CN112859213B - 微纳光学元件及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微纳光学元件，包括：主体，主体的表面形貌具有一个或多个配置成可投射出预设光场的微结构图案单元；施加在微结构图案单元上的预设图案部。本发明还提供一种微纳光学元件的设计方法。根据本发明实施例，为了在防伪方面便于识别和追溯，避免恶意翻版盗刷，在不实质破坏本身微结构设计基础上，在微结构上做防伪印记，例如在DOE和MLA的原始结构上加入了微结构标识。设计的微结构标识本身也属于微结构的一部分，如有恶意翻印时，微结构标识将会一起被翻印，后续识别方面较为容易。另外微结构标识本身尺寸较小，相较于原始微结构尺寸占比较小，不会对光场或者对元件本身的功能产生较大的影响。利用常规显微镜即可识别出标识，易于寻找和识别。

Description

微纳光学元件及其设计方法

技术领域

本发明大致涉及光学技术领域，尤其涉及具有防伪功能的微纳光学元件以及微纳光学元件的设计方法。

背景技术

衍射光学元件(DOE)、微透镜阵列(MLA)等微纳光学元件，与传统光学元件(例如，透镜)相比，具有尺寸小、厚度薄、重量轻等优点，能够替代传统光学元件以利于光学***的小型化和集成化，而且与传统光学元件相比，微纳光学元件能够调制出更为复杂的目标光场，在三维成像、三维视觉、增强现实等新兴技术领域有着广泛的应用前景。与传统光学元件相比，微纳光学元件的设计难度高，表面微纳形貌结构加工难度大，需要利用半导体光刻工艺、激光直写或双光子光刻等方法在半导体晶圆或者玻璃表面制备具有特定微纳形貌结构的模版，因此在研发和模版制作环节成本投入高，但是在模版制备完成后可以利用微纳压印技术进行批量压印，随着压印数量的上升可以不断摊薄前期的研发及模版制作成本，从而实现成本的下降。然而通过微纳压印技术批量生产的微纳光学元件与模版具有相同(或互补)的微纳表面形貌结构，因此不法竞争者容易利用市场上流通的微纳光学元件直接进行翻印，从而严重侵犯原厂的利益。由于微纳光学元件的表面微纳形貌结构大小都是纳米级或者微米级的微结构，整体形貌的形态难以进行区分，这就使得在追究侵权翻印方面的取证带来很大的困难。

背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种微纳光学元件，包括：

主体，所述主体的表面形貌具有一个或多个配置成可投射出预设光场的微结构图案单元；和

施加在所述微结构图案单元上的预设图案部。

根据本发明的一个方面，所述微纳光学元件包括微透镜阵列。

根据本发明的一个方面，所述微纳光学元件包括衍射光学元件。

根据本发明的一个方面，所述预设图案部具有均匀的高度或深度。

根据本发明的一个方面，所述预设图案部对应于文字、字母或图形标识。

根据本发明的一个方面，所述衍射光学元件的所述微结构图案单元包括对应于不同相位而高度不同的台阶，所述预设图案部的高度被选取为对应于其中一个台阶的高度。

根据本发明的一个方面，所选取的台阶高度使得所述衍射光学元件在一个所述微结构图案单元周期内，0相位台阶与π相位台阶的数目比例在0.9:1至1.1:1之间，其中优选为0相位台阶与π相位台阶的数目比例在0.95:1至1.05:1之间。

根据本发明的一个方面，所述预设图案部在所述微结构图案单元中所占的面积比例小于2％，其中优选为所述预设图案部在所述微结构图案单元中所占的面积比例小于0.2％。

本发明还提供一种微纳光学元件的设计方法，包括：

S101：根据预设光场，计算获得所述微纳光学元件的表面形貌，所述表面形貌具有一个或多个配置成可投射出预设光场的微结构图案单元；

S102：在所述微纳光学元件的所述微结构图案单元上上施加预设图案部；和

S103：对施加了所述预设图案部的微纳光学元件进行仿真，并根据仿真结果调整所述预设图案部。

根据本发明的一个方面，所述微纳光学元件包括微透镜阵列或衍射光学元件。

根据本发明的一个方面，所述预设图案部具有均匀的高度或深度。

根据本发明的一个方面，所述预设图案部对应于文字、字母或图形标识。

根据本发明的一个方面，所述微纳光学元件包括衍射光学元件，所述衍射光学元件的所述微结构图案单元包括对应于不同相位而高度不同的台阶，所述预设图案部的高度被选取为对应于其中一个台阶的高度。

根据本发明的一个方面，所选取的台阶高度使得所述衍射光学元件在一个所述微结构图案单元周期内，0相位台阶与π相位台阶的数目比例在0.9:1至1.1:1之间，其中优选为0相位台阶与π相位台阶的数目比例在0.95:1至1.05:1之间。

根据本发明的一个方面，所述步骤S102包括：使得所述预设图案部在所述微结构图案单元所占的面积比例小于2％，其中优选为所述预设图案部在所述微结构图案单元中所占的面积比例小于0.2％。

根据本发明的一个方面，所述步骤S103包括通过以下方式调整所述预设图案部：当所述仿真获得的光场与所述预设光场不匹配时，调整所述预设图案部的尺寸和/或所述预设图案部在所述微纳光学元件所述微结构图案单元上的位置，直至使得仿真获得的光场与所述预设光场相匹配。

根据本发明实施例，为了在防伪方面便于识别和追溯，避免恶意翻版盗刷，在不破坏本身微结构设计基础上，在微结构上做防伪印记，例如在DOE和MLA的原始结构上加入了‘UPhoton’这样的微结构标识。通过这样的方式，设计的微结构标识本身也属于微结构的一部分，如果有恶意翻印时，微结构标识将会一起被翻印，这样对于后续识别方面较为容易。另外微结构标识本身尺寸较小，相较于原始微结构尺寸占比较小，占比不会对光场，亦或者对元件本身的功能不会产生较大的影响。易于寻找和识别。利用常规显微镜即可识别出。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的衍射光学元件的示意图；

图2示出了衍射光学元件的局部相位分布图；

图3示出了在衍射光学元件的微结构图案单元上施加了字母“UPhoton”；

图4A-4C示出了施加不同比例的预设图案部时对于光场影响的仿真结果；

图5示出了根据本发明一个实施例的微透镜阵列的目标灰度图；

图6示出了图5的目标灰度图的局部放大图；和

图7示出了根据本发明一个实施例的微纳光学元件的设计方法。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本发明的实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

对于微纳光学结构，可以通过微纳压印技术直接利用市场上流通的微纳光学元件直接进行翻印，由于微纳光学元件的表面微纳形貌结构大小都是纳米级或者微米级的微结构，整体形貌的形态难以进行区分，因此翻印的微纳光学元件与通过模版制作的微纳光学元件基本没有区别很难进行区分。本发明提出一种对微纳光学元件进行防伪的技术方案，在微纳光学结构的微结构图案单元上施加预设图案部。如果第三方未经授权对该微纳光学结构进行了翻印，则会将预设图案部一起翻印，从而便于发现，能够避免恶意翻印。下面参考附图详细描述本发明的各个实施例。

图1示出了根据本发明一个实施例的衍射光学元件10的示意图。如图1所示，衍射光学元件10包括主体101，在主体101的表面上形成有微纳结构(也可称为“台阶”)，多个微纳结构可以构成微结构图案单元。微结构图案单元具有周期，该主体101的表面上可具有一个或多个周期的微结构图案单元。微纳结构的高度对应于不同的相位延迟量，从而当入射光线入射到衍射光学元件10上时，不同高度的微纳结构将能够对入射光产生一定的相位延迟量，对入射光进行调制，从而整体投射出预设的光场，预设光场包括但不限于均匀光场、线条、字符、特定图案等。

衍射光学元件10的微纳结构的分布和高度可以在设计阶段根据光源参数、目标光场、以及尺寸参数等进行设计。图2示出了通常的衍射光学元件的局部相位分布图。

根据本发明，在现有的衍射光学元件的基础上，在微结构图案单元上施加了预设的图案部。如图3所示，在衍射光学元件10的微结构图案单元上施加了字母“UPhoton”。另外的或者可替换的，所述预设图案部也可以包括文字或者图形标识，只要能够辨认即可。

如图3所示，在所述预设图案部的周围，所述衍射光学元件10的微纳结构具有不同的高度(或相位分布)，而所述预设图案部则具有均匀的高度(与所述衍射光学元件10的主体101的表面的距离而言)或者深度(与最高的微纳结构的表面的距离而言)。所述预设图案部也可以具有变化的高度，只要能够与预设图案部周围的微纳结构区分开即可，例如在字母“UPhoton”中，不同的字母可以具有不同的高度(或深度)。

对于衍射光学元件，理论上最优的是采用连续变化的表面形貌，但连续的表面形貌在实际中很难制造，因此通常采用台阶的方式来模拟连续的表面形貌，不同高度的台阶对应不同的相位。如图1所述，衍射光学元件10的微结构图案单元包括对应于不同相位而高度不同的微纳结构(即台阶)。对于衍射光学元件，可以采用2台阶、4台阶、8台阶或16台阶的设计(即衍射光学元件的表面上包括2种高度的台阶、4种高度的台阶、8种高度的台阶或者16种高度的台阶)，通常台阶数目越多，衍射效率越高。对于一般的图案，采用2台阶的衍射光学元件就能够实现。

预设图案部的微结构图案可以设置成具有相同相位台阶高度的连续形貌，也就是将预设图案部的区域内的原有设计的不同相位台阶高度修改成同一相位台阶高度。在施加所述预设图案部时，所述预设图案部的高度优选地可以选取为对应于其中一个台阶的高度。以2台阶设计实现的衍射光学元件为例，其例如包括0相位台阶与π相位台阶，那么预设图案部的高度可以选取为对应于0相位台阶的高度，或者对应于π相位台阶的高度。本领域技术人员容易理解，本发明不限于此，预设图案部的高度也可以选取为与已有台阶的高度均不相同，这些都在本发明的保护范围内。

根据本发明的一个优选实施例，在施加所述预设图案部时，通过控制所述预设图案部在所述微结构图案单元中所占的面积比例，来使得通过所述衍射光学元件投射出的光场与预设光场之间没有明显差异。本发明的申请人发现，当所述预设图案部在所述微结构图案单元中所占的面积比例小于2％时，优选地小于0.2％时，预设图案部的施加不会对投射出的光场产生明显影响。

图4A-4C示出了施加不同比例的预设图案部时对于光场影响的仿真结果。其中图4A是原始设计的光场仿真图，例如通过图2的衍射光学元件仿真获得的光场。图4B示出了加入面积占比为0.18％的预设图案部后的光场仿真图，将图4B与图4A比较可以发现，二者之间没有明显差异。图4C示出了加入面积占比为2％的预设图案部的光场仿真图。图4C的光场仿真图相对于图4A发生了一定的变化，例如在两段线之间产生了亮度更低的线条，零级亮度变强，并且噪声增大。但在一些应用场景下，图4C的光场变化仍然是可以接受的。因此根据本实施例，根据目标光场仿真确认，在原始相位图上加入预设图案部微结构，相较于原始光场，因为预设图案部的微结构尺寸较小，并没有对最终光场产生较大的影响，仍然是可接受的。

另外，还可以通过调整该预设图案部在微结构图案单元上的位置来减小预设图案部对最终光场的影响。优选的，预设图案部设置在所述微结构图案的非中心的位置，例如设置在边缘或者拐角处。因此，虽然预设图案部会在一定程度上影响原来的光场，但由于其位于边缘或拐角区域，或者尺寸比例比较小，最终产生的光场没有显著变化。

另外，本发明的发明人通过实践经验积累发现在衍射光学元件的一个微结构图案单元的周期范围内，如果将0和π两个相位台阶高度的像素数目的比例控制在1:1左右，有例于抑制零级能量。因此根据本发明的一个优选实施例，在施加所述预设图案部时，所选取的台阶的尺寸、位置和/或高度尽量使得所述衍射光学元件在一个所述微结构图案单元周期内，0相位台阶与π相位台阶的数目比例在0.9:1至1.1:1之间，其中优选为0相位台阶与π相位台阶的数目比例在0.95:1至1.05:1之间。

上面以衍射光学元件10为例描述了根据本发明一个实施例的微纳光学元件。根据本发明的另一个实施例，所述微纳光学元件还可以包括微透镜阵列。下面参考附图描述。

图5示出了根据本发明一个实施例的微透镜阵列的目标灰度图，图6示出了图5的目标灰度图的局部放大图。

图5的目标灰度图，是在设计时将本身具有三维形貌的透镜文件根据其透镜面型方程转化为具有深度信息的灰度图，不同灰度对应于不同的深度，可利用图5的目标灰度图来加工微透镜阵列。图5的目标灰度图包括上半部和下半部，两个半部的灰度线条的方向相互垂直，对应于两组延伸方向相互垂直的柱状微透镜阵列，可用于投射出十字线目标光场。例如上半部对应的微透镜阵列可投射出竖直线条，下半部对应的微透镜阵列可投射出水平线条。

如图6所示，在目标灰度图的微纳结构区域加上了相应的预设图案部，例如防伪标识‘UPhoton’。根据图5和图6的目标灰度图加工微透镜阵列，获得的微透镜阵列上将同样具有该预设图案部，即防伪标识‘UPhoton’。

除非另外指出，上面参考图1-4C的实施例描述的技术特征和方案同样可以适用于图5和图6的实施例，此处不再赘述。

根据目标光场仿真确认后，相较于原始光场，因为防伪标识微结构尺寸较小，并没有对最终光场产生较大的影响。

上面描述了根据本发明实施例的衍射光学元件和微透镜阵列，其中为了在防伪方面便于识别和追溯，避免恶意翻版盗刷，在不实质破坏本身微结构设计基础上，在微结构上做防伪印记，例如在DOE和MLA的原始结构上加入了‘UPhoton’这样的微结构标识。通过这样的方式，设计的微结构标识本身也属于微结构的一部分，如果有恶意翻印时，微结构标识将会一起被翻印，这样对于后续识别方面较为容易。另外微结构标识本身尺寸较小，相较于原始微结构尺寸占比较小，占比不会对光场或者对元件本身的功能产生较大的影响，利用常规显微镜即可识别，因此易于寻找和识别。

本发明还涉及一种微纳光学元件的设计方法100，如图7所示。下面参考图7详细描述。

在步骤S101：根据预设光场，计算获得所述微纳光学元件的表面形貌，所述表面形貌具有一个或多个配置成可投射出预设光场的微结构图案单元。

所述微纳光学元件例如可以是微透镜阵列或衍射光学元件。所述预设光场包括但不限于均匀光场、直线、虚线、十字线、特定图案LOGO或文字等。

在步骤S102：在所述微纳光学元件的所述微结构图案单元上施加预设图案部。如图3或图6所示，在步骤S101设计得到的微结构图案单元上施加预设的图案部，例如可以是文字、字母或图形标识等。

在步骤S103：对施加了所述预设图案部的微纳光学元件进行仿真，并根据仿真结果调整所述预设图案部。

例如可以通过下面的方式来调整预设图案部。当所述仿真获得的光场与所述预设光场不匹配时，调整所述预设图案部的尺寸和/或所述预设图案部在所述微纳光学元件所述微结构图案单元上的位置，直至使得仿真获得的光场与所述预设光场相匹配。如果仿真得到的光场与所述预设光场之间没有明显差异，或者这种差异对于当前的应用场景是可以接受的，那么表明该预设图案部的施加是成功的或者是可接受的，可以根据该微结构图案单元进行微纳光学元件的制造。如果仿真得到的光场与所述预设光场之间存在明显差异，或者这种差异对于当前的应用场景是不可接受的，那么表明该预设图案部需要调整，例如可以减小预设图案部的尺寸，和/或使得预设图案部更加靠近微结构图案单元的边缘或者拐角，再次进行仿真，直至获得能够接收的仿真光场。然后生成具有预设图案部微结构的加工图，进行微纳光学元件的制造。

根据本发明的一个优选实施例，所述预设图案部具有均匀的高度或深度。

根据本发明的一个优选实施例，所述微纳光学元件包括衍射光学元件，所述衍射光学元件的所述微结构图案单元包括对应于不同相位而高度不同的台阶，所述预设图案部的高度被选取为对应于其中一个台阶的高度。

根据本发明的一个优选实施例，所选取的台阶高度使得所述衍射光学元件在一个所述微结构图案单元周期内，0相位台阶与π相位台阶的数目比例在0.9:1至1.1:1之间，其中优选为0相位台阶与π相位台阶的数目比例在0.95:1至1.05:1之间。

根据本发明的一个优选实施例，所述步骤S102包括：使得所述预设图案部在所述微结构图案单元所占的面积比例小于2％，其中优选为所述预设图案部在所述微结构图案单元中所占的面积比例小于0.2％。

本发明的上述实施例提供了一种对微纳光学元件进行防伪的技术方案，能有效的避免恶意翻印，盗版造成的侵权问题，便于举证维权。这种防伪方式是在设计的加工图(GDS)上增加防伪的微纳结构，使得整个防伪标识是微纳结构本身的一部分，无法去除和消除。本发明的技术方案对所有的微结构设计，包括DOE，MLA这种特征尺寸较小的微纳光学元件都可以使用。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种微纳光学元件，包括：

主体，所述主体的表面形貌具有一个或多个配置成可投射出预设光场的微结构图案单元；和

施加在所述微结构图案单元上的预设图案部；

所述微纳光学元件包括衍射光学元件；

其中所述衍射光学元件的所述微结构图案单元包括对应于不同相位而高度不同的台阶，所述预设图案部的高度被选取为对应于其中一个台阶的高度，且在所述预设图案部的周围，所述衍射光学元件的微纳结构具有不同的高度或相位分布；所述预设图案部在所述微结构图案单元中所占的面积比例小于2％，且所述预设图案部设置在所述微结构图案的非中心的位置，所述预设图案部用作识别翻印的衍射光学元件的防伪标记。

2.如权利要求1所述的微纳光学元件，其中所述预设图案部具有均匀的高度或深度。

3.如权利要求1所述的微纳光学元件，其中所述预设图案部对应于文字、字母或图形标识。

4.如权利要求1所述的微纳光学元件，其中所选取的台阶高度使得所述衍射光学元件在一个所述微结构图案单元周期内，0相位台阶与π相位台阶的数目比例在0.9:1至1.1:1之间。

5.根据权利要求4所述的微纳光学元件，其中0相位台阶与π相位台阶的数目比例在0.95:1至1.05:1之间。

6.根据权利要求1所述的微纳光学元件，其中所述预设图案部在所述微结构图案单元中所占的面积比例小于0.2％。

7.一种微纳光学元件的设计方法，其中所述微纳光学元件包括衍射光学元件，所述设计方法包括：

S101：根据预设光场，计算获得所述微纳光学元件的表面形貌，所述表面形貌具有一个或多个配置成可投射出预设光场的微结构图案单元；

S102：在所述微纳光学元件的所述微结构图案单元上施加预设图案部，所述预设图案部用作识别翻印的衍射光学元件的防伪标记，所述预设图案部在所述微结构图案单元所占的面积比例小于2％，且所述预设图案部设置在所述微结构图案的非中心的位置；和

S103：对施加了所述预设图案部的微纳光学元件进行仿真，并根据仿真结果调整所述预设图案部；

其中所述衍射光学元件的所述微结构图案单元包括对应于不同相位而高度不同的台阶，所述预设图案部的高度被选取为对应于其中一个台阶的高度，且在所述预设图案部的周围，所述衍射光学元件的微纳结构具有不同的高度或相位分布。

8.如权利要求7所述的设计方法，其中所述预设图案部具有均匀的高度或深度。

9.如权利要求7所述的设计方法，其中所述预设图案部对应于文字、字母或图形标识。

10.如权利要求7所述的设计方法，其中所选取的台阶高度使得所述衍射光学元件在一个所述微结构图案单元周期内，0相位台阶与π相位台阶的数目比例在0.9:1至1.1:1之间。

11.根据权利要求10所述的设计方法，其中0相位台阶与π相位台阶的数目比例在0.95:1至1.05:1之间。

12.根据权利要求7所述的设计方法，其中所述预设图案部在所述微结构图案单元中所占的面积比例小于0.2％。

13.如权利要求7所述的设计方法，其中所述步骤S103包括通过以下方式调整所述预设图案部：当所述仿真获得的光场与所述预设光场不匹配时，调整所述预设图案部的尺寸和/或所述预设图案部在所述微纳光学元件所述微结构图案单元上的位置，直至使得仿真获得的光场与所述预设光场相匹配。