CN113119379B - 一种莫尔纹动态材料及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种莫尔纹动态材料及其制作方法，其中莫尔纹动态材料包括：柱透镜阵列和印刷图文阵列，柱透镜阵列包括多个一维依次排列的柱透镜，柱透镜包括本体部和凸出部，本体部为矩形，凸出部为弧形；印刷图文阵列位于柱透镜阵列的底面。本申请仅用单层材料即可展现莫尔纹的动态效应，突破传统设计中必须使用多层材料的局限性，且制作材料易获得，工艺流程简单，成本低，为未来更为广阔的应用前景提供便利条件。

Description

一种莫尔纹动态材料及其制作方法

技术领域

本发明属于光学和艺术学跨学科交叉融合的结果，具体而言，涉及一种莫尔纹动态材料及其制作方法。

背景技术

“莫尔效应”是一种重复性结构之间相互叠加所产生的现象，可以理解为“栅栏状条纹重叠下所产生的干涉影像”。通常情况下，“莫尔图案”由两层以上的线性光栅重叠产生，由于光栅重叠而产生干涉效应，因而呈现出与光栅层相比，周期被放大的线栅组合效果。“莫尔动态效应”是指，由于人眼的视觉局限(根据格式塔心理学的闭合法则)，我们的大脑能自动通过添加线段来补全不完整的图像，因而虽断裂但密集的图像会自动被识别为一个整体。由于线性光栅重叠后的交点足够密集，肉眼将其识别为连续且完整的图像，这也就产生了第三种可见纹样——莫尔纹，它伴随着基本图层位置关系的变化或人的视角转移而不断变化。

目前莫尔纹的应用通常在物理学领域，基于其对基本图层的微小位移、挤压和扭曲非常敏感的特性,在应变分析、度量学、测绘学、文档防伪与保护、信息加密、信息隐藏、光学水印等领域内均有广泛用途，主要通过微观纳米级的工艺来制备，技术难度很高。就宏观层面而言，莫尔纹在艺术与设计领域的应用案列极为有限，目前世界范围内出现的应用案例主要通过以下两种手段实现：①通过多层线栅的重叠，以实现莫尔动态效应②将线栅图层的重叠布局在三维空间中，从而呈现莫尔动态效应。以上两种方式都必须使用两层或两层以上材料的叠合才能满足莫尔纹的动态条件，这对于制作、加工以及场地的要求都有极大的限制，这也是导致目前莫尔纹极少被应用在设计领域的主要原因。

发明内容

本申请实施例提供了一种莫尔纹动态材料及其制作方法，仅用单层材料即可展现莫尔纹的动态效应，突破传统设计中必须使用多层材料的局限性，且制作材料易获得，工艺流程简单，成本低，将实现更为广阔的应用前景。

第一方面，本申请实施例提供了一种莫尔纹动态材料，包括：

柱透镜阵列和印刷图文阵列，所述柱透镜阵列包括多个一维依次排列的柱透镜，所述柱透镜包括本体部和凸出部，所述本体部为矩形，所述凸出部为弧形；所述印刷图文阵列位于所述柱透镜阵列的底面。

第二方面，本申请提供了一种莫尔纹动态材料制作方法，包括：

绘制柱透镜阵列模型；根据所述柱透镜阵列模型制作柱透镜阵列模具；利用所述模具，将制作柱透镜的材料压缩成型或注塑成型，得到柱透镜阵列板材；绘制图文阵列；以柱透镜阵列板材为基准，满足预设动效的前提下，修改所述图文阵列参数；在柱透镜阵列板材背面贴膜试印，进行校准测试；在柱透镜阵列板材背面印刷修改后的所述图文阵列。

本申请实施例莫尔纹动态材料及其制作方法具有如下有益效果：

本申请的莫尔纹动态材料包括：柱透镜阵列和印刷图文阵列，柱透镜阵列包括多个依次排列的柱透镜，柱透镜包括本体部和凸出部，本体部为矩形，凸出部为弧形；印刷图文阵列位于柱透镜阵列的底面。本申请仅用单层材料即可展现莫尔纹的动态效应，突破了传统设计中必须使用多层材料的局限性，且制作材料易获得，工艺流程简单，成本低，将实现更为广阔的应用前景。

附图说明

图1-1为本申请莫尔纹动态材料立体结构示意图；

图1-2为本申请莫尔纹动态材料侧视图；

图1-3为本申请莫尔纹动态材料成像原理图；

图2-1为Design Science策略下的线性莫尔纹形式要素分析与合成研究框架图；

图2-2为直线栅基本线栅图形；

图2-3为利用坐标轴法控制周期与粗细相同，自变量为单元弧度而输出的不同形态的曲线示例图；

图2-4为发明人探索绘制的基础曲线以及某种曲线的部分组合方式示意图；

图2-5为发明人绘制的20种环线栅基础线栅；

图2-6为影响莫尔纹生成机制的主要因素；

图2-7为发明人研究所得的不同类型莫尔纹的合成机制；

图2-8为直线栅莫尔纹形态变化规律实验过程示意图；

图2-9-1为曲线栅莫尔纹形态变化规律实验过程示意图一；

图2-9-2为曲线栅莫尔纹形态变化规律实验过程示意图二；

图2-10为环线栅莫尔纹形态变化规律实验过程示意图；

图2-11为莫尔纹前期形态变化研究3000+种图案汇总表节选；

图3-1为空间占比率示意图；

图3-2为平移变化与周期放大基础原理示意图；

图3-3为旋转变化基础原理示意图；

图4为莫尔纹动态材料制作方法示意图；

图5-1为莫尔纹动态材料动态效果分析原理图；

图5-2为验证试验的基层一维图像；

图6-1为发明人设计的一系列基层曲线栅纹样；

图6-2为将柱透镜置于计算机显示屏上的模拟莫尔纹生成效果图；

图6-3为UV对准印刷后的莫尔材料样品效果；

图6-4为具象型莫尔纹样动效示意图一；

图6-5为具象型莫尔纹样动效示意图二；

图6-6具象型莫尔纹样动效示意图三；

图6-7颜色渐变动效示意图一；

图6-8颜色渐变动效示意图二；

图6-9颜色混色渐变动效示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请进行进一步的介绍。

本发明用时四年，前两年致力于从美学角度出发探索规则型莫尔纹动态变化背后的科学原理与形式规律，在可视化的基础上对规则型莫尔纹的变化规律进行梳理，以控制其视效和视态。最终总结提炼出33种莫尔纹生成机制与3600多种莫尔图样。在此基础上，开始思考如何仅用单层材料即可展现莫尔纹的动态效应，突破其传统多层材料的局限性，以便未来有更为广阔的应用前景。

本发明最终实现了仅用单层材料展现莫尔纹动态和立体效应的创新，该莫尔动态材料可利用在室内空间墙壁、隔断、橱窗、家具、灯饰、展览展示等众多领域，且莫尔纹的形态具有无限的变化，极为多元，设计上也极具包容性，可适用于家庭、商场、餐饮、办公等等不同的情境。更为重要的是，莫尔纹的动态效应是发生在与观众互动的过程中，巧妙利用了人的视知觉短板和相对运动的原理，无需任何电子元件或者任何其他媒介的参与，就可以动态显示图案，可以被看做是一种特殊的资源节约型交互，这将以可持续的方式赋能商业创新，使产品设计中的材料从单一的物理存在扩展成“交互性材料体验”，创造在不同的视角下变化的材料颜色、纹理与折射率，避免了传统多层颜色涂料招致的环境污染，利用柱透镜与色块的组合形成全新的迷幻多变的色彩。创造了一种在视觉和功能上都有意义的新的“材料表达”。提出了一种人、空间与物体的全新交互关系，发掘动态视效的无限潜力。

本发明结合压缩成型技术和UV印刷技术，将特定参数的一维柱透镜阵列(揭示层)和图文阵列(基层)进行组合，从而研发出具有莫尔纹动态效应的材料。结合前两年莫尔纹图案库的实验结果，本发明对莫尔成像中的多种视觉效果作了分析。该材料的动态效果可分为以下三大类：①色彩渐变动效；②抽象型纹样动效；③具象型(文字、图形)纹样动效。要实现动态效果，与一维柱透镜阵列的周期、厚度与折射率，以及揭示层与基层的周期比例相关，随着观察视角的变化，莫尔图案会因采样点的变化而发生移动。本发明对不同揭示层与基层参数组合关系进行对照试验与量化分析，对该莫尔材料的动态变化效果进行比较研究与公式推导，最终得出优秀动效的揭示层与基层的组合参数。

如图2-1所示，在对线栅莫尔纹形态多样性与变化规律的研究时，采用DesignScience的研究策略，本质是“解构与建构”的思维模型，将实物不断拆解至能构成其自身的最小单元实体，秉持simple的设计原则。就规则型线栅莫尔纹而言，研究的原点是直线栅莫尔纹，拆解至最小的可视单元是直线段，要对莫尔纹的形式变化规律展开分析，那么首先要对构成莫尔纹的最小单元也就是单元线段的构成要素与变化类型展开分析，从美学角度出发将单元线段的形态进行扩充，将其归纳为三大类型：直线段、曲线段与环，并在此基础上开展单层线栅构成要素的分析。

在完成解构之后，进入建构的环节，在设计中，首先根据三大类线栅的不同要素组合方式得到多样化的单层线栅(基层)，再通过线栅的不同合成机制(揭示层)对线栅进行组合(主要考虑的影响合成机制的要素有基层线栅的种类、重叠层级的数量、基层或揭示层线栅的变化、揭示层的运动方式等)。通过以上解构与建构的研究策略，最终输出了3000多种不同形态的莫尔纹。

如图2-2所示，通过Design Science的研究策略，在第一分析阶段将规则型线栅莫尔纹进行解构、扩展和聚类分析，可将其分为直线栅莫尔纹，曲线栅莫尔纹和环线栅莫尔纹。直线栅的变化要素有Thickness Scale(T)、Distance(D)与Angle(A)。根据这3种要素，发明人绘制出8种基本线栅图形。这8种线栅分别为等距等粗平行线栅HL.1、等距等粗斜向平行线栅HL.2、等距等粗斜向平行线栅HL.3、粗细渐次平行线栅HL.4(由细到粗)、粗细渐次平行线栅HL.5(由粗到细)、疏密渐次平行线栅HL.6(由疏到密)、疏密渐次平行线栅HL.7(由密到疏)和倾斜角为75°的斜直线栅OL.1。

如图2-3、2-4所示，第二类曲线栅的控制因素除了线的排布周期、粗细外，还有单元弧度，这里采用坐标轴法控制单元弧度，也就是横轴(Horizon Scale)与纵轴(VerticalScale)的比值。发明人筛选了利用坐标轴法控制周期与粗细相同，自变量为单元弧度而输出的不同形态的曲线示例。由于曲线分类极广，比如贝塞尔曲线、抛物线、双曲线、圆曲线、螺旋线等等，形态变化可谓无穷无尽。所以目前的研究仅就部分形态的基础曲线栅展开。

第三类环线栅的变化要素有Horizon Scale(HS)，Vertical Scale(VS)，Distance(D)，Centre Shape(C)和Thickness Scale(T)。以此为基准发明人绘制了20种基础线栅，如图5所示。

在解构的基础上，可以获取大量满足莫尔纹生成要求的不同形态的基层线栅，尤以曲线栅形态最为多样。建构莫尔纹的过程主要是要考虑揭示层线栅的变体(等比缩放、非等比缩放、镜像、旋转等)以及基层与揭示层的位置关系(平移与旋转)，如图所示的符号表大致展示了目前研究所得的影响莫尔纹生成机制的主要因素(图2-6)。图(2-7)中提炼展示了目前研究所得的不同类型莫尔纹的合成机制。图2-8至图2-10节选了三类线栅的实验过程，图2-11节选自最终建构的3000多种莫尔图案库。

二维规则型线栅莫尔纹变化规律的基础性研究

空间占比率

如图3-1所示，a、b、c三图，黑色部分的占空值用t表示，一个完整周期用T表示，则图中黑色部分的空间占比率为t/T,所以a图的黑色占空比为0.25，b图为0.5，c图为0.75。图d、e、f对应a、b、c三图的反射率(Reflectance)，在(0，1)的变化区间内，越接近1，反射率越高，对应的图像白色面积越大；反之，越接近0，反射率越低，表示光全部都被吸收了，对应的图像白色面积越小，黑色面积越大，呈现的莫尔纹也越清晰。通过分析比较a、b、c三图与其对应的反射率图谱d、e、f可知，在显著出现莫尔纹的地方对应的反射率会显著下降，降为0。所以当黑线太细，即黑线的空间占比率太低时，不容易出现显著的莫尔纹，如a图。所以设计时，必须要将黑色色线的空间占比率考虑在内。通过实验研究发现，黑色色线的空间占比率为0.5-0.75时，效果显著。(当黑色色线替换为其他色线时，伴随其空间占比率降低，出现莫尔纹的地方反射率也显著下降，呈现出类似的规律。)

平移变化与周期放大基础原理

通过大量实验发现，当某类线栅可以解构为单条线的重复时，控制相互叠加的线栅层的粗细与角度完全相同，自变量仅为周期，此时做平行叠加，会出现新的周期性摩尔纹且摩尔纹的周期为相互重叠的两个线栅周期的最小公倍数(一个周期内可能出现多条摩尔纹)。如图3-2所示，λ1＝1mm，λ2＝1.1mm，λnew＝11mm，λsum＝LCM(1,1.1)＝11mm。当直线段替换为曲线段时，呈现出类似的规律。

如图3-3所示，在确定直线栅层的粗细与周期后，发明人将两层线栅进行夹角为θ的平行叠加，则仅有当θ在(0°，45°)范围取值时，才会生成清晰的莫尔纹，此时生成莫尔纹的角度为(180°-θ)/2。以上直线栅的变化规律结论还可推广至曲线线栅中。在曲线栅中，产生莫尔纹的单条方向为该点曲线的切线方向，整体走势为这些曲线的交点的连线方向。

如图1-1至1-3所示，本申请莫尔纹动态材料包括：柱透镜阵列4和印刷图文阵列3，所述柱透镜阵列4包括多个依次排列的一维柱透镜，所述柱透镜包括本体部2和凸出部1，所述本体部2为矩形，所述凸出部1为弧形；所述印刷图文阵列3位于所述柱透镜阵列4的底面。图a为该结构成像原理图，图b为该结构分解图。其中，涉及的可控参数主要有柱透镜的垂度s，垂度s是指柱透镜顶点A距离柱透镜底端水平面的垂直高度，厚度d，厚度d是指柱透镜厚度，柱透镜周期T和印刷图文阵列的周期t。

如图4所示，整个流程中，选择聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为原材料制作，原因有以下几点：①PMMA作为开发较早的重要可塑性高分子材料，与其他透明材料相比，具有无与伦比的高透性、化学稳定性和耐候性②具有很强的韧性，不易破损，修复性强，易清洁(软泡沫蘸点牙膏就可以擦拭一新)，具有长久的耐用性③工艺简单、生产成本低、易加工、易染色、生产效率高、可批量④环保可回收，可循环使用，不会带来环境污染。

整个流程的主要工艺为PMMA的压缩成型与双面对准UV印刷工艺。其中，压缩成型主要分为3个阶段。阶段1，将一定量的PMMA装入下模的模腔中。在装载之前，预制的材料需要在加热室中经受大约100℃高温，以缩短生产加工周期和提高成型质量。阶段2，上半部分模具逐渐进入模具腔体，并保持稳定。确保材料在整个模腔内均匀分布。材料在约115℃时塑化，在150℃时固化，这需要约2分钟。阶段3，模具的两个半模依次分开，成品由顶杆从下面的模具中顶出。脱模后还需要进行后处理，塑件的后处理主要是指退火处理，其主要作用是消除内应力，提高塑件尺寸的稳定性，减少塑件的变形与开裂。压缩成形具有生产成本低且无原料浪费的优点。

本申请中，将制作柱透镜的材料注塑成型，包括：填充阶段：在确保干燥的前提下，将聚合物颗粒送入料斗，加入色母，稀释比例为0.5％～5％；将材料加入料筒中，同时通过蜗杆的旋转推送动作推入加热，混合物料并向模具顶端移动；将熔融的聚合物保持一定的压力并注入模腔内，在确定的压力条件下，一定时间内依据不同的零件尺寸完成聚合物的固化反应，持续30～60秒。保压阶段：保持注射后夹紧压力，保压过程是为了防止零件弹出后的翘曲和收缩。冷却阶段：该阶段占整个注塑成型阶段的70％～80％，由熔体进入模具的热量大体分两部分散发，一部分有5％经辐射、对流传递到大气中，其余95％从熔体传导到模具。塑料制品在模具中由于冷却水管的作用，热量由模腔中的塑料通过热传导经模架传至冷却水管，再通过热对流被冷却液带走。少数未被冷却水带走的热量则继续在模具中传导，至接触外界后散溢于空气中。脱模阶段：为了弹出零件，模具分开，芯体收缩并由顶杆施加作用力以将零件与模具表面分离。该零件被自动化手臂分配到传送带或放置在容器上。

下表为柱透镜的材料以及对应的制作工艺，例如柱透镜的材料为PE(聚乙烯)时，对应的制作工艺为热压/注塑和印刷，柱透镜材料为PC(聚碳酸酯)时，对应的制作工艺为热压/注塑和印刷，柱透镜的材料为PVC(聚氯乙烯)时，对应的制作工艺为热压/注塑和印刷。

因不同周期与厚度的亚克力柱透镜板与图文阵列结合后，成像效果和动态效果均不相同。所以通过压缩成型工艺制作了相同垂度(2mm)，不同厚度与周期的亚克力柱透镜板，分别为：周期为2mm，厚度为2mm、3mm和5mm的柱透镜板；周期为4mm，厚度为2mm、3mm、5mm、7.5mm和10mm的柱透镜板；以及周期为7.5mm，厚度为3mm、5mm和7.5mm的柱透镜板。通过大量实验得出周期为4mm，厚度为5～10mm的柱透镜亚克力板宜作为揭示层的结论。在此基础上，选取了周期为4mm，厚度为5mm的柱透镜亚克力板对生成纹样的形态与颜色进行逐一对比实验。通过实验筛选出动效结果理想的尺寸组合后，进入正式UV印刷阶段。这一过程中最重要的是正式印刷前期的对位校准贴膜实验，即正式印刷前必须在柱透镜亚克力板材背面贴膜试印，以确保基层与揭示层的图文阵列对位准确，呈现完美的动态图文形态与效果。

如图5-1所示，在动效测量实验中，所采用的实验方法为：双目持续注视某定点并以此为参考点，随后匀速平行移动头部，此时莫尔纹也将产生移动的视觉效果，测量莫尔纹移动的距离，从而计算莫尔纹移动的速度，分析动态效果。

图5-1中，设揭示层一维柱透镜阵列周期为T，基层图文阵列为t，柱透镜总高度为d(垂度与厚度之和)，人眼所在位置的水平线距离柱透镜的垂直高度为h。eye指代测试开始时人眼所在位置，此时根据目视光学***的性质，可知人眼对图像形成张角，即可以观测到一定距离中所有图像。设此时人眼与参考点之间的光路为图中绿色标出的光路图，而选取的参考点即为绿色点A。绿色光路在接触到柱透镜上表面时发生了折射现象，此时设出射角为θ1，入射角为θ1’，则根据折射定律有：

n1*sin(θ1)＝n2*sin(θ1’)，其中，n1与n2分别为空气与亚克力一维柱透镜阵列的折射率，n1＝1，n2＝1.49。随后人眼平行移动x1的距离至eye’位置，此时设出射角为θ2，入射角为θ₂’，参考点为红色点B，则A与B之间的距离x2可表示为：X2＝d*tan(θ₁)*(θ₂’-θ₁’)，同时人眼移动的距离x1可表示为：X1＝h*tan(θ₁)*(θ₂-θ₁)。在控制变量的情况下，假设人眼处于明视距离，仅仅改变亚克力板的厚度d，其他条件均不变，有：X1/X2正比于1/d，即，当摩尔纹图案相对移动过同距离时，人眼的移动距离将随着亚克力板的厚度d的增大而减小。用视觉效果相关词语解释，即为“厚度越厚，视效越明显，图像看上去动的越快”。

需要注意的是，以上公式推导仅限于“一阶莫尔纹”的情况。所谓“一阶莫尔纹”，是指基层图案周期t小于或与揭示层柱透镜周期T相近的情况。而在基层图案周期t接近揭示层柱透镜周期T的两倍或以上时，所产生的莫尔纹被称作“高阶莫尔纹”，从光学角度可以大概解释为有两个甚至多个柱透镜对应一个周期的图案，在此状态下，以上公式将不再适用，此时两条甚至多条一阶莫尔纹将会产生混叠效果，视觉效果与单独的一阶莫尔纹不同。

动效公式验证与优秀动效推导：基于以上推导的公式，发明人开展了验证实验。采用保持亚克力柱透镜板静止，记录保持相同的位移速度的状态下，人眼观察生成的莫尔纹运动5mm所需要的时间，时间越长则动效越慢，反之则越快。这里进行了7组实验，每组实验都控制基层一维图像阵列周期相同(如图5-2：1mm～8mm)，以及柱透镜的垂度相同，均为2mm。(垂度指面的垂直高度)

同时比较周期为2mm，厚度为2mm、3mm和5mm的亚克力条纹版；周期为4mm，厚度为2mm、3mm、5mm、7.5mm和10mm的亚克力条纹版；以及周期为7.5mm，厚度为3mm、5mm和7.5mm的亚克力条纹版对于莫尔纹的成像效果和人眼观察到的运动效果。实验所得表格数据记录如下：

参数(以下所选柱透镜垂度相等，均为2mm)：①图像阵列周期：t/mm；②亚克力柱透镜阵列周期：T/mm；③柱透镜厚度：d/mm；④生成图像的新周期：Tnew/mm；⑤动态效果(Motion Effect)，即保持相同运动速率下，人眼观测图像位移固定周期5mm所用的时间：ME/s。

分析:

当t＝1，T＝2(t<T)或4(t<T)时，伴随d的增加，ME呈下降趋势；T＝7.5时，无明显莫尔纹产生；当t＝2，T＝2(t＝T)或4(t<T)时，伴随d的增加，ME呈下降趋势；T＝7.5时，无明显莫尔纹产生；当t＝3，T＝2(t＝1.5*T)或4(t<T)时，伴随d的增加，ME呈下降趋势；T＝7.5时，无明显莫尔纹产生；当t＝4，T＝2(t＝2*T)，伴随d的增加，ME呈现先下降至无明显的莫尔纹产生的趋势；4(t＝T)时，ME呈下降趋势；T＝7.5时，无明显莫尔纹产生；当t＝5,T＝2(t>2*T)时，伴随d的增加，ME呈现先下降再上升趋势；T＝4(t＝1.25*T)时，伴随d的增加，ME呈下降趋势；T＝7.5时，无明显莫尔纹产生；当t＝6,T＝2(t>2*T)时，伴随d的增加，ME呈现先下降再上升趋势；T＝4(t＝1.5*T)时，伴随d的增加，ME呈下降趋势；T＝7.5时，无明显莫尔纹产生；当t＝8，T＝2或4(t>＝2*T)时，伴随d的增加，ME呈现先下降再上升趋势；T＝7.5时，无明显莫尔纹产生；

实验结论：以上7组动效实验进一步验证了所得公式的准确性。基层图案周期t小于或与揭示层柱透镜周期T相近时，即生成“一阶莫尔纹”时，若其他各项参数不变，则伴随着柱透镜厚度的增加，人眼所观测到的莫尔纹动效也越明显(如图表格中的橙色部分为符合公式结论的数据)；而当生成“高阶莫尔纹”(即基层图案周期t接近揭示层柱透镜周期T的两倍或以上)的情况时，莫尔纹将产生边缘重叠，视觉效果更为复杂，因此有可能出现相逆的数据，即莫尔纹在视觉上甚至会出现反向移动的特殊效果。就产生莫尔纹的形态而言，发明人在实验中通过对“一阶莫尔纹”与“高阶莫尔纹”形态的比对，发现“一阶莫尔纹”变化规律显著，成像完整且美观；而“高阶莫尔纹”无明显规律，视觉形态变得扭曲，边缘发生重叠，甚至出现了部分图案损失的情况。因此，莫尔动态材料的图案设计主要会以“一阶莫尔纹”的生成规律展开，以保障最终动态效果的稳定性与美观性。

同时发明人在实验中发现，由于柱透镜本身的成像性质，此处设计的新型一体式装置与普通线栅图叠加生成的莫尔纹有所不同，构成揭示层的一维柱透镜阵列的周期需要满足一定的条件才能产生稳定可见的莫尔纹，当选用的一维柱透镜垂度为2mm时，若其周期过大(实验中显示超过7.5mm时即可判定为周期过大)时，人眼并不能观测到稳定显著的莫尔纹。经过对照实验，发明人认为周期为4mm，柱透镜厚度为5～10mm，垂度为2mm的柱透镜亚克力板具有成像稳定，莫尔纹清晰，动效稳定可控，适宜人眼观测等诸多优点，宜被采用作为莫尔动态材料的揭示层。

莫尔材料动态效果形态与类型分析：基于以上实验结果，以下对于动态纹样的探索都是以垂度为2mm，周期为4mm，厚度为5mm的亚克力柱透镜作为揭示层，通过改变基层图案的形态来研究莫尔动态材料的多样性与丰富性。

抽象型纹样动效：基于前期2年对线栅莫尔纹形态的研究基础，发明人设计了若干种抽象型纹样，同时为了配合一维柱透镜阵列的揭示层，因此所设计的基层纹样主要围绕直线栅与曲线栅展开，以满足莫尔纹生成的条件(具有近似的曲率)。抽象型纹样纷繁而多样，不胜枚举，此处以抽象型水波纹样为例，阐述实验的过程。如图6-1为设计的一系列形态相近，但周期，倾斜角，尺寸大小不同的基层曲线栅纹样。如图6-2为在图6-1基础上将柱透镜置于计算机显示屏上的模拟莫尔纹生成效果图。图6-3为UV对准印刷后的莫尔材料样品效果。

实验表明，哪怕同一种形态的莫尔纹，改变其周期和色彩，也会呈现不同的动态效果，并无优劣之分，可根据目标用户、坏境等因素，加以考量后选取最优组合。

具象型(文字、图形)纹样动效：具象型莫尔纹样动效是在直线栅平行叠加的“放大效应原理”基础上建构的，如图6-4所示，基层a由周期性重复的带状光栅构成，每一条光栅带都由纵向压缩的图案组成；揭示层b是由等距等粗的水平平行直线栅构成。其中必须满足揭示层b的周期应略大于或略小于基层a的周期，这同样是利用了人眼的闭合性法则，揭示层的黑色栅格以相同的栅距遮住了基层a，图层a中未被遮住的部分人眼便连起来识别为连续的图案。如图6-5，随机选取某个汉字“喜”作为图文阵列的单元对象，随后设计了揭示层周期与基层周期的不同配比关系以比较柱透镜成像效果。6-5的实验表明，在一个莫尔周期内，当基层阵列的数目比揭示层阵列的数目多1个时，会呈现双目正对图像，生成一个完整图像的效果。如图6-6，以6-5的结论为基础，设置好相应参数，当从不同视角观看时，会呈现出动态表情的效果。

颜色渐变动效：莫尔动态材料的颜色渐变效果是基于以上动态效果进一步发展而来的。莫尔纹样将伴随视角的移动而发生变化，这是由于视角的移动导致揭示层相对于图案的采样点发生变化，在原理上可以理解为发生了相对位移。而显示的莫尔图案是由于揭示层对基层图案大量采样叠加的效果，具体而言，如果揭示层与基层在一个莫尔周期内的数目正好相差一个，就会导致在一个莫尔周期内，没有两个揭示层与基层对应位置相同。每相邻的结构相对位置都会发生略微的偏移。即采样点在不断的移动。在一个莫尔周期内，实现揭示层对基层的全部采样，采样的结果就是显示放大的莫尔图案像。如果选择适当的参数，将基层两种图案以颜色渐变的占空比融合，如图6-7，实验发现在一个莫尔周期内，基层阵列的数目比揭示层阵列的数目多1个时(红色框)，伴随视角的移动，显示的莫尔图案颜色会发生从一个颜色到另一个颜色渐变的效果。图6-8为视角从右向左移动时，图6-7红色框中渐变效果的呈现状态。

颜色混色渐变动效：以上实验可知，对于一阶莫尔效应，显示的莫尔像为放大的蓝黄连接带。而对于高阶莫尔，显示的莫尔图案并非如此。如图6-9所示，经过实际测试，显示的莫尔图案第一个蓝黄连接带的黄色部分会与第二个蓝黄连接带的蓝色部分重叠，因此在视觉中产生混色效应，根据印刷混色(CMYK)的色卡，混合色为蓝色和黄色中间的过度色，即绿色区域，且实验发现，莫尔纹的阶数越高，成像效果越接近混合色，初始的蓝黄两色会逐渐消失。

以上仅列举介绍本发明的优选实施例，并不用于限制本发明的任意部分，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种莫尔纹动态材料，其特征在于，包括：柱透镜阵列和印刷图文阵列，所述柱透镜阵列为一维多个依次排列的柱透镜，所述柱透镜包括本体部和凸出部，所述本体部为矩形，所述凸出部为弧形；所述印刷图文阵列位于所述柱透镜阵列的底面；

基层印刷图文阵列的图案周期t小于柱透镜周期T；

当摩尔纹图案相对移动过同距离时，人眼的移动距离将随着亚克力板的厚度d的增大而减小；

基层印刷图文阵列由周期性重复的带状光栅构成，每一条光栅带都包括纵向压缩的图案；

所述柱透镜的周期为4mm，厚度为5-10mm，垂度为2mm；

所述柱透镜的材料为PMMA、PE、PC、PVC、PS、PU、TPU、TPE或者ABS；

制作所述莫尔纹动态材料的方法包括：

绘制柱透镜阵列模型；

根据所述柱透镜阵列模型制作柱透镜阵列模具；

利用所述模具，将制作柱透镜的材料压缩成型或注塑成型，得到柱透镜阵列板材；

绘制图文阵列；

以柱透镜阵列板材为基准，满足预设动效的前提下，修改所述图文阵列参数；

在柱透镜阵列板材背面贴膜试印，进行校准测试；

在柱透镜阵列板材背面印刷修改后的所述图文阵列。

2.根据权利要求1所述莫尔纹动态材料，其特征在于，所述柱透镜为亚克力柱透镜。

3.根据权利要求1或2所述莫尔纹动态材料，其特征在于，所述印刷图文阵列为UV印刷图文阵列。

4.根据权利要求1或2所述莫尔纹动态材料，其特征在于，所述柱透镜的厚度与人眼所观测到的莫尔纹动效成正比。

5.根据权利要求1所述莫尔纹动态材料，其特征在于，将制作柱透镜的材料压缩成型，包括：

将预设量的制作柱透镜的材料装入下模的模腔中，在装载之前，预制的材料需要在加热室中经受100°C高温；

上半部分模具逐渐进入模具腔体，并保持稳定；确保材料在整个模腔内均匀分布；材料在115°C时塑化，在150°C时固化；

模具的两个半模依次分开，成品由顶杆从下面的模具中顶出;

脱模后还需要进行后处理，塑件的后处理包括退火处理。

6.根据权利要求1所述莫尔纹动态材料，其特征在于，将制作柱透镜的材料注塑成型，包括：

填充阶段：在确保干燥的前提下，将聚合物颗粒送入料斗，加入色母，稀释比例为0.5%-5%；将材料加入料筒中，同时通过蜗杆的旋转推送动作推入加热，混合物料并向模具顶端移动；将熔融的聚合物保持一定的压力并注入模腔内，在确定的压力条件下，一定时间内依据不同的零件尺寸完成聚合物的固化反应，持续30-60秒；

保压阶段：保持注射后夹紧压力；

冷却阶段：该阶段占整个注塑成型阶段的70%-80%，由熔体进入模具的热量分两部分散发，一部分有5%经辐射、对流传递到大气中，其余95%从熔体传导到模具；塑料制品在模具中由于冷却水管的作用，热量由模腔中的塑料通过热传导经模架传至冷却水管，再通过热对流被冷却液带走；未被冷却水带走的热量则继续在模具中传导，至接触外界后散溢于空气中；

脱模阶段：为了弹出零件，模具分开，芯体收缩并由顶杆施加作用力以将零件与模具表面分离；该零件被自动化手臂分配到传送带或放置在容器上。

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