CN103076734A - 一种利用二次全息的数字全息图打印系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于全息显示技术领域，具体涉及一种利用二次全息的数字全息图打印系统，其特征在于包含写入光源、准直系统、空间光调制器、矩形光阑、全息图记录介质、全息图计算系统、伺服控制系统。通过全息图计算系统，将目标全息图分割成两幅以上的子全息图，将子全息图作为新的目标全息图，对子全息图做二次全息计算得到二次全息图，将二次全息图加载于空间光调制器，衍射写入光源的入射激光，在全息记录介质上衍射形成子全息图条纹，实现子全息图的二次全息写入，通过逐幅写入子全息图，可实现目标全息图的打印输出。具体通过多幅子全息图并行写入和拼接粘合的方式，可以实现快速的大幅面全息图打印输出，解决了传统技术不能快速打印输出大幅面全息图的问题。

Description

一种利用二次全息的数字全息图打印系统

技术领域

本发明属于全息显示技术领域，具体涉及一种利用二次全息的数字全息图打印系统。 

背景技术

全息术自发明以来，随着激光技术和全息技术的发展，全息显示已经深入到社会生活的各方面，广泛应用于包装、防伪、广告、印刷等领域。特别是近年来，三维全息显示由于其全视差、多角度的裸眼真三维逼真显示效果，已经成为新的研究热点(如J W.Perry，Update on3D displays，Nature 451，636-637(2008)；S.Tay et.al.，An updatable holographic three-dimensionaldisplay，Nature 451，695-698(2008)；P.A.Blanche et al.，Holographic three-dimensionaltelepresence using large-area photorefractive polymer，Nature 468，80-83(2010)；Ozaki et.al.，Surface-Plasmon Holography with White-Light Illumination，Science 332，218-220(2011)；而且向着大面积、大视场、全视差、真彩色的方向发展，可以广泛应用于各种显示领域，如结构设计、舞台、影院、广告等，具有极大的商业潜力。同时利用三维全息显示技术制作的全息地图板，既具备纸质和电子地图的精确性，又具有适于人眼观察的三维直观性和空间立体感，在未来的国防军事领域具有重大应用潜力。 

全息图由于其信息量巨大，其打印输出技术也是一个研究热点。一张利用光学全息制作的手掌大小的全视差全息图含有近1000亿比特的数据，即使采用带宽压缩方法制作的相同大小的计算全息图，也具有数量极为可观的数据，并且随着全息图尺寸的增大，数据量成倍增加。对于三维全息显示，数据量将更为庞大，堪称海量数据。因此，快速打印输出如此数量巨大的全息图变得极为重要，而激光全息打印技术是制作和打印输出全息图一个极为重要方法。采用单束激光聚焦后，在全息记录介质上逐点写入的单光束直写技术，显然不能满足快速制作全息图的要求。目前快速全息图输出技术主要有如下几种，一种是利用激光全息照排的方法(如苏州大学信息光学工程研究所，CN 1182445C，CN 11511410C)，采用干涉型光学镜头生成点阵全息图，由于采用干涉型光学镜头，系统较为复杂，对振动敏感；一种是采用LCD的激光缩微照排技术(如浙江师范大学信息光学研究所，CN 101051097A)，将全息图加载在LCD上，采用缩微成像系统进行缩微成像，写入全息图。这种系统对缩微镜头的要求很高，需要极高的分辨率与像差矫正，系统也比较复杂。 

针对以上问题，如果可以设计一种结构简单、同时又能实现快速的全息图输出打印系统，将大大提高全息图的制作速度，对全息显示技术将带来巨大推动作用。 

发明内容

本发明的目的是提供一种能够快速实现数字全息图打印输出的系统。关键技术在于将目标全息图分成多个子全息图，利用二次全息的方法，计算出子全息图对应的二次全息图，然后将二次全息图加载于空间光调制器，采用激光全息曝光的方式将子全息图一次写入，这种方式可以一次并行写入多幅子图，还可以采用拼接的方式制作更大尺寸的全息图，大大提高全息图的打印输出速度。 

本发明的特征在于，一种利用二次全息的数字全息图打印系统，至少含有：用于全息图写入的写入光源、将写入光源整形成平行光的准直系统、用于加载二次全息图并衍射形成子全息图的空间光调制器、用于记录全息图的全息图记录介质、用于遮挡杂散光、高阶衍射光和共轭像的矩形光阑、用于目标全息图计算、子全息图划分、二次全息图计算的全息图计算系统、用于控制系统移动以实现子图分幅写入的伺服控制系统。其中，由写入光源、准直系统、空间光调制器、矩形光阑、伺服控制系统构成全息写入系统。 

采用本发明实现全息图的输出打印的步骤为：由全息图计算系统计算产生的目标全息图，并通过全息图计算系统将目标全息图划分成至少2个以上的子全息图，全息图计算系统将子全息图作为新的目标全息图，通过再次全息计算，得到二次全息图，同时将二次全息图加载于空间光调制器，当写入光源入射到空间光调制器上时，加载二次全息图的空间光调制器衍射写入光源的入射激光，通过矩形光阑遮挡杂散光、高阶衍射光，在放置于再现像面的全息图记录介质上曝光，实现子全息图的写入，由伺服控制系统控制全息图记录介质或全息写入系统的移动，即可在全息图记录介质上实现整幅目标全息图的写入制作。 

所述写入光源与全息图计算系统所采用的光源具有相同波长，且对应的全息记录介质材料要对写入光源的波长光学敏感，同时全息记录介质对写入光源的波长具有高亮度衍射特性，其材料为卤化物银盐干版、光折变聚合物薄膜。 

所述的空间光调制器可以是透射型的，也可以是反射型的，调制模式为幅值调制或相位调制。 

所述的目标全息图由全息图计算系统通过光学干涉全息或计算全息的方法得到，当采用计算全息时，该全息图可由计算机三维建模的3D模型生成或由三维扫描产生的三维数据点集生成。 

所述的伺服控制系统为二维平移机构，用来控制全息图记录介质的移动，也可以用来控制全息写入系统的移动，以将子全息图逐幅写入全息记录介质。 

所述的子全息图写入过程，是将目标全息图按照特定的分割方法分割成至少2幅以上的子全息图，计算该子全息图对应的二次全息图，并将二次全息图加载于空间光调制器，在写入光源入射时，空间光调制器调制写入光源，在全息记录介质上衍射生成子全息图条纹，实 现子全息图的分幅写入。 

所述的二次全息图可以是相位型全息图，也可以是幅值型全息图。 

所述的全息图写入方法，包括使用1套全息写入系统将每个子全息图分幅写入，和使用2套以上的全息写入系统在全息图记录介质同时写入多幅子全息图，并通过将2幅以上的全息图记录介质拼接，得到大幅的全息图制作。 

本发明与现有全息图输出打印系统相比，具有如下特点： 

1、系统结构简单，实现了全息图的激光直接二维面写入，系统可靠性高，可维护性强，对震动不敏感； 

2、通过采用二维面写入、多幅子图并行写入、多全息图拼接的方式，可以实现高速的大幅面全息图打印输出，极大的提高了全息图打印输出效率。 

附图说明

本发明“一种利用二次全息的数字全息图打印系统”的附图有4个。 

图1为本发明提供的利用二次全息的数字全息图打印系统的第一个实施例的结构示意图。 

图2为本发明提供的二次全息图的计算流程示意图。 

图3为本发明提供的利用二次全息的数字全息图打印系统的第二个实施例的结构示意图。 

图4为本发明提供的利用二次全息的数字全息图打印系统的第三个实施例的结构示意图。 

图1～图4中，(1)-写入光源，(2)-准直系统，(3)-空间光调制器，(4)-矩形光阑、(5)-全息图记录介质、(6)-全息图计算系统、(7)-伺服控制系统，(8)-目标全息图，(9)-子全息图，(10)-二次全息图、(11)-部分反射镜、(12)-全反射镜、(13)拼接全息图。 

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明“一种利用二次全息的数字全息图打印系统”做进一步描述。 

图1为本发明提供的利用二次全息的数字全息图打印系统的第一个实施例，包括写入光源(1)、准直系统(2)、空间光调制器(3)、矩形光阑(4)、全息图记录介质(5)、全息图计算系统(6)、伺服控制系统(7)、目标全息图(8)、子全息图(9)、二次全息图(10)。 

在该实施例中，目标全息图(8)由全息图计算系统(6)生成，可由光学干涉全息或者计算全息的方法生成，全息图计算系统(6)采用几何分割的办法将目标全息图分割成2幅以上的多幅子全息图(9)，本实施例中给出的是分成9幅子图的一个特例。全息图计算系统(6)将子全息图 (9)作为新的目标全息图，计算子全息图(9)对应的二次全息图(10)，并将计算得到的二次全息图(10)加载于空间光调制器(3)上。二次全息图可以是幅值全息图或相位全息图，在本实施例中为相位全息图。空间光调制器可以是各种空间光调制器，如透射式或反射式，相位调制型或幅值调制型，这里选用透射式的相位型空间光调制器只是作为本发明的一个方便说明的实例。写入光源(1)为对全息记录介质敏感实现曝光的激光器，可采用半导体激光器、固体激光器、气体激光器、准分子激光器等各种激光器。通过准直系统，写入光源(1)发出的激光被整形为平行光，并入射到空间光调制器(3)上。空间光调制器(3)由于加载了二次全息图(10)，对入射激光进行调制，并在置于再现像面上的全息图记录介质(5)上形成和子全息图(9)相同的衍射图样，由于全息记录介质(5)对写入激光敏感，在全息记录介质(5)上进行光学曝光，这样子全息图(8)便记录在全息记录介质上。矩形光阑(4)孔径与空间光调制器衍射生成的子全息图(9)衍射图样一致，并与其重合，用以遮挡杂散光、高阶衍射光和共轭像。全息图计算系统(6)通过控制伺服控制系统，移动全息写入系统或者全息记录介质(5)，同时将子全息图逐幅加载到空间光调制器，于是便可以将各子全息图(9)逐幅输出打印到全息记录介质(5)上，得到完整的目标全息图(8)。 

在本实施例中，由子全息图生成二次全息图的计算方法有多种，如迭代傅立叶算法、直接二元搜索算法、模拟退火算法等。本实施例以模拟退火算法来计算二次全息图，如图2所示。令目标全息图(8)为H，将其分为N(N≥2)个子全息图(9)，其中第j(1≤j≤N)个子全息图记为

子全息图(9)对应由计算得到的二次全息图(10)为H^j(k，l)，实际的二次全息图对应的再现像为h^j(m，n)。设全息面(即空间光调制器(3)所在的面)和再现像面(即全息图记录介质(5)所在的面)满足二维傅立叶变换关系： 

$h^j(m,n)={\left|\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\exp \right[{\mathrm{iH}}^j(k,l)\left]\exp \right[i2\mathrm{\π}(\frac{\mathrm{mk}}{M}+\frac{\mathrm{nl}}{N})\left]\right|}^2---\left(1\right)$

模拟退火算法计算步骤是，对于初始的

通过迭代t次以后得到二次全息图

由式(1)计算得到的二次全息图的再现像

不断接近子全息图即误差因子应不断减小： 

${\mathrm{\ξ}}_i^j=\frac{1}{\mathrm{MN}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\exp \right[h_i^j(k,l)]-\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_0(m,n)}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i^j(m,n)}\}---\left(2\right)$

具体计算中通过迭代的方式改变

个单元的取值，使

不断减小并小于给定的误差限ξ₀，并最终收敛，则得到的H^j(k，l)即为加载空间光调制器的二次全息图。 

图3为本发明提供的利用二次全息的数字全息图打印系统的第二个实施例，其具体结构与第一个实施例相似，其实施原理与本发明的第一实施例基本相同，但是加入了部分反射镜 (11)和全反射镜(12)。部分反射镜对入射激光具有部分反射率，其反射率数值由特定算法给出。部分反射镜的个数可以是一个或一个以上，令其个数为n，则此时具有n+1个全息图写入系统，这些全系写入系统可以以线阵列的形式排列，也可以以面阵列的形式排列。在全息图计算系统(6)的分割、计算和控制下，可以同时进行n+1幅子全息图的写入，这将极大提高写入速度。本实施例为方便起见，给出了一个部分反射镜的例子。 

图4为本发明专利提供的利用二次全息的数字全息图打印系统的第三个实施例，其具体结构与第一个实施例相似，其实施原理与本发明的第一实施例基本相同，但全息图计算系统(6)和伺服控制系统(7)同时控制两套以上的全息图写入系统，同时写入多幅全息图记录介质(5和5’)。通过特定的分割算法，可以将多幅目标全息图分成多块，分别写入全息图记录介质(5和5’)，然后通过拼接粘合已完成写入的全息图记录介质，生成更大尺寸的拼接全息图(13)。采用本方法可以同时在两幅以上的全息图记录介质上进行写入，本实施例为方便起见，给出同时写入两幅目标全息图的例子。 

Claims (10)

1.一种利用二次全息的数字全息图打印系统，其特征在于，至少含有：写入光源(1)、准直系统(2)、空间光调制器(3)、矩形光阑(4)、全息图记录介质(5)、全息图计算系统(6)、伺服控制系统(7)，由写入光源(1)、准直系统(2)、空间光调制器(3)、矩形光阑(4)、伺服控制系统(7)构成全息写入系统，需要记录在全息图记录介质(5)上的目标全息图(8)由全息图计算系统(6)计算产生，全息图计算系统(6)将目标全息图(8)划分成至少2个以上的子全息图(9)，将子全息图作为新的目标全息图，由全息图计算系统(6)通过再次全息计算，得到加载于空间光调制器上的二次全息图(10)。将全息图记录介质(5)放在二次全息图(10)的再现像面上，写入光源(1)通过准直系统(2)成为平行光，入射到空间光调制器(3)，加载了二次全息图(10)的空间光调制器(3)将准直后的写入光源(1)衍射，在全息图记录介质(5)上衍射形成子全息图(9)的条纹，将子全息图(9)曝光写入全息图记录介质(5)，由伺服控制系统(7)控制，通过在全息图记录介质(5)逐幅写入子全息图(9)，实现整幅目标全息图(8)打印输出到全息图记录介质(5)上。

2.根据权利要求1所述的一种利用二次全息的数字全息图打印系统，其特征在于，所述写入光源(1)与全息图计算系统(6)所采用的光源具有相同波长。

3.根据权利要求1所述的一种利用二次全息的数字全息图打印系统，其特征在于，所述的空间光调制器(3)是透射型或反射型空间光调制器，调制模式为幅值调制或相位调制。

4.根据权利要求1所述的一种利用二次全息的数字全息图打印系统，其特征在于，所述全息图记录介质(5)是具有高亮度衍射特性的全息记录介质材料，为卤化物银盐干版和光折变聚合物薄膜，且对于写入光源(1)的波长敏感。

5.根据权利要求1所述的一种利用二次全息的数字全息图打印系统，其特征在于，所述目标全息图(8)由光学干涉全息或计算全息的方法得到，当采用计算全息时，该全息图可由计算机三维建模的3D模型生成或由三维扫描实体产生的三维数据点集生成。

6.根据权利要求1所述的一种利用二次全息的数字全息图打印系统，其特征在于，所述的伺服控制系统(7)为二维平移机构，用来控制全息图记录介质(5)的移动或控制全息写入系统的移动，将子全息图逐幅写入全息记录介质(5)。

7.根据权利要求1所述的一种利用二次全息的数字全息图打印系统，其特征在于，将目标全息图(8)按照特定的分割方法分割成至少2幅以上的子全息图(9)，将子全息图(9)作为新的目标全息图，通过全息图计算系统(6)的二次全息计算得到其对应的二次全息图(10)，将其加载于空间光调制器(3)，实现子全息图(9)在全息图记录介质(5)上的分幅写入。

8.根据权利要求1所述的一种利用二次全息的数字全息图打印系统，其特征在于，采用权利要求7所述的二次全息图(10)是相位型全息图或幅值型全息图。

9.根据权利要求1所述的一种利用二次全息的数字全息图打印系统，其特征在于，采用权利要求7所述方法，使用2套以上的全息写入系统在全息图记录介质(5)同时写入多幅子全息图(9)。

10.根据权利要求1所述的一种利用二次全息的数字全息图打印系统，其特征在于，通过将2幅以上的全息图记录介质(5)拼接粘合，得到大幅面的全息图。

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