[科普中国]-光栅

简介

光栅是结合数码科技与传统印刷的技术，能在特制的胶片上显现不同的特殊效果。在平面上展示栩栩如生的立体世界，电影般的流畅动画片段，匪夷所思的幻变效果。光栅是一张由条状透镜组成的薄片，当我们从镜头的一边看过去，将看到在薄片另一面上的一条很细的线条上的图像，而这条线的位置则由观察角度来决定。如果我们将这数幅在不同线条上的图像，对应于每个透镜的宽度，分别按顺序分行排列印刷在光栅薄片的背面上，当我们从不同角度通过透镜观察，将看到不同的图像。

三维三维空间

根据研究，我们人类的眼睛在观察一个三维物体时，由于两眼水平分开在两个不同的位置上，所观察到的物体图像是不同的，它们之间存在着一个像差，由于这个像差的存在，通过人类的大脑，我们可以感到一个三维世界的深度立体变化，这就是所谓的立体视觉原理。 据立体视觉原理，如果我们能够让我们的左右眼分别看到两幅在不同位置拍摄的图像，我们应该可以从这两幅图像感受到一个立体的三维空间。从前面的分析中我们可以知道不同的观察角度将可以看到不同的图像。因如果我们将光栅垂直于两眼放置，由于两眼对光栅的观察角度不同，因而两眼会看到两个不同的图像，从而产生立体感。

三维效果通常为了获得更好的立体效果,往往不单以两幅图像制作，而是用一组序列的立体图像去构成，在这样的情况下，根据观察的位置不同，只要同时看到这个序列中的两副图像，即可感受到三维立体效果。

动画效果将光栅平置于两眼之间，注意两眼对光栅的线纹角度要保持平行，因而两眼看到的是同一个图像，如果图像是由一列连续动画所构成，那么当双眼上下移动或把光栅上下翻动时，双眼与光栅的角度将发生变化，我们也将看到一个接一个的连续图像，即看到一个动画或变画的效果。

光栅板是指有一面被挤压成圆柱形线条一面为完整平面的塑胶材料，且圆柱形线条间距相等谓之“光栅”此光栅平面可作为印刷之用途，使用光栅视觉软体合成图档后，使用不同输出设备输出档案，并与光栅贴合或直接印刷在光栅板上，就可以呈现如右图所示的效果，让动画可以直接在平面的印刷上呈现出萤幕所看见的变图效果。

角度光栅在选择适合的光栅板时，光栅弯曲的角度是非常重要的事，一般来说3D立体效果最理想的光栅是使用窄角度光栅板，它的视角大约在15°～44°之间的效果是最好的，如果要制作变图或动画的效果，宽角度光栅板的视角约44°～65°之间是最适合的光栅板。

光栅种类在制作各种光栅视觉效果前，必须要先了解光栅的特性、种类、规格、厚度、尺寸、方向性等，才能仔细判别如何制作出精致的光栅影像效果，就台湾市面上常用之光栅材料做分类，可分为以下几种。

印刷光栅材质：PET、PP、PVC、TPU等，PET、PP为硬质平板环保材质；PVC、TPU为软质材质。

印刷光栅线数：50 LPI、60 LPI、62 LPI、75 LPI、100 LPI。

光栅线数效果：50 LPI——3D、Flip——常用材料、

100 LPI——3D、Flip——常用材料

应用原理折射原理利用光栅视觉软体把不同的图案转化成光栅线数，利用光栅折射的原理，在不同的角度呈现出不同的图案，如右图所示，不同规格的光栅会有不同的折射效果与折射角度，观赏距离也会有所不同，所以在设计光栅效果图档的时候，必须先了解光栅才能设计出符合光栅特性的设计图。

视觉效果光栅效果可以分为以下几种：立体[3D]、两变[Flip]、变大变小[Zoom]、爆炸[Explosion]、连续动作[Animation]、扭转[Twist]等，其实可以更简化分类为：立体[3D]、变图[Flip]，在变图中就涵盖所有变化的效果，这些效果可以透过许多市面上的动画软体、绘图软体、网页多媒体软体，产生所需要的分解图档，经由光栅视觉软体将分解图合成为光栅线数即可将平面的效果做成立体[3D]、变图[Flip]的特殊效果。

注意事项：

图层必须独立且影像完整。

图档解析度300dpi。

档案格式必须为PSD档，[CMYK、RGB]皆可。

背景图层必须出血至少1CM。

光栅原理光栅也称衍射光栅。是利用多缝衍射原理使光发生色散(分解为光谱)的光学元件。它是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝(刻线)的平面玻璃或金属片。光栅的狭缝数量很大，一般每毫米几十至几千条。单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉，形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线。谱线的位置随波长而异，当复色光通过光栅后，不同波长的谱线在不同的位置出现而形成光谱。光通过光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉的共同结果。1

衍射光栅在屏幕上产生的光谱线的位置，可用式 表示。式中a代表狭缝宽度，b代表狭缝间距，φ为衍射角，θ为光的入射方向与光栅平面法线之间的夹角，k为明条纹光谱级数(k=0，±1，±2……)，λ为波长，a+b称作光栅常数。用此式可以计算光波波长。光栅产生的条纹的特点是：明条纹很亮很窄，相邻明纹间的暗区很宽，衍射图样十分清晰。因而利用光栅衍射可以精确地测定波长。衍射光栅的分辨本领R=l/Dl=kN。其中N为狭缝数，狭缝数越多明条纹越亮、越细，光栅分辨本领就越高。增大缝数N提高分辨本领是光栅技术中的重要课题。

最早的光栅是1821年由德国科学家J.夫琅和费用细金属丝密排地绕在两平行细螺丝上制成的。因形如栅栏，故名为“光栅”。现代光栅是用精密的刻划机在玻璃或金属片上刻划而成的。光栅是光栅摄谱仪的核心组成部分，其种类很多。按所用光是透射还是反射分为透射光栅、反射光栅。反射光栅使用较为广泛；按其形状又分为平面光栅和凹面光栅。此外还有全息光栅、正交光栅、相光栅、闪耀光栅、阶梯光栅等。

分光原理由光栅方程 可知，对于相同的光谱级数m，以同样的入射角α投射到光栅上的不同波长λ1、λ2、λ3.....组成的混合光，每种波长产生的干涉极大都位于不同的角度位置；即不同波长的衍射光以不同的衍射角β出射。这就说明，对于给定的光栅，不同波长的同一级主级大或次级大（构成同一级光栅光谱中的不同波长谱线）都不重合，而是按波长的次序顺序排列，形成一系列分立的谱线。这样，混合在一起入射的各种不同波长的复合光，经光栅衍射后彼此被分开。这就是衍射光栅的分光原理。2

光栅种类点阵式全像立体光栅是一种新型的立体表现方式（也叫矩阵立体光栅），它的材料、观看、制作不同于柱镜立体光栅材料和狭缝立体光栅材料，制作出来的图象可以从上下、左右看。科技含量相当高，美国、日本、台湾有这项全套技术，主要应用于防伪，还应用到显示屏，在不久的未来电视立体也会进入我们的家庭。 由于点阵式全像立体光栅成像技术复杂，装置成本与制作成本高，仿冒难度大，还难以广泛使用，预计在以下领域应用较好：精品与贵重文物立体展；知名大企业、跨国公司集团形象展示，高档立体广告灯箱展示；名人、影视明星、明模大幅立体相片摄制；高档名牌产品防伪印刷包装、标签。

柱镜光栅膜材：没有介质，必须粘在有机板、玻璃上；玻璃又有不同的厚度，越厚，立体效果越明显。

PET水晶模材：比PET膜材厚一些，一面光滑，一面发涉。

PET模材：比较溥；两面发涉。

片材：厚度超过2.5mm称为片材.低于2.5mm的称为薄膜.（市场上的叫法）

板材：本身就有介质，不需要再加介质，价格比较昂贵，120元/平方。

狭缝光栅：表面光滑，配合灯光效果极佳。有颜色。

常用分辨率：单位均为（像素/厘米），切不记错。

光栅分类光栅主要有：狭缝光栅和柱镜光栅两类，狭缝光栅即线型光栅是最早较为成熟的光栅，其成像原理为针孔成像的原理。 因这种光栅比较容易制作，技术难度不大，所以在十几年前就有制作非常优美的大幅狭缝光栅立体灯箱广告出现。现今一些立体制作公司仍乐于用狭缝光栅立体灯箱参与展览，效果是不错，但狭缝光栅立体灯箱有以下缺陷：透光率仅20～30%，不环保，不节能，照明灯多耗能大，发热大，室外亮度不够，仅适用于室内。

柱镜光栅种类繁多主要有板材和模材两大类，其成像原理为弧面透镜折射反射成像原理。柱镜光栅潜力较大，室内外打不打灯都可使用，市场普及率正不断扩大。光栅膜材曾一度因具有价格竞争力而风靡过一阵，但由于柱镜光栅板价格的逐步下降，以及膜材需要粘贴及技术还有待提高的原因使其竞争力未显突出。

鉴别方法膜材正面（光栅面）圆弧成型稳定，排列均匀，放大观察圆滑，手摸有明显凸起感,背面平整、无压痕；劣质品达不到上述标准，尤其背面手感有明显凹入压痕者，易造成粘接发虚不实、解像力差、图像眼晕眼花,为伪劣次次品。

合格膜材线条成型顺直，无走斜扭曲现象。可打印直线检测，也可提起膜光栅对着窗户以窗格为参照，透光直接目测优劣。

合格品复合板后在指定厚度上均有准确聚焦，不合格产品、劣质品聚焦不准，指定4mm、5mm聚焦但大多是6mm、8mm才能聚焦成像，波动不稳，范围过大，这是劣质产品生产者经常遮盖的一点，实属购者一大误区。可用销售者提供的线距打印检测条辨别。

光栅光谱匀排性由光栅方程d（sinα±sinβ）=mλ可知，在衍射角不太大的情况下（如在一级光谱内，靠近光谱法线区域时），不同波长光谱线的位置基本上与其波长值成比例。因此，光栅光谱中的各个波长谱线排列比较均匀，并随着波长值线性增加或减少，相应的光栅光谱线的位置（如离光栅法线的距离）也线性变化。

在棱镜光谱中，由于不同波长的光线受到不同程度的折射而被色散。而棱镜材料对不同波长的折射率变化是不与波长成线性的。棱镜材料在短波方向的折射率的变化要比长波区的变化大得多。因此，棱镜光谱中的谱线排列情况是不均匀的。在短波区，因dn/dλ大，谱线排列非常稀疏，而在长波区，则因dn/dλ小，谱线排列非常稠密。所以，同样大小的波长差值，相应的谱线之间的距离，短波处要大于长波处。因此，我们说棱镜在紫外区的色散要比可见、近红外区的色散大。所以，有些紫外可见分光光度计（特别是高档紫外可见分光光度计）都用石英棱镜作前置单色器，就是这个道理。

光栅光谱的排列比较均匀，不同波长区中同样波长差的两根谱线之间的距离变化不太大。光栅光谱的匀排性不但使光谱更加整齐、匀称，而且对定性分析时初步判断、估计谱线的波长值等比较方便。

此外，在谱线的波长分布顺序方面，光栅与棱镜也是不同的；在光栅光谱中，波长越长的光线衍射角数值越大，谱线越偏离光栅法线。在棱镜光谱中，波长越长的光线，偏向角越小，相应的谱线分布越接近入射角方向的位置。3

级次重叠由光栅方程可知，波长为λ的一级（m=1）光谱线，波长λ/2的二级（m=2）光谱线、波长为λ/3的三级（m=3）光谱线……都具有同样的衍射角。即βλ，1=βλ/2，2=βλ/3，3=βλ/4，……m-1=βλ/m，这就是衍射光栅光谱的级次重叠。即衍射光栅在同一位置有不同级次的不同波长的光谱线。在宽波段范围内进行高分辨率光谱研究或光谱分析工作时，光栅光谱的级次重叠是非常明显的，必须采取有力的措施，把不需要的波段隔离掉或滤掉；例如，采用前置单色器、采用相应波段的滤光片等。才能避免不需要级次光谱的干扰，才能保证紫外可见分光光度计的分辨率和分析测试数据的准确性和可靠性。

多级次性经棱镜色散后形成的光谱，只是按波长次序排列成一个单一的光谱。而经衍射角光栅色散后形成的光谱，则是包含m=0，±1，±2，±3……所有级次光谱的总和。同一块光栅对同一束入射复合光可在不同位置形成一系列不同级次的光谱；在m=0两侧有对称分布的正级次光谱和负级次光谱。因此，光栅光谱的多级次性是原理性的、是本质的，是不可避免的。光栅的这个特性，将对光栅的应用产生许多相应的问题，它会直接对紫外可见分光光度计的光谱分辨率和光谱的检测造成困难，这是所有紫外可见分光光度计的设计者、制造者、使用者必须重视的问题。