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科普:纳米全息幻彩是怎样炼成的


随着手机渐变色的流行,微纳米全息幻彩这个词火起来了,那么这纳米全息幻彩到底是什么技术?

 

首先我们要了解什么是全息,从百度到教科书都有大量的全息知识介绍,大多是关于三维全息照相,全息防伪标签,全息镭射……实在没有一个靠谱的说法,那么全息究竟是什么呢。

 

根据维基百科上的定义,全息(holography)是一个技术名词,指通过相干光(激光就是其中一种)干涉原理记录和查看图像,当合适地将其呈现时,便可以精确地再现被记录物体的三维外观。

 

 

苏州印象制作的消色彩3D全息影像)

 

也就是说,当两束相关光汇聚在一起,可以产生明暗相间的干涉条纹,这种条纹密度很高,可以达到微米甚至纳米量级。这种微纳米量级的干涉条纹就是一种光栅结构,这种光栅结构既可以根据设计再现三维立体影像,也可以对白光的进行色散分离,称之为光的衍射。

 

(光栅对自然白光的衍射色散)

 

这就是所谓纳米全息幻彩的来源。

 

对于不同的光栅组合可以有不同的衍射级数,就光栅本身而言,还有光栅表面形貌、深度、占空比等都可以产生不同的衍射效果。

 

(一维正弦光栅在万倍原子力显微镜下的形貌)

 

白光照射不同光栅结构,会产生不同的衍射视场,这就需要设计师从美学艺术角度去设计把控,有效管理这些衍射出来的彩虹光,使之能够达到所需要的工艺效果。如果你想要达到只需要某种波长颜色,不要出现彩虹色,那就需要更复杂的结构设计,就目前比较前沿的科技研究表明,难度非常大,至少还不适合量产,一旦解决,那PVD真空镀膜就彻底完完了。

 

目前纳米光栅设计制作主要有面阵干涉、点阵干涉,成像投影光刻以及单光束直写等方法。

 

面阵干涉曝光是比较传统的全息光栅制作工艺,其特点是效率高,速度快,无象素分辨率概念,光栅连续没有象素间隔,光栅条纹频率调整灵活,但是缺点也很明显,如图形化控制不方便,对环境震动影响比较大,曝光区域需要超精密防震隔离设计等,对操作人员的经验积累要求非常高,堪比外科手术大夫的手术台。

 

(苏州印象的面阵全息曝光系统)

 

与之对应的是点阵光刻系统,其点阵就好比是显示屏上的象素点,象素点现状可以是圆形,矩形,六边形等任意几何图案。每一个象素点可以设置不同的空间频率(密度)、角度方向,这样做最大的好处就是可以灵活的进行数字化、图像化控制处理,可以调节光栅的占空比,来调节衍射光和反射光的比能量,,还可以实现彩虹色的浓淡渐变,衍射角度渐变(小米9的做法)。

 

目前业界较多从荷兰、德国、哥伦比亚等地采购了多种风格的光刻设备来制作,大多是半导体光刻设备照搬或沿革而来,他们的光刻进度、性能和纹理的表现力各有千秋,但是都存在图案设计的瓶颈,就是从设计美学到光刻工程图纸的编译。

 

(苏州印象自主研发的微纳全息幻彩光刻机)

 

(苏州印象研发的纳米全息幻彩纹理

 

既然幻彩来自光栅衍射,那么制作光栅的手段就有很多了,也不一定需要全息的工艺,比如,激光直写,投影曝光,掩膜光刻等等;甚至不一定用激光,比如电子束(e-beam)、离子束(ion beam)、金刚石CNC加工,都可以制作出不同分辨率的光栅。这些光栅都可以产生不同的衍射效果。

 

所以,所谓“纳米全息幻彩”实际上就是一种高密度光栅产生的微纳结构色彩。其实这项技术早就被大量应用在防伪标签、烟草包装,证卡安全领域,只不过是一次跨领域的展现。其创新点在于针对消费电子产品的全新设计,对时尚流行色彩的领悟和把握。

 

从技术层面上讲,复杂的光栅设计可以表达更符合现代审美要求的变化色彩、动感图文和三维立体,这可能是未来的发展方向。

 

(苏州印象研发的3D真彩色人物肖像面部微纳光栅结构设计)

 

文章为苏州印象原创,转载请注明出处!

 

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