CN116338976A - 一种相位调制莫尔成像器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种相位调制莫尔成像器件，包括间隔层，其具有相对设置的第一表面和第二表面；透射单元，其设置在所述第一表面，所述透射单元包括第一微聚焦单元，所述第一微聚焦单元包括多个第一微聚焦元件；反射单元，其设置在所述第二表面，所述反射单元包括第二微聚焦单元，多个所述第一微聚焦元件在所述间隔层的投影与多个所述第二微聚焦元件在所述间隔层的投影具有相对偏移，所述第二微聚焦元件的表面设有反射层，图文信息编码于所述反射层。本发明在制造过程中无需微聚焦元件阵列和图文阵列的精确对位，对于透射单元和反射单元之间的对位要求降低，从而降低了制作难度以及生产成本，本发明在立体成像、视觉防伪等领域具有应用价值及前景。
Description
技术领域
本发明涉及微光学成像技术领域，尤其是指一种相位调制莫尔成像器件。
背景技术
三维显示技术使用光学等多种技术手段来模拟实现人眼的立体视觉特性，将目标物体的三维信息再现出来，呈现出具有纵深感的三维图像。三维显示技术主要分为助视三维显示与裸眼三维显示。助视三维显示需要佩戴眼镜、头盔等辅助工具观看到三维效果，给观察者带来不便。裸眼三维显示无需借助其他辅助设备就能实现三维显示效果。裸眼三维显示技术主要有体三维显示技术、全息显示技术、光场显示技术。体三维显示占据真实的三维空间，利用人眼的视觉暂留特性，重构具有真实深度的三维图像。但是三维显示再现的三维图像都是透明的，不能表达物体的遮挡关系。
现有技术中的莫尔成像器件，其位于透明基底两侧的微透镜阵列和微图文阵列必须实现精准对位。在中国发明专利“一种反射式成像薄膜”(授权号：202110983747.3)中公开了一种反射式成像薄膜，其微图文层内的微图文阵列单元由虚拟物体经过反射式聚焦单元阵列投影成像获得。为了再现虚拟物体，微图文阵列必须与微透镜阵列严格对准，否则再现图像就会扭曲变形。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的不足，提供一种相位调制莫尔成像器件，无需投射单元和反射单元的精准对位，利用人眼对不同灰度图像的识别形成具有立体感的图像，降低了制作难度以及生产成本，并且裸眼可视，观测到的图像能够随视角变化而变化。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种相位调制莫尔成像器件，包括，
间隔层，其具有相对设置的第一表面和第二表面，入射光由所述第一表面射入，经过第二表面射出，经过反射后，由第二表面入射，再由所述第一表面射出；
透射单元，其设置在所述第一表面，所述透射单元包括第一微聚焦单元，所述第一微聚焦单元包括多个第一微聚焦元件；
反射单元，其设置在所述第二表面，所述反射单元包括第二微聚焦单元，所述第二微聚焦单元包括多个第二微聚焦元件，多个所述第一微聚焦元件在所述间隔层的投影与多个所述第二微聚焦元件在所述间隔层的投影具有相对偏移，所述第二微聚焦元件的表面设有反射层，图文信息编码于所述多个所述第二微聚焦元件；
通过所述透射单元观测所述图文信息，获得随视角变化而变化的具有立体感的物体影像。
优选地，所述第一微聚焦元件和第二微聚焦元件包括线状微聚焦元件，多个所述第一微聚焦元件呈阵列排布，多个所述第二微聚焦元件呈阵列排布。
优选地，所述线状微聚焦元件包括一维直线柱面透镜或者一维Fresnel柱面透镜。
优选地，所述第一微聚焦元件在所述间隔层的投影的长宽比大于5:1，所述第二微聚焦元件在所述间隔层的投影的长宽比大于5:1。
优选地，所述第一微聚焦元件和第二微聚焦元件包括二维微聚焦元件，多个所述第一微聚焦元件的排列方式包括二维周期型、非周期型、随机型及他们的组合。
优选地，所述二维微聚焦元件包括圆包型微透镜。
优选地，所述第一微聚焦元件和第二微聚焦元件在间隔层的投影为直径比小于2：1的圆形。
优选地，所述间隔层的厚度在第一微聚焦元件的焦距与第二反射微聚焦元件的焦距之和的±30％以内。
优选地，所述间隔层包括多个复合而成的层结构，所述层结构的材质包括PMMA和PET、PMMA、或PET、PMMA、PC、PI、PE、玻璃中的至少两种。
优选地，所述反射层包括金属或非金属材料的光学薄膜，所述反射层的厚度为20nm至100nm。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的一种相位调制莫尔成像器件，通过设置间隔层、透射单元以及反射单元，所述透射单元和反射单元分别设置在所述间隔层的第一表面和第二表面，所述透射单元包括第一微聚焦元件单元，所述反射单元包括第二微聚焦元件单元，需要注意的是，所述第一微聚焦元件单元在所述间隔层的投影相对于所述第二微聚焦单元在所述间隔层的投影，具有位置偏移或相位差，从而通过所述透射单元观测位于所述反射层的图文信息，能够获得随视角变化而变化的具有立体感的物体影像，本发明所述的相位调制莫尔成像器件在制造过程中无需微聚焦元件阵列和图文阵列的精确对位，其立体视觉效果裸眼可视、无需佩戴眼镜，能够随视角变化而变化、立体感较强等，相较于传统的莫尔成像器件，对于透射单元和反射单元之间的对位要求降低，从而降低了制作难度以及生产成本，本发明的应用范围广泛，在立体成像、视觉防伪等领域具有应用价值及前景。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明最佳实施例的剖面结构示意图。
图2是本发明最佳实施例工作原理示意图。
图3是本发明最佳实施例工作原理示意图。
图4是本发明最佳实施例工作原理示意图。
图5是本发明最佳实施例中的一种线状相位调制莫尔成像元件的相位调制方式。
图6是本发明最佳实施例的一种线状相位调制莫尔成像元件的相位调制方式。
图7是本发明最佳实施例的一种线状相位调制莫尔成像元件的相位调制方式。
图8是本发明最佳实施例的一种线状相位调制莫尔成像元件的相位调制方式。
图9是本发明最佳实施例的一种图文信息嵌入莫尔成像方式。
图10是本发明最佳实施例的一种相位调制莫尔成像元件的相位调制方式。
图11是本发明最佳实施例的一种相位调制莫尔成像元件的相位调制方式
图12是本发明最佳实施例的一种相位调制莫尔成像元件的相位调制方式的俯视示意图。
图13是本发明最佳实施例的一种相位调制莫尔成像元件的相位调制方式的俯视示意图。
说明书附图标记说明：1、第一微聚焦元件；2、间隔层；3、第二微聚焦元件；4、反射层；51、反射层区域；52、全息光栅单元区域。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例
参照图1至图13所示，本发明的提供了一种相位调制莫尔成像器件，包括，
间隔层2，其具有相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面和第二表面相互平行，入射光由所述第一表面射入，经过第二表面射出，经过反射后，由第二表面入射，再由所述第一表面射出；
透射单元，其设置在所述第一表面，所述透射单元包括第一微聚焦单元，所述第一微聚焦单元包括多个第一微聚焦元件1；
反射单元，其设置在所述第二表面，所述反射单元包括第二微聚焦单元，所述第二微聚焦单元包括多个第二微聚焦元件3，多个所述第一微聚焦元件1在所述间隔层2的投影与多个所述第二微聚焦元件3在所述间隔层的投影具有相对偏移，具体来说，所述第一微聚焦单元在所述间隔层2的投影和第二微聚焦单元在所述间隔层2的投影之间具有相位差，所述第二微聚焦元件3的表面设有反射层4，需要进行展示的图文信息编码于所述反射层4，如此以来，沿所述入射光的入射方向，依次为第一微聚焦元件1、间隔层2、第二微聚焦元件3，反射层4，需要注意的是，所述间隔层2和第一微聚焦元件1之间紧密相连、没有光学界面，所述间隔层2和第二微聚焦元件3之间紧密连接、没有光学界面；
通过所述透射单元观测位于所述反射层4的图文信息，能够获得随视角变化而变化的具有立体感的物体影像。
由此可以得知，本发明所要保护的一种相位调制莫尔成像器件，通过设置间隔层、透射单元以及反射单元，所述透射单元和反射单元分别设置在所述间隔层的第一表面和第二表面，所述透射单元包括第一微聚焦元件单元，所述反射单元包括第二微聚焦元件单元，需要注意的是，所述第一微聚焦元件单元在所述间隔层的投影相对于所述第二微聚焦单元在所述间隔层的投影，具有位置偏移或相位差，从而通过所述透射单元观测位于所述反射层的图文信息，能够获得随视角变化而变化的具有立体感的物体影像，本发明所述的相位调制莫尔成像器件在制造过程中无需微聚焦元件阵列和图文阵列的精确对位，其立体视觉效果裸眼可视、无需佩戴眼镜，能够随视角变化而变化、立体感较强等，相较于传统的莫尔成像器件，对于透射单元和反射单元之间的对位要求降低，从而降低了制作难度以及生产成本，本发明的应用范围广泛，在立体成像、视觉防伪等领域具有应用价值及前景。
需要说明的是，所述透射单元和反射单元内的微聚焦元件包括两种不同的类型，其中一种为线状微聚焦元件，另一种为二维微聚焦元件：
一方面，所述第一微聚焦元件1和第二微聚焦元件3包括线状微聚焦元件，多个所述第一微聚焦元件1和多个第二微聚焦元件2均呈阵列排布。
更进一步地说，所述线状微聚焦元件包括一维直线柱面透镜或者一维Fresnel柱面透镜。
具体来说，所述第一微聚焦元件1在所述间隔层2的投影的长宽比大于5:1，所述第二微聚焦元件3在所述间隔层2的投影的长宽比大于5:1。
另一方面，所述第一微聚焦元件1和第二微聚焦元件3包括二维微聚焦元件，多个所述第一微聚焦元件1和多个第二微聚焦元件的排列方式包括二维周期型、非周期型、随机型及他们的组合。
进一步地，所述二维微聚焦元件包括圆包型微透镜。
更进一步地，所述第一微聚焦元件1和第二微聚焦元件3在间隔层2的投影为直径比小于2：1的圆形。
从细节上来说，所述间隔层2的厚度在第一微聚焦元件1的焦距与第二反射微聚焦元件3的焦距之和的±30％以内。
具体地，所述间隔层2为透明间隔层，所述透明间隔层包括多个复合而成的层结构，所述层结构的材质包括PMMA和PET、PMMA、或PET、PMMA、PC、PI、PE、玻璃中的至少两种。
所述反射层4包括金属或非金属材料的光学薄膜，所述反射层的厚度为20nm至100nm。进一步地，所述反射层4包括单层金属镀层或多层金属镀层所述金属镀层的材料包括铝、镍、银和铬，以及它们的合金。所述反射层还包括非金属材料的多层膜系，例如氧化锌、二氧化硅、氟化镁和二氧化钛等。
从细节上来说，所述第二表面上相邻的两个所述第二微聚焦元件3之间为背景区域，在一种实施例中，所述背景区域不带有任何材料和结构，在另一种实施例中，所述背景区域包括散射、吸收或者反射结构，例如一维或者二维布拉维点阵结构或者随机结构，其尺寸为微米、亚微米。
本发明的相位调制莫尔成像器件的工作原理如下，参考图2至图4，人们通过透明间隔层的第一表面，即通过第一微聚焦元件单元一侧进行观察。当沿垂直视角时，如图2所示，当位于第一表面的第一微聚焦元件1与位于第二表面的第二微聚焦元件3的光轴对准时，沿垂直方向被反射，进入人眼的反射效率最高，因而具有最高的亮度；如图3所示，当位于第一表面的第一微聚焦元件1与位于第二表面的第二微聚焦元件3的光轴沿水平方向有相对偏移，即多个第一微聚焦元件形成的阵列与多个第二微聚焦元件形成的阵列之间存在相位差，部分透射光被第二微聚焦元件单元反射至其它方向，无法进入观察者眼睛，因而呈现相对不高的亮度；进一步地，如图4所示，当以一定的视角观察时，更多的透射光被第二微聚焦元件单元反射至其它方向，无法进入观察者眼睛，因而呈现更低的亮度。
根据前述原理，通过将图文信息进行编码，调制第二微聚焦元件单元阵列和与其对应的第一微聚焦元件单元阵列之间的相位，就可以获得不同亮度层次的物体图像，形成具有立体和随视角变化光影效果的物体影像。
如图5所示,本发明的其中一则实施例中的线状相位调制莫尔成像器件的相位调制方式如下，所述透射单元的第一微聚焦元件单元(R1,R2,R3，…,RN)呈直线型，且为周期型排列，周期记为D。所述反射单元的第二微聚焦元件单元(P1,P2,P3，…,PN)，其中的微聚焦单元P3-Pn为直线型，且相对于对应的R3-Rn的偏移量Δ，图文信息编码于经过相位调制的第二微聚焦元件单元的反射层之中。
如图6所示,本发明的其中一则实施例中的线状相位调制莫尔成像器件的相位调制方式如下，所述透射单元的第一微聚焦元件单元(R1,R2,R3，…,RN)呈直线型，且为周期型排列，周期记为D。所述反射单元的第二微聚焦元件单元(P1,P2,P3，…,PN)，其中的线状微聚焦元件单元呈曲线型，图文信息编码于经过相位调制的第二微聚焦元件单元的反射层之中。
如图7所示,本发明的其中一则实施例中的线状相位调制莫尔成像器件的相位调制方式如下，所述透射单元的第一微聚焦元件单元(R1,R2,R3，…,RN)呈曲线型，且为周期型排列，周期记为D。所述反射单元的第二微聚焦元件单元(P1,P2,P3，…,PN)，其中的线状微聚焦元件单元呈直线型，图文信息编码于经过相位调制的第二微聚焦元件单元的反射层之中。
如图8所示,在本发明的其中一则实施例中的线状相位调制莫尔成像器件的相位调制方式如下，所述透射单元的第一微聚焦元件单元(R1,R2,R3，…,RN)呈直线型，呈为周期型排列，周期记为D。所述反射单元的第二微聚焦元件单元(P1,P2,P3，…,PN)，其中每个第二微聚焦单元由多个微聚焦元件[(P11，P12)，(P21，P22)，...(PN1，PN2)]组成，其中的微聚焦单元阵列P3-Pn为直线型。图文信息编码于经过相位调制的第二微聚焦元件单元的反射层之中。
如图9所示,本发明的一种图文信息嵌入莫尔成像方式如下，图中线条为反射单元的线状微聚焦元件单元示意图。图9(a)为反射单元的线第二微聚焦元件单元相对于透射单元的第一微聚焦元件单元沿周期方向存在相对平移，形成莫尔图像上的相位调制。图9(b)为反射单元的线第二微聚焦元件单元相对于透射单元的第一微聚焦元件单元沿周期方向存在弧形的相对平移，形成莫尔图像上的相位调制。图9(c)为反射单元的线第二微聚焦元件单元相对于透射单元的第一微聚焦元件单元沿周期方向存在直线型的相对平移，形成莫尔图像上的相位调制。图9(c)中所示结构在莫尔图像上形成的灰度变化更加明显。
如图10和图11所示,本发明的一种相位调制莫尔成像器件的实施方式，所述透射单元的第一微聚焦元件1呈周期型正方形阵列排布，周期记为D。所述第二微聚焦元件单元(i，j)，相对于所述第一微聚焦元件单元具有分别沿x和y方向的偏移量(Δix，Δjy)。所述偏移量的大小，即经过调制的相位，通过需要展示的图文信息的灰度经过编码后确定。
如图12所示,本发明的一种实施方式的俯视示意图，所述第一微聚焦元件单元呈周期型正方阵列排布，图文信息编码于经过相位调制的第二微聚焦元件单元中，相关联的第二微聚焦元件单元的位置相对于第一微聚焦元件单元发生微位移，形成如图12所示的字符“B”形状。
如图13所示,本发明的一种实施方式的俯视示意图，所述第一微聚焦元件单元呈周期型正方阵列排布，图文信息编码于经过相位调制的第二微聚焦元件单元中，相关联的第二微聚焦元件单元的位置相对于第一微聚焦元件单元发生微位移。在所述反射单元的背景区域，包括不同周期、不同取向的全息光栅单元。从透射单元进行观察，图文信息通过经过相位调制的反射层区域51展示，全息光栅单元区域52为背景。
综上所述，本发明所要保护的一种相位调制莫尔成像器件，通过设置间隔层、透射单元以及反射单元，所述透射单元和反射单元分别设置在所述间隔层的第一表面和第二表面，所述透射单元包括第一微聚焦元件单元，所述反射单元包括第二微聚焦元件单元，需要注意的是，所述第一微聚焦元件单元在所述间隔层的投影相对于所述第二微聚焦单元在所述间隔层的投影，具有位置偏移或相位差，从而通过所述透射单元观测位于所述反射层的图文信息，能够获得随视角变化而变化的具有立体感的物体影像，本发明所述的相位调制莫尔成像器件在制造过程中无需微聚焦元件阵列和图文阵列的精确对位，其立体视觉效果裸眼可视、无需佩戴眼镜，能够随视角变化而变化、立体感较强等，相较于传统的莫尔成像器件，对于透射单元和反射单元之间的对位要求降低，从而降低了制作难度以及生产成本，本发明的应用范围广泛，在立体成像、视觉防伪等领域具有应用价值及前景。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种相位调制莫尔成像器件，其特征在于：包括，
间隔层，其具有相对设置的第一表面和第二表面，入射光由所述第一表面射入，经过第二表面射出，经过反射后，由第二表面入射，再由所述第一表面射出；
透射单元，其设置在所述第一表面，所述透射单元包括第一微聚焦单元，所述第一微聚焦单元包括多个第一微聚焦元件；
反射单元，其设置在所述第二表面，所述反射单元包括第二微聚焦单元，所述第二微聚焦单元包括多个第二微聚焦元件，多个所述第一微聚焦元件在所述间隔层的投影与多个所述第二微聚焦元件在所述间隔层的投影具有相对偏移，所述第二微聚焦元件的表面设有反射层，图文信息编码于所述多个所述第二微聚焦元件；
通过所述透射单元观测所述图文信息，获得随视角变化而变化的具有立体感的物体影像。
2.根据权利要求1所述的一种相位调制莫尔成像器件，其特征在于：所述第一微聚焦元件和第二微聚焦元件包括线状微聚焦元件，多个所述第一微聚焦元件呈阵列排布，多个所述第二微聚焦元件呈阵列排布。
3.根据权利要求2所述的一种相位调制莫尔成像器件，其特征在于：所述线状微聚焦元件包括一维直线柱面透镜或者一维Fresnel柱面透镜。
4.根据权利要求2所述的一种相位调制莫尔成像器件，其特征在于：所述第一微聚焦元件在所述间隔层的投影的长宽比大于5:1，所述第二微聚焦元件在所述间隔层的投影的长宽比大于5:1。
5.根据权利要求1所述的一种相位调制莫尔成像器件，其特征在于：所述第一微聚焦元件和第二微聚焦元件包括二维微聚焦元件，多个所述第一微聚焦元件的排列方式包括二维周期型、非周期型、随机型及他们的组合。
6.根据权利要求5所述的一种相位调制莫尔成像器件，其特征在于：所述二维微聚焦元件包括圆包型微透镜。
7.根据权利要求6所述的一种相位调制莫尔成像器件，其特征在于：所述第一微聚焦元件和第二微聚焦元件在间隔层的投影为直径比小于2：1的圆形。
8.根据权利要求1所述的一种相位调制莫尔成像器件，其特征在于：所述间隔层的厚度在第一微聚焦元件的焦距与第二反射微聚焦元件的焦距之和的±30％以内。
9.根据权利要求1所述的一种相位调制莫尔成像器件，其特征在于：所述间隔层包括多个复合而成的层结构，所述层结构的材质包括PMMA和PET、PMMA、或PET、PMMA、PC、PI、PE、玻璃中的至少两种。
10.根据权利要求1所述的一种相位调制莫尔成像器件，其特征在于：所述反射层包括金属或非金属材料的光学薄膜，所述反射层的厚度为20nm至100nm。
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