CN108398735B - 一种指向性成像器件、方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种指向性成像方法，用于将图像在指定光学窗口中进行显示；该方法基于聚焦元件阵列层和微图文阵列层实现，聚焦元件阵列层由多个聚焦元件单元组成，微图文阵列层由多个微图文单元组成；每个微图文单元与一个聚焦元件单元对应；在光源照明下，光线通过微图文阵列和聚焦元件阵列，形成莫尔图像和光学窗口；观察者通过一指向性成像器件，可以在所述光学窗口内看到指定的莫尔图像信息，而在光学窗口外看不到所述指定的莫尔图像信息；通过上述方法形成的成像器件的安全性和私密性更强。所显示的图文信息具有动态或则立体效果,而且不存在色散，有效提升了器件的安全保密性能。

Description

一种指向性成像器件、方法与应用

技术领域

本发明涉及成像器件领域，具体涉及一种指向性成像器件、方法，可用于光信息处理与显示、防伪安全、光通讯等领域。

背景技术

在日常光照条件下，打印机、复印机或则印刷机输出的图片或则文字信息能够从各个角度被观察到。这些图文载体所反射的光线在空间中的传播是各向同性的。与这些各向同性的图文信息不同，彩虹全息图、激光光变图像等载体所反射的光线是各向异性的，观察者只有在特定的角度才能观察到正确的图文信息。由于这种各向异性的图像较难被复制，所以常用于防伪安全。但是，由于彩虹全息图和激光光变图像都基于光栅衍射原理，所以存在色散问题，使用者较难分辨哪种颜色才是正确的图文信息，容易产生混肴。基于莫尔成像效应的安全器件能够显示动态或则立体信息，而且不存在色散问题，所以也被用于防伪安全。但是目前的莫尔成像安全器件所显示的图文信息都是各向同性的，观察者能够从各个角度观察到该图文信息，导致器件的保密性和安全性受到了限制。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是避免背景技术中的缺点，提供一种指向性成像方法和器件，只有从指定方向的指定窗口区域才能够看到正确的图文信息，所显示的图文信息具有动态或则立体效果,而且不存在色散，有效提升了器件的保密性和安全性，可应用于光信息处理与显示、防伪安全、光通讯等领域。

本发明是目的是通过以下技术方案实现的：一种指向性成像方法，用于将图像在指定光学窗口中进行显示；该方法基于聚焦元件阵列层和微图文阵列层实现，聚焦元件阵列层由多个聚焦元件单元组成，微图文阵列层由多个微图文单元组成；每个微图文单元与一个聚焦元件单元对应；在光源照明下，光线通过微图文阵列和聚焦元件阵列，形成莫尔图像和光学窗口；观察者只有在所述光学窗口内才能够看到指定的莫尔图像信息，而在光学窗口外看不到所述指定的莫尔图像信息。其中，聚焦元件阵列层中的聚焦元件单元的中心坐标(x₁,y₁,z₁)、微图文单元中的像素点坐标(x₃,y₃,0)、指定光学窗口中的观察点坐标(x₅,y₅,z₅)满足如下对应关系：

所述光源为漫反射环境光光源，或为从某一方位照明的方向性光源；方向性光源位于指定区域内，区域中的坐标(x₆,y₆,z₆)满足如下对应关系：

进一步地，方向性光源为点光源、平行光源或扩展光源。

进一步地，所述光学窗口包含两个以上。

进一步地，所述微图文单元位于聚焦元件阵列的0倍焦距(紧贴聚焦元件阵列)与5倍焦距之间。

进一步地，所述聚焦元件单元阵列层中，聚焦元件单元的排列方式包括：具有对称轴的正交排列、蜂窝状排列、没有对称轴的低对称性排列或随机排列等。所述微图文单元的排列方式与所述聚焦单元的排列方式相同。

进一步地，所述聚焦元件单元可采用球面透镜、非球面透镜、菲涅耳透镜等各种具有聚焦功能的微光学元件。所述聚焦元件单元的口径可以是圆形、正方形、六边形、多边形等各种几何形状。

一种指向性成像器件，包括聚焦元件阵列层和微图文阵列层。

指向性成像器件在光信息处理与显示、防伪标识、光通讯中的应用。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明的安全器件只有在指定方位才能看到特征信息，安全性和私密性更强。

(2)本发明的安全器件具备光照响应特性，信息显示效果新颖。

(3)本发明的光学窗口可以按需设计，设计维度更多，变化更为丰富。

附图说明

图1为实施例1所述的指向性成像器件的结构示意图；

图2为实施例2所述的指向性成像器件的结构示意图；

图3为实施例3所述的指向性成像器件的结构示意图；

图4为实施例4所述的指向性成像器件的结构示意图；

图5为实施例5所述的指向性成像器件的结构示意图；

图6为实施例6所述的指向性成像器件的结构示意图；

图7为实施例7所述的指向性成像器件的结构示意图；

图8为实施例8所述的指向性成像器件的结构示意图；

图9和10为实施例9所述的指向性成像器件的结构示意图；

图中，聚焦元件阵列层1、基材层2、微图文阵列层3、立体图像4、光学窗口5、观察点6、平行光7、全息单元8、微棱镜单元9、点光源10、扩展面发散光源11、反射层12、动态图像13、扩展光源15。

具体实施方式

实施例1：

本实施例提供一种漫反射光照明条件下的基于聚焦元件阵列层和微图文阵列层实现指向性成像的方法，用于将图像在指定光学窗口中进行显示。如图1所示，光学窗口所在平面为z＝z₅，聚焦元件阵列所在平面为z＝z₁，微图文单元阵列所在平面为z＝0，在漫反射环境光光源照射下，在距离微图文单元阵列z₄处的平面z＝z₄位置形成立体图像。

已知光学窗口的坐标和聚焦元件阵列单元的中心坐标可求得通过光学窗口和聚焦元件单元中心的光线方程；已知立体图像所在平面的坐标(x₄,y₄)和图像亮度信息I₄；根据上述光线方程求得光线与立体图像平面以及微图文阵列平面的交点坐标，根据光线与立体图像平面的交点坐标对应的图像亮度信息设定光线与微图文阵列平面交点坐标的图像亮度信息I₃。微图文阵列平面上其它未与这些光线方程相交的坐标点的图像亮度信息设置为黑色，即表示在光学窗口外观察者看不到对应的立体图像信息，而只有在光学窗口内才能看到立体图像信息。

那些能在光学窗口被观察到的微图文单元中的像素点坐标(x₃,y₃,0)、聚焦元件阵列层中的聚焦元件单元中心坐标(x₁,y₁,z₁)、指定光学窗口中的观察点坐标(x₅,y₅,z₅)满足如下对应关系：

所看到的微图文单元中的像素点的亮度信息为：

其它微图文单元中的像素点的亮度值为0。

实施例2：

本实施例提供一种在从某一方向入射的扩展光源照明条件下的基于聚焦元件阵列层和微图文阵列层实现指向性成像的方法，用于将图像在指定光源照明下的指定光学窗口中进行显示；光学窗口所在平面为z＝z₅，如图2所示。假设聚焦元件阵列所在平面为z＝z₁，微图文单元阵列所在平面为z＝0，在位于坐标(x₆,y₆,z₆)处的扩展光源照明条件下，在距离微图文单元阵列所在平面z₄处形成立体图像。

已知光源的坐标、聚焦元件阵列的焦距和聚焦元件的中心坐标可求得光源像点的坐标，通过光源坐标、凹面镜的反射特性和光源像点坐标，确定经过凹面镜反射后光线的光线方程和光线所照明微图文阵列的区域。再根据光线方程求解光线与微图文阵列、立体图像平面和光学窗口平面的交点坐标。如果光线在光学窗口平面上的交点坐标落在光学窗口内，则该光线与微图文阵列的交点处的像素亮度等于该光线与立体图像平面交点处的像素亮度。如果光线在光学窗口平面内的交点坐标落在光学窗口外，则该光线与立体图像平面交点处的像素为黑色。这样就实现了在指定光源照明条件下，只有在光学窗口内能够看到对应立体图像，而在观察窗口外看不到立体图像的效果。

那些能在光学窗口被观察到的微图文单元中的像素点坐标(x₃,y₃,0)与聚焦元件阵列层中的聚焦元件单元中心坐标(x₁,y₁,z₁)，指定光学窗口中的观察点坐标(x₅,y₅,z₅)满足如下对应关系：

所看到的微图文单元中的像素点的亮度信息为：

其它微图文单元中的像素点的亮度值为0。

光源坐标(x₆,y₆,z₆)所限定的区域与微图文单元中的像素点坐标(x₃,y₃,0)与聚焦元件阵列层中的聚焦元件单元中心坐标(x₁,y₁,z₁)满足如下对应关系：

实施例3：

本实施例提供一种平行光照明条件下的透射型指向性成像薄膜器件，如图3所示，包括聚焦元件阵列层1、基材层2、微图文阵列层3和指定方向的光学窗口5。聚焦元件阵列层1、基材层2、微图文阵列层3依次粘结。所述微图文阵列层3通过在全息单元8表面设置正交排列的微图文单元形成，所述微图文单元的周期为T。所述全息单元将斜入射光线转向器件所在平面的法线方向。所述聚焦元件阵列层1由焦距为F的球面微透镜单元正交排列而成，所述微透镜单元的周期为0.998T。所述微透镜阵列的对称轴与所述微图文单元的对称轴相互平行。所述微图文单元位于球面微透镜阵列的0.5倍焦距处。所述光学窗口为狭长的矩形区域，距离所述薄膜器件30厘米。且聚焦元件阵列层1、微图文阵列层3、光学窗口5以及平行光源满足实施例2所述的对应关系。

光源发出平行光线7照明薄膜器件，光线通过全息单元衍射后继续照明微图文阵列层3，光线穿过微图文阵列后通过聚焦元件阵列在空间中汇聚形成立体图像4，这些光线继续传播并聚焦形成光学窗口5。观察者的眼睛在观察窗口5内能够看到三维的立体图像4，而在观察窗口外不能看到三维的立体图像4。

基于此，该成像薄膜器件可用于投影显示、防伪安全。

实施例4：

本实施例提供一种点光源照明条件下透射型指向性成像薄膜器件，如图4所示，包括聚焦元件阵列层1、基材层2、微图文阵列层3和指定方向的光学窗口5。聚焦元件阵列层1、基材层2、微图文阵列层3依次粘结。所述微图文阵列层3通过在微棱镜单元9表面设置蜂窝状排列的微图文单元形成，所述相邻微图文单元之间的距离为T。所述微棱镜单元将斜入射光线转向器件所在平面的法线方向。所述聚焦元件阵列层1由焦距为F的非球面微透镜单元蜂窝状排列而成，所述相邻微透镜单元之间的距离为0.98T。所述微透镜阵列的对称轴与所述微图文单元的对称轴相互平行。所述微图文单元位于非球面微透镜阵列的0.2倍焦距处。所述光学窗口为圆环形区域，距离所述薄膜器件25厘米，且聚焦元件阵列层1、微图文阵列层3、光学窗口5以及点光源满足实施例2所述的对应关系。

所述点光源10发出光线照明薄膜器件，光线通过微棱镜单元折射后继续照明微图文阵列层3，光线穿过微图文阵列后通过聚焦元件阵列在空间中汇聚形成立体图像4，这些光线继续传播并聚焦形成光学窗口5。观察者的眼睛在观察窗口5内能够看到三维的立体图像4，而在观察窗口外不能看到三维的立体图像4。

基于此，该成像薄膜器件可用于防伪安全、投影显示。

实施例5：

本实施例提供一种漫射光源照明条件下透射型指向性成像薄膜器件，如图5所示，包括聚焦元件阵列层1、基材层2、微图文阵列层3和指定方向的光学窗口5。聚焦元件阵列层1、基材层2、微图文阵列层3依次粘结。所述微图文阵列层3通过在透明介质表面设置随机排列的微图文单元形成，所述相邻微图文单元之间的平均距离为T，所述聚焦元件阵列层1由焦距为F的球面微透镜单元随机排列而成，所述相邻微透镜单元之间的平均距离为0.98T，所述微透镜单元与微图文单元一一对应。所述微图文单元位于球面微透镜阵列的1倍焦距处。所述光学窗口为两个相互分离的狭缝状矩形区域，距离所述薄膜器件25厘米；且聚焦元件阵列层1、微图文阵列层3、光学窗口5满足实施例1所述的对应关系。

所述扩展面发散光源11发出漫射光照明薄膜器件，光线照明微图文阵列层3，光线穿过微图文阵列后通过聚焦元件阵列在空间中汇聚形成三维的立体图像4，这些光线继续传播并聚焦形成两个相互分离的狭缝状矩形光学窗口5。观察者的眼睛在观察窗口5内能够看到三维的立体图像4，而在观察窗口外不能看到三维的立体图像4。

基于此，该成像薄膜器件可用于私密性的平板显示、防伪安全。

实施例6：

本实施例提供一种在平行光源照明条件下反射型指向性成像薄膜器件，如图6所示，包括聚焦元件阵列层1、基材层2、微图文阵列层3、指定方向的光学窗口5和反射层12。聚焦元件阵列层1、基材层2、微图文阵列层3和反射层12依次粘结。所述微图文阵列层3通过在全息单元8表面设置正交排列的微图文单元形成，所述相邻微图文单元之间的距离为T，所述聚焦元件阵列层1由焦距为F的球面微透镜单元正交排列而成，所述相邻微透镜单元之间的距离为0.98T。所述微透镜阵列的对称轴与所述微图文单元的对称轴相互平行。所述微图文单元位于球面微透镜阵列的0.1倍焦距处。所述光学窗口为狭缝状矩形区域，距离所述薄膜器件25厘米；且聚焦元件阵列层1、微图文阵列层3、光学窗口5以及平行光源满足实施例2所述的对应关系。

所述平行光7倾斜照明薄膜器件，光线通过聚焦元件汇聚后照明微图文阵列层3，光线穿过微图文阵列后反射，反射光线通过聚焦元件阵列在空间中汇聚形成立体图像4，这些光线继续传播并聚焦形成狭缝状矩形光学窗口5。观察者的眼睛在观察窗口5内能够看到三维的立体图像4，而在观察窗口外不能看到三维的立体图像4。

基于此，该成像薄膜器件可用于防伪安全、光学信息处理。

实施例7：

本实施例提供一种在指定方向的扩展光源照明条件下的反射型指向性成像薄膜器件，如图7所示，包括聚焦元件阵列层1、基材层2、微图文阵列层3、指定方向的光学窗口5。所述聚焦元件阵列层1、基材层2、微图文阵列层3依次粘结。所述微图文阵列层3通过在透明薄膜表面设置正交排列的微图文单元形成，所述相邻微图文单元之间的距离为T，所述聚焦元件阵列层1由焦距为F的球面反射微透镜单元正交排列而成，所述相邻微透镜单元之间的距离为1.001T。所述微透镜阵列的对称轴与所述微图文单元的对称轴相互平行。所述微图文单元位于球面反射微透镜阵列的1.2倍焦距处。所述光学窗口为狭缝状矩形区域，距离所述薄膜器件35厘米；且聚焦元件阵列层1、微图文阵列层3、光学窗口5以及扩展光源满足实施例2所述的对应关系。

所述扩展光源15倾斜照明薄膜器件，光线通过微图文阵列层后，经过聚焦元件汇聚后再次照明微图文阵列层3，然后这些光线在空间中汇聚形成立体图像4，这些光线继续传播并聚焦形成狭缝状矩形光学窗口5。观察者的眼睛在观察窗口5内能够看到三维的立体图像4，而在观察窗口外不能看到三维的立体图像4。

基于此，该成像薄膜器件可用于防伪安全、光学通讯系统。

实施例8：

本实施例提供一种在漫反射环境光照明下的反射型指向性成像薄膜器件，如图8所示，包括聚焦元件阵列层1、基材层2、微图文阵列层3、指定方向的光学窗口5。所述聚焦元件阵列层1、基材层2、微图文阵列层3依次粘结。所述微图文阵列层3通过在透明薄膜表面设置正交排列的微图文单元形成，所述相邻微图文单元之间的距离为T，所述聚焦元件阵列层1由焦距为F的非球面反射微透镜单元正交排列而成，所述相邻微透镜单元之间的距离为1.001T。所述微图文单元位于非球面反射微透镜阵列的1倍焦距处。所述微透镜阵列的对称轴与所述微图文单元的对称轴相互平行。所述光学窗口为两个狭缝状矩形区域，其中一个观察窗口距离所述薄膜器件35厘米。另一个观察窗口距离所述薄膜器件25厘米；且聚焦元件阵列层1、微图文阵列层3、光学窗口5满足实施例1所述的对应关系。

所述器件在漫反射环境光照明下，光线通过微图文阵列层，经聚焦元件汇聚后再次照明微图文阵列层3，然后这些光线在空间中分别汇聚形成两个不同德立体图像4，这些光线继续传播并聚焦形成两个狭缝状矩形光学窗口5。观察者的眼睛在观察窗口5内能够看到三维的立体图像4，而在观察窗口外不能看到三维的立体图像4。

基于此，该成像薄膜器件可用于防伪安全。

实施例9：

本实施例提供一种反射型指向性成像薄膜器件，如图9、图10所示，所述包括聚焦元件阵列层1、基材层2、微图文阵列层3、指定方向的光学窗口5。所述聚焦元件阵列层1、基材层2、微图文阵列层3依次粘结。所述微图文阵列层3通过在透明薄膜表面设置正交排列的微图文单元形成，所述相邻微图文单元之间的距离为T，所述聚焦元件阵列层1由焦距为F的非球面反射微透镜单元正交排列而成，所述相邻微透镜单元之间的距离为T。所述微透镜阵列的对称轴与所述微图文单元的对称轴之间的夹角为4度。所述微图文单元位于非球面反射微透镜阵列的1.2倍焦距处。所述光学窗口为狭缝状矩形区域，观察窗口距离所述薄膜器件30厘米；且聚焦元件阵列层1、微图文阵列层3、光学窗口5以及扩展光源满足实施例2所述的对应关系。

所述器件在点光源10照明下，光线通过微图文阵列层，经聚焦元件汇聚后再次照明微图文阵列层3，这些光线在空间中汇聚形成动态图像13，这些光线继续传播并聚焦形成狭缝状矩形光学窗口5。观察者的眼睛在观察窗口5内能够看到动态图像13，而在观察窗口外不能看到动态图像13。

如图10所示，当所述安全器件绕其水平轴转动时，所述动态图像将以与之正交的方向平动。

基于此，该成像薄膜器件可用于防伪安全。

Claims (8)

1.一种指向性成像方法，用于将图像在指定光学窗口中进行显示；其特征在于，该方法基于聚焦元件阵列层和微图文阵列层实现，聚焦元件阵列层由多个聚焦元件单元组成，微图文阵列层由多个微图文单元组成；每个微图文单元与一个聚焦元件单元对应；在光源照明下，光线通过微图文阵列和聚焦元件阵列，形成莫尔图像和光学窗口；观察者只有在所述光学窗口内才能够看到指定的莫尔图像信息，而在光学窗口外看不到所述指定的莫尔图像信息；其中，聚焦元件阵列层中的聚焦元件单元的中心坐标(x₁,y₁,z₁)、微图文单元中的像素点坐标(x₃,y₃,0)、指定光学窗口中的观察点坐标(x₅,y₅,z₅)满足如下对应关系：

所述光源为漫反射环境光光源，或为从某一方位照明的方向性光源；方向性光源位于指定区域内，所述指定区域中的坐标(x₆,y₆,z₆)满足如下对应关系：

在光源照射下，在距离微图文单元阵列z₄处的平面z＝z₄位置形成立体图像(x₄,y₄，z₄)；根据立体图像的亮度信息I₄设定光线与微图文阵列平面交点坐标的图像亮度信息I₃，所看到的微图文单元中的像素点的亮度信息为：

其它微图文单元中的像素点的亮度值为0。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，方向性光源为点光源、平行光源或扩展光源。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学窗口包含两个以上。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微图文单元位于聚焦元件阵列的0倍焦距与5倍焦距之间；0倍焦距时，微图文单元紧贴聚焦元件阵列。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚焦元件阵列层中，聚焦元件单元的排列方式包括：具有对称轴的正交排列、蜂窝状排列、没有对称轴的低对称性排列或随机排列等；所述微图文单元的排列方式与所述聚焦单元的排列方式相同。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚焦元件单元采用球面透镜、非球面透镜、菲涅耳透镜；所述聚焦元件单元的口径是圆形、多边形。

7.一种实现权利要求1所述方法的指向性成像器件，包括聚焦元件阵列层和微图文阵列层；其中，聚焦元件阵列层中的聚焦元件单元的中心坐标(x₁,y₁,z₁)、微图文单元中的像素点坐标(x₃,y₃,0)、指定光学窗口中的观察点坐标(x₅,y₅,z₅)满足如下对应关系：

所述光源为漫反射环境光光源，或为从某一方位照明的方向性光源；方向性光源位于指定区域内，所述指定区域中的坐标(x₆,y₆,z₆)满足如下对应关系：

8.权利要求7所述的指向性成像器件在光信息处理与显示、防伪标识、光通讯中的应用。

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