CN209560213U - 一种聚焦结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种聚焦结构，包括光学基材层和聚焦层，所述光学基材层上表面分布有多个呈周期性排列或至少局部周期性排列的聚焦单元，多个聚焦单元排列组成聚焦层，进一步的，还可包括表面封装层，所述聚焦层上表面覆盖有表面封装层，当聚焦单元为凸面单元时，表面封装层形成与聚焦单元配合的凹面单元阵列层；当聚焦单元为凹面单元时，表面封装层形成与聚焦单元配合的凸面单元阵列层。本实用新型的聚焦结构整体就能对光线呈聚焦状态，增加了表面封装层，能够使雾度降低，光学透过率增加，用于实现裸眼3D显示时，长时间观看也不会有眼晕头昏现象。

Description

一种聚焦结构

技术领域

本实用新型涉及光学聚焦技术领域，具体为一种聚焦结构。

背景技术

动态膜系采用微透镜阵列结构，结合微图文阵列来实现动态显示效果的产品。具体表现如下：动态光学安全膜移动时，图形就好像是在水面上滑动，薄膜在左右运动时，图形在垂直方向做反方向的滑动(正交运动)；同样，薄膜上下转动，被放大的图形左右运动。这种正交运动是和常识是相悖的，特别容易用人眼识别。如图1和图2所示，是两种动态膜的立体结构，在图1中微图文阵列层的微型图文元件为灯泡图案，在图2中微图文阵列层的微型图文元件为美元符号。动态膜的载体一般包括钞票、股票、债券、证书、收据、支票、有价入场券和其他有伪造风险的纸质文件，例如护照和其他身份证件，以及产品保护元件，例如标签、封条、包装等等。动态膜可以被加工成，例如嵌入钞票中的安全线，用于产品包装的开口条，能应用的安全条或自给型的转移元件，如在生产后能被应用于重要文件的斑点或标签。

动态膜采用的是光学透镜阵列莫尔放大-焦平面成像原理，具体是微透镜动态立体显示技术，其原理是在图文信息层的前面加上一层透镜层，使图文的像平面位于透镜的焦平面上，在每个透镜下面对应有图文信息单元，这样透镜就能以不同的方向投影单元图文信息于焦平面。于是双眼以不同的运动状态(左右/上下晃动)观看动态膜，就看到动态图文不同的运动状态(上下/左右运动)。通过对微图文分布周期的设计，可以实现放大的动态图文的3D效果，如景深或上浮效果。若图文信息层的微图文叠加有多层，还可以实现多层多色的图文显示，比如，百元美金的蓝色安全线(当左右转动时，“100”和“大笨钟”图案会互换，如图3所示)。

现有技术的动态膜中透镜阵列直接裸露在空气中，我们把这种透镜阵列直接裸露在空气中的产品叫做“直显产品”。这种直显产品存在的问题有：形成微透镜结构的UV树脂折射率为1.5左右，而空气折射率为1，由于微透镜结构的折射率与空气的折射率差距过大，因此，现有的动态膜产品光学折射角度大，雾度高，从外观看起来会不清晰，图文显示模糊。

目前，市面上已经商业化的显示方式有以下几种：

CRT(冷阴极射线管)：已落伍，处于淘汰中。

CRT电视机是通过一个或多个电子枪发出电子束，射在真空管屏幕表面内侧，而涂在屏幕内侧的发光涂料受电子束冲击而发光产生图像。电子束冲击在屏幕内侧的一个发光点即为一个像素，通过调整电子束的强弱即可实现像素的灰阶。

TFT-LCD(薄膜电晶体/三极管液晶)：现阶段主流产品。

液晶分子因其在电场中受电压大小而发生偏转(光通过不同偏转角度的液晶会有强弱变化)，配合两片垂直放置的偏光片来实现光的可控，通过调整电压来实现显示的灰阶。

OLED(有机电致发光)：未来主流产品，替代LCD中。

有机分子受电流作用，发生能级跃迁，产生不同颜色(RGB)的光，通过输入电流的大小引起光的强弱即可实现灰阶。

当然还有Micro-LED，激光电视等，这里不一一赘述。

以上显示方式均属于平面2D显示，屏幕尺寸有限(取决于屏幕生产线的世代，存在极限尺寸)要实现3D显示需配合外加设备或工艺来实现。目前能实现3D显示的工艺和技术有：

1、现有LCD或OLED外贴柱透镜膜片，所播放视频需加工成3D片源：缺点是观看超过10分钟会头晕；

2、全息：需通过特殊设备，观看场景特殊，体型巨大，无法形成小型或薄型显示屏幕。

而目前显示/观看效果好的主流方式仍是通过佩戴偏光眼镜来实现，且其片源需加工成3D片源，其实现3D电影的原理是：

拍摄左右眼视点图像，并将两视点图像同步显示在银幕上，从放映机射出的光通过偏振片后，就成了偏振光，左右两架放映机前的偏振片的偏振方向互相垂直，因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直，观众使用对应上述的偏振光的偏振眼镜观看，即左眼只能看到左机映出的画面，右眼只能看到右机映出的画面，这样就会看到立体景像，这就是立体电影的原理。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种聚焦结构，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种聚焦结构，包括光学基材层和聚焦层，所述光学基材层上表面分布有多个呈周期性排列或至少局部周期性排列的聚焦单元，多个聚焦单元排列组成聚焦层。

作为本实用新型进一步的方案：还包括表面封装层，所述聚焦层上表面覆盖有表面封装层，当聚焦单元为凸面单元时，表面封装层形成与聚焦单元配合的凹面单元阵列层，聚焦单元的折射率大于凹面单元阵列层的折射率；当聚焦单元为凹面单元时，表面封装层形成与聚焦单元配合的凸面单元阵列层；所述凸面单元阵列层的折射率大于聚焦单元的折射率。

作为本实用新型进一步的方案：多个所述的聚焦单元呈周期性排列，聚焦单元包括但不限于普通透镜、菲涅尔透镜或柱状光栅。

作为本实用新型进一步的方案：所述聚焦单元的基部形状包括圆形、三角形、四边形、五边形或六边形。

作为本实用新型进一步的方案：所述聚焦单元的基部形状采用边角圆弧过渡的三角形、边角圆弧过渡的四边形、边角圆弧过渡的五边形或边角圆弧过渡的六边形。

作为本实用新型进一步的方案：所述聚焦单元采用菲涅尔透镜，聚焦单元的基部形状采用圆形，聚焦单元的基部外圈分布设置有多个向上延伸的圆环凸部，各个圆环凸部的中心轴线和聚焦单元的中心轴线共线设置。

作为本实用新型进一步的方案：所述圆环凸部的外直径从下至上逐渐减小设置，圆环凸部的厚度从下至上逐渐减小设置。

作为本实用新型进一步的方案：所述聚焦层和表面封装层之间的折射率差值大于或等于0.02。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本申请的聚焦结构能对光线呈聚焦状态，覆盖的表面封装层，能够使雾度降低，光学透过率增加，使得透过本聚焦结构的图文显示的清晰度得到提高；通过聚焦结构可用于实现裸眼3D显示的方法，不仅可以在平面2D屏幕上实现3D效果，而且可以得到超大尺寸的显示屏幕，由于在屏幕范围内只有焦平面成像一个放大图像，所以没有长时间观看屏幕所产生的头晕等副作用。

附图说明

图1为现有技术微型图文元件为灯泡图案的动态膜立体结构示意图；

图2为现有技术微型图文元件为美元符号图案的动态膜立体结构示意图；

图3为现有技术中百元美金的蓝色安全线的照片；

图4为一种聚焦结构的立体结构示意图；

图5为一种聚焦结构中聚焦单元为凸面单元时的结构示意图；

图6为一种聚焦结构中聚焦单元为凹面单元时的结构示意图；

图7为现有技术直显产品的光线示意图；

图8为本申请中聚焦结构的光线示意图；

图9为3D动态膜的立体结构示意图；

图10为3D动态膜的光线示意图；

图11为3D动态膜带有两层微型图文元件的结构示意图；

图12a-i为3D动态膜中不同形状的微型图文元件和不同基部形状的聚焦单元排列的结构示意图；

图13为3D动态膜中聚焦单元采用菲涅尔透镜的正视图；

图14为3D动态膜中聚焦单元采用菲涅尔透镜的截面图；

图15为现有技术直显产品的照片；

图16为3D动态膜产品的光线示意图；

图17为设计实验的光线示意图。

附表说明

表1为直显产品和封装产品的性能比较表。

图中：1-光学基材层，2-聚焦层，21-凸面单元，22-凹面单元，3-表面封装层，31-凹面单元阵列层，32-凸面单元阵列层，4-图像阵列层，41-微型图文元件，5-焦点定位层，51-焦点。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图4～17，本实用新型提供一种技术方案：一种聚焦结构，包括光学基材层1和聚焦层2，所述光学基材层1上表面分布有多个呈周期性排列或至少局部周期性排列的聚焦单元，多个聚焦单元排列组成聚焦层2。此实施例的聚焦结构不包括表面封装层3。当然，光学基材层1和聚焦层2也可一体注塑成型。

作为另一实施例，请参阅图4，一种聚焦结构，包括光学基材层1和聚焦层2，所述光学基材层1上表面分布有多个呈周期性排列或至少局部周期性排列的聚焦单元，多个聚焦单元排列组成聚焦层2，还包括表面封装层3，所述聚焦层2上表面覆盖有表面封装层3，请参阅图5，当聚焦单元为凸面单元21时，表面封装层3形成与聚焦单元配合的凹面单元阵列层31，聚焦单元的折射率大于凹面单元阵列层31的折射率；请参阅图6，当聚焦单元为凹面单元22时，表面封装层3形成与聚焦单元配合的凸面单元阵列层32；所述凸面单元阵列层32的折射率大于聚焦单元的折射率。

无论聚焦单元采用凸面单元21，还是凹面单元22，本申请的聚焦结构都能对光线呈聚焦状态，覆盖的表面封装层3，能够使雾度降低，光学透过率增加，使得透过本聚焦结构的图文显示的清晰度得到提高。请参阅图7，这是现有技术“直显产品”的光线示意图，请参阅图8，这是聚焦结构的光线示意图，显然，聚焦结构的放大倍数虽然降低，但产品的雾度降低，光学透过率增加。

可优选地，多个所述的聚焦单元呈周期性排列，聚焦单元包括但不限于普通透镜、菲涅尔透镜或柱状光栅。可优选地，所述聚焦层和表面封装层之间的折射率差值大于或等于0.02。

进一步的，所述聚焦单元的基部形状包括圆形、三角形、四边形、五边形或六边形；显然，所述聚焦单元的基部形状还可以采用边角圆弧过渡的三角形、边角圆弧过渡的四边形、边角圆弧过渡的五边形或边角圆弧过渡的六边形。

作为另一实施例，请参阅图13，所述聚焦单元采用菲涅尔透镜，聚焦单元的基部形状采用圆形，聚焦单元的基部外圈分布设置有多个向上延伸的圆环凸部23，各个圆环凸部23的中心轴线和聚焦单元的中心轴线共线设置；所述圆环凸部23的外直径从下至上逐渐减小设置，圆环凸部23的厚度从下至上逐渐减小设置。

请参阅图9，一种3D动态膜，包括上述所述的聚焦结构，所述聚焦结构的光学基材层1下表面覆盖有图像阵列层4，图像阵列层4内分布设置有多个与聚焦单元对应的微型图文元件41。现有技术中“直显产品”显示图像阵列层4后的照片，如图15所示，而3D动态膜显示图像阵列层4后的照片，如图16所示，显然，带有表面封装层3的3D动态膜(封装产品)比现有技术中“直显产品”直显产品更清晰。通过对“直显产品”和“封装产品”进行性能测试，得出了具体的测试报告，具体见表1。

表1：直显产品和封装产品的性能比较表

项目指标	市售产品	封装产品
			雾度	97.2％	88.2％
光学透过率	60.7％	91.1％
			动态位移	≥0.6cm	≥1cm
滴水动态位移	效果消失	≥1cm

带有表面封装层3的3D动态膜可有效降低产品的雾度，提高光学透过率等技术指标，图像阵列层4的显示更加清晰。

请参阅图10，由于聚焦层2的表面被表面封装层3封装，使得产品的雾度降低，产品的光学透过率增加，周围环境发出的光线透过聚焦层2时，亮度不会受到影响，因此，图像阵列层4中微型图文元件41显示出的动态图文亮度更高，显示效果会更清晰。具体的莫尔放大-焦平面成像原理如图10所示。

请参阅图11，图像阵列层4内可以分布设置有多层高度不同的微型图文元件41，优选地，所述图像阵列层4内分布设置有两层高度不同的微型图文元件41，分别为上层微型图文元件42和下层微型图文元件43，上层微型图文元件42和下层微型图文元件43在水平方向上的位置对齐布置或错开布置。

如图12a所示，此时的微型图文元件41的边界呈正六边形，聚焦单元的基部形状为圆形；如图12b所示，此时的微型图文元件41的边界呈正方形，聚焦单元的基部形状为圆形；如图12c所示，此时的微型图文元件41的边界呈正三角形，聚焦单元的基部形状为圆形；如图12d所示，此时的微型图文元件41的边界呈正六边形，聚焦单元的基部形状为边角圆弧过渡的正六边形；如图12e所示，此时的微型图文元件41的边界呈正方形，聚焦单元的基部形状为边角圆弧过渡的正方形；如图12f所示，此时的微型图文元件41的边界呈正三角形，聚焦单元的基部形状为边角圆弧过渡的正三角形；如图12g所示，此时的微型图文元件41的边界呈正六边形，聚焦单元的基部形状为正六边形；如图12h所示，此时的微型图文元件41的边界呈正方形，聚焦单元的基部形状为正方形；如图12i所示，此时的微型图文元件41的边界呈正三角形，聚焦单元的基部形状为正三角形。

如图13-14所示，所述聚焦单元的基部形状采用圆形，聚焦单元的基部外圈分布设置有多个向上延伸的圆环凸部23，各个圆环凸部23的中心轴线和聚焦单元的中心轴线共线设置；所述圆环凸部23的外直径从下至上逐渐减小设置，圆环凸部23的厚度从下至上逐渐减小设置。

聚焦结构可以实现对静态图像的放大，实现景深/上浮等效果，并能实现多层图像的叠加。将聚焦单元和微型图文元件41的尺寸放大几百倍乃至几千倍，由几十微米提高到几厘米到几十厘米，不仅可以实现超大屏幕显示，而且能借助2D平面实现3D效果。

把静态图像转换为一个个显示单元(如小投影仪或显示屏幕等)，即每个显示单元(如小投影仪或显示屏幕等)对应一个聚焦单元，显示单元(如小投影仪或显示屏幕等)阵列对应透镜阵列，通过设计每个显示单元(如投影仪或显示屏幕等)的阵列分布，就可以将显示单元(如投影仪或显示屏幕等)同步播出的动态影像文件(电影/MTV等)通过焦平面成像来实现动态影像的放大，出现景深/上浮等3D效果。所谓的视频图像其实就是一桢祯静态图像的连续播放，只不过每帧之间播放时间需短于人眼反应时间(<0.04秒)。而3D效果其实就是景深/上浮/平面效果的一种综合体现，有了对比参照体系更容易体现出3D效果。

显示屏幕(比如LCD/OLED等)作为图像单元时，对于过于复杂的单元图像，可能经常会造成在一个聚焦单元(比如R为2厘米)内无法表现出复杂单元图像(图像溢出)的问题。可优选地，将复杂单元图像拆分成几个乃至十几个/几十个图像，用这些被拆分出来的图像作为图像单元在显示屏幕的不同位置经过焦平面放大成像，然后将这些显示屏幕上不同位置的放大图像做画面无缝拼接处理，即可解决图像溢出问题。

通过透镜阵列和投影/显示作为图文阵列，经过焦平面成像，不仅能形成超大显示屏幕，而且可以获得裸眼3D效果。轻薄化屏幕亦可通过用显示(如LCD/OLED等)作为单元图像阵列的特殊设计获得。并且，创造性的引入封装技术解决了聚焦单元尺寸大影响观看效果的问题。当透镜尺寸超过1厘米，那么肉眼非常容易识别。人眼对微小物体识别的极限尺寸是0.1mm(25mm距离直视)。如果屏幕上的透镜尺寸达到厘米级，观看者在观看放大图像的同时，也非常容易识别到单个透镜，影响观看效果。因此，带有表面封装层3的聚焦结构能够解决屏幕透镜尺寸影响观看效果的问题。

带有表面封装层3的聚焦结构由于表面透镜被树脂封装，雾度低，光学透过率高，在空气中看起来近似透明。

在本实用新型中，通过聚焦结构用于实现裸眼3D显示，具有如下优势：

1、无像素显示：显示精度取决于小投影仪或显示屏幕的单元图像精度，透镜阵列屏幕上没有像素，起到的只是放大效果，显示的只是小投影仪或显示屏幕图像放大后的像素；

2、真正实现了裸眼3D显示，而且没有眼/头晕等副作用(只是形成单个放大的影像/视频)；

3、屏幕可以近似无限大；

将透镜/封装透镜膜折成弯曲3D，结合小投影仪或显示屏幕，有机会实现真正的全息成像。

焦平面成像形成的动态膜在限定区域往往会形成多个放大影像，而动态视频则不需要在屏幕区域内形成多个放大视频影像，只需要形成一个即可。不同于静态图像动态膜防伪需求所要求的聚焦单元尺寸大多集中在80微米以内，动态视频要求的聚焦单元尺寸可以是厘米级，通过几百倍乃至几千倍的放大，可得到长宽均为几米，十几米乃至几十米的显示图像，远超目前主流显示(液晶LCD/有机电致发光OLED)所能达到的显示尺寸。

如图17所示，可设计实验如下：

将100个均匀的聚焦单元(直径2厘米)按照圆相切的阵列分布规律成型于光学基材层1上，聚焦单元上涂覆有表面封装层3，形成聚焦结构，通过照射平行光将每个聚焦单元的焦点51的位置确定在焦点定位层5上，然后在焦点定位层5上按照焦点51的位置贴附100个红色漏光字符“A”。“A”字符为透明红色，非“A”部分以黑色遮光。将贴有100个“A”的焦点定位层5先贴近聚焦结构的光学基材层1上，照射平行光，然后慢慢移动焦点定位层5，使之慢慢远离聚焦结构的光学基材层1，直至一个清晰的放大的“A”出现，如图10所示。通过设计“A”字符间的距离可以得到景深/上浮等3D效果。这种即是一种简易的投影装置。

实现裸眼3D显示的两种技术路线：

1、一种实现裸眼3D显示的方法，包括上述所述的聚焦结构，在聚焦结构的光学基材层下表面布置多个显示单元(如小投影仪或显示屏幕等)，每个独立的显示单元(如小投影仪或显示屏幕等)对应一个聚焦单元；所述聚焦单元的尺寸≥0.01cm。实现图像/视频文件的精准定位和精确同步播放，就可能实现动态图像/视频的精准聚焦；

2、一种实现裸眼3D显示的方法，包括上述所述的聚焦结构，采用一个或二三个大的显示(如投影仪或显示屏幕等)，将显示(如投影仪或显示屏幕等)播放的视频动态影像转化成数百或数千个单元影像，每个单元影像分别对应一个聚焦单元，因此单元影像均从同一投影仪或显示屏幕而来，因此不存在同步问题。景深效果的视频图像和正常的视频图像均需单独拍摄。为了实现景深和上浮效果，每个单元影像的中心轴线会与对应聚焦单元的中心轴线有一定的错位。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种聚焦结构，其特征在于：包括光学基材层(1)和聚焦层(2)，所述光学基材层(1)上表面分布有多个呈周期性排列或至少局部周期性排列的聚焦单元，多个聚焦单元排列组成聚焦层(2)。

2.根据权利要求1所述的一种聚焦结构，其特征在于：还包括表面封装层(3)，所述聚焦层(2)上表面覆盖有表面封装层(3)，当聚焦单元为凸面单元(21)时，表面封装层(3)形成与聚焦单元配合的凹面单元阵列层(31)，聚焦单元的折射率大于凹面单元阵列层(31)的折射率；当聚焦单元为凹面单元(22)时，表面封装层(3)形成与聚焦单元配合的凸面单元阵列层(32)；所述凸面单元阵列层(32)的折射率大于聚焦单元的折射率。

3.根据权利要求2所述的一种聚焦结构，其特征在于：多个所述的聚焦单元呈周期性排列，聚焦单元包括但不限于普通透镜、菲涅尔透镜或柱状光栅。

4.根据权利要求3所述的一种聚焦结构，其特征在于：所述聚焦单元的基部形状包括圆形、三角形、四边形、五边形或六边形。

5.根据权利要求3所述的一种聚焦结构，其特征在于：所述聚焦单元的基部形状采用边角圆弧过渡的三角形、边角圆弧过渡的四边形、边角圆弧过渡的五边形或边角圆弧过渡的六边形。

6.根据权利要求4所述的一种聚焦结构，其特征在于：所述聚焦单元采用菲涅尔透镜，聚焦单元的基部形状采用圆形，聚焦单元的基部外圈分布设置有多个向上延伸的圆环凸部(23)，各个圆环凸部(23)的中心轴线和聚焦单元的中心轴线共线设置。

7.根据权利要求6所述的一种聚焦结构，其特征在于：所述圆环凸部(23)的外直径从下至上逐渐减小设置，圆环凸部(23)的厚度从下至上逐渐减小设置。

8.根据权利要求2所述的一种聚焦结构，其特征在于：所述聚焦层(2)和表面封装层(3)之间的折射率差值大于或等于0.02。