CN111572235B - 一种隐藏式立体成像薄膜 - Google Patents

一种隐藏式立体成像薄膜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种隐藏式立体成像薄膜，包括：透明间隔层，其包括第一表面及相背而对设置的第二表面；微图文阵列层，其设置于透明间隔层的第一表面，所述微图文阵列层由多个微图文单元组成；微聚焦元件阵列层，其设置于透明间隔层的第二表面，微聚焦元件阵列层由多个微聚焦元件单元组成；反射层，其位于微聚焦元件阵列层表面；当沿所述透明间隔层表面的法线方向观察时，所述微图文阵列层的图像信息被隐藏，当偏离透明间隔层表面的法线方向观察时，能够观察到微图文阵列层的立体图像信息。其具有隐藏信息的效果，防伪性能更强，辨识度更高。

Description

一种隐藏式立体成像薄膜
技术领域
本发明涉及微纳光学成像领域，具体涉及一种隐藏式立体成像薄膜。
背景技术
由微纳结构组成的光学成像系统结构紧凑、轻薄，具有独特的视觉效果和易识别的优点。在通常状态下，不借助任何仪器，用肉眼或者感觉器官能够直接识别特征，但其结构又不易被复制，具有防伪功能，已被广泛应用于钞票、证卡和有价证券、高档烟酒和奢侈品等高安全产品以及其它高附加值产品。
在微光学成像薄膜中，一类引人注目的新一代技术是将微透镜阵列与微图文阵列结合实现的莫尔放大技术。莫尔放大涉及一种现象，从具有大致相同周期维度的微透镜阵列观察由相同微图文组成的阵列时可以产生这种现象，即以微图文的放大或者旋转形式出现。莫尔放大现象基本原理在M.C.Hutley,R. Hunt,R.F.Stevens and P.Savander,PureAppl.Opt.3(1994),pp.133～142 中有所描述。Drinkwater等在美国专利No.5,712,731率先提出将半球形微凸透镜阵列与微图文阵列结合的安全器件。微图文在微凸透镜的后焦面附近，人眼在微透镜凸面侧观察可看到微图文的莫尔放大像，其中微凸透镜口径在 50～250微米，微图文阵列通过凹版印刷的方式得到，最小分辨率为5微米。为了克服上述专利不利于制作超薄型(厚度小于50微米)器件的弊端，美国专利 No.2005/0180020Al及后续专利No.2008/0037131Al中，R.A.Steenblik等进一步扩展了依据上述微光学原理制作的安全器件范围，如微凸透镜口径减小至20～30微米，焦距小于50微米，间隔层厚度小于50微米，微图文层具有多变的复杂排布，可以是透明、半透明、荧光、磷光、染、光变颜料等，并提出了若干基于反射工作模式的结构等。在中国专利安全元件(申请号 200680048634.8)中提出了一种预定弯曲的布拉维点阵结构。中国专利申请 201710039586.6提出了一种可以对光照进行响应的反射型安全器件，提高了安全性能。
上述的莫尔放大成像薄膜虽然能够将微图文放大成像，但由于其设计原理的限制，不能在视线方向呈现连续立体感，因此3D效果单一，观赏性差，且在防伪功能上有待提升。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种隐藏式立体成像薄膜，其在正视方向不呈现微图文信息，在侧视情况下呈现图文信息，因此具有隐藏信息的效果，防伪性能更强，辨识度更高。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种隐藏式立体成像薄膜，包括：透明间隔层，其包括第一表面及相背而对设置的第二表面；
微图文阵列层，其设置于透明间隔层的第一表面，所述微图文阵列层由多个微图文单元组成；
微聚焦元件阵列层，其设置于透明间隔层的第二表面，微聚焦元件阵列层由多个微聚焦元件单元组成；
反射层，其位于微聚焦元件阵列层表面，所述反射层与微聚焦元件阵列层组成反射微聚焦元件阵列层；
当沿所述透明间隔层表面的法线方向观察时，所述微图文阵列层的图像信息被隐藏，当偏离透明间隔层表面的法线方向观察时，能够观察到微图文阵列层的立体图像信息。
作为优选的，其中，所述微图文阵列层的设计方法包括以下步骤：
S1、预设宏观图文的图像信息，将宏观图文的图像信息离散化为若干像点 OR；
S2、设所述若干像点OR与透明间隔层的第二表面距离L0，所述若干像点OR以α’角发出第一光线，所述第一光线经m个微聚焦元件单元和反射层反射后，形成第二光线，第二光线至透明间隔层的第一表面的位置x和角度α为：
Figure BDA0002502459670000031
其中，α’角为若干像点OR的入射光线与透明间隔层的法线的夹角，p为微聚焦元件阵列层的周期；
S3、逐点记录若干像点OR在透明间隔层第一表面的成像情况；
S4、根据S3所获得的透明间隔层第一表面的成像情况，获得微图文单元，并由若干微图文单元组成微图文阵列层。
作为优选的，所述“当偏离透明间隔层表面的法线方向观察时，能够观察到微图文阵列层的立体图像信息”为单通道、双通道或者多通道。
作为优选的，所述聚焦元件阵列的排布方式为正方排列、蜂窝阵列或者随机排列中的一种或者多种组合。
作为优选的，所述微图文阵列与所述聚焦微元件阵列的焦平面的距离小于所述反射微聚焦元件阵列层焦距的50％。
作为优选的，所述反射层的厚度为10nm-200nm。
作为优选的，反射率大于50％。
作为优选的，所述反射层为Al或Ag。
作为优选的，所述微图文阵列由微印刷图案、填充颜料和线条结构微图案中至少两者的组合构成。
本发明的有益效果：
1、当沿透明间隔层表面法线方向观察时，图像信息被隐藏不可辨识。从倾斜于间隔层表面法线方向观察时，可看到立体图像，实现了一种隐藏式立体图像薄膜。
2、立体图像沿透明间隔层表面法线方向，且3D效果可视视角大，达到近乎周视的效果。
3、观察者在任何光环境下，不需要特殊的观察技巧就可以观察到彩色三维动态图像。
4、采用面光源或者点光源照明该微光学成像系统时，透明间隔层表面将呈现立体图像的影子，这一效果在通常的成像技术中无法实现，且本发明的立体成像效果优于一般的莫尔成像系统。
5、薄膜厚度最薄可达30微米，可用于货币安全线、证卡等的防伪用途，不仅提供识别的效果，同时也增加了防伪产品的制造难度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的微图文阵列设计的原理示意图；
图3为立体单通道上浮视觉效果示意图；
图4为立体单通道下沉视觉效果示意图；
图5为双通道上浮视觉效果示意图；
图6为双通道下沉视觉效果示意图；
图7为立体单通道上浮视觉效果中微聚焦元件的示意图；
图8为由填充颜料或染料组成的微图文阵列的结构示意图；
图9为微聚焦元件阵列排布方式示例，其中，(a)正方排布；(b)蜂窝排布； (c)随机排布。
图中标号说明：1、微图文阵列层；2、透明间隔层；3、微聚焦元件阵列层； 4、反射层。
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。
参照图1所示，本发明公开了一种隐藏式立体成像薄膜，包括透明间隔层 2、微图文阵列层1、微聚焦元件阵列层3和反射层4。
透明间隔层2包括第一表面及相背而对设置的第二表面。其材料可由聚碳酸酯(PC：Polycarbonate)、聚氯乙烯(PVC：Polyrinyl Chloride)、聚酯(PET： Polyester)、丙烯酸(PMMA：Polymethyl Methacrylate)或聚烯(BOPP：Biaxial Or1ented Plypropylene)等。所述透明间隔层2还可以为热固化树脂和/或光固化树脂。透明间隔层2的厚度在所述反射式聚焦微元件阵列焦距的±50％范围以内。
微图文阵列层1设置于透明间隔层2的第一表面，微图文阵列层1由多个微图文单元组成。微图文单元可由微印刷图案、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。
微聚焦元件阵列层3设置于透明间隔层2的第二表面，微聚焦元件阵列层 3由多个微聚焦元件单元组成。
反射层4位于微聚焦元件阵列层3表面，反射层4与微聚焦元件阵列层3 组成反射微聚焦元件阵列层3。
当沿透明间隔层2表面的法线方向观察时，微图文阵列层1的图像信息被隐藏，当偏离透明间隔层2表面的法线方向观察时，能够观察到微图文阵列层 1的立体图像信息。
图2为本发明的微图文阵列设计的原理示意图。在微图文设计时，物体上某点发出的光线被微图文层记录。在与透明间隔层2距离L0的与透明间隔层法线方向平行的宏观图文上某点OR以α’角发出光线，则第m个微聚焦元件单元和反射层反射后，至透明间隔层第一表面的位置和角度可由光学传输矩阵计算获得：
Figure BDA0002502459670000061
其中，设微聚焦元件阵列的周期为p.依公式(1)逐点记录物体在透明间隔层第一表面的成像情况。根据光路可逆原理，通过透明间隔层第一表面的微图文阵列和透明间隔层第二表面的微聚焦单元和反射层，可再现与透明间隔层法线方向平行的宏观图文。
参照图3所示，为本发明的一实施例的立体单通道上浮视觉效果示意图。当人眼沿透明间隔层法线方向观察本发明实施例一时，图像信息被隐藏。当以向左或向右倾斜于透明间隔层表面法线方向θ角时观察时，可呈现浮出于透明间隔层表面的立体图文信息(如图中所示的字符A)。立体图文信息是一个或多个图案，例如图形、网格、文字、数字、符号、风景画和/或Logo等易于辨别形状的图像。
参照图4所示，为本发明的一实施例的立体单通道下沉视觉效果示意图。当人眼沿透明间隔层法线方向观察本发明实施例一时，图像信息被隐藏。当以向左或向右倾斜于透明间隔层表面法线方向θ角时观察时，可呈现下沉于透明间隔层表面的立体图文信息(如图中所示的字符A)。立体图文信息是一个或多个图案，例如图形、网格、文字、数字、符号、风景画和/或Logo等易于辨别形状的图像。
参照图5所示，为本发明的一实施例的立体双通道上浮视觉效果示意图。当人眼沿透明间隔层法线方向观察本发明实施例一时，图像信息被隐藏。当以向右倾斜于透明间隔层表面法线方向θ角时观察时，可呈现浮出于透明间隔层表面的立体图文信息(如图中所示的字符A)。当以向左倾斜于透明间隔层表面法线方向θ角时观察时，可呈现浮出于透明间隔层表面的立体图文信息(如图中所示的字符B)。立体图文信息是一个或多个图案，例如图形、网格、文字、数字、符号、风景画和/或Logo等易于辨别形状的图像。
参照图6所示，为本发明的一实施例的立体双通道下沉视觉效果示意图。当人眼沿透明间隔层法线方向观察本发明实施例一时，图像信息被隐藏。当以向右倾斜于透明间隔层表面法线方向θ角时观察时，可呈现下沉于透明间隔层表面的立体图文信息(如图中所示的字符A)。当以向左倾斜于透明间隔层表面法线方向θ角时观察时，可呈现下沉于透明间隔层表面的立体图文信息(如图中所示的字符B)。立体图文信息是一个或多个图案，例如图形、网格、文字、数字、符号、风景画和/或Logo等易于辨别形状的图像。
为了实现上述视觉效果，需要对微聚焦元件阵列3和反射层4进行设计。图7为立体单通道上浮视觉效果中微聚焦元件的示意图。当图文(字符)A 上浮于透明间隔层表面时(例如上浮于透明间隔层3mm，高度6mm)，由透明间隔层2、微聚焦元件阵列3和反射层4组成的成像系统对字符A成像，在每个微聚焦成像单元下形成微图文阵列，记录该微图文阵列，所采用的微聚焦元件阵列为正方排布，微聚焦单元直径为130微米，透明间隔层厚度为70微米。
微聚焦元件的成像过程可以采用3dMax、Blender等3D软件进行建模，利用照相机记录微图文阵列。也可采用光学传输矩阵计算获得。
述参考图3-图6中的一种微光学成像系统的视觉效果，其观察方向、立体效果(上浮/下沉)和图像种类(单通道/双通道)可自由组合，均依照上述方法获得如参考图7的微图文阵列，本发明实施例中不再一一列举。
图8为由填充颜料或染料组成的微图文阵列的结构示意图，微图文阵列由微印刷图案、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。为了进一步提高微图文阵列的线条分辨率，可采用如图7所示的结构。在透明间隔层第一表面利用微纳压印制作微图文阵列结构，向结构内填充纳米油墨(颜料或者染料)。微纳压印技术制作的结构分辨率可大于10000dpi，完全能够满足本发明实施例一对微图文印刷分辨率的要求。
本发明的制备方法如下：
S1：在有机薄膜层的一面制作微图文层；所述有机薄膜厚度20微米至250 微米。
S2：设计光刻母版图形，利用光学光刻在玻璃基底上形成光刻胶材料的微聚焦元件阵列和微图文阵列。微聚焦元件阵列可以为微透镜阵列，或者菲涅尔透镜阵列。
S3：将获得的微聚焦元件阵列和微图文阵列作为母版获得子代母版。其方法为通过微电铸获得金属镍版，或者通过软压印获得柔性软模具。
S4：将子代母版贴在压印辊筒表面，通过转轴紫外固化压印获得印有微图文阵列和微聚焦元件阵列的有机薄膜层；
S5:在微聚焦元件阵列层上沉积反射层。所述的反射层为金属或非金属膜系，更优选为金属Al或Ag；反射层的厚度为10nm-200nm，反射层的反射效率大于50％。
其中，所述微图文阵列层除采用上述的UV压印结合填充油墨的方式，其线条特征线宽在1微米至10微米。当分辨率要求不高时，还可采用丝网印刷的方式印制于有机薄膜层表面。
其中，所述有机薄膜层采用在同一张有机薄膜层的第一和第二表面对位压印微聚焦元件阵列和微图文阵列，或采用一张微聚焦元件阵列和一张微图文阵列的胶合。
其中，所述的微图文阵列结构和反射层的表面可以设有保护结构。所述保护对结构用于对图文结构和反射层进行保，以防止图文结构中的(微)图案和反射层变形及被污染，影响成像效果。保护结构可以包括UV胶、OCA胶等其他一些不会产生化学反应的透明或者视觉透明的聚合物。
其中，本申请实施例所提供的微光学成像薄膜可以为一层薄膜结构，微透镜结构和容纳结构形成于同一聚合物层(即成一体结构)中，并且没有基材层，这实现了减小光学成像薄膜厚度的目的。此外，该光学成像薄膜没有基材层，因此其机械性能良好，这使得该光学成像薄膜在烫印时可以易于切断。
图9为微聚焦元件阵列排布方式示例，其中，(a)为正方排布；(b)为蜂窝排布；(c)为随机排布。
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 (9)

1.一种隐藏式立体成像薄膜，其特征在于，包括：
透明间隔层，其包括第一表面及相背而对设置的第二表面；
微图文阵列层，其设置于透明间隔层的第一表面，所述微图文阵列层由多个微图文单元组成；
微聚焦元件阵列层，其设置于透明间隔层的第二表面，微聚焦元件阵列层由多个微聚焦元件单元组成；
反射层，其位于微聚焦元件阵列层表面，所述反射层与微聚焦元件阵列层组成反射微聚焦元件阵列层；
当沿所述透明间隔层表面的法线方向观察时，所述微图文阵列层的图像信息被隐藏，当偏离透明间隔层表面的法线方向观察时，能够观察到微图文阵列层的立体图像信息;
所述微图文阵列层的设计方法包括以下步骤：
S1、预设宏观图文的图像信息，将宏观图文的图像信息离散化为若干像点OR；
S2、设所述若干像点OR与透明间隔层的第二表面距离L0，所述若干像点OR以角
Figure DEST_PATH_IMAGE001
发出第一光线，所述第一光线经m个微聚焦元件单元和反射层反射后，形成第二光线，第二光线至透明间隔层的第一表面的位置
Figure 645864DEST_PATH_IMAGE002
和角度
Figure 103390DEST_PATH_IMAGE003
为：
Figure 917762DEST_PATH_IMAGE004
，
其中，
Figure 740225DEST_PATH_IMAGE001
角为若干像点OR的入射光线与透明间隔层的法线的夹角，p为微聚焦元件阵列层的周期；
S3、逐点记录若干像点OR在透明间隔层第一表面的成像情况；
S4、根据S3所获得的透明间隔层第一表面的成像情况，获得微图文单元，并由若干微图文单元组成微图文阵列层。
2.如权利要求1所述的隐藏式立体成像薄膜，其特征在于，所述“当偏离透明间隔层表面的法线方向观察时，能够观察到微图文阵列层的立体图像信息”为单通道、双通道或者多通道。
3.如权利要求1所述的隐藏式立体成像薄膜，其特征在于，所述微聚焦元件阵列层的排布方式为正方排列、蜂窝阵列或者随机排列中的一种或者多种组合。
4.如权利要求1所述的隐藏式立体成像薄膜，其特征在于，所述微图文阵列与所述聚焦微元件阵列的焦平面的距离小于所述反射微聚焦元件阵列层焦距的50％。
5.如权利要求1所述的隐藏式立体成像薄膜，其特征在于，所述反射层的厚度为10nm-200nm。
6.如权利要求1所述的隐藏式立体成像薄膜，其特征在于，所述反射层的反射率大于50％。
7.如权利要求1所述的隐藏式立体成像薄膜，其特征在于，所述反射层为Al或Ag。
8.如权利要求1所述的隐藏式立体成像薄膜，其特征在于，所述微图文阵列由微印刷图案、填充颜料和线条结构微图案中至少两者的组合构成。
9.一种隐藏式立体成像系统，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的隐藏式立体成像薄膜。
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