立體印刷專利技術綜述

呂玉彬

（國家知識產(chǎn)權局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇蘇州215011）

立體印刷專利技術綜述

呂玉彬

（國家知識產(chǎn)權局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇蘇州215011）

對立體印刷技術的專利申請進行分析，從柱鏡光柵和球面光柵兩個分支闡述了立體印刷的專利發(fā)展趨勢。

立體印刷；柱鏡；球面；光柵

引言

立體印刷是指用印刷工藝實現(xiàn)在平面上表現(xiàn)三維立體效果的印刷復制技術，其也被稱為3D印刷。立體印刷的應用領域已擴大到商業(yè)印刷、包裝、廣告、商標防偽等多個方面，成為印刷領域的一個重要分支［1］。

立體印刷是基于人眼視覺上的差異（左右兩眼的觀察角度不同，使得左右兩眼所看到的物體圖像就會產(chǎn)生差異，即視差）產(chǎn)生遠近感的原理［2］，對二維平面圖像進行處理，利用光學成像原理獲得三維視覺效果的特種印刷。其是利用光柵材料將計算機或光學合成的特種視覺效果圖陣/列及立體圖像陣/列進行特定的同步排列，通過眼睛的視差獲得立體效果的方法。

1　立體印刷專利技術發(fā)展趨勢

立體印刷技術源于視差理論、攝影技術和光柵成像技術的結合。根據(jù)成像原理的不同，立體印刷中應用的透鏡光柵分為柱鏡光柵和球面光柵（也稱矩陣式光柵）。而由于柱鏡光柵的制備技術更為成熟，其應用較球面光柵更為廣泛。

1.1柱鏡光柵的使用

柱鏡光柵成像是根據(jù)透鏡折射原理實現(xiàn)圖像的立體再現(xiàn)。柱鏡光柵是由許多柱面透鏡組成的透明塑料板，其表面的光柵線條由許多結構參數(shù)和性能完全相同的小半圓柱透鏡線性排列組成，其背面是平面，為柱透鏡元的焦平面，每個柱透鏡元相當于匯聚透鏡，起聚光成像的作用。因此，可以利用在不同視點上獲取的二維影像來重建原空間物體的三維模型，用它制作的立體圖像不需要背光源或立體眼鏡就能正常觀看。

最初，隨著柱鏡光柵成像技術制作立體圖片技術的出現(xiàn)，美國、日本一些公司開始對這一技術進行了研發(fā)，US5330799A中采用UV固化樹脂形成透鏡，并且使立體圖像印刷在透鏡背面的焦點處的基材上，以實現(xiàn)立體成像；日本三菱公司在專利JPH06282019A中通過在透鏡后面有一層染料接收層，通過熱轉移的方式將圖像轉移到該層上以實現(xiàn)立體成像；而日本佳能公司在專利JPH07281327A中通過在透鏡后面采用噴墨打印的方式形成立體圖像。

后來，怎樣實現(xiàn)高精度的立體印刷成為了人們需要解決的技術問題，為了保證立體印刷的精度，各個公司采用了一系列的技術手段。如，在JPH07219084A中，其通過對光柵和立體圖像套準進行實時監(jiān)控，從而保證二者的精確對位；JPH0890896A中采用了單次印刷形成立體圖像，避免多次印刷造成精度的不準確；在JPH0924631A中通過設置帶有齒輪的輪軸，以實現(xiàn)光柵板在打印過程中的精確輸送，從而保證精確對位。

國內(nèi)最早的立體印刷的專利申請是CN1067612A，其使A、B兩個圖案，經(jīng)分割后，合在一起與柱鏡體蒙合，每個柱鏡體下，有A、B兩個圖案的一部分，即將印刷圖案分割成若干個格，每兩個格的寬度為柱鏡體的寬度。改變柱鏡板的角度，可分別見到兩個不同的圖案。在CN1546323A中，其設計一種立體圖像，在印刷好的基材上有一層錯網(wǎng)圖案層，印刷好的基材上的左右二邊或上下左右四邊與光柵塑料基材的邊相對應粘合，光柵塑料基材上設有光柵條紋區(qū)域，印刷好的基材與光柵塑料基材上的光柵條紋保持一定的間隔距離，兩種材質(zhì)上的光柵條紋疊加在一起構成動態(tài)或錯網(wǎng)的立體圖像。在國內(nèi)也出現(xiàn)了通過提高定位精度以提高立體效果的技術手段，如CN102529422A，其通過定位模塊控制光柵結構的移動，從而實現(xiàn)高精度的對位。

而在普通的柱鏡光柵立體印刷的過程中，存在著將光柵板與立體圖像層貼合這樣一個步驟，而該步驟經(jīng)常由于貼合精度達不到技術要求，而成為柱鏡光柵發(fā)展的一個瓶頸。隨著技術的不斷改進，出現(xiàn)了一些減少工序、無粘合、提高生產(chǎn)效率的專利技術。如在專利JP2001-255606A、CN101301830A中，采用了光柵層直接打印而成的技術方案；在CN101104347A、JP2002-90919A和JP2003-191666A中，采用了光柵層模壓而成的技術方案；以及在CN1257014 A的光柵層涂布而成、CN1583415A的光柵層印刷而成的技術方案。另外，還有一種解決方式是直接在光柵板的背部直接打印，如JP2007-233105A、CN102632719A，其通過實時計算光柵位置，實現(xiàn)智能控制打印頭的移動，有效提高光柵與立體圖像的匹配成功率，其直接在光柵材料背部打印，避免了印后加工需要將光柵與紙張粘合步驟，降低了生產(chǎn)成本。

1.2球面光柵的使用

由于柱鏡光柵形成的立體圖像，其通過左右眼的影像各自印在半圓柱形透鏡的背面，柱形透鏡的光學折射令印刷物產(chǎn)生單方向的視差，從而產(chǎn)生立體圖像，當左右眼同時觀看柱形透鏡的正面，立體影像便能顯現(xiàn)于透鏡層的上表面或下表面?；谝陨锨闆r，柱形透鏡所顯示的立體影像只能從單一方向觀看，所以柱形透鏡所產(chǎn)生的立體影像的可視角度是有限制的，而且立體圖像欠缺連續(xù)性，立體效果不佳。另外，柱形透鏡要顯示立體影像必須使人眼與透鏡表面形成一個特定的夾角才可以顯示較為明顯的立體影像。

由上可知，柱形微透鏡作為光柵，造成立體光柵校對技術難度非常大，而立體光柵校對技術是否合理直接決定了立體印刷產(chǎn)品的質(zhì)量好壞，也是立體印刷成敗的關鍵步驟。因此，柱形微透鏡作為光柵在技術上存在著一定的限制。

球面光柵也叫點陣式全像立體光柵或矩陣式光柵，制作出的圖像從上下、左右觀看，都能獲得立體感，是一種新型的立體表現(xiàn)方式［3］。矩陣式光柵的制作材料、觀看方式、制作工藝不同于柱鏡光柵，其表面是矩陣式排列的小凸透鏡。

球面光柵由于其微透鏡是半球面狀，能為影像產(chǎn)生多角度的視差，因此立體影像能于多角度顯現(xiàn)，并且立體影像連續(xù)性好，不會出現(xiàn)跳變點，所以有極高的防偽性能。該球狀光柵首先在US4892336A中得到使用，其用于文件中以提供防偽措施的安全線，其一側上具有印刷圖案而另一側上具有與印刷圖案配合的球面透鏡。在US5712731A中，其包含與實質(zhì)球面微透鏡陣列耦合的微影像陣列。透鏡也可為散光透鏡。每一透鏡典型地為50-250微米且典型地具有200微米的焦距。

這些專利文獻的出現(xiàn)，提高了安全文件的防偽性能，但其中使用的透鏡具有相當?shù)暮穸?，會不適用于證件的認證。后來在專利US 2005/0180020Al及US 2008/0037131Al中，進一步擴展了依據(jù)上述微光學原理制作的安全器件范圍，將微凸透鏡口徑減小至20～30微米，焦距小于50微米，間隔層厚度小于50微米，微圖形層具有多變的復雜排布，可以是透明、半透明、熒光、磷光、染、光變顏料等，并提出了若干基于反射工作模式的結構。

對于微透鏡的制備方法，目前采用較多的一般為熱壓模成型法或者是微噴打印法，而熱壓模成型法的制模工序比較復雜，而且制備成的模已經(jīng)固定大小，不能隨意調(diào)控；微噴打印法制備的微透鏡晶體精度高，適合精度要求高的電子元器件使用，但是其制備時是通過單個微透鏡逐個打印的，速度慢，成本高，單次只能打印幾平方厘米大小的微透鏡陣列。CN103342060A、CN103267991A、DE102011012308 A1中采用了絲網(wǎng)印刷這一傳統(tǒng)工藝進行工藝改進，制備出透明的微透鏡晶體，相比熱壓模法或微噴打印法，具有工藝簡單，操作簡便，可通過選擇不同絲網(wǎng)的網(wǎng)孔而制備出不同大小的微透鏡。

2　結語

本文針對立體印刷的專利申請進行了分析，通過以上分析可以看出，近年來以柱鏡光柵和球面光柵兩種透鏡光柵形成立體圖像的立體印刷應用越來越廣泛，而我國關于立體印刷的研究出現(xiàn)逐年增長的趨勢，對于我國的立體印刷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，相關企業(yè)應當始終堅持對立體印刷相關技術研發(fā)的高度重視，盡可能地開發(fā)自主知識產(chǎn)權的立體印刷技術，并建立起有效的專利保護體系。

［1］史瑞芝.光柵立體印刷技術綜述［J］.中國印刷與包裝研究，2009（5）:1-9.

［2］薛延學，張二虎.基于計算機視覺的印刷包裝品缺陷檢測系統(tǒng)［J］.包裝工程，2004，25（5）:185-187.

［3］謝俊國，周永明，于丙濤.基于微透鏡陣列實現(xiàn)全真立體顯示技術的研究［J］.中國體視學與圖像分析，2008，13（1）:42-46.

（編輯：王璐）

Review of Patent Technology on Three-Dimensional Printing

Lv Yubin
（Patent Examination Cooperation Jiangsu Center of the Patent Office，SIPO，Suzhou Jiangsu 215011）

This paper analyzes patent application of the three-dimensional printing technology and indicates its development trend from two branches of lenticular grating and spherical grating.

three-dimensional printing；lenticular grating；spherical grating

TS805

A

2095-0748（2016）10-0082-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.10.34

2016-04-15

呂玉彬（1987—），男，山東德州人，碩士研究生，畢業(yè)于北京印刷學院，研究實習員，現(xiàn)就職于國家知識產(chǎn)權局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，研究方向：印刷裝置及印刷工藝。