CN1837992A - 一种点阵素面彩虹光变图像的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种点阵素面彩虹光变图像的制作方法及其装置，包括下列步骤：(1)制备一种具有正交光点输出的光学元件；(2)构建一个4F光学系统，将步骤(1)获得的光学元件放置在其变换平面上，作为分束元件，使得入射光被分成四束光，经透镜组成像后，在记录材料表面形成干涉条纹单元，所述激光光源采用短相干长度的激光器；(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步骤(2)获得的干涉条纹单元，逐点光刻出点阵素面光栅。本发明大大降低了制作大幅面点阵素面彩虹光变图像的技术要求；同时可以获得不同衍射效果的点阵素面彩虹图像的效果，还可与数字化光变图像相互镶嵌。
Description
技术领域
本发明涉及一种全息图像的获得工艺及设备，尤其涉及一种点阵素面彩虹(大幅面正交彩虹)光变图像的制作方法。
背景技术
在激光全息应用中，由于正交光栅不论在何种角度下均可以观察到彩虹效果的特点，使得大幅面正交彩虹效果(素面彩虹光栅)材料成为目前应用最广泛、最重要的激光材料，在印刷、包装、手机和家用电器领域获得大规模应用。
传统的素面彩虹光变图像的制作方法，见附图1，由激光光源1产生的激光束经过分束器7分成两束光，经过反射镜17、18、19和扩束器20、21扩束，在光刻胶干板22上形成干涉。在曝光一次后，将光刻胶干板旋转90度，再曝光一次，最终在光刻胶干板上形成正交光栅结构，如图2所示。当用白光照射时，素面彩虹光栅的衍射光场形成附图3所示的彩虹衍射图样。
采用上述制作方法，只要扩束面积增大，形成的干涉区间就增大，用于制作大幅面的素面彩虹光变图像，从方法上看制作过程简单。然而，在实际制作中，为获得大幅面的图像，需要有足够大的防震平台，大功率的激光器和足够大的扩束面积。从而，其难度在于：(1)要求激光器的输出功率很大，曝光时间长；通常，光刻胶干板的灵敏度在10mJ/cm2，如激光束的功率为800mW(413.1nm)，扩束到直径1400mm的圆光斑时，能均匀有效地曝光的幅面为800mm×800mm，考虑到光路能量损失，实际的曝光时间约为20分钟；(2)干涉系统要有极其严格的抗震性能，在曝光期间，不能有超过0.125微米的条纹移动，这是一个极其严格的技术要求；(3)相干长度长，如制作面积为800mm×800mm，则相干长度需要1m以上。
由于曝光时间需要数十分钟，通常的记录稳定性条件很难得到满足。所以，具有上述大面积素面彩虹光栅的制作能力的单位仅为极少数。
另一方面，随着市场应用的不断深入，原有素面光栅的美观效果已经不能满足应用的要求，在使用功能上，需要既有素面彩虹的美观效果，又能具备防伪功能，即希望在素面彩虹光栅上增加具有动态、立体和加密的各种光变图像。采用上述全息干涉制作素面彩虹光栅的方法，在其上镶嵌其它图像尤其是动态光变图像非常困难，因而难以满足上述应用要求。
发明内容
本发明目的是提供一种能降低大幅面素面彩虹图像制作条件要求，又能与其它效果衍射光变图像镶嵌的点阵素面彩虹光栅的制作方法。本发明同时提供采用该方法制作点阵素面彩虹光栅图像的装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种点阵素面彩虹光变图像的制作方法，包括下列步骤：
(1)制备一种具有正交光点输出的光学元件，其有效面积不小于5mm×5mm，不大于15mm×15mm，所述正交光点输出，是指四个正交光点衍射项(1，0)(-1，0)(0，1)(0，-1)；
(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，使得入射光被分成四束光，经透镜组成像后，在记录材料表面形成干涉条纹单元，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，所述激光光源采用短相干长度的激光器，相干长度小于1毫米，使得衍射级次(1，0)与(-1，0)干涉，(0，1)与(0，-1)干涉；
(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步骤(2)获得的干涉条纹单元，逐点光刻出点阵素面光栅，获得所需点阵素面彩虹光变图像。
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。
上述技术方案中，所述具有正交光点输出的光学元件可以选择下列任意一种方案实现：
1.由浮雕型位相正交光栅和挡光片构成，所述挡光片遮挡四个对角线上的(1，1)(1，-1)(-1，1)(-1，-1)交叉项以及零级光(0，0)。光栅g作为分束元件，在激光束照射下会形成包括零级光在内的九个光点，各级衍射级次可表示为，零级光：(0，0)；交叉项：(1，1)(1，-1)(-1，1)(-1，-1)；正交衍射项(1，0)(-1，0)(0，1)(0，-1)。用挡光片挡掉四个对角线上的(1，1)(1，-1)(-1，1)(-1，-1)交叉项以及零级光(0，0)，让四个衍射级次(1，0)(-1，0)(0，1)(0，-1)经过透镜成像组，可以在光刻胶干板上形成四光束相互正交干涉。
在光刻胶干板上记录正交干涉条纹后，经过处理后得到浮雕型正交光栅G。由于光栅g与光刻胶干板共轭，从光路上分析可知，由正负一级衍射光干涉形成的光栅G的空间频率是分束元件g空间频率的2倍。如果分束用正交光栅g的空间频率为500线对/mm，那么，正交素面彩虹光栅G的空间频率为1000线对/mm。
其中，作为分束元件的浮雕型位相正交光栅可以是整体结构，其制作为，先用制作光栅的方法对光刻胶干板曝光一次，将光刻胶干板旋转90°后，再曝光一次，即可形成浮雕型位相正交光栅。
所述浮雕型位相正交光栅也可以采用两片相互正交的一维光栅浮雕面相贴，重叠在一起构成。采用两片一维光栅组合的优点是，两片光栅的空间频率可以不同，形成的素面彩虹光栅的在不同方向上的衍射效果不同。
用正交光栅的技术方案，分束元件制作简便，但是，由于衍射级次较多，使得能量利用率较低。一维矩形槽型衍射光栅的一级衍射效率理论上可达81％，二维正交后，产生4个互调制项，这样，衍射级次(1，0)(-1，0)(0，1)(0，-1)的总衍射效率小于40％。
2.为了提高分束元件的能量利用率，可以采用二元位相元件来作为产生正交衍射光场的分束元件，即具有正交光点输出的光学元件为二元位相元件，其制作方法是，以输出光场为F(x，y)为目标函数，其振幅分布可表示为δ(x-a，y)+δ(x，y-b)，求解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}，则再现的输出光场可表示为，
F(x，y)＝F{exp[iφ(u，v)]}＝δ(x-a，y)+δ(x，y-b)+δ(x+a，y)+δ(x，y+b)
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)，至少进行20次迭代Fourier变换运算，获得所述二元位相元件的分布，采用计算机控制的光刻法光刻制作，获得所需二元位相元件。
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。
经过20次迭代Fourier变换运算，一级衍射总衍射效率为75.6％。通过元件的槽形深度进行控制h＝λ/[2(n-1)]，实际制作后，二元光学元件的衍射效率＞60％。
上述技术方案中，采用的光学元件将入射光分成四束光，经过透镜组成像，在记录材料表面上形成干涉条纹。由于四束光是对称结构，这样，干涉型光学头的干涉是零光程差干涉。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，本发明提出采用短相干长度的激光器，使得衍射级次(1，0)与(-1，0)干涉；(0，1)与(0，-1)干涉，它们相互之间没有互干涉。这样的激光器有，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。
本发明提供的一种点阵素面彩虹光变图像的制作装置，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，放置有一个光学元件，所述光学元件具有四个正交光点衍射项(1，0)(-1，0)(0，1)(0，-1)，所述光束整形系统包括可调矩形光阑和透镜组。
上述技术方案中，所述光源采用短相干长度的激光器，相干长度小于1毫米。
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.本发明通过制备具有正交光点输出的光学元件，将其放置到多光束激光干涉系统中的变换平面上，从而可以采用多光束激光干涉来实现点阵素面彩虹光变图像的制作，具有正交光点输出的光学元件的有效面积通常在10mm×10mm左右，易于获得，从而大大降低了制作大幅面点阵素面彩虹光变图像的技术要求。
2.通过更换不同正交特性的位相元或者改变正交位相元件的取向，可以获得不同衍射效果的点阵素面彩虹图像的效果。
3.由于采用干涉系统分单元光刻实现，本发明的点阵素面彩虹光栅的制作方法可与数字化光变图像(一维光栅构成的图像)相互镶嵌，从而，本发明提供了一种新的数字化点阵素面光变图像的先进制造方法。
附图说明
附图1为现有技术中全息干涉法记录正交光栅光路示意图；
附图2为现有技术制作的大幅面素面彩虹光栅结构示意图；
附图3白光照明下素面彩虹光栅衍射效果图；
附图4为实施例一中采用的正交光栅示意图；
附图5为实施例一的正交光栅在激光照明下的多光束衍射光场及挡光片分布示意图；
附图6为实施例一的干涉光刻系统示意图；
附图7为本发明实施例一素面点阵光栅结构；
附图8为实施例一中不同取向的素面点阵光栅结构组合；
附图9为实施例一中不同空间频率的正交素面光栅结构的组合；
附图10为实施例一中正交素面彩虹光栅与一维光变图像的镶嵌组合；
附图11为实施例二中采用迭代傅里叶变换时的目标光场分布示意图；
附图12为实施例二中的二元光学元件的二台阶位相分布示意图；
附图13为实施例二中再现的正交光场分布示意图。
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；[17、18、19]、反射镜；[20、21]、扩束器；[22]、光刻胶干板。
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4至附图10所示，一种点阵素面彩虹光变图像的制作方法，包括下列步骤：
(1)制备一种具有正交光点输出的光学元件，其有效面积不小于5mm×5mm，不大于15mm×15mm，所述正交光点输出，是指四个正交光点衍射项(1，0)(-1，0)(0，1)(0，-1)；
(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，使得入射光被分成四束光，经透镜组成像后，在记录材料表面形成干涉条纹单元，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，所述激光光源采用短相干长度的激光器，相干长度小于1毫米，使得衍射级次(1，0)与(-1，0)干涉，(0，1)与(0，-1)干涉；
(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步骤(2)获得的干涉条纹单元，逐点光刻出点阵素面光栅，获得所需点阵素面彩虹光变图像。
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，所述具有正交光点输出的光学元件由浮雕型位相正交光栅和挡光片构成，所述挡光片遮挡四个对角线上的(1，1)(1，-1)(-1，1)(-1，-1)交叉项以及零级光(0，0)。
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，放置有一个光学元件，所述光学元件具有四个正交光点衍射项(1，0)(-1，0)(0，1)(0，-1)，所述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，所述光源采用短相干长度的激光器，相干长度小于1毫米。
具体的结构，参见附图6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采用浮雕型位相正交光栅，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。
基于图6的干涉光刻系统，用正交位相光栅作为分束元件，四光点在光刻胶干板上进行正交干涉，获得具有正交干涉条纹的方型光点，连续曝光运行后得到大面积的点阵素面彩虹光栅分布。如果激光器的输出功率为60mW，干涉光点的尺寸为20微米一160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，逐点光刻出点阵素面光栅，最终可形成大幅面尺寸。
本实施例采用具有正交衍射特性的正交光栅，可形成四束相互正交的衍射光，在光刻胶上获得具有正交干涉条纹的方形光点，如附图7所示，该结构的光变图像具有素面彩虹效果。
通过控制图6中的旋转机构9，可以改变正交光束的取向，从而形成不同取向的正交干涉条纹，如图8所示。所制作的光变图像的衍射光场会随着干涉条纹取向的改变而不同。
通过更换不同空间频率的正交光栅，来改变四束衍射级次的衍射角度，从而改变正交干涉光点内的空间频率，实现不同效果的点阵素面衍射效果的制作，参见图9所示。
更换图6中的分束元件，在过程中某些位置采用如一维光栅元件，消色散光栅元件，进行两光束干涉，可制作具有复杂光变效果的衍射图像。由于更换位相元件不影响光点的位置，因此，上述方法可以实现正交素面彩虹图像与其他效果衍射光变图像的任意镶嵌结合。参见图10所示。
实施例二：一种点阵素面彩虹光变图像的制作方法，包括下列步骤：
(1)制备一种具有正交光点输出的光学元件，其有效面积不小于5mm×5mm，不大于15mm×15mm，所述正交光点输出，是指四个正交光点衍射项(1，0)(-1，0)(0，1)(0，-1)；
(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，使得入射光被分成四束光，经透镜组成像后，在记录材料表面形成干涉条纹单元，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，所述激光光源采用短相干长度的激光器，相干长度小于1毫米，使得衍射级次(1，0)与(-1，0)干涉，(0，1)与(0，-1)干涉；
(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步骤(2)获得的干涉条纹单元，逐点光刻出点阵素面光栅，获得所需点阵素面彩虹光变图像。
本实施例中，所述具有正交光点输出的光学元件为二元位相元件，其制作方法是，以输出光场为F(x，y)为目标函数，参见附图11所示，其振幅分布可表示为δ(x-a，y)+δ(x，y-b)，求解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}，则再现的输出光场可表示为，
F(x，y)＝F{exp[iφ(u，v)]}＝δ(x-a，y)+δ(x，y-b)+δ(x+a，y)+δ(x，y+b)
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)，见图12，二台阶位相结构的再现光场如图13所示，形成四个光点：δ(x-a，y)，δ(x，y-b)，δ(x+a)，δ(x，y+b)，相互正交。至少进行20次迭代Fourier变换运算，获得所述二元位相元件的分布，采用计算机控制的光刻法光刻制作，获得所需二元位相元件。
Claims (7)
1.一种点阵素面彩虹光变图像的制作方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)制备一种具有正交光点输出的光学元件，其有效面积不小于5mm×5mm，不大于15mm×15mm，所述正交光点输出，是指四个正交光点衍射项(1，0)(-1，0)(0，1)(0，-1)；
(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，使得入射光被分成四束光，经透镜组成像后，在记录材料表面形成干涉条纹单元，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，所述激光光源采用短相干长度的激光器，相干长度小于1毫米，使得衍射级次(1，0)与(-1，0)干涉，(0，1)与(0，-1)干涉；
(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步骤(2)获得的干涉条纹单元，逐点光刻出点阵素面光栅，获得所需点阵素面彩虹光变图像。
2.根据权利要求1所述的点阵素面彩虹光变图像的制作方法，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.根据权利要求1所述的点阵素面彩虹光变图像的制作方法，其特征在于：所述具有正交光点输出的光学元件由浮雕型位相正交光栅和挡光片构成，所述挡光片遮挡四个对角线上的(1，1)(1，-1)(-1，1)(-1，-1)交叉项以及零级光(0，0)。
4.根据权利要求3所述的点阵素面彩虹光变图像的制作方法，其特征在于：所述浮雕型位相正交光栅采用两片相互正交的一维光栅浮雕面相贴，重叠在一起构成。
5.根据权利要求1所述的点阵素面彩虹光变图像的制作方法，其特征在于：所述具有正交光点输出的光学元件为二元位相元件，其制作方法是，以输出光场为F(x，y)为目标函数，其振幅分布可表示为δ(x-a，y)+δ(x，y-b)，求解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}，则再现的输出光场可表示为，
F(x，y)＝F{exp[iφ(u，v)]}＝δ(x-a，y)+δ(x，y-b)+δ(x+a，y)+δ(x，y+b)
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)，至少进行20次迭代Fourier变换运算，获得所述二元位相元件的分布，采用计算机控制的光刻法光刻制作，获得所需二元位相元件。
6.一种点阵素面彩虹光变图像的制作装置，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，放置有一个光学元件，所述光学元件具有四个正交光点衍射项(1，0)(-1，0)(0，1)(0，-1)，所述光束整形系统包括可调矩形光阑和透镜组。
7.根据权利要求3所述的点阵素面彩虹光变图像的制作装置，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1毫米。
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