CN101487975A - θ调制全息光栅的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种θ调制全息光栅的制作方法，其步骤为：将一块θ调制全息光栅作为母光栅，母光栅放置于4F光学系统的物平面，根据母光栅的频谱制作滤波器，在4F光学系统的像片面放置感光底片，进行曝光，然后显影、定影、吹干、边框制作等处理，完成θ调制光栅制作；采用4F光学系统和空间滤波技术，对感光底片进行一次性曝光制作出θ调制全息光栅，适用于透射型母光栅和位相型母光栅，能滤除母光栅的瑕疵；本发明简便快速、容易实现、成本低，效果好。

Description

θ调制全息光栅的制作方法

技术领域

本发明涉及一种光栅的制作方法，属于光学器件制造领域。

背景技术

θ调制是对图像的不同区域分别用取向不同(θ角不同)的光栅进行调制，这个被取向不同的光栅所调制的物片就是θ调制光栅。将这样的θ调制光栅放入4F系统的输入面，用白色平行光照明，在频谱面上将得到色散彩色频谱。每一条彩色谱的颜色分布都是从外向里按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫的顺序排列。红光的波长最大，衍射角最大，分布在最外面；紫光相反。如果在频谱面上放置一个空间滤波器，对不同方向的谱斑进行选择，每一排列方向的频谱只允许其中的某一种颜色通过，就会使像面上不同的成像区域“赋予”以特定的色彩，从而得到彩色像。

现有技术制作θ调制全息光栅的方法通常是先制作三块镂空模板，用镂空模板对感光底片进行曝光。曝光的方法主要有两种：

第一种：布置一个可拍摄全息光栅的双光束干涉光路，使两束单色平行光以夹角φ入射到感光底片上，其两束平行光之间的夹角φ与光栅周期d的关系由公式2sin(φ/2)＝λ/d确定，将上述三个模板分别与全息干板紧贴在一起，采用等时曝光的方法，用各个镂空图案记录不同取向的光栅，每次更换模板时，感光底片转动θ角，但感光底片与模板的相对位置不能改变，以保证整个图案衔接和组合良好；

第二种：将模板、朗奇光栅、感光底片依次叠放在一起，用单色平行光照射，在同一张感光底片上进行三次曝光，每次更换一块模板，同时将朗奇光栅转过θ角，并保持感光底片与模板的相对位置不改变，三次曝光朗奇光栅分别取三个不同的取向；

也可使用光栅复制的方法进行曝光：在上述两种方法中选择一种方法制作一块母光栅，将母光栅与感光底片相对叠放进行曝光。

曝光后的感光底片再进行显影、定影等处理，从而完成θ调制光栅制作。

上述制作θ调制光栅过程，存在下列不足：

1、制作一块三个不同光栅取向θ调制光栅需要进行三次曝光，每次曝光都要更换一块模板，且模板与感光底片相对位置不能改变，操作非常麻烦；

2、将母光栅与感光底片相对叠放进行复制曝光时，虽然减少了曝光的难度，但由于叠放在一起的母光栅与感光底片有多个光学界面，其界面之间光的反射作用和光栅的衍射作用影响了θ调制光栅的质量，如果母光栅是位相性光栅，其复制效果就更不理想；

3、光栅复制的弊端是母光栅不能有瑕疵，带有瑕疵的母光栅会将其瑕疵复制到成品光栅上。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种简便快速、容易实现、成本低的θ调制全息光栅制作的方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：θ调制全息光栅的制作方法，步骤为：

准备一块θ调制光栅作为母光栅，将母光栅放置于4F光学系统的物平面，在4F光学系统的频谱面上将得到母光栅的频谱，母光栅的光栅取向有几种，则频谱的排列就会有几个方向；用滤波器在频谱面上进行滤波，每一个排列方向只允许其中设定级的频谱通过，在4F光学系统的像平面上将得到与母光栅完全相似的倒立像，同时在与母光栅不同光栅取向区域相对应的各个成像区域均产生光强按余弦规律变化的干涉条纹；干涉条纹的取向与母光栅相应区域的光栅取向相同；

将感光底片置于4F光学系统像平面进行曝光，再经显影、定影等处理，即完成θ调制光栅制作。

更详细的步骤如下：

(1)准备一块θ调制全息光栅作为母光栅；

(2)调试4F光学系统，使各种光学器件等高共轴，并准确确定物平面和频谱面的位置；

(3)将母光栅放置于4F光学系统的物平面，在4F光学系统的频谱面根据母光栅的频谱制作滤波器；

(4)曝光前的检查：从滤波器的背面在靠近滤波器的位置上用白屏检查所有设定级的频谱光是否都能顺利的通过滤波器，重点检查各个光斑的光强是否均匀、大小是否相同，成像是否清晰；

(5)将感光底片置于4F光学系统像平面进行曝光；

(6)经显影、定影、吹干、边框制作等处理，即完成θ调制光栅制作。

作为优选的技术方案，所述滤波器通过频谱的设定级为±1级，或±2级，或±3级。

作为优选的技术方案，所述滤波器为光学空间滤波器。

作为优选的技术方案，所述光学空间滤波器的制作方法为在频谱面上固定一个框架，在框架上平整的粘贴一块黑纸，依次对准每一个排列方向所选级别的频谱光点开针孔。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：

1、原先制作一块三个不同光栅取向的θ调制光栅需要进行三次曝光，每次曝光都要更换一块模板，且模板与感光底片相对位置不能改变，现在仅一次简单曝光就可以实现，从根本上简化了制作过程；

2、无论透射型母光栅还是位相型母光栅均可使用该方法一次性完成曝光，制作出相同质量的θ调制光栅；

3、如果母光栅带有瑕疵，由于滤波器的针孔较小，而瑕疵光的频谱往往是杂乱无章的，进行空间滤波后可将瑕疵光频谱滤除，制作出没有瑕疵的成品光栅；

4、感光底片在成像区域中所记录的是光强按正弦规律变化的干涉条纹，不同于复制，避免了因为复制而引发的诸多弊端。

附图说明

附图是本发明实施例的光路示意图。

在附图中：1.-激光器；2.-快门；3.-L₁透镜；4.-针孔光阑；5.-L₂透镜；6.-母光栅；7.-L₃透镜；8.-滤波器；9.-L₄透镜；10.-感光底板。

具体实施方式

如附图所示，本实施例的光路设计是典型的4F光学系统，其中L₁透镜是扩束透镜，L₂透镜是准直透镜，L₃透镜为傅里叶变换透镜，L₄透镜为傅里叶逆变换透镜。在4F系统物平面上放置母光栅；频谱面上放置滤波器，仅让±1级频谱通过；像平面处放置感光底片。

本发明实施例的具体步骤如下：

(a)预先使用拍摄全息光栅的双光束干涉光路，利用三次曝光的方法制作一块θ调制光栅作为母光栅6；

(b)调试4F光学系统，使各种光学器件等高共轴，并准确确定物平面和频谱面的位置；

(c)将母光栅6放置于4F光学系统的物平面，在4F光学系统的频谱面根据母光栅的频谱制作滤波器8；

(d)滤波器的制作方法是：在频谱面上固定一个框架，在框架上平整的粘贴一块黑纸，用针依次对准每一个排列方向的±1级频谱光点开针孔，完成滤波器的制作；

(e)曝光前的检查：从滤波器的背面在靠近滤波器的位置上用白屏检查各排列方向的±1级频谱光是否都能顺利通过滤波器，重点检查各个光斑的光强是否均匀、大小是否相同，成像是否清晰；

(f)将感光底片10置于4F光学系统像平面进行曝光；

(g)经显影、定影、吹干、边框制作等处理，即完成θ调制光栅的制作。

其中，θ调制光栅制作过程中应注意的几个问题：

1、为了防止透镜像差引起的图像失真，应采用傍轴光束，制作的θ调制全息光栅面积不宜过大；

2、共轴调节，严格的共轴调节不仅可以使光强均匀，同时可以实现最大幅度的减小失真；

3、感光材料的感光面一定要处于像平面的位置，因为仅在像平面上其光强按余弦规律变化，为了准确地找到像平面的位置可借助于测量显微镜，用测量显微镜观察图像分界线清晰的位置，从而确定像平面的位置；

4、为了有效的滤除各种杂散光，提高光栅制作质量，同时又不能使频谱光因穿过滤波器针孔而发生衍射，滤波器必须处于频谱面上，同时空间滤波的针孔要大小适中；

5、当滤波器只允许±2级或±3级频谱通过时，用同样方法可以制作出光栅周期更小的θ调制全息光栅。

本发明的理论依据

1、根据阿贝成象原理，物体通过透镜成像的过程分为两步：第一步入射光经物平面发生夫琅禾费衍射，在频谱面上形成一系列物的频谱，这一步称“分频”；第二步是各频谱光点发出的球面波在像平面上相干叠加，形成物的像，这一步称“合频”。在频谱面上加入适当的空间滤波器，对物的频谱进行取舍，即可改变像的空间频率成分。

2、空间滤波与成像分析

根据阿贝—波特实验和空间滤波知识，频谱面上频谱的排列方向与物平面上物光栅的取向垂直。由于物光栅是由多种不同取向的光栅拼接而成，每一种取向的光栅在频谱面上形成垂直于光栅取向的频谱。如果母光栅是有三种不同取向的光栅拼接而成，则频谱面上将形成三种垂直于光栅取向的频谱；而不同取向的光栅又分别处于母光栅的不同区域，所以不同排列方向的频谱又与母光栅上不同区域相对应。每一种排列方向的频谱在其与母光栅相对应的成像区域成倒立的像，所成像的几何形状，尺寸大小、区域界线与物平面形成这种频谱的区域倒立而相同。

当滤波器只允许±1级频谱通过时，在像平面上每一种排列方向的±1级频谱在其相应的成像区域成像，同时在其成像区域产生光强按余弦规律变化的干涉条纹，干涉条纹的取向与物平面相应区域光栅的取向相同、干涉条纹光强分布的空间周期是物平面取向光栅空间周期的1/2。

干涉条纹空间周期较小，且不同的成像区域其干涉条纹的取向不同，因此，进行空间滤波后，对成像区域的几何形状，尺寸大小、区域界线影响极小，可忽略不计。

3、滤波器只允许±1级频谱通过时，成像区域产生光强按余弦规律变化的干涉条纹的傅里叶分析。

设物光栅为一维栅状物，其透过率函数为—组矩形函数：

$t\left(x_1\right)=\underset{m=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{rect}[(x_1-\mathrm{md})/a]---\left(1\right)$

式中，d为缝间距，a为缝宽，物光栅可看成由无限个这样的狭缝构成。它实际上是矩形函数和梳状函数的卷积，若物光栅总宽度为B，则

t(x₁)＝{(1/d)·rect(x₁/a)*comb(x₁/d)}·rect(x₁/B)    (2)

将物光栅置于4F系统物平面上，可在频谱面上得到它的傅里叶变换

T(f_x)＝F{t(x₁)}

     ＝(aB/d){sinc(Bf_x)+sinc(a/d)·sinc[B(f_x-1/d)]     (3)

       +sinc(a/d)·sinc[B(f_x+1/d)]+……}

其中：f_x＝x₂/(λf)(x₂是频谱面的位置坐标，f为傅里叶变换透镜的焦距)，式中第一项为零级频谱，第二、三项分别为±1级谱，后面依次为高级频谱。

如果在频谱面上安装滤波器仅让±1级频谱通过，滤波后的光场复振幅为(3)式的第二、三项，像平面得到它的傅里叶逆变换

t′(x₃)＝(a/d)[sinc(a/d)rect(x₃/B)]exp(j2πx₃/d)

+(a/d)[sinc(a/d)rect(x₃/B)]exp(-j2πx₃/d)        (4)

＝2(a/d)rect(x₃/B)sinc(a/d)cos(2πx₃/d)

由于感光底片所记录的是像平面上的光强分布，而像平面上的光强分布为

I＝|t′(x₃)|²＝4(a/d)²rect(x₃/B)sinc²(a/d)cos²(2πx₃/d)

             ＝2(a/d)²rect(x₃/B)sinc²(a/d)[1+cos(4πx₃/d)]         (5)

分析式(5)可知，2(a/d)²rect(x₃/B)sinc²(a/d)是系数项，由±1级频谱在像平面上产生的干涉条纹，其光强按余弦规律变化，其空间周期是物平面光栅空间周期的1/2。在像平面放置感光底片进行线性记录，便可得到正弦光栅。

Claims (5)

1.θ调制全息光栅的制作方法，其特征在于，步骤为：

准备一块θ调制全息光栅作为母光栅，将母光栅放置于4F光学系统的物平面，在4F光学系统的频谱面上将得到母光栅的频谱；用滤波器在频谱面上进行滤波，每一个排列方向只允许其中设定级的频谱通过；

将感光底片置于4F光学系统像平面进行曝光，再经显影、定影处理，即完成θ调制光栅制作。

2.如权利要求1所述的θ调制全息光栅的制作方法，其特征在于，步骤为：

(1)准备一块θ调制全息光栅作为母光栅；

(2)调试4F光学系统，使各种光学器件等高共轴，并准确确定物平面和频谱面的位置；

(3)将母光栅放置于4F光学系统的物平面，在4F光学系统的频谱面根据母光栅的频谱制作滤波器；

(4)曝光前的检查：从滤波器的背面在靠近滤波器的位置上用白屏检查所有设定级的频谱光是否都能顺利通过滤波器，重点检查各个光斑的光强是否均匀、大小是否相同，成像是否清晰；

(5)将感光底片置于4F光学系统像平面进行曝光；

(6)经显影、定影、吹干、边框制作处理，即完成θ调制光栅制作。

3.如权利要求1所述的θ调制全息光栅的制作方法，其特征在于，所述滤波器通过频谱的设定级为±1级，或±2级，或±3级。

4.如权利要求1、2或3所述的θ调制全息光栅的制作方法，其特征在于，所述滤波器为光学空间滤波器。

5.如权利要求4所述的θ调制全息光栅的制作方法，其特征在于，所述光学空间滤波器的制作方法为在频谱面上固定一个框架，在框架上平整的粘贴一块黑纸，依次对准每一个排列方向所选级别的频谱光点开针孔。

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