三維激光打印方法與系統(tǒng)

《三維激光打印方法與系統(tǒng)》涉及一種三維圖像的打印方法與系統(tǒng)，具體涉及一種采用微納結(jié)構(gòu)表達(dá)三維圖像的激光打印方法與系統(tǒng)。

從物理含義上，表達(dá)一幅二維（2D）圖像至少需要3個(gè)參量：兩個(gè)平面位置坐標(biāo)變量和一個(gè)灰度變量。據(jù)此，如果通過一定的方法和裝置在不同坐標(biāo)上輸出不同灰度值，即可實(shí)現(xiàn)平面圖像的打印輸出。根據(jù)這一原理產(chǎn)生的激光打印、噴墨打印等方法與系統(tǒng)，已經(jīng)成為日常辦公必不可少的用具。

表達(dá)一個(gè)三維（3D）物體，至少需四個(gè)獨(dú)立變量：三維坐標(biāo)變量（x-y-z）和顏色（灰度）。如果希望在平面上表達(dá)一幅可顯示三維信息的彩色圖像，那么，也要遵循這一物理原則，在平面上至少輸出4個(gè)獨(dú)立變量（參量）。通常的打印方法只能在平面上實(shí)現(xiàn)3參量調(diào)制，因此，只能輸出二維圖像，或者通過材料成型方式，輸出沒有顏色的立體模型。要實(shí)現(xiàn)三維圖像，必須采用合理的方法與系統(tǒng)對(duì)空間變量和顏色變量進(jìn)行編碼和輸出。根據(jù)實(shí)現(xiàn)方法的不同，主要可分為兩類：一類是激光全息技術(shù)；另一類是點(diǎn)陣全息技術(shù)。

激光全息技術(shù)是利用激光相干干涉來記錄物體反射光場(chǎng)的振幅和相位信息，其中振幅對(duì)應(yīng)灰度信息，相位對(duì)應(yīng)三維坐標(biāo)信息，在平面上通過感光材料實(shí)現(xiàn)了三維圖像的記錄和再現(xiàn)。但是，激光全息記錄過程需要相干光源和嚴(yán)格穩(wěn)定的記錄環(huán)境，同時(shí)需要實(shí)物模型，應(yīng)用范圍受到限制。為克服激光全息技術(shù)的局限，美國(guó)人羅曼發(fā)明了計(jì)算機(jī)制全息技術(shù)，利用數(shù)值計(jì)算來代替光學(xué)干涉過程，從而拓展了全息三維顯示技術(shù)。但是，為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)制全息圖的打印輸出，需要借助激光直寫、電子束直寫等大型半導(dǎo)體加工設(shè)備的支持，這類設(shè)備主要用于集成電路領(lǐng)域，價(jià)格昂貴。

中國(guó)專利CN101051097A公開了一種專用的計(jì)算全息制作與輸出系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種分區(qū)微縮裝置對(duì)全息圖進(jìn)行打印輸出。這類系統(tǒng)輸出的全息圖分辨率受到縮微系統(tǒng)的成像分辨率的限制，同時(shí)，光學(xué)衍射效率低，且幅面受到全息圖海量計(jì)算的嚴(yán)重制約。為克服這種制約，美國(guó)專利US6330088、US7262891提出了一種數(shù)字合成全息打印技術(shù)，利用體視技術(shù)和分區(qū)干涉曝光技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三維圖像的反射全息顯示。日本索尼（sony）公司、東京工業(yè)大學(xué)、ToppanPrinting印刷公司，根據(jù)類似原理開發(fā)了相應(yīng)的合成全息三維顯示技術(shù)。這類全息顯示技術(shù)的局限在于其生產(chǎn)的反射型全息顯示圖像的顯示效果受到記錄材料的分辨率和衍射效率嚴(yán)重制約，而且僅適合于單幅制造，不能與印刷技術(shù)一樣地進(jìn)行大規(guī)模的工業(yè)化復(fù)制。

點(diǎn)陣全息圖（Dot-Matrix Hologram）是由按一定位置坐標(biāo)排列的微小光柵像素構(gòu)成的全息圖。每一個(gè)光柵像素中包含一組微納米尺度的光柵條紋，光柵條紋的空頻和取向?qū)Q定該點(diǎn)衍射光線的傳播方向和顏色。因此，采用一維光柵像素，理論上，至少可獲得兩個(gè)獨(dú)立變量（光柵空頻Λ、光柵取向θ），加上像素的位置坐標(biāo)（x，y），就具有四個(gè)變量。通過對(duì)四個(gè)獨(dú)立變量的調(diào)制，點(diǎn)陣全息圖可在平面上實(shí)現(xiàn)彩虹光變、三維立體等視覺效果。根據(jù)四獨(dú)立變量的編碼和輸出方式不同，人們?cè)O(shè)計(jì)了不同的點(diǎn)陣全息輸出系統(tǒng)。但是，2013年5月前并沒能很好地解決光柵空頻Λ調(diào)制這個(gè)業(yè)內(nèi)難題，導(dǎo)致圖像的三維立體效果不強(qiáng)、觀察視場(chǎng)角度受到限制。

美國(guó)專利US5，132，812公開了一種彩色二維點(diǎn)陣全息圖的制作方法，通過三束不同入射角的物光與參考光干涉形成了三種不同空頻的光柵像素，實(shí)現(xiàn)了光柵空頻的離散調(diào)制。但是，這種系統(tǒng)無法對(duì)光柵空頻進(jìn)行連續(xù)調(diào)制，而且光能利用率低。美國(guó)專利US5，262，879、US5，822，092對(duì)光路及機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。由于同樣利用三組不同夾角的光束干涉原理，所以還是只能形成三種離散的光柵空頻。

為實(shí)現(xiàn)連續(xù)而非離散的光柵空頻變換，一種考慮是，設(shè)置多組相對(duì)位置可變的棱鏡分光系統(tǒng)和透鏡聚光系統(tǒng)，通過將棱鏡組在繞光軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)沿著光軸上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)變頻點(diǎn)陣全息打印輸出，但這種設(shè)置機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，不利于光路穩(wěn)定。

圖1是實(shí)施例1中的三維圖像數(shù)據(jù)及顯示結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是實(shí)施例2中的三維彩色圖像數(shù)據(jù)及顯示結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3實(shí)施例3中的一種光柵空頻和取向連續(xù)可變的四參量（x，y，Λ，θ）光學(xué)調(diào)制方法示意圖。

圖4實(shí)施例4中的一種光柵空頻和取向連續(xù)可變的四參量（x，y，Λ，θ）光學(xué)調(diào)制方法示意圖。

圖5是實(shí)施例5中的一種實(shí)現(xiàn)光柵空頻和取向連續(xù)可變的四參量（x，y，Λ，θ）三維圖像輸出的激光打印系統(tǒng)示意圖。

圖6是實(shí)施例6中的一種實(shí)現(xiàn)光柵空頻和取向連續(xù)可變的四參量（x，y，Λ，θ）三維圖像輸出的激光打印系統(tǒng)示意圖。

圖7是實(shí)施例7中的一種實(shí)現(xiàn)光柵空頻和取向連續(xù)可變的四參量（x，y，Λ，θ）三維圖像輸出的激光打印系統(tǒng)示意圖。

圖8是實(shí)施例8中的衍射光柵的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9是實(shí)施例9中的一種三維激光打印方法與系統(tǒng)流程圖。

其中：1、三維顯示圖像；2、衍射像素；3、像素光柵；4、衍射光線；5、觀察區(qū)域；6、觀察窗口；7、照明光；8、第一傅立葉變換透鏡；9、衍射光柵；10、第二傅立葉變換透鏡；11、光軸；12、納秒脈沖激光；13、空間濾波器；14、反射鏡；15、DMD空間光調(diào)制器；16視場(chǎng)光闌；17、實(shí)時(shí)檢測(cè)光路；18、半透半反鏡；19、tubelens；20、紅色子像素；21、綠色子像素；22、藍(lán)色子像素；23、空白區(qū)域；30、微縮物鏡；31、自動(dòng)聚焦光路；32、二維精密平移臺(tái)；33、運(yùn)動(dòng)控制器；34、控制計(jì)算機(jī)；35、感光材料；40、紅色衍射光線；41、綠色衍射光線；42、藍(lán)色衍射光線。

2016年12月7日，《三維激光打印方法與系統(tǒng)》獲得第十八屆中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)。

實(shí)施例1

參見附圖1，是該實(shí)施例中一種光柵空頻和取向連續(xù)可變的四參量（x，y，Λ，θ）三維圖像及其顯示效果示意圖。

該實(shí)施例的三維圖像1位于坐標(biāo)平面（x，y）處，由一系列衍射像素2構(gòu)成，所述衍射像素2由一組具有特定空頻和取向的像素光柵3填充而成。所述圖像1中的像素光柵的空頻自上而下逐漸變化，取決于照明光的方向和觀察窗口的位置，一般地，從圖像的上部到底端，空頻逐漸變大。所述三維圖像在照明光7的照明下發(fā)生衍射，在距離圖像平面Z處的（x’，y’）平面上形成狹縫型觀察窗口6，所述觀察窗口6由多個(gè)觀察區(qū)域5構(gòu)成，不同的觀察區(qū)域?qū)?yīng)三維圖不同視角的像。三維圖像中表示同一視角圖像信息的衍射像素的衍射光線4進(jìn)入所述同一觀察區(qū)域。所述衍射像素中的光柵空頻和取向，由照明光7的入射角、衍射光線4的出射角以及衍射波長(zhǎng)共同確定，根據(jù)光柵方程其關(guān)系滿足如下條件：

其中α₇，β₇分別為照明光線7的方向余弦角，α₄，β₄分別為衍射光線4的方向余弦角，λ為衍射波長(zhǎng)。照明光線7的方向余弦根據(jù)觀察條件設(shè)定。衍射光線的方向余弦可根據(jù)衍射像素與觀察區(qū)域的相對(duì)位置計(jì)算得到：

實(shí)施例中狹縫型觀察窗口的x’方向的尺寸大于人眼雙目之間的距離，通常取值大于60毫米，觀察窗口y’方向的尺寸取值3毫米-10毫米。為實(shí)現(xiàn)該實(shí)施例所述的狹縫型觀察窗口，三維圖像1將形成如圖1虛線框內(nèi)所示的一系列呈雙曲型的曲線單元，曲線單元中的像素光柵的空頻和取向連續(xù)變化，滿足：

實(shí)施例2

參見附圖2，是該實(shí)施例中一種光柵空頻和取向連續(xù)可變的四參量（x，y，Λ，θ）三維彩色圖像的示意圖。

該實(shí)施例的三維彩色圖像1位于坐標(biāo)平面（x，y）處，由一系列衍射像素2構(gòu)成，所述衍射像素2由紅色子像素20、綠色子像素21、藍(lán)色子像素22組成，所述三種顏色的子像素由一組具有特定空頻和取向的光柵3和空白區(qū)域23填充而成。述圖像1中的像素光柵的空頻自上而下逐漸變化，取決于照明光的方向和觀察窗口的位置，一般地，從圖像的上部到底端，空頻逐漸變大。所述三維彩色圖像在照明光7的照明下發(fā)生衍射，在距離圖像平面Z處的（x’，y’）平面上形成狹縫型觀察窗口6，所述觀察窗口6由多個(gè)觀察區(qū)域5構(gòu)成，不同的觀察區(qū)域?qū)?yīng)三維圖不同視角的像。三維圖像中表示同一視角圖像信息的光柵像素的紅色衍射光線40、綠色衍射光線41、藍(lán)色衍射光線42進(jìn)入所述同一觀察區(qū)域，形成彩色圖像。所述光柵像素的光柵空頻和取向，由照明光的入射角、衍射光線的出射角以及衍射波長(zhǎng)共同確定。

所述衍射波長(zhǎng)可以是紅、綠、藍(lán)三基色波長(zhǎng)，也是CIE1931色度坐標(biāo)中真彩色區(qū)間內(nèi)的任意三個(gè)波長(zhǎng)。所述紅、綠、藍(lán)三色光的灰度等級(jí)通過衍射像素中空白區(qū)域23占據(jù)整個(gè)像素的面積來調(diào)控，空白區(qū)域占據(jù)面積大亮度低，占據(jù)面積小亮度高。

該實(shí)施例中示意的色彩形成并不局限于紅、綠、藍(lán)三基色體系內(nèi)的色彩，也可以是四色、六色等任意基色調(diào)配形成的色彩，分別對(duì)應(yīng)四色、六色波長(zhǎng)。同一物點(diǎn)不同顏色（λ₁，λ₂）對(duì)應(yīng)的像素光柵的空頻變化規(guī)律滿足如下關(guān)系：

實(shí)施例3

參見圖3所示，是一種光柵空頻和取向連續(xù)可變的四參量（x，y，Λ，θ）光學(xué)調(diào)制方法示意圖。

該實(shí)施例中，一種光柵空頻和取向連續(xù)可變的四參量（x，y，Λ，θ）光學(xué)調(diào)制方法。包括焦距為f₁的第一傅立葉變換透鏡8與焦距為f₂的第二傅立葉變換透鏡10透鏡構(gòu)成的4F光學(xué)系統(tǒng)和衍射光柵9。所述衍射光柵9位于第一傅立葉變換透鏡與第一傅立葉變換透鏡的焦距之間。衍射光柵可以沿著光軸11移動(dòng)，也可以繞著光軸11轉(zhuǎn)動(dòng)。

所述方法通過移動(dòng)衍射光柵9改變衍射光柵與第一傅立葉變換透鏡之間的距離d₀，實(shí)現(xiàn)所述光柵空頻Λ參數(shù)的連續(xù)調(diào)制。通過旋轉(zhuǎn)衍射光柵9，實(shí)現(xiàn)所述光柵取向角θ參數(shù)的連續(xù)調(diào)制。通過4F系統(tǒng)的光軸11與（x，y）平面的相對(duì)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)所述參數(shù)（x，y）的連續(xù)調(diào)制。

該實(shí)施例中所述衍射光柵9為一維位相型光柵，其位相分布函數(shù)為空頻為Λ的余弦函數(shù)T（x₀，y₀）=cos（2Λx₀），在4F系統(tǒng)的輸出平面（x，y）上的光場(chǎng)分布為：

所述光場(chǎng)分布仍為余弦函數(shù)光柵，其中A為振幅，光柵的空頻

《三維激光打印方法與系統(tǒng)》中所述的衍射光柵的分布函數(shù)包括但并不局限于該實(shí)施例中所述的一維余弦函數(shù)分布，可以是二維余弦函數(shù)、一位方波函數(shù)、二維方波函數(shù)等任意周期性函數(shù)，還可以是具有特定頻譜分布的任意二元光學(xué)元件，二元光學(xué)元件結(jié)構(gòu)可根據(jù)具體的頻譜分布結(jié)合二元光學(xué)原理具體設(shè)計(jì)。

在《三維激光打印方法與系統(tǒng)》所述的4F系統(tǒng)的頻譜面上，可以對(duì)衍射光柵的頻譜進(jìn)行必要的濾波操作，包括但不局限于消除零級(jí)光、遮擋高級(jí)次衍射等。

《三維激光打印方法與系統(tǒng)》中所述的空頻連續(xù)調(diào)制范圍包括但不局限于（0～Λf₁/f₂），可以對(duì)輸出平面（x，y）上的光場(chǎng)分布進(jìn)行進(jìn)一步的微縮，設(shè)定微縮倍率為M，微縮物鏡的衍射極限頻率為Λ_limit，則系統(tǒng)空頻調(diào)制的最大值為Λ_max=min[Λ_limit，ΛMf₁/f₂]，相應(yīng)的空頻調(diào)制范圍為（0～Λ_max）。

實(shí)施例4

參見圖4所示，是一種光柵空頻和取向連續(xù)可變的四參量（x，y，Λ，θ）光學(xué)調(diào)制方法示意圖。

該實(shí)施例中，一種光柵空頻和取向連續(xù)可變的四參量（x，y，Λ，θ）光學(xué)調(diào)制方法。包括焦距為f1的第一傅立葉變換透鏡8與焦距為f2的第二傅立葉變換透鏡10透鏡構(gòu)成的4F光學(xué)系統(tǒng)和衍射光柵9。所述衍射光柵9位于第二傅立葉變換透鏡前焦距與第二傅立葉變換透鏡之間。衍射光柵可以沿著光軸11移動(dòng)，也可以繞著光軸11轉(zhuǎn)動(dòng)。

所述方法通過移動(dòng)衍射光柵9改變衍射光柵與第二傅立葉變換透鏡之間的距離d₀，實(shí)現(xiàn)所述光柵空頻Λ參數(shù)的連續(xù)調(diào)制。通過旋轉(zhuǎn)衍射光柵9，實(shí)現(xiàn)所述光柵取向角θ參數(shù)的連續(xù)調(diào)制。通過4F系統(tǒng)的光軸11與（x，y）平面的相對(duì)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)所述參數(shù)（x，y）的連續(xù)調(diào)制。

《三維激光打印方法與系統(tǒng)》中所述的衍射光柵的分布函數(shù)包括但并不局限于該實(shí)施例中所述的一維余弦函數(shù)分布，可以是二維余弦函數(shù)、一位方波函數(shù)、二維方波函數(shù)等任意周期性函數(shù)，還可以是具有特定頻譜分布的任意二元光學(xué)元件，二元光學(xué)元件結(jié)構(gòu)可根據(jù)具體頻譜分布結(jié)合二元光學(xué)原理具體設(shè)計(jì)。

實(shí)施例5

參見附圖5，是該實(shí)施例中一種實(shí)現(xiàn)光柵空頻和取向連續(xù)可變的四參量（x，y，Λ，θ）三維彩色圖像輸出的激光打印系統(tǒng)示意圖。

該實(shí)施例中的三維彩色圖像激光打印系統(tǒng)包含納秒脈沖激光12，空間濾波器13，第一傅立葉變換透鏡8，衍射光柵9，第二傅立葉變換透鏡10，視場(chǎng)光闌16，實(shí)時(shí)檢測(cè)光路17，半透半反鏡18，tubelens19，微縮物鏡30，自動(dòng)聚焦光路31，二維精密平移臺(tái)32，運(yùn)動(dòng)控制器33，控制計(jì)算機(jī)34，感光材料35。

實(shí)施例中納秒脈沖激光12發(fā)出的激光經(jīng)空間濾波器13擴(kuò)束準(zhǔn)直后形成平行光進(jìn)入由第一傅立葉變換透鏡8，衍射光柵9，第二傅立葉變換透鏡10構(gòu)成的光柵空頻和角度連續(xù)調(diào)制光路，在第二傅立葉變換透鏡10后的區(qū)域形成指定空頻和取向的光柵條紋信息，在第二傅立葉變換透鏡后焦面上設(shè)置有視場(chǎng)光闌16用于限制干涉條紋的成像區(qū)域，透過視場(chǎng)光闌的光柵條紋經(jīng)過半透半反鏡18，tubelens19和微縮物鏡30在感光材料35上形成高頻光柵條紋。運(yùn)動(dòng)控制器33在控制計(jì)算機(jī)34設(shè)定的程序控制下協(xié)調(diào)納秒脈沖激光12的脈沖時(shí)序、衍射光柵9的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)以及二維精密平移臺(tái)32的二維移動(dòng)，在感光材料上記錄四參量（x，y，Λ，θ）調(diào)制的三維彩色圖像信息。實(shí)時(shí)檢測(cè)光路17對(duì)感光材料表面成像用于實(shí)時(shí)觀測(cè)記錄過程。自動(dòng)聚焦光路31監(jiān)控并實(shí)時(shí)調(diào)整聚焦物鏡與感光材料表面的距離，保證高頻光柵條紋在感光材料表面精確成像。

該實(shí)施例中采用半導(dǎo)體泵浦的固態(tài)激光光源，包括如納秒脈沖激光光源等，其輸出頻率可達(dá)到1000Hz以上，且脈沖能量高，可對(duì)光刻膠等材料進(jìn)行曝光刻蝕；也可直接瞬態(tài)去處或者改變基底材料的特性形成浮雕光柵結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)圖像的打印輸出。

例如，該實(shí)施例中所述衍射光柵9是空頻為Λ=75line/毫米的余弦光柵，第一傅立葉變換透鏡的焦距f1=10cm，第二傅立葉變換透鏡的焦距f₁=5cm，微縮物鏡的倍率M=20，系統(tǒng)的空頻變化范圍（0~3000line/毫米）。該空頻范圍能夠?qū)崿F(xiàn)在可見光區(qū)的真彩色三維圖像的準(zhǔn)確表達(dá)。

該實(shí)施例中所述空頻變化的最大值為Λ_max=min[Λ_limit，ΛMf₁/f₂]，Λ_limit是系統(tǒng)的衍射極限頻率，相應(yīng)的空頻調(diào)制范圍為（0～Λ_max）。例如，對(duì)于波長(zhǎng)為266nm的深紫外系統(tǒng)，其極限空頻為7519line/毫米，理論上系統(tǒng)的空頻變化范圍是（0~7519line/毫米）。對(duì)于極紫外系統(tǒng)、X射線等系統(tǒng)該實(shí)施例中所述的空頻變化范圍將更大。

實(shí)施例6

參見附圖6，是該實(shí)施例中一種實(shí)現(xiàn)光柵空頻和取向連續(xù)可變的四參量（x，y，Λ，θ）三維圖像輸出的激光打印系統(tǒng)示意圖。

該實(shí)施例中的三維激光打印系統(tǒng)包含納秒脈沖激光12，空間濾波器13，第一傅立葉變換透鏡8，衍射光柵9，第二傅立葉變換透鏡10，視場(chǎng)光闌16，實(shí)時(shí)檢測(cè)光路17，半透半反鏡18，tubelens19，微縮物鏡30，自動(dòng)聚焦光路31，二維精密平移臺(tái)32，運(yùn)動(dòng)控制器33，控制計(jì)算機(jī)34，感光材料35。

實(shí)施例中納秒脈沖激光12發(fā)出的激光經(jīng)空間濾波器13擴(kuò)束準(zhǔn)直后形成平行光進(jìn)入由第一傅立葉變換透鏡8，衍射光柵9，第二傅立葉變換透鏡10構(gòu)成的光柵空頻和角度連續(xù)調(diào)制光路，衍射光柵9在第二傅立葉變換透鏡前焦距與第二傅立葉變換透鏡之間，在第二傅立葉變換透鏡10后的區(qū)域形成指定空頻和取向的光柵條紋，在緊靠第二傅立葉變換透鏡后設(shè)置有視場(chǎng)光闌16用于限制干涉條紋的成像區(qū)域，透過視場(chǎng)光闌的光柵條紋經(jīng)過半透半反鏡18，tubelens19和微縮物鏡30在感光材料35上形成高頻光柵條紋。運(yùn)動(dòng)控制器33在控制計(jì)算機(jī)34設(shè)定的程序控制下協(xié)調(diào)納秒脈沖激光12的脈沖時(shí)序、衍射光柵9的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)以及二維精密平移臺(tái)32的二維移動(dòng)，在感光材料上記錄四參量（x，y，Λ，θ）調(diào)制的三維圖像信息。實(shí)時(shí)檢測(cè)光路17對(duì)感光材料表面進(jìn)行成像用于實(shí)時(shí)觀測(cè)記錄過程。自動(dòng)聚焦光路31監(jiān)控并實(shí)時(shí)調(diào)整聚焦物鏡與感光材料表面的距離，保證高頻光柵條紋在感光材料表面精確成像。

實(shí)施例7

參見附圖7，是該實(shí)施例中一種實(shí)現(xiàn)光柵空頻和取向連續(xù)可變的四參量（x，y，Λ，θ）三維圖像輸出的激光打印系統(tǒng)示意圖。

該實(shí)施例中的三維圖像激光打印系統(tǒng)包含納秒脈沖激光12，空間濾波器13，反射鏡14，DMD空間光調(diào)制器15，第一傅立葉變換透鏡8，衍射光柵9，第二傅立葉變換透鏡10，視場(chǎng)光闌16，實(shí)時(shí)檢測(cè)光路17，半透半反鏡18，tubelens19，微縮物鏡30，自動(dòng)聚焦光路31，二維精密平移臺(tái)32，運(yùn)動(dòng)控制器33，控制計(jì)算機(jī)34，感光材料35。

實(shí)施例中納秒脈沖激光12發(fā)出的激光經(jīng)空間濾波器13擴(kuò)束準(zhǔn)直后形成平行光入射到DMD空間光調(diào)制器15上，DMD空間光調(diào)制器作為可變光柵用于控制平行光束的直徑，經(jīng)過DMD空間光調(diào)制器反射的光線進(jìn)入由第一傅立葉變換透鏡8，衍射光柵9，第二傅立葉變換透鏡10構(gòu)成的光柵空頻和角度連續(xù)調(diào)制光路，在第二傅立葉變換透鏡10的后焦面上形成指定空頻和取向的光柵條紋，后焦面上設(shè)置有視場(chǎng)光闌16，透過視場(chǎng)光闌的光柵條紋經(jīng)過半透半反鏡18，tubelens19和微縮物鏡30在感光材料35上形成高頻光柵條紋。運(yùn)動(dòng)控制器33在控制計(jì)算機(jī)34設(shè)定的程序控制下協(xié)調(diào)納秒脈沖激光12的脈沖時(shí)序、衍射光柵9的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)以及二維精密平移臺(tái)32的二維移動(dòng)，在感光材料上記錄形成四參量（x，y，Λ，θ）調(diào)制的三維圖像信息。實(shí)時(shí)檢測(cè)光路17對(duì)感光材料表面成像用于實(shí)時(shí)觀測(cè)記錄過程。自動(dòng)聚焦光路31監(jiān)控并實(shí)時(shí)調(diào)整聚焦物鏡與感光材料表面的距離，保證高頻光柵條紋成像面在感光材料表面精確成像。

實(shí)施例8

參見附圖8，顯示的是該實(shí)施例中衍射光柵9的三種表面面型結(jié)構(gòu)及函數(shù)或者頻譜分布。圖8（a）顯示的是一維余弦相位分布的衍射光柵，圖8（a）左測(cè)是余弦相位函數(shù)曲線，右側(cè)是衍射光柵的表面面型。圖8（b）顯示的是一維方波相位函數(shù)分布的衍射光柵，圖8（b）左測(cè)是方波相位函數(shù)曲線，右側(cè)是衍射光柵的表面面型。圖8（c）顯示的是二維相位分布函數(shù)的衍射光柵，圖8（c）右側(cè)顯示的是其頻譜函數(shù)，所示頻譜函數(shù)是三個(gè)δ函數(shù)，即在其頻譜平面上將獲得三個(gè)點(diǎn)光源。圖8（c）所示的二維位相分布函數(shù)可根據(jù)二元光學(xué)元件設(shè)計(jì)方法計(jì)算得到。

該實(shí)施例中的不同函數(shù)分布的衍射光柵，將獲得不同的四參量調(diào)制效果。

實(shí)施例9

參見附圖1、2、5、9，圖9是該實(shí)施例中一種三維激光打印方法與系統(tǒng)流程圖。

該實(shí)施例中首先將三維物體信息（x，y，z，I）進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換形成一種如圖1或圖2所示的四參量三維圖像數(shù)據(jù)（x，y，Λ，θ），所述四參量三維數(shù)據(jù)連續(xù)變化。然后將圖像數(shù)據(jù)輸入如圖5所示的光柵位置、空頻和取向連續(xù)可調(diào)的四參量（x，y，Λ，θ）三維激光打印系統(tǒng)，通過打印實(shí)現(xiàn)三維彩色圖像的物理輸出。

該實(shí)施例中所述的三維彩色圖像由不同空頻和取向的衍射像素構(gòu)成，將在距離圖像平面Z處的觀察平面上形成狹縫型觀察窗口。所述衍射像素所填充的像素光柵的空頻和取向連續(xù)變化。空頻與取向?qū)⒏鶕?jù)圖像的種類不同而變化。一般地，彩色圖像的空頻從下而下逐漸增大。

該實(shí)施例中所述觀察窗口包括若干觀察區(qū)域，不同的觀察區(qū)域?qū)?yīng)三維圖像不同的視角。三維圖像中表示同一視角圖像信息的衍射像素的衍射光線進(jìn)入所述同一觀察區(qū)域。通過所述觀察窗口可看到真彩色三維圖像。

三維激光打印方法與系統(tǒng)專利目的

《三維激光打印方法與系統(tǒng)》的發(fā)明目的是提供一種三維激光打印方法與系統(tǒng)，以簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和方法，實(shí)現(xiàn)基于光柵空頻和角度連續(xù)調(diào)制的三維激光打印。

三維激光打印方法與系統(tǒng)技術(shù)方案

一種三維激光打印方法，采用四參量連續(xù)調(diào)制激光打印輸出方法制備由按位置坐標(biāo)排列的衍射像素構(gòu)成的三維圖像，所述衍射像素內(nèi)填充有特定空頻和取向角的像素光柵，所述四參量包括像素光柵的位置坐標(biāo)（x，y），像素光柵的空頻Λ和取向角θ，所述四參量通過對(duì)三維信息的連續(xù)調(diào)制實(shí)現(xiàn)三維圖像的激光打印輸出，其特征在于：所述像素光柵的調(diào)制方法基于4F成像系統(tǒng)與衍射光柵實(shí)現(xiàn)，所述4F成像系統(tǒng)包括第一傅立葉變換透鏡或透鏡組與第二傅立葉變換透鏡或透鏡組，所述衍射光柵置于第一傅立葉變換透鏡或透鏡組與第二傅立葉變換透鏡或透鏡組之間，通過改變所述衍射光柵與第一傅立葉變換透鏡或透鏡組之間的距離，實(shí)現(xiàn)光柵空頻的連續(xù)調(diào)制，通過旋轉(zhuǎn)所述衍射光柵，實(shí)現(xiàn)光柵取向角的連續(xù)調(diào)制，通過4F系統(tǒng)的光軸與記錄平面的相對(duì)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)所述位置坐標(biāo)的連續(xù)調(diào)制，所述打印方法通過在不同位置坐標(biāo)處打印輸出經(jīng)連續(xù)調(diào)制的光柵像素點(diǎn)陣實(shí)現(xiàn)三維激光打印。

上述技術(shù)方案中，所輸出的三維圖像中像素光柵的空頻和取向由衍射像素所在的平面坐標(biāo)和觀察窗口的位置坐標(biāo)確定的衍射光線方向、照明光線的入射方向以及衍射光線的波長(zhǎng)根據(jù)衍射光柵方程共同確定，所述衍射光線的波長(zhǎng)由所述衍射像素對(duì)應(yīng)點(diǎn)的圖像信息的顏色確定。

采用上述技術(shù)方案，可以獲得一種光柵空頻和取向連續(xù)可變的四參量（x，y，Λ，θ）三維彩色圖像。所述三維彩色圖像信息記錄在（x，y）平面內(nèi)，由與坐標(biāo)位置對(duì)應(yīng)的系列衍射像素構(gòu)成，所述衍射像素由一組具有特定空頻Λ和取向θ的像素光柵填充而成。衍射像素發(fā)出的衍射光線進(jìn)入距離平面（x，y）一定距離處的平面（x’，y’）中所設(shè)定的觀察窗口的指定位置坐標(biāo)處。所述像素光柵的空頻和取向由光柵像素所在的平面坐標(biāo)（x，y）與觀察窗口中光線入射位置坐標(biāo)（x’，y’）確定的衍射光線方向、照明光線的入射方向以及衍射光線的波長(zhǎng)根據(jù)光柵方程共同確定，所述照明光線方向根據(jù)使用條件設(shè)定，所述衍射光線的波長(zhǎng)由所述衍射像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的圖像信息的顏色確定。

上述方案中，所述觀察窗口優(yōu)選為平行于觀察者雙眼連線方向的狹縫型窗口，所述狹縫型窗口包含若干觀察區(qū)域，所述每一觀察區(qū)域?qū)?yīng)三維圖像的一個(gè)觀察視角，三維彩色圖像信息記錄平面上不同觀察視角的衍射像素的衍射光線分別入射不同的觀察區(qū)域。

一種三維激光打印系統(tǒng)，包括光源、光學(xué)成像子系統(tǒng)、機(jī)電結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)、記錄介質(zhì)，光源發(fā)出的光線入射光學(xué)成像子系統(tǒng)形成特定空頻和取向的光柵條紋信息，記錄在記錄介質(zhì)上，所述光學(xué)成像子系統(tǒng)至少包含一組由4F成像透鏡和衍射光柵構(gòu)成的空頻和角度連續(xù)調(diào)制光路，所述4F成像系統(tǒng)包括第一傅立葉變換透鏡或透鏡組與第二傅立葉變換透鏡或透鏡組，所述衍射光柵置于第一傅立葉變換透鏡或透鏡組與第二傅立葉變換透鏡或透鏡組之間，所述機(jī)電結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)包括衍射光柵平動(dòng)機(jī)構(gòu)、衍射光柵轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、二維精密平移機(jī)構(gòu)，所述運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制衍射光柵的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，二維精密平臺(tái)的平動(dòng)和光源快門，在相應(yīng)位置坐標(biāo)處打印輸出經(jīng)連續(xù)調(diào)制的衍射像素點(diǎn)陣，實(shí)現(xiàn)三維圖像的打印輸出。

上述技術(shù)方案中，所述光源為相干光源，選自連續(xù)激光光源或脈沖激光光源。所述脈沖光源包括并不局限于納秒脈沖激光光源、皮秒脈沖激光光源、飛秒脈沖激光光源等。

上述方案中，所述光源輸出的光束通過光學(xué)成像子系統(tǒng)后可以對(duì)光敏材料曝光形成光柵條紋，也可以直接在基底材料上燒蝕出光柵條紋，還可以直接在基底材料上引發(fā)光致變色或者位相結(jié)構(gòu)變化，形成對(duì)應(yīng)的光柵條紋。

所述光學(xué)成像子系統(tǒng)還包括視場(chǎng)光闌、可變光闌、微縮物鏡、自動(dòng)聚焦光路、實(shí)時(shí)觀測(cè)光路。

所述視場(chǎng)光闌、可變光闌可以是空間光調(diào)制器，也可以是機(jī)械可變光闌，光闌的形狀和大小可由運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，用于控制進(jìn)入系統(tǒng)的光束直徑。所述視場(chǎng)光闌優(yōu)選位于第二傅立葉變換透鏡后的光軸上。

所述微縮物鏡可對(duì)4F成像系統(tǒng)后的視場(chǎng)光闌面上的信息進(jìn)行微縮成像，提高像素光柵的空頻。

所述自動(dòng)聚焦光路保證光學(xué)成像子系統(tǒng)的成像面聚焦在基底材料附近。

所述實(shí)時(shí)檢測(cè)光路對(duì)基底材料表面進(jìn)行成像檢測(cè)。

所述機(jī)電結(jié)構(gòu)還包括自動(dòng)聚焦控制機(jī)構(gòu)、光源快門控制機(jī)構(gòu)。

所述運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)優(yōu)選由計(jì)算機(jī)和控制程序進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

三維激光打印方法與系統(tǒng)改善效果

1．《三維激光打印方法與系統(tǒng)》通過設(shè)置4F成像系統(tǒng)，將衍射光柵置于第一傅立葉變換透鏡或透鏡組與第二傅立葉變換透鏡或透鏡組之間，實(shí)現(xiàn)了光柵空頻的連續(xù)可調(diào)，基于光柵空頻和取向連續(xù)可變的四參量的微納結(jié)構(gòu)來編碼形成三維彩色圖像，其三維圖像立體感和真實(shí)感更強(qiáng)、顏色表現(xiàn)更準(zhǔn)確豐富。

2．該發(fā)明提出的基于光柵空頻和取向連續(xù)可變的四參量（x，y，Λ，θ）的微納結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)三維彩色圖像的方法更加有效。

3．該發(fā)明的提出的三維激光打印系統(tǒng)能夠真正實(shí)現(xiàn)四參量（x，y，Λ，θ）的三維彩色圖像輸出，系統(tǒng)的打印調(diào)制精度高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，打印成像效果好。

1.一種三維激光打印方法，采用四參量連續(xù)調(diào)制激光打印輸出方法制備由按位置坐標(biāo)排列的衍射像素構(gòu)成的三維圖像，所述衍射像素內(nèi)填充有特定空頻和取向角的像素光柵，所述四參量包括像素光柵的位置坐標(biāo)（x，y），像素光柵的空頻Λ和取向角θ，其特征在于：所輸出的三維圖像中像素光柵的空頻和取向角由衍射光線方向、照明光線的入射方向以及衍射光線的波長(zhǎng)根據(jù)衍射光柵方程共同確定，所述衍射光線方向由像素光柵所在的位置坐標(biāo)和觀察窗口的平面坐標(biāo)確定，所述衍射光線的波長(zhǎng)由與所述衍射像素的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的圖像信息的顏色確定；根據(jù)衍射光柵方程所述像素光柵的空頻和取向角滿足如下條件：

其中α₇，β₇分別為照明光線的方向余弦角，α₄，β₄分別為衍射光線的方向余弦角，λ為衍射光線的波長(zhǎng)，照明光線的方向余弦角根據(jù)觀察條件設(shè)定；所述像素光柵的調(diào)制方法基于4F成像系統(tǒng)與衍射光柵實(shí)現(xiàn)，所述4F成像系統(tǒng)包括第一傅立葉變換透鏡或透鏡組與第二傅立葉變換透鏡或透鏡組，所述衍射光柵置于第一傅立葉變換透鏡或透鏡組與第二傅立葉變換透鏡或透鏡組之間，通過改變所述衍射光柵與第一傅立葉變換透鏡或透鏡組之間的距離，實(shí)現(xiàn)所述空頻Λ的連續(xù)調(diào)制，通過旋轉(zhuǎn)所述衍射光柵，實(shí)現(xiàn)所述取向角θ的連續(xù)調(diào)制，通過4F成像系統(tǒng)的光軸與記錄平面的相對(duì)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)所述位置坐標(biāo)的連續(xù)調(diào)制，所述三維激光打印方法通過在不同位置坐標(biāo)處打印輸出經(jīng)連續(xù)調(diào)制的衍射像素點(diǎn)陣實(shí)現(xiàn)三維激光打印。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維激光打印方法，其特征在于：所輸出的三維圖像形成的觀察窗口為平行于觀察者雙眼連線方向的狹縫型窗口，所述狹縫型窗口包含若干觀察區(qū)域，每一觀察區(qū)域?qū)?yīng)三維圖像的一個(gè)觀察視角，三維圖像上不同觀察視角的衍射像素的衍射光線分別入射不同的觀察區(qū)域，觀察者在所述觀察窗口內(nèi)看到三維圖像。

3.一種三維激光打印系統(tǒng)，包括光源、光學(xué)成像子系統(tǒng)、機(jī)電結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)和記錄介質(zhì)，光源發(fā)出的光線入射光學(xué)成像子系統(tǒng)形成特定空頻和取向角的光柵條紋信息，記錄在記錄介質(zhì)上，其特征在于：所述光學(xué)成像子系統(tǒng)至少包含一組由4F成像系統(tǒng)和衍射光柵構(gòu)成的空頻和取向角連續(xù)調(diào)制光路，所述4F成像系統(tǒng)包括第一傅立葉變換透鏡或透鏡組與第二傅立葉變換透鏡或透鏡組，所述衍射光柵置于第一傅立葉變換透鏡或透鏡組與第二傅立葉變換透鏡或透鏡組之間，所述機(jī)電結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)至少包括衍射光柵平動(dòng)機(jī)構(gòu)、衍射光柵轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和二維精密平移機(jī)構(gòu)，所述運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制衍射光柵的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)、二維精密平移機(jī)構(gòu)的平動(dòng)以及光源快門，在記錄介質(zhì)的衍射像素相應(yīng)位置坐標(biāo)處打印輸出經(jīng)連續(xù)調(diào)制的衍射像素點(diǎn)陣，實(shí)現(xiàn)三維圖像的打印輸出。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維激光打印系統(tǒng)，其特征在于：光源輸出的光線通過光學(xué)成像子系統(tǒng)后對(duì)光敏材料曝光形成光柵條紋，或者直接在基底材料上燒蝕出光柵條紋，或者直接在基底材料上引發(fā)光致變色或位相結(jié)構(gòu)變化形成光柵條紋，實(shí)現(xiàn)三維圖像的打印輸出。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維激光打印系統(tǒng)，其特征在于：所述光源具有相干性，選自連續(xù)激光光源或脈沖激光光源。

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維激光打印系統(tǒng)，其特征在于：所述光學(xué)成像子系統(tǒng)還包括視場(chǎng)光闌、可變光闌、微縮物鏡、自動(dòng)聚焦光路和實(shí)時(shí)觀測(cè)光路。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維激光打印系統(tǒng)，其特征在于：所述視場(chǎng)光闌和可變光闌是空間光調(diào)制器或機(jī)械可變光闌，視場(chǎng)光闌和可變光闌的形狀和大小由運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，用于控制進(jìn)入光學(xué)成像子系統(tǒng)的光束直徑，所述視場(chǎng)光闌位于第二傅立葉變換透鏡后的光軸上。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維激光打印系統(tǒng)，其特征在于：所述微縮物鏡對(duì)4F成像系統(tǒng)后的信息進(jìn)行微縮成像，提高衍射像素內(nèi)的像素光柵的空頻。

9.根據(jù)權(quán)利要求3或6所述的三維激光打印系統(tǒng)，其特征在于：所述機(jī)電結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)還包括自動(dòng)聚焦控制機(jī)構(gòu)和光源快門控制機(jī)構(gòu)，所述機(jī)電結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)由所述運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)和控制程序進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

道路三維設(shè)計(jì)和可視化是科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)在道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，道路的三維可視化設(shè)計(jì)就其功能而言應(yīng)包括設(shè)計(jì)過程的可視化及設(shè)計(jì)成果的可視化?！墩嫒S道路智能設(shè)計(jì)理論與方法實(shí)踐》系統(tǒng)地介紹了道路三維設(shè)計(jì)的理論方法。主要包括：真三維道路設(shè)計(jì)、真三維場(chǎng)景構(gòu)建方法、道路路基及設(shè)施建模方法、道路三維數(shù)據(jù)管理與組織、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)方法應(yīng)用。

《真三維道路智能設(shè)計(jì)理論與方法實(shí)踐》可作為從事公路、城市道路及有關(guān)道路工程的設(shè)計(jì)、研究人員的參考用書。

封面

線路三維可視化設(shè)計(jì)理論、方法與應(yīng)用

內(nèi)容簡(jiǎn)介

前言

第1篇 鐵路線路三維可視化設(shè)計(jì)理論、方法與系統(tǒng)應(yīng)用

第2篇 城市軌道交通線路三維可視化設(shè)計(jì)理論、方法與系統(tǒng)應(yīng)用

參考文獻(xiàn)

封底 2100433B