CN1252548C - 利用光变图像的光学存储方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用光变图像的光学存储方法，其特征在于，包括下列步骤：(1)将存储信息利用设定的编码方式生成图形、文字或者数据序列；(2)根据光变图像的特性，将步骤(1)中生成的图文序列排列成光变图文，其中，所述光变图像由光栅单元阵列构成，每个光栅单元是由精细的图形、文字或者数据位构成，光栅单元的尺度不大于160微米；(3)将步骤(2)中获得的光变图文利用光变图像照排系统存储到记录材料上。本发明的技术方案实现了任意数字化图文的高信息密度的光变存贮光刻，具有很好的复制能力，能广泛用于各种复制条件下的工业化生产、如印刷、包装、光盘生产、烫金材料、防伪和衍射器件等行业，同时有信息存储密度高、信噪比好、防伪性好的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种存储方法，具体涉及一种利用光变图像实现的光学存储方法。
背景技术
所谓光学存储，其主要物理含义是，在很小的存储材料空间中，利用存储材料的光学特性，在存储材料上记录并保存大量的和可以读出的信息。现有的光学存储的主要方法是在体积材料上通过傅里叶(Fourier)变换的方法，将输入图像或文字置于傅里叶透镜的前焦面，在后焦面上，于涉记录输入图像的傅里叶变换图，在一个很小的体积型记录材料(如光折变立方晶体)中，进行高信息密度存储。中国发明专利申请CN1274915A公开了一种固定式三维光子存储装置，包括写入系统和读出系统，采用光折变晶体作为三维存储材料，写入时，由计算机将存储文件进行编码，形成编码图形，并通过空间光调制器产生编码图像或存储图像，利用绿光激光器作为写入光源，激光从激光器发出后经分束镜分为二束光，其中一束光经滤波、准直后，由空间光调制器调制成所需信息光，另一束光作为参考光，两束光在光折变晶体中干涉形成记录光栅；读出时，用红光半导体激光器作为读出光源，读出光经狭缝和相位失配调整器后入射到光折变晶体上，由CCD接收衍射光图像信息，通过计算机解码并还原成计算机文件。这种方法存储容量正比于记录波长的三次方的倒数，理论上存储密度可达到1013bits/cm3，但是，其经分束后的两束光，物光提供信息输入，参考光提供参考干涉作用，因而存在下列缺点：1、物光光强的变化范围很大，在记录区域很难获得均匀的物参比记录，记录的非线性的影响大，2、在两束光的不重叠的区域，参考光对记录材料仍然曝光，增加本底噪声，从而，这种方法在进行高密度存储时，存储图像的信噪比将随着存储图像的增加而显著下降，实践中难以获得较高的具有高信噪比存储密度。前述专利为此增加了读出系统，由与写入光不同的红光半导体激光器作为读出光源，这样虽然可以在一定程度上提高信噪比，但并未从根本上解决问题，同时读出系统的设置增加了系统的复杂程度和体积。另一方面，由于记录方法和材料特性的限制，每一幅图像存储的固定时间很长，存储的信息难以复制，还远没达到实用阶段。
光变图像(Optical Variable Device)在证券、光盘、新型包装的防伪上有非常好的应用，是目前高层次防伪技术手段之一。光变图像的特点是由微小的像素光栅矩阵组成，与普通数字图像不同，组成光变图像的各个像素光栅，实际上是光学参数不同、取向不同、条纹间隔不同的精细衍射光栅(gratings)，当白光光线入射到这些精细光栅上时，每个单元光栅对光线的衍射后的方向、色彩各不相同，不同特性的光线洐射到空间的不同方位，相同特性的像素光栅的群组，构成特定的图形，因而在不同观察角度下，呈现出不同图形效果，从而，光变图像具有空间光学可变的效果。
描述光学可变图像的光学参数有：位置(X，Y)，像素光栅的衍射方向(角度)，像素光栅的条文疏密分布(色彩)和像素的发光的效率(亮度)。随著光线的运动或者观察方位的变化，光变图像的色彩、形状均会发生改变。广义上，描述光变图像比描述普通的2D图像具有更多的物理参数，因此，光变图像是更加广泛的图像形式，用它不仅可以表现2D图像，同时也能够描述2d/3d，体视图像，动画图像、编码加密图像、变换图像等等。
图1是典型的光变图像，当在不同位置观察该图像时，实际的图像将会呈现缩放(a)、旋转(b)变化，可以看成是空间上的多通道的位图图像。光变图像在一个方面可以理解成彩虹全息图像的数字化处理后得到的图像，但是与彩虹全息图像不同，光变图像不受光源条件的限制，可以在任何光源条件下观察。
通常，描述光变图像的精细光栅单元的形状为圆形，图像结构是点阵结构，图2是对光变图像的局部放大图，每个圆形点均由微型光栅构成，光栅的取向和条纹间隔各不相同，这种光变图像复杂的像素结构的变化，常被用于防伪领域。但是，这种光变图像除了宏观上表达的图像信息外，信息的携带能力是有限的，没有携带大信息量的功能。
发明内容
本发明目的是提供一种高密度的光学存储方法，其存储信噪比高，且可以用常规方法复制。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种利用光变图像的光学存储方法，包括下列步骤：
(1)将存储信息利用设定的编码方式生成图形、文字或者数据序列；
(2)根据光变图像的特性，将步骤(1)中生成的图文序列排列成光变图文，其中，所述光变图像是由不同取向、不同空间频率的衍射光栅构成的光栅单元阵列，每个光栅单元是由精细的图形、文字或者数据位构成，光栅单元的尺度不大于160微米；
(3)将步骤(2)中获得的光变图文利用光变图像照排系统存储到记录材料上。
上述技术方案中，光变图像是由微小的光栅单元的阵列构成的，与原来由圆形的光栅单元构成不同的是，在本方案中，每个光栅单元上，还调制有精细的图形、文字或数据位这样，光变图像的每个物理光栅单元均是由精细的图形或者文字或者数据位构成，每个单元上光栅取向和条纹间隔也可以调整改变。
其中的光变图像照排系统可以利用现有的光变图像照排系统实现，当然，由于在本方案中，每个单元光栅内部还有精细的图形或文字，因而，对光变图像照排系统的要求也相应提高，一种较好的光变图像照排系统可以是，包括激光器、光电开关、扩束器、空间光调制器和分束元件，激光器产生的激光束通过光电开关后，经扩束器准直投射到空间光调制器上，欲存储的光变图文信息经计算机输出至空间光调制器上，光束经空间调制后，由一个光学成像系统将空间调制图像投影到分束元件上，分束元件将激光光束分束成二束光，再通过光学成像系统将两束光会聚到记录材料上，两束光相互干涉，形成精细干涉条纹，干涉条纹的间隔的范围为0.5-2微米，经过处理后，获得具有光栅结构的单元点，分束元件放置在精密转台上，转台的转动将改变干涉条纹在记录材料上的取向，由计算机软件控制记录材料平台、空间光调制器和转台以及光电开关，从而在记录材料上形成高密度光变图像的光学存贮。
在这里，空间光调制器(SLM)是可以对光束进行空间振幅(强度)或位相进行调制的器件，它可以通过计算机输入并显示图像。空间光调制器的最小像素单元应保证在最终的光栅单元上形成清晰像。本方法要求的像素单元为5-100微米的SLM均可以用于空间调制器件。这里，SLM可以是相干/非相干光空间调制器或者DMD(Digital Micro-mechanical MirrorDevice，数字化微反射器件)或者LCD(Liquid Crystal Device，液晶显示器)以及用于计算机输入的其他输入器件。
分束前的光学成像系统是一种能将空间光调制器输出的调制信号(光学图像)进行缩小的光学系统，该光学系统的缩小倍数为1-15倍，光束直径应可以保证入射到空间光调制器上的光场的均匀性。分束元件、精密转台和分束后的光学成像系统共同构成了光束分束、合束系统，在记录材料上，形成由空间光调制器输入的图像的携带有干涉条纹的精细图像或文字，这里，分束元件主要指衍射光栅元件，它将光的能量主要衍射到正负一级光上，干涉条纹由正负一级光的干涉形成。
上述技术方案中，所述的图文序列可以是图形，可以是文字，可以是数据位，也可以是它们的组合，通过设定特定的信息编码表达方式，用图形、文字或者数据位表示存储的信息。所述图文序列采用图形时，可以是用多个图形的特定排列表达信息的图形序列，其图形单元包括圆形、方形、十字形等；所述图文序列也可以为文字序列，在每个光栅单元中可以存储1个或多个文字；所述的图文序列还可以为由0和1组成的数据位序列，各数据位在光栅单元中用明暗表示，每个光栅单元中含有连续的多个数据位。
上述技术方案中，为增强防伪性能，所述的光变图文由正片和负片构成，通过改变单元光栅的光栅间距，在同一记录材料上获得正负镶嵌的光变图像。其中所述的正片是指亮背景、暗字，负片是指暗背景、亮字。
上述技术方案中，为进一步提高信息存储密度，可以应用复用存储技术，即在存储光变图文时，针对单元光栅，改变光栅的取向和光栅的条纹间距，获得多视角的光变图像，以此可以成倍提高信息的存储密度，比如，可以在主视角上存储图像，在其它视角上存储其它文字或图像。
上述技术方案中，所述的记录材料可以是振幅型感光材料；也可以是浮雕型位相感光材料，对于浮雕型位相感光材料，干涉条纹在空间上是浮雕分布的，经过后处理，能在金属材料上形成浮雕型条纹，这种金属版可以用于在压敏材料上压印出这种浮雕条纹，从而能方便地复制存储信息；如果采用高功率激光束，则记录材料还可以是塑料或金属材料，利用激光束的刻蚀获得记录的光变图像。
本发明的存储信息检测比较简便，由于在普通白光下即能方便地观察到图像，对于图文存储，在高于30倍的光学显微镜下，可以直接阅读存储的信息；对于数据位存储，能方便地利用光学方法和计算机的结合，实现存储数据的阅读处理。
由于上述技术方案的运用，本发明作为一种光学存储方法，与现有技术相比具有下列优点：
1.易于复制。本发明的技术方案实现了任意数字化图文的高信息密度的光变存贮光刻，这里指的光学存储主要是在平面记录材料上的2D存储，是一种平面记录方式，光变图像和文字的光学存储主要是在浮雕型记录材料上记录的，因此，存储的光变图像和文字具备了很好的复制能力，能广泛用于各种复制条件下的工业化生产、如印刷、包装、光盘生产、烫金材料、防伪和衍射器件等行业。
2.信息存储密度高。由于记录材料的面积较大，因此，如果用“1”和“0”代表一个数据位(bit)，本方法的存储的信息容量接近A/λ2，这里，A是存储的面积，λ是存储时的记录波长。光变图像单元是由不同的光栅构成的，在每个光栅单元上，调制上了精细的图像或文字或数据位，这样，光变图像的每个物理光栅单元均是由精细的图形或者文字或者数据位构成，每个单元上光栅取向和条纹间隔也可以调整改变，从而，在一个较小区域中，如在10×10mm2中，考虑到角度复用，这种存储方法很容易达到107bit/cm2。这样的光学存储密度，如仅用单通道(一个光栅取向)可以存贮高达4,000～16,000或者更多数量的文字和微小图像，当采用多通道时，还可以成倍提高存储量，从而，这种方法具有很高的信息携带能力。
3.信噪比好。对于单元光栅而言，在最终图像或文字上产生的干涉条纹的条纹间隔为：d＝λ/(sinθO-sinθR)，式中，d为干涉条纹间隔，λ为激光束波长，θO，θR分别为两个光束与记录材料平面法线的夹角，当θR＝-θO＝θ/2时，上式变成对称干涉，d＝＝λ/2sin(θ/2)。如附图4所示，也就是说，参与相干干涉的物光与参考光除了入射的角度与记录材料的法线相互对称外，其他的特性完全相同，干涉区域完全相互重叠，因此，存储的图像的信噪比很好，当然，最终的存储质量将由SLM的质量、成像系统的像质(衍射受限特性)、分束元件的光学特性、记录材料特性以及智能化控制系统的精度来决定。
4.防伪性好。本发明方法存储的信息，不易用其它方法伪造，与普通的点阵全息比较，点阵全息中的图像是由点阵组成的，文字笔划是不连续的，而本发明的存储方法中，在可以分辨的观察条件下，文字是连续笔划，而不是由点阵组成；本发明在每个单元点内形成的干涉条纹的取向可以不同，使得存储后形成的光变图文随着观察角度的变化，图像在宏观上具有动态感，这是与其他用全息照相和缩微光刻所不同的特征；同时，可以在光变图像中的任意位置上输入指定的图像、图形或文字；同一光变图像中的不同区域，可以形成不同单元点尺寸的图文点，即由不同分辨率的图文点组成一整幅光变图像；单元文字或图像还可以是阴图或阳图，这些都是其它方法难以做到的。
附图说明
附图1为背景技术的光变图像示意图；
附图2为图1的局部放大图，表示出单元光栅的圆形结构；
附图3为本发明实施例一中光变图像照排系统的结构示意图；
附图4为实施例一中干涉光束与法线方向关系示意图；
附图5为实施例一中用显微镜观察光变图像的示意图：
附图6至附图10为本发明中光变图像存储的部分示意图；
附图11为本发明中正、负片存储的示意图。
其中：[1]、激光器；[2]、光电开关；[3]、扩束器；[4]、空间光调制器；[5]、光学成像系统；[6]、分束元件；[7]、光学成像系统；[8]、记录材料；[9]、转台；[10]、记录材料平台。
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3至附图5所示，一种利用光变图像的光学存储方法，包括下列步骤：
(1)将存储信息利用设定的编码方式生成图形、文字或者数据序列：
(2)根据光变图像的特性，将步骤(1)中生成的图文序列排列成光变图文，其中，所述光变图像由光栅单元阵列构成，每个光栅单元是由精细的图形、文字或者数据位构成，光栅单元的尺度不大于160微米：
(3)将步骤(2)中获得的光变图文利用光变图像照排系统存储到记录材料上。
其中，所述的光变图像照排系统包括激光器1、光电开关2、扩束器3、空间光调制器4和分束元件6，激光器1产生的激光束通过光电开关2后，经扩束器3准直投射到空间光调制器4上，欲存储的光变图文信息经计算机输出至空间光调制器4上，光束经空间调制后，由一个光学成像系统5将空间调制图像投影到分束元件6上，分束元件6将激光光束分束成二束光，再通过光学成像系统7将两束光会聚到记录材料8上，两束光相互干涉，形成精细干涉条纹，分束元件6放置在精密转台9上，转台9的转动将改变干涉条纹在记录材料8上的取向，由计算机软件控制记录材料平台10、空间光调制器4和转台9以及光电开关2，从而在记录材料8上形成高密度光变图像的光学存贮。
在高于30倍的光学显微镜下，可以阅读存储的信息，当然，显微镜的放大倍率的提高，有助于存储图文的阅读，参见图5。
光变图文光学存贮的方法，是一种有效的高信息量的图像设计和制造方法，例如，在10×10mm2之内，用本方法，仅仅在单通道图像中便可以存储高达4000-16000字节的文字。将被防伪对象的各种特征和相关内容记录存贮，通过模压技术把存储的信息做在被防伪对象上，可以起到很好的防伪作用。从而，这种光变图文的光学存贮的方法是高层次光学防伪的重要方法和技术手段，例如在ID卡、护照、钞票、信用卡以及各种认证文本。见图6-8。
与普通文字缩微技术相比，光变图文的光学存贮方法不仅具有普通文字缩微技术的缩微特点，更具有自身的光学特征：
光学存贮的图文含有光栅微构造，精细度达到0.5-2微米。
光学存贮的光变图文在空间上是光学可变的，不同观察角度上观察的图文可以是不同的。
在同一个位置上，可以光学存贮多幅图文，并且在不同的观察角度下观察。这样，本方法能支持大信息量的光学储存。
光变图文的光学储存是逐点(单元)储存的，不是面积(体积储存)，图文具有很好的信噪比。
存储的文字的笔划是连续的。而不是点阵的。
实施例二：如实施例一的方法获得的光变图像存储，对存贮型光变图文的每一个单元点按一定规则进行排列，同时，对干涉条纹取向、单元点图像结构或形状进行组合，存贮型光变图文具有了编码功能和信息加密功能，见附图7-8。用于2D编码的技术(如DatMatix，PDF417，MAXCode等)均可以应用在光变存储中，将编码与光变存储相结合。这里，光变图文的存储编码具有更多的编码参量(位置，x，y，光栅取向和光栅条文间隔)，因此，具有更灵活的编码处理能力。
实施例四镶嵌式光变图文储存在烫金、包装材料上的应用
对于在烫金上激光图像，通常，烫金的面积较小，如果在烫金图像上有文字的话，那么，文字的大小在0.5mm以上。本方法利用镶嵌式光变图文储存的信息容量大的特点，在激光图像的局部位置上存储精细的光变图文，比如文字的尺寸小于0.16mm。见图10。从而，在很小的面积内(如2mm×2mm)存储商品的重要信息，可以检查。
同样，存储型光变图像是一种非常好的检测型的防伪包装材料。在包装材料的局部，存储有关产品的信息，可用于隐形加密，便于检测和查验。这种存储型防伪包装应用的显著特色是，由于存储的面积小，存储的设计不影响原来包装的整体设计，同时，大信息容量，有效地记录了商品和制造信息以及技术信息，便于验证，整个激光烫金或者包装材料的生产工艺过程不需要改变。
实施例五光变图像的正负镶嵌技术
如附图11所示，由于光变图文的存储具有极高的对准精度，在同一个位置上可以存储正负镶嵌的文字，正负图像的光栅间距是不同的，从而镶嵌文字在光线下的颜色也是不同的。甚至在同一个位置可以存储不同的图像。这种光变图文可以是正片(亮背景、暗字)或负片(亮字、暗背景)，也可以是光变图文是正负交替变化的。
实施例六多通道信息加密携带
如果利用多通道光变图文存复用存储技术(角度复用和波长复用，即改变光栅的取向和光栅的条文间隔)，可以大幅度提高在单位面积上的存储信息量。信息密度可以达到1×107bit/cm2，改变分束系统的转角，进行相应的存储，存储区域中的存储密度成倍增加。比如，在主视角上存储图像，在其他角度上存储其他的文字或者图像，从而，在较小面积上能存储大量的信息，同时，非主视角下的存储信息在通常的观察角度下，不易被观察到，可以用于大信息的加密携带。见图11所示。如果采用体存储材料，存储的信息密度还将增加。
Claims (10)
1.一种利用光变图像的光学存储方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)将存储信息利用设定的编码方式生成图形、文字或者数据序列；
(2)根据光变图像的特性，将步骤(1)中生成的图文序列排列成光变图文，其中，所述光变图像是由不同取向、不同空间频率的衍射光栅构成的光栅单元阵列，每个光栅单元是由精细的图形、文字或者数据位构成，光栅单元的尺度不大于160微米；
(3)将步骤(2)中获得的光变图文利用光变图像照排系统存储到记录材料上。
2.如权利要求1所述的光学存储方法，其特征在于：所述的光变图像照排系统包括激光器[1]、光电开关[2]、扩束器[3]、空间光调制器[4]和分束元件[6]，激光器[1]产生的激光束通过光电开关[2]后，经扩束器[3]准直投射到空间光调制器[4]上，欲存储的光变图文信息经计算机输出至空间光调制器[4]上，光束经空间调制后，由一个光学成像系统[5]将空间调制图像投影到分束元件[6]上，分束元件[6]将激光光束分束成二束光，再通过光学成像系统[7]将两束光会聚到记录材料[8]上，两束光相互干涉，形成精细干涉条纹，分束元件[6]放置在精密转台[9]上，转台[9]的转动将改变干涉条纹在记录材料[8]上的取向，由计算机软件控制记录材料平台[10]、空间光调制器[4]和转台[9]以及光电开关[2]，从而在记录材料[8]上形成高密度光变图像的光学存贮。
3.如权利要求1所述的光学存储方法，其特征在于：所述的图文序列为用多个图形的特定排列表达信息的图形序列，其图形单元包括圆形、方形、十字形。
4.如权利要求1所述的光学存储方法，其特征在于：所述的图文序列为文字序列，在每个光栅单元中可以存储1个或多个文字。
5.如权利要求1所述的光学存储方法，其特征在于：所述的图文序列为由0和1组成的数据位序列，各数据位在光栅单元中用明暗表示，每个光栅单元中含有连续的多个数据位。
6.如权利要求1所述的光学存储方法，其特征在于：所述的光变图文由正片和负片构成，通过改变单元光栅的光栅间距，在同一记录材料上获得正负镶嵌的光变图像。
7.如权利要求1所述的光学存储方法，其特征在于：应用复用存储技术，即在存储光变图文时，针对单元光栅，改变光栅的取向和光栅的条纹间距，获得多视角的光变图像。
8.如权利要求1或2所述的光学存储方法，其特征在于：所述的记录材料是振幅型感光材料。
9.如权利要求1或2所述的光学存储方法，其特征在于：所述的记录材料是浮雕型位相感光材料，可以利用压印技术复制记录的光变图像。
10.如权利要求1或2所述的光学存储方法，其特征在于：所述的记录材料是塑料或金属材料，所述的激光束为高功率激光束，利用激光束的刻蚀获得记录的光变图像。
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