專利名稱：一種光柵矩陣式記錄系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種矩陣式光柵紋路的記錄系統(tǒng)，特別是關于ー種點矩陣(dotmatrix)系統(tǒng),可按需求在記錄介質(zhì)上制作光柵以產(chǎn)生光柵衍射圖案,可應用于包裝材料應用等領域。
背景技術：
全息片(hologram)是記錄兩束具有良好相干性波前(coherent wavefront)的光束的干渉制作而成。當全息片被記錄步驟中所用的其中一束光照射，其產(chǎn)生的衍射光將完整再現(xiàn)(reconstruct)在記錄步驟中另一束光的波前,包含相位及振幅等訊息。也就是說假設其中一束波前來自ー個三維物體，那么此三維物體影像可以借由衍射圖案或加以再現(xiàn)。 “全息片” ー詞不僅可定義為還原三維物體影像的元件，現(xiàn)也廣泛用于作為任何可以使光束因衍射作用而產(chǎn)生多彩花紋(Patterns)的元件，通過特別的圖案設計可以使這種全息片應用于包裝紙、包裝封面、證明產(chǎn)品真實性的標識及其他更多的用途。制作全息片有多種方法，常使用的有一種彩虹全息片(rainbow hologram)僅利用水平視差(horizontal parallax)產(chǎn)生三維影像，并以白光作為再現(xiàn)該三維影像光源。表面裝飾型全息片則是利用兩束平行激光光束，或由同一激光光束分光為兩束具有相同發(fā)散角且平行的激光來產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。當一個全息圖案是由許多不同角度和周期的光柵區(qū)域組成，其中相鄰的光柵區(qū)域須連續(xù)的記錄在同一平面上?；谏鲜鲈?，ー種類似于點矩陣系統(tǒng)的技術已經(jīng)被用來記錄光柵點(grating dot)圖案全息片。圖I為ー種公知記錄點矩陣光柵全息片系統(tǒng)光學系統(tǒng)的示意圖，其中一道入射激光光束101經(jīng)由棱鏡103導向分光鏡104，再分為兩道激光光束105及106，后該兩束光105及106在記錄平面108上重合，由于僅使用I個透鏡102要將光束聚焦于記錄平面108上，所以也只能將兩束光105或106中一道光束準確的聚焦在記錄平面108上，所以位于記錄平面108上的聚焦點的直徑必須要夠大，才能使得兩道聚焦的光束均在透鏡102的聚焦深度內(nèi)。而兩道重疊的光束產(chǎn)生的干涉條紋間距T = λ/sin0可通過改變棱鏡107的角度加以調(diào)整，干涉條紋的方向則可通過旋轉(zhuǎn)包含棱鏡104及棱鏡107棱鏡組來決定。這種早期的設計包含下列幾項問題(I)所需的聚焦深度導致在記錄平面上形成過大的光點；(2)由于兩道激光光束的光學路徑并不等長，因此系統(tǒng)所使用的激光光束需要較大的相干長度；(3)光束射在記錄平面上的形狀為不均勻的圓形；(4)相鄰光柵點的干渉條紋不連續(xù)。基于以上的缺點，該ー早期點矩陣光柵記錄系統(tǒng)的分辨率僅能達到400dpi，并且光柵的衍射效率不是很高。圖2為另一種記錄點矩陣光柵全息片系統(tǒng)。一道激光光束201通過反射鏡202導向分光鏡203，然后分成兩道光束204及205，其中光束205射向棱鏡206。該系統(tǒng)通過多加上一些棱鏡207、208、209及210，使得左右兩道光束的路徑等長，以降低對激光光源的高相干性要求。透鏡213同時將兩道光束204及205聚焦于記錄平面214上，該記錄平面214上的聚焦光點直徑為δ = λ F/d其中λ為激光的波長，F(xiàn)為透鏡213的焦距，d為激光光束的直徑。假設此系統(tǒng)所需光點直徑δ =10 μ m且λ = O. 5 μ m，可得知F/d應為20。相対的條紋間距Τ=λ/2 ηθ，因兩道光束分別與光軸間夾角均為Θ。由圖2可知焦距F及透鏡213的直徑亦存在如下關系式tan Θ = D/2F。如果希望得到條紋間距T=I μ m，則衍射角需為14. 5°，此焦距決定透鏡213必須是一 f-2透鏡。在該點矩陣系統(tǒng)中，棱鏡211及212要能一致上下移動以改變干涉角度Θ，并進而改變條紋間距。雖然此系統(tǒng)已略為改善圖I系統(tǒng)的部分缺點，但在光點形狀、光點均勻性及條紋連續(xù)性上仍有待繼續(xù)努力。圖3所示的光學系統(tǒng)，進ー步解決了上述依然存在的部分問題。其中激光光束301照射光闌302及光柵303，并經(jīng)由透鏡307縮小光柵影像至記錄平面308上。光闌302可改變其上空洞形狀，如此ー來記錄平面308上的光柵點將可以是長方形、六角性或是圓形。由于激光光束301已經(jīng)被平均擴散，因此照射于光柵303上的光強分布會接近均勻，特別是周圍的部分304及305也大致相同。光柵303固定于ー旋轉(zhuǎn)臺，并可通過電腦控制旋轉(zhuǎn) 臺轉(zhuǎn)動。該系統(tǒng)的工作原理相當簡單，但透鏡307會受限于基本光學原理而難易制作。假設透鏡307的焦距F= 10mm，并將光柵影像縮小10倍。為了能記錄條紋間距I μ m的光柵點，及使用波長λ =0.5μπι的激光光束，則光柵303的間距為ΙΟμπι。根據(jù)光柵的衍射角關系式sin0 = λ/Τ，可得到光柵產(chǎn)生的衍射角為2. 86°。為達到10倍縮小效果，此光柵與透鏡距離約100mm。因此，一級衍射光與透鏡307中心距離約為5mm，這表示焦距與透鏡直徑比值(f-number)約為I。故該透鏡實際上難以設計，并且也無法通過減少光柵影像縮小倍數(shù)而加以簡化。例如減少縮小倍數(shù)至5，將縮短光柵303與透鏡307距離至50mm，從而衍射角度將由2.86°増加至5. 74°，結(jié)果仍需ー直徑與焦距一致的透鏡。但是，當使用激光光源，且以具有空間濾波器功能的擋板306遮擋通過光柵3030級光波吋，其在記錄平面308光強度變化將較光柵303上的變化更大，其倍數(shù)為空間頻率的兩倍。此現(xiàn)象可以做如下解釋假設記錄平面上的相位光柵(phase grating)影像復數(shù)振幅為i (x)=l+sin(2 Ji x/T)，以擋板306遮擋光柵3030級光波后，記錄平面308的光強度變化為
/(Λ-) = [sin(2;zx/ /_)ト=+ cos(もtv/ /")]。由于相干性影響，圖3所示系統(tǒng)可以用f_2透鏡取
代f_l透鏡來記錄I μ m條紋，但其相鄰接條紋仍然不連續(xù)。還有兩種記錄光柵圖形的方法是將光柵及全息片影響置于一顯示面板前，通過光學系統(tǒng)將該影像縮小及聚焦在ー記錄基板上。其中一種系統(tǒng)是通過顯微鏡將陰極射線管(CRT)上的影像縮小，另ー種則是激光光束通過液晶顯示面板投射并成像于記錄材料上。

實用新型內(nèi)容本實用新型提供ー種光柵矩陣式記錄系統(tǒng)，使用電子顯示面板為產(chǎn)生兩束激光光學元件，兩束激光在透鏡的聚焦平面上干涉并形成光柵點，其形狀及光束形狀將取決于電子顯示面板衍射波前。本實用新型是唯一能結(jié)合已知技術中光束干渉及電子顯示面板概念的系統(tǒng)。不同于已知技術僅將電子顯示面板的衍射圖像縮小。本實用新型是在電子顯示面板上達成兩種不同的傅立葉變換(Fourier transform),激光光束通過這兩種傅立葉變換，再通過一片透鏡將兩束激光聚焦在記錄材料上，也就是讓這兩束激光相互干涉以產(chǎn)生所需要的光柵圖形，由于電子顯示面板會產(chǎn)生多級波前光波，因此需要一片有單孔的擋板來允許預定級數(shù)的光波通過。本實用新型ー種光柵矩陣式記錄系統(tǒng)，可將光柵圖形投影于ー記錄材料上，包括一塊電子顯示面板；一臺激光器，其中一束激光光束導向該電子顯示面板；一個偏振化濾波器，設置于電子顯示面板及記錄材料間，其允許照射于該電子顯示面板激光器所發(fā)出特定偏振光通過；一個控制器，連接于該電子顯示面板，并可驅(qū)動該電子顯示面板顯示多圖案畫面，且產(chǎn)生至少兩道分開輸出光束；一片擋板，可允許該輸出光束特定階數(shù)通過；一透鏡，可將該輸出光束聚焦于該記錄材料，且該輸出光束因互相干涉而形成光柵圖形于該記錄材料上。在一些實施方案中，該電子顯不面板為ー液晶面板，激光光束通過分光鏡投射在液晶面板上，又再反射回去并通過分光鏡、擋板及透鏡而達到記錄材料。另ー種實施方案是激光光束直接由液晶面板后方發(fā)出并穿透液晶面板而出。通過控制液晶面板上的顯示圖案，可以吸收激光光束中央?yún)^(qū)域的光束，并產(chǎn)生兩種波前光束，也就有兩束不同的激光光束由液晶面板射出。某些實施方案中，液晶顯示器可調(diào)制激光波前的振幅，或者是調(diào)制激光波前的相位。當每一光柵點記錄完畢后，可以移動記錄材料相對于激光光束的位置，如此就可以產(chǎn)生一光柵點矩陣，并且每個光柵點都可以有獨特的光柵圖形。本實用新型的另ー技術特征是可以修飾光柵以率為改變光柵點，如此使得相鄰于該光柵點的條紋連成一條直線，也就使得條紋通過鄰接的邊界仍保有連續(xù)性。

圖I為ー公知記錄點矩陣光柵全息片系統(tǒng)示意圖；圖2為另一公知記錄點矩陣光柵全息片系統(tǒng)示意圖；圖3為另一公知記錄點矩陣光柵全息片系統(tǒng)示意圖；圖4(a)為本實用新型運用偏振分光鏡及反射由液晶面板傳來激光光束的第一較佳實施方案示意圖；圖4(b)為以擋板濾除不特定階數(shù)光束來改進圖4(a)光學系統(tǒng)示意圖；圖5(a)為ー具有正方形開孔的擋板示意圖；圖5(b)為顯不通過圖5(a)擋板激光光束在傅立葉轉(zhuǎn)換后不意圖；圖6為液晶面板上光束圖形位置示意圖；圖7(a)為一公知的記錄材料上相同的條紋圖形間光柵點圖；圖7 (b)為記錄材料上鄰近光柵點構(gòu)成連續(xù)條紋圖；圖8為本實用新型將激光光源置于液晶面板后方而產(chǎn)生一穿透液晶面板雷射光束第二較佳實施方案示意圖；[0034]圖9為本實用新型利用相位調(diào)制取代振幅調(diào)制第三較佳實施方案示意圖；圖10為本實用新型將聚焦點從記錄材料上已開以產(chǎn)生較大光柵點示意圖。圖中標號
IOi激光光束102透鏡103、107棱鏡
104分光鏡105、106激光光束 108記錄平面
^Ul激光光束202反射鏡203分光鏡
觀、205 激光光束 206、207、208、209、^lO 211 棱鏡
Jl 3透鏡214記錄平面
301激光光束302光闌303光柵
304、305光束周圍部分306擋板
3U7透鏡508記錄平面
401 光軸402激光光束4(P分光鏡
404液晶面板405、406液晶面板 4U7透鏡
408擋板409記錄材料410 I級光
411 O級光412 -I級光波420、421激光光束
601、602 圖形
701、702、703、704 條紋圖4 (a)為本實用新型的第一較佳實施方案光學系統(tǒng)的前視圖。一道平行于光學軸401的激光光束402入射偏振分光鏡403，該分光鏡403反射激光至顯示面板404。該顯示面板404可以采用經(jīng)常運用于影像投影系統(tǒng)的液晶顯示面板來完成，施加于液晶顯示面板的電壓可以改變其內(nèi)部液晶分子方向。當一線性偏振光通過液晶分子層時，其偏振特性會因液晶分子的方向而改變?；谏鲜鲈?，當這樣的激光光束通過ー檢偏鏡(analyzer)或偏振化分光鏡時，可以利用施加于液晶面板的電壓來控制該激光光束的亮度。如圖4(a)所示，區(qū)域405及406是液晶顯示面板404上有施加驅(qū)動電壓的范圍。因此由液晶顯示器404上區(qū)域405及406反射而返回的激光光束會先通過分光鏡403，并朝向透鏡407前迸。液晶面板404上沒有施加驅(qū)動電壓的區(qū)域也會將其余激光反射回去，該部分激光會被分光鏡403反射回激光光源所在的方向，其可顯示在兩道激光420及421中央陰影面積。這兩道激光420及421是由液晶面板404所產(chǎn)生不同圓形的光束，通過擋板408開ロ后會聚焦在記錄材料409上，因干涉效應使得兩道激光光束420及421在記錄材料409形成需要光柵圖形。記錄材料409可以在記錄ー個光柵點后移動至下ー個光柵點預定位置，如此一歩一歩就可記錄整面的光柵矩陣。圖4 (b)為本實用新型光學系統(tǒng)的側(cè)視圖，其表示液晶面板404發(fā)出的激光經(jīng)衍射后多級光波，該多級光波穿過分光鏡403并由透鏡407聚焦在記錄材料409上。計有I級光波410、0級光波411及-I級光波412由液晶面板404衍射產(chǎn)生，其中某些級數(shù)的光波已被開孔在右邊的擋板408濾掉。也就是O級光波411及-I級光波412被擋住，只有I級光波410被透鏡407聚焦在記錄材料409上。該種系統(tǒng)適合于不在透鏡光學軸位置記錄的影像。本實用新型第一較佳實施方式中，液晶面板404是用于改變記錄材料409上激光形狀，該激光光束形狀是相同于在記錄材料409設定光柵圖形傅立葉變換。透鏡407的作用如同一傅立葉透鏡，可產(chǎn)生設定的光柵圖形。[0042]舉例而言，假若光柵矩陣需要如同圖5 Ca)正方形激光，液晶面板404需要呈現(xiàn)圖形如下列公式一/ι(Χ,ν^) = 1 + (^1(^)θ03^) + Φ——公式-圖5(b)顯示公式一變化情形，其中余弦函數(shù)cOSf$"| + 可保留函數(shù)
中乘積項相角資訊。由液晶面板404反射兩道激光波前分別與函數(shù) 、瓜八耶ノ
/iO +ろ,V +ァi肩)及Z1 (X + λ·2，ァ+タ2,爐2)成比例關系,其中
Γ DD .x, =_cos の，V1 =_smm
1 2 “2=~-COStyiVS =-s'mcO
IL又ω系表不顯不面板兩道激光光束方向，如圖6所不。圖中表不601及602為函數(shù)/ι(χ+χι,}'+}\,<Ρι)& Z1(ズ+ち，.v+乃，朽)在顯示面板上的位置。如眾所周知，透鏡407對于激光波前也可產(chǎn)生ー傅立葉變換。因此在透鏡407聚焦面遷都分布系正比于下列公式
f iKD r. 、)(-JnD f· ノ丨“/(M，V) = |Fi(w，v)e(i(! +、'Sm 叫 + Fl(w,v)J-fwc0s^vansiJ p--------公
式ニ其中F1 (U，V)為も(X，y)的傅立葉變換。然后可將公式ニ改寫為下列公式三
( πΒ .x ) - jnD .. V~
■I ^ (n cm m + V Bin ) J^ {u cos sr + v sm 極)| ^
つf ^ jiY) Λ
=I^1 ( /, v)\~ \ + 2 cos -— (" cos uj + Vsin m )+ {φλ - φ2 ) 12
L \ J_——公式三如公式三所示，光柵點形狀可由Ifi(UJ) I2—項所決定，而條紋間距為XF/2D，并且條紋將相對于記錄材料坐標旋轉(zhuǎn)ST角度。相角差(ft—項可控制鄰接光柵點條紋的連續(xù)性。如圖I至圖3光柵矩陣系統(tǒng)所示，光柵點是由很多條紋所構(gòu)成，每一條紋又是由很多的點或像素所組合。記錄材料會一歩一歩移動以產(chǎn)生完整的光柵圖形，但在不同的光柵點卻采用相同的圖形會產(chǎn)生問題，就是當光柵點間距及條紋方向完全一致時，相鄰光柵點邊界條紋通常不連續(xù)，如圖7 (a)所示，條紋701與703無法連成一條直線。這就是所有光柵矩陣系統(tǒng)目前仍存在基本限制條件。本實用新型相鄰接光柵點可以由不同相位差兩道激光產(chǎn)生，其結(jié)果會使得具有相同光柵間距及方向鄰接的光柵點擁有連續(xù)的條紋，所組成的光柵有如正片制成，并不像由許多小光柵組合而成。圖7 (b)顯示條紋通過鄰接光柵點仍維持良好連續(xù)性，也就是條紋702及704相互對齊。[0056]本實用新型第一實施方案可通過多個光學參數(shù)基本關系式來進ー步解釋。假設激光光束405及406的寬度為W，D為兩道激光光束405與406間距，透鏡407的焦距為F。該
(
兩道激光光束405及406在記錄材料入射角(incident angle)等于0 = tan—1 — I
V2./ J又干涉條紋間距為T = λ /2sin Θ，記錄材料上光柵點的大小則為δ = λ F/W。令F=10mm、W=2mm及λ = O. 5 μ m,可得到光柵點大小為δ = 2. 5 μ m。在記錄材料上的影像是由多種大小(分辨率)光柵點所構(gòu)成，并且是將液晶面板顯示圖形經(jīng)過傅立 葉變換又依照開孔形狀所形成。ー常見液晶面板顯示圖形可以由下列公式四表示f{x, V, ￠))=1 + \F(x, y)\ cosl —— + φ(χ,) --------公式四
\ノ當兩圖形602及601在液晶面板上距離D為5. 16mm,該記錄材料上的條紋的間距則會等于I μ m。圖8為本實用新型第二較佳實施方案的示意圖。液晶面板802可以讓光束穿透而過。入射光束801到達液晶面板802時，其中部分光束會穿過主動區(qū)域805及806井向前通過偏振分光鏡803，另外的光束則在穿過不主動區(qū)域后由分光鏡803折射而形成一光束804。該兩道通過透鏡807及擋板808光束僅剩下I級光波與記錄材料809產(chǎn)生作用。第ニ較佳實施方案工作原理與圖4(a)所示皆相同。圖9為本實用新型第三較佳實施方案不意圖。該實施方案液晶面板為反射式光學兀件，其結(jié)構(gòu)與圖4 (a)類似。一入射光束901由偏振分光鏡903導向液晶面板902,區(qū)域905及906提供需要圖形傅立葉變換。反射光束折回分光鏡903并形成兩道穿透出光束，該兩道光束經(jīng)過透鏡907及擋板908，最后聚集在記錄材料909上。其不同處為本實施方案擋板908是讓O級光波通過。第三實施方案中，液晶面板902作為相位調(diào)制元件，不同于前面實施方案中是作為振幅調(diào)制元件。經(jīng)由液晶面板902折射而回的光束產(chǎn)生相位位移，該相位移與施加于在液晶面板902上的驅(qū)動電壓成比例關系。最終液晶面板902就成了一個相位調(diào)制器(modulator)，而前面實施方案的液晶面板則是ー種振幅調(diào)制器。當液晶面板902呈現(xiàn)/(x，j) + p圖形，其反射光特性可由下列公式五表達s(x, γ, φ) ニ elf{x'y)+J<p---------公式五記錄材料上光柵點的強度分布正比于公式五傅立葉轉(zhuǎn)換式S(x,y^)。僅有相位變化全息偏可稱為相息圖(kinoform)式全息片，其特征為僅有O級光波會產(chǎn)生衍射，因此理論上衍射效果可以高達94%，也就是只有少部分光會消散。因為液晶面板902是ー個相位調(diào)制器，所有入射光會在其表面反射回去。在區(qū)域905及906外的面積施加一線性相差，因此造成該面積返回光束904會衍射并偏離透鏡907光學軸，而擋板908就是用來濾除偏離透鏡907光學軸光束。圖10為本實用新型第四較佳實施方案示意圖。入射激光光束1001被導向液晶面板1004，有些類似于圖4(a)。然而不同處為液晶面板1004圖形會使得反射光發(fā)散，然后由透鏡1007聚焦在記錄材料1009的后面，形成一個較大的光柵點。該發(fā)散反射光如同由兩個電光源1005及1006產(chǎn)生，并穿透分光鏡1003而出，不特定級數(shù)的光波則被擋板1008濾掉。[0067]在本實施方案中，液晶面板1004產(chǎn)生圖形系正比于
權利要求1.ー種光柵矩陣式記錄系統(tǒng)，可將光柵圖形投影于ー記錄材料上，包括 一塊電子顯示面板； 一臺激光器，其中一束激光光束導向該電子顯示面板； 一個偏振化濾波器，設置于電子顯示面板及記錄材料間，其允許照射于該電子顯示面板激光器所發(fā)出特定偏振光通過； 一個控制器，連接于該電子顯示面板，并可驅(qū)動該電子顯示面板顯示多圖案畫面，且產(chǎn)生至少兩道分開輸出光束； 一片擋板，可允許該輸出光束特定階數(shù)通過； 一透鏡，可將該輸出光束聚焦于該記錄材料，且該輸出光束因互相干涉而形成光柵圖形于該記錄材料上。
2.根據(jù)權利要求I所述的ー種光柵矩陣式記錄系統(tǒng)，其特征在于所述電子顯示面板為ー液晶面板。
3.根據(jù)權利要求I所述的ー種光柵矩陣式記錄系統(tǒng)，其特征在于所述偏振化濾波器為ー偏振分光鏡。
4.根據(jù)權利要求3所述的ー種光柵矩陣式記錄系統(tǒng)，其特征在于激光光束系由該偏振分光鏡反射至該液晶面板，并再由該液晶面板反射至該偏振分光鏡。
5.根據(jù)權利要求I所述的ー種光柵矩陣式記錄系統(tǒng)，其特征在于其另包含一非偏振分光鏡，用于將該激光光束導向該液晶面板。
專利摘要本實用新型提供一種光柵矩陣式記錄系統(tǒng)，使用電子顯示面板為產(chǎn)生兩束激光光學元件，兩束激光在透鏡的聚焦平面上干涉并形成光柵點，其形狀及光束形狀將取決于電子顯示面板衍射波前。本實用新型是唯一能結(jié)合已知技術中光束干涉及電子顯示面板概念的系統(tǒng)。不同于已知技術僅將電子顯示面板的衍射圖像縮小。本實用新型是在電子顯示面板上達成兩種不同的傅立葉變換，激光光束通過這兩種傅立葉變換，再通過一片透鏡將兩束激光聚焦在記錄材料上，也就是讓這兩束激光相互干涉以產(chǎn)生所需要的光柵圖形，由于電子顯示面板會產(chǎn)生多級波前光波，因此需要一片有單孔的擋板來允許預定級數(shù)的光波通過。
文檔編號G02B27/28GK202443251SQ20122004265
公開日2012年9月19日 申請日期2012年2月10日 優(yōu)先權日2012年2月10日
發(fā)明者王信飛 申請人:無錫光群雷射科技有限公司