一种光场成像打印装置及具有三维浮动图像的薄膜的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光场成像领域，尤其涉及一种光场成像打印装置及具有三维浮动图像的薄膜。
【背景技术】
[0002]真实的三维物体之所以能被人们观察到，是因为物体向空间发出光能的缘故，可以把物体视为具有许多发光的点光源的集合，每个点光源称之为物体的一个体像素。人们在观察三维物体时，实际上是在获取该物体各体像素的空间位置信息以及每个体像素点所发出光线的方向信息。基于以上原理，光场成像理论认为，在二维平面上表达一个三维物体信息，至少需要四个独立变量，即三维坐标变量χ-y-z和方向变量θ，光场即定义为空间中所有该四参量光线辐射度函数L(x，y，z，θ)的集合。
[0003]光场成像技术可追溯至1908年法国科学家李普曼提出的集成照相术(IntegralPhotography，IP)，该方法利用覆有微透镜或者针孔阵列的记录材料获取三维物体的光场信息。真实物体发出的光线通过微透镜阵列成缩小的实像并使照相底片的感光层曝光，由于所处的空间位置不同，每个微透镜都从不同的视角对物体成像，因而照相底片最终所成的像是由每个微透镜所成像的合成像。照相底片显影之后，通过该微透镜阵列观看底片上的合成像，根据光线可逆原理，观察者会看到所拍摄场景的三维再现，且该三维再现像的视觉效果好像悬浮在底片上。由于微透镜材料是从不同方向对物体作记录，即记录了具有视差的物体图像。再现时，如果观察者改变方位，微透镜对俩眼的观察视角将发生连续的细微变化，视觉上会形成空间动态三维浮动成像效果。
[0004]基于光场成像原理的激光打印技术，利用会聚激光聚焦点模拟三维物体体像素辐射光场，并由微透镜阵列薄膜材料获取该光场信息。利用光、机、电装置来调控不同入射角度、不同聚焦高度的会聚光线，输入文字、二维或三维的图像，再现具有不同动态景深物象。该类技术主要包括微透镜薄膜记录材料的设计制作和模拟点光场的获取。
[0005]对于微透镜记录材料，美国专利US2326634公开了一种将透明微球部分嵌入聚合材料粘结剂层中，再在该聚合材料背面镀上SOnm左右厚度的铝膜。该型材料由透明微球对入射光场进行聚焦，聚焦光点能量达到铝膜的损伤阈值而烧蚀铝膜，破坏该处材料的反射率，从而与本底铝层的反射率有所差别，造成对比度不同，即生成了像素。为了获得彩色图像，也可使用多层薄膜材料来代替单一的镀铝层，当多层薄膜吸收不同光能而被烧蚀成厚度不均的浮雕结构时，基于薄膜干涉原理而呈现彩色的图像。如美国专利US3801183中所描述的，使用冰晶石/硫化锌(Na3 AlF6/ZnS)双层膜结构，或者铬/聚合物/ 二氧化硅/铝多层膜，更多膜层结构详见专利CN200880106663.4。上述材料半裸露的微球容易被破坏，造成再现图像质量的下降，中国专利CN201180053337.3提供了一种保护微透镜的结构，其将透明微球完全浸没在粘合剂层中，然后在粘合剂层上涂覆200um左右的透明材料层，该透明材料层不仅可防止微球离开所在位置，还可获得极佳的抗摩擦、抗冲击等耐用性，而且该透明材料层可为整体材料提供极好的有光泽的外观。
[0006]对于模拟点光场的获取，中国专利文献CN200880106663.4描述了多种光场的获取方案。方案一，是通过光学系统将平行激光光源的直径缩小至大约1_，照射在约5_的陶瓷小珠上，利用表面粗糙的陶瓷珠的散射作用来获取扩散的光场，配合记录材料的x-y-z空间坐标的移动来记录三维物体的光场数据。方案二，是利用透镜会聚平行激光光束来产生点光场。该方法通过扩散片扩大光斑，通过准直系统获得扩束光束，用凸透镜的会聚或凹透镜扩散功能，产生具有聚焦效应的点光场，该点光场即代表了待打印物体的一个体像素。通过移动记录材料所在的χ-y平台以改变体像素的相对空间位置，可直写入一幅二维图形信息，再配合通过改变汇聚透镜的高度，则可获得不同深度信息的体像素空间位置，从而，通过逐层扫描打印的方式实现浮动图形。方案三，提出利用激光束照射微透镜阵列面，由大数值孔径的微透镜对光束进行折射，再由凸透镜收集此发散的光束，得到会聚的点光场。同时通过振镜的扫描移动光点，从而在记录材料上直接打印图像信息。
[0007]中国专利文献CN201310291009.8利用振镜在会聚透镜上做扫描，利用会聚透镜的折射得到不同入射角的光线，在透镜焦平面附近放置大数值孔径微透镜阵列，利用微透镜偏折光束，得到扩散的点光场。该点光源始终悬浮在记录材料表面上方，为了获得下沉的会聚点光场，专利中指出可在微透镜阵列与记录材料之间放置一凸透镜，收集被扩散的光能，并使其聚焦在记录材料的下方，从而可得到下沉的打印成像。由于振镜扫描的频率很高，在极短的时间内透镜可将各扫描光线聚焦到同一点，在透镜的焦平面处瞬时可产生一个动态的会聚光斑，比之专利CN200880106663.4的单光束汇聚成像，可增加再现图像的视场角，图像动态感较强。
[0008]中国专利文献CN200880117941.6公开了一种可以利用微透镜记录材料母模进行大批量复制的技术。该方法依然采用透镜会聚平行光的光学系统来获取汇聚光场，而文中所述母模材料记录层不再是上述铝或多层膜，而是涂覆具有可光聚合的材料层，该材料层对于飞秒激光光源可发生单光子、双光子甚至多光子吸收，以致使该聚合材料发生局部物理、化学特性的变化，比如该局部属性变化的材料不可以被乙醇等有机溶剂溶解，而未吸收光子的材料部分则可以溶解，如此被溶解后的材料将呈现浮雕结构，从而记录了图像的信息。对此浮雕结构进行一系列固化以制成具有一定抗机械变形的母模，利用业已成熟的微复制技术，如卷对卷压印，可以实现批量化生产。
[0009]上述专利中制作具有三维浮动图像薄膜的方法各不相同，尤其是模拟点光场的获取装置各不相同，导致薄膜再现的浮动图像可观察视角和动态观察范围各不相同，虽各有优点，但缺点也很明显。如专利CN200880106663.4中方案一所述，所获取的体像素尺寸至少为激光束的直径大小，导致再现时的成像质量分辨率低。而方案二中所述，由于激光束光强分布属于高斯分布，这种对单光束激光进行扩束聚焦的方法，使得记录材料面收集到的光能密度不均，难以控制各点位置都能达到记录材料的改性能量阈值，从而，不能有效利用光能，导致获取的圆锥型点光场的数值孔径小，影响再现时的观察视角。虽然图像有悬浮或下沉景深感，但由于视场角较小，因而动态感较弱，且该系统没有可变的“方位角”变量，不具备不同视场角下输入不同图形的能力，打印模式单一。方案三要求扫描光斑与微透镜对准精确，否则，当激光束移动至两微透镜的边界时，其折射功能减弱，有可能将光束一分为二，影响成像结构，光斑扫描至边缘时，将有部分光线偏离透镜的收集范围，降低能量利用率，减少系统数值孔径和视场角，由于该方案仅依靠振镜扫描来投射输入图像的像素位置，由于最终光线不再是沿振镜的出射方向传播，而是经过光学系统的偏折，成像点偏离预设位置，导致最终成像不再是理想像，比如畸变。同时，其所描绘的打印多视角图形过程，先由系统提供一个入射角度的汇聚光场，保持此入射角度，通过移动χ-y平台来实现一个视角图的输入，再由系统提供另一个入射角度的会聚光场，重复移动χ-y平台输入另一视角图形，不光效率低下，而且存在各视角光线与同一位置精确对准的问题。专利CN201310291009.8所采用的方法，最终还是通过微透镜阵列折射获得会聚光场，同样会出现上述专利的弊端，同时，由于透镜只在一维方向上聚焦，导致其它方位角信息的丢失，所呈现图像只在一维方向上有动感，方案中输入多视角图像时需先校准光路以得到所需视角，再输入视角图，接着重新校准另一视角光路，再输入另一幅图片，重复此程序，直至输出全部视角图。很明显，这样的方案不但效率低，且在同一位置输入多幅视角图，需每次的操作都能够对该位置精确对准，增加了复杂性。
[0010]对于双目视觉系统具有同时从两个方向观察同一物体的功能，物体分别在视网膜上作二维投影，通过大脑对两幅视差投影图合成，产生立体效果。真实三维物体的每个表面点所辐射的光场具有锥形扩散的特点，该锥形辐射的夹角α范围可以从0-360°，夹角越大，说明可观察到此物点的视场角越大。激光打印光场成像系统采用会聚激光来合成三维物体的光场，其聚焦点对应着物体的一个体像素，前文方案中所获得的模拟体像素光场特性各不相同，因而，再现时观察到的效果也不同。比如，数值孔径不同，导致可动态观察图像的视场角有大有小。数值孔径越大，视场角越大，动态感越强，所以，如何合成大数值孔径的体像素光场，是本专利需要解决的问题。
[0011]当然，如何记录所合成光场信息是本专业的另一重心。利用二维平面记录三维物体，再现时，希望能犹如身临其境，连续的从不同角度观察到此物体，这就要求材料能最大程度的记录物体各点发出的锥形辐射光场。更进一步，由于三维物体的信息量比二维要大，人们希望，同样的材料面积能够记录更丰富的信息，即要求材料具有空间复用功能，这样观察者可以从不同的方位观察到不同的物象。基于微透镜阵列记录材料的激光光场成像打印系统同时满足模拟与记录的技术条件，可以打印完成后直接再现三维物体的像。
[0012]如前所述，光场成像技术需要四个独