CN1314621A - 三维点阵全息图的制作方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三维点阵全息图的制作方法及装置,用中央控制器先调好成像的深度、颜色及成像点在全息干板上的横向位置,并调整孔径光栏,使之与全息图相匹配,然后曝光,使物点在所设定的位置上、以所设定的深度和颜色获得一个像点;重复上述步骤,直到获得所有像点。本发明可实现真正的三维全息,并实现虚拟三维全息。

Description

三维点阵全息图的制作方法及装置

本发明涉及一种三维点阵全息图的制作方法及装置。

点阵全息(Dot Matrix Hologram)又称数码全息(Digital Hologram)是当今全息印刷及包装的主要制版技术，它将两束光会聚成一点，形成干涉条纹，然后用电脑控制两束光入射角的夹角和空间角变化逐点记录全息图。这样，当白光照射全息图时，对应于每个点由于其干涉条纹的间距及方向不同，人眼观察时就可以看到色彩斑澜，动感强烈的全息平面图像，其动态形式可由电脑预先安排。现有的点阵全息技术不能实现三维显示，尽管目前最先进的点阵全息设备可以将数幅平面点阵图像用多通道的形式组合成双目体视像，但它只是一种体视幻觉，而非真正的三维成像，其立体效果分辨率及真实程度都远远比不上真正意义的全息三维成像。

在全息术发展过程中，全息三维成像技术一直是该学科的研究热点，而要实现白光全息，即在白光下再现全息三维图像，首先要解决的问题就是怎样消除全息图固有的光栅结构所带来的像的色散及色模糊。对于反射全息图而言，其光栅结构是折射率调制的体积光栅，由于布拉格(Bragg)效应所产生的波长选择性和角度选择性，白光再现时，只有满足布拉格条件的波长和角度的光线才能衍射成像，从而反射全息图可以实现白光显示。对于目前应用更为广泛的透射全息图而言，实现白光显示主要依靠两个途径：一是像面全息图，即成像在全息图平面附近。这样，每一像点的色模糊将减到最小程度，从而可看到相对清晰的像；二是彩虹全息图，即在全息图记录过程中在垂直方向上加入狭缝来限制物光光场，白光再现时将形成从红到兰一系列狭缝像，人眼通过不同颜色的狭缝像将观察到相应颜色的清晰三维全息成像。彩虹全息图是一种能够实现三维白光显示的平面全息图，将这种全息图记录在光致抗蚀剂上形成浮雕型条纹便可通过电铸模压工艺进行批量复制，我们今天所看到的三维模压全息图从理论上讲都是彩虹全息图。显然，像面全息图不可能有很好的三维效果，只能针对全息干板附近的成像，若成像远离全息图则像变得模糊。而彩虹全息只能实现实物成像，光路需要根据实物调整，且不能创造虚拟三维世界。

本发明的目的就是为了解决以上问题，提供一种三维点阵全息图的制作方法及装置，以实现虚拟物体的三维全息图。

为实现上述目的，本发明提出一种三维点阵全息图的制作方法及装置，二者属于同一构思。

所述三维点阵全息图的制作方法包括以下步骤：1)沿垂直于全息干板的方向调整成像透镜的位置，从而控制成像的深度，即像点与全息干板H的距离；2)沿平行于全息干板平面、垂直于自身狭缝的方向移动狭缝，从而控制像点的颜色；3)调整孔径光栏，使之与全息图相匹配；4)在全息干板所在平面上横向调节全息干板H的位置，以调节成像点在全息干板上的横向位置；5)进行曝光，使物点在所设定的位置上、以所设定的深度和颜色获得一个像点；6)重复上述步骤1-5，获得另一个像点；7)继续重复上述步骤1-5，直到获得所有像点。

所述三维点阵全息图的制作装置包括物光、参考光、成像透镜、狭缝，所述物光依次经成像透镜、狭缝投射在全息干板上，所述参考光也在全息干板上物光所在处投射一个大小相同的光斑，其特征是：所述全息干板固定于一个二维板架上，所述成像透镜可沿垂直于全息干板平面的方向调节位置，狭缝可沿平行于全息干板平面、垂直于自身狭缝的方向调节位置，二维板架T可沿平行于全息干板平面的方向两维调节方向，它们的调节机构均与中央控制装置相连。

由于采用了以上的方案，本发明将现有的点阵全息和彩虹全息相结合，应用线全息图理论定义并控制每个点的深度和颜色，然后通过电脑控制逐点曝光制作彩虹全息图，实现白光全息三维显示，与普通点阵全息相比较，本发明所制作的全息图并不是由不同空间角和空间间距所形成的光栅点的排列组合，而是一系列具有相应色彩及深度的点的点基元全息图或线全息图的叠加。与现有彩虹全息术相比，本发明将其记录过程数字化逐点记录，从而无需实物和光路调整，只要通过电脑设计便能达到三维图像，同时还能实现某些传统方法所不能达到的效果，如虚拟三维世界，风景，人物等。

图1是点基元全息图的记录示意图。

图2是点基元全息图的白光再现示意图。

图3是线全息图的记录示意图。

图4是线全息图的白光再现示意图。

图5是本发明原理光路示意图。

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

图1是普通点基元全息图记录示意图，物点O通过成像透镜L成像为O’离全息干板H的距离为Z_O，参考光R以入射角θ_R记录全息图，由于受成像透镜L孔径D_I的限制，全息图被记录在直径为D_H的圆形区域内，D_H的大小取决于透镜孔径D_L以及像点O’距离全息干板H的距离Z_O，当O’在全息图平面时D_H=0。

图2是普通点基元全息图的白光再现示意图，当如图1记录的全息图用白光点光源C共轭再现时，在像点O’的附近将形成全息像I，由于是白光再现，在可见光范围内红光像Ir和兰光像Ib形成了色模糊，根据全息学原理及全息成像公式可以算出 $\mathrm{\Δ}{x}_i=\frac{{\mathrm{\λ}}_o\mathrm{Zo}}{{\mathrm{\λ}}^2}\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_R\mathrm{\Δ\λ}$ ，式中λ₀为记录全息图时的光波波长，λ为再现光中心波长，Δλ为可见光的波长变化。可以看出ΔX₁正比于Z₀，若像点在全息干板H附近则ΔX₁很小，人眼E便能看到相对清晰的白色像点。这就是普通像面全息图的原理。但这只能针对全息干板附近的成像，若成像远离全息图则像变得模糊。

为了使远离全息图平面的点都有清晰的成像，则必须在垂直方向上以一狭缝限制成像光束使点基元全息图成为线全息图。图3是线全息图的记录光路示意图，物点O通过成像透镜L成像为O’离全息干板H的距离为Z₀，参考光R以入射角θ_R记录全息图。与图1不同的是在透镜前面加一缝宽为W的狭缝S来限制成像光束，使得全息图被记录在一宽度为W_H长度为D_H的狭长区域内，即线全息图。由图中几何关系即波动光学理论可以算出，线全息图宽度 $W_H=\frac{\mathrm{ZoW}}{\mathrm{Zo}+\mathrm{Zs}}+\frac{{\mathrm{\λ}}_o\mathrm{Zs}}{W}$ ，式中Z_S为狭缝到全息图的距离，λ_O为记录光波的波长，第一项为狭缝在全息图上的几何投影，第二项为狭缝衍射展宽部分。可以看出 $W=\mathrm{Wopt}={\[\frac{{\mathrm{\λ}}_o\mathrm{Zs}(\mathrm{Zs}+\mathrm{Zo})}{\mathrm{Zo}}\]}^{\frac{1}{2}}$ 时，W_H取最小值，W大于或小于W_opt时，都会导致W_H增大，这分别对应彩虹全息成像分析中色模糊增大和分辩率降低，W_opt即为考虑分辩率和色模糊，同时影响再现像时所得到的最佳狭缝宽度。

图4是线全息图的白光再现示意图，当如图3记录的全息图用白光点光源C共轭再现时，在像点O’的附近将形成全息像I，由于全息图只记录在宽度为W_H的狭长区域内，尽管可见光范围内红光像I_r和兰光像I_b所形成的色模糊ΔX₁随Z_O的增大会很大，但人眼观察时，考虑人眼瞳孔直径D_E及线全息图宽度W_H对成像光束的限制，人眼所能观察到的色模糊ΔXi却远小于像本身的模糊ΔX₁，从而可看到清晰像，且人眼上下移动时像的颜色会由红到兰。人眼所能感知的色模糊ΔXi，与线全息图宽度W_H之间的关系可表示如下：(a)若 $W_H>\frac{Z_I{D}_E}{Z_I+Z_E}$ 时，则 $\mathrm{\&Delta;Xi}=W_H+\frac{Z_I{W}_H}{Z_E}$ ，(b)若 $W_H<\frac{Z_I{D}_E}{Z_I+Z_E}$ 时，则 $\mathrm{\&Delta;Xi}=\frac{Z_I{D}_E}{Z_E},$ 式中Z_I为像点I到全息图H的距离，Z_E为人眼E到全息图H的距离。图5是本发明原理光路示意图，该三维点阵全息图的制作装置包括物光、参考光、成像透镜L1、狭缝S，所述物光依次经成像透镜L1、狭缝S投射在全息干板H上，所述参考光也在全息干板H上物光所在处投射一个大小相同的光斑，其特征是：所述全息干板H固定于一个二维板架T上，所述成像透镜L1可沿垂直于全息干板H平面的方向调节位置，狭缝S可沿平行于全息干板H平面、垂直于自身狭缝的方向X调节位置，二维板架T可沿平行于全息干板T平面的方向两维调节方向，它们的调节机构均与中央控制装置相连。在光路上所述成像透镜L1前有扩束镜SF1。所述狭缝S可以全开，也可以调整为一有限狭缝。所述物光、参考光是由一激光器所发出的激光经快门B、分束镜BS分束分别形成的；在物光和参考光的光路上分别有反射镜M1、M2。

图中，垂直于全息干板H的方向为Z向，平行于全息干板的两个方向为X、Y向，其中Y向平行于狭缝S。

激光器出来的光束B通过快门经分束镜BS分成物光和参考光。物光经反射镜M1、扩束镜SF1、成像透镜L1和狭缝S，在全息干板H附近形成一像点O’。参考光通过反射镜M2，扩束镜SF2，孔径光栏P1及准透镜L2在全息干板H上形成一与像点O’的点基元全息图或线全息图大小相同的光斑。两束光干涉后在全息干板H上将形成物点O的点基元全息图或线全息图。白光再现时将看到物点O的清晰像。在这里狭缝S的宽度决定了全息图的类型，狭缝S全开孔则所制作的是全视差的像面全息图，狭缝S为一有限狭缝，则制作的是彩虹全息图，上下移动狭缝S可改变再现像的颜色。全息干板被放置在二维板架T上。将快门，成像透镜L1，狭缝S，二维板架T，以及孔径光栏P连接到计算机并利用电脑编程自动控制：1、快门的开启与关闭，曝光时间和静台时间。2、成像透镜L1沿Z方向的移动从而控制像点O’与全息干板H的距离。3、狭缝S沿X方向的移动，从而控制再现像颜色。4、孔径光栏P的增减使之与线全息图相匹配(即让参考光的光斑和像点O’重合)。5、二维板架T的X、Y方向扫描运动。这样便可逐点曝光扫描记录一系列点基元全息图，而每一次记录的点有相应的深度和颜色，叠加就形成一幅完整的三维全息图，白光再现时每一点基元全息图或线全息图将再现其清晰像点，从而可观察到一幅完整的三维画面。

Claims (9)

1、三维点阵全息图的制作方法，其特征是包括以下步骤：1)沿垂直于全息于板(H)的方向(Z)调整成像透镜(L1)的位置，从而控制成像的深度，即像点(0’)与全息干板(H)的距离；2)沿平行于全息干板(H)平面、垂直于自身狭缝的方向(X)移动狭缝(S)，从而控制像点(0’)的颜色；3)调整孔径光栏(P)，使之与线息图相匹配；4)在全息干板所在平面上横向调节全息干板(H)的位置，以调节成像点在全息干板上的横向位置；5)进行曝光，使物点(0)在所设定的位置上、以所设定的深度和颜色获得一个像点(0’)；6)重复上述步骤1)-5)，获得另一个像点(0’)；7)继续重复上述步骤1)-5)，直到获得所有像点(0’)。

2、如权利要求1所述的三维点阵全息图的制作方法，其特征是：所述物点(O)是由激光束经扩束镜(SF1)后，在扩束镜处形成的光点，它是一个虚拟物点。

3、如权利要求1或2所述的三维点阵全息图的制作方法，其特征是：所述狭缝(S)全开，以制做全视差的像面全息图。

4、如权利要求1或2所述的三维点阵全息图的制作方法，其特征是：所述狭缝(S)为一有限狭缝，以制做彩虹全息图。

5、三维点阵全息图的制作装置，包括物光、参考光、成像透镜(L1)、狭缝(S)，所述物光依次经成像透镜(L1)、狭缝(S)投射在全息干板(H)上，所述参考光也在全息干板(H)上物光所在处投射一个大小相同的光斑，其特征是：所述全息于板(H)固定于一个二维板架(T)上，所述成像透镜(L1)可沿垂直于全息干板(H)平面的方向调节位置，狭缝(S)可沿平行于全息干板(H)平面、垂直于自身狭缝的方向(X)调节位置，二维板架(T)可沿平行于全息干板(T)平面的方向两维调节方向，它们的调节机构均与中央控制装置相连。

6、如权利要求5所述的三维点阵全息图的制作装置，其特征是：在光路上所述成像透镜(L1)前有扩束镜(SF1)。

7、如权利要求5或6所述的三维点阵全息图的制作方法，其特征是：所述狭缝(S)可以全开，也可以调整为一有限狭缝。

8、如权利要求5或6所述的三维点阵全息图的制作方法，其特征是：所述物光、参考光是由一激光器所发出的激光经快门(B)、分束镜(BS)分束分别形成的；在物光和参考光的光路上分别有反射镜(M1、M2)。

9、如权利要求7所述的三维点阵全息图的制作方法，其特征是：所述物光、参考光是由一激光器所发出的激光经快门(B)、分束镜(BS)分束分别形成的；在物光和参考光的光路上分别有反射镜(M1、M2)。

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