空间光场成像器件及其制备方法与流程

本发明涉及光场成像，特别是涉及一种单层空间光场成像器件及其制备方法。

背景技术：

1、传统的光学防伪技术中，基于莫尔放大概念的集成光学成像器件可形成立体和动态图像，易于视觉识别，具有很高的技术工艺门槛，应用于防伪特别具有吸引力。这类器件仅适合于基于周期性分布的图形的集成成像设计；且无论是做平面的，分层的，曲面的，必须是阵列型图形分布；做曲面时受限，曲率只能是小于90度的，无法制作任意复杂光场成像。

2、集成成像器件虽然可以在空间产生单个悬浮成像，但是需要保证在薄膜基础的两面的微透镜基元与微图文的极其严格对准，由于薄膜基材的变形量难以控制在所需精度范围中，导致批量化生产非常困难；除此之外，微图文结构内填充油墨会形成一定的着色区域，导致再现下沉景深的图像时，着色区域在图像的上层平面，从而对图像有暗影遮挡，效果不佳。由于微透镜阵列焦距等参数的限制，莫尔集成成像薄膜难以在大范围的立体成像。

3、在此基础上，有专利（如cn108603949a、cn116300319a、cn217278994u）提出单层结构放大成像器件，采用在微透镜阵列上叠加或去除微图文阵列结构，而微透镜基元的布置与微图文的布置仍采用莫尔集成成像的布置方法。此时，由于微图文并未处于微透镜阵列的焦平面，不满足光学成像要求，因此相较于双层结构来说，其形成的图像非常模糊，无法识别图像，同时还存在“色差”问题，而且也难以形成复杂三维空间悬浮成像。在其模具制备过程中需要先采用热熔工艺形成微透镜阵列模具，制作翻版微透镜阵列模具后在槽型结构中填充感光胶进行微图文阵列曝光去除，形成微透镜整列和微图文阵列相互影响的单层微纳结构。上述单层结构放大成像器件的制备通常采用二次曝光，因此仍需要进行套准曝光，而由套准误差造成的成像变形也会降低成品率。

技术实现思路

1、基于此，本发明旨在提供一种空间光场成像器件、成像器件的制备方法及产品，以解决上述问题中的至少之一。

2、第一方面，本技术提供一种空间光场成像器件，包括：基材；单层微纳结构，设置于所述基材的一侧，所述单层微纳结构包括具有目标相位分布图的成像结构；其中，所述目标相位分布图被配置为由目标光场经初始成像结构形成目标中间像后，所述目标中间像逆向传播至透过所述初始成像结构时于所述初始成像结构的表面形成的相位分布图与所述初始成像结构的相位分布图相与或相切形成。

3、上述空间光场成像器件，至少具备以下有益效果：

4、1、上述空间光场成像器件成像结构的相位分布图采用正向传播和逆向传播结合的方法得到，有利于实现“消色差”的空间光场成像，保证成像的清晰度；

5、2、上述空间光场成像器件在指向性光源下，不仅可实现近距离三维空间成像效果，也可以实现远距离空间投影成像效果；

6、3、上述空间光场成像器件的单层微纳结构在制备过程中不需要对准工艺，可极大提升批量生产效率，使结构更加平面化，有利于制备转印膜或烫印膜，方便形成更多的应用，降低空间光场成像器件的制造成本；

7、4、上述空间光场成像器件可在制备过程采用全数字化设计以及制备压印模具，使得空间光场成像具有更好的设计自由度。

8、在其中一个实施例中，所述成像结构包括沿至少一个方向周期排布的多个成像单元，所述成像单元的占空比的数值范围为0.5～1，其中，所述占空比表示所述成像单元的口径与周期的比值。

9、在其中一个实施例中，所述成像单元包括纳米光栅、全息透镜、微透镜、超透镜、菲涅尔透镜中的至少一种；所述成像单元的形状包括圆形、方形、矩形、蜂窝形中的至少一种。

10、在其中一个实施例中，所述单层微纳结构还包括非成像结构，所述非成像结构包括浮雕结构、光栅结构、透镜结构、微透镜结构、超透镜中的至少一种。

11、在其中一个实施例中，所述单层微纳结构在远离所述基材的一侧还设置有反射层，所述反射层包括金属层、介质层、微腔结构中的至少一种。

12、在其中一个实施例中，所述金属层的厚度的数值范围为5nm～40nm；所述介质层的厚度的数值范围为5nm～40nm。

13、在其中一个实施例中，所述微腔结构包括依次层叠设置的半透半反金属层、间隔层、全反金属层，其中，所述半透半反金属层设于所述单层微纳结构远离所述基材的一侧，所述间隔层包括周期性排列的像素化分布台阶，每个所述台阶与所述半透半反金属层和所述全反金属层形成法布里-珀罗腔。

14、在其中一个实施例中，所述半透半反金属层的厚度范围为5～10nm，所述间隔层的厚度范围为100nm～150nm，所述全反金属层的厚度大于或等于30nm。

15、在其中一个实施例中，以所述单层微纳结构所在平面为基准平面，所述单层微纳结构包括相对的第一侧和第二侧，位于所述第一侧的目标光场与所述基准平面之间的距离为正，位于所述第二侧的目标光场与所述基准平面之间的距离为负，所述目标光场与所述基准平面之间的距离范围为-100mm～100mm，所述成像结构中成像单元的焦距范围为20µm～2mm。

16、在其中一个实施例中，所述目标光场包括立体图像，所述目标中间像被配置为对所述立体图像进行分层得到多个切片图像后，由所述多个切片图像经所述初始成像结构形成的多个切片图像中间像叠加形成。

17、在其中一个实施例中，所述目标光场包括至少一幅平面图像；当所述目标光场包括一幅平面图像时，所述目标中间像为该幅平面图像经所述初始成像结构形成的中间像；当所述目标光场包括多幅平面图像时，至少两幅平面图像与所述基准平面之间的距离不同，所述目标中间像被配置为由各所述平面图像经所述初始成像结构形成的多个中间像叠加形成。

18、在其中一个实施例中，所述目标光场包括位于所述第一侧或第二侧的平面图像，对应的，所述成像结构在位于所述第二侧或所述第一侧的光源照射下，在位于所述平面图像所在平面的接收屏形成与所述平面图像对应的空间平面投影图像。

19、在其中一个实施例中，所述成像结构中成像单元的焦距范围为500µm～2mm；和/或，所述成像结构具有至少两种不同焦距的成像单元，每幅所述平面图像对应一种焦距的成像单元，任意两幅平面图像对应的成像单元的焦距的差大于或等于500µm。

20、在其中一个实施例中，所述目标光场包括至少两幅位于所述第一侧或所述第二侧的平面图像，其中，任意两幅平面图像位于基准平面的同侧，且所述任意两幅平面图像与所述基准平面之间的距离的差大于或等于50mm，对应的，所述成像结构在位于所述第二侧或所述第一侧的光源照射下，在位于各所述平面图像所在平面的接收屏形成与各所述平面图像对应的空间平面投影图像。

21、在其中一个实施例中，所述目标光场包括位于所述第一侧的第一平面图像合集和位于所述第二侧的第二平面图像合集，所述第一平面图像合集和所述第二平面图像合集都至少包含一幅平面图像；其中，任意两幅位于所述基准平面异侧的平面图像与所述基准平面之间的距离的差大于或等于50mm；所述成像结构在位于所述第一侧的光源照射下，在位于各所述第二平面图像集合所在平面的接收屏形成与各所述第二平面图像对应的第二空间平面投影图像；所述成像结构在位于所述第二侧的光源照射下，在位于各所述第一平面图像集合所在平面的接收屏形成与各所述第一平面图像对应的第一空间平面投影图像。

22、在其中一个实施例中，所述成像结构包括多个凹凸微纳结构，所述多个凹凸微纳结构的凹部深度小于或等于30µm，凸部宽度小于或等于500µm，凸部的坡度大于0°且小于或等于90°。

23、第二方面，本技术提供一种空间光场成像器件的制备方法，所述空间光场成像器件包括基材以及设于所述基材一侧的单层微纳结构，所述单层微纳结构包括具有目标相位分布图的成像结构，所述制备方法包括：

24、确定初始成像结构；其中，所述初始成像结构具有第一相位分布图；

25、确定目标光场经过所述初始成像结构于所述初始成像结构的成像面形成的目标中间像；其中，所述目标中间像具有第二相位分布图；

26、获取所述目标中间像逆向传播至透过所述初始成像结构时于所述初始成像结构的表面形成的第三相位分布图；

27、根据所述第一相位分布图和所述第三相位分布图确定所述成像结构的相位分布图；

28、至少将所述成像结构的相位分布图转移至模板，再通过所述模板对所述基材表面的成型材料进行转印或压印以形成所述空间光场成像器件。

29、上述制备方法，通过正向传播、逆向传播的光场计算方式去确定成像结构的相位分布，有利于消除目标光场的成像色差，提升成像品质，并可以该成像结构的相位分布为基础去形成相应的模板，进而通过该模板形成具备优异悬浮成像功能的空间光场成像器件；除此之外，单层微纳结构中成像结构制备时，无需使初始成像结构与微图文进行套准，可大大降低因套准误差导致的成像变形，有利于提升成像器件的成品率；同时上述制备方法相对于传统的莫尔成像结构可减少一层结构的制备，有利于降低成像器件的厚度，使成像器件更加平面化，进而有利于进一步制备转印膜或烫印膜，方便形成更多的应用，降低成像器件的制造成本。

30、在其中一个实施例中，所述获取所述目标中间像逆向传播至透过所述初始成像结构时于所述初始成像结构的表面形成的第三相位分布图，包括：获取所述目标中间像逆向传播至透过所述初始成像结构时的光程；根据所述第二相位分布图和所述光程确定所述第三相位分布图。

31、在其中一个实施例中，所述根据所述第一相位分布图和所述第三相位分布图确定所述成像结构的相位分布图，包括：将所述第一相位分布图与所述第三相位分布图相切或相与，得到所述成像结构的相位分布图。

32、在其中一个实施例中，所述单层微纳结构还包括非成像结构，所述至少将所述成像结构的相位分布图转移至模板，包括：获取所述非成像结构的相位分布图；将所述成像结构的相位分布图和所述非成像结构的相位分布图转移至所述模板。

33、在其中一个实施例中，所述目标光场包括目标图像，所述目标图像包括平面图像和立体图像中的至少一种，所述确定目标光场经过所述初始成像结构于所述初始成像结构的成像面形成的目标中间像，包括：矢量化所述目标图像；对矢量化的目标图像进行分层得到一个或多个切片图像；确定各所述切片图像经过所述初始成像结构于所述初始成像结构的成像面形成的切片图像中间像；将各所述切片图像中间像叠加得到所述目标中间像。

34、在其中一个实施例中，所述目标光场包括至少两幅平面图像，所述初始成像结构包括至少两种不同焦距的初始成像单元，每幅所述平面图像对应一种焦距的初始成像单元。

35、第三方面，本技术提供一种产品，包括目标材料，以及与所述目标材料贴合的如前文任一实施例所述的制备方法制得的空间光场成像器件；其中，所述目标材料包括纸基、玻璃、金属、塑料、纺织物中的至少一种。

36、上述产品，通过在目标材料表面贴合前文所述的空间光场成像器件，有利于通过形成“消色差”的、清晰度更高的图像，进而为目标材料所属的产品提供优异的防伪功能。