《數碼三維與光變圖像的製作方法及雷射照排系統》是蘇州蘇大維格數碼光學有限公司於2001年11月7日申請的專利，該專利的申請號為011341599，公布號為CN1350212，公布日為2002年5月22日，發明人是陳林森、沈雁、解劍峰、陸志偉、汪振華、顧華儉、吳建宏、胡祖元、胡元、孫青。
一種數碼三維與光變圖像的製作方法，將圖像根據單元光柵的取向和空頻分解成至少2個子圖像，每個子圖像中單元光柵的取向和空頻相同，將一個子圖像輸入到空間光調製器上，一平行光束經空間光調製器成像到分束元件上，產生分束光束，並會聚在記錄材料上，產生與所述子圖像對應的由多個衍射光柵組成的圖像，依次向空間光調製器輸入不同的子圖像，直至完成整個圖像的製作；其雷射照排系統，包括由平行光源、空間光調製器、成像系統、分束元件等組成的光路系統、放置記錄材料的工作檯及控制部分，分束元件設定在轉台上，記錄材料位於分束後成像系統的焦面上。
2005年，《數碼三維與光變圖像的製作方法及雷射照排系統》獲得第四屆江蘇省專利項目獎優秀獎。
（概述圖為《數碼三維與光變圖像的製作方法及雷射照排系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：數碼三維與光變圖像的製作方法及雷射照排系統
- 公布號：CN1350212
- 公布日：2002年5月22日
- 申請號：011341599
- 申請日：2001年11月7日
- 申請人：蘇州蘇大維格數碼光學有限公司
- 地址：江蘇省蘇州市十梓街1號
- 發明人：陳林森、沈雁、解劍峰、陸志偉、汪振華、顧華儉、吳建宏、胡祖元、胡元、孫青
- 分類號：G03H1/12、G03H1/22、G06T15/00
- 代理機構：蘇州創元專利事務所有限公司
- 類別：發明專利
- 代理人：陶海鋒
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
數碼三維與光變圖像是一種新型的光學圖像，由像素陣列組成，其中的每個像素是一個像素光柵（單元光柵），單元光柵的取向和空頻有著無窮多的組合，使圖像具有色彩變化、動態效果和三維感等多種光變效果的光學特性，圖像可以非常複雜，對於浮雕型的圖像，通過模壓鍍鋁，使之成為反射再現全息圖，人眼可直接把圖像對著光源觀察反射的衍射光，且易於觀察，所以在國際上已經用於證券、卡證的防偽、雷射防偽包裝材料生產和檢測中。
2001年11月前製作三維與光變圖像的方式主要有以下幾種，一是在全息乾版上記錄由光干涉形成二維或三維圖像的全息攝影，這種方法主要是通過手工來完成，對製作具有高精度的、具有動態效果的光學可變圖像非常困難；另一種是雷射直寫，由計算機控制精細雷射束在樣品台上的移動，直接在光刻膠表面曝光，刻出連續浮雕結構，這種單光束直寫方式，對電子控制和機械的精度要求很高，如果設計一個10毫米×10毫米的光柵，光束的聚焦點的直徑為1微米，設運行速度為10毫米/秒，光刻500線/毫米的光柵需要至少80分鐘，對於更小光柵常數和面積更大的光學可變圖像（如用於雷射防偽包裝材料的光學可變圖像），單雷射直寫顯然是不合適的；第三種是電子束曝光，雖然，電子束光刻的光柵精度更高，但其製作費用太高、時間更長，對獲得大面積的三維與光變圖像也是不可行的。為此，《數碼三維與光變圖像的製作方法及雷射照排系統》的發明人在另一項專利申請光學可變圖像的製作方法及其照排系統中提出了一種新的製作方法，即採用干涉型光學頭作為雷射直寫頭，用雷射干涉條紋象素點作為雷射直寫點實現像素光柵的製作，由於一個干涉條紋象素點包含數十條光柵刻線，因而比用單光束雷射直寫方法快數十倍，能用於設計製作較大面積的光變圖像，同時，像素光柵的條紋密度可以更高，同樣設計一個10毫米×10毫米的光柵，如果光束的聚焦點的直徑為0.04毫米，設運行速度為80點/秒，需要15餘分鐘，明顯快於單光束直寫，使大面積製作成為可能；但是，由於機械運動的運行時間限制，對於500毫米×500毫米的面積，需要400多小時，作為大面積套用，在時間上仍是難以接受的，另一方面，為提高解析度，需要減小光束的直徑，由此將導致兩個光束相交區域的變小，一般地，當光斑直徑為10微米時，機械運動過程中的上下振動，將會嚴重影響兩個光斑的重疊程度，因而，系統的圖像最高解析度為2540dpi。
考慮上述幾種方案，發現為了解決全息攝影法中手工操作的問題，後續的幾種方法均是通過對干涉條紋或者單元光柵點的單點處理來進行製作的，這是導致速度慢，難以製作大面積圖像的主要原因，如果能利用計算機控制實現對同一圖像中的多個像素光柵點的同時製作，將；提高製作速度。
發明內容
專利目的
《數碼三維與光變圖像的製作方法及雷射照排系統》即是根據上述構想，提供一種利用計算機控制、速度快、能高效率地製作大面積三維與光變圖像的製作方法及利用此方法實現製作的照排系統，以使大面積三維與光變圖像的製作進入工業化套用階段。
技術方案
一種數碼三維與光變圖像的製作方法，將圖像根據其中單元光柵的取向和空頻分解成至少2個子圖像，每個子圖像中單元光柵的取向和空頻相同，將其中一個子圖像輸入到空間光調製器（SLM）上，一平行光束經空間光調製器調製後成像到分束元件上，產生分束光束，將所述分束光束會聚在記錄材料上，產生與所述子圖像對應的由多個衍射光柵組成的圖像，依次向空間光調製器輸入不同的子圖像，直至完成整個圖像的製作。
上述技術方案中，所述的“三維與光變圖像”是指由單元光柵構成的圖像，其中的單元光柵的取向和空頻有著無窮多的組合，使圖像具有色彩變化、動態效果和三維感等多種光變效果的光學特性，它包括平面圖像（2D）、平面縱向分層圖像（2D/3D）、三維立體圖像（3D）、光學可變圖像（OVD，或稱為空間多通道圖像）、數字編碼圖像（具有條碼或二維碼功能）、數字點形加密圖像等。所述“將圖像根據其中單元光柵的取向和空頻分解成至少2個子圖像”，意思是，圖像中的單元光柵具有不同的取向和空頻，將其中相同取向和空頻的單元光柵取出，可以構成一個子圖像，因而，一幅圖像可以看成是若干幅子圖像的相加。所述的“分束元件”是一種分光元件，它能將入射光分成兩束光，由反射鏡和透鏡構成干涉型光學頭，經分束元件產生的分束光束在記錄材料表面位置相交，形成干涉條紋，從而在感光材料上記錄下由多個單元光柵構成的子圖像；多幅子圖像的疊加構成了完整的三維與光變圖像；這裡，“分束元件”可以是傳統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學元件，所謂具有分束功能的全息光學元件是一種體積全息光學元件，它能將入射光的光強集中在正、負一級衍射光上，零級光的能量比正、負一級光小，也可以將入射光集中在正一級和零級光上，或者正負一級光具有發散或會聚作用；由全息光學元件和透鏡組可以構成干涉型光學頭，經全息光學元件產生的衍射光在記錄材料表面位置相交，形成干涉條紋，從而在感光材料上記錄下由多個單元光柵構成的子圖像。
上述技術方案中，所述的空間光調製器（SLM）可以是透射型的、也可以是反射型的，在更換空間光調製器中輸入的子圖像時，同時轉動分束元件或者改變分束元件的位置。所述的分束元件可以是半透半反型的分束元件，也可以是全息光學元件，此時，所述的分束光束為衍射光束。
上述技術方案中，對於面積較大的三維與光變圖像，可以先將圖像用幾何分割法分割成多個小面積圖像，對每個小面積圖像分別分解成子圖像，按所述步驟製作，移動記錄材料，製作下一個小面積圖像，直至完成整個圖像的製作。
該發明中生成三維與光變圖像的雷射照排系統的技術方案是，包括由平行光源、空間光調製器、分束前成像系統、分束元件、分束後成像系統組成的光路系統、放置記錄材料的工作檯以及包括計算機的控制部分，所述分束元件設定在轉台上，所述記錄材料位於分束後成像系統的焦面上。
上述技術方案中，所述平行光源由光源、光電開關、擴束器和準直鏡組成；其中的光源可以是雷射光源或線光譜光源。採用一般雷射光源或線譜線光源時，適用於用感光材料作為記錄材料；採用高功率密度的雷射光源時，可以用塑膠或金屬材料作為記錄材料，直接刻出干涉條紋。
上述技術方案中，所述放置分束元件的轉台可以轉動及沿Z軸方向運動，所述工作檯可以沿X軸和Y軸運動。
上述技術方案中，所述的分束元件可以為全息光學元件，所述的分束前成像系統為衍射前成像系統，包括透鏡、反射鏡和透鏡，所述的分束後成像系統為衍射後成像系統，它將全息光學元件產生的衍射光會聚在記錄材料上，可以是由透鏡和透鏡組成的透鏡組。
上述技術方案中，所述的分束元件也可以為半透半反型分束元件，所述的分束前成像系統包括透鏡、反射鏡和透鏡，所述的分束後成像系統將衍射光會聚在記錄材料上，可以是由反射鏡和透鏡組成的透鏡組。
該發明工作原理是：三維和光變圖像是由不同空頻、光柵取向的單元光柵組成的，對於浮雕型圖像，通過模壓鍍鋁，使之成為反射再現全息圖，人眼可直接把圖像對著光源觀察反射的衍射光。光的衍射滿足光柵方程：Λ（sini±sinθ）＝kλ，式中Λ是光柵常數，i是入射角，θ是衍射角，k是干涉級數，一般正負一級衍射光最強。設光柵分布函式為f（x，y，φ，Λ），φ代表光柵取向，照明光源的形狀函式為Ψ（x0，y0，），則觀察到的光學可變圖像可表達為：0（x，y，λ，Ψ）＝f（x，y，φ，Λ）⨂Ψ（x0，y0），這裡，⨂為卷積運算符號。在白光照射下，由於光柵的色散作用，隨著視角的轉動，看到不同波長的衍射光，圖像呈現出如彩虹般的連續色彩變化，觀察者在同一位置看到的具有不同條紋間隔Λ光柵的顏色不同，這就是光學可變圖像的色彩變化效果；第二，φ代表光柵取向，改變φ，將使入射角i和衍射角θ同時發生改變，這樣，φ控制了衍射光的波前的傳播方向（位相不同），使觀察到圖像的空間方位不同。從而，在同一位置上觀察，光學可變圖像由相同單元光柵取向組成的圖像能被同時看到，改變觀察位置，另一組具有相同單元光柵取向的圖像能夠被觀察到。由此，可以由相同取向和空頻的單元光柵構成一幅子圖像，改變觀察位置，將看到不同的子圖像。
如附圖1所示的光變圖像的示意圖，相同取向和空涉的單元光柵排列成一個或多個正方形，整個圖像由多個該類正方形組合而成。當改變觀察位置時，將可以觀察到方框線發生伸縮變化，圖中給出了兩個不同觀察角度上的子圖像，每個子圖像上均分別由取向相同的單元光柵構成，任何一個光學可變圖像均可以盾成由若干個不同光柵取向的子圖構成。
即f（x，y，φ，Λ）＝∑fi（x，y，φ，Λ），因而，只要能夠在子圖像fi（x，y，φ，Λ）的所有有效像素位置上同時產生相同的單元光柵，並且控制不同子圖像的單元光柵取向，就能夠製作三維與光變圖像。
該發明通過計算機系統將三維與光變圖像分解成多個子圖像，利用空間光調製器輸入子圖像，使得平行光受該子圖像調製後，由干涉型光學頭產生相應的衍射光柵組，通過計算機控制依次輸入不同的子圖像，同時調節干涉型光學頭中全息光學元件或分束元件的轉角和位置，產生不同取向的衍射光柵組，即可以一種類似於並行的方式快速完成圖像的製作。
該發明通過數碼面陣圖像輸入方式，在記錄材料上形成具有衍射特性的面陣列，由一個子圖像形成的陣列的每個點中均含有相同條紋取向（φ）的干涉條紋，逐個輸入子圖像，改變干涉條紋取向（φ），可以表達圖像的動態感或由x，y和點陣分布（疏密或灰度）可以表達圖像的強度（灰度）變化，立體感（相位）；由x，y，φ和Λ組合，進一步可以表達圖像色彩，形成具有色彩表現的立體圖形（3D），點的大小和形狀使圖像具有加密和更豐富的信息表達特徵。上述特徵表明，數碼三維與光變圖像照排系統是具有非常豐富表達能力的全息（立體）照排系統。
改善效果
由於上述技術方案運用，《數碼三維與光變圖像的製作方法及雷射照排系統》與該實施2001年11月前已有技術相比具有下列優點：
1.該發明將三維與光變圖像根據單元光柵的取向分解成子圖像，對一個子圖像可以一次完成照排，因而；提高了製作速度。設由擴束器擴束後在空間光調製器上的光斑直徑為20毫米，有效均勻照明圖像面積為10毫米×10毫米，記錄材料上的單個像素點的大小為0.02毫米，圖像面積內的總像素為250000，按每幅圖像平均含有30個角度φ變化，即每幅圖像包含30幅子圖像，記錄每個子圖像的系統運行時間約為1秒，則完成整幅圖像的時間是30秒，而單點光柵方法完成相同的圖像需15分鐘以上，速度明顯加快。
2.對於較大幅面的圖像，該發明用面積分割法將大圖像分割成許多小區域面積的圖像，計算機軟體逐個完成小區域圖像，最後拼成一個較大的圖像，由於系統運行效率的大幅度提高，原本用單點光柵法完成一個500毫米×500毫米圖像需要400多小時，在實際操作上幾乎無法實現，而用該發明的方法運行時間約20小時，因而可以實現大幅面圖像的製作。
3.由於該發明對於子圖像採用整體輸入的方式，因而記錄材料的振動對光點的相交區影響較小，從而可以提高系統的最高解析度，系統的圖像解析度可以達到5000dpi。
附圖說明
附圖1為《數碼三維與光變圖像的製作方法及雷射照排系統》中圖像根據單元光柵的取向和空頻分解為子圖像的示意圖；
附圖2為該發明實施例一中照排系統的結構示意圖；
附圖3為該發明實施例二中照排系統的結構示意圖；
附圖4為全息光學元件光學頭的特徵示意圖；
附圖5為該發明實施例三中照排系統的結構示意圖；
附圖6為圖5中分束元件光學頭的特徵示意圖；
附圖7為該發明生成的不同類型的三維與光變圖像結構的示意圖。
其中：[1]、光源；[2]、光電開關；[3]、擴束器；[4]、準直鏡；[5]、空間光調製器；[6]、透鏡；[7]、反射鏡；[8]、透鏡；[9]、分束元件；[10]、轉台；[11]、透鏡；[12]、透鏡；[13]、工作檯；[14]、記錄材料；[15]、控制系統；[16]、計算機；[17]反射鏡；[18]、全息光學元件。
權利要求
1、一種數碼三維與光變圖像的製作方法，其特徵在於：將圖像根據其中單元光柵的取向和空頻分解成至少2個子圖像，每個子圖像中單元光柵的取向和空頻相同，將其中一個子圖像輸入到空間光調製器[5]上，一平行光束經空間光調製器[5]調製後成像到分束元件[9]上，產生分束光束，將所述分束光束會聚在記錄材料[14]上，產生與所述子圖像對應的由多個衍射光柵組成的圖像，依次向空間光調製器[5]輸入不同的子圖像，直至完成整個圖像的製作。
2、如權利要求1所述的數碼三維與光變圖像的製作方法，其特徵在於：所述空間光調製器[5]可以是透射型的、也可以是反射型的，在更換空間光調製器[5]中輸入的子圖像時，同時轉動分束元件[9]或者改變分束元件[9]的位置。
3、如權利要求1或2所述的數碼三維與光變圖像的製作方法，其特徵在於：所述的分束元件為半透半反型的分束元件。
4、如權利要求1或2所述的數碼三維與光變圖像的製作方法，其特徵在於：所述的分束元件為全息光學元件，所述的分束光束為衍射光束。
5、如權利要求1所述的數碼三維與光變圖像的製作方法，其特徵在於：先將圖像用幾何分割法分割成多個小面積圖像，對每個小面積圖像分別分解成子圖像，按所述步驟製作，移動記錄材料，製作下一個小面積圖像，直至完成整個圖像的製作。
6、一種套用權利要求1所述製作方法生成三維與光變圖像的雷射照排系統，其特徵在於：包括由平行光源、空間光調製器[5]、分束前成像系統、分束元件[9]、分束後成像系統組成的光路系統、放置記錄材料[14]的工作檯[13]以及包括計算機[16]的控制部分，所述分束元件[9]設定在轉台[10]上，所述記錄材料[14]位於分束後成像系統的焦面上。
7、如權利要求6所述的雷射照排系統，其特徵在於：所述平行光源由光源[1]、光電開關[2]、擴束器[3]和準直鏡[4]組成，所述光源[1]可以是雷射光源或線光譜光源。
8、如權利要求6所述的雷射照排系統，其特徵在於：所述放置分束元件[9]的轉台[10]可以轉動及沿Z軸方向運動，所述工作檯[13]可以沿X軸和Y軸運動。
9、如權利要求6所述的雷射照排系統，其特徵在於：所述分束元件為全息光學元件，所述的分束前成像系統為衍射前成像系統，包括透鏡[6]、反射鏡[7]和透鏡[8]，所述的分束後成像系統為衍射後成像系統，它將全息光學元件產生的衍射光會聚在記錄材料上，可以是由透鏡[11]和透鏡[12]組成的透鏡組。
10、如權利要求6所述的雷射照排系統，其特徵在於：所述的分束元件為半透半反型分束元件，所述的分束前成像系統包括透鏡[6]、反射鏡[7]和透鏡[8]，所述的分束後成像系統將衍射光會聚在記錄材料上，可以是由反射鏡[11]和透鏡[12]組成的。
實施方式
實施例一
參見附圖2所示，一種數碼三維與光變圖像的製作方法，將圖像根據其中單元光柵的取向和空頻分解成至少2個子圖像，每個子圖像中單元光柵的取向和空頻相同，將其中一個子圖像輸入到空間光調製器上，一平行光束經空間光調製器5調製後成像到全息光學元件18上，產生衍射光束，將所述衍射光束會聚在記錄材料14上，產生與所述子圖像對應的由多個衍射光柵組成的圖像，依次向空間光調製器5輸入不同的子圖像，同時轉動全息光學元件18或者改變全息光學元件18的位置，直至完成整個圖像的製作。
實現上述方法的雷射照排系統，包括由光源1、光電開關2、擴束器3、準直鏡4、空間光調製器5、衍射前成像系統、全息光學元件18、衍射後成像系統組成的光路系統、放置記錄材料14的工作檯13以及包括計算機16的控制部分，所述的空間光調製器5為透射型的空間光調製器，所述全息光學元件18設定在轉台10上，轉台10可以轉動及沿Z軸方向運動，所述記錄材料14放置在工作檯13上並位於衍射後成像系統的焦面上；所述光源1可以是雷射光源或線光譜光源；所述的衍射前成像系統包括透鏡6、反射鏡7和透鏡8，所述的衍射後成像系統將衍射光會聚在記錄材料14上，可以是由透鏡11和透鏡12組成的成像器件。
附圖4中給出了該實施例可以選用的幾種息光學元件的特性示意圖。
該實施例中，相交光點大小一般在8毫米至0.005毫米之間改變，相交光點的形狀可以是圓點、方形或者是任意文字形狀，相交光夾角可以在7°至40°之間改變，記錄材料14可以是對近紫外光到紅光感光；所述光源1可以是雷射光源或線譜線光源，如果採用線譜線光源，則在記錄材料14上形成消色差干涉條紋，如果採用高功率密度的雷射光源，則記錄材料14可以用非感光材料（如金屬或塑膠）。
實施例二
參見附圖3所示，一種數碼三維與光變圖像的製作方法，先將圖像用幾何分割法分割成多個小面積圖像，對每個小面積圖像分別分解成子圖像，對於每個子圖像，按實施例一中相同的步驟製作。
該實施例的雷射照排系統，總體結構與實施例一類似，其中，空間光調製器5是反射型空間光調製器，工作檯13可以沿X軸和Y軸運動，由計算機16經控制系統15控制工作檯13的運動，帶動記錄材料14移動，依次製作各個小面積圖像，從而拼接成整個圖像。
實施例三
參見附圖5所示，一種用於製作數碼三維與光變圖像的雷射照排系統，包括由光源1、光電開關2、擴束器3、準直鏡4、空間光調製器5、分束前成像系統、分束元件9、分束後成像系統組成的光路系統、放置記錄材料14的工作檯13以及包括計算機16的控制部分，所述的空間光調製器5為透射型的空間光調製器，所述分束元件9設定在轉台10上，轉台10可以轉動及沿Z軸方向運動，所述記錄材料14放置在工作檯13上並位於分束後成像系統的焦面上；所述光源1可以是雷射光源或線光譜光源；所述的分束前成像系統包括透鏡6、反射鏡7和透鏡8，所述的分束後成像系統將分束光束會聚在記錄材料14上，可以是透鏡12。
附圖6給出了該實施例採用的半透半反型分束元件光學頭的特徵示意圖，其中包括了半透半反鏡及多個反射鏡17。
榮譽表彰
2005年，《數碼三維與光變圖像的製作方法及雷射照排系統》獲得第四屆江蘇省專利項目獎優秀獎。
