CN112415764B - 柔性液晶微透镜阵列、制备方法和三维光学防伪测试方法 - Google Patents

柔性液晶微透镜阵列、制备方法和三维光学防伪测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了柔性液晶微透镜阵列、制备方法和三维光学防伪测试方法，通过在外加电场作用下，使液晶分子在液晶层内形成阵列型梯度折射率分布；在单个单元处，液晶分子形成的梯度折射率分布对平行入射光产生相位延迟，形成汇聚式球面波输出，使柔性液晶微透镜阵列表现为正透镜效果；将液晶微透镜阵列对准实际目标物体，该目标物体经过液晶微透镜阵列重建获得三维图像，实现了防伪的功能。本发明通过柔性液晶微透镜阵列的光学性能及成像能力，为其应用于面向透明视窗的光学防伪领域提供了典型实验数据和规律。本发明在塑料钞票中透明视窗的防伪领域，以及在外表不规则需要发生形变的高附加值产品、重要法律证件的防伪等领域具有应用推广价值。

Description

柔性液晶微透镜阵列、制备方法和三维光学防伪测试方法
技术领域
本发明属于光学防伪技术领域，具体涉及柔性液晶微透镜阵列、制备方法和三维光学防伪测试方法。
背景技术
光学防伪指利用光波的基本原理如光的反射、透射、折射、干涉、衍射、偏振、双折射以及微/纳米光学等发展起来的各类防伪技术。根据利用不同的光学成像原理，常见的光学防伪技术，如水印、全息图、衍射光变图像、干涉光变图像、零级衍射光变图像等，已经在知名产品商标、高附加值产品、重要法律证件(护照、身份证、驾驶证等)、信用卡、货币、证券等方面成功应用。近年，随着光学防伪技术应用领域逐渐扩展，在光学防伪领域新的应用需求不断涌现，如塑料钞票中透明视窗的防伪。然而，存在传统光学防伪方法无法适应透明视窗应用需求的问题。因此，设计满足面向透明视窗的应用需求并具有多维、动感、立体成像、易于识别和难以伪造特性的柔性光学成像元件，对下一代先进光学防伪技术的发展和应用具有重要的理论和现实意义。
现有光学防伪的方法，难以制备出满足多维、动感、立体成像特性并易与其他防伪技术/材料集成的柔性光学成像元件。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供柔性液晶微透镜阵列、制备方法和三维光学防伪测试方法，用于对目标物体重建三维图像。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：柔性液晶微透镜阵列，包括由下至上依次为下基板、Teflon柔性薄膜、第一层IPS型ITO电极、绝缘层、第二层IPS型ITO电极、聚合物液晶层的分层结构；第一层IPS型ITO电极的电极图案为中心圆形，第二层IPS型ITO电极的电极图案为外围圆环状，从上方俯视时，第二层IPS型ITO电极与第一层IPS型ITO电极形成中心圆形、外围圆环的结构分布，组成柔性液晶器件的IPS型电极结构。
按上述方案，聚合物液晶层内具有电场诱导相分离和紫外光光致聚合固化后呈梯度折射率分布及聚合物墙壁的形态。
柔性液晶微透镜阵列的制备方法，包括以下步骤：
S1：测试电场诱导液晶与单体相分离及光致聚合过程中的参数；
S2：制备柔性液晶微透镜阵列；
S3：测试柔性液晶微透镜阵列的光学性能；
S4：通过柔性液晶微透镜阵列进行成像测试；
S5：对柔性液晶微透镜阵列进行光学防伪特性评估。
进一步的，所述的步骤S1中，具体步骤为：
S11：制备样品：
采用旋转涂抹法将聚四氟乙烯溶液涂抹至玻璃衬底上，形成柔性薄膜；
采用磁控溅射法在柔性薄膜上镀ITO导电层；
采用紫外光刻和湿法腐蚀获得IPS型电极图案，制备柔性液晶器件的下基板；
在室温下采用超声震荡法调配液晶和单体溶度比例不同的混合液；
采用旋转涂抹法将混合液涂抹至柔性器件的下基板上；
通过电场持续作用于IPS型电极上，诱导液晶与单体相分离；
采用持续紫外光照射使得单体光固化；
剥离柔性液晶器件的玻璃基板；
S12：测试数据：
通过POM观察并对比样品在不同电压条件下的明暗状态，得到液晶和单体溶度比例、IPS型电极图案及紫外光光强和照射时长对诱导液晶与单体相分离的影响程度；
通过SEM观察柔性液晶器件在光致聚合后形成的梯度折射率分布及聚合物墙壁的形态，并对比样品的测试结果得到梯度折射率分布及聚合物墙壁形成的数据。
进一步的，所述的步骤S2中，具体步骤为：
S21：玻璃衬底上采用旋转涂抹法制备Teflon柔性薄膜；
S22：在Teflon柔性薄膜上采用磁控溅射镀ITO导电层；
S23：采用紫外光刻和湿法腐蚀制备电极图案为中心圆形的第一层IPS型ITO电极；
S24：在第一层IPS型ITO电极上镀氮化硅作为绝缘层；
S25：在绝缘层上采用磁控溅射镀ITO导电层；
S26：采用紫外光刻和湿法腐蚀制备电极图案为外围圆环状的，从上方俯视时，第二层IPS型ITO电极与第一层IPS型ITO电极形成中心圆形、外围圆环的结构分布，组成柔性液晶器件的IPS型电极结构；
S27：制备具有两层IPS型电极结构的柔性液晶器件下基板；
S28：在室温下采用超声震荡法调配液晶和单体溶度比例不同的混合液，采用旋转涂抹法将混合液涂抹至柔性器件的下基板上；
S29：通过作用于IPS型电极的电场诱导液晶与单体相分离，并待紫外光光致聚合固化单体后，在聚合物液晶层内形成梯度折射率分布及聚合物墙壁的形态，获得适用于透明视窗并易与其他防伪技术及材料集成的具有不同参数及IPS型双层电极阵列结构的柔性液晶微透镜阵列。
进一步的，所述的步骤S3中，具体步骤为：
S31：建立性能测试系统，在光路上依次摆放单色激光、扩束镜、光阑、偏振片、柔性液晶器件、测试设备；
S32：采用光电二极管测试获得柔性液晶微透镜阵列的阈值电压、透过率、响应时间；
S33：采用CCD相机测试获得柔性液晶微透镜阵列单色激光干涉图案，分析测试数据得到电压与焦距关系；
S34：当中心圆形和外围圆环分别接地时，对应测量柔性液晶器件的干涉图案，验证柔性液晶微透镜阵列在聚焦和发散之间切换的工作特性；
S35：对比样品的测试结果，获得液晶和单体溶度比例、IPS型双层电极阵列结构及紫外光光强和照射时长对柔性液晶微透镜阵列的光学性能的影响。
进一步的，所述的步骤S4中，具体步骤为：
S41：建立成像测试系统，在光路上依次摆放单色激光、偏振片、光阑、柔性液晶器件、镜头、CCD相机；
S42：保持柔性液晶微透镜阵列与CCD相机之间的距离不发生任何改变，测量作为点光源的单色激光在不同电压下的成像情况；
S43：通过傅里叶变换计算得到柔性液晶微透镜阵列的MTF曲线；
S44：对比样品的测试结果，获得液晶和单体溶度比例、IPS型双层电极阵列结构及紫外光光强和照射时长对柔性液晶微透镜阵列的成像能力的影响。
进一步的，所述的步骤S5中，具体步骤为：
S51：建立电控调谐成像测试系统，在光路上依次摆放目标物体、柔性液晶器件、镜头、CCD相机；
S52：保持柔性液晶微透镜阵列与CCD相机之间的距离不发生任何改变，在不同电压-频率条件下通过柔性液晶微透镜阵列获得不同景深的二维光学图像；
S53：采用后向投影算法，采用不同景深条件下的二维光学图像重建目标物体的三维光学图像。
进一步的，所述的步骤S52中，具体步骤为：
对柔性液晶微透镜阵列施加的电场采用方波驱动信号，该信号的电压范围为0～20Vrms，频率为1kHz；
将该信号加载在所设计的液晶微透镜阵列的下基板的两层电极处，第一层电极加载正极信号、第二层电极加载负极信号。
柔性液晶微透镜阵列的三维光学防伪测试方法，包括以下步骤：
S1：制备柔性液晶微透镜阵列；
S2：将柔性液晶微透镜阵列与CCD相机组成成像系统对目标物体成像；
S3：对柔性液晶微透镜阵列施加外加电场调谐焦距，电控调节至清晰成像状态，记录下驱动电压V1；
S4：以Va电压为步长，逐渐加载电压，在CCD相机处获得V2、V3、……Vn电压下的二维光学图像；
S5：采用后向投影算法处理二维光学图像V1、V2、…Vn，获得具有景深特性的三维光学图像，实现目标物体的立体图像。
本发明的有益效果为：
1.本发明的柔性液晶微透镜阵列、制备方法和三维光学防伪测试方法，通过在外加电场作用下，使液晶分子在液晶层内形成阵列型梯度折射率分布；在单个单元处，液晶分子形成的梯度折射率分布对平行入射光产生相位延迟，形成汇聚式球面波输出，使柔性液晶微透镜阵列表现为正透镜效果；将液晶微透镜阵列对准一个实际目标物体，该目标物体经过液晶微透镜阵列重建获得三维图像，实现了防伪的功能。
2.本发明通过柔性液晶微透镜阵列的光学性能及成像能力，为其应用于面向透明视窗的光学防伪领域提供了典型实验数据和规律。
3.本发明在塑料钞票中透明视窗的防伪领域，以及在外表不规则需要发生形变的高附加值产品、重要法律证件的防伪等领域具有应用推广价值。
附图说明
图1是本发明实施例采用旋转涂抹法生成Teflon薄膜的示意图。
图2是本发明实施例采用磁控溅射法、紫外光刻和湿法腐蚀制备ITO导电层的示意图。
图3是本发明实施例采用旋转涂抹法生成聚合物和单体混合薄膜的示意图；
图4是本发明实施例在IPS型电极上加载电场诱导液晶与单体相分离的示意图；
图5是本发明实施例的紫外光照射示意图；
图6是本发明实施例的剥离示意图；
图7是本发明实施例的两层IPS型电极阵列结构(2×2单元)示意图；
图8是本发明实施例的柔性液晶微透镜阵列的结构示意图；
图9是本发明实施例的性能测试系统示意图；
图10是本发明实施例的单色激光点光源成像测试系统示意图；
图11是本发明实施例的电控调谐成像测试系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
采用聚合物/液晶复合材料制备具有IPS(In-Plane Switching，平板开关)型电极结构的柔性液晶器件：
1.在Teflon(聚四氟乙烯薄)膜上，通过镀ITO(IndiumTinOxide，掺锡氧化铟)膜、紫外光刻和湿法腐蚀制备出中心圆形的电极阵列第一层结构；随后在该层电极上生长氮化硅作为绝缘层；再在绝缘层之上通过镀ITO膜、紫外光刻和湿法腐蚀制备出外围圆环状的电极阵列第二层结构；由上述两层电极结构组成柔性液晶器件的IPS型电极结构；
2.通过作用于IPS型电极的电场诱导液晶与单体相分离，并待紫外光固化单体后，在聚合物/液晶层内形成梯度折射率分布及聚合物墙壁的形态，获得适用于透明视窗并易与其他防伪技术/材料集成的柔性微透镜阵列；该液晶微透镜阵列可随外加电场调谐焦距，获得不同电压下的场景二维图像；
3.再通过后向投影算法处理所获得的不同电压下二维场景图像，最终获得具有景深特性的三维光学图像，以实现立体成像。
柔性液晶微透镜阵列的制备及测试过程如下：
1)电场诱导液晶与单体相分离及光致聚合。
采用旋转涂抹法将聚四氟乙烯溶液(Teflon)涂抹至玻璃衬底上，形成柔性薄膜，如图1所示；采用磁控溅射法在柔性薄膜上镀ITO导电层；采用紫外光刻和湿法腐蚀，获得所需要的IPS型电极图案，制备柔性液晶器件的下基板，如图2所示。
在室温下，以液晶(E7)和单体(NOA65)为对象，采用超声震荡法调配液晶和单体溶度比例不同的混合液；采用旋转涂抹法将混合液涂抹至柔性器件的下基板上，如图3所示；通过电场持续作用于IPS型电极上，诱导液晶与单体相分离，如图4所示；采用持续紫外光照射，使得单体光固化，如图5所示。将完成制备的柔性液晶器件剥离玻璃基板，如图6所示。通过POM(Polarizing Optical Microscope，偏光显微镜)来观察并对比样品在不同电压条件下明暗状态，获得液晶和单体溶度比例、IPS型电极图案及紫外光光强和照射时长对诱导液晶与单体相分离的影响。
再利用SEM(Scanning Electronic Microscope，扫描电子显微镜)来观察柔性液晶器件在光致聚合后所形成的梯度折射率分布及聚合物墙壁的形态，并对比样品的测试结果，获得梯度折射率分布及聚合物墙壁形成机理。
2)柔性液晶微透镜阵列制备及性能评估
采用旋转涂抹法制备Teflon柔性薄膜；采用磁控溅射镀ITO导电层；采用紫外光刻和湿法腐蚀，制备第一层IPS型ITO电极，电极图案为圆形阵列。
在第一层电极上镀氮化硅(SiNx)作为两层电极之间的绝缘层；采用磁控溅射镀ITO导电层；采用紫外光刻和盐酸腐蚀法，制备第二层IPS型ITO电极，电极图案为圆环阵列，与第一层电极在俯视时形成中心圆形、外围圆环的结构分布，如图7所示，制备具有两层IPS型电极结构的柔性液晶器件下基板。
采用电场诱导相分离及光致聚合的方法，使用聚合物/液晶复合材料制备多个具有不同参数及IPS型双层电极阵列结构(中心圆形、外围圆环)的柔性液晶微透镜阵列，结构示意如图8所示。
建立如图9所示的性能测试系统，采用光电二极管测试时，获得柔性液晶微透镜阵列的阈值电压、透过率、响应时间等；采用CCD(charge coupled device，电荷耦合器件)相机测试时，获得柔性液晶微透镜阵列单色激光干涉图案，分析测试数据得到电压与焦距关系等；当中心圆形接地时测量柔性液晶器件的干涉图案，而当外围圆环接地时测量柔性液晶器件的干涉图案，验证柔性液晶微透镜阵列聚焦/发散可切换工作特性。对比样品的测试结果，获得液晶和单体溶度比例、IPS型双层电极阵列结构(中心圆形、外围圆环)及紫外光光强和照射时长对其光学性能的影响。
建立如图10所示的成像测试系统，保持柔性液晶微透镜阵列与CCD相机之间的距离不发生任何改变，测量点光源在不同电压下成像情况，通过傅里叶变换计算得到柔性液晶微透镜阵列MTF曲线。对比样品的测试结果，获得液晶和单体溶度比例、IPS型双层电极阵列结构(中心圆形、外围圆环)及紫外光光强和照射时长对其成像能力的影响。
3)柔性液晶微透镜阵列光学防伪特性评估
建立如图11所示的电控调谐成像测试系统，保持柔性液晶微透镜阵列与CCD相机之间的距离不发生任何改变，获得不同电压-频率条件下系统所生成的二维光学图像。
采用后向投影算法，用柔性液晶微透镜阵列获得不同景深条件下的二维光学图像重建目标物体的三维光学图像。利用柔性液晶微透镜阵列的光学性能及成像能力，为其应用于面向透明视窗的光学防伪领域提供典型实验数据和规律。
参见图11为本发明实施例的光学成像示意图。
本发明的液晶微透镜阵列采用的是方波驱动信号，该信号电压控制范围为0—20Vrms，频率为1KHz。在具体实施过程中，将该信号加载在所设计的液晶微透镜阵列的下基板两层电极处，第一层电极加载正极信号、第二层电极加载负极信号。
在外加电场作用下，液晶分子受到电场作用，在液晶层内形成阵列型梯度折射率分布。以单个单元为例进行说明，单个单元处，液晶分子形成梯度折射率分布，可以对平行入射光产生相位延迟，形成汇聚式球面波输出，即该液晶微透镜阵列表现为正(凸)透镜效果。
产生光学防伪应用的总体思想为：将液晶微透镜阵列对准一个实际目标物体，当对该目标物体经过所设计方法重建获得三维图像时候，即可认定为达到防伪目的。
产生光学防伪应用的具体操作方法如下：首先，将液晶微透镜阵列与CCD相机组成成像系统，对目标物体成像，对液晶微透镜阵列电控调节至清晰成像状态，记录下驱动电压V1；随后，在以Va电压为步长，逐渐加载电压，在CCD相机处获得V2、V3、……Vn电压下的二维光学图像；再采用后向投影算法，用柔性液晶微透镜阵列获得不同景深条件下的二维光学图像重建目标物体的三维光学图像。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.柔性液晶微透镜阵列的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：测试电场诱导液晶与单体相分离及光致聚合过程中的参数；具体步骤为：
S11：制备样品：
采用旋转涂抹法将聚四氟乙烯溶液涂抹至玻璃衬底上，形成柔性薄膜；
采用磁控溅射法在柔性薄膜上镀ITO导电层；
采用紫外光刻和湿法腐蚀获得IPS型电极图案，制备柔性液晶器件的下基板；
在室温下采用超声震荡法调配液晶和单体溶度比例不同的混合液；
采用旋转涂抹法将混合液涂抹至柔性器件的下基板上；
通过电场持续作用于IPS型电极上，诱导液晶与单体相分离；
采用持续紫外光照射使得单体光固化；
剥离柔性液晶器件的玻璃基板；
S12：测试数据：
通过POM观察并对比样品在不同电压条件下的明暗状态，得到液晶和单体溶度比例、IPS型电极图案及紫外光光强和照射时长对诱导液晶与单体相分离的影响程度；
通过SEM观察柔性液晶器件在光致聚合后形成的梯度折射率分布及聚合物墙壁的形态，并对比样品的测试结果得到梯度折射率分布及聚合物墙壁形成的数据；
S2：制备柔性液晶微透镜阵列；
柔性液晶微透镜阵列包括由下至上依次为下基板、Teflon柔性薄膜、第一层IPS型ITO电极、绝缘层、第二层IPS型ITO电极、聚合物液晶层的分层结构；第一层IPS型ITO电极的电极图案为中心圆形，第二层IPS型ITO电极的电极图案为外围圆环状，从上方俯视时，第二层IPS型ITO电极与第一层IPS型ITO电极形成中心圆形、外围圆环的结构分布，组成柔性液晶器件的IPS型电极结构；聚合物液晶层内具有电场诱导相分离和紫外光光致聚合固化后呈梯度折射率分布及聚合物墙壁的形态；
具体步骤为：
S21：玻璃衬底上采用旋转涂抹法制备Teflon柔性薄膜；
S22：在Teflon柔性薄膜上采用磁控溅射镀ITO导电层；
S23：采用紫外光刻和湿法腐蚀制备电极图案为中心圆形的第一层IPS型ITO电极；
S24：在第一层IPS型ITO电极上镀氮化硅作为绝缘层；
S25：在绝缘层上采用磁控溅射镀ITO导电层；
S26：采用紫外光刻和湿法腐蚀制备电极图案为外围圆环状的，从上方俯视时，第二层IPS型ITO电极与第一层IPS型ITO电极形成中心圆形、外围圆环的结构分布，组成柔性液晶器件的IPS型电极结构；
S27：制备具有两层IPS型电极结构的柔性液晶器件下基板；
S28：在室温下采用超声震荡法调配液晶和单体溶度比例不同的混合液，采用旋转涂抹法将混合液涂抹至柔性器件的下基板上；
S29：通过作用于IPS型电极的电场诱导液晶与单体相分离，并待紫外光光致聚合固化单体后，在聚合物液晶层内形成梯度折射率分布及聚合物墙壁的形态，获得适用于透明视窗并易与其他防伪技术及材料集成的具有不同参数及IPS型双层电极阵列结构的柔性液晶微透镜阵列；
S3：测试柔性液晶微透镜阵列的光学性能；
S4：通过柔性液晶微透镜阵列进行成像测试；
S5：对柔性液晶微透镜阵列进行光学防伪特性评估。
2.根据权利要求1所述的柔性液晶微透镜阵列的制备方法，其特征在于：所述的步骤S3中，具体步骤为：
S31：建立性能测试系统，在光路上依次摆放单色激光、扩束镜、光阑、偏振片、柔性液晶器件、测试设备；
S32：采用光电二极管测试获得柔性液晶微透镜阵列的阈值电压、透过率、响应时间；
S33：采用CCD相机测试获得柔性液晶微透镜阵列单色激光干涉图案，分析测试数据得到电压与焦距关系；
S34：当中心圆形和外围圆环分别接地时，对应测量柔性液晶器件的干涉图案，验证柔性液晶微透镜阵列在聚焦和发散之间切换的工作特性；
S35：对比样品的测试结果，获得液晶和单体溶度比例、IPS型双层电极阵列结构及紫外光光强和照射时长对柔性液晶微透镜阵列的光学性能的影响。
3.根据权利要求2所述的柔性液晶微透镜阵列的制备方法，其特征在于：所述的步骤S4中，具体步骤为：
S41：建立成像测试系统，在光路上依次摆放单色激光、偏振片、光阑、柔性液晶器件、镜头、CCD相机；
S42：保持柔性液晶微透镜阵列与CCD相机之间的距离不发生任何改变，测量作为点光源的单色激光在不同电压下的成像情况；
S43：通过傅里叶变换计算得到柔性液晶微透镜阵列的MTF曲线；
S44：对比样品的测试结果，获得液晶和单体溶度比例、IPS型双层电极阵列结构及紫外光光强和照射时长对柔性液晶微透镜阵列的成像能力的影响。
4.根据权利要求3所述的柔性液晶微透镜阵列的制备方法，其特征在于：所述的步骤S5中，具体步骤为：
S51：建立电控调谐成像测试系统，在光路上依次摆放目标物体、柔性液晶器件、镜头、CCD相机；
S52：保持柔性液晶微透镜阵列与CCD相机之间的距离不发生任何改变，在不同电压-频率条件下通过柔性液晶微透镜阵列获得不同景深的二维光学图像；
S53：采用后向投影算法，采用不同景深条件下的二维光学图像重建目标物体的三维光学图像。
5.根据权利要求4所述的柔性液晶微透镜阵列的制备方法，其特征在于：所述的步骤S52中，具体步骤为：
对柔性液晶微透镜阵列施加的电场采用方波驱动信号，该信号的电压范围为0～20Vrms，频率为1kHz；
将该信号加载在所设计的液晶微透镜阵列的下基板的两层电极处，第一层电极加载正极信号、第二层电极加载负极信号。
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