CH674907A5 - - Google Patents

Description

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CH 674 907 A5

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Holografie und betrifft ein Kopiergerät für holografi-sche Beugungsgitter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung kann im Werkzeugmaschinenbau, der Meßmikroskopie, Metrologie, in holografischen Speichern, im holografischen Filmwesen und Fernsehen, in Informationsspeichersystemen angewendet werden.

Die Erfindung kann am effektivsten bei der Erzeugung der Kopien von holografischen Beugungsgittern für Weggeber und der Kopien von Hologrammen verwendet werden.

Es ist ein Gerät zur Erzeugung zusammengesetzter Kopien von geritzten Beugungsgittern bekannt, das ein Beleuchtungssystem und in Richtung der Lichtstrahlung hintereinander angeordnet enthält: ein Kollimationssystem, ein aus einer Unterlage mit in diese eingeritzten Strichen bestehendes transparentes geritztes Gitter, eine Unterlage für eine Kopie und zwei geritzte Reflexions-Beugungsgitter bzw. Vorlagen, deren Striche der Unterlage der Kopie zugekehrt sind, wobei das transparente Gitter, die Unterlage der Kopie, das Beleuchtungssystem bezüglich der übrigen Gitter bzw. Vorlagen fest angeordnet sind. Die Vorlage ist notfalls von der Kopie abzutrennen (siehe z.B. den Beitrag von F.A. Mitina, A.M. Nizhin, G.N. Rassudova «Zusammengesetzte Kopien von beugenden Meßgittern» in der Zeitschrift . «Optiko-mekhanicheskaya promyshlennost» [«Optisch-mechanische Industrie»], 1975, H. 9, S. 47 bis 50).

In diesem Gerät wird vom Prinzip eines Kontaktkopierens Gebrauch gemacht.

Das obengenannte Gerät arbeitet wie folgt.

Auf die Unterlage der Kopie werden zwei Vorlagen aufgebracht und nach Interferenz-Moiréstreifen voreingestellt, die an der Verbindungsstelle der Vorlagen beobachtet werden. Danach werden die Vorlagen abgenommen, die Unterlage wird mit Harz begossen, die Vorlagen werden wieder vorsichtig aufgelegt, durch federnde Anschläge angedrückt, und es wird die Einstellung nach dem Moiré-Bild geprüft. Auf solche Weise wird, falls erforderlich, im Laufe von 15 bis 20 Minuten nachjustiert, bis sich Helium nach dem Zusammenkleben gebildet hat, bzw., bis das gebildete Gel völlig hart (polymerisiert) ist. Nach Ablauf von zwei Stunden wird das überschüssige Harz entfernt, nach 18 bis 20 Stunden wird die Kopie von den Vorlagen abgetrennt, die mit destilliertem Wasser gespült werden, um die Reste von chemischen Substanzen zu entfernen, die beim Kopieren eingesetzt werden. Durch das genannte Gerät lassen sich zusammengesetzte Kopien fertigen, die eine beliebige Zahl von Sektionen enthalten. Zu diesem Zweck muß man von einer zweiteiligen Kopie mit zwei darauf aufgeklebten Vorlagen die eine davon abtrennen und sie auf einen freien Platz der Unterlage am Ende der zweiten Vorlage erneut aufkleben. In dieser Weise lassen sich zusammengesetzte Kopien mit einer Strichzahl bis 1200 je 1 mm fertigen.

Im genannten Gerät werden die Kopiervorlagen mit einer Genauigkeit von a/10 gegeneinander angeordnet, worin a - eine Gitterkonstante, d.h. ein Strichabstand ist. Infolge einer anschließenden mechanischen Einwirkung auf die Vorlagen nimmt diese Genauigkeit ab.

Eine solche konstruktive Ausführung dieses Geräts gestattet es nicht, den Rand der Vorlage streng parallel zu den Strichen und bis auf einem Strichabstand genau zu bearbeiten, es entsteht ein durch die Striche überhaupt nicht gefüllter Abschnitt. Er wird auch «ungestrichener Abschnitt» genannt, wobei die Oberfläche dieser Abschnitte über die restliche Oberfläche vorsteht, wodurch sogenannte «Stufen» entstehen.

Bei der Fertigung von spektroskopischen zusammengesetzten Kopien von hoher Qualität sind selbst unerhebliche «Stufen» wegen einer ungenauen Einstellung der Oberfläche der Kopiervorlagen in der gleichen Ebene unzulässig.

Infolge der Notwendigkeit, die eingestellten Vorlagen von der Oberfläche der Kopie bei deren Begießen mit Harz abzuheben, werden die Vorlagen abgetrennt, dann erneut eingestellt und wieder justiert, was den technologischen Prozeß der Erzeugung der Kopie kompliziert.

Wegen des Einsatzes von Harz mit einer langsamen Polymerisation geht aber das Kopieren mit einer geringen Geschwindigkeit im Laufe von 20 Stunden vor sich. Ist es notwendig, innerhalb dieser Zeit eine größere Anzahl der Kopien zu erhalten, so muß die Anzahl der Kopien der der Vorlagen gleich sein, was sehr unwirtschaftlich ist. Andererseits führt die Anwendung einer mechanischen Einwirkung auf die Vorlage zur Verschlechterung ihrer Qualität.

Weit bekannt ist, daß die holografischen Beugungsgitter Vorteile gegenüber den geritzten Beugungsgittern besitzen, denn sie können engmaschiger sein und im sichtbaren Bereich bei denselben längen wie auch bei den geritzten Gittern 6000 L/mm aufweisen.

Die holografischen Beugungsgitter bzw. Vorlagen werden in einem kontaktlosen Interferenzverfahren erfüllt, was es gestattet, bei der gleichen Gitterlänge eine größere Strichzahl zu bekommen, während die Länge und die Strichzahl der geritzten Beugungsgitter sowohl durch die geometrischen Abmessungen eines Schneidwerkzeuges, als auch durch dessen Abnutzung beim Ritzen und durch ein Fehlen der Möglichkeit, dieses im Verlaufe des Prozesses auszuwechseln, grundsätzlich beschränkt sind.

Die Verwendung der Quelle kohärenter Strahlung beim Interferenzkopieren führt zur Lockerung der Anforderungen an die Spaltenbreite zwischen der Vorlage und der Kopie, die im Falle einer inkohärenten Beleuchtung in der Größenordnung des Gitterabstandes liegen soll. So ist der Gitterabstand bei einer Gitterstrichzahl von 1000 L/mm gleich 1 um. Es ist praktisch nicht möglich, einen Spalt von 1|im, insbeson-

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dere bei großen Längen der Unterlage, einzuhalten. Im Falle einer kohärenten Strahlung kann der Spalt mehrere hundert Mikrometer und mehr betragen. Es lohnt sich aber nicht, den Spalt zwischen der Kopie und der Vorlage allzusehr (bis auf mehrere Zentimeter) zu vergrößern, denn die in diesem Fall erzeugten Kopien ergeben Doppelbilder - zwei imaginäre und zwei wirkliche Bilder (D.B. Brumm «Double Images in Copy Holograms». Appi. Optics, 1967, V. 6, Nr. 3, p. 588-589).

Es ist ein Kopiergerät für holografische Beugungsgitter bekannt, das dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht (s. z.B. den Beitrag von V.A. Vanin, L.N. Vagin («Interferenzkopieren von Mikro-hologrammen»), «Zhurnal nauchnoi i prikladnoi fotografii i kinotekhniki» («Zeitschrift für wissenschaftliche und angewendete Fotografie und Filmtechnik»), 1975, Bd. 20, Ausgabe 6, S. 416 bis 422).

Bei diesem Gerät wird vom Prinzip eines Interferenzkopierens Gebrauch gemacht.

Das Gerät arbeitet wie folgt.

Ein Teil des auf das holografische Gitter einfallenden Bündels des kohärenten Lichts wird daran gebeugt und der andere Teil kommt durch, ohne abgelenkt zu werden. Diese zwei Bündel erzeugen, indem sie miteinander interferieren, ein Stehwellenbild in der Ebene der Aufzeichnungsschicht der Kopie, das mit dem Bild identisch ist, in dem die Vorlage aufgezeichnet worden ist. Wenn das kollimierte Bündel beim Kopieren das gleiche wie eines der Bündel bei der Aufzeichnung der Vorlage ist, so findet ein Interferenzkopieren des holografischen Gitters statt.

Im genannten Gerät entfällt eine mechanische Zusammenwirkung zwischen Vorlage und Kopie. Dies führt zur Erhaltung der Vorlage und deren Genauigkeit sowie zu einer höheren Genauigkeit der erzeugten Kopie, die bei einer sachgemäßen fotochemischen Behandlung der Genauigkeit der Vorlage nahekommt. Solch eine konstruktive Ausführung dieses Gerätes macht aber das Kopieren nur in den Grenzen der Apertur des Kollimationssystems möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kopiergerät für holografische Beugungsgitter zu schaffen, in dem ein derartiges Mittel vorgesehen ist, das es gestattet, Kopien des holografischen Beugungsgitters zu erzeugen, deren Abmessungen die Apertur des Kollimationssystems übertreffen.

Dies wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.

Um einen größtmöglichen Beugungswirkungsgrad zu erreichen, kann der Spiegel in bezug auf die Vorlage unter einem Winkel von a = 45° + Q/4 angeordnet werden, worin Q/2 ein Winkel zwischen der Richtung der kohärenten Strahlung und einer Normalen zur Oberfläche der Aufzeichnungsschicht der Vorlage ist.

Diese konstruktive Ausführung des erfindungsgemäßen Geräts gestattet es, holografische Beugungsgitter, deren Abmessungen die Apertur des Kollimationssystems übertreffen, mit dem größtmöglichen Beugungswirkungsgrad unter Einhaltung auch anderer erforderlicher Bedingungen, beispielsweise einer hohen Auflösung der Aufzeichnungsschicht der Kopie und eines hohen Beugungswirkungsgrades der Vorlage selbst, zu kopieren.

Die Erfindung wird durch die nachstehende Beschreibung eines konkreten Ausführungsbeispiels derselben anhand von beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, in denen es zeigt:

Fig. 1 ein Gesamtbild des erfindungsgemäßen Geräts (im Längsschnitt);

Fig. 2 einen Spiegel und eine Vorlage des Geräts nach Fig. 1 (im Längsschnitt und vergrößert);

Fig. 3 einen Schnitt nach Linie III-III der Fig. 1.

Das erfindungsgemäße Kopiergerät für holografische Beugungsgitter kann sowohl für das Kontaktals auch für das Interferenzkopieren verwendet werden. In der nachstehend beschriebenen Ausführungsform wird das Interferenzkopieren angewendet.

Das erfindungsgemäße Kopiergerät für holografische Beugungsgitter enthält eine Quelle 1 (Fig. 1) kohärenter Strahlung und in Richtung A, B der kohärenten Strahlung hintereinander angeordnet: ein Kol-limationssystem 2, einen Spiegel 3, eine Vorlage 4 - ein holografisches Beugungsgitter - und eine Kopie 5.

In der beschriebenen Ausführungsform des Geräts wird als Quelle 1 ein Laser eingesetzt. Das Kolli-mationssystem 2 besteht aus einer Zerstreuungslinse 6 und einer Koilimationsiinse 7, die miteinander durch eine Fassung 2 starr verbunden sind. Die Quelle 1 und die Fassung 8 mit den Linsen 6 und 7 sind mit einem Gehäuse 9 fest verbunden.

Der Spiegel 3 in dem erfindungsgemäßen Gerät ist mit der Möglichkeit einer hin- und hergehenden Bewegung (in Pfeilrichtungen C und D) entlang der Länge der Vorlage 4 in der Weise angeordnet, daß die durch den Spiegel 3 reflektierte kohärente Strahlung auf die Vorlage 4 einfällt. Zur Verschiebung des Spiegels 3 ist der letztere an einer Halterung 10 befestigt, die mit einer Kupplung 11 starr verbunden ist, welche ein Innenschraubengewinde 12 zur Bewegung auf einer Schraube 13 aufweist, deren eines Ende auf der Ausgangswelle eines Elektromotors 14 und deren anderes Ende im Gehäuse 9 angeordnet ist.

Um eine größtmögliche Helligkeit bei dem zu kopierenden Bild zu erhalten, ist der Spiegel 3 (Fig. 2) in bezug auf die Vorlage 4 unter einem Winkel oC- 45° + |

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angeordnet, wobei Si ein Winkel zwischen der Richtung B der kohärenten Strahlung und einer Nor-2

malen 15 zur Oberfläche einer Aufzeichnungsschicht 16 der Vorlage 4 ist.

Der größte Beugungswirkungsgrad ergibt sich, wenn die Kopie 5 unter demselben Winkel zu ihrer Normalen aufgezeichnet wird, unter dem die Vorlage 4 aufgezeichnet worden ist. Man kann den Neigungswinkel a des Spiegels 3 zur Vorlage 4 in Abhängigkeit vom Winkel Q zwischen den Strahlenachsen des Interferometers bei der Aufzeichnung der Vorlage 4 auswählen. Es seien folgende Gleichungen für Winkel aus der Geometrie der Anordnung des Spiegels 3 und der Vorlage 4 unter Berücksichtigung der Lichtreflexionsgesetze für die Oberfläche des Spiegels 3

2 - 180°, (1)

Y = 180° - 90°. - § , (2)

worin Ç - ein Winkel zwischen den Richtungen A und B der kohärenten Strahlung ist, geschrieben.

Aus der Gleichung (1)

'«<■ 1800 ; fr erhält man nach Einsetzen des Wertes \ aus (2)

c^= 45° + j

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel des Geräts ist a = 45° + 9°23' = 54°23'

Die Vorlage 4 (Fig. 1) bzw. das holografische Beugungsgitter besteht aus einer Unterlage 17 und einer obenerwähnten Aufzeichnungsschicht 16. Die Kopie 5 besteht aus einer Unterlage 18 mit einer Aufzeichnungsschicht 19. Die Aufzeichnungsschichten 16 und 19 sind einander zugekehrt, deren ausgedehnte Oberflächen sind einander parallel mit einem Spalt b angeordnet. Hier stellen die besagten Schichten Fotoschichten dar. Die Vorlage 4 und die Kopie 5 sind miteinander für die Zeit der Fertigung einer Kopie starr verbunden.

Um die Kopie 5 auszuwechseln, ist das erfindungsgemäße Gerät mit einem Manipulator 20 (Fig. 3) versehen.

Der Manipulator 20 ist in Form eines Hebelwerks ausgeführt, das sich aus Hebeln 21 und 22 und Handgriffen 23 und 24 (Fig. 1) zusammensetzt. Der Hebel 21 (Fig. 3) ist an einem im Gehäuse 9 angeordneten Gestell 25 befestigt. Am Hebel 22 sind die Handgriffe 23 und 24 befestigt, mit deren Hilfe die Vorlage 4 bezüglich der beim Kopieren auf dem Gestell 25 befindlichen Kopie 5 angeordnet wird. Der Hebel 22 ist mit einem Rahmen 26 fest verbunden, in dem die Vorlage 4 liegt.

Die Schraube 13 (Fig. 1) ist im Körper 9 in Lagern 27 und 28 angeordnet.

Das erfindungsgemäße Kopiergerät für holografische Beugungsgitter arbeitet wie folgt.

Ein Bündel kohärenter Strahlung fällt von der Strahlungsquelle 1 (Fig. 1), indem es das Kollimationssy-

stem 2 passiert und vom Spiegel 3 reflektiert wird, auf die Vorlage 4 unter einem Winkel von —Q—

(Fig. 2) zur Normalen 15 ein. Beim Passieren der Vorlage 4 und ihrer Aufzeichnungsschicht 16 wird die ebene Welle der kohärenten Strahlung in der Aufzeichnungsschicht 16 entsprechend der Amplitudenphasenverschiebung moduliert, und, daran gebeugt, interferiert ein Teil dieser Welle mit dem Teil der Welle, der den Bereich der Aufzeichnungsschicht 19 der Kopie 5 passiert hat, ohne seine Richtung geändert zu haben. Hierbei werden Stehwellen erzeugt, die mit den Stehwellen identisch sind, mit deren Hilfe die Vorlage 4 aufgezeichnet worden ist. Diese Wellen werden durch die Kopie 5 registriert. Der Spiegel 3 wird entlang der Länge der Vorlage 4 verschoben, wodurch die Kopie 5 in ganzer Länge belichtet wird. Dies entspricht der Beleuchtung der Vorlage 4 durch ein koilimiertes Lichtbündel mit einer Apertur, die der Weglänge des Spiegels 3 bei der Verschiebung gleich ist. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Spiegels wird ausgehend von den Forderungen der Sollbeiichtung der Aufzeichnungsschicht 19 in Übereinstimmung mit deren charakteristischer Empfindlichkeitskurze bestimmt, um einen maximalen Beugungswirkungsgrad rimax zu erzielen. Der Betrag

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ist auch optimal, um T|max zu erhalten.

Da der Spiegel 3 die Möglichkeit hat, sich entlang der Länge der Vorlage 4 zu verschieben, erfolgt das Kopieren im erfindungsgemäßen Kopiergerät im kontinuierlichen Betrieb.

Nach der Belichtung der Kopie 5 werden die Vorlage 4 und die Kopie 5 mit Hilfe des Manipulators 20 (Fig. 3) auseinandergebracht und die Kopie gegen eine neue ausgewechselt, worauf die erstgenannten zusammengebracht und zur Erzeugung einer weiteren Kopie verbunden werden. Die belichtete Kopie 5 (Fig. 1) wird bearbeitet, um ein Bild zu erhalten. Als Aufzeichnungsschicht kann eine Schicht ausgenutzt werden, die das Bild im Echtzeitbetrieb fixiert.

Mit Hilfe des zu patentierenden Kopiergeräts für holografische Beugungsgitter sind Kopien von einem holografischen Beugungsgitter mit einer Länge von 700 mm und mit einer Strichzahl von 1000 L/mm erzeugt. Der Summenfehler für die ganze Länge der Kopie überschreitet den Fehler der Vorlage nicht und bleibt unterhalb von 1 um/m liegen. Die Apertur des Kollimationssystems beträgt 150 mm. Die Länge der Kopie ist gleich der Länge der Vorlage, was die Apertur des Kollimationssystems übersteigt. Der Neigungswinkel des Spiegels macht 54°23' aus. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Spiegels liegt in der Größenordnung von 0,08 cm/s.

Das erfindungsgemäße Kopiergerät für holografische Beugungsgitter gestattet es, Kopien von holografischen Beugungsgittern praktisch unbegrenzter Länge mit einer Genauigkeit zu erzeugen, die der Vorlage gleich ist.

Darüber hinaus verlängert das Interferenzkopieren die Lebensdauer der Vorlage, ohne deren Qualität zu beeinträchtigen. Dies ist möglich, weil der Spalt zwischen der Vorlage und der Kopie bei Anwendung der Quelle kohärenter Strahlung groß genug - bis auf 1 mm und mehr - gemacht werden kann, was bei großen Längen der Kopien, wo die Einhaltung eines schmalen Spaltes als komplizierte technologische Aufgabe gilt, sehr wesentlich ist.

Die Fertigungszeit für eine Kopie von 1 m Größe, beginnend mit der Belichtung und endend beim Fertigerzeugnis, beträgt 35 min, was praktisch zehnmal weniger als die Zeit für die Erzeugung einer Vorlage ist, und kann bei Verwendung einer empfindlicheren Aufzeichnungsschicht reduziert werden. Bei der Massenfertigung der holografischen Gitter gilt es, Kopien zu benutzen, während die Vorlagen lediglich als Matrizen für deren Herstellung dienen sollen. Von einer Matrize bzw. Vorlage können nicht weniger als 100 Kopien vervielfältigt werden.

Das erfindungsgemäße Kopiergerät für holografische Beugungsgitter gestattet es also, das Interferenzkopieren von holografischen Beugungsgittern größerer Länge als die Apertur des Kollimationssystems durchzuführen, was die Möglichkeit gibt, Kopien von großer Länge zu fertigen.

Claims (2)

Patentansprüche

1. Kopiergerät für holografische Beugungsgitter mit einer Quelle (1) kohärenter Strahlung und mit in Richtung (A, B) der kohärenten Strahlung hintereinander angeordnet: Einem Kollimationssystem (2), einer Vorlage (4) eines holografischen Beugungsgitters, bestehend aus einer ersten Unterlage (17) und einer ersten Aufzeichnungsschicht (16), und einer Kopie (5) bestehend aus einer zweiten Unterlage (18) und einer zweiten Aufzeichnungsschicht (19), wobei die Vorlage (4) und die Kopie (5) starr miteinander verbunden und mit ihren Aufzeichnungsschichten (16, 19) einander zugekehrt sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spiegel (3) vorgesehen ist, der in Richtung (A, B) der kohärenten Strahlung zwischen dem Kollimationssystem (2) und der Vorlage (4) längs der Vorlage (4) in der Weise verschiebbar ist, daß die durch den Spiegel (3) reflektierte kohärente Strahlung auf die Vorlage (4) einfällt.

2. Gerät nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (3) in bezug auf die Vorlage (4) unter einem Winkel a = 45° + Q/4 angeordnet ist, wobei Q/2 ein Winkel zwischen der Richtung (B) der kohärenten Strahlung und einer Normalen (15) zur Oberfläche der ersten Aufzeichnungsschicht (16) der Vorlage (4) bedeutet.

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