CC BY
103
ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ. ОПТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 535.8; 538.958
МИКРОЛИНЗОВЫЕ РЕШЕТКИ С ЭФФЕКТОМ «ПЛАВАЮЩЕГО»
ИЗОБРАЖЕНИЯ В.К. Баля, В.Г. Булгакова, И.Ю. Денисюк
Разработан и исследован простой и эффективный способ получения микролинзовых растров с высокой плотностью заполнения поверхности путем термоформования полимерной пленки на матрице, получаемой методом лазерной абляции черной резины на лазерном гравере. Получены решетки микролинз с фокусными расстояниями 0,5 мм и 1,2 мм в зависимости от времени термообработки. Микролинзовые растры обеспечивают видимый моушен-эффект: при изменении точки наблюдения становятся видимыми различные части микроизображения, а поскольку видимое изображение оказывается увеличенным и синтезированным из многих элементарных изображений, наблюдается эффект «плавающего» изображения. Микролинзовые растры были использованы для изготовления металлических мастер-матриц методом гальванопластики с дальнейшим получением полимерных копий на пленке с использованием горячего эмбоссинга.
Ключевые слова: термоформование, микролинза, лазерная абляция, полимер, моушен-эффект.
Введение
Для защиты товаров от подделок традиционно используют голографические наклейки. К сожалению, в последние годы распространенность аппаратуры и технологии получения защитных голограмм привела к тому, что степень защиты с такой наклейкой невелика, поскольку голограммы легко подделывают. Один из путей преодоления этой проблемы - использование других элементов и оптических эффектов, не связанных с получением голограмм. Например, могут быть использованы микролинзовые растры, формирующие мнимое синтезированное изображение, которое смещается при изменении угла наблюдения, т.е. «плавающее» изображение.
«Плавающие» изображения, используемые как защитный признак, представляют собой мнимое изображение, формируемое вне поверхности документа, которое сдвигается при смещении точки наблюдения. Общий принцип получения «плавающих» изображений проиллюстрирован на (рис. 1).
1
- * * Л I А А * *
Проецируемые отдельные изображения
Микролинзы Микроизображения
\ у-^V~ V'\''1V"V
Синтезированное изображение
у • V - У : V ; У У V у у
Рис. 1. Формирование «плавающего» изображения решеткой микролинз
В данной схеме пленка толщиной 24 мкм имеет на одной стороне микролинзовый растр, а на другой - микронные изображения. Мнимое изображение формируется за пленкой [1]. При изменении точки наблюдения (или изменении угла наблюдения) становятся видимыми различные части микроизображения, а поскольку видимое изображение оказывается увеличенным и синтезированным из многих элементарных изображений, наблюдается эффект его «движения». Следовательно, для получения «плавающих» изображений необходимо формирование мнимого изображения при использовании микропроекции на базе матрицы микролинз, подобно способу, рассмотренному выше. С учетом требования низкой себестоимости защитных микролинзовых пленочных элементов наиболее эффективным подходом является
вначале изготовление мастер-матрицы микролинз с последующим переносом геометрии на полимерную пленку методом горячего эмбоссинга. В связи с этим в работе исследовался способ создания мастер-матриц для их последующего применения в машинах горячей печати.
Изготовление мастер-матриц решеток микролинз методом термоформования полимерной пленки
Наша технология ориентировалась на использование эмбоссинга на барабане или горячего прессования на прессе как основного метода создания микролинз с использованием металлической матрицы, получаемой методом гальванопластики. Для этого изготовлялась геометрически подобная структура микролинзового растра на полимерном материале, далее на поверхность проводилось вакуумное напыление металла, который наращивался до нужной толщины гальваническим методом.
Микролинзовый растр, предназначенный для создания моушен-эффекта, должен иметь высокую плотность заполнения (минимальное расстояние между микролинзами) и высокую степень повторяемости фокусного расстояния микролинз в решетке. Исходя из этих требований, для создания решеток был использован эффект деформации поликарбонатной пленки вблизи температуры плавления. Схематично процесс представлен на рис. 2.
1
_■ 2
а
б
Рис. 2. Формирование микролинз методом термического течения поликарбонатной пленки. Схема формирования: 1 - стекло, прижим; 2 - поликарбонатная пленка; 3 - пуансон, резина (а);
сформированная решетка после нагрева (б)
■г '
г < * * «ь щ * !
А * ь £ ф Яг -Г <т
< - 4 * /Г г. а ^ »
'«Г 4 < Г. А л л -г
1В и V ■ ш Зр- Л л &
1 мм - К- : Г9
* а ** V 4
Рис. 3. Микрофотография микролинз
Процесс формирования поверхностей микролинзового растра основан на течении термопластичной поликарбонатной пленки при температуре ее размягчения. Для формирования требуемой структуры с заданным расположением микролинз методом лазерного испарения формируется растр из глубоких колодцев на черной резине 3. Диаметр колодцев задает желаемый диаметр микролинз, а их шаг - период линз в решетке. Глубина колодцев должна быть максимальной для возможности глубокого формования пленки. В нашем случае использована глубина 150 мкм при диаметре линз 250 мкм. На поверхность перфорированной резины накладывается поликарбонатная пленка 2 (рис. 2, а), которая прижимается к резине толстым стеклом 1. Весь агрегат предварительно, до укладки пленки, нагревается до заданной температуры (190°С). После укладки пленка прогибается в колодцы (рис. 2, б) и формируется решетка полусфер. В зависимости от температуры и времени формования возможно получение полусфер различной глубины.
После окончания процесса и охлаждения пленки она снимается с пуансона. Полученная пленка покрывается антиадгезионным слоем и с нее снимается копия на фотополимере путем заливки жидким фотополимером с последующим фотоотверждением. В результате получаем микролинзовый растр (рис. 3).
Условия эксперимента
В настоящей работе использовался лазерный гравер Laser Graver LG 10F15, обеспечивающий запись структур с разрешением до 2,5 мкм (10160 dpi). Пишущий узел изображен на рис. 4.
Рис. 4. Фотография барабана лазерного гравера
Лазерный гравер - устройство для записи изображения на полимерной или металлизированной пленке методом прямой абляции посредством частичного испарения поверхностного слоя лучом YAG непрерывного лазера 1,06 мкм [2]. Точно сфокусированным лучом лазера в нужных участках испаряют поверхность материала и создаются окна, соответствующие пробельным участкам записываемого изображения. Таким образом, на материале формируется изображение.
Обработка резины на лазерном гравере
Обработка резины целесообразна для получения структур большой глубины, вплоть до 1 мм. В данной работе колодцы глубиной 100-150 мкм использовались для получения матрицы микролинз.
При обработке резины основные дефекты связаны с неоднородным составом резины. Наличие крупных частиц сажи вызывает формирование островков на испаряемой поверхности, вследствие чего поверхность получается недостаточно ровной. Однако отсутствие оплавления поверхности позволяет последовательно углублять структуру при последующих проходах луча по одному и тому же месту. В результате возможна многоуровневая обработка с получением трехмерных структур, а также структур большой глубины - до 1 мм.
Моушен-эффект, полученный с использованием микролинзового растра
Микролинзовый растр был получен вышеописанным способом.
Микролинзы прикладываются к бумаге, на которой методом высокой печати нанесены цветные микроизображения, в данном случае - круги, соответствующие размеру и периоду микролинз.
Фотографии моушен-эффекта на микролинзах диаметром 250 мкм с использованием точечного растра показаны на рис. 5. Параметры линз: диаметр 250 мкм, шаг в решетке 290 мкм, фокус 1250 мкм.
На рис. 5 показано синтезированное изображение, полученное от многих линз в решетке. Видимое увеличение определяется расстоянием между бумагой и микролинзовым растром и может варьироваться в широких пределах.
Размеры матриц микролинзового растра, выполненного данным способом в лаборатории, ограничиваются размерами материала, обрабатываемого на лазерном литографе, что составляет 200*200 мм. Такие размеры достаточны для всех практических применений, включая изготовление валиков для эм-боссинг-машины.
В настоящее время были получены образцы линзовых растров с диаметром линз 250 мкм и шагом 250 мкм и 290 мкм. Длина фокуса составила 0,5 мм и 1,2 мм в зависимости от времени термообработки.
Тем же методом был получен растр из цилиндрических линз. В этом случае на резиновой матрице вместо колодцев нарезались щели заданной ширины и шага в решетке. Термически индуцированное продавливание полимерной пленки в щели приводило к образованию периодической структуры цилиндрических линз, которые копировались на фотополимер вышеуказанным способом.
1 см
1 см
б
Рис. 5. Моушен-эффект. Фотографии изображения, полученного при совпадении рядов микролинзового растра с рядами микроизображения на бумаге (а) и при повороте массива микролинз (б)
Заключение
Разработан и исследован простой и эффективный способ получения микролинзовых растров с высокой плотностью заполнения поверхности микролинзами. Получены решетки микролинз с различными фокусными расстояниями, обеспечивающие видимый моушен-эффект при изменении точки наблюдения. Однородная яркость изображения показывает, что все микролинзы в матрице имеют одинаковое фокусное расстояние. Показана возможность получения как сферических, так и цилиндрических линз данным методом.
Исследование выполнено в рамках хоздоговорной работы (тема № 21034, Гознак «Исследование возможности изготовления на бумажных подложках прозрачных рельефных полимерных структур, создающих визуально изменяющиеся оптические эффекты»).
Литература
1. Yongqi F., Kok B., Ngoi A. Investigation of direct milling of micro-optical elements with continuous relief on a substrate by focused ion beam technology // Optical Engineering. - 2000. - V. 39. - № 11. - P. 30083013.
2. Баля В.К., Денисюк И.Ю. Формирование микрооптических элементов для защиты с использованием лазерного гравера // Изв. вузов. Приборостроение. - 2012. - Т. 55. - № 3. - С. 51-56.
Баля Вера Константиновна
Булгакова Вера Геннадьевна
Денисюк Игорь Юрьевич
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, [email protected]
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, уега[email protected]
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, доктор физ.-мат. наук, профессор, зав. кафедрой, [email protected]
а
