ES2225285T3

ES2225285T3 - Impresora holografica.

Info

Publication number: ES2225285T3
Application number: ES00985497T
Authority: ES
Inventors: David Brotherton-Ratcliffe; Florian Michel Robert Vergnes; Alexey Rodin; Mikhail Grichine
Original assignee: XYZ Imaging Inc
Current assignee: XYZ Imaging Inc
Priority date: 1999-12-10
Filing date: 2000-12-08
Publication date: 2005-03-16
Anticipated expiration: 2020-12-08
Also published as: US7042605B2; EP1244944B1; AU775129B2; DE60018603T2; US20070030544A1; ATE290703T1; US7423792B2; DK1244944T3; US20030058490A1; ATE277369T1; WO2001045943A2; AU2191301A; DE60018603D1; AU2004202384B2; US20090219596A1; EP1394635A3; EP1385066A1; US6930811B2; US7548360B2; EP1244944A1

Abstract

Una impresora holográfica para inscribir directamente en una etapa hologramas visibles con luz blanca, la cual comprende: una fuente (200) de láser de impulsos, dispuesta de modo que produce un haz de láser de una primera longitud de onda, siendo dicho haz de láser dividido en un haz de objeto (202) y un haz de referencia (235), el cual es mutuamente coherente con dicho haz de objeto (202); un modulador de luz espacial (212), de tal manera que, durante el uso, dicho haz de objeto ilumina dicho modulador de luz espacial (212); un sistema de lentes (219), destinado a inscribir un píxel o punto de imagen holográfico (221) de un holograma en un medio fotosensible (262), estando dispuesto dicho sistema de lentes (219) aguas abajo de dicho modulador de luz espacial (222) y estando dispuesto de manera que enfoque dicho haz de objeto con un grosor o diafragma de campo de haz mínimo (266) en el plano de Fourier del sistema de lentes; y medios de colocación, destinados a colocar un medio fotosensible(262) en dicho diafragma de campo de haz mínimo (266); estando caracterizada dicha impresora holográfica por que comprende adicionalmente: medios de variación automática de la coherencia espacial (206-210, 265), destinados a modificar automáticamente la coherencia espacial de dicho haz de objeto de tal forma que se controle el diámetro del haz de objeto en dicho diafragma de campo de haz mínimo (266), estando dispuestos dichos medios de variación automática de la coherencia espacial (206-210, 265) aguas arriba de dicho modulador de luz espacial (212).

Description

Impresora holográfica.

La presente invención se refiere a una impresora holográfica y a un método para inscribir directamente hologramas visibles con luz blanca en una sola etapa. De acuerdo con una realización preferida, se describen un método y un aparato para grabar e imprimir estereogramas holográficos a partir de datos digitales.

Durante más de 50 años, se han venido produciendo hologramas mediante la técnica general consistente en iluminar un objeto con luz coherente y hacer que la luz reflejada incida sobre un material de grabación fotosensible, que también es iluminado con una haz de referencia coherente en correspondencia (véase, por ejemplo, la publicación de E. N. Leith et al.: "Teoría de los frentes de onda reconstruidos y la comunicación" ("Reconstructed Wavefronts and Communication Theory"), Journal of the Optical Society of America (Revista de la Sociedad Óptica Norteamericana) 53, 1377-81, 1963). Sin embargo, con dicha técnica, se requiere un objeto físico con el fin de realizar una representación holográfica de este objeto, y, por lo común, el tamaño de la imagen holográfica se corresponde en una escala de 1:1 con el tamaño del objeto del que se obtiene el holograma. Para muchas aplicaciones prácticas, esta técnica es, en consecuencia, inadecuada.

Se ha expuesto e investigado una técnica alternativa para generar e inscribir directamente la configuración o patrón fundamental de interferencia que caracteriza un holograma (véase, por ejemplo, la Patente norteamericana Nº 4.701.006). Sin embargo, incluso con los medios informáticos actuales, el cálculo del patrón de interferencia mediante la transformada de Fourier sigue siendo una tarea computacional desalentadora para los hologramas más grandes. Por añadidura, es todavía muy difícil y costoso inscribir dichos patrones una vez calculados, siendo la técnica preferida la que se sirve de un haz de electrones.

Otra técnica para la generación de hologramas que no requiere un objeto real fue propuesta por King et al. (Applied Optics (Óptica aplicada), 1970). En esta publicación se mostraba que los hologramas pueden componerse o formarse multiplexando ópticamente información tomada de una pluralidad de tomas o vistas de cámaras de dos dimensiones. La importancia de esta idea radica en que la máquina que imprime los hologramas finales puede estar separada del objeto real, y en que la imagen holográfica no tiene por qué corresponder en tamaño al objeto original. Además, se ha demostrado que no se requiere en absoluto ningún objeto si las vistas en dos dimensiones se generan a partir de datos informáticos iniciales o de partida (véase, por ejemplo, la Patente norteamericana Nº 3.843.225).

En una realización habitual del principio anterior, se conoce la práctica de grabar vistas secuenciales de un objeto por medio de una cámara montada en una pista o carril lineal o circular. Cada una de las vistas se utiliza entonces en un sistema óptico que se encarga de multiplexar los datos conjuntamente unos con otros, a fin de formar un holograma intermedio (o H1), tal y como se describe en la Patente norteamericana Nº 3.832.027. Dicho holograma puede ser entonces convertido o transferido para formar un segundo holograma, que es ahora visible con luz blanca y se conoce como el holograma H2. Con el fin de llevar esto a cabo, el holograma H1 se ilumina con luz de láser según una geometría invertida en el tiempo, y la imagen real así producida se utiliza como el objeto para obtener el holograma H2. Con la iluminación de este holograma H2 con un haz de referencia invertido en el tiempo, se reconstruye una imagen virtual visible con luz blanca. Se conoce una máquina comercial eficaz y práctica para convertir hologramas H1 en hologramas H2 (véase la publicación de M. V. Grichine, D. B. Ratcliffe, G. R. Skokov: "Un sistema de holografía por impulsos integrada, para obtener un modelo original o master y transferirlo sobre emulsiones AGFA o VR-P" ("An Integrated Pulsed-Holography System for Mastering and Transferring onto AGFA or VR-P Emulsions"), Proc. SPIE, Vol. 3358, páginas 203-210, Sexto Simposio Internacional de Holografía de Presentación Visual (Sixth International Symposium on Display Holography), Tung H. Jeong; Ed.).

Las técnicas de impresión holográfica que requieren implícitamente la generación de un holograma intermedio, o H1, que se utiliza de forma subsiguiente para producir un holograma final visible con luz blanca, reciben por lo común la denominación de procedimientos de impresión holográfica "en dos etapas". Esencialmente, todas las características principales de los procedimientos de impresión holográfica "en dos etapas" conocidos se exponen en la Patente norteamericana Nº 3.832.027. Los desarrollos subsiguientes (por ejemplo, los de la publicación de Spierings, W. et al.: "Desarrollo de una Office Holoprinter (impresora holográfica de oficina) II" ("Development of an Office Holoprinter II"), SPIE, Vol. 1667, Practical Holography VI (Holografía práctica VI), 1992 han reemplazado a la película fotográfica utilizada en la Patente norteamericana Nº 3.832.027 con una pantalla de LCD (dispositivo de presentación visual de cristal líquido).

Con el fin de ilustrar las diferencias entre una disposición ilustrativa referente a un procedimiento de impresión en dos pasos, y un procedimiento de impresión holográfico en dos etapas convencional, se hace referencia a la Figura 17, que pone en contraste la disposición (diagrama de abajo) con los métodos ilustrativos convencionales (diagrama de arriba). En las disposiciones conocidas, se crea una imagen enfocada de un modulador de luz espacial 1701 en la pantalla de difusión 1703, con el uso de una lente de objetivo 1702. La pantalla de difusión esparce o difunde la luz incidente en una amplia variedad de direcciones. Un material fotosensible 1705, cubierto por una abertura móvil 1706, que puede ser un rectángulo en general, permite que la envolvente de los rayos delimitada por 1717 y 1716 irradie la parte de la superficie del material 1705 que deja al descubierto el orificio 1707. Un haz de referencia coherente de forma correspondiente, se hace incidir desde A hasta B, con el fin de crear un pequeño holograma de transmisión en la región 1704, al que se puede hacer referencia como píxel o punto de imagen holográfico. Al desplazar la abertura según una sola dimensión o en dos dimensiones, cambiando la imagen del SLM (modulador de luz
espacial -"Spatial Light Modulator") hasta situarla en la vista en perspectiva adecuada, y efectuar una exposición, se construye un holograma de transmisión compuesto a partir de los puntos de imagen holográficos que tienen una forma definida por la abertura utilizada. En la disposición conocida, la abertura es una rendija y el movimiento es unidimensional. La disposición conocida podría generalizarse a un movimiento bidimensional y a una abertura rectangular o cuadrada. El holograma de transmisión compuesto resultante se transfiere entonces, en la técnica anterior, a un holograma visible con luz blanca, H2, mediante la iluminación conjugada del holograma tratado, con el uso de un haz de réplica 1708 cuya dirección de propagación es de B a A. Este procedimiento da lugar a una imagen real en la posición espacial 1703. Específicamente, al cubrir el holograma tratado 1705 con una abertura 1706, a fin de iluminar únicamente el punto de imagen holográfico 1704 con el haz de referencia 1708, se proyecta ahora exactamente la misma imagen sobre la pantalla de difusión 1703 por medio del holograma, tal como se utilizó para grabar el punto de imagen 1704.

En la disposición ilustrativa, no se utiliza ninguna pantalla de difusión. En su lugar, se emplea un objetivo de gran angular altamente especializado 1714, a fin de formar una imagen enfocada del SLM 1715 en la posición espacial 1709. No está presente ninguna superficie material en el plano de imagen 1709. En su lugar, la película fotosensible 1712 se sitúa ligeramente aguas abajo con respecto al plano de mínima pérdida de haz, tal y como se muestra. La imagen existente en 1715 se desplaza ligeramente (ya sea al desplazar el LCD con respecto a la lente de objetivo, o por medio de software o programación) en relación con la imagen 1701, ya sea de una forma unidimensional o de un modo bidimensional. De esta manera, el rayo 1717 del diagrama de abajo se corresponde exactamente con el rayo invertido en el tiempo 1717 del diagrama de arriba, y de la misma manera para 1718. Puesto que existe una transformación de inversión temporal entre estos dos conjuntos de rayos, se utiliza un haz de referencia 1711 invertido en el tiempo, que se propaga desde D hasta C. De este modo, como antes, se crea un punto de imagen holográfico en la posición 1713. Al desplazar el SLM 1715, la lente de objetivo 1714 y el haz de referencia 1711 conjuntamente de una forma unidimensional o bidimensional (traslación) a lo largo de al superficie de la película fotosensible, se graba un holograma de transmisión compuesto. Este holograma 1712 es el conjugado del holograma 1705. En consecuencia, si el holograma compuesto 1712 se trata químicamente y se ilumina a continuación con el mismo haz de referencia 1711 que se propaga de D a C, se ha de tener cuidado de iluminar tan solo un punto de imagen holográfico de una sola vez, y se coloca una pantalla de difusión en la posición 1709, de tal manera que se observarán exactamente las mismas imágenes, proyectadas en la pantalla de difusión, que las se recuperan utilizando la técnica anterior que se ha descrito previamente.

Así pues, esta disposición ilustrativa presenta muchas ventajas sobre las disposiciones conocidas, incluyendo unos órdenes de magnitud de requerimiento de energía inferiores a los de la técnica anterior, un incremento drástico de la flexibilidad del sistema, resultados de ruido más reducido, una velocidad de funcionamiento más elevada y, fundamentalmente, un tamaño de impresora más pequeño.

Un esquema alternativo al procedimiento de impresión "en dos etapas" se describe en la Patente norteamericana Nº 4.206.965, y mediante éste, las imágenes fotográficas se multiplexan directamente sobre el holograma final, visible con luz blanca, para dar lugar a un gran número de hologramas de rendija o franja, largos y delgados, situados lado con lado, con lo que se evita la necesidad de crear un holograma intermedio H1. Los esquemas de impresión holográficos en los que se imprime directamente el holograma final visible con luz blanca, sin la necesidad de generar un holograma intermedio (H1), reciben por lo común la denominación de métodos de inscripción "en una etapa" o directa. Subsiguientemente a esto, se desarrolló un sistema, tal y como se describe en la Patente norteamericana Nº 4.498.740, para la grabación de dos hologramas compuestos bidimensionales, formados por una parrilla bidimensional de hologramas independientes, de tal manera que cada uno de esos hologramas correspondía a un único punto de objeto. Si embargo, este último sistema adolece de la desventaja de que la imagen debe estar situada muy cerca del material de grabación. De manera adicional, el sistema no servía para formar hologramas que reconstruyesen de un modo fiable las propiedades direccionales de la luz que emanaba de cada punto de imagen.

La Patente norteamericana Nº 4.421.380 describe un sistema para producir hologramas de transmisión a todo color en una sola etapa, a partir de tiras entrelazadas de hologramas compuestos por puntos, del tipo acromático, mediante la inclusión de una mascara de filtro de color registrada o grabada. La Patente norteamericana Nº 4.778.262 describe un método de una sola etapa para inscribir directamente una matriz bidimensional de hologramas básicos a partir de datos informáticos. Se hace también referencia a las Patentes norteamericanas Nos. 4.969.700 y 5.793.503. La Patente norteamericana Nº 5.138.471 describe una técnica similar cuya realización preferida se sirve de un modulador de luz espacial unidimensional, conectado a una computadora con el fin de inscribir directamente (en una sola etapa) tipos comunes de hologramas en la forma de una matriz bidimensional de hologramas básicos. La Patente norteamericana Nº 4.834.476 describe aún otra técnica similar de una sola etapa, basada en datos de cámara computacionales o secuenciales cuyo uso fue descrito para la inscripción directa de hologramas compuestos de tipo "Alcove" (curvados), que tienen, ya sea una geometría de reflexión o una geometría de transmisión, si bien dicha técnica puede generalizarse a hologramas planos más convencionales.

Quizá la técnica anterior más pertinente o relevante por lo que respecta a las impresoras holográficas de inscripción directa en una sola etapa es el trabajo de Yamagushi et al. ("Desarrollo de un prototipo de impresora holográfica de paralaje completo" ("Development of a prototype full-paralax holoprinter"), Proc. Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng (SPIE), Vol. 2406, Practical Holography IX (Holografía práctica IX), páginas 50-56, febrero de 1995, y "Grabación de alta calidad de un estereograma holográfico de paralaje completo, utilizando un difusor digital" ("High Quality recording of a full-paralax holographic stereogram with digital diffuser"), Optical Letters (Cartas ópticas), Vol. 19, Nº 2, páginas 135-137, 20 de enero de 1994). Ésta se expone con mayor detalle en lo que sigue, y la disposición conocida se describe haciendo referencia a la Figura 16. Un láser de He-Ne (helio-neón) de CW 1601 produce un haz que atraviesa un modulador acústico-óptico 1602 antes de ser intercambiado por unos espejos 1603, 1604 y 1605 en su camino hacia el divisor de haz 1609. La función del elemento 1602 consiste en actuar como un simple interruptor u obturador. En el elemento 1609, el haz es dividido en una ramificación de referencia y una ramificación de objeto. El haz de objeto pasa a través de una placa de media onda 1608 y de un polarizador 1607 para el ajuste de su polarización. A continuación, es redirigido por el espejo 1606, antes de pasar a través de las lentes telescópicas 1612 y 1613. El haz es ahora dirigido por el espejo 1614 de manera que ilumine un panel de LCD nemático retorcido 1615, que tiene una resolución de 340 x 220 píxeles o puntos de imagen, provisto opcionalmente de un difusor pseudo-aleatorio 1616 fijado al mismo, antes de ser hecho converger en un pequeño punto del tamaño de 0,3 mm x 0,3 mm, sobre una película fotosensible 1620 situada dentro de abertura de definición 1618 que está provista de un mecanismo 1619 de accionamiento con émbolo, destinado a abrazar dicha abertura y dicha película una con otra en cada exposición.

El haz de referencia producido por el elemento 1609 atraviesa la placa de media onda 1610 y el polarizador 1611 antes de ser dirigido, a través del espejo 1621, sobre el substrato fotosensible 1620 situado en la posición definida por la abertura 1622, siendo dicha abertura coincidente con la abertura 1618, pero situada en el lado de la película correspondiente al haz de referencia.

El sistema anterior hace, de esta forma, que un haz de referencia y un haz de objeto iluminen conjuntamente una película fotosensible desde lados opuestos de dicha película, en una pequeña zona conocida como punto de imagen holográfico u holopíxel. El tamaño del punto de imagen holográfico así confeccionado viene efectivamente determinado por las aberturas 1618 y 1622. El haz de objeto se enfoca hacia abajo sobre dicho punto de imagen holográfico por medio de la lente 1617, cuyo plano de Fourier se dispone de tal manera que se extienda sobre el material fotosensible 1620. Al desplazar la película fotosensible 1620 de una manera escalonada o paso a paso en dos dimensiones, y de modo que se cambia la imagen del LCD 1615 en cada paso, esperando a que se extinga la vibración del sistema y exponiendo a continuación un punto de imagen holográfico subsiguiente, se graba una pluralidad de dichos puntos de imagen holográficos en la película fotosensible 1620. Al calcular de manera computacional todas las imágenes de LCD requeridas, se genera de esta forma un holograma monocromático de reflexión de luz blanca de una escena u objeto de tres dimensiones de paralaje completo.

La disposición anterior adolece de muchas desventajas. En primer lugar, el uso de un láser de CW limita seriamente el tiempo de inscripción de cada punto de imagen holográfico. Por añadidura, las corrientes de aire, los cambios de temperatura y el sonido ambiental perturbarán generalmente el correcto funcionamiento de dicha impresora. En consecuencia, la disposición adolece de una velocidad de impresión lenta y no es posible, en la práctica, implementar dicho dispositivo fuera de un entorno de laboratorio estrictamente controlado. Es de destacar, por ejemplo, que se ha descrito el hecho de emplear 36 horas para inscribir incluso un pequeño holograma de 320 x 224 puntos de imagen holográficos.

Otra desventaja del sistema anterior es que tan solo puede producir puntos de imagen holográficos de un determinado tamaño. Esto es debido a que se utilizan tanto las aberturas de contacto 1618 y 1622, como el difusor pseudo-aleatorio fijo 1616, del mismo paso que el del LCD, para definir el tamaño de dichos puntos de imagen holográficos. Cada uno de estos dos subsistemas restringe de manera fundamental el tamaño del punto de imagen holográfico. En consecuencia, dicho sistema no es capaz de cambiar de manera continua el tamaño de los puntos de imagen holográficos y, por tanto, no pueden producirse fácilmente formatos de holograma diferentes que requieran tamaños de punto de imagen fundamentalmente diferentes.

El uso de las aberturas de contacto 1618, 1622 en el sistema, aparte de ser inflexible, es también altamente problemático, debido a que la superficie de la emulsión del material fotosensible es muy sensible.

Otra desventaja de esta realización es está diseñada únicamente para producir hologramas del tipo de reflexión monocromática. En consecuencia, quedan excluidos los hologramas del tipo de transmisión, tales como los de arco iris y los acromáticos. El sistema es también incapaz de producir hologramas del tipo original o maestro H1, y es, de forma similar, incapaz de producir ninguna forma de holograma de múltiples colores.

Otra desventaja del sistema anterior es que el objetivo de gran angular 1617 empleado está diseñado para reducir al mínimo únicamente la aberración esférica, es de un diseño simplista y tan solo permite la producción de un conjunto limitado de formatos holográficos.

Otra desventaja del sistema es que el ángulo del haz de referencia es fijo y no puede ser controlado como podría requerirse, por ejemplo, para establecer disposiciones para diferentes condiciones de repetición del holograma. Esto es particularmente problemático para un formato de gran tamaño.

Como se pone fácilmente de manifiesto, la impresora holográfica anteriormente descrita adolece de numerosos problemas que la hacen inviable para un uso comercial.

En muchos casos, el método en dos etapas para generar un holograma intermedio H1 a partir de datos informáticos y copiar, a continuación, o transferir al plano de imagen este holograma con el fin de formar un holograma visible con luz blanca (H2), se preferirá en última instancia con respecto a los métodos anteriormente mencionados de inscribir directamente el holograma final. Esto se debe a una cierto número de razones. En primer lugar, se prefiere con frecuencia generar hologramas de paralaje restringido que tienen únicamente paralaje horizontal. Con la técnica en dos etapas, que produce un holograma intermedio H1, dicho holograma H1 puede estar compuesto esencialmente de una o más tiras unidimensionales de puntos de imagen holográficos solapados. La técnica clásica de transferencia óptica se ocupa entonces de la mucho más difícil etapa computacional de calcular la distribución de la luz sobre la totalidad de la superficie bidimensional del holograma final (H2). Si dicho holograma final se inscribe directamente a la manera de un esquema de impresión de una sola etapa, entonces esta computación debe hacerse por medio de una computadora. Además, para hologramas grandes, el tiempo requerido para inscribir un conjunto ordenado bidimensional de puntos de imagen holográficos es habitualmente proporcional al cuadrado del tiempo requerido para inscribir el holograma original o maestro H1, y como tal, puede llegar a ser prohibitivamente largo en algunas aplicaciones.

Además, una queja frecuente respecto a los hologramas compuestos inscritos directamente en una sola etapa, es que los hologramas aparecen con una textura "granulosa", en tanto que la técnica de dos etapas consistente en utilizar un holograma original H1 es menos propensa a este problema.

A pesar de lo anterior, existen muchas situaciones en las que resulta ventajoso inscribir directamente el holograma final por medio de un método de inscripción directa de una sola etapa. Por ejemplo, los hologramas inscritos directamente se disponen más fácilmente a modo de baldosas para formar presentaciones visuales ultra-grandes. También, en un gran número de aplicaciones, se requieren rápidas vistas previas del holograma, y no es conveniente, en general, producir un holograma H1 y colocar este holograma a continuación dentro de otra máquina con el fin de generar el holograma final H2. De manera adicional, la técnica de una sola etapa consistente en inscribir directamente los hologramas, permite la creación de hologramas híbridos que tienen ventanas de visión muy poco convencionales, algo que es probable que sea extensamente demandado por la industria de la impresión en el contexto de los dispositivos de presentación visual de panel anunciador holográfico. Ventajas adicionales del sistema de una única etapa son que se pueden utilizar materiales tales como foto-polímeros (véase, por ejemplo, la Patente europea EP 0697631 B1), que requieren solamente un proceso de secado, en tanto que deben emplearse los materiales de haluro de plata, más sensibles, que requieren un tratamiento en mojado, para los hologramas H2 copiados de forma clásica, por razón de sencillas consideraciones energéticas.

Los procedimientos de impresión holográfica conocidos de una y de dos etapas se sirven de láseres de CW y, de esta, como resultado de ello, la tecnología de impresión holográfica convencional ha venido siendo fundamentalmente lenta y propensa a perturbaciones vibratorias.

Con el fin de examinar las características relevantes de las impresoras holográficas conocidas de dos etapas, se reproduce en la Figura 15 la impresora holográfica que se describe en la Patente norteamericana Nº 3.832.027, y se expondrá en lo que sigue. Un láser de CW 41, que emite un haz monocromático 71, es dirigido por medio de un prisma 62 hacia un divisor de haz 43. En él, el haz es dividido en dos partes. Una de las partes se conoce comúnmente como el haz de referencia, y la otra parte como el haz de objeto. El haz de referencia se desplaza a continuación, adicionalmente, hasta un filtro espacial y un colimador (46, 48), produciendo de esta forma un haz colimado 72 que es dirigido por medio de un espejo 64 hacia un espejo inclinado 65 situado por encima, el cual dirige finalmente dicho haz sobre un substrato sensible 60 desde arriba y con el ángulo adecuado. Una delgada abertura vertical 58 cubre el substrato fotosensible 60 con el fin de enmascarar o cubrir todo salvo una delgada barra o franja vertical 59 en dicho substrato.

El haz de objeto que emana del elemento óptico 43 es reflejado por el prisma 63 hacia un sistema de proyección 51 que consiste en una lente de iluminación 52, un sistema de avance 53 de transparencia de película fotográfica, provisto de una imagen de película 33 y una lente de proyección 54. El propósito de este sistema de proyección 51 consiste en proyectar una imagen aumentada y enfocada de la imagen, que existe sobre el marco o cuadro 33 de la película, sobre una pantalla grande de difusión 56, en luz coherente. La luz procedente de esta imagen aumentada se difunde o esparce entonces por el difusor en una gran variedad de direcciones, de tal manera que algo de dicha luz cae sobre el área del substrato fotosensible 59 no cubierto por la abertura 58.

El sistema funciona desplazando, en etapas o pasos, la abertura a través de la superficie de material fotosensible, según una dirección perpendicular a la dirección de la ranura (es decir, verticalmente en el diagrama y horizontalmente en realidad) y en una magnitud finita, realizando una exposición al láser en cada una de dichas etapas. El sistema de avance de película se hace funcionar cada vez que la abertura se desplaza, de tal manera que la imagen de la película se cambia en cada exposición. Al disponer que se almacenen en el rollo de película un conjunto de vistas en perspectiva apropiadas de una cierta escena u objeto en tres dimensiones, es posible codificar, de esta forma, un estereograma holográfico sobre el substrato fotosensible 60.

Existen numerosas desventajas en este sistema. En primer lugar, el uso de un láser de CW lleva consigo que todo el sistema haya de ser instalado sobre una plataforma de aislamiento de la vibración, que debe estar, por lo común, suspendida neumáticamente. Además, las corrientes de aire, los cambios de temperatura y el sonido medioambiental perturbarán, por lo general, el correcto funcionamiento de dicha impresora. En consecuencia, el sistema adolece de una baja velocidad de impresión y no resulta práctico utilizar dicho dispositivo fuera de un entorno de laboratorio estrictamente controlado.

Otra desventaja de esta impresora holográfica es que se utiliza una pantalla de difusión sobre la cual se proyectan imágenes de vista en perspectiva en dos dimensiones. Cuando el holograma H1 producido por este método se transfiere para formar un holograma H2 que es visible con luz blanca (véase, por ejemplo, la Figura 6 de la Patente norteamericana Nº 3.832.027), el tamaño de dicho holograma final (H2) visible con luz blanca debe ser menor o igual que el tamaño de la pantalla de difusión 56. De esta forma, por ejemplo, si se desea generar un holograma visible con luz blanca de 1 m x 1 m, entonces ha de utilizarse una pantalla de difusión con un tamaño de al menos 1 m x 1 m. Puesto que la distancia D que se muestra en la Figura 15 debe corresponder tanto a la distancia de visión óptima final del holograma visible con luz blanca, como a la distancia D que se muestra en la Figura 6 de la Patente norteamericana Nº 3.832.027, dicha distancia D debe ser habitualmente bastante mayor que el tamaño del holograma. De este modo, puede observarse que la intensidad de la luz de objeto que incide finalmente, a través de la ranura 59 de la abertura 58, sobre el material fotosensible 60 de la Figura 15 es muchos órdenes de magnitud menor que la luz total que ilumina la pantalla de difusión. En el caso de que se desee generar un holograma (H2) visible con luz blanca y con un tamaño de 1 m x 1 m por medio del procedimiento descrito en la Figura 6 de la Patente norteamericana Nº 3.832.027, puede adoptarse sensiblemente un valor para la D que se muestra en la Figura 15 de aproximadamente 1 m. Si se toma la sensibilidad promedio de la película holográfica de haluro de plata estándar de modo que sea 50 \muJ/cm^{2}, y se hacen diversas aproximaciones realistas del sistema, puede demostrarse que se requiere una energía mínima del láser de 1 julio. En consecuencia, con el fin de inscribir dichos hologramas, bien se requeriría un láser de CW de gran tamaño, o bien deberían utilizarse exposiciones muy largas. Sin embargo, un láser potente no es deseable, debido a los problemas de calentamiento térmico de los diversos componentes ópticos, en particular de la película 33, que ha de permanecer estática en términos interferométricos durante todas y cada una de las exposiciones. Los tiempos de exposición largos no son deseables debido a los problemas originados por la vibración.

Otra desventaja del sistema anterior es que una pantalla de difusión, además de ser energéticamente ineficiente, deteriora inevitablemente la calidad de la imagen.

Otra desventaja del sistema anterior es que se utiliza una fuente puntual para iluminar la transparencia de película y, de esta forma, la fidelidad de la imagen final puede verse seriamente limitada.

Otra desventaja del sistema anterior es que debe desplazarse una gran abertura en movimiento, prácticamente en contacto con la superficie de emulsión fotosensible. Esto es normalmente muy problemático, ya que la emulsión del material fotosensible 60 es, por lo común, de una gran fragilidad, y, sin embargo, si la abertura 58 se mantiene a más de una distancia muy pequeña de dicha superficie de emulsión, entonces la calidad del holograma generado disminuirá rápidamente.

Aún otra desventaja adicional de la disposición anterior es que la abertura en movimiento dejará inevitablemente áreas del holograma que, bien hayan sido doblemente expuestas o bien hayan quedado sin exponer, disminuyendo de este modo la calidad. Esto es particularmente cierto cuando el tamaño de la ranura 59 es mucho menor que el tamaño del holograma.

Otra desventaja de la disposición anterior es que tan solo es capaz de realizar hologramas del tipo H1, y no puede inscribir hologramas visibles con luz blanca directamente en una etapa en el caso de que el objeto tridimensional corte al plano del holograma.

Una desventaja adicional de la disposición anterior es que únicamente es capaz de inscribir razonablemente bien hologramas de paralaje único, ya que la generalización de la técnica al paralaje completo convertiría previsiblemente la técnica en embarazosa, dados los problemas anteriormente citados. Es de esperar de un dispositivo de impresión holográfica comercial que sea relativamente compacto, funcione en un entorno comercial normal que es propenso a las vibraciones, produzca una variedad de formatos de holograma y ofrezca tiempos de impresión razonables.

En consecuencia, se desea proporcionar una impresora holográfica mejorada.

De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona una impresora holográfica de acuerdo con la reivindicación 1.

Los medios de variación automática de la coherencia espacial controlan, preferiblemente, de una forma variable continua, el diámetro del haz de láser objeto en el plano de Fourier.

La etapa de utilizar un láser de impulsos como fuente de láser de una impresora holográfica resulta particularmente ventajosa debido a que permite a la impresora funcionar sin ser sensible a las vibraciones internas o externas, ni a las ligeras fluctuaciones de temperatura. Además, la velocidad de impresión se incrementa de una modo fundamental, puesto que no hay necesidad de esperar a que se extinga la vibración antes de realizar una exposición. De este modo, la velocidad de inscripción viene esencialmente determinada por la velocidad de refrescamiento o reposición del SLM utilizado. En consecuencia, la realización preferida puede trabajar varios órdenes de magnitud más rápido que las impresoras convencionales que utilizan un láser de CW, y con una fiabilidad de funcionamiento fundamentalmente más elevada.

El hecho de que la impresora holográfica comprende adicionalmente unos medios de variación automática de la coherencia espacial, destinados a modificar automáticamente la coherencia espacial del haz de láser, permite controlar el diámetro del haz de láser de objeto en el plano de Fourier. En general, cuanto mayor es el diámetro del haz de láser de objeto en el plano de Fourier, más grande es la fidelidad de la imagen final. Sin embargo, si el diámetro del haz en el plano de Fourier llega a ser demasiado grande, se perderá la profundidad de imagen del holograma. Como el tamaño óptimo del diámetro del haz de objeto en el plano de Fourier es una función del tipo de holograma que se está inscribiendo, del formato del holograma, de la imagen contenida en él y de diversos otros parámetros de la impresora, es altamente deseable disponer de la capacidad de cambiar de forma continua este diámetro.

Preferiblemente, los medios de variación automática de la coherencia especial comprenden un telescopio ajustable y un conjunto ordenado de micro-lentes, de tal manera que el telescopio ajustable está dispuesto para crear un haz de láser de diámetro variable aproximadamente colimado, que ilumina el conjunto ordenado de micro-lentes. El telescopio se dispone de tal manera que ilumine un área controlable de forma variable del conjunto ordenado de micro-lentes, y el paso de las pequeñas lentes del conjunto ordenado de lentes puede escogerse de tal manera que las lentes individuales emitan radiación que no se superponga substancialmente para crear motas o manchas. De esta forma, es posible controlar de una forma eficaz y sencilla el diámetro del haz de objeto en el plano de Fourier, y crear también una imagen de alta fidelidad de la pantalla de LCD, iluminada efectivamente por el conjunto de fuentes de pequeñas lentes irradiantes y substancialmente carente de motas.

Preferiblemente, la impresora holográfica comprende adicionalmente un modulador de luz espacial trasladable y dispuesto aguas abajo de los medios de variación automática de la coherencia espacial, y aguas arriba del sistema de lentes. Los moduladores de luz espaciales actualmente disponibles tienen una resolución finita. Con el fin de alcanzar una resolución final del holograma más alta que la que sería posible de otra manera con un SLM estático, el modulador de luz espacial puede ser desplazado dentro del plano de datos de entrada del objetivo. Dicho sistema incrementa las capacidades de resolución holográfica efectiva de la impresora holográfica.

De manera preferida, la impresora holográfica comprende adicionalmente medios para modificar las imágenes enviadas al modulador de luz espacial, de tal manera que al menos se corrijan parcialmente las distorsiones ópticas inherentes a la impresora. La corrección por software o programación de las imágenes informáticas digitales antes de su presentación visual en el modulador de luz espacial es una característica preferida altamente deseable de la presente invención. Esto es debido a que, con el fin de diseñar objetivos de gran angular adecuados para una impresora holográfica, es posible obtener un mejor comportamiento a la hora de eliminar las aberraciones caracterizadas por los cuatro primeros coeficientes de Seidel si se acepta alguna distorsión óptica (5º coeficiente). De esta forma, es posible obtener de manera eficaz una mejor resolución de limitación de objetivo y un mejor campo de visión de objetivo en el caso de que el objetivo de gran angular posea un cierto grado de distorsión en barril o en acerico. Como, para muchos tipos de hologramas, deben inscribirse diferentes canales de color que deben realizar la grabación o registro de forma exacta, el uso de corrección de imagen por software o programación resulta particularmente ventajoso.

Preferiblemente, dicho sistema de lentes tiene un campo de visión efectivo mayor que 70 grados, preferiblemente, mayor que 75 grados, más preferiblemente, mayor que 80 grados, y aún más preferiblemente, al menos de 85 grados. El campo de visión del sistema de lentes determina el máximo campo de visión posible para un holograma final de luz blanca en el plano de imagen, producido a partir de los modelos originales de H1 de la realización preferida. También determina el formato de los hologramas que puede producir una impresora holográfica. De esta forma, un sistema de lentes con un campo de visión inferior a 70 grados limitaría seriamente la aplicación del dispositivo.

De manera preferida, el plano de Fourier del sistema de lentes está situado aguas abajo del sistema de lentes, más preferiblemente, al menos 1 mm, 1,5 mm, 2 mm ó 2,5 mm aguas abajo del sistema de lentes. Resulta una tarea difícil diseñar un objetivo de gran angular que tenga su grosor o diafragma de campo mínimo (plano de Fourier) fuera y aguas abajo del objetivo. Es una tarea aún más difícil permitir que exista el suficiente espacio entre la lente final del objetivo y este plano, de tal manera que pueda hacerse incidir un haz de referencia (desde el lado del objetivo) en el ángulo de Brewster, para contribuir a iluminar una película fotosensible situada próxima al plano de Fourier o en éste (véase, por ejemplo, la Figura 12). Si la distancia desde el plano de Fourier al objetivo es mucho menor que aproximadamente 2 mm, entonces se hace virtualmente imposible utilizar los moduladores de luz espaciales disponibles en la actualidad.

Preferiblemente, la fuente de láser se dispone de manera que produzca adicionalmente haces de láser de unas segunda y tercera longitudes de onda, de tal modo que las primera, segunda y tercera longitudes de onda difieren, cada una de ellas, de las otras por al menos 30 nm. Si se dispone la fuente de láser de tal manera que sea de múltiples colores, es posible confeccionar hologramas originales o maestros de múltiples colores, que pueden ser utilizados para producir hologramas de múltiples colores en el plano de la imagen.

De manera preferida, la impresora holográfica comprende adicionalmente unas segunda y tercera fuentes de láser para producir haces de láser de unas segunda y tercera longitudes de onda, de tal modo que las primera, segunda y tercera longitudes de onda difieren, cada una de ellas, de las otras por al menos 30 nm. Una realización alternativa para un láser de múltiples colores consiste en varios láseres, cada uno de los cuales produce una emisión de color diferente.

De manera preferida, la impresora holográfica comprende adicionalmente un primer sistema de lentes para uso con la primera longitud de onda, un segundo sistema de lentes para uso con la segunda longitud de onda, y un tercer sistema de lentes para uso con la tercera longitud de onda, en la cual los primer, segundo y tercer sistemas de lentes están dispuestos de tal manera que puede seleccionarse automáticamente el sistema de lentes que se desee. Como se ha mencionado anteriormente, el diseño del objetivo es esencial, y normalmente puede diseñarse un objetivo mucho mejor si éste ha de funcionar únicamente con una longitud de onda. En consecuencia, cuando se utiliza un funcionamiento con múltiples colores, se emplean, preferiblemente, diferentes sistemas de lentes que están optimizados para una longitud de onda particular.

De manera preferida, los medios de variación de la coherencia espacial comprenden una pluralidad de elementos de difracción discretos, de tal modo que el número de los elementos de difracción discretos iluminados por el haz de láser puede ser modificado y/o controlado.

Preferiblemente, la impresora holográfica comprende adicionalmente una pluralidad de lentes pequeñas y medios para modificar el número de lentes iluminadas por el haz de láser.

De manera preferida, la impresora holográfica comprende adicionalmente medios para modificar la coherencia espacial del haz, de forma adicionalmente preferida de un modo automático, sin introducir substancialmente ningún ruido de moteado.

Preferiblemente, la impresora holográfica comprende adicionalmente medios para modificar la coherencia espacial del haz de láser de una forma no discreta, variable continuamente.

De manera preferida, los medios de variación de la coherencia espacial comprenden una pluralidad de componentes, de tal modo que la relación entre los componentes puede modificarse con el fin de cambiar la coherencia espacial del haz de láser. De acuerdo con una realización particularmente preferida, la relación que puede modificarse es la distancia relativa entre las dos lentes.

De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, se proporciona un método para inscribir directamente en una sola etapa hologramas visibles con luz blanca, de acuerdo con la reivindicación 11.

La realización preferida resuelve el problema de la sensibilidad a las vibraciones ambientales y provocadas por las máquinas en una máquina de impresión holográfica comercial, gracias al uso de un láser de impulsos que tiene características de haz temporales y espaciales adecuadas, de tal manera que el tiempo de inscripción del holograma está limitado únicamente por la velocidad de refrescamiento o reposición del modulador de luz espacial empleado.

La realización preferida emplea la combinación de un modulador de luz espacial, un objetivo de gran angular de aberración minimizada, que tiene un grosor o diafragma de campo de haz mínimo situado fuera del objetivo y emplea un método para controlar la coherencia espacial del haz de láser que pasa a través de dichos elementos ópticos sin inducir un ruido de moteado significativo.

La realización preferida se sirve de la combinación de un modulador de luz espacial, un objetivo de gran angular de aberración minimizada, que tiene un grosor o diafragma de campo de haz mínimo situado fuera del objetivo y emplea un método para controlar la coherencia espacial del haz de láser que pasa a través de dichos elementos ópticos sin inducir un ruido de moteado significativo, con el fin de grabar un holograma compuesto general que es visible con luz blanca y en el cual el tamaño de los puntos de imagen de los hologramas componentes individuales se controla, preferiblemente, de un modo continuo por medio de dicha coherencia espacial, y en el que la distribución de la intensidad luminosa de dicho punto de imagen o píxel es favorable.

De manera preferida, el modulador de luz espacial, que presenta visualmente las imágenes individuales para cada punto de imagen holográfico, puede ser desplazado de una forma unidimensional o bidimensional dentro del plano de datos de entrada del objetivo, entre las exposiciones individuales, de tal manera que puede crearse una ventana de visión de holograma rectangular bien definido cuando se inscribe directamente un holograma en una sola etapa.

De acuerdo con otra realización, el modulador de luz espacial puede permanecer fijo dentro de la pupila del objetivo, y disponerse que cualquier traslación que se requiera (ya sea ésta lado con lado o de arriba / abajo) de la imagen presentada visualmente entre exposiciones individuales se lleve a cabo mediante programación.

De manera preferida, puede utilizarse una combinación de desplazamiento de imagen por programación y movimiento mecánico del modulador de luz espacial con el fin de alcanzar una traslación de imagen efectiva en el plano de datos de entrada del objetivo.

En el caso de la generación directa del holograma final, se prefiere escoger, optimizar o controlar (de forma continua) la densidad de empaquetamiento y el tamaño de los puntos de imagen holográficos de una forma tal, que se optimice la calidad, el brillo y la profundidad de campo de la imagen holográfica.

Preferiblemente, cuando se utiliza un láser de impulsos en color para producir hologramas de múltiples colores en una sola etapa, se implementan tres sistemas ópticos independientes que tienen una colocación de inscripción controlable para al menos uno de los objetivos ópticos de gran angular, lo que permite la inscripción de puntos de imagen holográficos de diferentes colores en una emulsión pancromática en paralelo, de tal manera que puede hacerse que cada uno de los puntos de imagen holográficos de los diferentes colores quede alineado, o puede hacerse que los puntos de imagen holográficos de diferentes colores formen una configuración específica y controlable.

Los datos empleados para inscribir los hologramas son, preferiblemente, bien generados por un modelo informático en tres dimensiones, bien tomados a partir de una pluralidad de tomas de cámara secuenciales. Los hologramas son grabados con luz láser sobre un medio de grabación adecuado, con el uso de una cabeza de inscripción que emplea un modulador de luz espacial acoplado a una computadora. El material de grabación, o bien la cabeza de inscripción, se desplaza en un sentido unidimensional o bidimensional con el fin de inscribir un conjunto ordenado o matriz que comprende una pluralidad de puntos de imagen.

Preferiblemente, el objetivo de gran angular presenta una o más de las siguientes propiedades: (a) está diseñado para trabajar con una longitud de onda específica; (b) tiene un diafragma de campo de haz situado significativamente fuera del objetivo; (c) tiene una aberración óptica baja y una elevada resolución; (d) tiene un campo de visión efectivo mayor que 70 grados; y (e) tiene una distorsión óptica significativa (es decir, la aberración descrita por el 5º coeficiente de Seidel), por lo que requiere la corrección de imagen por programación (SLM).

De manera preferida, el método de controlar de forma variable la coherencia espacial del haz de objeto consiste en utilizar un telescopio ajustable (creando un haz de láser de diámetro variable aproximadamente colimado) que ilumina un conjunto ordenado o matriz de micro-lentes.

Preferiblemente, el láser de impulsos es un láser de impulsos monocromático que tiene una duración de los impulsos comprendida entre 1 femtosegundo y 100 microsegundos, y una coherencia temporal de una longitud mayor que 1 mm.

De forma preferida, el láser de impulsos es un láser de neodimio que es adicionalmente, de manera preferida, bien una lámpara de destellos o bien un diodo bombeado.

De preferencia, el láser de impulsos es un láser de múltiples colores que tiene una duración de los impulsos para cada componente de color comprendida entre 1 femtosegundo y 100 microsegundos, y una coherencia temporal de cada componente de color mayor que 1 mm.

De manera preferida, el tamaño de punto de imagen holográfico de cualquier holograma que se produzca se optimiza y controla para lograr la mejor fidelidad de imagen.

De forma preferida, al menos algunas de las etapas de traslación y rotación electromecánicas empleadas aquí son controladas por medio de un controlador especial que permite programar trayectorias de velocidad constante y con un movimiento no rectilíneo de dichas etapas electromecánicas, con lo que se garantiza el movimiento suave y de precisión adecuada de al menos algunas de dichas etapas a velocidades de exposición elevadas.

De preferencia, el SLM es un LCD (dispositivo de presentación visual de cristal líquido) de alta resolución.

Preferiblemente, se aplican algoritmos lógicos o de programación para la distorsión de la imagen, para cada punto de imagen holográfico inscrito, a fin de corregir la distorsión óptica intrínseca del sistema óptico de la impresora, y garantizar una imagen de repetición de holograma no distorsionada bajo una cierta geometría de luz de iluminación final.

De manera preferible, el método de controlar de forma variable la coherencia espacial del haz de objeto se dispone de tal manera que no se induzca un ruido de moteado significativo en el holograma final.

De preferencia, los algoritmos lógicos de distorsión de la imagen se aplican a cada imagen enviada al SLM, siendo calculada la forma exacta de dichas distorsiones con referencia a la posición del SLM en el plano de datos de entrada de objetivo, e inscribiéndose el punto de imagen holográfico, con el fin de corregir la distorsión óptica intrínseca del sistema óptico de la impresora y asegurar una imagen de repetición de holograma no distorsionada, bajo cierta geometría de luz de iluminación final.

De acuerdo con una realización, se aplican algoritmos lógicos de distorsión de imagen a cada imagen enviada al SLM con el fin de corregir la distorsión óptica intrínseca del objetivo de gran angular de la impresora.

De acuerdo con una característica preferida, se utiliza una abertura situada en el plano de imagen para controlar el tamaño y la forma del haz de referencia. Preferiblemente, dicha abertura se desplaza de una forma unidimensional o bidimensional con el fin de modificar de forma precisa la posición del haz de referencia en el plano de la película holográfica. De manera preferida, el haz de referencia se hace seguir automáticamente al haz de objeto en el plano de la película holográfica. De preferencia, la distancia del objetivo desde el plano de la película holográfica se controla de tal manera que cambie el tamaño de los puntos de imagen holográficos.

Preferiblemente, la coherencia espacial del haz de objeto se controla de modo que cambie y optimice el diámetro del haz de objeto en la posición de su diafragma de campo de haz mínimo, después de pasar a través del objetivo de gran angular.

De forma preferida, la fidelidad de imagen del holograma se optimiza adicionalmente escogiendo la densidad espacial de los puntos de imagen holográficos inscritos. De manera adicionalmente preferida, la densidad se modifica de unas zonas a otras del holograma.

Preferiblemente, el elemento que controla la coherencia espacial del haz de objeto es desplazado de un modo aleatorio o particular entre las exposiciones de los puntos de imagen holográficos, con el fin de disminuir cualquier ruido que pudiera, de otro modo, deteriorar la calidad del holograma inscrito.

Preferiblemente, en el caso de un SLM estático, la traslación de imagen requerida dentro del plano de los datos de entrada del objetivo se lleva a cabo mediante software o programación.

La etapa de utilizar un láser de impulsos como la fuente de láser de una impresora holográfica resulta particularmente ventajosa puesto que permite a la impresora funcionar sin ser sensible a las vibraciones internas o externas, ni a las ligeras fluctuaciones de temperatura. Además, la velocidad de impresión se incrementa de una modo fundamental, puesto que no hay necesidad de esperar a que se extinga la vibración antes de realizar una exposición. De este modo, la velocidad de inscripción viene esencialmente determinada por la velocidad de refrescamiento o reposición del SLM utilizado. En consecuencia, la realización preferida puede trabajar varios órdenes de magnitud más rápido que las impresoras convencionales que utilizan un láser de CW, y con una fiabilidad de funcionamiento fundamentalmente más elevada.

La colocación del material fotosensible, durante el uso, substancialmente en el plano de Fourier, resulta óptima, ya que en cualquier otro plano se requeriría un solapamiento significativo de los puntos de imagen holográficos sobre la superficie del material fotosensible, a fin de no dar lugar a hologramas de apariencia granulosa en una configuración esparcida. Esto es debido a que los rayos de luz se cruzan unos sobre otros en el plano de Fourier. De esta forma, en el caso de que el plano de Fourier se encuentre a una distancia L del material fotosensible, la imagen final tendrá la apariencia de estar constituida por puntos de imágenes holográficos, situados a una distancia L del material fotosensible. La anchura aparente de estos puntos de imagen será igual al diámetro del haz de objeto en el plano de Fourier, que es siempre menor que el tamaño del haz de objeto en la superficie del material fotosensible. En consecuencia, en el caso de que el material fotosensible no se encuentre substancialmente en el plano de Fourier con el fin de casar adecuadamente los puntos de imagen holográficos adyacentes, se requerirá un solapamiento significativo de las huellas o proyecciones del haz de objeto de dichos puntos de imagen holográficos adyacentes sobre el material fotosensible, reduciéndose de esta forma la eficiencia de difracción del holograma.

El hecho de que la impresora holográfica comprende adicionalmente unos medios de variación automática de la coherencia espacial, destinados a modificar de forma automática la coherencia espacial del haz de láser, permite controlar el diámetro del haz de láser de objeto en el plano de Fourier. Esto significa, entonces, que el tamaño del punto de imagen holográfico puede ser controlado. Puesto que los diferentes formatos de hologramas requieren tamaños de punto de imagen fundamentalmente diferentes, es altamente deseable tener la capacidad de cambiar continuamente este diámetro.

De manera preferida, los medios de variación automática de la coherencia espacial comprenden un telescopio ajustable y un conjunto ordenado de micro-lentes, de tal manera que el telescopio ajustable está dispuesto para crear un haz de láser de diámetro variable aproximadamente colimado, que ilumina el conjunto ordenado de micro-lentes. El telescopio se dispone de tal manera que ilumine un área controlable de forma variable del conjunto ordenado de micro-lentes, y el paso de las pequeñas lentes del conjunto ordenado de lentes puede escogerse de tal manera que las lentes individuales emitan radiación que no se superponga substancialmente para crear motas o manchas. De esta forma, es posible controlar de una forma eficaz y sencilla el diámetro del haz de objeto en el plano de Fourier, y crear también una imagen de alta fidelidad de la pantalla de LCD, iluminada efectivamente por el conjunto de fuentes de pequeñas lentes irradiantes y substancialmente carente de motas.

Preferiblemente, la impresora comprende adicionalmente un modulador de luz espacial trasladable y dispuesto aguas abajo de los medios de variación automática de la coherencia espacial, y aguas arriba de dicho sistema de lentes. En el caso de que los hologramas hayan de ser iluminados para su presentación visual con un haz colimado de luz blanca, el hecho de trasladar el LCD proporciona un modo conveniente y eficaz de producir hologramas con zonas de visión rectangulares. Es deseable una ventana de visión rectangular puesto que un observador que ve el holograma, bien verá la imagen completa, o bien no verá nada en absoluto. Esto estará en contraste con el caso de una ventana de visión susceptible de desplegarse desde un rollo, en la que un observador ve, la mayor parte del tiempo, únicamente una parte de la imagen holográfica. Al trasladar el LCD, es posible producir un holograma con una cierta zona de visión rectangular, con un LCD con una resolución menor que la que, de otro modo, se requeriría en el caso de que el LCD permaneciese estático.

De manera preferida, la impresora comprende adicionalmente medios para modificar las imágenes enviadas al modulador de luz espacial, de tal manera que al menos se corrijan parcialmente las distorsiones ópticas inherentes a dicha impresora. En una realización preferida, la impresora holográfica comprende medios para distorsionar previamente las imágenes que se envían a un modulador de luz espacial. La corrección por software o programación de las imágenes informáticas digitales antes de su presentación visual en el modulador de luz espacial es una característica preferida altamente deseable de la presente invención. Esto es debido a que, con el fin de diseñar objetivos de gran angular adecuados para una impresora holográfica, es posible obtener un mejor comportamiento a la hora de eliminar las aberraciones caracterizadas por los cuatro primeros coeficientes de Seidel si se acepta alguna distorsión óptica (5º coeficiente). De esta forma, es posible obtener de manera eficaz una mejor resolución de limitación de objetivo y un mejor campo de visión de objetivo en el caso de que el objetivo de gran angular posea un cierto grado de distorsión en barril o en acerico. Como, para muchos tipos de hologramas, deben inscribirse diferentes canales de color que deben realizar la grabación o registro de forma exacta, el uso de corrección de imagen por software o programación resulta particularmente ventajoso.

En muchos casos, los hologramas se iluminan para su presentación visual con un haz no colimado de luz blanda que emana de una fuente puntual, tal como una lámpara halógena. Si no se tiene en cuenta la geometría de iluminación de repetición y se emplea, además, un ángulo de referencia constante para la grabación, se producirán tanto la distorsión de la imagen como la distorsión de la ventana de visión al iluminar el holograma con un haz divergente. Con el uso de una combinación de distorsión previa de la imagen basada en un modelo de difracción, y una traslación unidimensional o bidimensional del LCD, y al desplazar el haz de referencia únicamente en una dimensión en cada exposición de punto de imagen holográfico, es posible compensar cualquier distorsión inducida en la imagen y puede alcanzarse una ventana de visión del holograma muy mejorada. Así pues, es altamente deseable la combinación de un haz de referencia modificable dimensionalmente, un LCD susceptible de ser trasladado y la distorsión lógica de la imagen, particularmente para los hologramas de mayor tamaño.

De manera preferida, el sistema de lentes tiene un campo de visión efectivo mayor que 70º.

De manera preferida, el plano de Fourier del sistema de lentes está situado aguas abajo de dicho sistema de lentes, preferiblemente, al menos 1 mm, 1,5 mm, 2 mm ó 2,5 mm aguas abajo del sistema de lentes.

Preferiblemente, la fuente de láser se dispone de manera que produzca adicionalmente haces de láser de unas segunda y tercera longitudes de onda, de tal modo que las primera, segunda y tercera longitudes de onda difieren, cada una de ellas, de las otras por al menos 30 nm.

De manera preferida, la impresora comprende adicionalmente unas segunda y tercera fuentes de láser para producir haces de láser de unas segunda y tercera longitudes de onda, de tal modo que las primera, segunda y tercera longitudes de onda difieren, cada una de ellas, de las otras por al menos 30 nm.

De manera preferida, la impresora holográfica comprende adicionalmente un primer sistema de lentes para uso con dicha primera longitud de onda, un segundo sistema de lentes para uso con dicha segunda longitud de onda, y un tercer sistema de lentes para uso con dicha tercera longitud de onda, en la cual los primer, segundo y tercer sistemas de lentes están dispuestos de tal manera que puede seleccionarse automáticamente el sistema de lentes que se desee.

Preferiblemente, se proporciona una impresora holográfica digital de una sola etapa que incorpora un láser de impulsos, un SLM (modulador de luz espacial -"Spatial Light Modulator"), un objetivo de gran angular, así como un método para controlar de forma variable la coherencia espacial del haz de objeto. De manera preferida, el SLM es estático y llena efectivamente el plano de datos de entrada del objetivo de gran angular. De manera alternativa, el SLM se desplaza, de una exposición de punto de imagen holográfico a otra, de un modo unidimensional o bidimensional en el plano de datos de entrada del objetivo de gran angular.

Preferiblemente, el tamaño de punto de imagen holográfico de cualquier holograma que se produzca se optimiza y controla, para cada caso, cambiando la coherencia espacial del haz de objeto.

Preferiblemente, se aplican algoritmos lógicos de distorsión de imagen a cada imagen que se envía al SLM, con el fin de corregir la distorsión óptica intrínseca del objetivo de gran angular de la impresora y adoptar una imagen de repetición del holograma no distorsionada, bajo cierta geometría de luz de iluminación final.

Preferiblemente, cuando se utiliza un láser de impulsos de color para producir hologramas de múltiples colores en una sola etapa, se emplea un sistema óptico de múltiples longitudes de onda, y varios elementos críticos de longitud de onda de este sistema óptico se reemplazan y seleccionan automáticamente entre las exposiciones de los diferentes colores.

De preferencia, se proporciona una impresora holográfica digital de una sola etapa que incorpora un láser de impulsos, uno o más SLMs, uno o más objetivos de gran angular y un método para controlar de forma variable la coherencia espacial de cada haz de objeto.

De manera preferida, se proporciona una impresora holográfica digital de una sola etapa que incorpora un láser de impulsos de múltiples colores, tres o más SLMs, tres o más objetivos de gran angular, así como un método para controlar de forma variable la coherencia espacial de cada haz de objeto, y un método para ajustar de forma variable la separación entre los puntos de imagen holográficos de los diferentes colores.

De preferencia, se proporciona una impresora holográfica digital de una sola etapa que incorpora un láser de impulsos de múltiples colores, tres o más SLMs, tres o más objetivos de gran angular, así como un método para controlar de forma variable la coherencia espacial de cada haz de objeto, y en el que la separación entre los puntos de imagen holográficos de los diferentes colores es fija y puede ser cero o no.

Preferiblemente, se proporciona una impresora holográfica digital de una sola etapa que incorpora un láser de impulsos de múltiples colores, un SLM, tres o más objetivos de gran angular que pueden ser insertados automática o manualmente en una posición crítica de un circuito óptico principal, o retirados de la misma, así como un método para controlar de forma variable la coherencia espacial del haz de objeto, de tal manera que dicha impresora holográfica imprime secuencialmente en un color y hace a continuación otra pasada para el siguiente color.

De manera preferida, se proporciona una impresora holográfica digital de una sola etapa que incorpora un láser de impulsos de múltiples colores en el que se inscribe, en primer lugar, un canal de color, después de lo cual la impresora realiza otra pasada para inscribir el siguiente color, y así sucesivamente, siendo dichas pasadas, bien una línea de impresión completa, bien parte de una línea de impresión, bien una zona que se ha de imprimir, o bien la totalidad de la región que se ha de imprimir.

De forma preferida, se proporciona una impresora holográfica digital de una sola etapa que incorpora un láser de impulsos de múltiples colores en el que se inscriben uno o más canales de color al mismo tiempo.

Preferiblemente, se utiliza una abertura contenida en el plano de imagen para controlar el tamaño y la forma del haz de referencia.

Preferiblemente, la relación entre la energía del láser de referencia y la energía del láser de objeto se escoge de tal manera que se optimice el brillo y la calidad del holograma final.

De manera preferida, el tamaño del haz de referencia siempre se hace coincidir con el tamaño del haz de objeto en la superficie de material fotosensible.

De preferencia, se utiliza una abertura contenida en el plano de la imagen para controlar el tamaño y la forma del haz de referencia, al tiempo que se mantiene una colimación del haz efectiva y una baja divergencia del haz.

De manera preferible, se proporciona una impresora holográfica digital diseñada para imprimir hologramas directamente en una sola etapa, la cual incorpora un láser de impulsos de color en el que se reemplazan uno o más elementos ópticos por elementos ópticos holográficos.

De forma preferida, se proporciona una impresora holográfica digital diseñada para imprimir hologramas directamente en una sola etapa, la cual incorpora un láser de impulsos en el que se reemplazan uno o más elementos ópticos por elementos ópticos holográficos.

De acuerdo con una realización, se proporciona una impresora holográfica digital diseñada para imprimir hologramas digitales directamente en una sola etapa, la cual incorpora un láser de impulsos, una multiplicidad de SLMs, una multiplicidad de objetivos de gran angular, así como un método para controlar de forma variable la coherencia espacial de cada haz de objeto, y un método para ajustar de forma variable la separación entre los puntos de imagen holográficos inscritos por cada objetivo de gran angular.

De acuerdo con una realización, se proporciona una impresora holográfica digital diseñada para imprimir hologramas digitales directamente en una sola etapa, la cual incorpora un láser de impulsos de múltiples colores, una multiplicidad de SLMs, una multiplicidad de objetivos de gran angular, así como un método para controlar de forma variable la coherencia espacial de cada haz de objeto, y un método para ajustar de forma variable la separación entre los puntos de imagen holográficos inscritos por cada objetivo de gran angular.

Se describirán a continuación diversas realizaciones de la presente invención, proporcionadas únicamente a modo de ejemplo, conjuntamente con la disposición ilustrativa de inscripción del modelo original o maestro H1, y con referencia a los dibujos que se acompañan, en los cuales:

la Figura 1 ilustra el procedimiento de adquirir los datos de una serie de tomas de cámara secuenciales que pueden utilizarse para generar los hologramas digitales, además de para ilustrar un modelo informático de un objeto en el que se define un plano de visión sobre el cual se generar vistas en perspectiva;

la Figura 2 ilustra una vista en planta de una disposición;

la Figura 3 ilustra componentes clave seleccionados para la realización preferida, tomados en una vista en perspectiva;

la Figura 4 ilustra una disposición funcionando en el modo de inscripción de modelo original H1 para el caso de un holograma H1 de transmisión;

la Figura 5 ilustra una disposición funcionando en el modo de inscripción de modelo original H1 para el caso de que el material de grabación holográfico esté orientado en el ángulo acromático;

la Figura 6 ilustra una disposición funcionando en el modo de inscripción de modelo original H1 para el caso de un holograma H1 de reflexión;

la Figura 7 ilustra una realización funcionando en el modo de inscripción directo (en una sola etapa) para el caso de un holograma de reflexión;

la Figura 8(a) ilustra la configuración de densidad de haz de objeto solapado que se ha grabado sobre el material holográfico típico de un holograma de modelo original H1 inscrito para la creación de un holograma de arco iris por transferencia convencional, en el que cada punto contiene la información en perspectiva para un cierto punto de vista;

la Figura 8(b) ilustra la configuración de densidad de haz de objeto solapado que se ha grabado sobre el material holográfico típico de un holograma de modelo original H1 inscrito para la creación de un holograma de arco iris a todo color por transferencia convencional, en el que cada elipse contiene la información en perspectiva para un cierto punto de vista, de tal manera que las tres filas representan las tres separaciones de colores primarios;

la Figura 9 ilustra la configuración de densidad de haz de objeto solapado que se ha grabado sobre el material holográfico típico de un holograma de modelo original H1 de apertura completa inscrito para la creación de un holograma de reflexión de un solo color o a todo color por transferencia convencional, en el que cada círculo contiene la información en perspectiva para un cierto punto en el espacio, tal como se muestra en la Figura 1;

la Figura 10 ilustra la configuración de densidad de haz de objeto que se ha grabado sobre el material holográfico típico de un holograma directamente inscrito, en el que cada círculo contiene la información direccional y de amplitud de la luz que se origina desde ese punto que constituye la imagen en tres dimensiones;

la Figura 11 muestra un ejemplo de un objeto de gran angular utilizado en una realización particularmente preferida (optimizada para 526,5 nm), el cual tiene una resolución elevada, una baja aberración, una distancia de plano focal variable y una posición de diafragma de campo mínimo del haz situada significativamente fuera del objetivo;

la Figura 12 muestra el trazado o recorrido de los rayos para el objetivo que se muestra en la Figura 11, detallando diversos planos y posiciones clave;

las Figuras 13(a)-(d) muestran diagramas de puntos de incidencia para el objetivo de las Figuras 11 y 12, calculados mediante un trazado de rayos inverso desde el plano de objeto hasta el plano de datos de entrada, para configuraciones de cuatro distancias focales;

la Figura 14 ilustra diagramas de intersección de rayos para el objetivo, funcionando éste en la distancia focal 3 (Zoom 3) de las Figuras 11, 12 y 13, en los planos de objeto y de datos de entrada;

la Figura 15 ilustra una impresora holográfica conocida, que se proporciona tan solo con propósitos ilustrativos;

la Figura 16 ilustra una impresora holográfica conocida alternativa; y

la Figura 17 compara un método convencional para producir un holograma con el método correspondiente de una disposición ilustrativa.

5.1 Datos de imagen fundamentales requeridos

En una realización de esta invención, se emplea una computadora para generar un modelo tridimensional de un objeto utilizando un programa informático comercial convencional. Dichos programas informáticos son capaces de producir, en la actualidad, modelos muy vivos o realistas mediante el uso de una gran variedad de procedimientos de prestaciones sofisticadas que imitan los efectos de la vida real. Además, los avances en la tecnología de la computación han visto ahora disminuir drásticamente los tiempos de cálculo requeridos para la ejecución de dichos programas. Los escáneres tridimensionales que utilizan el principio de Moiré u otros principios permiten actualmente la incorporación de imágenes tridimensionales del mundo real en dichos modelos informáticos. La memoria de almacenamiento que se requiere para dichos modelos tridimensionales depende ampliamente de los mapas de textura utilizados en ella, y, por tanto, los archivos informáticos que representan dichos modelos tridimensionales son, por lo común, relativamente pequeños y pueden ser transmitidos fácilmente a través de Internet. En la realización preferida de esta invención, se utilizan dichos modelos informáticos tridimensionales para generar una serie de vistas de cámara en dos dimensiones desde un plano de visión virtual, como se muestra en la Figura 1. Aquí, el plano de visión se ha designado con la referencia 101, y las imágenes individuales bidimensionales, tales como la 105 y la 105, del objeto representado informáticamente 100, se generan en múltiples posiciones sobre el plano de visión, tales como las 102 y 103. La separación y densidad de dichas vistas en dos dimensiones se controlan, en general, de acuerdo con la información requerida para un cierto tipo de holograma, si bien, en una realización, forman una matriz regular de dos dimensiones y, en otra, una matriz regular horizontal de una dimensión. Las deformaciones con respecto a dichas formas regulares resultan útiles por varias razones, tales como, si bien no se limitan a ésta, la reducción del ruido de la imagen del holograma, al tiempo que se controla la borrosidad de la imagen.

En otra realización de la invención, se utiliza un modelo real en lugar de una representación informática, y se emplea una cámara real para grabar fotografías individuales (ya sea digitalmente o por medio de una película fotográfica que digitaliza subsiguientemente). En tal caso, la Figura 1 se interpretará de la siguiente manera. El objeto 100 representa el objeto del que se ha de tomar la holografía. La referencia 101 representa el plano sobre el que se sitúa una cámara 102 y se toman fotografías del objeto 100, desde una variedad de posiciones contenidas en este plano. Por ejemplo, la posición de visión 106 da lugar a la fotografía 105, y la posición de visión 103 da lugar a la fotografía 104. En general, se utiliza algún mecanismo para transportar una cámara de una posición a otra de una forma secuencial, con el uso, para llevar esto a cabo, de una etapa de traslación unidimensional o bidimensional. Como antes, la separación y densidad de dichas vistas en dos dimensiones se controlan generalmente de acuerdo con la información requerida para un cierto tipo de holograma, si bien, en una realización, forman una matriz regular de dos dimensiones, y en otra, un conjunto ordenado o matriz regular horizontal de una dimensión. Las deformaciones con respecto a dichas formas regulares resultan de utilidad por diversas razones, tales como, si bien no se limitan a ésta, la reducción del ruido de la imagen del holograma, al tiempo que se controla la borrosidad de la imagen.

En ambos casos anteriores, puede obtenerse un modelo de la animación restringida, que puede ser transferida al holograma final, disponiendo que el modelo 100 se desplace en un sentido definido (representando dicha animación) conforme se seleccionan diferentes posiciones de cámara en el plano 101, de tal manera que dichas posiciones de cámara siguen trayectorias monótonas secuenciales en dicho plano. Al observar el holograma final, un observador que sigue dicha trayectoria monótona secuencial dentro del espacio de observación, percibirá dicha animación.

5.2 Principios básicos

La realización preferida funciona tomando un conjunto de vistas en dos dimensiones de un objeto real o representado informáticamente, y procesando dichas vistas digitalmente con el fin de generar datos que son presentados visualmente sobre un modulador de luz espacial en dos dimensiones. De acuerdo con una realización particularmente preferida, el modulador de luz espacial es un dispositivo de presentación visual de cristal líquido de alta resolución, si bien debe comprenderse que, en realizaciones menos preferidas, puede utilizarse cualquier otra forma de modulador de luz espacial de dos dimensiones que tenga las características apropiadas.

En la realización preferida de la invención, se emplea un láser de impulsos para iluminar este modulador de luz espacial. Dicho láser de impulsos puede ser un láser de un solo color o de múltiples colores, y puede producir impulsos que tienen tiempos característicos que van desde los nanosegundos hasta las decenas de microsegundos. La velocidad de repetición de dicho láser deberá permitir, idealmente, el funcionamiento a velocidades que se aproximen a la velocidad de refrescamiento del modulador de luz espacial elegido. El uso de un láser de impulsos hace posible la construcción de una máquina comercial que no se ve afectada por la vibración. En consecuencia, es posible producir hologramas de alta calidad de una forma rápida y predecible con el uso de dicho dispositivo. La coherencia temporal y la variación de la energía de impulso a impulso de dicho láser deberán ser escogidas cuidadosamente. En general, si las ramificaciones de haces de objeto y de referencia se hacen iguales, la coherencia temporal requerida es del orden de unos pocos centímetros. La elección definitiva de la duración del impulso debe depender de las relaciones de reciprocidad individuales de un material de grabación holográfico dado. En caso necesario, pueden emplearse trenes de impulsos para lograr unas envolventes de impulso más largas, al tiempo que se conserva el campo eléctrico de pico que es de utilidad para la conversión de frecuencia no lineal.

Se utiliza un sistema de iluminación especial para el modulador de luz espacial, el cual controla la coherencia espacial del haz de láser de una forma fácilmente ajustable. En la realización preferida de la invención, se emplean para este propósito un telescopio y un conjunto ordenado de micro-lentes, si bien ha de comprenderse que existen otros sistemas adecuados para controlar, de una forma fácilmente ajustable, la coherencia espacial de un haz de láser, que pueden sustituir a los anteriores. Dichos sistemas se caracterizan por los sistemas que controlan la coherencia espacial de un haz de láser de una forma fácilmente ajustable, al tiempo que no introducen un ruido de moteado significativo. La disposición conocida descrita por Yamagushi et al. ("Grabación de alta calidad de un estereograma holográfico de paralaje completo con un difusor digital" ("High Quality recording of a full-parallax holographic stereogram with digital diffuser"), Optical Letters, Vol. 19, Nº 2, páginas 135-137, 20 de enero de 1994) se sirve de un difusor pseudo-aleatorio, situado directamente enfrente del SLM con el fin de limitar la coherencia espacial sin introducir ruido de moteado. Sin embargo, este sistema no permite modificar de forma variable la coherencia espacial.

Un conjunto ordenado de micro-lentes consiste en una matriz ordenada bidimensional de micro-lentes. Cada una de las pequeñas lentes tiene un cierto diámetro y una longitud focal, y el conjunto ordenado se caracteriza por la separación entre los centros de las pequeñas lentes adyacentes. Cuando se ilumina con luz coherente de elevada coherencia espacial, cada pequeña lente actúa como una fuente efectiva individual y produce un cono de radiación divergente. Aguas abajo del conjunto ordenado de lentes, la radiación procedente de cada pequeña fuente se superpondrá a las otras. Una pantalla que se coloque de tal manera que corte a la pluralidad de radiaciones emitidas desde cada pequeña lente, mostrará, en general, ruido de moteado. Sin embargo, si las pequeñas lentes individuales se encuentran separadas a la suficiente distancia, entonces no se producirá esencialmente ningún moteado, ya que la información de fase entre las fuentes individuales se hace aleatoria. Esto es, sin embargo, importante a la hora de comprender que, a medida que se incrementa la distancia entre las pequeñas lentes, el número de fuentes de radiación situadas dentro de una cierta área, A, disminuye rápidamente. El área A de la parte iluminada del conjunto ordenado de lentes determina esencialmente, en el presente sistema, la coherencia espacial. El número de fuentes de radiación o pequeñas lentes contenidas en esta área determina, en consecuencia, la uniformidad del haz de iluminación final del SLM a través del promediado de conjunto o unión. Puesto que en la presente invención se utiliza un láser de impulsos, las técnicas de depuración del haz que se utilizan de forma rutinaria en la holografía de CW no pueden utilizarse normalmente como consecuencia de la disrupción electro-óptica, y, en consecuencia, el haz de iluminación es intrínsecamente menos uniforme espacialmente. Por tanto, se requiere un promediado de conjunto o unión de la pluralidad de fuentes de lente pequeña tan grande como sea posible. En general, se calculan las especificaciones óptimas para el conjunto ordenado de lentes y las del telescopio de iluminación del conjunto ordenado de lentes, mediante una combinación de un trazado de rayos convencional y del cálculo informático de la configuración de moteado formada en el plano del holograma final.

La luz de láser que pasa a través del modulador de luz espacial, pasa a través de una lente de objetivo de gran angular especial que enfoca la luz dentro de un diafragma de campo apretado, en el exterior de dicho objetivo, formando un haz conocido como el haz de objeto. Se forma una imagen del modulador de luz espacial a una distancia específica y controlable del diafragma de campo. Se coloca un material de grabación holográfico en dicho diafragma de campo mínimo del haz de objeto. Se hace incidir también un haz de referencia que es mutuamente coherente con este haz de objeto, a fin de iluminar la misma región física del material de grabación, pero desde un ángulo diferente, de tal manera que los haces de referencia y de objeto interfieren en la región con el fin de producir una configuración o patrón de interferencia que se graba en el material de grabación.

En una realización de la invención, el material holográfico es desplazado de una forma unidimensional o bidimensional con respecto al haz de objeto, en un plano determinado por el solapamiento óptimo de los haces de objeto y de referencia, al tiempo que la imagen formada en el modulador de luz espacial se modifica de tal manera que cada posición adyacente del par de haces de objeto / referencia sobre el material de grabación, es codificada con una configuración o patrón de interferencia característico de dichos datos informáticos diferentes. De manera alternativa, el par de haces de objeto / referencia es el que se hace desplazar, y el material de grabación permanece fijo (al menos en una dimensión). En cada caso, dicho método conduce a la creación de una pluralidad de patrones de interferencia individuales (que se conocen en lo que sigue como puntos de imagen holográficos), los cuales forman una matriz de dos dimensiones, o uno o más conjuntos ordenados de una dimensión, de dichos puntos de imagen. Dicha pluralidad de puntos de imagen se conoce como un holograma compuesto.

Es deseable que el tamaño y las distribuciones de intensidad, tanto del haz de objeto como del haz de referencia, sean controlados de forma precisa dependiendo del tipo de holograma que está siendo inscrito y de las características requeridas para dicho holograma. En el caso del haz de objeto, esto se realiza controlando la coherencia espacial de la luz de láser, en el caso de la inscripción de un holograma en una sola etapa, o bien modificando la distancia de la película holográfica desde el objetivo de gran angular, en el caso de un holograma de modelo original o maestro H1. El tamaño del haz de referencia puede controlarse de manera efectiva situando en el plano de imagen una abertura existente en la superficie del material de grabación, mediante el uso de un telescopio regulable, teniendo cuidado de mantener la colimación y la divergencia del haz dentro de límites aceptables.

Es también deseable que se diseñe e incorpore un objetivo de gran angular que minimice las aberraciones, a la vez que mantiene la posición de un diafragma de campo mínimo fuera de dicho objetivo. La disposición descrita por Yamagushi et al. ("Desarrollo de un prototipo de impresora holográfica de paralaje completo" ("Development of a prototype full-parallax holoprinter"), Proc. Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng (SPIE), Vol. 2406, Practical Holography IX (Holografía práctica IX), páginas 50-56, febrero de 1995)) utilizaba un objetivo de tres lentes que minimizaba la aberración esférica (1^{er} coeficiente de Seidel) y lograba un número f (número focal) de 0,79.

En general, el plano focal del objetivo debe ser variable dentro de un intervalo significativo; en el caso de un holograma H1, la distancia de imagen de SLM enfocada se corresponde exactamente con la distancia de transferencia H1- H2, y, por tanto, con la distancia óptima de visión del holograma final H2. Es necesario minimizar también las aberraciones correspondientes a los coeficientes de Seidel de orden mayor. En consecuencia, se ha identificado una clase apropiada de objetivos, un ejemplo de los cuales se muestra en la Figura 11, y que tienen un campo de visión excesivamente elevado y las propiedades requeridas de una elevada resolución y una aberración pequeña a lo largo de un intervalo extenso de distancias del plano focal. Una característica de estos objetivos, que pueden ser diseñados para varias longitudes de onda de láser, consiste en que exhiben una distorsión óptica significativa (véase la Figura 14, en la que un rectángulo perfecto situado sobre el plano de objeto 1402 forma un rectángulo redondeado 1401 al seguir la proyección o trazado de los rayos hacia atrás hasta el LCD que está situado en el plano de datos de entrada) y, en consecuencia, necesitan ser corregidos digitalmente por medio de software o programación. Dicha distorsión del tipo de "acerico" o de "barril" puede ser caracterizada, en la teoría de las perturbaciones canónicas'', por un 5º coeficiente de Seidel finito. Se han alcanzado, con los presentes objetivos, números F significativamente más pequeños que los mencionados en la técnica anterior, y es posible obtener campos de visión comprendidos en la zona de los 100 grados.

Después de su inscripción, dichos hologramas compuestos son tratados de acuerdo con los requisitos particulares de los materiales de grabación, y se crea un holograma. Los materiales preferidos son los foto-polímeros y los haluros de plata, si bien pueden utilizarse también otros materiales.

Con la elección adecuada de los algoritmos para el tratamiento de los datos, pueden ser generadas muchas formas de hologramas por medio del procedimiento anterior.

Pueden distinguirse dos clases importantes de hologramas. La primera de ellas son los hologramas conocidos como hologramas H1, que están diseñados para ser transferidos a otro holograma (al que se hace referencia, en lo sucesivo, como holograma H2) en el cual se modifica el plano de la imagen tridimensional. Dicha transferencia de plano de imagen ha sido descrita anteriormente y constituye una técnica óptica clásica convencional. La segunda clase de holograma es un holograma que imita o copia directamente este holograma transferido, o H2, evitando el requisito de pasar por la etapa de H1. En este caso, el plano de la imagen tridimensional se modifica utilizando una computadora para llevar a cabo un algoritmo de manipulación matemática diferente con el conjunto de datos originales.

Como constatará una persona experta en la técnica, estas dos clases diferentes de hologramas requieren condiciones de inscripción significativamente diferentes con el fin de alcanzar, para ambas clases, una calidad óptima del holograma. Los hologramas H1 se inscriben mejor con puntos de imagen o píxeles grandes, los cuales pueden alcanzar un área sobre el material de grabación que es cientos de veces mayor que la de los puntos de imagen requeridos para inscribir directamente el holograma final. Cada punto de imagen queda, en consecuencia, solapado muchas veces. Esto da lugar a un holograma H1 que es de un brillo reducido pero que presenta, de una forma fundamental, un ruido menor. La técnica de la transferencia del plano de imagen es entonces capaz de compensar esta reducción en la eficiencia de la difracción, y el resultado es un holograma H2 que presenta un brillo óptimo y una calidad muy alta.

Los hologramas directamente inscritos requieren una estructura de encuadre o encaje de los puntos de imagen que presente un solapamiento mínimo si el brillo del holograma final no se ha de ver comprometido. Esto, por supuesto, da lugar a limitaciones de la calidad de imagen final en ciertas aplicaciones.

5.3 Descripción

En lo que sigue se describirá la realización de inscripción en una sola etapa preferida de la presente invención, así como la disposición de inscripción de modelo original o maestro H1 que se proporciona con propósitos ilustrativos. Sin embargo, ha de ser evidente que los expertos de la técnica pueden realizar diversas modificaciones, añadidos y supresiones, sin apartarse del ámbito de la invención. Por ejemplo, un sistema óptico puede disponerse de una pluralidad de maneras. El sistema para el avance y desplazamiento del material de grabación con respecto al modulador de luz espacial puede construirse también de numerosas formas, y es posible emplear substratos rígidos en lugar del material flexible que se emplea bajo aquél.

5.3.1 La ramificación de haz de objeto

La Figura 2 muestra una vista en planta superior de una disposición. Un láser 200 de impulsos de frecuencia única, de un único color (un láser de una sola frecuencia (526,5 nm), de segundo armónico y bombeado mediante destellos de oscilador único, de Nd:YLF, el cual proporciona 1 mJ por impulso en una realización), capaz de un funcionamiento rápido y que tiene una coherencia temporal suficiente, emite un haz de luz coherente que se divide por medio de un divisor de haz variable 201. El haz 202 continúa hasta el espejo 203, donde es desviado hacia el espejo 204, siendo desviado en éste último hacia la placa de onda 205 que controla la polarización del haz. El haz continúa hasta un telescopio que comprende unas lentes 206, 207 y 265. La lente 207 está montada sobre una etapa o mecanismo de traslación motorizado 208, dotado de un motor 209. Se controla, de esta forma, el diámetro del haz que emerge del conjunto óptico 207, y éste queda aproximadamente colimado. El haz pasa al conjunto ordenado de micro-lentes 210, que expande el haz sobre el conjunto de lentes de colimación 211. La distancia entre los elementos 210 y 211 se escoge de modo que sea la longitud focal efectiva de la lente 211. De esta manera, un haz "colimado" sale del conjunto óptico 211 con una coherencia espacial controlable. El haz ilumina a continuación un dispositivo de presentación visual de cristal líquido (LCD-"Liquid Cristal Display") 212, que tiene una resolución de 768 x 1024 píxeles o puntos de imagen, y una dimensión de lado de 26,4 mm, y que está montado sobre una etapa de traslación motorizada en dos dimensiones 216, que dispone de un motor de control vertical 215 y de un motor de control horizontal 218. La posición del LCD puede ser ajustada a la hora de inscribir hologramas de tipo H1 y se puede utilizar para alcanzar una resolución de la imagen final mucho mayor que la que de otro modo sería posible con el mismo LCD estático, para un ángulo de visión dado. Puede también ajustarse la posición del LCD a la hora de inscribir un holograma en una sola etapa, a fin de mantener una geometría particular de la ventana de visión del holograma.

Después de pasar a través del dispositivo de presentación visual del cristal líquido, el haz atraviesa un polarizador lineal que convierte la imagen de LCD, de una imagen de rotación de polarización en una modulación de amplitud. A continuación, el haz pasa a través del objetivo de gran angular 219, montado en la etapa o mecanismo de traslación motorizado 220, provisto del motor 263. Esta etapa se emplea para controlar la posición de la imagen enfocada (1102 en la Figura 11) del LCD producido por el objetivo 219. El tamaño del diafragma de campo mínimo 266 del haz de objeto se controla por la etapa motorizada 208, dotada del motor 209. El haz de objeto llega ahora a incidir sobre el material de holograma 262, que se muestra aquí como una película montada sobre un sistema de etapa de rodillos. El motor 229 controla el movimiento de la etapa 223 hacia, y alejándose de, la posición del diafragma de campo mínimo del haz de objeto. Los rodillos 224 y 225 controlan el movimiento horizontal de la película 262 por delante del haz de objeto. El motor 228 controla el movimiento vertical de la película por delante de dicho haz de objeto. El motor 226 controla el movimiento de los rodillos 224 y 225. Los rodillos 222 y 231 tensan la película y controlan el ángulo horizontal que forma la película con el vector de propagación axial del haz de objeto. Por ejemplo, la Figura 5 muestra una sección de este diagrama para el caso de que se tire hacia atrás de la película hasta situarla en el ángulo acromático, lo que resulta de utilidad a la hora de inscribir modelos originales H1 para su transferencia a hologramas de H2 de arco iris pancromáticos.

5.3.2 La ramificación de haz de referencia

El haz de referencia se obtiene por división del haz de láser principal mediante el divisor de haz variable 201, controlado por un motor 265'. El haz 235 es dirigido hacia un espejo 236, en el cual es reflejado a través de una abertura cuasi-elíptica o rectangular 237, de la que se crea finalmente una imagen efectiva en la intersección del haz de referencia con el material de grabación holográfico, produciendo dicha forma cuasi-elíptica o rectangular una huella o proyección de referencia circular o cuasi-elíptica, o rectangular, sobre el material de grabación, como puede requerirse para el tipo de holograma que se está inscribiendo. El haz de referencia continúa hasta la placa de onda 238, que controla la polarización del haz de láser. Los elementos 239 y 241 forman, con uno de los elementos 264 ó 263, un telescopio que controla el tamaño del haz después del 264/263, que es susceptible de ajustarse por la etapa motorizada 242, provista del motor 243. El conmutador 244 de divisor de haz dirige el haz de referencia, bien sobre el recorrido 254 ó bien sobre el recorrido 245. El recorrido 245 se utiliza para crear hologramas de transmisión, en tanto que el recorrido 254 se emplea para crear hologramas de reflexión.

En el caso del recorrido 245, el haz de referencia pasa a través de la lente 264, la cual produce una imagen aproximada de la abertura 237 en la superficie del material de grabación. Esta lente corrige también la ligera divergencia de la luz producida por la lente 241. La divergencia que experimenta la luz tras pasar por 264, la cual, idealmente, está colimada, se controla de esta forma para quedar dentro de los límites de difracción. En la práctica, esto significa que, para un tamaño pequeño del haz de referencia, el haz no estará exactamente colimado, sino que dicha separación o deformación con respecto a la colimación conducirá a una borrosidad de la imagen significativamente menor que la inducida por el tamaño de fuente que tiene la fuente de iluminación del holograma final. Unos espejos 246 y 249 dirigen a continuación el haz de referencia sobre su objetivo, a fin de intersecar al haz de objeto en la superficie del material de grabación holográfico. Unas etapas de rotación motorizadas 247 y 250, provistas, respectivamente, de motores 248 y 252, y la etapa de traslación rectilínea 251, dotada del motor 253, garantizan que se alcancen los diferentes ángulos de referencia para las diferentes posiciones y orientaciones del material de grabación. En muchas aplicaciones se preferirá el ángulo de Brewster, pero algunas aplicaciones requieren específicamente que se disponga de la flexibilidad para modificar este ángulo.

En el caso del recorrido 254, el haz de referencia pasa a través de la lente 263, que produce una imagen aproximada de la abertura 237 en la superficie del material de grabación. Esta lente corrige también la ligera divergencia de la luz, producida por la lente 241. Se controla así la divergencia de la luz tras pasar por 263, la cual, idealmente, está colimada, de manera que se mantenga, como antes, dentro de los límites de difracción. Unos espejos 255 y 256 dirigen a continuación el haz de referencia sobre su objetivo, a fin de que interseque al haz de objeto en la superficie del material de grabación holográfico, esta vez desde el lado al haz de objeto. La etapa de rotación motorizada, provista del motor 259, y la etapa de traslación rectilínea 258, provista del motor 260, garantizan que se alcancen los diferentes ángulos de referencia para las distintas situaciones y orientaciones del material de grabación. En muchas aplicaciones se prefiere el ángulo de Brewster, pero algunas aplicaciones requieren específicamente disponer de la flexibilidad para modificar este ángulo.

La Figura 3 muestra una vista en perspectiva de los componentes seleccionados para la realización preferida numerada de modo que se corresponde con la Figura 2.

5.3.3 Hologramas de transmisión - disposición ilustrativa

Con mucho, el tipo más frecuentemente encontrado de holograma H1 es el holograma de transmisión H1. Este tipo de holograma se presenta en cuatro variedades básicas: (i) H1s adecuados para confeccionar hologramas de transmisión de arco iris; (ii) H1s adecuados para realizar hologramas de transmisión de arco iris pancromáticos (por ejemplo, a todo color); (iii) H1s adecuados para confeccionar hologramas de transmisión acromáticos (es decir, en blanco y negro); y (iv) H1s adecuados para confeccionar hologramas de reflexión de un único color. En todos los casos, los puntos de imagen holográficos individuales deberán estar bien solapados y ser muchos mayores que el tamaño del diafragma de campo mínimo del haz de objeto, con el fin de distribuir la información de una perspectiva particular sobre un área macroscópica del holograma, y garantizar un buen promediado de dicho ruido óptico espacial, que es inherente al sistema.

La Figura 4 muestra un diagrama del sistema en el modo de transmisión de H1. Nótese que el haz de referencia incide en dirección hacia el material de grabación desde el mismo lado que el haz de objeto, para formar un punto de imagen 221. Nótese que dicho punto de imagen está desplazado significativamente con respecto al punto de diafragma de campo mínimo 266. Nótese que la imagen (en el plano 1102 de la Figura 11) del LCD 212 está situada a una distancia 401 del material de grabación 262, y que una pantalla situada en 402 mostraría una imagen finamente enfocada de cada imagen o figura individual en dos dimensiones cargada en el LCD 212. El plano 402 (1102 en la Figura 11) corresponde habitualmente al plano H2 en una geometría de transferencia.

Con el fin de grabar un holograma de transmisión H1, se distorsionan previamente unas vistas en perspectiva de un objeto real o generado por computadora, a fin de compensar la distorsión óptica residual y una cierta geometría de iluminación final. Dichas imágenes se cargan entonces en el LCD una a una, se graba un píxel o punto de imagen holográfico, se hace avanzar el material holográfico y el procedimiento se repite para cada imagen. Para el caso (i) anterior, se inscribe una línea de puntos de imagen en el material de grabación holográfico, tal y como se ilustra en la Figura 8(a). Cada círculo representa un patrón de interferencia que contiene información acerca de una cierta vista en perspectiva tomada a lo largo de una línea de observación horizontal (nótese que, en la realidad, la forma de los puntos de imagen individuales no es exactamente circular, si bien se ha utilizado esta forma por ser una representación clara para los propósitos de ilustración). La Figura 8(b) ilustra el caso (ii), en el que se inscriben tres líneas de puntos de imagen en el ángulo acromático, de tal manera que cada línea corresponde a una imagen de componente roja, verde o azul, según la posición de observación axial del holograma final. La geometría de la grabación para el caso (ii) se muestra en la Figura 5. La Figura 9 muestra los casos (iii) y (iv), en los que se ha de inscribir un conjunto ordenado bidimensional de puntos de imagen. En el caso (iii), todas las líneas horizontales de puntos de imagen contienen realmente información relativa a un único paralaje vertical. En el caso (iv), esto puede o no ser el caso. Sin embargo, si se utiliza un paralaje completo, es posible modular la densidad de empaquetamiento de los puntos de imagen con el fin de reducir la borrosidad cromática de la imagen. En efecto, la densidad de empaquetamiento puede ser modulada, en general, para optimizar la reducción del ruido óptico producida por el promediado de conjunto o unión, al tiempo que se preserva la claridad o pureza de una imagen individual contra la borrosidad de la imagen provocada por un punto de imagen colaborador cercano. Generalmente, estas consideraciones son más importantes para los grandes hologramas de paralaje completo del tipo de reflexión, los cuales adolecen de borrosidad cromática en el límite en el que se emplea un número infinito de vistas para la confección del estereograma. Sin embargo, los hologramas muy grandes de paralaje reducido deberán ser optimizados si es que se desea mantener controlados la borrosidad y el ruido.

En todos los casos, la coherencia espacial del haz de objeto ha de ser controlada de tal forma que se controle el tamaño del diafragma de campo mínimo del haz de objeto a continuación del objetivo. Este diafragma de campo mínimo determina, una vez más, la independencia o margen con respecto a la borrosidad de la imagen que se tiene mientras se mejora la calidad de la imagen. En consecuencia, si el diafragma de campo demasiado pequeño, la calidad de la imagen será mala, y si el diafragma de campo es demasiado grande, la imagen quedará borrosa. Existe, sin embargo, un intervalo muy grande de tamaños para el diafragma de campo entre los extremos de estos dos parámetros, y es altamente deseable elegir con precisión un diámetrro óptimo para el diafragma de campo.

La densidad de empaquetamiento máxima óptima para los puntos de imagen holográficos en un holograma de transmisión H1 deberá determinarse, en última instancia, por el tipo de material de grabación utilizado. En ciertas aplicaciones, tales como en la holografía a todo color, se preferirá un holograma H1 de reflexión con respecto a un holograma H1 de transmisión. En tal caso, el láser de color de una sola frecuencia es reemplazado por un láser de múltiples colores y de una sola frecuencia, y el LCD puede, por ejemplo, ser reemplazado por un LCD de color o por otro modulador de luz espacial. En este caso, es posible inscribir un holograma de modelo original H1 en color que tiene la geometría que se muestra en la Figura 6 y que puede ser transferido, por inclusión en el plano de imagen, a un holograma H2 de reflexión en color. La densidad de empaquetamiento de los puntos de imagen holográficos de dichos hologramas H1 de reflexión, puede ser, perfectamente, ligeramente diferente a la densidad de empaquetamiento de los puntos de imagen que se prefiere para los hologramas H1 de transmisión, y ésta dependerá de las características de un material de grabación dado.

5.3.4 Hologramas de inscripción directa

Cuando se inscribe directamente un holograma (procedimiento en una etapa), ya no es posible controlar el brillo del holograma final por medio de un procedimiento de transferencia por inclusión en el plano de la imagen. En consecuencia, el holograma que está siendo inscrito deberá tener un brillo óptimo. Esto significa que los puntos de imagen holográficos deben casarse o encajarse en lugar de disponerse solapados, como se ilustra en la Figura 10. En consecuencia, la posición óptima de la película holográfica es la posición del mínimo diafragma de campo del haz de objeto, como se ilustra en la Figura 7. Se utiliza ahora el sistema para el control de la coherencia espacial del haz de objeto, ya descrito, a fin de controlar el tamaño del punto de imagen holográfico y para garantizar que su distribución de intensidades sobre la superficie del material de grabación es aproximadamente gaussiana.

Con el fin de grabar un holograma directamente inscrito, se transforman matemáticamente unas vistas en perspectiva de un objeto real o generado por computadora, a fin de crear un conjunto de imágenes nuevas que se distorsionan entonces previamente para compensar la aberración óptica residual y con vistas a una cierta geometría de iluminación final. Dichas imágenes se cargan a continuación en el LCD, ajustándose un punto de imagen holográfico, grabado junto con el plano de imagen del LCD, de forma óptima hasta el plano de visión deseado o hasta el infinito, y haciéndose avanzar entonces el material de grabación, para volver a repetir el procedimiento. El procedimiento se lleva a cabo de tal manera que se crea una matriz bidimensional de puntos de imagen holográficos, de modo que cada uno de dichos puntos de imagen reproduce fidedignamente los rayos de luz que intersecan un punto correspondiente de un plano de imagen escogido que pasa a través del objeto real o virtual computerizado. Bajo ciertas aproximaciones, esta técnica produce entonces un holograma que es idéntico al holograma producido como holograma de modelo original H1 y transferido a continuación, utilizando la inclusión clásica en el plano de imagen, para confeccionar un holograma H2. Sin embargo, en la práctica, existen diferencias importantes y las dos técnicas son bastante complementarias, de modo que, como se ha expuesto en lo anterior, presentan usos preferidos en diferentes aplicaciones.

Pueden construirse diferentes transformaciones matemáticas que creen todos los tipos principales de hologramas utilizando la técnica de inscribir directamente el holograma. Es posible confeccionar hologramas de arco iris haciendo que los archivos de imagen de LCD individuales para un punto de imagen holográfico dado consistan en una única banda horizontal de información. La altura de esta banda sobre el LCD se escoge de manera que dependa de la posición vertical del punto de imagen holográfico. De este modo, se crea un holograma que enfoca su luz de iluminación sobre una banda horizontal situada por delante del holograma. Esta banda se modula con la información de imagen obtenida de una única perspectiva vertical, con lo que se crea un holograma de arco iris. En el caso de los hologramas de arco iris de tres colores, los archivos de imagen para cada punto de imagen holográfico consisten en tres bandas horizontales cuyas posiciones verticales en el LCD dependen de forma diferente o diferenciada de la posición vertical del punto de imagen holográfico respectivo. En consecuencia, el holograma final actúa enfocando su luz de iluminación sobre tres bandas horizontales paralelas y situadas por delante del holograma, extendiéndose esta vez las tres bandas en un plano orientado según el ángulo acromático, con respecto al vector normal o perpendicular al holograma. De nuevo, cada banda se modula con la respectiva información de imagen de color primario obtenida de una única perspectiva vertical, creándose de esta forma un holograma de arco iris pancromático. Se crea un holograma de reflexión monocromático de paralaje único con los archivos de imagen de LCD compuestos de barras verticales moduladas horizontalmente con la información de perspectiva horizontal. Los hologramas de reflexión de paralaje completo se crean, de la misma forma, por medio de archivos de imagen de LCD transformados verdaderamente en dos dimensiones.

Jugando con las transformadas matemáticas, se tiene la posibilidad de generar hologramas híbridos por medio de la técnica de la inscripción directa, de tal manera que la imagen se presenta como acromática desde una perspectiva, pero tiene quizá un carácter de arco iris desde otro punto de vista diferente. De manera alternativa, es posible confeccionar fácilmente muchas ventanas de visión u observación diferentes para los hologramas, y pueden controlarse los parámetros que incluyen la borrosidad intrínseca de la imagen, a fin de producir vistas de una profundidad muy grande desde ciertos ángulos, en tanto que otros ángulos pueden ser optimizados con vistas a la integridad de imagen de los objetos más cercanos.

5.3.5 Otras técnicas

El objetivo de gran angular utilizado en la realización descrita aquí anteriormente, se ilustra y define en las Figuras 11 a 14. Este objetivo de 85º se ha diseñado para funcionar dentro de un intervalo de distancias focales comprendido entre 50 cm y 1,5 m. La Figura 13 muestra diagramas de punto de incidencia de la luz estándar para cuatro distancias de foco comprendidas entre estos extremos (la distancia focal 1 corresponde a un factor de aumento de 45x, la distancia focal 2 corresponde a un factor de aumento de 31,8x, la distancia focal 3 corresponde a 22,5x y la distancia focal 4 a 15,9x). Como puede observarse, el máximo tamaño de punto de incidencia de la luz proyectado sobre el plano de datos de entrada no es mayor que el tamaño de punto de imagen de del LCD (aproximadamente 50 micras). La distorsión óptica de este objetivo particular es en torno al 6%. Al aceptar un valor ligeramente más alto, del 12%, las últimas versiones han mejorado de hecho la resolución hasta situarla bien por debajo del tamaño de punto de imagen del LCD.

El objetivo se ha diseñado para funcionar con un LCD que tiene un tamaño de lado de 26,4 mm. Sin embargo, el plano de datos de entrada del objetivo (1101) tiene una anchura de 61,7 cm, permitiendo, de esta forma, el movimiento lateral y/o hacia arriba / hacia abajo significativo del LCD dentro de dicho plano. Al garantizar que el objetivo que se considera trabaja dentro de sus límites de diseño, entre una distancia focal de 50 cm, para la que proporciona un aumento de un factor 15,9x, y de 1,5 cm, para la que proporciona un aumento de un factor 45x, es posible crear hologramas en dos etapas y de resolución máxima con tamaños que van desde 30 x 40 cm hasta dimensiones mayores que 1 m x 1 m, todos los cuales presentan distancias de visión óptima apropiadas. En relación con éste último aspecto, es de destacar que la distancia de transferencia de H1-H2 se escoge de manera que sea igual a la distancia focal de objetivo empleada, la cual es también, entonces, la distancia de visión u observación óptima del holograma H2 final. (En el caso de los hologramas de una sola etapa, no existe ningún límite efectivo para el tamaño del holograma, suponiendo que sea posible disponer una iluminación de repetición colimada.)

Con frecuencia, las técnicas para controlar la coherencia espacial del haz de objeto conducen a la introducción de ruido en este haz. El más común es el moteado del láser, que se excluirá de las consideraciones subsiguientes puesto que la realización preferida controla la coherencia espacial sin introducir un moteado significativo. En la realización preferida de esta invención, se han utilizado un telescopio y un conjunto ordenado de micro-lentes para conseguir dicho control. Sin embargo, la construcción o estructura física de las micro-lentes es propensa a introducir un cierto patrón óptico en el haz de objeto. Este ruido puede reducirse de manera significativa desplazando el conjunto ordenado de micro-lentes, en cada exposición, de un modo aleatorio u ordenado. Dicho ruido se reduce también en gran medida escogiendo la densidad máxima de puntos de imagen óptima de la manera que se ha descrito anteriormente.

A la hora de inscribir hologramas H1, el SLM (modulador de luz espacial) puede ser desplazado tanto horizontal como verticalmente dentro del plano de datos de entrada (1101) del objetivo, con vistas a las operaciones de inscripción secuencial. Esto permite efectivamente el uso de un SLM más pequeño y de menor resolución que el que de otro modo se habría tenido que utilizar si se hubiera utilizado el control lógico de la imagen exclusivamente con el fin de lograr el mismo ángulo de visión y la misma resolución en el holograma H2 final. En el caso de un holograma H1 para la producción de un holograma de arco iris, el SLM se desplaza únicamente en una dirección. Sin embargo, para H1s para hologramas de arco iris en tres colores, H1s para hologramas de reflexión, o H1s de paralaje completo, el SLM ha de ser desplazado según un sentido bidimensional.

El SLM puede ser desplazado también tanto horizontal como verticalmente dentro del plano de datos de entrada (1101) del objetivo cuando se están inscribiendo hologramas en una sola etapa. En este caso, es posible modificar ventajosamente la ventana de visión final del holograma. Concretamente, se tiene la posibilidad de confeccionar un holograma en el que dicho holograma es, bien completamente visible desde una cierta zona de visión, o bien completamente invisible. Esto habrá de contrastar con el caso de un SLM estático en el que el uso óptimo del SLM dictamina que grandes porciones de la zona de visión del holograma muestren únicamente una vista parcial de la imagen del holograma.

En la práctica, la técnica híbrida de utilizar tanto el control lógico como un cierto movimiento del SLM en el plano de datos de entrada (1101) del objetivo, puede también ser empleada para la generación de hologramas tanto de una etapa como H1.

De manera alternativa, en el caso de que se disponga de un SLM de muy alta resolución, un SLM estático mayor que llene efectivamente el plano de datos de entrada (1101) del objetivo, proporcionará una mejor solución, realizándose ahora toda la manipulación de la imagen exclusivamente mediante software o programación.

En el caso de inscribir un holograma H1, la película holográfica deberá mantenerse a una cierta distancia significativa de la posición del diafragma de campo mínimo (266) del haz. Puesto que la parte del plano de datos de entrada de objetivo (es decir, que contiene el LCD) que es capaz de transmitir la luz de láser, es siempre mucho más pequeña que la totalidad del plano de datos de entrada (1101) de objetivo, y, además, esta zona de transmisión ha de desplazarse de punto de incidencia a punto de incidencia de la luz, ya sea como consecuencia del control lógico de la imagen o debido al hecho de que el SLM se desplaza físicamente en el plano de datos de salida (requiriéndose de una manera fundamental al menos una de estas opciones para que la invención funcione correctamente), es de destacar que la zona de radiación de objeto que cae dentro de la película holográfica 262, en 221, se desplaza también, inevitablemente, de exposición a exposición. Cuando se inscriben hologramas en una sola etapa, la posición de la película holográfica coincide efectivamente con el punto de diafragma de campo mínimo del haz de objeto. En este caso, el tamaño, la posición y la forma de los haces de referencia y de objeto en el plano de la película se hacen coincidir transcurrido un cierto tiempo antes de que comiencen todas las exposiciones, en lugar de ajustar constantemente el haz de referencia -y de esta forma, no se requiere habitualmente una abertura desplazable. Nótese que, en la Figura 2, se utilizaba una abertura 237 para definir la forma del haz de referencia, y un telescopio ajustable 239, 241, 263, 264 para definir el diámetro del haz. Además, unos espejos controlables (246 y 249, por ejemplo) cambian entonces el ángulo de referencia con el plano 262 de la película. Generalmente, la reticulación y el control lógico de estos sistemas individuales deben aportar la manera de hacer coincidir del mejor modo los tamaños, las posiciones y las formas de los haces de referencia y de objeto, en el plano de la película. Claramente, la falta de coincidencia entre los haces de objeto y de referencia en el plano de la película conducirá a una reducción en la calidad de la imagen y en el brillo.

En la disposición de la Figura 2, es de destacar la capacidad de modificar el haz de referencia. Esto es de utilidad por diversas razones, tales como para compensar el hinchamiento de la emulsión durante el tratamiento químico, para la generación de hologramas H1 diseñados para su transferencia en otras longitudes de onda de láser, para inscribir modelos originales o maestros de arco iris en un único substrato inclinado (acromáticamente), y para crear hologramas que se han de iluminar por medio de un haz de luz blanca divergente o convergente. Podría constatarse, sin embargo, que la relación geométrica de la abertura 237 debe cambiarse a media que se modifica el ángulo de referencia, con el fin de que las huellas o proyecciones de objeto y de referencia puedan coincidir adecuadamente sobre la película holográfica. De hecho, con el fin de lograr una coincidencia total entre las proyecciones de objeto y de referencia, es necesario disponer una abertura que pueda aumentarse de forma variable y controlarse también de forma variable. Esta complicación no es evidente en la Figura 2. En el caso de que una impresora holográfica deba ser capaz de imprimir no sólo hologramas en una sola etapa que tienen un tamaño de punto de imagen menor que 1 mm, sino también hologramas del tipo H1 que tienen tamaños de punto de imagen de varios centímetros, debe ponerse un cuidado significativo en el diseño del sistema de preparación del haz de referencia. En este caso, los elementos 237, 239, 241, 263 y 264 pueden ser elementos complejos tomados individualmente, puede estar presente un sistema automático para controlar el tamaño y la relación geométrica de la abertura, y un software o programación puede enlazar o realimentar el sistema de vuelta tanto a la salida de la energía del láser como a la relación objeto / referencia.

En muchos casos, los hologramas de una sola etapa se iluminan para su presentación visual con un haz no colimado de luz blanca que emana de una fuente puntual, tal como una lámpara halógena. Si no se tiene en cuenta la geometría de iluminación de repetición y, además, se emplea un ángulo de referencia constante en la grabación, se producirá tanto la distorsión de la imagen como la distorsión de la ventana de visión al iluminar el holograma de una sola etapa con un haz divergente. Al utilizar una combinación de una distorsión previa de la imagen basada en un modelo de difracción y una traslación en una o dos dimensiones del LCD, y con el desplazamiento del haz de referencia en una única dimensión en cada exposición de punto de imagen holográfico, es posible compensar cualquier distorsión inducida en la imagen, de forma que puede obtenerse una ventana de visión de holograma muy mejorada. De esta forma, es altamente deseable la combinación de un haz de referencia modificable en una única dimensión, un LCD trasladable y una distorsión lógica de la imagen, particularmente para los hologramas de mayor tamaño. Habitualmente, tan solo se requiere modificar el haz de referencia a través de un intervalo relativamente pequeño de ángulos con el fin de compensar el efecto de un haz de repetición no colimado, y, en consecuencia, la complicación anterior consistente en un sistema automático para controlar el tamaño de la abertura de control del haz de referencia y su relación geométrica, es deseable únicamente en ciertos casos, tales como, por ejemplo, cuando se disponen a modo de baldosas o mosaico hologramas pequeños de una sola etapa para formar grandes paneles. Mediante el uso de un LCD estático, es posible producir hologramas que se han diseñado para la iluminación de fuente puntual, pero entonces se requieren paneles de SLM de resolución más alta. Como la resolución de los SLM comerciales es limitada y se desea producir una calidad de holograma óptima, es deseable, por tanto, disponer de la facultad de trasladar dicho SLM. En principio, es posible una manipulación angular bidimensional de la referencia durante la grabación, si bien, en la práctica, se encuentra que no merece la pena la complicación mecánica añadida de dicho sistema de dirección bidimensional y, desde un punto de vista práctico, dicho sistema no proporciona ninguna ventaja substancial.

Durante el funcionamiento normal de la realización preferida, puede ser necesario que varias etapas de precisión electromecánicas actualicen su posición en la exposición. Deben acometerse, por tanto, cuando el láser (200) se hace funcionar por encima de unos pocos Hz, ciertos problemas electromecánicos, puesto que ya no es posible detener e iniciar dichas etapas electromecánicas sin inducir una vibración mecánica inaceptable con, por ejemplo, la pérdida asociada de presión en la colocación.

Este problema se ha acometido mediante la construcción de un controlador basado en un microprocesador, que es capaz de establecer diferentes trayectorias programadas de velocidad constante y no rectilíneas en múltiples etapas. En la actualidad, es posible hacer funcionar este sistema a hasta 30 Hz con excelentes características ante la vibración mecánica.

En la Figura 5 se muestra un método para la inscripción de un holograma H1 adecuado para su transferencia a un holograma de arco iris a todo color. La película se muestra en posición retraída por la tracción del rodillo 231, hasta ocupar la posición acromática. Es de destacar, sin embargo, que esto constituye únicamente uno de dichos modos en virtud de los cuales puede ser inscrito el H1 adecuado para esta aplicación. En particular, puede decidirse inscribir los hologramas de modelo original de tres o más tiras (véase la Figura 8b) con la película situada en la posición plana, tal como se indica en la Figura 2, en lugar de en la posición indicada en la Figura 5. En este caso, la programación y la etapa de enfoque de la imagen se ajustan con el fin de modificar las propiedades clave de la configuración de interferencia inscrita para cada tira. Se utiliza entonces un sistema de transferencia plana de imagen particular, en virtud del cual las tres tiras se separan y alienan según una geometría escalonada, en el ángulo acromático, si bien son todas, individualmente, paralelas al H2 final. Dicho método presenta ventajas prácticas relativas a la calidad de la imagen, el alineamiento de precisión y la calibración de la máquina, con respecto al método más sencillo expuesto anteriormente y que se ilustra en las Figuras 5 y 8b.

Es de destacar que el láser de impulsos 200 de la realización anterior presenta una elevada coherencia temporal y que, por tanto, no se ha previsto en ella el ajuste de los recorridos de objeto y de referencia. Sin embargo, si se emplea un láser de impulsos que tiene una coherencia temporal menor, entonces, de acuerdo con una realización menos preferida, los recorridos de objeto y de referencia se hacen iguales, y, en el caso de que dicha coherencia sea marginal, dicho igualamiento puede ser controlable electromecánicamente.

Al disponer, para el caso de una impresora holográfica que emplee un objetivo de gran angular de muy pequeña aberración, que los movimientos vertical y horizontal, tanto del material holográfico como del modulador de luz espacial, estén sincronizados de tal manera que la imagen, en el plano del H2 final, de los puntos de imagen del modulador de luz espacial, se alinee para todas las imágenes en dos dimensiones proyectadas en la creación de un holograma H1 de una manera tal, que dicho holograma H1, cuando se transfiere a un holograma H2, creará una imagen de textura granulosa definida sobre la superficie de dicho holograma H2, pueden descomponerse entonces las imágenes sobre el modulador de luz espacial y descodificarse en grupos entrelazados de puntos de imagen que representan varios colores primarios, y puede fijarse, disponerse por estratificación o imprimirse una máscara coloreada y provista de aberturas de paso, sobre dicho holograma H2 para producir un holograma de múltiples colores.

5.4 Modificaciones de las realizaciones preferidas

Como se ha mencionado anteriormente, la realización preferida puede emplear un láser de impulsos monocromático y un láser de impulsos de múltiples colores. La principal ventaja de utilizar un láser de múltiples colores es que es posible imprimir hologramas de reflexión de múltiples colores o a todo color utilizando la etapa única.

Existen diversas elecciones con respecto al modo de implementar un láser de impulsos de múltiples colores en la realización preferida. La primera de ellas consiste sencillamente en varios sistemas ópticos independientes y distintos, del tipo descrito anteriormente, uno para cada color producido por el láser. De este modo, bajo la suposición de que dicho láser de múltiples colores tiene tres longitudes de onda de emisión, se requiere esencialmente todo por triplicado, incluyendo tres SLMs, tres objetivos y tres haces de referencia. En consecuencia, es posible inscribir puntos de imagen holográficos tres veces más rápido, si bien, por supuesto, existen también tres veces más puntos de imagen que inscribir. Si se escoge este método de implementación de un láser de múltiples colores, el sistema de avance de la película (o de la placa) se organiza de tal forma que proporciona soporte a tres posiciones de inscripción concurrentes independientes. Además, la separación entre los puntos de imagen holográficos de los diferentes colores se controla de tal forma que, en uno de los casos, se dispone que los puntos de imagen de los distintos colores queden alineados y, en otro caso, se crea una yuxtaposición de puntos de imagen cromáticos bien definidos.

La otra manera en que se ha acometido este problema consiste en crear un sistema óptico provisto de un objetivo de inscripción susceptible de ser cambiado y que, de otro modo, funciona igualmente bien para cada una de las longitudes de onda componentes. No es, efectivamente, práctico crear un sistema óptico que, en su conjunto, funcione para muchas longitudes de onda al mismo tiempo. Esto se debe, básicamente, al objetivo altamente especializado que ha de emplearse, el cual, dependiendo de su diseño, está destinado a ser utilizado con una única longitud de onda. En consecuencia, este problema se resuelve realizando la exposición, en primer lugar, con uno de los colores, a continuación, con otro color, y así sucesivamente. Cada vez que se cambia de color, se selecciona electromagnéticamente el objetivo de inscripción apropiado. Con tres colores se utilizan tres objetivos instalados en un montaje de precisión, cada uno de los cuales puede ser cargado o armado a voluntad.

En resumen, la presente invención proporciona un método y un aparato para inscribir todos los tipos principales de hologramas en una sola etapa con una elevada calidad, a velocidades fundamentalmente más rápidas que en la técnica anterior, y sin las restricciones prácticas de funcionamiento debidas a las vibraciones.

Claims

1. Una impresora holográfica para inscribir directamente en una etapa hologramas visibles con luz blanca, la cual comprende:

una fuente (200) de láser de impulsos, dispuesta de modo que produce un haz de láser de una primera longitud de onda, siendo dicho haz de láser dividido en un haz de objeto (202) y un haz de referencia (235), el cual es mutuamente coherente con dicho haz de objeto (202);

un modulador de luz espacial (212), de tal manera que, durante el uso, dicho haz de objeto ilumina dicho modulador de luz espacial (212);

un sistema de lentes (219), destinado a inscribir un píxel o punto de imagen holográfico (221) de un holograma en un medio fotosensible (262), estando dispuesto dicho sistema de lentes (219) aguas abajo de dicho modulador de luz espacial (222) y estando dispuesto de manera que enfoque dicho haz de objeto con un grosor o diafragma de campo de haz mínimo (266) en el plano de Fourier del sistema de lentes; y

medios de colocación, destinados a colocar un medio fotosensible (262) en dicho diafragma de campo de haz mínimo (266);

estando caracterizada dicha impresora holográfica porque comprende adicionalmente:

medios de variación automática de la coherencia espacial (206-210, 265), destinados a modificar automáticamente la coherencia espacial de dicho haz de objeto de tal forma que se controle el diámetro del haz de objeto en dicho diafragma de campo de haz mínimo (266), estando dispuestos dichos medios de variación automática de la coherencia espacial (206-210, 265) aguas arriba de dicho modulador de luz espacial (212).

2. Una impresora holográfica de acuerdo con la reivindicación 1, en la cual dicho modulador de luz espacial (212) es trasladable.

3. Una impresora holográfica de acuerdo con la reivindicación 1 ó la reivindicación 2, en la cual dichos medios de variación automática de la coherencia espacial (206-210, 265) comprenden un telescopio ajustable y un conjunto ordenado de micro-lentes (210), de tal manera que dicho telescopio ajustable está dispuesto para crear un haz de láser de diámetro variable y aproximadamente colimado, que ilumina dicho conjunto ordenado de micro-lentes (210).

4. Una impresora holográfica de acuerdo con las reivindicaciones 1, 2 ó 3, que comprende adicionalmente medios para modificar las imágenes enviadas a dicho modulador de luz espacial (212), de tal forma que corrijan, al menos parcialmente, las distorsiones ópticas intrínsecas de dicha impresora.

5. Una impresora holográfica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la cual dicho sistema de lentes (219) tiene un campo de observación o visión efectivo (1103) seleccionado de entre el grupo consistente en: (i) mayor que 70 grados; (ii) mayor que 75 grados; (iii) mayor que 80 grados; y (iv) al menos de 85 grados.

6. Una impresora holográfica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la cual dicho diafragma de campo de haz mínimo (266) está situado aguas abajo de dicho sistema de lentes (219).

7. Una impresora holográfica de acuerdo con la reivindicación 6, en la cual dicho diafragma de campo de haz mínimo (266) está situado al menos 2 mm aguas abajo de dicho sistema de lentes (219).

8. Una impresora holográfica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la cual dicha fuente de láser se ha dispuesto de forma que produce adicionalmente haces de láser en unas segunda y tercera longitudes de onda, difiriendo una de otra dichas primera, segunda y tercera longitudes de onda en al menos 30 nm.

9. Una impresora holográfica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-7, que comprende adicionalmente unas segunda y tercera fuentes de láser destinadas a producir haces de láser de unas segunda y tercera longitudes de onda, difiriendo una de otra dichas primera, segunda y tercera longitudes de onda en al menos 30 nm.

10. Una impresora holográfica de acuerdo con la reivindicación 8 ó la reivindicación 9, que comprende adicionalmente un primer sistema de lentes para uso con dicha primera longitud de onda, un segundo sistema de lentes para uso con dicha segunda longitud de onda, y un tercer sistema de lentes para uso con dicha tercera longitud de onda, en la cual dichos primer, segundo y tercer sistemas de lentes se disponen de tal manera que puede seleccionarse automáticamente el sistema de lentes que se desee.

11. Un método para inscribir directamente hologramas de una etapa y visibles con luz blanca, el cual comprende:

proporcionar una fuente (200) de láser de impulsos, dispuesta para producir un haz de láser de una primera longitud de onda;

dividir dicho haz de láser en un haz de objeto (202) y un haz de referencia (235), el cual es mutuamente coherente con dicho haz de objeto (202);

iluminar un modulador de luz espacial (212) con dicho haz de objeto (202);

proporcionar un sistema de lentes (219) para inscribir un píxel o punto de imagen holográfico (221) de un holograma en un medio fotosensible (262), habiéndose dispuesto dicho sistema de lentes (219) aguas debajo de dicho modulador de luz espacial (212) y estando dispuesto para enfocar dicho haz de objeto con un grosor o diafragma de campo de haz mínimo (266) en el plano de Fourier del sistema de lentes; y

colocar un medio fotosensible (262) en dicho diafragma de campo de haz mínimo (266);

estando dicho método caracterizado porque comprende adicionalmente la etapa de:

variar automáticamente la coherencia espacial de dicho haz de objeto, de tal manera que se controle el diámetro del haz de objeto en dicho diafragma de campo de haz mínimo (266).