CN1834731A - 一种消色差变色银衍射图像的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消色差变色银衍射图像的制作方法，包括下列步骤：(1)制备一种二元光学元件，其远场衍射光场是一条狭缝；(2)构建一个4F光学系统，将步骤(1)获得的二元光学元件放置在其变换平面上，作为分束元件，使得入射光被分成两个条形光场，经透镜组成像后，在记录材料表面形成一个散斑干涉图像单元；(3)改变光学系统与记录材料的相对位置，在记录材料上分别记录对应的条形散斑干涉图像单元，获得消色差变色银衍射图像。本发明同时提供了实现该方法的装置。本发明提供了一种简单、快速、成本低、加工面积大的条形散斑制作方法，使消色差变色银衍射图像进入实用，可以替代现有的银色喷涂技术而实现类似的金属银效果，以解决环保问题。

Description

一种消色差变色银衍射图像的制作方法

                        技术领域

本发明涉及一种消色差变色银衍射图像的实现方法，具体涉及采用一种二元位相元件作为分束器，其衍射光场干涉形成具有条形散斑的光点，这种条形散斑位相结构，对光的远场衍射是一个消色差的狭缝形状，不同取向条形散斑可构成变色银衍射图像。

                        背景技术

现有技术中，激光彩虹转移材料已逐步成为一种重要的印刷、包装、外观装饰材料。通过数字化控制的干涉光点记录，可形成变化复杂的衍射光变图像，由此制备的激光图像材料具有彩虹效果，绚丽多彩，其颜色分布和图形均随着观察位置的变化而改变。

然而，在一些应用场合，人们并不需要绚丽多彩的彩虹效果，而是需要光线色调的改变形成的效果，即由同一个颜色的不同色调构成图像。例如，银色是一种常用的色调，许多产品，如手机、电脑、冰箱、洗衣机等电器产品，甚至一些桌椅等产品均采用银色作为外装饰颜色，现有的这些银色装饰，是采用喷涂的方式制作到部件外表面上的，可以营造出一种金属的感觉。

喷涂工艺是一种常用的外观装饰方法，但是，在环保上存在问题。例如，汽车喷涂一直是汽车行业生产过程中对环境污染最大的一个环节，每年产生7千万磅油漆挥发物，需要用各种昂贵的手段去收集处理，部分被直接排放到大气中；另外有二千四百万磅在喷涂车间中被收集的废油漆被混合到淤泥里并掩埋到垃圾填埋场中造成污染。

所以，希望通过激光微光刻的方法，产生一种消色差的衍射图像，在光线照射下，具有光学可变的变色银效果，在制成变色银转移材料后，替代现有的银色喷涂工艺，解决环保问题。

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(条形散斑)结构，不同取向条形散斑可构成变色银衍射图像。现有技术中，制作条形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。

                        发明内容

本发明的目的是提供一种消色差变色银衍射光变图像的制作方法，用于制作变色银衍射图像的母板，以实现精密光变图像的制作，从而获得可用作包装、装饰材料的变色银激光转移材料。本发明同时提供采用该方法制作消色差变色银衍射光变图像的装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种消色差变色银衍射图像的制作方法，包括下列步骤：

(1)制备一种二元光学元件，它是纯位相衍射光学元件，其远场衍射光场是一条狭缝；

(2)构建一个4F光学系统，激光光源发出的光经准直处理和光阑后作为入射光，在4F光学系统的像平面位置放置记录材料，将步骤(1)获得的二元光学元件放置在其变换平面上，作为分束元件，使得入射光被分成两个条形光场，经透镜组成像后，在记录材料表面形成一个散斑干涉图像单元，其中，所述4F光学系统的前焦距大于后焦距，在像平面上获得的是光阑的缩小像；

(3)根据所需获得的衍射图像，确定各个散斑干涉图像单元的取向，改变光学系统与记录材料的相对位置，根据图像单元的对应的取向转动所述二元光学元件，在记录材料上分别记录对应的条形散斑干涉图像单元，直至整个衍射图像记录完毕，即获得消色差变色银衍射图像。

上述技术方案中，在所述4F光学系统的入射光光路上的光阑，是一个可调大小的矩形光阑。

一种消色差变色银衍射图像的制作装置，包括干涉型光学头、运动平台和控制系统，所述干涉型光学头由光源、光束整形系统和干涉系统构成，光源发出的激光经光束整形系统整形后由干涉系统进行分光干涉，干涉型光学头和运动平台间可以作X、Y两维相对运动，所述的干涉系统的分光前光路和分光后光路构成缩微的4F系统，在4F系统的变换平面上，放置有一个二元光学元件，所述二元光学元件的远场衍射光场是一条狭缝，所述二元光学元件位于一可控转台上，所述光束整形系统包括可调矩形光阑和透镜组。

进一步的技术方案，所述光源采用短相干长度的激光器，相干长度小于0.5毫米。

上述技术方案中，二元光学元件的设计可以采用成熟的标量衍射理论，目前有多种算法可以采用，例如采用GS迭代算法。

具有消色差特性的二元光学元件的设计与制作方法如下：

算法的实质是已知输入光场和输出光场，求解二元位相分布问题。用傅立叶迭代算法(Iterative Fourier Transform Algorithm，IFTA)优化算法如下：将二元光学元件(衍射光学元件)的位相函数值U(u，v)进行傅立叶变换，在像平面得到再现象的场分布F(x，y)，为了使再现象不断逼近目标图像，保持再现象的位相分布不变，用目标图像的振幅分布B(x，y)来代替再现像的振幅分布|F(x，y)|；将经过修正后的再现像的场分布做逆傅立叶变换，得到衍射光学元件面的场分布f(x，y)；由于所设计的是纯位相衍射光学元件，其振幅为1，保持元件的位相分布不变，用入射光的振幅A(u，v)来代替|f(x，y)|。

为获得远场衍射光场是一条狭缝的二元光学元件，设目标振幅分布为

其中，a为目标狭缝x方向的半宽度，b为狭缝中心距原点的距离。通过20-40次的迭代计算后得到具有两位相台阶的二元位相角分布φ(u，v)，位相台阶为{0，π}，再现光场可表示为，

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

附图1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，如附图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，

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

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)的分布如附图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，但衍射光仍表现出消色散白光。若以二元位相结构作为光变图像的组成部分，这样的光变图像便有消色散特征。

采用通过迭代Fourier变换运算来计算二元位相结构分布φ(u，v)，见附图2，二台阶位相结构的再现光场如图3所示。

经过20-40次迭代Fourier变换运算，一级衍射总衍射效率为76％。制作时，槽形台阶深度h＝λ/[2(n-1)]，通过控制槽深，可使制作的二元光学元件的衍射效率＞60％。

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.本发明将二元光学元件放置到双光束激光干涉系统中的变换平面上，从而可以采用双光束激光干涉来实现条形散斑制作，双光束激光干涉是一种相对快捷的衍射图像生成方法，在用来制作微米结构图形时，具有制作工艺简单、速度快、加工成本低和面积大的优点，因而，本发明能方便地制作消色差变色银衍射图像。

2.本发明的方法制作的图像具有变色银效果，随着观察方向的变化，被观察的图像的银色色调将会改变，同时，消色差衍射光变图像的制作方法可以和现有的彩虹型衍射光栅的制作方法相结合，形成具有变色银和彩虹效果的新型衍射图像，当用于包装和装饰材料时，可以替代现有的银色喷涂技术而实现类似的金属银效果，以解决环保问题。

                        附图说明

附图1为获得散斑位相分布的目标狭缝光场；

附图2为迭代傅立叶变换计算得到的散斑位相分布图；

附图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4为二元散斑位相分布的衍射光场；

附图5为用于点阵消色散衍射图像制作的干涉光刻系统示意图；

附图6为干涉光学头，在激光下的条形光场衍射

附图7为二台阶位相元件的衍射光场的示意图。

附图8为点阵光刻制作的5×5阵列的散斑结构；

附图9为单光束直写方法制作的散斑结构；

附图10为不同取向的散斑位相结构排列。

附图11为光刻的变色银光变图像实例的照片；

附图12为本发明的消色散衍射图像与其他彩虹效果图像的镶嵌组合。

其中：[1]、激光光源；[2]、准直镜；[3]、可变矩形光阑；[4]、物镜；[5]、反射镜；[6]、透镜；[7]、分束元件；[8]、成像透镜组；[9]、旋转机构；[10]、平台；[11]、记录材料；[12]、工作平台；[13]、TTL与功率控制的激光电源；[14、15]、运动控制系统；[16]、计算机。

                        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：

实施例一：一种消色差变色银衍射图像的制作方法，包括下列步骤：

(1)制备一种二元光学元件，它是纯位相衍射光学元件，其远场衍射光场是一条狭缝；

(2)构建一个4F光学系统，激光光源发出的光经准直处理和光阑后作为入射光，在4F光学系统的像平面位置放置记录材料，将步骤(1)获得的二元光学元件放置在其变换平面上，作为分束元件，使得入射光被分成两个条形光场，经透镜组成像后，在记录材料表面形成一个散斑干涉图像单元，其中，所述4F光学系统的前焦距大于后焦距，在像平面上获得的是光阑的缩小像；

(3)根据所需获得的衍射图像，确定各个散斑干涉图像单元的取向，依次改变光学系统与记录材料的相对位置，根据图像单元的对应的取向转动所述二元光学元件，在记录材料上分别记录对应的条形散斑干涉图像单元，直至整个衍射图像记录完毕，即获得消色差变色银衍射图像。

其中，在所述4F光学系统的入射光光路上的光阑，是一个可调大小的矩形光阑。

本实施例中，实现上述方法的制作装置，包括干涉型光学头、运动平台和控制系统，所述干涉型光学头由光源、光束整形系统和干涉系统构成，光源发出的激光经光束整形系统整形后由干涉系统进行分光干涉，干涉型光学头和运动平台间可以作X、Y两维相对运动，所述的干涉系统的分光前光路和分光后光路构成缩微的4F系统，在4F系统的变换平面上，放置有一个二元光学元件，所述二元光学元件的远场衍射光场是一条狭缝，所述二元光学元件位于一可控转台上，所述光束整形系统包括可调矩形光阑和透镜组。

具体的结构，参见附图5所示，根据光路方向，依次包括激光光源1、准直镜2、可变矩形光阑3、物镜4、反射镜5和透镜6构成的分束前系统，相当于4F系统的分频部分，分束元件7采用二元光学元件，起选频作用，成像透镜组8起合成作用，物镜4的焦距大于透镜组8的焦距，最终在工件表面上形成光阑的缩小像，分束元件7设置于转台上，由旋转机构9驱动转动调整方向；整个干涉光学头装配在水平运动(X方向)的平台10上，记录材料11放置在工作平台12(Y方向运动)上；另外包括TTL与功率控制的激光电源[13]、运动控制系统[14]、[15]和计算机[16]。对称衍射光结构干涉型光学头的干涉是零光程差干涉。整个制作过程可以由计算机控制自动完成。

上述结构中，通过光束整型，光阑档掉部分边缘光束，工件表面的光点内的光强比较均匀，有利于微米级干涉条纹的均匀光刻。

其中的分束元件7是个二元光学元件，参见附图2所示，它能将入射光分成两个条形光场，如附图6和附图7所示，经过透镜组成像，在记录材料表面上形成条形散斑干涉图像，条形散斑的条纹结构是“分束元件”表面位相结构条纹空间频率的2倍。

由于干涉光学头具有零光程差干涉特性，为了得到对比度更好的正交干涉条纹，所以，本实施例中，可以采用短相干长度的激光器，使得两个条形狭缝的对称光点参与干涉，减小条形狭缝内部产生互相干。这类激光器有半导体激光器(blue laser，405nm)和紫外输出的半导体泵浦的固体激光器(DPSSL，351nm或355nm)，相干长度一般小于0.5mm。

采用图5的干涉光刻系统制作消色差衍射图像，用二元光学元件的条形光场干涉，获得具有条形散斑位相结构的方型光点，逐点连续曝光运行后得到大面积的消色差衍射图像。如果激光器的输出功率为60mW，干涉光点的尺寸为20微米-160微米，单正交干涉光点的曝光时间为1ms以下，这样，记录过程中的稳定性要求大大下降。控制干涉光刻系统的连续运行，逐点光刻出点阵消色差衍射图像，最终可形成大幅面母板。

将母板通过电铸方法，制成金属镍版，在PET或BOPP薄膜上模压出浮雕槽形，镀铝后形成具有变色银效果的消色差衍射图像。

本实施例中，分束元件7的±1级衍射光场经透镜组8，最终在光刻胶面由两狭缝光场干涉，形成具有条形散斑的方形光点。

若方光点内散斑的取向相同，光点尺寸为160μm×160μm，共5×5的点阵，记录后得到的结构如附图8所示；采用紫外输出的半导体泵浦的固体激光器逐点曝光方式光刻该图形需要的时间不到0.1秒。若采用单光束直写的方法制作相同面积的散斑分布结构，如图9，至少需要10秒。可见，用本发明的方法光刻制作消色散图像，比单光束光刻时间大大缩短。

实施例二：通过控制图4中的旋转机构9，可以记录不同取向的散斑结构，参见附图10所示，不同取向的散斑结构的衍射狭缝的取向不同，因此使得光刻的图像具有光变的效果，即本专利中提到的变色银光变图像。图11是光变图像的实物照片图。

实施例三：更换图4中的分束元件7，可以制作不同效果的光变图像。例如，分束元件为一维光栅时，光刻的图像具有彩虹效果；分束元件为正交光栅时，光刻的图像在二维方向同时具有彩虹效果(行业中称为正交素面彩虹)；分束元件为二元位相光栅时，光刻的图像具有变色银效果。因此，若光刻彩虹效果和变色银效果相结合的新型光变图像，仅需要更换不同的分束元件。由于更换位相元件不影响光点的位置，因此，上述方法可以实现消色差衍射图像与彩虹衍射光变图像的任意镶嵌结合。其图形参见附图12所示。

Claims (4)

1.一种消色差变色银衍射图像的制作方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)制备一种二元光学元件，它是纯位相衍射光学元件，其远场衍射光场是一条狭缝；

(2)构建一个4F光学系统，激光光源发出的光经准直处理和光阑后作为入射光，在4F光学系统的像平面位置放置记录材料，将步骤(1)获得的二元光学元件放置在其变换平面上，作为分束元件，使得入射光被分成两个条形光场，经透镜组成像后，在记录材料表面形成一个散斑干涉图像单元，其中，所述4F光学系统的前焦距大于后焦距，在像平面上获得的是光阑的缩小像；

(3)根据所需获得的衍射图像，确定各个散斑干涉图像单元的取向，改变光学系统与记录材料的相对位置，根据图像单元的对应的取向转动所述二元光学元件，在记录材料上分别记录对应的条形散斑干涉图像单元，直至整个衍射图像记录完毕，即获得消色差变色银衍射图像。

2.根据权利要求1所述的消色差变色银衍射图像的制作方法，其特征在于：在所述4F光学系统的入射光光路上的光阑，是一个可调大小的矩形光阑。

3.一种消色差变色银衍射图像的制作装置，包括干涉型光学头、运动平台和控制系统，所述干涉型光学头由光源、光束整形系统和干涉系统构成，光源发出的激光经光束整形系统整形后由干涉系统进行分光干涉，干涉型光学头和运动平台间可以作X、Y两维相对运动，其特征在于：所述的干涉系统的分光前光路和分光后光路构成缩微的4F系统，在4F系统的变换平面上，放置有一个二元光学元件，所述二元光学元件的远场衍射光场是一条狭缝，所述二元光学元件位于一可控转台上，所述光束整形系统包括可调矩形光阑和透镜组。

4.根据权利要求3所述的消色差变色银衍射图像的制作装置，其特征在于：所述光源采用短相干长度的激光器，相干长度小于0.5毫米。

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