一種大幅面數(shù)字化全息打印裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種大幅面數(shù)字化全息打印裝置和方法，屬于全息顯示領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)字化全息打印技術(shù)是光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)交叉融合的產(chǎn)物，是近年來國內(nèi)外3D成像領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。針對3D彩色目標(biāo)的全息打印主要有兩種途徑。第一種方法是:通過計(jì)算算法模擬3D物體的衍射過程和干涉過程，計(jì)算出3D物體的全息圖并分區(qū)塊進(jìn)行“激光直寫”打印到記錄材料上實(shí)現(xiàn)全息成像，即“非干涉記錄”。第二種方法是:模擬光學(xué)全息體視圖的制作過程，通過計(jì)算機(jī)建模軟件獲得一系列帶有一維(或二維)視差的圖像序列或通過攝像機(jī)掃描的方式獲得實(shí)際3D物體或場景的視差圖像序列，通過計(jì)算機(jī)編碼合成的方式獲得能夠產(chǎn)生視差效果的基元圖像陣列，通過將這些基元圖像陣列以“干涉記錄”方式打印在光敏材料上，則可獲得全息3D成像效果。
[0003]目前，國內(nèi)外已經(jīng)對計(jì)算全息圖的打印進(jìn)行了研究。主要的有美國ZebraImaging公司的研究人員發(fā)明了大幅面體視彩虹彩色全息圖的制作方法。東京工業(yè)大學(xué)的Yamaguchi等也在2011年報(bào)道了基于高密度光場重建技術(shù)的彩色全視差全息立體圖制作方法；立陶宛Geola公司的研究人員在2011年報(bào)道了基于紅、綠、藍(lán)三色脈沖激光器和全色銀鹽干板的彩色全息打印系統(tǒng)，制作出了約有半人高的僅有水平視差(HPO)的彩色反射全息圖；蘇州大學(xué)的陳林森教授等采用兩步法彩虹全息實(shí)現(xiàn)三維全息顯示的數(shù)字化彩虹全息記錄等。
[0004]目前，制約數(shù)字化全息打印技術(shù)發(fā)展的瓶頸主要在大信息量3D場景的信息獲取及快速處理方法、高質(zhì)量高效率的大幅面全息圖打印系統(tǒng)和方法、高性能的全息記錄材料等方面。隨著高性能計(jì)算平臺(tái)的不斷發(fā)展，大數(shù)據(jù)信息的處理變得越來越快捷，這給全息打印圖源信息的獲取和快速處理提供了良好的條件。需要實(shí)現(xiàn)大幅面高分辨率3D打印圖源信息的快速編碼需要進(jìn)行深入的算法研究。對于大幅面打印彩色全息圖，影響成像質(zhì)量的主要因素有兩方面:一是全息打印系統(tǒng)的分辨率、像場畸變、定位精度等；二是記錄材料的波前調(diào)制模式、光譜響應(yīng)特性、空間頻率響應(yīng)等性能參數(shù)。打印效率一般指單位時(shí)間內(nèi)打印全息圖尺寸的能力，可用每秒鐘打印基元全息圖的個(gè)數(shù)來表示。影響全息打印效率的硬件因素主要有激光光源的功率大小、記錄材料的光譜響應(yīng)靈敏度、移動(dòng)平臺(tái)的快速移動(dòng)精準(zhǔn)定位性能等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提出一種大幅面數(shù)字化全息打印裝置和方法。針對彩色3D物體或3D場景，利用快速并行計(jì)算環(huán)境對其進(jìn)行快速的信息處理和編碼，獲得全息3D打印所需的圖像信息，并通過計(jì)算與控制中心傳輸給全息打印系統(tǒng)進(jìn)行全息圖制作。本裝置的移動(dòng)平臺(tái)的定位精度達(dá)到亞微米級，通過短時(shí)脈沖激光器可以實(shí)現(xiàn)快速曝光，使用DMD可以實(shí)現(xiàn)快速刷新，在GPU并行計(jì)算中使用CUDA架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算。
[0006]根據(jù)上述的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種大幅面數(shù)字化全息打印裝置，包括控制系統(tǒng)和光路系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括激光器短時(shí)曝光控制單元、快速并行計(jì)算與系統(tǒng)控制中心、對焦監(jiān)控系統(tǒng)和移動(dòng)平臺(tái)控制器，所述激光器短時(shí)曝光控制單元通過快門的方式來控制紅色激光器、藍(lán)色激光器、綠色激光器的曝光時(shí)間，快速并行計(jì)算與系統(tǒng)控制中心通過快速并行計(jì)算將計(jì)算得到的大幅面全息體視圖分步加載于數(shù)字微反射鏡器件，對焦監(jiān)控系統(tǒng)通過CCD相機(jī)監(jiān)控基元全息圖單元并通過高分辨率縮微鏡頭對基元全息圖單元進(jìn)行調(diào)焦，移動(dòng)平臺(tái)控制器控制二維移動(dòng)平臺(tái)水平與豎直方向的移動(dòng)，使數(shù)字微反射鏡器件顯示的基元全息體視圖單元分步曝光打??；所述光路系統(tǒng)包括紅色激光器、藍(lán)色激光器、綠色激光器、第一半波片第二半波片、第三半波片、第一二向色濾鏡、第二二向色濾鏡、第一反射鏡、第一分光板、第二反射鏡、第一物鏡、第一光闌、第一透鏡、第三反射鏡、第一偏振片、第四反射鏡、第二光闌、二維移動(dòng)平臺(tái)、全色全息記錄材料、高分辨率縮微鏡頭、第二分光板、第二透鏡、CCD相機(jī)、第五反射鏡、數(shù)字微反射鏡器件、第六反射鏡、第二物鏡、第三透鏡、第三光闌、第二偏振片；通過紅色激光器發(fā)出的光束依次經(jīng)過第三半波片、第一反射鏡、第二二向色濾鏡和第一二向色濾鏡，通過藍(lán)色激光器發(fā)出的光束依次經(jīng)過第二半波片、第二二向色濾鏡和第一二向色濾鏡，通過綠色激光器發(fā)出的光束依次經(jīng)過第一半波片和第一二向色濾鏡后匯聚成一束，經(jīng)第一分光板將光束分成參考光光束與物光光束，其中參考光光束的光路上依次放置第一物鏡、第一光闌、第一透鏡、第三反射鏡、第一偏振片、第四反射鏡、第二光闌、二維移動(dòng)平臺(tái)、全色全息記錄材料；所述物光光束的光路上依次放置第二反射鏡、第六反射鏡，第二物鏡、第三透鏡、第三光闌、第二偏振片、數(shù)字微反射鏡器件、第五反射鏡、第二分光板、第二透鏡、CCD相機(jī)以及高分辨率縮微鏡頭。
[0007]一種大幅面數(shù)字化全息打印方法，所述方法包括:
1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置調(diào)整光路；
2)加載基元全息圖單元，通過快速并行計(jì)算與系統(tǒng)控制中心通過快速并行計(jì)算將計(jì)算得到的大幅面全息體視圖分割成基元全息圖單元依次加載到數(shù)字微反射鏡器件；
3)對焦，通過CCD相機(jī)監(jiān)控基元全息圖單元并通過高分辨率縮微鏡頭對基元全息圖單元進(jìn)行調(diào)焦；
4)干涉曝光，通過激光器短時(shí)曝光控制單元通過快門的方式來控制紅色激光器、藍(lán)色激光器、綠色激光器的曝光時(shí)間，使紅色激光器、藍(lán)色激光器、綠色激光器曝光發(fā)出激光束，然后通過第一分光板將光束分成的參考光光束與物光光束在全色全息記錄材料處干涉打印出基元全息圖單元；
5)移動(dòng)記錄材料，通過調(diào)整移動(dòng)平臺(tái)控制器控制二維移動(dòng)平臺(tái)水平與豎直方向的移動(dòng)全色全息記錄材料并打印下一個(gè)基元全息圖單元，并重復(fù)以上步驟至大幅面全息體視圖打印完畢。
[0008]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明使用基于短時(shí)脈沖激光器的曝光系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)快速曝光，用快門控制RGB三色激光器光源的曝光時(shí)間，與光柵計(jì)數(shù)反饋式移動(dòng)平臺(tái)的脈沖計(jì)算單元的時(shí)間保持相同，進(jìn)而控制全視差全息體視圖的每一個(gè)基元全息圖的記錄時(shí)間，實(shí)現(xiàn)基元圖像的逐個(gè)加載。
【附圖說明】
[0009]圖1為大幅面數(shù)字化全息打印裝置光路結(jié)構(gòu)。
[0010]圖2為多核CPU與眾核GPU協(xié)同并行計(jì)算環(huán)境下基元圖像序列快速計(jì)算方法示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)施作進(jìn)一步的詳細(xì)描述:
如圖1所示，一種大幅面數(shù)字化全息打印裝置，包括控制系統(tǒng)和光路系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括激光器短時(shí)曝光控制單元32、快速并行計(jì)算與系統(tǒng)控制中心33、對焦監(jiān)控系統(tǒng)34和移動(dòng)平臺(tái)控制器35，所述激光器短時(shí)曝光控制單元32通過快門的方式來控制紅色激光器1、藍(lán)色激光器2、綠色激光器3的曝光時(shí)間，快速并行計(jì)算與系統(tǒng)控制中心33通過快速并行計(jì)算將計(jì)算得到的大幅面全息體視圖分步加載于數(shù)字微反射鏡器件26，對焦監(jiān)控系統(tǒng)34通過CCD相機(jī)24監(jiān)控基元全息圖單元并通過高分辨率縮微鏡頭21對基元全息圖單元進(jìn)行調(diào)焦，移動(dòng)平臺(tái)控制器35控制二維移動(dòng)平臺(tái)19水平與豎直方向的移動(dòng)，使數(shù)字微反射鏡器件26顯示的基元全息體視圖單元分步曝光打印；所述光路系統(tǒng)包括紅色激光器1、藍(lán)色激光器2、綠色激光器3、第一半波片4、第二半波片5、第三半波片6、第一二向色濾鏡7、第二二向色濾鏡8、第一反射鏡9、第一分光板10、第二反射鏡11、第一物鏡12、第一光闌13、第一透鏡14、第三反射鏡15、第一偏振片16、第四反射鏡17、第二光闌18、二維移動(dòng)平臺(tái)19、全色全息記錄材料20、高分辨率縮微鏡頭21、第二分光板22、第二透鏡23、CXD相機(jī)24、第五反射鏡25、數(shù)字微反射鏡器件26、第六反射鏡27、第二物鏡28、第三透鏡29、第三光闌30、第二偏振片31 ;通過紅色激光器I發(fā)出的光束依次經(jīng)過第三半波片6、第一反射鏡9、第二二向色濾鏡8和第一二向色濾鏡7，通過藍(lán)色激光器2發(fā)出的光束依次經(jīng)過第二半波片5、第二二向色濾鏡8和第一