WO2023202020A1 - 一种全息波前打印系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种全息波前打印系统及方法，通过在相位全息图上加载二维数字闪耀光栅，调整有源区衍射光的出射方向，避免有源区衍射光与死区衍射光经过透镜的光学傅里叶变换后对应的频谱在透镜后聚焦面上重叠；并通过将相位空间光调制器倾斜预设角度，以将衍射光的出射方向改变，使得聚焦面上死区0级衍射光频谱和死区1级衍射光频谱关于第一透镜的主光轴对称，以将加载二维数字闪耀光栅后的有源区0级衍射光的频谱中心调整到原始频谱中心处，以不改变相位全息图存储的信息，使得整个打印过程更简便可靠，消除了相位空间光调制器死区衍射光和有源区高级衍射光对全息波前打印产生的不利影响。
Description
本发明属于全息打印技术领域，更具体地，涉及一种全息波前打印系统及方法。
全息打印技术可以制作大幅面、大视角的全息图，目前有计算全息图打印、体视合成全息图打印(也称光场打印)和全息波前打印三种方式。计算全息图打印系统利用激光直写实现打印。该系统对抗震性要求不高，但要求成像镜头精确对焦，且无法制作可白光再现的体积全息图。体视合成全息图打印不需要复杂的衍射计算，但要求系统具有高的抗震性，且无法记录再现物体的完整信息，深度较大时重建图像会变得模糊。全息波前打印可以完整记录再现物体的完整信息，产生能够白光再现的体积全息图，具有更好的全息图呈现效果，因此受到广泛关注。
全息波前打印的原理是：将计算机生成的全息图切分成一组子全息图，然后依次加载到空间光调制器上，经过激光照明衍射成像后得到全息图的波前，最后以该波前为物光与参考光干涉，在全息记录材料上打印体积全息图。全息记录材料上记录的每幅子全息图称为全息元，全息元的尺寸S′和视场角θ
v满足S′×θ
v＝λ×N的数学关系。其中，λ为激光波长，N为全息图的像素。
全息波前打印根据加载计算全息图的不同，使用的空间光调制器有振幅型和相位型两种，其中最常见的是使用振幅空间光调制器的全息波前打印系统。振幅全息图计算时需要引入平面参考光与物光干涉，重建时会同时产生共轭像与原始物体像。因此，使用振幅空间光调制器的全息波前打印系统需要滤波去除共轭像的影响，从而导致空间带宽积减少和能量利用率降低。相位全息图的计算不需要引入参考光干涉，重建时只在光轴方向有单个重建像， 不受共轭像的影响，具有高的空间带宽积和能量利用率。同时，对同样大小的振幅信息和相位信息来说，相位信息能够重建出质量更高的图像。此外，由于可以直接调制相位，使用相位空间光调制器的全息波前打印系统不仅可以打印大幅面、可白光再现的体积全息图，还可以制作功能性全息光学元件(Holographic Optical Element,HOE)。
然而，由于相位空间光调制器像素化结构带来的离散特性，使其被平面波照射时，产生沿横向和纵向复制的多级衍射光，干扰全息图的打印过程，对全息图的打印质量产生不利的影响，因而相位空间光调制器在全息波前打印中的实际应用受到限制。
【发明内容】
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种全息波前打印系统及方法，旨在抑制相位空间光调制器像素化结构带来的离散特性，消除相位空间光调制器死区衍射光和有源区高级衍射光对全息波前打印产生的不利影响，以解决相位空间光调制器难以实际应用于全息波前打印的问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种全息波前打印系统，包括：激光器、相位空间光调制器、第一透镜、第二透镜、低通滤波器以及全息记录材料；
所述激光器用于产生激光，所述激光被分为两束，分别为物光和参考光；
所述相位空间光调制器用于加载相位全息图，所述相位空间光调制器的像素结构包括有源区和死区，有源区用于加载所述相位全息图，以对入射光的相位进行调制，产生包含所述相位全息图信息的有源区衍射光，死区会导致入射光产生恒定的相移，产生死区衍射光；所述相位全息图加载有二维数字闪耀光栅，以调整有源区衍射光的出射方向，避免有源区衍射光与死区衍射光经过透镜的光学傅里叶变换后对应的频谱在透镜后聚焦面上重叠；
所述物光入射到相位空间光调制器，并出射对应的衍射光，所述衍射光包括有源区衍射光和死区衍射光；所述衍射光入射到第一透镜，经第一透镜 的光学傅里叶变换后出射到第一透镜后聚焦面上，所述相位空间光调制器倾斜预设角度，以将衍射光的出射方向改变，使得聚焦面上死区0级衍射光频谱中心和死区1级衍射光频谱中心关于第一透镜的主光轴对称，以将有源区0级衍射光的频谱中心调整到原始频谱中心处，所述原始频谱中心指未加载所述二维数字闪耀光栅且所述相位空间光调制器未倾斜时有源区0级衍射光在第一透镜后聚焦面上频谱中心的位置；
所述低通滤波器置于第一透镜后聚焦面上，用于对死区衍射光和有源区高级衍射光滤波，仅出射有源区0级衍射光；所述第二透镜置于低通滤波器出射方向，用于对出射的有源区0级衍射光进行光学傅里叶反变换，以得到包含有效相位全息图信息的物光；所述包含有效相位全息图信息的物光和参考光入射到全息记录材料，在全息记录材料中产生干涉，生成体积全息图，以完成全息波前打印过程。
在一个可选的示例中，所述相位全息图加载有二维数字闪耀光栅，以调整有源区衍射光的出射方向，具体为：
所述二维数字闪耀光栅将有源区衍射光的出射方向调整，使得有源区衍射光经过透镜的光学傅里叶变换后对应的频谱相对移动λf
1/2Δp；λ为激光波长，Δp为相位空间光调制器的像素间距，f
1为第一透镜的焦距。
在一个可选的示例中，所述相位空间光调制器倾斜的预设角度θ
s和相位空间光调制器死区的衍射角θ
d应满足如下关系式：θ
d＝2θ
s；θ
d为死区0级衍射光与死区1级衍射光之间的夹角。
在一个可选的示例中，所述相位空间光调制器的倾斜方向与加载二维数字闪耀光栅后有源区衍射光频谱的移动方向相反。
在一个可选的示例中，所述低通滤波器为正方形光圈，其边为L；L≤f
1tanθ
d。
在一个可选的示例中，该系统还包括：电控平移台；
所述电控平移台用于承载全息记录材料；
当需要加载的相位全息图面积超出阈值时，将所述相位全息图划分为多个子相位全息图，将各个子相位全息图依次加载到相位空间光调制器上，并结合电控平移台将全息记录材料按照各个子相位全息图所对应的区域移动，以将所述相位全息图分批分区域打印到全息记录材料的各个区域中，组成一幅大的全息图。
在一个可选的示例中，该系统还包括：CCD相机；
所述CCD相机安装有远心镜头，用于观察所述包含有效相位全息图信息的物光和参考光在全息记录材料上的光斑是否重叠，以辅助将二者调整至重叠。
第二方面，本发明提供了一种全息波前打印方法，包括如下步骤：
产生激光，并将所述激光分为两束，分别为物光和参考光；
利用相位空间光调制器加载相位全息图，所述相位空间光调制器的像素结构包括有源区和死区，有源区用于加载所述相位全息图，以对入射光的相位进行调制，产生包含所述相位全息图信息的有源区衍射光，死区会导致入射光产生恒定的相移，产生死区衍射光；所述相位全息图加载有二维数字闪耀光栅，以调整有源区衍射光的出射方向，避免有源区衍射光与死区衍射光经过透镜的光学傅里叶变换后对应的频谱在透镜后聚焦面上重叠；
将所述物光入射到相位空间光调制器，并从相位空间光调制器出射对应的衍射光，所述衍射光包括有源区衍射光和死区衍射光；
将所述衍射光入射到第一透镜，经第一透镜的光学傅里叶变换后出射到第一透镜后聚焦面上，所述相位空间光调制器倾斜预设角度，以将衍射光的出射方向改变，使得聚焦面上死区0级衍射光频谱中心和死区1级衍射光频谱中心关于第一透镜的主光轴对称，以将有源区0级衍射光的频谱中心调整到原始频谱中心处，所述原始频谱中心指未加载所述二维数字闪耀光栅且所述相位空间光调制器未倾斜时有源区0级衍射光在第一透镜后聚焦面上频谱 中心的位置；
将低通滤波器置于第一透镜后聚焦面上，用于对死区衍射光和有源区高级衍射光滤波，仅出射有源区0级衍射光；
将第二透镜置于低通滤波器出射方向，用于对出射的有源区0级衍射光进行光学傅里叶反变换，以得到包含有效相位全息图信息的物光；
将所述包含有效相位全息图信息的物光和参考光入射到全息记录材料，在全息记录材料中产生干涉，生成体积全息图，以完成全息波前打印过程。
在一个可选的示例中，在所述相位全息图上加载二维数字闪耀光栅，以调整有源区衍射光的出射方向，具体为：
利用所述二维数字闪耀光栅将有源区衍射光的出射方向调整，使得有源区衍射光经过透镜的光学傅里叶变换后对应的频谱相对移动λf
1/2Δp；λ为激光波长，Δp为相位空间光调制器的像素间距，f
1为第一透镜的焦距。
在一个可选的示例中，所述相位空间光调制器倾斜的预设角度θ
s和相位空间光调制器死区的衍射角θ
d应满足如下关系式：θ
d＝2θ
s；θ
d为死区0级衍射光与死区1级衍射光之间的夹角。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供一种全息波前打印系统及方法，通过在相位全息图上加载二维数字闪耀光栅，调整有源区衍射光的出射方向，避免有源区衍射光与死区衍射光经过透镜的光学傅里叶变换后对应的频谱在透镜后聚焦面上重叠；并通过将相位空间光调制器倾斜预设角度，以将衍射光的出射方向改变，使得聚焦面上死区0级衍射光频谱中心和死区1级衍射光频谱中心关于第一透镜的主光轴对称，以将二维数字闪耀光栅调整后的有源区0级衍射光的频谱中心调整到原始频谱中心处，以不改变相位全息图存储的信息，使得整个打印过程更简便可靠，通过本发明的技术特征抑制了相位空间光调制器像素化结 构带来的离散特性，消除了相位空间光调制器死区衍射光和有源区高级衍射光对全息波前打印产生的不利影响，解决了相位空间光调制器难以实际应用于全息波前打印的问题。
本发明提供一种全息波前打印系统及方法，相比现有采用带通滤波器的方案，本发明采用低通滤波器，避免了带通滤波器的中心圆点遮挡了有源区衍射光场的低频部分，导致打印出的全息图有用信息丢失，本发明采用二维数字闪耀光栅、相位空间光调制器以及低通滤波器可以保证打印质量，且保证打印可靠，并具有高的空间带宽积和能量利用率，不仅可以打印大幅面、可白光再现的体积全息图，还可以制作功能性HOE，极大地拓展了全息波前打印的应用领域。
图1是本发明实施例提供的全息波前打印系统结构示意图；
图2是本发明实施例提供的相位空间光调制器像素化结构示意图；
图3是本发明实施例提供的采用带通滤波器的远心光学系统结构图；
图4是本发明实施例提供相位空间光调制器衍射光场的频谱分布示意图；
图5是本发明实施例提供的相位全息图未加载二维数字闪耀光栅且相位空间光调制器未倾斜时的远心光学系统结构图；
图6是本发明实施例提供的相位全息图加载二维数字闪耀光栅且相位空间光调制器未倾斜时的远心光学系统结构图；
图7是本发明实施例提供的相位全息图加载二维数字闪耀光栅且相位空间光调制器倾斜时的远心光学系统结构图；
图8是本发明实施例提供的电控平移台的正方形通孔设计示意图；
图9是本发明实施例提供的CCD工业相机显示的全息记录材料上的物光光斑和参考光光斑示意图；
图10是本发明实施例提供的采用带通滤波器和本申请方案打印全息图 的光学再现结果对比图。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明属于全息打印技术领域，具体公开了一种全息波前打印系统。图1是本发明实施例提供的全息波前打印系统结构示意图，如图1所示，包含激光器、电子快门、反射镜、空间滤波器、傅里叶变换透镜、分光棱镜、滤光片、相位空间光调制器、半导体冷却系统、光陷阱、透镜、低通滤波器、全息记录材料、电控平移台、4F光学系统、CCD相机、电控光阑、中央处理单元。所述的全息波前打印系统通过激光器发射单一波长的线偏振光，经过空间滤波器和透镜的扩束-准直后被分光棱镜分为两束，一束经过空间光调制器的调制以及透镜1、带通滤波器、透镜2组成的远心成像物镜系统的滤波和缩放后作为物光，另一束经过电控光阑和4F光学系统的缩放和滤波后作为参考光，物光和参考光在全息记录材料上干涉，打印全息元。所述的中央处理单元控制相位空间光调制器加载子全息图、电子快门曝光、电控平移台移动、静态消除振动，并重复上述步骤，在全息记录材料上平铺打印全息图。所述的CCD相机能够显示物光和参考光的聚焦位置，辅助调节全息记录材料的打印区域和参考光的尺寸。所述的滤光片1和滤光片2用来分别调节物光和参考光的强度。所述的反射镜用来调节光的方向。所述的光陷阱用来吸收不需要的光束。
本发明的目的是抑制相位空间光调制器像素化结构带来的离散特性，消除相位空间光调制器死区衍射光和有源区高级衍射光对全息波前打印产生的不利影响，旨在解决相位空间光调制器难以实际应用于全息波前打印的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种全息波前打印系 统，所述的全息波前打印系统包括：激光器、相位空间光调制器、第一透镜、第二透镜、低通滤波器以及全息记录材料；
所述激光器用于产生激光，所述激光被分为两束，分别为物光和参考光；
所述相位空间光调制器用于加载相位全息图，所述相位空间光调制器的像素结构包括有源区和死区，有源区用于加载所述相位全息图，以对入射光的相位进行调制，产生包含所述相位全息图信息的有源区衍射光，死区会导致入射光产生恒定的相移，产生死区衍射光；所述相位全息图加载有二维数字闪耀光栅，以调整有源区衍射光的出射方向，避免有源区衍射光与死区衍射光经过透镜的光学傅里叶变换后对应的频谱在透镜后聚焦面上重叠；
所述物光入射到相位空间光调制器，并出射对应的衍射光，所述衍射光包括有源区衍射光和死区衍射光；所述衍射光入射到第一透镜，经第一透镜的光学傅里叶变换后出射到第一透镜后聚焦面上，所述相位空间光调制器倾斜预设角度，以将衍射光的出射方向改变，使得聚焦面上死区0级衍射光频谱中心和死区1级衍射光频谱中心关于第一透镜的主光轴对称，以将有源区0级衍射光的频谱中心调整到原始频谱中心处，所述原始频谱中心指未加载所述二维数字闪耀光栅且所述相位空间光调制器未倾斜时有源区0级衍射光在第一透镜后聚焦面上频谱中心的位置；
所述低通滤波器置于第一透镜后聚焦面上，用于对死区衍射光和有源区高级衍射光滤波，仅出射有源区0级衍射光；所述第二透镜置于低通滤波器出射方向，用于对出射的有源区0级衍射光进行光学傅里叶反变换，以得到包含有效相位全息图信息的物光；所述包含有效相位全息图信息的物光和参考光入射到全息记录材料，在全息记录材料中产生干涉，生成体积全息图，以完成全息波前打印过程。
在一个可选的示例中，所述相位全息图加载有二维数字闪耀光栅，以调整有源区衍射光的出射方向，具体为：
所述二维数字闪耀光栅将有源区衍射光的出射方向调整，使得有源区衍 射光经过透镜的光学傅里叶变换后对应的频谱相对移动λf
1/Δp；λ为激光波长，Δp为相位空间光调制器的像素间距，f
1为第一透镜的焦距。
在一个可选的示例中，所述相位空间光调制器倾斜的预设角度θ
s和相位空间光调制器死区的衍射角θ
d应满足如下关系式：θ
d＝2θ
s；θ
d为死区0级衍射光与死区1级衍射光之间的夹角。
在一个可选的示例中，所述空间光调制器的倾斜方向与加载二维数字闪耀光栅后有源区衍射光频谱的移动方向相反。
在一个可选的示例中，所述低通滤波器为正方形光圈，其边为L；L≤f
1tanθ
d。
需要说明的是，硅基液晶相位空间光调制器具有开口率、光效率和分辨率高的优势。同时，相位全息图的计算不需要引入参考光干涉，重建时只在光轴方向有单个重建像，不受共轭像的影响，具有高的空间带宽积和能量利用率。然而，由于相位空间光调制器像素化结构带来的离散特性，使其被平面波照射时，产生沿横向和纵向复制的多级衍射光，干扰全息图的打印过程，因而相位空间光调制器的实际应用受到限制。
如图2所示为一个N×N像素的相位空间光调制器的像素结构示意图，其中p为像素边长，Δp为像素间距。相位空间光调制器由有源区和死区组成，有源区能够加载全息图对入射光波的相位进行调制，死区是有源区周围的“黑栅”，导致入射光波产生一个恒定的相移。由于相位空间光调制器的显示面积有限，入射光波还会被一个光圈函数a(x,y)((x,y)为相位空间光调制器平面的坐标)调制，因此相位空间光调制器对平面入射光波的调制可以表示为：
t(x,y)＝a(x,y)[t
1(x,y)+t
2(x,y)]
另：
其中t
1(x,y)为有源区对平面入射光波的调制，t
2(x,y)为死区对平面入射光波的调制，
为有源区加载全息图的相位分布，
为死区导致的恒定相移，
为卷积运算，δ为冲激函数，m、n分别为相位空间光调制器水平和竖直方向的像素坐标。
由上式可以看出，由于相位空间光调制器像素化结构带来的离散特性，平面入射光波被调制后会产生死区调制的直流项、有源区调制的物光波，以及它们沿横向和纵向复制的多级衍射光。死区可以看作一个横向和纵向的条纹间距均为Δp的光栅，因此死区沿x轴和y轴的衍射角θ
d可以由下式给出：
其中k为死区的衍射级数，λ为激光波长。有源区加载的全息图可以看作一个个局部光栅，局部光栅的最小条纹间距为2Δp，因此有源区的最大衍射角θ
a可以由下式给出：
其中l为有源区的衍射级数。从上述式子可以看出，高级衍射光具有更大的衍射角，因而具有更高的空间频率。
相位空间光调制器调制平面入射光波后产生的死区衍射光场和有源区衍射光场中的高级衍射光干扰了全息图的打印过程，解决上述问题的关键是要有效区分有用的物光波和无用的直流项以及它们的高级衍射光，并去除无用的部分。由于高级衍射光具有更高的空间频率，因此利用透镜的光学傅里叶 变换作用，将空间光调制器的衍射光场在频谱面分离。
本发明先采用了一种在频谱面滤波抑制相位空间光调制器离散特性的方法，通过使用图3所示的远心光学系统，相位空间光调制器位于透镜1的前焦面，全息记录材料位于透镜2的后焦面，透镜1的后焦面和透镜2的前焦面重合，带通滤波器位于此平面。该系统利用透镜1获得相位空间光调制器衍射光场在其后焦面的光学傅里叶变换，并通过在透镜1后焦面插入一个合适的带通滤波器对频谱进行修改，最后利用透镜2进行光学傅里叶反变换得到打印需要的物光波。
如图4所示为实验过程中相位空间光调制器衍射光场的频谱分布，由于死区各个位置对平面入射光波的调制特性均相同，从而死区每一级次的衍射光场各个位置具有相同的空间频率，经过透镜1的光学傅里叶变换作用，同一级次的衍射光场会在透镜1的后焦面会聚成一个点，因此死区衍射光场的频谱分布是以λf
1/Δp为间隔的点阵。而有源区对平面入射光波的调制特性与各个位置加载全息图的灰度值有关，但由于有源区衍射光场每一级次最大衍射角θ
a的限制，有源区衍射光场的频谱分布是以死区衍射光场频谱分布的点阵为中心、λf
1/Δp为边长的正方形阵列。高衍射级由于具有更大的空间频率，频谱分布距光轴更远。基于此，可以在透镜1后焦面使用一个中心带圆点的方形孔径组成的带通滤波器对相位空间光调制器衍射光场的频谱分布进行修改，只让特定空间频率的光波通过，以此来抑制死区衍射光场和有源区衍射光场中的高级衍射光。
然而上述图3所示滤波方法仍存在一定的问题，由于相位空间光调制器有源区衍射光场的频谱分布是以死区衍射光场频谱分布的点阵为中心，因此它们的每一衍射级次在正方形阵列的中心重合。如图5所示为使用带通滤波器抑制相位空间光调制器离散特性原理的详细展示，其中的相位全息图未加载二维数字闪耀光栅且相位空间光调制器未倾斜，图5为对应的远心光学系 统结构图。可见，采用带通滤波器的滤波方法，虽然抑制了高衍射级对全息图打印的影响，但是带通滤波器的中心圆点遮挡了有源区衍射光场的低频部分，导致打印全息图的重建结果在某些角度出现黑斑，即有用信息丢失，极大的影响了全息图的打印质量。
为了优化上述滤波方法存在的问题，需要将有源区衍射光场的频谱和死区衍射光场的频谱分离，即为每一幅子全息图加载二维数字闪耀光栅。二维数字闪耀光栅一般以2π为周期对光波的位相进行调制，主要用来重新调整光的衍射方向，其数学表达式为：
式中，m、n分别为相位空间光调制器水平和竖直方向的像素坐标，且此处-N/2≤m≤N/2-1，-N/2≤n≤N/2-1；T为二维数字闪耀光栅的周期，取大于等于2的正整数；取不同的b、c值可以分别得到水平和竖直方向的二维数字闪耀光栅，取不同的T值可以得到不同闪耀角的二维数字闪耀光栅。
二维数字闪耀光栅主要用来重新调整光的衍射方向，即相当于把光的能量进行了搬移。加载二维数字闪耀光栅前，空间光调制器有源区衍射光场的频谱是以死区衍射光场的频谱为中心、λf
1/Δp为边长的正方形阵列。当加载x方向或y方向的条纹间距为2Δp的二维数字闪耀光栅时，会将物光沿x或y方向进行偏移，且偏移角度θ
g满足如下公式：
因此，有源区衍射光场在频谱面沿x方向或y方向移动的距离为λf
1/Δp，即有源区衍射光场的频谱中心将移动到死区衍射光场频谱点阵的中点处，从而将有源区衍射光场和死区衍射光场分离。如图6所示为相位型空间光调制器加载二维数字闪耀光栅后衍射光场在频谱面的分布情况。
进一步地，虽然二维数字闪耀光栅将相位空间光调制器有源区衍射光场 的频谱和死区衍射光场的频谱分离，但其改变了有源区衍射光场的频谱分布，因此需要进行修正。如图4所示，相位空间光调制器需要略微倾斜，将相位空间光调制器死区的0级衍射光偏移光轴，并使死区的0级衍射光和1级衍射光的频谱关于光轴对称。其中θ
s是相位空间光调制器的倾斜角度，倾斜方向与有源区衍射光场的频谱移动方向相反。
由图7所示，有源区0级衍射光0
th的中心、死区1级衍射光1
st的中心和透镜的中心构成一个直角三角形，则：
由小角度时，tanθ≈sinθ，即：
故：
θ
d＝2θ
s
随后通过在远心透镜系统的焦平面使用一个方形光圈调整记录图像的频谱，这个光圈的位置和大小应可调，以适用于不同应用下加载的相位图像，但光圈的尺寸L应满足L≤f
1tanθ
d。最后利用透镜2进行光学傅里叶反变换得到打印需要的物光波。
需要说明的是，图5-图7中选用硅基液晶空间光调制器LCoS为例，作为相位空间光调制器的一种示例进行举例说明。
因此，通过加载二维数字闪耀光栅和倾斜相位空间光调制器，并选择尺寸合适的光圈，相位空间光调制器的衍射光场经过远心光学系统，抑制了死区衍射光场和有源区衍射光场中的高级衍射光，并发生了180°的旋转和比例为f
2/f
1的缩放。
具体地：
(1)所述远心成像物镜系统的缩放倍率
M介于0.05-20，其中f
2为透镜或透镜组2的焦距，负号“-”表示经过远心成像物镜系统的成像为倒像；
(2)根据相位空间光调制器加载的全息图的尺寸S，全息打印时全息元的尺寸S'＝MS，全息元的视场角
(3)为了防止丢失物光的有用信息，所述透镜或透镜组1的直径d
1＞2f
1tanθ
a+NΔp；
(4)所述相位空间光调制器位于所述远心成像物镜系统的前焦面，所述全息记录材料位于所述远心成像物镜系统的后焦面，所述透镜或透镜组1的后焦面和所述透镜或透镜组2的前焦面重合，为频谱面；所述低通滤波器位于频谱面上；
(5)所述电控平移台的中央设有正方形通孔，如图8所示，所述正方形通孔的边长满足在全息记录材料上以平铺的方式打印全息元的过程中，电控平移台不遮挡从底部斜入射的参考光，即所述正方形通孔的边长L
m＞2L
1+L
2-2(h
1+h
2)tanα+MNΔp，其中L
1为反射镜3的中心到电控平移台和远心成像物镜系统中心轴的距离，L
2为全息记录材料的边长，h
1为反射镜3的中心到电控平移台底部的垂直距离，h
2为电控平移台底层的厚度，α为参考光的入射角，介于0°-60°；
(6)所述相位空间光调制器、分光棱镜2、远心成像物镜系统、电控平移台、安装有远心镜头的CCD相机的几何中心在同一条直线上；
(7)所述相位空间光调制器为反射式，且配有半导体冷却系统，用于控制相位空间光调制器的温度；
(8)所述全息打印系统配有滤光片1和滤光片2，使得全息打印时物光和参考光的强度介于0.1-10mW/cm
2，且光强比接近1:1；
(9)所述激光器发射的激光，波长λ介于380nm-800nm，功率W介于1-1000mW；
(10)所述全息记录材料为卤化银乳胶、重铬酸盐明胶、光降解高分子材料、光导热塑性材料、光折变材料、光聚合材料、光致异构化材料或超表面材料；
(11)所述全息打印系统的内部工作区与外界光线隔离，内部结构件镀有防反射层，且使用光陷阱吸收未参与全息打印的多余激光。
图9中(a)、(b)分别为参考光尺寸调整前、后CCD相机显示的全息记录材料上物光和参考光的光斑。
图10中(a)所示为相位空间光调制器像素化结构的离散特性对全息波前打印结果的影响，其中，(a)使用带通滤波器的远心成像物镜系统打印全息图，所采用的带通滤波器开口过大，对应的全息图的重建结果出现多个重复像；图10中(b)所示为使用开口合适的带通滤波器对应的远心成像物镜系统打印全息图的光学重建结果，图像出现黑斑，即有用信息丢失；图10中(c)所示为本发明实施例打印全息图的光学重建结果，成功消除了相位空间光调制器像素化结构的离散特性对全息波前打印的不利影响。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
- 一种全息波前打印系统，其特征在于，包括：激光器、相位空间光调制器、第一透镜、第二透镜、低通滤波器以及全息记录材料；所述激光器用于产生激光，所述激光被分为两束，分别为物光和参考光；所述相位空间光调制器用于加载相位全息图，所述相位空间光调制器的像素结构包括有源区和死区，有源区用于加载所述相位全息图，以对入射光的相位进行调制，产生包含所述相位全息图信息的有源区衍射光，死区会导致入射光产生恒定的相移，产生死区衍射光；所述相位全息图加载有二维数字闪耀光栅，以调整有源区衍射光的出射方向，避免有源区衍射光与死区衍射光经过透镜的光学傅里叶变换后对应的频谱在透镜后聚焦面上重叠；所述物光入射到相位空间光调制器，并出射对应的衍射光，所述衍射光包括有源区衍射光和死区衍射光；所述衍射光入射到第一透镜，经第一透镜的光学傅里叶变换后出射到第一透镜后聚焦面上，所述相位空间光调制器倾斜预设角度，以将衍射光的出射方向改变，使得聚焦面上死区0级衍射光频谱中心和死区1级衍射光频谱中心关于第一透镜的主光轴对称，以将有源区0级衍射光的频谱中心调整到原始频谱中心处，所述原始频谱中心指未加载所述二维数字闪耀光栅且所述相位空间光调制器未倾斜时有源区0级衍射光在第一透镜后聚焦面上频谱中心的位置；所述低通滤波器置于第一透镜后聚焦面上，用于对死区衍射光和有源区高级衍射光滤波，仅出射有源区0级衍射光；所述第二透镜置于低通滤波器出射方向，用于对出射的有源区0级衍射光进行光学傅里叶反变换，以得到包含有效相位全息图信息的物光；所述包含有效相位全息图信息的物光和参考光入射到全息记录材料，在全息记录材料中产生干涉，生成体积全息图，以完成全息波前打印过程。
- 根据权利要求1所述的全息波前打印系统，其特征在于，所述相位全息 图加载有二维数字闪耀光栅，以调整有源区衍射光的出射方向，具体为：所述二维数字闪耀光栅将有源区衍射光的出射方向调整，使得有源区衍射光经过透镜的光学傅里叶变换后对应的频谱相对移动λf 1/2Δp；λ为激光波长，Δp为相位空间光调制器的像素间距，f 1为第一透镜的焦距。
- 根据权利要求1所述的全息波前打印系统，其特征在于，所述相位空间光调制器倾斜的预设角度θ s和相位空间光调制器死区的衍射角θ d应满足如下关系式：θ d＝2θ s；θ d为死区0级衍射光与死区1级衍射光之间的夹角。
- 根据权利要求1至3任一项所述的全息波前打印系统，其特征在于，所述空间光调制器的倾斜方向与加载二维数字闪耀光栅后有源区衍射光频谱的移动方向相反。
- 根据权利要求3所述的全息波前打印系统，其特征在于，所述低通滤波器为正方形光圈，其边为L；L≤f 1tanθ d。
- 根据权利要求3所述的全息波前打印系统，其特征在于，还包括：电控平移台；所述电控平移台用于承载全息记录材料；当需要加载的相位全息图面积超出阈值时，将所述相位全息图划分为多个子相位全息图，将各个子相位全息图依次加载到相位空间光调制器上，并结合电控平移台将全息记录材料按照各个子相位全息图所对应的区域移动，以将所述相位全息图分批分区域打印到全息记录材料的各个区域中，组成一幅大的全息图。
- 根据权利要求3所述的全息波前打印系统，其特征在于，还包括：CCD相机；所述CCD相机安装有远心镜头，用于观察所述包含有效相位全息图信息的物光和参考光在全息记录材料上的光斑是否重叠，以辅助将二者调整至重叠。
- 一种全息波前打印方法，其特征在于，包括如下步骤：产生激光，并将所述激光分为两束，分别为物光和参考光；利用相位空间光调制器加载相位全息图，所述相位空间光调制器的像素结构包括有源区和死区，有源区用于加载所述相位全息图，以对入射光的相位进行调制，产生包含所述相位全息图信息的有源区衍射光，死区会导致入射光产生恒定的相移，产生死区衍射光；所述相位全息图加载有二维数字闪耀光栅，以调整有源区衍射光的出射方向，避免有源区衍射光与死区衍射光经过透镜的光学傅里叶变换后对应的频谱在透镜后聚焦面上重叠；将所述物光入射到相位空间光调制器，并从相位空间光调制器出射对应的衍射光，所述衍射光包括有源区衍射光和死区衍射光；将所述衍射光入射到第一透镜，经第一透镜的光学傅里叶变换后出射到第一透镜后聚焦面上，所述相位空间光调制器倾斜预设角度，以将衍射光的出射方向改变，使得聚焦面上死区0级衍射光频谱中心和死区1级衍射光频谱中心关于第一透镜的主光轴对称，以将有源区0级衍射光的频谱中心调整到原始频谱中心处，所述原始频谱中心指未加载所述二维数字闪耀光栅且所述相位空间光调制器未倾斜时有源区0级衍射光在第一透镜后聚焦面上频谱中心的位置；将低通滤波器置于第一透镜后聚焦面上，用于对死区衍射光和有源区高级衍射光滤波，仅出射有源区0级衍射光；将第二透镜置于低通滤波器出射方向，用于对出射的有源区0级衍射光进行光学傅里叶反变换，以得到包含有效相位全息图信息的物光；将所述包含有效相位全息图信息的物光和参考光入射到全息记录材料，在全息记录材料中产生干涉，生成体积全息图，以完成全息波前打印过程。
- 根据权利要求8所述的全息波前打印方法，其特征在于，在所述相位全息图上加载二维数字闪耀光栅，以调整有源区衍射光的出射方向，具体为：利用所述二维数字闪耀光栅将有源区衍射光的出射方向调整，使得有源区 衍射光经过透镜的光学傅里叶变换后对应的频谱相对移动λf 1/2Δp；λ为激光波长，Δp为相位空间光调制器的像素间距，f 1为第一透镜的焦距。
- 根据权利要求8所述的全息波前打印方法，其特征在于，所述相位空间光调制器倾斜的预设角度θ s和相位空间光调制器死区的衍射角θ d应满足如下关系式：θ d＝2θ s；θ d为死区0级衍射光与死区1级衍射光之间的夹角。
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