CN115997177A - 基于多全息像素印刷的数字全息屏幕制作方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于多全息像素印刷的数字全息屏幕制作系统，其特征在于，包括：光源部，其包括激光、用于整合RGB三色的双色镜、镜子、分束器、光学快门等；物体光束部，其将从光源部出来的两束光束中的一束转换为物体光束(物体光束或信号光束)，并且包括空间过滤器、镜头、镜子等；基准光束部，其将从光源部出来的两束光束中剩下的一束转换为基准光束，并且包括空间过滤器、镜头、镜子等；扩散器固定部，其位于物体光束部和记录媒质之间，并且包括通过使得物体光束散射来扩散光束的扩散器及扩散器支架；光掩模移动部，其位于基准光束部和记录媒质之间，并且包括画有网格形态的打开/关闭二进制图案的光掩模、光掩模支架、XY‑移动平台；控制部，其对光学快门及移动平台。另外，本发明涉及一种基于多全息像素印刷的数字全息屏幕制作方法，在制作由全息像素构成的数字全息屏幕时，使用打开/关闭二进制图案的光掩模，由RGB子像素结构构成一个全息像素，以可一次性印刷多个全息像素的多全息像素印刷技术为基础，可进行多全息像素单位的高速印刷，本发明的基于多全息像素印刷的数字全息屏幕制作方法和系统使用打开/关闭二进制图案的光掩膜，由RGB子像素结构构成一个全息像素，以可一次性印刷多个全息像素的多全息像素印刷技术为基础，可进行多全息像素(全息像素排列或全息像素块)单位的高速印刷，并且普及型快门即可，而不需要高速快门(AOM等)，并且具有以下显著效果：不使用SLM(空间光调制器)，简化了系统的光学结构，降低了系统制作费用，并且可对构成全息像素的子像素的结构进行多样的变更，适合于制作大面积全息屏幕。

Description

基于多全息像素印刷的数字全息屏幕制作方法及系统
技术领域
本发明涉及一种数字全息屏幕制作方法及系统，更加详细地涉及一种数字全息屏幕的制作方法及系统，其在制作由全息像素构成的数字全息屏幕时，使用开/关(on/off)二进制图案的光掩膜，由RGB子像素结构构成一个全息像素，以可一次性印刷多个全息像素的多全息像素印刷技术为基础，可进行多全息像素(全息像素排列或全息像素块)单位的高速印刷，并且普及型快门即可，而不需要高速快门(AOM等)，并且不使用SLM(空间光调制器)，简化了系统的光学结构，降低了系统制作费用，并且可对构成全息像素的子像素的结构进行多样的变更，适合于制作大面积全息屏幕。
背景技术
图1是根据现有技术的数字全息图制作系统的光学构成图。
激光光源分为两个光束(基准光束、物体光束)，物体光束通过SLM(空间光调制器)的同时内含有数字影像信息，并入射至记录媒质。
基准光束沿物体光束的相反方向入射至记录媒质。
因此，当物体光束和基准光束同时入射至记录媒质时，记录像一个点一样的全息图，即，相当于显示设备的一个点(像素)的全息像素(Hogel，hologram pixel)。
记录一个全息像素后，在使得安装有记录媒质的XY移动平台移动的同时，将整个全息像素印刷于记录媒质。
作为现有专利技术的一个例子，登记专利公报登记号10-2067762号公开了一种全息图记录方法，将参照光束和根据多个全息像素(hologram pixel)信息分别调制的信号光束的干涉图案记录在全息图记录媒质，所述全息图记录方法包括以使得彼此相邻的全息像素的至少一部分重叠的形式记录的多路复用(mult iplexing)记录步骤，多路复用记录步骤包括如下步骤：决定多路复用因子(mult iplexing factor)和M(M>1)的步骤；
第一全息像素记录步骤，对参照光束和根据第一全息图像素信息调制的信号光束的干涉图案进行记录；
第二全息像素记录步骤，对参照光束和根据第二全息图像素信息调制的信号光束的干涉图案进行记录，
在多路复用因子为1的情况下，为了记录一个全息像素，将全息图记录媒质暴露于光中的时间为t时，在第一全息像素记录步骤和第二全息像素记录步骤分别将全息图记录媒质暴露于光中的时间设为t/M。
另外，在登记专利公报登记号10-2101896号中公开了一种全息像素生成方法。
但是，在以往的数字全息印刷系统中，依次记录全息像素，当一个全息像素的记录过程结束后，记录媒质移动到下一个全息像素位置。
此时，一个全息像素的生成伴随着XY平台的一次移动和一次光学快门的开闭。
像这样依次记录单个全息像素的以往方式的情况，为了完成一张全息图，需要记录大量的全息像素。
例如，当以100x100(横x竖)形态记录全息像素时，生成一张全息图需要1万个全息像素，如果是500x500的情况，则需要记录25万个全息像素。
因此，完成一张全息图需要很长时间，在长时间印刷期间，印刷系统或记录媒质等受到外部振动或杂光影响的可能性非常高，在印刷系统性能方面，需要长时间操作的高稳定性和对故障的可靠性。
另外，在以往的数字全息图制作系统中，昂贵的高速快门(AOM等)或高分辨率SLM是必要的，因此系统的光学结构复杂，系统制作成本必然高。
另外，在现有系统中，由于光学元件/部件的制约和歪曲，难以准确地刻印几何学的全息像素形态，通过影像处理方法使得显示在SLM的全息像素影像变形，而最终选择校正全息像素形态的方法。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种适合于制作大面积全息屏幕的数字全息屏幕的制作方法及系统，在制作由全息像素构成的数字全息屏幕时，使用开/关(on/off)二进制图案的光掩膜，由RGB子像素结构构成一个全息像素，以可一次性印刷多个全息像素的多全息像素印刷技术为基础，可进行多全息像素(全息像素排列或者全息像素块)单位的高速印刷，并且普及型快门即可，而不需要高速快门(AOM等)，
不使用SLM(空间光调制器)，简化了系统的光学结构，降低了系统制作费用，并且可对构成全息像素的子像素的结构进行多样的变更。
本说明书不限于以上提到的课题，一般的技术人员可以从以下的记载中明确理解未提及的其他课题。
本发明涉及一种基于多全息像素印刷的数字全息屏幕制作系统，其特征在于，包括：光源部，其包括激光、用于整合RGB三色的双色(dichroic)镜、镜子、分束器(beam splitter)、光学快门(opt ical shutter)等；
物体光束部，其将从光源部出来的两束光束中的一束转换为物体光束(目标光束或信号光束)，并且包括空间过滤器(spat ial fi lter)、镜头、镜子等；
基准光束部，其将从光源部出来的两束光束中剩下的一束转换为基准光束(reference beam)，并且包括空间过滤器、镜头、镜子等；
扩散器固定部，其位于物体光束部和记录媒质之间，并且包括通过使得物体光束散射(scattering)来扩散光束的扩散器(diffuser)及扩散器支架；
光掩模移动部，其位于基准光束部和记录媒质之间，并且包括画有网格(grid)形态的开/关(on/off)二进制图案的光掩模、光掩模支架、XY-移动平台；
控制部，其对光学快门及移动平台。
另外，本发明涉及一种基于多全息像素印刷的数字全息屏幕的制作方法，其特征在于，在制作由全息像素构成的数字全息屏幕时，使用开/关(on/off)二进制图案的光掩膜，由RGB子像素结构构成一个全息像素，以可一次性印刷多个全息像素的多全息像素印刷技术为基础，可进行多全息像素单位的高速印刷。
本发明的基于多全息像素印刷的数字全息屏幕的制作方法和系统使用开/关(on/off)二进制图案的光掩膜，由RGB子像素结构构成一个全息像素，以可一次性印刷多个全息像素的多全息像素印刷技术为基础，可进行多全息像素(全息像素排列或全息像素块)单位的高速印刷，并且普及型快门即可，而不需要高速快门(AOM等)，具有以下显著效果：不使用SLM(空间光调制器)，简化了系统的光学结构，降低了系统制作费用，并且可对构成全息像素的子像素的结构进行多样的变更，适合于制作大面积全息屏幕。
附图说明
图1是现有数字全息图制作系统的科学构成图。
图2是本发明系统的块图。
图3是本发明系统的基本光学构成图。
图4是适用于本发明方法的像素单位的基本掩膜图案。
图5是适用于本发明方法的条形(stripe)子像素结构的掩膜图案。
图6是适用于本方法的条形子像素结构的衍生型掩膜图案。
图7是使用图4的掩膜图案的本发明系统的光学构成图。
图8是使用图5或图6的掩膜图案的本发明系统的光学构成图。
图9是本发明系统的预想结果物。(a)图4适用结果物，(b)图5适用结果物，(c)图6适用结果物。
图10是使用图4的掩膜图案的1-光束结构的本发明系统的光学构成图。
图11是使用图5或图6的掩膜图案的1-光束结构的本发明系统的光学构成图。
图12是使用图5或图6的掩膜图案的1-光束结构的本发明系统的光学构成图。
图13是2-光束结构的本发明系统的3D设计图。
图14是1-光束结构的本发明系统的3D设计图。
图15是通过2-光束结构的本发明系统制作屏幕的预备实验结果照片。(a)图4图案的光掩模适用，(b)图5图案的光掩模适用图。
图16是通过1-光束结构的本发明系统制作屏幕的预备实验结果照片。(a)图4图案的光掩膜适用，(b)图5图案的光掩模适用图。
标号说明
1：激光              2：快门
3：分束器            4：光掩模
5：镜头              6：镜子
7：位移平台          8：扩散器
9：光感应型物质      10：空间过滤器
具体实施方式
图2是基于本发明多全息像素印刷的数字全息屏幕制作系统的块图。
本发明基于多全息像素印刷的数字全息屏幕制作系统包括：光源部，其包括相干性优秀的激光、用于整合RGB三色的双色(dichroic)镜、镜子、分束器(beam spl itter)、光学快门(opt ical shutter)等；
物体光束部，其将从光源部出来的两束光束中的一束转换为物体光束(物体光束或信号光束)，并且包括空间过滤器(spat ial fi lter)、镜头、镜子等；
基准光束部，其将从光源部出来的两束光束中剩下的一束转换为基准光束(reference beam)，并且包括空间过滤器、镜头、镜子等；
扩散器固定部，其位于物体光束部和记录媒质之间，并且包括通过使得物体光束散射(scattering)来扩散光束的扩散器(diffuser)及扩散器支架；
光掩模移动部，其位于基准光束部和记录媒质之间，并且包括印有网格(grid)形态的(开/关)(on/off)二进制图案的光掩模、光掩模支架、XY-移动平台；
控制部，其对光学快门及移动平台。
图3示出了本发明系统的基本光学构成图。
本发明的光学系统的主要特征在于，光掩膜安装于移动平台，从而可线性移动，光掩膜和扩散器以相邻的形式位于记录媒质的前后。
通常，在现有半导体工艺中，光掩膜用于利用涂覆于透明石英基板上层的铬薄膜(透射率0.1％)来绘制半导体集成电路和LCD图案的工艺。
本发明中使用的光掩膜的作用是在空间上遮蔽(masking)基准光束。
光掩膜的掩膜图案与显示面板一样，以像素为基本单位，设计成排列相同模样和大小的像素，无需另外的彩色过滤器，只表现可透过/阻断光的二进制(开/关(On/Off)或者(白/黑)White/Black)浓度。
截面积宽的基准光束经过光掩膜的同时，在阻断(关(Off)或者黑(Black))区域中阻断基准光束，通过透过(开(On)或者白(White))区域的基准光束在记录媒质中与信号光束相遇，从而记录多个全息像素，而不是一个全息像素，根据其结果，可进行多全息像素印刷，从而实现高速印刷，有利于大面积全息屏幕印刷。
此时，光掩膜的各像素区域与记录媒质的各全息像素区域一对一地对应，即，各全息像素的模样和大小与光掩膜的掩膜图案相同。
光掩膜的各像素的模样或结构与LCD显示面板一样，以正方形为基础，根据需要，可应用具有矩形模样、子像素结构、钻石结构等多种模样和结构的像素。
当掩膜图案是子像素结构时，为了彩色多全息像素印刷，则需要追加光掩膜的线性移动。
另外，在图3中，当将平行光束用作基准光束和信号光束时，可追加插入镜头、空间过滤器等。
图4至图6示出了应用于本发明方法的光掩膜图案的几个例子。
在此，为了方便，假设图案的线宽(线厚度)为0，在实际制作掩膜图案时，有必要考虑线宽来设计。
图4示出了像素单位的基本的掩膜图案，与黑白LCD面板的像素结构相似，光掩膜的各像素由四边形的单一区域构成。
该图案适用于同时入射三波长(R、G、B)激光或按波长依次入射的情况，并且三波长激光均匀地暴露在记录媒质的各全息像素区域中，从而同时生成彩色全息像素。
图5示出了与彩色LCD显示面板相似的条形(stripe)子像素结构的掩膜图案。
该掩膜图案的特征在于，将一个像素面积在横向方向上分成三等分，将三分之一区域构成为透过(On)，将三分之二区域构成为阻断(Off)。
透过(On)子像素的周期与像素间距(pitch)相同，整体的掩膜图案看起来像是竖着排列长条。
在图5中，将透过(打开)区域的位置配置于各像素的第一个子像素位置，但也可根据需要设计为放置在第二个或第三个子像素位置。
该图案的目的在于，将三个子全息像素(R、G、B)以不在空间上相互重叠的形式逐一地记录在一个全息像素区域来完成一个彩色全息像素。
要想应用该图案来印刷多全息像素，就需要一点点地移动光掩膜的同时，按颜色依次暴露激光，以便使得光掩膜的透过(打开)区域与相应的子全息像素位置一致。
更加详细地说明的话，首先暴露R激光，周期为像素间距的R子全息像素以与掩膜图案相同的形式整体记录在记录媒质。
然后，当使得光掩膜移动像素间距的1/3时，光掩膜的透过(打开)区域与相邻的G子全息像素位置一致，然后暴露G激光的话，在记录媒质整体生成G子全息像素。
对于B子全息像素来说，如果重复相同的过程，则通过彼此相邻的三个子全息像素(R、G、B)完成一个彩色全息像素，同时在整个记录媒质中生成多全息像素。
当通过现有的全息方法将彩色全息图记录在记录媒质时，彩色全息图的衍射效率与单色全息图相比非常低。
但是，当使用图5的掩膜图案来印刷多全息像素时，由于各子全息像素成于在空间上独立的位置，因此理论上可生成具有与单色全息图相似的衍射效率的子全息像素，并且最终可实现整体上具有与单色全息图相似的衍射效率的彩色多全息像素印刷。
图6示出了从图5衍生的子像素结构的掩膜图案。
对比图6和图5，图5在掩膜图案的各像素中透过(打开)区域的空间位置全部相同，相反，在图6的掩膜图案的情况，透过(打开)区域的位置在第一行中与图5一样配置于各像素的第一个子像素位置，在第二行中配置于第二个子像素位置，在第三行中配置于第三个子像素位置，在之后行中设计成重复第一至第三行的配置。
使用图6的掩膜图案，与图5一样可通过光掩膜的适当移动和由此产生的激光的各波长依次曝光来印刷多全息像素。
从适用图6的图案的结果物的子全息像素分布来看，第一行的各全息像素按RGB的顺序排列，第二行按BRG的顺序排列，第三行按GBR的顺序排列。
第二行和第三行的第一个和最后一个全息像素的一部分子全息像素可能会留有空格，这可能会被忽略。
从第四行开始，将呈现第一行至第三行反复的分布。
适用图5的掩膜图案的结果显示，在全息图中，相同颜色的子全息像素垂直分布，因此，如果照射再生光束，可能会出现长线沿垂直方向看起来模糊的现象，但适用图6的结果显示，在全息图中，由于图6的几何分布，这种现象会在结构上消失。
在本发明中，以记录光束的数量为基准，提出了两种光学系统构成。
一种是使用两个光束(基准光束和物体光束)的2-光束(beam)记录结构的制作系统，另一种是仅使用一个光束(基准光束)的1-光束(beam)记录结构的制作系统。
图7和图8是关于2-光束(beam)记录结构的说明，图10和图11是关于1-光束(beam)记录结构的内容。
在图7的制作系统中，使用图4作为光掩膜的掩膜图案，光源部由三个激光(R、G、B)、一个光学快门等构成，并且光掩膜没有移动。
在图7的构成中，三色(R、G、B)混合的基准光束和信号光束暴露于记录媒质，从而印刷出多全息像素，当照射白色再生光束时，各个全息像素看起来都是RGB适当混合的白色(White)。
图7的构成的优点在于，只要暴露一次彩色光束，就会生成与光掩膜相同大小的全息屏幕，因此与基于单个全息像素的印刷相比，印刷所需时间非常短。
相反，由于对各全息像素整体照射三种颜色的光束，因此与单色全息图相比，各全息像素的衍射效率较低。
图8是采用图5或图6的光掩膜图案的本发明系统的光学构成图。
与图7不同的是，在R、G、B激光前各安装了一个光学快门，并且需要移动光掩膜。
如图5所说明的一样，可通过依次的光源(R、G、B)曝光和两次光掩膜的移动来印刷一张全息屏幕。
换句话说，当每按像素间距的三分之一移动光掩膜时，只要照射相应颜色的激光，就完成了多全息像素印刷。
图8中所示出的印刷系统的优点在于，如图5中所说明的一样，构成全息屏幕内部的各全息像素的子全息像素生成于彼此独立的位置，即使全息屏幕被彩色印刷，其衍射效率也与单色全息图一样高。
另外，由于通过三次光源曝光和两次光掩膜移动完成一张屏幕，因此与基于单个全息像素的印刷相比，可实现非常快的高速印刷，这也是优点。
图7和图8除光学快门数量和移动平台外，其构成相同。
因此，图4的掩膜图案也可用于图8的光学构成，在这种情况下，如果同时开闭三个光学快门，并且没有移动平台的操作，则可获得与图7的构成中所获得的结果相似的结果。
图9示出了将图4至图6所示的掩膜图案适用于本发明系统时预想的结果物。
图9的(a)、(b)、(c)是分别使用图4、图5、图6的掩膜图案时的预想结果物的图。
图10至图12示出了具有1-光束记录结构的本发明系统的光学构成。
仅用一个光束就可印刷全息屏幕的理由如下。
当光束入射到扩散器时，光会因扩散器内部的散射粒子而散射，此时不仅会产生向透过方向扩散(散射)的光，还会产生向反射方向扩散(散射)的光。
像这样，从扩散器反射的扩散(散射)光束在2-光束(beam)结构中可充分起到入射到记录媒质的物体光束(透过的扩散光束)的作用。
因此，通过光掩膜入射到记录媒质的基准光束，以及通过记录媒质的光束从扩散器反射并扩散而产生的物体光束，这两个光束在记录媒质中相遇并生成全息像素。
与2-光束(beam)结构相比，图10至图12所示的1-光束(beam)记录结构具有的优点如下。
第一，由于不将光源的输出分成两部分，因此提高了光效率(或能量效率)。(推测提高两倍左右)
第二，基准光束和物体光束的强度高，因此缩短了曝光时间。(推测减少二分之一左右)
第三，由于是仅使用基准光束的结构，因此光学结构变得更加简单。
第四，光学系统构成所需的空间变小。
第五，可减少光学系统构成所需的费用。
图10示出了适用图4的掩膜图案和1-光束(beam)结构的光学构成，操作内容与图7中提到的说明相同。
图11示出了适用图5或图6的掩膜图案和1-光束(beam)结构的光学构成，操作内容与图8中提到的说明相同。
图12是在图11的扩散器(diffuser)左侧添加了镜子的构成，因为镜子可提高信号光束作用的光量(或强度)，因此是可以比图11更有效地记录的结构。
图10至图12除光学快门数量和移动平台外，其构成相同。
因此，图4的掩膜图案也可用于图11或图12的构成，在这种情况下，如果同时开闭三个光学快门，并且没有移动平台的操作，则可获得与图10的构成中所获得的结果相似的结果。
图15和图16示出了确认根据本发明系统的全息屏幕制作可能性的初步实验的结果。
该实验中使用的光源为绿色激光，在没有移动平台的操作的情况下，固定光掩膜并进行了实验。
图15是根据2-光束结构的本发明系统的实验结果。
图15(a)是适用图4和图7的实验结果，可确认各全息像素均被较好地记录。
图15(b)是适用图5和图8的实验结果，各个G子全息像素均被很好地记录，可确认本发明方法有效。

Claims (3)

1.一种基于多全息像素印刷的数字全息屏幕制作系统，其特征在于，包括：
光源部，其包括激光(1)、用于整合RGB三色的双色镜(6)、镜子(6)、分束器(3)、光学快门(2)；
物体光束部，其将从光源部出来的两束光束中的一束转换为物体光束(物体光束或信号光束)，并且包括空间过滤器(10)、镜头(5)、镜子(6)；
基准光束部，其将从光源部出来的两束光束中剩下的一束转换为基准光束，并且包括空间过滤器(10)、镜头(5)、镜子(6)；
扩散器固定部，其位于物体光束部和记录媒质之间，并且包括通过使得物体光束散射来扩散光束的扩散器(8)及扩散器支架；
光掩模移动部，其位于基准光束部和记录媒质之间，并且包括画有网格形态的打开/关闭二进制图案的光掩模(4)、光掩模支架、XY-移动平台(7)；
控制部(7)，其对光学快门(2)及移动平台(7)。
2.一种基于多全息像素印刷的数字全息屏幕制作方法，其特征在于，
在制作由全息像素构成的数字全息屏幕时，使用打开/关闭二进制图案的光掩模(4)，由RGB子像素结构构成一个全息像素，以可一次性印刷多个全息像素的多全息像素印刷技术为基础，可进行多全息像素单位的高速印刷。
3.根据权利要求2所述的基于多全息像素印刷的数字全息屏幕制作方法，其特征在于，
图案是将三个子全息像素(R、G、B)以不在空间上相互重叠的形式逐一地记录在一个全息像素区域来完成一个彩色全息像素。
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