[发明专利]三维激光打印方法与系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维图像的打印方法与系统，具体涉及一种采用微纳结构表达三维图像的激光打印方法与系统。

背景技术

从物理含义上，表达一幅二维（2D）图像至少需要3个参量：两个平面位置坐标变量和一个灰度变量。据此，如果通过一定的方法和装置在不同坐标上输出不同灰度值，即可实现平面图像的打印输出。根据这一原理产生的激光打印、喷墨打印等方法与系统，已经成为日常办公必不可少的用具。

表达一个三维（3D）物体，至少需四个独立变量：三维坐标变量（x-y-z）和颜色（灰度）。如果希望在平面上表达一幅可显示三维信息的彩色图像，那么，也要遵循这一物理原则，在平面上至少输出4个独立变量（参量）。通常的打印方法只能在平面上实现3参量调制，因此，只能输出二维图像，或者通过材料成型方式，输出没有颜色的立体模型。要实现三维图像，必须采用合理的方法与系统对空间变量和颜色变量进行编码和输出。根据实现方法的不同，主要可分为两类：一类是激光全息技术；另一类是点阵全息技术。

激光全息技术是利用激光相干干涉来记录物体反射光场的振幅和相位信息，其中振幅对应灰度信息，相位对应三维坐标信息，在平面上通过感光材料实现了三维图像的记录和再现。但是，激光全息记录过程需要相干光源和严格稳定的记录环境，同时需要实物模型，应用范围受到限制。为克服激光全息技术的局限，美国人罗曼发明了计算机制全息技术，利用数值计算来代替光学干涉过程，从而拓展了全息三维显示技术。但是，为了实现计算机制全息图的打印输出，需要借助激光直写、电子束直写等大型半导体加工设备的支持，这类设备主要用于集成电路领域，价格昂贵。

中国专利CN101051097A公开了一种专用的计算全息制作与输出系统，设计了一种分区微缩装置对全息图进行打印输出。这类系统输出的全息图分辨率受到缩微系统的成像分辨率的限制，同时，光学衍射效率低，且幅面受到全息图海量计算的严重制约。为克服这种制约，美国专利US6330088、US7262891提出了一种数字合成全息打印技术，利用体视技术和分区干涉曝光技术实现了三维图像的反射全息显示。日本索尼（sony）公司、东京工业大学、Toppan Printing 印刷公司，根据类似原理开发了相应的合成全息三维显示技术。这类全息显示技术的局限在于其生产的反射型全息显示图像的显示效果受到记录材料的分辨率和衍射效率严重制约，而且仅适合于单幅制造，不能与印刷技术一样地进行大规模的工业化复制。

点阵全息图（Dot-Matrix Hologram）是由按一定位置坐标排列的微小光栅像素构成的全息图。每一个光栅像素中包含一组微纳米尺度的光栅条纹，光栅条纹的空频和取向将决定该点衍射光线的传播方向和颜色。因此，采用一维光栅像素，理论上，至少可获得两个独立变量（光栅空频Λ、光栅取向θ），加上像素的位置坐标（x，y），就具有四个变量。通过对四个独立变量的调制，点阵全息图可在平面上实现彩虹光变、三维立体等视觉效果。根据四独立变量的编码和输出方式不同，人们设计了不同的点阵全息输出系统。但是，目前并没能很好地解决光栅空频Λ调制这个业内难题，导致图像的三维立体效果不强、观察视场角度受到限制。

美国专利US5,132,812 公开了一种彩色二维点阵全息图的制作方法，通过三束不同入射角的物光与参考光干涉形成了三种不同空频的光栅像素，实现了光栅空频的离散调制。但是，这种系统无法对光栅空频进行连续调制，而且光能利用率低。美国专利US5,262,879、US5,822,092对光路及机械结构进行了改进。由于同样利用三组不同夹角的光束干涉原理，所以还是只能形成三种离散的光栅空频。

为实现连续而非离散的光栅空频变换，一种考虑是，设置多组相对位置可变的棱镜分光系统和透镜聚光系统，通过将棱镜组在绕光轴向转动的同时沿着光轴上下移动，实现连续变频点阵全息打印输出，但这种设置机械运动机构复杂，不利于光路稳定。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种三维激光打印方法与系统，以简单的结构和方法，实现基于光栅空频和角度连续调制的三维激光打印。