多视角图形输入的三维图形直写方法

摘要

本发明公开了一种多视角图形输入的三维图形直写方法，包括下列步骤：(1)获得三维物体的分视角平面数字图像；(2)对每幅图像进行分色并分割成子图，在各图像中对应位置相同的子图为一组；(3)取一组子图，分别采用迭代傅里叶变换原理，计算每一子图在远场的光场分布，提取位相信息，按视角排列，编码成H1；(4)用空间光调制器显示H1，并放置于透镜的前焦面，在透镜后焦面上形成多视角图像再现，引入干涉光，通过干涉光路在记录材料上记录再现图像；(5)对应下一组子图的位置，移动记录材料的位置；(6)重复上述步骤至所有子图记录完毕，实现三维图形的记录。本发明用激光直写的方式制作三维图形，图形具有丰富的信息表达特征。

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维图形制作方法，具体涉及一种适用于大幅面三维图形的制版，可应用于三维显示、立体印刷和虚拟现实的多视角图形输入的三维图形的直写方法。

背景技术

人在观察物体时，光从物体上反射出来，形成波前(wavefront)，向空间各个方向传播，人眼从不同方向观察到光的不同的波前，如果能够将波前记录与重现出来，则即使物体不存在，人眼仍然可以观察到虚拟的物体的存在。

传统全息照相技术是一种有效的记录光波前的方法，采用具有相干性的激光，通过在物光基础上，引入参考光进行干涉的方法，来同时记录物体的强度与位相信息，通过合适的光路设计(如彩虹全息光路)和记录材料的选择(如反射全息记录材料)，制作出来的全息图像可在白光下再现三维图像，观察这种三维图像不需要借助任何辅助工具，有很好的视觉效果。彩虹全息和模压复制技术的发明，使得这种三维图像可以大规模生产，迅速商品化，在印刷、包装、防伪、广告和展示领域获得应用。

全息照相与普通摄影最本质的不同是，前者不仅仅记录了物体的强度(振幅)信息，同时记录了物体的位相信息(视角)，而普通摄影仅仅记录了物体的强度信息，丢失了立体信息。因此，普通摄影的图形没有立体感。

现有技术中的一种常用方法是两步法制作彩虹全息图：

附图1是两步法制作彩虹全息图示意图。图1(a)是第一步光路，激光1经过分束器2分成两束光，一束光经过反射镜3、空间滤波器4扩束，照射到物体5上，另一束光经过反射镜6、空间滤波器7、准直透镜8照射到光刻胶全息干板9上，与从物体5上反射的光形成干涉，制作一张菲涅耳离轴全息图H1。

图1(b)是第二步光路。激光10经过分束器11分成两束光，一束光经过反射镜12、空间滤波器13扩束、准直透镜14，共轭照射到第一步制作的H1上，形成物体的像15，在像15附近放置全息干板16，另一束光经过反射镜17、空间滤波器18、照射到全息干板16上，与像光束形成干涉，曝光处理后形成全息图H2。

H1的结构如图2所示，在第一步拍摄过程中，根据所需全息图的要求对H1的结构进行设计，进行多次曝光记录，形成狭缝全息图。狭缝全息图在x方向的空间分布可以对图像进行颜色设计，在y方向的分布可以对图像进行视角设计。若在x方向设计三条狭缝，如图2中21、22、23所示，可以对全息图进行真彩色颜色设计。

狭缝的位置可以用公式$>x_i=(\sin {\theta }_R-\frac{{\lambda }_0}{{\lambda }_i}\sin {\theta }_P)z_0$>计算。x_i表示狭缝在H1上的位置，θ_R表示第一步光路中参考光和H1法线的夹角，θ_p表示观察时照明光和全息图法线的夹角，λ₀是记录光波长，λ_i是对狭缝进行颜色编码的波长，z₀是第二步光路中H1和干板的距离。例如，干板到H1的距离为250mm，拍摄H1的参考光角度为35度，观察再现角度为40度，记录波长为441.6nm，红、绿、蓝颜色编码波长分别取645.2nm、526.3nm、444.4nm，那么三条狭缝在H1上的位置分别为33.4mm、8.6mm、-16.3mm，红、蓝狭缝间距49.7mm。

全息图的视角可以用公式A＝2atan(a/(2z₀))计算。a表示H1中狭缝的长度，z₀是第二步光路中H1和干板的距离。例如，狭缝的长度为100mm，干板到H1的距离为250mm，那么视角大约为22.6度，如果将H1沿长度方向等分N个小区域，则每个区与对应的视角为A/N。

上述基于狭缝设计的两步法全息图制作方法的过程步骤清晰明了，制作三维图像则采用立体实物模型，制作出的图像立体感强。对于制作单色立体图像，只需要采用单狭缝设计，制作过程简单，所以单色图像在市场上得到了规模性的应用。

但是，这种传统两步法制作过程必须在全息防震平台上进行，有很大的局限性：

①在制作彩色的立体图像时，需要多套实物模型，模型需要进行分色制作，在制作H1时，每一个模型在全息干板上拍摄一条狭缝全息图，更换模型时需要准确对位，所以这样的工作需要很严格的工艺技术要求，以致从全息技术发明至今的几十年里，这种图像都处于实验室阶段，数量极少。

②图像尺寸小于150mm×150mm。在防震平台上制作光刻胶板全息图，一般采用波长为441.6nm的氦镉激光器，功率120mw左右，制作5cm大小的图像，实际所需要的曝光时间为5分钟左右，制作尺寸大的图像，需要的曝光时间相当长，如果曝光时间大于15分钟，需要光路有很严格的防震性能，在一般的全息实验室条件下很难满足。所以图像的幅面难以做大。

③激光器相干长度的影响。幅面大，立体景深大的图像，需要相干长度长的激光器，一般的氦镉激光器只有10-30cm左右的相干长度，长相干长度的激光器相当昂贵。

④制作的灵活性差，与其他图像的镶嵌困难。

近年来，合成彩虹全息图得到很快发展，基本原理和制作方式与普通彩虹全息相似，只是在记录H1时，在狭缝不同的位置上按视角顺序记录对应不同视角的平面图像，在记录H2时，用H1再现出所有视角的图像，引入参考光，在记录干板上干涉记录，形成三维合成彩虹全息图像。同样，通过设置红、绿、蓝三条狭缝，按上述步骤记录不同颜色通道的视角图像，则可以形成真彩色彩色全息图。

与传统的彩虹全息记录方法相比，合成彩虹全息图的制作具有较高的灵活性，不再需要实物模型，可以制作具有动态感的三维图像。但是与与传统的彩虹全息的缺点相似，由于受记录光路、光学元件和激光器功率的影响以及输入器件的尺寸和信噪比的影响，合成彩虹全息图的很难做到大于150mm×150mm。

所以，由于彩色三维全息图像的制作技术要求高、条件苛刻、成本昂贵，导致商业化应用困难。但是，随着市场需求的发展，这种三维图像具有巨大的应用价值，开发适合商品化制作的方法是必然要求。

发明内容

本发明目的是提供一种数字化输入多视角图形、基于激光直写技术的彩色三维图像制作方法，适合大幅面三维图形的制作。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种多视角图形输入的三维图形直写方法，包括下列步骤：

(1)获得三维物体的分视角平面数字图像；

(2)对每幅图像进行分色并分割成子图，再对子图分组，在各图像中对应位置相同的子图为一组；

(3)取一组子图，分别采用迭代傅里叶变换原理，计算每一子图在远场的光场分布，提取位相信息，将这一组子图的位相信息分布按视角排列，编码成H1；

(4)用空间光调制器显示H1，并放置于透镜的前焦面，在透镜后焦面上通过透镜的傅立叶变换的平移不变形性，形成多视角图像再现，引入干涉光，通过干涉光路在记录材料上记录从空间光调制器上再现出的图像；

(5)对应下一组子图的位置，移动记录材料的位置；

(6)重复步骤(3)、(4)、(5)，至所有子图记录完毕，实现三维图形的记录。

进一步的技术方案，所述步骤(4)中，空间光调制器由至少2个空间光调制器并列构成。

上述技术方案中，所述步骤(1)中，所述三维物体的分视角平面数字图像大于或等于2个，各图像按视角顺序排列。

上文中，利用了两步法彩虹全息技术基本原理，用迭代傅里叶算法将多视角图形编码成位相信息，在空间光调制器SLM上输入该信息，采用激光干涉法直写装置，实现了三维图形的制作。

实现上述方法的直写三维图形的数控装置，可以包括激光光源、光束分束与扩束光路、傅里叶变换成像系统、运动平台控制系统，记录材料位于透镜的后焦面上。

上述技术方案，是通过对两步彩虹全息制作方法的分析和改进实现的。彩虹全息方法中，第一步获得的H1，从光的传播角度看，来自于物体反射的光波前，传播到记录材料H1上，H1上的光场就是光从物体到记录面的菲涅耳衍射，如果相对于物体来说，传播的距离较远，则菲涅耳衍射光场可以简化成夫朗和费衍射光场，引入参考光的作用就是在记录振幅(强度)的同时，记录下物体的位相(视角)。

一般地，对于透射型H1，记录在H1上的菲涅耳光场的干涉图样(菲涅耳全息图)的微结构尺度在0.5-2.5微米左右。由此，发明人考虑用空间光调制器(SLM)来显示上述菲涅耳全息图，以省去记录H1的步骤。然而，SLM的像素尺寸在12微米左右、SLM输入幅面约0.7时，因此，SLM器还没有足够的分辨率和面积来支持较大幅面菲涅耳型全息图的信息输入。

因此，本发明创造性地将若干幅具有不同视角的图形中的每一幅图形通过分区域分幅的方式，分成小区域子图形，由于子图形较小，图形在经过较长的传播距离后，费涅尔衍射光场可以简化成弗朗和夫光场，因此，可以对每个子图形进行远场傅立叶变换，获得弗朗和夫光场分布。将不同视角图形的对应的子图形的弗朗和夫分布按视角顺序排列，再采用SLM来输入这种按不同视角排列弗朗和夫光场分布；然后，利用光学系统的焦平面上傅立叶变换平移不变性与并行处理的特点，在透镜前焦面上，不同位置上的弗朗和夫光场分布，通过透镜的傅里叶变换，在透镜后焦平面上同时得到各个视角图像的再现，在透镜后焦面上引入参考光进行干涉记录，这样，实现多视角图像的干涉记录。

从而，本发明可以解决传统全息拍摄中幅面难以做大的局限性，图像输入与处理上更加灵活。

附图说明

图1是传统两步法彩虹全息拍摄光路示意图；

图2是H1结构示意图；

图3是实施例一中的方法流程示意图；

图4是实施例一中图像分色处理示意图；

图5是实施例一中图像子图分割示意图；

图6是实施例一中子图数字化H1示意图；

图7是实施例一中子图全息图制作示意图；

图8是实施例二中采用离轴反射式空间光调制器的光路示意图；

图9是实施例三中采用同轴反射式空间光调制器的光路示意图；

图10是实施例四中采用透射式空间光调制器的光路示意图；

图11是实施例五中采用双空间光调制器实施方法的光路局部示意图；

图12是实施例六中可以对三维图形进行大幅面直写的数控装置图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见附图3所示，一种多视角图形输入的三维图形直写方法，步骤如下：

(1)获得三维物体的分视角数字图像，可以采用相机拍摄，以物体为中心，每隔一定的角度拍摄，也可以采用计算机虚拟的三维图像处理，获得虚拟物的分视角图像。图像编号为从1至n，图像格式不限。

(2)对每一幅图像进行红R、绿G、蓝B分色处理，如图4所示，编号为R1、G1、B1，R2、G2、B2，…，Rn、Gn、Bn。如果获得的图像是灰度图像，则这一步骤可以省略。

(3)将上述分色图像分割，形成子图，如图5所示，每个子图的大小是m×m像素。例如64×64像素。

(4)如图6所示，依次取第1，..i，..n幅红色R分量图像的第一幅子图，经过迭代傅立叶算法(IFTA)，获得子图形的弗朗和夫衍射光场分布，通过迭代算法提取具有台阶的位相信息(弗朗和夫光场)，并编码成灰度图像，将这1～n个表达位相信息的灰度图像排成一列，即为形成全息图H1的红色狭缝SR；用相同的方法分别对1-n幅绿色、蓝色分量图像子图像进行编码，获得绿色狭缝SG和蓝色狭缝SB。在空间光调制器SLM上同时显示三列SR、SG、SB。

(5)用扩束的平行激光照射SLM，SLM置于傅立叶变换透镜的前焦面，通过傅里叶变换透镜进行一次逆变换，H1上n个不同视角的弗朗和夫光场分布在透镜的后焦面形成n个按视角方位重叠的分区子图像(物光场)，在后焦面上放置全息干板，引入参考光，并与物光波干涉，记录这n个子图的全息图，包含了颜色和视角信息。如图7所示，61是SLM、62是傅里叶变换透镜、63是全息干板、64是物光波所成的像、65是参考光。

(6)移动记录材料，重复上述步骤对第二列子图像编码形成第二列子图的H1，记录第二列子图的全息图。重复这个过程，直至所有子图全部记录完毕。

SLM像素大小一般是12um左右，与所使用的激光波长相比大很多，所以对光学系统的分析，标量理论就可以适用。采用傅里叶算法对图像进行离散傅里叶变换，迭代傅里叶算法(IFTA)是经常采用一种算法。SLM一般可显示256级灰度，所以，对位相信息可以最高作256级量化，再现时可以达到90％以上的再现衍射效率、并减少了再现噪声。

实施例二：参见附图8所示，为采用离轴反射式空间光调制器的光路实施方法。激光束71经过分束器72，一束光经过扩束准直后倾斜照射到空间光调制器76上，读出空间光调制器上的信息，经过傅里叶变换透镜77，在后焦面再现出物体的像，并放置干板78，经过分束器的另一束光经过适当扩束和准直后在干板78上与物光波干涉。空间光调制器上的信息由计算机712实时控制，干板和光学系统之间可以在干板平面内可以作二维相对移动，匹配SLM上和干板的相对位置，实现图形拼接。

用这种方法制作的图像，与传统两步法相比，其视角范围、颜色编码范围除了与采用的激光波长、参考光角度有关外，还与傅里叶变换透镜的焦距、空间光调制器SLM的尺寸有关。

设空间光调制器SLM的长边长度为a，短边长度为b，傅里叶变换透镜焦距为f，可制作图像的最大视角为2atan(a/(2f))。例如，采用规格为0.95英寸的1080p高清DMD作为SLM，长边是21mm、短边是11.8mm，透镜焦距为50mm，视场角可以达到23.7度。

可以采用两步法彩虹全息的颜色设计理论来计算在空间光调制器上显示狭缝的位置和间距。若傅里叶透镜的焦距是50mm，那么红、蓝狭缝的间距为10mm，目前的空间光调制器可以满足要求。

实施例三：参见附图9所示，为采用同轴反射式空间光调制器的光路实施方法。激光束81，经过分束器82后，一束光经扩束准直，经分束镜86后照射空间光调制器87，读出信息，经傅里叶变换透镜88后在后焦面形成物体的像，其他过程与实施例一相同。

实施例四：参见附图10所示，为采用透射式空间光调制器的光路实施方法。激光束91，经过分束器93后，一束光经扩束准直，垂直照射空间光调制器96，读出信息，透射光经傅里叶变换透镜97后在后焦面形成物体的像，其他过程与实施例一相同。

实施例五：参见附图11所示，为采用双空间光调制器输入信息的傅里叶变换成像光路示意图。101、102是空间光调制器，光学器件103使两空间光调制器的光学面拼接在一起，104是傅里叶变换透镜，105是记录材料。沿狭缝方向拼接，可以扩大所制作三维图像的视场角，沿狭缝垂直方向拼接，可以扩大颜色编码的波长范围。这种双空间光调制器拼接的方法同样适用于多空间光调制器的拼接。

实施例六：参见附图12所示，为一种可以实现大幅面三维图形直写的数控装置。由激光光源、光束分束与扩束、傅里叶变换成像系统、运动平台控制系统构成。由激光器111、准直镜112、分束元件113、反射元件114、扩束准直器件115、傅里叶变换成像系统116。激光器、所有光学系统装配在水平运动(Y方向)的平台117上，记录材料118放置在工作平台119(X方向运动)，另外包括TTL与功率控制的激光电源1110、运动控制系统1111和计算机1112。整个制作过程由计算机自动完成。