CN1786749A - 微光变图像的激光直写方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微光变图像的激光直写方法及装置，包括：(1)构建低空频光栅数字模板，以光栅取向角度等间隔分布，对每一单元光栅用数据结构表达，记录在计算机数据库中；(2)根据所需刻制的微光变图像，从低空频光栅数字模板中选取对应的光栅结构，利用激光束将空间光调制器上显示的光栅图样投影在记录介质上，形成缩小单元像；(3)改变光路和记录介质的相对位置，变换对应空频和取向的光栅图样，重复步骤(2)，依次刻录各个光栅单元，获得所需微光变图像。本发明采用直接成像的方法，整个光变图像的制作过程不需要机械旋转的方式来获得条纹取向，只要通过计算机在模板上读取不同取向的单元，输入SLM上即可实现光栅线条的旋转，因此，精度高。

Description

微光变图像的激光直写方法及装置

                          技术领域

本发明涉及一种微光学可变图像的数字化激光制作手段，特别适合制作低空频非彩色的光学可变图像。

                          背景技术

全息图和基于点阵(dot matrix)衍射光栅的光学可变图像(OpticalVariable Device，OVD)作为先进的防伪技术，已被广泛应用于货币、签证、ID卡、绝密文件以及包装材料等物理载体上，光变图像所含的干涉条纹的周期为1微米左右、深度为0.1-0.25微米，易于模压和复制，已经成为一种很成熟的应用技术。随着行业对技术应用的提升，对微光可变图像的应用技术的研究开始受到关注，所谓微光变图像(micro-optical variable device)，通常指特征线度在2-40微米，同时具有折射、衍射和反射特性的微结构(低空频光栅)，其设计、制造方法完全不同于全息图像和点阵衍射光变图像。

一般低频光栅单元可采用激光直写法来逐线光刻，但x-y直角坐标型的直写系统制作复杂取向光栅时较困难，同时运行效率低。对于定向散斑型单元需先制作图像掩模版，周期长，且单元的取向相对单一，不适合制作复杂的OVD。

采用具有旋转机构的双光束干涉型直写系统，可以方便、快速地制作高频OVD，双光束干涉光学头如附图1所示，通过旋转分束器21选择不同的光栅及其取向，从而在光刻胶面上干涉出不同空频、不同取向的小光栅，分束器是由一组不同特性的光栅元件构成，将入射光的光强主要集中在正、负一级衍射光上，但仍存在零级光，因此需要使用挡光板22将其消除。考虑到系统机械结构的合理性，一般透镜24与透镜23等焦距。从附图1光路可看出，光刻胶面25上双光束的夹角与分束器分出的±1级光的夹角θ相等。两束光间的夹角满足2sin(θ/2)＝λ/Λ。光源λ为405nm时，对上述光变图像，例如干涉形成1000线/毫米的小光栅时，θ＝23°，此时，零级光的挡光板结构很容易实现；但对于微光变图像，空频较低，若要形成100线/毫米的小光栅时，θ＝2.3°，此时消除零级光非常困难。这样，双光束直写法不适合低频光栅结构的OVD。

                          发明内容

本发明目的是提供一种微光变图像的激光直写方法，解决现有逐线光刻的激光直写方法制作复杂取向光栅时较困难，同时运行效率低的问题，以使微光变图像较方便地进入实际工业化应用。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种微光变图像的激光直写方法，包括如下步骤：

(1)构建低空频光栅数字模板，以光栅取向角度等间隔分布，对每一单元光栅用数据结构表达，记录在计算机数据库中，所述光栅取向角度的间隔不小于5°；

(2)根据所需刻制的微光变图像，从低空频光栅数字模板中选取对应的光栅结构，显示在空间光调制器上，利用激光束将空间光调制器上显示的光栅图样投影在记录介质上，形成缩小单元像，在记录介质上刻录成对应的光栅单元；

(3)改变光路和记录介质的相对位置，根据所需刻录的微光变图像分别变换对应空频和取向的光栅图样，重复步骤(2)，依次刻录各个光栅单元，获得所需微光变图像。

进一步的技术方案，所述光栅模板中，存储的光栅取向角度的间隔为1°。

上述技术方案中，所述低空频光栅数字模板采用二维结构存储。

上述技术方案中的低空频光栅数字模板，用来提供不同取向条纹的单元，每个单元由黑白相间的光栅线条构成，特征线度在2-40微米，线条具有不同的取向。例如，规定光栅线条的取向范围φ为-89°～90°，每1°改变一次，则共有180种单元取向，不同取向的单元顺序排列成二维模板。附图2是由低空频光栅单元构成的模板示意图，该示意图共有36个单元取向，每5°改变一次。

我们知道，白光照明衍射光栅时，衍射光线满足光栅方程：

Λ(sini±sinθ)＝kλ                      (1)

式中Λ是光栅常数；i是入射角；θ是衍射角；k是干涉级数。不同波长衍射光线间的夹角为，

sinθ1-sinθ2＝(λ1-λ2)/Λ               (2)

以白光垂直照明条件计算，从式(2)可看出，在同等照明条件下，光栅常数越大，色散角就越小。若光栅线数为100lines/mm，+1级衍射光中紫光400nm到红光760nm的色散角仅为2.5°，人眼的明视距离为25cm，衍射光中可见光的线色散约为1cm，衍射光的色彩变化很不明显，几乎呈现白色，因此，采用低频光栅可以实现低色散的光变图像。低频光栅模板的条纹对比度高，组成的光变图形的定向性好。但是，在光刻胶的厚度一定的条件下，较大的条纹周期导致条纹的占空比较小，不利于浮雕图形的复制，反之，如果采用更小的条纹周期，光栅色散就会变大。

低空频光栅模板的单元也可以采用随机结构的线条构成，参见附图4，由于这种随机条形散斑结构在对白光衍射时，各色散的光线混合在一起，形成消色差的特性。

实现上述方法的一种微光变图像的激光直写装置，包括激光器，准直光路、成像光路、运动平台和控制系统，所述控制系统为计算机控制系统，运动平台与所述成像光路在X、Y两维方向相对运动，所述成像光路包括空间光调制器、半透半反镜和双远心投影缩微光路，所述空间光调制器位于成像光路的物面，由计算机控制其显示图像，所述运动平台位于成像光路像面。

上述技术方案中，所述空间光调制器既可以是透射型空间光调制器；也可以是反射型空间光调制器。

制作光变图像的方法时，激光器发出激光束(蓝紫光)，经准直光路后，照明空间光调制器SLM，计算机系统根据光变图像的数据结构每次从低空频光栅数字模板上读取一个单元图形，送入空间光调制器，光束经过空间光调制器SLM后，由半透半反镜、双远心投影缩微光路，在置放于运动平台的光刻胶干板上形成缩小单元像。根据不同的光变图像的单元取向读取不同取向的光栅线条单元，最终在光刻胶干板上形成的不同取向微结构。还可以设置CCD用于聚焦点的调焦监控。微结构的最小限度取决于SLM的像素尺寸、双远心光路的缩小倍率，尤其是显微物镜的数值孔径的大小，影响光刻胶干板上的微结构线度。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.由于本发明采用直接成像的方法而不是干涉成像的方法，整个光变图像的制作过程不需要机械旋转的方式来获得条纹取向，只要通过计算机在模板上读取不同取向的单元，输入SLM上即可实现光栅线条的旋转，因此，精度高。

2.通过改变模板中线条的间隔，即可改变最终在光刻胶干板上形成的微光变图像的空间频率和色散能力。

3.由于采取了逐单元光刻的方式，整个微光变图像的制作的时间大大缩短。如果输入低频光栅模板的单元尺寸，1.6mm，投影缩小率20倍，则在光刻胶干板上的单元的尺寸80微米，运动系统可以达到100点/s，这样，完成一幅50mm×50mm面积的微光变图像的时间约1小时左右。同样，如果通过逐线条光刻，同样系统运动速度为8mm/s，线条的空频为4微米/mm，这样，完成一幅50mm×50mm面积的微光变图像的时间至少22小时左右。

4.通过采取了逐单元光刻的方式，光刻的时间只与模板单元的尺寸和运动系统的速度有关，与微光变图像的精细结构无关。

5.通过调整空频模板的结构，可以获得各种光变体效果的微光器件。

                          附图说明

附图1为现有技术中双光束干涉光学头的结构示意图；

附图2数字化低空频模板结构示意图；

附图3为本发明实施例一的激光直写系统结构示意图

附图4随机线条的微光变图像光栅结构的放大示意图；

附图5本发明实施例二的激光直写系统结构示意图；

附图6为具有缩放效果微光变图像制作的照片；

附图7和附图8为微光变图像微结构的放大示意图。

其中，[1]、激光光源；[2]、扩束准直镜；[3]、反射镜；[4]、空间光调制器；[5]、分光镜；[6]、计算机；[7]、精缩投影物镜；[8]、光刻胶面；[9]、运动平台；[10]、控制组件；[11]、CCD；[21]、分束器；[22]、挡光板；[23、24]、光学透镜；[25]、光刻胶面。

                        具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：一种微光变图像的激光直写方法，包括如下步骤：

(1)构建低空频光栅数字模板，以光栅取向角度等间隔分布，对每一单元光栅用数据结构表达，记录在计算机数据库中，所述光栅取向角度的间隔不小于5°；

(2)根据所需刻制的微光变图像，从低空频光栅数字模板中选取对应的光栅结构，显示在空间光调制器上，利用激光束将空间光调制器上显示的光栅图样投影在记录介质上，形成缩小单元像，在记录介质上刻录成对应的光栅单元；

(3)改变光路和记录介质的相对位置，根据所需刻录的微光变图像分别变换对应空频和取向的光栅图样，重复步骤(2)，依次刻录各个光栅单元，获得所需微光变图像。

在低空频光栅数字模板中，OVD数据可表示为f(x，y，φ，Λ)，φ代表光栅取向，Λ表示光栅常数，参见附图6。如附图3所示，用激光直写系统来制作光变图像，由计算机设计所需的不同空频、不同取向的光栅结构，根据OVD数据中的φ、Λ值将预先设计的数字空频模板单元结构输出到空间光调制器上，通过视频驱动器与计算机相连，由计算机控制和输入视频信号，经过精缩投影物镜投影到光刻胶面，由于在模板上预先进行了单元图形的取向设计，因此上述方法可实现任意取向的单元图形的光刻而无需双光束干涉中的光栅旋转机构，从而实现双光束干涉系统无法制作的低空频微光变图像的设计与制作。

附图3是一种制作光变图像的直写装置，激光器1发出激光束(蓝紫光)，经扩束准直器2和反射镜3，照明空间光调制器SLM 4，计算机5根据光变图像的数据结构每次从低空频光栅数字模板上读取一个单元图形，送入空间光调制器，光束经过空间光调制器SLM后，由半透半反镜6、双远心投影缩微光路7，在光刻胶干板8上形成缩小单元像。光刻胶干板置于运动平台9上，根据不同的光变图像的单元取向读取不同取向的光栅线条单元，最终在光刻胶干板上形成的不同取向微结构。CCD 10用于聚焦点的调焦监控。微结构的最小限度取决于SLM的像素尺寸、双远心光路的缩小倍率，尤其是显微物镜的数值孔径的大小，影响光刻胶干板上的微结构线度。

激光直写统中采用的空间光调制器(SLM)像素尺寸12-25.9微米，经过精缩投影光学系统缩微，在光刻胶板上的最小光点分辨率为2微米。因此，激光直写系统进行微光变图像制作的最小特征结构达2微米。低频光栅常数可达250lines/mm。光变图像上的单元微结构尺寸为40μm×40μm因此，上述激光直写系统支持的微光变图像的分辨率为635dpi。或者80μm×80μm微光变图像的分辨率为317dpi。

附图7所示通过低频光栅二维模板，制作的OVD具有100lines/mm的空频结构，从不同角度观察，图形的大小发生变化；

附图8用低频随机线条结构制作的光变图像的消色散效果要好于附图7的用低频光栅制作的微光变图像。

从附图7和8可以看出，设计的数字化低频光栅二维模板结构成功的实现了低色散微光变图像OVD的制作。需要指出的是，微光变图像制作的工艺过程中，需将光刻胶面的浮雕结构复制到塑性薄膜材料上，在热压过程中，附图2所示低空频光栅结构由于浮雕的占空比(深度和宽度比)小于1∶10，在塑性材料热压有回弹，复制效果稍差，影响了复制微光变图像的衍射效率，导致光泽度下降。而随机线条结构由于具有更小的特征结构，这样条纹占空比可达1∶2.5～1∶5，因此，随机线条结构更适合与热压复制工艺。

实施例二：参见附图5所示，一种制作光变图像的直写装置，其结构与实施例一类似，但其中的空间光调制器采用反射型空间光调制器，从而，光路布置方向与实施例一不同。

Claims (6)

1.一种微光变图像的激光直写方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)构建低空频光栅数字模板，以光栅取向角度等间隔分布，对每一单元光栅用数据结构表达，记录在计算机数据库中，所述光栅取向角度的间隔不小于5°；

(2)根据所需刻制的微光变图像，从低空频光栅数字模板中选取对应的光栅结构，显示在空间光调制器上，利用激光束将空间光调制器上显示的光栅图样投影在记录介质上，形成缩小单元像，在记录介质上刻录成对应的光栅单元；

(3)改变光路和记录介质的相对位置，根据所需刻录的微光变图像分别变换对应空频和取向的光栅图样，重复步骤(2)，依次刻录各个光栅单元，获得所需微光变图像。

2.根据权利要求1所述的微光变图像的激光直写方法，其特征在于：所述光栅模板中，存储的光栅取向角度的间隔为1°。

3.根据权利要求1所述的微光变图像的激光直写方法，其特征在于：所述低空频光栅数字模板采用二维结构存储。

4.一种微光变图像的激光直写装置，包括激光器，准直光路、成像光路、运动平台和控制系统，所述控制系统为计算机控制系统，运动平台与所述成像光路在X、Y两维方向相对运动，其特征在于：所述成像光路包括空间光调制器、半透半反镜和双远心投影缩微光路，所述空间光调制器位于成像光路的物面，由计算机控制其显示图像，所述运动平台位于成像光路像面。

5.根据权利要求4所述的微光变图像的激光直写装置，其特征在于：所述空间光调制器为透射型空间光调制器。

6.根据权利要求4所述的微光变图像的激光直写装置，其特征在于：所述空间光调制器为反射型空间光调制器。

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