CN114393311B - 图案彩绘加工装置与加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种图案彩绘加工装置与加工方法，其中的装置包括激光光源、能量调制组件、空间光调制器、偏振末端调节组件、光束线聚焦组件和三维移动平台，激光光源用于发出脉冲激光；能量调制组件用于调节脉冲激光的能量；空间光调制器用于对能量调节后的脉冲激光进行调制；偏振末端调节组件用于对调制后脉冲激光的偏振方向进行调节；光束线聚焦组件用于将偏振方向调节后的脉冲激光聚焦至加工样品表面，加工出周期性微纳结构图案；三维移动平台用于承载加工样品，调整加工样品表面的加工位置。本发明使用动态虚拟掩膜激光线扫替代传统点扫的加工方式，并结合激光诱导表面周期性微纳米结构的同步形成，使加工效率得到显著提高。

Description

图案彩绘加工装置与加工方法

技术领域

本发明涉及激光彩绘的技术领域，特别涉及一种图案彩绘加工装置与加工方法。

背景技术

激光加工技术作为一种先进微纳加工手段，以其非接触式加工、加工精度高和材料适应性广等特点，逐步成为先进微纳制造的重要手段。在现有激光彩绘图案化的加工过程中，一般采用下列两种方式：一是对彩绘图案进行空间高密度逐点划分的无掩膜加工方式，该加工方式利用单个聚焦光束的逐点移动扫描实现图案化彩绘，重点强调单点加工所需的激光能量，限制了高能量输出激光的利用效率；同时，这种单个聚焦光束的高密度逐点加工耗时较长，特别是针对大面积彩绘图案，降低了激光加工的整体效率。二是基于图案实体掩膜的激光照射加工方式，尽管该加工方式可以通过采用单束或者双束激光照射来获得图案化形貌及彩色效果的呈现，但实体掩膜版作为硬孔光阑存在边缘光学衍射效应的问题，将会对加工图案的质量、精度和彩色显示效果等产生严重影响，无法满足实际应用的需求；另外，实体掩膜版的使用也极大地限制了激光加工过程的灵活性。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种图案彩绘加工装置与加工方法，以动态虚拟掩膜激光线扫代替传统点扫的加工方式，提高加工效率且不受到边缘光学衍射效应的影响。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供的图案彩绘加工装置，包括激光光源、能量调制组件、扩束组件、空间光调制器、偏振末端调节组件、光束线聚焦组件和三维移动平台；其中，激光光源用于发出脉冲激光；能量调制组件用于对脉冲激光进行能量调节；扩束组件用于对能量调节后脉冲激光进行扩束，使扩束后的脉冲激光充满空间光调制器的工作区域；空间光调制器用于建立图案特征信息与激光强度空间分布之间的映射关系；偏振末端调节组件用于对调制后脉冲激光的偏振方向进行调节；光束线聚焦组件用于将偏振方向调节后的脉冲激光聚焦至加工样品表面，在加工样品表面加工出依赖于脉冲激光偏振方向的周期性微纳结构图案，实现彩绘效果；三维移动平台用于承载加工样品，调整加工样品表面的加工位置。

优选地，激光光源为纳秒脉冲激光器、皮秒脉冲激光器或飞秒脉冲激光器。

优选地，能量调制组件为衰减器、分束器、滤光片或半波片。

优选地，扩束组件包含固定倍率或变倍率的扩束器。

优选地，图案彩绘加工装置还包括偏振分光元件和偏振预调节组件，扩束后的脉冲激光经偏振分光元件反射至偏振预调节组件，经偏振预调节组件将脉冲激光的线偏振方向调节成与空间光调制器的液晶分子初始排列方向成45°，空间光调制器出射的脉冲激光经偏振预调节组件、偏振分光元件的透射后入射至偏振末端调节组件。

优选地，图案彩绘加工装置还包括反射镜，空间光调制器出射的脉冲激光经反射镜反射至偏振末端调节组件。

优选地，光束线聚焦组件包括第一柱透镜和第二柱透镜，第一柱透镜与第二柱透镜的轴向子午线方向相互正交。

本发明提供的图案彩绘加工方法利用如上的图案彩绘加工装置，具体包括如下步骤：

S1、将图案划分为不同的加工区域，对每个加工区域以空间切片形式进行数据分割，建立对应于不同加工区域的切片数据库；

S2、将加工样品放置在三维移动平台上，通过移动加工样品、改变脉冲激光的偏振方向对每个加工区域进行不同偏振方向的加工，在加工样品表面加工出依赖于脉冲激光的偏振方向的周期性微纳结构图案，实现彩绘效果；其中，在对每个加工区域进行加工的过程中，空间光调制器通过动态读取加工样品的移动位置信息，调取切片数据库中对应的切片，并根据建立的映射关系对脉冲激光进行调制。

优选地，步骤S1具体包括如下步骤：

S11、赋予图案不同的灰度信息，根据不同的灰度信息将图案划分为不同的加工区域；

S12、以预设步长对每个加工区域进行切片化处理，将图案分割成对应不同加工位置的切片，基于不同加工区域的切片建立对应的数据库，在每个切片数据库中分别存储有切片与加工位置的对应关系。

优选地，空间光调制器通过动态读取加工样品的移动位置信息，确定加工样品的当前加工位置，根据切片数据库中存储的对应关系调取对应的切片。

与现有技术相比，本发明能够取得如下技术效果：

1、本发明使用动态虚拟掩膜激光线扫代替传统点扫的加工方式，并结合激光诱导加工样品表面周期性微纳米结构的同步形成，使加工效率得到显著提高。另外，因未采用实体掩膜版，不会受到边缘光学衍射效应的影响。

2、本发明加工的图案分辨率能够达到250+dpi，宏观尺度能够达到厘米量级，对于大面积、高分辨率的图形化加工提供了新的解决方案。

3、本发明的加工过程不受材料限制，通过选择合适的激光加工参数，能够实现对金属、半导体等多种材料的高分辨率图案彩绘加工。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的一种图案彩绘加工装置的结构示意图；

图2是根据本发明实施例提供的另一种图案彩绘加工装置的结构示意图；

图3是根据本发明实施例提供的C形图案的彩绘加工方法的流程示意图；

图4是根据本发明实施例1提供的激光诱导加工后形成具有单一方向周期结构的图案；

图5是根据本发明实施例2提供的激光诱导加工后形成具有多个方向周期结构的图案；

图6是根据本发明实施例3提供的激光诱导加工后形成多个方向周期结构的复合图案。

其中的附图标记包括：激光光源1、能量调制组件2、扩束组件3、光束折转偏振调节组件4、偏振分光元件41、偏振预调节组件42、反射镜43、空间光调制器5、偏振末端调节组件6、光束线聚焦组件7、第一柱透镜71、第二柱透镜72、三维移动平台8、加工样品9。

具体实施方式

在下文中，将参考图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的图标记表示。在相同的图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合图及具体实施例，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，而不构成对本发明的限制。

图1示出了根据本发明实施例提供的一种图案彩绘加工装置的结构。

如图1所示，本发明实施例提供的一种图案彩绘加工装置的结构，包括：激光光源1、能量调制组件2、扩束组件3、光束折转偏振调节组件4、空间光调制器5、偏振末端调节组件6、光束线聚焦组件7和三维移动平台8。

激光光源1用于发出脉冲激光，激光光源1可以为脉冲持续时间从纳秒到飞秒的多种类型的激光器，例如纳秒脉冲激光器、皮秒脉冲激光器或飞秒脉冲激光器。

能量调制组件2用于调节脉冲激光的强度和偏振特性。能量调制组件2为功率可调或能量可调的衰减器、分束器、滤光片或半波片

扩束组件3用于对经能量调制组件2调节后的脉冲激光进行扩束，使扩束后的脉冲激光充满空间光调制器5的工作区域。扩束组件3为固定倍率的扩束器或变倍率的扩束器。

光束折转偏振调节组件4包括偏振分光元件41和偏振预调节组件42，扩束后的脉冲激光经偏振分光元件41反射至偏振预调节组件42，经偏振预调节组件42将脉冲激光的线偏振方向调节成与空间光调制器5的液晶分子初始排列方向成45°角，入射至空间光调制器5，以满足空间光调制器5的强度调制需求。

空间光调制器5为基于液晶阵列的空间光调制器。空间光调制器5用于建立图案特征信息与激光强度的空间分布之间的映射关系。

经空间光调制器5调制后的脉冲激光依次透射经过偏振预调节组件42、偏振分光元件41后入射至偏振末端调节组件6。

偏振末端调节组件6用于对调制后的脉冲激光的偏振方向进行调节，即在图案彩绘加工过程中，调节脉冲激光的偏振方向。

光束线聚焦组件7用于将偏振方向调节后的脉冲激光聚焦至加工样品9表面，在加工样品9表面加工出依赖于脉冲激光的偏振方向的周期性的微纳结构图案，实现彩绘效果。光束线聚焦组件7包括第一柱透镜71和第二柱透镜72，第一柱透镜71和第二柱透镜72的轴向子午线方向相互正交，由于空间光调制器在动态调制过程中会引入光衍射效应而影响光斑聚焦质量，因此需要采用将一个柱透镜正交放置在另一个柱透镜之前，并使得加工样品9表面位于其两倍焦距的位置，也即通过共轭成像的方式有效消除在线聚焦方向的光斑衍射现象，从而使得设计图案信息能够通过空间调制器5被高保真地转移到加工材料表面，也即第一柱透镜71横向放置在三维移动平台8的前两倍焦距位置，用于对第二柱透镜72的轴向子午线方向进行成像；第二柱透镜72竖向放置在三维移动平台前一倍焦距位置，用于光束空间聚焦，使得大尺寸线光斑能够作用到位于第二柱透镜72的一倍焦距平面上的加工样品9表面。

该光束线聚焦组件7配合空间光调制器5对脉冲激光的空间强度进行调制，能够对线光斑内任意强度分布进行控制，实现动态掩膜化功能。

三维移动平台8用于承载加工样品9，调整加工样品9表面的加工位置。

图2示出了根据本发明实施例提供的另一种图案彩绘加工装置的结构。

如图2所示，另一种图案彩绘加工装置与前述的图案彩绘加工装置的不同之处在于将图1中的偏振分光元件41和偏振预调节组件42替换为反射镜43，扩束后的脉冲激光直接入射至空间光调制器5，经空间光调制器5调制后的脉冲激光通过反射镜43反射到偏振末端调节组件6进行偏振方向的调节。

上述内容详细说明了本发明实施例提供的两种图案彩绘加工装置的结构，与两种图案彩绘加工装置，本发明实施例还提供一种利用上述任一种图案彩绘加工装置的图案彩绘加工方法，下面以C形图案为例展开说明。

图3示出了根据本发明实施例提供的C形图案的彩绘加工方法的流程。

如图3所示，C形图案的彩绘加工方法的流程包括如下步骤：

S1、将图案划分为不同的加工区域，对每个加工区域以空间切片形式进行数据分割，建立对应于不同加工区域的切片数据库。

步骤S1具体包括如下步骤：

S11、赋予图案不同的灰度信息，根据不同的灰度信息将图案划分为不同的加工区域。

待加工的图案经计算机处理后会以灰度图的形式存储。因而图案中的灰度信息是识别当前图案中加工区域的关键信息。如图3中的(a)所示，字母“C”所包含的区域为加工区域，字母“C”之外的区域为非加工区域，而加工区域与非加工区域在计算机中会以不同的灰度值进行存储，从图3中的(a)的灰度图中可以看到两种不同灰度的图形区域。通过设置灰度图的不同灰度值得到实现图形化加工所需要的包括尺寸、形状在内的具体图形参数。

如果图案具有多个加工区域，则需要对每个加工区域设置不同的灰度值，以对不同的加工区域的进行区分。

S12、以预设步长对每个加工区域进行切片化处理，将图案分割成对应不同加工位置的切片，基于不同加工区域的切片建立对应的切片数据库，在每个切片数据库中分别存储有切片与加工位置的对应关系。

基于以上具体图形参数信息，使用设定切片步长的方式将加工区域分割为对应不同加工位置的包含加工信息的切片。

由于图3中的(a)只具有一个加工区域，所以只对这一个加工区域进行切片。如果图案包括多个加工区域，则分别对每个加工区域进行切片，分别建立对应于每一个加工区域的切片数据库。在每个切片数据库，分别存储有每个切片与加工样品表面的加工位置的对应关系。

切片步长作为一个参数文件，被存储在切片数据库中。切片与加工位置的对应关系是通过文件名与加工位置间的对应关系实现。切片代表控制加工过程的变量，而加工位置则是变量的指针，两者彼此关联，不可分割。

将建立的切片数据库导入到空间光调制器的控制程序中，以备随时通过空间光调制器调用相应的切片，如图3中的(b)所示。

将位置与切片两者关联的过程，实际就是将加工位置和切片在加工过程中以逐层扫描的方式重现出来。从图3中的(c)所示，在加工样品运动到加工位置1时，由于加工位置和切片之间的对应关系，空间光调制器会访问加工位置1对应的切片并进行读取调用，并显示出该切片的图形信息，再根据建立的映射关系，对脉冲激光的空间强度进行调制。

加工位置2和3同理可知。由此可见，加工样品每移动一次，空间光调制器调取与当前加工位置对应的切片，并根据映射关系，将脉冲激光调制成与该切片的图形信息对应的空间强度。

本发明在动态读取加工样品的移动位置信息的同时，能够快速调用所需的切片。这一读取调用过程实现了图形切片数据信息与当前加工光斑强度分布以及样品扫描位置之间的相互联系，结合上述加工装置，最终实现对整个图案的动态虚拟掩膜化灵活操控与激光逐线扫描加工，如图3中的(d)所示。

S2、将加工样品放置在三维移动平台上，通过移动加工样品、改变脉冲激光的偏振方向对每个加工区域进行不同偏振方向的加工，在加工样品表面加工出依赖于脉冲激光的偏振方向的周期性的微纳结构图案，实现彩绘功能；其中，在对每个加工区域进行加工的过程中，空间光调制器通过动态读取加工样品的移动位置信息，调取切片数据库中对应的切片，并根据建立的映射关系对脉冲激光进行调制。

选取能够诱导形成周期性微纳结构的氧化石墨烯薄膜材料作为加工样品，借助于计算机程序控制在加工样品移动过程中实现空间光调制器对切片的实时调用，以及对脉冲激光强度的相应动态调制，从而将整个图案以周期性微纳米结构在加工样品表面完整地扫描出来。

在移动加工样品的过程中，实时调整脉冲激光的强度，使得激光扫描过程中光照区域内加工样品表面不是被简单地划刻和去除，而是伴随有空间周期性分布的微纳结构产生。也即对于图案的每一个切片，其中的数据信息均被经过与其对应的光强调制，进而将线聚焦光斑转化为分布在加工样品表面的周期性微纳结构。周期性微纳结构的特征参数(例如有无产生、周期大小和空间排列方向等)体现了图案的不同灰度和颜色信息。正是由于周期性微纳结构的存在，对入射光产生光学衍射效应，使得加工样品表面具有相应微纳结构的加工区域呈现出明显彩色观测效果，如图3中的(d)所示。

需要说明的是，如果加工样品只具有一个加工区域，可以将脉冲激光调整为任何一个偏振方向，实现对加工样品表面的图案加工。如果加工样品划分为多个加工区域，则需要改变脉冲激光的偏振方向逐个对加工区域进行不同偏振方向的加工，即一个加工区域对应一个偏振方向的脉冲激光。

下面结合具体实施例对本发明的具体方案作进一步详细的说明。

实施例1

实施例1是在氧化石墨烯薄膜上诱导单一方向周期结构的图案，具体的加工过程包括：

加工样品制备：通过旋涂法将氧化石墨烯分散液沉积在基底上，形成厚度约为80nm的氧化石墨烯薄膜，作为加工样品。

确定加工参数：激光光源的脉冲宽度为40fs，中心波长为800nm，能量为88.2-122.8mJ/cm²，三维移动平台的扫描速度为0.01-0.35mm/s，光束线聚焦组件聚焦形成的焦线长度为10.5mm，宽度为50μm。

图案切片：“UCAS”图案只具有一个加工区域，对该加工区域进行切片，建立切片数据库并存储到空间光调制器的控制程序中。

图案加工：将加工样品固定在三维移动平台上，使用上述的图案彩绘加工装置和图案彩绘加工方法对加工样品表面进行激光诱导加工，获得如图4中的(a)所示的单一方向周期结构的“UCAS”图案，实验测得该微纳结构能够在白光照射下产生彩虹样的衍射条纹，也即表面结构色效应，其宏观尺度约为2×8mm²。如图4中的(b)所示，能够表现丰富结构色效果的微纳结构的周期为680nm，深度为70nm。

实施例2

实施例2是在氧化石墨烯薄膜上诱导多个方向周期结构的图案，实施例2与实施例1的加工过程基本相同。实施例2与实施例1的不同之处在于，实施例2中的“蝴蝶”图案由三种不同方向的周期结构组成，如图5中的(a)所示。

将“蝴蝶”图案的三个部分赋予不同的灰度值，分成三个加工区域，在图5中的(a)可看到三个灰度层级，分别对每个加工区域进行切片，获得三个切片数据库均存储到空间光调制器的控制程序中。

使用偏振末端调节组件调节不同加工区域的脉冲激光的偏振方向，满足一个“蝴蝶”图案的三个部分的周期结构方向，依次对各个加工区域进行激光加工。

在激光加工的过程中，将三个灰度层级中的一个设为当前加工区域，其余的灰度层级及白色背景(白色也可算一种灰度)则代表非加工区域。而依次加工也就是通过调节偏振方向的方法，依次将三个灰度层级设置为当前加工区域，并逐个进行层线扫描加工，获得的多个方向周期结构的“蝴蝶”图案如图5中的(b)所示，图5中的(b)还展示了“蝴蝶”图案的第三部分在白光照射下的表面结构色效应。

实施例3

实施例3是在氧化石墨烯薄膜上诱导多个方向周期结构的图案，将其应用于图像防伪领域。实施例3与实施例2的加工过程基本相同。实施例3与实施例2的不同之处在于，实施例3中复合图案是将三个图形在宏观空间上组合到一起，但分别由不同方向的周期结构交替排列组成，在宏观上难以直接分辨出三个图形信息。

将三个图形对应的切片数据库存储到空间光调制器的控制程序中。

依次对加工样品表面相应的图形部分进行加工。其中，使用偏振末端调节组件调节脉冲激光加工的偏振方向，满足三个图形的周期结构方向。

最终获得的复合图案如图6所示，在无特定观察角度下，三个图形难以分辨，达到防伪效果；在特定观察角度下，三个图形由于不同方向的周期结构，使得其在不同方向上观察到具有不同结构色特征，达到信息识别的效果。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“另一个示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种图案彩绘加工装置，其特征在于，包括激光光源、能量调制组件、扩束组件、空间光调制器、偏振末端调节组件、光束线聚焦组件和三维移动平台；其中，

所述激光光源用于发出脉冲激光；

所述能量调制组件用于对所述脉冲激光进行能量调节；

所述扩束组件用于对能量调节后的脉冲激光进行扩束，使扩束后的脉冲激光充满所述空间光调制器的工作区域；

所述空间光调制器用于建立图案特征信息与激光强度空间分布之间的映射关系；

所述偏振末端调节组件用于对调制后脉冲激光的偏振方向进行调节；

所述光束线聚焦组件用于将偏振方向调节后的脉冲激光聚焦至加工样品表面，在加工样品表面加工出依赖于脉冲激光偏振方向的周期性微纳结构图案，从而实现彩绘效果；

所述三维移动平台用于承载加工样品，调整加工样品表面的加工位置。

2.如权利要求1所述的图案彩绘加工装置，其特征在于，所述激光光源为纳秒脉冲激光器、皮秒脉冲激光器或飞秒脉冲激光器。

3.如权利要求1所述的图案彩绘加工装置，其特征在于，所述能量调制组件为衰减器、分束器、滤光片或半波片。

4.如权利要求1所述的图案彩绘加工装置，其特征在于，所述扩束组件包含固定倍率或变倍率的扩束器。

5.如权利要求1所述的图案彩绘加工装置，其特征在于，还包括偏振分光元件和偏振预调节组件，扩束后的脉冲激光经所述偏振分光元件反射至所述偏振预调节组件，经所述偏振预调节组件将脉冲激光的线偏振方向调节成与所述空间光调制器的液晶分子初始排列方向成45°，所述空间光调制器出射的脉冲激光经所述偏振预调节组件、所述偏振分光元件的透射后入射至所述偏振末端调节组件。

6.如权利要求1所述的图案彩绘加工装置，其特征在于，还包括反射镜，所述空间光调制器出射的脉冲激光经所述反射镜反射至所述偏振末端调节组件。

7.如权利要求1所述的图案彩绘加工装置，其特征在于，所述光束线聚焦组件包括第一柱透镜和第二柱透镜，所述第一柱透镜与所述第二柱透镜的轴向子午线方向相互正交。

8.一种利用如权利要求1～7中任一项所述的图案彩绘加工装置的图案彩绘加工方法，包括如下步骤：

S1、将图案划分为不同的加工区域，对每个加工区域以空间切片形式进行数据分割，建立对应于不同加工区域的切片数据库；

S2、将加工样品放置在三维移动平台上，通过移动加工样品、改变脉冲激光的偏振方向对每个加工区域进行不同偏振方向的加工，在加工样品表面加工出依赖于脉冲激光偏振方向的周期性微纳结构图案，实现彩绘效果；其中，在对每个加工区域进行加工的过程中，所述空间光调制器通过动态读取加工样品的移动位置信息，调取切片数据库中对应的切片，并根据建立的映射关系对脉冲激光进行调制。

9.如权利要求8所述的图案彩绘加工方法，其特征在于，步骤S1具体包括如下步骤：

S11、赋予图案不同的灰度信息，根据不同的灰度信息将图案划分为不同的加工区域；

S12、以预设步长对每个加工区域进行切片化处理，将图案分割成对应不同加工位置的切片，基于不同加工区域的切片建立对应的数据库，在每个切片数据库中分别存储有切片与加工位置的对应关系。

10.如权利要求9所述的图案彩绘加工方法，其特征在于，所述空间光调制器通过动态读取加工样品的移动位置信息，确定加工样品的当前加工位置，根据切片数据库中存储的对应关系调取对应的切片。

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