上得到5mJ/cm2的能量密度。在照射区域中修改多层堆叠的光学特性。以类似于例1中描述的方法跟踪球体图案来得到在多层堆中的图像。
在环境光中，照射区域在微透镜薄片的背景颜色中出现了从黄色到橙色的颜色。所有的合成图像在薄片上浮动出现并且相对观察者移动。
例6
这个例子描述了作为用于产生颜色合成图像的辐射灵敏层的第二种类型的多层可调谐堆叠。在包括嵌入透镜薄片的微透镜薄片上制备这类光学堆叠。在微透镜薄片的一个面上，由真空蒸发方法沉积薄膜层来得到由下面表2示出的，包括铬/冰晶石/铝(Cr/Na3AlF6/Al)，铬/二氧化硅/铝(Cr/SiO2/Al)，或铬/氟化锰/铝(Cr/MgF2/Al)层序列。调整绝缘材料SiO2，Na3AlF6和MgF2的厚度来得到可见光谱中的各种颜色。表2提供了制备各种样品的各种材料的特定厚度。
表2：多层结构 样品 Cr厚 度(nm) Na3AlF6厚度 (nm) SiO2厚度 (nm) MgF2厚度 (nm) Al厚 度(nm) 颜色图像能量密度(mJ/cmm2) A 4.8 200 0 0 83 蓝色12.7 B 4.2 0 135 0 83 深蓝 8.6 C 4.2 0 0 259 83 浅绿 8.6 D 4.2 0 275 0 83 紫色 7.5 E 4.2 0 160 0 83 绿色 7.5 F 4.2 0 225 0 83 橙褐色 7.5
然后使涂复的微透镜基本薄片层叠到背面，致使多层与层叠材料接触。接着除微透镜薄片的衬垫用上表中给出的颜色使嵌入透镜的前表面曝光。
使用在实例1中描述的光脉冲使这些样品成像。在这个例子中，最终非球面透镜的位置放置到几乎接触样品以提供好象浮动在薄片下面的合成图像。调整激光器的能量来得到能够永久改变如表2所示的各个多层堆叠的光学性质的能量密度。以类似于例1所述的方法对于在这种材料中的图像跟踪字母数字字符SAMOLE“(样品)”。在环境光中，合成图像表现出带有相对于微透镜薄片的背景色的白色/黄色轮廓的暗色。所有的合成图像好像浮动在薄片下面大约39mm处，并且随着观察薄片的观察者而移动。
例7
在这个例子中，在嵌入透镜薄片中形成彩色合成图像，所述嵌入透镜薄片使用原子百分比为50的银和原子百分比为50的锌(Ag50Zn50)的金相改变合金和由铬与二氧化硅组成的作为辐射灵敏层的可调谐双层堆叠。所施加的辐射不会烧融金相改变合金，而可调谐双层提高了可见电磁光谱的蓝光部分的光谱反射率。类似于在例5中使用的在微透镜基本薄片上沉积多层堆叠的薄膜层所使用的过程，在封闭微透镜薄片的间隔层上沉积辐射灵敏层。首先，分别在聚合物间隔层上真空沉积厚度各为40nm和260nm的铬和二氧化硅层。接着，在二氧化硅层上溅射沉积厚度为80nm的Ag50Zn50合金层。接着把样品层叠，并且剥离使微透镜薄片的清除部分暴露。
当在环境光(反射光)下观察时，薄片表现为紫蓝色。使用类似于例1中的光脉冲使Ag50Zn50辐射灵敏层成像。使用工作在1.06μm波长的连续光Nd：YAG激光器取代调Q激光器作为能量源。使用在光脉冲中的声光调制器来控制脉冲宽度。通过在图14中所描述类型的光脉冲发送一级衍射光束。把封闭透镜薄片的样品附加到XYZ平台上。调节到声光调制器中的激光功率，在微透镜材料处给出810mW的功率。设置声光调制器以得到脉冲宽度为100微秒的20Hz脉冲。把如在例1中描述的正的非球面透镜放置在微透镜材料表面上方12mm处。由XYZ平台跟踪图像，而激光辐射使辐射灵敏层曝光图像。
当在环境光中观察薄片时，成像区域表现为淡蓝色，并且浮动在微透镜薄片上方12mm处。
例8
在这个例子中，使用带有铜辐射灵敏层的弯折透镜结构作为微透镜薄片。使用由美国专利5,254,390描述的这类弯折薄片作为微透镜薄片。在薄片平面上真空蒸发80nm厚的铜辐射灵敏层。使微弯折的微透镜材料曝光于来自如同例1中所描述的光脉冲的激光辐射。把最终的非球面透镜放置为焦点离微透镜材料表面6.5mm。调整激光器输出，以在薄片表面处给出大约7mJ/cm2。设置激光器使脉冲为10Hz，而XYZ平台移动速度为50.8cm/分钟。在上述样品上方跟踪“球体”图案(有四个内接弧的圆)。
当在环境光中观察薄片时，相对辐射灵敏层的铜色可以观察到浮动的白色球体图象。这个合成图好象浮动在薄片上面6mm处。
例9
这个例子描述了平面合成图像的组合，具有好象浮动在薄片下面的合成图象。采用例1中描述的光学结构，使有80nm厚的铝辐射灵敏层的暴露透镜微透镜薄片成像。放置非球面透镜使之几乎接触微透镜薄片，并且调节激光器输出使之在样品表面处产生4mJ/cm2。对控制器编程以跟踪字母数字字符“SAMPAL(样品)”。在打开的薄片顶部放置吸收遮光板。通过常规的影印在透明薄片上成行地印刷字母数字字符“3M”来制造遮光板。字母数字字符吸收辐射，而周围区域透射激光辐射。放置带有这个吸收遮光板的暴露透镜薄片，使得在遮光板部分的顶部上形成“SAMPLE(样品)”字符。
当在环境光下观察时，字符“SAMPLE”好象浮动在薄片下面大约39mm处，而未暴露的字符“3M”出现在薄片的平面中。只有相对于“样品”字符的黑色字符才能观察到“3M”字符。
例10
这个样品描述了有复合的三维图像的薄片。在这个例子中使用了有80nm厚的铝辐射灵敏层的嵌入式透镜微透镜薄片。使用在例1中使用的光脉冲。把微透镜薄片附加到XYZ平移台的XY平面上，而把非球面透镜附加于z轴上。非球面透镜有0.64的数值孔径和39mm的焦距。对控制器编程来跟踪有5cm长立方体对角线(在立方体两个相对角之间的距离)的等距立方体。在控制器中对立方体的相对位置和方向编程在薄片表面上面大约5mm处放置合成立方体图像的一端，在表面上面5.5cm处放置合成立方体图像的另一端。给立方体图像定向来放置立方体最靠近观察者的一角。
在跟踪等距立方体期间，控制来自激光器的每个脉冲的能量，在样品表面产生8mJ/cm2的恒定能量密度，而不考虑发散透镜和薄片之间的间隔距离。激光器工作在10Hz并且XYZ平台的移动速度为50.8cm/分钟。由控制器在微透镜薄片上面的空间中连续跟踪等距立方体的图像。
当在环境光下观察时，等距合成立方体图像以相对淡灰色背景的深灰色显现，在表面上面5mm和5.5cm间浮动。另外，当观察者改变他或她的视觉透视时，等距立方体在微透镜薄片上面的空间中显现旋转，并且暴露原先在不同视角中模糊的立方体的侧面。
例11
这个例子描述了可以消失的浮动图像。即是，通过改变视角可以使合成图像从视觉中消失或再出现。采用有80nm厚铝辐射灵敏层的嵌入透镜薄片。采用类似于例1中的光脉冲来形成图像，并且把非球面透镜到薄片的距离调整为使焦点位于微透镜薄片上面1cm。对控制器编程，以产生“球体”图案(有四个内接弧的圆)并且调整激光器输出，以在样品表面提供8mJ/cm2。在样品本身上，把透明带的正方形部分附加到嵌入透镜薄片的表面放置带的正方形部分，以致在球体成象期间，由激光成像的一部分区域与由透明带覆盖的部分重叠。
当在环境光下观察成像薄片时，观察到的浮动球体图案是相对于淡灰色背景的深灰图像，并在薄片上面1cm处浮动。通过改变视角，“球体”移入或者移出由透明带屏蔽的区域。当球体移到屏蔽区域中时，在那个区域中的球体消失了。当球体移出屏蔽区域时，在那个区域中的球体部分再次出现。当合成图像通过屏蔽区域时，不只是渐渐减弱，而是当它通过那个区域时确实完全地消失了。
包含了本发明合成图像的成像薄片与众不同，并且不可能用常规装置(equipment)复制。能够在特定专门应用的薄片上形成合成图像，所述专门应用诸如护照，身份证，识别图形，结婚(affinity)证。需要检验的文档可以具有在层叠薄片上形成的这些图像，用于标识、鉴别和突出。也可以使用常规的诸如有或没有粘合剂的叠层的结合方法。说明物品价值的提供物，例如盒装电子产品，CD，驾驶执照，标题文档，护照或有商标的产品，可以简单地把本发明的多层薄膜施加到它们的产品中，并且指示它们的顾客只接受标有如此价值的鉴定的物品。对于需要这类保护的产品，可以通过在它们结构中包含有合成图像的薄片或者通过把这样的薄片粘贴到产品上来增强这些产品的吸引力。可以使用这类合成图像作为显示材料，用于广告，汽车牌照，和其它需要独特的图像视觉描绘的应用。
可以在相同薄片上形成多个合成图像，而那些合成图像可以是相同的或不同的。也可以连同其它常规图像一起使用合成图像，所述常规图像诸如印刷图像，全息图，等值线图，衍射光栅，显示图像(kinegrams)，照片，等等。
那些工艺上的能手将清楚所揭示实施例的各种修改和组合，并规定那些修改在本发明附加的权利要求所限定的范围中。