CN102540478A

CN102540478A - 利用导模共振光栅阵列的组合实现彩色图像再现的方法

Info

Publication number: CN102540478A
Application number: CN2011103506543A
Authority: CN
Inventors: 徐邦联; 王�琦; 张大伟; 黄元申; 陶春先; 李柏承; 凌进中; 倪争技; 庄松林
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-11-08
Filing date: 2011-11-08
Publication date: 2012-07-04

Abstract

一种利用导模共振光栅阵列的组合实现彩色图像再现的方法，整幅图像由玻璃基底、透明导电膜、氧化铪薄膜和光栅阵列构成，其特征在于：所述的透明导电膜和氧化铪薄膜为两层折射率不同的介质膜层；所述光栅阵列只包含三种仅仅是周期不同的光栅基元，不同周期的光栅可分别从入射自然光中通过调整光栅层的结构参数，分离出“红”、“绿”、“蓝”三基色；首先由图像处理软件读出原图像像素的RGB值，然后依据公式计算所需要再现的彩色图像的红、绿、蓝三基色的分布，进而利用导模共振光栅基元阵列的不同组合实现彩色图像再现。采用本发明制作的载体将取代目前传统的油墨印刷技术，既无污染又节约资源。

Description

利用导模共振光栅阵列的组合实现彩色图像再现的方法

技术领域

本发明涉及一种利用导模共振光栅阵列的组合实现彩色图像再现的方法，可应用于无油墨印刷，显示以及防伪等应用领域。

背景技术

目前彩色图像的复制都是采用油墨印刷的方式，这种方法比较方便、快捷，但同时也会浪费资源并带来很大的污染。导模共振光栅因其极窄的共振峰和极低的旁带而有着高效率的单色滤光特性，目前在防伪及传感领域都有一定的应用价值。通过对光栅结构参数的设计，获得可以从自然光中精确分离出红、绿、蓝三基色的光栅基元，通过这些基元光栅的组合即可还原自然界中的所有色彩，从而制造出“光打印”所需的“光学颜料”。随着微纳器件制造技术的发展，在一块基片上加工不同周期或深度的光栅阵列成为可能，这样便可以通过光栅基元的不同组合而“打印”出色彩斑斓的图像，这种设想的“光打印机”，可让印刷过程完全与油墨脱钩。自然界拥有取之不尽的光资源，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。因此，一旦“光打印”成为现实，将在印刷行业引发一场“绿色革命”。

发明内容

为克服油墨印刷彩色图像带来的污染和资源浪费，本发明根据所述的“光打印机”的构想，公开了一种利用导模共振光栅阵列的组合实现彩色图像再现的方法，仅仅通过调节导模共振光栅结构的周期，可以使它的共振波长分别落在红光、绿光和蓝光的波段内，这三种光栅结构就可以充当三基色的角色，通过它们的组合便可形成所需要的颜色，这样任意一幅彩色图像便可以通过大量的光栅基元阵列再现出来。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种利用导模共振光栅阵列的组合实现彩色图像再现的方法，整幅图像由玻璃基底、透明导电膜、氧化铪薄膜和光栅阵列构成，其特点是：所述的透明导电膜和氧化铪薄膜为两层折射率不同的介质膜层；所述光栅阵列只包含三种周期不同的光栅基元，这些不同周期的光栅是分别从入射自然光中通过调整光栅层的结构参数，分离出的“红”、“绿”、“蓝”三基色。根据所需要再现的彩色图像的颜色分布来计算红、绿、蓝三基色的分布，进而利用能产生相应的红、绿、蓝颜色的导模共振光栅基元阵列的不同组合实现彩色图像再现。

所述根据所需要再现的彩色图像的颜色分布来计算红、绿、蓝三基色的分布的计算方法如下：为确定每个像素中各子像素的具体数目，首先需由图像处理软件(如matlab，photoshop)读出原像素的RGB值，它们都是0～255之间的整数，这些数值的比例决定像素的颜色，且数值越接近255表示颜色的亮度越高，为了不丢失颜色的信息，必须要等比例的放大或缩小这些RGB值，因此可得到下面的公式：

式中n(R，G，B)即为“红”、“绿”、“蓝”子像素的数目，m(R，G，B)表示对应的计算机读出的原像素RGB数值，n_总为每个像素所分割成的子像素的总数目，容易知道n_总越大，三种光栅数目的比例就可以越接近该像素处颜色的RGB分量的初始比值，但最终整幅图像的尺寸就会变得越大，从而制作的时间也会变得越长，因此在实际制作中，必须综合考虑以得到最佳的分割方法，实施例中原图像的每个像素被分为8×8个子像素。

在已经镀好透明导电膜、氧化铪薄膜和光刻胶光栅层的石英玻璃基板上，依据三基色分布计算公式计算的结果，利用激光直写技术在光刻胶面上逐“点”刻蚀相应周期的光栅基元，最终形成所需的彩色图像。

本发明的有益效果在于：本发明利用导模共振光栅阵列的组合实现彩色图像的再现，所有的颜色都是通过光栅结构高效率的滤光作用而产生的，使得整幅图像的再现完全脱离传统印刷中使用的油墨，既节省资源，又完全无污染，采用本发明制作的载体将取代目前传统的油墨印刷技术。另一方面，若采用不同的偏振光记录图像，最终的图像会呈现不同的效果，因此这种技术在防伪领域也有很大的应用前景。

附图说明

图1(a)为本发明彩色图像原图；

图1(b)为本发明制作的彩色图像模拟图；

图2为本发明使用的导模共振光栅结构示意图；

11、图1(a)的局部图像放大图，12、图1(b)的局部图像放大图，21、玻璃基底，22、透明导电膜，23、氧化铪薄膜，24、光刻胶光栅层。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明加以详细说明。

一种利用导模共振光栅阵列的组合实现彩色图像再现的方法，整幅图像由玻璃基底21、透明导电膜22、氧化铪薄膜23和光栅阵列24构成，如图2所示。由于导模共振光栅极好的单色滤光能力，通过设计不同的光栅结构参数获得能从自然光中分离出不同颜色的光栅基元，通过这些光栅基元的特定组合制作出各种各样的彩色图像。图1(a)为本发明彩色图像原图；图1(b)为本发明制作的彩色图像模拟图。11是图1(a)的局部放大图，12是图1(b)的局部放大图；其中，红、绿、蓝色色块分别代表能产生红光、绿光和蓝光的三种不同结构的导模共振光栅，而黑色色块则是为区分不同亮度而引入的，它代表此处没有任何光栅结构。可以看出，虽然基本的光栅结构只有三种，但是通过它们的组合便可呈现出色彩斑斓的图像来。

本实施例如图2所示，玻璃基底21的折射率ns＝1.52；透明导电膜22的折射率n1＝1.85，厚度为d1＝74nm；氧化铪薄膜23的折射率为n2＝2.0，厚度d2＝69nm；光刻胶光栅层24的折射率nH＝1.6，厚度d3＝105nm，由于光栅是置于空气中的，所以nL＝nC＝1.0。在我们设计的结构中，三种颜色的光栅脊宽度与周期的比f均为0.5。

所述光栅阵列只包含三种仅仅是周期不同的光栅基元，不同周期的光栅可分别从入射自然光中通过调整光栅层的结构参数，分离出“红”、“绿”、“蓝”三基色。

利用导模共振光栅基元阵列的不同组合实现彩色图像再现，具体实施步骤如下：

为了进行光栅结构参数的设计，必须要计算光栅在照明光源照射下所呈现的颜色，它取决于国际照明委员会(CIE)制定的光谱三刺激值、照明光源的光谱能量分布以及光栅的衍射效率。其中光谱三刺激值我们选取的是CIE 1964光谱三刺激值；照明光源选择的是CIE标准照明体D65，因为它的光谱能量分布与自然光最接近；我们需要优化的就是光栅的衍射效率曲线，它直接决定导模共振光栅结构最终所呈现的颜色。而如前所述，为了降低实际加工的难度，产生不同颜色的光栅基元的结构参数仅仅是周期上发生变化，在我们的设计中，对应于滤出红光的光栅基元的周期d＝372nm，对应于滤出绿光的光栅基元的周期d＝322nm，对应于滤出蓝光的光栅基元的周期d＝266nm；

光栅的结构参数确定后，彩色图像的再现实际上主要就是在光刻胶层刻蚀不同周期的光栅阵列。首先根据最终图像的大小选取一块合适尺寸的玻璃基底21，然后在玻璃基底21上先后镀上一层60-88nm厚的透明导电膜22和一层65-85nm厚的氧化铪薄膜23，接着在氧化铪薄膜23上涂布90-120nm厚的光刻胶光栅层24。

为确定模拟图像每个像素中各子像素的具体数目，首先需由图像处理软件读出原像素的RGB值，它们都是0～255之间的整数，这些数值的比例决定像素的颜色，且数值越接近255表示颜色的亮度越高，因此若要准确地再现任一种颜色，替换每一原像素的总子像素的数目需要3×255个，这样用于再现各种颜色的红、绿、蓝子像素的数目即为其相应的RGB值。这样做整幅图像的尺寸变得很大，从而制作的时间也会变得很长，因此在实际制作中，可以考虑在不丢失颜色信息的前提下适当等比例的放大或缩小这些RGB值，即：

式中n(R，G，B)即为最终“红”、“绿”、“蓝”子像素的数目(取整)，m(R，G，B)表示对应的计算机读出的原像素RGB数值，n_总为每个像素所分割成的子像素的总数目，容易知道n_总越大，三种光栅数目的比例就可以越接近该像素处颜色的RGB分量的初始比值，实施例中原图像的每个像素被分为8×8个子像素，即n_总＝64。以黄色(R＝240，G＝240，B＝35)为例，

n(G)＝n(R)＝20，

每个像素都经过类似运算，便可得到整幅图像的“红”、“绿”、“蓝”子像素分布，最后在已经镀好透明导电膜、氧化铪薄膜和光刻胶的石英玻璃基板上，依据三基色分布计算公式计算的结果，利用激光直写技术在光刻胶面上逐“点”刻蚀相应周期的光栅基元，最终形成所需的彩色图像，从而将原图像再现出来，如图1(b)所示。

Claims

1.一种利用导模共振光栅阵列的组合实现彩色图像再现的方法，整幅图像由玻璃基底、透明导电膜、氧化铪薄膜和光栅阵列构成，其特征在于：所述的透明导电膜和氧化铪薄膜为两层折射率不同的介质膜层；所述光栅阵列只包含三种仅仅是周期不同的光栅基元，不同周期的光栅可分别从入射自然光中通过调整光栅层的结构参数，分离出“红”、“绿”、“蓝”三基色；根据所需要再现的彩色图像的颜色分布来计算红、绿、蓝三基色的分布，进而利用导模共振光栅基元阵列的不同组合实现彩色图像再现。

2.根据权利1所述的利用导模共振光栅阵列的组合实现彩色图像再现的方法，其特征在于：为确定每个像素中各子像素的具体数目，首先需由图像处理软件读出原图像像素的RGB值，它们都是0～255之间的整数，这些数值的比例决定像素的颜色，为了不丢失颜色的信息，必须等比例放大或缩小这些RGB值，因此可得到下面的红、绿、蓝三基色的分布计算公式：

式中n(R，G，B)即为“红”、“绿”、“蓝”子像素的数目，m(R，G，B)表示对应的计算机读出的原像素RGB数值，n_总为每个像素所分割成的子像素的总数目，n_总越大，三种光栅数目的比例就越接近该像素处颜色的RGB分量的初始比值。

3.根据权利1所述的利用导模共振光栅阵列的组合实现彩色图像再现的方法，其特征在于：在已经镀好透明导电膜、氧化铪薄膜和光刻胶的石英玻璃基板上，依据三基色分布计算公式计算的结果，利用激光直写技术在光刻胶面上逐“点”刻蚀相应周期的光栅基元，最终形成所需的彩色图像。