CN101379444B - 用于生成偏振全息图的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于生成偏振全息图的方法，其中，在第一步骤中，计算相位全息图(1)，且其中，在第二步骤，计算的相位全息图被转移到物质载体(5)，该物质载体包括其中能够通过光暴露局部产生定向双折射的物质。本发明还涉及用于生成偏振全息图的装置以及根据本发明的偏振全息图作为数据存储、安全特征或用于执行常规光学功能的衍射光学元件的使用。

Description

用于生成偏振全息图的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于生成偏振全息图的方法、用于生成偏振全息图的装置以及根据本发明的偏振全息图作为数据存储、安全特征或用于执行常规光学功能的衍射光学元件的使用。
背景技术
计算产生的全息图(CGH)是数字全息图。CGH的结构使用特定算法计算，该算法模拟了关于虚拟取样光栅的计算机中的全息记录处理。这些结构然后例如通过平版印刷方法被转移到物质载体。
与CGH对照，在经典的模拟记录方法中，通过干涉，即激光束的相位恒定的迭加生成全息结构。
CGH的优点在于，它可以制造非实际的计算机计算的对象或作为数学描述存在的对象图像的全息图。因而，和模拟方法相比，CGH的使用增强了衍射结构的制造中的灵活性。而且，用于数字全息图的写入设备的设计比用于模拟全息图的写入设备的设计更为鲁棒，因为它不必考虑至少两个激光束的时间恒定的相位耦合。
计算产生的全息图被广泛地使用，例如用于工件的干涉形状测试，用于防欺骗的安全元件的制造以及作为用于执行常规光学功能(透镜、棱镜)的衍射光学元件(DOE)。
制造CGH的方法及其作为安全元件的使用是现有技术的一部分，且例如，在DE 19926698A1中描述。存在相位或幅值全息图。
偏振全息图是通过模拟技术，即通过激光束的干涉而制造的一种特定形式的全息图。偏振方向的图样通过激光束的交迭生成，且固定在光学各向异性材料中。
特别是在安全元件中，偏振全息图具有优于通常建立的相位或幅值全息图的某些优点。例如，偏振全息图对于圆偏振读取束的旋转方向敏感；偏振全息图在不同的方向衍射右和左圆偏振光(P.Rochon，V.Dronyan，A.Natansohn：Polarization Holographic Gratings inAzopolymers for Detecting and Producing Circularly Polarized Light，submitted for publication in International Conference on Applications ofPhotonics Technology(SPIE)，Technical Report No.48，Office of NavalResearch，Grant：N00014-93-1-0615，R&T Code：3132081)。偏振全息图由此提供了防欺骗的较大保护。
需要能够存储写入束的偏振方向的材料以用于将GCH转移到用于生成偏振全息图的介质。使用CGH通常转移到的惯用材料是不可能的。而且，在CGH到物质载体的通常的平版印刷转移中，产生不能被修改的永久的衍射结构。CGH向可重写介质的转移本质上更加灵活。
两个方面都被所谓的光寻址(photoaddressable)聚合物满足。光寻址聚合物是已知的(Polymers as Electrooptical and Photooptical ActiveMedia，V.P.Shibaev(editor)，Springer Verlag，New York 1995)。这些物质的特征在于，当暴露于偏振光时形成定向双折射的能力。写入的双折射图样能够在偏振光中可见。这种类型的示例是根据US专利5173381的包含偶氮苯基的侧基聚合物。
还知道，使用偏振光，能够在任意所需的点向这些聚合物层写入局域双折射，该双折射的优选轴关于偏振方向的旋转而移动(K.Anderle，R.Birenheide，M.Eich，J.H.Wendorff，Makromol.Chem.，Rapid Commun.10，477-483(1989))。
EP0622789A1描述了一般可以怎样实现光寻址聚合物的写入：通过光化性光的影响在聚合物层中产生有序状态。优选使用的光是线性或圆偏振光，其波长处于光致引发配置改变侧基的吸收带的区域内。当沿着膜的表面法线入射偏振光时，结果是膜的平面中的优先取向，在线性偏振光的情况下，该取向贯穿膜是均匀的，而使用圆偏振光，优选方向根据沿着表面法线的激励光的电矢量周期地调整。暴露于非偏振光产生垂直于膜平面的优先取向。
EP0622789A1还声明，光寻址聚合物尤其适用于图像的处理以及通过全息图的信息处理，通过使用参考波照射能够实现所述全息图的再现。在该公开的申请中，通过在存储材料中交迭两个相位恒定的光源生成全息图。
还进一步声明，在模拟存储的情况下，灰度值能够被连续地且具有位置分辨率地调节。
没有描述通过写入偏振方向的数字化图样的偏振全息图的产生。
通过模拟写入技术写入到光寻址聚合物的偏振全息图是现有技术的一部分。能够用来通过两个圆偏振激光束的交叠将偏振全息图写入到光寻址聚合物的装置在申请WO 99/57719A1中描述(第10页第1行到第14页第16行)。然而，使用这种装置，不可能直接将计算机产生的偏振全息图写入到光寻址聚合物。
DE 19620588A1描述了一种与上述方法不同的方法，且旨在用于对光寻址聚合物的写入。
在生成的第一步骤中，使用偏振光的光源在整个面积上照射光寻址聚合物层，且因而产生各向异性双折射。在第二步骤中，准备的材料因而使用较短光脉冲照射且在整个面积上生成的各向异性在局部区域中变化。没有描述计算产生的偏振全息图的写入。
因此，目标是开发一种方法，通过该方法，偏振全息图能够被计算且能够使用写入系统而被转移到物质载体。
令人惊讶的是，已经发现通过下述用于生成偏振全息图的根据本发明的方法以及根据本发明的装置实现该目的。
发明内容
本发明首先涉及一种用于生成偏振全息图的方法。
根据本发明的用于生成偏振全息图的方法包括：在第一步骤中，计算至少具有两个偏振态的偏振全息图，以及在第二步骤中，将计算的偏振全息图转移到物质载体，该物质载体包括能够通过光局部产生定向双折射的物质。
具体实施方式
偏振全息图的计算
通过由幅值和相位组成的复数在三维空间中描述对象。该对象的幅值是亮度值的分布(幅值分布)，该对象的相位可以任意选择。优选地，选择随机分布。
需要被全息存储的对象以数字化的形式存在，即存在用于幅值和相位的离散值矩阵。
偏振全息图是一种特定形式的相位全息图；因此为该对象计算相位全息图。对于该目的，必须发现当使用读取束照射时重新构建该对象的相位全息图。相位全息图调制读取束的相位。这意味着有必要找到以如下方式调制读取束的相位的相位全息图，即对象的幅值分布被重新构建。
文献描述了很多解决方法；Gerchberg和Saxton描述的迭代傅立叶变换算法(IFTA)被认为是一个示例(R.W.Gerberg，W.O.Saxton；APractical Algorithm for the Detection of Phase from Image and DiffractionPlane Pictures；Optik 35(1972)，page 237)。该算法的目标是在尽可能无错的频率空间中发现对象的表达。
定义：
A(O)对象的幅值
P(O)对象的相位
A(C)CGH的幅值
P(C)CGH的相位
A(L)为读取处理设置的读取束的幅值
在傅立叶全息图的情况下，傅立叶变换允许所需对象的重新构建。为了生成傅立叶CGH，通过傅立叶变换，从以数字形式存在的对象(A(O)，P(O))计算全息图的平面中的合成幅值/相位分布。
结果同样是复的幅值/相位分布(A(C)，P(C))。对于幅值分布A(C)，使用为读取处理设置的读取束的幅值分布A(L)且实施(A(L)，P(C))的逆傅立叶变换。
结果是对象空间(A’(O)，P’(O))中的幅值和相位分布。这不再对应于原始分布(A(O)，P(O))，因为A(C)被A(L)代替。相位分布P’(O)保留，A’(O)被A(O)代替，且实施另一傅立叶变换。
该过程一直继续，直到全息图的平面中的复幅值/相位分布导致对象的平面中的复幅值/相位分布，此分布足够精确地与原始分布A(O)，P(O)一致。
结果是具有复幅值/相位分布A(C)，P(C)的数字相位全息图，当使用读取束照射时，该全息图重新构建具有足够精确度的对象(A(O)，P(O))。
该计算方法的关键在于以如下方式调整算法，即，使得在每次迭代步骤，全息图的平面内的相位分布以如下方式量化(称为“迂回”)，即，计算的偏振全息图至少具有两个偏振态(polarization stage)。量化的原因在于，当将计算的偏振全息图转移到物质载体时，由于技术原因，不可能为相位设置任意值。依赖于使用的技术能够在材料中设置多少个离散值且使用哪些离散值，实现P(C)的量化。在优选实施例中，量化以如下方式实现，即，计算的偏振全息图具有四个偏振态。
在计算计算的偏振全息图的最后步骤中，用于相位分布P(C)的值被偏振方向代替。相位分布假设值在0至2π之间。这些值被映射到0°至180°的偏振方向的分布。在最简单的情况，实施线性映射，即，0至2π之间的值被0°至180°之间的值线性代替。还可以实施不同于线性映射的映射。优选地，实验上判断指示哪个偏振方向导致哪个相位偏移的材料特性。
修正的IFTA的迭代如下：
步骤1：通过傅立叶变换从A(O)和P(O)计算A(C)和P(C)
步骤2：A(L)代替A(C)
步骤3：P(C)的量化给出Pq(C)
步骤4：通过逆傅立叶变换从A(L)和Pq(C)计算A’(O)和P’(O)
步骤5：A(O)代替A’(O)，且使用新的值A(O)和P(O)；(A(O)，P’(O))从1开始
当全息图的平面内的复幅值/相位分布的傅立叶变换导致对象平面内的复幅值/相位分布时，该方法终止，所述对象平面内的幅值/相位分布足够精确地对应于原始分布A(O)和P(O)。结果是计算的相位全息图。
根据应用判断相符(agreement)的精确度。例如，如果二元、二维数据代码(矩阵代码，诸如，例如数据矩阵代码)被作为全息图写入，重构必须足够好，以用于被包含在适用于实现数据恢复的矩阵代码中的误差校正。在全息存储图像的情况下，重构必须足够好，以使得对于人眼而言，原始和重构之间没有可检测差异。通常，迭代步骤实施一定次数，使得在进一步的迭代步骤计算的结果不再改变或者在每个进一步的迭代步骤中的平均偏差不再改变。
优选地，使用计算机实施计算的相位全息图的计算。
在计算相位全息图之后，实现上述使用偏振分布代替相位分布P(C)值。得出偏振全息图。
在已经计算出偏振全息图之后，它在第二步骤转移到物质载体。
计算的偏振全息图向物质载体的转移
如果相位全息图被转移到物质载体，它调制读取束的相位。读取束的相位可能受材料中光路的影响。光路(OP)是材料的层厚度d和折射率n的乘积。
OP＝n·d
在常规相位全息图的情况下，例如，在DE19926698A1中，材料的层厚改变，以致使读取束的相位调制。
在本发明的情况下，材料的折射率改变以致使读取束的相位调制。
物质载体
能够通过光局部产生定位双折射的所有物质可以用作该物质载体的材料(Polymers as Electrooptical and Photooptical A ctive Media，V.P.Shibaev(editor)，Spinger Verlag，New York 1995；Natansohn et al.，Chem.Mater.1993，403-511)。尤其合适的聚合物是能通过光局部产生定位双折射的物质。这些物质在这里被称为光寻址聚合物。这些物质具体而言是侧基聚合物，它们可用于本发明且在下面的出版物中描述：EP 0622789B1(pages 3-5)，DE 4434966A1(pages 2-5)，DE 19631864A1(pages2-16)，DE 19620588A1(pages 3-4)，DE 19720288A1(pages 2-8)，DE4,208328A1(pages 3，line 3-4，9-11，34-60，56-60)，DE 10027153A1(page2-page 8，line 61)，DE 10027152A1(pages 2-8)，WO 196038410A1，US 5496670(section 1 lines 42-67，section 6 line 22 to section 12 line 20)，US5543267(section 2 line 48 to section 5 line 3)，EP 0622789B1(page3，line17 to page 5，line 31)，WO 9202930 A1(page 6，line 26 to 35，page 7，line 25to page 14 line 20)，WO 1992002930A1。
当使用偏振光照射偏振全息图时，单独的波趋向于经历相位偏移。这依赖于存储材料中局部双折射的水平。如果所谓的光寻址聚合物用作存储材料，双折射可以通过光引起(R.Hagen，T.Bieringer：Photoaddressable Polymers for Optical Data Storage.In：AdvancedMaterials，WILEY-VCH Verlag GmbH(2001)，No.13/23，pages1805-1810)。
以简单的术语表达，作为线性偏振光入射的结果，载色体(chromophores)是垂直于偏振方向取向的。
对于将计算的全息图写入到偏振敏感的材料，使用优选地具有380nm到580nm范围的波长的线性偏振光。尤其优选地，使用具有400至420nm或500至550nm的波长的光执行写入。
对于将计算的偏振全息图转移到物质载体，具有两种可能性：串行和并行写入。
串行写入
为了串行即逐点写入全息图，写入束必须能够双向传输。这种传输被快速反射镜倾斜系统允许。快速反射镜倾斜系统包括能够通过压电制动器在两个角度倾斜的反射镜。备选地，快速反射镜倾斜系统还可以使用在每种情况下仅在一个角度倾斜的两个反射镜。
在本发明的实施例中，激光束是固定的且存储介质相对于激光束在两个方向中移动。例如，这可以通过可制动位移台实现。用于移动激光束的反射镜以及存储介质相对于激光束的位移的组合也是可以考虑的。
使用至少两个偏振态，偏振的方向在0至180°的范围可连续或离散地调节。优选地，0至180°的范围内均匀分布的至少四个偏振态被写入。
为了实现足够高的写入速度，必须能够极快地改变偏振方向。在本发明的实施例中，使用包括四个激光器的设计，这在图2中示出。这种设计的优点在于避免了用于写入偏振方向的机械部件。每个激光器产生具有不同偏振方向的光。偏振方向优选地为0°、45°、90°和135°。
在写处理中，激光器交替地在开和关之间切换，使得在准直出射束中存在所需的偏振方向(参考图2)。这样，四个偏振态能够高速地被写入到材料中。在附加的偏振旋转π/2移相器(参考图3)的帮助下，可以设置其他偏振，通过该其他偏振，存储介质能够被“格式化”。在第一步骤中，偏振方向被写入到全息图的整个区域上。此后，附加的π/2移相器被移除，且在第二步骤中，在可以交替地开和关的激光器的帮助下，剩余的偏振方向以光栅模式被写入。这样，通过上述装置，具有五个偏振态的全息图被写入。
本发明的另一执行仅使用其中偏振方向连续可调的一个激光器。例如，光纤偏振调节器可用于该目的。它以等效于经典光学的折射平面波板的方式操作。该光纤缠绕成线圈。作为光纤弯曲的结果，其剖面变形且变成椭圆，且由此双折射。通过线圈相对于连续光纤的旋转，可以改变偏振态且在整个范围内旋转偏振平面。
还可以以可旋转的方式安装偏振器且由此连续地旋转偏振平面。
除了偏振全息图，使用例如用于发现全息图的特定位置标记的激光，其他结构可以被写入到物质载体中。
并行写入
在并行写入中，具有相同的偏振的计算的偏振全息图的所有点被同时写入到物质载体。例如，这能够通过DLP(数字光处理)技术实现。DLP技术基于安装在DMD(数字微镜器件)芯片上的精微的小反射镜。
所述反射镜具有两个稳定的末端状态，它们可以在极短的时间内在这两个末端状态之间变化。在计算机辅助下，反射镜从外部制动。作为DMD芯片上的单独微镜倾斜的结果，光要么直接反射到光学系统，要么导入到吸收体中。
对于偏振全息图的并行写入，具有可调节偏振方向的发散的、线性的偏振光束被引导到DMD芯片。
DMD芯片的反射镜代表了偏振全息图的像素。属于该组偏振方向的所有反射镜在光学系统的方向中倾斜。所有其他反射镜朝向吸收体倾斜。
此后，选择新的偏振方向，且以类似的方式继续处理，直到存在的所有偏振方向都被写入为止。
备选地，并行写入还可以使用元件布置实行，通过该元件布置，偏振的方向可以以可控的方式设置。在这种情况下，存在的单独偏振方向不需要被接连地写入，而是存在的所有偏振方向被同时并排写入。液晶显示器可以用作这种元件布置。
本发明还涉及用于制造偏振全息图的装置，该装置包括(参考图1)计算单元(1)，通过该计算单元可以执行数学计算。该装置还包括光源(2)，通过该光源可以产生具有可调节偏振方向的偏振光(3)。该装置还包括单元(4)，通过该单元，具体而言，以材料中和/或材料上的各个点能被不同偏振方向的光照射的方式，偏振光可以被引导到材料(5)上。
该装置的可能实施例使用能够在至少两个偏振态设置偏振方向的写入激光。
该装置的另一可能的实施例使用多个激光，每个激光至少具有一个不同的偏振方向，即不同的激光用于待写入的不同的偏振方向。为待写入的每个偏振方向使用一个激光。通过使用可以引入到激光光路中且再次移除的π/2移相器，甚至可以具有比现有激光更多的将被写入的偏振方向。
附图标记
(1)计算单元
(2)具有可调节偏振方向的光源
(3)具有指定的偏振方向的光束
(4)用于引导光束到物质载体上的单元
(5)物质载体
(6)分束器立方体
(7)分束板
(8)π/2移相器
本发明还涉及通过根据本发明的方法可获得的偏振全息图以及这些偏振全息图作为数据存储、安全特性或用于执行常规光学功能的衍射光学元件，例如透镜或棱镜的使用。

Claims (12)

1.用于生成偏振全息图的方法，其特征在于，在第一步骤中，计算具有复振幅和相位分布A(C)、P(C)的相位全息图，在第二步骤中，通过用偏振方向代替用于所述相位分布P(C)的值而根据所述相位全息图计算偏振全息图，并且在第三步骤中，将所述计算的偏振全息图转移到物质载体，所述物质载体包括在其中能够通过光而局部地产生定向的双折射的物质。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，光可寻址聚合物被用作所述物质载体。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，除所述偏振全息图之外，甚至另外的结构被写入到所述物质载体中。
4.根据权利要求1至2中任意一项所述的方法，其特征在于，通过迭代傅立叶变换实现所述计算的偏振全息图的计算，所述偏振全息图的平面中的所述计算的相位分布在每次迭代循环中以这样的方式被量化：即所述计算的偏振全息图具有至少两个偏振态。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述偏振全息图的平面中的所述计算的相位分布在每次迭代循环中以这样的方式被量化：即所述计算的偏振全息图具有四个偏振态。
6.用于生成偏振全息图的装置，包括：计算单元(1)，通过所述计算单元能够实施数学计算；光源(2)，通过所述光源能够产生具有可调节偏振方向的偏振光(3)；以及单元(4)，通过所述单元，所述偏振光能够被引导到材料(5)上，以这样的方式：即所述材料中和/或所述材料上的各个点能够被不同偏振方向的光照射，而通过利用附加的偏振-旋转π/2-移相器，另一偏振被设置；
其中，所述计算单元(1)计算具有复振幅和相位分布A(C)、P(C)的相位全息图，并且随后通过用偏振方向代替用于所述相位分布P(C)的值而根据所述相位全息图计算所述偏振全息图。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，使用能够在至少两个偏振态设置所述偏振方向的写激光。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，使用多个激光，并且每个激光具有至少一个不同的偏振方向。
9.偏振全息图，其特征在于，通过根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的方法生成所述偏振全息图。
10.根据权利要求9所述的偏振全息图作为数据存储的用途。
11.根据权利要求9所述的偏振全息图作为安全元件的用途。
12.根据权利要求9所述的偏振全息图作为用于产生特定波前的衍射光学元件的用途。
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