专利名称：基于dmd的动感像素全息单元图像拍摄装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种基于DMD的动感像素全息单元图像拍摄装置和方法，属于激光全 息制版技术、激光精细加工技术和DMD应用技术领域。
背景技术：
通常动感像素全息光刻主要采用逐点干涉成像的方式来实现整版的光刻，对于图 像分辨率达到1000dpi以上的像素光刻其一，由于光刻点小，同样单位面积的图像，若光 刻像素点尺寸缩小一倍，其像素点的面积将减小4倍，则光刻时间就会增加4倍，因此对于 图像分辨率达到1000dpi以上的高精度像素全息光刻，若采用逐点曝光的方法，光刻效率 将明显降低；其二，对于1500dpi以上更高分辨率的图像，由于像素全息干涉成像组件光学 分辨率和机械精度的限制，很难获得高质量像素全息的逐点光刻效果，很难实现高精度高 分辨率的像素全息光刻及高的防伪性能，因此不适合采用逐点干涉成像的方式来完成防伪 性更高的高分辨率全息图的制作。
发明内容
本发明目的是为了提高像素全息拍摄效率和图像光刻分辨率，并结合多重编码加 密动感像素全息母版图案的制作方法，获得防伪性能更高的高分辨率全息图的制作，提供 一种基于DMD的动感像素全息单元图像的拍摄装置和方法。DMD为数字微镜器件Digital micromirror device, DMD是用数字电压信号控制微镜片执行机械运动来实现光学功能的 器件。它是一种基于半导体制造技术，由高速数字式光反射开关阵列组成的器件，采用二进 制脉宽调制技术能精确地控制光源。微镜的转动由它下面的存储单元之间电压差所产生的 静电吸引来完成。当存储器单元处于“开”即“1”状态时，微镜转到+12° ；当存储器单元处 于“关” S卩“0”状态时，微镜转到-12°。一种基于DMD的动感像素全息单元图像拍摄装置，其特征在于，
包括激光均光照明组件、DMD组件、物面转移组件、光栅分束组件和干涉成像组件，所述 的激光均光照明组件，包括紫外激光器、扩束镜、方形微透镜列阵、准直镜，紫外激光器输出 光束通过激光均光照明组件的扩束、均化、整形和准直，使DMD组件中的DMD窗口获得方形 的均光斑照明，激光均光照明组件安装在光劈支架上，光劈支架的安装面为45度斜面，斜 面上有一个与轴向成24°台阶，使输出光束垂直的DMD的微镜转轴入射，并与DMD微镜不 工作时处于0度“停泊”状态的平面法线成24°或20° ；所述的DMD组件包括DMD、第一五 维调节支架、DMD驱动器、微机、I/O接口卡、图像处理控制软件，所述的微机通过图像处理 控制软件去控制DMD驱动器，由DMD驱动器将图像信息和“开、关”信号发送给DMD，同时通 过I/O接口卡控制激光输出和电机旋转，所述的微机将图像模式为索引颜色的图像由图像 处理控制软件按索引色谱的排列次序依次读出各颜色，并通过更换索引颜色表，将图像中 不同的颜色分成不同的层，再通过DMD驱动器将各个颜色的图像层中的图像信息分别对应 地传输给DMD，图像层的像素阵列与DMD的设置阵列一致，所述的DMD安装在第一个五维调节支架上，对DMD的反射面进行微调；所述的物面转移组件包括照相微距物镜、第二个五维 调节支架，照相微距物镜安装在第二个五维调节支架上，可调节焦点和中心光轴的位置，照 相微距物镜为物像比例达到1 :1的物面转移物镜，DMD和士 1级透射光栅分别置于照相微 距物镜的物面和像面位置；所述的光栅分束组件包括电机、五维调节电机座、同步齿形带、 第一带轮、第二带轮、轴承、士 1级透射光栅和场镜，用于光束的分束和改变士 1级透射光栅 的取向，所述的士 1级透射光栅的取向与图像的索引颜色成一一对应的映射关系，所述的 五维调节电机座用于调节焦点和中心轴的位置，电机和轴承安装在五维调节电机座上，场 镜紧贴士 1级透射光栅，场镜和士 1级透射光栅安装在第一带轮孔内，第一带轮轴端固定 在轴承内，第二带轮固定在电机轴上，士 1级透射光栅通过同步齿形带由电机带动旋转，用 于改变士 1级透射光栅的方位角；所述的干涉成像组件包括一对光学参数相同、像面向外 的倒置使用的第一照相物镜组和第二照相物镜组、光刻胶板和二维角度调节架，所述的士 1 级透射光栅和光刻胶板分别置于一对倒置使用的照相物镜组的像面上，光刻胶板固定在二 维角度调节架上，保证曝光面与中心光轴垂直，所述的干涉成像组件安装在第三个五维调 节架上，用于调节焦点和中心轴的位置。所述的DMD微镜处于+12° “开”状态时，激光均光照明组件的输出光束经DMD的 微镜反射，其出射光束的光轴与DMD、照相微距物镜、士 1级透射光栅和倒置的照相物镜组 的中心光轴一致。利用上述的基于DMD的动感像素全息单元图像拍摄装置的拍摄方法，包括如下步 骤
1)将激光均光照明组件输出的方形均光光束垂直的DMD的微镜转轴入射，并与微镜不 工作时处于0度“停泊”状态的平面法线成24°，使DMD窗口获得均光斑照明；
2)将照相微距物镜、士1级透射光栅、场镜、倒置使用的第一照相
物镜和第二照相物镜的中心光轴和光刻胶板的平面法线依次置于DMD微镜不工作时 处于0° “停泊”状态的平面中心法线上，并确保DMD和士 1级透射光栅分别置于照相微距 物镜的物面和像面位置，同时士 1级透射光栅和光刻胶记录板分别置于倒置使用的照相物 镜组的像面上。当与图像像素相对应的DMD的微镜像素处于+12° “开”状态时，激光经 DMD的微镜反射，光束与整个光路同轴，相应的图像通过DMD驱动器传输，经物面转移组件、 光栅分束组件、干涉成像物镜组光学组件，在光刻胶板表面获得1 :1的干涉成像图。当与图 像像素相对应的DMD的微镜像素处于-12° “关”或0° “停泊”状态时，激光经DMD的微 镜反射光束偏离光路；
3)设计图像模式为索引颜色的拍摄用单元图像，图像的列阵像素必
须小于等于DMD内置列阵像素，且图像列阵像素和DMD的微镜列阵像素成一一对应关
系；
4)微机将索引颜色图像读入图像处理控制软件，由图像处理控制软
件按索引色谱的排列次序读出第一个颜色并更换为这个颜色的索引颜色表，同时将图 像中的其他颜色屏蔽起来，全部设定成黑色，从而获得这个颜色的图像层。再由DMD驱动器 将这个颜色图像层的图像列阵像素传输给DMD，对应控制DMD微镜列阵的每一个像素“开” 或“关”。设置这个颜色的像素对应控制DMD的微镜“开”，黑色的其他像素对应控制DMD的 微镜“关”。同时每个颜色对应士 1级透射光栅的一个方位角，以获得像素全息的动感效果，
5微机根据颜色控制电机旋转至这个颜色的方位角，同时给出信号控制紫色激光器出光，在 光刻胶板表面实现这个颜色单元图像的拍摄；
5)依次读出各个颜色的图像层，并由DMD驱动器依次将各个颜色
图像层的图像列阵像素传输给DMD，依次在光刻胶板表面实现各个颜色图像层，不同干 涉方位角的单元图像拍摄，从而完成整个动感像素全息单元图像的拍摄；
6)若拍摄的图像尺寸大于DMD内置列阵像素，则需要采用拼版
的方式完成拍摄。图像处理软件先将整个图像分解成若干个小于等于DMD内置列阵像 素的单元图像组块，通过二维平移台的移位，移位的行和列的距离为分割的单元组块的长 宽大小，依次按照上述1)至5)的步骤拍摄单元图像组块，完成整个图像的拼板拍摄。本发明利用现有的照相机镜头组作为光学成像物镜，光学性能稳定
可靠，结构简单；采用DMD可最多一次完成与DMD内置阵列像素相同的高分辨率像素全 息单元图像拍摄，图像列阵像素和DMD微镜列阵像素成一一对应关系，可大大提高拍摄效 率，获得1500dpi以上的像素全息图像光刻分辨率，结合多重编码加密动感像素全息母版 图案的制作方法，防伪性能更高。
图1 DMD动感像素全息单元图像拍摄框图2 DMD动感像素全息单元图像拍摄装置结构示意图； 图3光栅分光组件示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的说明。由图1-图3所示，本发明一种基于DMD的动感像素全息单元图像拍摄装置，包括 激光均光照明组件1、DMD组件2、物面转移组件3、光栅分束组件4和干涉成像组件5。所述 的激光均光照明组件1，包括紫外激光器6、扩束镜7、方形微透镜列阵8、准直镜9，紫外激光 器6输出光束通过光学元件组的扩束、均化、整形和准直，使DMDll窗口获得方形的均光斑 照明，激光均光照明组件1安装在光劈支架10上，光劈支架10的安装面为45度斜面，斜面 上有一个与轴向成24°的台阶，使输出光束保证垂直于DMDll微镜转轴(45°方向)入射， 并与微镜不工作时处于0度“停泊”状态的平面法线成24° ；所述的DMD组件2包括DMD11、 第一个五维调节支架12、DMD驱动器13、微机14、图像处理控制软件，所述的微机14通过图 像处理控制软件去控制DMD驱动器13，由DMD驱动器13将图像信息和“开、关”信号发送 给DMD11，同时通过I/O接口卡控制激光输出和电机22旋转，所述的微机14将图像模式为 索引颜色的图像由图像处理控制软件按索引色谱的排列次序依次读出各颜色，并通过更换 索引颜色表，将图像中不同的颜色分成不同的层，再通过DMD驱动器13将各个颜色的图像 层中的图像信息分别对应地传输给DMDll微镜，图像层的像素阵列与DMD的设置阵列一致， 所述的DMDll安装在第一个五维调节支架12上，可以对DMDll的反射面进行微调；所述的 物面转移组件3包括照相微距物镜15、五维调节支架16，照相微距物镜15安装在第一个五 维调节支架16上，可调节焦点和中心光轴的位置，照相微距物镜15为物像比例达到1 :1的 物面转移物镜，DMDll和士 1级透射光栅17分别置于照相微距物镜15的物面和像面位置；
6所述的光栅分束组件4包括电机22、五维调节电机座24、同步齿形带21、第一带轮19、第二 带轮20、轴承23、士 1级透射光栅17和场镜18，用于光束的分束和改变士 1级透射光栅17 的取向，所述的士 1级透射光栅17的取向与图像的索引颜色成一一对应的映射关系，所述 的五维调节电机座24用于调节焦点和中心轴的位置，电机22和轴承23安装在五维调节电 机座24上，场镜18紧贴士 1级透射光栅17，场镜18和士 1级透射光栅17安装在第一带轮 19孔内，第一带轮19轴端固定在轴承23内，第二带轮20固定在电机22轴上，士 1级透射 光栅17通过同步齿形带21由电机22带动旋转，用于改变士 1级透射光栅17的方位角；所 述的干涉成像组件5包括一对光学参数相同、像面向外的倒置使用的第一照相物镜组25、 第二照相物镜组26、光刻胶板28和二维角度调节架27，所述的士 1级透射光栅17和光刻 胶板28分别置于一对倒置使用的第一照相物镜组25、第二照相物镜组26的像面上，光刻胶 板28固定在二维角度调节架27上，保证曝光面与中心光轴垂直，所述的干涉成像组件5安 装在第三个五维调节架29上，用于调节焦点和中心轴的位置。当所述的DMDll的微镜处于+12° “开”状态时，激光均光照明组件1的输出光束 经DMDll的微镜反射，其出射光束的光轴与DMD11、照相微距物镜15、士 1级透射光栅17和 倒置的照相物镜组25、26的中心光轴一致。利用上述的基于DMD的动感像素全息单元图像拍摄装置的拍摄方法的步骤如下 1)将激光均光照明组件1输出的方形均光光束垂直于DMDll的微镜转轴(45°方向)
入射，并与微镜不工作时处于0度“停泊”状态的平面法线成24°，使DMDll窗口获得均光 斑照明。2)将照相微距物镜15、士 1级透射光栅17、场镜18、倒置使用的第一照相物镜25、 第二照相物镜26的中心光轴和光刻胶板28的平面法线依次置于DMDll微镜不工作时处于 0° “停泊”状态的平面中心法线上，并确保DMDll和士 1级透射光栅17分别置于照相微 距物镜15的物面和像面位置，同时士 1级透射光栅17和光刻胶板28分别置于倒置使用的 第一照相物镜组25、第二照相物镜组26的像面上。当与图像像素相对应的DMDll的微镜 像素处于+12° “开”状态时，激光经DMDll的微镜反射，光束与整个光路同轴，相应的图像 通过DMD驱动器13传输，经物面转移组件3、光栅分束组件4、干涉成像物镜组5光学组件， 在光刻胶板28表面获得1 :1的干涉成像图。当与图像像素相对应的DMDll的微镜像素处 于-12° “关”或0° “停泊”状态时，激光经DMDll的微镜反射光束偏离光路。3)设计图像模式为索引颜色的拍摄用单元图像，图像的列阵像素必须小于等于 DMDll内置列阵像素，且图像列阵像素和DMDll的微镜列阵像素成一一对应关系。4)微机14将索引颜色图像读入图像处理控制软件，由图像处理控制软件按索引 色谱的排列次序读出第一个颜色并更换为这个颜色的索引颜色表，同时将图像中的其他颜 色屏蔽起来，全部设定成黑色，从而获得这个颜色的图像层。再由DMD驱动器13将这个颜 色图像层的图像列阵像素传输给DMDl 1，对应控制DMDl 1的微镜列阵的每一个像素“开”或 “关”。设置这个颜色的像素对应控制DMDll的微镜“开”，黑色的其他像素对应控制DMDll 的微镜“关”。同时每个颜色对应士 1级透射光栅17的一个方位角，以获得像素全息的动感 效果，微机13根据颜色控制电机22旋转至这个颜色的方位角，同时给出信号控制紫外激光 器6出光，在光刻胶板28表面实现这个颜色单元图像的拍摄。5)依次读出各个颜色的图像层，并由DMD驱动器13依次将各个颜色图像层的图像列阵像素传输给DMD11，依次在光刻胶板28表面实现各个颜色图像层，不同干涉方位角的 单元图像拍摄，从而完成整个动感像素全息单元图像的拍摄。 6)若拍摄的图像尺寸大于DMD内置列阵像素，则需要采用拼版的方式完成拍摄。 图像处理软件先将整个图像分解成若干个小于等于DMD内置列阵像素的单元图像组块，通 过二维平移台的移位，移位的行和列的距离为分割的单元组块的长宽大小，依次按照上述 1)至5)的步骤拍摄单元图像组块，完成整个图像的拼板拍摄。
权利要求
一种基于DMD的动感像素全息单元图像拍摄装置，其特征在于，包括激光均光照明组件、DMD组件、物面转移组件、光栅分束组件和干涉成像组件，所述的激光均光照明组件，包括紫外激光器、扩束镜、方形微透镜列阵、准直镜，紫外激光器输出光束通过激光均光照明组件的扩束、均化、整形和准直，使DMD组件中的DMD窗口获得方形的均光斑照明，激光均光照明组件安装在光劈支架上，光劈支架的安装面为45度斜面，斜面上有一个与轴向成24°台阶，使输出光束垂直于DMD的微镜转轴入射，并与DMD微镜不工作时处于0度“停泊”状态的平面法线成24°；所述的DMD组件包括DMD、第一五维调节支架、DMD驱动器、微机、I/O接口卡、图像处理控制软件，所述的微机通过图像处理控制软件去控制DMD驱动器，由DMD驱动器将图像信息和“开、关”信号发送给DMD，同时通过I/O接口卡控制激光输出和电机旋转，所述的微机将图像模式为索引颜色的图像由图像处理控制软件按索引色谱的排列次序依次读出各颜色，并通过更换索引颜色表，将图像中不同的颜色分成不同的层，再通过DMD驱动器将各个颜色的图像层中的图像信息分别对应地传输给DMD，图像层的像素阵列与DMD的设置阵列一致，所述的DMD安装在第一个五维调节支架上，对DMD的反射面进行微调；所述的物面转移组件包括照相微距物镜、第二个五维调节支架，照相微距物镜安装在第二个五维调节支架上，可调节焦点和中心光轴的位置，照相微距物镜为物像比例达到11的物面转移物镜，DMD和±1级透射光栅分别置于照相微距物镜的物面和像面位置；所述的光栅分束组件包括电机、五维调节电机座、同步齿形带、第一带轮、第二带轮、轴承、±1级透射光栅和场镜，用于光束的分束和改变±1级透射光栅的取向，所述的±1级透射光栅的取向与图像的索引颜色成一一对应的映射关系，所述的五维调节电机座用于调节焦点和中心轴的位置，电机和轴承安装在五维调节电机座上，场镜紧贴±1级透射光栅，场镜和±1级透射光栅安装在第一带轮孔内，第一带轮轴端固定在轴承内，第二带轮固定在电机轴上，±1级透射光栅通过同步齿形带由电机带动旋转，用于改变±1级透射光栅的方位角；所述的干涉成像组件包括一对光学参数相同、像面向外的倒置使用的第一照相物镜组和第二照相物镜组、光刻胶板和二维角度调节架，所述的±1级透射光栅和光刻胶板分别置于一对倒置使用的照相物镜组的像面上，光刻胶板固定在二维角度调节架上，保证曝光面与中心光轴垂直，所述的干涉成像组件安装在第三个五维调节架上，用于调节焦点和中心轴的位置。
2.根据权利要求1所述的基于DMD的动感像素全息单元图像拍摄装置，其特征在于， 当DMD的微镜处于+12° “开”状态时，激光均光照明组件的输出光束经DMD的微镜反射， 其出射光束的光轴与DMD、照相微距物镜、士 1级透射光栅和倒置的照相物镜组的中心光轴 一致。
3.利用权利要求1所述的基于DMD的动感像素全息单元图像拍摄装置的拍摄方法，包 括如下步骤1)将激光均光照明组件输出的方形均光光束垂直于DMD的微镜转轴入射，并与微镜不 工作时处于0度“停泊”状态的平面法线成24°，使DMD窗口获得均光斑照明；2)将照相微距物镜、士1级透射光栅、场镜、倒置使用的第一照相物镜和第二照相物镜的中心光轴和光刻胶板的平面法线依次置于DMD微镜不工作时 处于0° “停泊”状态的平面中心法线上，并确保DMD和士 1级透射光栅分别置于照相微距 物镜的物面和像面位置，同时士1级透射光栅和光刻胶记录板分别置于倒置使用的照相物镜组的像面上，当与图像像素相对应的DMD的微镜像素处于+12° “开”状态时，激光经DMD 的微镜反射，光束与整个光路同轴，相应的图像通过DMD驱动器传输，经物面转移组件、光 栅分束组件、干涉成像物镜组光学组件，在光刻胶板表面获得1 :1的干涉成像图，当与图像 像素相对应的DMD的微镜像素处于-12° “关”或0° “停泊”状态时，激光经DMD的微镜 反射光束偏离光路；3)设计图像模式为索引颜色的拍摄用单元图像，图像的列阵像素必须小于等于DMD内 置列阵像素，且图像列阵像素和DMD的微镜列阵像素成一一对应关系；4)微机将索引颜色图像读入图像处理控制软件，由图像处理控制软件按索引色谱的排列次序读出第一个颜色并更换为这个颜色的索引颜色表，同时将图 像中的其他颜色屏蔽起来，全部设定成黑色，从而获得这个颜色的图像层，再由DMD驱动器 将这个颜色图像层的图像列阵像素传输给DMD，对应控制DMD微镜列阵的每一个像素“开” 或“关”，设置这个颜色的像素对应控制DMD的微镜“开”，黑色的其他像素对应控制DMD的 微镜“关”，同时每个颜色对应士 1级透射光栅的一个方位角，以获得像素全息的动感效果， 微机根据颜色控制电机旋转至这个颜色的方位角，同时给出信号控制紫外激光器出光，在 光刻胶板表面实现这个颜色单元图像的拍摄；5)依次读出各个颜色的图像层，并由DMD驱动器依次将各个颜色图像层的图像列阵像素传输给DMD，依次在光刻胶板表面实现各个颜色图像层，不同干 涉方位角的单元图像拍摄，从而完成整个动感像素全息单元图像的拍摄；6)若拍摄的图像尺寸大于DMD内置列阵像素，则需要采用拼版的方式完成拍摄，图像 处理软件先将整个图像分解成若干个小于等于DMD内置列阵像素的单元图像组块，通过二 维平移台的移位，移位的行和列的距离为分割的单元组块的长宽大小，依次按照上述1)至 5)的步骤拍摄单元图像组块，完成整个图像的拼板拍摄。
全文摘要
本发明公开了一种基于DMD的动感像素全息单元图像拍摄装置和方法，装置包括激光均光照明组件、DMD组件、物面转移组件、光栅分束组件和干涉成像组件。采用激光均光照明、用于DMD物面转移和干涉成像的照相镜头组和高分辨率±1级透射光栅组成的光学成像干涉组件，通过微机控制DMD组件的图像处理和传输，实现动感像素全息单元图像的拍摄。采用DMD数字微镜最多一次完成与DMD内置阵列像素相同的高分辨率像素全息单元图像拍摄，图像列阵像素和DMD微镜列阵像素成一一对应关系，大大提高拍摄效率，获得1500dpi以上的像素全息图像光刻分辨率，结合多重编码加密动感像素全息母版图案的制作方法，防伪性能更高。
文档编号G03H1/12GK101916064SQ20101025656
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月19日 优先权日2010年8月19日
发明者吴宾初, 姜兆华, 张伟, 沈冠群, 王国庆 申请人:上海市激光技术研究所