CN110333606A - 一种基于微聚焦元件的光学成像薄膜 - Google Patents

一种基于微聚焦元件的光学成像薄膜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微聚焦元件的光学成像薄膜，包括：微图文层，所述微图文层包括阵列排布的微图文单元；微聚焦元件层，其位于所述微图文层的一侧，所述微聚焦元件层包括阵列排布的微聚焦单元；屈光功能层，其位于所述微聚焦元件阵列远离所述微图文层的一侧，所述屈光功能层是具有正屈光度或负屈光度；通过所述屈光功能面能够观察到所述微图文单元的放大的立体成像效果。成像具有立体感和动态感，且结构不易被复制，在立体显示、防伪等领域具有显著的应用效果。

Description

一种基于微聚焦元件的光学成像薄膜
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，具体涉及一种基于微聚焦元件的光学成像薄膜。
背景技术
自上世纪80年代起，光学技术的发展使得信息的传输、存储、显示和处理发生了根本性的变化。微光学技术及器件是发展最快的领域之一。微聚焦元件阵列，作为一种较新的阵列光学元件，具有结构小、重量轻的优点，且每个单元都有独立的光轴和光线追击方式，可以起到扩散、整形、均匀、聚焦、成像等作用，目前已广泛应用于成像和照明领域。
1994年，文献首次报道了微聚焦莫尔成像效应。在任何光环境下，不需要辅助工具，在大视角范围就能观察到具有3D效果和动感的图像。莫尔图像成为莫尔效应和光学成像领域内非常特别的研究方向。微聚焦元件阵列防伪技术利用微聚焦元件阵列作为采样工具对微图文阵列进行采样(即莫尔成像系统)，可实现多种多样的视觉效果。中国专利申请号为CN201120397444.8的专利公开了一种3D成像薄膜，该3D成像薄膜包括透明间隔层，在透明间隔层的两侧分别设置有呈不对称排布的微反射聚焦单元阵列和表面微图文单元阵列层。中国专利申请号为CN101970243A的专利公开了实现多帧图像的接合微图文的设计方法。但是，这一类的微聚焦莫尔成像薄膜的视觉效果局限性非常明显，主要表现在：1)虽然能够呈现立体效果，但是其仅具有上浮或者下沉的单一的立体效果，不能实现真实的三维立体感，影响了观看效果；2)微结构位于膜片两侧，容易被拷贝复制，导致其防伪功能下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于微聚焦元件的光学成像薄膜，其三维成像效果好，立体和动态感好，防伪性能优异。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于基于微聚焦元件的光学成像薄膜，包括：
微图文层，所述微图文层包括阵列排布的若干微图文单元；
微聚焦元件层，其位于所述微图文层的一侧，所述微聚焦元件层包括阵列排布的若干微聚焦单元；
透明间隔层，其位于所述微图文层与微聚焦元件层之间；
屈光功能层，其位于所述微聚焦元件层远离所述微图文层的一侧，所述屈光功能层具有正屈光度或负屈光度；
透明介质层，位于所述屈光功能层与微聚焦元件层之间；
通过所述屈光功能层能够观察到所述微图文单元的动态立体成像效果。
作为优选的，所述屈光功能层为球透镜、菲涅尔透镜、柱透镜或非球面透镜。
作为优选的，所述透明间隔层、屈光功能层和透明介质层的总厚度小于屈光功能层焦距的绝对值。
作为优选的，所述微聚焦元件层的周期TL与所述微图文层的周期Tp满足其中，n为正整数。
作为优选的，所述微聚焦元件阵列所在层平面上的排布方式为随机或规则排布的一种，或者多种组合。
作为优选的，所述微聚焦元件阵列的排布方式为柱透镜阵列、球透镜阵列以及菲涅尔透镜阵列中一种或者多种组合。
作为优选的，所述微聚焦元件层的焦平面与所述微图文层的距离小于所述微聚焦元件层焦距的50％，即所述微聚焦元件层的焦距为f，所述微聚焦元件层的焦平面与所述微图文层的距离为h，其中，h<50％*f。
作为优选的，所述微图文单元阵列包括微图文笔画，所述微图文笔画以非周期且非固定几何形状的形式排列。
作为优选的，所述微聚焦元件层的材料与所述屈光功能层的材料的折射率差的绝对值为0.01-0.3。
本发明还公开了一种光学成像系统，包括上述的基于微聚焦元件的光学成像薄膜。
本发明的有益效果：
1、本发明提出一种基于微聚焦元件的光学成像薄膜，通过连接在一起的屈光功能层、微聚焦元件层与微图文层的共同作用，使得人眼能够观察到成像效果，突破原先基于莫尔原理的微聚焦元件阵列成像薄膜立体感不足的局限，将形成具有充分立体和动态效果的成像系统。
2、本发明中设置屈光功能面，改变了微聚焦元件阵列对于微图文阵列的取样点，从而产生连续视差，形成立体感。
3、本发明中的微聚焦元件层隐藏于屈光功能面内，不易被检测和复制，防伪性能好。
4、本发明的应用范围广泛，在成像、立体显示和防伪等领域有应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例一的示意图，
图2为实施例一中为微图文阵列的排布矢量与微聚焦元件层的排布矢量之间的夹角为θ的原理示意图；
图3为本发明实施例一的有屈光功能层和无屈光功能层的光线示意图；其中，光线L为没有正屈光度功能层时的垂直入射时的情况，光线L’为有正屈光度功能层1时光线入射传播时的情况；
图4为实施例一的原理示意图；
图5为本发明实施例二的结构示意图；
图6为本发明实施例三的结构示意图；
图7为本发明实施例四的结构示意图；
图8为本发明实施例四的有屈光功能层和无屈光功能层的光线示意图；其中，光线L为没有负屈光度功能层时的垂直入射时的情况，光线L’为有负屈光度功能层1时光线入射传播时的情况；
图9为本发明实施例五的结构示意图；
图10为本发明实施例六的结构示意图；
图11为本发明实施例七的结构示意图。
图中标号说明：1、屈光功能层；2、透明介质层；3、微聚焦元件层；4、透明间隔层；5、微图文层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明公开了一种基于微聚焦元件的光学成像薄膜，包括微图文层、微聚焦元件层、透明间隔层、屈光功能层和透明介质层。
其中，所述微图文层包括阵列排布的若干微图文单元；而微图文层携带微型图案信息。微图文单元包括微图文笔画，微图文笔画以非周期且非固定几何形状的形式排列。微图文层由微印刷图案、填充颜料或染料的表面微浮雕微图案、线条结构微图案或印刷图案、填充颜料或染料的表面微浮雕微图案以及线条结构微图案中至少两者的组合构成。微图文层单元设置存储相同或者近似相同的图像信息的图像单元。
微聚焦元件层位于所述微图文层的一侧，所述微聚焦元件层包括阵列排布的若干微聚焦单元；微聚焦元件层对微图文层的进行莫尔取样并成像。微聚焦元件层为周期性阵列、非周期性阵列、随机性阵列和局部周期性阵列中的一种或多种组成。微聚焦元件层的排布方式为柱透镜阵列、球透镜阵列以及菲涅尔透镜阵列中一种或者多种组合。
透明间隔层位于所述微图文层与微聚焦元件层之间。透明间隔层可与微图文层或微聚焦元件层呈一体结构，也可为分体结构。
屈光功能层位于所述微聚焦元件层远离所述微图文层的一侧，所述屈光功能层具有正屈光度或负屈光度。
透明介质层位于所述屈光功能层与微聚焦元件层之间；透明介质层可与屈光功能层或微聚焦元件层做成一体结构，也可为分体结构。
通过所述屈光功能层能够观察到所述微图文单元的动态立体成像效果。
所述屈光功能层为球透镜、菲涅尔透镜、柱透镜或非球面透镜，屈光功能面可选择其中一种，且选择的球透镜为正屈光度或负屈光度；菲涅尔透镜为正屈光度或负屈光度；柱透镜为正屈光度或负屈光度；非球面透镜为正屈光度或负屈光度。
参照图1-3所示，为本发明的实施例一的结构示意图。其中，屈光功能层1具有正的屈光度。所述屈光功能层1下依次设置有透明介质层2、微聚焦元件层3、透明间隔层4和微图文层5。所述屈光功能层1的向下投影面积下包含不只一个微聚焦元件单元和微图文单元。
设透明介质层2的折射率为n2,微聚焦元件层3的折射率为n3,微聚焦元件层3的微聚焦单元朝向正屈光度功能层1凸起。为了提供最佳的成像效果，Δn23＝|n2-n3|尽可能的大，使得成像薄膜具有更薄的厚度。一般的，Δn23大于0.1，优选的，Δn23大于0.2。当Δn23越大时，依据单折射球面焦距公式 其中n3为像方折射率，n2为物方折射率，R为微聚焦元件曲率半径。
微聚焦元件层的周期TL与所述微图文层的周期Tp满足其中，n为正整数。在此情况下，微聚焦元件层对微图文层具有较好的放大成像效果。
所述微聚焦元件层与所述微图文层的阵列之间的相对夹角θ满足θ∈[-5°，5°],如图2所示，微图文阵列的排布矢量与微聚焦元件层的排布矢量之间的夹角为θ。
正屈光度的屈光功能层1能够将入射光线汇聚，从而使得经过微聚焦元件层3的光线在微图文层5上的取样点的间距发生变化，其变化值与该点到屈光功能层中心的距离有关，如图3所示。光线L为没有正屈光度功能层时的垂直入射时的情况，光线L’为有正屈光度功能层1时光线入射传播时的情况。设置正屈光功能面，使得微聚焦元件层3对于微图文层5的取样点间距减小。屈光功能面1的焦距为F,该点到屈光功能层中心距离为S，成像薄膜厚度为t。根据图3所示，偏移距离根据莫尔成像的原理，莫尔成像放大率r为微图文阵列周期与微聚焦元件阵列周期之比。对原来上浮放大的莫尔成像(r>1)，将形成连续变化的略大的莫尔放大像，对原来下沉放大的莫尔成像(r<1)，将形成连续变化的略小的莫尔放大像。为了实现最佳的成像效果，微图文层5与微聚焦元件层3之间的距离m在微聚焦元件焦距f的[f/2,3f/2],即f/2≤m≤3f/2，并且屈光功能层1到微聚焦元件层5的距离接近或者小于屈光功能层焦距F。即透明间隔层、屈光功能层和透明介质层的总厚度小于屈光功能层焦距的绝对值。
所述微聚焦元件层的焦平面与所述微图文层的距离小于所述微聚焦元件层焦距的50％，即所述微聚焦元件层的焦距为f，所述微聚焦元件层的焦平面与所述微图文层的距离为h，其中，h<50％*f。
参照图5所示，为本发明的实施例二的结构示意图。其中，屈光功能层1为正屈光度功能面，而微聚焦元件层3的微聚焦单元朝向微图文层5凸起。
设透明间隔层4的折射率为n4,微聚焦元件层3的折射率为n3,微聚焦元件层3的微聚焦单元朝向微图文层5凸起。为了提供最佳的成像效果，Δn43＝|n4-n3|尽可能的大，其中n3为像方折射率，n4为物方折射率,使得成像薄膜具有更薄的厚度。一般的，Δn43大于0.1，优选的，Δn43大于0.2。当Δn43越大时，依据单折射球面成像公式(像方焦距)(R为微聚焦元件曲率半径),本实施例较实施例一薄膜的厚度更小。类似于本发明的实施例一，在本例中正屈光度的屈光功能层1能够将入射光线汇聚，从而使得经过微聚焦元件层3的光线在微图文层5上的取样点的间距发生变化，其变化值与该点到屈光功能面中心的距离有关，并因此形成连续变化放大倍率的莫尔放大像。
参照图6所示，为本发明的实施例三的结构示意图。其中，屈光功能层1为正屈光度功能面，而微聚焦元件层2具有双凸结构。
正屈光度的屈光功能面具有将入射光线汇聚的功能，从而使得经过微聚焦元件层3的光线在微图文层5上的取样点之间的距离减少，并且减少量与屈光功能面中心的距离有关。设置正屈光功能面，改变了微聚焦元件层3对于微图文层5的取样点，形成连续变化的放大像，产生视差，形成连续的立体和动态效果。本实施例三中，由于微聚焦元件层3具有两层聚焦结构，设透明间隔层4的折射率为n4,微聚焦元件层3的折射率为n3,透明介质层2折射率为n2。为了简单起见，设n2＝n4＜n3，微聚焦元件3具有对称的球面结构，则依据双凸折射球面成像公式，(R为微聚焦元件曲率半径)，因而微图文层5与微聚焦元件层3之间的距离较实施例一与实施例二短，因而具有更薄的器件结构。
参照图7所示，为本发明的实施例四的结构示意图。其中，屈光功能层1具有负屈光度功能面，而微聚焦元件层3的微聚焦单元朝向屈光功能层1凸起。
负屈光度的屈光功能层1具有将入射光线发散的功能，从而使得经过微聚焦元件层3的光线在微图文层1上的取样点之间的距离增加，并且增加量与屈光功能面中心的距离有关。如图8所示，光线L为没有负屈光度功能层时的垂直入射时的情况，光线L’为有负屈光度功能层1时光线入射传播时的情况。设置屈光功能层1，改变了微聚焦元件层3对于微图文层5的取样点，形成连续变化的放大像，产生视差，形成连续的立体和动态效果。同样根据图3所示，偏移距离根据莫尔成像的原理，莫尔成像放大率r为微图文阵列周期与微聚焦元件阵列周期之比。对原来上浮放大的莫尔成像(r>1)，将形成连续变化的略小的莫尔放大像，对原来下沉放大的莫尔成像(r<1)，将形成连续变化的略大的莫尔放大像。为了实现最佳的成像效果，微图文层5与微聚焦元件层3之间的距离在微聚焦元件焦距f的[f/2,3f/2],并且屈光功能层1到微聚焦元件层5的距离接近或者小于屈光功能层焦距F。
参照图9所示，为本发明的实施例五的结构示意图。其中，其中，屈光功能层1具有负屈光度功能面，而微聚焦元件层3的微聚焦单元朝向微图文层5凸起。
负屈光度的屈光功能层1具有将入射光线发散的功能，从而使得经过微聚焦元件层3的光线在微图文层5上的取样点之间的距离增加，并且增加量与屈光功能面中心的距离有关。设置屈光功能层1，改变了微聚焦元件层3对于微图文层5的取样点，形成连续变化的放大像，产生视差，形成连续的立体和动态效果。同实施例二，本实施例中结构相比于实施例四，器件将具有更薄的薄膜厚度。
参照图10所示，为本发明的实施例六的结构示意图。其中，屈光功能层1具有负屈光度功能面，而微聚焦元件层3具有双凸结构。
负屈光度的屈光功能层1具有将入射光线发散的功能，从而使得经过微聚焦元件层3的光线在微图文层5上的取样点之间的距离增加，并且增加量与屈光功能面中心的距离有关。设置屈光功能层1，改变了微聚焦元件层3对于微图文层5的取样点，形成连续变化的放大像，产生视差，形成连续的立体和动态效果。同实施例二，本实施例中结构相比于实施例四和实施例五，器件将具有更薄的薄膜厚度。
参照图11所示，为本发明的实施例七的结构示意图。其中的屈光功能层1可以是菲涅尔透镜。菲涅尔透镜具有小的结构深度，因而更加容易复制和制作。标准的菲涅尔透镜，或者采用台阶型的菲涅尔透镜，都能达到本发明的目的。
关于本发明中涉及的基于微聚焦元件层光学薄膜的制作方法，可以依据如下步骤进行：
(1)微图文层内具有微图文单元。微图文单元包括微图文笔画，微图文笔画以非周期且非固定几何形状的形式排列。微图文层由微印刷图案、填充颜料或染料的表面微浮雕微图案、线条结构微图案或印刷图案、填充颜料或染料的表面微浮雕微图案以及线条结构微图案中至少两者的组合构成；
(2)微聚焦元件层通过微纳压印，将模具表面结构复制至微图文层表面，形成与模具表面结构相反的微结构；
(3)屈光功能层通过微纳压印或者注塑，将模具表面结构复制至微聚焦元件层一侧，形成与模具表面结构相反的结构。两者折射率的相对大小由前述的器件结构决定。
通过上述步骤，就可实现基于微聚焦元件层光学薄膜。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种基于微聚焦元件的光学成像薄膜，其特征在于，包括：
微图文层，所述微图文层包括阵列排布的若干微图文单元；
微聚焦元件层，其位于所述微图文层的一侧，所述微聚焦元件层包括阵列排布的若干微聚焦单元；
透明间隔层，其位于所述微图文层与微聚焦元件层之间；
屈光功能层，其位于所述微聚焦元件层远离所述微图文层的一侧，所述屈光功能层具有正屈光度或负屈光度；
透明介质层，其位于所述屈光功能层与微聚焦元件层之间；
通过所述屈光功能层能够观察到所述微图文单元放大的动态立体图像。
2.如权利要求1所述的基于微聚焦元件的光学成像薄膜，其特征在于，所述屈光功能层为球透镜、菲涅尔透镜、柱透镜或非球面透镜。
3.如权利要求1所述的基于微聚焦元件的光学成像薄膜，其特征在于，所述透明间隔层、屈光功能层和透明介质层的总厚度小于屈光功能层焦距的绝对值。
4.如权利要求1所述的基于微聚焦元件的光学成像薄膜，其特征在于，所述微聚焦元件层的周期TL与所述微图文层的周期Tp满足其中，n为正整数。
5.如权利要求1所述的基于微聚焦元件的光学成像薄膜，其特征在于，所述微聚焦元件阵列所在层平面上的排布方式为随机或规则排布的一种，或者多种组合。
6.如权利要求1所述的基于微聚焦元件的光学成像薄膜，其特征在于，所述微聚焦元件阵列的排布方式为柱透镜阵列、球透镜阵列以及菲涅尔透镜阵列中一种或者多种组合。
7.如权利要求1所述的基于微聚焦元件的光学成像薄膜，其特征在于，所述微聚焦元件层的焦平面与所述微图文层的距离小于所述微聚焦元件层焦距的50％，即所述微聚焦元件层的焦距为f，所述微聚焦元件层的焦平面与所述微图文层的距离为h，其中，h<50％*f。
8.如权利要求1所述的基于微聚焦元件的光学成像薄膜，其特征在于，所述微图文单元阵列包括微图文笔画，所述微图文笔画以非周期且非固定几何形状的形式排列。
9.如权利要求1所述的基于微聚焦元件的光学成像薄膜，其特征在于，所述微聚焦元件层的材料与所述屈光功能层的材料的折射率差的绝对值为0.01-0.3。
10.一种光学成像系统，其特征在于，包括权利要求1至9中任意一项权利要求所述的基于微聚焦元件的光学成像薄膜。
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