一种基于微纳结构的激光散射图像显示方法.pdf

本发明公开了一种基于微纳结构的激光散射图像显示方法，它主要具有微米、纳米尺度特征的二维微纳结构组成，利用二维微纳结构的位相和振幅信息对入射光的方向进行调节，形成特定的光散射图案与效果。同时采用本发明申请保护的工艺与装备，可完成相关微纳结构在金属、塑料以及其它各种材质表面的有效成形。

1.  一种基于微纳结构的激光散射图像显示方法，由排列于平面的多个单元周期排列组成，每个单元包括成千上万个方形子单元。

2.  根据权利要求1所述的一种基于微纳结构的激光散射图像显示方法，其特征在于：方形子单元具有不同的深度，所有子单元深度构成的深度值可以为2个深度值，即2个台阶；也可以为多个深度值，即多个台阶。

3.  根据权利要求2所述的一种基于微纳结构的激光散射图像显示方法，其特征在于：子单元深度值与入射在微纳结构表面的激光波长有关，其最高子单元深度与最低子单元深度构成的光程差小于3个入射激光波长。

4.  根据权利要求2所述的一种基于微纳结构的激光散射图像显示方法，其特征在于：当微纳结构为反射型结构，所有子单元深度构成的深度值为2个深度值，即2个台阶时，对于反射结构，其台阶深度具体为λ/10~λ，典型值为λ/6~λ/2，λ为入射激光波长。

5.  根据权利要求2所述的一种基于微纳结构的激光散射图像显示方法，其特征在于：当微纳结构为透射型结构，所有子单元深度构成的深度值为2个深度值，即2个台阶时，对于反射结构，其台阶深度具体为λ/2~2λ，典型值为λ/2/（n-1），n为材料折射率。

6.  根据权利要求1所述的一种基于微纳结构的激光散射图像显示方法，其特征在于： 激光照射到反射型微纳结构表面后，2台阶微结构将散射后的光线形成两个目标图案，且这两个目标图案成近似中心旋转对称分布，承载反射型微结构的表面为平面。

7.  一种基于微纳结构的激光散射图像显示方法，其特征在于：用于制作微纳结构的装置包括雕刻源、精密对准系统、精密调平系统和精密移动系统四部分。

8.  根据权利要求4所述的一种基于微纳结构的激光散射图像显示方法，其特征在于：所述的雕刻源可以为高功率激光器、汞灯、以及高能离子束等，主要用于对微结构进行雕刻成形；所述的精密对准系统、精密调平系统、精密移动系统主要用于对微结构进行精确定位。

9.  根据权利要求1所述的一种基于微纳结构的激光散射图像显示方法，可成形各种复杂、炫丽的激光图像；通过但不限于直接雕刻、电铸、模压等工艺，可以将该微纳结构制作于模具表面，后期，采用该模具进行压制，可将微纳结构压制于金银币、锭及塑料钞等物品表面，实现携带有微纳结构的金银防伪制品批量化制备；除此以外，该结构还可广泛应用于金银首饰等贵重商品中，也可以应用于烟、酒等普通商品表面，起到防伪、显示的效果。

一种基于微纳结构的激光散射图像显示方法
所属技术领域
本发明公开了一种基于微纳结构的激光散射图像显示方法，它主要具有微米、纳米尺度特征的二维微纳结构组成，利用二维微纳结构的位相和振幅信息对入射光的方向进行调节，形成特定的光散射图案与效果。采用本发明专利申请保护的工艺与装备，可完成相关微纳结构在金属、塑料以及其它各种材质表面的有效成形，可广泛应用于金银币及烟、酒等普通商品的有效防伪。
背景技术
从上世纪90年代开始，三维显示、防伪等技术便得到了迅速发展，主要是以激光全息图为主，但这种技术已经半公开，防伪功能受到挑战。此外还有诸如水印防伪等技术也已经发展了很长时间，基本原理及实现方法也已经基本被大众所了解。迫切需要发展新的防伪技术。
为此人们提出了基于光学原理的放大显示防伪方法，这种方法的原理是：在正常照明条件下，人眼的极限分辨力为1分，在明视距离250mm条件下，人眼的极限分辨力为0.072mm。一般来说为使眼睛不疲劳，人眼的视角在4分左右，即可以分辨距离为0.3mm左右的两个点。在一般情况下，10×10个点刻组成简单图案，其大小约在4mm×4mm左右，其它细小的物体必须采用放大镜或显微镜进行放大才能看清其细微结构。对于小于该尺度的图案必须采用显微镜等辅助工具，这个观察带来很大不便。
随后，人们又开发出了基于微透镜阵列的三维、动态显示和防伪技术，然而上述技术受到现有像素尺度（150微米）的限制，很难获得流畅的动态显示效果和纤薄的厚度。同理，在三维电视中，也存在上述问题，采用现有像素，三维图像的显示随观测角度成阶段性变化，只有采用更加微小的像素尺寸方可获得流畅的三维动态效果。
为了克服上述三点问题，我们提出了一种基于微纳结构的激光散射图像显示方法，它主要具有微米、纳米尺度特征的二维微纳结构组成，利用二维微纳结构的位相和振幅信息对入射光的方向进行调节，形成特定的光散射图案与效果。同时采用本发明专利申请保护的工艺与装备，可完成相关微纳结构在金属、塑料以及其它各种材质表面的有效成形。
发明内容：
基于上述考虑，本发明提出一种基于微纳结构的激光散射图像显示方法。它主要具有微米、纳米尺度特征的二维微纳结构组成，利用二维微纳结构的位相和振幅信息对入射光的方向进行调节，形成特定的光散射图案与效果。同时采用本发明专利申请保护的工艺与装备，可完成相关微纳结构在金属、塑料以及其它各种材质表面的有效成形。
本发明的结构解决方案通过以下步骤完成：一种基于微纳结构的激光散射图像显示方法，其特征在于包括以下步骤：
一种基于微纳结构的激光散射图像显示方法，由排列于平面的多个单元周期排列组成，每个单元包括成千上万个方形子单元。
进一步，方形子单元具有不同的深度，所有子单元深度构成的深度值可以为2个深度值，即2个台阶；也可以为多个深度值，即多个台阶。
进一步，单元深度值与入射在微纳结构表面的激光波长有关，其最高子单元深度与最低子单元深度构成的光程差小于3个入射激光波长。
进一步，构为反射型结构，所有子单元深度构成的深度值为2个深度值，即2个台阶时，对于反射结构，其台阶深度具体为λ/10~λ，典型值为λ/6~λ/2，λ为激光波长；
进一步，微纳结构为透射型结构，所有子单元深度构成的深度值为2个深度值，即2个台阶时，对于反射结构，其台阶深度具体为λ/2~2λ，典型值为λ/2/（n-1），n为材料折射率；
进一步，到反射型微纳结构表面后，2台阶微结构将散射后的光线形成两个目标图案，且这两个目标图案成近似中心旋转对称分布，承载反射型微结构的表面为平面；
进一步，于制作微纳结构的装置包括雕刻源、精密对准系统、精密调平系统和精密移动系统四部分；
进一步，所述的雕刻源可以为高功率激光器、汞灯、以及高能离子束等，主要用于对微结构进行雕刻成形；所述的精密对准系统、精密调平系统、精密移动系统主要用于对微结构进行精确定位；
进一步，所述的一种基于微纳结构的激光散射图像显示方法，可成形各种复杂、炫丽的激光图像；通过但不限于直接雕刻、电铸、模压等工艺，可以将该微纳结构制作于模具表面，后期，采用该模具进行压制，可将微纳结构压制于金银币、锭及塑料钞等物品表面，实现携带有微纳结构的金银防伪制品批量化制备；除此以外，该结构还可广泛应用于金银首饰等贵重商品中，也可以应用于烟、酒等普通商品表面，起到防伪、显示的效果。
本发明的原理是：利用两台阶或多台阶微纳结构对入射激光进行衍射与散射，被散射的激光在远场进行能量叠加，进而形成设计的图案；
本发明最大的特点在于：采用不规则排列、微纳米尺度结构对入射激光位相与振幅进行调制，在远场可以再现设计的图案，获得鲜艳夺目的显示效果。
附图说明
图1为本发明实施例一中微纳结构设计框图；
图2是本发明实施例一中微纳结构的设计结果示意图；图中黑色方框内的图形为1个单元，其中灰度代表微纳结构深度，黑色最深、白色最浅。
图3为图2中单元放大后的图案，每个方形结构为一个子单元。
图4为设计并加工完成的携带有微纳结构的金银币模具示意图；
图5为激光照射到样品表面微纳结构后的显示效果；
图6为本发明实施例二中设计并加工完成的微纳结构；
图7为本发明实施例二中激光照射到微纳结构表面后的显示效果。
具体实施方式
实施例1，应用于纪念币中的显示效果为“剑南春”及其LOGO的激光散射图像微结构设计及制备，激光波长为500nm；
设计流程见图1，首先，选定“剑南春”及其LOGO作为目标显示图案；将该图案作为输入值，并设定评价函数为：能量利用率m>80%,显示亮度一致性误差K<5%，目标图案相似度80%，并以随机产生的子单元位相深度作为初始。在此基础上，利用矢量衍射理论对所有子单元形成的位相进行计算，计算反射光远场衍射图案光强分布，当衍射图案光强分布于目标图形满足初始评价函数时，输出所有子单元位相，形成单元设计结果；否则，子单元位相依次进行变化、并不断循环迭代，直到产生符合评价函数的子单元位相，形成单元设计结果；
在此基础上对单元设计结果进行无缝、无重叠拼接获得最终的激光散射图像微结构设计结果；完整设计结果见图2，单元设计结果见图3，图3中的每个小黑点和小白点均为子单元，颜色代表深度。
下一步，计算浮雕深度，由于激光波长为500nm，且该结构用于金银币表面防伪，所以为反射式结构；其深度应该为λ/6~λ/2之间，取λ/5作为深度值，即500/5=100nm；
在此基础上，利用激光束和离子束加工系统在金银币模具特定部位加工该图案。首先，利用精密移动系统和对准系统将金银币模具精密平移并准确固定在承载平台上，其次，利用光能量或离子和微粒子的动能在模具表面特定位置，加工出需要的微纳结构。相关模具示意图见图4，图中灰色四边形即为激光散射图像微纳结构区。
采用该模具对金银匹饼进行压制，金银币表面即可携带需要的激光散射图像微纳结构；采用500nm激光笔照射该区域即可反射形成图5所示的图案；
实施例2，应用于塑料币中的显示效果为“剑南春”的激光散射图像微结构设计及制备，激光波长为632.8nm；
设计流程见图1，首先，选定“剑南春”作为目标显示图案；将该图案作为输入值，并设定评价函数为：能量利用率m>90%,显示亮度一致性误差K<5%，目标图案相似度90%，并以随机产生的子单元位相深度作为初始。在此基础上，利用矢量衍射理论对所有子单元形成的位相进行计算，计算反射光远场衍射图案光强分布，当衍射图案光强分布于目标图形满足初始评价函数时，输出所有子单元位相，形成单元设计结果；否则，子单元位相依次进行变化、并不断循环迭代，直到产生符合评价函数的子单元位相，形成单元设计结果；
在此基础上对单元设计结果进行无缝、无重叠拼接获得最终的激光散射图像微结构设计结果；单元设计结果见图6，图6中的每个小黑点和小白点均为子单元，颜色代表深度。
下一步，计算浮雕深度，由于激光波长为632.8nm，且该结构用于塑料币表面防伪，所以为透射式结构；假设塑料币折射率为n=1.5其最佳深度应该为λ/2/（n-1），即632.8nm；
在此基础上，利用激光束和离子束加工系统在模具特定部位加工该图案。首先，利用精密移动系统和对准系统将模具精密平移并准确固定在承载平台上，其次，利用光能量或离子和微粒子的动能在模具表面特定位置，加工出需要的微纳结构。采用该模具对塑料币进行压制，塑料币表面即可携带需要的激光散射图像微纳结构；采用632.8nm激光笔照射该区域即可透射形成图7所示的图案。