CN1182445C - 光学可变图像的制作方法及其照排系统 - Google Patents

Abstract

一种光学可变图像的制作方法，由一光源经成像系统将形状光阑成像到全息光学元件上，产生一对衍射光束；将衍射光束会聚在记录材料上，产生一定形状的干涉条纹点；移动记录材料的位置；记录下一个干涉条纹点；重复上述步骤，直至完成。本发明的光学可变图像照排系统，包括由光源、衍射前成像系统、全息光学元件、衍射后成像系统组成的光路系统、工作台及控制部分，全息光学元件设置在转台上，工作台可以沿X轴和Y轴运动，记录材料位于衍射后成像系统的焦面上。本发明能有效利用入射光的能量，完成全息衍射光栅的制作，速度快，且图像具有加密和更丰富的信息表达特征。

Description

光学可变图像的制作方法及其照排系统

                        技术领域

本发明涉及一种光学可变图像的制作方法及其照排系统，具体涉及一种用干涉型光学头作为激光直写头，用激光干涉条纹点作为激光直写点制作光学可变图像的方法及其装置。

                        背景技术

光学可变图像由不同空频、光栅取向的单元光栅组成，对于浮雕型图像，通过模压镀铝，使之成为反射再现全息图，人眼可直接把图像对着光源观察反射的衍射光，由于单元光栅的取向和空频有着无穷多的组合，使得光学可变图像具有色彩变化、动态效果和三维感等多光变效果的光学特征，既难以复制伪造，又易于用人眼直接观察，可以应用于证券、卡证的防伪，激光防伪包装材料的生产和检测中。目前制作光学可变图像的方式主要有两种，一是在全息干版上记录由光干涉形成二维或三维图像的全息摄影，这种方法主要是通过手工来完成，对制作具有高精度的、具有动态效果的光学可变图像非常困难；另一种是激光直写，由计算机控制精细激光束在样品台上的移动，直接在光刻胶表面曝光，刻出连续浮雕结构，这种单光束直写方式，对电子控制和机械的精度要求很高，如果设计一个10毫米×10毫米的光栅，光束的聚焦点的直径为1微米，设运行速度为10毫米/秒，光刻500线/毫米的光栅需要至少80分钟，对于更小光栅常数和面积更大的光学可变图像(如用于激光防伪包装材料的光学可变图像)，单激光直写显然是不合适的。在美国专利5291317中公开了一种制作全息衍射光栅图案的方法，其入射光经衍射光栅后，利用光阑阻挡0级光和高次衍射光，将正负一级光会聚在感光材料上，形成全息衍射光栅图案，由于衍射光栅的光强大部分集中在0级光上，因此，其光源的能量利用率极低，要求光源的功率较大，并延长曝光时间，同时，采用该方法无法在光路中插入图像输入器件，难以形成可变形状的图像编码效果，实用效果较差。因此，提供一种能用计算机控制的制作速度快、光利用率高、成本较低的光学可变图像制作方法，必将大大推动光学可变图像的应用，特别是在防伪包装等大面积光学可变图像制作方面的应用。

                          发明内容

本发明目的是提供一种速度快、能高效率地制作大面积光学可变图像的制作方法及利用此方法实现制作的照排系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种光学可变图像的制作方法，包括以下步骤，

(1)由一光源经光学成像系统将光阑成像到全息光学元件上，产生一对衍射光束；

(2)将所述衍射光束会聚在记录材料上，产生一个干涉条纹点；

(3)移动记录材料的位置；

(4)记录下一个干涉条纹点；

(5)重复步骤(3)和(4)，直至完成光学可变图像的制作。

上述技术方案中，所述的“全息光学元件”是一种体积全息光学元件，它能将入射光的光强集中在正、负一级衍射光上，零级光的能量比正、负一级光小，也可以将入射光集中在正一级和零级光上，或者正负一级光具有发散或会聚作用。

上述技术方案中，在步骤(3)中，可以同时转动全息光学元件或者改变全息光学元件的位置。

上述技术方案中，所述光阑可以是形状光阑，其形状可以是几何图形或文字。

上述技术方案中，所述的记录材料可以是感光材料，此时，可采用一般激光光源或线谱线光源；所述的记录材料也可以是塑料或金属材料，则应采用高功率密度的激光光源。

利用上述制作方法生成光学可变图像的照排系统，包括由光源、衍射前成像系统、全息光学元件、衍射后成像系统组成的光路系统、放置记录材料的工作台以及包括计算机的控制部分，所述全息光学元件设置在转台上，所述工作台可以沿X轴和Y轴运动，所述记录材料位于衍射后成像系统的焦面上。

上述技术方案中，在所述光源和衍射前成像系统之间设有光电开关，所述全息光学元件的转台可以转动及沿z轴方向运动。各运动部件如光电开关、工作台、转台等均可以由计算机通过控制机构控制其运动。

上述技术方案中，在所述的衍射前成像系统前设有光阑，该光阑可以是形状光阑，其中所述的形状可以是几何图形(如圆形、方形等)或文字(如字母、数字等)。

上述技术方案中，所述的衍射前成像系统将光阑成像到全息光学元件上，可以包括透镜、反射镜和透镜，所述的衍射后成像系统将衍射光会聚在记录材料上，可以是由多个透镜组成的透镜组。本方案中，在衍射前成像系统中设置反射镜是为了改变光的方向，以缩小照排系统的大小，如不使用反射镜，而只使用透镜或透镜组，也可以得到同样的效果，只是系统的体积将增大。

上述技术方案中，如果所述的全息光学元件采用只有0级和+1级衍射光的全息光学元件，则可以在0级光的光路中设置有图像输入器件，由此将在记录材料上生成图像输入器件上的图案或文字的傅利叶变换图。

上述技术方案中，所述的反射镜可以为普通反射镜，也可以为振镜。

本发明工作原理是：光学可变图像由不同空频、光栅取向的单元光栅组成，对于浮雕型图像，通过模压镀铝，使之成为反射再现全息图，人眼可直接把图像对着光源观察反射的衍射光。光的衍射满足光栅方程，

Λ(sin i±sin θ)＝kλ

式中Λ是光栅常数，i是入射角，θ是衍射角，k是干涉级数，一般正负一级衍射光最强。设光栅分布函数为f(x，y，φ，Λ)，φ代表光栅取向，照明光源的形状函数为Ψ(x0，y0，)，则观察到的光学可变图像可表达为，

0(x，y，λ，Ψ)＝f(x，y，φ，Λ)Ψ(x0，y0)

这里，为卷积运算符号。在白光照射下，由于光栅的色散作用，随着视角的转动，看到不同波长的衍射光，图像呈现出如彩虹般的连续色彩变化，观察者在同一位置看到的具有不同条纹间隔Λ光栅的颜色不同，这就是光学可变图像的色彩变化效果；第二，代表光栅取向，改变，将使入射角i和衍射角θ同时发生改变，这样，控制了衍射光的波前的传播方向(位相不同)，使观察到图像的空间方位不同。从而，在同一位置上观察，光学可变图像由相同单元光栅取向组成的图像能被同时看到，改变观察位置，另一组具有相同单元光栅取向的图像能够被观察到。

本发明通过一个新颖的干涉型光学成像系统用数码控制方式，在记录材料上形成具有衍射特性的点列照排(x，y)，每个点中均含有干涉条纹，干涉条纹可以有不同的分布取向(θ)和疏密变化(Λ)，点的大小和形状(S)均可以根据设计要求加以改变，因此，每个点均有6个参量来表征，由x，y，Ψ和A组合可以表达图像的动态感或由x，y和点的分布(疏密)可以表达图像的强度(灰度)变化，立体感(相位)，由x，y，Ψ和Λ组合，进一步可以表达图像色彩，形成具有色彩表现的立体图形(3D)，点的大小和形状使图像具有加密和更丰富的信息表达特征。上述特征表明，数码光学可变图像照排系统是具有非常丰富表达能力的全息(立体)照排系统，传统的激光照排系统仅由点的位置(x，y)及点的疏密变化来表达图像信息的。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.由于本发明采用了全息光学元件，它能将入射光的光强集中在正、负一级衍射光上，或者在正一级和零级光上，因而能有效利用入射光的能量，完成全息衍射光栅的制作。

2.由于本发明采用激光干涉条纹点作为激光直写点，一个干涉条纹点包含了数十条光栅刻线，因而比用单光束激光直写方法快数十倍，能高效率地设计制作较大面积的光学可变图像，同时，象素光栅的条纹密度可以更高，如设计一个10毫米×10毫米的光栅，采用单光束激光直写法，光束的聚焦点的直径为1微米，设运行速度为10毫米/秒，光刻500线/毫米的光栅需要至少80分钟，而用本发明的方法，光束的聚焦直径为0.04毫米，设运行速度为80点/秒，需要15余分种，速度明显加快。

3.由于本发明通过一个新颖的干涉型光学成像系统用数码控制方式，在记录材料上形成具有衍射特性的点列照排(x，y)，每个点中均含有干涉条纹，干涉条纹可以有不同的分布取向(Ψ)和疏密变化(Λ)，点的大小(R)和形状(S)均可以根据设计要求加以改变，因此，每个点均有6个参量来表征，由x，y，Ψ和Λ组合可以表达图像的动态感或由x，y和点的分布(疏密)可以表达图像的强度(灰度)变化，立体感(相位)，由x，y，Ψ和Λ组合，进一步可以表达图像色彩，形成具有色彩表现的立体图形(3D)，点的大小和形状使图像具有加密和更丰富的信息表达特征，因而，本发明是具有非常丰富表达能力的全息(立体)照排系统，传统的激光照排系统仅由点的位置(x，y)及点的疏密变化来表达图像信息的。

4.本发明中，在衍射前成像系统前设置了形状光阑，可以影响产生的干涉条纹点的形状，控制形状光阑形状的变化，可以对获得的光学可变图像的干涉条纹点进行编码，从而起到信息传递或加密的作用。

5.本发明中当选用的全息光学元件是将入射光的光强集中在正一级和零级光上时，可以在衍射后成像系统的透镜组间插入图像输入器件，则记录材料上将可以获得该图像的傅立叶变换图，因而本发明的灵活性相当大。

                         附图说明

附图1(a)和图1(b)为本发明的光学可变图像示意图；

附图2为本发明实施例一的照排系统结构示意图；

附图3(a)、图3(b)、图3(c)为全息光学元件的特征示意图；

附图4为本发明实施例二的系统结构示意图；

附图5为本发明实施例三的系统结构示意图；

附图6(a)、图6(b)、图6(c)、图6(d)为不同形状光阑产生的光学可变图像干涉条纹点的放大示意图。

其中：[1]、光源；[2]、光电开关；[3]、光阑；[4]、透镜；[5]、反射镜；[6]、透镜；[7]、全息光学元件；[8]、转台；[9]、透镜；[10]、图像输入器件；[11]、透镜；[12]、工作台；[13]、记录材料；[14]、计算机；[15]、控制系统；[16]、干涉条纹点。

                        具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见附图2所示，一种光学可变图像的制作方法，其特征在于：包括以下步骤，(1)由一光源1经光学成像系统将形状光阑成像到全息光学元件7上，产生一对衍射光束；(2)将所述衍射光束会聚在记录材料13上，产生一个干涉条纹点；(3)移动记录材料13的位置；(4)记录下一个干涉条纹点；(5)重复步骤(3)和(4)，直至完成光学可变图像的制作。

本实施例的光学可变图像照排系统是，包括由光源1、衍射前成像系统、全息光学元件7、衍射后成像系统组成的光路系统、放置记录材料13的工作台12以及包括计算机14的控制部分，所述全息光学元件7设置在转台8上，所述工作台12可以沿X轴和Y轴运动，所述记录材料13位于衍射后成像系统的焦面上；在所述光源1和衍射前成像系统之间设有光电开关2，所述的衍射前成像系统前设有形状光阑3，所述全息光学元件7的转台8可以转动及沿Z轴方向运动。其中衍射前成像系统将光源1成像到全息光学元件7上，可以包括透镜4、反射镜5和透镜6，所述的衍射后成像系统将衍射光会聚在记录材料13上，可以是由透镜9和透镜11组成的透镜组。

本实施例中，相交光点大小一般在2毫米至0.01毫米之间改变，相交光点的形状可以是圆点、方形或者是文字，相交光夹角可以在7°至40°之间改变，记录材料13可以是对近紫外光到红光感光，光源1可以是激光光源或线谱线光源。这里，相交光点(干涉条纹点)的形状是由形状光阑决定的，通过形状光阑的改变，可以利用相交光点的形状对获得的光学可变图像进行编码，以传递信息或进行加密。

实施例二：参见附图4所示一种光学可变图像照排系统，包括由光源1、光电开关2、光阑3、衍射前成像系统、全息光学元件7、衍射后成像系统构成的光路、放置记录材料13的工作台12以及包括计算机14的控制部分15，所述全息光学元件7放置在转台8上，所述衍射前成像系统包括反射镜5和透镜6，所述全息光学元件7将入射光转换成+1级和0级光，所述衍射后成像系统包括透镜9和透镜11组成的透镜组，在所述透镜9和透镜11之间设有图像输入器件10。

本实施例中，由于选用了只有+1级和0级光的全息光学元件7，可以在衍射后成像系统中插入图像输入器件10，从而在记录材料13上获得该插入图像的傅立叶变换图。

实施例三：参见附图5所示，一种光学可变图像照排系统，其结构与实施例一类似，其中，所述衍射前成像系统中，反射镜5采用x-y振镜组合，透镜6采用F-θ镜。这样，在使用时，可以通过振镜的运动实现记录光束的位置移动，减小X-Y坐标台的移动幅度。

Claims (10)

1、一种光学可变图像的制作方法，其特征在于：包括以下步骤，

(1)由一光源[1]经光学成像系统将光阑[3]成像到全息光学元件[7]上，产生一对衍射光束；

(2)将所述衍射光束会聚在记录材料[13]上，产生一个干涉条纹点：

(3)移动记录材料[13]的位置；

(4)记录下一个干涉条纹点：

(5)重复步骤(3)和(4)，直至完成光学可变图像的制作。

2、如权利要求1所述的光学可变图像的制作方法，其特征在于：在步骤(3)中，可以同时转动全息光学元件[7]或者改变全息光学元件[7]的位置。

3、如权利要求1所述的光学可变图像的制作方法，其特征在于：所述的光阑[3]是形状光阑，其形状可以是几何图形或文字。

4、如权利要求1所述的光学可变图像的制作方法，其特征在于：所述记录材料[13]是感光材料，所述光源[1]为一般激光光源或线谱线光源。

5、如权利要求1所述的光学可变图像的制作方法，其特征在于：所述记录材料[13]是塑料或金属材料，所述光源[1]为高功率密度的激光光源。

6、一种应用权利要求1所述制作方法生成光学可变图像的照排系统，其特征在于：包括由光源[1]、衍射前成像系统、全息光学元件[7]、衍射后成像系统组成的光路系统、放置记录材料[13]的工作台以及包括计算机[14]的控制部分，所述全息光学元件[7]设置在转台[8]上，所述工作台可以沿X轴和Y轴运动，所述记录材料[13]位于衍射后成像系统的焦面上。

7、如权利要求6所述的照排系统，其特征在于：在所述光源[1]和衍射前成像系统之间设有光电开关[2]，所述全息光学元件[7]的转台[8]可以转动及沿Z轴方向运动。

8、如权利要求6或7所述的照排系统，其特征在于：在所述的衍射前成像系统前设有形状光阑；所述的衍射前成像系统将光源[1]成像到全息光学元件[7]上，可以包括透镜[4]、反射镜[5]和透镜[6]，所述的衍射后成像系统将衍射光会聚在记录材料[13]上，可以是由透镜[9]和透镜[11]组成的透镜组。

9、如权利要求8所述的照排系统，其特征在于：所述的全息光学元件[7]为只有0级和+1级衍射光的全息光学元件，在0级光的光路中设置有图像输入器件[10]。

10、如权利要求8所述的照排系统，其特征在于：所述的反射镜[5]为振镜。

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