CN1035494C - 用计算全息制作大视角二次彩虹全息的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用计算全息技术制作大视角二次彩虹全息图的方法。用计算机技术和本发明提供的光学系统可以简化二次全息制作方法，直接制作大视角的二次彩虹全息图。视角可达到120°～150°，而无需特大孔径的光学透镜系统(Ф＞600nm)。本方法特别适用于工业化生产模压全息图中全息母版的制作。

Description

用计算全息制作大视角二次彩虹全息的方法

本发明公布了一种用计算全息技术制作大视角二次彩虹全息图的方法。

彩虹全息是一种实用性很强的全息图，它可以在白光下显示三维物体图象，并可以赋予图象各种彩色编码，乃至实现真彩色三维显示，尤其用浮雕型记录介质记录下来的彩虹全息图制成金属模版，大批量高效率印制模压全息图也成为全息图工业化生产的基本方法之一。但是目前彩虹全息的各种制作方法，均存在着衍射角度的限制，流行最广的二次彩虹全息制作方法由于光学系统的种种限制，最大视角在90°左右。例如用中国发明专利CN1062222A“二维透视图片的三维全息处理方法”公布的方法，为达到在明视距离上视角Q_H＝45°(参见该发明专利说明书附图2)，此处毛玻璃到全息记录干板之间为明视距离，若它要达到一般人看图片时所需的明视距离250mm，则要求准直透镜的孔径为：

250×tg45°×2×cos45°≈353.5mm(设参考光与物光夹角为45°)。

如果要提高视角到150°，则Q_H＝75°，因而要求准直透镜孔径为：

250×tg75°×2×cos45°≈1319.3mm

这种方法即使可以实现，代价也十分高昂，仅一个1米直径的准直透镜就要耗资上百万元。建立这样的系统，目前从经济上讲，几乎是无法承受的。其它方法如上述专利中引用提到的合成全息摄影术(参见《实用全息摄影》中国徐大雄编)和组合照相术(参见《光全息手册》美国H·考尔菲尔德主编)，除了方法繁琐复杂、拍摄过程极长、成象质量不清晰以外，还有庞大照相机陈列费用昂贵、使用不便、系统恢复困难等问题。至于计算全息技术与彩虹全息技术的结合，也曾有人开展过研究，试图用计算机直接制作计算彩虹全息。因成象质量不好，没有得到实际应用(参见“计算彩虹全息图”，美国《应用光学》第23卷，第14期，第2442页)。我们通过国际联机检索，查出13篇有关用计算机制作模压全息和彩虹全息的专利和文献，没有发现用计算全息技术制作大视角彩虹全息的报道。其中最密切相关的一篇文献是美国专利US5237433A，该专利专门介绍了一种用计算机生成物体的方法，这种方法由物体内透视产生许多连续的小元面积，进而构成全息图。但也没有提到直接用计算全息技术制作大视角彩虹全息的方法和说明。因此本发明提出的方法是很有必要的。

本发明的目的是利用计算机技术高度灵活性的特点，简化二次彩虹全息制作方法，直接制作大视角彩虹全息图。用计算全息及本发明中提供的光学系统制作二次彩虹全息图，视角可达到120°～150°，而无需特大孔径的光学透镜系统(φ＞600mm)。本方法尤其适用于工业化生产模压全息图中全息母版的制作。

本发明的关键之处是用计算机产生的二元菲涅耳计算全息图作为制作二次彩虹全息图的主全息图(第一次全息图)，并把主全息图分解为多个不同方向照明的元全息图。具体方法见附图1所示。其中1是激光器，2～9都是分光镜，10、11是全反射镜，12是空间滤波器，13是准直透镜，14是光阑，15～23是元计算全息图，24是记录全息干版，25是渐变分光镜。将多个方向(图1所示为9个方向)上物体的三维数字图象输入计算机中，根据文献《计算机制全息图》(虞祖良、金国藩，清华大学出版社)中介绍的方法计算出二元菲涅耳计算全息图。其计算依据的基本参数如图1所示，每个方向(图中为9个方向，实际工作中是可以改变的)之间夹角为15°～20°。因而总的视角θ可达到130°以上。每块元全息图(15～23)与全息记录片即计算全息图成象面之间距离为250～300毫米(明视距离)，每块计算全息图衍射角度为5～7°。由于计算全息图的直接透射光即零级衍射光是不能成象，而且必须用记录全息片平面上光阑挡住的，不允许零级衍射光与一级衍射光有重叠而产生噪声。因此，明视距离与衍射角度限制了所做全息图的大小。在上述条件下最小可达到30毫米，这对于制作防伪商标来讲是足够的了，而制作大面积的全息图则需要进一步提高衍射角度。对应于5°衍射角，若使用激发波长为457.9nm的氩离子激光器作光源，则可算出其计算全息空间基频仅为190条/毫米，这是不难实现的。既可以用计算机控制的图形发生器生成，也可以用普通绘图仪绘制再用照相缩版方法复制。而且进一步提高计算全息图空间分辨率从而提高衍射角度也是可能的。

由计算机制成的全息图15～23置于图1所示的圆弧状位置上，用激光器通过分光镜2～9及全反镜10、11形成的多个方向的光束经由空间滤器2、准直透镜13、光阑14组成的平行光照明系统(每方向一组)进行照明。必须指出在不同方向上照明光强应当相同，因此分光境的分光比是分别确定的。在如图1情况下透反比分别为2号分光镜：5∶4；3号分光镜：3∶1；4号分光镜：2∶1；5号分光镜：1∶1；6号分光镜：4∶1；7号分光镜：3∶1；8号分光镜：2∶1 ；9号分光镜：1∶1。等光强照明可在记录全息片处形成重叠的等强度的若干单色象。为了使这些象能够重合，元计算全息图的夹持机构需要简单的微调机构，以保证不造成人眼视觉可以发现的误差。

图2为记录彩虹全息需要的参考光引入的方向的示意图，其中25是渐变分光镜，26是全反射镜，27是空间滤波器，28是光阑，29是多狭缝板。通过全反射镜26、空间滤波器27、及光阑28形成发散点光源照明，也可以增加透镜产生会聚点光源照明(图中未绘出)。这样由空间引入参考光，使多束再现光在与全息台面平行的平面中产生，减少相应机械结构的复杂性。按照上述方法经由上述光学系统便可在记录介录上记录下彩虹全息图。最后需要指出的一点是，在计算全息图前的狭缝板29，这是记录彩虹全息进行彩色编码或制作真彩色全息所必需的，许多文献都有详细报道(如上述专利CN1062222A中)，此处无需赘述。

在该光学系统中使用氩离子激光器(λ＝457.9nm)或其它短波长大功率激光光源作光源，同时用光刻胶版作全息记录材料，可以制作大视角(大于120°)模压全息图的模板，以便工业化生产大视角模压全息图。

本发明的光学系统将计算全息分解为元计算全息图按圆弧形布置，在很小的衍射角度条件下，将计算全息图各衍射级次分开，从而在计算全息图空间分辨率有限的条件下得到很大的视角，这是用其它方法无法实现的。本发明只需要小孔径的准直光束照明，既不需要昂贵的成象照相系统，也不需要特别的大口径准直物镜，避免了在大口径光学系统中大衍射角度的光能损失及光能分布不均匀。

本发明中不同方向上物体的三维数字图象可以是由摄象机采集的实际数字图象，也可以是人为设计图案的数字图象(不同方向的投影象很容易由计算机产生，有现成软件可以提供)。实际上从不同方向去观察所成的全息图象，还可以产生动态效果(当然这可能要增加记录方向，即增加多于9个的记录方向)，而且可能实现某些特殊的光学编码，以增加防伪功能。

由于本发明在制作元全息图时使用了计算机技术，彩虹全息图制作过程的灵活性得以大大提高，而且能大大增加模压全息图视角，提高模压全息图的质量及防伪功能。因此本发明特别适于工业化生产模压全息中制作模版。

Claims (4)

1.一种用计算全息技术制作大视角二次彩虹全息的方法，其特征是用计算机产生的二元菲涅耳计算全息图作为制作二次彩虹全息图的主全息图(第一次全息图)，并把主全息图分解为多个不同方向照明的元全息图，具体方法是将多个方向上物体的三维数字图象输入计算机中，计算出二元菲涅耳计算全息图，由计算机制成的元全息图分别置于圆弧状位置上，每个方向夹角为15°～20°，每块元全息图与全息记录干版之间距离为250～300毫米(明视距离)，每块元全息图衍射角度为5～7°，用激光器通过分光镜及全反镜形成的多个方向的光束经由空间滤波器、准直透镜、光阑组成的平行光照明系统进行照明，并确定各分光镜的分光比，保证在不同方向上照明光强应当相同，使在记录全息干版处形成重叠的等强度的若干单色象。

2.根据权利要求1所述的制作二次彩虹全息图的方法，其特征是为保持记录全息干版处形成的等强度的若干单色象能够重合，元计算全息图的夹持机械具有微调功能。

3.根据权利要求1所述的制作二次彩虹全息图的方法，其特征是记录用参考光由空间引入，通过全反射镜、空间滤波器及光阑形成发散光源照明，也可以增加透镜产生会聚点光源照明，使多束再现光在与全息台面平行的平面中产生。

4.根据权利要求1所述的制作二次彩虹全息图的方法，其特征是在其光学系统中使用氩离子激光器(λ＝457.9nm)或其它短波长大功率激光光源作光源，同时用光刻胶版作全息记录材料。

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