CN103317229B - 一种标签签注方法与系统 - Google Patents

Abstract

一种标签签注方法和签注系统，通过在原有的激光签注光路和记录材料之间增设一块会聚透镜，依赖会聚透镜对光线角度的改变，只需将会聚透镜物面侧的签注图像进行平移，就能在像面侧得到不同入射角度下的成像效果。不仅控制简单、成像效果好，而且能够利用该签注方法实现多种形式的签注，为个性化激光签注带来了新的应用。

Description

一种标签签注方法与系统

技术领域

本发明涉及一种利用柱面透镜或凸透镜的汇聚作用使记录光线发生连续或不连续视角变化，通过微透镜阵列成像技术实现的多视角动态成像标签的激光签注的方法及其激光签注的系统。具体涉及在证卡、钞票及其他安全印刷材料上签注序列号等个性化文字或图形的多视角动态成像标签激光签注实现方法。

背景技术

通过微透镜阵列成像技术可以实现上浮或下沉等特殊视觉效果的三维动态文字或图形成像。根据实现方法可以分成两种类型：第一种类型是首先制作两层材料，上面一层由一定口径及焦距的微透镜阵列组成，微透镜阵列的排布可以是正交或蜂窝等排布；下面一层制作一定周期微文字或图形，周期与微透镜阵列排布周期呈一定规律，或相同或微缩或放大。两层薄膜材料精密定位附合，微透镜阵列通过对文字或图形层进行莫尔条纹放大及微透镜成像作用，产生一个动态三维的放大成像。如果观察者改变观察的视角，微透镜阵列取样成像位置发生微细差别，如此便出现了三维动态视觉效果。这种方法Drinkwater等在美国专利（US5,712,731）、R.A.Steenblik等在美国专利(US20050180020A1)和美国专利（US20080037131A1）、申溯等在中国专利（CN201010180251.4）中有详细阐述。

该方法的难点在于：上层的微透镜阵列及下层的微图案的制作精度都非常高，并且两层薄膜材料的定位精度要求也非常高。另外，这种方法需要事先做好文字或图形层与微透镜阵列层附合，所以该方法不能实现个性化的动态三维空间成像签注。

第二种类型由1908年G·李普曼提出，该方法是在激光记录材料上首先附上一层微透镜阵列，然后由投影成像系统在微透镜阵列上方一段距离产生一个影像，该影像通过微透镜阵列收集成像在各个微透镜下焦面的记录材料上。该记录的信息通过微透镜阵列再现在空间形成一个物象。由于微透镜对两眼的观察视角有微细的差别，这样观察者便会出现浮点或下沉的效果。如果观察者不断改变方位，微透镜对两眼的观察视角将发生连续的细微变化，最终形成动态三维空间成像的特殊视觉效果。该方法不存在对位要求，工艺要求简单，但是该方法需要事先做好一个掩膜或物体模型，用作在微透镜阵列上方的投影影像，所以该方法不宜材料的个性化签注。

为了实现个性化三维动态空间成像签注，3M公司的DouglasDunn等在（Personalized,Three-DimensionalFloatingImagesforIDDocuments）文章中及后续的(Three-DimensionalFloatingImagesasOvertSecurityFeatures.SPIE-IS&T/Vol.607560750G-10)文章中提出使用大数值孔径的透镜（NA>0.3）使激光束汇聚在微透镜阵列前或后表面，该汇聚点通过微透镜阵列收集记录在微透镜阵列下的激光记录材料上。改变激光束聚焦点与微透镜阵列之间的相对位置形成图形，最终在形成三维动态空间成像的特殊视觉效果。为了使聚焦光点与微透镜阵列之间的相对位置移动的高速化，普通的低数字孔径激光束受振镜摆动控制，并在激光束中设置了一块微透镜阵列微结构产生扩束的激光束，该扩束的激光束由两块对称透镜汇聚聚焦，最终实现了材料的个性化快速签注。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有多视角动态空间成像效果的标签签注方法和系统，在现有的签注方法基础上，增加再现图像在不同视角下的动态变化视觉效果，提高标签签注的个性化应用。

根据本发明的目的提出的一种标签签注方法，该签注方法将多幅待记录的图像以不同视角记录在覆有微透镜阵列的记录材料上，以实现多视角下的动态空间成像，其特征在于：所述待记录图像和记录材料之前设有一会聚透镜，所述不同待记录图像与所述会聚透镜中心向侧边水平距离不同，使得不同待记录图像发出的光线经过会聚透镜后，以不同的视角记录到所述记录材料表面，以达到再现时多视角动态空间成像的视觉效果。

优选的，所述多幅待记录图像在所述会聚透镜上方的同一水平高度上选取不同的位置分别进行记录，使得记录图像再现时呈现不同视角分别再现的动态视觉效果。

优选的，所述多幅待记录图像之间表达一连续的变化趋势，该多幅待记录图像在记录时，在所述会聚透镜上方进行连续的水平移动，使得记录图像在再现时呈现视角连续变化的动态视觉效果。

优选的，所述多幅待记录图像为同一三维物体不同视角下的平面图像，该多幅待记录图像在所述会聚透镜上方按照视角对应的位置进行记录，使得记录图像再现时呈现立体的视觉效果。

优选的，所述单幅待记录图像由激光振镜打标方法实现记录，该激光振镜打标方法采用一激光签注光路实现。

同时，根据本发明的目的提出的一种标签签注系统，包括形成待记录图像的激光签注光路和覆有微透镜阵列的记录材料，所述激光签注光路与所述记录材料之间设有一会聚透镜，所述激光签注光路能够相对该会聚透镜做水平移动，使得该激光签注光路在所述会聚透镜中心向侧边水平距离不同位置处生成的待记录图像发出的光线经过会聚透镜后，以不同的视角记录到所述记录材料表面，以达到再现时多视角动态空间成像的视觉效果。

优选的，所述会聚透镜与记录材料之间还设有扩散片，所述扩散片与会聚透镜之间的距离设置在所述会聚透镜的1倍或接近1倍焦距处。

优选的，所述扩散片与所述记录材料之间的距离大于或等于10倍的微透镜焦距。

优选的，所述扩散片与记录材料之间还设有聚焦透镜，所述记录材料的表面设置在该聚焦透镜的焦面上方。

优选的，所述激光签注光路包括激光光源、振镜组和f-θ镜。

优选的，所述记录材料的上层为微透镜阵列，所述微透镜阵列的尺度为20um到200um之间，微透镜阵列的排布可以是正交排列或蜂窝排列或随机位置排列，微透镜阵列的尺度可以是单一尺度或随机尺度混合；所述记录材料的下层为能量型激光记录材料，该能量型激光记录材料位置在上层微透镜阵列成的聚焦范围内。

与现有技术相比，本发明的标签签注方法依赖会聚透镜对光线角度的改变，只需将会聚透镜物面侧的签注图像进行平移，就能在像面侧得到不同入射角度下的成像效果。不仅控制简单、成像效果好，而且能够利用该签注方法实现多种形式的签注，为个性化激光签注带来了新的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是激光签注中所使用到的记录材料结构示意图；

图2是本发明多视角记录和再现的原理图；

图3是本发明的原理简要示意图；

图4是本发明第一实施方式下的标签签注系统的结构示意图；

图5是本发明第二实施方式下的标签签注系统的结构示意图；

图6是本发明签注方法下再现的立体图像效果示意图；

具体实施方式

为了便于理解本发明的发明精神，先对本发明的原理做介绍。

请参见图1，图1是在激光签注中所使用到的记录材料，该记录材料包括覆在上方的微透镜阵列和记录层本体，微透镜阵列是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的列阵，它不仅具有传统透镜的聚焦、成像等基本功能，而且具有单元尺寸小、集成度高的特点。通常每个透镜的周期在20um-200um之间。记录层是一种不可逆的光变材料，当超过其表面阈值能量的光照射之后，这种材料会发生包括色彩或性质上的改变，比如镀铝材料或一些高分子聚合物材料在激光照射下表面引发黑变。当一束激光经过微透镜阵列在记录材料上形成一些图像后，通过微透镜阵列对光线的细微改变，使得人眼看上去有上浮或下沉的动态效果。

请参见图2，图2是本发明多视角记录和再现的原理图。如图所示，假设有3个图形字母ABC发射的记录光线分别以不同的角度入射到记录材料的表面的相同位置上，经过微透镜阵列的成像作用，最后在记录层上记录的图形位存在一个差异，如图中的BAC顺序，记录到记录层上后变成CAB的顺序。再现时，根据光的可逆原理，分别在原BAC的位置处观察到各个图形字母，即观察者翻转记录材料，可以以不同的角度观察到ABC三字字母的图形。

这种记录方式的关键在于如何使得多幅图形能够以不同的角度入射到微透镜阵列的相同位置。在一种现有的激光签注方法中，依赖机械摆动来实现对记录材料和签注光线之间角度的调整，即当一幅图像签注完毕后，摆动记录材料一个角度，然后进行第二幅图像的记录。然而这种方法存在如下的问题：第一、在一些对每幅图像之间有特殊位置关系的记录中，比如为了实现一个立体图形不同视角下的图形记录，需要将每幅图形以相对精确的角度实现记录，此时在机械摆动中容易出现误差；第二、在一些具有连续变化的图形记录中，需要控制机械摆动装置以固定速度进行摆动，从而实现连续形式的记录，然而对于这种方式而言，需要对记录材料的摆动幅度和摆动速度都提出很高的要求，这种高精度的机械控制能力不仅造成签注系统的成本增加，而且往往使得签注图像成像效果不佳。

因此，本发明提出了一种新的动态空间图像的激光签注方法和签注系统，该签注系统在记录材料与签注图像之间增设一块会聚透镜，依赖会聚透镜对光线角度的改变，只需将会聚透镜物面侧的签注图像进行平移，就能在像面侧得到不同入射角度下的成像效果。请参见图3，图3是本发明的原理简要示意图，在记录材料的上面设置一个会聚透镜，将记录材料设置在会聚透镜下方焦面处。假设该会聚透镜的焦距为50mm，需要再现的签注图像分别为视角-15度、0度、15度的三幅图像，签注时我们把签注的图形分别对应地签注在会聚透镜-13mm、0mm、13mm位置。再现时根据光的可逆性原理将在上述视角上分别再现不同的三幅上浮空间图形。下面，将通过具体实施方式对本发明的技术方案做详细描述。

请参见图4，图4是本发明第一实施方式下的标签签注系统的结构示意图.如图所示，该标签签注系统包括形成待记录图像的激光签注光路11、覆有微透镜阵列的记录材料12，以及设置于该激光签注光路11与记录材料之间12之间的会聚透镜13。其中该激光签注光路11通过电脑控制实现振镜的二维摆动形成图形，该图像经会聚柱面透镜13在光扩散片14表面形成图形，该图形构成物平面，由记录材料12的微透镜阵列会聚成像在记录材料下层能量型激光记录层，形成像面。激光签注光路11能够相对该会聚透镜13做水平移动，使得该激光签注光路11在该会聚透镜13中心的水平距离不同位置处生成的待记录图像发出的光线经过会聚透镜13后，以不同的视角记录到记录材料12表面的相同或相近位置处，以达到再现时多视角动态空间成像的视觉效果。

该激光签注光路11具体包括激光光源111、振镜组112和f-θ镜113。激光光源111的能量应大于记录层的表面阈值，否则无法在记录材料上记录出图形。振镜组112通常包括X、Y轴两个方向的扫描镜，这样可以在平面上绘制出任意形状的图形。f-θ镜113则作为该光路的场镜。

在记录材料中，上层为微透镜阵列，微透镜阵列的尺度为20um到200um之间，微透镜阵列的排布可以是正交排列或蜂窝排列或随机位置排列，微透镜阵列的尺度可以是单一尺度或随机尺度混合；下层为能量型激光记录材料，该能量型激光记录材料位置在上层微透镜阵列成的聚焦范围内。

该会聚透镜13可以是柱面透镜，将会聚面朝向像面，此时该会聚透镜的成像效果是在一维方向上成像。该会聚透镜13也可以是会聚凸透镜，此时该会聚透镜的成像效果是在二维方向上成像。除此之外，该会聚透镜还可以是菲尼尔透镜等其它形式的会聚透镜。

在本实施方式中，为了增加再现图形浮动效果，在该记录材料12与会聚透镜13之间进一步设有一块扩散片14，扩散片14的作用是使得振镜系统在每个时间段实现签注图像的各个像素光点发生扩散，从而使得记录材料中更多的微透镜记录该图像的像素点。记录材料再现时，轻微晃动记录材料，观察者将看到记录材料中不同组的微透镜再现的图像，即实现再现图像的浮动感。

可以将扩散镜14设置在约10倍于记录材料中的微透镜阵列的焦距量级位置，这样一来，扩散片的光线相对微透镜阵列来说，近似的看作是无穷远处的光线，使得微透镜阵列可以在记录材料下层的能量型激光记录层上形成焦点。

扩散片14与会聚透镜13之间的距离设置在该会聚透镜的1倍或接近1倍焦距处，这样设置的好处在于，由会聚透镜发射的光线以会聚的趋势射向扩散片表面的相同或相近位置处，从而在图形再现时，保证不同视角观察到的图形反应在记录材料表面的相同或相近位置处。

在另一种实施方式中，扩散片14与记录材料16之间，还设有聚焦透镜15，参见图5。记录材料的表面设置在该聚焦透镜的焦面上方。这样一来，可以使得记录在材料上的图形呈现视觉下沉的再现效果；同样，把记录材料设置在聚焦透镜15的焦面下方，再现图像一般呈视觉上浮的效果，这两种效果可以增加标签签注的个性化。

下面，再对本发明的标签签注方法做详细说明。

实施方式一

制作具有视角连续变化时，观察到再现图像也呈现连续变化的情形。在该实施方式中，对于再现图像成连续变化是指某一个图像成动态变化效果，比如一只正在奔跑中的小动物，或者某个正在旋转中的立体几何图形。制作时，首先要设计出表达一连续的变化趋势的多幅待记录图像，这些待记录图像都由激光签注光路显示。该多幅待记录图像在记录时，在所述会聚透镜上方进行连续的水平移动，比如以透镜中心为0的直线坐标轴上，从-13mm只13mm之间的区域范围内从连续的平移，控制此时激光的能量和平移速度，使得每幅图像的曝光能量正好能够在记录层上留下记录图形，再现时，这些记录图像呈现视角连续变化的动态视觉效果。

实施方式二：

制作视角变化时，分别在某些特定的角度范围内观察到特定的图形。该实施方式相对第一实施方式要容易实现。设计时，只需将每幅图像分别以不同角度记录在记录材料上即可。具体操作时，多幅待记录图像在所述会聚透镜上方的同一水平高度上选取不同的位置分别进行记录，使得记录图像再现时呈现不同视角分别再现的动态视觉效果。比如在透镜中心正上方位置制作一个图形为字母A，在中心左侧13mm上方处制作一个图形为字母B，在中心右侧13mm上方处制作一个图形为字母C，假设该会聚透镜的焦距为50mm，则观察到的再现图形效果为：正视时可以看到字母A，向下翻转15度时在原先A字母处可以看到字母B（此时A字母消失），向上翻转15度时可以看到字母C。

实施方式三：

制作左右人眼视角差范围内观察到的立体图像再现效果。该实施方式是在第二实施方式的基础上，将多幅待记录图像设计为同一三维物体不同视角下的平面图像，这些不同视角的平面图像满足人眼观察下的仿3D效果。该多幅待记录图像在所述会聚透镜上方按照视角对应的位置进行记录，使得记录图像再现时呈现立体的视觉效果。以三幅图像为例，参见图6，第一图可以是单一左眼的视角下观察到的图，第二副可以是单一右眼的视角下观察到的图，第三幅则是位于左右眼中间角度下的图。记录时，首先在会聚透镜中心上方记录第三幅图，然后在左侧上方记录第一图像，再在会聚透镜中心右侧上方记录第二图像，左右两幅图像之间的距离满足人眼左右眼之间的观察距离。再现时，根据该三幅图像对人眼的视角差，呈现出立体的效果。当然为了使得图像的还原信息度高，可以填充跟多角度下的图像，只要最少满足两幅即可。具体的图片建立手段，可以在3DMAX软件中建立一三维立体图形，然后建立照相机在不同透镜视角上分别采集个视角图形。或者使用相机拍摄方案，分别拍摄不同视角的图形，就能得到这些仿人眼3D观察下的多角度图形。

上述的各个实施方式中，为了实现材料的个性化签注，单幅待记录图像由激光振镜打标方法实现记录，该激光振镜打标方法采用激光签注光路实现激光签注光路实现。通过采用振镜系统对激光光源发出的光线扫描实现光点的图形化。该签注方案光点形成图形高效快速，能在实施中实现材料的个性化签注，适合系统的工程化签注。

综上所述，本发明提出了一种标签签注方法和签注系统，通过在原有的激光签注光路和记录材料之间增设一块会聚透镜，依赖会聚透镜对光线角度的改变，只需将会聚透镜物面侧的签注图像进行平移，就能在像面侧得到不同入射角度下的成像效果。不仅控制简单、成像效果好，而且能够利用该签注方法实现多种形式的签注，为个性化激光签注带来了新的应用。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种标签签注方法，该签注方法以不同视角在覆有微透镜阵列的记录材料上记录多幅待记录的图像，再现时能够实现多视角下的动态空间成像效果，其特征在于：所述待记录图像和记录材料之间设有一会聚透镜，不同的所述待记录图像与所述会聚透镜中心的水平距离不同，使得不同待记录图像发出的光线经过会聚透镜后，以不同的视角记录到所述记录材料表面，以达到再现时多视角动态空间成像的视觉效果,所述会聚透镜与记录材料之间还设有扩散片，所述扩散片与会聚透镜之间的距离设置在所述会聚透镜的1倍或接近1倍焦距处,所述扩散片与所述记录材料之间的距离大于或等于10倍的微透镜焦距,所述扩散片使得记录材料再现时，轻微晃动记录材料，可以实现再现图像的浮动感。

2.如权利要求1所述的标签签注方法，其特征在于：所述多幅待记录图像之间表达一连续的变化趋势，该多幅待记录图像在记录时，在所述会聚透镜向两侧边进行连续的水平移动，使得记录图像在再现时呈现视角连续变化的动态视觉效果。

3.如权利要求1所述的标签签注方法，其特征在于：所述多幅待记录图像在所述会聚透镜向两侧边选取不同的位置分别进行记录，使得记录图像再现时呈现不同视角分别再现的动态视觉效果。

4.如权利要求1所述的标签签注方法，其特征在于：所述多幅待记录图像为同一三维物体不同视角下的平面图像，该多幅待记录图像在所述会聚透镜上方按照视角对应的位置进行记录，使得记录图像再现时呈现立体的视觉效果。

5.如权利要求1所述的标签签注方法，其特征在于：单幅所述待记录图像由激光振镜打标方法实现记录，该激光振镜打标方法采用一激光签注光路实现。

6.一种标签签注系统，包括形成待记录图像的激光签注光路和覆有微透镜阵列的记录材料，其特征在于：所述激光签注光路与所述记录材料之间设有一会聚透镜，所述激光签注光路能够相对该会聚透镜做水平移动，使得该激光签注光路在所述会聚透镜中心向两侧不同位置处生成的待记录图像发出的光线经过会聚透镜后，以不同的视角记录到所述记录材料表面，以达到再现时多视角动态空间成像的视觉效果,所述会聚透镜与记录材料之间还设有扩散片，所述扩散片与会聚透镜之间的距离设置在所述会聚透镜的1倍或接近1倍焦距处,所述扩散片与所述记录材料之间的距离大于或等于10倍的微透镜焦距。

7.如权利要求6所述的标签签注系统，其特征在于：所述扩散片与记录材料之间还设有聚焦透镜，所述记录材料的表面设置在该聚焦透镜的焦面上方。

8.如权利要求6所述的标签签注系统，其特征在于：所述激光签注光路包括激光光源、振镜组和f-θ镜。

9.如权利要求6所述的标签签注系统，其特征在于：所述记录材料的上层为微透镜阵列，所述微透镜阵列的尺度为20um到200um之间，微透镜阵列的排布是正交排列或蜂窝排列或随机位置排列，微透镜阵列的尺度是单一尺度或随机尺度混合；所述记录材料的下层为能量型激光记录材料，该能量型激光记录材料位置在上层微透镜阵列成的聚焦范围内。

10.如权利要求6所述的标签签注系统，其特征在于：所述会聚透镜为柱面透镜、会聚凸透镜或菲尼尔透镜中的一种。