專利名稱：微光變圖像的激光直寫方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微光學(xué)可變圖像的數(shù)字化激光制作手段，特別適合制作低空頻非彩色的光學(xué)可變圖像。
背景技術(shù)：
全息圖和基于點(diǎn)陣(dot matrix)衍射光柵的光學(xué)可變圖像(OpticalVariable Device，OVD)作為先進(jìn)的防偽技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于貨幣、簽證、ID卡、絕密文件以及包裝材料等物理載體上，光變圖像所含的干涉條紋的周期為1微米左右、深度為0.1-0.25微米，易于模壓和復(fù)制，已經(jīng)成為一種很成熟的應(yīng)用技術(shù)。隨著行業(yè)對(duì)技術(shù)應(yīng)用的提升，對(duì)微光可變圖像的應(yīng)用技術(shù)的研究開始受到關(guān)注，所謂微光變圖像(micro-optical variable device)，通常指特征線度在2-40微米，同時(shí)具有折射、衍射和反射特性的微結(jié)構(gòu)(低空頻光柵)，其設(shè)計(jì)、制造方法完全不同于全息圖像和點(diǎn)陣衍射光變圖像。
一般低頻光柵單元可采用激光直寫法來(lái)逐線光刻，但x-y直角坐標(biāo)型的直寫系統(tǒng)制作復(fù)雜取向光柵時(shí)較困難，同時(shí)運(yùn)行效率低。對(duì)于定向散斑型單元需先制作圖像掩模版，周期長(zhǎng)，且單元的取向相對(duì)單一，不適合制作復(fù)雜的OVD。
采用具有旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的雙光束干涉型直寫系統(tǒng)，可以方便、快速地制作高頻OVD，雙光束干涉光學(xué)頭如附圖1所示，通過(guò)旋轉(zhuǎn)分束器21選擇不同的光柵及其取向，從而在光刻膠面上干涉出不同空頻、不同取向的小光柵，分束器是由一組不同特性的光柵元件構(gòu)成，將入射光的光強(qiáng)主要集中在正、負(fù)一級(jí)衍射光上，但仍存在零級(jí)光，因此需要使用擋光板22將其消除?？紤]到系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理性，一般透鏡24與透鏡23等焦距。從附圖1光路可看出，光刻膠面25上雙光束的夾角與分束器分出的±1級(jí)光的夾角θ相等。兩束光間的夾角滿足2sin(θ/2)＝λ/Λ。光源λ為405nm時(shí)，對(duì)上述光變圖像，例如干涉形成1000線/毫米的小光柵時(shí)，θ＝23°，此時(shí)，零級(jí)光的擋光板結(jié)構(gòu)很容易實(shí)現(xiàn)；但對(duì)于微光變圖像，空頻較低，若要形成100線/毫米的小光柵時(shí)，θ＝2.3°，此時(shí)消除零級(jí)光非常困難。這樣，雙光束直寫法不適合低頻光柵結(jié)構(gòu)的OVD。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種微光變圖像的激光直寫方法，解決現(xiàn)有逐線光刻的激光直寫方法制作復(fù)雜取向光柵時(shí)較困難，同時(shí)運(yùn)行效率低的問題，以使微光變圖像較方便地進(jìn)入實(shí)際工業(yè)化應(yīng)用。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種微光變圖像的激光直寫方法，包括如下步驟(1)構(gòu)建低空頻光柵數(shù)字模板，以光柵取向角度等間隔分布，對(duì)每一單元光柵用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達(dá)，記錄在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中，所述光柵取向角度的間隔不小于5°；(2)根據(jù)所需刻制的微光變圖像，從低空頻光柵數(shù)字模板中選取對(duì)應(yīng)的光柵結(jié)構(gòu)，顯示在空間光調(diào)制器上，利用激光束將空間光調(diào)制器上顯示的光柵圖樣投影在記錄介質(zhì)上，形成縮小單元像，在記錄介質(zhì)上刻錄成對(duì)應(yīng)的光柵單元；(3)改變光路和記錄介質(zhì)的相對(duì)位置，根據(jù)所需刻錄的微光變圖像分別變換對(duì)應(yīng)空頻和取向的光柵圖樣，重復(fù)步驟(2)，依次刻錄各個(gè)光柵單元，獲得所需微光變圖像。
進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述光柵模板中，存儲(chǔ)的光柵取向角度的間隔為1°。
上述技術(shù)方案中，所述低空頻光柵數(shù)字模板采用二維結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)。
上述技術(shù)方案中的低空頻光柵數(shù)字模板，用來(lái)提供不同取向條紋的單元，每個(gè)單元由黑白相間的光柵線條構(gòu)成，特征線度在2-40微米，線條具有不同的取向。例如，規(guī)定光柵線條的取向范圍φ為-89°～90°，每1°改變一次，則共有180種單元取向，不同取向的單元順序排列成二維模板。附圖2是由低空頻光柵單元構(gòu)成的模板示意圖，該示意圖共有36個(gè)單元取向，每5°改變一次。
我們知道，白光照明衍射光柵時(shí)，衍射光線滿足光柵方程Λ(sini±sinθ)＝kλ (1)式中Λ是光柵常數(shù)；i是入射角；θ是衍射角；k是干涉級(jí)數(shù)。不同波長(zhǎng)衍射光線間的夾角為，sinθ1-sinθ2＝(λ1-λ2)/Λ (2)
以白光垂直照明條件計(jì)算，從式(2)可看出，在同等照明條件下，光柵常數(shù)越大，色散角就越小。若光柵線數(shù)為100lines/mm，+1級(jí)衍射光中紫光400nm到紅光760nm的色散角僅為2.5°，人眼的明視距離為25cm，衍射光中可見光的線色散約為1cm，衍射光的色彩變化很不明顯，幾乎呈現(xiàn)白色，因此，采用低頻光柵可以實(shí)現(xiàn)低色散的光變圖像。低頻光柵模板的條紋對(duì)比度高，組成的光變圖形的定向性好。但是，在光刻膠的厚度一定的條件下，較大的條紋周期導(dǎo)致條紋的占空比較小，不利于浮雕圖形的復(fù)制，反之，如果采用更小的條紋周期，光柵色散就會(huì)變大。
低空頻光柵模板的單元也可以采用隨機(jī)結(jié)構(gòu)的線條構(gòu)成，參見附圖4，由于這種隨機(jī)條形散斑結(jié)構(gòu)在對(duì)白光衍射時(shí)，各色散的光線混合在一起，形成消色差的特性。
實(shí)現(xiàn)上述方法的一種微光變圖像的激光直寫裝置，包括激光器，準(zhǔn)直光路、成像光路、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與所述成像光路在X、Y兩維方向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所述成像光路包括空間光調(diào)制器、半透半反鏡和雙遠(yuǎn)心投影縮微光路，所述空間光調(diào)制器位于成像光路的物面，由計(jì)算機(jī)控制其顯示圖像，所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)位于成像光路像面。
上述技術(shù)方案中，所述空間光調(diào)制器既可以是透射型空間光調(diào)制器；也可以是反射型空間光調(diào)制器。
制作光變圖像的方法時(shí)，激光器發(fā)出激光束(藍(lán)紫光)，經(jīng)準(zhǔn)直光路后，照明空間光調(diào)制器SLM，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)光變圖像的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)每次從低空頻光柵數(shù)字模板上讀取一個(gè)單元圖形，送入空間光調(diào)制器，光束經(jīng)過(guò)空間光調(diào)制器SLM后，由半透半反鏡、雙遠(yuǎn)心投影縮微光路，在置放于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的光刻膠干板上形成縮小單元像。根據(jù)不同的光變圖像的單元取向讀取不同取向的光柵線條單元，最終在光刻膠干板上形成的不同取向微結(jié)構(gòu)。還可以設(shè)置CCD用于聚焦點(diǎn)的調(diào)焦監(jiān)控。微結(jié)構(gòu)的最小限度取決于SLM的像素尺寸、雙遠(yuǎn)心光路的縮小倍率，尤其是顯微物鏡的數(shù)值孔徑的大小，影響光刻膠干板上的微結(jié)構(gòu)線度。
由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)1.由于本發(fā)明采用直接成像的方法而不是干涉成像的方法，整個(gè)光變圖像的制作過(guò)程不需要機(jī)械旋轉(zhuǎn)的方式來(lái)獲得條紋取向，只要通過(guò)計(jì)算機(jī)在模板上讀取不同取向的單元，輸入SLM上即可實(shí)現(xiàn)光柵線條的旋轉(zhuǎn)，因此，精度高。
2.通過(guò)改變模板中線條的間隔，即可改變最終在光刻膠干板上形成的微光變圖像的空間頻率和色散能力。
3.由于采取了逐單元光刻的方式，整個(gè)微光變圖像的制作的時(shí)間大大縮短。如果輸入低頻光柵模板的單元尺寸，1.6mm，投影縮小率20倍，則在光刻膠干板上的單元的尺寸80微米，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可以達(dá)到100點(diǎn)/s，這樣，完成一幅50mm×50mm面積的微光變圖像的時(shí)間約1小時(shí)左右。同樣，如果通過(guò)逐線條光刻，同樣系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)速度為8mm/s，線條的空頻為4微米/mm，這樣，完成一幅50mm×50mm面積的微光變圖像的時(shí)間至少22小時(shí)左右。
4.通過(guò)采取了逐單元光刻的方式，光刻的時(shí)間只與模板單元的尺寸和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的速度有關(guān)，與微光變圖像的精細(xì)結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。
5.通過(guò)調(diào)整空頻模板的結(jié)構(gòu)，可以獲得各種光變體效果的微光器件。


附圖1為現(xiàn)有技術(shù)中雙光束干涉光學(xué)頭的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2數(shù)字化低空頻模板結(jié)構(gòu)示意圖；附圖3為本發(fā)明實(shí)施例一的激光直寫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖附圖4隨機(jī)線條的微光變圖像光柵結(jié)構(gòu)的放大示意圖；附圖5本發(fā)明實(shí)施例二的激光直寫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；附圖6為具有縮放效果微光變圖像制作的照片；附圖7和附圖8為微光變圖像微結(jié)構(gòu)的放大示意圖。
其中，[1]、激光光源；[2]、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡；[3]、反射鏡；[4]、空間光調(diào)制器；[5]、分光鏡；[6]、計(jì)算機(jī)；[7]、精縮投影物鏡；[8]、光刻膠面；[9]、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)；[10]、控制組件；[11]、CCD；[21]、分束器；[22]、擋光板；[23、24]、光學(xué)透鏡；[25]、光刻膠面。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述實(shí)施例一一種微光變圖像的激光直寫方法，包括如下步驟(1)構(gòu)建低空頻光柵數(shù)字模板，以光柵取向角度等間隔分布，對(duì)每一單元光柵用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達(dá)，記錄在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中，所述光柵取向角度的間隔不小于5°；(2)根據(jù)所需刻制的微光變圖像，從低空頻光柵數(shù)字模板中選取對(duì)應(yīng)的光柵結(jié)構(gòu)，顯示在空間光調(diào)制器上，利用激光束將空間光調(diào)制器上顯示的光柵圖樣投影在記錄介質(zhì)上，形成縮小單元像，在記錄介質(zhì)上刻錄成對(duì)應(yīng)的光柵單元；(3)改變光路和記錄介質(zhì)的相對(duì)位置，根據(jù)所需刻錄的微光變圖像分別變換對(duì)應(yīng)空頻和取向的光柵圖樣，重復(fù)步驟(2)，依次刻錄各個(gè)光柵單元，獲得所需微光變圖像。
在低空頻光柵數(shù)字模板中，OVD數(shù)據(jù)可表示為f(x，y，φ，Λ)，φ代表光柵取向，Λ表示光柵常數(shù)，參見附圖6。如附圖3所示，用激光直寫系統(tǒng)來(lái)制作光變圖像，由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)所需的不同空頻、不同取向的光柵結(jié)構(gòu)，根據(jù)OVD數(shù)據(jù)中的φ、Λ值將預(yù)先設(shè)計(jì)的數(shù)字空頻模板單元結(jié)構(gòu)輸出到空間光調(diào)制器上，通過(guò)視頻驅(qū)動(dòng)器與計(jì)算機(jī)相連，由計(jì)算機(jī)控制和輸入視頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)精縮投影物鏡投影到光刻膠面，由于在模板上預(yù)先進(jìn)行了單元圖形的取向設(shè)計(jì)，因此上述方法可實(shí)現(xiàn)任意取向的單元圖形的光刻而無(wú)需雙光束干涉中的光柵旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)雙光束干涉系統(tǒng)無(wú)法制作的低空頻微光變圖像的設(shè)計(jì)與制作。
附圖3是一種制作光變圖像的直寫裝置，激光器1發(fā)出激光束(藍(lán)紫光)，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直器2和反射鏡3，照明空間光調(diào)制器SLM 4，計(jì)算機(jī)5根據(jù)光變圖像的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)每次從低空頻光柵數(shù)字模板上讀取一個(gè)單元圖形，送入空間光調(diào)制器，光束經(jīng)過(guò)空間光調(diào)制器SLM后，由半透半反鏡6、雙遠(yuǎn)心投影縮微光路7，在光刻膠干板8上形成縮小單元像。光刻膠干板置于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)9上，根據(jù)不同的光變圖像的單元取向讀取不同取向的光柵線條單元，最終在光刻膠干板上形成的不同取向微結(jié)構(gòu)。CCD 10用于聚焦點(diǎn)的調(diào)焦監(jiān)控。微結(jié)構(gòu)的最小限度取決于SLM的像素尺寸、雙遠(yuǎn)心光路的縮小倍率，尤其是顯微物鏡的數(shù)值孔徑的大小，影響光刻膠干板上的微結(jié)構(gòu)線度。
激光直寫統(tǒng)中采用的空間光調(diào)制器(SLM)像素尺寸12-25.9微米，經(jīng)過(guò)精縮投影光學(xué)系統(tǒng)縮微，在光刻膠板上的最小光點(diǎn)分辨率為2微米。因此，激光直寫系統(tǒng)進(jìn)行微光變圖像制作的最小特征結(jié)構(gòu)達(dá)2微米。低頻光柵常數(shù)可達(dá)250lines/mm。光變圖像上的單元微結(jié)構(gòu)尺寸為40μm×40μm因此，上述激光直寫系統(tǒng)支持的微光變圖像的分辨率為635dpi?；蛘?0μm×80μm微光變圖像的分辨率為317dpi。
附圖7所示通過(guò)低頻光柵二維模板，制作的OVD具有100lines/mm的空頻結(jié)構(gòu)，從不同角度觀察，圖形的大小發(fā)生變化；附圖8用低頻隨機(jī)線條結(jié)構(gòu)制作的光變圖像的消色散效果要好于附圖7的用低頻光柵制作的微光變圖像。
從附圖7和8可以看出，設(shè)計(jì)的數(shù)字化低頻光柵二維模板結(jié)構(gòu)成功的實(shí)現(xiàn)了低色散微光變圖像OVD的制作。需要指出的是，微光變圖像制作的工藝過(guò)程中，需將光刻膠面的浮雕結(jié)構(gòu)復(fù)制到塑性薄膜材料上，在熱壓過(guò)程中，附圖2所示低空頻光柵結(jié)構(gòu)由于浮雕的占空比(深度和寬度比)小于1∶10，在塑性材料熱壓有回彈，復(fù)制效果稍差，影響了復(fù)制微光變圖像的衍射效率，導(dǎo)致光澤度下降。而隨機(jī)線條結(jié)構(gòu)由于具有更小的特征結(jié)構(gòu)，這樣條紋占空比可達(dá)1∶2.5～1∶5，因此，隨機(jī)線條結(jié)構(gòu)更適合與熱壓復(fù)制工藝。
實(shí)施例二參見附圖5所示，一種制作光變圖像的直寫裝置，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例一類似，但其中的空間光調(diào)制器采用反射型空間光調(diào)制器，從而，光路布置方向與實(shí)施例一不同。
權(quán)利要求
1.一種微光變圖像的激光直寫方法，其特征在于，包括如下步驟(1)構(gòu)建低空頻光柵數(shù)字模板，以光柵取向角度等間隔分布，對(duì)每一單元光柵用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達(dá)，記錄在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中，所述光柵取向角度的間隔不小于5°；(2)根據(jù)所需刻制的微光變圖像，從低空頻光柵數(shù)字模板中選取對(duì)應(yīng)的光柵結(jié)構(gòu)，顯示在空間光調(diào)制器上，利用激光束將空間光調(diào)制器上顯示的光柵圖樣投影在記錄介質(zhì)上，形成縮小單元像，在記錄介質(zhì)上刻錄成對(duì)應(yīng)的光柵單元；(3)改變光路和記錄介質(zhì)的相對(duì)位置，根據(jù)所需刻錄的微光變圖像分別變換對(duì)應(yīng)空頻和取向的光柵圖樣，重復(fù)步驟(2)，依次刻錄各個(gè)光柵單元，獲得所需微光變圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微光變圖像的激光直寫方法，其特征在于所述光柵模板中，存儲(chǔ)的光柵取向角度的間隔為1°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微光變圖像的激光直寫方法，其特征在于所述低空頻光柵數(shù)字模板采用二維結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)。
4.一種微光變圖像的激光直寫裝置，包括激光器，準(zhǔn)直光路、成像光路、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與所述成像光路在X、Y兩維方向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其特征在于所述成像光路包括空間光調(diào)制器、半透半反鏡和雙遠(yuǎn)心投影縮微光路，所述空間光調(diào)制器位于成像光路的物面，由計(jì)算機(jī)控制其顯示圖像，所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)位于成像光路像面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微光變圖像的激光直寫裝置，其特征在于所述空間光調(diào)制器為透射型空間光調(diào)制器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微光變圖像的激光直寫裝置，其特征在于所述空間光調(diào)制器為反射型空間光調(diào)制器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微光變圖像的激光直寫方法及裝置，包括(1)構(gòu)建低空頻光柵數(shù)字模板，以光柵取向角度等間隔分布，對(duì)每一單元光柵用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達(dá)，記錄在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中；(2)根據(jù)所需刻制的微光變圖像，從低空頻光柵數(shù)字模板中選取對(duì)應(yīng)的光柵結(jié)構(gòu)，利用激光束將空間光調(diào)制器上顯示的光柵圖樣投影在記錄介質(zhì)上，形成縮小單元像；(3)改變光路和記錄介質(zhì)的相對(duì)位置，變換對(duì)應(yīng)空頻和取向的光柵圖樣，重復(fù)步驟(2)，依次刻錄各個(gè)光柵單元，獲得所需微光變圖像。本發(fā)明采用直接成像的方法，整個(gè)光變圖像的制作過(guò)程不需要機(jī)械旋轉(zhuǎn)的方式來(lái)獲得條紋取向，只要通過(guò)計(jì)算機(jī)在模板上讀取不同取向的單元，輸入SLM上即可實(shí)現(xiàn)光柵線條的旋轉(zhuǎn)，因此，精度高。
文檔編號(hào)G02F1/35GK1786749SQ20051009577
公開日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2005年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月17日
發(fā)明者魏國(guó)軍, 陳林森, 邵潔, 周小紅, 解正東, 周翔 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué), 蘇州蘇大維格數(shù)碼光學(xué)有限公司