CN102466884A - 一种基于微光学结构的动态显示技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微光学结构的动态显示技术，其特征在于：通过采用周期结构的显示微元件与周期结构的被显示图像相匹配使用，可以实现被显示图像单元的大倍率放大；同时，在不同的视角下，它利用微元件对图形不同的区域进行信息读取，当视角发生变化是可获得动态显示的光学效果。该技术可广泛应用商标、显示、防伪等方面，具有廉价、美观、轻便的优点。

Description

一种基于微光学结构的动态显示技术

所属技术领域

本发明涉及基于微光学结构的动态显示技术，采用微光学结构实现微缩图形的放大、显示。

背景技术

近年来，防伪、显示技术发展迅速，主要是以激光全息图为主，但这种技术已经半公开，防伪功能受到挑战。此外还有诸如水印防伪等技术也已经发展了很长时间，基本原理及实现方法也已经基本被大众所了解。迫切需要发展新的防伪技术。

为此人们提出了基于光学原理的放大显示防伪方法，这种方法的原理是：在正常照明条件下，人眼的极限分辨力为1分，在明视距离250mm条件下，人眼的极限分辨力为0.072mm。一般来说为使眼睛不疲劳，人眼的视角在4分左右，即可以分辨距离为0.3mm左右的两个点。在一般情况下，10×10个点刻组成简单图案，其大小约在4mm×4mm左右，其它细小的物体必须采用放大镜或显微镜进行放大才能看清其细微结构。对于小于该尺度的图案必须采用显微镜等辅助工具，这个观察带来很大不便。

在申请号为03123580.8的专利中，发明人提出了利用微透镜对微缩图像进行放大成像的显示防伪方法，有效地避免了上述问题；然而，上述专利要求被显示图形的单元要与微透镜单元口径相一致，以达到利用微透镜对微图形进行放大的目的；

本发明提出另外一种基于莫尔条纹的全新原理的微图形放大显示技术；不仅克服了上述专利中的问题，同时通过调整被显示图形与显示微元件的参数及相对位置还可以实现对放大倍率的调控。本发明通过对显示微元件类型、被显示图形的颜色进行选择和调制，可获得各种彩色的显示效果。

本发明的技术解决方案通过以下步骤完成：一种基于微光学结构的动态显示技术，其特征在于包括以下步骤：

1、它主要由被显示图像和显示微元件两部分组成；显示微元件平行放置于对被显示图像上方，实现对被显示图像的显示。

2、显示微元件可以为连续面形微透镜阵列、多台阶结构衍射型微透镜阵列、连续面形微柱透镜阵列、多台阶结构衍射型微柱透镜阵列。

3、组成显示微元件的微透镜或微柱镜可以具有相同的焦距，也可以具有不同的焦距。

4、被显示图像为周期结构，并由微缩图案单元阵列组成；被显示图像单元结构参数、显示微元件单元结构参数以及显示放大倍率之间存在如下关系：

$L=\frac{a}{\sqrt{a^2+b^2-2\mathrm{abCos}\left(\mathrm{\θ}\right)}}$

a为显示微元件周期，b为被显示图像周期，θ为被显示图像与显示微元件之间的夹角，L为显示放大倍率；

5、被显示图像的子单元可以在同一平面，形成平面被显示图像；也可以不再同一平面，形成立体被显示图像。被显示图像可以透明也可以不透明。

6、被显示微图像与显示微元件之间的间距h与显示微元件焦距F关系如下：

F/2≤h≤2F

7、被显示图像单元子孔径及显示微元件的单元子孔径可以为三角形、四边形、六边形及圆形等各种不同的形貌。

8、被显示图像单元内的图案可以采用打印和印刷的方式完成，也可以采用光子晶体或衍射微纳结构来形成需要的图案。

本发明的原理是：利用显示微元件对被显示图形进行采样，当人眼视角发生变化时，显示微元件将“提取”被显示图形不同区域的颜色信息，其它区域的信息随之被“过滤”，被提取信息经过人眼后，在视网膜进行成像。同时，采用不同焦距的微元件单元及非平面的被显示图形单元可以形成立体的图像。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、显示微元件与被显示图像阵列的组合方式多样，可产生多样化的显示效果；

2、通过调控显示微元件及被显示图像的结构参数及组合方式，可获得预期的不同放大倍率的显示效果；

3、不要求显示微元件单元与被显示图像单元子孔径和间距完全一致，无对准要求；因此，实现非常容易，成本低，易于产业化。

4、通过对显示微元件焦距、被显示图像高度进行调制可获得立体显示效果。

5、美观、实用、携带方便，可制作成薄片式结构，具有良好市场前景。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明实施例1制作的被显示图像示意图；

图3是本发明实施例1制作的显示微元件示意图；

图4是本发明的放大显示原理图；h为被显示图像与显示微元件之间的间距，a为显示微元件周期，b为被显示图像周期；

图5是本发明实施例1显示结果示意图；

图6是本发明实施例2制作的被显示图像示意图；

图7是本发明实施例2制作的显示微元件示意图；

图8是本发明实施例2显示结果示意图；

图9为采用不等焦距微元件及不等高度周期图像实现立体成像，

图中序号含义：1为显示微元件，2为被显示图像，3为5°视角显示光线走向示意效果(见图4中虚线)，4为10°视角显示光线走向示意效果(见图4中实线)，5为不等焦距微透镜阵列，6为子单元具有不同高度的被显示图像。P1，P2分别为不同高度的被显示图像子单元，P3，P4分别为P1，P2点经微透镜成的像点。

具体实施方式

实施例1，以对周期b＝200μm的被显示图形放大2倍，被显示图像与显示微元件之间的夹角θ＝0°为例，首先，选取微透镜阵列作为显示微元件，并由公式

计算可知，微透镜阵列周期a应该为400μm。其次，将制作完成的被显示图像放置于显示微元件——微透镜阵列的焦面处即可获得放大2倍的动态显示效果。图1是本发明结构示意图；图2为制作的被显示图像示意图；图3为制作的显示微元件示意图；本发明放大显示原理如图4所示：当视角为5°时，作为显示微元件的微透镜1对被显示图像2的Q2、Q4、Q6点信息进行提取，提取后的光学信息如图4中虚线所示，由于Q2、Q4、Q6点均为暗点，因此该信息以5°视角进入人眼后，人眼将感知该区域为暗效果；当视角为10°时，作为显示微元件的微透镜1对被显示图像2的Q1、Q3、Q5点的信息进行提取，提取后的光学信息如图4中实线所示，由于Q1、Q3、Q5点均为亮点，因此该信息以10°视角进入人眼后，人眼将感知该区域为亮效果；当视角变化时，该区域图像即发生动态变化。在被显示图像与显示微透镜均为周期图形，单元数量成百上千、且视角不变的情况下，将每个微透镜对被显示图像采样后获得的亮、暗图案进行依次组合，将形成放大的显示效果，见图5；

实施例2，对周期为100μm的“K”字结构放大10倍显示，排列方式为六边形且子孔径为六边形结构。

首先，选取二元微透镜阵列作为显示微元件，并由公式

计算可知，二元微透镜阵列周期a应该为1000/9μm。其次，设计能够形成“K”字图形的光子晶体结构，并将其制作完成，形成被显示图像；将光子晶体型的被显示图像放置于显示微元件——二元微透镜阵列的焦面处即可获得放大10倍的动态显示效果。图6是本发明实施例2制作的被显示图像示意图；图7是本发明实施例2制作的显示微元件示意图；图8是本发明实施例2显示结果示意图；

实施例3，实现尺度为100um×100um图案的立体、放大100倍显示；

首先将要显示的图案在一个平面内进行两维周期排列，形成被显示图像；其次，在θ＝0的情况下，根据公式

计算微透镜的周期和口径为10000/99um；第三，根据几何光学成像原理及每个单元立体显示的要求确定该处微透镜单元的焦距和调整被显示图像相应单元的高度；例如，要实现“跳出”出纸面1cm的效果，可使得该处微透镜的焦距小于微透镜与被显示图像单元之间的焦距；要实现“跳入”纸面1cm的效果，可使得该处微透镜的焦距大于微透镜与被显示图像单元之间的焦距；具体数值可采用光学透镜成像公式计算出；示意图见图9，P1，P2分别为不同高度的被显示图像子单元，P3，P4分别为P1，P2点成的像点。将设计完成的被显示图像放置于显示微元件下方相应的位置处，由于被显示图像不同子单元的高度和对应微透镜单元的焦距不同，因此成像点也将不在同一个平面内，综合所有单元的效果将形成立体的图像，并且该立体图像还将随着观察视角动态变化。

Claims (8)

1.它主要由被显示图像和显示微元件两部分组成；显示微元件平行放置于对被显示图像上方，实现对被显示图像的显示。

2.显示微元件可以为连续面形微透镜阵列、多台阶结构衍射型微透镜阵列、连续面形微柱透镜阵列、多台阶结构衍射型微柱透镜阵列。

3.组成显示微元件的微透镜单元或微柱镜单元可以具有相同的焦距，也可以具有不同的焦距。

4.被显示图像为周期结构，并由微缩图案单元阵列组成；被显示图像及显示微元件单元结构参数、以及显示放大倍率间满足：

a为显示微元件周期，b为被显示图像周期，θ为被显示图像与显示微元件之间的夹角，L为显示放大倍率。

5.被显示图像的子单元可以在同一平面，形成平面被显示图像；也可以不再同一平面，形成立体被显示图像。被显示图像可以透明也可以不透明。

6.被显示微图像与显示微元件之间的间距H与显示微元件焦距F关系如下：

F/2≤H≤2F。

7.被显示图像单元子孔径及显示微元件的单元子孔径可以为三角形、四边形、六边形及圆形等各种不同的形貌。

8.被显示图像单元内的图案可以采用打印和印刷的方式完成，也可以采用光子晶体或衍射微纳结构来形成需要的图案，显示微元件制作工艺包括微喷 绘、微压印、微光刻以及其它形式形成的微元件。 

Images