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Verfahren zur Herstellung von optischen Beugungsgittern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von optischen Beugungsgittern mit einem bestimmten Furchenprofil, z. B. einem unsymmetrischen Profil zur intensitätsmässigen Bevorzugung bestimmter Beugungsordnungen durch Belichten einer zu einem Relief entwickelbaren Schicht und nachfolgende Entwicklung.
Es ist bekannt, solche Gitter durch Ritzen mittels entsprechend geformter Diamanten zu erzeugen. Es ist ferner bekannt, optische Beugungsgitter durch Belichten einer durch Lichteinwirkung veränderbaren Schicht und nachfolgende Entwicklung zu erzeugen. Die Belichtung erfolgt dabei durch ein Streifensystem, sei es durch eine vorbereitete Vorlage hindurch, sei es durch direkte Einwirkung eines Systems aus parallelen, äquidistanten Interferenzstreifen, die durch die überlagerung kohärenter Wellenzüge entstanden sind.
Durch die Erfindung wird das bisher bekannte Verfahren wesentlich verbessert. Die Erfindung hat zum Ziel, Furchenprofile beliebiger gewünschter Form auf dem Wege der Belichtung zu erzeugen. Die Erfindung ist in erster Linie dadurch gekennzeichnet, dass das Profil durch Superposition von verschiedenen Belichtungen mit Streifensystemen unterschiedlicher Lage und bzw. oder Gitterkonstante erzeugt wird.
Im einzelnen kann bei der Herstellung wie folgt vorgegangen werden. Man kann zur Belichtung Interferenzstreifensysteme heranziehen, wie sie bei der gegenseitigen Durchdringung zweier paralleler kohärenter Lichtbündel entstehen. Durch Variation des Durchdringungswinkels der beiden Strahlenbündel hat man es in der Hand, die Streifenabstände zu verändern. So ist es möglich, nacheinander Streifensysteme zu erzeugen, bei denen sich die pro Längeneinheit entfallende Anzahl der Streifen wie 1 : 2 : 3 usw. verhält. Mit andern Worten, man kann die Raumfrequenze dieser Streifensysteme in ganzzahligem Verhältnis halten.
Setzt man eine lichtempfindliche Schicht nacheinander diesen verschiedenen Streifensystemen aus, so überlagert sich die Wirkung der verschiedenen Belichtungen für den Fall, dass eine nicht zu hart arbeitende lichtempfindliche Schicht
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mit der jedes einzelne Streifensystem an der Gesamtbelichtung mitwirkt, lässt sich jeder dieser harmonischen Oberwellen der Raumfrequenz ein bestimmtes Gewicht zuordnen, mit dem sie in die Gesamtbelichtung eingeht. Durch geringe seitliche Verschiebungen der lichtempfindlichen Schicht gegenüber dem jeweiligen Streifensystem hat man es ferner in der Hand, eine bestimmte gegenseitige Phasenlage der einzelnen Streifensysteme zu erzielen, so dass insgesamt bei der Belichtung eine Synthese einer beliebigen gewünschten periodischen Funktion aus Grund-und Oberwellen zustande kommt.
Dies geschieht völlig in Analogie zu der bekannten Darstellung periodischer Funktionen in Form von Fourierreihen.
Die lichtempfindliche Schicht ist z. B. in bekannter Weise an den belichteten Stellen weniger leicht
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auswaschbar geworden als an den nicht belichteten. Beim Entwicklungsprpzess entsteht demzufolge ein Profil, weil der nach der Entwicklung noch verbleibende Rest der Schicht und damit auch die Schichtdicke eine zumindest angenähert lineare Funktion des Produktes aus Beleuchtungsstärke mal Zeit ist. Das Profil hat die gemäss der Fouriersynthese zu erwartende Form. Durch anschliessende Metallisierung, etwa durch Vakuumaufdampfen von Spiegelmetallen, lässt sich ein Reflexionsgitter herstellen. Wird dagegen ein Transmissionsgitter gewünscht, so ist lediglich erforderlich, dass die verwendete lichtempfindliche Schicht wie auch ihr Träger lichtdurchlässig sind und dass die vorhin erwähnte Metallisierung unterbleibt.
Abweichend von der oben beschriebenen Art der Belichtung könnte auch wie folgt vorgegangen werden. Mit Hilfe der sich durchdringenden kohärenten parallenen Strahlenbündel werden nacheinander wieder Streifensysteme erzeugt, deren Raumfrequenzen sich wie 1 : 2 : 3 usw. verhalten. Jedes dieser Streifensysteme lässt man auf eine besondere lichtempfindliche Schicht einwirken. Hiedurch kann man sich Vorlagen für die nachfolgenden Belichtungen der durch Lichteinwirkung profilierbaren Schicht schaffen, auf der, wie oben beschrieben, durch die überlagerung das endgültige Profil entstehen soll. Man kann bei der Herstellung dieser wiederholt verwendbaren Einzelvorlagen die grösstmögliche Sorgfalt aufwenden, um das Verhältnis der Raumfrequenzen exakt ganzzahlig zu halten, damit bei der nachfolgenden überlagerung durch Belichtung kein Moirée-Effekt auftritt.
Diese einzelnen Vorlagen können auch bereits mit mechanischen Anschlägen oder optisch wahrnehmbaren Passmarken so ausgestattet werden, dass bei einer Verwendung zur Serienfertigung die Justierarbeit bezüglich der gegenseitigen Phasenlage der Einzelbelichtungen weitestgehend erleichtert ist.
Es ist jedoch auch möglich, ein bestimmtes Furchenprofil dadurch zu erzeugen, dass ein einziges Streifensystem, d. h. also nur die Grundfrequenz verwendet wird. Zur Belichtung kann wieder entweder ein Interferenzstreifensystem aus kohärenten Strahlenbündeln oder eine vorbereitete Vorlage in Form eines Amplitudengitters Verwendung finden. Verschiebt man nun während der Belichtung diese Vorlage kontinuierlich, jedoch mit ungleichförmiger Geschwindigkeit, so wird die Wirkung des Lichtes an den Stellen höherer Verschiebegeschwindigkeit geringer bleiben als an den Stellen niederer Verschiebegeschwindigkeit, da das Produkt aus Beleuchtungsstärke mal Zeit verändert ist. Auf diese Weise ist es ebenfalls möglich, ein bestimmtes Furchenprofil angenähert zu erzeugen.
Selbstverständlich könnte an Stelle oder in Kombination mit der ungleichförmigen Bewegung auch eine zeitliche Veränderung der Intensität des Streifensystems zur Beeinflussung des Furchenproflls herangezogen werden.
Die Annäherung an das gewünschte Profil wird umso besser gelingen, je schmaler die hellen Streifen des belichtenden Streifensystems sind. Umgekehrt wird durch eine geringere Breite der hellen Streifen der Belichtungsvorgang verlängert und auch die Empfindlichkeit gegenüber unkontrollierten Schwankungen der Verschiebegeschwindigkeit vergrössert. Man wird also hinsichtlich der Breite der hellen Streifen einen Kompromiss schliessen, so dass eine genügende Annäherung an das Furchenprofil möglich ist, dass aber hinsichtlich des Bewegungsablaufes keine zu hohen technischen Anforderungen zu stellen sind. Die Wahl einer bestimmten Breite der hellen Streifen ist natürlich nur bei Belichtung durch eine Vorlage möglich.
Eine weitere Möglichkeit der Beeinflussung des Furchenprofils ist in den Zeichnungen dargestellt.
Die lichtempfindliche Schicht--l--wird in Kontakt mit einer Vorlage --2-- gebracht. deren Gitterstriche-3-als relativ schmale durchlässige Aussparungen in einem undurchlässigen Grund ausgebildet sind. Belichtet man nun die lichtempfindliche Schicht-l-durch die Vorlage-2hindurch mittels eines parallelen Lichtbündels--4--, so findet die Belichtung der Schicht in
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Reihe von Dreiecken--5--darstellt, deren Spitzen in den durchlässigen Gitterstrichen der Vorlage liegen (Fig. 5). Zwei Begrenzungsseiten des Dreieckprofils werden von der Ausgangs-und der Endlage der Strahlen während der Drehung gebildet. Bei der Drehung ist zu beachten, dass sie auf einen Winkelbereich beschränkt bleibt, so dass die Belichtungen der Schicht durch zwei benachbarte Aussparungen der Vorlage sich nicht überschneiden.
Die Grundlinie der Dreiecke stellt die Grenzlinie der lichtempfindlichen Schicht gegen die Trägerunterlage dar. Da dieses von den Dreiecksseiten
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verbleibt das gewünschte Dreiecksprofil (Fig. 6).
In Fig. 7 befindet sich eine lichtempfindliche Schicht--11--unter einer Vorlage, bestehend aus einem Trägerund schmalen Schlitzen --13-- und einer im übrigen lichtundurchlässigen Schicht. Die Vorlage --12/13-- liegt so dicht wie möglich an der lichtempfindlichen Schicht jedoch so, dass eine relative Beweglichkeit der Vorlage-12/13-zur Schicht-11-in Richtung des Pfeiles-V-möglich ist.
Eine solche Beweglichkeit bei kleinem Abstand der sich gegenüberstehenden Flächen lässt sich z. B. in bekannter Weise durch ein dünnes Polster von komprimierter Luft zwischen den Flächen erreichen. Die Vorlage --12/13-- ist ferner mit einem Antriebsmittel verbunden, mit dessen Hilfe sich sehr feinfühlig kleine Bewegungen ausführen lassen. Derartige Antriebe sind z. B. in Form piezoelektrischer
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geeignete Wahl der Kurven der Fig. 8 oder 9 lässt sich nahezu jede beliebige Profilform durch Belichtung und Entwicklung der lichtempfindlichen Schicht --11-- erreichen.
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eine Sammellinse --21--, eine Blende--22--und eine weitere Sammellinse--23--. Das Laserbündel wird auf diese Weise verbreitert.
Es wird an einem teildurchlässigen Spiegel--24--
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ein Träger-30-mit einer lichtempfindlichen Schicht --29-- aufgestellt.
Durch Variationen des Durchdringungswinkels der Bündel--26 und 27--werden nun nacheinander Streifensysteme wie in Fig. 11 bis llc erzeugt und auf ein und dieselbe lichtempfindliche Schicht --29-- fixiert. Die Superposition aller dieser Belichtungen bewirkt nach Entwicklung der Schicht --29-- ein Profil etwa gleich dem Profil der Schicht --29'-- der Fig. 12.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von optischen Beugungsgittern mit einem bestimmten Furchenprofil, z. B. einem unsymmetrischen Profil zur intensitätsmässigen Bevorzugung bestimmter Beugungsordnungen durch Belichten einer zu einem Relief entwickelbaren Schicht und nachfolgende Entwicklung,
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