三维激光打印方法与系统专利目的

《三维激光打印方法与系统》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。

三维激光打印方法与系统技术方案

一种三维激光打印方法，采用四参量连续调制激光打印输出方法制备由按位置坐标排列的衍射像素构成的三维图像，所述衍射像素内填充有特定空频和取向角的像素光栅，所述四参量包括像素光栅的位置坐标（x，y），像素光栅的空频Λ和取向角θ，所述四参量通过对三维信息的连续调制实现三维图像的激光打印输出，其特征在于：所述像素光栅的调制方法基于4F成像系统与衍射光栅实现，所述4F成像系统包括第一傅立叶变换透镜或透镜组与第二傅立叶变换透镜或透镜组，所述衍射光栅置于第一傅立叶变换透镜或透镜组与第二傅立叶变换透镜或透镜组之间，通过改变所述衍射光栅与第一傅立叶变换透镜或透镜组之间的距离，实现光栅空频的连续调制，通过旋转所述衍射光栅，实现光栅取向角的连续调制，通过4F系统的光轴与记录平面的相对移动实现所述位置坐标的连续调制，所述打印方法通过在不同位置坐标处打印输出经连续调制的光栅像素点阵实现三维激光打印。

上述技术方案中，所输出的三维图像中像素光栅的空频和取向由衍射像素所在的平面坐标和观察窗口的位置坐标确定的衍射光线方向、照明光线的入射方向以及衍射光线的波长根据衍射光栅方程共同确定，所述衍射光线的波长由所述衍射像素对应点的图像信息的颜色确定。

采用上述技术方案，可以获得一种光栅空频和取向连续可变的四参量（x，y，Λ，θ）三维彩色图像。所述三维彩色图像信息记录在（x，y）平面内，由与坐标位置对应的系列衍射像素构成，所述衍射像素由一组具有特定空频Λ和取向θ的像素光栅填充而成。衍射像素发出的衍射光线进入距离平面（x，y）一定距离处的平面（x’，y’）中所设定的观察窗口的指定位置坐标处。所述像素光栅的空频和取向由光栅像素所在的平面坐标（x，y）与观察窗口中光线入射位置坐标（x’，y’）确定的衍射光线方向、照明光线的入射方向以及衍射光线的波长根据光栅方程共同确定，所述照明光线方向根据使用条件设定，所述衍射光线的波长由所述衍射像素点对应的图像信息的颜色确定。

上述方案中，所述观察窗口优选为平行于观察者双眼连线方向的狭缝型窗口，所述狭缝型窗口包含若干观察区域，所述每一观察区域对应三维图像的一个观察视角，三维彩色图像信息记录平面上不同观察视角的衍射像素的衍射光线分别入射不同的观察区域。

一种三维激光打印系统，包括光源、光学成像子系统、机电结构子系统、运动控制子系统、记录介质，光源发出的光线入射光学成像子系统形成特定空频和取向的光栅条纹信息，记录在记录介质上，所述光学成像子系统至少包含一组由4F成像透镜和衍射光栅构成的空频和角度连续调制光路，所述4F成像系统包括第一傅立叶变换透镜或透镜组与第二傅立叶变换透镜或透镜组，所述衍射光栅置于第一傅立叶变换透镜或透镜组与第二傅立叶变换透镜或透镜组之间，所述机电结构子系统包括衍射光栅平动机构、衍射光栅转动机构、二维精密平移机构，所述运动控制子系统协调控制衍射光栅的平动和转动，二维精密平台的平动和光源快门，在相应位置坐标处打印输出经连续调制的衍射像素点阵，实现三维图像的打印输出。

上述技术方案中，所述光源为相干光源，选自连续激光光源或脉冲激光光源。所述脉冲光源包括并不局限于纳秒脉冲激光光源、皮秒脉冲激光光源、飞秒脉冲激光光源等。

上述方案中，所述光源输出的光束通过光学成像子系统后可以对光敏材料曝光形成光栅条纹，也可以直接在基底材料上烧蚀出光栅条纹，还可以直接在基底材料上引发光致变色或者位相结构变化，形成对应的光栅条纹。

所述光学成像子系统还包括视场光阑、可变光阑、微缩物镜、自动聚焦光路、实时观测光路。

所述视场光阑、可变光阑可以是空间光调制器，也可以是机械可变光阑，光阑的形状和大小可由运动控制系统实时调节，用于控制进入系统的光束直径。所述视场光阑优选位于第二傅立叶变换透镜后的光轴上。

所述微缩物镜可对4F成像系统后的视场光阑面上的信息进行微缩成像，提高像素光栅的空频。

所述自动聚焦光路保证光学成像子系统的成像面聚焦在基底材料附近。

所述实时检测光路对基底材料表面进行成像检测。

所述机电结构还包括自动聚焦控制机构、光源快门控制机构。

所述运动控制子系统优选由计算机和控制程序进行协调控制。

三维激光打印方法与系统改善效果

1．《三维激光打印方法与系统》通过设置4F成像系统，将衍射光栅置于第一傅立叶变换透镜或透镜组与第二傅立叶变换透镜或透镜组之间，实现了光栅空频的连续可调，基于光栅空频和取向连续可变的四参量的微纳结构来编码形成三维彩色图像，其三维图像立体感和真实感更强、颜色表现更准确丰富。

2．该发明提出的基于光栅空频和取向连续可变的四参量（x，y，Λ，θ）的微纳结构实现三维彩色图像的方法更加有效。

3．该发明的提出的三维激光打印系统能够真正实现四参量（x，y，Λ，θ）的三维彩色图像输出，系统的打印调制精度高，系统结构简单，打印成像效果好。

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、ToppanPrinting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，2013年5月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。

图1是实施例1中的三维图像数据及显示结构示意图。

图2是实施例2中的三维彩色图像数据及显示结构示意图。

图3实施例3中的一种光栅空频和取向连续可变的四参量（x，y，Λ，θ）光学调制方法示意图。

图4实施例4中的一种光栅空频和取向连续可变的四参量（x，y，Λ，θ）光学调制方法示意图。

图5是实施例5中的一种实现光栅空频和取向连续可变的四参量（x，y，Λ，θ）三维图像输出的激光打印系统示意图。

图6是实施例6中的一种实现光栅空频和取向连续可变的四参量（x，y，Λ，θ）三维图像输出的激光打印系统示意图。

图7是实施例7中的一种实现光栅空频和取向连续可变的四参量（x，y，Λ，θ）三维图像输出的激光打印系统示意图。

图8是实施例8中的衍射光栅的结构示意图。

图9是实施例9中的一种三维激光打印方法与系统流程图。

其中：1、三维显示图像；2、衍射像素；3、像素光栅；4、衍射光线；5、观察区域；6、观察窗口；7、照明光；8、第一傅立叶变换透镜；9、衍射光栅；10、第二傅立叶变换透镜；11、光轴；12、纳秒脉冲激光；13、空间滤波器；14、反射镜；15、DMD空间光调制器；16视场光阑；17、实时检测光路；18、半透半反镜；19、tubelens；20、红色子像素；21、绿色子像素；22、蓝色子像素；23、空白区域；30、微缩物镜；31、自动聚焦光路；32、二维精密平移台；33、运动控制器；34、控制计算机；35、感光材料；40、红色衍射光线；41、绿色衍射光线；42、蓝色衍射光线。

《三维激光打印方法与系统》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。

1.一种三维激光打印方法，采用四参量连续调制激光打印输出方法制备由按位置坐标排列的衍射像素构成的三维图像，所述衍射像素内填充有特定空频和取向角的像素光栅，所述四参量包括像素光栅的位置坐标（x，y），像素光栅的空频Λ和取向角θ，其特征在于：所输出的三维图像中像素光栅的空频和取向角由衍射光线方向、照明光线的入射方向以及衍射光线的波长根据衍射光栅方程共同确定，所述衍射光线方向由像素光栅所在的位置坐标和观察窗口的平面坐标确定，所述衍射光线的波长由与所述衍射像素的对应点的图像信息的颜色确定；根据衍射光栅方程所述像素光栅的空频和取向角满足如下条件：

其中α₇，β₇分别为照明光线的方向余弦角，α₄，β₄分别为衍射光线的方向余弦角，λ为衍射光线的波长，照明光线的方向余弦角根据观察条件设定；所述像素光栅的调制方法基于4F成像系统与衍射光栅实现，所述4F成像系统包括第一傅立叶变换透镜或透镜组与第二傅立叶变换透镜或透镜组，所述衍射光栅置于第一傅立叶变换透镜或透镜组与第二傅立叶变换透镜或透镜组之间，通过改变所述衍射光栅与第一傅立叶变换透镜或透镜组之间的距离，实现所述空频Λ的连续调制，通过旋转所述衍射光栅，实现所述取向角θ的连续调制，通过4F成像系统的光轴与记录平面的相对移动实现所述位置坐标的连续调制，所述三维激光打印方法通过在不同位置坐标处打印输出经连续调制的衍射像素点阵实现三维激光打印。

2.根据权利要求1所述的三维激光打印方法，其特征在于：所输出的三维图像形成的观察窗口为平行于观察者双眼连线方向的狭缝型窗口，所述狭缝型窗口包含若干观察区域，每一观察区域对应三维图像的一个观察视角，三维图像上不同观察视角的衍射像素的衍射光线分别入射不同的观察区域，观察者在所述观察窗口内看到三维图像。

3.一种三维激光打印系统，包括光源、光学成像子系统、机电结构子系统、运动控制子系统和记录介质，光源发出的光线入射光学成像子系统形成特定空频和取向角的光栅条纹信息，记录在记录介质上，其特征在于：所述光学成像子系统至少包含一组由4F成像系统和衍射光栅构成的空频和取向角连续调制光路，所述4F成像系统包括第一傅立叶变换透镜或透镜组与第二傅立叶变换透镜或透镜组，所述衍射光栅置于第一傅立叶变换透镜或透镜组与第二傅立叶变换透镜或透镜组之间，所述机电结构子系统至少包括衍射光栅平动机构、衍射光栅转动机构和二维精密平移机构，所述运动控制子系统协调控制衍射光栅的平动和转动、二维精密平移机构的平动以及光源快门，在记录介质的衍射像素相应位置坐标处打印输出经连续调制的衍射像素点阵，实现三维图像的打印输出。

4.根据权利要求3所述的三维激光打印系统，其特征在于：光源输出的光线通过光学成像子系统后对光敏材料曝光形成光栅条纹，或者直接在基底材料上烧蚀出光栅条纹，或者直接在基底材料上引发光致变色或位相结构变化形成光栅条纹，实现三维图像的打印输出。

5.根据权利要求3所述的三维激光打印系统，其特征在于：所述光源具有相干性，选自连续激光光源或脉冲激光光源。

6.根据权利要求3所述的三维激光打印系统，其特征在于：所述光学成像子系统还包括视场光阑、可变光阑、微缩物镜、自动聚焦光路和实时观测光路。

7.根据权利要求6所述的三维激光打印系统，其特征在于：所述视场光阑和可变光阑是空间光调制器或机械可变光阑，视场光阑和可变光阑的形状和大小由运动控制子系统实时调节，用于控制进入光学成像子系统的光束直径，所述视场光阑位于第二傅立叶变换透镜后的光轴上。

8.根据权利要求6所述的三维激光打印系统，其特征在于：所述微缩物镜对4F成像系统后的信息进行微缩成像，提高衍射像素内的像素光栅的空频。

9.根据权利要求3或6所述的三维激光打印系统，其特征在于：所述机电结构子系统还包括自动聚焦控制机构和光源快门控制机构，所述机电结构子系统由所述运动控制子系统通过计算机和控制程序进行协调控制。

实施例1

参见附图1，是该实施例中一种光栅空频和取向连续可变的四参量（x，y，Λ，θ）三维图像及其显示效果示意图。

该实施例的三维图像1位于坐标平面（x，y）处，由一系列衍射像素2构成，所述衍射像素2由一组具有特定空频和取向的像素光栅3填充而成。所述图像1中的像素光栅的空频自上而下逐渐变化，取决于照明光的方向和观察窗口的位置，一般地，从图像的上部到底端，空频逐渐变大。所述三维图像在照明光7的照明下发生衍射，在距离图像平面Z处的（x’，y’）平面上形成狭缝型观察窗口6，所述观察窗口6由多个观察区域5构成，不同的观察区域对应三维图不同视角的像。三维图像中表示同一视角图像信息的衍射像素的衍射光线4进入所述同一观察区域。所述衍射像素中的光栅空频和取向，由照明光7的入射角、衍射光线4的出射角以及衍射波长共同确定，根据光栅方程其关系满足如下条件：

其中α₇，β₇分别为照明光线7的方向余弦角，α₄，β₄分别为衍射光线4的方向余弦角，λ为衍射波长。照明光线7的方向余弦根据观察条件设定。衍射光线的方向余弦可根据衍射像素与观察区域的相对位置计算得到：

实施例中狭缝型观察窗口的x’方向的尺寸大于人眼双目之间的距离，通常取值大于60毫米，观察窗口y’方向的尺寸取值3毫米-10毫米。为实现该实施例所述的狭缝型观察窗口，三维图像1将形成如图1虚线框内所示的一系列呈双曲型的曲线单元，曲线单元中的像素光栅的空频和取向连续变化，满足：

实施例2

参见附图2，是该实施例中一种光栅空频和取向连续可变的四参量（x，y，Λ，θ）三维彩色图像的示意图。

该实施例的三维彩色图像1位于坐标平面（x，y）处，由一系列衍射像素2构成，所述衍射像素2由红色子像素20、绿色子像素21、蓝色子像素22组成，所述三种颜色的子像素由一组具有特定空频和取向的光栅3和空白区域23填充而成。述图像1中的像素光栅的空频自上而下逐渐变化，取决于照明光的方向和观察窗口的位置，一般地，从图像的上部到底端，空频逐渐变大。所述三维彩色图像在照明光7的照明下发生衍射，在距离图像平面Z处的（x’，y’）平面上形成狭缝型观察窗口6，所述观察窗口6由多个观察区域5构成，不同的观察区域对应三维图不同视角的像。三维图像中表示同一视角图像信息的光栅像素的红色衍射光线40、绿色衍射光线41、蓝色衍射光线42进入所述同一观察区域，形成彩色图像。所述光栅像素的光栅空频和取向，由照明光的入射角、衍射光线的出射角以及衍射波长共同确定。

所述衍射波长可以是红、绿、蓝三基色波长，也是CIE1931色度坐标中真彩色区间内的任意三个波长。所述红、绿、蓝三色光的灰度等级通过衍射像素中空白区域23占据整个像素的面积来调控，空白区域占据面积大亮度低，占据面积小亮度高。

该实施例中示意的色彩形成并不局限于红、绿、蓝三基色体系内的色彩，也可以是四色、六色等任意基色调配形成的色彩，分别对应四色、六色波长。同一物点不同颜色（λ₁，λ₂）对应的像素光栅的空频变化规律满足如下关系：

实施例3

参见图3所示，是一种光栅空频和取向连续可变的四参量（x，y，Λ，θ）光学调制方法示意图。

该实施例中，一种光栅空频和取向连续可变的四参量（x，y，Λ，θ）光学调制方法。包括焦距为f₁的第一傅立叶变换透镜8与焦距为f₂的第二傅立叶变换透镜10透镜构成的4F光学系统和衍射光栅9。所述衍射光栅9位于第一傅立叶变换透镜与第一傅立叶变换透镜的焦距之间。衍射光栅可以沿着光轴11移动，也可以绕着光轴11转动。

所述方法通过移动衍射光栅9改变衍射光栅与第一傅立叶变换透镜之间的距离d₀，实现所述光栅空频Λ参数的连续调制。通过旋转衍射光栅9，实现所述光栅取向角θ参数的连续调制。通过4F系统的光轴11与（x，y）平面的相对移动实现所述参数（x，y）的连续调制。

该实施例中所述衍射光栅9为一维位相型光栅，其位相分布函数为空频为Λ的余弦函数T（x₀，y₀）=cos（2Λx₀），在4F系统的输出平面（x，y）上的光场分布为：

所述光场分布仍为余弦函数光栅，其中A为振幅，光栅的空频

《三维激光打印方法与系统》中所述的衍射光栅的分布函数包括但并不局限于该实施例中所述的一维余弦函数分布，可以是二维余弦函数、一位方波函数、二维方波函数等任意周期性函数，还可以是具有特定频谱分布的任意二元光学元件，二元光学元件结构可根据具体的频谱分布结合二元光学原理具体设计。

在《三维激光打印方法与系统》所述的4F系统的频谱面上，可以对衍射光栅的频谱进行必要的滤波操作，包括但不局限于消除零级光、遮挡高级次衍射等。

《三维激光打印方法与系统》中所述的空频连续调制范围包括但不局限于（0～Λf₁/f₂），可以对输出平面（x，y）上的光场分布进行进一步的微缩，设定微缩倍率为M，微缩物镜的衍射极限频率为Λ_limit，则系统空频调制的最大值为Λ_max=min[Λ_limit，ΛMf₁/f₂]，相应的空频调制范围为（0～Λ_max）。

实施例4

参见图4所示，是一种光栅空频和取向连续可变的四参量（x，y，Λ，θ）光学调制方法示意图。

该实施例中，一种光栅空频和取向连续可变的四参量（x，y，Λ，θ）光学调制方法。包括焦距为f1的第一傅立叶变换透镜8与焦距为f2的第二傅立叶变换透镜10透镜构成的4F光学系统和衍射光栅9。所述衍射光栅9位于第二傅立叶变换透镜前焦距与第二傅立叶变换透镜之间。衍射光栅可以沿着光轴11移动，也可以绕着光轴11转动。

所述方法通过移动衍射光栅9改变衍射光栅与第二傅立叶变换透镜之间的距离d₀，实现所述光栅空频Λ参数的连续调制。通过旋转衍射光栅9，实现所述光栅取向角θ参数的连续调制。通过4F系统的光轴11与（x，y）平面的相对移动实现所述参数（x，y）的连续调制。

《三维激光打印方法与系统》中所述的衍射光栅的分布函数包括但并不局限于该实施例中所述的一维余弦函数分布，可以是二维余弦函数、一位方波函数、二维方波函数等任意周期性函数，还可以是具有特定频谱分布的任意二元光学元件，二元光学元件结构可根据具体频谱分布结合二元光学原理具体设计。

实施例5

参见附图5，是该实施例中一种实现光栅空频和取向连续可变的四参量（x，y，Λ，θ）三维彩色图像输出的激光打印系统示意图。

该实施例中的三维彩色图像激光打印系统包含纳秒脉冲激光12，空间滤波器13，第一傅立叶变换透镜8，衍射光栅9，第二傅立叶变换透镜10，视场光阑16，实时检测光路17，半透半反镜18，tubelens19，微缩物镜30，自动聚焦光路31，二维精密平移台32，运动控制器33，控制计算机34，感光材料35。

实施例中纳秒脉冲激光12发出的激光经空间滤波器13扩束准直后形成平行光进入由第一傅立叶变换透镜8，衍射光栅9，第二傅立叶变换透镜10构成的光栅空频和角度连续调制光路，在第二傅立叶变换透镜10后的区域形成指定空频和取向的光栅条纹信息，在第二傅立叶变换透镜后焦面上设置有视场光阑16用于限制干涉条纹的成像区域，透过视场光阑的光栅条纹经过半透半反镜18，tubelens19和微缩物镜30在感光材料35上形成高频光栅条纹。运动控制器33在控制计算机34设定的程序控制下协调纳秒脉冲激光12的脉冲时序、衍射光栅9的移动和转动以及二维精密平移台32的二维移动，在感光材料上记录四参量（x，y，Λ，θ）调制的三维彩色图像信息。实时检测光路17对感光材料表面成像用于实时观测记录过程。自动聚焦光路31监控并实时调整聚焦物镜与感光材料表面的距离，保证高频光栅条纹在感光材料表面精确成像。

该实施例中采用半导体泵浦的固态激光光源，包括如纳秒脉冲激光光源等，其输出频率可达到1000Hz以上，且脉冲能量高，可对光刻胶等材料进行曝光刻蚀；也可直接瞬态去处或者改变基底材料的特性形成浮雕光栅结构，实现微纳结构图像的打印输出。

例如，该实施例中所述衍射光栅9是空频为Λ=75line/毫米的余弦光栅，第一傅立叶变换透镜的焦距f1=10cm，第二傅立叶变换透镜的焦距f₁=5cm，微缩物镜的倍率M=20，系统的空频变化范围（0~3000line/毫米）。该空频范围能够实现在可见光区的真彩色三维图像的准确表达。

该实施例中所述空频变化的最大值为Λ_max=min[Λ_limit，ΛMf₁/f₂]，Λ_limit是系统的衍射极限频率，相应的空频调制范围为（0～Λ_max）。例如，对于波长为266nm的深紫外系统，其极限空频为7519line/毫米，理论上系统的空频变化范围是（0~7519line/毫米）。对于极紫外系统、X射线等系统该实施例中所述的空频变化范围将更大。

实施例6

参见附图6，是该实施例中一种实现光栅空频和取向连续可变的四参量（x，y，Λ，θ）三维图像输出的激光打印系统示意图。

该实施例中的三维激光打印系统包含纳秒脉冲激光12，空间滤波器13，第一傅立叶变换透镜8，衍射光栅9，第二傅立叶变换透镜10，视场光阑16，实时检测光路17，半透半反镜18，tubelens19，微缩物镜30，自动聚焦光路31，二维精密平移台32，运动控制器33，控制计算机34，感光材料35。

实施例中纳秒脉冲激光12发出的激光经空间滤波器13扩束准直后形成平行光进入由第一傅立叶变换透镜8，衍射光栅9，第二傅立叶变换透镜10构成的光栅空频和角度连续调制光路，衍射光栅9在第二傅立叶变换透镜前焦距与第二傅立叶变换透镜之间，在第二傅立叶变换透镜10后的区域形成指定空频和取向的光栅条纹，在紧靠第二傅立叶变换透镜后设置有视场光阑16用于限制干涉条纹的成像区域，透过视场光阑的光栅条纹经过半透半反镜18，tubelens19和微缩物镜30在感光材料35上形成高频光栅条纹。运动控制器33在控制计算机34设定的程序控制下协调纳秒脉冲激光12的脉冲时序、衍射光栅9的移动和转动以及二维精密平移台32的二维移动，在感光材料上记录四参量（x，y，Λ，θ）调制的三维图像信息。实时检测光路17对感光材料表面进行成像用于实时观测记录过程。自动聚焦光路31监控并实时调整聚焦物镜与感光材料表面的距离，保证高频光栅条纹在感光材料表面精确成像。

实施例7

参见附图7，是该实施例中一种实现光栅空频和取向连续可变的四参量（x，y，Λ，θ）三维图像输出的激光打印系统示意图。

该实施例中的三维图像激光打印系统包含纳秒脉冲激光12，空间滤波器13，反射镜14，DMD空间光调制器15，第一傅立叶变换透镜8，衍射光栅9，第二傅立叶变换透镜10，视场光阑16，实时检测光路17，半透半反镜18，tubelens19，微缩物镜30，自动聚焦光路31，二维精密平移台32，运动控制器33，控制计算机34，感光材料35。

实施例中纳秒脉冲激光12发出的激光经空间滤波器13扩束准直后形成平行光入射到DMD空间光调制器15上，DMD空间光调制器作为可变光栅用于控制平行光束的直径，经过DMD空间光调制器反射的光线进入由第一傅立叶变换透镜8，衍射光栅9，第二傅立叶变换透镜10构成的光栅空频和角度连续调制光路，在第二傅立叶变换透镜10的后焦面上形成指定空频和取向的光栅条纹，后焦面上设置有视场光阑16，透过视场光阑的光栅条纹经过半透半反镜18，tubelens19和微缩物镜30在感光材料35上形成高频光栅条纹。运动控制器33在控制计算机34设定的程序控制下协调纳秒脉冲激光12的脉冲时序、衍射光栅9的移动和转动以及二维精密平移台32的二维移动，在感光材料上记录形成四参量（x，y，Λ，θ）调制的三维图像信息。实时检测光路17对感光材料表面成像用于实时观测记录过程。自动聚焦光路31监控并实时调整聚焦物镜与感光材料表面的距离，保证高频光栅条纹成像面在感光材料表面精确成像。

实施例8

参见附图8，显示的是该实施例中衍射光栅9的三种表面面型结构及函数或者频谱分布。图8（a）显示的是一维余弦相位分布的衍射光栅，图8（a）左测是余弦相位函数曲线，右侧是衍射光栅的表面面型。图8（b）显示的是一维方波相位函数分布的衍射光栅，图8（b）左测是方波相位函数曲线，右侧是衍射光栅的表面面型。图8（c）显示的是二维相位分布函数的衍射光栅，图8（c）右侧显示的是其频谱函数，所示频谱函数是三个δ函数，即在其频谱平面上将获得三个点光源。图8（c）所示的二维位相分布函数可根据二元光学元件设计方法计算得到。

该实施例中的不同函数分布的衍射光栅，将获得不同的四参量调制效果。

实施例9

参见附图1、2、5、9，图9是该实施例中一种三维激光打印方法与系统流程图。

该实施例中首先将三维物体信息（x，y，z，I）进行编码转换形成一种如图1或图2所示的四参量三维图像数据（x，y，Λ，θ），所述四参量三维数据连续变化。然后将图像数据输入如图5所示的光栅位置、空频和取向连续可调的四参量（x，y，Λ，θ）三维激光打印系统，通过打印实现三维彩色图像的物理输出。

该实施例中所述的三维彩色图像由不同空频和取向的衍射像素构成，将在距离图像平面Z处的观察平面上形成狭缝型观察窗口。所述衍射像素所填充的像素光栅的空频和取向连续变化。空频与取向将根据图像的种类不同而变化。一般地，彩色图像的空频从下而下逐渐增大。

该实施例中所述观察窗口包括若干观察区域，不同的观察区域对应三维图像不同的视角。三维图像中表示同一视角图像信息的衍射像素的衍射光线进入所述同一观察区域。通过所述观察窗口可看到真彩色三维图像。

2016年12月7日，《三维激光打印方法与系统》获得第十八届中国专利优秀奖。

道路三维设计和可视化是科学计算可视化技术在道路设计中的应用，道路的三维可视化设计就其功能而言应包括设计过程的可视化及设计成果的可视化。《真三维道路智能设计理论与方法实践》系统地介绍了道路三维设计的理论方法。主要包括：真三维道路设计、真三维场景构建方法、道路路基及设施建模方法、道路三维数据管理与组织、系统设计与实现、设计方法应用。

《真三维道路智能设计理论与方法实践》可作为从事公路、城市道路及有关道路工程的设计、研究人员的参考用书。

封面

线路三维可视化设计理论、方法与应用

内容简介

前言

第1篇 铁路线路三维可视化设计理论、方法与系统应用

第2篇 城市轨道交通线路三维可视化设计理论、方法与系统应用

参考文献

封底 2100433B