一种基于光学扫描全息的全息打印系统及方法

1.本发明涉及全息打印领域，具体涉及一种基于光学扫描全息的全息打印系统及方法。


背景技术：

2.全息图打印技术根据全息图生成时干涉条纹不同来源以及不同记录方式被分为全息图体视图打印、全息波前打印和计算全息图打印。其中计算全息图打印，亦被称为直接条纹打印系统，可将生成的全息图直接打印记录到全息介质上，过程无需参考光，所产生的全息图可以是菲涅尔全息图、柱面全息图、彩虹全息图亦或全息体视图。
3.直接条纹打印系统具有原理相对简单、分辨率高、成本低且系统稳定性比较高的特点，但目前的打印都需要先生成全息图，目前的制作也只能用于静态图像显示。
4.光学扫描全息(optical scanning holography,osh)是一种特殊数字全息术，是由美国弗吉尼亚理工大学ting-chung poon教授等人提出的一种利用光电相结合的方式，可以实现单像素非相干全息实时记录的技术。该技术通过对物体的二维点对点扫描即可获取高分辨率的三维物体的全部数据信息。osh的优点在于可以实现高分辨率、大视场和高稳定性的三维物体全息图像的采集。此外，osh获得的全息图是无孪生像以及零级像干扰的全息图，有利益与直接打印至全息材料。
5.文献“ik-bu sohn,hun-kook choi,dongyoonyoo,young-chul noh,jiwhan noh,md.shamim ahsan.three-dimensional hologram printing by single beam femtosecond laser direct writing[j].applied surface science,2018,427(pta).”提出了单光束飞秒激光直写技术，并在聚甲基丙烯酸甲酯(mma)和铌酸锂(linbo3)样品上实现了全息图的打印。
[0006]
文献“mcneill m d,poon t c.gaussian-beam profile shaping by acousto-optic bragg diffraction.[j].applied optics,1994,33(20).”“konstantin b.yushkov,vladimir ya.molchanov,vladimir i.balakshy,sergey n.mantsevich.acousto-optic transfer functions as applied to s laser beam shaping[p].optical engineering+applications,2018.”均证明声光器件可对高斯光束具有整形作用，可实现激光打印功能。
[0007]
著作“yaping zhang,ting-chung poon.modern information optics with matlab[m].cambridge university press(u.k.)and higher education press(china),2023”中提到声光器件强度调制曲线中存在线性区域，可实现对激光强度的线性调制。


技术实现要素：

[0008]
本发明的目的在于提供一种基于光学扫描全息的全息打印系统及方法。
[0009]
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
[0010]
一种基于光学扫描全息的全息打印系统，包括：扫描全系osh系统、声光调制器aom
打印系统；
[0011]
所述osh系统沿着光路依次包括：激光器、第一分束镜、第一声光移频器、第一反射镜、第一扩束镜、第二声光移频器、第二反射镜、第二扩束镜、第一透镜、第二分束镜、第一光阑、第一光电探测器、扫描振镜、物体、第二透镜、第二光电探测器、带通滤波器、天线发射端、锁相放大器、无线数据采集卡、计算机；所述激光器出射光与第一分束镜中心保持共轴，第一分束镜置于激光器出射方向；第一声光移频器置于第一分束镜反射光方向，并置于第一反射镜和第一分束镜之间；第一反射镜置于第一声光移频器一级衍射光方向；第一扩束镜置于第一反射镜反射光方向，且第一反射镜反射光光轴方向和第一扩束镜中心保持一致；第二声光移频器置于第一分束镜透射光方向；第二反射镜置于第二声光移频器一级衍射光方向；第二扩束镜置于第二反射镜反射光方向，且第二反射镜反射光光轴方向和第二扩束镜中心保持一致；第一透镜置于第二扩束镜后；第二分束镜置于第一透镜透射光与第二扩束镜透射光同轴交汇处；第一光阑置于第二分束镜与第一光电探测器之间；第一光电探测器输出端与锁相放大器参考信号端相连；扫描振镜置于第二分束镜后；待扫描物体位于扫描振镜反射光后；第二光电探测器置于第二透镜后焦面处，第二光电探测器的输出端连接带通滤波器；带通滤波器后分出两路，一路与天线发射端相连，另一端与锁相放大器输入端直接相连；锁相放大器输出端紧接数据采集卡；数据采集卡接计算机；
[0012]
所述aom打印系统，包括：激光器、aom、天线接收端、平移台、全息膜；
[0013]
本发明的另一目的在于提供一种基于光学扫描全息的全息打印方法，包括如下步骤：
[0014]
步骤1：激光器出射的平行光准直后经第一分束镜分为两路，其中反射光路经第一声光移频器、第一反射镜、第一扩束镜，透射光路经第二声光移频器、第二反射镜、第二扩束镜、第一透镜，两个光路在第二分束镜汇合并形成时变菲涅尔波带板，第二分束镜其中一侧的时变菲涅尔波带板经扫描振镜投射至物体上，另一侧经光阑得到单一差频变化的光斑，该光斑被第一光电探测器接收并转化为差频电信号由同轴电缆接入锁相放大器参考信号端；
[0015]
所述步骤1中，在第二分束镜处形成的时变菲涅尔波带板强度s的表达式为：
[0016][0017]
其中，a和b分别表示平面波和球面波的振幅,j为虚数单位，w0为激光器发出激光的固有时间频率，ω1为第一声光移频器的移频量，ω2为第二声光移频器的移频量，ω2＞ω1，t为时间变量，k0为波数，x和y表示波前平面的坐标，z为球面波传播方向扫描振镜距离物体的距离；
[0018]
步骤2：通过控制扫描振镜，实现时变菲涅尔波带板对待成像的物体或景观二维扫描，扫描得到携带有物体三维信息的反射光被第二透镜汇聚至第二光电探测器，第二光电探测器将携带物体三维信息的光强度信息转化为电流信号，电流信号随后接入带通滤波器后分为两路，其中一路经天线发射端将电流信号i
ω
(t)传输，另一路通过锁相放大器，在计算机实时观察电流i
ω
(t)情况；
[0019]
所述步骤2中，第二光电探测器将携带物体三维信息的光强度信息转化为电流i(t)的表达式为：
[0020][0021]
经带通滤波器后，得到电流信号i
ω
为：
[0022][0023]
其中，re[]表示取实部；d表示第二光电探测器的二维面积；x和y表示波前平面的坐标，z为球面波传播方向扫描振镜距离物体的距离；t为时间变量，k0为波数；ω＝ω
2-ω1；γ(x，y；z)表示位于空间坐标(x，y；z)处物体函数；
[0024]
步骤3：在远程端的aom打印系统中，激光器出射的激光入射至aom，aom受到天线接收端接收的电流信号i
ω
(t)调制，aom出射的一级衍射光将携带全息光栅数据；将全息膜固定至平移台，随着全息光栅强度的逐点输出，控制平移台移动全息膜，实现全息光栅的逐点打印。
[0025]
所述步骤3中，aom接收天线接收端的电流信号i
ω
，激光经aom后，其一级衍射光强度i1的表达式为：
[0026][0027]
α
∝iω
[0028]
其中，i
inc
为入射光强度，α为与声波振幅成正比的参数，α可被i
ω
线性调制，而入射光强度利用正弦平方强度曲线中的线性区域，一级衍射光强度i1随电流信号i
ω
成线性变化(见“modern information optics with matlab”第328页)。
[0029]
本发明的增益效果为：
[0030]
相比传统的数字全息术，基于osh获取全息图的方法对系统的稳定性要求不高，并且可以以高分辨率的方式记录全息图，利于逐点全息打印全息光栅。
[0031]
利用aom调制激光强度的全息打印可控制激光的能量，确保生成的全息图像具有适当的亮度和清晰度。
[0032]
光致聚合物全息膜具有响应速度快，衍射效率高，灵敏度高，储存容量大等特点，全息光栅更容易被记录至全息膜上，增加其应用的可能性。
[0033]
利用天线传输全息数据，全息数据采集和全息打印可分别置于不同的空间内，减少了不同系统之间的相互干扰，此外可在本地同步观测传输的电流信息，实现传输与观测同步进行。
附图说明
[0034]
图1是本发明方法系统结构示意图。
[0035]
图2是osh系统结构示意图。
[0036]
图3是全息打印系统结构示意图。
[0037]
图中：激光器3、第一分束镜4、第一声光移频器5、第一反射镜6、第一扩束镜7、第二声光移频器8、第二反射镜9、第二扩束镜10、第一透镜11、第二分束镜12、第一光阑13、第一光电探测器14、扫描振镜15、物体16、第二透镜17、第二光电探测器18、带通滤波器19、天线发射端20、锁相放大器21、数据采集卡22，激光器24、aom25、天线接收端26、平移台27、全息
膜28。
具体实施方式
[0038]
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
[0039]
实施例1
[0040]
一种基于光学扫描全息的全息打印系统，如图1所示。
[0041]
其中，osh系统1如图2所示，附图中的标号分别表示：激光器3、第一分束镜4、第一声光移频器5、第一反射镜6、第一扩束镜7、第二声光移频器8、第二反射镜9、第二扩束镜10、第一透镜11、第二分束镜12、第一光阑13、第一光电探测器14、扫描振镜15、物体16、第二透镜17、第二光电探测器18、带通滤波器19、天线发射端20、锁相放大器21、无线数据采集卡22、计算机23；所述激光器3出射光与第一分束镜4中心保持共轴，第一分束镜4置于激光器3出射方向；第一声光移频器5置于第一分束镜4反射光方向，并置于第一反射镜6和第一分束镜4之间；第一反射镜6置于第一声光移频器5一级衍射光方向；第一扩束镜7置于第一反射镜6反射光方向，且第一反射镜6反射光光轴方向和第一扩束镜7中心保持一致；第二声光移频器8置于第一分束镜4透射光方向；第二反射镜9置于第二声光移频器8一级衍射光方向；第二扩束镜10置于第二反射镜9反射光方向，且第二反射镜9反射光光轴方向和第二扩束镜10中心保持一致；第一透镜11置于第二扩束镜10后；第二分束镜12置于第一透镜11透射光与第二扩束镜10透射光同轴交汇处；第一光阑13置于第二分束镜12与第一光电探测器14之间；第一光电探测器14输出端与锁相放大器21参考信号端相连；扫描振镜15置于第二分束镜12后；待扫描物体16位于扫描振镜15反射光后；第二光电探测器18置于第二透镜17后焦面处，第二光电探测器18的输出端连接带通滤波器19；带通滤波器19后分出两路，一路与天线发射端20相连，另一端与锁相放大器21输入端直接相连；锁相放大器21输出端紧接数据采集卡22；数据采集卡22接计算机23；
[0042]
aom打印系统3，如图3所示，附图中的标号分别表示：激光器24、aom25、天线接收端26、平移台27、全息膜28；
[0043]
实施例2
[0044]
一种基于光学扫描全息的全息打印方法，具体步骤包括以下步骤：
[0045]
步骤1：激光器3出射的平行光准直后经第一分束镜4分为两路，其中反射光路经第一声光移频器5、第一反射镜6、第一扩束镜7，透射光路经第二声光移频器8、第二反射镜9、第二扩束镜10、第一透镜11，两个光路在第二分束镜12汇合并形成时变菲涅尔波带板，第二分束镜12其中一侧的时变菲涅尔波带板经扫描振镜15投射至物体16上，另一侧经光阑13得到单一差频变化的光斑，该光斑被第一光电探测器14接收并转化为差频电信号由同轴电缆接入锁相放大器21参考信号端；
[0046]
步骤2：通过控制扫描振镜15，实现时变菲涅尔波带板对待成像的物体16或景观二维扫描，扫描得到携带有物体三维信息的反射光被第二透镜17汇聚至第二光电探测器18，第二光电探测器18将携带物体三维信息的光强度信息转化为电流信号，电流信号接入带通滤波器19后分为两路，其中一路经天线发射端20将电流信号i
ω
(t)传输，另一路通过锁相放大器21，在计算机23实时观察电流i
ω
(t)情况；
[0047]
步骤3：在远程端的aom打印系统2中，激光器24出射的激光入射至aom25，aom25受
到天线接收端26接收的电流信号i
ω
(t)调制，aom出射的一级衍射光将携带全息光栅数据；将全息膜28固定至平移台27，随着全息光栅强度的逐点输出，控制平移台27移动全息膜28，实现全息光栅的逐点打印。
[0048]
本实施例能够将osh系统扫描获得的全息光栅强度数据以无线传输的方式传至aom，激光经aom，其一级衍射光受全息光栅强度调制，随着全息膜的移动实现全息光栅的逐点打印。

技术特征：
1.一种基于光学扫描全息的全息打印系统，其特征在于，包括：osh系统(1)、aom打印系统(2)；所述osh系统(1)，包括：激光器(3)、第一分束镜(4)、第一声光移频器(5)、第一反射镜(6)、第一扩束镜(7)、第二声光移频器(8)、第二反射镜(9)、第二扩束镜(10)、第一透镜(11)、第二分束镜(12)、第一光阑(13)、第一光电探测器(14)、扫描振镜(15)、物体(16)、第二透镜(17)、第二光电探测器(18)、带通滤波器(19)、天线发射端(20)、锁相放大器(21)、数据采集卡(22)、计算机(23)；激光器(3)出射光与第一分束镜(4)中心保持共轴，第一分束镜(4)置于激光器(3)出射方向；第一声光移频器(5)置于第一分束镜(4)反射光方向，并置于第一反射镜(6)和第一分束镜(4)之间；第一反射镜(6)置于第一声光移频器(5)一级衍射光方向；第一扩束镜(7)置于第一反射镜(6)反射光方向，且第一反射镜(6)反射光光轴方向和第一扩束镜(7)中心保持一致；第二声光移频器(8)置于第一分束镜(4)透射光方向；第二反射镜(9)置于第二声光移频器(8)一级衍射光方向；第二扩束镜(10)置于第二反射镜(9)反射光方向，且第二反射镜(9)反射光光轴方向和第二扩束镜(10)中心保持一致；第一透镜(11)置于第二扩束镜(10)后；第二分束镜(12)置于第一透镜(11)透射光与第二扩束镜(10)透射光同轴交汇处；第一光阑(13)置于第二分束镜(12)与第一光电探测器(14)之间；第一光电探测器(14)输出端与锁相放大器(20)参考信号端相连；扫描振镜(15)置于第二分束镜(12)后；待扫描物体(16)位于扫描振镜(15)反射光后；第二光电探测器(18)置于第二透镜(17)后焦面处，第二光电探测器(18)的输出端连接带通滤波器(19)；带通滤波器(19)后分出两路，一路与天线发射端(20)相连，另一端与锁相放大器(21)输入端直接相连；锁相放大器(21)输出端紧接数据采集卡(22)；数据采集卡(22)接计算机(23)；所述aom打印系统(2)，包括依次设置的激光器(24)、aom(25)、高分子光致聚合物全息膜(28)；aom(25)设有天线接收端(26)，高分子光致聚合物全息膜(28)安装在平移台(27)上。2.一种基于光学扫描全息的全息打印方法，其特征在于，采用权利要求1所述的基于光学扫描全息的全息打印系统，包括如下步骤：步骤1：激光器(3)出射的平行光准直后经第一分束镜(4)分为两路，其中反射光路经第一声光移频器(5)、第一反射镜(6)、第一扩束镜(7)，透射光路经第二声光移频器(8)、第二反射镜(9)、第二扩束镜(10)、第一透镜(11)，两个光路在第二分束镜(12)汇合并形成时变菲涅尔波带板，第二分束镜(12)其中一侧的时变菲涅尔波带板经扫描振镜(15)投射至物体(16)上，另一侧经光阑(13)得到单一差频变化的光斑，该光斑被第一光电探测器(14)接收并转化为差频电信号由同轴电缆接入锁相放大器(21)参考信号端；步骤2：通过控制扫描振镜(15)，实现时变菲涅尔波带板对待成像的物体(16)或景观二维扫描，扫描得到携带有物体三维信息的反射光被第二透镜(17)汇聚至第二光电探测器(18)，第二光电探测器(18)将携带物体三维信息的光强度信息转化为电流信号，电流信号接入带通滤波器(19)后分为两路，其中一路经天线发射端(20)将电流信号i
ω
(t)传输，另一路通过锁相放大器(21)，在计算机(23)实时观察电流i
ω
(t)情况；步骤3：在远程端的aom打印系统(2)中，激光器(24)出射的激光入射至aom(25)，aom(25)受到天线接收端(26)接收的电流信号i
ω
(t)调制，aom出射的一级衍射光将携带全息光
栅数据；将全息膜(28)固定至平移台(27)，随着全息光栅强度的逐点输出，控制平移台(27)移动全息膜(28)，实现全息光栅的逐点打印。

技术总结
本发明公开一种基于光学扫描全息的全息打印系统及方法，包括OSH系统、AOM打印系统。本发明结合光学扫描全息、直接条纹打印法，在记录三维物体信息时，对环境要求不高，且全息光栅分辨率高；此外，基于AOM的直接条纹打印系统，系统复杂度低，可控制激光的能量，打印生成的全息图像具有适当的亮度和清晰度。的全息图像具有适当的亮度和清晰度。的全息图像具有适当的亮度和清晰度。


技术研发人员：张亚萍 段继潞 姚勇伟 辛壮壮 何万祥 刘德发 符庆杨
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/10/7