專利名稱：三維點陣全息圖的制作方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三維點陣全息圖的制作方法及裝置。
點陣全息(Dot Matrix Hologram)又稱數(shù)碼全息(Digital Hologram)是當(dāng)今全息印刷及包裝的主要制版技術(shù)，它將兩束光會聚成一點，形成干涉條紋，然后用電腦控制兩束光入射角的夾角和空間角變化逐點記錄全息圖。這樣，當(dāng)白光照射全息圖時，對應(yīng)于每個點由于其干涉條紋的間距及方向不同，人眼觀察時就可以看到色彩斑瀾，動感強(qiáng)烈的全息平面圖像，其動態(tài)形式可由電腦預(yù)先安排。現(xiàn)有的點陣全息技術(shù)不能實現(xiàn)三維顯示，盡管目前最先進(jìn)的點陣全息設(shè)備可以將數(shù)幅平面點陣圖像用多通道的形式組合成雙目體視像，但它只是一種體視幻覺，而非真正的三維成像，其立體效果分辨率及真實程度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上真正意義的全息三維成像。
在全息術(shù)發(fā)展過程中，全息三維成像技術(shù)一直是該學(xué)科的研究熱點，而要實現(xiàn)白光全息，即在白光下再現(xiàn)全息三維圖像，首先要解決的問題就是怎樣消除全息圖固有的光柵結(jié)構(gòu)所帶來的像的色散及色模糊。對于反射全息圖而言，其光柵結(jié)構(gòu)是折射率調(diào)制的體積光柵，由于布拉格(Bragg)效應(yīng)所產(chǎn)生的波長選擇性和角度選擇性，白光再現(xiàn)時，只有滿足布拉格條件的波長和角度的光線才能衍射成像，從而反射全息圖可以實現(xiàn)白光顯示。對于目前應(yīng)用更為廣泛的透射全息圖而言，實現(xiàn)白光顯示主要依靠兩個途徑一是像面全息圖，即成像在全息圖平面附近。這樣，每一像點的色模糊將減到最小程度，從而可看到相對清晰的像；二是彩虹全息圖，即在全息圖記錄過程中在垂直方向上加入狹縫來限制物光光場，白光再現(xiàn)時將形成從紅到蘭一系列狹縫像，人眼通過不同顏色的狹縫像將觀察到相應(yīng)顏色的清晰三維全息成像。彩虹全息圖是一種能夠?qū)崿F(xiàn)三維白光顯示的平面全息圖，將這種全息圖記錄在光致抗蝕劑上形成浮雕型條紋便可通過電鑄模壓工藝進(jìn)行批量復(fù)制，我們今天所看到的三維模壓全息圖從理論上講都是彩虹全息圖。顯然，像面全息圖不可能有很好的三維效果，只能針對全息干板附近的成像，若成像遠(yuǎn)離全息圖則像變得模糊。而彩虹全息只能實現(xiàn)實物成像，光路需要根據(jù)實物調(diào)整，且不能創(chuàng)造虛擬三維世界。
本發(fā)明的目的就是為了解決以上問題，提供一種三維點陣全息圖的制作方法及裝置，以實現(xiàn)虛擬物體的三維全息圖。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種三維點陣全息圖的制作方法及裝置，二者屬于同一構(gòu)思。
所述三維點陣全息圖的制作方法包括以下步驟1)沿垂直于全息干板的方向調(diào)整成像透鏡的位置，從而控制成像的深度，即像點與全息干板H的距離；2)沿平行于全息干板平面、垂直于自身狹縫的方向移動狹縫，從而控制像點的顏色；3)調(diào)整孔徑光欄，使之與全息圖相匹配；4)在全息干板所在平面上橫向調(diào)節(jié)全息干板H的位置，以調(diào)節(jié)成像點在全息干板上的橫向位置；5)進(jìn)行曝光，使物點在所設(shè)定的位置上、以所設(shè)定的深度和顏色獲得一個像點；6)重復(fù)上述步驟1-5，獲得另一個像點；7)繼續(xù)重復(fù)上述步驟1-5，直到獲得所有像點。
所述三維點陣全息圖的制作裝置包括物光、參考光、成像透鏡、狹縫，所述物光依次經(jīng)成像透鏡、狹縫投射在全息干板上，所述參考光也在全息干板上物光所在處投射一個大小相同的光斑，其特征是所述全息干板固定于一個二維板架上，所述成像透鏡可沿垂直于全息干板平面的方向調(diào)節(jié)位置，狹縫可沿平行于全息干板平面、垂直于自身狹縫的方向調(diào)節(jié)位置，二維板架T可沿平行于全息干板平面的方向兩維調(diào)節(jié)方向，它們的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)均與中央控制裝置相連。
由于采用了以上的方案，本發(fā)明將現(xiàn)有的點陣全息和彩虹全息相結(jié)合，應(yīng)用線全息圖理論定義并控制每個點的深度和顏色，然后通過電腦控制逐點曝光制作彩虹全息圖，實現(xiàn)白光全息三維顯示，與普通點陣全息相比較，本發(fā)明所制作的全息圖并不是由不同空間角和空間間距所形成的光柵點的排列組合，而是一系列具有相應(yīng)色彩及深度的點的點基元全息圖或線全息圖的疊加。與現(xiàn)有彩虹全息術(shù)相比，本發(fā)明將其記錄過程數(shù)字化逐點記錄，從而無需實物和光路調(diào)整，只要通過電腦設(shè)計便能達(dá)到三維圖像，同時還能實現(xiàn)某些傳統(tǒng)方法所不能達(dá)到的效果，如虛擬三維世界，風(fēng)景，人物等。


圖1是點基元全息圖的記錄示意圖。
圖2是點基元全息圖的白光再現(xiàn)示意圖。
圖3是線全息圖的記錄示意圖。
圖4是線全息圖的白光再現(xiàn)示意圖。
圖5是本發(fā)明原理光路示意圖。
下面通過具體的實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
圖1是普通點基元全息圖記錄示意圖，物點O通過成像透鏡L成像為O’離全息干板H的距離為ZO，參考光R以入射角θR記錄全息圖，由于受成像透鏡L孔徑DI的限制，全息圖被記錄在直徑為DH的圓形區(qū)域內(nèi)，DH的大小取決于透鏡孔徑DL以及像點O’距離全息干板H的距離ZO，當(dāng)O’在全息圖平面時DH=0。
圖2是普通點基元全息圖的白光再現(xiàn)示意圖，當(dāng)如圖1記錄的全息圖用白光點光源C共軛再現(xiàn)時，在像點O’的附近將形成全息像I，由于是白光再現(xiàn)，在可見光范圍內(nèi)紅光像Ir和蘭光像Ib形成了色模糊，根據(jù)全息學(xué)原理及全息成像公式可以算出Δxi=λoZoλ2tgθRΔλ]]>，式中λ0為記錄全息圖時的光波波長，λ為再現(xiàn)光中心波長，Δλ為可見光的波長變化?？梢钥闯靓1正比于Z0，若像點在全息干板H附近則ΔX1很小，人眼E便能看到相對清晰的白色像點。這就是普通像面全息圖的原理。但這只能針對全息干板附近的成像，若成像遠(yuǎn)離全息圖則像變得模糊。
為了使遠(yuǎn)離全息圖平面的點都有清晰的成像，則必須在垂直方向上以一狹縫限制成像光束使點基元全息圖成為線全息圖。圖3是線全息圖的記錄光路示意圖，物點O通過成像透鏡L成像為O’離全息干板H的距離為Z0，參考光R以入射角θR記錄全息圖。與圖1不同的是在透鏡前面加一縫寬為W的狹縫S來限制成像光束，使得全息圖被記錄在一寬度為WH長度為DH的狹長區(qū)域內(nèi)，即線全息圖。由圖中幾何關(guān)系即波動光學(xué)理論可以算出，線全息圖寬度WH=ZoWZo+Zs+λoZsW]]>，式中ZS為狹縫到全息圖的距離，λO為記錄光波的波長，第一項為狹縫在全息圖上的幾何投影，第二項為狹縫衍射展寬部分?？梢钥闯鯳=Wopt=[λoZs(Zs+Zo)Zo]12]]>時，WH取最小值，W大于或小于Wopt時，都會導(dǎo)致WH增大，這分別對應(yīng)彩虹全息成像分析中色模糊增大和分辯率降低，Wopt即為考慮分辯率和色模糊，同時影響再現(xiàn)像時所得到的最佳狹縫寬度。
圖4是線全息圖的白光再現(xiàn)示意圖，當(dāng)如圖3記錄的全息圖用白光點光源C共軛再現(xiàn)時，在像點O’的附近將形成全息像I，由于全息圖只記錄在寬度為WH的狹長區(qū)域內(nèi)，盡管可見光范圍內(nèi)紅光像Ir和蘭光像Ib所形成的色模糊ΔX1隨ZO的增大會很大，但人眼觀察時，考慮人眼瞳孔直徑DE及線全息圖寬度WH對成像光束的限制，人眼所能觀察到的色模糊ΔXi卻遠(yuǎn)小于像本身的模糊ΔX1，從而可看到清晰像，且人眼上下移動時像的顏色會由紅到蘭。人眼所能感知的色模糊ΔXi，與線全息圖寬度WH之間的關(guān)系可表示如下(a)若WH>ZIDEZI+ZE]]>時，則ΔXi=WH+ZIWHZE]]>，(b)若WH<ZIDEZI+ZE]]>時，則ΔXi=ZIDEZE,]]>式中ZI為像點I到全息圖H的距離，ZE為人眼E到全息圖H的距離。圖5是本發(fā)明原理光路示意圖，該三維點陣全息圖的制作裝置包括物光、參考光、成像透鏡L1、狹縫S，所述物光依次經(jīng)成像透鏡L1、狹縫S投射在全息干板H上，所述參考光也在全息干板H上物光所在處投射一個大小相同的光斑，其特征是所述全息干板H固定于一個二維板架T上，所述成像透鏡L1可沿垂直于全息干板H平面的方向調(diào)節(jié)位置，狹縫S可沿平行于全息干板H平面、垂直于自身狹縫的方向X調(diào)節(jié)位置，二維板架T可沿平行于全息干板T平面的方向兩維調(diào)節(jié)方向，它們的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)均與中央控制裝置相連。在光路上所述成像透鏡L1前有擴(kuò)束鏡SF1。所述狹縫S可以全開，也可以調(diào)整為一有限狹縫。所述物光、參考光是由一激光器所發(fā)出的激光經(jīng)快門B、分束鏡BS分束分別形成的；在物光和參考光的光路上分別有反射鏡M1、M2。
圖中，垂直于全息干板H的方向為Z向，平行于全息干板的兩個方向為X、Y向，其中Y向平行于狹縫S。
激光器出來的光束B通過快門經(jīng)分束鏡BS分成物光和參考光。物光經(jīng)反射鏡M1、擴(kuò)束鏡SF1、成像透鏡L1和狹縫S，在全息干板H附近形成一像點O’。參考光通過反射鏡M2，擴(kuò)束鏡SF2，孔徑光欄P1及準(zhǔn)透鏡L2在全息干板H上形成一與像點O’的點基元全息圖或線全息圖大小相同的光斑。兩束光干涉后在全息干板H上將形成物點O的點基元全息圖或線全息圖。白光再現(xiàn)時將看到物點O的清晰像。在這里狹縫S的寬度決定了全息圖的類型，狹縫S全開孔則所制作的是全視差的像面全息圖，狹縫S為一有限狹縫，則制作的是彩虹全息圖，上下移動狹縫S可改變再現(xiàn)像的顏色。全息干板被放置在二維板架T上。將快門，成像透鏡L1，狹縫S，二維板架T，以及孔徑光欄P連接到計算機(jī)并利用電腦編程自動控制1、快門的開啟與關(guān)閉，曝光時間和靜臺時間。2、成像透鏡L1沿Z方向的移動從而控制像點O’與全息干板H的距離。3、狹縫S沿X方向的移動，從而控制再現(xiàn)像顏色。4、孔徑光欄P的增減使之與線全息圖相匹配(即讓參考光的光斑和像點O’重合)。5、二維板架T的X、Y方向掃描運(yùn)動。這樣便可逐點曝光掃描記錄一系列點基元全息圖，而每一次記錄的點有相應(yīng)的深度和顏色，疊加就形成一幅完整的三維全息圖，白光再現(xiàn)時每一點基元全息圖或線全息圖將再現(xiàn)其清晰像點，從而可觀察到一幅完整的三維畫面。
權(quán)利要求
1.三維點陣全息圖的制作方法，其特征是包括以下步驟1)沿垂直于全息于板(H)的方向(Z)調(diào)整成像透鏡(L1)的位置，從而控制成像的深度，即像點(0’)與全息干板(H)的距離；2)沿平行于全息干板(H)平面、垂直于自身狹縫的方向(X)移動狹縫(S)，從而控制像點(0’)的顏色；3)調(diào)整孔徑光欄(P)，使之與線息圖相匹配；4)在全息干板所在平面上橫向調(diào)節(jié)全息干板(H)的位置，以調(diào)節(jié)成像點在全息干板上的橫向位置；5)進(jìn)行曝光，使物點(0)在所設(shè)定的位置上、以所設(shè)定的深度和顏色獲得一個像點(0’)；6)重復(fù)上述步驟1)-5)，獲得另一個像點(0’)；7)繼續(xù)重復(fù)上述步驟1)-5)，直到獲得所有像點(0’)。
2.如權(quán)利要求1所述的三維點陣全息圖的制作方法，其特征是所述物點(O)是由激光束經(jīng)擴(kuò)束鏡(SF1)后，在擴(kuò)束鏡處形成的光點，它是一個虛擬物點。
3.如權(quán)利要求1或2所述的三維點陣全息圖的制作方法，其特征是所述狹縫(S)全開，以制做全視差的像面全息圖。
4.如權(quán)利要求1或2所述的三維點陣全息圖的制作方法，其特征是所述狹縫(S)為一有限狹縫，以制做彩虹全息圖。
5.三維點陣全息圖的制作裝置，包括物光、參考光、成像透鏡(L1)、狹縫(S)，所述物光依次經(jīng)成像透鏡(L1)、狹縫(S)投射在全息干板(H)上，所述參考光也在全息干板(H)上物光所在處投射一個大小相同的光斑，其特征是所述全息于板(H)固定于一個二維板架(T)上，所述成像透鏡(L1)可沿垂直于全息干板(H)平面的方向調(diào)節(jié)位置，狹縫(S)可沿平行于全息干板(H)平面、垂直于自身狹縫的方向(X)調(diào)節(jié)位置，二維板架(T)可沿平行于全息干板(T)平面的方向兩維調(diào)節(jié)方向，它們的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)均與中央控制裝置相連。
6.如權(quán)利要求5所述的三維點陣全息圖的制作裝置，其特征是在光路上所述成像透鏡(L1)前有擴(kuò)束鏡(SF1)。
7.如權(quán)利要求5或6所述的三維點陣全息圖的制作方法，其特征是所述狹縫(S)可以全開，也可以調(diào)整為一有限狹縫。
8.如權(quán)利要求5或6所述的三維點陣全息圖的制作方法，其特征是所述物光、參考光是由一激光器所發(fā)出的激光經(jīng)快門(B)、分束鏡(BS)分束分別形成的；在物光和參考光的光路上分別有反射鏡(M1、M2)。
9.如權(quán)利要求7所述的三維點陣全息圖的制作方法，其特征是所述物光、參考光是由一激光器所發(fā)出的激光經(jīng)快門(B)、分束鏡(BS)分束分別形成的；在物光和參考光的光路上分別有反射鏡(M1、M2)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種三維點陣全息圖的制作方法及裝置,用中央控制器先調(diào)好成像的深度、顏色及成像點在全息干板上的橫向位置,并調(diào)整孔徑光欄,使之與全息圖相匹配,然后曝光,使物點在所設(shè)定的位置上、以所設(shè)定的深度和顏色獲得一個像點;重復(fù)上述步驟,直到獲得所有像點。本發(fā)明可實現(xiàn)真正的三維全息,并實現(xiàn)虛擬三維全息。
文檔編號G03H1/04GK1314621SQ0111672
公開日2001年9月26日 申請日期2001年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月20日
發(fā)明者范誠, 蔡志森 申請人:深圳市泛彩溢實業(yè)有限公司