CN115657182B - 一种透反射双面衍射光学元件及制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种透反射双面衍射光学元件及制作方法，包括：基底，基底的入射面为具有浮雕结构的第一衍射面，基底的出射面为具有浮雕结构的第二衍射面，第一衍射面的浮雕结构上镀制半透半反膜；第一衍射面通过半透半反膜反射的衍射光形成第一衍射图像；第一衍射面通过半透半反膜透过的光通过所述第二衍射面衍射形成第二衍射图像；第一衍射图像和第二衍射图像不同。由于通过在基底的入射面和出射面分别制作不同的浮雕结构，并结合半透半反膜，实现在衍射光学元件的反射屏和透射屏分别生成不同衍射图案的效果；在防伪和显示等领域具有很大的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，具体涉及一种透反射双面衍射光学元件及制作方法。
背景技术
衍射光学元件，是一种通过刻蚀等方法实现每个衍射单元可以有特定形貌和折射率分布的器件，可对激光束波前相位进行精细调控，被广泛应用于激光加工、激光美容、信息显示、科研和军事等多个领域，根据功能，可分为激光整形、分束和生成结构光等。针对不同应用，需要根据激光的波长、光斑形状、光斑大小、工作距离和衍射图案的大小等进行设计。
现有技术通常只在衍射光学元件的一面制作表面浮雕结构，所以只能在透射区或反射区生成衍射图案，或在透射区和反射区生成相同衍射图案。
发明内容
为了解决衍射光学元件只能在透射区或反射区生成衍射图案，或在透射区和反射区生成相同衍射图案的问题，本申请提供一种透反射双面衍射光学元件及制作方法，通过在基底的入射面和出射面分别制作不同的浮雕结构，并结合半透半反膜，实现在衍射光学元件的反射屏和透射屏分别生成不同衍射图案的效果。
为解决上述问题，本发明技术方案如下：
本发明提供一种透反射双面衍射光学元件，包括：基底，所述基底的入射面为具有浮雕结构的第一衍射面，所述基底的出射面为具有浮雕结构的第二衍射面，所述第一衍射面的浮雕结构上镀制半透半反膜；
所述第一衍射面通过半透半反膜反射的衍射光形成第一衍射图像；
所述第一衍射面通过半透半反膜透过的光通过所述第二衍射面衍射形成第二衍射图像；
所述第一衍射图像和第二衍射图像不同。
进一步优选的，所述第一衍射面的浮雕结构与所述第二衍射面的浮雕结构均为两台阶结构。
进一步优选的，所述第一衍射面的浮雕结构与所述第二衍射面的浮雕结构分别为结构不同的两台阶结构。
进一步优选的，所述第一衍射面的浮雕结构的台阶高度为150nm-160nm，所述第二衍射面的浮雕结构的台阶高度为710nm-720nm。
进一步优选的，所述第二衍射面的相位根据所述第一衍射面的相位设定。
进一步优选的，所述第一衍射面和第二衍射面的像素单元均为方形、且特征尺寸相同。
进一步优选的，所述第一衍射面通过半透半反膜系透过的光通过所述第二衍射面的相位附加后形成所述第二衍射图像。
本发明还提供一种透反射双面衍射光学元件的制作方法，包括步骤：
根据第一目标衍射图像并采用IFTA自适应优化算法设计第一衍射面的反射相位分布，并根据第一衍射面的反射相位分布信息设置第一衍射面的浮雕结构；
根据第二目标衍射图像及第一衍射面的透射相位分布并采用IFTA自适应优化算法设计第二衍射面的透射相位分布，并根据第二衍射面的透射相位分布信息设置第二衍射面的浮雕结构；
在基底的入射面刻蚀第一衍射面的浮雕结构，在基底的出射面刻蚀第二衍射面的浮雕结构，在第一衍射面的浮雕结构上镀制半透半反膜，形成透反射双面衍射光学元件。
进一步优选的，所述根据第一目标衍射图像并采用IFTA自适应优化算法设计第一衍射面的反射相位分布，具体包括步骤：
随机生成第一衍射面的初始相位分布，生成第一衍射面反射光的复振幅分布，对复振幅分布进行如下步骤S11-步骤S14的迭代计算得到第一衍射面的反射相位分布：
S11：对当前的复振幅分布进行傅里叶变换得到反射区像面复振幅分布；
S12：将反射区像面复振幅分布的振幅替换为第一目标衍射图像的振幅分布，得到修正的反射区像面复振幅分布；
S13：对修正的反射区像面复振幅分布进行傅里叶逆变换得到第一衍射面反射光的修正复振幅分布；
S14：将第一衍射面反射光的修正复振幅分布替换为当前的复振幅分布，并返回步骤S11迭代计算；
通过步骤S11-步骤S14迭代预设次数后，得到第一衍射面的反射相位分布，并经台阶量化得到最终的第一衍射面的反射相位分布。
进一步优选的，所述根据第二目标衍射图像及第一衍射面的透射相位分布并采用IFTA自适应优化算法设计第二衍射面的透射相位分布，具体包括步骤：
获取第一衍射面的透射相位；
随机生成第二衍射面的初始相位分布，叠加第一衍射面的透射相位分布，得到第二衍射面透射光的复振幅分布；
对复振幅分布进行如下步骤S21-步骤S24的迭代计算得到第二衍射面的透射相位分布：
S21：对当前的复振幅分布进行傅里叶变换得到透射区像面复振幅分布；
S22：将透射区像面复振幅分布的振幅替换为第二目标衍射图像的振幅分布，得到修正的透射区像面复振幅分布；
S23：对修正的透射区像面复振幅分布进行傅里叶逆变换得到第二衍射面透射光的修正复振幅分布；
S24：将第二衍射面透射光的修正复振幅分布替换为当前的复振幅分布，并返回步骤S21迭代计算；
通过步骤S21-步骤S24迭代预设次数后，得到第二衍射面的透射相位分布，将第二衍射面的透射相位分布减除第一衍射面的透射相位分布并经台阶量化得到第二衍射面所附加的相位分布。
依据上述实施例的透反射双面衍射光学元件及制作方法，由于通过在基底的入射面和出射面分别制作不同的浮雕结构，并结合半透半反膜，实现在衍射光学元件的反射屏和透射屏分别生成不同衍射图案的效果；在防伪和显示等领域具有很大的应用价值。
附图说明
图1为透反射双面衍射光学元件结构示意图；
图2为透反射双面衍射光学元件应用光路图；
图3为图2中透射衍射图案；
图4为图2中反射衍射图案；
图5为透反射双面衍射光学元件制作流程图；
图6为第一衍射面设计流程图；
图7为第二衍射面设计流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例一：
本实施例提供一种透反射双面衍射光学元件，其结构图如图1所示，包括基底1、基底1的入射面为具有浮雕结构的第一衍射面2，基底1的出射面为具有浮雕结构的第二衍射面3，其中，第一衍射面2的浮雕结构上镀制有半透半反膜；第一衍射面2通过半透半反膜反射的衍射光形成第一衍射图像，第一衍射面2通过半透半反膜透过的光通过第二衍射面3衍射形成第二衍射图像，且，第一衍射图像和第二衍射图像不同。
具体的，第一衍射面2的浮雕结构与第二衍射面的浮雕结构均为两台阶结构，优选的，第一衍射面2的浮雕结构与第二衍射面的浮雕结构分别为结构不同的两台阶结构。
本例中，第二衍射面3的相位根据第一衍射面2的相位设定，第一衍射面2通过半透半反膜透过的衍射光通过第二衍射面3的相位附加后形成第二衍射图像。也即是，第一衍射面2决定了反射区所呈现的第一衍射图案，第一衍射面2与第二衍射面3共同决定了透射区所呈现的第二衍射图案。
进一步，本例中的基底1为玻璃基底，玻璃基底均质水平为H5，基底厚度为t，其取值范围为t<1mm。
本例中的透反射双面衍射光学元件的结构尺寸如下所示：
第一和第二衍射面的像素单元为方形，特征尺寸相同，特征尺寸变化范围均为1.9～2μm，第一衍射面2表面浮雕结构的台阶高度为150～160nm，第二衍射面3表面浮雕结构的台阶高度为710～720nm；通过电子束蒸镀技术制造镀制在第一衍射面2之上的半透半反膜包括高折射率膜层和低折射率膜层，膜系总厚度为300～500nm，膜系可用材料为二氧化硅、二氧化钛、蓝宝石等。
在本例中，第一衍射面2的设计包括确定光源的波长、束腰半径及反射区目标图案的点数、工作距离、采样间距；及第二衍射面3的设计包括确定光源的波长、束腰半径及透射区目标图案的点数、工作距离、采样间距。
在本例中，第一衍射面2和第二衍射面3的制造包括使用激光直写、刻蚀等技术，形成两台阶的表面浮雕结构。
本例提供的透反射双面衍射光学元件的应用光路图如图2所示，光路中包括：激光器4、带孔反射区接收屏5、透反射双面衍射光学元件和透射区接收屏6(接收屏5和接收屏6均需放置于衍射元件的夫琅禾费衍射区)。
图2中的光路图工作过程如下：
(1)通过激光器4产生激光束，激光束光斑直径大于2mm；
(2)激光束透过接收屏5上的通光孔，入射到透反射双面衍射光学元件；
(3)透过透反射双面衍射光学元件的衍射光，在透射区接收屏6上生成如图3所示的透射衍射图案，经透反射双面衍射光学元件反射的衍射光，在带孔反射区接收屏5上生成如图4所示的反射衍射图案。通过图3和图4可知，透射衍射图案和反射衍射图案是不同的衍射图案。
本实施例提供的透反射双面衍射光学元件，通过在基底的入射面和出射面分别制作不同的浮雕结构，并结合半透半反膜，实现在衍射光学元件的反射屏和透射屏分别生成不同衍射图案的效果；在防伪和显示等领域具有很大的应用价值。
实施例二：
基于实施例一提供的透反射双面衍射光学元件，本实施例提供透反射双面衍射光学元件的制作方法，其流程图如图5所示，具体包括以下步骤。
S100：根据第一目标衍射图像并采用IFTA自适应优化算法设计第一衍射面的反射相位分布，并根据第一衍射面的反射相位分布信息设置第一衍射面的浮雕结构。
S200：根据第二目标衍射图像及第一衍射面的透射相位分布并采用IFTA自适应优化算法设计第二衍射面的透射相位分布，并根据第二衍射面的透射相位分布信息设置第二衍射面的浮雕结构。
S300：在基底的入射面刻蚀第一衍射面的浮雕结构，在基底的出射面刻蚀第二衍射面的浮雕结构，及在第一衍射面的浮雕结构上镀制半透半反膜，形成透反射双面衍射光学元件。
在步骤S100中，根据第一目标衍射图像并采用IFTA自适应优化算法设计第一衍射面的反射相位分布。该步骤具体包括以下步骤，其流程示意图如图6所示：
随机生成第一衍射面的初始相位分布，生成第一衍射面反射光的复振幅分布，例如：随机生成第一衍射面初始相位分布设定入射光为均匀平面波A(x，y)＝1，则第一衍射面反射光的复振幅分布/>
对复振幅分布进行如下步骤S11-步骤S14的迭代计算得到第一衍射面的反射相位分布：
S11：对当前的复振幅分布进行傅里叶变换得到反射区像面复振幅分布；
例如：对第一衍射面反射光的复振幅分布f1(x，y)进行傅里叶变换得到反射区像面复振幅分布F1(u1，v1)；
S12：将反射区像面复振幅分布的振幅替换为第一目标衍射图像的振幅分布，得到修正的反射区像面复振幅分布；
例如，将F1(u1，v1)的振幅|F1(u1，v1)|替换为反射区目标图案的振幅分布B(u1，v1)，得到修正后的反射区像面复振幅分布F2(u1，v1)；
S13：对修正的反射区像面复振幅分布进行傅里叶逆变换得到第一衍射面反射光的修正复振幅分布；
例如，对F2(u1，v1)进行傅里叶逆变换又得到对第一衍射面反射光的复振幅分布f2(x，y)；
S14：将第一衍射面反射光的修正复振幅分布替换为当前的复振幅分布，并返回步骤S11迭代计算；
例如，将第一衍射面反射光的复振幅分布替换为
通过步骤S11-步骤S14迭代预设次数后，得到第一衍射面的反射相位分布，并经台阶量化得到最终的第一衍射面的反射相位分布。
例如，通过步骤S11-S14，进行n次迭代后，n为大于1的正整数，得到第一衍射面反射相位分布经台阶量化后得到最终的第一衍射面反射相位分布
在步骤S200中，根据第二目标衍射图像及第一衍射面的透射相位分布并采用IFTA自适应优化算法设计第二衍射面的透射相位分布；具体包括以下步骤，其流程图如图7所示。
获取第一衍射面的透射相位；
例如，若基底材料折射率为nG，则可得到第一衍射面的透射相位
随机生成第二衍射面的初始相位分布，叠加第一衍射面的透射相位分布，得到第二衍射面透射光的复振幅分布；
例如，随机生成第二衍射面初始相位分布叠加第一衍射面的透射相位分布/>得到第二衍射面透射光的复振幅分布/>
对复振幅分布进行如下步骤S21-步骤S24的迭代计算得到第二衍射面的透射相位分布：
S21：对当前的复振幅分布进行傅里叶变换得到透射区像面复振幅分布；
S22：将透射区像面复振幅分布的振幅替换为第二目标衍射图像的振幅分布，得到修正的透射区像面复振幅分布；
S23：对修正的透射区像面复振幅分布进行傅里叶逆变换得到第二衍射面透射光的修正复振幅分布；
S24：将第二衍射面透射光的修正复振幅分布替换为当前的复振幅分布，并返回步骤S21迭代计算；
通过步骤S21-步骤S24迭代预设次数后，得到第二衍射面的透射相位分布，将第二衍射面的透射相位分布减除第一衍射面的透射相位分布并经台阶量化得到第二衍射面所附加的相位分布。
例如，通过步骤S21-S24，针对透射区目标图案的振幅分布C(u2，v2)进行m次迭代后，m为大于1的正整数，得到第二衍射面透射相位分布减除第一衍射面的透射相位分布/>再经过台阶量化后得到最终的第二衍射面所附加相位的分布/>
在步骤S300中，在基底的入射面刻蚀第一衍射面的浮雕结构，在基底的出射面刻蚀第二衍射面的浮雕结构，及在第一衍射面的浮雕结构上镀制半透半反膜，形成透反射双面衍射光学元件。
其中，在基底的入射面刻蚀第一衍射面的浮雕结构，及在第一衍射面的浮雕结构上镀制半透半反膜，具体过程是：在玻璃基底的入射面上旋涂一层光刻胶，并利用激光直写技术刻出第一衍射面的光刻胶浮雕结构；再通过反应离子束刻蚀将第一衍射面光刻胶浮雕结构转移到基底上；再通过电子束蒸镀，在第一衍射面镀制半透半反膜，最终在基底的入射面形成具有浮雕结构的第一衍射面。
其中，在基底的出射面刻蚀第二衍射面的浮雕结构，具体过程是：在玻璃基底的出射面上旋涂一层光刻胶，经过对准后，利用激光直写技术刻出第二衍射面的光刻胶浮雕结构；通过反应离子束刻蚀将第二衍射面光刻胶浮雕结构转移到基底上；最终在基底的出射面形成具有浮雕结构的第二衍射面。
通过上述步骤S100-S300完成透反射双面衍射光学元件的设计，由于设计的透反射双面衍射光学元件在基底的入射面和出射面分别具有不同的浮雕结构，并结合半透半反膜，实现在衍射光学元件的反射屏和透射屏分别生成不同衍射图案的效果；在防伪和显示等领域具有很大的应用价值。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (6)
1.一种透反射双面衍射光学元件，其特征在于，包括：基底，所述基底的入射面为具有浮雕结构的第一衍射面，所述基底的出射面为具有浮雕结构的第二衍射面，所述第一衍射面的浮雕结构上镀制半透半反膜；所述第一衍射面的浮雕结构根据第一衍射面的反射相位分布信息设置，所述第二衍射面的浮雕结构根据第二衍射面的透射相位分布信息设置，其中，所述第二衍射面的透射相位分布根据所述第一衍射面的透射相位分布设定；
所述第一衍射面通过半透半反膜反射的衍射光形成第一衍射图像；
所述第一衍射面通过半透半反膜透过的光通过所述第二衍射面的透射相位附加后形成第二衍射图像；
所述第一衍射图像和第二衍射图像不同。
2.如权利要求1所述的透反射双面衍射光学元件，其特征在于，所述第一衍射面的浮雕结构与所述第二衍射面的浮雕结构均为两台阶结构。
3.如权利要求2所述的透反射双面衍射光学元件，其特征在于，所述第一衍射面的浮雕结构与所述第二衍射面的浮雕结构分别为结构不同的两台阶结构。
4.如权利要求3所述的透反射双面衍射光学元件，其特征在于，所述第一衍射面的浮雕结构的台阶高度为150nm-160nm，所述第二衍射面的浮雕结构的台阶高度为710nm-720nm。
5.如权利要求1所述的透反射双面衍射光学元件，其特征在于，所述第一衍射面和第二衍射面的像素单元均为方形、且特征尺寸相同。
6.一种透反射双面衍射光学元件的制作方法，其特征在于，包括步骤：
根据第一目标衍射图像并采用IFTA自适应优化算法设计第一衍射面的反射相位分布，并根据第一衍射面的反射相位分布信息设置第一衍射面的浮雕结构；其中：
所述根据第一目标衍射图像并采用IFTA自适应优化算法设计第一衍射面的反射相位分布，具体包括步骤：
随机生成第一衍射面的初始相位分布，生成第一衍射面反射光的复振幅分布，对复振幅分布进行如下步骤S11-步骤S14的迭代计算得到第一衍射面的反射相位分布：
S11：对当前的复振幅分布进行傅里叶变换得到反射区像面复振幅分布；
S12：将反射区像面复振幅分布的振幅替换为第一目标衍射图像的振幅分布，得到修正的反射区像面复振幅分布；
S13：对修正的反射区像面复振幅分布进行傅里叶逆变换得到第一衍射面反射光的修正复振幅分布；
S14：将第一衍射面反射光的修正复振幅分布替换为当前的复振幅分布，并返回步骤S11迭代计算；
通过步骤S11-步骤S14迭代预设次数后，得到第一衍射面的反射相位分布，并经台阶量化得到最终的第一衍射面的反射相位分布；
根据第二目标衍射图像及第一衍射面的透射相位分布并采用IFTA自适应优化算法设计第二衍射面的透射相位分布，并根据第二衍射面的透射相位分布信息设置第二衍射面的浮雕结构；
其中：
所述根据第二目标衍射图像及第一衍射面的透射相位分布并采用IFTA自适应优化算法设计第二衍射面的透射相位分布，具体包括步骤：
获取第一衍射面的透射相位；
随机生成第二衍射面的初始相位分布，叠加第一衍射面的透射相位分布，得到第二衍射面透射光的复振幅分布；
对复振幅分布进行如下步骤S21-步骤S24的迭代计算得到第二衍射面的透射相位分布：
S21：对当前的复振幅分布进行傅里叶变换得到透射区像面复振幅分布；
S22：将透射区像面复振幅分布的振幅替换为第二目标衍射图像的振幅分布，得到修正的透射区像面复振幅分布；
S23：对修正的透射区像面复振幅分布进行傅里叶逆变换得到第二衍射面透射光的修正复振幅分布；
S24：将第二衍射面透射光的修正复振幅分布替换为当前的复振幅分布，并返回步骤S21迭代计算；
通过步骤S21-步骤S24迭代预设次数后，得到第二衍射面的透射相位分布，将第二衍射面的透射相位分布减除第一衍射面的透射相位分布并经台阶量化得到第二衍射面所附加的相位分布；
在基底的入射面刻蚀第一衍射面的浮雕结构，在基底的出射面刻蚀第二衍射面的浮雕结构，及在第一衍射面的浮雕结构上镀制半透半反膜，形成透反射双面衍射光学元件。
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