CN106227014A - 单步反射全息图写入系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于全息术领域，具体涉及一种单步反射全息图写入系统。光源通过半透半反分光镜后分成透射光和反射光两路光束，其中一路光束作为物光，通过滤光片和扩束镜后照亮物体，物体的反射光经双凸透镜组后形成物体的实像，根据所需的全息图再现效果，将全息记录介质放置在所成实像位置前侧或者后侧；另一路光束作为参考光，通过平面反射镜、滤光片、针孔滤波器和准直透镜后，与物光在全息记录介质上相交，形成干涉条纹，对全息记录介质曝光后进行相应处理，得到反射全息图。本发明可一步快速制得反射全息图，并可灵活调整全息记录介质的放置位置，全息图再现时观察到物体正确的三维实像或者虚像。

Description

单步反射全息图写入系统

技术领域

本发明属于全息术领域，具体涉及一种单步反射全息图写入系统。

背景技术

反射全息图作为一类可白光显示的全息图，在文物再现、三维效果装饰灯、科教显示等艺术领域中有着广泛的应用。

反射全息图利用全息记录介质的布喇格效应，于1962年，由丹尼苏克首先提出并研制成功，目前应用的反射全息技术主要包括一步法和二步法两大类。一步法源于传统的丹尼苏克方法，参考光与发散的物光分别从两侧照射全息记录介质，对干涉条纹进行相应处理后得到全息图，当白光沿原参考光方向照射全息图时，可在反射光方向观察到原物的虚像，当白光沿原参考光共轭方向照射全息图时，可在反射光方向观察到原物的赝实像。二步法首先是制作透射全息图母版，再将该母版二次曝光，翻拍到第二张全息记录介质，得到反射全息图，翻拍过程与一步法相似。

一步法制作反射全息图时，只能记录物体的发散光信息，因此全息图再现时只能观察到物体的虚像，而赝实像的深度信息是相反的。二步法制作反射全息图时，可通过调整二次曝光时记录介质的放置位置，记录物体的发散光或会聚光，以观察具有物体正确深度信息的实像或虚像，但其需要进行两次曝光，制作过程较为繁杂。

长期以来，人们对反射全息图制作系统加以改进，提出了物光扩展法、参考光扩展法来改善物体照明的明暗对比，利用光双稳装置抑制由于外界扰动造成的干涉条纹的随机漂移，研究了制作大景深反射全息图和彩色反射全息图的方法(如：钟丽云等，制作高质量、大版面体积反射全息图的一些新方法，光学技术，47，1998；张正贺等，一步法大景深反射全息图，激光杂志，55-56，2007；梁桂荣等，二步法大景深反射全息图，光学学报，2139-2142，2007；专利文献，公开号CN100592224C，CN1112615C)，但并没有解决一步法无法再现物体准确实像及二步法制图过程较为繁杂的弊端。

鉴于以上已有方法存在的不足，本发明提出一种制作单步反射全息图的系统，仅通过一次曝光，即可记录物体的发散光或会聚光信息，再现时能够观察到物体正确的实像或者虚像。

发明内容

本发明的目的是提供一种单步反射全息图写入系统，且全息图再现时，可观察到物体正确的实像或者虚像。

本发明的特征在于，单步反射全息图写入系统，至少含有光源、半透半反分光镜、平面反射镜、滤光片、扩束镜、物体、双凸透镜组、针孔滤波器、准直透镜和全息记录介质，所述半透半反分光镜、所述平面反射镜、所述滤光片、所述扩束镜、所述物体、所述双凸透镜组、所述针孔滤波器、所述准直透镜和所述全息记录介质依次设置在所述光源的光路上。其中，物体应放置在第一凸透镜的前焦点处，双凸透镜组的透镜间距应为透镜焦距长度的2倍，全息记录介质应近似放置于第二凸透镜的后焦点处，具体位置由全息图再现效果决定。

采用本发明制作单步反射全息图的步骤为：光源产生光束，入射至半透半反分光镜，分成透射光和反射光两路光束，将其中一路光束作为物光，另一路光束作为参考光；既可将透射光光束作为物光，反射光光束作为参考光，也可以将透射光光束作为参考光，反射光光束作为物光。

物光依次通过滤光片和扩束镜，照亮物体，滤光片用于调节该光路的光强，扩束镜用于变入射光的光束直径和发散角，进行光束的准直；物体被照亮后，其反射光通过双凸透镜组，透镜的焦距均为f，物体放置于第一凸透镜的前焦点处，双凸透镜组的透镜间距为透镜焦距长度的2倍，这样将在第二凸透镜的后焦点处产生与物体等大倒立的实像，物体、双凸透镜组和物体的实像构成了一4f光学系统；当所需的再现像为实像时，全息记录介质应放置在物体所成实像的前侧，当所需的再现像为虚像时，全息记录介质应放置在物体所成实像的后侧。

参考光依次通过平面反射镜、滤光片、针孔滤波器和准直透镜，平面反射镜用于调整光的方向，经滤波和准直处理后，形成单一空间频率的平面波，该平面波与物光在全息记录介质上相交，形成干涉条纹，通过调节滤光片，使得物光和参考光的光强比接近1∶1，通过调节平面反射镜的角度，使得物光与参考光在全息记录介质上相交时的夹角约为30°～60°。

得到干涉条纹后，干涉条纹对全息记录介质进行曝光，根据全息记录介质的类型，进行相应的后续工艺处理，可以得到最终的反射全息图。

所述扩束镜扩束后的物光既可以是平面波，也可以是非平面波，且可以对滤光片后的物光进行分束，采用多个扩束镜来得到多路物光，从不同角度同时照明物体以提高全息图在不同视角下的亮度均匀性。

所述全息记录介质，可以是银盐干板、重铬酸盐明胶，或者光致聚合物。

所述半透半反分光镜、滤光片、扩束镜、物体、双凸透镜组和全息记录介质构成物光端的光程，所述半透半反分光镜、平面反射镜、滤光片、针孔滤波器、准直透镜和全息记录介质构成参考光端的光程，两者之间光程之差需小于光源的相干长度，同时物光和参考光需从全息记录介质的两侧分别入射，两者相交时的夹角约为30°～60°。

所述双凸透镜组也可由双凹面镜组替代，但由于凹面镜是光的反射工作原理，而凸透镜是光的透射工作原理，从物体到全息记录介质的这段物光光路变成“z”字形，4f系统仍保持不变。

所述系统，既可以采用单光源制作单色反射全息图，也可以采用多光源制作真彩色反射全息图。

与现有技术相比，本发明提供的制作单步反射全息图的系统具有以下优点：

1.传统的基于丹尼苏克一步法的反射全息图制作方法，只能记录物体的发散光信息，即全息图再现时只能正确观察到物体的虚像，而该系统可通过调整全息记录介质的位置，记录物体的发散光或者会聚光信息，全息图再现时能够正确观察物体的实像或者虚像。

2.制作单色反射全息图时，传统的二步法，虽然全息图再现时能够正确观察到物体的实像或者虚像，但需要进行两次曝光，制作过程较为繁杂，而该系统仅需通过一次曝光，实现单步制作反射全息图。

附图说明

实施例图：

本发明提供的单步反射全息图写入系统的附图有6个

图1单步反射全息图写入系统第一个实施例的结构示意图。

图2双凸透镜组4f系统的成像原理图。

图3物面偏离第一凸透镜前焦点时，双凸透镜组4f系统成像原理图。

图4手表反射全息图的不同再现像。

图5单步反射全息图写入系统第二个实施例的结构示意图。

图6单步反射全息图写入系统第三个实施例的结构示意图。

图1～图6中，(1)-光源，(2)-半透半反分光镜，(3)-平面反射镜，(4)-滤光片，(5)-扩束镜，(6)-物体，(7)-双凸透镜组，(7a)-第一凸透镜，(7b)-第二凸透镜，(8)-针孔滤波器，(9)-准直透镜，(10)-全息记录介质，(11)-双凹面镜组，(11a)-第一凹面镜，(11b)-第二凹面镜，(12)-快门，(13)-计算机，(14)-合色棱镜。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明“单步反射全息图写入系统”实施方式作进一步地详细描述。

图1为本发明提供的单步反射全息图写入系统的第一个实施例，包括光源(1)，半透半反分光镜(2)，平面反射镜(3)、滤光片(4)，扩束镜(5)，物体(6)，双凸透镜组(7)，针孔滤波器(8)，准直透镜(9)，全息记录介质(10)，其中，双凸透镜组(7)包括第一凸透镜(7a)和第二凸透镜(7b)。

在该实施例中，光源(1)选择单色红光激光光源，该光源产生光束后，入射至半透半反分光镜(2)，将其透射光光束作为物光，反射光光束作为参考光，半透半反分光镜(2)选择分光棱镜。物光依次通过滤光片(4)和扩束镜(5)，照亮物体(6)，滤光片(4)选择中性密度滤光片，物体(6)放置在第一凸透镜(7a)的前焦点处，双凸透镜组(7)的透镜间距为透镜焦距长度的2倍，物体(6)的镜面反射光通过双凸透镜组(7)后，在第二凸透镜(7b)的后焦点处产生物体等大倒立的实像，物体(6)、双凸透镜组(7)和物体的实像构成了一4f光学系统，全息图再现时为获得物体的实像，将全息记录介质(10)放置于所成实像的前侧，全息记录介质(10)选择银盐干板。参考光依次通过平面反射镜(3)、滤光片(4)、针孔滤波器(8)和准直透镜(9)，滤波和准直处理后，形成单一空间频率的平面波，该平面波与物光在全息记录介质上相交，形成干涉条纹，参考光与物光之间的差需小于光源的相干长度，通过分别调节物光和参考光的滤光片，使得两者的光强比近似1∶1，通过调节平面反射镜(3)的角度，使得物光与参考光在全息记录介质上相交时的夹角为30°～60°。得到干涉条纹后，对银盐干板进行显影和漂白处理，获得所需的反射全息图。

图1实施例中，所述扩束镜(5)扩束后的物光既可以是平面波，也可以是非平面波，且可以对滤光片(4)后的物光进行分束，采用多个扩束镜(5)来得到多路物光，从不同角度同时照明物体以提高全息图在不同视角下的亮度均匀性。所述全息记录介质(10)既可以是银盐干板，也可以是重铬酸盐明胶，或者光致聚合物。

图2为双凸透镜组4f系统的成像原理图。假设凸透镜为理想透镜，焦距为f，当物面严格位于第一凸透镜(7a)前焦点时，用波动光学分析4f系统成像关系。假设物面光场分布为f(x₀，y₀)，频谱面光场分布为F(f_x，f_y)，像面上光场分布为f‘(x_i，y_i)。

物面光场分布与频谱面光场分布是一对傅里叶变换关系，则有

$f(x_0,y_0)=\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫\∫}}F(f_x,f_y)\exp \[j2\mathrm{\π}(f_x{x}_0+f_y{y}_0)\]{\mathrm{df}}_x{\mathrm{df}}_y---\left(1\right)$

同理，频谱面光场分布与像面光场分布又是一对傅里叶变换关系，并类比(1)式，则有

因此，通过4f系统，能够得到物体一等大、倒立的实像。

图3为物面偏离第一凸透镜(7a)前焦点时，双凸透镜组4f系统成像原理图。实际物体(6)是有深度的，假设物面并不严格位于第一凸透镜(7a)的前焦点处，偏移量为Δz，以x轴方向为例分析物面经双凸透镜组(7)后所成像大小与位置的变化状况。l表示x轴方向物的长度，l′表示x轴方向像的长度，Δz′表示所成像在z轴方向的偏移量。由于光源的相干长度有限，被记录物体的深度也是有限的，假设Δz∈(0，f)，分别可能向z轴的两个方向偏移，图3(a)为物面靠近第一凸透镜(7a)时的光路图，图3(b)为物面远离第一凸透镜(7a)时的光路图。

由图3(a)和图3(b)中相似三角形及全等三角形关系，有

$\left\{\begin{array}{c}\frac{l}{l^{\′}}=\frac{\mathrm{\Δ}z}{f}\\ \frac{l^{\′\′}}{l^{\′}}=\frac{{\mathrm{\Δz}}^{\′}}{f}\\ l=l^{\′}\end{array}\right.---\left(3\right)$

得到

Δz＝Δz′ (4)

可见，当物面并不严格位于第一凸透镜(7a)的前焦点时，经4f系统，仅是像面位置发生了平移，像的大小并没有改变，原物的信息能够被准确记录。

图4为手表反射全息图的不同再现像，(a)、(b)、(c)是为了说明再现像的位置信息，全息干板两侧各放置一直尺，直尺1与干板平行，直尺2凸出于干板，相机拍照时，首先是直尺1清晰，再是手表表盘清晰，最后是直尺2清晰，说明再现像是一个凸出于干板的实像，(d)和(e)是不同视角下的手表再现像。

图5为本发明提供的制作单步反射全息图的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相同。但在该实施例中，将双凸透镜组(7)替换成双凹面镜组(11)，双凹面镜组(11)包括第一凹面镜(11a)和第二凹面镜(11b)，物光光路也相应地改变为“z”字形。

图6为本发明提供的制作单步反射全息图的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相同。但在该实施例中，采用了红、黄、蓝三色光源，分别连接三个快门(12)，利用计算机(13)控制相应快门的闭合，再经过合色棱镜(14)的合色作用，曝光后可制作真彩色反射全息图。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种单步反射全息图写入系统，其特征在于，所属系统包括：光源(1)、半透半反分光镜(2)、平面反射镜(3)、滤光片(4)、扩束镜(5)、物体(6)、双凸透镜组(7)、针孔滤波器(8)、准直透镜(9)和全息记录介质(10)，沿光束前进的方向，双凸透镜组(7)包括第一凸透镜(7a)和第二凸透镜(7b)，所述半透半反分光镜(2)、所述平面反射镜(3)、所述滤光片(4)、所述扩束镜(5)、所述物体(6)、所述双凸透镜组(7)、所述针孔滤波器(8)、所述准直透镜(9)和所述全息记录介质(10)依次设置在所述光源(1)的光路上；光源(1)通过半透半反分光镜(2)后分成透射光和反射光两路光束，其中一路光束作为物光，依次通过滤光片(4)和扩束镜(5)，照亮物体(6)，物体(6)的反射光通过双凸透镜组(7)，最终照射全息记录介质(10)，物体(6)放置在第一凸透镜(7a)的前焦点处，全息记录介质(10)近似放置在第二凸透镜(7b)的后焦点处，双凸透镜组(7)的透镜间距为透镜焦距长度的2倍，同时，另一路光束作为参考光，依次通过平面反射镜(3)、滤光片(4)、针孔滤波器(8)和准直透镜(9)，滤波和准直处理后，形成单一空间频率的平面波，该平面波也将照射全息记录介质(10)，两束光在全息记录介质(10)上相交，形成干涉条纹，再对全息记录介质(10)进行相应处理，得到反射全息图。

2.如权利要求1所述的单步反射全息图写入系统，其特征在于，所述扩束镜(5)扩束后的物光既可以是平面波，也可以是非平面波，且可以对滤光片(4)后的物光进行分束，采用多个扩束镜(5)来得到多路物光，从不同角度同时照明物体以提高全息图在不同视角下的亮度均匀性。

3.如权利要求1所述的单步反射全息图写入系统，其特征在于，所述全息记录介质(10)可以是银盐干板、重铬酸盐明胶，或者光致聚合物。

4.如权利要求1所述的单步反射全息图写入系统，其特征在于，所述半透半反分光镜(2)、滤光片(4)、扩束镜(5)、物体(6)、双凸透镜组(7)和全息记录介质(10)构成的物光端的光程，所述半透半反分光镜(2)、平面反射镜(3)、滤光片(4)、针孔滤波器(8)、准直透镜(9)和全息记录介质(10)构成的参考光端的光程，两者之间的光程差应小于光源(1)的相干长度，同时物光和参考光需从全息记录介质(10)的两侧分别入射，假设光源(1)的波长为λ，当物光和参考光夹角为θ时，根据干涉原理，干涉条纹间距为d＝λ/(2sin(θ/2))，为满足记录介质的分辨率要求，θ应为30°～60°。

5.如权利要求1所述的单步反射全息图写入系统，其特征在于，所述双凸透镜组(7)也可由双凹面镜组(11)替代，双凹面镜组(11)包括第一凹面镜(11a)和第二凹面镜(11b)，对应的透射式光路变为反射式光路。

6.如权利要求1所述的单步反射全息图写入系统，其特征在于，所述全息记录介质(10)的放置位置由所需的反射全息图再现效果决定，物体的反射光经双凸透镜组(7)后，会在第二凸透镜(7b)的后焦点处形成物体的实像，沿物光前进的方向，规定物光先到达处为前侧，后到达处为后侧，当需要反射全息图再现实像效果时，全息记录介质(10)放置在物体所成实像的前侧，当需要反射全息图再现虚像效果时，全息记录介质(10)放置在物体所成实像的后侧。

7.如权利要求1所述的单步反射全息图写入系统，其特征在于，既可以采用单光源制作单色反射全息图，也可以采用多光源制作真彩色反射全息图，多个快门(12)分别与相应的光源(1)连接，利用计算机(13)控制快门的开闭，使用合色棱镜(14)将不同光源合束，制得彩色反射全息图。