CN1350212A - 数码三维与光变图像的制作方法及激光照排系统 - Google Patents

Abstract

一种数码三维与光变图像的制作方法,将图像根据单元光栅的取向和空频分解成至少2个子图像,每个子图像中单元光栅的取向和空频相同,将一个子图像输入到空间光调制器上,一平行光束经空间光调制器成像到分束元件上,产生分束光束,并会聚在记录材料上,产生与所述子图像对应的由多个衍射光栅组成的图像,依次向空间光调制器输入不同的子图像,直至完成整个图像的制作;其激光照排系统,包括由平行光源、空间光调制器、成像系统、分束元件等组成的光路系统、放置记录材料的工作台及控制部分,分束元件设置在转台上,记录材料位于分束后成像系统的焦面上。本发明制作速度快,分辨率高,可用于较大面积的三维与光变图像的制作。

Description

数码三维与光变图像的制作方法及激光照排系统

           技术领域

本发明涉及一种数码三维与光变图像的制作方法及实现该方法的激光照排系统，用于制作三维图像及其他具有光学可变特性的图像。

           背景技术

数码三维与光变图像是一种新型的光学图像，它由像素阵列组成，其中的每个像素是一个像素光栅(单元光栅)，单元光栅的取向和空频有着无穷多的组合，使图像具有色彩变化、动态效果和三维感等多种光变效果的光学特性，图像可以非常复杂，对于浮雕型的图像，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，且易于观察，所以在国际上已经用于证券、卡证的防伪、激光防伪包装材料生产和检测中。

目前制作三维与光变图像的方式主要有以下几种，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；第三种是电子束曝光，虽然，电子束光刻的光栅精度更高，但其制作费用太高、时间更长，对获得大面积的三维与光变图像也是不可行的。为此，本发明人在另一项专利申请光学可变图像的制作方法及其照排系统中提出了一种新的制作方法，即采用干涉型光学头作为激光直写头，用激光干涉条纹象素点作为激光直写点实现像素光栅的制作，由于一个干涉条纹象素点包含数十条光栅刻线，因而比用单光束激光直写方法快数十倍，能用于设计制作较大面积的光变图像，同时，像素光栅的条纹密度可以更高，同样设计一个10毫米×10毫米的光栅，如果光束的聚焦点的直径为0.04毫米，设运行速度为80点/秒，需要15余分钟，明显快于单光束直写，使大面积制作成为可能；但是，由于机械运动的运行时间限制，对于500毫米×500毫米的面积，需要400多小时，作为大面积应用，在时间上仍是难以接受的，另一方面，为提高分辨率，需要减小光束的直径，由此将导致两个光束相交区域的变小，一般地，当光斑直径为10微米时，机械运动过程中的上下振动，将会严重影响两个光斑的重叠程度，因而，系统的图像最高分辨率为2540dpi。

考虑上述几种方案，我们发现，为了解决全息摄影法中手工操作的问题，后续的几种方法均是通过对干涉条纹或者单元光栅点的单点处理来进行制作的，这是导致速度慢，难以制作大面积图像的主要原因，如果能利用计算机控制实现对同一图像中的多个像素光栅点的同时制作，将大大提高制作速度。

             发明内容

本发明即是根据上述设想，提供一种利用计算机控制、速度快、能高效率地制作大面积三维与光变图像的制作方法及利用此方法实现制作的照排系统，以使大面积三维与光变图像的制作进入工业化应用阶段。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种数码三维与光变图像的制作方法，将图像根据其中单元光栅的取向和空频分解成至少2个子图像，每个子图像中单元光栅的取向和空频相同，将其中一个子图像输入到空间光调制器(SLM)上，一平行光束经空间光调制器调制后成像到分束元件上，产生分束光束，将所述分束光束会聚在记录材料上，产生与所述子图像对应的由多个衍射光栅组成的图像，依次向空间光调制器输入不同的子图像，直至完成整个图像的制作。

上述技术方案中，所述的“三维与光变图像”是指由单元光栅构成的图像，其中的单元光栅的取向和空频有着无穷多的组合，使图像具有色彩变化、动态效果和三维感等多种光变效果的光学特性，它包括平面图像(2D)、平面纵向分层图像(2D/3D)、三维立体图像(3D)、光学可变图像(OVD，或称为空间多通道图像)、数字编码图像(具有条码或二维码功能)、数字点形加密图像等。所述“将图像根据其中单元光栅的取向和空频分解成至少2个子图像”，意思是，图像中的单元光栅具有不同的取向和空频，将其中相同取向和空频的单元光栅取出，可以构成一个子图像，因而，一幅图像可以看成是若干幅子图像的相加。所述的“分束元件”是一种分光元件，它能将入射光分成两束光，由反射镜和透镜构成干涉型光学头，经分束元件产生的分束光束在记录材料表面位置相交，形成干涉条纹，从而在感光材料上记录下由多个单元光栅构成的子图像；多幅子图像的叠加构成了完整的三维与光变图像；这里，“分束元件”可以是传统的半透半反型的分束元件，也可以是具有分束功能的全息光学元件，所谓具有分束功能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；由全息光学元件和透镜组可以构成干涉型光学头，经全息光学元件产生的衍射光在记录材料表面位置相交，形成干涉条纹，从而在感光材料上记录下由多个单元光栅构成的子图像。

上述技术方案中，所述的空间光调制器(SLM)可以是透射型的、也可以是反射型的，在更换空间光调制器中输入的子图像时，同时转动分束元件或者改变分束元件的位置。所述的分束元件可以是半透半反型的分束元件，也可以是全息光学元件，此时，所述的分束光束为衍射光束。

上述技术方案中，对于面积较大的三维与光变图像，可以先将图像用几何分割法分割成多个小面积图像，对每个小面积图像分别分解成子图像，按所述步骤制作，移动记录材料，制作下一个小面积图像，直至完成整个图像的制作。

本发明中生成三维与光变图像的激光照排系统的技术方案是，包括由平行光源、空间光调制器、分束前成像系统、分束元件、分束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，所述分束元件设置在转台上，所述记录材料位于分束后成像系统的焦面上。

上述技术方案中，所述平行光源由光源、光电开关、扩束器和准直镜组成；其中的光源可以是激光光源或线光谱光源。采用一般激光光源或线谱线光源时，适用于用感光材料作为记录材料；采用高功率密度的激光光源时，可以用塑料或金属材料作为记录材料，直接刻出干涉条纹。

上述技术方案中，所述放置分束元件的转台可以转动及沿Z轴方向运动，所述工作台可以沿X轴和Y轴运动。

上述技术方案中，所述的分束元件可以为全息光学元件，所述的分束前成像系统为衍射前成像系统，包括透镜、反射镜和透镜，所述的分束后成像系统为衍射后成像系统，它将全息光学元件产生的衍射光会聚在记录材料上，可以是由透镜和透镜组成的透镜组。

上述技术方案中，所述的分束元件也可以为半透半反型分束元件，所述的分束前成像系统包括透镜、反射镜和透镜，所述的分束后成像系统将衍射光会聚在记录材料上，可以是由反射镜和透镜组成的透镜组。

本发明工作原理是：三维和光变图像是由不同空频、光栅取向的单元光栅组成的，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，φ代表光栅取向，改变φ，将使入射角i和衍射角θ同时发生改变，这样，φ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。由此，可以由相同取向和空频的单元光栅构成一幅子图像，改变观察位置，将看到不同的子图像。

如附图1所示的光变图像的示意图，相同取向和空涉的单元光栅排列成一个或多个正方形，整个图像由多个该类正方形组合而成。当改变观察位置时，将可以观察到方框线发生伸缩变化，图中给出了两个不同观察角度上的子图像，每个子图像上均分别由取向相同的单元光栅构成，任何一个光学可变图像均可以盾成由若干个不同光栅取向的子图构成。

即f(x，y，φ，Λ)＝∑f_i(x，y，φ，Λ)

因而，只要能够在子图像f_i(x，y，φ，Λ)的所有有效像素位置上同时产生相同的单元光栅，并且控制不同子图像的单元光栅取向，就能够制作三维与光变图像。

本发明通过计算机系统将三维与光变图像分解成多个子图像，利用空间光调制器输入子图像，使得平行光受该子图像调制后，由干涉型光学头产生相应的衍射光栅组，通过计算机控制依次输入不同的子图像，同时调节干涉型光学头中全息光学元件或分束元件的转角和位置，产生不同取向的衍射光栅组，即可以一种类似于并行的方式快速完成图像的制作。

本发明通过数码面阵图像输入方式，在记录材料上形成具有衍射特性的面阵列，由一个子图像形成的阵列的每个点中均含有相同条纹取向(φ)的干涉条纹，逐个输入子图像，改变干涉条纹取向(φ)，可以表达图像的动态感或由x，y和点阵分布(疏密或灰度)可以表达图像的强度(灰度)变化，立体感(相位)；由x，y，φ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，数码三维与光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。

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.本发明将三维与光变图像根据单元光栅的取向分解成子图像，对一个子图像可以一次完成照排，因而大大提高了制作速度。设由扩束器扩束后在空间光调制器上的光斑直径为20毫米，有效均匀照明图像面积为10毫米×10毫米，记录材料上的单个像素点的大小为0.02毫米，图像面积内的总像素为250000，按每幅图像平均含有30个角度φ变化，即每幅图像包含30幅子图像，记录每个子图像的系统运行时间约为1秒，则完成整幅图像的时间是30秒，而单点光栅方法完成相同的图像需15分钟以上，速度明显加快。

2.对于较大幅面的图像，本发明用面积分割法将大图像分割成许多小区域面积的图像，计算机软件逐个完成小区域图像，最后拼成一个较大的图像，由于系统运行效率的大幅度提高，原本用单点光栅法完成一个500毫米×500毫米图像需要400多小时，在实际操作上几乎无法实现，而用本发明的方法运行时间约20小时，因而可以实现大幅面图像的制作。

3.由于本发明对于子图像采用整体输入的方式，因而记录材料的振动对光点的相交区影响较小，从而可以提高系统的最高分辨率，系统的图像分辨率可以达到5000dpi。

             附图说明

附图1为本发明中图像根据单元光栅的取向和空频分解为子图像的示意图；

附图2为本发明实施例一中照排系统的结构示意图；

附图3为本发明实施例二中照排系统的结构示意图；

附图4为全息光学元件光学头的特征示意图；

附图5为本发明实施例三中照排系统的结构示意图；

附图6为图5中分束元件光学头的特征示意图；

附图7为本发明生成的不同类型的三维与光变图像结构的示意图。

其中：[1]、光源；[2]、光电开关；[3]、扩束器；[4]、准直镜；[5]、空间光调制器；[6]、透镜；[7]、反射镜；[8]、透镜；[9]、分束元件；[10]、转台；[11]、透镜；[12]、透镜；[13]、工作台；[14]、记录材料；[15]、控制系统；[16]、计算机；[17]反射镜；[18]、全息光学元件。

            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，一种数码三维与光变图像的制作方法，将图像根据其中单元光栅的取向和空频分解成至少2个子图像，每个子图像中单元光栅的取向和空频相同，将其中一个子图像输入到空间光调制器上，一平行光束经空间光调制器5调制后成像到全息光学元件18上，产生衍射光束，将所述衍射光束会聚在记录材料14上，产生与所述子图像对应的由多个衍射光栅组成的图像，依次向空间光调制器5输入不同的子图像，同时转动全息光学元件18或者改变全息光学元件18的位置，直至完成整个图像的制作。

实现上述方法的激光照排系统，包括由光源1、光电开关2、扩束器3、准直镜4、空间光调制器5、衍射前成像系统、全息光学元件18、衍射后成像系统组成的光路系统、放置记录材料14的工作台13以及包括计算机16的控制部分，所述的空间光调制器5为透射型的空间光调制器，所述全息光学元件18设置在转台10上，转台10可以转动及沿Z轴方向运动，所述记录材料14放置在工作台13上并位于衍射后成像系统的焦面上；所述光源1可以是激光光源或线光谱光源；所述的衍射前成像系统包括透镜6、反射镜7和透镜8，所述的衍射后成像系统将衍射光会聚在记录材料14上，可以是由透镜11和透镜12组成的成像器件。

附图4中给出了本实施例可以选用的几种息光学元件的特性示意图。

本实施例中，相交光点大小一般在8毫米至0.005毫米之间改变，相交光点的形状可以是圆点、方形或者是任意文字形状，相交光夹角可以在7°至40°之间改变，记录材料14可以是对近紫外光到红光感光；所述光源1可以是激光光源或线谱线光源，如果采用线谱线光源，则在记录材料14上形成消色差干涉条纹，如果采用高功率密度的激光光源，则记录材料14可以用非感光材料(如金属或塑料)。

实施例二：参见附图3所示，一种数码三维与光变图像的制作方法，先将图像用几何分割法分割成多个小面积图像，对每个小面积图像分别分解成子图像，对于每个子图像，按实施例一中相同的步骤制作。

本实施例的激光照排系统，总体结构与实施例一类似，其中，空间光调制器5是反射型空间光调制器，工作台13可以沿X轴和Y轴运动，由计算机16经控制系统15控制工作台13的运动，带动记录材料14移动，依次制作各个小面积图像，从而拼接成整个图像。

实施例三：参见附图5所示，一种用于制作数码三维与光变图像的激光照排系统，包括由光源1、光电开关2、扩束器3、准直镜4、空间光调制器5、分束前成像系统、分束元件9、分束后成像系统组成的光路系统、放置记录材料14的工作台13以及包括计算机16的控制部分，所述的空间光调制器5为透射型的空间光调制器，所述分束元件9设置在转台10上，转台10可以转动及沿Z轴方向运动，所述记录材料14放置在工作台13上并位于分束后成像系统的焦面上；所述光源1可以是激光光源或线光谱光源；所述的分束前成像系统包括透镜6、反射镜7和透镜8，所述的分束后成像系统将分束光束会聚在记录材料14上，可以是透镜12。

附图6给出了本实施例采用的半透半反型分束元件光学头的特征示意图，其中包括了半透半反镜及多个反射镜17。

Claims (10)

1、一种数码三维与光变图像的制作方法，其特征在于：将图像根据其中单元光栅的取向和空频分解成至少2个子图像，每个子图像中单元光栅的取向和空频相同，将其中一个子图像输入到空间光调制器[5]上，一平行光束经空间光调制器[5]调制后成像到分束元件[9]上，产生分束光束，将所述分束光束会聚在记录材料[14]上，产生与所述子图像对应的由多个衍射光栅组成的图像，依次向空间光调制器[5]输入不同的子图像，直至完成整个图像的制作。

2、如权利要求1所述的数码三维与光变图像的制作方法，其特征在于：所述空间光调制器[5]可以是透射型的、也可以是反射型的，在更换空间光调制器[5]中输入的子图像时，同时转动分束元件[9]或者改变分束元件[9]的位置。

3、如权利要求1或2所述的数码三维与光变图像的制作方法，其特征在于：所述的分束元件为半透半反型的分束元件。

4、如权利要求1或2所述的数码三维与光变图像的制作方法，其特征在于：所述的分束元件为全息光学元件，所述的分束光束为衍射光束。

5、如权利要求1所述的数码三维与光变图像的制作方法，其特征在于：先将图像用几何分割法分割成多个小面积图像，对每个小面积图像分别分解成子图像，按所述步骤制作，移动记录材料，制作下一个小面积图像，直至完成整个图像的制作。

6、一种应用权利要求1所述制作方法生成三维与光变图像的激光照排系统，其特征在于：包括由平行光源、空间光调制器[5]、分束前成像系统、分束元件[9]、分束后成像系统组成的光路系统、放置记录材料[14]的工作台[13]以及包括计算机[16]的控制部分，所述分束元件[9]设置在转台[10]上，所述记录材料[14]位于分束后成像系统的焦面上。

7、如权利要求6所述的激光照排系统，其特征在于：所述平行光源由光源[1]、光电开关[2]、扩束器[3]和准直镜[4]组成，所述光源[1]可以是激光光源或线光谱光源。

8、如权利要求6所述的激光照排系统，其特征在于：所述放置分束元件[9]的转台[10]可以转动及沿Z轴方向运动，所述工作台[13]可以沿X轴和Y轴运动。

9、如权利要求6所述的激光照排系统，其特征在于：所述分束元件为全息光学元件，所述的分束前成像系统为衍射前成像系统，包括透镜[6]、反射镜[7]和透镜[8]，所述的分束后成像系统为衍射后成像系统，它将全息光学元件产生的衍射光会聚在记录材料上，可以是由透镜[11]和透镜[12]组成的透镜组。

10、如权利要求6所述的激光照排系统，其特征在于：所述的分束元件为半透半反型分束元件，所述的分束前成像系统包括透镜[6]、反射镜[7]和透镜[8]，所述的分束后成像系统将衍射光会聚在记录材料上，可以是由反射镜[11]和透镜[12]组成的。

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