本发明涉及成像器件领域，具体涉及一种散射光与零级光分离成像方法和装置，可用于信息与图像处理、防伪安全、包装装饰等方面。
背景技术：
当光线透过散射材料或者被散射材料反射后会形成散射光和零级光。零级光方向与入射光线或则其镜面反射光线的方向相同。散射光的方向则与之不同。
散射光的应用非常广泛，比如lcd背光模组、led照明、投影等领域都需要利用散射光获得更加均匀的亮度分布。在这些应用中，通常需要设计材料消除透射或则反射光线中的零级光部分，而利用散射光部分。另一方面，在生物组织成像、水下目标探测、天文观察等领域的应用中，需要消除散射光的影响，而利用零级光获得清晰的图像。
区别于上述应用，本发明提出了一种能够同时利用散射光和零级光进行三维双成像的方法、装置及其光学防伪应用。目前，双成像的实现手段复杂，条件苛刻。因此，新兴的防伪技术局限于单个莫尔图像的甄别，例如，美国专利u.s.pat.no.4,892,336公开了一种利用柱透镜阵列和条形微图形阵列相互叠加匹配形成的安全线。drinkwater等人在美国专利u.s.pat.no.5,712,731中提出了一种球面透镜阵列和微图形阵列相互匹配形成的莫尔成像系统。中国专利200680048634.8对安全器件中微透镜阵列和微图形阵列的排列对称性进行了扩展，提出了一种基于二维布拉维点阵的排列方式，利用这种排列结构实现了对应的安全器件，从而进一步加强了器件的安全性能。r.a.steenblik等在美国专利u.s.pat.no.2005/0180020a1以及后续专利u.s.pat.no.2008/0037131a1中扩展了上述微光学系统的参数范围，减小了透镜的口径和焦距，使得系统的厚度小于50um，形成了薄膜型的安全器件，从而拓展了其应用范围。中国专利申请201710039586.6提出了一种可以对光照进行响应的反射型安全器件，提高了安全性能。
上述安全器件都基于莫尔成像原理，对同一图元发出的光线只能形成一套莫尔图像，无法实现同一图元的散射光与零级光的分离成像。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的是避免背景技术中的缺点，提供一种能够实现散射光与零级光分离成像方法、装置及其光学防伪应用，及其在信息与图像处理、防伪安全、包装装饰中的应用。
本发明采用如下技术方案：一种双成像方法，该方法通过像素单元构成具有待成像图形的微图文单元，所述像素单元在光源的照明下产生散射光与零级光；多个微图文单元的零级光分别聚焦后，汇聚形成第一套放大的莫尔图像；微图文单元的散射光经聚焦后形成第二套放大的莫尔图像。
进一步地，散射光与零级光的能量的比例在10％-90％之间，优选在30％-70％之间。
一种双成像装置，包括聚焦元件阵列层和微图文阵列层，所述微图文阵列层中的微图文单元和聚焦元件阵列层中的聚焦元件一一对应；所述微图文单元由像素单元组成。像素单元构成具有待成像图形的微图文单元，所述像素单元在光源的照明下产生散射光与零级光；多个微图文单元的零级光分别经聚焦元件聚焦后，汇聚形成第一套放大的莫尔图像；微图文单元的散射光经聚焦元件聚焦后形成第二套放大的莫尔图像。
进一步地，所述微图文单元不在聚焦元件的一倍焦距处。
进一步地，微图文单元位于所述聚焦元件阵列层的一倍焦距以内，优选在0.3-0.7倍焦距之间。或微图文单元位于所述聚焦元件阵列层的一倍焦距之外，优选在1倍焦距与3倍焦距之间。
进一步地，所述像素单元为散射单元，散射光与直接透射光的比率在10％-90％之间。散射光的发散角可控，小于10°。
进一步地，所述聚焦元件单元阵列层中，聚焦元件单元的排列方式包括：具有对称轴的正交排列、蜂窝状排列、没有对称轴的低对称性排列或随机排列等。所述微图文单元的排列方式与所述聚焦单元的排列方式相同。
进一步地，所述聚焦元件单元可采用柱面微透镜、球面透镜、非球面透镜、菲涅耳透镜等各种具有聚焦功能的微光学器件。所述聚焦元件单元的口径可以是圆形、正方形、长方形、六边形、多边形等各种几何形状。
进一步地，所述装置还包括基材层，用于固定所述聚焦元件阵列层和微图文阵列层。
双成像方法和装置在信息与图像处理、防伪安全、包装装饰中的应用。
本发明的优点：
(1)首次提出了非周期性物体零级光与散射光分离成像的方法与装置。
(2)首次实现了利用同一图元生成两套莫尔图像的效果。
(3)具有光照明响应成像特性，而且具备光照成双像特性。
(4)所成的图像具有随光照动态变化的三维动态效果。
附图说明
图1为实施例一所述的装置的示意图；
图2和3为实施例一所述装置的光照响应图；
图4为实施例二所述的装置的示意图；
图5和6为实施例二所述装置的光照响应图；
图7为实施例三所述的装置的示意图；
图8和9为实施例三所述装置的光照响应图；
图10为实施例四所述的装置的示意图；
图11和12为实施例四所述装置的光照响应图；
图13为实施例五所述的装置的示意图；
图14和15为实施例五所述装置的光照响应图；
图16为实施例六所述的装置的示意图；
图17-19为实施例六所述装置的光照响应图；
图20为实施例七所述的装置的示意图；
图21和22为实施例七所述装置的光照响应图；
图23为实施例八所述的装置的示意图；
图24和25为实施例八所述装置的光照响应图；
图26为实施例九的散射光与零级光分离成像装置；
图27和28为实施例九所述装置的光照响应图；
图中，1为聚焦元件阵列层，2为基材层，3为微图文阵列层，4为球面透镜单元，5和51均为微图文单元，6为一倍焦平面，7为点光源，8、9、15均表示莫尔图像，10为眼睛，11为分离成像装置、16为准直光源、21为反射层。
具体实施方式
本发明基于聚焦元件阵列层和微图文阵列层，首次提出了非周期性物体零级光与散射光分离成像的方法和装置，该方法和装置通过像素单元构成具有待成像图形的微图文单元，所述像素单元在光源的照明下产生散射光与零级光；多个微图文单元的零级光分别聚焦后，汇聚形成第一套放大的莫尔图像；微图文单元的散射光经聚焦后形成第二套放大的莫尔图像。
此外，上述装置具有如下光响应，可用于信息与图像处理、防伪安全、包装装饰等领域：
点光源照明下，产生的响应形式还包括：点光源开启，同时显示所述第一套莫尔图像和第二套莫尔图像，当点光源关闭，不显示莫尔图像；点光源开启，同时显示所述第一套莫尔图像和第二套莫尔图像，当点光源关闭，显示一套莫尔图像。
点光源照明下，产生的响应形式还包括：点光源与成像装置中心连线与成像装置光轴重合，即正入射照明时，所显示的第一套莫尔图像与第二套莫尔图像重合；当点光源与成像装置中心连线与成像装置光轴有夹角，即斜入射照明时，显示的第一套莫尔图像与第二套莫尔图像在空间上分离；当点光源的照明方向变化时，所述第一套莫尔图像与第二套莫尔图像的空间位置随之发生动态变化：当点光源横向平移时，所述莫尔图像随之横向平移，当点光源纵向平移时，所述莫尔图像随之纵向平移；当点光源纵向平移时，所述莫尔图像随之绕光轴转动，当点光源绕光轴转动时，所述莫尔图像随之转动。
准直光源照明下，产生的响应形式包括：准直光源开启，同时显示所述第一套莫尔图像和第二套莫尔图像，当准直光源关闭，不显示莫尔图像；准直光源开启，同时显示所述第一套莫尔图像和第二套莫尔图像，当准直光源关闭，显示一套莫尔图像。
准直光源照明下，产生的响应形式还包括：准直光照明方向与成像装置光轴重合，即正入射照明时，所显示的第一套莫尔图像与第二套莫尔图像重合；当准直光源照明方向与成像装置光轴有夹角，即斜入射照明时，显示的第一套莫尔图像与第二套莫尔图像在空间上分离，显示两套莫尔图像。当准直光源的照明方向变化时，所述第一套莫尔图像与第二套莫尔图像的空间位置随之发生动态平移或旋转。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例一
本实施例提供一种透射型的散射光与零级光分离成像装置，如图1-3所示。如图1所示，包括聚焦元件阵列层1、基材层2、和微图文阵列层3。所述聚焦元件阵列层1、基材层2、微图文阵列层3依次粘结。所述聚焦元件阵列层1由焦距为f的方形口径球面透镜单元4正交排列而成，阵列周期为t。所述微图文阵列层3是通过在透明基板上设置微图文单元5得到。微图文单元正交排列，阵列周期为1.002t。所述微图文阵列的对称轴与所述聚焦元件阵列的对称轴相互平行。所述微图文阵列位于聚焦元件阵列的0.5倍物方焦距处。所述微图文阵列中的所有微图文单元在点光源7的照明下，产生透射的散射光与零级光，散射光与零级光的比例为4：6。在点光源7照明下，所述微图文单元的零级光通过对应的球面透镜单元形成第一套放大的莫尔图像9。所述微图文单元的散射光通过对应的非球面透镜单元形成第二套放大的莫尔图像8。
如图2所示，所述点光源关闭，在无点光源照明下，上述装置将无法形成莫尔图像8和9，其特征信息被隐藏。
如图3所示，所述点光源开启，并绕着成像装置的光轴顺时针转动，所述莫尔图像8和9也随之绕着成像装置光轴做顺时针转动。
基于上述光响应特征，可将该装置用于安全器件，进行安全标识检验。或用于信息与图像处理、包装装饰等。
实施例二
本实施例提供一种透射型的散射光与零级光分离成像装置，如图4-6所示。如图4所示，包括聚焦元件阵列层1、基材层2、和微图文阵列层3。所述聚焦元件阵列层1、基材层2、微图文阵列层3依次粘结。所述聚焦元件阵列层1由焦距为f的六边形口径的非球面透镜单元4以蜂窝状紧密排列而成，相邻透镜单元之间的中心距离为t。所述微图文阵列层3是通过在透明基板上设置以蜂窝状紧密排列的微图文单元5得到。相邻微图文单元之间的中心距离为0.998t。所述微图文阵列的对称轴与所述聚焦元件阵列的对称轴相互平行。所述微图文阵列位于聚焦元件阵列的0.9倍物方焦距处。所述微图文阵列中的所有微图文单元在点光源7的照明下，产生透射的散射光与零级光，散射光与零级光的比例为1：1。在点光源7照明下，所述微图文单元的零级光通过对应的非球面透镜单元形成第一套放大的莫尔图像9。所述微图文单元的散射光通过对应的非球面透镜单元形成第二套放大的莫尔图像8。
如图5所示，所述点光源关闭，在无点光源照明下，上述装置将无法形成莫尔图像9，其特征信息被隐藏。但是成像装置可以形成莫尔图像8。
如图6所示，所述点光源开启，且点光源沿着平行于上述装置屏幕的方向做平移时，莫尔图像8和9也将随之沿着平行与安全平面的方向做平移。
基于上述光响应特征，可将该装置用于安全器件，进行安全标识检验。或用于信息与图像处理、包装装饰等。
实施例三
本实施例提供一种透射型的散射光与零级光分离成像装置，如图7-9所示。如图7所示，包括聚焦元件阵列层1、基材层2、和微图文阵列层3。所述聚焦元件阵列层1、基材层2、微图文阵列层3依次粘结。所述聚焦元件阵列层1由焦距为f口径为圆形的非球面透镜单元4以蜂窝状紧密排列而成，相邻透镜单元的中心距离为t。所述微图文阵列层3是通过在透明基板上设置以蜂窝状紧密排列的微图文单元5得到。相邻微图文单元之间的中心距离为1.002t。所述微图文阵列的对称轴与所述聚焦元件阵列的对称轴相互平行。所述微图文阵列位于聚焦单元阵列的0.8倍物方焦距处。所述微图文阵列中相邻的两个微图文单元只有一个微图文单元在点光源7的照明下，产生透射的散射光与零级光，散射光与零级光的比例为7：3，另一个微图文单元在点光源7的照明下，只产生零级光和可以忽略的散色光。在点光源7照明下，所述微图文单元的零级光通过对应的非球面透镜单元形成第一套放大的莫尔图像9。所述微图文单元的散射光通过对应的非球面透镜单元形成第二套放大的莫尔图像8。所述莫尔图像8和莫尔图像9的亮度分布不同。
如图8所示，所述点光源关闭，在无点光源照明下，将无法形成莫尔图像9，其特征信息被隐藏。但是可以形成莫尔图像8。
如图9所示，所述点光源开启，且点光源沿着垂直于成像装置屏幕的方向做移动时，莫尔图像9也将随之沿着垂直于与成像装置平面的方向做平移。
基于上述光响应特征，可将该装置用于安全器件，进行安全标识检验。或用于信息与图像处理、包装装饰等。
实施例四
本实施例提供一种透射型的散射光与零级光分离成像装置，如图10-12所示。如图10所示，包括聚焦元件阵列层1、基材层2、和微图文阵列层3。所述聚焦元件阵列层1、基材层2、微图文阵列层3依次粘结。所述聚焦元件阵列层1由焦距为f口径为圆形的球面透镜单元4以随机紧密排列而成，相邻透镜单元中心的平均距离为t。所述微图文阵列层3是通过在透明基板上设置以随机排列的微图文单元5得到。相邻微图文单元之间的平均中心距离为1.001t。所述微图文阵列位于聚焦元件阵列的1.1倍物方焦距处。所述微图文阵列中相邻的三个微图文单元只有两个微图文单元在准直光源16的照明下，产生透射的散射光与零级光，散射光与零级光的比例为6：4，另一个微图文单元在准直光源16的照明下，只产生零级光和可以忽略的散色光。在准直光源16照明下，所述微图文单元的零级光通过对应的球面透镜单元形成第一套放大的莫尔图像9。所述微图文单元的散射光通过对应的球面透镜单元形成第二套放大的莫尔图像8。所述莫尔图像8和莫尔图像9的亮度分布不同。
如图11所示，所述平行光源关闭，在无平行光源照明下，将无法形成莫尔图像9，其特征信息被隐藏。但是可以形成莫尔图像8。
如图12所示，所述平行光源开启，且平行光源的照明方向以方向改变时，莫尔图像9也将随之沿着平行于与成像装置平面的方向做平移。
基于上述光响应特征，可将该装置用于安全器件，进行安全标识检验。或用于信息与图像处理、包装装饰等。
实施例五
本实施例提供一种透射型的散射光与零级光分离成像装置，如图13-15所示。如图13所示，包括聚焦元件阵列层1、基材层2、和微图文阵列层3。所述聚焦元件阵列层1、基材层2、微图文阵列层3依次粘结。所述聚焦元件阵列层1由焦距为f的柱面透镜单元4紧密排列而成，相邻透镜单元中心的距离为t。所述微图文阵列层3是通过在透明基板上设置与柱面透镜对应排列的微图文单元5得到。相邻微图文单元之间的中心距离为1.002t。所述微图文阵列的对称轴与所述聚焦元件阵列的对称轴相互平行。所述微图文阵列位于聚焦元件阵列的0.8倍物方焦距处。所述微图文阵列中相邻的三个微图文单元只有一个微图文单元在点光源7的照明下，产生透射的散射光与零级光，散射光与零级光的比例为6：4，另一个微图文单元在点光源7的照明下，只产生零级光和可以忽略的散色光。在点光源7照明下，所述微图文单元的零级光通过对应的球面透镜单元形成第一套放大的莫尔图像9。所述微图文单元的散射光通过对应的球面透镜单元形成第二套放大的莫尔图像8。所述莫尔图像8和莫尔图像9的亮度分布不同。
如图14所示，所述点光源7关闭，将无法形成莫尔图像9，其特征信息被隐藏。但是可以形成莫尔图像8。
如图15所示，所述点光源7开启，且点光源沿着平行于成像装置表面的方向改变时，莫尔图像9也将随之沿着平行于与成像装置平面的方向做平移。
基于上述光响应特征，可将该装置用于安全器件，进行安全标识检验。或用于信息与图像处理、包装装饰等。
实施例六
本实施例提供一种透射型的散射光与零级光分离成像装置，如图16-19所示。如图16所示，包括聚焦元件阵列层1、基材层2、和微图文阵列层3。所述聚焦元件阵列层1、基材层2、微图文阵列层3依次粘结。所述聚焦元件阵列层1由焦距为f口径为六边形的菲涅耳透镜单元4以蜂窝状紧密排列而成，相邻透镜单元中心的距离为t。所述微图文阵列层3是通过在透明基板上设置与球面透镜对应排列的微图文单元5得到。相邻微图文单元之间的中心距离为1.002t。所述微图文阵列的对称轴与所述聚焦元件阵列的对称轴的夹角为3度。所述微图文阵列位于聚焦元件阵列的0.4倍物方焦距处。所述微图文阵列中所有微图文单元在点光源7的照明下，产生透射的散射光与零级光，散射光与零级光的比例为6：4。在点光源7照明下，所述微图文单元的零级光通过对应的球面透镜单元形成第一套放大的莫尔图像9。所述微图文单元的散射光通过对应的球面透镜单元形成第二套放大的莫尔图像8。
如图17所示，所述点光源7关闭，将无法形成莫尔图像9，其特征信息被隐藏。但是可以形成莫尔图像8。
如图18所示，所述点光源7开启，且点光源沿着平行于成像装置表面的方向改变时，莫尔图像8和9也将沿着成像装置平面且与方向正交的方向做平移。
如图19所示，所述点光源7开启，且点光源沿着成像装置光轴方向移动时，莫尔图像8和9将绕成像装置光轴如图20方向转动。
基于上述光响应特征，可将该装置用于安全器件，进行安全标识检验。或用于信息与图像处理、包装装饰等。
实施例七
本实施例提供一种透射型的散射光与零级光分离成像装置，如图20-22所示。包括聚焦元件阵列层1、基材层2、微图文阵列层3和反射层21，所述聚焦元件阵列层1、基材层2、微图文阵列层3与反射层21依次粘结。所述聚焦元件阵列层1由焦距为f口径为方形的球面透镜单元4正交排列而成，相邻透镜单元中心的距离为t。所述微图文阵列层3是通过在透明基板上设置与球面透镜对应排列的微图文单元5得到。相邻微图文单元之间的中心距离为1.001t。所述微图文阵列的对称轴与所述聚焦元件阵列的对称轴相互平行。所述微图文阵列位于聚焦元件阵列的0.8倍物方焦距处。所述微图文阵列中所有微图文单元在点光源7的照明下，产生反射的散射光与零级光，散射光与零级光的比例为1：1。在点光源7照明下，所述微图文单元的零级光通过对应的球面透镜单元形成第一套放大的莫尔图像9。所述微图文单元的散射光通过对应的球面透镜单元形成第二套放大的莫尔图像8。
如图21所示，所述点光源7关闭，将无法形成莫尔图像9，其特征信息被隐藏。但是可以形成莫尔图像8。
如图22所示，所述点光源7开启，且点光源绕着成像装置法线方向顺时针转动时，莫尔图像8和9也将沿着成像装置法线方向顺时针转动。
基于上述光响应特征，可将该装置用于安全器件，进行安全标识检验。或用于信息与图像处理、包装装饰等。
实施例八
本实施例提供一种透射型的散射光与零级光分离成像装置，如图23-25所示。如图23所示，包括聚焦元件阵列层1、基材层2、微图文阵列层3和反射层21。所述聚焦元件阵列层1、基材层2、微图文阵列层3与反射层21依次粘结。所述聚焦元件阵列层1由焦距为f的长方形口径球面透镜单元4正交排列而成，相邻透镜单元中心的距离为分别为tx，ty。所述微图文阵列层3是通过在透明基板上设置与球面透镜对应排列的微图文单元5得到。相邻微图文单元之间的中心距离为分别为1.001tx，1.001ty。所述微图文阵列位于聚焦元件阵列的0.2倍物方焦距处。所述微图文阵列的对称轴与所述聚焦元件阵列的对称轴相互平行。所述微图文阵列中所有微图文单元在点光源7的照明下，产生反射的散射光与零级光，散射光与零级光的比例为1：1。在点光源7照明下，所述微图文单元的零级光通过对应的球面透镜单元形成第一套放大的莫尔图像9。所述微图文单元的散射光通过对应的球面透镜单元形成第二套放大的莫尔图像8。
如图24所示，所述点光源7关闭，将无法形成莫尔图像9和莫尔图像8，其特征信息被隐藏。
如图25所示，所述点光源7开启，装置绕水平轴如图示方向转动时，莫尔图像9和莫尔图像8将随之沿着方向做平动。
基于上述光响应特征，可将该装置用于安全器件，进行安全标识检验。或用于信息与图像处理、包装装饰等。
实施例九
本实施例提供一种透射型的散射光与零级光分离成像装置，如图26-28所示。如图23所示，包括聚焦元件阵列层1、基材层2、两层微图文阵列层3和反射层21。所述反射层21、聚焦元件阵列层1、第一层微图文阵列层3、基材层2、第二层微图文阵列层3依次粘结。所述聚焦元件阵列层1由焦距为f的方形口径球面透镜单元4正交排列而成，相邻透镜单元中心的距离为t。所述第一层微图文阵列层3是通过在透明基板上设置与球面透镜对应排列的微图文单元5得到，位于聚焦元件阵列的0.2倍物方焦距处。所述第二层微图文阵列层3是通过在透明基板上设置与球面透镜对应排列的微图文单元51得到，位于聚焦元件阵列的一倍物方焦距处。所述第一层微图文单元之间的中心距离为1.001t。所述第二层微图文单元之间的中心距离为1.002t。所述第一层和第二层微图文阵列的对称轴与所述聚焦元件阵列的对称轴相互平行。所述微图文阵列中所有微图文单元在点光源7的照明下，产生反射的散射光与零级光，散射光与零级光的比例为1：1。在环境光照明条件下，微图文单元51通过对应的聚焦元件阵列合成莫尔图像23。在点光源7照明下，所述微图文单元5的零级光通过对应的聚焦元件形成第一套放大的莫尔图像9。所述微图文单元的散射光通过对应的球面透镜单元形成第二套放大的莫尔图像8。
如图27所示，所述点光源7关闭，将无法形成莫尔图像9和莫尔图像8，其特征信息被隐藏。但是仍可显示莫尔图像15。
如图28所示，所述点光源7开启，成像装置绕水平轴如图示方向转动时，莫尔图像9、莫尔图像8和莫尔图像15将随之沿着方向做平动。
基于上述光响应特征，可将该装置用于安全器件，进行安全标识检验。或用于信息与图像处理、包装装饰等。