一种柔性变角度阵列衍射光学器件的热压式制作方法与流程

本发明属于激光显示投影领域，尤其涉及一种用于激光散斑抑制的衍射光学器件结构在柔性塑料材料上的热压式制作方法。

背景技术：

激光投影显示系统因其所具备的色彩丰富、画面质量高、寿命长、可靠性高、功效高、能耗低等优点，受到越来越广泛的关注和欢迎。然而由于激光是高相干光，不可避免地会产生一种称为激光散斑的画面噪声。散斑表现为随机分布在激光光斑中的黑色斑点，其实质为信号的随机相干叠加，散斑的存在严重影响图像和信息的质量。在激光投影显示领域，散斑会使投影显示的画面质量下降，导致观看者产生疲倦和头晕眼花等症状，严重影响激光投影仪使用者的体验，成为制约激光投影显示系统和仪器发展的核心因素。因此，研发激光散斑抑制技术和器件十分必要。

已有技术中对激光散斑的抑制，最常采用的是运动的衍射光学器件，比如在《hadamardspecklecontrastreduction》(2004，opt.lett.29,11-13)一文中jahjai.trisnadi第一次采用了基于hadamard矩阵结构的衍射光学器件；在《fullspecklesuppressioninlaserprojectorsusingtwobarkercode-typediffractiveopticalelements》(2013，j.opt.soc.am.a30,22-31)一文中，lapchuk等人采用两个基于barker码结构的衍射光学器件，对全波段(既包括红、绿、蓝)激光进行了散斑抑制实验；乐孜纯、熊启源、董文和付明磊在中国发明专利《一种基于光学衍射元件的激光散斑抑制方法》(cn106896520a)中提出使用运动的二元光学衍射元件来抑制激光散斑。然而上述基于运动的衍射光学器件都是制作在硬质材料上的，比如玻璃(二氧化硅)材料或者有机玻璃材料。制作于硬质材料上的衍射光学器件，对其运动方式有很大的限制，同时也使得运动机构的设计非常复杂。迄今为止，尚未有关于在柔性材料上制作用于激光散斑抑制的衍射光学器件的相关报道。

进一步地，鉴于二元光学衍射器件属于微结构器件，在光学领域通常采用光刻技术来制作。若延续此常规思路，使用光刻技术制作本发明柔性变角度阵列衍射光学器件，则只适用于光刻胶固化后具有高弹性、可弯折和光学透明的光刻胶材料(比如聚二甲基硅氧烷、光敏聚酰亚胺)，而对于适于制作本发明柔性变角度阵列衍射光学器件的pc、pvc、pet等热塑性塑料材料，这种方法无法使用。另一方面，因为每一种光刻胶，都有其特定的制作方法和工艺流程，技术方案的普适性很差。此外，受限于目前光刻设备光刻台面的尺寸限制，整个柔性变角度阵列衍射光学器件的长度一般不能超过9厘米。

综上所述，现有基于运动的衍射光学器件的散斑抑制技术，在衍射器件的结构上存在不足，导致或是散斑抑制程度不够；或是不能进行全波段散斑抑制；或是结构设计的精度要求太高，系统容错性、鲁棒性、通用性很差，只适合实验室，不能满足实际应用需求；或是需要往复式机械运动，在运动过程中改变速度导致散斑抑制效果不佳等等。另一方面，在制作技术上，迄今为止，还没在柔性材料上制作用于激光散斑抑制的衍射光学器件的制作方法，特别是没有在热塑性塑料材料上制作本发明柔性变角度阵列衍射光学器件的技术方法。

技术实现要素：

为了克服已有运动的衍射光学器件技术散斑抑制效果不够好、不能进行全波段散斑抑制、系统采用器件个数和种类多、运动部件复杂并对仪器有冲击损害、尺寸大、仪器结构复杂、能耗高等缺点，以及尚未有针对热塑性塑料材料制作柔性衍射光学器件的普适性制作技术，本发明提供一种全波段散斑抑制效果好、运动方式简单、易于实现、且系统通用性、鲁棒性好、成本低廉的柔性变角度阵列衍射光学器件的热压式制作方法，采用热塑性塑料材料制作、通过变角度阵列衍射结构、构建可以无限匀速循环的履带式传动代替往复式机械运动实现红、绿、蓝全波段激光散斑抑制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种柔性变角度阵列衍射光学器件的热压式制作方法，所述方法包括以下步骤：

(一)单个衍射光学器件模具制作

步骤1：制备好n个一维二元衍射光学结构的掩模版备用，所述n个掩模版分别对应本发明柔性变角度阵列衍射光学器件中的n组一维二元衍射光学结构；

步骤2：选择硅片作为基底材料，并进行清洗；

步骤3：在经过步骤2的清洁硅片上涂敷一层光刻胶，进行前烘，然后使用步骤1的掩模版曝光，之后显影、后烘，形成光刻胶图形结构；

步骤4：在经过步骤3的样片上，生长一层厚度为100纳米至250纳米的铜薄膜，作为电铸阴极；

步骤5：将经过步骤4的样片，置入电解液中电铸镍，镍的厚度控制在850纳米至1150纳米之间；

步骤6：清洗经过步骤5的样片，去除残留的电解液，然后使用步骤3中光刻胶配套去胶剂去除光刻胶及其上的金属，制成单个衍射光学器件模具，所述单个衍射光学器件模具可反复多次使用；

(二)柔性变角度阵列衍射光学器件模具制作

步骤7：采用精密机械技术，加工模具固件备用，所述x轴定义为柔性变角度阵列衍射光学器件的长度方向，所述y轴定义为柔性变角度阵列衍射光学器件的宽度方向；

步骤8：根据柔性变角度阵列衍射光学器件的结构设计，选取经过(一)所制成的单个衍射光学器件模具安装在步骤7的模具固件上进行组合，之后紧固，制成柔性变角度阵列衍射光学器件模具；

(三)在热塑性塑料材料上制作柔性变角度阵列衍射光学器件

步骤9：备好热塑性柔性材料，并清洁；

步骤10：使用所述柔性变角度阵列衍射光学器件模具，利用热压机进行热压，利用压力和热压时间控制压印深度，所述压印深度由二元衍射光学结构深度h确定；

步骤11：压印结束并冷却后，取下步骤9的热塑性柔性材料并裁剪，沿y轴将第1组和第n组一维二元衍射光学结构粘结起来，形成柔性变角度阵列衍射光学器件。

进一步，所述柔性变角度阵列衍射光学器件制作在柔性材料上，由n组一维二元衍射光学结构首尾连接而成，所述一维二元衍射光学结构包括光栅结构和光学微结构，所述一维是指衍射光学结构为一维图案，所述二元是指因衍射光学结构深度所形成的光程差是二值化的。

再进一步，所述一维二元衍射光学结构图案由参数t表示，所述参数t为光学微结构的最小单元宽度，所有光学微结构的宽度均用t的整数倍来表示，所述一维二元衍射光学结构图案的总宽度用t0表示；所述一维二元衍射光学结构的深度为h，所述一维二元衍射光学结构与x轴所夹倾角为θ0。

所述光学微结构为基于伪随机序列的光学微结构、基于m序列的光学微结构或基于barker码的光学微结构。

所述n是正整数，表示柔性变角度阵列衍射光学器件中所包含的阵列个数，n＝1,2,3…∞，当n＝1时，所述用于激光散斑抑制的柔性变角度阵列衍射光学器件为单个衍射光学器件，即衍射光学器件单元，每一个衍射光学器件单元中包括m个周期的结构参数相同的一维二元衍射光学结构图案；当n≧2时，所述用于激光散斑抑制的柔性变角度阵列衍射光学器件为包含n个阵列的衍射光学器件；所述阵列中的n个衍射光学器件单元一次性制作在单片柔性材料上，其阵列中的n个衍射光学器件单元内部的一维二元衍射光学结构图案相同或不相同，所述n组一维二元衍射光学结构首尾连接，沿着y轴方向将第1组衍射光学结构的头与第n组衍射光学结构的尾相连。

阵列中的n个衍射光学器件单元与x轴所夹倾角不同，表示为θ±i，其中θ±i＝θ0±(n-1)/2·δθ±i·δθ，δθ表示相邻衍射光学器件单元与x轴所夹倾角的变化幅度。

二元衍射光学结构的深度h与柔性材料的折射率有关，其范围在350nm至650nm。

所述柔性材料是指对包括红、绿、蓝光在内的可见光波段透明的、柔软可弯折的热塑性塑料。

所述热塑性塑料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯pet、聚氯乙烯pvc或聚碳酸酯pc。

本发明的技术构思是：通过在单片柔性材料上制作变角度阵列衍射光学器件，利用运动的衍射光学微结构来改变激光光束的相位分布，破坏激光的空间相干性，从而达到抑制散斑的效果。

进一步地，利用柔性材料的弯折，使得n组不同的一维二元衍射光学结构相互叠加；利用连续的履带式运动使得叠加的光学结构动态变化，以达到全波段激光散斑抑制的效果并提高激光散斑抑制率。

更进一步，由于履带式传送是周而复始的，有效避免了往复式机械运动过程中运动速度的变化，减小了机械运动冲击造成的系统损伤和运动速度变化造成的干扰噪声。

再进一步地，通过发明变角度阵列结构，使得在仅需一维方向运动的情况下，实现了二维位移的技术效果。

进一步，针对光学透明性好、稳定性高、机械延展性好的热塑性塑料材料，发明一套普适性的热压式的制作方法，先制作金属材料模具，再通过压印的方法，制成高弹性、光学透明的柔性变角度阵列衍射光学器件。

本发明的有益效果主要表现在：(1)发明一种在热塑性柔性材料上制作用于散斑抑制的衍射光学器件的、普适性的制作技术方法，因采用柔性材料，使得履带式连续运动成为可能。(2)单片材料上制作多组衍射光学微结构，尺寸小、效率高。(3)利用柔性材料的弯折和履带式连续运动，使得n组不同的一维二元衍射光学结构相互叠加和动态变化，实现了全波段激光散斑抑制。(4)通过发明变角度阵列结构，使得在仅需一维方向运动的情况下，实现了二维位移的技术效果。(5)采用履带式运动代替往复式机械运动，拥有更稳定的散斑抑制效果和更小的噪声干扰，也使得整个结构更加稳定。(6)整个散斑抑制系统结构简单、稳定、通用性好、功效高、能耗低。(7)所制作的柔性变角度阵列衍射光学器件的尺寸不受限、阵列中单元器件可组合重构、灵活性好。(8)与市场上现有的散斑抑制装置相比，制作简单，成本低廉，适合大批量生产。

附图说明

图1是本发明柔性变角度阵列衍射光学器件中衍射器件单元的示意图(光学微结构以m序列为例)。

图2是本发明柔性变角度阵列衍射光学器件的阵列排布示意图。

图3是本发明柔性变角度阵列衍射光学器件实现激光散斑抑制的系统示意图，其中，1是激光器；2是平凸透镜；3是光阑；4是本发明柔性变角度阵列衍射光学器件及其履带式传动装置；5是成像透镜；6是投影屏幕；7是ccd相机及其计算机处理系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种柔性变角度阵列衍射光学器件的热压式制作方法，包括以下步骤：

(一)单个衍射光学器件模具制作

步骤1：制备好n个一维二元衍射光学结构的掩模版备用，所述n个掩模版分别对应本发明柔性变角度阵列衍射光学器件中的n组一维二元衍射光学结构；

步骤2：选择硅片作为基底材料，并进行清洗；

步骤3：在经过步骤2的清洁硅片上涂敷一层光刻胶，进行前烘，然后使用步骤1的掩模版曝光，之后显影、后烘，形成光刻胶图形结构；

步骤4：在经过步骤3的样片上，生长一层厚度为100纳米至250纳米的铜薄膜，作为电铸阴极；

步骤5：将经过步骤4的样片，置入电解液中电铸镍，镍的厚度控制在850纳米至1150纳米之间；

步骤6：清洗经过步骤5的样片，去除残留的电解液，然后使用步骤3中光刻胶配套去胶剂去除光刻胶及其上的金属，制成单个衍射光学器件模具，所述单个衍射光学器件模具可反复多次使用。

(二)柔性变角度阵列衍射光学器件模具制作

步骤7：采用精密机械技术，加工模具固件备用，所述x轴定义为柔性变角度阵列衍射光学器件的长度方向，所述y轴定义为柔性变角度阵列衍射光学器件的宽度方向；

步骤8：根据柔性变角度阵列衍射光学器件的结构设计，选取(一)中制成的单个衍射光学器件模具安装在步骤7的模具固件上进行组合，之后紧固，制成柔性变角度阵列衍射光学器件模具。

(三)在热塑性塑料材料上制作柔性变角度阵列衍射光学器件

步骤9：备好热塑性柔性材料，并清洁；

步骤10：使用(二)制成的柔性变角度阵列衍射光学器件模具，利用商用的热压机进行热压，利用压力和热压时间控制压印深度，所述压印深度由二元衍射光学结构深度h确定；

步骤11：压印结束并冷却后，取下步骤9的热塑性柔性材料并裁剪，沿y轴将第1组和第n组一维二元衍射光学结构粘结起来，形成履带式柔性变角度阵列衍射光学器件。

本发明的热压式制作方法得到的柔性变角度阵列衍射光学器件，由n组一维二元衍射光学结构首尾连接而成。所述一维二元衍射光学结构包括但不限于光栅结构、基于伪随机序列的光学微结构、基于m序列的光学微结构、基于barker码的光学微结构。所述一维是指衍射光学结构为一维图案、所述二元是指因衍射光学结构深度所形成的光程差是二值化的。所述一维二元衍射光学结构图案由参数t表示(参见附图1，基于m序列的光学微结构示意图)，所述参数t为光学微结构的最小单元宽度，所有光学微结构的宽度均用t的整数倍来表示，所述一维二元衍射光学结构图案的总宽度用t0表示。所述一维二元衍射光学结构的深度为h、所述一维二元衍射光学结构与x轴所夹倾角为θ0。

进一步，所述n是正整数，n＝1,2,3…∞，当n＝1时，所述一种用于激光散斑抑制的柔性变角度阵列衍射光学器件，退化为单个衍射光学器件(以下称衍射光学器件单元)；当n≧2时，为阵列衍射光学器件。所述每一个衍射光学器件单元中包括m个周期的结构参数相同的一维二元衍射光学结构图案。所述阵列中的n个衍射光学器件单元，一次性制作在单片柔性材料上，其阵列中的n个衍射光学器件单元内部的一维二元衍射光学结构图案可以相同、也可以不相同。所述n组一维二元衍射光学结构首尾连接，可以但不限于采用胶粘剂粘结、或热压等方法，沿着y轴方向将第1组衍射光学结构的头与第n组衍射光学结构的尾相连。

所述一种用于激光散斑抑制的柔性变角度阵列衍射光学器件，阵列中的n个衍射光学器件单元与x轴所夹倾角不同，表示为θ±i，其中θ±i＝θ0±(n-1)/2·δθ±i·δθ，δθ表示相邻衍射光学器件单元与x轴所夹倾角的变化幅度。

所述用于激光散斑抑制的柔性变角度阵列衍射光学器件，其二元衍射光学结构的深度h与柔性材料的折射率有关，范围在350纳米至650纳米之间。

再进一步，所述柔性材料，是指对包括红、绿、蓝光在内的可见光波段透明的、柔软可弯折的热塑性塑料。包括但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚氯乙烯(pvc)、聚碳酸酯(pc)材料。

所述柔性变角度阵列衍射光学器件抑制激光散斑的原理如下：

1)散斑对比度sc计算公式：

其中σ是光强分布的标准差，是平均光强分布。大部分散斑抑制方法出发点都是使光强分布平均。

2)本发明一种用于激光散斑抑制的柔性变角度阵列衍射光学器件，所述柔性变角度阵列衍射光学器件由n组一维二元衍射光学结构首尾连接，形成履带式结构。所述n组一维二元衍射光学结构包括但不限于光栅结构、基于伪随机序列的光学微结构、基于m序列的光学微结构、基于barker码的光学微结构。当本发明柔性变角度阵列衍射光学器件进行履带式运动时，n组一维二元衍射光学结构相互叠加并动态变化，实现了激光衍射光场叠加、破坏了激光的相干特性，因此达到抑制激光散斑的效果。同时，所述n组一维二元衍射光学结构的相互叠加，实现了双面一维光学微结构编码的技术效果，因此可以进行全波段的激光散斑抑制。

影响激光散斑抑制效果的基本因素有两个：运动过程中的运动方向和运动速度。用x轴方向和y轴方向的线性位移来确定运动方向和运动速度对散斑抑制效果的影响，理论计算公式如下：

其中，d是人眼分辨率单元在屏幕上的投影宽度，x1,x2,y1,y2是激光束通过两块沿不同轴运动的二元衍射光学结构投影到屏幕上的坐标，h(x1,x2,y1,y2)和h(x1,x1,y1,y1)是由m序列二元光学衍射元件调制的屏幕平面处的激光束的自相关函数：

其中，δt是人眼的曝光时间；v1是二元光学衍射元件图像在屏幕上沿y轴方向的运动速度，v2是沿x轴方向的运动速度；t0是二元光学衍射元件一个周期内的最小单位长度；m是非零整数；t(x,y,v,t)是二元光学衍射元件的透射系数函数。

实施例1：

一种用于激光散斑抑制的柔性变角度阵列衍射光学器件，制作在聚碳酸酯(pc)热塑性材料上，由3组一维二元衍射光学结构首尾连接而成。所述一维二元衍射光学结构为基于m序列的光学微结构(参见附图1和附图2)，其一维二元衍射光学结构图案由参数t表示，所述参数t为光学微结构的最小单元宽度，所有光学微结构的宽度均用t的整数倍来表示，所述一维二元衍射光学结构图案的总宽度用t0表示。所述一维二元衍射光学结构的深度为h、所述一维二元衍射光学结构与x轴所夹倾角为θ0。

所述t参数为4微米，一维二元衍射光学结构深度h为420纳米，m序列编码为31位编码，即1111100110100100001010111011000。所述3组一维二元衍射光学结构与x轴所夹倾角分别为44.4°、45°、45.6°，采用胶粘剂粘结的方法，沿着y轴方向将第1组衍射光学结构的头与第3组衍射光学结构的尾相连。

制作聚碳酸酯(pc)热塑性材料的柔性变角度阵列衍射光学器件，具体步骤如下：

(一)单个衍射光学器件模具制作

步骤1：制备好包含所述3组31位m序列衍射光学结构的掩模版备用，所述3个掩模版分别对应与x轴所夹倾角分别为44.4°、45°、45.6°的3组31位m序列一维二元衍射光学结构；

步骤2：选择硅片作为基底材料，并进行清洗；

步骤3：在经过步骤2的清洁硅片上涂敷一层bp212正性光刻胶，进行前烘，然后使用步骤1的掩模版曝光，之后显影、后烘，形成光刻胶图形结构；

步骤4：在经过步骤3的样片上，生长一层厚度为150纳米的铜薄膜，作为电铸阴极；

步骤5：将经过步骤4的样片，置入电解液中电铸镍，镍的厚度控制在1000纳米；

步骤6：清洗经过步骤5的样片，去除残留的电解液，然后使用bp212光刻胶配套去胶剂去除光刻胶及其上的金属，制成单个衍射光学器件模具。

(二)柔性变角度阵列衍射光学器件模具制作

步骤7：采用精密机械技术，加工模具固件备用，所述x轴定义为柔性变角度阵列衍射光学器件的长度方向，所述y轴定义为柔性变角度阵列衍射光学器件的宽度方向；

步骤8：根据柔性变角度阵列衍射光学器件的结构设计，选取(一)中制成的单个衍射光学器件模具安装在步骤7的模具固件上进行组合，之后紧固，制成柔性变角度阵列衍射光学器件模具。

(三)在热塑性塑料材料上制作柔性变角度阵列衍射光学器件

步骤9：备好聚碳酸酯(pc)薄膜并清洁；

步骤10：使用(二)制成的柔性变角度阵列衍射光学器件模具，利用热压机进行热压，压印深度控制在420纳米左右；

步骤11：压印结束并冷却后，取下步骤9的热塑性柔性材料并裁剪，沿y轴将第1组和第3组一维二元衍射光学结构粘结起来，形成履带式柔性变角度阵列衍射光学器件。

参见附图3，将所述制成的履带式柔性变角度阵列衍射光学器件置于激光散斑抑制系统中。所述激光散斑抑制系统，包括激光器、调制透镜组件、本发明一种柔性变角度阵列衍射光学器件、成像透镜、投影屏幕、ccd相机及其计算机处理系统。所述调制透镜组件包括一个平凸透镜和一个光阑。所述激光器、调制透镜组件、本发明一种柔性变角度阵列衍射光学器件和成像透镜位于同一光轴上，激光器射出的激光光束通过所述调制透镜组件进行扩束、整形和校准，正入射到本发明一种柔性变角度阵列衍射光学器件上，本发明一种柔性变角度阵列衍射光学器件安装在由步进电机驱动的履带式传送装置上进行履带式运动。所述投影屏幕记录激光投影成像并直接进行目视观察。所述ccd相机记录投影屏幕上的激光投影成像并输入计算机进行后续数据处理。

由于采用履带式运动，当激光照射到其中一块衍射光学器件区域上时，光束透过该区域也同时照射到柔性变角度阵列衍射光学器件的另一块微光学结构倾角不同的区域上，由此形成双面一维的衍射光学叠加结构。由于在激光照射部分前后两块器件区域向着相反方向匀速运动，且不同器件区域微光学结构倾斜角度不同，以此来达到产生相当于y轴方向的位移。至于安装着本发明柔性变角度阵列衍射光学器件的履带式运动装置的运动速度，则由电学控制模块控制。

光源发出的激光束通过所述平凸透镜2进行准直和扩束，再经过光阑改变其光圈大小，将激光束正入射到本发明柔性变角度阵列衍射光学器件上。所述的柔性变角度阵列衍射光学器件固定在履带式传动装置上，当激光束照射到其表面时，启动电学控制模块控制该柔性变角度阵列衍射光学器件进行匀速履带式传送运动。所述运动的柔性变角度阵列衍射光学器件在人眼或ccd相机的曝光时间内改变了衍射级数的相位，进而破坏了激光束的空间相干性，达到了散斑抑制的效果。

实施例2：

所述柔性变角度阵列衍射光学器件材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)塑料薄膜，一维二元衍射光学结构深度h为380纳米，其他实施参数和过程与实施例1相同。