1.本发明涉及机械加工技术领域，更为具体地，涉及一种图案化闪耀光栅的加工方法及系统。
背景技术：2.闪耀光栅是一种特殊形式的衍射光栅，其界面轮廓是不对称的锯齿状。闪耀光栅可实现给定衍射级的最大衍射效率，而其他级(特别是零级)的剩余功率最小化。该功能只针对一个波长的衍射，实现闪耀角方向的最大衍射功率，闪耀光栅的效率主要取决于闪耀角和表面质量，而与非工作面无关。
3.目前，闪耀光栅的制造方法主要有机械刻划、全息离子束加工、电子束光刻和湿法刻蚀。其中，机械刻划是刀具直接在工件表面刻划加工，是加工闪耀光栅最直接的方法，但是容易产生鬼线。机械刻划的闪耀光栅加工关键在于控制凹槽的形状和质量，这取决于装备精度、刀具角度、薄膜特性、环境温度、湿度等加工因素，基本用于制造平面大面积的闪耀光栅，难以实现凹面、自由曲面的闪耀光栅加工。此外，且当栅距接近光波尺寸时，机械刻划加工效率低，难以应用于图案化亚波长的闪耀光栅阵列加工。
4.全息离子束加工结合了全息光刻和离子束刻蚀两种加工工艺，用全息光刻加工出光栅掩模，用离子束刻蚀掩模由全息光刻加工的光栅掩模，在衬底形成凹槽，通过调整工艺参数可以实现不同角度的闪耀光栅。但是受于技术限制，闪耀光栅受掩模直接影响，光栅截面轮廓的精度受离子束速率比、掩模深宽比限制，很难以像素为单位进行参数调控，影响加工精度。
5.电子束光刻是不使用掩模的，直接利用电子束在衬底上产生高分辨图形。但刻蚀过程会导致侧壁略微倾斜，降低了闪耀光栅的光学功能，还不能很好的加工大面积光栅。并且，全息离子束加工和电子束光刻都是高能束处理的加工方法，加工成本高，处理效率较低，且高能束会对加工的闪耀表面造成损伤，这大大限制了其应用。
6.湿法刻蚀可以加工粗糙度值超低、闪耀角小的闪耀表面。但是伴随着蚀刻不稳定性和表面污染，导致光栅质量恶化；由于横向蚀刻，在蚀刻轮廓的顶部形成边缘，降低了制造的光栅的质量。此外，湿法刻蚀虽然可以通过与其他方法结合来制备大面积闪耀光栅，但复杂性和成本增加。
技术实现要素：7.鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种图案化闪耀光栅的加工方法及系统，以解决现有光栅加工方法存在的成本高、精度低，适用范围受限问题。
8.本发明提供的图案化闪耀光栅的加工方法，包括：基于待加工光栅图案中各像素的色调信息，确定与各像素相对应的光波波长；基于光波波长确定待加工光栅图案中闪耀光栅的间距以及外部驱动装置的输入信号；基于输入信号及光波波长，通过驱动装置控制刀具按照预设轨迹进行切削运动；通过按照预设轨迹运动的刀具，在预设基底上加工形成
与待加工图案相对应的图案化的闪耀光栅。
9.此外，可选的技术方案是，确定与各像素相对应的光波波长的表示式为：
[0010][0011]
其中，hue表示像素的色调值，λ表示光波波长。
[0012]
此外，可选的技术方案是，闪耀光栅的间距表示为：
[0013][0014]
其中，m表示衍射级数，λ表示光波波长，θ表示闪耀光栅的闪耀角，闪耀角基于刀具的夹角确定，α表示入射光线与闪耀光栅的闪耀面法线之间的夹角。
[0015]
此外，可选的技术方案是，确定驱动装置的输入信号的过程包括：基于间距确定刀具的振动频率与名义切削速度之间的关系；基于振动频率和名义切削速度之间的关系，确定输入信号。
[0016]
此外，可选的技术方案是，振动频率与名义切削速度之间的关系表达式为：
[0017][0018]
其中，vc表示名义切削速度，f表示振动频率，d表示间距。
[0019]
此外，可选的技术方案是，预设基底的材料为金属、有机非金属或无机非金属。
[0020]
此外，可选的技术方案是，刀具的切削刃为直线状。
[0021]
此外，可选的技术方案是，刀具的振动轨迹为空间螺旋线状；并且，空间螺旋线的振动周期个数与闪耀光栅的加工个数相等。
[0022]
此外，可选的技术方案是，驱动装置包括信号发生器、与信号发生器连接的功率放大器，以及与功率放大器连接的振动装置；其中，刀具通过压电片固定在振动装置上。
[0023]
根据本发明的另一方面，提供一种图案化闪耀光栅的加工系统，包括：光波波长确定单元，用于基于待加工光栅图案中各像素的色调信息，确定与各像素相对应的光波波长；间距及输入信号确定单元，用于基于光波波长确定待加工光栅图案中闪耀光栅的间距以及外部驱动装置的输入信号；切削单元，用于基于输入信号及光波波长，通过驱动装置控制刀具按照预设轨迹进行切削运动；闪耀光栅形成单元，用于通过按照预设轨迹运动的刀具，在预设基底上加工形成与待加工图案相对应的图案化的闪耀光栅。
[0024]
利用上述图案化闪耀光栅的加工方法及系统，能够通过待加工光栅图案中各像素的色调信息，确定与各像素相对应的光波波长，进而获取闪耀光栅的间距以及外部驱动装置的输入信号，最终通过输入信号及刀具的配合，在预设基底上加工形成与待加工图案相对应的图案化的闪耀光栅，操作便捷，且可实现高质量的闪耀面、图案化的闪耀光栅的制备。
[0025]
为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以
及它们的等同物。
附图说明
[0026]
通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
[0027]
图1为根据本发明实施例的图案化闪耀光栅的加工方法的流程图；
[0028]
图2为根据本发明实施例的闪耀光栅的参数结构示意图；
[0029]
图3为根据本发明实施例的刀具结构示意图；
[0030]
图4示出了根据本发明实施例的刀具和基底的侧视图；
[0031]
图5为根据本发明实施例的刀具的参数结构示意图；
[0032]
图6为根据本发明实施例的刀具轨迹结构示意图；
[0033]
图7为根据本发明实施例的图案化闪耀光栅的形成结构示意图。
[0034]
其中的附图标记包括：振动装置3、压电片4、刀具5、名义切削深度方向6、运动轨迹7、切削方向8、刀具进给方向9、刀具后角10、工件11、名义切削深度12、刀具运动方向13、夹角14、闪耀光栅15、刀具实际运动轨迹16、未加工表面17、像素单元18、像素单元19。
[0035]
在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
[0036]
在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。
[0037]
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”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
[0038]
为详细描述本发明的图案化闪耀光栅的加工方法及系统，以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
[0039]
图1示出了根据本发明实施例的图案化闪耀光栅的加工方法的示意流程；
[0040]
如图1所示，本发明实施例的图案化闪耀光栅的加工方法，主要包括
[0041]
s110：基于待加工光栅图案中各像素的色调信息，确定与各像素相对应的光波波长。
[0042]
其中，由于待加工光栅图案的像素并不一致，因此，可根据具体的像素的色调信息，确定与各像素对应的光波波长，进而可根据对应的光波波长要求，设定与图案区域对应的刀具控制信号，进而完成对应区域的闪耀光栅加工。具体地，确定与各像素相对应的光波波长的表示式可为：
[0043]
[0044]
其中，hue表示像素的色调值，λ表示光波波长。
[0045]
s120：基于光波波长确定待加工光栅图案中闪耀光栅的间距以及外部驱动装置的输入信号。
[0046]
其中，可基于间距确定刀具的振动频率与名义切削速度之间的关系；然后，基于振动频率和名义切削速度之间的关系，确定输入信号。
[0047]
具体地，在确定光波波长之后，可根据闪耀光栅对入射白光的衍射，确定入射光信号角度条件，然后根据间距表达式确定对应的闪耀光栅的间距。具体地，闪耀光栅的间距表示为：
[0048][0049]
其中，m表示衍射级数，λ表示光波波长，θ表示闪耀光栅的闪耀角，闪耀角基于刀具的夹角确定，α表示入射光线与闪耀光栅的闪耀面法线之间的夹角，闪耀角由刀具的夹角决定，当确定了白光的入射角度，即α后，可制定衍射级数m，然后闪耀光栅的间距d随着衍射光波波长λ进行变化。
[0050]
可知，根据待加工光栅图案中每个像素的色调信息，通过公式光波波长公式可确定每个像素色调对应的光波波长，即确定间距公式中的λ，其他条件确定后，根据间距公式即可计算每个像素单元的光栅间距。最后，可根据间距，以及刀具的振动频率f(由信号发生器1的输入正弦信号决定)，可匹配对应的名义切削速度vc，进而加工对应衍射波长的闪耀光栅。
[0051]
在本发明的一个具体实施方式中，闪耀光栅的间距d与刀具的振动频率f和名义切削速度之间的关系表达式为：
[0052][0053]
其中，vc表示名义切削速度，f表示振动频率，d表示间距。
[0054]
s130：基于输入信号及光波波长，通过驱动装置控制刀具按照预设轨迹进行切削运动。
[0055]
s140：通过按照预设轨迹运动的刀具，在预设基底上加工形成与待加工图案相对应的图案化的闪耀光栅。
[0056]
可知，在确定了振动频率和名义切削速度后，可确定对应的驱动装置的输入信号，进而可根据该输入信号配合预设的轨迹，在预设基底上加工形成与待加工图案相对应的图案化的闪耀光栅。
[0057]
作为具体示例，以下将结合附图对图案化闪耀光栅的加工过程进行详细阐述，其中，图2至图7分别示出了根据本发明实施例的闪耀光栅的参数、刀具及基底的结构参数、运行轨迹，以及最终形成的闪耀光栅的示意结构。
[0058]
如图2至图7共同所示，本发明实施例的图案化闪耀光栅的加工装置主要包括：驱动装置以及设置在驱动装置上的刀具5，其中，驱动装置包括信号发生器、与信号发生器连接的两个功率放大器，以及与两个功率放大器连接的振动装置3；其中，刀具5通过压电片4固定在振动装置3上。
[0059]
其中，待进行加工图案化的闪耀光栅，即基底或工件11可选用的材料为金属、有机非金属或无机非金属，例如树脂等，刀具5可采用单晶金刚石，刀具5的切削刃可设置为直线状。
[0060]
在加工过程中，可采用椭圆振动刻划方法，通过信号发生器发出两个正弦电源信号，然后经功率放大器进行放大后，连接到非谐振椭圆振动装置(即振动装置3)上，非谐振椭圆振动装置的陶瓷压电片，即压电片4在交变电场的作用下，通过逆压电效应引发机械变形，最终通过前端的刀具5产生椭圆运动轨迹7。可知，通过调节信号发生器发出的正弦信号的频率、电压幅值和相位等参数，可控制具体的刀具5的运行轨迹，该运行轨迹可根据需要形成的图案化闪耀光栅的要求进行灵活调整。
[0061]
在本发明的一个具体实施方式中，刀具5采用单晶金刚石刀具，参数包括名义切削深度方向6、切削方向8、刀具进给方向9、刀具后角10、名义切削深度12、刀具运动方向13，其刀具5的夹角14决定加工的闪耀光栅15的闪耀角，在刀具5的单个椭圆振动周期内，可对应的加工一个闪耀光栅15，采用正椭圆轨迹，可保证工件11的表面加工出较大长度的闪耀光栅(工件11的未加工表面17)，在图案化加工时，通过调整横向进给，水平方向同一间距的闪耀光栅重叠，能够增加闪耀光栅的长度，提高光栅的衍射效率和结构色效果。
[0062]
其中，刀具5匹配合适的切削速度，以刀具进给方向9运动，可实现最终的刀具实际运动轨迹16，该轨迹为空间螺旋线状；并且，空间螺旋线的振动周期个数与闪耀光栅15的加工个数相等。
[0063]
可知，利用上述本发明的加工方法，能够在工件11的表面逐像素加工结构色图案，根据图像的不同像素单元，加工出不同间距的闪耀光栅，可衍射出对应图案的该像素的色调。例如，在像素单元18加工出同一光栅间距的闪耀光栅，而在另一像素单元19加工出不同光栅间距的闪耀光栅，两个像素块在同一光照条件下，可衍射出不同波长的衍射光，与待加工图像对应的像素色调一致。同理，还能够通过控制名义切削速度来加工相应波长的闪耀光栅，逐像素加工整个图像，进而完成闪耀光栅的结构色图案。
[0064]
与上述图案化闪耀光栅的加工方法相对应，本发明还提供一种图案化闪耀光栅的加工系统。
[0065]
具体地，图案化闪耀光栅的加工系统，包括：光波波长确定单元，用于基于待加工光栅图案中各像素的色调信息，确定与各像素相对应的光波波长；间距及输入信号确定单元，用于基于光波波长确定待加工光栅图案中闪耀光栅的间距以及外部驱动装置的输入信号；切削单元，用于基于输入信号及光波波长，通过驱动装置控制刀具按照预设轨迹进行切削运动；闪耀光栅形成单元，用于通过按照预设轨迹运动的刀具，在预设基底上加工形成与待加工图案相对应的图案化的闪耀光栅。
[0066]
需要说明的是，上述图案化闪耀光栅的加工系统的实施例可参考图案化闪耀光栅的加工方法实施例中的描述，此处不再一一赘述。
[0067]
利用上述根据本发明的图案化闪耀光栅的加工方法及系统，能够通过待加工光栅图案中各像素的色调信息，确定与各像素相对应的光波波长，进而获取闪耀光栅的间距以及外部驱动装置的输入信号，最终通过输入信号及刀具的配合，在预设基底上加工形成与待加工图案相对应的图案化的闪耀光栅，可实现高质量的闪耀面、图案化的闪耀光栅制备。
[0068]
如上参照附图以示例的方式描述根据本发明的图案化闪耀光栅的加工方法及系
统。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的图案化闪耀光栅的加工方法及系统，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。
技术特征：1.一种图案化闪耀光栅的加工方法，其特征在于，包括：基于待加工光栅图案中各像素的色调信息，确定与所述各像素相对应的光波波长；基于所述光波波长确定所述待加工光栅图案中闪耀光栅的间距以及外部驱动装置的输入信号；基于所述输入信号及所述光波波长，通过所述驱动装置控制刀具按照预设轨迹进行切削运动；通过按照预设轨迹运动的刀具，在预设基底上加工形成与所述待加工图案相对应的图案化的闪耀光栅。2.如权利要求1所述的图案化闪耀光栅的加工方法，其特征在于，确定与所述各像素相对应的光波波长的表示式为：其中，hue表示像素的色调值，λ表示光波波长。3.如权利要求1所述的图案化闪耀光栅的加工方法，其特征在于，所述闪耀光栅的间距表示为：其中，m表示衍射级数，λ表示光波波长，θ表示所述闪耀光栅的闪耀角，所述闪耀角基于所述刀具的夹角确定，α表示入射光线与所述闪耀光栅的闪耀面法线之间的夹角。4.如权利要求1所述的图案化闪耀光栅的加工方法，其特征在于，确定所述驱动装置的输入信号的过程包括：基于所述间距确定所述刀具的振动频率与名义切削速度之间的关系；基于所述振动频率和所述名义切削速度之间的关系，确定所述输入信号。5.如权利要求4所述的图案化闪耀光栅的加工方法，其特征在于，所述振动频率与名义切削速度之间的关系表达式为：其中，v
c
表示所述名义切削速度，f表示所述振动频率，d表示所述间距。6.如权利要求1所述的图案化闪耀光栅的加工方法，其特征在于，所述预设基底的材料为金属、有机非金属或无机非金属。7.如权利要求1所述的图案化闪耀光栅的加工方法，其特征在于，所述刀具的切削刃为直线状。8.如权利要求1所述的图案化闪耀光栅的加工方法，其特征在于，所述刀具的振动轨迹为空间螺旋线状；并且，所述空间螺旋线的振动周期个数与所述闪耀光栅的加工个数相等。9.如权利要求1所述的图案化闪耀光栅的加工方法，其特征在于，所述驱动装置包括信号发生器、与所述信号发生器连接的功率放大器，以及与所述功
率放大器连接的振动装置；其中，所述刀具通过压电片固定在所述振动装置上。10.一种图案化闪耀光栅的加工系统，其特征在于，包括：光波波长确定单元，用于基于待加工光栅图案中各像素的色调信息，确定与所述各像素相对应的光波波长；间距及输入信号确定单元，用于基于所述光波波长确定所述待加工光栅图案中闪耀光栅的间距以及外部驱动装置的输入信号；切削单元，用于基于所述输入信号及所述光波波长，通过所述驱动装置控制刀具按照预设轨迹进行切削运动；闪耀光栅形成单元，用于通过按照预设轨迹运动的刀具，在预设基底上加工形成与所述待加工图案相对应的图案化的闪耀光栅。
技术总结本发明提供一种图案化闪耀光栅的加工方法及系统，其中的方法包括：基于待加工光栅图案中各像素的色调信息，确定与各像素相对应的光波波长；基于光波波长确定待加工光栅图案中闪耀光栅的间距以及外部驱动装置的输入信号；基于输入信号及光波波长，通过驱动装置控制刀具按照预设轨迹进行切削运动；通过按照预设轨迹运动的刀具，在预设基底上加工形成与待加工图案相对应的图案化的闪耀光栅。利用上述发明能够实现高质量、图案化的闪耀光栅加工。图案化的闪耀光栅加工。图案化的闪耀光栅加工。
技术研发人员：王健健 冯平法 余金辉 张建富 吴志军 郁鼎文
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2022.03.15
技术公布日：2022/7/5
