CN113589670A - 基于计算全息面元算法进行光致聚合物记录及显示的方法 - Google Patents

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楼宇丽
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Abstract

本发明公开了一种基于计算全息面元算法进行光致聚合物的记录及显示的方法，S1：飞秒脉冲激光器出射的一束光经过扩束准直后，通过物镜将脉冲激光在光致聚合物材料上聚焦，使光致聚合物的折射率发生变化，通过控制平移台来控制光致聚合物的位置，实现对两块材料三维记录；S2：通过计算全息面元算法计算出物体的复振幅分布并将两块材料编码，用计算机控制曝光时间等参数，飞秒激光将光致聚合物刻写成所计算编码的相息图；S3：记录完之后，取下第二分束镜以及记录位置前的物镜使用平面波同时照射两块刻写好的光致聚合物并合束，即可得到三维物体的再现像；可以实现对三维物体的记录与显示。

Description

基于计算全息面元算法进行光致聚合物记录及显示的方法
技术领域
本发明涉及计算全息技术领域，特别是一种计算全息面元算法进行光致聚合物的记录及显示的方法
背景技术
将计算全息(Computer-generated hologram,CGH)技术用于三维显示可以完整的将三维物体的振幅与相位再现出来，包含了原始三维的物体全部信息。全息三维显示结合了传统光学全息术、快速算法计算、微纳材料加工及显示承载器件等多方向的交叉研究领域。相较于传统的三维显示技术如双目视差显示技术、体显示技术等，全息三维显示拥有可提供全部的深度暗示、符合人眼自然观察习惯、装置结构简单等诸多优势，被誉为是三维显示技术中最有发展前景的一种。
CGH与传统全息术相同的是同样包括了波前记录过程和三维重建过程。与传统光学全息术不同的是：基于CGH的全息三维显示技术波前记录的过程可以通过计算机来完成，这样避免了复杂的干涉记录光路。并且功能灵活，适用范围广，只要有该光波的数学描述就可以再现不存在的虚拟三维物体。并随着微纳加工技术与空间光调制器(Spatial LightModulator,SLM)技术的发展，波前的精确的相位调制可以通过衍射光学元件和相位型SLM来实现。将计算出的三维物体在全息面的复振幅分布以适合的方式编码在所选择的显示媒介上，并用相干光照射，即可完成对三维物体的光学重建。
目前基于计算全息的三维显示技术发展十分迅速，随着GPU、CPU、可编程门阵列(field-programmable gate array，FPGA)等计算硬件的不断进步，为计算全息的发展提供了运算能力上的保证。将计算机图形学、微纳光学等学科结合计算全息，在计算方法，复振幅编码等方面提供了更加广阔的思路，加速了三维显示技术应用于医学、教育、建筑以及国防军事等关键行业中。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了基于计算全息面元算法进行光致聚合物的记录及显示的方法，可以实现对三维物体的记录与显示。
本发明的技术方案是：
基于计算全息面元算法进行光致聚合物的记录及显示的方法，
S1：飞秒脉冲激光器出射的一束光经过扩束准直后，通过物镜将脉冲激光在光致聚合物材料上聚焦，使光致聚合物的折射率发生变化，通过控制平移台来控制光致聚合物的位置，实现对两块材料三维记录；
S2：通过计算全息面元算法计算出物体的复振幅分布并将两块材料编码，用计算机控制曝光时间等参数，飞秒激光将光致聚合物刻写成所计算编码的相息图；
S3：记录完之后，取下第二分束镜以及记录位置前的物镜使用平面波同时照射两块刻写好的光致聚合物并合束，即可得到三维物体的再现像。
优选的，基于计算全息面元算法进行光致聚合物的记录及显示的装置包括：飞秒激光器、控制曝光时间等参数的开关、第一小孔、第一傅里叶透镜、第一分束镜、第二分束镜、物镜、三维平移台、第一光致聚合物材料、第二傅里叶透镜、光电倍增管、电脑、固体激光器、第二小孔、第三傅里叶透镜、第三分束镜、反射镜、第二光致聚合物材料、合束镜、CCD；飞秒激光器的后方设置控制曝光时间等参数的开关，控制曝光时间等参数的开关连接电脑，控制曝光时间等参数的开关后方设置第一小孔，第一小孔后方设置第一傅里叶透镜，第一傅里叶透镜后方设置第一分束镜，第一分束镜的后方设置第二分束镜，第二分束镜后方设置物镜，后方设置物镜的底部设置三维平移台，后方设置物镜设置第一光致聚合物材料，第一光致聚合物材料的后方设置合束镜，合束镜的后方设置CCD；
第一分束镜底部设置第三分束镜，第三分束镜的前方设置第二小孔，第二小孔前方设置固体激光器，第三分束镜的后方设置反射镜，反射镜的上方设置第二光致聚合物材料，第二光致聚合物材料的上方设置合束镜。
优选的，飞秒脉冲激光器发出的激光波长为800nm，平均光强20mW，单点曝光5ms，物镜的放大倍数为20倍，物镜的数值孔径0.75。
优选的，两块光致聚合物均为掺杂二氧化硅纳米粒子的聚甲基丙烯酸甲酯光致聚合物材料。
优选的，计算全息面元算法为基于三维仿射变换的解析面元算法；将所计算的三维物体表面离散成n个三角形，其在全息图平面的复振幅分布FH(x，y)可表示为：
Figure BDA0003186060090000031
其中x，y为全息图平面的坐标，Fi(x，y)为离散后的第i个三角形在全息图平面的复振幅分布。
优选的，对权利要求5中计算结果采用双相位分解编码方法，将FH(x，y)分解为：
Figure BDA0003186060090000032
其中
Figure BDA0003186060090000033
分别表示两块光致聚合物材料上的相位分布：
Figure BDA0003186060090000034
Figure BDA0003186060090000035
优选的，在记录完毕之后，将第二分束镜以及记录位置之前的物镜取下，一块光致聚合物材料置于记录位置第二傅里叶透镜处，另一块光致聚合物置于合束镜处，二者可以任意更换位置构成两块全息图；
采用532nm平行光照射上述记录好的两块全息图，并用合束镜合束即可得到再现的三维物体。
本发明的有益效果是：
1、本发明基于计算全息三维显示技术，其中包括对三维物体在全息面复振幅的计算以及编码在光致聚合物材料上。通过使用三维仿射变换精确算法快速计算出全息面上的复振幅分布，并用双相位编码至两块光致聚合物材料上的相位分布，使用飞秒脉冲加工系统记录在记录位置上对两块材料上分别完成三维显示的记录过程，实现对三维信息的全息存储。
2、本发明中再现过程由固体激光器发出的光束经由准直扩束并由第三分束镜分成两束，两束光分别照射在已经记录好的两块光致聚合物材料上，并由合束镜合束，可以将所记录的三维物体再现出来。
附图说明
图1是本发明中所用的全息记录及再现系统结构图。
图2是本发明中所用的计算全息面元算法流程图。
附图标记：1.飞秒激光器、2.控制曝光时间等参数的开关、3.第一小孔、4.第一傅里叶透镜、5.第一分束镜、6.第二分束镜、7.物镜、8.三维平移台、9.第一光致聚合物材料、10.第二傅里叶透镜、11.光电倍增管、12.电脑、13.固体激光器、14.第二小孔、15.第三傅里叶透镜、16.第三分束镜、17.反射镜、18.第二光致聚合物材料、19.合束镜、20.CCD。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
如图1至2所示，基于计算全息面元算法进行光致聚合物的记录及显示的方法，飞秒脉冲激光器出射的一束光经过扩束准直后，通过物镜将脉冲激光在光致聚合物材料上聚焦，使光致聚合物的折射率发生变化，通过控制平移台来控制光致聚合物的位置，实现对两块材料三维记录。通过计算全息面元算法计算出物体的复振幅分布并将两块材料编码，用计算机控制曝光时间等参数，飞秒激光将光致聚合物刻写成所计算编码的相息图。
其中，基于计算全息面元算法进行光致聚合物的记录及显示的装置，飞秒脉冲激光器1通过开关控制输出，依次通过第一小孔2，第一傅里叶透镜3，第一分束镜4，第二分束镜5，物镜6，之后在光致聚合物材料上聚焦，对材料实现折射率调制，并通过对三维平移台8控制材料位置，按照计算全息面元算法计算并编码的全息图依次完成对两块材料的记录过程。在记录前由光致聚合物材料表面经由第二分束镜6、第二傅里叶透镜10反射至光电倍增管11的光信号来定位记录深度位置，其中飞秒激光器1，光电倍增管11，三维平移台8均由计算机自动控制。三维再现过程中关闭飞秒激光器1，取下第二分束镜6，物镜7，由固体激光器13出射的光束依次经过第二小孔14，第三傅里叶透镜15，并由第三分束镜16分成两束。其中一束经由第一分束镜5，照射至第一光致聚合物材料9上，另外一束由反射镜反射至第二光致聚合物材料18上，并由合束镜19将经由第一光致聚合物材料9、第二光致聚合物材料18的两束光合束，在CCD20平面内重建出三维物体。
飞秒脉冲激光器1发出的激光波长为800nm，平均光强20mW，单点曝光5ms。所述物镜的放大倍数为20倍，数值孔径0.75。当写入光斑为5mm时，xy方向分辨率为3μm。
使用的计算全息面元算法为基于三维仿射变换的解析面元算法。将所计算的三维物体表面离散成n个三角形，其在全息图平面的复振幅分布FH(x，y)可表示为：
Figure BDA0003186060090000051
其中，x，y为全息图平面的坐标，其中Fi(x，y)为离散后的第i个三角形在全息图平面的复振幅分布。Fi(x，y)可由以下流程图计算出：
飞秒脉冲激光器发出的激光波长为800nm，平均光强20mW，单点曝光5ms。所述物镜的放大倍数为20倍，数值孔径0.75。当写入光斑为5mm时，xy方向分辨率为3μm。
使用的计算全息面元算法为基于三维仿射变换的解析面元算法。将所计算的三维物体表面离散成n个三角形，其在全息图平面的复振幅分布FH(x，y)可表示为：
Figure BDA0003186060090000052
其中x，y为全息图平面的坐标，其中Fi(x，y)为离散后的第i个三角形在全息图平面的复振幅分布。Fi(x，y)可由以下流程图计算出：
两块光致聚合物均为掺杂二氧化硅纳米粒子的聚甲基丙烯酸甲酯光致聚合物材料。
编码方法为双相位编码，将FH(x，y)分解为：
Figure BDA0003186060090000053
其中
Figure BDA0003186060090000054
分别表示两块光致聚合物材料上的相位分布：
Figure BDA0003186060090000055
Figure BDA0003186060090000056
通过以上编码可以将三维物体的振幅相位信息记录在光致聚合物材料中。
在记录完毕之后，将记录位置之前的物镜取下，一块光致聚合物材料置于记录位置第二傅里叶透镜处，另一块光致聚合物置于合束镜处，二者可以任意更换位置。采用532nm平行光照射中记录好的两块全息图，用合束镜合束即可得到再现的三维物体。该方法可以实时地对三维物体进行记录以及再现，易于操作，具有很强的实用性，可以用于全息存储，三维显示等领域，具有重要的应用价值。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

1.基于计算全息面元算法进行光致聚合物的记录及显示的方法，其特征在于，
S1：飞秒脉冲激光器出射的一束光经过扩束准直后，通过物镜将脉冲激光在光致聚合物材料上聚焦，使光致聚合物的折射率发生变化，通过控制平移台来控制光致聚合物的位置，实现对两块材料三维记录；
S2：通过计算全息面元算法计算出物体的复振幅分布并将两块材料编码，用计算机控制曝光时间等参数，飞秒激光将光致聚合物刻写成所计算编码的相息图；
S3：记录完之后，取下第二分束镜以及记录位置前的物镜使用平面波同时照射两块刻写好的光致聚合物并合束，即可得到三维物体的再现像。
2.根据权利要求1所述的基于计算全息面元算法进行光致聚合物的记录及显示的方法，其特征在于：其中，基于计算全息面元算法进行光致聚合物的记录及显示的装置包括：飞秒激光器(1)、控制曝光时间等参数的开关(2)、第一小孔(3)、第一傅里叶透镜(4)、第一分束镜(5)、第二分束镜(6)、物镜(7)、.三维平移台(8)、第一光致聚合物材料(9)、第二傅里叶透镜(10)、光电倍增管(11)、电脑(12)、固体激光器(13)、第二小孔(14)、第三傅里叶透镜(15)、第三分束镜(16)、反射镜(17)、第二光致聚合物材料(18)、合束镜(19)、CCD(20)；所述飞秒激光器(1)的后方设置控制曝光时间等参数的开关(2)，所述控制曝光时间等参数的开关(2)连接电脑(12)，所述控制曝光时间等参数的开关(2)后方设置第一小孔(3)，所述第一小孔(3)后方设置第一傅里叶透镜(4)，所述第一傅里叶透镜(4)后方设置第一分束镜(5)，所述第一分束镜(5)的后方设置第二分束镜(6)，所述第二分束镜(6)后方设置物镜(7)，所述后方设置物镜(7)的底部设置三维平移台(8)，所述后方设置物镜(7)设置第一光致聚合物材料(9)，所述第一光致聚合物材料(9)的后方设置合束镜(19)，所述合束镜(19)的后方设置CCD(20)；
所述第一分束镜(5)底部设置第三分束镜(16)，所述第三分束镜(16)的前方设置第二小孔(14)，所述第二小孔(14)前方设置固体激光器(13)，所述第三分束镜(16)的后方设置反射镜(17)，所述反射镜(17)的上方设置第二光致聚合物材料(18)，所述第二光致聚合物材料(18)的上方设置合束镜(19)。
3.根据权利要求1所述的基于计算全息面元算法进行光致聚合物的记录及显示的方法，其特征在于：所述飞秒脉冲激光器发出的激光波长为800nm，平均光强20mW，单点曝光5ms，所述物镜的放大倍数为20倍，所述物镜的数值孔径0.75。
4.根据权利要求1所述的基于计算全息面元算法进行光致聚合物的记录及显示的方法，其特征在于：两块所述光致聚合物均为掺杂二氧化硅纳米粒子的聚甲基丙烯酸甲酯光致聚合物材料。
5.根据权利要求1所述的基于计算全息面元算法进行光致聚合物的记录及显示的方法，其特征在于：所述计算全息面元算法为基于三维仿射变换的解析面元算法；将所计算的三维物体表面离散成n个三角形，其在全息图平面的复振幅分布FH(x，y)可表示为：
Figure FDA0003186060080000021
其中x，y为全息图平面的坐标，Fi(x，y)为离散后的第i个三角形在全息图平面的复振幅分布。
6.根据权利要求5所述的基于计算全息面元算法进行光致聚合物的记录及显示的方法，其特征在于：对权利要求5中计算结果采用双相位分解编码方法，将FH(x，y)分解为：
Figure FDA0003186060080000022
其中
Figure FDA0003186060080000023
分别表示两块光致聚合物材料上的相位分布：
Figure FDA0003186060080000024
Figure FDA0003186060080000025
7.根据权利要求1所述的基于计算全息面元算法进行光致聚合物的记录及显示的方法，其特征在于：在记录完毕之后，将第二分束镜以及记录位置之前的物镜取下，一块光致聚合物材料置于记录位置第二傅里叶透镜处，另一块光致聚合物置于合束镜处，二者可以任意更换位置构成两块全息图；
采用532nm平行光照射上述记录好的所述两块全息图，并用合束镜合束即可得到再现的三维物体。
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