專利名稱：一種消色差變色銀衍射圖像的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種消色差變色銀衍射圖像的實現(xiàn)方法，具體涉及采用一種二元位相元件作為分束器，其衍射光場干涉形成具有條形散斑的光點，這種條形散斑位相結(jié)構(gòu)，對光的遠場衍射是一個消色差的狹縫形狀，不同取向條形散斑可構(gòu)成變色銀衍射圖像。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，激光彩虹轉(zhuǎn)移材料已逐步成為一種重要的印刷、包裝、外觀裝飾材料。通過數(shù)字化控制的干涉光點記錄，可形成變化復(fù)雜的衍射光變圖像，由此制備的激光圖像材料具有彩虹效果，絢麗多彩，其顏色分布和圖形均隨著觀察位置的變化而改變。
然而，在一些應(yīng)用場合，人們并不需要絢麗多彩的彩虹效果，而是需要光線色調(diào)的改變形成的效果，即由同一個顏色的不同色調(diào)構(gòu)成圖像。例如，銀色是一種常用的色調(diào)，許多產(chǎn)品，如手機、電腦、冰箱、洗衣機等電器產(chǎn)品，甚至一些桌椅等產(chǎn)品均采用銀色作為外裝飾顏色，現(xiàn)有的這些銀色裝飾，是采用噴涂的方式制作到部件外表面上的，可以營造出一種金屬的感覺。
噴涂工藝是一種常用的外觀裝飾方法，但是，在環(huán)保上存在問題。例如，汽車噴涂一直是汽車行業(yè)生產(chǎn)過程中對環(huán)境污染最大的一個環(huán)節(jié)，每年產(chǎn)生7千萬磅油漆揮發(fā)物，需要用各種昂貴的手段去收集處理，部分被直接排放到大氣中；另外有二千四百萬磅在噴涂車間中被收集的廢油漆被混合到淤泥里并掩埋到垃圾填埋場中造成污染。
所以，希望通過激光微光刻的方法，產(chǎn)生一種消色差的衍射圖像，在光線照射下，具有光學(xué)可變的變色銀效果，在制成變色銀轉(zhuǎn)移材料后，替代現(xiàn)有的銀色噴涂工藝，解決環(huán)保問題。
原理上，要實現(xiàn)非彩色光變圖像，首先要獲得實現(xiàn)消色散的光學(xué)方法。一種實現(xiàn)消色散光變圖像的方案是使用定向散斑(條形散斑)結(jié)構(gòu)，不同取向條形散斑可構(gòu)成變色銀衍射圖像。現(xiàn)有技術(shù)中，制作條形散斑的技術(shù)手段不多，常使用柱形細光束照明毛玻璃，在遠場產(chǎn)生條形散斑，用同軸平行參考光記錄材料記錄條形散斑場并形成浮雕位相結(jié)構(gòu)，這種散斑位相結(jié)構(gòu)對照明光形成定向衍射，在遠場產(chǎn)生消色散的狹縫光場，在狹縫光場上觀察，光強最亮。但是，該方案產(chǎn)生的條形散斑的顆粒度很大，同時需要圖形掩膜，不利于精密光變圖像的制作。
如果能實現(xiàn)一種新的定向散斑結(jié)構(gòu)的制作方法，使之能適用于精密光變圖像的制作，將有利于消色散光變圖像的工業(yè)化應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種消色差變色銀衍射光變圖像的制作方法，用于制作變色銀衍射圖像的母板，以實現(xiàn)精密光變圖像的制作，從而獲得可用作包裝、裝飾材料的變色銀激光轉(zhuǎn)移材料。本發(fā)明同時提供采用該方法制作消色差變色銀衍射光變圖像的裝置。
為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種消色差變色銀衍射圖像的制作方法，包括下列步驟(1)制備一種二元光學(xué)元件，它是純位相衍射光學(xué)元件，其遠場衍射光場是一條狹縫；(2)構(gòu)建一個4F光學(xué)系統(tǒng)，激光光源發(fā)出的光經(jīng)準直處理和光闌后作為入射光，在4F光學(xué)系統(tǒng)的像平面位置放置記錄材料，將步驟(1)獲得的二元光學(xué)元件放置在其變換平面上，作為分束元件，使得入射光被分成兩個條形光場，經(jīng)透鏡組成像后，在記錄材料表面形成一個散斑干涉圖像單元，其中，所述4F光學(xué)系統(tǒng)的前焦距大于后焦距，在像平面上獲得的是光闌的縮小像；(3)根據(jù)所需獲得的衍射圖像，確定各個散斑干涉圖像單元的取向，改變光學(xué)系統(tǒng)與記錄材料的相對位置，根據(jù)圖像單元的對應(yīng)的取向轉(zhuǎn)動所述二元光學(xué)元件，在記錄材料上分別記錄對應(yīng)的條形散斑干涉圖像單元，直至整個衍射圖像記錄完畢，即獲得消色差變色銀衍射圖像。
上述技術(shù)方案中，在所述4F光學(xué)系統(tǒng)的入射光光路上的光闌，是一個可調(diào)大小的矩形光闌。
一種消色差變色銀衍射圖像的制作裝置，包括干涉型光學(xué)頭、運動平臺和控制系統(tǒng)，所述干涉型光學(xué)頭由光源、光束整形系統(tǒng)和干涉系統(tǒng)構(gòu)成，光源發(fā)出的激光經(jīng)光束整形系統(tǒng)整形后由干涉系統(tǒng)進行分光干涉，干涉型光學(xué)頭和運動平臺間可以作X、Y兩維相對運動，所述的干涉系統(tǒng)的分光前光路和分光后光路構(gòu)成縮微的4F系統(tǒng)，在4F系統(tǒng)的變換平面上，放置有一個二元光學(xué)元件，所述二元光學(xué)元件的遠場衍射光場是一條狹縫，所述二元光學(xué)元件位于一可控轉(zhuǎn)臺上，所述光束整形系統(tǒng)包括可調(diào)矩形光闌和透鏡組。
進一步的技術(shù)方案，所述光源采用短相干長度的激光器，相干長度小于0.5毫米。
上述技術(shù)方案中，二元光學(xué)元件的設(shè)計可以采用成熟的標量衍射理論，目前有多種算法可以采用，例如采用GS迭代算法。
具有消色差特性的二元光學(xué)元件的設(shè)計與制作方法如下算法的實質(zhì)是已知輸入光場和輸出光場，求解二元位相分布問題。用傅立葉迭代算法(Iterative Fourier Transform Algorithm，IFTA)優(yōu)化算法如下將二元光學(xué)元件(衍射光學(xué)元件)的位相函數(shù)值U(u，v)進行傅立葉變換，在像平面得到再現(xiàn)象的場分布F(x，y)，為了使再現(xiàn)象不斷逼近目標圖像，保持再現(xiàn)象的位相分布不變，用目標圖像的振幅分布B(x，y)來代替再現(xiàn)像的振幅分布|F(x，y)|；將經(jīng)過修正后的再現(xiàn)像的場分布做逆傅立葉變換，得到衍射光學(xué)元件面的場分布f(x，y)；由于所設(shè)計的是純位相衍射光學(xué)元件，其振幅為1，保持元件的位相分布不變，用入射光的振幅A(u，v)來代替|f(x，y)|。
為獲得遠場衍射光場是一條狹縫的二元光學(xué)元件，設(shè)目標振幅分布為 其中，a為目標狹縫x方向的半寬度，b為狹縫中心距原點的距離。通過20-40次的迭代計算后得到具有兩位相臺階的二元位相角分布φ(u，v)，位相臺階為{0，π}，再現(xiàn)光場可表示為，F(xiàn){exp[iφ(u,v)]}=rect(x-b2a)+rect(x+b2a)---(1)]]>附圖1中所示是一種狹縫光場，作為已知輸出光場F(x，y)，來逆向求解出二元位相φ(u，v)。我們通過多次迭代Fourier變換運算來計算二元位相結(jié)構(gòu)，計算獲得的φ(u，v)分布，如附圖2所示，其分布為一種條形的、具有定向衍射特點的位相結(jié)構(gòu)，若將該分布直寫到光刻膠上，其浮雕微結(jié)構(gòu)的透過率為，t(u，v)∝exp[iφ(u，v)](2)一般地，二元光學(xué)元件的最小位相單元尺寸大于使用波長，因此，采用標量波理論來計算元件的衍射效率，一級衍射效率的定義為，Deff=Σ(x,y)∈ΩIr(x,y)/ΣxMΣyNIr(x,y)---(3)]]>式(3)中的分子是再現(xiàn)目標圖像內(nèi)Ω的光強，分母是整個再現(xiàn)光場的光強。白光照明時，在反射光方向觀察的光強分布為，I=∫∫∫|F[t(u,v)]|2dudvdλ=λ1∫∫∫|F[tn(u,v,λ1)]|2ndudvdn---(4)]]>其中λ1＝400nm，可見光波長λ為400nm～760nm，，設(shè)任意波長λ＝λ1n，dλ＝λ1dn，n積分限為1～1.84。式(4)的分布如附圖3所示，可以看出不同波長的衍射光被限制在一狹長范圍，雖然，同一個位相結(jié)構(gòu)對不同波長光的衍射效率不同，但衍射光仍表現(xiàn)出消色散白光。若以二元位相結(jié)構(gòu)作為光變圖像的組成部分，這樣的光變圖像便有消色散特征。
采用通過迭代Fourier變換運算來計算二元位相結(jié)構(gòu)分布φ(u，v)，見附圖2，二臺階位相結(jié)構(gòu)的再現(xiàn)光場如圖3所示。
經(jīng)過20-40次迭代Fourier變換運算，一級衍射總衍射效率為76％。制作時，槽形臺階深度h＝λ/[2(n-1)]，通過控制槽深，可使制作的二元光學(xué)元件的衍射效率＞60％。
由于上述技術(shù)方案運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點1.本發(fā)明將二元光學(xué)元件放置到雙光束激光干涉系統(tǒng)中的變換平面上，從而可以采用雙光束激光干涉來實現(xiàn)條形散斑制作，雙光束激光干涉是一種相對快捷的衍射圖像生成方法，在用來制作微米結(jié)構(gòu)圖形時，具有制作工藝簡單、速度快、加工成本低和面積大的優(yōu)點，因而，本發(fā)明能方便地制作消色差變色銀衍射圖像。
2.本發(fā)明的方法制作的圖像具有變色銀效果，隨著觀察方向的變化，被觀察的圖像的銀色色調(diào)將會改變，同時，消色差衍射光變圖像的制作方法可以和現(xiàn)有的彩虹型衍射光柵的制作方法相結(jié)合，形成具有變色銀和彩虹效果的新型衍射圖像，當用于包裝和裝飾材料時，可以替代現(xiàn)有的銀色噴涂技術(shù)而實現(xiàn)類似的金屬銀效果，以解決環(huán)保問題。


附圖1為獲得散斑位相分布的目標狹縫光場；附圖2為迭代傅立葉變換計算得到的散斑位相分布圖；附圖3為衍射后的可見光波段的定向遠場衍射光強分布示意圖；附圖4為二元散斑位相分布的衍射光場；附圖5為用于點陣消色散衍射圖像制作的干涉光刻系統(tǒng)示意圖；附圖6為干涉光學(xué)頭，在激光下的條形光場衍射附圖7為二臺階位相元件的衍射光場的示意圖。
附圖8為點陣光刻制作的5×5陣列的散斑結(jié)構(gòu)；附圖9為單光束直寫方法制作的散斑結(jié)構(gòu)；附圖10為不同取向的散斑位相結(jié)構(gòu)排列。
附圖11為光刻的變色銀光變圖像實例的照片；附圖12為本發(fā)明的消色散衍射圖像與其他彩虹效果圖像的鑲嵌組合。
其中[1]、激光光源；[2]、準直鏡；[3]、可變矩形光闌；[4]、物鏡；[5]、反射鏡；[6]、透鏡；[7]、分束元件；[8]、成像透鏡組；[9]、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)；[10]、平臺；[11]、記錄材料；[12]、工作平臺；[13]、TTL與功率控制的激光電源；[14、15]、運動控制系統(tǒng)；[16]、計算機。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述實施例一一種消色差變色銀衍射圖像的制作方法，包括下列步驟(1)制備一種二元光學(xué)元件，它是純位相衍射光學(xué)元件，其遠場衍射光場是一條狹縫；(2)構(gòu)建一個4F光學(xué)系統(tǒng)，激光光源發(fā)出的光經(jīng)準直處理和光闌后作為入射光，在4F光學(xué)系統(tǒng)的像平面位置放置記錄材料，將步驟(1)獲得的二元光學(xué)元件放置在其變換平面上，作為分束元件，使得入射光被分成兩個條形光場，經(jīng)透鏡組成像后，在記錄材料表面形成一個散斑干涉圖像單元，其中，所述4F光學(xué)系統(tǒng)的前焦距大于后焦距，在像平面上獲得的是光闌的縮小像；
(3)根據(jù)所需獲得的衍射圖像，確定各個散斑干涉圖像單元的取向，依次改變光學(xué)系統(tǒng)與記錄材料的相對位置，根據(jù)圖像單元的對應(yīng)的取向轉(zhuǎn)動所述二元光學(xué)元件，在記錄材料上分別記錄對應(yīng)的條形散斑干涉圖像單元，直至整個衍射圖像記錄完畢，即獲得消色差變色銀衍射圖像。
其中，在所述4F光學(xué)系統(tǒng)的入射光光路上的光闌，是一個可調(diào)大小的矩形光闌。
本實施例中，實現(xiàn)上述方法的制作裝置，包括干涉型光學(xué)頭、運動平臺和控制系統(tǒng)，所述干涉型光學(xué)頭由光源、光束整形系統(tǒng)和干涉系統(tǒng)構(gòu)成，光源發(fā)出的激光經(jīng)光束整形系統(tǒng)整形后由干涉系統(tǒng)進行分光干涉，干涉型光學(xué)頭和運動平臺間可以作X、Y兩維相對運動，所述的干涉系統(tǒng)的分光前光路和分光后光路構(gòu)成縮微的4F系統(tǒng)，在4F系統(tǒng)的變換平面上，放置有一個二元光學(xué)元件，所述二元光學(xué)元件的遠場衍射光場是一條狹縫，所述二元光學(xué)元件位于一可控轉(zhuǎn)臺上，所述光束整形系統(tǒng)包括可調(diào)矩形光闌和透鏡組。
具體的結(jié)構(gòu)，參見附圖5所示，根據(jù)光路方向，依次包括激光光源1、準直鏡2、可變矩形光闌3、物鏡4、反射鏡5和透鏡6構(gòu)成的分束前系統(tǒng)，相當于4F系統(tǒng)的分頻部分，分束元件7采用二元光學(xué)元件，起選頻作用，成像透鏡組8起合成作用，物鏡4的焦距大于透鏡組8的焦距，最終在工件表面上形成光闌的縮小像，分束元件7設(shè)置于轉(zhuǎn)臺上，由旋轉(zhuǎn)機構(gòu)9驅(qū)動轉(zhuǎn)動調(diào)整方向；整個干涉光學(xué)頭裝配在水平運動(X方向)的平臺10上，記錄材料11放置在工作平臺12(Y方向運動)上；另外包括TTL與功率控制的激光電源[13]、運動控制系統(tǒng)[14]、[15]和計算機[16]。對稱衍射光結(jié)構(gòu)干涉型光學(xué)頭的干涉是零光程差干涉。整個制作過程可以由計算機控制自動完成。
上述結(jié)構(gòu)中，通過光束整型，光闌檔掉部分邊緣光束，工件表面的光點內(nèi)的光強比較均勻，有利于微米級干涉條紋的均勻光刻。
其中的分束元件7是個二元光學(xué)元件，參見附圖2所示，它能將入射光分成兩個條形光場，如附圖6和附圖7所示，經(jīng)過透鏡組成像，在記錄材料表面上形成條形散斑干涉圖像，條形散斑的條紋結(jié)構(gòu)是“分束元件”表面位相結(jié)構(gòu)條紋空間頻率的2倍。
由于干涉光學(xué)頭具有零光程差干涉特性，為了得到對比度更好的正交干涉條紋，所以，本實施例中，可以采用短相干長度的激光器，使得兩個條形狹縫的對稱光點參與干涉，減小條形狹縫內(nèi)部產(chǎn)生互相干。這類激光器有半導(dǎo)體激光器(blue laser，405nm)和紫外輸出的半導(dǎo)體泵浦的固體激光器(DPSSL，351nm或355nm)，相干長度一般小于0.5mm。
采用圖5的干涉光刻系統(tǒng)制作消色差衍射圖像，用二元光學(xué)元件的條形光場干涉，獲得具有條形散斑位相結(jié)構(gòu)的方型光點，逐點連續(xù)曝光運行后得到大面積的消色差衍射圖像。如果激光器的輸出功率為60mW，干涉光點的尺寸為20微米-160微米，單正交干涉光點的曝光時間為1ms以下，這樣，記錄過程中的穩(wěn)定性要求大大下降?？刂聘缮婀饪滔到y(tǒng)的連續(xù)運行，逐點光刻出點陣消色差衍射圖像，最終可形成大幅面母板。
將母板通過電鑄方法，制成金屬鎳版，在PET或BOPP薄膜上模壓出浮雕槽形，鍍鋁后形成具有變色銀效果的消色差衍射圖像。
本實施例中，分束元件7的±1級衍射光場經(jīng)透鏡組8，最終在光刻膠面由兩狹縫光場干涉，形成具有條形散斑的方形光點。
若方光點內(nèi)散斑的取向相同，光點尺寸為160μm×160μm，共5×5的點陣，記錄后得到的結(jié)構(gòu)如附圖8所示；采用紫外輸出的半導(dǎo)體泵浦的固體激光器逐點曝光方式光刻該圖形需要的時間不到0.1秒。若采用單光束直寫的方法制作相同面積的散斑分布結(jié)構(gòu)，如圖9，至少需要10秒?？梢姡帽景l(fā)明的方法光刻制作消色散圖像，比單光束光刻時間大大縮短。
實施例二通過控制圖4中的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)9，可以記錄不同取向的散斑結(jié)構(gòu)，參見附圖10所示，不同取向的散斑結(jié)構(gòu)的衍射狹縫的取向不同，因此使得光刻的圖像具有光變的效果，即本專利中提到的變色銀光變圖像。圖11是光變圖像的實物照片圖。
實施例三更換圖4中的分束元件7，可以制作不同效果的光變圖像。例如，分束元件為一維光柵時，光刻的圖像具有彩虹效果；分束元件為正交光柵時，光刻的圖像在二維方向同時具有彩虹效果(行業(yè)中稱為正交素面彩虹)；分束元件為二元位相光柵時，光刻的圖像具有變色銀效果。因此，若光刻彩虹效果和變色銀效果相結(jié)合的新型光變圖像，僅需要更換不同的分束元件。由于更換位相元件不影響光點的位置，因此，上述方法可以實現(xiàn)消色差衍射圖像與彩虹衍射光變圖像的任意鑲嵌結(jié)合。其圖形參見附圖12所示。
權(quán)利要求
1.一種消色差變色銀衍射圖像的制作方法，其特征在于，包括下列步驟(1)制備一種二元光學(xué)元件，它是純位相衍射光學(xué)元件，其遠場衍射光場是一條狹縫；(2)構(gòu)建一個4F光學(xué)系統(tǒng)，激光光源發(fā)出的光經(jīng)準直處理和光闌后作為入射光，在4F光學(xué)系統(tǒng)的像平面位置放置記錄材料，將步驟(1)獲得的二元光學(xué)元件放置在其變換平面上，作為分束元件，使得入射光被分成兩個條形光場，經(jīng)透鏡組成像后，在記錄材料表面形成一個散斑干涉圖像單元，其中，所述4F光學(xué)系統(tǒng)的前焦距大于后焦距，在像平面上獲得的是光闌的縮小像；(3)根據(jù)所需獲得的衍射圖像，確定各個散斑干涉圖像單元的取向，改變光學(xué)系統(tǒng)與記錄材料的相對位置，根據(jù)圖像單元的對應(yīng)的取向轉(zhuǎn)動所述二元光學(xué)元件，在記錄材料上分別記錄對應(yīng)的條形散斑干涉圖像單元，直至整個衍射圖像記錄完畢，即獲得消色差變色銀衍射圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消色差變色銀衍射圖像的制作方法，其特征在于在所述4F光學(xué)系統(tǒng)的入射光光路上的光闌，是一個可調(diào)大小的矩形光闌。
3.一種消色差變色銀衍射圖像的制作裝置，包括干涉型光學(xué)頭、運動平臺和控制系統(tǒng)，所述干涉型光學(xué)頭由光源、光束整形系統(tǒng)和干涉系統(tǒng)構(gòu)成，光源發(fā)出的激光經(jīng)光束整形系統(tǒng)整形后由干涉系統(tǒng)進行分光干涉，干涉型光學(xué)頭和運動平臺間可以作X、Y兩維相對運動，其特征在于所述的干涉系統(tǒng)的分光前光路和分光后光路構(gòu)成縮微的4F系統(tǒng)，在4F系統(tǒng)的變換平面上，放置有一個二元光學(xué)元件，所述二元光學(xué)元件的遠場衍射光場是一條狹縫，所述二元光學(xué)元件位于一可控轉(zhuǎn)臺上，所述光束整形系統(tǒng)包括可調(diào)矩形光闌和透鏡組。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的消色差變色銀衍射圖像的制作裝置，其特征在于所述光源采用短相干長度的激光器，相干長度小于0.5毫米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種消色差變色銀衍射圖像的制作方法，包括下列步驟(1)制備一種二元光學(xué)元件，其遠場衍射光場是一條狹縫；(2)構(gòu)建一個4F光學(xué)系統(tǒng)，將步驟(1)獲得的二元光學(xué)元件放置在其變換平面上，作為分束元件，使得入射光被分成兩個條形光場，經(jīng)透鏡組成像后，在記錄材料表面形成一個散斑干涉圖像單元；(3)改變光學(xué)系統(tǒng)與記錄材料的相對位置，在記錄材料上分別記錄對應(yīng)的條形散斑干涉圖像單元，獲得消色差變色銀衍射圖像。本發(fā)明同時提供了實現(xiàn)該方法的裝置。本發(fā)明提供了一種簡單、快速、成本低、加工面積大的條形散斑制作方法，使消色差變色銀衍射圖像進入實用，可以替代現(xiàn)有的銀色噴涂技術(shù)而實現(xiàn)類似的金屬銀效果，以解決環(huán)保問題。
文檔編號G02B27/42GK1834731SQ20061003841
公開日2006年9月20日 申請日期2006年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月16日
發(fā)明者周小紅, 陳林森, 魏國軍, 邵潔, 解正東, 解劍鋒, 毛利華 申請人:蘇州大學(xué), 蘇州蘇大維格數(shù)碼光學(xué)有限公司