CN104834029A

CN104834029A - 双面成像的微光学器件及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN104834029A
Application number: CN201510181774.3A
Authority: CN
Inventors: 徐良衡; 庄孝磊; 董兰新; 游仁顺
Original assignee: Shanghai Tian Chen Wrappage Co Ltd
Current assignee: Shanghai Tian Chen Wrappage Co Ltd
Priority date: 2015-04-16
Filing date: 2015-04-16
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2035-04-16
Also published as: EP3285096A1; WO2016165356A1; EP3285096A4; US20180111405A1; CN104834029B

Abstract

本发明公开了一种双面成像的微光学器件及其制备方法和应用，所述双面成像的微光学器件，包括依次相互复合的第一微透镜层、功能层、第二微透镜层和微缩图文层，第一微透镜层为由复数个第一微透镜排列的第一微透镜阵列，第二微透镜层为由复数个第二微透镜排列的第二微透镜阵列；功能层设置于第二微透镜层表面，功能层的材料具有不同于周围材料的折射率。本发明的微光学器件，可以在两个面成像，采用该器件制备的产品用于包装和票据防伪后，可在正反两个面都呈现立体图像，且所呈现的两种立体图像的表现形式是不同的，这大大增强了产品的吸引力和防复制能力。

Description

双面成像的微光学器件及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种微光学器件。

背景技术

基于微透镜阵列和微图文阵列的莫尔放大技术得到防伪领域的普遍关注。Drinkwater等人在美国专利No.5712731中提出了使用孔径在50-250微米的微透镜阵列与微图文阵列相结合的安全器件；

R.A.Steenblik等人在美国专利NO.2005/0180020A1中通过更精密的加工技术以及更多的变换形式，将基于微透镜阵列的安全元件范围进行了扩展，即将微透镜的孔径减小至50微米以下。

而上述采用微透镜结构的微光学器件都是单向成像，只能从一面看到立体晃动图像，这无论是做包装材料还是票据防伪，都存在一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是公开一种双面成像的微光学器件及其制备方法和应用，以克服现有技术存在的缺陷。

所述的双面立体的光学元件，包括依次相互复合的第一微透镜层、功能层、第二微透镜层和微缩图文层；

所述第一微透镜层为由复数个第一微透镜排列的第一微透镜阵列；

所述第二微透镜层为由复数个第二微透镜采排列的第二微透镜阵列；

所述功能层设置于第二微透镜层表面，功能层的材料具有不同于周围材料的折射率。

本发明的有益效果是，所制备的微光学器件，可以在两个面成像，采用该器件制备的产品用于包装和票据防伪后，可在正反两个面都呈现立体图像，且所呈现的两种立体图像的表现形式是不同的，这大大增强了产品的吸引力和防复制能力。

附图说明

图1为双面成像的微光学器件结构示意图。

图2为第一微透镜透射聚焦示意图和第二微透镜的反射聚焦示意图。

图3为功能层结构示意图。

图4为第一微透镜、第二微透镜和微缩图文均为周期排布时的示意图。

图5为周期排布时两层对称轴夹角示意图。

图6为第一微透镜、第二微透镜和微缩图文均为随机排布时的示意图。

图7为一种微缩图文制作示意图。

图8为一种微结构微缩图文示意图。

图9为采用本发明微光学器件的双侧开窗安全线票据示意图。

图10为票据切面示意图。

图11为一种隐形密文结构示意图。

图12为一种结合全息的双面成像微光学器件结构示意图。

图13为另一种结合全息的双面成像微光学器件结构示意图。

具体实施方式

参见图1，所述的双面立体的光学元件，包括依次相互复合的第一微透镜层1、功能层4、第二微透镜层2和微缩图文层3；

所述第一微透镜层1为由复数个第一微透镜11排列的第一微透镜阵列；

所述第二微透镜层2为由复数个第二微透镜21排列的第二微透镜阵列；

优选的，所述第一微透镜层1由所述的第一微透镜11采用周期排布方式或者随机排布方式排列成为第一微透镜阵列，所述第二微透镜层2由复数个第二微透镜21采用周期排布方式或者随机排布方式排列的第二微透镜阵列；

所述的第一微透镜层1的基材的折射率为1.4～1.8，

所述的第一微透镜层1的基材选自热压型材料如聚醋酸乙烯酯、三醋酸纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、醇酸树脂和甲苯二异氰酸酯的混合物、聚氨酯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯；也可选自紫外固化型材料如环氧丙烯酸酯、脂肪酸改性环氧丙烯酸酯、苯乙烯和环氧丙烯酸酯的混合物；

所述的第二微透镜层2的基材的折射率为1.4～1.8；

第二微透镜层2的基材选自热压型材料如聚醋酸乙烯酯、三醋酸纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、醇酸树脂和甲苯二异氰酸酯的混合物、聚氨酯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯；也可选自紫外固化型材料如环氧丙烯酸酯、脂肪酸改性环氧丙烯酸酯、苯乙烯和环氧丙烯酸酯的混合物；

所述第一微透镜11或第二微透镜21为球面透镜或非球面透镜；

所述第一微透镜或第二微透镜的基部几何形状为圆形、三角形、矩形或正六边形的一种或组合，优选的为正六边形，因为在相同的透镜孔径和透镜间距条件下，正六边形基部的微透镜具有最高的填充率，而微透镜填充率越高，得到的宏观放大的图文信息越清晰明亮；参见图4，图4a所示为第一微透镜11和第二微透镜21圆形基部微透镜矩形排列示意图，图4b所示为第一微透镜11和第二微透镜21正六边形基部微透镜蜂窝状排列示意图；

所谓填充率是指微透镜所占的面积与总面积之比，第一微透镜11的总面积与第一微透镜层1的总面积之比为40％～90％；第二微透镜21与第二微透镜层2的总面积之比为40％～90％；

所述功能层的材料对可见光具有良好的透过性，且具有不同于周围材料的折射率，这就相当于在材料内形成了一层微弧状结构的折射率差阵列；功能层4的厚度为10～1000纳米，优选的为10～100纳米；

优选的，如图3所示，所述的功能层4的层数为1层或多层，优选的层数为1～3层，多层结构的功能层，相比单层膜结构具有更强的全反射光线的能力；

图3a所示为功能层的单层膜结构，功能层4材料的折射率大于周围材料的折射率，这种结构只能在功能层4与周围材料之间发生一次全反射；

图3b所示为功能层的双层膜结构，第一功能膜层41复合在所述的第二微透镜层1表面，第二功能膜层42复合在所述的第一功能膜层41表面；

第一功能膜层41的折射率大于第二功能膜层42的折射率，第一功能膜层41的折射率与第二功能膜层42的折射率的差值优选为0.3～0.8；第二功能膜层42的折射率大于周围材料的折射率，这种结构可以在第一功能膜层41与第二功能膜层42以及第二功能膜层42与周围材料之间反生两次全反射，因此较单层膜结构具有更强的全反射光的能力。理论上这种膜层数越多，其全反射光的能力也越强。

光学元件对从第一微透镜层入射的光具有很高的透过性，而对从微缩图文层入射的光，由于弧状折射率差的存在，只有部分光线可以透过，部分光线会因全反射的作用而反射回来。

所述的功能层4材料折射率优选的为1.6-3.5，功能层4材料的折射率与周围材料的折射率的差值为0.3～2.0，优选0.5～1.5，功能层4位于第二微透镜表面，填充率与第二微透镜层相同。

所述功能层4的材料选自氧化物、氮化物、碳化物、无机金属盐、金属或金属合金；

所述的氧化物选自一氧化硅SiO、二氧化硅SiO₂、二氧化钛TiO₂、二氧化锆ZrO₂、二氧化铪HfO₂、一氧化钛TiO、,五氧化三钛Ti₃O₅、五氧化二铌Nb₂O₅、五氧化二钽Ta₂O₅、氧化钇Y₂O₃或氧化锌ZnO；

所述的氮化物物选自氮化钛TiN、氮化硅Si₃N₄或氮化硼BN；

所述的碳化物选自碳化硅SiC或碳化硼B₄C；

所述的无机金属盐选自氟化钕NbF₃、氟化钡BaF₂、氟化铈CeF₃、氟化镁MgF₂、氟化镧LaF₃、氟化钇YF₃、氟化镱YbF₃、氟化铒ErF₃、硒化锌ZnSe、硫化锌ZnS、钛酸镧LaTiO₃、钛酸钡BaTiO₃、钛酸锶SrTiO₃、钛酸镨PrTiO₃或硫化镉CdS；

所述的金属选自铝Al、铜Cu、钛Ti、硅Si、金Au、银Ag、铟In、镁Mg、锌Zn、铂Pt、锗Ge、镍Ni；

所述的金属合金选自金锗合金AuGe、金镍合金AuNi、镍铬合金NiCr、钛铝合金TiAl、铜铟镓合金CuInGa、铜铟镓硒合金CuInGaSe、锌铝合金ZnAl或铝硅合金AlSi；

所述的微缩图文层3为周期排布方式或者随机排布方式排列的微缩图文阵列，微缩图文层3的材料选自热压型材料如聚醋酸乙烯酯、三醋酸纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、醇酸树脂和甲苯二异氰酸酯的混合物、聚氨酯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯；也可选自紫外固化型材料如环氧丙烯酸酯、脂肪酸改性环氧丙烯酸酯、苯乙烯和环氧丙烯酸酯的混合物，厚度为0.5～5微米；

所述的微缩图文的尺寸，为微米数量级的图案或文字，微缩图文为透明、色彩、反射、干涉、色散或偏振特性中的一种或几种，只要图文部分与其他地方能产生对比即可。由于微缩图文的尺寸较小，目前通用的印刷设备无法印刷出如此精细的图文结构，可以采用申请人的中国专利201110074244.0公开了的微缩图文的印刷方法进行制备。

参见图7和图8，图7为一种利用刮墨方式制作微缩图文的示意图，图8a为微缩图文“天”字笔画内为光栅结构，由于光栅具有不同的光学特性，与周围形成对比即可体现出微缩图文“天”。图8b所示为微缩图文“天”字笔画内为一种光栅结构，其他部分为另一种取向的光栅结构，不同取向的光栅结构产生对比，形成微缩文字“天”。

微缩图文层3位于第一微透镜层1的透射焦平面附近，同时也位于第二微透镜层2的反射焦平面附近。

参见图2，图2a为第一微透镜11透射聚焦示意图，第一微透镜层1与微缩图文层3的距离d₁与第一微透镜11的结构参数满足如下关系：

d_{1} = \frac{{D_{1}}^{2} + 4 {h_{1}}^{2}}{8 h_{1} (n_{1} - 1)} - - - (1)

其中：

D₁为第一微透镜11的孔径，优选的第一微透镜11的孔径D₁为20～500微米；

h₁为第一微透镜11的球冠高度，优选的，第一微透镜11的球冠高度为6～100微米；

n₁为第一微透镜11的材料折射率，优选的，第一微透镜11的材料折射率为1.4～1.8；

第一微透镜层1与微缩图文层3之间存在一层弧状的高折射率的功能层4，它对光线的传播会产生一定的影响。但功能层4只有几十纳米的厚度，因此对光线传播的影响微乎其微，可以忽略不计；

图2b所示为第二微透镜21的反射聚焦示意图。

第二微透镜层2与微缩图文层3的距离d₂与第二微透镜21的结构参数满足如下关系：

d_{2} = \frac{{D_{2}}^{2} - 12 {h_{2}}^{2}}{16 h_{2}} - - - (2)

其中：

D₂为第二微透镜21的孔径，优选的，第二微透镜21的孔径为20～1000微米；

h₂为第二微透镜21的球冠高度，优选的第二微透镜21的球冠高度为2～100微米；

在上述的结构下，当观察者从第一微透镜层一侧观察时，功能层4对第一微透镜的成像来说是透明的(影响较小可忽略)。第一微透镜层与微缩图文层之间满足莫尔放大条件而产生诸如立体、晃动的第一视觉效果。当观察者从微缩图文层一侧观察时，对于第一微透镜层与微缩图文层二者来说，功能层4同样也是透明的，但此时微缩图文层与第一微透镜层1位置发生了倒置，不满足莫尔放大的条件，因此不能产生明显的视觉效果。但由于微弧形折射率差阵列的存在，从微缩图文层入射的光线会被部分全反射回来，这就相当于微缩图文3被第二微透镜层2进行了反射成像，微缩图文层与第二微透镜层之间满足莫尔放大的条件，产生诸如立体、晃动的第二视觉效果。第二视觉效果的亮度受到了周围光照强度以及功能层折射率差值大小的影响。周围光照强度越强，全反射的光线相对也就越多，第二视觉效果越明显。功能层折射率差值越大，其全反射光的能力就越强，第二视觉效果也就越明显。

参见图4，所述第一微透镜阵列、第二微透镜阵列和所述的微缩图文阵列为周期排布方式排列时，所述第一微透镜层1的第一微透镜、第二微透镜层2的第二微透镜和微缩图文层3的微缩图文，均为周期排布，在平面内具有A1、B1两个相互垂直的对称轴，A1为阵列X方向对称轴，B1为阵列Y轴方向对称轴，(三层结构，每一层内都是X.Y轴对称的。)每一层内各单元沿对称轴方向都有一个固定的排列周期。第一微透镜层1与微缩图文层3，各参数间满足下列关系：

m_{1} = \frac{N_{1} T_{1}}{\sqrt{{(T_{3} \cos α_{1} - N_{1} T_{1})}^{2} + {(T_{3} \sin α_{1})}^{2}}} - - - (3)

其中：

m₁为第一视觉效果宏观放大倍率，T₁为所述的第一微透镜阵列层的排布周期，T₃为所述的微缩图文阵列的排布周期，α₁为第一微透镜阵列对称轴与微缩图文阵列对称轴的夹角，如图5所示，图5中，A1、B1为第一微透镜阵列对称轴，A3、B3为微缩图文阵列对称轴；

N₁为比例系数，N₁＝0.1～10；

T₁＝20～500微米，T₃＝20～500微米，α₁＝0～5°；

术语“第一视觉效果宏观放大倍率”指的是眼睛从第一微透镜层一侧看到的宏观微缩图文的大小与微缩图文实际大小的比值；

第二微透镜层2与微缩图文层3，各参数间满足下列关系：

m_{2} = \frac{N_{2} T_{2}}{\sqrt{{(T_{3} \cos α_{2} - N_{2} T_{2})}^{2} + {(T_{3} \sin α_{2})}^{2}}} - - - (4)

其中：

m₂为第二视觉效果的宏观放大倍率，T₂为第二微透镜阵列的排布周期，T₃为微缩图文阵列的排布周期，α₂为第二微透镜阵列对称轴与微缩图文阵列对称轴的夹角；

N₂为比例系数，N₂＝0.1～10；

T₂＝20～1000微米，T₃与式(3)相同；

α₂＝0～5°；

术语“第二视觉效果的宏观放大倍率”指的是眼睛从微缩图文层一侧看到的宏观微缩图文的大小与微缩图文实际大小的比值；

参见图5，第一微透镜层1、第二微透镜层2和微缩图文层3均为随机排布时的示意图，各单元随机分布，在平面内没有对称轴。两层分布相同但具有很小尺寸和角度差异的随机点阵列叠加在一起可以产生另外一种莫尔条纹，也就是“Glass Pattern”现象。周期排列的点阵产生的莫尔条纹也是周期排列的，且可以一直延伸到整个平面。而Glass Pattern现象只会在整个平面的某个中心点位置产生单个莫尔条纹。当随机分布的微透镜层与随机分布的微缩图文层叠加时，利用Glass Pattern原理以及透镜成像作用，同样可以产生与周期排列相同的立体晃动效果。不同的是周期排列产生的是周期宏观图文的立体晃动效果，而随机分布排列产生的是单个宏观图文的立体晃动效果。

周期分布阵列和随机分布阵列都遵循莫尔条纹的基本原理，因此前文中提到的关于周期分布莫尔放大的相关理论公式，式(1)～式(2)，同样适用于随机分布的情况。通过合理选择两层随机分布阵列的尺寸比和旋转角度，也可以产生裸眼立体和正交晃动的视觉效果。

本发明的制备方法，包括如下步骤：

(1)确定第一微透镜的结构参数D₁、h₁以及第二微透镜的结构参数D₂、h₂，计算出第一微透镜层1与微缩图文层3的距离d₁和第二微透镜层2与微缩图文层3的距离d₂。

(2)在厚度为d₂的第二微透镜层基材膜上，采用紫外模压方法，制备第二微透镜层2，然后在第二微透镜层表面，采用功能层材料进行真空镀膜，镀层厚度为10～1000纳米，获得镀覆了所述功能层的第二微透镜层；

优选的，采用不同折射率的功能层材料进行多次镀覆，优选镀覆1～3次；

(3)在功能层的另一侧涂布第一微透镜层基材层，使膜的整体厚度为d₁，膜的整体厚度指的是第二微透镜基材、第二微透镜层、功能层以及第一微透镜层基材的总厚度。其中第一微透镜层基材选自热压型材料如聚醋酸乙烯酯、三醋酸纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、醇酸树脂和甲苯二异氰酸酯的混合物、聚氨酯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯；也可选自紫外固化型材料如环氧丙烯酸酯、脂肪酸改性环氧丙烯酸酯、苯乙烯和环氧丙烯酸酯的混合物。然后在第一微透镜基材上制备第一微透镜层1，优选采用紫外模压方法进行制备，所述的紫外模压方法的方法为常规的，可参见文献C.Y.Chang,S.Y.Yang,M.H.Chu,“Rapid fabrication ofultraviolet-cured polymer microlens arrays by soft roller stamping process”[J].Micromech.Microeng.84(2007)355–361文献报道的方法；

(4)在第二微透镜层基材的另一侧制备微缩图文层3，优选的，采用申请人的中国专利201110074244.0，公开了的微缩图文的印刷方法进行制备，获得所述的双面立体的光学元件。

本发明所述的双面立体的光学元件，可用于制备票据安全线；

图9为采用本发明微光学器件的双侧开窗安全线票据示意图。票据的AB两侧面均部分露出本发明微光学器件，图10为票据切面示意图。

从A面开窗131处观察安全线可以看到本发明微光学器件的第一视觉效果，从B面开窗132处观察安全线可以看到本发明微光学器件的第二视觉效果，这大大增强了安全线的防伪特性。

实施例1

制备图1和图4结构的双面立体的光学元件；

第一微透镜11的孔径D₁为30微米，球冠高度h₁为6微米，第二微透镜21的孔径D₂为60微米，球冠高度h₂为10微米；α₁＝0.3°，α₂＝0；

第一微透镜11和第二微透镜21的基部几何形状为正六边形；

第一微透镜11、第二微透镜21和微缩图文均采用周期排布；

第一微透镜11和第二微透镜21均为球面透镜。

第一微透镜1的填充率为80％；

二微透镜层2的填充率为79％；

功能层为65纳米厚的硫化锌镀层，折射率为2.35；

微缩图文层3位于第一微透镜层1的透射焦平面附近，第一微透镜层1与微缩图文层3的距离d₁与第一微透镜11的结构参数，满足如下关系：

d_{1} = \frac{{D_{1}}^{2} + 4 {h_{1}}^{2}}{8 h_{1} (n_{1} - 1)} - - - (1)

其中：

将第一微透镜参数代入上述公式，可得第一微透镜层1与微缩图文层的距离d₁，d₁＝43.5微米；

微缩图文层3同时也位于第二微透镜21的反射焦平面附近。第二微透镜2与微缩图文层3的距离d2与第二微透镜21的结构参数满足如下关系：

d_{2} = \frac{{D_{2}}^{2} - 12 {h_{2}}^{2}}{16 h_{2}} - - - (2)

其中：

将第二微透镜参数代入公式，可得第二微透镜层与微缩图文层的距离d₂，d₂＝15微米；

第一微透镜层1与微缩图文层3，各参数间满足下列关系：

m_{1} = \frac{N_{1} T_{1}}{\sqrt{{(T_{3} \cos α_{1} - N_{1} T_{1})}^{2} + {(T_{3} \sin α_{1})}^{2}}} - - - (3)

其中：

T₁为第一微透镜阵列层的排布周期＝32微米；

T₃为所述的微缩图文阵列的排布周期＝32微米；

α₁为第一微透镜阵列对称轴与微缩图文阵列对称轴的夹角＝0.3°；

N₁＝1；

第二微透镜层2与微缩图文层3，各参数间满足下列关系：

m_{2} = \frac{N_{2} T_{2}}{\sqrt{{(T_{3} \cos α_{2} - N_{2} T_{2})}^{2} + {(T_{3} \sin α_{2})}^{2}}} - - - (4)

其中：

T₂为第二微透镜阵列的排布周期＝64.32微米；

T₃为微缩图文阵列的排布周期＝32微米；

α₂为第二微透镜阵列对称轴与微缩图文阵列对称轴的夹角＝0°；

N₂为比例系数，N₂＝2；

计算结果：m₁＝190，m₂＝100；

制备方法：

(1)根据第一微透镜和第二微透镜的结构参数，计算出d₁＝43.5微米，d₂＝15微米。

(2)在15微米后的PET基材上，通过紫外模压工艺制备孔径为60微米，球冠高度为10微米的第二微透镜层，并在第二微透镜层表面镀65纳米厚度的硫化锌镀层。

(3)在硫化锌镀层表面涂覆聚乙烯树脂，使膜层的总体厚度达到43.5微米。然后在聚乙烯树脂通过紫外模压工艺制备孔径为30微米，球冠高度为6微米的第一微透镜层。

(4)最后在PET基材的另一面制备微缩图文层。采用申请人的中国专利201110074244.0，公开了的微缩图文的印刷方法进行制备；

从公式(3)(4)中可知，微透镜阵列与微缩图文阵列的周期比以及夹角α对视觉效果有最直接的影响。当α＝0，即微透镜阵列层与微缩图文阵列层的对称轴相互平行时，系统会产生裸眼立体的视觉效果。若微透镜阵列与微缩图文阵列的周期比大于1，视觉效果体现为立体下沉；微透镜阵列与微缩图文阵列周期比小于1，视觉效果体现为立体上浮。当微透镜与微缩图文周期比等于1，且α≠0时，系统会产生正交晃动的视觉效果。

本发明元件中，有三层关系组合：第一微透镜层与微缩图文层，第二微透镜层与微缩图文层以及第一微透镜层与第二微透镜层。

在微缩图文参数固定情况下，通过设计不同的第一微透镜参数和第二微透镜参数可以实现多种视觉效果的组合；

本实施例中，D1＝30μm，D2＝60μm，T1/T3＝1，α₁＝0.3°，T2/T3＝0.995，α₂＝0，最终效果是第一视觉效果为正交晃动，第二视觉效果为立体下沉，且第一视觉效果和第二视觉效果均可看到一层淡淡的摩尔条纹。

实施例2

制备图1和图6所示结构双面立体的光学元件；

第一微透镜11的孔径D₁为40微米，球冠高度h₁为8微米，第二微透镜21的孔径D₂为80微米，球冠高度h₂为12.3微米；α₁＝0.4°，α₂＝0；

第一微透镜11和第二微透镜21的基部几何形状为圆形；

第一微透镜11、第二微透镜21和微缩图文均采用随机排布；

第一微透镜11和第二微透镜21均为球面透镜。

第一微透镜层1的填充率为68％；

第二微透镜层2的填充率为68％；

功能层为30纳米厚的硫化锌镀层和40纳米后的钇镀层，折射率分别为2.35和1.8。

d_{1} = \frac{{D_{1}}^{2} + 4 {h_{1}}^{2}}{8 h_{1} (n_{1} - 1)} - - - (1)

其中：

将第一微透镜参数代入上述公式，可得第一微透镜层1与微缩图文层的距离d₁，d₁＝58微米；

d_{2} = \frac{{D_{2}}^{2} - 12 {h_{2}}^{2}}{16 h_{2}} - - - (2)

其中：

将第二微透镜参数代入公式，可得第二微透镜层与微缩图文层的距离d₂，d₂＝23微米；

第一微透镜层1与微缩图文层3，各参数间满足下列关系：

m_{1} = \frac{N_{1} T_{1}}{\sqrt{{(T_{3} \cos α_{1} - N_{1} T_{1})}^{2} + {(T_{3} \sin α_{1})}^{2}}} - - - (3)

其中：

T₁为第一微透镜阵列层的排布周期＝43微米；

T₃为所述的微缩图文阵列的排布周期＝43微米；

α₁为第一微透镜阵列对称轴与微缩图文阵列对称轴的夹角＝0.4°；

N₁＝1；

第二微透镜层2与微缩图文层3，各参数间满足下列关系：

m_{2} = \frac{N_{2} T_{2}}{\sqrt{{(T_{3} \cos α_{2} - N_{2} T_{2})}^{2} + {(T_{3} \sin α_{2})}^{2}}} - - - (4)

其中：

T₂为第二微透镜阵列的排布周期＝85.14微米；

T₃为微缩图文阵列的排布周期＝43微米；

N₂为比例系数，N₂＝2；

计算结果：m₁＝143，m₂＝100；

制备方法：

(1)根据第一微透镜和第二微透镜的结构参数，计算出d₁＝58微米，d₂＝23微米。

(2)在23微米厚的PET基材上，通过紫外模压工艺制备孔径为80微米，球冠高度为12微米的第二微透镜层，并在第二微透镜层表面分别镀30纳米厚度的硫化锌镀层和40纳米厚度的钇镀层。

(3)在钇镀层表面涂覆聚乙烯树脂，使膜层的总体厚度达到58微米。然后在聚乙烯树脂通过紫外模压工艺制备孔径为40微米，球冠高度为8微米的第一微透镜层。

实施例3

制备图11所示的双面立体的光学元件，其中：

第二微透镜21的孔径D₂＝51.5μm，排列周期T₂＝63.36μm，填充率为60％，功能层4材料为二氧化铪，厚度为50纳米，折射率为2.0，其他结构参数同实施例1，在该结构参数下，第二视觉效果的信息无法直接识别，需要在额外点光源或平行光源照射下才可被识别。

实施例4

如图12所示，本实施例为实施例1的一个变种方案，其他结构不变，在第一微透镜层与第二微透镜层之间增加一层全息信息层9。目前全息技术已经非常成熟，光刻全息可以制作出各式各样炫彩的全息效果。全息效果的产生本质上是不同入射波长的光线在不同取向不同参数的光栅结构产生的干涉条纹。微透镜阵列是由许多微米级的球面透镜组成的，每一个小透镜都会将光线进行会聚，形成高度发散的光锥。微透镜阵列直接与全息相结合，微透镜这种会聚光线的特性会破坏干涉条纹的传播路线，而使全息效果消失。本发明中，微弧面功能层的存在只是在材料中产生一层微弧状的折射率差，而这层折射率差对光线传播的影响很小，全息信息层产生的干涉光线可以透过微弧面功能层而被人眼所观察到。因此在本实施例中，从第一微透镜一侧观察时，只能看到第一视觉效果，看不到全息信息。而从微缩图文层一侧观察时，不仅可以看到第二视觉效果，还能看到全息信息。当前由于全息技术的普及和大众化，使得单纯全息作为防伪的功能越来越弱，本实施例将全息技术和微光学技术有效结合，不仅大大提高产品的可观赏性，还增加了其技术难度。

制备方法：

(3)在硫化锌镀层表面涂覆聚乙烯树脂，使膜层的总体厚度达到30微米。在聚乙烯树脂上通过热模压工艺制备特定的全息信息层，并进行表面处理，然后再次涂覆聚乙烯树脂，使膜层的总厚度达到43.5微米，通过紫外模压工艺制备孔径为30微米，球冠高度为6微米的第一微透镜层。

图13为结构的另一个变种。

将全息信息层放于第二微透镜层2与微缩图文层3之间，可以达到与图12同样的效果。

Claims

1.双面成像的微光学器件，其特征在于，包括依次相互复合的第一微透镜层(1)、功能层(4)、第二微透镜层(2)和微缩图文层(3)；

所述第一微透镜层(1)为由复数个第一微透镜(11)排列的第一微透镜阵列；

所述第二微透镜层(2)为由复数个第二微透镜(21)排列的第二微透镜阵列；

所述功能层设置于第二微透镜层(1)表面，功能层的材料具有不同于周围材料的折射率。

2.根据权利要求1所述的双面成像的微光学器件，其特征在于，所述第一微透镜层(1)由所述的第一微透镜(11)采用周期排布方式或者随机排布方式排列成为第一微透镜阵列，所述第二微透镜层(2)由复数个第二微透镜(21)采用周期排布方式或者随机排布方式排列的第二微透镜阵列。

3.根据权利要求1所述的双面成像的微光学器件，其特征在于，所述的第一微透镜层(1)的基材的折射率为1.4～1.8，所述的第二微透镜层(2)的基材的折射率为1.4～1.8。

4.根据权利要求2所述的双面成像的微光学器件，其特征在于，所述的第一微透镜层(1)的基材的折射率为1.4～1.8，所述的第二微透镜层(2)的基材的折射率为1.4～1.8。

5.根据权利要求1所述的双面成像的微光学器件，其特征在于，所述第一微透镜11或第二微透镜21为球面透镜或非球面透镜。

6.根据权利要求5所述的双面成像的微光学器件，其特征在于，所述第一微透镜或第二微透镜的基部几何形状为圆形、三角形、矩形或正六边形的一种或组合。

7.根据权利要求6所述的双面成像的微光学器件，其特征在于，第一微透镜的总面积与第一微透镜层的总面积之比为40％～90％；第二微透镜与第二微透镜层的总面积之比为40％～90％。

8.根据权利要求1所述的双面成像的微光学器件，其特征在于，所述的功能层的层数为1层或多层。

9.根据权利要求8所述的双面成像的微光学器件，其特征在于，功能层的层数为两层，第一功能膜层(41)复合在所述的第二微透镜层表面，第二功能膜层复合在所述的第一功能膜层表面；第一功能膜层(41)的折射率大于第二功能膜层(42)的折射率，第二功能膜层(42)的折射率大于周围材料的折射率，第一功能膜层(41)的折射率与第二功能膜层的折射率的差值为0.3～0.8。

10.根据权利要求9所述的双面成像的微光学器件，其特征在于，所述的功能层材料折射率为1.6-3.5，功能层材料的折射率与周围材料的折射率的差值为0.3～2.0。

11.根据权利要求8所述的双面成像的微光学器件，其特征在于，所述功能层的材料的材料选自氧化物、氮化物、碳化物、无机金属盐、金属或金属合金；

所述的氮化物物选自氮化钛TiN、氮化硅Si₃N₄或氮化硼BN；

所述的碳化物选自碳化硅SiC或碳化硼B₄C；

所述的金属合金选自金锗合金AuGe、金镍合金AuNi、镍铬合金NiCr、钛铝合金TiAl、铜铟镓合金CuInGa、铜铟镓硒合金CuInGaSe、锌铝合金ZnAl或铝硅合金AlSi。

12.根据权利要求1所述的双面成像的微光学器件，其特征在于，所述的微缩图文层为周期排布方式或者随机排布方式排列的微缩图文阵列。

13.根据权利要求12所述的双面成像的微光学器件，其特征在于，微缩图文层位于第一微透镜层的透射焦平面附近，同时也位于第二微透镜层的反射焦平面附近。

14.根据权利要求13所述的双面成像的微光学器件，其特征在于，第一微透镜层(1)与微缩图文层(3)的距离d₁与第一微透镜(11)的结构参数满足如下关系：

d_{1} = \frac{{D_{1}}^{2} + 4 {h_{1}}^{2}}{8 h_{1} (n_{1} - 1)} - - - (1)

其中：

D₁为第一微透镜11的孔径；

h₁为第一微透镜11的球冠高度；

n₁为第一微透镜的材料折射率；

第二微透镜层与微缩图文层3的距离d₂与第二微透镜的结构参数满足如下关系：

d_{2} = \frac{{D_{2}}^{2} - 12 {h_{2}}^{2}}{16 h_{2}} - - - (2)

其中：

D₂为第二微透镜21的孔径；

h₂为第二微透镜21的球冠高度。

15.根据权利要求1所述的双面成像的微光学器件，其特征在于，所述第一微透镜阵列、第二微透镜阵列和所述的微缩图文阵列为周期排布方式排列时，各参数间满足下列关系：

m_{1} = \frac{N_{1} T_{1}}{\sqrt{{(T_{3} \cos α_{1} - N_{1} T_{1})}^{2} + {(T_{3} \sin α_{1})}^{2}}} - - - (3)

其中：

N₁为比例系数，N₁＝0.1～10；

T₁＝20～500微米，T₃＝20～500微米，α₁＝0～5°；

第二微透镜层与微缩图文层，各参数间满足下列关系：

m_{2} = \frac{N_{2} T_{2}}{\sqrt{{(T_{3} \cos α_{2} - N_{2} T_{2})}^{2} + {(T_{3} \sin α_{2})}^{2}}} - - - (4)

其中：

N₂为比例系数，N₂＝0.1～10；

T₂＝20～1000微米，T₃与式(3)相同；

α₂＝0～5°。

16.根据权利要求1～7任一项所述的双面成像的微光学器件，其特征在于，在第一微透镜层与第二微透镜层之间设有一层全息信息层(9)，或者在第二微透镜层与微缩图文层之间设有一层全息信息层(9)。

17.根据权利要求8所述的双面成像的微光学器件，其特征在于，在第一微透镜层与第二微透镜层之间设有一层全息信息层(9)，或者在第二微透镜层与微缩图文层之间设有一层全息信息层(9)。

18.据权利要求1～17任一项所述的双面成像的微光学器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)确定第一微透镜的结构参数D₁、h₁以及第二微透镜的结构参数D₂、h₂，计算出第一微透镜层1与微缩图文层的距离d₁和第二微透镜层与微缩图文层的距离d₂；

(2)在厚度为d₂的第二微透镜层基材膜上，制备第二微透镜层，然后在第二微透镜层表面，采用功能层材料进行真空镀膜，获得镀覆了所述功能层的第二微透镜层；

(3)在功能层的另一侧涂布第一微透镜层基材层；

(4)在第二微透镜层基材的另一侧制备微缩图文层，即可获得所述的双面立体的光学元件。

19.据权利要求1～17任一项所述的双面成像的微光学器件的应用，其特征在于，用于制备票据安全线。