CN106932912A - 一种可实现全视差的全息立体图像记录系统及记录方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现全视差的反射式全息立体图像记录系统，其包括有脉冲激光器，所述脉冲激光器的激光输出侧设有一分光器，所述分光器输出的第一束激光传输至全息记录版的背侧，所述分光器输出的第二束激光通过一光学机构而传输至全息记录版的正侧，所述光学机构包括有沿第二束激光的传输方向依次设置的全息光学元件、管透镜和无穷远共轭显微物镜，所述管透镜和无穷远共轭显微物镜组成傅里叶变换透镜组，所述傅里叶变换透镜组用于将投影在全息光学元件上的图像会聚并投影在全息记录版的正侧，以令全息记录版上形成能量平顶分布的光斑。本发明能降低制作工艺中所引入的误差和噪声、节省加工工序，进而展现更加逼真的立体效果。

Description

一种可实现全视差的全息立体图像记录系统及记录方法

技术领域

本发明涉及全息立体图像记录技术领域，尤其涉及一种可实现全视差的全息立体图像记录系统及记录方法。

背景技术

目前，全息立体图像主要的合成全息技术是：两步法合成全息图，由于其能够实现较好的立体效果而广泛应用在全息包装膜、烫印模和全息防伪商标上。它通过首先拍摄一枚面积很大的H1母版，将一系列水平视差的图像存储在H1上；然后，通过参考光的二次再现，把衍射出来的动态图像叠加到一起，通过另外一枚H2干板记录下这一系列堆叠的图像，使这些水平视差的动态图像存储在这枚H2上。由于这一系列的动态图像是根据双眼视差形成的，在观察者看来，这就是一幅立体图像。

通常，为了平衡衍射效率，以及缩短制作合成全息母版的时间，两步法的合成全息在拍摄时，只能够是实现一维水平视差的图像显示，不能做到水平与垂直全视差的全息立体图像显示。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种可实现全视差的反射式全息立体图像记录系统及记录方法，用以降低制作工艺中所引入的误差和噪声、节省加工工序，进而展现更加逼真的立体效果。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种可实现全视差的反射式全息立体图像记录系统，其包括有脉冲激光器，所述脉冲激光器的激光输出侧设有一分光器，所述分光器用于将所述脉冲激光器输出的激光束分生两束激光后传输，所述分光器输出的第一束激光传输至全息记录版的背侧，所述分光器输出的第二束激光通过一光学机构而传输至全息记录版的正侧，所述光学机构包括有沿第二束激光的传输方向依次设置的全息光学元件、管透镜和无穷远共轭显微物镜，所述管透镜和无穷远共轭显微物镜组成傅里叶变换透镜组，所述傅里叶变换透镜组用于将投影在全息光学元件上的图像会聚并投影在全息记录版的正侧，以令全息记录版上形成能量平顶分布的光斑。

优选地，所述分光器输出的第一束激与全息记录版之间设有光阑、第一透镜、第一反射镜、第二透镜和第二反射镜，藉由所述光阑、第一透镜、第一反射镜、第二透镜和第二反射镜而将所述分光器输出的第一束传输至全息记录版的背侧。

优选地，所述光学机构还包括有第一透镜组和第一透镜组，所述分光器输出的第二束激光通过第一透镜组和第一透镜组而传输至全息光学元件。

优选地，所述第一透镜组和第一透镜组之间设有反射式液晶空间光调制器，所述反射式液晶空间光调制器用于对入射的第二激光束进行振幅调制，进而产生预设的图形化激光束。

优选地，所述全息记录版上设有感光材料。

一种可实现全视差的反射式全息立体图像记录方法，该方法基于上述系统实现，所述方法包括：所述脉冲激光器输出的激光束经过分光器分生两束激光，所述分光器输出的第一束激光传输至全息记录版的背侧，所述分光器输出的第二束激光投影在全息光学元件上，利用管透镜和无穷远共轭显微物镜组成的傅里叶变换透镜组将投影在全息光学元件上的图像会聚并投影在全息记录版的正侧，以令全息记录版上形成能量平顶分布的光斑。

优选地，所述分光器输出的第一束激光通过光阑、第一透镜、第一反射镜、第二透镜和第二反射镜传输至全息记录版的背侧。

优选地，所述分光器输出的第二束激光通过第一透镜组和第一透镜组而传输至全息光学元件。

优选地，利用所述反射式液晶空间光调制器对入射的第二激光束进行振幅调制，进而产生预设的图形化激光束。

优选地，经过所述反射式液晶空间光调制器反射后，驱使第二激光束的偏振状态发生90°偏转。

本发明公开的反射式全息立体图像记录系统及记录方法中，其引入了无穷远共轭的显微物镜体系，充分利用了显微物镜的超大数值孔径，使得该系统打印出来的全息立体图像的衍射视场角达到100°以上，可以使打印出来的全息立体图像立体感更强烈，也更加逼真。同时，利用无穷远共轭的显微物镜系统，还为光学系统的搭建带来更大的灵活性，不再受限于傅立叶变换透镜的焦距、频谱平面的位置等因素。此外，基于全息光学元件HOE，克服了普通透镜的傅立叶变换效果无法避免的衍射零极的能量过大而造成记录介质的损伤，在保持原有的光学体系不改变的情况下，实现光斑强度的平顶式分布。

附图说明

图1为本发明反射式全息立体图像记录系统的结构示意图。

图2为本发明反射式全息立体图像记录方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。

本发明公开了一种可实现全视差的反射式全息立体图像记录系统，如图1所示，其包括有脉冲激光器1，所述脉冲激光器1的激光输出侧设有一分光器2，所述分光器2用于将所述脉冲激光器1输出的激光束分生两束激光后传输，所述分光器2输出的第一束激光传输至全息记录版3的背侧，所述分光器2输出的第二束激光通过一光学机构而传输至全息记录版3的正侧，所述光学机构包括有沿第二束激光的传输方向依次设置的全息光学元件4、管透镜5和无穷远共轭显微物镜6，所述管透镜5和无穷远共轭显微物镜6组成傅里叶变换透镜组，所述傅里叶变换透镜组用于将投影在全息光学元件4上的图像会聚并投影在全息记录版3的正侧，以令全息记录版3上形成能量平顶分布的光斑。

上述反射式全息立体图像记录系统，其引入了无穷远共轭的显微物镜体系，充分利用了显微物镜的超大数值孔径，使得该系统打印出来的全息立体图像的衍射视场角达到100°以上，可以使打印出来的全息立体图像立体感更强烈，也更加逼真。同时，利用无穷远共轭的显微物镜系统，还为光学系统的搭建带来更大的灵活性，不再受限于傅立叶变换透镜的焦距、频谱平面的位置等因素。此外，基于全息光学元件HOE，克服了普通透镜的傅立叶变换效果无法避免的衍射零极的能量过大而造成记录介质的损伤，在保持原有的光学体系不改变的情况下，实现光斑强度的平顶式分布。

进一步地，所述分光器2输出的第一束激与全息记录版3之间设有光阑7、第一透镜8、第一反射镜9、第二透镜10和第二反射镜11，藉由所述光阑7、第一透镜8、第一反射镜9、第二透镜10和第二反射镜11而将所述分光器2输出的第一束传输至全息记录版3的背侧。

本实施例中，所述光学机构还包括有第一透镜组12和第一透镜组13，所述分光器2输出的第二束激光通过第一透镜组12和第一透镜组13而传输至全息光学元件4。

作为一种优选方式，所述第一透镜组12和第一透镜组13之间设有反射式液晶空间光调制器14，所述反射式液晶空间光调制器14用于对入射的第二激光束进行振幅调制，进而产生预设的图形化激光束。所述全息记录版3上设有感光材料。

关于图1中各字母的中英文对照，请参照下表：

关于各部分的功能解释为：

BS1作为偏振分光棱镜，将入射的激光束分成两束：物光和参考光。分束后，物光与参考光的强度比例根据P1元件调整的偏振态决定；在物光部分，即第二激光束的传输路径：分束后的激光光束，经过偏振元件P2(通常为1/2波片)调整其偏振态后，进入扩束透镜组LS1(Lens System1)；

LS1(Lens System1)是激光专用的透镜组合，其作用是将入射的细激光束变成一束平行光束，作为LCOS的照明光；

LCOS的作用是对入射的平行光进行振幅调制，由此产生记录系统所需要的图形化激光束；经由LCOS反射后，其偏振状态发生90°偏转；

P3是偏振元件，其作用是提高图形化激光束的图像对比度，提高系统的整体信噪比；

HM(Half Mirror)：，半透半反镜。入射的照明光源被它反射至LCOS，从LCOS反射出来的、经过图形化调制后的激光束，由于其偏振态偏转了90°，能够通过HM到达LS2；

LS2(Lens System2)透镜组是一组成像透镜，该镜组把图形化的光斑成像于HOE所在平面；同时，透镜组还能够消除由于LCOS的栅格结构产生的衍射，进而提高图形化激光束的质量；

HOE(Holographic Optical Element)的作用是把入射的图形化激光束的图像，与HOE元件自身的结构相加乘，对图形化激光束进行光束整形，改变了图形化激光束的相位分布，并限制图形化激光束在接下来的传播路径。特别强调的是，由于HOE的加乘作用，图形化激光束在透镜的傅立叶变换作用下，产生的频谱与常规的傅里叶变换不相同。说明如下：常规情况下，图像在透镜傅立叶变换作用下，会在透镜的后焦面上(也称为频谱面)得到一系列分布在二维空间的频谱，零极居中，且能量最大；高级次频谱，如±1、±2、±3……分布于零极周围，能量依次减弱。但是，经过特殊制作的HOE加乘之后，入射到HOE上的图形化激光束，经过透镜的傅立叶变换作用后，可以根据设计得到其频谱面上的光板形状，例如：一个六边形、菱形、正方形、圆形等。同时，由于HOE的加乘作用，整形光斑内的光强分布呈现为平顶式分布模式，即整个光斑区域内的强度是均匀的，不存在明显的强度差异。

经过HOE之后，无穷远共轭显微物镜Objective和管透镜Tube Lens组合成一个FTLS(Fourier Transform Lens System)傅里叶变换透镜组，它的作用就是把投影在HOE平面上的图像，会聚并投影在Objective的工作平面(Holographic Plane)上。由于，HOE自身结构具有相位调制和整形的作用，在Objective的工作平面上呈现的是一个特定形状的光斑(如：六边形)，并且整个光斑内光强呈平顶式分布，光斑内汇集了图形化激光束的很多高级次衍射信息，这对于全息傅里叶变换存储来说，具有非常重大的意义。最终，在HP平面上，得到的能量平顶分布的光斑，是图形化激光束的傅里叶变换频谱。需要特别强调的是，这个光斑是根据显微物镜的放大倍率进行缩小了的频谱。

在参考光部分，即第一激光束的传输路径：透镜L1与透镜L2组成的光学系统，将处于L1的前焦面上的光阑A1，投影于HP平面的感光材料上。A1的像，缩放的比例取决于透镜L1与L2的焦距之比。注意到，HP平面与透镜L2的后焦面是重合的。如图所示的参考光是垂直于HP平面入射，也可以与HP平面成一定的角度入射，如：45°。

最终，在HP平面上的会得到分别来自于物光和参考光的两个像：由显微物镜投影而成的图形化激光束经过傅里叶变换之后得到的平顶光斑，由透镜L1与透镜L2组成的光学系统对A1进行缩放得到的像。由于激光的干涉作用，这两个光斑(物光与参考光)就会产生干涉，其干涉场分布就会被HP平面上的感光材料所记录下来。这就完成了单点全息立体图像的记录。HP平面上，是一个搭载着感光材料进行步进式移动的直线电机平移台，每当完成一次记录，如：1mm×1mm的记录面积，平移台就会移动到下一个区域进行曝光记录。当设计的立体图像的所有像素，都经过这样的曝光方式进行记录，就完成了一幅完整的全息立体图像的记录。

基于上述结构的系统，本发明还公开一种可实现全视差的反射式全息立体图像记录方法，结合图1和图2所示，该方法基于上述系统实现，所述方法包括：所述脉冲激光器1输出的激光束经过分光器2分生两束激光，所述分光器2输出的第一束激光传输至全息记录版3的背侧，所述分光器2输出的第二束激光投影在全息光学元件4上，利用管透镜5和无穷远共轭显微物镜6组成的傅里叶变换透镜组将投影在全息光学元件4上的图像会聚并投影在全息记录版3的正侧，以令全息记录版3上形成能量平顶分布的光斑。

本实施例中，所述分光器2输出的第一束激光通过光阑7、第一透镜8、第一反射镜9、第二透镜10和第二反射镜11传输至全息记录版3的背侧。所述分光器2输出的第二束激光通过第一透镜组12和第一透镜组13而传输至全息光学元件4。

进一步地，利用所述反射式液晶空间光调制器14对入射的第二激光束进行振幅调制，进而产生预设的图形化激光束。经过所述反射式液晶空间光调制器14反射后，驱使第二激光束的偏振状态发生90°偏转。

本发明引入的无穷远共轭显微物镜系统和HOE相结合，实现了傅立叶图像中高级次衍射信息的收集，能够克服单透镜傅立叶变换对高级次衍射信息的收集受限于其物理孔径的困难，真正实现了更多高级次衍射信息的记录，得到图像更多的细节。这样，再现时的图像细节会得到更好的体系，从而更加栩栩如生。同时，由于HOE的平顶作用，在整个空间视场角内，各个方向的效率是一致，图像的中心和边缘的亮度是一致的。

其中，利用透镜的傅立叶变换效果，来实现全息图像的傅立叶存储，整个制作的过程只需要一步，就可以实现全视差的全息立体图像的打印，具备水平与垂直全视差的立体图像，能够展现更加逼真的立体效果，更易于被大众所识别，起到更好的防伪作用。同时，本发明利用一步法记录的全息图，免去了两步法需要分两次拍摄H1、H2的麻烦，更重要的是，也减少了制作工艺所引入的误差和噪声等。相比现有技术中，两步法记录的全息立体图像，无法做到很大的面积，比如：30cm×30cm。而利用一步法制作的全息图，由于其显示机理、图像数据处理方式更加先进，可以根据需要制作出任意尺寸大小的全息图。即使在设备条件受限制的情况下，一步法的机理制作的全系立体图像仍然可以通过拼接的方式，实现任意尺寸大小的全息图记录。

以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种可实现全视差的全息立体图像记录系统，其特征在于，包括有脉冲激光器(1)，所述脉冲激光器(1)的激光输出侧设有一分光器(2)，所述分光器(2)用于将所述脉冲激光器(1)输出的激光束分生两束激光后传输，所述分光器(2)输出的第一束激光传输至全息记录版(3)的背侧，所述分光器(2)输出的第二束激光通过一光学机构而传输至全息记录版(3)的正侧，所述光学机构包括有沿第二束激光的传输方向依次设置的全息光学元件(4)、管透镜(5)和无穷远共轭显微物镜(6)，所述管透镜(5)和无穷远共轭显微物镜(6)组成傅里叶变换透镜组，所述傅里叶变换透镜组用于将投影在全息光学元件(4)上的图像会聚并投影在全息记录版(3)的正侧，以令全息记录版(3)上形成能量平顶分布的光斑。

2.如权利要求1所述的可实现全视差的全息立体图像记录系统，其特征在于，所述分光器(2)输出的第一束激与全息记录版(3)之间设有光阑(7)、第一透镜(8)、第一反射镜(9)、第二透镜(10)和第二反射镜(11)，藉由所述光阑(7)、第一透镜(8)、第一反射镜(9)、第二透镜(10)和第二反射镜(11)而将所述分光器(2)输出的第一束传输至全息记录版(3)的背侧。

3.如权利要求1所述的可实现全视差的全息立体图像记录系统，其特征在于，所述光学机构还包括有第一透镜组(12)和第一透镜组(13)，所述分光器(2)输出的第二束激光通过第一透镜组(12)和第一透镜组(13)而传输至全息光学元件(4)。

4.如权利要求3所述的可实现全视差的全息立体图像记录系统，其特征在于，所述第一透镜组(12)和第一透镜组(13)之间设有反射式液晶空间光调制器(14)，所述反射式液晶空间光调制器(14)用于对入射的第二激光束进行振幅调制，进而产生预设的图形化激光束。

5.如权利要求1所述的可实现全视差的全息立体图像记录系统，其特征在于，所述全息记录版(3)上设有感光材料。

6.一种可实现全视差的全息立体图像记录方法，其特征在于，该方法基于权利1至5任一项所述的系统实现，所述方法包括：所述脉冲激光器(1)输出的激光束经过分光器(2)分生两束激光，所述分光器(2)输出的第一束激光传输至全息记录版(3)的背侧，所述分光器(2)输出的第二束激光投影在全息光学元件(4)上，利用管透镜(5)和无穷远共轭显微物镜(6)组成的傅里叶变换透镜组将投影在全息光学元件(4)上的图像会聚并投影在全息记录版(3)的正侧，以令全息记录版(3)上形成能量平顶分布的光斑。

7.如权利要求6所述的可实现全视差的全息立体图像记录方法，其特征在于，所述分光器(2)输出的第一束激光通过光阑(7)、第一透镜(8)、第一反射镜(9)、第二透镜(10)和第二反射镜(11)传输至全息记录版(3)的背侧。

8.如权利要求6所述的可实现全视差的全息立体图像记录方法，其特征在于，所述分光器(2)输出的第二束激光通过第一透镜组(12)和第一透镜组(13)而传输至全息光学元件(4)。

9.如权利要求6所述的可实现全视差的全息立体图像记录系统，其特征在于，利用所述反射式液晶空间光调制器(14)对入射的第二激光束进行振幅调制，进而产生预设的图形化激光束。

10.如权利要求9所述的可实现全视差的全息立体图像记录系统，其特征在于，经过所述反射式液晶空间光调制器(14)反射后，驱使第二激光束的偏振状态发生90°偏转。