CN202533718U

CN202533718U - 大幅面浮雕结构彩虹全息图拍摄装置

Info

Publication number: CN202533718U
Application number: CN2012201047938U
Authority: CN
Inventors: 施逸乐; 王辉
Original assignee: Suzhou University; Zhejiang Normal University CJNU
Current assignee: Suzhou University; Zhejiang Normal University CJNU
Priority date: 2012-03-20
Filing date: 2012-03-20
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2022-03-20

Abstract

本实用新型涉及一种彩虹全息图拍摄装置，具体为一种大幅面浮雕结构彩虹全息图拍摄装置。其特征在于所述的光路系统由氦镉激光器、可调衰减器、第一介质膜反射镜、第二介质膜反射镜、第三介质膜反射镜、柱面扩束镜、球面扩束镜、第一针孔滤波器、第二针孔滤波器、柱面准直透镜、球面准直透镜、主全息图H1夹具配合而成，全息图记录部分由电子快门和精密三维移动平台组成，主控计算机控制电子快门自动曝光以及精密三维移动平台的三维移动。本实用新型具有以下优点：全息图制作对象更加广泛，可制作光学彩虹全息术能够记录的对象的全息图，还可制作人像、自发光物体、虚拟物体的全息图，同时彩虹全息图母版制作速度快，且微结构转移效率高，损耗低。

Description

大幅面浮雕结构彩虹全息图拍摄装置

技术领域

本实用新型涉及一种彩虹全息图拍摄装置，具体为一种大幅面浮雕结构彩虹全息图拍摄装置。

背景技术

1969年美国科学家本顿提出了“彩虹全息术”，彩虹全息术的基本原理是在全息图拍摄光路中的适当位置放置狭缝，以限制能够传播到彩虹全息记录面上物光波空间频率，以此来限制白光再现全息图时引起的色模糊，因而彩虹全息图可进行白光再现。该技术的发明使得全息术从先前的激光记录激光再现，迈向了激光记录白光再现阶段，在很大程度上促进了全息技术的实用化。然而，彩虹全息图的制作成本较高，因而在当时也难以走出实验室进入商品化阶段。1970年美国无线电公司（RCA）的Bartolini等人首先提出了采用模压技术来实现全息图的批量生产，用于模压全息生产的全息图模板具有表面浮雕结构，模压全息生产过程类似凸版印刷，所以模压全息术又称为全息印刷术。采用模压全息可以实现全息图的批量复制生产，从而可以大大降低单张全息图的制作成本，模压全息术的发明使得彩虹全息术走出了实验室，并迅速走向商品化，目前已经进入全息防伪、全息包装等诸多领域。

模压全息术中的关键技术是如何制作高质量的全息图母版，目前全息图母版的制作主要方法是采用全息图打印系统进行全息图的直写。目前，国内外被称作全息打印系统的主要有如下三种类型：一是点阵（Dot Matrix）全息图制作系统：点阵全息图的单元光栅为点状，其衍射图形由一系列不同方向和空间频率的单元光栅组成。制作时根据所需的动态效果借助计算机进行设计，然后由计算机控制两束细激光束的方向、夹角和固定光刻胶版的x-y平台的位移，逐点曝光，光刻胶版经过显影处理后得到点阵全息图的母版。根据衍射原理知，当白光再现此类全息图时，人眼在不同的方位即可看到不同颜色的再现像，因而称这类图像被称为光变图像（OVD，Optically Variable Devices）。二是合成全息图制作系统，其原理是利用数码相机拍摄景物不同视角的二维图像（体视图对序列），并将体视图对序列依次输入空间光调制器（SLM，Spatial-Light Modulator），显示的图像通过柱透镜成像到记录平面与参考光干涉，从而形成合成全息图。三是计算全息图直写系统，其原理是通过三维信息采集设备或者是三维建模获取物体的三维数据，通过计算机编码计算得到数字全息图，再将得到的全息图分割成若干小全息图单元，将它们按照一定的顺序输入到SLM，通过高微缩倍率的光学系统将显示在SLM上的全息图单元缩小成像于全息记录介质，通过逐块成像并且二维拼接即可得到整幅全息图。

在全息图的工业化模压生产中，为了提高全息图的生产效率，往往需要在一张光刻胶版上制作多张相同的全息图单元。目前主要有两种方法：方法一、采用上述的全息图打印系统，在光刻胶版上的不同区域曝光同一张OVD、合成全息图或者彩虹全息图，并结合二维移动平台的拼接，即可得到具有周期性阵列全息图单元的全息图母版，通过后处理得到具有表面浮雕结构的全息图母版。当全息图母版要求是大幅面时，采用这种方法制作速度就很慢。方法二、在光刻胶版上制作一个全息图单元，结合精密电铸制版工艺得到模压全息图模板（镍版），最后采用机械拼版来实现大幅面全息图母版制作。机械拼版的基本过程是：用一个小尺寸带有完整图像的镍版作为拼版头，镍版加温加压，将小镍版上的结构压印转移到塑料版上（PC、PMMA），通过塑料版在x、y方向上的规则移动，完成若干个图像的拼接，然后再将塑料板经过精密电铸工艺得到大幅面的工作版。众所周知，精密电铸往往需要表面处理、喷银、电铸、弱酸蚀、钝化等一系列过程，每个工艺过程都有微结构的损耗，另外，通过热压印来拼版需要高温高压，因而热胀冷缩效应以及塑料版内残存应力都会使得全息图结构产生畸变，进而影响全息图的衍射效率。因而采用方法二不仅工序繁琐能耗高，而且微结构转移的损耗大效率低。

实用新型内容

针对目前全息图母版制作技术的现状，本实用新型的目的在于提供一种大幅面浮雕结构彩虹全息图拍摄装置的技术方案。

所述的大幅面浮雕结构彩虹全息图拍摄装置，包括光路系统、全息图记录部分以及主控计算机三大部分，其特征在于所述的光路系统由氦镉激光器、可调衰减器、第一介质膜反射镜、第二介质膜反射镜、第三介质膜反射镜、柱面扩束镜、球面扩束镜、第一针孔滤波器、第二针孔滤波器、柱面准直透镜、球面准直透镜、主全息图H1夹具配合而成，全息图记录部分由电子快门和精密三维移动平台组成，主控计算机控制电子快门自动曝光以及精密三维移动平台的三维移动。

所述的大幅面浮雕结构彩虹全息图拍摄装置，其特征在于所述的氦镉激光器出射的光束经可调衰减器分成两束，分别为用于再现主全息图H1的物光束和记录浮雕结构彩虹全息图的参考光束。

所述的大幅面浮雕结构彩虹全息图拍摄装置，其特征在于所述的氦镉激光器的激光波长 λ＝442nm，功率为30mW。

所述的大幅面浮雕结构彩虹全息图拍摄装置，其特征在于所述的可调衰减器的反射率在0.0-1.0之间连续可调。

本实用新型与目前的大幅面彩虹全息图制版技术相比，具有以下优点：

1.全息图制作对象广泛：该系统除了可以制作光学彩虹全息术能够记录的对象的全息图，还可以制作诸如人像、自发光物体、虚拟物体的全息图，大大地丰富了模压全息图的类型；

2.彩虹全息图母版制作速度快：首先是将物体信息编码在H1里，彩虹全息图的形成是第二步光学记录的，因而单张彩虹全息图的记录速度是非常快的，每张全息图的记录只需短短几秒即可；

3.微结构转移效率高：采用热熔压印来进行全息图拼版，由于进行多次的电铸与热压印，因而损耗是很大的，本实用新型提出的系统是在光刻胶版上记录多张彩虹全息图单元，只需进行一次电铸制版即可完成大幅面全息图模板的制作，因而全息图微结构的转移效率高，损耗低。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为菲涅耳全息记录光路示意图；

图中：1-氦镉激光器，2-电子快门，3-第一介质膜反射镜，4-柱面扩束镜，5-第一针孔滤波器，6-柱面准直透镜，7-主全息图H1夹具，8-可调衰减器，9-第二介质膜反射镜，10-第三介质膜反射镜，11-球面扩束镜，12-第二针孔滤波器，13-球面准直透镜，14-全息记录面，15-精密三维移动平台，16-主控计算机。

具体实施方式

本实用新型将计算全息术与光学全息术有机结合，充分利用计算全息的灵活性以及光学全息的并行处理能力，设计了一套大幅面浮雕型结构彩虹全息图拍摄装置，如图1所示。本拍摄系统有效地解决了具有多个彩虹全息图单元（周期性阵列或者随即阵列）的大幅面全息图母版制作问题，为传统的模压全息增添了新的全息图模板制造技术。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：以条形的计算机制菲涅耳全息图H1为全息图的信息源，将待记录物体的信息编码在其中，当激光束再现H1时，在指定的空间位置即可重现出与原始记录物体形貌一致的光场分布。在此，H1的功能不仅仅是作为物体的信息源，它同时扮演彩虹全息术中狭缝的作用，也就是意味着所有的物光波信息都是由在竖直方向上空间频率受限的光波衍射而成，我们可以将H1和其再现光场分布共同视为一个物体。采用与物光场相干的另一束平行激光束作为参考光波，使其与物光场叠加得到干涉条纹，并通过后处理得到具有表面浮雕结构的全息图Hr，即彩虹全息图。另外，大幅面彩虹全息图的制作是通过计算机控制自动曝光以及精密移动平台的三维移动拼接来实现的，因而我们可以在计算机中设置三维移动平台的扫描模式，从而实现各种排列结构全息图阵列的制作。

下面以小汽车为例详细描述大幅面表面浮雕结构彩虹全息图母版的制作过程：

1.主全息图H1的制作

对于一个三维物体，它的空间结构分布可以写成如下离散函数：

(1)

式中

，分别是物体在X、Y和Z方向的取样间隔。

是坐标为（

）处物点的反射率或者透射率函数，如果计算时设照明物体的光是振幅为1的漫射光，则

就表示物点（）的光振幅。在菲涅耳近似条件下，某一个物点的光传播到全息记录平面上的分布离散表达式为（参照菲涅耳全息记录光路图2）：

(2)

由彩虹全息术的原理知，彩虹全息图上的信息实际上仅保留了物体的水平方向视角信息，在竖直方向上仅有人眼瞳孔直径区域内的视察信息，根据这一原理，我们只需记录一个条形区域的菲涅耳全息图即可作为彩虹全息的信息源H1。因此在计算菲涅耳全息时，在菲涅耳全息图记录平面上设置一个矩形带通滤波器，仅仅记录有限带宽的物光波，矩形带通滤波器的函数形式为：

（3）

其中，a和b分别为矩形带通滤波器的尺寸，a一般选取等于人眼瞳孔直径，b则根据实际的视角需要而定，一般选取大于双眼瞳孔间距

即可，则在H1区域内的物光波分布为:

(4)

则，H1上总的物光波分布为：

（5）

平行光参考光在全息记录面上的复振幅分布为：

（6）

因而，条形菲涅耳全息图H1的透射率分布为：

（7）

采用现有的“数字全息图制作与输出装置”将透射率分布为式（7）的数字全息图输出在全息记录介质上，经后处理即可得到可激光再现的全息图H1。

2.拍摄大幅面浮雕结构彩虹全息图

如图1所示，拍摄装置主要由光路系统、全息图记录部分以及主控计算机三大部分组成。光路系统由氦镉激光器1、可调衰减器8、第一介质膜反射镜3、第二介质膜反射镜9、第三介质膜反射镜10、柱面扩束镜4、球面扩束镜11、第一针孔滤波器5、第二针孔滤波器12、柱面准直透镜6、球面准直透镜13、主全息图H1夹具7配合而成。全息图记录部分由电子快门2和精密三维移动平台15组成。主控计算机16控制电子快门2自动曝光以及精密三维移动平台15的三维移动。氦镉激光器1出射的光束经可调衰减器8分成两束，分别为用于再现主全息图H1的物光束和记录浮雕结构彩虹全息图的参考光束。

物光路：氦镉激光器1（激光波长λ＝442nm，功率为30mW）出射的光束经过可调衰减器8，反射光束作为全息图H1的再现光，可调衰减器8的反射率在0.0-1.0之间连续可调，根据全息原理，当物光和参考光的光强之比为1:1时，干涉条纹的对比度达到最大，也就是此时全息图的衍射效率最大。这就意味着我们期望在全息记录面14处物光波和参考光波的光强相等，综合考虑到全息图H1的衍射效率，以及最终彩虹全息图的信噪比，我们经过大量的实验最终确定BS的分束比为1:4，即使得80%的光能反射用于H1 的再现。从可调衰减器8反射的细激光束经过柱面扩束镜4和第一针孔滤波器5后得到一长条形的球面波，第一针孔滤波器5置于柱面准直透镜6的一倍焦距处，则条形球面波经过柱面准直透镜6之后即被准直成条形的平面波，用于再现H1。因为在采用光刻胶作为记录介质时，光能的利用率是一个极其重要的技术，因而我们在物光路中采用了柱面准直透镜6，这样大大地提高了光能的利用率。

参考光路：从可调衰减器8透射的激光束被第二介质膜反射镜9、第三介质膜反射镜10，再经过球面扩束镜11和第二针孔滤波器12之后得到一球面波，球面准直透镜13和第二针孔滤波器12的距离为球面准直透镜13的一倍焦距，因而从球面准直透镜13出射的即是一圆形平面光束作为参考光记录彩虹全息图。参考光束以与光刻胶版成θ_xR的角度入射到光刻胶版上，经过曝光即可在光刻胶版上记录彩虹全息图。考虑到人眼观看显示全息图的习惯，我们取θ_xR=30°。

自动拼接和曝光：在离全息图H1距离为Z_h处将得到原始物体的光场分布，根据彩虹全息原理，全息图H1和其重构物光场共同作为一个物体而被参考光调制记录，那么当彩虹全息图再现时，再现得到物光波的同时又得到全息图H1的像，人眼是位于全息图H1的像处观看全息再现像的，所以Z_h即人眼和全息图再现像之间的距离，根据人眼观看习惯将Z_h的初始位置设置为300mm，将光刻胶版固定于精密三维移动平台XYZ-Satage的夹具上。夹具在x和y方向的宽度可以自由调节，以适合不同幅面彩虹全息图母版的拍摄，目前夹具x和y方向的尺寸分别是1000×1000(mm)。通过主控计算机16设定精密三维移动平台15的运动模式及电子快门2的开关时序，即可在光刻胶版的不同区域快速记录彩虹全息图，经过后处理即可得到大幅面表面浮雕结构彩虹全息图母版。

具体操作方法：

（1）通过计算机3D建模获取一汽车的三维模型，从而得到了形如式（1）的物点空间分布，设置物体的尺寸为15×30mm，物体中心距离菲涅耳全息图记录平面的距离为Zo=300mm，计算波长为λ＝442nm，参考光入射角为θ_xR=30°，全息面的采样间隔为△x=0.6μm，矩形带通滤波器的口径为a×b=3×100(mm)，通过编程得到数字化的条形菲涅耳全息图，再结合现有的“数字全息图制作与输出装置”将其输出得到一张可光学再现的条形的菲涅耳全息图H1；

（2）将全息图H1安装在图1所示的全息图H1夹具7处，关闭快门，将光刻胶版固定在精密三维移动平台XYZ-Stage上，并移动平台使得全息图H1和全息记录面14之间的距离Z_h=300mm，此时全息图H1的衍射光波能够在全息记录面14处成重构出清晰的像。具体的Z_h值设置可以根据用户期望达到的全息观看效果进行设置，如用户期望最终全息再现像能够浮出全息记录平面，那么可以适当增大Z_h，反之即可通过减小Z_h来实现。在主控计算机上设置精密三维移动平台XYZ-Stage的运行模式，以及电子快门曝光时序，即可自动完成在光刻胶版上的不同区域记录全息图单元，经过显影处理即可得到大幅面表面浮雕结构彩虹全息图母版。再将其经过精密电铸即可得到大幅面浮雕结构彩虹全息图模板。

本实用新型不仅局限于制作虚拟物体的全息图，可以制作任何已知面型分布物体的大幅面彩虹全息图母版。

Claims

1.大幅面浮雕结构彩虹全息图拍摄装置，包括光路系统、全息图记录部分以及主控计算机三部分，其特征在于所述的光路系统由氦镉激光器、可调衰减器、第一介质膜反射镜、第二介质膜反射镜、第三介质膜反射镜、柱面扩束镜、球面扩束镜、第一针孔滤波器、第二针孔滤波器、柱面准直透镜、球面准直透镜、主全息图H1夹具配合而成，全息图记录部分由电子快门和精密三维移动平台组成，主控计算机控制电子快门自动曝光以及精密三维移动平台的三维移动。

2.根据权利要求1所述的大幅面浮雕结构彩虹全息图拍摄装置，其特征在于所述的氦镉激光器出射的光束经可调衰减器分成两束，分别为用于再现主全息图H1的物光束和记录浮雕结构彩虹全息图的参考光束。

3.根据权利要求1所述的大幅面浮雕结构彩虹全息图拍摄装置，其特征在于所述的氦镉激光器的激光波长λ＝442nm，功率为30mW。

4.根据权利要求1所述的大幅面浮雕结构彩虹全息图拍摄装置，其特征在于所述的可调衰减器的反射率在0.0-1.0之间连续可调。