立体印刷专利技术综述

吕玉彬

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏苏州215011）

立体印刷专利技术综述

吕玉彬

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏苏州215011）

对立体印刷技术的专利申请进行分析，从柱镜光栅和球面光栅两个分支阐述了立体印刷的专利发展趋势。

立体印刷；柱镜；球面；光栅

引言

立体印刷是指用印刷工艺实现在平面上表现三维立体效果的印刷复制技术，其也被称为3D印刷。立体印刷的应用领域已扩大到商业印刷、包装、广告、商标防伪等多个方面，成为印刷领域的一个重要分支［1］。

立体印刷是基于人眼视觉上的差异（左右两眼的观察角度不同，使得左右两眼所看到的物体图像就会产生差异，即视差）产生远近感的原理［2］，对二维平面图像进行处理，利用光学成像原理获得三维视觉效果的特种印刷。其是利用光栅材料将计算机或光学合成的特种视觉效果图阵/列及立体图像阵/列进行特定的同步排列，通过眼睛的视差获得立体效果的方法。

1　立体印刷专利技术发展趋势

立体印刷技术源于视差理论、摄影技术和光栅成像技术的结合。根据成像原理的不同，立体印刷中应用的透镜光栅分为柱镜光栅和球面光栅（也称矩阵式光栅）。而由于柱镜光栅的制备技术更为成熟，其应用较球面光栅更为广泛。

1.1柱镜光栅的使用

柱镜光栅成像是根据透镜折射原理实现图像的立体再现。柱镜光栅是由许多柱面透镜组成的透明塑料板，其表面的光栅线条由许多结构参数和性能完全相同的小半圆柱透镜线性排列组成，其背面是平面，为柱透镜元的焦平面，每个柱透镜元相当于汇聚透镜，起聚光成像的作用。因此，可以利用在不同视点上获取的二维影像来重建原空间物体的三维模型，用它制作的立体图像不需要背光源或立体眼镜就能正常观看。

最初，随着柱镜光栅成像技术制作立体图片技术的出现，美国、日本一些公司开始对这一技术进行了研发，US5330799A中采用UV固化树脂形成透镜，并且使立体图像印刷在透镜背面的焦点处的基材上，以实现立体成像；日本三菱公司在专利JPH06282019A中通过在透镜后面有一层染料接收层，通过热转移的方式将图像转移到该层上以实现立体成像；而日本佳能公司在专利JPH07281327A中通过在透镜后面采用喷墨打印的方式形成立体图像。

后来，怎样实现高精度的立体印刷成为了人们需要解决的技术问题，为了保证立体印刷的精度，各个公司采用了一系列的技术手段。如，在JPH07219084A中，其通过对光栅和立体图像套准进行实时监控，从而保证二者的精确对位；JPH0890896A中采用了单次印刷形成立体图像，避免多次印刷造成精度的不准确；在JPH0924631A中通过设置带有齿轮的轮轴，以实现光栅板在打印过程中的精确输送，从而保证精确对位。

国内最早的立体印刷的专利申请是CN1067612A，其使A、B两个图案，经分割后，合在一起与柱镜体蒙合，每个柱镜体下，有A、B两个图案的一部分，即将印刷图案分割成若干个格，每两个格的宽度为柱镜体的宽度。改变柱镜板的角度，可分别见到两个不同的图案。在CN1546323A中，其设计一种立体图像，在印刷好的基材上有一层错网图案层，印刷好的基材上的左右二边或上下左右四边与光栅塑料基材的边相对应粘合，光栅塑料基材上设有光栅条纹区域，印刷好的基材与光栅塑料基材上的光栅条纹保持一定的间隔距离，两种材质上的光栅条纹叠加在一起构成动态或错网的立体图像。在国内也出现了通过提高定位精度以提高立体效果的技术手段，如CN102529422A，其通过定位模块控制光栅结构的移动，从而实现高精度的对位。

而在普通的柱镜光栅立体印刷的过程中，存在着将光栅板与立体图像层贴合这样一个步骤，而该步骤经常由于贴合精度达不到技术要求，而成为柱镜光栅发展的一个瓶颈。随着技术的不断改进，出现了一些减少工序、无粘合、提高生产效率的专利技术。如在专利JP2001-255606A、CN101301830A中，采用了光栅层直接打印而成的技术方案；在CN101104347A、JP2002-90919A和JP2003-191666A中，采用了光栅层模压而成的技术方案；以及在CN1257014 A的光栅层涂布而成、CN1583415A的光栅层印刷而成的技术方案。另外，还有一种解决方式是直接在光栅板的背部直接打印，如JP2007-233105A、CN102632719A，其通过实时计算光栅位置，实现智能控制打印头的移动，有效提高光栅与立体图像的匹配成功率，其直接在光栅材料背部打印，避免了印后加工需要将光栅与纸张粘合步骤，降低了生产成本。

1.2球面光栅的使用

由于柱镜光栅形成的立体图像，其通过左右眼的影像各自印在半圆柱形透镜的背面，柱形透镜的光学折射令印刷物产生单方向的视差，从而产生立体图像，当左右眼同时观看柱形透镜的正面，立体影像便能显现于透镜层的上表面或下表面。基于以上情况，柱形透镜所显示的立体影像只能从单一方向观看，所以柱形透镜所产生的立体影像的可视角度是有限制的，而且立体图像欠缺连续性，立体效果不佳。另外，柱形透镜要显示立体影像必须使人眼与透镜表面形成一个特定的夹角才可以显示较为明显的立体影像。

由上可知，柱形微透镜作为光栅，造成立体光栅校对技术难度非常大，而立体光栅校对技术是否合理直接决定了立体印刷产品的质量好坏，也是立体印刷成败的关键步骤。因此，柱形微透镜作为光栅在技术上存在着一定的限制。

球面光栅也叫点阵式全像立体光栅或矩阵式光栅，制作出的图像从上下、左右观看，都能获得立体感，是一种新型的立体表现方式［3］。矩阵式光栅的制作材料、观看方式、制作工艺不同于柱镜光栅，其表面是矩阵式排列的小凸透镜。

球面光栅由于其微透镜是半球面状，能为影像产生多角度的视差，因此立体影像能于多角度显现，并且立体影像连续性好，不会出现跳变点，所以有极高的防伪性能。该球状光栅首先在US4892336A中得到使用，其用于文件中以提供防伪措施的安全线，其一侧上具有印刷图案而另一侧上具有与印刷图案配合的球面透镜。在US5712731A中，其包含与实质球面微透镜阵列耦合的微影像阵列。透镜也可为散光透镜。每一透镜典型地为50-250微米且典型地具有200微米的焦距。

这些专利文献的出现，提高了安全文件的防伪性能，但其中使用的透镜具有相当的厚度，会不适用于证件的认证。后来在专利US 2005/0180020Al及US 2008/0037131Al中，进一步扩展了依据上述微光学原理制作的安全器件范围，将微凸透镜口径减小至20～30微米，焦距小于50微米，间隔层厚度小于50微米，微图形层具有多变的复杂排布，可以是透明、半透明、荧光、磷光、染、光变颜料等，并提出了若干基于反射工作模式的结构。

对于微透镜的制备方法，目前采用较多的一般为热压模成型法或者是微喷打印法，而热压模成型法的制模工序比较复杂，而且制备成的模已经固定大小，不能随意调控；微喷打印法制备的微透镜晶体精度高，适合精度要求高的电子元器件使用，但是其制备时是通过单个微透镜逐个打印的，速度慢，成本高，单次只能打印几平方厘米大小的微透镜阵列。CN103342060A、CN103267991A、DE102011012308 A1中采用了丝网印刷这一传统工艺进行工艺改进，制备出透明的微透镜晶体，相比热压模法或微喷打印法，具有工艺简单，操作简便，可通过选择不同丝网的网孔而制备出不同大小的微透镜。

2　结语

本文针对立体印刷的专利申请进行了分析，通过以上分析可以看出，近年来以柱镜光栅和球面光栅两种透镜光栅形成立体图像的立体印刷应用越来越广泛，而我国关于立体印刷的研究出现逐年增长的趋势，对于我国的立体印刷产业的发展，相关企业应当始终坚持对立体印刷相关技术研发的高度重视，尽可能地开发自主知识产权的立体印刷技术，并建立起有效的专利保护体系。

［1］史瑞芝.光栅立体印刷技术综述［J］.中国印刷与包装研究，2009（5）:1-9.

［2］薛延学，张二虎.基于计算机视觉的印刷包装品缺陷检测系统［J］.包装工程，2004，25（5）:185-187.

［3］谢俊国，周永明，于丙涛.基于微透镜阵列实现全真立体显示技术的研究［J］.中国体视学与图像分析，2008，13（1）:42-46.

（编辑：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

吕玉彬（1987—），男，山东德州人，硕士研究生，毕业于北京印刷学院，研究实习员，现就职于国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，研究方向：印刷装置及印刷工艺。