CN102591022A - 一种三维动态显示元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维动态显示元件，其特征在于：通过采用周期/准周期结构的显示微元件与非周期的被显示图像相匹配使用，可以实现被显示图像的三维显示；同时，当视角发生变化时可获得动态显示的光学效果。该技术可广泛应用纸质/塑料/金属等材质的商标、显示、防伪等方面，具有廉价、美观、轻便的优点。

Description

一种三维动态显示元件

所属技术领域

本发明涉及基于微光学结构的动态显示技术，采用微光学结构实现图形的三维、动态显示。

背景技术

近年来，防伪、显示技术发展迅速，主要是以激光全息图为主，但这种技术已经半公开，防伪功能受到挑战。此外还有诸如水印防伪等技术也已经发展了很长时间，基本原理及实现方法也已经基本被大众所了解。迫切需要发展新的防伪技术。

为此人们提出了基于光学原理的放大显示防伪方法，这种方法的原理是：在正常照明条件下，人眼的极限分辨力为1分，在明视距离250mm条件下，人眼的极限分辨力为0.072mm。一般来说为使眼睛不疲劳，人眼的视角在4分左右，即可以分辨距离为0.3mm左右的两个点。在一般情况下，10×10个点刻组成简单图案，其大小约在4mm×4mm左右，其它细小的物体必须采用放大镜或显微镜进行放大才能看清其细微结构。对于小于该尺度的图案必须采用显微镜等辅助工具，这个观察带来很大不便。

在申请号为03123580.8的专利中，发明人提出了利用微透镜对微缩图像进行放大成像的显示防伪方法，有效地避免了上述问题；然而，上述专利要求被显示图形的单元要与微透镜单元口径相一致，以达到利用微透镜对微图形进行放大的目的；

此外在现有技术中，基于莫尔条纹的放大显示技术也是一大类非常有前途的防伪方法。但实现该技术必须具备几个关键条件：1、放置于显示微元件下方的被显示的微图像必须是周期图形；2、被显示的微图像子单元必须与显示微元件的单元成一定比例放大/缩小或成一定的夹角，否则根据莫尔条纹的放大倍率(设，被显示图像子单元与显示微元件子单元具有相同口径，即a＝b，且夹角θ为0度)

因此，在该情况下根本无法观测到需要的图像。

基于上述考虑，本发明提出另外一种基于全新原理的放大显示技术；该技术通过采用与显示微元件子单元口径完全相同，但每个子单元图像却不相同的非周期的被显示图像，获得具有宏观尺度的图形的动态、立体显示。

本发明的技术解决方案通过以下步骤完成：一种基于微光学结构的动态显示技术，其特征在于包括以下步骤：

1、它主要由反射层、被显示图像、显示微元件三部分组成；显示微元件平行放置于对被显示图像上方，反射层则紧贴于被显示图像的下方；通过上述结构即可获得具有宏观尺度的目标图像的动态显示。

2、显示微元件可以为连续面形微透镜阵列、多台阶结构衍射型微透镜阵列，显示微元件由具有相同子孔径的子单元按照四边形排列、六边形排列等不同排列方式组合而成。

3、组成显示微元件的微透镜单元或微柱镜单元可以具有相同的焦距，也可以具有不同的焦距。

4、权利要求1所述的被显示图像，其特征在于：被显示图像由众多子单元按照四边形排列、六边形排列等不同排列方式组合而成，其组合方式与显示微元件阵列子单元的组合方式完全相同；被显示图像子单元与显示微元件的子单元一一对应，且被显示图像子单元与相对应的显示微元件子单元具有完全相同的子孔径形状、尺寸与排列方式。

5、权利要求1所述的被显示图像，其特征在于：将要显示的目标图像F IG沿相互正交的两个方向X，Y进行等分，X方向等分为i份，Y方向等分为j份，形成i×j个网格；被显示图像的任何一个子单元也都由i×j个微单元组成；对于构成目标图像的i×j个网格中的任何一个网格，在构成子单元的i×j个微单元中，有且仅有一个微单元与其对应。

6、权利要求1所述的被显示图像，其特征在于：设被显示图像由P行，L列子单元排列而成，对于同一行相邻列的子单元T_{P＝S，L＝K}与T_{P＝S，L＝K+1}，构成这两个子单元的微单元具有如下特征：

设M_K(H，G)代表第T_{P＝S，L＝K}个子单元的第H行，G列微单元，M_K+1(H，G)代表第T_{P＝S，L＝K+1}个单元的第H行，G列微单元；则M_K(H，G)微单元与M_K+1(H，G-1)微单元完全相同(或M_K(H，G)微单元与M_K+1(H，G+1)微单元完全相同，或M_K(H，G)微单元与M_K+1(H-1，G)微单元完全相同，或M_K(H，G)微单元与M_K+1(H+1，G)微单元完全相同)。

当H-1＝0时，M_K+1(H-1，G)代表M_K+1(i，G)微单元；当G-1＝0时，M_K+1(H，G-1)代表M_K+1(H，j)微单元；当H＝i时，M_K+1(H+1，G)代表M_K+1(1，G)微单元；当G＝j时，M_K+1(H，G+1)代表M_K+1(H，1)微单元；

T_{P＝S，L＝K}代表第S行，K列子单元，T_{P＝S，L＝K+1}代表第S行，K+1列子单元，H代表子单元中微单元的行，G代表子单元中微单元的列，1≤H≤i，1≤G≤j。

7、权利要求1所述的被显示图像，其特征在于：设被显示图像由P行，L列子单元排列而成，对于同一列相邻行的子单元T_{P＝S，L＝K}与T_{P＝S+1，L＝K}，构成这两个子单元的微单元具有如下特征：

设M_S(H，G)代表第T_{P＝S，L＝K}个子单元的第H行，G列微单元，M_S+1(H，G)代表第T_P＝S+1L＝K个单元的第H行，G列微单元；则M_S(H，G)微单元与M_S+1(H-1，G)微单元完全相同(或M_S(H，G)微单元与M_S+1(H+1，G)微单元完全相同，或M_S(H，G)微单元与M_S+1(H，G-1)微单元完全相同，或M_S(H，G)微单元与M_S+1(H，G+1)微单元完全相同)。

当H-1＝0时，M_S+1(H-1，G)代表M_S+1(i，G)微单元；当G-1＝0时，M_S+1(H，G-1)代表M_S+1(H，j)微单元；当H＝i时，M_S+1(H+1，G)代表M_S+1(1，G)微单元；当G＝j时，M_S+1(H，G+1)代表M_S+1(H，1)微单元；

T_{P＝S，L＝K}代表第S行，K列子单元，T_{P＝S+1，L＝K}代表第S+1行，K列子单元，H代表子单元中微单元的行，G代表子单元中微单元的列，1≤H≤i，1≤G≤j。

8、权利要求1所述的显示微元件与被显示图像，其特征在于：显示微元件具有周期性，被显示图像不具有周期性；最终显示的目标图像X方向尺度为i×a_x，Y方向尺度为j×a_y，通过调整显示微元件阵列与被显示图像阵列之间的转角，可获得小于上述尺度的目标图像。i为目标图像在X方向的等分份数，j为目标图像在Y方向的等分份数，a_x为显示微元件子单元X方向的子孔径尺度，a_y为显示微元件子单元Y方向的子孔径尺度。

9、权利要求1所述的被显示图像，其特征在于：被显示图像的微单元可以在同一平面，形成平面被显示图像；也可以不再同一平面，形成立体被显示图像；构成显示微元件的子单元可以具有相同的焦距，也可以具有不同的焦距，形成立体被显示图像。

10、权利要求1所述的显示微元件与被显示图像，其特征在于：被显示微图像与显示微元件之间的间距HP与显示微元件焦距FP关系如下：

FP/2≤HP≤2FP

本发明的原理是：利用显示微元件对被显示图形进行采样，当人眼视角发生变化时，显示微元件将“提取”被显示图形不同区域的颜色信息，其它区域的信息随之被“过滤”，被提取信息经过人眼后，在视网膜进行成像。同时，采用不同焦距的微元件单元及非平面的被显示图形单元可以形成立体的图像。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、显示微元件与被显示图像阵列的组合方式多样，可产生多样化的显示效果；

2、通过调控显示微元件及被显示图像的夹角方式，可获得预期的随着视角向左、向右、向上、向下等不同的显示效果；

3、实现非常容易，成本低，易于产业化。

4、通过对显示微元件焦距、被显示图像高度进行调制可获得立体显示效果。

5、美观、实用、携带方便，可制作成薄片式结构，具有良好市场前景。

附图说明

图1是本发明结构示意图；图中1为显示微元件；2为显示微元件与被显示图像之间的间隔层，3为被显示图像，4为反射层。

图2是本发明实施例1要显示的目标图像；即5表示要显示的目标图像。

图3是本发明实施例1中采用的显示微元件，本实施例中为6×6的微透镜阵列，图中6为显示微元件子单元。

图4是本发明实施例1中被等分后的被显示图像第1行、第1列的子单元，及标志为(1，1)的子单元。

图5是本发明完成的被显示图像；3表示完整的被显示图像，31表示被显示图像第2行、4列的一个子单元。

图6是本发明实施例1中被显示图像第2行、4列子单元的放大图，即图5中标注31所示的子单元放大图；311为该子单元第3行、6列的微单元。

图7是本发明实施例1中，将微透镜阵列与被显示图像进行对准后，获得的宏观显示效果；图中5即为预期要获得的目标图像。

图8是本发明实施例2中采用的被显示图像；图中7为被显示图像子单元

图9是本发明实施例3中的不同高度的被显示图像微单元组成的被显示图像与显示微元件组合后形成的动态、立体显示结构的剖面局部放大图。N代表被显示图像子单元及微透镜子单元的孔径尺寸，N1代表被显示图像微单元的孔径尺寸。Point1与Point2分别为具有不同高度的两个被显示图像微单元。

图10为经过缩小后的目标图像进行六边形周期排列形成的图案。

图11为与图10子孔径相同的六边形排列微透镜阵列。

具体实施方式

实施例1，采用阵列数i×j为6×6微透镜阵列作为微显示元件，实现1.2mm的笑脸

图像的动态显示(当视角从左到右移动时，显示的图像从左到右动态移动；当视角从上到下移动时，显示的图像从上到下动态移动)。

图1是本发明结构示意图；图中1为显示微元件；2为显示微元件与被显示图像之间的间隔层，3为被显示图像，4为反射层。

由于微透镜要全面覆盖图2所示的要显示的目标图像。因此，根据公式1.2mm/6＝0.2mm，可计算出微透镜阵列子单元的口径为200微米，图3为实施例一中的显示微元件微透镜阵列。根据权利要求4所述，被显示图像的子单元也是200微米，被显示图像也由i×j个子单元组成，i＝6，j＝6。下面我们分别对每一个子单元进行编码：

第一，将图2所示的目标图像在X，Y方向均缩小为原来的1/6倍，作为第1行，第1列被显示图像的子单元记为M₁；

第二，按照微透镜阵列元件的阵列数6×6，对第1行，第1列子单元进行两维等分，得到如图4所示的等分结果，该子单元被划分为6×6个微单元。

第三，按照权利要求6的方法进行依次递推，完成第1行，第2、3、4、5、6列的子单元的编码；本实施例中按照权利要求6中“M_K(H，G)微单元与M_K+1(H，G+1)微单元完全相同，当G＝j时，M_K+1(H，G+1)代表M_K+1(H，1)微单元”规则进行编码；编码完成后获得第1行，第K＝2、3、4、5、6列的子单元；K代表子单元列数，H、G分别代表微单元的行与列，1≤H≤i，1≤G≤j。

第四，以第一行子单元为标准，按照权利要求7的方法进行依次递推，完成第2、3、4、5、6行子单元的编码；本实施例中按照权利要求7中“M_S(H，G)微单元与M_S+1(H+1，G)微单元完全相同，当H＝i时，M_S+1(H+1，G)代表M_S+1(1，G)微单元”规则进行编码，其中S代表子单元行数，编码完成后获得被显示图像的所有子单元，见图5；图6为图5被显示图像中第2行、第4列的子单元放大图，图中311为该子单元中第3行第6列的微单元。

第五，将形成的被显示图像放置于显示微元件(本例中为微透镜阵列)的焦面处，并在被显示微元件下表面安置高反射表面，即可形成如图7所示的显示效果，当观测者视角发生变化时，被现实的笑脸将随着视角的变化而移动。

实施例2，采用阵列数i×j为6×6微透镜阵列作为微显示元件，实现1.2mm的

图像的动态显示；(当视角从左到右移动时，显示的图像从右到左动态移动；当视角从上到下移动时，显示的图像从下到上动态移动)。

首先按照实施例一的第一、第二步对要显示的目标图形进行i＝6，J＝6两维等分，并确定相关微透镜阵列子单元及被显示微图像子单元的孔径。完成第1行、第1列子单元的编码；

其次，按照权利要求6的方法进行依次递推，完成第1行，第2、3、4、5、6列的子单元的编码；本实施例中按照权利要求6中“M_K(H，G)微单元与M_K+1(H，G-1)微单元完全相同，当G＝1时，M_K+1(H，G-1)代表M_K+1(H，j)微单元”规则进行编码；编码完成后获得第1行，第K＝2、3、4、5、6列的子单元；K代表子单元列数，H、G分别代表微单元的行与列，1≤H≤i，1≤G≤j。

第四，以第一行子单元为标准，按照权利要求7的方法进行依次递推，完成第2、3、4、5、6行子单元的编码；本实施例中按照权利要求7中“M_S(H，G)微单元与M_S+1(H-1，G)微单元完全相同，当H＝1时，M_S+1(H-1，G)代表M_S+1(i，G)微单元”规则进行编码，其中S代表子单元行数，编码完成后获得被显示图像的所有子单元，见图8，图中7为被显示图像子单元；

将形成的被显示图像放置于显示微元件(本例中为微透镜阵列)的焦面处，并在被显示微元件下表面安置高反射表面，即可形成需要的显示效果，当观测者视角发生变化时，被现实的“笑脸”将随着视角的变化而移动。

实施例3，实现图2所示

目标图像的三维立体、动态显示；

按照实施例一步骤，并根据所准备采用的显示微元件(本例中依然采用图3所示的6×6阵列的微透镜阵列)的排列方式，对目标图像

在X、Y方向进行两维分割。并依据权利要求6和权利要求7所述，完成三维目标图像的编码设计，形成初步的非立体被显示图像，如图4所示。

根据几何光学成像原理及目标图像立体显示的要求，调节被显示图像每个微单元的高度，形成携带有高度信息的被显示图像；以目标图像

的“眼睛”和“嘴巴”为例进行阐述，通过将用于表征目标图像“眼睛”的被显示图像所有微单元的高度减小，使其在与微透镜阵列组合后，带有目标图像“眼睛”信息的被显示图像微单元与微透镜的距离大于焦距，即可获得目标图像“笑脸”的“眼睛”跳出纸面的效果；通过将用于表征目标图像“嘴巴”的被显示图像所有微单元的高度增加，使其在与微透镜阵列组合后，带有目标图像“嘴巴”信息的被显示图像微单元与微透镜阵列的距离小于焦距，即可获得目标图像“笑脸”的“嘴巴”跳入纸面的效果。具有不同高度的微单元的立体、动态显示示意结构见图9，Point1，Point2分别为不同高度的被显示图像微单元，HP为被显示图像到显示微元件之间的距离，FP为显示微元件焦距。

将微透镜阵列与具有不同高度的微单元组成的被显示图像进行组合，即可获得动态的、立体的显示效果。

实施例4，利用六边形微透镜阵列实现

目标图像在X，Y方向无畸变的六边形排列动态显示；

首先将经过缩小后的目标图像进行六边形周期排列形成图10所示的图案，以图10中虚线框所包含的图像为被显示图像的第一行、第一列子单元；图10中的虚线框四个顶点分别位于四个目标图像的中心，虚线框内仅包含一个完整的目标图像。

图11为与图10子孔径相同的六边形排列微透镜阵列；以图11中虚线框所包含的微光学结构作为显示微元件的子单元；图11中的虚线框四个顶点分别位于四个微透镜的中心，虚线框内仅包含一个完整的微透镜。将该显示微元件子单元在X、Y方向进行周期排列即形成显示微元件。

按照实施例一所示步骤对被显示图像的第一行，第一列子单元进行等间隔划分；形成Tc×Tc个微单元，Tc为等分份数；以经过划分的第一行、第一列子单元为初始单元，按照实施例一所示方式进行两维编码，形成所有的子单元，并有该子单元组合形成被显示图像。

将显示微元件放置于被显示图像的焦面处，即可获得动态的、立体的显示效果。

Claims (10)

1.它主要由反射层、被显示图像、显示微元件三部分组成；显示微元件平行放置于对被显示图像上方，反射层则紧贴于被显示图像的下方；通过上述结构即可获得具有宏观尺度的目标图像的动态显示。

2.显示微元件可以为连续面形微透镜阵列、多台阶结构衍射型微透镜阵列，显示微元件由具有相同子孔径的子单元按照四边形排列、六边形排列等不同排列方式组合而成。

3.组成显示微元件的微透镜单元或微柱镜单元可以具有相同的焦距，也可以具有不同的焦距。

4.权利要求1所述的被显示图像，其特征在于：被显示图像由众多子单元按照四边形排列、六边形排列等不同排列方式组合而成，其组合方式与显示微元件阵列子单元的组合方式完全相同；被显示图像子单元与显示微元件的子单元一一对应，且被显示图像子单元与相对应的显示微元件子单元具有完全相同的子孔径形状、尺寸与排列方式。

5.权利要求1所述的被显示图像，其特征在于：将要显示的目标图像FIG沿相互正交的两个方向X，Y进行等分，X方向等分为i份，Y方向等分为j份，形成i×j个网格；被显示图像的任何一个子单元也都由i×j个微单元组成；对于构成目标图像的i×j个网格中的任何一个网格，在构成子单元的i×j个微单元中，有且仅有一个微单元与其对应。

6.权利要求1所述的被显示图像，其特征在于：设被显示图像由P行，L列子单元排列而成，对于同一行相邻列的子单元T_{P＝S，L＝K}与T_{P＝S，L＝K+1}，构成这两个子单元的微单元具有如下特征：

设M_K(H，G)代表第T_{P＝S，L＝K}个子单元的第H行，G列微单元，M_K+1(H，G)代表第T_{P＝S，L＝K+1}个单元的第H行，G列微单元；则M_K(H，G)微单元与M_K+1(H，G-1)微单元完全相同(或M_K(H，G)微单元与M_K+1(H，G+1)微单元完全相同，或M_K(H，G)微单元与M_K+1(H-1，G)微单元完全相同，或M_K(H，G)微单元与M_K+1(H+1，G)微单元完全相同)。

当H-1＝0时，M_K+1(H-1，G)代表M_K+1(i，G)微单元；当G-1＝0时，M_K+1(H，G-1)代表M_K+1(H，j)微单元；当H＝i时，M_K+1(H+1，G)代表M_K+1(1，G)微单元；当G＝j时，M_K+1(H，G+1)代表M_K+1(H，1)微单元；

T_{P＝S，L＝K}代表第S行，K列子单元，T_{P＝S，L＝K+1}代表第S行，K+1列子单元，H代表子单元中微单元的行，G代表子单元中微单元的列，1≤H≤i，1≤G≤j。

7.权利要求1所述的被显示图像，其特征在于：设被显示图像由P行，L列子单元排列而成，对于同一列相邻行的子单元T_{P＝S，L＝K}与T_{P＝S+1，L＝K}，构成这两个子单元的微单元具有如下特征：

设M_S(H，G)代表第T_{P＝S，L＝K}个子单元的第H行，G列微单元，M_S+1(H，G)代表第T_{P＝S+1，L＝K}个单元的第H行，G列微单元；则M_S(H，G)微单元与M_S+1(H-1，G)微单元完全相同(或M_S(H，G)微单元与M_S+1(H+1，G)微单元完全相同，或M_S(H，G)微单元与M_S+1(H，G-1)微单元完全相同，或M_S(H，G)微单元与M_S+1(H，G+1)微单元完全相同)。

当H-1＝0时，M_S+1(H-1，G)代表M_S+1(i，G)微单元；当G-1＝0时，M_S+1(H，G-1)代表M_S+1(H，j)微单元；当H＝i时，M_S+1(H+1，G)代表M_S+1(1，G)微单元；当G＝j时，M_S+1(H，G+1)代表M_S+1(H，1)微单元；

T_{P＝S，L＝K}代表第S行，K列子单元，T_P＝S+1L＝K代表第S+1行，K列子单元，H代表子单元中微单元的行，G代表子单元中微单元的列，1≤H≤i，1≤G≤j。

8.权利要求1所述的显示微元件与被显示图像，其特征在于：显示微元件具有周期性，被显示图像不具有周期性；最终显示的目标图像X方向尺度为i×a_x，Y方向尺度为j×a_y，通过调整显示微元件阵列与被显示图像阵列之间的转角，可获得小于上述尺度的目标图像。i为目标图像在X方向的等分份数，j为目标图像在Y方向的等分份数，a_x为显示微元件子单元X方向的子孔径尺度，a_y为显示微元件子单元Y方向的子孔径尺度。

9.权利要求1所述的被显示图像，其特征在于：被显示图像的微单元可以在同一平面，形成平面被显示图像；也可以不再同一平面，形成立体被显示图像；构成显示微元件的子单元可以具有相同的焦距，也可以具有不同的焦距，形成立体被显示图像。

10.权利要求1所述的显示微元件与被显示图像，其特征在于：被显示微图像与显示微元件之间的间距HP与显示微元件焦距FP关系如下：

FP/2≤HP≤2FP

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