CN1786823A - 一种消色差光变图像的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消色差光变图像的制作方法，构建定向散斑生成器，以不同取向的狭缝光阑作为目标物光场，采用迭代傅里叶变换算法计算得到的具有定向衍射特性的二元位相结构，作为光变图像的微结构；根据所需生成的光变图像，用上述定向散斑生成器进行数字化表达，获得光变图像的散斑位相结构；通过空间光调制器，用激光成像系统进行激光直写，获得所需的消色差光变图像。本发明不需要利用干涉等方法来获取散斑，可以利用激光成像系统直写出散斑结构的光变图像，分辨率高，实现了消色差的精密光变图像设计与制作；同时，其适合于热压复制工艺，为制造消色差微光变图像提供了一种新方法。

Description

一种消色差光变图像的制作方法

                          技术领域

本发明涉及一种光学可变图像的实现方法，具体涉及一种应用二元光学方法设计、以激光直写方法制作消色差光变图像的实现方法。

                          背景技术

光学可变图像(Optical Variable Device，OVD)作为先进的光学防伪技术，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。目前，光变图像主要是基于高空频衍射光栅的定向衍射效应来实现的，OVD由不同取向、不同空频的光栅元组成，在白光照明下，产生离轴彩虹效果。但在很多应用场合，彩色会成为不利因素，因此，如何实现消色散光变图像，成为一个行业发展中研究热点。

原理上，要实现非彩色光变图像，首先要获得实现消色散的光学方法。一种实现消色散光变图像的方案是使用定向散斑结构，现有技术中，制作定向散斑的技术手段不多，常使用柱形细光束照明毛玻璃，在远场产生条形散斑，用同轴平行参考光记录材料记录条形散斑场并形成浮雕位相结构，这种散斑位相结构对照明光形成定向衍射，在远场产生消色散的狭缝光场，在狭缝光场上观察，光强最亮。但是，该方案产生的条形散斑的颗粒度很大，同时需要图形掩膜，不利于精密光变图像的制作。

如果能实现一种新的定向散斑结构的制作方法，使之能适用于精密光变图像的制作，将有利于消色散光变图像的工业化应用。

目前，电子束(e-beam)和激光直写(LDW)是两种主要的精密图形的制作方法，前者刻蚀的分辨率高，但设备投资大，设计和制作费用昂贵，制作时间长；激光直写是一种相对快捷的掩膜生成方法，在用来制作线结构图形时，具有制作工艺简单、速度快、加工成本低和面积大的优点。因此，申请人考虑采用激光直写方法来实现一种新的定向散斑的制作方法。

                          发明内容

本发明目的是提供一种具有定向散斑结构的消色差光变图像的制作方法，以适用于精密光变图像的制作。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种消色差光变图像的制作方法，包括，

(1)构建定向散斑生成器：

以输出光场为F(x，y)，狭缝宽度为2a，则目标振幅分布可表示为 $\mathrm{rect}\left(\frac{x}{2a}\right)\mathrm{rand}(x,y),$ 具有两位相台阶的二元位相角分布φ(u，v)，位相台阶为{0，pi}，则再现的输出光场可表示为，

$F(x,y)=F\left\{\exp \right[\mathrm{i\φ}(u,v)\left]\right\}=\mathrm{rect}\left(\frac{x}{2a}\right)\mathrm{rand}(x,y)---\left(1\right)$

采用GS改进算法通过多次迭代Fourier变换运算来计算二元位相结构，获得φ(u，v)分布，即为所需定向散斑位相结构；

(2)根据所需生成的光变图像，用上述定向散斑生成器进行数字化表达，获得光变图像的散斑位相结构，存储于计算机中；

(3)将步骤(2)获得的数字化表达的散斑位相结构显示在空间光调制器上，用激光成像系统成像在记录材料上，进行激光直写，获得所需的消色差光变图像。

上述技术方案中，通常，以散斑单元光栅为基础进行制作，将所需生成的光变图像划分成定向散斑的二维阵列，对阵列中的每个定向散斑，分别用所述步骤(2)获得其数字化表达，再用数字(3)进行激光直写，改变记录材料相对激光束的位置，依次记录二维阵列的定向散斑结构，获得所需消色差光变图像。

对于光变图像中同一区域内的象素元的散斑光栅取向和光栅常数相同的，以整个区域作为一个散斑区域，采用矢量化直写方式记录该区域的散斑位相结构。

参见附图1-1，图中所示是一种狭缝光场，作为已知输出光场F(x，y)，来逆向求解出二元位相φ(u，v)。我们采用GS改进算法通过多次迭代Fourier变换运算来计算二元位相结构，计算获得的φ(u，v)分布，如图1-2所示，其分布为一种条形的、具有定向衍射特点的位相结构，若将该分布直写到光刻胶上，其浮雕微结构的透过率为，

t(u，v)＝exp[iφ(u，v)]                                 (2)

一般地，二元光学元件的最小位相单元尺寸大于使用波长，因此，采用标量波理论来计算元件的衍射效率，一级衍射效率的定义为，

$\mathrm{Deff}=\underset{(x,y)\∈\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\Σ}}{I}_r(x,y)/\underset{x}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_r(x,y)---\left(3\right)$

式(3)中的分子是再现目标图像内Ω的光强，分母是整个再现光场的光强。白光照明时，在反射光方向观察的光强分布为，

$I={\∫\∫\∫\left|F\right[t(u,v)\left]\right|}^2\mathrm{dudvd\λ}$

$={\mathrm{\λ}}_1{\∫\∫\∫\left|F\right[t^n(u,v,{\mathrm{\λ}}_1)\left]\right|}^{\frac{2}{n}}\mathrm{dudvdn}---\left(4\right)$

其中λ₁＝400nm，可见光波长λ为400nm～760nm，，设任意波长λ＝λ₁n，dλ＝λ₁dn，n积分限为1～1.84。式(4)的分布如图1-3所示，可以看出不同波长的衍射光被限制在一狭长范围，虽然，同一个位相结构对不同波长光的衍射效率不同，但衍射光仍表现出白色(消色散)。若以定向衍射二元位相结构作为OVD的组成部分，这样的OVD便有消色散特征，产生金属色泽的视觉效果。

本发明中的定向散斑结构由软件直接产生，可以通过改变狭缝的长度、宽度和取向来获得任意分布的散斑，无需光学系统和机械装置干涉实现，与传统的全息记录散斑方法相比，具有更大的设计空间和灵活性。

为实现本发明的上述技术方案，本发明定向散斑的数据结构可以采用下列面向光变图像图形结构的数据方案。

一般地，OVD数据可表示为f(x，y，φ，Λ)，x，y表示象素光栅元的空间坐标，φ代表光栅取向，Λ表示光栅常数。第一种数据方案是以定向衍射位相结构单元作为OVD的象素元。将不同取向的位相单元顺序排列二维阵列模板。位相单元的取向和空频可由狭缝的取向和宽度来改变，由计算机设计不同空频、不同取向的位相结构，根据数据中的φ、Λ值将预先设计的位相单元输出到空间光调制器上，经过精缩投影物镜投影到光刻胶面。这种方案原则上，可以设计、制作各种类型的光变图像。但是，若制作的OVD在某一区域内的象素元的φ、Λ相同(称为OVD的面单元)时，则需重复调用相同取向的位相结构模板。这种重复性位相单元在远场的衍射光场干涉形成明暗相间的二维条纹，衍射光强明显降低，影响了OVD的效果。

针对面状OVD，提出第二种数据方案，定向散斑结构的尺寸等于整个OVD尺寸。设取向数目为N，不同取向的散斑组成一列包含N个元素的数组。生成OVD面单元的数据时，由取向φ选定数组中相应取向的散斑，再根据面单元在整个OVD中的位置调用该定向散斑中的对应部分。

我们注意到，位相结构中的任意一小部分面积均可再现出目标图像，但随着面积减小再现光强会减弱。对于小面单元，提出第三种数据方案，根据面单元的形状和尺寸来设计对应的定向衍射位相结构。若面单元为规则图形，位相结构尺寸等于子图像面单元尺寸，由于未受到裁切，该结构再现的狭缝形光带较强。若面状单元为不规则图形，定向衍射位相结构的长、宽应分别等于面单元的横向宽度和纵向宽度，再根据面单元形状截取相应的散斑分布。

以上所述为本发明提出的三种实现OVD数据方案：(1)不同取向结构顺序排列的二维模板，根据OVD中各象素点的φ、Λ值调用对应单元散斑。(2)不同取向结构顺序构成3维数组结构，根据OVD中面单元的取向和位置调用指定位置内的散斑。(3)按面单元尺寸和形状设计合适的散斑模板。方案(1)适合于线条形OVD，方案(2)适合OVD中相对大面积的面形单元，方案(3)适合OVD中小面积的面形单元，应根据OVD的特征选择合适的数据方案。对于复杂结构的OVD，三种数据方案可结合使用，能够有效的提高散斑位相结构的衍射效率，使得图像具有更高的亮度。

本发明的光变图像的制作，可以采用电子束或激光直写方法。但通常采用激光直写系统来制作。

对于第一种数据结构，采用系统的逐图形曝光工作方式。光刻时根据数据中的φ、Λ值调用预先设计的位相单元，并输出到空间光调制器上，经过精缩投影物镜投影到光刻胶面，进行逐图形曝光。第二、三种数据方案，采用系统的矢量化直写工作方式，平台在多轴控制卡的控制下可进行任意方向的矢量化运行。根据数据中的φ、Λ值将预先设计的位相结构图像处理成一种矢量化的数据结构，即在扫描线上连续相同位相分布仅取两端点的坐标，然后将矢量化数据串行输出到空间光调制器上，由于是两台阶位相结构，这里空间光调制器的作用相当于一个光开关。从而，激光直写系统可光刻各种取向设计的两台阶位相结构，最终形成复杂分布的光变图形。

OVD的整个制作过程包括光刻、电铸、热压等工序。实践验证，定向散斑形成的浮雕结构比占空比较小的低频光栅浮雕结构更适合热压工艺。

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.本发明采用迭代Fourier变换算法以不同取向的狭缝光阑作为目标物，获得对应的具有定向衍射特性的二元位相结构，从而，不需要利用干涉等方法来获取散斑，可以利用激光成像系统直写出散斑结构的光变图像，分辨率高，实现了消色差的精密光变图像设计与制作；

2.本发明采用二元光学方法设计的具有条形远场衍射的位相结构，实质上是一种二元整形器件，可以采用激光直写系统进行制作，获得的微光变图像的位相结构最小线宽为2微米。实践证明，基于定向衍射的二元光学位相结构有效实现了消色散效果，适合于热压复制工艺，为制造消色差微光变图像提供了一种新方法。

                          附图说明

附图1-1为目标狭缝光场示意图；

附图1-2为迭代运算后的条形位相分布示意图；

附图1-3为衍射后的可见光波段的定向远场衍射光强分布示意图；

附图2-1为本发明实施例一的二维数字化模板示意图；

附图2-2为实施例一中渐变结构的光变图像；

附图3-1为本发明实施例二中(8×8)相同取向单元重复排列结构示意图；

附图3-2为实施例二中衍射光场分布示意图；

附图4为实施例二的数组模板结构；

附图5-1为实施例二中含有面单元结构的光变图像示意图；

附图5-2为图5-1面单元对应的位相结构单元；

附图5-3为图5-2的衍射光强分布图；

附图6-1为本发明实施例三中方形小面积位相结构图；

附图6-2为图6-1中位相结构的衍射光强分布；

附图6-3为实施例三中环带状小面积位相结构；

附图6-4为图6-3的散斑结构的衍射光强分布；

附图7-1为实施例三中按照狭长面状单元设计的位相结构；

附图7-2为图7-1的衍射光强分布；

附图7-3为实施例三中按照不规则面状单元设计的位相结构；

附图7-4为图7-3的衍射光强分布；

附图8为实施例三中含有小面积区域的数字光变图像示意图；

附图9-1为图8中Φ＝135区域对应的定向散斑位相结构示意图；

附图9-2为图8中Φ＝0区域对应的定向散斑位相结构示意图；

附图9-3为图8中Φ＝45区域对应的定向散斑位相结构示意图；

附图9-4为图8中Φ＝90区域对应的定向散斑位相结构示意图；

附图10-1为实施例三中消色散光变图像的照片；

附图10-2为图10-1的衍射光场示意图；

附图11为实施例中用于激光直写的SVG-LDW04系统结构图。

其中：[1]、激光光源；[2]、反射镜；[3]、空间光调制器；[4]、CCD；[5]、分光镜；[6]、精缩投影物镜；[7]、光刻胶面；[8]、x-y平台；[9]、控制组件。

                         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：

实施例一：参见附图2所示，一种消色差光变图像的制作方法，以定向衍射位相结构单元作为OVD的象素元，位相单元的取向和空频可由狭缝的取向和宽度来改变，由此构建定向散斑生成器，由计算机设计不同空频、不同取向的位相结构。附图2-1给出了由此构建的一种数据库，规定OVD象素元的取向φ为-89°～90°，每5°改变一次，共36种单元取向，不同取向的位相单元顺序排列成6×6的二维阵列。实际上，φ的改变值可以任意设定，排列成不同组合的二维模板。图2-2所示的光变图像中每个小面积区域中象素元的取向是从-89°～90°。采用SVG-LDW04系统的逐图形曝光工作方式。光刻时根据数据中的φ、Λ值从图2-1所示的模板中调用预先设计的位相单元，并输出到空间光调制器(图11中器件3)上，经过精缩投影物镜投影到光刻胶面，进行逐图形曝光。由此在光刻胶干板上获得了所需的消色差光变图像。

实施例二：参见附图3至附图5所示，当制作的OVD在某一区域内的象素元的φ、Λ相同(可称为OVD的面单元)时，根据实施例一中的制作方法，需重复调用相同取向的位相结构模板。设象素单元的大小为p×q，若对于M×N的面状图形，需重复调用同一取向的位相单元排列成(M/p)×(N/q)阵列。设位相单元的透过率函数为t₀(u₀，v₀)，则由位相单元阵列组成的面状图形的透过率t(u₀，v₀)为，

$t(u_0,v_0)=t_0(u_0,v_0)*\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(u_0-\mathrm{mp},v_0-\mathrm{nq})---\left(5\right)$

其衍射光场的复振幅分布为

$T(x,y)=T_0(x,y)*\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\exp [-j2\mathrm{\π}(\mathrm{mxp}+\mathrm{nyq})]$

$=T_0(x,y)\exp \{-\mathrm{j\π}(M+1)\mathrm{xp}+(N+1)\mathrm{yq})\left]\right\}\frac{\sin \mathrm{M\πxp}}{\sin \mathrm{\πxp}}\frac{\sin \mathrm{N\πyq}}{\sin \mathrm{\πyq}}---\left(6\right)$

衍射光场的强度分布为

$I(x,y)={\left|T_0(x,y)\right|}^2{\left|\frac{\sin \mathrm{M\πxp}}{\sin \mathrm{\πxp}}\right|}^2{\left|\frac{\sin \mathrm{N\πyq}}{\sin \mathrm{\πyq}}\right|}^2---\left(7\right)$

式(7)表明，相同取向位相单元阵列的衍射光强在相互垂直的方向上被正弦函数调制。例如，设某面图形为320μm×320μm，需要调用8×8个40μm×40μm的位相单元结构，排列如图3-1，这种重复性位相单元在远场的衍射光场干涉形成明暗相间的二维条纹，使得狭缝光场如图3-2所示，衍射光强明显降低，影响了OVD的效果。

为解决这一问题，针对面状OVD(例如图3-1)，本实施例的数据方案中，设每种取向的分布可表示为A_i(x，y)，x＜＝P，y＜＝Q，(P、Q表示散斑结构的尺寸)。设取向数目为N，定义一个3维数组B(P，Q，N)，满足：

B(x，y，i)＝A_i(x，y)                              (5)

其中i取值为1-N，如图4所示。生成OVD面单元的数据时，由取向φ确定i值，根据面单元在整个OVD中的位置调用数组中相应位置的定向散斑。例如，光刻图5-1中央方形面元，该区域对应的定向散斑数据如图5-2，其衍射光强如图5-3。与图3-2比较可知，调用模板中指定位置图形的方法比重复调用相同取向单元图形的方法制作面状OVD具有更集中的衍射狭缝光强。

实施例三：参见附图6至附图10所示。我们注意到，位相结构中的任意一小部分面积均可再现出目标图像，但随着面积减小再现光强会减弱。若OVD中面元的面积较小，如图6-1、6-3，该面积仅占整个位相图形的1/16，按指定位置调用图形(实施例二)的方法制作OVD，衍射光强较低，如图6-2、6-4，衍射效率仅为2％。对于小面单元，本实施例提出第三种数据方案，根据面单元的形状和尺寸来设计对应的定向衍射位相结构。若面单元为规则图形，位相结构尺寸等于子图像面单元尺寸，如图7-1，是根据OVD上一小面积设计的定向衍射位相结构，由于未受到裁切，该结构再现的狭缝形光带较强，如图7-2，一级衍射效率为38％；同样的面单元，如果是从大位相结构中裁切后形成的，则衍射效率为4％。若面状单元为不规则图形，定向衍射位相结构的长、宽应分别等于面单元的横向宽度和纵向宽度，再根据面单元形状截取相应的散斑分布，如图7-3，其衍射光强分布如图7-4所示。例如，实现图8所示的光变图像，该图形由四个不同取向(Φ＝0°，45°，90°，135°)的小区域，根据四个区域的图形设计的定向散斑分别如图9-1、9-2、9-3、9-4。图10-1是光刻该实例的照片。在650nm波长照明下，该图像的衍射光场分布如图10-2所示，表明，四种不同取向的散斑结构再现了四个不同方向的狭缝光场，进一步验证了消色散特征。

制作实施例二和实施例三中的光变图像，采用系统的矢量化直写工作方式。平台在多轴控制卡的控制下可进行任意方向的矢量化运行。根据数据中的φ、Λ值将预先设计的位相结构图像处理成一种矢量化的数据结构，即在扫描线上连续相同位相分布仅取两端点的坐标，然后将矢量化数据串行输出到空间光调制器上，由于是两台阶位相结构，这里空间光调制器的作用相当于一个光开关。从而，激光直写系统可光刻各种取向设计的两台阶位相结构，最终形成复杂分布的光变图形。

OVD制作过程包括光刻、电铸、热压等工序。实践验证，定向散斑形成的浮雕结构比占空比较小的低频光栅浮雕结构更适合热压工艺。

Claims (3)

1.一种消色差光变图像的制作方法，其特征在于：包括，

(1)构建定向散斑生成器：

以输出光场为F(x，y)，狭缝宽度为2a，则目标振幅分布可表示为具有两位相台阶的二元位相角分布φ(u，v)，位相台阶为{0，pi}，则再现的输出光场可表示为，

$F(x,y)=F\left\{\exp \right[\mathrm{i\φ}(u,v)\left]\right\}=\mathrm{rect}\left(\frac{x}{2a}\right)\mathrm{rand}(x,y)----\left(1\right)$

采用GS改进算法通过多次迭代Fourier变换运算来计算二元位相结构，获得φ(u，v)分布，即为所需定向散斑位相结构；

(2)根据所需生成的光变图像，用上述定向散斑生成器进行数字化表达，获得光变图像的散斑位相结构，存储于计算机中；

(3)将步骤(2)获得的数字化表达的散斑位相结构显示在空间光调制器上，用激光成像系统成像在记录材料上，进行激光直写，获得所需的消色差光变图像。

2.根据权利要求1所述的消色差光变图像的制作方法，其特征在于：将所需生成的光变图像划分成定向散斑的二维阵列，对阵列中的每个定向散斑，分别用所述步骤(2)获得其数字化表达，再用数字(3)进行激光直写，改变记录材料相对激光束的位置，依次记录二维阵列的定向散斑结构，获得所需消色差光变图像。

3.根据权利要求1所述的消色差光变图像的制作方法，其特征在于：对于光变图像中同一区域内的象素元的散斑光栅取向和光栅常数相同的，以整个区域作为一个散斑区域，采用矢量化直写方式记录该区域的散斑位相结构。

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