CN112379582A - 一种制作超构表面的方法、超构表面以及打印装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及超构表面技术领域，特别是涉及一种制作超构表面的方法、超构表面以及打印装置，制作超构表面的方法包括：提取三维实体表面的各点的坐标；根据所述三维实体表面的各点的坐标，生成全息图；根据所述全息图，生成超构表面的版图；根据所述版图，生成所述超构表面，其中，所述超构表面用于在接收到光时，在所述超构表面的衍射面生成所述三维实体的图像。所述超构表面的衍射面设置光敏树脂时，所述光敏树脂中可形成所述三维实体的模型。
Description
技术领域
本发明实施例涉及超构表面技术领域，特别是涉及一种制作超构表面的方法、超构表面以及打印装置。
背景技术
超构表面是近些年来一种新型的基于广义斯涅耳定律的平面光学调控元件，由亚波长尺寸大小和间隔的散射体在二维平面上周期或非周期排列构成。入射光源经扩束镜扩束后，照射超构表面，经超构表面出射的光源在超构表面的衍射面上生成的图像具有极高的分辨率。利用超构表面的衍射面上的图像具有高分辨率这一点，从而实现高分辨率的三维实体的打印具有广阔的应用前景。
但是，在实现本发明实施例的过程中，发明人发现：目前，没有出现可用于三维打印的超构表面。
发明内容
鉴于上述问题，本发明实施例提供了一种制作超构表面的方法、超构表面以及打印装置，克服了上述问题或者至少部分地解决了上述问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种制作超构表面的方法，包括：提取三维实体表面的各点的坐标；根据所述三维实体表面的各点的坐标，生成全息图；根据所述全息图，生成超构表面的版图；根据所述版图，生成所述超构表面，其中，所述超构表面用于在接收到光时，在所述超构表面的衍射面生成所述三维实体的图像。
在一种可选的方式中，所述根据所述三维实体表面的各点的坐标，生成全息图的步骤，进一步包括：将所述三维实体表面的各点视作点光源，对每一所述点光源做菲涅尔衍射到全息面；分别计算每一所述点光源的传播方程；根据所述传播方程，计算所述三维实体表面的各点在所述全息面的复振幅叠加；提取所述全息面的复振幅叠加的相位，生成所述全息图。
在一种可选的方式中，所述根据所述全息图，生成超构表面的版图的步骤，进一步包括：仿真所述超构表面的若干纳米柱的结构对所述点光源的相位的改变值，生成数据库；根据所述全息图，在所述数据库中查找与所述全息图的相位匹配的所述若干纳米柱的结构；根据所匹配的所述若干纳米柱的结构，排列所述超构表面的版图。
在一种可选的方式中，所述根据所述版图，生成所述超构表面的步骤，进一步包括：使用微纳制造工艺制造所述超构表面。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种超构表面，包括采用上述方法制作得到的。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种打印装置，包括：光源；上述超构表面，所述超构表面设置于所述光源的前方；透光容器，收容有光敏树脂，所述透光容器位于所述超构表面背离所述光源一侧，并且所述透光容器位于所述超构表面的衍射面所在的位置，当所述光源向所述超构表面输出光时，所述光源经过所述超构表面后入射至所述透光容器，以使所述光敏树脂生成所述三维实体的模型。
在一种可选的方式中，所述打印装置还包括扩束镜；所述扩束镜设置于所述光源和超构表面之间，所述扩束镜用于对所述光源输出的光进行扩束处理。
在一种可选的方式中，所述打印装置还包括第一透镜、第二透镜和空间滤波器，所述第一透镜和第二透镜依次设置于所述扩束镜和所述超构表面之间，所述空间滤波器设置于所述第一透镜和第二透镜之间，所述空间滤波器位于所述第一透镜的焦点处，且所述空间滤波器位于所述第二透镜的焦点处。
在一种可选的方式中，所述打印装置还包括共轭物镜，所述共轭物镜位于所述超构表面和所述透光容器之间，所述共轭物镜的工作焦距位于所述超构表面的衍射面。
在一种可选的方式中，所述光源为360到700纳米的紫光光源。
本发明实施例的有益效果是：提供了一种制作超构表面的方法、超构表面以及打印装置，制作超构表面的方法包括：提取三维实体表面的各点的坐标；根据所述三维实体表面的各点的坐标，生成全息图；根据所述全息图，生成超构表面的版图；根据所述版图，生成所述超构表面，其中，所述超构表面用于在接收到光时，在所述超构表面的衍射面生成所述三维实体的图像。所述超构表面的衍射面设置光敏树脂时，所述光敏树脂中可形成所述三维实体的模型。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明实施例提供的一种制作超构表面的方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种根据三维实体表面的各点的坐标生成全息图的方法的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的一种根据全息图生成超构表面的版图的方法的流程示意图；
图4是本发明实施例提供的一种超构表面的示意图；
图5是本发明实施例提供的打印装置的一种实现方式的示意图；
图6是本发明实施例提供的打印装置的另一种实现方式的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
请参阅图1，图1是本发明实施例提供的一种制作超构表面的方法的流程示意图，该方法包括以下步骤：
步骤S10，提取三维实体表面的各点的坐标。
所述三维实体是三维软件中的图像，所述提取三维实体表面的各点的坐标的的方法可以是，利用三维软件生成所述三维实体表面的各点的坐标。
所述三维实体可以是任意的实体，例如壳体、梁和柱等。
在一些实施例中，为了减少计算量，并不是提取所述三维实体表面的全部的点，仅提取所述三维实体表面的部分点，即离散点。
步骤S20，根据所述三维实体表面的各点的坐标，生成全息图。
将所述三维实体表面的各点视作点光源，对每一所述点光源做菲涅尔衍射到全息面，然后可生成全息图，具体的，请参阅图2，步骤S20包括：
步骤S201，将所述三维实体表面的各点视作点光源，对每一所述点光源做菲涅尔衍射到全息面。
步骤S202，分别计算每一所述点光源的传播方程。
所述点光源以球面波的方式在自由空间传播，所述点光源的传播方程为：
其中，所述U(x0，y0)为所述点光源的复振幅表达，所述j为虚数单位，所述k为波矢，所述z为所述点光源到所述全息面的距离，所述x0,y0,为所述点光源的空间坐标，所述x,y为所述全息面的空间坐标。
步骤S203，根据所述传播方程，计算所述三维实体表面的各点在所述全息面的复振幅叠加。
所述全息面的复振幅叠加为：
其中，所述u(x，y)为所述全息面的复振幅叠加，所述j为虚数单位，所述λ为所述点光源的波长，所述z为所述点光源到所述全息面的距离，所述k为波矢，所述x0,y0,为所述点光源的空间坐标，所述x,y为所述全息面的空间坐标。
在一些实施例中，为了减少计算量，将所述点光源的振幅设置为单位振幅，即，所述点光源的振幅为1，则所述全息面的复振幅叠加为所述点光源的相位的叠加。
步骤S204，提取所述全息面的复振幅叠加的相位，生成所述全息图。
本发明实施例将所述三维实体的表面的各点视作点光源，然后通过对所述点光源进行菲涅尔衍射到全息面，然后可生成全息图。为了减少计算量，仅取所述三维实体的表面的离散点。
在对所述三维实体的表面的取离散点时，所述点的取点间距满足瑞利判据在水平方向和轴向分辨率的极限间距。所述轴向是值所述点光源到所述全息面的方向，所述水平方向则是与所述轴向垂直的方向。
由于所述三维实体在所述全息面上生成的全息图的分辨率，与所述点光源与所述全息面的距离的平方成反比，即所述点光源距离所述全息面的距离越远，其在所述全息面上的全息图的分辨率越低，为了补偿距离所述全息面距离远的所述点光源的分辨率，则对所述三维实体的表面的点的采样密度，与，所述点光源与所述全息面的距离的平方成反比。
步骤S30，根据所述全息图，生成超构表面的版图。
所述超构表面包括介质衬底和若干纳米柱，所述若干纳米柱分布于所述介质衬底。所述全息图中的相位和所述超构表面的若干纳米柱的结构是具有对应关系的，则可根据所述全息图生成所述超构表面的版图。具体的，请参阅图3，步骤S30包括：
步骤S301，仿真所述超构表面的若干纳米柱的结构对所述点光源的相位的改变值，生成数据库。
所述若干纳米柱的结构包括所述纳米柱的长轴的尺寸、短轴的尺寸、高度和每一所述纳米柱在所述介质衬底的面内角等。可通过仿真计算所述超构表面的若干纳米柱的结构对所述点光源的相位的改变值，然后生成数据库。所述数据库表述所述若干纳米柱的结构与所述点光源的相位的对应关系。
步骤S302，根据所述全息图，在所述数据库中查找与所述全息图的相位匹配的所述若干纳米柱的结构。
步骤S303，根据所匹配的所述若干纳米柱的结构，排列所述超构表面的版图。
分别对所述各个点光源的相位进行所述若干纳米柱的结构的匹配，然后将所述若干纳米柱进行排列，即可获得所述超构表面的版图。
步骤S40，根据所述版图，生成所述超构表面，其中，所述超构表面用于在接收到光时，在所述超构表面的衍射面生成所述三维实体的图像。
在获得与所述三维实体对应的超构表面的版图后，可生产所述超构表面，则光照射在所述超构表面，可在所述超构表面的衍射面上重构处所述三维实体的图像，所述三维实体的图像为三维的图像。当在所述超构表面的衍射面设置光敏树脂时，则可在所述光敏树脂中形成所述三维实体的模型。由于所述三维实体的图像为三维的图像，则只需要光从一个方向入射所述超构表面，以及进一步的入射所述超构表面的衍射面，即可实现形成所述三维实体的模型。
所述根据所述版图，生成所述超构表面的方法为使用微纳制造工艺制造所述超构表面。所述微纳制造工艺为，在所述介质衬底上旋涂光刻胶，根据所述超构表面的版图对所述光刻胶进行曝光显影形成若干收容槽，在所述光刻胶上沉积电介质材料，则部分所述电介质材料进入所述若干收容槽形成所述若干纳米柱，部分所述电介质材料停留在所述光刻胶上，然后采用离子束刻蚀的方法去除所述光刻胶上多余的电介质材料，再对所述光刻胶进行反应离子刻蚀以去除所述光刻胶，则所述介质衬底上只留下所述若干纳米柱，所述介质衬底和所述若干纳米柱构成所述超构表面。
在本发明实施例中，通过提取三维实体表面的各点的坐标；根据所述三维实体表面的各点的坐标，生成全息图；根据所述全息图，生成超构表面的版图；根据所述版图，生成所述超构表面，其中，所述超构表面用于在接收到光时，在所述超构表面的衍射面生成所述三维实体的图像。所述超构表面的衍射面设置光敏树脂时，所述光敏树脂中可形成所述三维实体的模型。
实施例二
请参阅图4，图4是本发明实施例提供的一种超构表面10的示意图。所述超构表面10包括介质衬底101和若干纳米柱102，所述若干纳米柱102分布于与所述介质衬底101。所述超构表面10是使用实施例一中的制作超构表面10的方法制作得到的，对于超构表面10的制作方法可参考实施例一，此处不再一一赘述。
实施例三
请参阅图5和图6，图5是本发明实施例提供的一种打印装置的实现方式的示意图，图6是本发明实施例提供的另一种打印装置的实现方式的示意图。打印装置100包括：光源20、所述超构表面10、透光容器30、扩束镜40、第一透镜50、第二透镜60、空间滤波器70和共轭物镜80。所述光源20、扩束镜40、第一透镜50、空间滤波器70、第二透镜60、超构表面10、共轭物镜80和透光容器30依次设置。对于所述超构表面10的结构和功能可参阅上述实施例二，此处不再一一赘述。所述透光容器30收容有光敏树脂，所述透光容器30位于所述超构表面10背离所述光源20一侧，并且所述透光容器30位于所述超构表面10的衍射面所在的位置，当所述光源20向所述超构表面10输出光时，所述光源20经过所述超构表面10后入射至所述透光容器30，以使所述光敏树脂生成所述三维实体的模型A。
对于上述光源20，光源20为激光光源20，所述激光光源20为360到700纳米的紫光光源20。在一些实施例中，所述激光光源20为高斯光源时，可选择光强比较集中的部分作为光源20。
对于上述透光容器30，透光容器30需对所述光源20具有90％以上的透过率。所述光源20为360到700纳米的紫光光源20时，所述透光容器30需对360到700纳米的紫光光源20具有90％以上的透过率。
所述透光容器30中盛装有光敏树脂，所述光敏树脂可聚合形成所述三维实体的模型A。所述光敏树脂需对所述光源20敏感。所述光源20为360到700纳米的紫光光源20时，所述光敏树脂需对360到700纳米的紫光光源20敏感。
在一些实施例中，所述透光容器30为普通钠钙硅玻璃(透射率在92％以上)。
在一些实施例中，所述透光容器30为方形，从而可防止由于圆形或者不规则形状造成额外的光程差导致所述三维实体的模型A的变形。
所述光敏树脂发生聚合形成所述三维实体的模型A的原理为，所述光源20的光照强度与引发所述光敏树脂进行聚合的预设的光强阈值一致时，被所述光源20照射的地方的所述光敏树脂将发生聚合，即，所述三维实体的图像所在的地方的所述光敏树脂将发生聚合。
所述光敏树脂应选择聚合时间短，粘度大，聚合前后密度变化小，无色透明的材料。在一些实施例中，所述光敏树脂选用双酚A丙烯酸酯树脂，活性单体1，6-乙二醇二丙烯酸酯，光引发剂为二(异丙苯)碘六氟磷酸盐和N-乙基咔唑茂铁六氟磷酸盐组成的混合物，其中，所述二(异丙苯)碘六氟磷酸盐和N-乙基咔唑茂铁六氟磷酸盐的比例为1：0.2。所述双酚A丙烯酸酯树脂具有硬度高、固化速度快、光泽度高和耐化学性好等优点，则通过所述打印装置100制备所述三维实体的模型A，速度快且性能优良。
对于上述扩束镜40，扩束镜40用于对所述光源20输出的光进行扩束处理。
对于上述第一透镜50、第二透镜60和空间滤波器70，所述第一透镜50和第二透镜60组成4f系统，所述4f系统和空间滤波器70用于改善所述光源20的质量。所述第一透镜50和第二透镜60依次设置于所述扩束镜40和所述超构表面10之间，所述空间滤波器70设置于所述第一透镜50和第二透镜60之间，所述空间滤波器70位于所述第一透镜50的焦点处，且所述空间滤波器70位于所述第二透镜60的焦点处。换而言之，所述第一透镜50和第二透镜60的距离为所述第一透镜50的焦距与所述第二透镜60的焦距之和。
值得说明的是，在一些实施例中，所述空间滤波器70为光阑。
对于上述共轭物镜80，所述共轭物镜80位于所述超构表面10和所述透光容器30之间，所述共轭物镜80的工作焦距位于所述超构表面10的衍射面。所述共轭物镜80用于将所述超构表面10的衍射面上生成的所述三维实体的图像进行放大或缩小，从而一方面便于所述光敏树脂生成所述三维实体的模型A，另一方面可根据实际需求获得不同大小的所述三维实体的模型A。
需要说明的是，在一些实施例中，所述物镜的倍数为50-100倍。
在本发明实施例中，打印装置100包括光源20、超构表面10和透光容器30。所述超构表面10设置于所述光源20的前方。所述透光容器30收容有光敏树脂，所述透光容器30位于所述超构表面10背离所述光源20一侧，并且所述透光容器30位于所述超构表面10的衍射面所在的位置，当所述光源20向所述超构表面10输出光时，所述光源20经过所述超构表面10后入射至所述透光容器30，以使所述光敏树脂生成所述三维实体的模型A。通过所述打印装置100，可将所述超构表面10对应的三维实体打印成所述三维实体的模型A。此外，由于仅在所述超构表面10的一侧设置所述光源20即可打印形成所述三维实体的模型A，即，所述三维实体的模型A一次成型，打印工艺简单。最后，由于所述超构表面10的衍射面上的图像具有极高的分辨率，则所述三维实体的模型A的分辨率高。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种制作超构表面的方法，其特征在于，包括：
提取三维实体表面的各点的坐标；
根据所述三维实体表面的各点的坐标，生成全息图；
根据所述全息图，生成超构表面的版图；
根据所述版图，生成所述超构表面，其中，所述超构表面用于在接收到光时，在所述超构表面的衍射面生成所述三维实体的图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述三维实体表面的各点的坐标，生成全息图的步骤，进一步包括：
将所述三维实体表面的各点视作点光源，对每一所述点光源做菲涅尔衍射到全息面；
分别计算每一所述点光源的传播方程；
根据所述传播方程，计算所述三维实体表面的各点在所述全息面的复振幅叠加；
提取所述全息面的复振幅叠加的相位，生成所述全息图。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述全息图，生成超构表面的版图的步骤，进一步包括：
仿真所述超构表面的若干纳米柱的结构对所述点光源的相位的改变值，生成数据库；
根据所述全息图，在所述数据库中查找与所述全息图的相位匹配的所述若干纳米柱的结构；
根据所匹配的所述若干纳米柱的结构，排列所述超构表面的版图。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述版图，生成所述超构表面的步骤，进一步包括：
使用微纳制造工艺制造所述超构表面。
5.一种超构表面，其特征在于，包括采用如权利要求1-4中任意一项所述的方法制作得到的。
6.一种打印装置，其特征在于，包括：
光源；
如权利要求5所述的超构表面，所述超构表面设置于所述光源的前方；
透光容器，收容有光敏树脂，所述透光容器位于所述超构表面背离所述光源一侧，并且所述透光容器位于所述超构表面的衍射面所在的位置，当所述光源向所述超构表面输出光时，所述光源经过所述超构表面后入射至所述透光容器，以使所述光敏树脂生成所述三维实体的模型。
7.根据权利要求6所述的打印装置，其特征在于，还包括扩束镜；
所述扩束镜设置于所述光源和超构表面之间，所述扩束镜用于对所述光源输出的光进行扩束处理。
8.根据权利要求的7所述的打印装置，其特征在于，还包括第一透镜、第二透镜和空间滤波器，所述第一透镜和第二透镜依次设置于所述扩束镜和所述超构表面之间，所述空间滤波器设置于所述第一透镜和第二透镜之间，所述空间滤波器位于所述第一透镜的焦点处，且所述空间滤波器位于所述第二透镜的焦点处。
9.根据权利要求的6所述的打印装置，其特征在于，还包括共轭物镜，所述共轭物镜位于所述超构表面和所述透光容器之间，所述共轭物镜的工作焦距位于所述超构表面的衍射面。
10.根据权利要求的6-9任意一项所述的打印装置，其特征在于，所述光源为360到700纳米的紫光光源。
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