《一種消色差變色銀衍射圖像的製作方法》是蘇州大學和蘇州蘇大維格數碼光學有限公司於2006年2月16日申請的專利，該專利的申請號為2006100384172，公布號為CN1834731，授權公布日為2006年9月20日，發明人是周小紅、陳林森、魏國軍、邵潔、解正東、解劍鋒、毛利華。
《一種消色差變色銀衍射圖像的製作方法》包括下列步驟：（1）製備一種二元光學元件，其遠場衍射光場是一條狹縫；（2）構建一個4F光學系統，將步驟（1）獲得的二元光學元件放置在其變換平面上，作為分束元件，使得入射光被分成兩個條形光場，經透鏡組成像後，在記錄材料表面形成一個散斑干涉圖像單元；（3）改變光學系統與記錄材料的相對位置，在記錄材料上分別記錄對應的條形散斑干涉圖像單元，獲得消色差變色銀衍射圖像。該發明同時提供了實現該方法的裝置。
2009年，《一種消色差變色銀衍射圖像的製作方法》獲得第六屆江蘇省專利項目獎優秀獎。
（概述圖為《一種消色差變色銀衍射圖像的製作方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種消色差變色銀衍射圖像的製作方法
- 公布號：CN1834731
- 公布日：2006年9月20日
- 申請號：2006100384172
- 申請日：2006年2月16日
- 申請人：蘇州大學、蘇州蘇大維格數碼光學有限公司
- 地址：江蘇省蘇州市滄浪區十梓街1號
- 發明人：周小紅、陳林森、魏國軍、邵潔、解正東、解劍鋒、毛利華
- 分類號：G02B27/42（2006.01）
- 代理機構：蘇州創元專利商標事務所有限公司
- 代理人：陶海鋒
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
2006年2月前已有技術中，雷射彩虹轉移材料已逐步成為一種重要的印刷、包裝、外觀裝飾材料。通過數位化控制的干涉光點記錄，可形成變化複雜的衍射光變圖像，由此製備的雷射圖像材料具有彩虹效果，絢麗多彩，其顏色分布和圖形均隨著觀察位置的變化而改變。
然而，在一些套用場合，人們並不需要絢麗多彩的彩虹效果，而是需要光線色調的改變形成的效果，即由同一個顏色的不同色調構成圖像。例如，銀色是一種常用的色調，許多產品，如手機、電腦、冰櫃、洗衣機等電器產品，甚至一些桌椅等產品均採用銀色作為外裝飾顏色，2006年2月前已有的這些銀色裝飾，是採用噴塗的方式製作到部件外表面上的，可以營造出一種金屬的感覺。
噴塗工藝是一種常用的外觀裝飾方法，但是，在環保上存在問題。例如，汽車噴塗一直是汽車行業生產過程中對環境污染最大的一個環節，每年產生7千萬磅油漆揮發物，需要用各種昂貴的手段去收集處理，部分被直接排放到大氣中；另外有二千四百萬磅在噴塗車間中被收集的廢油漆被混合到淤泥里並掩埋到垃圾填埋場中造成污染。
所以，希望通過雷射微光刻的方法，產生一種消色差的衍射圖像，在光線照射下，具有光學可變的變色銀效果，在製成變色銀轉移材料後，替代2006年2月前已有的銀色噴塗工藝，解決環保問題。
原理上，要實現非彩色光變圖像，首先要獲得實現消色散的光學方法。一種實現消色散光變圖像的方案是使用定向散斑（條形散斑）結構，不同取向條形散斑可構成變色銀衍射圖像。2006年2月前已有技術中，製作條形散斑的技術手段不多，常使用柱形細光束照明毛玻璃，在遠場產生條形散斑，用同軸平行參考光記錄材料記錄條形散斑場並形成浮雕位相結構，這種散斑位相結構對照明光形成定向衍射，在遠場產生消色散的狹縫光場，在狹縫光場上觀察，光強最亮。但是，該方案產生的條形散斑的顆粒度很大，同時需要圖形掩膜，不利於精密光變圖像的製作。
如果能實現一種新的定向散斑結構的製作方法，使之能適用於精密光變圖像的製作，將有利於消色散光變圖像的工業化套用。
發明內容
專利目的
《一種消色差變色銀衍射圖像的製作方法》的目的是提供一種消色差變色銀衍射光變圖像的製作方法，用於製作變色銀衍射圖像的母板，以實現精密光變圖像的製作，從而獲得可用作包裝、裝飾材料的變色銀雷射轉移材料。《一種消色差變色銀衍射圖像的製作方法》同時提供採用該方法製作消色差變色銀衍射光變圖像的裝置。
技術方案
《一種消色差變色銀衍射圖像的製作方法》包括下列步驟：
（1）製備一種二元光學元件，它是純位相衍射光學元件，其遠場衍射光場是一條狹縫；
（2）構建一個4F光學系統，雷射光源發出的光經準直處理和光闌後作為入射光，在4F光學系統的像平面位置放置記錄材料，將步驟（1）獲得的二元光學元件放置在其變換平面上，作為分束元件，使得入射光被分成兩個條形光場，經透鏡組成像後，在記錄材料表面形成一個散斑干涉圖像單元，其中，所述4F光學系統的前焦距大於後焦距，在像平面上獲得的是光闌的縮小像；
（3）根據所需獲得的衍射圖像，確定各個散斑干涉圖像單元的取向，改變光學系統與記錄材料的相對位置，根據圖像單元的對應的取向轉動所述二元光學元件，在記錄材料上分別記錄對應的條形散斑干涉圖像單元，直至整個衍射圖像記錄完畢，即獲得消色差變色銀衍射圖像。
上述技術方案中，在所述4F光學系統的入射光光路上的光闌，是一個可調大小的矩形光闌。
一種消色差變色銀衍射圖像的製作裝置，包括干涉型光學頭、運動平台和控制系統，所述干涉型光學頭由光源、光束整形系統和干涉系統構成，光源發出的雷射經光束整形系統整形後由干涉系統進行分光干涉，干涉型光學頭和運動平台間可以作X、Y兩維相對運動，所述的干涉系統的分光前光路和分光後光路構成縮微的4F系統，在4F系統的變換平面上，放置有一個二元光學元件，所述二元光學元件的遠場衍射光場是一條狹縫，所述二元光學元件位於一可控轉台上，所述光束整形系統包括可調矩形光闌和透鏡組。
進一步的技術方案，所述光源採用短相干長度的雷射器，相干長度小於0.5毫米。
上述技術方案中，二元光學元件的設計可以採用成熟的標量衍射理論，目前有多種算法可以採用，例如採用GS疊代算法。
具有消色差特性的二元光學元件的設計與製作方法如下：
算法的實質是已知輸入光場和輸出光場，求解二元位相分布問題。用傅立葉疊代算法（Iterative Fourier Transform Algorithm，IFTA）最佳化算法如下：將二元光學元件（衍射光學元件）的位相函式值U（u，v）進行傅立葉變換，在像平面得到再現象的場分布F（x，y），為了使再現象不斷逼近目標圖像，保持再現象的位相分布不變，用目標圖像的振幅分布B（x，y）來代替再現像的振幅分布|F（x，y）|；將經過修正後的再現像的場分布做逆傅立葉變換，得到衍射光學元件面的場分布f（x，y）；由於所設計的是純位相衍射光學元件，其振幅為1，保持元件的位相分布不變，用入射光的振幅A（u，v）來代替|f（x，y）|。
為獲得遠場衍射光場是一條狹縫的二元光學元件，設目標振幅分布為
，其中，a為目標狹縫x方向的半寬度，b為狹縫中心距原點的距離。通過20-40次的疊代計算後得到具有兩位相台階的二元位相角分布φ（u，v），位相台階為{0，π}，再現光場可表示為，
附圖1中所示是一種狹縫光場，作為已知輸出光場F（x，y），來逆向求解出二元位相φ（u，v）。我們通過多次疊代Fourier變換運算來計算二元位相結構，計算獲得的φ（u，v）分布，如附圖2所示，其分布為一種條形的、具有定向衍射特點的位相結構，若將該分布直寫到光刻膠上，其浮雕微結構的透過率為，
一般地，二元光學元件的最小位相單元尺寸大於使用波長，因此，採用標量波理論來計算元件的衍射效率，一級衍射效率的定義為，
式（3）中的分子是再現目標圖像內Ω的光強，分母是整個再現光場的光強。白光照明時，在反射光方向觀察的光強分布為，
其中λ1＝400納米，可見光波長λ為400納米～760納米，，設任意波長λ＝λ1n，dλ＝λ1dn，n積分限為1～1.84。式（4）的分布如附圖3所示，可以看出不同波長的衍射光被限制在一狹長範圍，雖然，同一個位相結構對不同波長光的衍射效率不同，但衍射光仍表現出消色散白光。若以二元位相結構作為光變圖像的組成部分，這樣的光變圖像便有消色散特徵。
採用通過疊代Fourier變換運算來計算二元位相結構分布φ（u，v），見附圖2，二台階位相結構的再現光場如圖3所示。
經過20-40次疊代Fourier變換運算，一級衍射總衍射效率為76％。製作時，槽形台階深度h＝λ/[2（n-1）]，通過控制槽深，可使製作的二元光學元件的衍射效率＞60％。
改善效果
1.《一種消色差變色銀衍射圖像的製作方法》將二元光學元件放置到雙光束雷射干涉系統中的變換平面上，從而可以採用雙光束雷射干涉來實現條形散斑製作，雙光束雷射干涉是一種相對快捷的衍射圖像生成方法，在用來製作微米結構圖形時，具有製作工藝簡單、速度快、加工成本低和面積大的優點，因而，《一種消色差變色銀衍射圖像的製作方法》能方便地製作消色差變色銀衍射圖像。
2.《一種消色差變色銀衍射圖像的製作方法》的方法製作的圖像具有變色銀效果，隨著觀察方向的變化，被觀察的圖像的銀色色調將會改變，同時，消色差衍射光變圖像的製作方法可以和2006年2月前已有的彩虹型衍射光柵的製作方法相結合，形成具有變色銀和彩虹效果的新型衍射圖像，當用於包裝和裝飾材料時，可以替代2006年2月前已有的銀色噴塗技術而實現類似的金屬銀效果，以解決環保問題。
附圖說明
附圖1為獲得散斑位相分布的目標狹縫光場；
附圖2為疊代傅立葉變換計算得到的散斑位相分布圖；
附圖3為衍射後的可見光波段的定向遠場衍射光強分布示意圖；
附圖4為二元散斑位相分布的衍射光場；
附圖5為用於點陣消色散衍射圖像製作的干涉光刻系統示意圖；
附圖6為干涉光學頭，在雷射下的條形光場衍射
附圖7為二台階位相元件的衍射光場的示意圖。
附圖8為點陣光刻製作的5×5陣列的散斑結構；
附圖9為單光束直寫方法製作的散斑結構；
附圖10為不同取向的散斑位相結構排列。
附圖11為光刻的變色銀光變圖像實例的照片；
附圖12為《一種消色差變色銀衍射圖像的製作方法》的消色散衍射圖像與其他彩虹效果圖像的鑲嵌組合。
其中：[1]、雷射光源；[2]、準直鏡；[3]、可變矩形光闌；[4]、物鏡；[5]、反射鏡；[6]、透鏡；[7]、分束元件；[8]、成像透鏡組；[9]、旋轉機構；[10]、平台；[11]、記錄材料；[12]、工作平台；[13]、TTL與功率控制的雷射電源；[14、15]、運動控制系統；[16]、計算機。
技術領域
《一種消色差變色銀衍射圖像的製作方法》涉及一種消色差變色銀衍射圖像的實現方法，具體涉及採用一種二元位相元件作為分束器，其衍射光場干涉形成具有條形散斑的光點，這種條形散斑位相結構，對光的遠場衍射是一個消色差的狹縫形狀，不同取向條形散斑可構成變色銀衍射圖像。
權利要求
1.《一種消色差變色銀衍射圖像的製作方法》特徵在於，包括下列步驟：
（1）製備一種二元光學元件，它是純位相衍射光學元件，其遠場衍射光場是一條狹縫；
（2）構建一個4F光學系統，雷射光源發出的光經準直處理和光闌後作為入射光，在4F光學系統的像平面位置放置記錄材料，將步驟（1）獲得的二元光學元件放置在其變換平面上，作為分束元件，使得入射光被分成兩個條形光場，經透鏡組成像後，在記錄材料表面形成一個散斑干涉圖像單元，其中，所述4F光學系統的前焦距大於後焦距，在像平面上獲得的是光闌的縮小像；
（3）根據所需獲得的衍射圖像，確定各個散斑干涉圖像單元的取向，改變光學系統與記錄材料的相對位置，根據圖像單元的對應的取向轉動所述二元光學元件，在記錄材料上分別記錄對應的條形散斑干涉圖像單元，直至整個衍射圖像記錄完畢，即獲得消色差變色銀衍射圖像。
2.根據權利要求1所述的消色差變色銀衍射圖像的製作方法，其特徵在於：在所述4F光學系統的入射光光路上的光闌，是一個可調大小的矩形光闌。
3.一種消色差變色銀衍射圖像的製作裝置，包括干涉型光學頭、運動平台和控制系統，所述干涉型光學頭由光源、光束整形系統和干涉系統構成，光源發出的雷射經光束整形系統整形後由干涉系統進行分光干涉，干涉型光學頭和運動平台間可以作X、Y兩維相對運動，其特徵在於：所述的干涉系統的分光前光路和分光後光路構成縮微的4F系統，在4F系統的變換平面上，放置有一個二元光學元件，所述二元光學元件的遠場衍射光場是一條狹縫，所述二元光學元件位於一可控轉台上，所述光束整形系統包括可調矩形光闌和透鏡組。
4.根據權利要求3所述的消色差變色銀衍射圖像的製作裝置，其特徵在於：所述光源採用短相干長度的雷射器，相干長度小於0.5毫米。
實施方式
實施例一：《一種消色差變色銀衍射圖像的製作方法》包括下列步驟：
（1）製備一種二元光學元件，它是純位相衍射光學元件，其遠場衍射光場是一條狹縫；
（2）構建一個4F光學系統，雷射光源發出的光經準直處理和光闌後作為入射光，在4F光學系統的像平面位置放置記錄材料，將步驟（1）獲得的二元光學元件放置在其變換平面上，作為分束元件，使得入射光被分成兩個條形光場，經透鏡組成像後，在記錄材料表面形成一個散斑干涉圖像單元，其中，所述4F光學系統的前焦距大於後焦距，在像平面上獲得的是光闌的縮小像；
（3）根據所需獲得的衍射圖像，確定各個散斑干涉圖像單元的取向，依次改變光學系統與記錄材料的相對位置，根據圖像單元的對應的取向轉動所述二元光學元件，在記錄材料上分別記錄對應的條形散斑干涉圖像單元，直至整個衍射圖像記錄完畢，即獲得消色差變色銀衍射圖像。
其中，在所述4F光學系統的入射光光路上的光闌，是一個可調大小的矩形光闌。
該實施例中，實現上述方法的製作裝置，包括干涉型光學頭、運動平台和控制系統，所述干涉型光學頭由光源、光束整形系統和干涉系統構成，光源發出的雷射經光束整形系統整形後由干涉系統進行分光干涉，干涉型光學頭和運動平台間可以作X、Y兩維相對運動，所述的干涉系統的分光前光路和分光後光路構成縮微的4F系統，在4F系統的變換平面上，放置有一個二元光學元件，所述二元光學元件的遠場衍射光場是一條狹縫，所述二元光學元件位於一可控轉台上，所述光束整形系統包括可調矩形光闌和透鏡組。
具體的結構，參見附圖5所示，根據光路方向，依次包括雷射光源1、準直鏡2、可變矩形光闌3、物鏡4、反射鏡5和透鏡6構成的分束前系統，相當於4F系統的分頻部分，分束元件7採用二元光學元件，起選頻作用，成像透鏡組8起合成作用，物鏡4的焦距大於透鏡組8的焦距，最終在工件表面上形成光闌的縮小像，分束元件7設定於轉台上，由旋轉機構9驅動轉動調整方向；整個干涉光學頭裝配在水平運動（X方向）的平台10上，記錄材料11放置在工作平台12（Y方向運動）上；另外包括TTL與功率控制的雷射電源[13]、運動控制系統[14]、[15]和計算機[16]。對稱衍射光結構干涉型光學頭的干涉是零光程差干涉。整個製作過程可以由計算機控制自動完成。
上述結構中，通過光束整型，光闌檔掉部分邊緣光束，工件表面的光點內的光強比較均勻，有利於微米級干涉條紋的均勻光刻。
其中的分束元件7是個二元光學元件，參見附圖2所示，它能將入射光分成兩個條形光場，如附圖6和附圖7所示，經過透鏡組成像，在記錄材料表面上形成條形散斑干涉圖像，條形散斑的條紋結構是“分束元件”表面位相結構條紋空間頻率的2倍。
由於干涉光學頭具有零光程差干涉特性，為了得到對比度更好的正交干涉條紋，所以，該實施例中，可以採用短相干長度的雷射器，使得兩個條形狹縫的對稱光點參與干涉，減小條形狹縫內部產生互相干。這類雷射器有半導體雷射器（blue laser，405納米）和紫外輸出的半導體泵浦的固體雷射器（DPSSL，351納米或355納米），相干長度一般小於0.5毫米。
採用圖5的干涉光刻系統製作消色差衍射圖像，用二元光學元件的條形光場干涉，獲得具有條形散斑位相結構的方型光點，逐點連續曝光運行後得到大面積的消色差衍射圖像。如果雷射器的輸出功率為60兆瓦，干涉光點的尺寸為20微米-160微米，單正交干涉光點的曝光時間為1ms以下，這樣，記錄過程中的穩定性要求大大下降。控制干涉光刻系統的連續運行，逐點光刻出點陣消色差衍射圖像，最終可形成大幅面母板。
將母板通過電鑄方法，製成金屬鎳版，在PET或BOPP薄膜上模壓出浮雕槽形，鍍鋁後形成具有變色銀效果的消色差衍射圖像。
該實施例中，分束元件7的±1級衍射光場經透鏡組8，最終在光刻膠面由兩狹縫光場干涉，形成具有條形散斑的方形光點。
若方光點內散斑的取向相同，光點尺寸為160微米×160微米，共5×5的點陣，記錄後得到的結構如附圖8所示；採用紫外輸出的半導體泵浦的固體雷射器逐點曝光方式光刻該圖形需要的時間不到0.1秒。若採用單光束直寫的方法製作相同面積的散斑分布結構，如圖9，至少需要10秒。可見，用該發明的方法光刻製作消色散圖像，比單光束光刻時間大大縮短。
實施例二：通過控制圖4中的旋轉機構9，可以記錄不同取向的散斑結構，參見附圖10所示，不同取向的散斑結構的衍射狹縫的取向不同，因此使得光刻的圖像具有光變的效果，即該專利中提到的變色銀光變圖像。圖11是光變圖像的實物照片圖。
實施例三：更換圖4中的分束元件7，可以製作不同效果的光變圖像。例如，分束元件為一維光柵時，光刻的圖像具有彩虹效果；分束元件為正交光柵時，光刻的圖像在二維方向同時具有彩虹效果（行業中稱為正交素麵彩虹）；分束元件為二元位相光柵時，光刻的圖像具有變色銀效果。因此，若光刻彩虹效果和變色銀效果相結合的新型光變圖像，僅需要更換不同的分束元件。由於更換位相元件不影響光點的位置，因此，上述方法可以實現消色差衍射圖像與彩虹衍射光變圖像的任意鑲嵌結合。其圖形參見附圖12所示。
榮譽表彰
2009年，《一種消色差變色銀衍射圖像的製作方法》獲得第六屆江蘇省專利項目獎優秀獎。
