CN112505919A - 一种反射式投影成像的金属表面及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种反射式投影成像的金属表面及加工方法，涉及光学技术领域，解决了现有的物品图案和/或文字产生方式较为常见，通过肉眼就能够直接观察得知，不容易产生惊喜效果的技术问题。该金属表面中所述金属表面位于金属本体的表面并与所述金属本体为一体结构；所述金属表面为无规律的多个微结构，所述微结构的最大深度小于可见光的波长，所述微结构的表面为光整形介质表面且能够对光线进行衍射传输；所述金属表面能够对可见光进行反射，投影后形成所需的图案和/或文字。本发明结构简单，操作方便，较现有的成像装置更容易带来惊喜效果，烘托气氛，具有极佳的使用前景。

Description

一种反射式投影成像的金属表面及加工方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其是涉及一种反射式投影成像的金属表面及加工方法。

背景技术

在首饰等物品制作过程中，为了增加美感，一般有三种方式产生图案和/或文字。一是在物品表面设置图案和/或文字，首先使物品表面较为光滑，然后通过雕花机或手工于该表面处雕刻出所需的图案和/或文字；二是通过设置凸台产生图案和/或文字，凸台由多个反光面造成，光线照射时利用凸台的反光面形成所需的图案和/或文字；三是通电后以屏幕为介质产生所需的图案和/或文字。

本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：

现有的物品图案和/或文字产生方式较为常见，通过肉眼就能够直接观察得知，没有意向不到的效果，不容易产生惊喜的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种反射式投影成像的金属表面及加工方法，以解决现有技术中存在的物品图案和/或文字产生方式较为常见，通过肉眼就能够直接观察得知，没有意向不到的效果，不容易产生惊喜的效果的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供了一种反射式投影成像的金属表面，包括金属本体和金属表面，所述金属本体、金属表面的材质均为金属；所述金属表面位于所述金属本体的表面并与所述金属本体为一体结构；所述金属表面为无规律的多个微结构，所述微结构的最大深度小于可见光的波长，所述微结构的表面为光整形介质表面且能够对光线进行衍射传输；所述金属表面能够对可见光进行反射，投影后形成所需的图案和/或文字。

可选地，所述光整形介质表面为自由表面，所述自由表面的数学模型为圆锥界面或非球形界面；

所述圆锥界面的轮廓高度定义为：

其中：c表示曲率，k表示圆锥常数，r＝x²+y²表示到光轴的侧向距离，圆锥常数的值决定界面的类型，即：k＜-1得到双曲面，k＝-1得到抛物面，-1<k＜0得到长椭球面，k＝0得到球面，k＞0得到扁椭球面；

所述非球形界面的轮廓高度h(x,y)由形状表达式定义为：

其中，a₁、a₂、a₃…a_n为附加的非球形参数，c表示曲率，k表示圆锥常数，r＝x²+y²表示到光轴的侧向距离。

可选地，所述光整形介质表面通过引入B样条曲线进行赋值和矫正，用于定义计算机辅助几何设计所用曲线和面的分段多项式；储存所述曲线和面的参数包括系数、节点向量和基函数；

所述系数为P₁、P₂、P₃…P_n，反映所述曲线和面的几何特性；

所述节点向量为U＝{u₀,u₁,…,u_n}，定义所述B样条曲线为多项式的区域；

所述基函数N_i,p(u)是分段多项式函数，其中i为基函数指数，p为函数次数；对于p>0，N_i,p(u)是两个p-1次基函数的线性组合，为

可选地，所述金属本体为耳环、项链、戒指、手镯、手环、钥匙扣、笔或投影设备。

可选地，所述微结构的表面通过衍射光学设计软件进行设计，通过调制后的振幅、相位得到特定表面，所述微结构的最大深度为400nm。

可选地，所述微结构在所需的图案和/或文字的靶图案中的点通过衍射形成重叠光斑，而在所需的图案和/或文字之外的区域不产生光斑。

可选地，所述可见光的光源为激光器、二极管、LED、OLED、自然光中的一种或多种。

可选地，所述金属表面还包括折射层，所述折射层为透明材质并位于所述金属表面的外部，所述折射层通过焦散作用将部分所述可见光汇聚到所述金属表面的狭窄区域。

可选地，所述折射层形成凸透镜，对部分所述可见光的方向、振幅、相位进行处理。

一种反射式投影成像的金属表面的加工方法，用于对本发明反射式投影成像的金属表面进行加工，其特征在于，所述加工方法包括以下步骤：

S1：根据所需的图案和/或文字进行预设计；

S2：根据给定成像的振幅、辐照度、极化和时间脉冲波形参数，输入到图案复原到表面程序，进行光整形复刻；

S3：根据圆锥界面或非球形界面数学模型定义所述光整形介质表面为自由表面，并得到微结构的加工参数；

S4：将所述加工参数输入到加工仪器，所述加工仪器根据该加工参数确定加工面和进给度，进行加工。

上述任一技术方案至少可以产生如下技术效果：

本发明的金属表面的尺寸远小于人眼能够分辨的最小尺寸，因此金属表面的内容通过肉眼并不能直接观察得知。将可见光对准金属表面照射后，金属表面就能够在墙壁、人体、地面、桌面等反射出所需的图像或文字，产生意想不到的惊喜效果，营造出更好的氛围。结构简单，操作方便，较现有的成像装置更容易带来惊喜效果，烘托气氛，具有极佳的使用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明进行反射式投影成像的显示效果；

图2是本发明的金属表面表面的示意图；

图3是B样条曲线进行辅赋值和矫正的示意图。

图中1、金属本体；2、金属表面。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本发明提供了一种反射式投影成像的金属表面，如图1-2所示，金属表面2位于金属本体1的表面并与金属本体为一体结构，便于在微观尺寸下进行生产制造。金属表面不透明，能够实现对可见光的反射，得到所需的图案和/或文字。金属表面为无规律的多个微结构，微结构的最大深度小于可见光的波长，微结构的表面为光整形介质表面且能够对光线进行衍射传输；金属表面的最大深度小于可见光的波长，由于孔或障碍物的尺寸与波长相当，甚至比波长还要短时，衍射现象就十分明显，从而可见光能够通过衍射进入所有几乎所有的金属表面的微结构表面，从而能够对可见光反射形成所需的图案和/或文字。图案和/或文字根据需要设定，如心形、I Love You、卡通图案、公司logo等。由于人眼能分辨的最小尺寸为0.1mm，在使用过程中，由于金属表面的尺寸远小于人眼能够分辨的最小尺寸，因此金属表面的内容通过肉眼并不能直接观察得知。金属表面能够对可见光进行反射，投影后形成所需的图案和/或文字。将可见光对准金属表面照射后(优选选择的可见光亮度大于环境光亮度，以起到更好的反射效果)，可见光通过衍射进入微结构的表面，微结构能够对进入的可见光进行反射，投影形成所需的图案和/或文字。金属表面就能够反射，在墙壁、人体、地面、桌面、投影幕布等成像出所需的图像或文字，产生意想不到的惊喜效果，营造出更好的氛围。本发明结构简单，操作方便，较现有的成像装置更容易带来惊喜效果，烘托气氛，具有极佳的使用前景。

作为可选地实施方式，光整形介质表面为自由表面，自由表明的形状一般由金属本体的外部形状决定。自由表面为平整表面时加工简单，加工难点在于非平整表面，当自由表面为非平整表面时，自由表面的数学模型为圆锥界面或非球形界面，这两种界面能够拟合绝大部分非平整界面。圆锥界面的轮廓高度定义为：

其中：c表示曲率，k表示圆锥常数，r＝x²+y²表示到光轴的侧向距离，圆锥常数的值决定界面的类型，即：k＜-1得到双曲面，k＝-1得到抛物面，-1<k＜0得到长椭球面，k＝0得到球面，k＞0得到扁椭球面；非球形界面的轮廓高度h(x,y)由形状表达式定义为：

其中a₁、a₂、a₃…a_n为附加的非球形参数，c表示曲率，k表示圆锥常数，r＝x²+y²表示到光轴的侧向距离。通过对圆锥界面或非球形界面的轮廓高度定义，便于对金属本体的表面进行精准加工，反射实现到所需的图案和/或文字以及达到预期的反射效果。

作为可选地实施方式，如图3所示，自由表面的定义通过B样条曲线进行赋值和矫正，用于定义计算机辅助几何设计所用曲线和面的分段多项式；储存曲线和面的参数包括系数、节点向量和基函数；系数为P₁、P₂、P₃…P_n，反映曲线和面的几何特性；节点向量为U＝{u₀,u₁,…,u_n}，定义曲线为多项式的区域；基函数为N_i,p(u)是分段多项式函数，其中i为基函数指数，p为函数次数；对于p>0，N_i,p(u)是两个p-1次基函数的线性组合，为

通过B样条曲线实现了对自由表面更精准的加工，确保了反射的图案和/或文字质量。

作为可选地实施方式，金属本体为耳环、项链、戒指、手镯、手环、钥匙扣、笔或投影设备，耳环、项链、戒指、手镯之类的首饰较为常见，在赠送或购买首饰过程中，通过金属表面来成像营造惊喜的氛围能够达到更好的效果，图1中所示为戒指。手环、钥匙扣、笔随身容易携带，表面也一般为金属材质，成像后也能够取得意想不到的惊喜效果。金属本体的材质可以为金、银、铂、钯等贵金属或其合金，也么根据需要选择铜合金、铝合金等，此处不再详细举例说明，金属材质不透明，能够确保成像效果。

作为可选地实施方式，微结构的表面通过衍射光学设计软件进行设计，具体软件可为DOEMaster、DECAD等，基于最终所需的图案和/或文字，通过调制后的振幅、相位得到，可以使微结构在衍射后，图案和/或文字的靶图案(即最终反射可见光的位置)在各个位置的亮度尽量均匀，提高成像质量。微结构的最大深度为400nm。可见光中，不同颜色的波长范围分别为：红光640—780nm，橙光640—610nm，黄光610—530nm，绿光505—525nm，蓝光505—470nm，紫光470—380nm，因此，微结构的最大深度小于380nm左右即可，由于尺寸越小加工难度越大，微结构的最大深度为400nm能够兼顾加工精度和衍射效果，以便于对金属本体进行加工得到金属表面，同时起到较好的反射效果。

作为可选地实施方式，微结构在所需的图案和/或文字的靶图案中的点通过衍射形成重叠光斑，而在所需的图案和/或文字之外的区域不产生光斑。从而提高图案和/或文字的成像质量，避免其他区域也对可见光进行反射成像影响最终的成像效果。

作为可选地实施方式，可见光的光源为激光器、二极管、LED、OLED、自然光中的一种或多种，具体光源可根据使用场景确定，光照强度一般高于环境光以达到更好的成像效果，可以为单色的可见光，也可以为白色的可见光，如太阳光、月光。

作为可选地实施方式，金属表面还包括折射层，折射层为透明材质并位于金属表面的外部，折射层通过焦散作用将部分可见光汇聚到金属表面的狭窄区域。光是我们感知世界的基础，光的反射或折射会产生令人着迷的焦散效果，如玻璃球产生的是折射焦散，圆滑金属产生的是反射焦散。光线经透明物体进行传播时会发生折射，当这个透明物体的表面不平整时，光线经二次折射后最终会在部分区域发生汇聚，这些汇聚区域由于接受的光能比周围区域多，具有较高的亮度，从而形成了焦散效果。焦散在虚拟场景绘制、电影特效绘制、场景模拟、虚拟装配等各种仿真领域有着广泛的应用。从而通过折射层能够使金属表面在不同位置接收到的光子更为均匀，金属表面能够形成更高质量的成像，即成像各处的亮度更为均匀。

作为可选地实施方式，折射层形成凸透镜，凸透镜能够对光源进行发射，从而能够通过距离调整投影图案和/或文字的大小。凸透镜还具有对光源的处理功能，起到光整形器的作用，对可见光的方向、振幅、相位进行处理，从而使折射层更好起到焦散的作用，产生更高的成像质量。折射层的材质优选为有机玻璃，有机玻璃具有较好的透明性，便于作为制作透镜的材料，有机玻璃的化学稳定性、力学性能和耐候性好，便于进行加工形成折射层。在金属表面表面覆盖有机玻璃形成待加工的折射层。折射层的最大厚度不超过金属表面的最大深度，覆盖的方法可以是将有机玻璃热加工后涂覆在金属表面表面，还可以对折射层用机玻璃的抛光膏手动进行轻微抛光，提高表面的光滑度。

一种反射式投影成像的金属表面的加工方法，用于对本发明的反射式投影成像的金属表面进行加工，该加工方法操作简单易行，便于达到预期效果，该加工方法包括以下步骤：

S1：根据所需的图案和/或文字进行预设计；为金属表面的后续加工提供加工边界和基础雏形。

S2：根据给定成像的振幅、辐照度、极化和时间脉冲波形参数，输入到图案复原到表面程序，进行光整形复刻。可基于所需成像的图案和/或文字，以及复数场、辐照度、极化、时间脉冲波形信息，通过VirtualLab软件或LightTools软件进行逆计算，将图案和/或文字复原到待加工的表面，这个过程即实现了光整形复刻，从而得到金属表面在不同位置的微结构，为后续加工提供相应参数。

S3：根据圆锥界面或非球形界面数学模型定义自由表面，光整形介质表面为自由表面，得到微结构在不同位置的加工参数，具体的加工参数由金属本体的形状及最终所需的图案和/或文字进行确定，参数确定后便于加工仪器进行相应加工。

S4：将加工参数输入到加工仪器，所述加工仪器根据该加工参数确定加工面和进给度，进行加工。可以通过248nm的KrF准分子激光器，MIKRON HSM400U LP五轴联动高速铣削机床，或JDGR400T精雕高速加工中心等CNC精雕设备，对金属本体进行表面的微铣削加工，最终得到金属表面的微结构，能够在光照下形成所需的图案和/或文字。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种反射式投影成像的金属表面，其特征在于，所述金属表面位于金属本体的表面并与所述金属本体为一体结构；所述金属表面为无规律的多个微结构，所述微结构的最大深度小于可见光的波长，所述微结构的表面为光整形介质表面且能够对光线进行衍射传输；所述金属表面能够对可见光进行反射，投影后形成所需的图案和/或文字。

2.根据权利要求1所述的反射式投影成像的金属表面，其特征在于，所述光整形介质表面为自由表面，所述自由表面的数学模型为圆锥界面或非球形界面；

所述圆锥界面的轮廓高度定义为：

其中：c表示曲率，k表示圆锥常数，r＝x²+y²表示到光轴的侧向距离，圆锥常数的值决定界面的类型，即：k＜-1得到双曲面，k＝-1得到抛物面，-1<k＜0得到长椭球面，k＝0得到球面，k＞0得到扁椭球面；

所述非球形界面的轮廓高度h(x,y)由形状表达式定义为：

其中，a₁、a₂、a₃…a_n为附加的非球形参数，c表示曲率，k表示圆锥常数，r＝x²+y²表示到光轴的侧向距离。

3.根据权利要求2所述的反射式投影成像的金属表面，其特征在于，所述光整形介质表面通过引入B样条曲线进行赋值和矫正，用于定义计算机辅助几何设计所用曲线和面的分段多项式；储存所述曲线和面的参数包括系数、节点向量和基函数；

所述系数为P₁、P₂、P₃…P_n，反映所述曲线和面的几何特性；

所述节点向量为U＝{u₀,u₁,…,u_n}，定义所述B样条曲线为多项式的区域；

所述基函数N_i,p(u)是分段多项式函数，其中i为基函数指数，p为函数次数；

对于p>0，N_i,p(u)是两个p-1次基函数的线性组合，为

4.根据权利要求1所述的反射式投影成像的金属表面，其特征在于，所述金属本体为耳环、项链、戒指、手镯、手环、钥匙扣、笔或投影设备。

5.根据权利要求1所述的反射式投影成像的金属表面，其特征在于，所述微结构的表面通过衍射光学设计软件进行设计，通过调制后的振幅、相位得到，所述微结构的最大深度为400nm。

6.根据权利要求1所述的反射式投影成像的金属表面，其特征在于，所述微结构在所需的图案和/或文字的靶图案中的点通过衍射形成重叠光斑，而在所需的图案和/或文字之外的区域不产生光斑。

7.根据权利要求1所述的反射式投影成像的金属表面，其特征在于，所述可见光的光源为激光器、二极管、LED、OLED、自然光中的一种或多种。

8.根据权利要求1-7任一所述的反射式投影成像的金属表面，其特征在于，所述金属表面还包括折射层，所述折射层为透明材质并位于所述金属表面的外部，所述折射层通过焦散作用将部分所述可见光汇聚到所述金属表面的狭窄区域。

9.根据权利要求8所述的反射式投影成像的金属表面，其特征在于，所述折射层形成凸透镜，对部分所述可见光的方向、振幅、相位进行处理。

10.一种反射式投影成像的金属表面的加工方法，用于对权利要求1-7中任一所述的反射式投影成像的金属表面进行加工，其特征在于，所述加工方法包括以下步骤：

S1：根据所需的图案和/或文字进行预设计；

S2：根据给定成像的振幅、辐照度、极化和时间脉冲波形参数，输入到图案复原到表面程序，进行光整形复刻；

S3：根据圆锥界面或非球形界面数学模型定义所述光整形介质表面为自由表面，并得到微结构的加工参数；

S4：将所述加工参数输入到加工仪器，所述加工仪器根据该加工参数确定加工面和进给度，进行加工。

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