CN110703577B - 超表面彩色全息的制备方法及光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超表面彩色全息的制备方法，包括以像素结构或者像素分布为依据，将彩色目标物像分别分层提取获得相应的多层图层；根据多层图层分别获取各图层各自对应的微纳结构、微纳结构组合，并得到各层之间微纳结构以及微纳结构组合的变化关系；根据前述多层图层中任一层的微纳结构以及基色微纳结构组合，利用空间或/和位相调制的光刻，实现该图层的层内多像素微纳结构的同时制备；再依据各图层之间微纳结构以及微纳结构组合的变化关系，利用空间或/和位相实时调控，分时实现其余各层的微纳结构以及微纳结构组合的同时制备。本发明实现了多像素微纳结构的同时制备以及分层像素组合的分时制备，从而能实现彩色全息的大幅面快速制备。
Description
技术领域
本发明属于彩色全息成像系统技术领域，具体涉及一种超表面彩色全息的制备方法及光学系统。
背景技术
彩色全息是由计算机对分色全息图在频域进行数字调制及滤波，实现用各自对应的基色光再现物体，经合成后获得的原始真彩色物体像的方法，并且获得的再现像能很好地解决色串扰问题，消除了零级和共轭像的影响。
由于微纳结构的功能材料具有独特的光学性质，在能源、新材料、传感等领域有着重要的研究意义和应用价值，因此制备这种微纳结构的方法层出不穷。常用的制备全息的方式包括数字微镜和激光直写、电子束光刻、聚焦离子束刻蚀、干涉光刻等。电子束、离子束光刻技术由于需要串行写入，控制微纳结构参量变化效率比较低，且设备成本高，难以大幅面制作全息光栅；直写式的技术通过聚焦激光束在光敏感材料上扫描曝光，曝光速度很慢，时间长，一般用于制作小幅面的纳米结构；而干涉光刻技术作为目前性价比高的高效微纳米加工技术，在实验环境下应用很广泛，其制作的微纳结构参量由干涉光束的波长和夹角决定。但通常干涉光刻系统输出的结构光场空间频率固定，且结构以光栅、点阵等周期性结构为主，无法实现变参量图案结构的实时输出。例如，台湾大学微电子机械研究所和AHEAD光点公司合作开发了Sparkle系统，采用分束镜、反射镜分光系统，通过改变镜头的位置，使两束光在光刻胶版上形成大小不同的聚焦点，而绕轴旋转整个光学棱镜组可以改变光栅的取向，上下移动两个反射镜可以改变光栅点的空频，但其机械运动机构复杂，不利于光路稳定。美国的C.Newswanger提出(U.S.Patent5291317)利用光栅把激光光束分成正负一级两束光，利用聚焦透镜在记录材料上干涉形成光栅点，通过光学镜头可以改变光栅点的取向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超表面彩色全息的制备方法及光学系统，以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明公开了如下的技术方案：
本发明公开的超表面彩色全息的制备方法，包括：
A、以像素结构或者像素分布为依据，将彩色目标物像分别分层提取获得相应的多层图层；这里优选地可以以色调、饱和度、亮度或者RGB等为依据对彩色目标物像进行分层提取。
B、根据多层图层分别获取各图层各自对应的微纳结构、微纳结构组合，并得到各层之间微纳结构以及微纳结构组合的变化关系；
C、根据前述多层图层中任一层的微纳结构以及基色微纳结构组合，利用空间或/和位相调制的光刻，实现该图层的层内多像素微纳结构的同时制备；
D、再依据各图层之间微纳结构以及微纳结构组合的变化关系，在步骤C该图层的层内多像素微纳结构的基础上，利用空间或/和位相实时调控，分时实现其余各层的微纳结构以及微纳结构组合的同时制备。
本发明公开的超表面彩色全息的制备方法的一种改进，超表面彩色全息的制备方法还包括步骤E：依据至少一个目标微纳结构，其出射的关系经过空间或位相调制对微纳结构参量进行调控，从而输出全息图像。
本发明公开的超表面彩色全息的制备方法的一种改进，微纳结构与微纳结构组合的获取为：相干或部分相干入射光束，经过空间或/和位相调制在成像面成像，并在载体形成对应的微纳结构与微纳结构组合。
本发明公开的超表面彩色全息的制备方法的一种改进，调制为通过位相元件和/或空间滤波元件对入射的相干或部分相干光进行调制。
本发明公开的超表面彩色全息的制备方法的一种改进，位相元件对通过其的入射光的调制为通过平移和/或旋转实现。
本发明公开的实现超表面彩色全息的光学系统，包括光源、光路系统、成像单元，其中，
光源系统，用于提供相干或者部分相干的入射光束；
光路系统至少包括透镜组，用于将上述相干或者部分相干的光束经透镜组进行扩散、准直、调制；
成像/光刻系统，用于由光路系统输出的光线，获取全息图像或者目标微纳结构；至少包括用于成像的载体。
所述光源系统、光路系统以及成像/光刻系统顺次沿光路同轴设置。
本发明公开的实现超表面彩色全息的光学系统的一种改进，光路系统的透镜组包括第一透镜组、第二透镜组、位相元件或/和空间滤波器件，且所述第一透镜组或/和第二透镜组或/和位相元件或/和空间滤波器件在光轴上设置。
本发明公开的实现超表面彩色全息的光学系统的一种改进，位相元件置于第一透镜组和第二透镜组之间。
本发明公开的实现超表面彩色全息的光学系统的一种改进，光学系统还包括具有移动装置的样品平台，所述样品平台在光轴上设置且位于成像/光刻系统后方。该样品用品用于承载或者控制移动微调载体，如具有数字控制的伺服电机驱动的夹持具等。
本发明公开的实现超表面彩色全息的光学系统的一种改进，光学系统还包括监控系统，所述监控系统控制连接位相元件或/和空间滤波器件或/和样品平台的移动装置。
本发明涉及超表面彩色全息的制备方法的基本原理为：将拟实现的彩色全息超表面结构根据结构或像素分布等特点分类，再将具有相同或相似特征的像素结构按类别分层提取，然后利用空间或/和位相调制光刻实现同一层内多像素结构的同时制备；归纳各层之间的关联或变化，通过对空间或/和位相的动态调控，实现不同层之间多像素结构的分时制备。需要注意的是，分层提取时，可根据实现彩色全息的超表面组成结构特点分类，同一类/层内的结构相同或相似；还可根据实现彩色全息的超表面内像素的分布特点分类分层，同一类/层内的像素大小或像素分布相同或相似。以RGB三原色超表面彩色全息为例，可首先获得相应的R基色图层、G基色图层、B基色图层；根据R基色图层、G基色图层、B基色图层分别获取各图像各自对应的微纳结构、微纳结构组合，所述微纳结构、微纳结构组合包括：R基色微纳结构以及R基色微纳结构组合；G基色微纳结构以及G基色微纳结构组合；B基色微纳结构以及B基色微纳结构组合，再经过空间或/和位相调制的光刻系统实现R基色图层内多像素结构的图像，在光敏材料表面光刻获得目标结构的同时制备。在完成R基色图层的制备之后，再调控空间或/和位相，分时实现G和B基色图层的批量制备。
本发明公开的超表面彩色全息的制备方法，包括：
A、将彩色目标物像分别分层提取获得相应的R基色图层、G基色图层、B基色图层；
B、根据R基色图层、G基色图层、B基色图层分别获取各图像各自对应的微纳结构、微纳结构组合，所述微纳结构、微纳结构组合包括：R基色微纳结构以及R基色微纳结构组合；G基色微纳结构以及G基色微纳结构组合；B基色微纳结构以及B基色微纳结构组合；
C、根据层R基色微纳结构以及R基色微纳结构组合，利用空间或/与位相调制的光刻，实现层内多像素微纳结构的同时制备；
D、利用空间或/与位相实时调控，分时实现G基色微纳结构以及G基色微纳结构组合、B基色微纳结构以及B基色微纳结构组合的多像素同时制备。
本发明公开的超表面彩色全息的制备方法的一种改进，超表面彩色全息的制备方法还包括步骤E：依据至少一个目标微纳结构，其出射的关系经过空间或位相调制对微纳结构参量进行调控，从而输出全息图像。
本发明公开的超表面彩色全息的制备方法的一种改进，步骤B中微纳结构与微纳结构组合的获取为：相干或部分相干入射光束，经过空间或/和位相调制在成像面成像，并在载体形成对应的微纳结构与微纳结构组合。
本发明公开的超表面彩色全息的制备方法的一种改进，调制为通过位相元件和/或空间滤波元件对入射的相干或部分相干光进行调制。优选地，调制为通过光栅、二元光学器件或复杂微纳结构等位相元件和/或掩模、数字微镜器件DMD(Digital MicromirrorDevice)、空间光调制器SLM(Spatial Light Modulator)等空间滤波元件对通过该元件的激光进行调制。
本发明公开的超表面彩色全息的制备方法的一种改进，位相元件对通过其的入射光的调制可通过平移和/或旋转实现。
本发明公开的实现超表面彩色全息的光学系统，包括光源、光路系统、成像单元，其中，
光源系统，用于提供相干或者部分相干的入射光束；
光路系统至少包括透镜组，用于将上述等相干或者部分相干的光束经透镜组进行扩散、准直、调制；
成像/光刻系统，用于由光路系统输出的光线，获取全息图像或者目标微纳结构；
所述光源系统、光路系统以及成像/光刻系统顺次沿光路同轴设置。
优选地，超表面彩色光学系统，包括光源、光路系统、成像单元以及实时监控系统，其中，
光源系统，用于提供相干或者部分相干的入射/照明光束；光源系统还可包括快门等实时开关，实现入射光束照明时间的调控。
光路系统至少包括4F透镜组(4F光学透镜组)，用于将上述等相干或者部分相干的光束的扩束、准直、调制；优选地，光路系统的透镜组包括第一透镜组、第二透镜组、位相元件或/和空间滤波器件，所述第一透镜组、位相元件、第二透镜组沿光路在光轴上顺次设置，如采用空间滤波器件，其位置可根据需要灵活设置。进一步优选的，位相元件置于第一透镜组和第二透镜组之间。
成像/光刻系统，可包括双远心光路和微缩成像单元，用于由光路系统输出的光线，获取全息图像或者目标微纳结构；该系统还包括用以放置微纳结构载体的移动平台。
光源系统、光路系统以及成像/光刻系统顺次沿光路同轴设置，或可通过反射元件转轴设置。
实时监控系统至少能实现空间滤波器件、位相元件以及样品平台的实时调控。优选地，微纳结构制备载体置于样品平台上，且平台可实时运动。优选地空间滤波器件、位相元件以及样品平台的调控由实时监控系统完成。
本发明公开的超表面彩色光学系统的一种改进，光路系统的透镜组包括第一透镜组(也可以表示为第一透镜，下同)、第二透镜组(也可以表示为第二透镜，下同)、位相元件，第一透镜组第二透镜组沿光路在光轴上顺次设置，如使用位相元件，优选地，位相元件置于第一透镜组、第二透镜组之间。如使用空间滤波器件，其位置可根据需要自由设置。优选地，空间滤波器件可置于透镜组之前、第一透镜组焦平面以及第二透镜组焦平面等位置。
本发明公开的超表面彩色光学系统的一种改进，位相光栅活动设置于第一透镜组和第二透镜组之间。
具体地讲，本发明方案以高时分像素化干涉光刻系统制备像素化彩色全息光栅为例，将目标像素光栅按R、G、B像素分层提取，由微纳结构的参数特点，反演并计算出相应的位相元件微纳结构及其旋转角度和移动距离，由像素和其分层特点，反演并设计出相应的空间滤波器件的分布，并放置在制作像素全息的高时分像素化干涉光刻系统中。
通过控制位相元件的平移和/或旋转，可以对入射光进行调控，实现像素全息光栅微纳结构的结构组成、空频、取向的调控。通过空间滤波器件对入射光的调控，可以实现像素全息光栅的分层图案输出。通过空间滤波器件和位相元件的实时调控可以实现多像素微纳结构的同时制备以及分层像素组合的分时制备，使得制备彩色全息图具有效率高、造价低、易完成大幅面的结构制备等优点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请实施例公开一种超表面彩色全息的制备方法，采用高时分像素化干涉光刻系统制备像素化彩色全息光栅为例，通过将彩色全息分层提取，根据分层提取的微纳结构以及微纳结构的组合形式反演位相元件的结构及其组合形式。在此基础上，利用位相元件的平移、旋转、组合实现微纳结构参量的实时调控，利用空间滤波及其动态调控实现不同组合形式的像素图案实时输出，实现多像素微纳结构的同时制备以及分层像素组合的分时制备。
优选的，在上述发明方案中，高时分像素化干涉光刻系统，包括激光等相干或部分相干照明光源、快门、光扩散单元、准直单元、空间滤波器件、位相元件调制的4F透镜组、微缩成像单元、二维移动平台以及实时监控系统。
优选的，在上述发明方案中，分层提取指可根据微纳结构的参量特点分层提取。
优选的，在上述发明方案中，分层提取指可根据像素特点分层提取
优选的，在上述发明方案中，全息的微纳结构由位相元件调制入射光形成。
优选的，在上述发明方案中，全息的微纳结构由位相元件、空间滤波调制入射光形成。
优选的，在上述发明方案中，全息具有不同结构参量的微纳结构由位相元件平移和/或旋转和或组合形式变化调制形成。
优选的，在上述发明方案中，全息的具有不同结构参量的微纳结构由位相元件平移和/或旋转和或空间滤波组合调制形成。
优选的，在上述发明方案中，分层提取的像素组合利用空间滤波实现。
优选的，在上述发明方案中，分层提取的不同像素组合利用空间滤波的动态调控分时实现。
优选的，在上述发明方案中，4F光学系统(指包括前述4F透镜组的光学系统，下同)中，在光轴与后焦面交点处干涉时与空间过滤单元、4F光学系统和位相光栅的关系为：
r＝λf1F0
其中，r为空间过滤单元上位置距系统光轴的距离，f1为第一透镜的焦距，F0为位相光栅空频。
优选的，在上述发明方案中，4F光学系统中，
其中，F为干涉图案的空频，d为位相光栅与消0级光掩膜距离，F0为位相光栅空频，f2为第二透镜的焦距。
优选的，在上述发明方案中，
A＝af1/f2
其中，A为光阑上图案的高度，a为后焦面上图案的高度，f1为第一透镜的焦距，f2为第二透镜的焦距。
本发明是基于高时分像素化干涉光刻系统，实现大幅面空间变参量微纳结构的快速制备。所述高时分像素化干涉光刻系统包括激光等相干或部分相干照明光源、快门、光扩散单元、准直单元、空间滤波器件、位相元件调制的4F光路系统、微缩成像单元、二维移动平台以及实时监控系统；所述彩色全息按微纳结构的参量特点或像素特点分层提取组合，反演位相元件的结构及其组合形式，其中空间滤波器件、反演设计的位相元件组合方式多变，能够高效率的制备全息。彩色全息的微纳结构可由位相元件和/或空间滤波器件调制入射光形成，彩色全息的像素图案和分层组合可由空间滤波调制入射光形成，因此通过位相元件的平移、旋转、组合和/或空间滤波器件动态调控实现微纳结构空频、取向参量的实时调控，利用空间滤波及其动态调控可以实现不同组合形式的像素图案实时输出，最终实现多像素微纳结构的同时制备以及分层像素组合的分时制备，极大的提高了制备效率和制备面积。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为本发明具体实施例1中在系统的后焦面上形成微纳结构相同，像素图案不同的彩色全息分布目标结构示意图；
图2所示为本发明具体实施例1中能形成微纳结构相同，像素图案不同的R像素目标结构光阑示意图；
图3所示为的图a-c对应于本发明具体实施例1、2、3中用于形成超表面彩色全息的光路示意图；
图4所示为本发明具体实施例2中在后焦面上形成像素图案相同，微纳结构不同的像素全息图分布目标结构示意图；
图5所示为本发明具体实施例2中分层提取目标结构光栅、对应的设计光阑和最终成像面上的目标结构彩色全息图；
图6所示为本发明具体实施例3中在系统的后焦面上形成像素图案不同，微纳结构不同的目标结构彩色全息示意图；
图7所示为本发明具体实施例3中分层提取目标结构光栅、对应的设计光阑和最终成像面上的目标结构彩色全息图；
图8所示为本发明具体实施例4、5中用于形成超表面彩色全息图的光路示意图；
图9所示为本发明具体实施例4中分层提取目标结构光栅、对应的设计光阑和最终成像面上的目标结构彩色全息图；
图10所示为本发明具体实施例5中分层提取目标结构光栅、对应的设计光阑和最终成像面上的目标结构彩色全息图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
以下以RGB三原色的超表面彩色全息来说明本发明方案的创新之处，需要注意的是，并非将本方案仅仅限定在了RGB三原色分层实现的方式的范围内。
实施例一：在后焦面上形成微纳结构相同，像素图案不同的超表面彩色全息图制备，以R像素为例，其空频大小、光栅取向如图1所示。本实施例中所示的用于制备R像素目标结构光栅的超表面彩色全息图系统如图3a所示，在4F光学系统(焦距f1、f1、f2、f2，如图3所示)中，包括第一透镜(组)1，第二透镜(组)2和光波调制单元，所述光波调制单元包括位相光栅3和消0级光掩膜4，位相光栅3设置于第一透镜(组)1和消0级光掩膜4之间，位相光栅3可以通过位移变化，和/或旋转来实现对各子波面的光场调制，在系统的后焦面产生参数可调的光场分布，其中5表示4F光路系统的光轴。
该技术方案中，位相光栅的位移变化主要是通过沿光轴方向移动，也就是改变位相光栅与傅里叶面距离d的大小，获得R像素对应的微纳结构空频，即R像素全息图目标结构光栅。
在此基础上，设R像素全息图目标结构光栅的空频为F，位相光栅3与消0级掩膜4的距离为d，位相光栅3空频为F0，两透镜的焦距分别为f1、f2，则它们之间的关系是：
在本实施例中，所示制备超表面彩色全息图系统还包括如图2所示的光阑6，其中点阵区、空白区分别为光阑6的不透光与透光部分，图中中心点是经过系统中心的光轴5，r即为光阑6透光在后焦面中心处干涉时，距光轴5的距离，可用于标定其他光阑图案的位置。光阑6放置在4F光学系统的第一透镜(组)1(傅里叶变换透镜)之前，激光器发射的经扩束准直后的平行光，穿过光阑6的透光部分，入射到4F光学系统中，位相光栅置于两傅里叶变换透镜之间，会聚光经过位相光栅3后，正负一级衍射光作为两个相干点光源，发出的球面波经第二透镜2(傅里叶变换透镜)会聚后在系统像面发生干涉，产生目标结构光栅。其中，正负一级衍射光距系统光轴高度为h，光阑6上在光轴与后焦面交点出干涉时，位置距光轴距离为r，位相光栅3的取向与目标结构中光栅取向相同。如图2的光阑6上，R10、R11经过系统在后焦面上干涉形成图1中R1，R20、R21经过系统在后焦面上干涉形成图1中R2，R30、R31经过系统在后焦面上干涉形成图1中R3。且相对应的R10、R11，R20、R21和R30、R31它们中心的连线与位相光栅3的取向垂直，其与水平方向夹角为θ。近轴条件下利用光栅方程及图中几何关系可得出光在光轴与后焦面交点处干涉时与空间过滤单元、4F光学系统和位相光栅的关系为：
r＝λf1F0
其中，f1为第一透镜的焦距，F0为位相光栅空频。在近轴条件下，由位相元件对系统像平面干涉光场的调制原理以及光线传播特性的等效原理，反演推出光阑面上光阑分布：
A＝af1/f2
其中，A为光阑上图案的高度，a为后焦面上图案的高度，f1为第一透镜的焦距，f2为第二透镜的焦距。由此我们可以通过设计最终全息图大小、形状来推出光阑透光孔径的大小、形状，并通过r来设计透光孔径的相对位置。
在本实施例中，光阑3设置于第一透镜(组)1的前焦距f1范围内，其中点阵区、空白区分别为光阑3的不透光与透光部分，中心点表示经过系统的光轴5，r即为光阑6中光在光轴与后焦面交点处干涉时距光轴5的距离，θ表示对应的干涉光阑图案中心点连线与水平方向的夹角，其亦代表着为得到相应目标全息图的取向，位相光栅3(光栅水平平行为初始位置)竖直方向旋转的(θ-π/2)弧度，最终像素空频取向与水平方向夹角也为(θ-π/2)弧度。光阑6放置在4F光学系统的第一透镜(组)1(傅里叶变换透镜)之前，激光器发射的经扩束准直后的平行光，穿过光阑6的透光部分，入射到4F光学系统中，位相光栅置于两傅里叶变换透镜之间，会聚光经过位相光栅3后，正负一级衍射光作为两个相干点光源，发出的球面波经第二透镜2(傅里叶变换透镜)会聚后在系统像面发生干涉，产生目的光栅结构，此时位相光栅3的取向与目标结构中中光栅取向相同。
此时即可得到如图1所示的超表面彩色全息图的目标结构光栅。
实施例二：在后焦面上形成像素图案相同，微纳结构不同的目标结构超表面彩色全息图制备，如图4所示。采用分层提取R、G、B三像素目标结构方法获取超表面彩色全息图的制备，如为了得到如图4所示的“九宫格”的目标结构光栅，将目标结构分解为R、G、B三像素光栅全息图来制备，如图5所示。
本实施例中所示的用于制备像素目标结构光栅的超表面彩色全息图如图3b所示，在4F光学系统(焦距f1、f1、f2、f2)中，包括第一透镜(组)1，第二透镜(组)2和光波调制单元，所述光波调制单元包括位相光栅3和消0级光掩膜4，位相光栅3设置于第一透镜(组)1和消0级光掩膜4之间，位相光栅3可以通过位移变化，和/或旋转来实现对各子波面的光场调制，在系统的后焦面产生参数可调的光场分布，其中5表示4F光路系统的光轴。
该技术方案中，位相光栅的位移变化主要是通过沿光轴方向移动，也就是改变位相光栅与傅里叶面距离d的大小，由此可以获得R、G、B像素相对应的微纳结构空频。
在本实施例中，所示超表面彩色全息图还包括如图5所示的光阑6，其中点阵区、空白区分别为光阑6的不透光与透光部分，图中中心点是经过系统中心的光轴5，r即为光阑6透光在后焦面中心处干涉时，距光轴5的距离，可用于标定其他光阑图案的位置，与实施例1相同，光阑面上相对应的透光部分经过系统在成像面上干涉成目标结构像。θ表示对应的干涉光阑图案中心点连线与水平方向的夹角，其亦代表着为得到相应目标全息图的取向，位相光栅3(光栅水平平行为初始位置)竖直方向旋转的β弧度，最终像素空频取向与水平方向夹角也为β弧度。光阑6放置在4F光学系统的第一透镜(组)1(傅里叶变换透镜)之前，激光器发射的经扩束准直后的平行光，穿过光阑6的透光部分，入射到4F光学系统中，位相光栅置于两傅里叶变换透镜之间，会聚光经过位相光栅3后，正负一级衍射光作为两个相干点光源，发出的球面波经第二透镜2(傅里叶变换透镜)会聚后在系统像面发生干涉，产生目的光栅结构，此时位相光栅3的取向与目标结构中中光栅取向相同。光阑6放置在4F光学系统的第一透镜(组)1(傅里叶变换透镜)之前，激光器发射的经扩束准直后的平行光，穿过光阑6的透光部分，入射到4F光学系统中，位相光栅置于两傅里叶变换透镜之间，会聚光经过位相光栅3后，正负一级衍射光作为两个相干点光源，发出的球面波经第二透镜2(傅里叶变换透镜)会聚后在系统像面发生干涉，产生目标结构光栅。
需要说明的是，制备全息图，R、G、B不分先后。
实施例三：在后焦面上形成像素图案不同，微纳结构空频不同的超表面彩色全息图制备。采用分层提取R、G、B三像素目标结构方法获取超表面彩色全息图的制备，如为了得到如图6所示的“九宫格”的目标结构光栅，将目标结构分解为R、G、B三像素全息图来制备，如图7所示。
本实施例中所示的用于制备像素目标结构光栅的超表面彩色全息图如图3c所示，在4F光学系统(焦距f1、f1、f2、f2)中，包括第一透镜(组)1，第二透镜(组)2和光波调制单元，所述光波调制单元包括位相光栅3和消0级光掩膜4，位相光栅3设置于第一透镜(组)1和消0级光掩膜4之间，位相光栅3可以通过位移变化，和/或旋转来实现对各子波面的光场调制，在系统的后焦面产生参数可调的光场分布，其中5表示4F光路系统的光轴。
该技术方案中，位相光栅的位移变化主要是通过沿光轴方向移动，也就是改变位相光栅与傅里叶面距离d的大小，由此可以获得R、G、B像素相对应的微纳结构空频。
在本实施例中，所示超表面彩色全息图还包括如图7所示的光阑6，其中点阵区、空白区分别为光阑6的不透光与透光部分，图中中心点是经过系统中心的光轴5，r即为光阑6透光在后焦面中心处干涉时，距光轴5的距离，可用于标定其他光阑图案的位置。θ表示对应的干涉光阑图案中心点连线与水平方向的夹角，其亦代表着为得到相应目标全息图的取向，位相光栅3(光栅水平平行为初始位置)竖直方向旋转的β弧度，最终像素空频取向与水平方向夹角也为β弧度。光阑6放置在4F光学系统的第一透镜(组)1(傅里叶变换透镜)之前，激光器发射的经扩束准直后的平行光，穿过光阑6的透光部分，入射到4F光学系统中，位相光栅置于两傅里叶变换透镜之间，会聚光经过位相光栅3后，正负一级衍射光作为两个相干点光源，发出的球面波经第二透镜2(傅里叶变换透镜)会聚后在系统像面发生干涉，产生目的光栅结构，此时位相光栅3的取向与目标结构中中光栅取向相同。光阑6放置在4F光学系统的第一透镜(组)1(傅里叶变换透镜)之前，激光器发射的经扩束准直后的平行光，穿过光阑6的透光部分，入射到4F光学系统中，位相光栅置于两傅里叶变换透镜之间，会聚光经过位相光栅3后，正负一级衍射光作为两个相干点光源，发出的球面波经第二透镜2(傅里叶变换透镜)会聚后在系统像面发生干涉，产生目标结构光栅。
同样需要说明的是，制备全息图，R、G、B不分先后。
实施例四：在后焦面上形成像素图案相同，微纳结构不同的目标结构超表面彩色全息图制备，如图9所示。采用分层提取R、G、B三像素目标结构方法获取超表面彩色全息图的制备，如为了得到如图9所示的“九宫格”的目标结构光栅，将目标结构分解为R、G、B三像素光栅全息图来制备，如图5所示。
与实施例二不同，本实施例光阑6放置在成像面上。
本实施例中所示的用于制备像素目标结构光栅的超表面彩色全息图如图8所示，在4F光学系统(焦距f1、f1、f2、f2)中，包括第一透镜(组)1，第二透镜(组)2和光波调制单元，所述光波调制单元包括位相光栅3和消0级光掩膜4，位相光栅3设置于第一透镜(组)1和消0级光掩膜4之间，位相光栅3可以通过位移变化，和/或旋转来实现对各子波面的光场调制，在系统的后焦面产生参数可调的光场分布，其中5表示4F光路系统的光轴。
该技术方案中，位相光栅的位移变化主要是通过沿光轴方向移动，也就是改变位相光栅与傅里叶面距离d的大小，由此可以获得R、G、B像素相对应的微纳结构空频。
在本实施例中，所示超表面彩色全息图还包括如图9所示的光阑6，其中点阵区、空白区分别为光阑6的不透光与透光部分，图中中心点是经过系统中心的光轴5，r即为光阑6透光在后焦面中心处干涉时，距光轴5的距离，可用于标定其他光阑图案的位置。激光器发射的经扩束准直后的平行光，入射到4F光学系统中，位相光栅置于两傅里叶变换透镜之间，会聚光经过位相光栅3后，正负一级衍射光作为两个相干点光源，发出的球面波经第二透镜2(傅里叶变换透镜)会聚后在系统像面发生干涉，产生目标光栅结构，此时位相光栅3的取向与目标结构中中光栅取向相同。位相光栅3(光栅水平平行为初始位置)竖直方向旋转的β弧度，最终像素空频取向与水平方向夹角也为β弧度。光阑6放置在最后的成像面上，通过制备图案相同的目标光阑，最终可以实现微纳结构空频不同的目标结构超表面彩色全息图制备。
需要说明的是，制备全息图，R、G、B不分先后。
实施例五：在后焦面上形成像素图案相同，微纳结构空频不同的目标结构超表面彩色全息图制备，如图10所示。采用分层提取R、G、B三像素目标结构方法获取超表面彩色全息图的制备，如为了得到如图10所示的“九宫格”的目标结构光栅，可以将目标结构分解为R、G、B三像素光栅全息图。
与实施例三不同，本实施例光阑6放置在成像面上。
本实施例中所示的用于制备像素目标结构光栅的超表面彩色全息图如图8所示，在4F光学系统(焦距f1、f1、f2、f2)中，包括第一透镜(组)1，第二透镜(组)2和光波调制单元，所述光波调制单元包括位相光栅3和消0级光掩膜4，位相光栅3设置于第一透镜(组)1和消0级光掩膜4之间，位相光栅3可以通过位移变化，和/或旋转来实现对各子波面的光场调制，在系统的后焦面产生参数可调的光场分布，其中5表示4F光路系统的光轴。
该技术方案中，位相光栅的位移变化主要是通过沿光轴方向移动，也就是改变位相光栅与傅里叶面距离d的大小，由此可以获得R、G、B像素相对应的微纳结构空频。
在本实施例中，所示超表面彩色全息图还包括如图10所示的光阑6，其中点阵区、空白区分别为光阑6的不透光与透光部分，图中中心点是经过系统中心的光轴5，r即为光阑6透光在后焦面中心处干涉时，距光轴5的距离，可用于标定其他光阑图案的位置。激光器发射的经扩束准直后的平行光，入射到4F光学系统中，位相光栅置于两傅里叶变换透镜之间，会聚光经过位相光栅3后，正负一级衍射光作为两个相干点光源，发出的球面波经第二透镜2(傅里叶变换透镜)会聚后在系统像面发生干涉，产生目标光栅结构，此时位相光栅3的取向与目标结构中中光栅取向相同。位相光栅3(光栅水平平行为初始位置)竖直方向旋转的β弧度，最终像素空频取向与水平方向夹角也为β弧度。光阑6放置在最后的成像面上，通过制备图案相同的目标光阑，最终可以实现微纳结构空频不同的目标结构超表面彩色全息图制备。
需要说明的是，制备全息图，R、G、B不分先后。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (8)
1.超表面彩色全息的制备方法，包括：
A、以像素结构或者像素分布为依据，将彩色目标物像分别分层提取获得相应的多层图层：将拟实现的彩色全息超表面结构根据结构或像素的特征分布分类，再将具有相同或相似特征的像素结构按类别分层提取，所述特征包括同一类/层内的结构相同或同一类/层内的结构相似或同一类/层内的像素大小相同或同一类/层内的像素大小相似或同一类/层内的像素分布相同或同一类/层内的像素分布相似；
B、根据多层图层分别获取各图层根据同一特征所对应的微纳结构、微纳结构组合，并得到各层之间微纳结构以及微纳结构组合的变化关系；
C、根据前述多层图层中任一层的微纳结构以及基色微纳结构组合，利用空间或/和位相调制的光刻，实现该图层的层内多像素微纳结构的同时制备；
D、再依据各图层之间微纳结构以及微纳结构组合的变化关系，在步骤C该图层的层内多像素微纳结构的基础上，利用空间或/和位相实时调控，分时实现其余各层的微纳结构以及微纳结构组合的同时制备；
E：依据至少一个目标微纳结构，其出射的光线经过空间或位相调制对微纳结构参量进行调控，从而输出全息图像。
2.根据权利要求1所述的超表面彩色全息的制备方法，其特征在于，所述调制为通过位相元件和/或空间滤波元件对入射的相干或部分相干光进行调制。
3.根据权利要求2所述的超表面彩色全息的制备方法，其特征在于，所述位相元件对通过其的入射光的调制为通过平移和/或旋转实现。
4.实现如权利要求 1-3任一所述的超表面彩色全息的制备方法的光学系统，包括光源、光路系统、成像单元，其中，光源系统包括激光器，用于提供相干或者部分相干的入射光束；光路系统至少包括透镜组，所述激光器发射的经扩束准直后的平行光入射至所述光路系统被调制；成像/光刻系统，用于由光路系统输出的光线，获取全息图像或者目标微纳结构；所述光源系统、光路系统以及成像/光刻系统顺次沿光路同轴设置。
5.根据权利要求4所述的实现超表面彩色全息的制备方法的光学系统，其特征在于，所述光路系统的透镜组包括第一透镜组、第二透镜组、位相元件或/和空间滤波器件，且所述第一透镜组或/和第二透镜组或/和位相元件或/和空间滤波器件在光轴上设置。
6.根据权利要求5所述的实现超表面彩色全息的制备方法的光学系统，其特征在于，所述位相元件置于第一透镜组和第二透镜组之间。
7.根据权利要求4-6任一所述的实现超表面彩色全息的制备方法的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括具有移动装置的样品平台以及置于该样品平台上的制备载体，所述样品平台在光轴上设置且位于成像/光刻系统后方。
8.根据权利要求7所述的实现超表面彩色全息的制备方法的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括监控系统，所述监控系统控制连接位相元件或/和空间滤波器件或/和样品平台的移动装置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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