《三維雷射列印方法與系統》是蘇州蘇大維格光電科技股份有限公司於2013年5月8日申請的發明專利，該專利的申請號為2013101663411，公布號為CN103246195A，授權公布日為2013年8月14日，發明人是陳林森、樓益民、浦東林、袁曉峰、朱鵬飛、魏國軍、張瑾、朱鳴、李恆、胡進、申溯。
《三維雷射列印方法與系統》採用四參量連續調製雷射列印輸出方法製備由按位置坐標排列的具有特定光柵空頻和取向角的衍射像素構成的三維圖像。衍射像素中光柵條紋參數的調製方法基於4F成像系統與衍射光柵實現，4F成像系統包括第一傅立葉變換透鏡或透鏡組與第二傅立葉變換透鏡或透鏡組，衍射光柵置於第一傅立葉變換透鏡或透鏡組與第二傅立葉變換透鏡或透鏡組之間，通過改變衍射光柵與第一傅立葉變換透鏡或透鏡組之間的距離，實現光柵條紋的空頻的連續調製，通過旋轉衍射光柵，實現光柵條紋的光柵取向角的連續調製。該發明實現了光柵空頻和取向的連續可調，基於光柵空頻和取向連續可變的四參量的微納結構來編碼形成三維彩色圖像。
2016年12月7日，《三維雷射列印方法與系統》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《三維雷射列印方法與系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：三維雷射列印方法與系統
- 公布號：CN103246195A
- 授權日：2013年8月14日
- 申請號：2013101663411
- 申請日：2013年5月8日
- 申請人：蘇州蘇大維格光電科技股份有限公司
- 地址：江蘇省蘇州市蘇州工業園區鐘南街478號
- 發明人：陳林森、樓益民、浦東林、袁曉峰、朱鵬飛、魏國軍、張瑾、朱鳴、李恆、胡進、申溯
- Int.Cl.：G03H1/26(2006.01)I；G02B5/18(2006.01)I；G02B27/22(2006.01)I；G02B27/44(2006.01)I
- 代理機構：蘇州創元專利商標事務所有限公司
- 代理人：陶海鋒
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
從物理含義上，表達一幅二維（2D）圖像至少需要3個參量：兩個平面位置坐標變數和一個灰度變數。據此，如果通過一定的方法和裝置在不同坐標上輸出不同灰度值，即可實現平面圖像的列印輸出。根據這一原理產生的雷射列印、噴墨列印等方法與系統，已經成為日常辦公必不可少的用具。
表達一個三維（3D）物體，至少需四個獨立變數：三維坐標變數（x-y-z）和顏色（灰度）。如果希望在平面上表達一幅可顯示三維信息的彩色圖像，那么，也要遵循這一物理原則，在平面上至少輸出4個獨立變數（參量）。通常的列印方法只能在平面上實現3參量調製，因此，只能輸出二維圖像，或者通過材料成型方式，輸出沒有顏色的立體模型。要實現三維圖像，必須採用合理的方法與系統對空間變數和顏色變數進行編碼和輸出。根據實現方法的不同，主要可分為兩類：一類是雷射全息技術；另一類是點陣全息技術。
雷射全息技術是利用雷射相干干涉來記錄物體反射光場的振幅和相位信息，其中振幅對應灰度信息，相位對應三維坐標信息，在平面上通過感光材料實現了三維圖像的記錄和再現。但是，雷射全息記錄過程需要相干光源和嚴格穩定的記錄環境，同時需要實物模型，套用範圍受到限制。為克服雷射全息技術的局限，美國人羅曼發明了計算機制全息技術，利用數值計算來代替光學干涉過程，從而拓展了全息三維顯示技術。但是，為了實現計算機制全息圖的列印輸出，需要藉助雷射直寫、電子束直寫等大型半導體加工設備的支持，這類設備主要用於積體電路領域，價格昂貴。
中國專利CN101051097A公開了一種專用的計算全息製作與輸出系統，設計了一種分區微縮裝置對全息圖進行列印輸出。這類系統輸出的全息圖解析度受到縮微系統的成像解析度的限制，同時，光學衍射效率低，且幅面受到全息圖海量計算的嚴重製約。為克服這種制約，美國專利US6330088、US7262891提出了一種數字合成全息列印技術，利用體視技術和分區干涉曝光技術實現了三維圖像的反射全息顯示。日本索尼（sony）公司、東京工業大學、ToppanPrinting印刷公司，根據類似原理開發了相應的合成全息三維顯示技術。這類全息顯示技術的局限在於其生產的反射型全息顯示圖像的顯示效果受到記錄材料的解析度和衍射效率嚴重製約，而且僅適合於單幅製造，不能與印刷技術一樣地進行大規模的工業化複製。
點陣全息圖（Dot-Matrix Hologram）是由按一定位置坐標排列的微小光柵像素構成的全息圖。每一個光柵像素中包含一組微納米尺度的光柵條紋，光柵條紋的空頻和取向將決定該點衍射光線的傳播方向和顏色。因此，採用一維光柵像素，理論上，至少可獲得兩個獨立變數（光柵空頻Λ、光柵取向θ），加上像素的位置坐標（x，y），就具有四個變數。通過對四個獨立變數的調製，點陣全息圖可在平面上實現彩虹光變、三維立體等視覺效果。根據四獨立變數的編碼和輸出方式不同，人們設計了不同的點陣全息輸出系統。但是，2013年5月前並沒能很好地解決光柵空頻Λ調製這個業內難題，導致圖像的三維立體效果不強、觀察視場角度受到限制。
美國專利US5，132，812公開了一種彩色二維點陣全息圖的製作方法，通過三束不同入射角的物光與參考光干涉形成了三種不同空頻的光柵像素，實現了光柵空頻的離散調製。但是，這種系統無法對光柵空頻進行連續調製，而且光能利用率低。美國專利US5，262，879、US5，822，092對光路及機械結構進行了改進。由於同樣利用三組不同夾角的光束干涉原理，所以還是只能形成三種離散的光柵空頻。
為實現連續而非離散的光柵空頻變換，一種考慮是，設定多組相對位置可變的稜鏡分光系統和透鏡聚光系統，通過將稜鏡組在繞光軸向轉動的同時沿著光軸上下移動，實現連續變頻點陣全息列印輸出，但這種設定機械運動機構複雜，不利於光路穩定。
發明內容
專利目的
《三維雷射列印方法與系統》的發明目的是提供一種三維雷射列印方法與系統，以簡單的結構和方法，實現基於光柵空頻和角度連續調製的三維雷射列印。
技術方案
一種三維雷射列印方法，採用四參量連續調製雷射列印輸出方法製備由按位置坐標排列的衍射像素構成的三維圖像，所述衍射像素內填充有特定空頻和取向角的像素光柵，所述四參量包括像素光柵的位置坐標（x，y），像素光柵的空頻Λ和取向角θ，所述四參量通過對三維信息的連續調製實現三維圖像的雷射列印輸出，其特徵在於：所述像素光柵的調製方法基於4F成像系統與衍射光柵實現，所述4F成像系統包括第一傅立葉變換透鏡或透鏡組與第二傅立葉變換透鏡或透鏡組，所述衍射光柵置於第一傅立葉變換透鏡或透鏡組與第二傅立葉變換透鏡或透鏡組之間，通過改變所述衍射光柵與第一傅立葉變換透鏡或透鏡組之間的距離，實現光柵空頻的連續調製，通過旋轉所述衍射光柵，實現光柵取向角的連續調製，通過4F系統的光軸與記錄平面的相對移動實現所述位置坐標的連續調製，所述列印方法通過在不同位置坐標處列印輸出經連續調製的光柵像素點陣實現三維雷射列印。
上述技術方案中，所輸出的三維圖像中像素光柵的空頻和取向由衍射像素所在的平面坐標和觀察視窗的位置坐標確定的衍射光線方向、照明光線的入射方向以及衍射光線的波長根據衍射光柵方程共同確定，所述衍射光線的波長由所述衍射像素對應點的圖像信息的顏色確定。
採用上述技術方案，可以獲得一種光柵空頻和取向連續可變的四參量（x，y，Λ，θ）三維彩色圖像。所述三維彩色圖像信息記錄在（x，y）平面內，由與坐標位置對應的系列衍射像素構成，所述衍射像素由一組具有特定空頻Λ和取向θ的像素光柵填充而成。衍射像素髮出的衍射光線進入距離平面（x，y）一定距離處的平面（x’，y’）中所設定的觀察視窗的指定位置坐標處。所述像素光柵的空頻和取向由光柵像素所在的平面坐標（x，y）與觀察視窗中光線入射位置坐標（x’，y’）確定的衍射光線方向、照明光線的入射方向以及衍射光線的波長根據光柵方程共同確定，所述照明光線方向根據使用條件設定，所述衍射光線的波長由所述衍射像素點對應的圖像信息的顏色確定。
上述方案中，所述觀察視窗優選為平行於觀察者雙眼連線方向的狹縫型視窗，所述狹縫型視窗包含若干觀察區域，所述每一觀察區域對應三維圖像的一個觀察視角，三維彩色圖像信息記錄平面上不同觀察視角的衍射像素的衍射光線分別入射不同的觀察區域。
一種三維雷射列印系統，包括光源、光學成像子系統、機電結構子系統、運動控制子系統、記錄介質，光源發出的光線入射光學成像子系統形成特定空頻和取向的光柵條紋信息，記錄在記錄介質上，所述光學成像子系統至少包含一組由4F成像透鏡和衍射光柵構成的空頻和角度連續調製光路，所述4F成像系統包括第一傅立葉變換透鏡或透鏡組與第二傅立葉變換透鏡或透鏡組，所述衍射光柵置於第一傅立葉變換透鏡或透鏡組與第二傅立葉變換透鏡或透鏡組之間，所述機電結構子系統包括衍射光柵平動機構、衍射光柵轉動機構、二維精密平移機構，所述運動控制子系統協調控制衍射光柵的平動和轉動，二維精密平台的平動和光源快門，在相應位置坐標處列印輸出經連續調製的衍射像素點陣，實現三維圖像的列印輸出。
上述技術方案中，所述光源為相干光源，選自連續雷射光源或脈衝雷射光源。所述脈衝光源包括並不局限於納秒脈衝雷射光源、皮秒脈衝雷射光源、飛秒脈衝雷射光源等。
上述方案中，所述光源輸出的光束通過光學成像子系統後可以對光敏材料曝光形成光柵條紋，也可以直接在基底材料上燒蝕出光柵條紋，還可以直接在基底材料上引發光致變色或者位相結構變化，形成對應的光柵條紋。
所述光學成像子系統還包括視場光闌、可變光闌、微縮物鏡、自動聚焦光路、實時觀測光路。
所述視場光闌、可變光闌可以是空間光調製器，也可以是機械可變光闌，光闌的形狀和大小可由運動控制系統實時調節，用於控制進入系統的光束直徑。所述視場光闌優選位於第二傅立葉變換透鏡後的光軸上。
所述微縮物鏡可對4F成像系統後的視場光闌面上的信息進行微縮成像，提高像素光柵的空頻。
所述自動聚焦光路保證光學成像子系統的成像面聚焦在基底材料附近。
所述實時檢測光路對基底材料表面進行成像檢測。
所述機電結構還包括自動聚焦控制機構、光源快門控制機構。
所述運動控制子系統優選由計算機和控制程式進行協調控制。
改善效果
1．《三維雷射列印方法與系統》通過設定4F成像系統，將衍射光柵置於第一傅立葉變換透鏡或透鏡組與第二傅立葉變換透鏡或透鏡組之間，實現了光柵空頻的連續可調，基於光柵空頻和取向連續可變的四參量的微納結構來編碼形成三維彩色圖像，其三維圖像立體感和真實感更強、顏色表現更準確豐富。
2．該發明提出的基於光柵空頻和取向連續可變的四參量（x，y，Λ，θ）的微納結構實現三維彩色圖像的方法更加有效。
3．該發明的提出的三維雷射列印系統能夠真正實現四參量（x，y，Λ，θ）的三維彩色圖像輸出，系統的列印調製精度高，系統結構簡單，列印成像效果好。
附圖說明
圖1是實施例1中的三維圖像數據及顯示結構示意圖。
圖2是實施例2中的三維彩色圖像數據及顯示結構示意圖。
圖3實施例3中的一種光柵空頻和取向連續可變的四參量（x，y，Λ，θ）光學調製方法示意圖。
圖4實施例4中的一種光柵空頻和取向連續可變的四參量（x，y，Λ，θ）光學調製方法示意圖。
圖5是實施例5中的一種實現光柵空頻和取向連續可變的四參量（x，y，Λ，θ）三維圖像輸出的雷射列印系統示意圖。
圖6是實施例6中的一種實現光柵空頻和取向連續可變的四參量（x，y，Λ，θ）三維圖像輸出的雷射列印系統示意圖。
圖7是實施例7中的一種實現光柵空頻和取向連續可變的四參量（x，y，Λ，θ）三維圖像輸出的雷射列印系統示意圖。
圖8是實施例8中的衍射光柵的結構示意圖。
圖9是實施例9中的一種三維雷射列印方法與系統流程圖。
其中：1、三維顯示圖像；2、衍射像素；3、像素光柵；4、衍射光線；5、觀察區域；6、觀察視窗；7、照明光；8、第一傅立葉變換透鏡；9、衍射光柵；10、第二傅立葉變換透鏡；11、光軸；12、納秒脈衝雷射；13、空間濾波器；14、反射鏡；15、DMD空間光調製器；16視場光闌；17、實時檢測光路；18、半透半反鏡；19、tubelens；20、紅色子像素；21、綠色子像素；22、藍色子像素；23、空白區域；30、微縮物鏡；31、自動聚焦光路；32、二維精密平移台；33、運動控制器；34、控制計算機；35、感光材料；40、紅色衍射光線；41、綠色衍射光線；42、藍色衍射光線。
技術領域
《三維雷射列印方法與系統》涉及一種三維圖像的列印方法與系統，具體涉及一種採用微納結構表達三維圖像的雷射列印方法與系統。
權利要求
1.一種三維雷射列印方法，採用四參量連續調製雷射列印輸出方法製備由按位置坐標排列的衍射像素構成的三維圖像，所述衍射像素內填充有特定空頻和取向角的像素光柵，所述四參量包括像素光柵的位置坐標（x，y），像素光柵的空頻Λ和取向角θ，其特徵在於：所輸出的三維圖像中像素光柵的空頻和取向角由衍射光線方向、照明光線的入射方向以及衍射光線的波長根據衍射光柵方程共同確定，所述衍射光線方向由像素光柵所在的位置坐標和觀察視窗的平面坐標確定，所述衍射光線的波長由與所述衍射像素的對應點的圖像信息的顏色確定；根據衍射光柵方程所述像素光柵的空頻和取向角滿足如下條件：
其中α7，β7分別為照明光線的方向餘弦角，α4，β4分別為衍射光線的方向餘弦角，λ為衍射光線的波長，照明光線的方向餘弦角根據觀察條件設定；所述像素光柵的調製方法基於4F成像系統與衍射光柵實現，所述4F成像系統包括第一傅立葉變換透鏡或透鏡組與第二傅立葉變換透鏡或透鏡組，所述衍射光柵置於第一傅立葉變換透鏡或透鏡組與第二傅立葉變換透鏡或透鏡組之間，通過改變所述衍射光柵與第一傅立葉變換透鏡或透鏡組之間的距離，實現所述空頻Λ的連續調製，通過旋轉所述衍射光柵，實現所述取向角θ的連續調製，通過4F成像系統的光軸與記錄平面的相對移動實現所述位置坐標的連續調製，所述三維雷射列印方法通過在不同位置坐標處列印輸出經連續調製的衍射像素點陣實現三維雷射列印。
2.根據權利要求1所述的三維雷射列印方法，其特徵在於：所輸出的三維圖像形成的觀察視窗為平行於觀察者雙眼連線方向的狹縫型視窗，所述狹縫型視窗包含若干觀察區域，每一觀察區域對應三維圖像的一個觀察視角，三維圖像上不同觀察視角的衍射像素的衍射光線分別入射不同的觀察區域，觀察者在所述觀察視窗內看到三維圖像。
3.一種三維雷射列印系統，包括光源、光學成像子系統、機電結構子系統、運動控制子系統和記錄介質，光源發出的光線入射光學成像子系統形成特定空頻和取向角的光柵條紋信息，記錄在記錄介質上，其特徵在於：所述光學成像子系統至少包含一組由4F成像系統和衍射光柵構成的空頻和取向角連續調製光路，所述4F成像系統包括第一傅立葉變換透鏡或透鏡組與第二傅立葉變換透鏡或透鏡組，所述衍射光柵置於第一傅立葉變換透鏡或透鏡組與第二傅立葉變換透鏡或透鏡組之間，所述機電結構子系統至少包括衍射光柵平動機構、衍射光柵轉動機構和二維精密平移機構，所述運動控制子系統協調控制衍射光柵的平動和轉動、二維精密平移機構的平動以及光源快門，在記錄介質的衍射像素相應位置坐標處列印輸出經連續調製的衍射像素點陣，實現三維圖像的列印輸出。
4.根據權利要求3所述的三維雷射列印系統，其特徵在於：光源輸出的光線通過光學成像子系統後對光敏材料曝光形成光柵條紋，或者直接在基底材料上燒蝕出光柵條紋，或者直接在基底材料上引發光致變色或位相結構變化形成光柵條紋，實現三維圖像的列印輸出。
5.根據權利要求3所述的三維雷射列印系統，其特徵在於：所述光源具有相干性，選自連續雷射光源或脈衝雷射光源。
6.根據權利要求3所述的三維雷射列印系統，其特徵在於：所述光學成像子系統還包括視場光闌、可變光闌、微縮物鏡、自動聚焦光路和實時觀測光路。
7.根據權利要求6所述的三維雷射列印系統，其特徵在於：所述視場光闌和可變光闌是空間光調製器或機械可變光闌，視場光闌和可變光闌的形狀和大小由運動控制子系統實時調節，用於控制進入光學成像子系統的光束直徑，所述視場光闌位於第二傅立葉變換透鏡後的光軸上。
8.根據權利要求6所述的三維雷射列印系統，其特徵在於：所述微縮物鏡對4F成像系統後的信息進行微縮成像，提高衍射像素內的像素光柵的空頻。
9.根據權利要求3或6所述的三維雷射列印系統，其特徵在於：所述機電結構子系統還包括自動聚焦控制機構和光源快門控制機構，所述機電結構子系統由所述運動控制子系統通過計算機和控制程式進行協調控制。
實施方式
實施例1
參見附圖1，是該實施例中一種光柵空頻和取向連續可變的四參量（x，y，Λ，θ）三維圖像及其顯示效果示意圖。
該實施例的三維圖像1位於坐標平面（x，y）處，由一系列衍射像素2構成，所述衍射像素2由一組具有特定空頻和取向的像素光柵3填充而成。所述圖像1中的像素光柵的空頻自上而下逐漸變化，取決於照明光的方向和觀察視窗的位置，一般地，從圖像的上部到底端，空頻逐漸變大。所述三維圖像在照明光7的照明下發生衍射，在距離圖像平面Z處的（x’，y’）平面上形成狹縫型觀察視窗6，所述觀察視窗6由多個觀察區域5構成，不同的觀察區域對應三維圖不同視角的像。三維圖像中表示同一視角圖像信息的衍射像素的衍射光線4進入所述同一觀察區域。所述衍射像素中的光柵空頻和取向，由照明光7的入射角、衍射光線4的出射角以及衍射波長共同確定，根據光柵方程其關係滿足如下條件：
其中α7，β7分別為照明光線7的方向餘弦角，α4，β4分別為衍射光線4的方向餘弦角，λ為衍射波長。照明光線7的方向餘弦根據觀察條件設定。衍射光線的方向餘弦可根據衍射像素與觀察區域的相對位置計算得到：
實施例中狹縫型觀察視窗的x’方向的尺寸大於人眼雙目之間的距離，通常取值大於60毫米，觀察視窗y’方向的尺寸取值3毫米-10毫米。為實現該實施例所述的狹縫型觀察視窗，三維圖像1將形成如圖1虛線框內所示的一系列呈雙曲型的曲線單元，曲線單元中的像素光柵的空頻和取向連續變化，滿足：
，其中Λ0為常數是曲線單元中的最低頻率。滿足上述條件的三維圖像在觀察區域內將看到整幅顏色一致的彩色圖像。
實施例2
參見附圖2，是該實施例中一種光柵空頻和取向連續可變的四參量（x，y，Λ，θ）三維彩色圖像的示意圖。
該實施例的三維彩色圖像1位於坐標平面（x，y）處，由一系列衍射像素2構成，所述衍射像素2由紅色子像素20、綠色子像素21、藍色子像素22組成，所述三種顏色的子像素由一組具有特定空頻和取向的光柵3和空白區域23填充而成。述圖像1中的像素光柵的空頻自上而下逐漸變化，取決於照明光的方向和觀察視窗的位置，一般地，從圖像的上部到底端，空頻逐漸變大。所述三維彩色圖像在照明光7的照明下發生衍射，在距離圖像平面Z處的（x’，y’）平面上形成狹縫型觀察視窗6，所述觀察視窗6由多個觀察區域5構成，不同的觀察區域對應三維圖不同視角的像。三維圖像中表示同一視角圖像信息的光柵像素的紅色衍射光線40、綠色衍射光線41、藍色衍射光線42進入所述同一觀察區域，形成彩色圖像。所述光柵像素的光柵空頻和取向，由照明光的入射角、衍射光線的出射角以及衍射波長共同確定。
所述衍射波長可以是紅、綠、藍三基色波長，也是CIE1931色度坐標中真彩色區間內的任意三個波長。所述紅、綠、藍三色光的灰度等級通過衍射像素中空白區域23占據整個像素的面積來調控，空白區域占據面積大亮度低，占據面積小亮度高。
該實施例中示意的色彩形成並不局限於紅、綠、藍三基色體系內的色彩，也可以是四色、六色等任意基色調配形成的色彩，分別對應四色、六色波長。同一物點不同顏色（λ1，λ2）對應的像素光柵的空頻變化規律滿足如下關係：
。
實施例3
參見圖3所示，是一種光柵空頻和取向連續可變的四參量（x，y，Λ，θ）光學調製方法示意圖。
該實施例中，一種光柵空頻和取向連續可變的四參量（x，y，Λ，θ）光學調製方法。包括焦距為f1的第一傅立葉變換透鏡8與焦距為f2的第二傅立葉變換透鏡10透鏡構成的4F光學系統和衍射光柵9。所述衍射光柵9位於第一傅立葉變換透鏡與第一傅立葉變換透鏡的焦距之間。衍射光柵可以沿著光軸11移動，也可以繞著光軸11轉動。
所述方法通過移動衍射光柵9改變衍射光柵與第一傅立葉變換透鏡之間的距離d0，實現所述光柵空頻Λ參數的連續調製。通過旋轉衍射光柵9，實現所述光柵取向角θ參數的連續調製。通過4F系統的光軸11與（x，y）平面的相對移動實現所述參數（x，y）的連續調製。
該實施例中所述衍射光柵9為一維位相型光柵，其位相分布函式為空頻為Λ的餘弦函式T（x0，y0）=cos（2Λx0），在4F系統的輸出平面（x，y）上的光場分布為：
所述光場分布仍為餘弦函式光柵，其中A為振幅，光柵的空頻
是距離d0的線性函式，可通過移動衍射光柵9改變參數d0實現空頻的連續調製，調製範圍為（0～Λf1/f2）。
《三維雷射列印方法與系統》中所述的衍射光柵的分布函式包括但並不局限於該實施例中所述的一維餘弦函式分布，可以是二維餘弦函式、一位方波函式、二維方波函式等任意周期性函式，還可以是具有特定頻譜分布的任意二元光學元件，二元光學元件結構可根據具體的頻譜分布結合二元光學原理具體設計。
在《三維雷射列印方法與系統》所述的4F系統的頻譜面上，可以對衍射光柵的頻譜進行必要的濾波操作，包括但不局限於消除零級光、遮擋高級次衍射等。
《三維雷射列印方法與系統》中所述的空頻連續調製範圍包括但不局限於（0～Λf1/f2），可以對輸出平面（x，y）上的光場分布進行進一步的微縮，設定微縮倍率為M，微縮物鏡的衍射極限頻率為Λlimit，則系統空頻調製的最大值為Λmax=min[Λlimit，ΛMf1/f2]，相應的空頻調製範圍為（0～Λmax）。
實施例4
參見圖4所示，是一種光柵空頻和取向連續可變的四參量（x，y，Λ，θ）光學調製方法示意圖。
該實施例中，一種光柵空頻和取向連續可變的四參量（x，y，Λ，θ）光學調製方法。包括焦距為f1的第一傅立葉變換透鏡8與焦距為f2的第二傅立葉變換透鏡10透鏡構成的4F光學系統和衍射光柵9。所述衍射光柵9位於第二傅立葉變換透鏡前焦距與第二傅立葉變換透鏡之間。衍射光柵可以沿著光軸11移動，也可以繞著光軸11轉動。
所述方法通過移動衍射光柵9改變衍射光柵與第二傅立葉變換透鏡之間的距離d0，實現所述光柵空頻Λ參數的連續調製。通過旋轉衍射光柵9，實現所述光柵取向角θ參數的連續調製。通過4F系統的光軸11與（x，y）平面的相對移動實現所述參數（x，y）的連續調製。
《三維雷射列印方法與系統》中所述的衍射光柵的分布函式包括但並不局限於該實施例中所述的一維餘弦函式分布，可以是二維餘弦函式、一位方波函式、二維方波函式等任意周期性函式，還可以是具有特定頻譜分布的任意二元光學元件，二元光學元件結構可根據具體頻譜分布結合二元光學原理具體設計。
實施例5
參見附圖5，是該實施例中一種實現光柵空頻和取向連續可變的四參量（x，y，Λ，θ）三維彩色圖像輸出的雷射列印系統示意圖。
該實施例中的三維彩色圖像雷射列印系統包含納秒脈衝雷射12，空間濾波器13，第一傅立葉變換透鏡8，衍射光柵9，第二傅立葉變換透鏡10，視場光闌16，實時檢測光路17，半透半反鏡18，tubelens19，微縮物鏡30，自動聚焦光路31，二維精密平移台32，運動控制器33，控制計算機34，感光材料35。
實施例中納秒脈衝雷射12發出的雷射經空間濾波器13擴束準直後形成平行光進入由第一傅立葉變換透鏡8，衍射光柵9，第二傅立葉變換透鏡10構成的光柵空頻和角度連續調製光路，在第二傅立葉變換透鏡10後的區域形成指定空頻和取向的光柵條紋信息，在第二傅立葉變換透鏡後焦面上設定有視場光闌16用於限制干涉條紋的成像區域，透過視場光闌的光柵條紋經過半透半反鏡18，tubelens19和微縮物鏡30在感光材料35上形成高頻光柵條紋。運動控制器33在控制計算機34設定的程式控制下協調納秒脈衝雷射12的脈衝時序、衍射光柵9的移動和轉動以及二維精密平移台32的二維移動，在感光材料上記錄四參量（x，y，Λ，θ）調製的三維彩色圖像信息。實時檢測光路17對感光材料表面成像用於實時觀測記錄過程。自動聚焦光路31監控並實時調整聚焦物鏡與感光材料表面的距離，保證高頻光柵條紋在感光材料表面精確成像。
該實施例中採用半導體泵浦的固態雷射光源，包括如納秒脈衝雷射光源等，其輸出頻率可達到1000Hz以上，且脈衝能量高，可對光刻膠等材料進行曝光刻蝕；也可直接瞬態去處或者改變基底材料的特性形成浮雕光柵結構，實現微納結構圖像的列印輸出。
例如，該實施例中所述衍射光柵9是空頻為Λ=75line/毫米的餘弦光柵，第一傅立葉變換透鏡的焦距f1=10cm，第二傅立葉變換透鏡的焦距f1=5cm，微縮物鏡的倍率M=20，系統的空頻變化範圍（0~3000line/毫米）。該空頻範圍能夠實現在可見光區的真彩色三維圖像的準確表達。
該實施例中所述空頻變化的最大值為Λmax=min[Λlimit，ΛMf1/f2]，Λlimit是系統的衍射極限頻率，相應的空頻調製範圍為（0～Λmax）。例如，對於波長為266nm的深紫外系統，其極限空頻為7519line/毫米，理論上系統的空頻變化範圍是（0~7519line/毫米）。對於極紫外系統、X射線等系統該實施例中所述的空頻變化範圍將更大。
實施例6
參見附圖6，是該實施例中一種實現光柵空頻和取向連續可變的四參量（x，y，Λ，θ）三維圖像輸出的雷射列印系統示意圖。
該實施例中的三維雷射列印系統包含納秒脈衝雷射12，空間濾波器13，第一傅立葉變換透鏡8，衍射光柵9，第二傅立葉變換透鏡10，視場光闌16，實時檢測光路17，半透半反鏡18，tubelens19，微縮物鏡30，自動聚焦光路31，二維精密平移台32，運動控制器33，控制計算機34，感光材料35。
實施例中納秒脈衝雷射12發出的雷射經空間濾波器13擴束準直後形成平行光進入由第一傅立葉變換透鏡8，衍射光柵9，第二傅立葉變換透鏡10構成的光柵空頻和角度連續調製光路，衍射光柵9在第二傅立葉變換透鏡前焦距與第二傅立葉變換透鏡之間，在第二傅立葉變換透鏡10後的區域形成指定空頻和取向的光柵條紋，在緊靠第二傅立葉變換透鏡後設定有視場光闌16用於限制干涉條紋的成像區域，透過視場光闌的光柵條紋經過半透半反鏡18，tubelens19和微縮物鏡30在感光材料35上形成高頻光柵條紋。運動控制器33在控制計算機34設定的程式控制下協調納秒脈衝雷射12的脈衝時序、衍射光柵9的移動和轉動以及二維精密平移台32的二維移動，在感光材料上記錄四參量（x，y，Λ，θ）調製的三維圖像信息。實時檢測光路17對感光材料表面進行成像用於實時觀測記錄過程。自動聚焦光路31監控並實時調整聚焦物鏡與感光材料表面的距離，保證高頻光柵條紋在感光材料表面精確成像。
實施例7
參見附圖7，是該實施例中一種實現光柵空頻和取向連續可變的四參量（x，y，Λ，θ）三維圖像輸出的雷射列印系統示意圖。
該實施例中的三維圖像雷射列印系統包含納秒脈衝雷射12，空間濾波器13，反射鏡14，DMD空間光調製器15，第一傅立葉變換透鏡8，衍射光柵9，第二傅立葉變換透鏡10，視場光闌16，實時檢測光路17，半透半反鏡18，tubelens19，微縮物鏡30，自動聚焦光路31，二維精密平移台32，運動控制器33，控制計算機34，感光材料35。
實施例中納秒脈衝雷射12發出的雷射經空間濾波器13擴束準直後形成平行光入射到DMD空間光調製器15上，DMD空間光調製器作為可變光柵用於控制平行光束的直徑，經過DMD空間光調製器反射的光線進入由第一傅立葉變換透鏡8，衍射光柵9，第二傅立葉變換透鏡10構成的光柵空頻和角度連續調製光路，在第二傅立葉變換透鏡10的後焦面上形成指定空頻和取向的光柵條紋，後焦面上設定有視場光闌16，透過視場光闌的光柵條紋經過半透半反鏡18，tubelens19和微縮物鏡30在感光材料35上形成高頻光柵條紋。運動控制器33在控制計算機34設定的程式控制下協調納秒脈衝雷射12的脈衝時序、衍射光柵9的移動和轉動以及二維精密平移台32的二維移動，在感光材料上記錄形成四參量（x，y，Λ，θ）調製的三維圖像信息。實時檢測光路17對感光材料表面成像用於實時觀測記錄過程。自動聚焦光路31監控並實時調整聚焦物鏡與感光材料表面的距離，保證高頻光柵條紋成像面在感光材料表面精確成像。
實施例8
參見附圖8，顯示的是該實施例中衍射光柵9的三種表面面型結構及函式或者頻譜分布。圖8（a）顯示的是一維餘弦相位分布的衍射光柵，圖8（a）左測是餘弦相位函式曲線，右側是衍射光柵的表面面型。圖8（b）顯示的是一維方波相位函式分布的衍射光柵，圖8（b）左測是方波相位函式曲線，右側是衍射光柵的表面面型。圖8（c）顯示的是二維相位分布函式的衍射光柵，圖8（c）右側顯示的是其頻譜函式，所示頻譜函式是三個δ函式，即在其頻譜平面上將獲得三個點光源。圖8（c）所示的二維位相分布函式可根據二元光學元件設計方法計算得到。
該實施例中的不同函式分布的衍射光柵，將獲得不同的四參量調製效果。
實施例9
參見附圖1、2、5、9，圖9是該實施例中一種三維雷射列印方法與系統流程圖。
該實施例中首先將三維物體信息（x，y，z，I）進行編碼轉換形成一種如圖1或圖2所示的四參量三維圖像數據（x，y，Λ，θ），所述四參量三維數據連續變化。然後將圖像數據輸入如圖5所示的光柵位置、空頻和取向連續可調的四參量（x，y，Λ，θ）三維雷射列印系統，通過列印實現三維彩色圖像的物理輸出。
該實施例中所述的三維彩色圖像由不同空頻和取向的衍射像素構成，將在距離圖像平面Z處的觀察平面上形成狹縫型觀察視窗。所述衍射像素所填充的像素光柵的空頻和取向連續變化。空頻與取向將根據圖像的種類不同而變化。一般地，彩色圖像的空頻從下而下逐漸增大。
該實施例中所述觀察視窗包括若干觀察區域，不同的觀察區域對應三維圖像不同的視角。三維圖像中表示同一視角圖像信息的衍射像素的衍射光線進入所述同一觀察區域。通過所述觀察視窗可看到真彩色三維圖像。
榮譽表彰
2016年12月7日，《三維雷射列印方法與系統》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
