实现无油墨印刷的亚波长光栅结构设计及制备技术研究

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3.0 高德中 2024-11-19 8 4 1.67MB 53 页 15积分

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摘要

本论文基于亚波长光栅的衍射理论及色度学的基本原理，推导了亚波长光栅

衍射效率及与其在自然光下呈现颜色对应关系的计算关系式。提出了一种利用亚

波长光栅阵列再现彩色图像的方法，从而为实现“无油墨印刷”提供理论依据。

这种方法不同于传统印刷业所采用的油墨混合的方法，而是利用亚波长光栅高效

率的滤光特性，通过对光栅结构参数的优化，设计出能从自然光中精确分离出红、

绿、蓝三基色的基元光栅结构，它们便可充当“光打印”中所需的“光学颜料”。

随着微纳制造技术的发展，在一块基片上加工不同周期或深度的光栅阵列成为可

能，这样便可以通过基元光栅的不同组合而“打印”出色彩斑斓的图案，这种设

想的“光打印机”，可让印刷过程完全与油墨脱钩。

采用导模共振（GMR）光栅充当基元光栅来产生所需的红绿蓝（RGB）三基

色，利用严格的耦合波理论计算导模共振光栅的衍射效率，并结合 CIE 色度计算

方法优选光栅的结构参数。利用 Matlab 的图像处理功能对导模共振光栅阵列再

现彩色图像的效果进行仿真模拟，结果表明在光源为偏振光的情况下已能比较真

实的还原原图像。根据所需制作的光栅母版的特性，选择激光直写加工技术最为

合适，利用计算机图像处理技术获取原图像各像素的色彩信息，并转化为对应的

RGB 分布，即可获得基元光栅的分布，利用光刻机进行逐“点”曝光，从而再现

出整幅彩色图像。

自然界中的光资源是取之不尽用之不竭的，用“光学颜料”代替化学油墨，

既可以节省资源，又可以远离污染，而且根据亚波长结构的偏振特性，若采用特

定偏振的光来记录图像，得到的图像是很难被复制的，这就使得该技术在防伪领

域也有着很大的应用前景。随着科技的发展，一旦出现经济适用的载体，这种技

术必将取得广泛的使用。

关键词：亚波长光栅彩色图像三基色导模共振衍射效率

ABSTRACT

Based on the diffraction theory of sub-wavelength grating and the fundamental

principles of chromatology, we deduced the mathematical expression about the

diffraction efficiency of sub-wavelength grating and its corresponding color under

natural light. Raising a new method which using sub-wavelength grating array to

reappear colored images, and it provides theoretical basis for ‗non-ink printing‘. This

method is different from the way using in traditional press which mixing pigment

together, but utilizing the light-filtering characteristic of sub-wavelength grating to

extract red, green and blue (RGB) light which can be acted as ‗optical pigment‘ from

natural light. With the development of micro-nano manufacturing technology, it is

possible to fabricate gratings with different period or depth on one substrate, so

colored image can be reappearred by distributing the three basic grating structures.

The assumed ‗optical printer‘ can totally escape from printing ink.

In this thesis, we adopt guided-mode resonance grating as the basic structure to

generate three primary colors, and calculate its diffraction efficiency by the rigorous

coupled wave theory (RCWA), and then optimize the structural parameters according

to the method of CIE chromacity calculation. The effect of the colored image

reproduced by GMR gratings array was simulated by Matlab, simulation results

showed that using this method can restore colored images factually when the incident

light is TE-polarized. According to the character of the needed grating stamper, it is

appropriate to choose direct writing technology in manufacturing process. First, we

utilize the computer image processing technology to obtain the color information of

each pixel from the master image, and then convert it to its corresponding distribution

of RGB which represents the distribution of the three basic grating structures, finally

the whole colored image can be produced by point to point exposure in lithography

machine.

The light resources in natural world are inexhaustible, so using ‗optical pigment‘

to replace chemical printing ink is not only saving resources but also free from

pollution. Besides, pictures are very difficult to be duplicated if the recording laser is

polarized, and it makes this technology has extensive application prospect in

anti-counterfeiting field. We can image with the development of technology, once an

economical practical material emerges, it must be widely used in the future.

Keywords: Sub-wavelength grating, Colored image, Three primary colors

Guided-mode resonance grating, Diffraction efficiency

摘要

ABSTRACT

第一章绪论......................................................... 1

§1.1 研究目的和意义 ............................................ 1

§1.2 国内外研究进展 ............................................ 1

§1.3 主要研究成果............................................... 3

第二章色度学理论基础............................................... 4

§2.1CIE 颜色标准................................................ 4

§2.1.1 色彩匹配............................................. 4

§2.1.2 CIE 标准色度系统 ..................................... 6

§2.1.3 CIE 色度计算 ......................................... 9

§2.2 彩色印刷简介.............................................. 10

§2.2.1 颜色分解............................................ 10

§2.2.2 颜色合成............................................ 12

§2.3 计算机颜色系统............................................ 13

§2.3.1 计算机 RGB 模式...................................... 13

§2.3.2 数字化图像.......................................... 14

第三章亚波长光栅理论.............................................. 16

§3.1 亚波长光栅................................................ 16

§3.1.1 衍射光栅简介........................................ 16

§3.1.2 亚波长光栅的定义.................................... 17

§3.1.3 亚波长光栅的应用.................................... 18

§3.2 导模共振光栅.............................................. 19

§3.2.1 导模共振光栅研究概况................................ 19

§3.2.2 导模共振效应产生机制................................ 20

§3.3 严格的耦合波理论.......................................... 22

§3.3.1 Maxwell 方程及边界条件 .............................. 22

§3.3.2 单层矩形光栅的严格耦合波分析模型.................... 23

第四章光栅结构设计及母版制备...................................... 28

§4.1 亚波长光栅呈现颜色的计算.................................. 28

§4.2 光栅结构参数优化.......................................... 29

§4.3 计算机仿真结果............................................ 31

4.3.1 导模共振基元光栅衍射效率及颜色的计算.................. 31

4.3.2 CIE 色品图 ............................................ 33

4.3.3 计算机仿真图像再现.................................... 33

§4.4 光栅母版的制备 ........................................... 35

§4.4.1 激光直写系统简介.................................... 36

§4.4.2 工艺流程............................................ 37

§4.4.3 HoloMakerIIIB 光刻机 ................................ 38

第五章总结与展望.................................................. 40

§5.1 总结...................................................... 40

§5.2 展望...................................................... 40

附录一 ......................................................... 41

附录二 ......................................................... 44

参考文献........................................................... 46

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果..................... 50

致谢............................................................... 51

第一章绪论

§1.1 研究目的和意义

衍射光栅是一种基底上规则分布着缝、线、槽或材料光学性质周期变化的光

学元件，其主要功能是作为分光元件广泛地应用于光谱分析、激光器、集成光路、

光通信以及工业控制和计量中。近年来，亚波长光栅由于其高效率的单色滤光特

性而显现出越来越大的应用价值，又由色度学的基本原理可知，自然界中大部分

色彩均可通过红、绿、蓝（RGB）三基色的不同组合来再现，可以设想，如果能

够设计出某些光栅结构能从自然光中精确分离出红、绿、蓝三种光谱色，通过这

些基元光栅的组合即可还原自然界中的这些色彩，这些基元光栅类似于传统印刷

中所使用的彩色油墨，充当―光学颜料‖来再现各种各样的彩色图像。随着微纳制

造技术的发展，在一块基片上加工不同周期或深度的光栅阵列成为可能，这样便

可以通过―打印‖基元光栅的方法来获得色彩斑斓的图案，这种设想中的―光打印

机‖，可使印刷的过程不在需要油墨。自然界中的光资源是及其丰富的，用―光学

颜料‖来取代化学油墨，不仅可以节约资源，而且污染也小。根据亚波长光栅的偏

振特性，若采用特定偏振的光来记录图像，得到的图像是很难被复制的，这就使

得该技术在防伪领域也有着很大的应用前景。因此，在科技不断发展的情况下，

一旦出现经济适用的载体，―光打印‖便可得到普及，从而为印刷、防伪等行业注

入全新的内容。

§1.2 国内外研究进展

光栅的制造史可以追朔到两百多年前，美国天文学家 Rittenhouse 制作的线宽

为12.7mm 的金属丝线栅，并在费城第一次做了光栅实验；1823 年，夫琅禾费提

出了平面光栅的一些基本原理，第一次推出了光栅方程式；至十九世纪八十年代，

罗兰为了测量光谱线的波长而致力于制作品质优良的衍射光栅，并首次制作出凹

面光栅及简单像差又小的分光仪；后来，为提高光栅的衍射效率，安德逊及伍德

提出―闪耀‖光栅的概念。早期的光栅都是采用机械刻划的方法制作，既费时成本

又高，而且对刻划环境的要求十分严格，因此到 1940 年以后，又提出了光栅复制

的方法，采用镀铝母光栅并结合真空蒸发技术成功复制成可商业化生产的光栅产

品，大大地降低了光栅的制作难度。1948 年，盖伯提出了全息光学原理，但直到

六十年代第一台激光器出现以后，这一原理才获得了实际的应用和发展，1967 年

鲁道夫和施玛尔利用氩离子激光器作光源、光致抗蚀剂作记录材料首次制出具有

实现无油墨印刷的亚波长光栅结构设计及制备技术研究

良好光谱学性能的全息光栅，到 1970 年全息光栅的性能基本达到刻划光栅的水平，

使用波段覆盖可见光、紫外及 X射线区域[1]。

随着科技的发展及制造业的逐渐成熟，光栅的质量越来越高，线数越来越多，

随之呈现的是与传统光栅所不同的特殊性能。当光栅的线数足够大以致其周期远

小于入射光波长的时候，衍射光的高级次就会被抑制而只有零级衍射波可以传输，

这种光栅通常称为亚波长光栅，基于它的这种零级滤波及光栅的分光特点，当白

光照射在光栅表面时，即可实现零级的单色光输出，由于衍射光的光强大部分都

集中在零级，这就大大提高了单色衍射光的衍射效率。相对于线数较少的普通光

栅，亚波长光栅的制作难度大大地提高了，但鉴于其巨大的潜在应用价值，依然

吸引着国内外的广大科研工作者对其理论分析、制造及应用拓展进行着广泛地研

究。国际上对亚波长光栅的研究在二十世纪八十年代形成热潮，主要分为介质光

栅和金属光栅两个方向，采用严格的耦合波理论[2~7]、模场分析[8]、FDTD[9]等方法

对光栅的衍射特性进行了深入的研究，亚波长光栅的应用领域也在不断地拓宽。

进入二十一世纪，国内对亚波长光栅的研究工作也积极的开展起来并取得了一定

的成就。

另一方面，结构诱导的颜色效应也很早就引起科学家的关注。早在二十世纪

三十年代，C.W.Mason 就对昆虫的结构色进行了系统的描述[10,11]，首次提出了结

构参数可以影响昆虫所呈现颜色的概念，并对结构色与油墨色的异同进行了比较；

R.B.Morris[12]，John.Huxley[13]，H. Ghiradella[14]等人通过对蝴蝶翅膀的观察深入的

研究了微纳结构的这种颜色效应，利用体全息光栅及薄膜干涉的原理简单地分析

绿色和蓝色的成因；随后，H. Tada 等人在不同观察角度下研究了这种效应，发现

随着观测角的改变，蝴蝶翅膀颜色在绿色和紫色间变化，利用多层膜理论对这一

现象进行理论分析，提出这一现象产生的原因是薄膜的干涉、散射及衍射的共同

作用的结果[15]；2001 年，Boris Gralak 等人首次建立了一个多层光栅模型来模拟

蝴蝶翅膀的微纳结构，提出了衍射效率与颜色之间转换的计算方法，理论计算与

实际结果很好吻合，为研究微纳结构的颜色效应奠定基础[16]。2008 年，A. Y.

Vorobyev 等人利用飞秒激光器脉冲在金属 Al 上刻蚀不同的结构使得金属 Al 呈现

各种不同的颜色[17]，直到 2009 年，Hans Lochbihler 首次提出利用亚波长金属光

栅产生彩色图像，并利用激光直写技术在一个塑料薄片上制作出一幅梵高作品的

光栅样品，但由于结构及工艺的局限性，图片的整体颜色偏向蓝色[18]；2010 年，

B. Dusser 等人报道利用超快激光脉冲在不锈钢基片上刻蚀光栅阵列制作出一幅

彩色图像，阐述了在最常见的不锈钢薄片上制作光栅结构阵列复现彩色图像的可

能性[19]；同年，Hans Lochbihler 报道通过将两层金属光栅结构改进为三层可以增

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摘要本论文基于亚波长光栅的衍射理论及色度学的基本原理，推导了亚波长光栅衍射效率及与其在自然光下呈现颜色对应关系的计算关系式。提出了一种利用亚波长光栅阵列再现彩色图像的方法，从而为实现“无油墨印刷”提供理论依据。这种方法不同于传统印刷业所采用的油墨混合的方法，而是利用亚波长光栅高效率的滤光特性，通过对光栅结构参数的优化，设计出能从自然光中精确分离出红、绿、蓝三基色的基元光栅结构，它们便可充当“光打印”中所需的“光学颜料”。随着微纳制造技术的发展，在一块基片上加工不同周期或深度的光栅阵列成为可能，这样便可以通过基元光栅的不同组合而“打印”出色彩斑斓的图案，这种设想的“光打印机”，可让印刷过程完全与...

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