RU2040032C1

RU2040032C1 - Method of illuminating object

Info

Publication number: RU2040032C1
Authority: RU
Inventors: Н.Г. Власов
Original assignee: Малое предприятие "Когерентная оптика"
Priority date: 1991-12-09
Filing date: 1991-12-09
Publication date: 1995-07-20

Abstract

FIELD: shop-window advertising. SUBSTANCE: illuminating radiation hologram is made. Object is disposed at the area of hologram location. Hologram is illuminated by white light source and recovered wave field is got which forms real image of rainbow. EFFECT: improved efficiency. 3 dwg

Description

Изобретение относится к прикладной оптике, а точнее к оптической голографии, и предназначено для создания оптических дисплеев нового типа. Область применения витринная реклама, музейная техника, получение новых цветовых эффектов в кино и телевидении, а также неразрушающий контроль качества материалов и изделий. The invention relates to applied optics, and more specifically to optical holography, and is intended to create a new type of optical displays. Scope window display advertising, museum equipment, obtaining new color effects in film and television, as well as non-destructive quality control of materials and products.

Известны способы освещения объекта, по которым формируют освещающее волновое поле и направляют его на объект. В зависимости от назначения и области применения объекта используют различные устройства для формирования освещающего волнового поля. Однако они все не обеспечивают возможности наблюдения освещенного объекта в радужных цветах, что необходимо, например, для рекламы изделий. Такой эффект обеспечивает голография. Яркие, светящиеся сочными красками голографические изображения приковывают взгляды прохожих и превращают их в потенциальных клиентов. Known methods of illuminating an object, which form the illuminating wave field and direct it to the object. Depending on the purpose and scope of the object, various devices are used to form an illuminating wave field. However, they all do not provide the possibility of observing an illuminated object in rainbow colors, which is necessary, for example, for advertising products. This effect is provided by holography. Bright holographic images glowing with rich colors attract the eyes of passers-by and turn them into potential customers.

Известен способ освещения объекта [1] применяемый для получения радужных голограмм диффузно отражающих объектов. Как известно, спектр пространственных частот диффузно отражающих объектов весьма широк (белый шум) и заполняет всю частотную плоскость. Способ-аналог заключается в том, что посредством получения вспомогательной френелевской голограммы диффузно отражающего объекта и экранированием ее щелевой диафрагмой ограничивает по одному направлению спектр пространственных частот объектного волнового поля, перезаписывают его на новую радужную голограмму. направляя восстановленное объектное и опорное волновые поля на регистрирующую среду таким образом, чтобы угол между направлениями их распространения находился в одной плоскости с направлением, по которому ограничивают спектр пространственных частот объектного волнового поля, получают голограмму и освещают ее источником белого света. A known method of illuminating an object [1] is used to obtain rainbow holograms of diffusely reflecting objects. As you know, the spectrum of spatial frequencies of diffusely reflecting objects is very wide (white noise) and fills the entire frequency plane. An analogous method consists in the fact that by obtaining an auxiliary Fresnel hologram of a diffusely reflecting object and shielding it with a slit diaphragm, it limits the spatial frequency spectrum of the object wave field in one direction, rewrite it to a new rainbow hologram. directing the reconstructed object and reference wave fields to the recording medium so that the angle between the directions of their propagation is in the same plane as the direction along which the spatial frequency spectrum of the object wave field is limited, a hologram is obtained and illuminated with a white light source.

Недостаток способа-аналога заключается в сложном двухступенчатом процессе получения радужного изображения и соответственно в большем времени, затрачиваемом для этого. The disadvantage of the analogue method lies in the complex two-stage process of obtaining a rainbow image and, accordingly, in the longer time spent for this.

Известен одноступенчатый (непосредственный) способ получения радужного изображения фазовых объектов и объектов типа транспарантов [2] принятый за прототип. Такой термин применяется к объектам, которые изменяют только фазу освещающего излучения, оставляя его амплитуду постоянной. К объектам названного типа относятся прозрачные предметы типа стеклянных и хрустальных изделий, пропускающие освещающее излучение без диффузного рассеяния, зеркально отражающие изделия, а также объекты типа диапозитивов, нанесенные на основу, в которой отсутствует диффузно рассеивающий противоореольный или противоскручивающий слой. Эти объекты характеризуются узким спектром пространственных частот, не позволяющим наблюдать их целиком при однонаправленном освещении и тем более изменять направление наблюдения. В быту для их освещения обычно применяют многонаправленное освещение, например, через матовое стекло, чем расширяют спектр пространственных частот и обеспечивают возможность одновременного наблюдения всего объекта и параллакса при изменении направления наблюдения. В способе-прототипе операции, необходимые для формирования освещающего излучения и ограничения спектра пространственных частот излучения, прошедшего через записываемый на голограмму объект (или отразившегося от записываемого на голограмму объекта), совмещены. Способ-прототип заключается в том, что формируют освещающее волновое поле, расширяя спектр его пространственных частот по одному направлению и ограничивая по другому направлению с помощью, например, матового стекла, экранированного щелевой диафрагмой, формируют объектное волновое поле, направляя освещающее излучение на записываемый объект, формируют опорное волновое поле, направляют объектное и опорное волновые поля на регистрирующую среду таким образом, чтобы угол между направлениями их распространения находился в одной плоскости с направлением, по которому ограничивают спектр пространственных частот освещающего излучения, получают голограмму и освещают ее источником белого света. Known single-stage (direct) method of obtaining a rainbow image of phase objects and objects such as banners [2] adopted as a prototype. Such a term is applied to objects that change only the phase of the illuminating radiation, leaving its amplitude constant. Objects of this type include transparent objects such as glass and crystal products, transmitting illuminating radiation without diffuse scattering, mirror products, as well as objects such as transparencies, deposited on a base in which there is no diffusely scattering antireole or anti-twisting layer. These objects are characterized by a narrow spectrum of spatial frequencies, which does not allow observing them whole under unidirectional illumination, and even more so changing the direction of observation. In everyday life, multidirectional lighting is usually used for their illumination, for example, through frosted glass, thereby expanding the spectrum of spatial frequencies and providing the possibility of simultaneous observation of the entire object and parallax when changing the direction of observation. In the prototype method, the operations necessary for generating illuminating radiation and limiting the spatial frequency spectrum of the radiation transmitted through the object being recorded on the hologram (or reflected from the object being recorded on the hologram) are combined. The prototype method consists in forming an illuminating wave field, expanding the spectrum of its spatial frequencies in one direction and limiting in another direction using, for example, frosted glass shielded by a slit diaphragm, form an object wave field, directing the illuminating radiation to the recorded object, form the reference wave field, direct the object and reference wave fields to the recording medium so that the angle between the directions of their propagation is in the same plane with the direction in which the spatial spectrum of the illuminating radiation is limited, a hologram is obtained and illuminated with a white light source.

Недостаток способа-прототипа заключается в том, что получают не сам объект, окрашенный в радужные цвета, а только его изображение. В результате для каждого конкретного объекта необходимо записывать свою голограмму, что приводит к значительным затратам как времени, так и средств при широком круге наблюдаемых объектов. The disadvantage of the prototype method is that it does not receive the object itself, painted in rainbow colors, but only its image. As a result, for each specific object it is necessary to record its own hologram, which leads to significant costs of both time and money with a wide range of observed objects.

Целью изобретения является обеспечение возможности наблюдения объекта, окрашенного в радужные цвета. The aim of the invention is the ability to observe an object painted in rainbow colors.

Цель достигается тем, что согласно способу освещения объекта, заключающемуся в том, что формируют освещающее волновое поле, расширяя спектр его пространственных частот по одному направлению и ограничивая по другому с помощью, например, матового стекла, экранированного щелевой диафрагмой, формируют опорное волновое поле, направляют освещающее и опорное волновые поля на регистрирующую среду таким образом, чтобы угол между направлениями их распространения находился в одной плоскости с направлением, по которому ограничивают спектр пространственных частот освещающего излучения, получают голограмму и освещают ее источником белого света, голограмму освещающего излучения получают при отсутствии объекта, а объектное волновое поле формируют перед наблюдением радужного изображения, помещая объект в области расположения голограммы. The goal is achieved in that according to the method of illuminating an object, which consists in forming an illuminating wave field, expanding the spectrum of its spatial frequencies in one direction and limiting it in another using, for example, frosted glass shielded by a slit diaphragm, form a reference wave field, direct illuminating and supporting wave fields on the recording medium so that the angle between the directions of their propagation is in the same plane with the direction along which the spectrum of the natural frequencies of the illuminating radiation, a hologram is obtained and illuminated with a white light source, a hologram of the illuminating radiation is obtained in the absence of an object, and an object wave field is formed before observing a rainbow image, placing the object in the area of the hologram.

На фиг.1 представлена принципиальная оптическая схема записи освещающего волнового фронта, предназначенная для его последующего восстановления с сохранением первоначального направления распространения; на фиг.2 принципиальная оптическая схема записи освещающего волнового поля, предназначенная для его последующего восстановления с изменением направления распространения на сопряженное (обратное); на фиг.3 оптическая схема восстановления освещающего излучения в белом свете и получения объекта, окрашенного в радужные цвета. Figure 1 presents a schematic optical recording circuit of the illuminating wavefront, intended for its subsequent recovery while maintaining the original propagation direction; figure 2 is a schematic optical recording circuit of the illuminating wave field, intended for its subsequent restoration with a change in the direction of propagation to the conjugate (reverse); figure 3 is an optical diagram of the restoration of illuminating radiation in white light and obtain an object painted in rainbow colors.

На фиг.1 в плече формирования освещающего волнового поля расположены матовое стекло 1 с узкой горизонтальной щелью 2, объектив (линза) 3 большого диаметра, регистрирующая среда 4, изображение узкой горизонтальной линии 5. В плече формирования опорного волнового поля расположены короткофокусный объектив (линза), объектив (линза) 7 большого диаметра, изображение 8 точечного опорного источника, созданного микрообъективом 6 и построенного линзой 7. На фиг.3 показаны источник 9 белого света голограммы 10, возможные положения 11 объекта, восстановленное изображение 12 щели, размытое в радугу и образующее зону наблюдения. In Fig. 1, frosted glass 1 with a narrow horizontal slit 2, a large diameter lens (lens) 3, a recording medium 4, an image of a narrow horizontal line 5 are located in the shoulder of the formation of the illuminating wave field. A short-focus lens (lens) is located in the shoulder of the formation of the reference wave field , a large diameter lens (s) 7, an image 8 of a point reference source created by a micro lens 6 and built by a lens 7. Figure 3 shows a white light source 9 of a hologram 10, possible positions of an object 11 restored e image of 12 slots, blurred into a rainbow and forming an observation zone.

Согласно изобретению освещающее волновое поле на фиг.1 и 2 формируют, расширяя спектр его пространственных частот по одному направлению и ограничивая по другому с помощью, например, матового стекла 1, экранированного щелевой диафрагмой 2. Как и в способе-прототипе, некоторый энергетический выигрыш можно получить, направляя лазерное излучение на цилиндрическую линзу, фокусирующую его на матовом стекле в узкую горизонтальную линию 2. Описание традиционной для всех способов получения голограмм операции разделения когерентного лазерного излучения на две части, одна из которых предназначена для формирования освещающего и объектного волнового поля, а другая для формирования опорного волнового поля, для краткости изложения опущено. Объективом (линзой) 3 большого диаметра переотображают линию 2 за регистрирующую среду 4 в положение 5 на таком расстоянии от нее, на котором впоследствии находятся от голограммы глаза наблюдателя. Для индивидуального наблюдения это 30-40 см (расстояние наилучшего зрения), для выставок 1 м, для витринного дисплея 1-2 м. Согласно фиг.1 опорное волновое поле формируют при помощи короткофокусного микрообъектива (линзы) 6, создавая при помощи его точечный источник, расположенный вблизи микрообъектива и на таком расстоянии от регистрирующнй среды, на котором впоследствии располагается от голограммы восстанавливающий источник белого света. Как известно, от угловых размеров восстанавливающего источника зависит разрешение восстановленного изображения. Как показывают общеизвестные расчеты и практика, разрешение, достаточное для визуального наблюдения, достигается при расстояниях 1-3 м. According to the invention, the illuminating wave field in FIGS. 1 and 2 is formed by expanding the spectrum of its spatial frequencies in one direction and restricting it in another using, for example, frosted glass 1 shielded by a slit diaphragm 2. As in the prototype method, some energy gain can be to obtain by directing laser radiation to a cylindrical lens focusing it on the frosted glass in a narrow horizontal line 2. Description of the traditional for all methods of obtaining holograms operation of separation of coherent laser radiation exercises in two parts, one of which is intended to form the illuminating and object wave fields, and the other to form the reference wave field, is omitted for brevity. Lens (lens) 3 of large diameter redisplay line 2 for the recording medium 4 to position 5 at such a distance from it, which subsequently are from the hologram of the eye of the observer. For individual observation, this is 30-40 cm (best vision distance), for exhibitions 1 m, for a display 1-2 m. According to figure 1, the reference wave field is formed using a short-focus micro-lens (lens) 6, creating using its point source located near the micro-lens and at such a distance from the recording medium, at which a restoring white light source is subsequently located from the hologram. As is known, the resolution of the reconstructed image depends on the angular dimensions of the reducing source. As well-known calculations and practice show, a resolution sufficient for visual observation is achieved at distances of 1-3 m.

Согласно фиг. 2 освещающее волновое поле формируют только при помощи экранированного узкой горизонтальной щелью 2 матового стекла или каким-либо его эквивалентом. Опорное волновое поле формируют при помощи микрообъектива (линзы) 7 большого диаметра, создающего изображение 8 этого источника на таком расстоянии от регистрирующей среды, на котором впоследствии находится от голограммы источник восстанавливающего белого света. После формирования освещающего и опорного волновых полей направляют их на регистрирующую среду 4 таким образом, чтобы угол между направлениями их распространения находился в одной плоскости с направлением, по которому ограничивают спектр пространственных частот освещающего излучения. Так, если освещенный участок на матовом стенке вытянут в горизонтальном направлении, угол между направлениями распространения освещающего и опорного волновых полей должен находиться в вертикальной плоскости. According to FIG. 2, the illuminating wave field is formed only with the help of a frosted glass shielded by a narrow horizontal slit 2 or any equivalent thereof. The reference wave field is formed using a large diameter micro lens (lens) 7, which creates an image 8 of this source at such a distance from the recording medium, which subsequently contains a source of restoring white light from the hologram. After the formation of the illuminating and reference wave fields, they are directed to the recording medium 4 so that the angle between the directions of their propagation is in the same plane with the direction along which the spectrum of spatial frequencies of the illuminating radiation is limited. So, if the illuminated area on the matte wall is elongated in the horizontal direction, the angle between the directions of propagation of the illuminating and reference wave fields should be in a vertical plane.

Согласно изобретению после формирования освещающего и опорного волновых полей голограмму 10 освещающего излучения получают в отсутствии объекта, чье радужное освещение требуется получить, и освещают ее источником 9 белого света. Фактически обе оптические схемы на фиг.1 и 2 тождественны по конечному результату: когда освещают полученную согласно им голограмму 10 источником 9 белого света (фиг.3), то без помощи каких-либо дополнительных оптических элементов получают восстановленное волновое поле, формирующее действительное изображение радуги 12. В схеме фиг.2 требования к качеству объектива (линзы) большого диаметра несколько снижены, так как она предназначена только для построения изображения точечного источника. Далее согласно способу перед наблюдением объекта, окрашенного в радужные цвета, его помещают вблизи голограммы 10 в положение 11, перенося таким образом информацию о нем в восстановленное освещающее излучение. Выбор между положениями до и после голограммы вопрос дизайна. According to the invention, after the formation of the illuminating and reference wave fields, the hologram 10 of the illuminating radiation is obtained in the absence of an object whose rainbow illumination is required to be obtained, and illuminate it with a white light source 9. In fact, both optical schemes in Figs. 1 and 2 are identical in their final result: when the hologram 10 obtained according to them is illuminated with a white light source 9 (Fig. 3), then without the help of any additional optical elements, a reconstructed wave field is formed that forms a real image of the rainbow 12. In the diagram of FIG. 2, the requirements for the quality of a large diameter lens (s) are somewhat reduced, since it is intended only for constructing an image of a point source. Further, according to the method, before observing an object painted in rainbow colors, it is placed near the hologram 10 at position 11, thereby transferring information about it into the restored illuminating radiation. The choice between the positions before and after the hologram is a design issue.

В зависимости от геометрической формы объекта и пространственного распределения по нему показателя преломления часть радуги, соответствующая некоторому конкретному месту объекта, смещается от своего первоначального положения и глаза наблюдателя в плоскости 12 видят объект, цвета которого изменяются подобно цветам радуги при перемещении головы наблюдателя в вертикальном направлении. Если наблюдатель выходит из зоны видения (радуги), то цветная окраска пропадает, но сам объект остается видимым в связи с тем, что он освещается также и пучком нулевого порядка дифракции освещающего излучения на голограмме иди другими посторонними источниками. Таким образом, предголограммное пространство используется стопроцентно, что является еще одним преимуществом изобретения по сравнению с аналогом и прототипом. Depending on the geometrical shape of the object and the spatial distribution of the refractive index over it, the part of the rainbow corresponding to a specific location of the object shifts from its original position and the eyes of the observer in plane 12 see an object whose colors change like the colors of the rainbow when the observer's head moves in the vertical direction. If the observer leaves the zone of vision (rainbow), then the color hue disappears, but the object itself remains visible due to the fact that it is also illuminated by a zero-order beam of diffraction of the illuminating radiation on the hologram or go by other extraneous sources. Thus, the pre-hologram space is used one hundred percent, which is another advantage of the invention compared to the analogue and prototype.

Сравним области применения аналога и прототипа с данным способом. На голограммы, в том числе и радужные, безусловно предпочтительнее записывать драгоценности, уникальные изделия и исторические реликвии, тиражируя таким образом их трехмерные изображения. Однако, если конечная цель получение цветного изображения с цветами, изменяющимися подобно цветам радуги, то предпочтительнее данный способ, так как согласно ему одна голограмма позволяет получать названный эффект на объектах различного типа, т.е. голограмма пригодна для наблюдения широкого класса объектов, кроме создания дисплеев различного типа. Данный способ может найти применение в неразрушающем контроле, так как раковины, несплошности, инородные включения, пустоты, области с концентрацией наблюдения выделяются цветом от бездефектных областей и легко определяются визуально. Compare the scope of the analogue and prototype with this method. On holograms, including rainbow ones, it is certainly preferable to record jewelry, unique items and historical relics, thus replicating their three-dimensional images. However, if the final goal is to obtain a color image with colors changing like rainbow colors, then this method is preferable, since according to it one hologram allows you to get the named effect on objects of various types, i.e. the hologram is suitable for observing a wide class of objects, in addition to creating displays of various types. This method can find application in non-destructive testing, since shells, discontinuities, foreign inclusions, voids, areas with a concentration of observation are highlighted in color from defect-free areas and are easily identified visually.

На предприятии были собраны и испытаны схемы, в которых был реализован заявляемый способ. В качестве исследуемых объектов использовались многогранные стеклянные предметы (стаканы, рюмки) или объекты с криволинейной поверхностью (флаконы). Голограмму записывали с помощью лазера ЛГ-38. При освещении источником белого света наблюдали объекты, окрашенные во все цвета радуги. At the enterprise were assembled and tested circuits in which the inventive method was implemented. As the studied objects, polyhedral glass objects (glasses, glasses) or objects with a curved surface (bottles) were used. The hologram was recorded using an LG-38 laser. When illuminated with a white light source, objects painted in all colors of the rainbow were observed.

Claims

METHOD OF OBJECT LIGHTING, which consists in creating an illuminating wave field, expanding the spectrum of its spatial frequencies in one direction and limiting it in another with a diffuse diffuser, for example frosted glass shielded by a slit diaphragm, form a reference wave field, direct the illuminating and reference wave fields onto the recording medium so that the angle between the directions of their propagation is in the same plane with the direction along which the spectrum of spatial frequencies is limited radiation, receive a hologram of illuminating radiation and illuminate it with a white light source, characterized in that the hologram of illuminating radiation is obtained in the absence of an object, an object is placed in front of or behind the hologram and the hologram and object are illuminated with a white light source.