光柵應(yīng)用原理

利用光柵視覺軟體把不同的圖案轉(zhuǎn)化成光柵線數(shù)，利用光柵折射的原理，在不同的角度呈現(xiàn)出不同的圖案，如右圖所示，不同規(guī)格的光柵會有不同的折射效果與折射角度，觀賞距離也會有所不同，所以在設(shè)計(jì)光柵效果圖檔的時(shí)候，必須先了解光柵才能設(shè)計(jì)出符合光柵特性的設(shè)計(jì)圖。

光柵效果可以分為以下幾種:立體[3D]、兩變[Flip]、變大變小[Zoom]、爆炸[Explosion]、連續(xù)動(dòng)作[Animation]、扭轉(zhuǎn)[Twist]....等，其實(shí)可以更簡化分類為:立體[3D]、變圖[Flip]，在變圖中就涵蓋所有變化的效果，這些效果可以透過許多市面上的動(dòng)畫軟體、繪圖軟體、網(wǎng)頁多媒體軟體，產(chǎn)生所需要的分解圖檔，經(jīng)由光柵視覺軟體將分解圖合成為光柵線數(shù)即可將平面的效果做成立體[3D]、變圖[Flip]的特殊效果。

3D Effect [立體影像]

注意事項(xiàng):

光柵也稱衍射光柵。是利用多縫衍射原理使光發(fā)生色散(分解為光譜)的光學(xué)元件。它是一塊刻有大量平行等寬、等距狹縫(刻線)的平面玻璃或金屬片。光柵的狹縫數(shù)量很大，一般每毫米幾十至幾千條。單色平行光通過光柵每個(gè)縫的衍射和各縫間的干涉，形成暗條紋很寬、明條紋很細(xì)的圖樣，這些銳細(xì)而明亮的條紋稱作譜線。譜線的位置隨波長而異，當(dāng)復(fù)色光通過光柵后，不同波長的譜線在不同的位置出現(xiàn)而形成光譜。光通過光柵形成光譜是單縫衍射和多縫干涉的共同結(jié)果。

衍射光柵在屏幕上產(chǎn)生的光譜線的位置，可用式(a+b)(sinφ ± sinθ) = kλ表示。式中a代表狹縫寬度，b代表狹縫間距，φ為衍射角，θ為光的入射方向與光柵平面法線之間的夾角，k為明條紋光譜級數(shù)(k=0，±1，±2……)，λ為波長，a+b稱作光柵常數(shù)。用此式可以計(jì)算光波波長。光柵產(chǎn)生的條紋的特點(diǎn)是:明條紋很亮很窄，相鄰明紋間的暗區(qū)很寬，衍射圖樣十分清晰。因而利用光柵衍射可以精確地測定波長。衍射光柵的分辨本領(lǐng)R=l/Dl=kN。其中N為狹縫數(shù)，狹縫數(shù)越多明條紋越亮、越細(xì)，光柵分辨本領(lǐng)就越高。增大縫數(shù)N提高分辨本領(lǐng)是光柵技術(shù)中的重要課題。

最早的光柵是1821年由德國科學(xué)家J.夫瑯和費(fèi)用細(xì)金屬絲密排地繞在兩平行細(xì)螺絲上制成的。因形如柵欄，故名為"光柵"。現(xiàn)代光柵是用精密的刻劃機(jī)在玻璃或金屬片上刻劃而成的。光柵是光柵攝譜儀的核心組成部分，其種類很多。按所用光是透射還是反射分為透射光柵、反射光柵。反射光柵使用較為廣泛;按其形狀又分為平面光柵和凹面光柵。此外還有全息光柵、正交光柵、相光柵、閃耀光柵、階梯光柵等。

由光柵方程d(sinα±sinβ)=mλ可知，對于相同的光譜級數(shù)m，以同樣的入射角α投射到光柵上的不同波長λ1、λ2、λ2.....組成的混合光，每種波長產(chǎn)生的干涉極大都位于不同的角度位置;即不同波長的衍射光以不同的衍射角β出射。這就說明，對于給定的光柵，不同波長的同一級主級大或次級大(構(gòu)成同一級光柵光譜中的不同波長譜線)都不重合，而是按波長的次序順序排列，形成一系列分立的譜線。這樣，混合在一起入射的各種不同波長的復(fù)合光，經(jīng)光柵衍射后彼此被分開。這就是衍射光柵的分光原理。

在制作各種光柵視覺效果前，必須要先了解光柵的特性、種類、規(guī)格、厚度、尺寸、方向性等，才能仔細(xì)判別如何制作出精致的光柵影像效果，就臺灣市面上常用之光柵材料做分類，可分為以下幾種。

印刷光柵材質(zhì):PET、PP、PVC、TPU等，PET、PP為硬質(zhì)平板環(huán)保材質(zhì)，PVC、TPU為軟質(zhì)材質(zhì)。

印刷光柵線數(shù):50 LPI、60 LPI、62 LPI、75 LPI、100 LPI。

光柵線數(shù)效果:50 LPI--3D、Flip--常用材料

100 LPI--3D、Flip--常用材料

根據(jù)研究，我們?nèi)祟惖难劬υ谟^察一個(gè)三維物體時(shí)，由于兩眼水平分開在兩個(gè)不同的位置上，所觀察到的物體圖像是不同的，它們之間存在著一個(gè)像差，由于這個(gè)像差的存在，通過人類的大腦，我們可以感到一個(gè)三維世界的深度立體變化，這就是所謂的立體視覺原理。 據(jù)立體視覺原理，如果我們能夠讓我們的左右眼分別看到兩幅在不同位置拍攝的圖像，我們應(yīng)該可以從這兩幅圖像感受到一個(gè)立體的三維空間。從前面的分析中我們可以知道不同的觀察角度將可以看到不同的圖像。因如果我們將光柵垂直于兩眼放置，由于兩眼對光柵的觀察角度不同，因而兩眼會看到兩個(gè)不同的圖像，從而產(chǎn)生立體感。

通常為了獲得更好的立體效果,往往不單以兩幅圖像制作，而是用一組序列的立體圖像去構(gòu)成，在這樣的情況下，根據(jù)觀察的位置不同，只要同時(shí)看到這個(gè)序列中的兩副圖像，即可感受到三維立體效果。

將光柵平置于兩眼之間，注意兩眼對光柵的線紋角度要保持平行，因而兩眼看到的是同一個(gè)圖像，如果圖像是由一列連續(xù)動(dòng)畫所構(gòu)成，那么當(dāng)雙眼上下移動(dòng)或把光柵上下翻動(dòng)時(shí)，雙眼與光柵的角度將發(fā)生變化，我們也將看到一個(gè)接一個(gè)的連續(xù)圖像，即看到一個(gè)動(dòng)畫或變畫的效果。

就是指有一面被擠壓成圓柱形線條 一面為完整平面的塑膠材料，且圓柱形線條間距相等謂之"光柵"此光柵平面可作為印刷之用途，使用光柵視覺軟體合成圖檔后，使用不同輸出設(shè)備輸出檔案，并與光柵貼合或直接印刷在光柵板上，就可以呈現(xiàn)如右圖所示的效果，讓動(dòng)畫可以直接在平面的印刷上呈現(xiàn)出螢?zāi)凰匆姷淖儓D效果。

在選擇適合的光柵板時(shí)，光柵彎曲的角度是非常重要的事，一般來說 3 D 立體效果最理想的光柵是使用窄角度光柵板，它的視角大約在15度~44度之間的效果是最好的，如果要制作變圖或動(dòng)畫的效果，寬角度光柵板的視角約44度~65度之間是最適合的光柵板。

光柵主要有 狹縫光柵和柱鏡光柵兩類，狹縫光柵即 線型光柵是最 早較為成熟的光柵，其成像原理為針孔成像的原理。 因這種光柵比較容易制作，技術(shù)難度不大，所以在十幾年前就有制作非常優(yōu)美的大幅狹縫光柵立體燈箱廣告出現(xiàn)?，F(xiàn)今一些立體制作公司仍樂于用狹縫光柵立體燈箱參與展覽，效果是不錯(cuò)，但狹縫光柵立體燈箱有以下缺陷:透光率僅 20~30%，不環(huán)保，不節(jié)能，照明燈多耗能大，發(fā)熱大，室外亮度不夠，僅適用于室內(nèi)。

柱鏡光柵 種類繁多主要有板材和模材兩大類，其成像原理為弧面透鏡折射反射成像原理。 柱鏡光柵潛力較大，室內(nèi)外打不打燈都可使用，市場普及率正不斷擴(kuò)大。光柵膜材曾一度因具有價(jià)格競爭力而風(fēng)靡過一陣，但由于柱鏡光柵板價(jià)格的逐步下降，以及膜材需要粘貼及技術(shù)還有待提高的原因使其競爭力未顯突出。

由光柵方程d(sinα±sinβ)=mλ可知，在衍射角不太大的情況下(如在一級光譜內(nèi)，靠近光譜法線區(qū)域時(shí))，不同波長光譜線的位置基本上與其波長值成比例。因此，光柵光譜中的各個(gè)波長譜線排列比較均勻，并隨著波長值線性增加或減少，相應(yīng)的光柵光譜線的位置(如離光柵法線的距離)也線性變化。

在棱鏡光譜中，由于不同波長的光線受到不同程度的折射而被色散。而棱鏡材料對不同波長的折射率變化是不與波長成線性的。棱鏡材料在短波方向的折射率的變化要比長波區(qū)的變化大得多。因此，棱鏡光譜中的譜線排列情況是不均勻的。在短波區(qū)，因dn/dλ大，譜線排列非常稀疏，而在長波區(qū)，則因dn/dλ小，譜線排列非常稠密。所以，同樣大小的波長差值，相應(yīng)的譜線之間的距離，短波處要大于長波處。因此，我們說棱鏡在紫外區(qū)的色散要比可見、近紅外區(qū)的色散大。所以，有些紫外可見分光光度計(jì)(特別是高檔紫外可見分光光度計(jì))都用石英棱鏡作前置單色器，就是這個(gè)道理。

光柵光譜的排列比較均勻，不同波長區(qū)中同樣波長差的兩根譜線之間的距離變化不太大。光柵光譜的勻排性不但使光譜更加整齊、勻稱，而且對定性分析時(shí)初步判斷、估計(jì)譜線的波長值等比較方便。

此外，在譜線的波長分布順序方面，光柵與棱鏡也是不同的;在光柵光譜中，波長越長的光線衍射角數(shù)值越大，譜線越偏離光柵法線。在棱鏡光譜中，波長越長的光線，偏向角越小，相應(yīng)的譜線分布越接近入射角方向的位置。

由光柵方程d(sinα±sinβ)=mλ可知，波長為λ的一級(m=1)光譜線，波長λ/2的二級(m=2)光譜線、波長為λ/3的三級(m=3)光譜線……都具有同樣的衍射角。即βλ，1=βλ/2，2=βλ/3，3=……=βλ/m，m，這就是衍射光柵光譜的級次重疊。即衍射光柵在同一位置有不同級次的不同波長的光譜線。在寬波段范圍內(nèi)進(jìn)行高分辨率光譜研究或光譜分析工作時(shí)，光柵光譜的級次重疊是非常明顯的，必須采取有力的措施，把不需要的波段隔離掉或?yàn)V掉;例如，采用前置單色器、采用相應(yīng)波段的濾光片等。才能避免不需要級次光譜的干擾，才能保證紫外可見分光光度計(jì)的分辨率和分析測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

經(jīng)棱鏡色散后形成的光譜，只是按波長次序排列成一個(gè)單一的光譜。而經(jīng)衍射角光柵色散后形成的光譜，則是包含m=0，±1，±2，±3……所有級次光譜的總和。同一塊光柵對同一束入射復(fù)合光可在不同位置形成一系列不同級次的光譜;在m=0兩側(cè)有對稱分布的正級次光譜和負(fù)級次光譜。因此，光柵光譜的多級次性是原理性的、是本質(zhì)的，是不可避免的。光柵的這個(gè)特性，將對光柵的應(yīng)用產(chǎn)生許多相應(yīng)的問題，它會直接對紫外可見分光光度計(jì)的光譜分辨率和光譜的檢測造成困難，這是所有紫外可見分光光度計(jì)的設(shè)計(jì)者、制造者、使用者必須重視的問題。

光柵作為重要的分光器件，它的選擇與性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)性能。為更好協(xié)助各位使用者選擇，在此做一簡要介紹。

光柵分為刻劃光柵、復(fù)制光柵、全息光柵等?？虅澒鈻攀怯勉@石刻刀在涂薄金屬表面機(jī)械刻劃而成;復(fù)制光柵是用母光柵復(fù)制而成。典型刻劃光柵和復(fù)制光柵的刻槽是三角形。全息光柵是由激光干涉條紋光刻而成。全息光柵通常包括正弦刻槽?？虅澒鈻啪哂醒苌湫矢叩奶攸c(diǎn)，全息光柵光譜范圍廣，雜散光低，且可作到高光譜分辨率。

如何選擇光柵

選擇光柵主要考慮如下因素：

1、閃耀波長，閃耀波長為光柵最大衍射效率點(diǎn)，因此選擇光柵時(shí)應(yīng)盡量選擇閃耀波長在實(shí)驗(yàn)需要波長附近。如實(shí)驗(yàn)為可見光范圍，可選擇閃耀波長為500nm。

2、光柵刻線，光柵刻線多少直接關(guān)系到光譜分辨率，刻線多光譜分辨率高，刻線少光譜覆蓋范圍寬，兩者要根據(jù)實(shí)驗(yàn)靈活選擇。

3、光柵效率，光柵效率是衍射到給定級次的單色光與入射單色光的比值。光柵效率愈高，信號損失愈小。為提高此效率，除提高光柵制作工藝外，還采用特殊鍍膜，提高反射效率。

光柵方程

反射式衍射光柵是在襯底上周期地刻劃很多微細(xì)的刻槽，一系列平行刻槽的間隔與波長相當(dāng)，光柵表面涂上一層高反射率金屬膜。光柵溝槽表面反射的輻射相互作用產(chǎn)生衍射和干涉。對某波長，在大多數(shù)方向消失，只在一定的有限方向出現(xiàn)，這些方向確定了衍射級次。如圖1所示，光柵刻槽垂直輻射入射平面，輻射與光柵法線入射角為α，衍射角為β，衍射級次為m，d為刻槽間距，在下述條件下得到干涉的極大值:Mλ=d(sinα+sinβ)

定義φ為入射光線與衍射光線夾角的一半，即φ=(α-β)/2;θ為相對于零級光譜位置的光柵角，即θ=(α+β)/2,得到更方便的光柵方程:

mλ=2dcosφsinθ

從該光柵方程可看出:

對一給定方向β，可以有幾個(gè)波長與級次m相對應(yīng)λ滿足光柵方程。比如600nm的一級輻射和300nm的二級輻射、200nm的三級輻射有相同的衍射角，這就是為什么要加消二級光譜濾光片輪的意義。

衍射級次m可正可負(fù)。

對相同級次的多波長在不同的β分布開。

含多波長的輻射方向固定，旋轉(zhuǎn)光柵，改變α，則在α+β不變的方向得到不同的波長。