CN111247488A - 记录全息图的曝光设备，记录全息图的方法和控制用于记录全息图的曝光设备的方法 - Google Patents

记录全息图的曝光设备，记录全息图的方法和控制用于记录全息图的曝光设备的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种用于记录全息图的曝光设备(300)。该曝光设备(300)包括至少一个调制单元(304)，所述调制单元构造用于通过将代表全息图的至少一个全息元件的调制施加到激光束(308，338)上来产生代表参考射束和/或对象射束的调制射束(310)。此外，该曝光设备(300)包括至少一个缩小单元(312)，所述缩小单元构造用于在使用所述调制射束(310)的情况下产生改变的调制射束(318)，其中，所述改变的调制射束(318)具有比所述调制射束(310)更小的射束直径。此外，该曝光设备(300)包括至少一个物镜单元(320)，所述物镜单元构造用于将所述改变的调制射束(318)通过浸没介质引导到记录材料(302)上，以便通过借助所述改变的调制射束(318)对记录材料(302)的曝光来记录全息图。

Description

记录全息图的曝光设备，记录全息图的方法和控制用于记录 全息图的曝光设备的方法
技术领域
本发明从根据独立权利要求的类别的一种设备或一种方法出发。
背景技术
通过市场上新的可用的全息材料和激光源的小型化为全息光学元件(简称HOE)开拓越来越多的新市场和应用领域。诸如数据眼镜或平视显示器之类的可能的应用领域变得越来越有趣，并且可以通过使用全息光学元件来实现或改善。
为了记录全息图，例如，使彼此相干的两个激光源(参考波和对象波)在光敏全息层上发生干涉。然后将产生的干涉图样记录到全息层上。通过用参考波照射该干涉结构，可以重建对象波。例如，可以使用两种不同的记录方法将体积全息图的光学功能写入全息层。一方面，可以将两个激光束在大面积的或模拟的记录中如此强烈地扩展，使得可以在一个工作步骤中将整个全息层照亮。因此，在此产生的干涉图样被立即记录到全息图的整个面上。一种替代的记录方法基于如下事实：使具有非常小的射束直径的激光束发生干涉，并且由此将子全息图(也称为Hogel或Voxel)顺序地记录到光敏层中——如图1中所示。顺序地曝光或印制的(数字)全息图具有如下优点：可以为每个Hogel分配一个另外的光学功能。如此可以生产出完全新类型的光学器件。此外，与大面积记录的全息图相比，顺序地印制的全息图的生产通常需要明显较低的激光功率。在记录大面积全息图时，可用功率通常是全息图尺寸的限制因子。
当前市场上可用的全息打印机可以产生具有在大约200到500μm之间的最小Hogel尺寸的全息图。在此，单个Hogel的光学功能例如通过光的空间调制器(也称为空间光调制器或缩写SLM)定义。如果这些全息打印机主要用于创建图像全息图，而不必对真实的三维对象进行全息化。因此，通常使用所谓的全息立体图打印机。借助这种打印机产生的全息图使用立体效果，以便实现打印内容的三维显示。能够重构全息照相对象的原始波前的常规全息图通常不能用这种全息立体图打印机产生。为此需要所谓的全息波前打印机，与立体图打印机相反，所述全息波前打印机也适用于打印全息光学元件。至今已知的波前打印机例如可以在+/-40°的最大像角下打印具有约400μm的最小尺寸的Hogel。
发明内容
在这种背景下，借助在此提出的方案根据主要权利要求提出一种用于记录全息图的曝光设备、一种用于记录全息图的方法、一种用于控制用于记录全息图的曝光设备的方法以及一种使用该方法的控制设备。从属权利要求中列出的措施使在独立权利要求中说明的设备的有利的扩展方案和改善成为可能。
提出一种用于记录全息图的曝光设备，其中，该曝光设备具有以下特征：
至少一个调制单元，所述至少一个调制单元构造用于通过将代表全息图的至少一个全息元件的调制施加
Figure BDA0002454847560000021
到激光束上来产生代表参考射束和/或对象射束的调制射束；
至少一个缩小单元，所述至少一个缩小单元构造用于在使用所述调制射束的情况下产生改变的调制射束，其中，所述改变的调制射束具有比所述调制射束更小的射束直径；
至少一个物镜单元，所述至少一个物镜单元构造用于将所述改变的调制射束引导穿过浸没介质到记录材料上，以便通过借助改变的调制射束对记录材料的曝光来记录全息图。
“调制单元”例如可以理解为用于光的空间调制器(也称为空间光调制器)、例如LCoS显示器，所述LCoS显示器构造用于将关于由全息元件代表的至少一个光学功能的信息编码到激光束中。“全息元件”可以理解为全息图的具有确定光学功能的三维晶格元件，也称为Voxel或Hogel。调制单元例如可以构造为通过调制激光束的波前的幅度或相位来产生调制射束。根据实施方式，可以电子地或光学地操控调制单元。全息图可以具有多个全息元件，所述多个全息元件例如可以网格形式地或彼此重叠地布置，并且可以根据实施方式执行不同的光学功能。调制单元例如可以构造为通过对激光束的相应的调制来产生代表矩形或高斯形的全息元件的调制射束。“全息图”例如可以理解为反射或透射全息图或波导。
“参考射束”可以理解为如下波场：该波场代表激光束的由对象反射和散射的部分。“参考射束”可以理解为如下波场：该波场代表相同激光束的未散射的部分。调制单元例如可以构造用于通过对激光束的相应调制而彼此独立地产生参考射束和对象射束。
“缩小单元”例如可以理解为由用于缩小调制射束的射束直径(例如缩小30到100的缩小因子)的一个或多个透镜组成的光学系统。
“物镜单元”可以理解为直接连接在记录材料或用于保持记录材料的载体的上游的浸没物镜(Immersionsobjektiv)。在此，物镜单元可以通过浸没介质与记录材料光学耦合或是可耦合的，所述浸没介质例如可以涉及液体或凝胶。记录材料通常可以理解为光敏层，该光敏层尤其可以适合于制造全息光学元件。曝光设备例如可以构造用于通过借助所述改变的调制射束来对记录材料进行顺序的、尤其重叠的曝光来记录全息图。
在此提出的方案基于以下认识：用于全息光学元件的全息波前曝光设备可以由用于空间光调制的移相器、高值的缩小光学器件(例如具有约1至60的成像比例)、浸没物镜(例如具有大于1.1的数值孔径和大于600μm的工作距离)实现，所述浸没物镜具有浸没溶液，该浸没溶液具有匹配于全息材料的折射率。在此，浸没溶液例如可以填充在浸没物镜和用作全息材料的载体材料的玻璃板之间的中间空间。移相器例如可以构造用于以大于2.5°的衍射角产生参考波或对象波或者参考波和对象波。
有利地，通过所提及的三个点可以打印在100至200μm之间的范围内的Hogel，这能够实现在+/-90°的范围上(即在整个全反射角的范围上)的入射角和出射角。
尤其可以通过这种曝光设备彼此独立地操纵参考波和对象波。
通过在参考射束路径和对象射束路径中可选地使用具有大衍射角的相移调制器单元，例如可以产生具有可多样定义的光学功能的由子全息图组成的全息光学元件。此外，相比于入射角和出射角通常被强烈地限制并且参考射束通常是可以最大地改变入射角的平坦波的目前的全息波前打印机，结合缩小光学器件可以制造具有非常大的入射角或出射角的全息光学元件乃至波导结构。
根据在此提出的方案的实施方式的曝光设备的另一优点在于，代替矩形的Hogel，可以可选地曝光高斯形Hogel并将其彼此重叠。通过各个Hogel之间的较软的过渡，可以避免或至少强烈地减轻全息图的可能损害图像质量的网格结构——所述网格结构尤其可能在使用矩形光阑进行Hogel成形时出现。因此，可以通过重叠高斯形Hogel来改善图像质量。在后续中还可以通过可选的复制过程进一步优化所述效应。
此外，在此提出的方案的可选实施方式使得能够记录反射全息图，只要使用两个分开的射束路径(每个都具有一个调制单元)来进行曝光即可。如果仅使用一个射束路径，则只能由一个调制单元产生对象波和参考波。因此，也可以打印透射全息图。
总而言之，在此提出的方案的优点在于，入射方向和发射方向上的非常大的光学的角度或角度范围直到超出全反射角、由于在两个子射束中都可能使用相位调制器而在每个Hogel中可以选择参考波和对象波、由于高斯形的重叠Hogel而被改善的图像质量、能够产生反射全息图和透射全息图以及具有可多样定义的光学功能的全息光学元件直至对于波导结构的耦合输入和耦合输出全息图。
通过将两个CMOS摄像头可选地安装到曝光设备的被分别分配给激光束的子射束的射束路径中，还可以在同时优化曝光时间的情况下确保两个子射束的准确且简单的调整。
根据一种实施方式，调制单元可以构造为通过激光束相位的移位来施加调制。由此可以以尽可能大的入射角或出射角产生全息图。
在此，调制单元可以实施为LCoS显示器。由此可以在大的调节范围内非常准确地改变调制射束的传播方向和散度。
根据另一实施方式，调制单元可以具有由尺寸小于4μm的像素组成的像素结构。附加地或替代地，调制单元可以构造用于将调制射束以大于2.5度的衍射角发射到至缩小单元的射束路径中。通过该实施方式还可以灵活地定义并简单地实现全息图的光学功能。
有利的是，物镜单元具有大于1.1的数值孔径，或者附加地或替代地具有距记录材料的大于600μm的工作距离。由此可以记录具有非常小的Hogel、尤其小于400μm的Hogel的全息图。
也有利的是，缩小单元构造用于产生具有在100和200μm之间的射束直径的改变的调制射束。通过该实施方式也可以显著减小Hogel的尺寸。
根据另一实施方式，缩小单元可以具有代表第一开普勒望远镜的至少一个第一成像单元和代表第二开普勒望远镜的第二成像单元。在此，第一成像单元和第二成像单元可以光学地串联连接。“开普勒望远镜”通常可以理解为如下成像光学器件：该成像光学器件由大的弱弯曲的作为物镜的会聚透镜以及相对小的较强弯曲的作为目镜的会聚透镜组成。两个会聚透镜例如可以彼此相对置地放置。通过该实施方式可以以低的技术开销精确地缩小射束直径。此外，由此可以实现大幅扩大由调制单元产生的偏转角。
曝光设备可以可选地具有至少一个调整单元，所述至少一个调整单元用于调整调制射束和/或改变的调制射束。调整单元尤其可以实施为CMOS元件。由此可以避免曝光误差。
此外，根据另一实施方式，曝光设备可以具有移动单元(Verfahreinheit)，该移动单元可以构造用于相对于物镜单元移动记录材料，以便使得能够借助所述改变的调制射束对记录材料进行顺序的曝光。“移动单元”例如可以理解为可移动台或相似物。由此可以记录具有在光学功能上彼此不同的子全息图的全息图。
尤其有利的是，曝光设备具有另外的调制单元、另外的缩小单元和另外的物镜单元，其中，所述调制单元、缩小单元和物镜单元可以被分配给用于曝光记录材料的第一射束路径，而所述另外的调制单元、另外的缩小单元和另外的物镜单元可以被分配给用于曝光记录材料的第二射束路径。所述另外的调制单元可以构造用于通过将代表全息元件的另外的调制施加到一个另外的激光束上来产生一个另外的调制射束。“另外的激光束”例如可以理解为激光束的通过分束产生的子射束。在此，调制射束可以代表参考射束，而所述另外的调制射束可以代表对象射束。所述另外的缩小单元可以构造成使用所述另外的调制射束来产生一个另外的改变的调制射束。所述另外的改变的调制射束可以具有比所述另外的调制射束更小的射束直径。所述另外的物镜单元可以构造用于将所述另外的改变的调制射束引导穿过一个另外的浸没介质到记录材料上，并使所述另外的改变的调制射束与所述改变的调制射束在记录材料上发生干涉，以便记录全息图。由此可以借助曝光设备产生反射全息图。
根据另一实施方式，物镜单元可以构造用于将所述改变的调制射束引导到记录材料的第一侧上。所述另外的物镜单元可以构造用于将所述另外的改变的调制射束引导到记录材料的与第一侧相对置的第二侧上。由此可以在两侧同时曝光记录材料。
此外，在此提出的方案提出一种用于借助根据以上实施方式中任一项所述的曝光设备来记录全息图的方法，其中，该方法包括以下步骤：
将代表全息元件的调制施加到激光束上，以便产生调制射束；
缩小调制射束的射束直径，以便产生改变的调制射束；
将所述改变的调制射束引导穿过浸没介质到记录材料上，以便记录全息图。
此外，在此提出的方案提出一种用于控制根据以上实施方式中任一项所述的曝光设备的方法，其中，该方法至少包括以下步骤：
将操控信号输出到至调制单元的接口，以便将代表全息元件的调制施加到激光束上。
该方法例如可以以软件或硬件或者以软件和硬件的混合形式(例如在控制设备中)实现。
此外，在此提出的方案提出一种控制设备，该控制设备构造用于在相应的装置中执行、操控或实施在此提出的方法的变型方案的步骤。通过本发明的控制设备形式的变型方案还可以快速且有效地解决本发明所基于的任务。
为此，控制设备可以具有用于处理信号或数据的至少一个计算单元、用于存储信号或数据的至少一个存储单元、至传感器或执行器的至少一个接口和/或用于读取或输出以通信协议嵌入的数据的至少一个通信接口，所述至少一个接口用于读取传感器的传感器信号或将控制信号输出到执行器。计算单元例如可以是信号处理器、微控制器等，其中，存储单元可以是闪存、EPROM或磁存储单元。通信接口可以构造用于无线地和/或有线地读取或输出数据，其中，可以读取或输出有线数据的通信接口可以从相应的数据传输线路中例如电地或光学地读取数据，或者可以将数据输出到相应的数据传输线路中。
在本文中，“控制设备”可以理解为处理传感器信号并据此输出控制和/或数据信号的电设备。控制设备可以具有可以硬件和/或软件式地构造的接口。在硬件式的构造中，接口例如可以是所谓的系统ASIC的一部分，该系统ASIC包含控制设备的最不同的功能。然而，接口也可以是单独的集成电路或至少部分地由离散组件组成。在软件式的构造中，接口可以是除其他软件模块之外例如还存在于微控制器上的软件模块。
附图说明
在附图中示出本发明的实施例，并在以下描述中对其做进一步阐述。
附图示出：
图1示出通过两个点光源对全息透镜进行大面积记录的示意图；
图2示出通过两个点光源对全息透镜进行顺序的记录的示意图；
图3示出根据一种实施例的曝光设备的示意图；
图4示出根据一种实施例的通过曝光设备记录的具有两个全息光学元件的波导结构的示意图；
图5示出根据一种实施例的缩小单元的示意图；
图6示出根据一种实施例的曝光设备的示意图；
图7示出根据一种实施例的用于借助曝光设备来记录全息图的方法的流程图；
图8示出根据一种实施例的用于控制曝光设备的方法的流程图；
图9示出根据一种实施例的控制设备的示意图。
在本发明的有利的实施例的以下描述中，将相同或相似的附图标记用于在不同附图中示出并相似地作用的元件，其中，省略对这些元件的重复描述。
具体实施方式
图1示出通过两个点光源102、104对全息透镜100进行大面积记录的示意图。
图2示出通过两个点光源202、204对全息透镜200进行顺序地记录的示意图。例如可以通过以下进一步描述的曝光设备来实现通过多个子全息图1、2…n的顺序记录来记录的全息图的在图2中示出的原理。
图1和图2示出在全息成像元件下的大面积模拟记录与以全息离轴抛物面镜为例进行的顺序(数字)记录的比较。
图3示出根据一种实施例的曝光设备300的示意图。示出的是包括曝光设备300的用于通过对光敏全息记录材料302(在此全息光学元件)进行曝光来产生全息图的整个光学系统的可能结构，其中，实线代表光学路径并且虚线代表导电连接。曝光设备300包括调制单元304(也简称为空间光调制器或简称SLM)，所述调制单元构造用于将空间调制如此施加到由激光源306产生的激光束308或激光束308的由激光束308的分束产生的子射束上，使得通过空间调制产生的调制射束310代表用于曝光记录材料302的参考射束或对象射束。根据一种特别有利的实施例，调制单元304构造用于通过移位激光束308的相位或激光束308的子射束的相位来产生调制射束310。
调制单元304将调制射束310发射到至缩小单元312的射束路径中，该缩小单元构造用于例如通过至少两个串联的会聚透镜314、316或其他合适的光学元件来以确定的缩小因子缩小调制射束310的射束直径，并且用于将具有与调制射束310相比显著缩小的射束直径的相应的改变的调制射束318发射到至连接在下游的物镜单元320的射束路径中。
物镜单元320构造为浸没物镜，以便使用合适的浸没介质(例如浸没液体或浸没凝胶)来将改变的调制射束318与记录材料302光学地耦合。因此，改变的调制射束318被引导穿过浸没介质到记录材料302上，相应的子全息图(也称为全息元件、Voxel或Hogel)根据改变的调制射束318的调制被打印到该记录材料中。
根据图3中所示的实施例，激光源306包括：用于产生具有波长λ＝640nm的红色激光束的第一激光产生单元322；用于产生具有波长λ＝515nm的绿色激光束的第二激光产生单元324；用于产生具有波长λ＝457nm的蓝色激光束的第三激光产生单元326。高反射镜328将红色激光束引导至二向色射束复合器330，该二向色射束复合器构造用于将红色激光束与绿色激光束以及蓝色激光束合并成激光束308。布置在不同颜色的多个或一个激光束308的相应射束路径中的λ/2板分别以附图标记332标识。
激光束308通过声光滤波器334进一步到达分束器336(在此偏振分束器)，该分束器构造用于将激光束308分成第一子射束338和第二子射束340，并且将第一子射束338引导到通向调制单元304的第一光学路径中，并且将第二子射束340引导到通向一个另外的调制单元342的第二光学路径中。
与此相应地，调制单元304构造用于使用第一子射束338来产生作为调制射束310的对象射束，而所述另外的调制单元342类似于调制单元304地构造用于使用第二子射束340通过将相应的空间调制施加到第二子射束340上来产生代表参考射束的另外的调制射束344。
在另外的调制单元342和记录材料302之间的光学路径中，与第一光学路径类似地布置有一个另外的缩小单元346，以产生具有与所述另外的调制射束344相比以相应的缩小因子明显缩小的射束直径的一个另外的改变的调制射束348。在所述另外的缩小单元346的下游连接有一个另外的物镜单元350，所述另外的物镜单元与物镜单元320相似或相同地实施为用于通过另外的浸没介质将所述改变的调制射束348耦合输入到记录材料302中的浸没物镜。使两个改变的调制射束318、348在记录材料302上发生干涉，从而产生例如反射全息图。对全息图的记录尤其通过对记录材料302的顺序的曝光来实现——例如借助在此仅示意性地通过双箭头说明的移动单元351(例如XY移位台)重叠地记录多个子全息图。
图3中所示的曝光设备300例如包括另外的高反射镜352、例如以透镜形式的聚焦元件354、光学空间滤波器356、布置在缩小单元312与物镜单元320之间的光学路径中的用于调整所述改变的调制射束318的第一调整单元358、布置在另外的缩小单元346和另外的物镜单元350之间的光学路径中的用于调整所述另外的改变的调制射束348的第二调整单元360。特别有利的是，两个调整单元358、360中的至少一个实施为CMOS摄像机。
根据图3中所示的实施例，控制设备370构造用于通过输出相应的操控信号371来如此操控两个调制单元304、342，使得在两侧以适当的方式对记录材料302进行曝光。可选地，控制设备370构造为根据对两个调制单元304、342的操控来操控移动单元351或声光滤波器334，例如以便对记录材料302进行顺序的曝光。
图3中所示的曝光设备300例如实施为用于顺序地曝光记录材料302(例如全息层)的全息波前打印机。在此，通过调制单元304、342根据期望的光学功能对参考波和对象波的波前进行重新匹配，并将所述波前重叠在记录材料302上。例如，包括物镜单元320、350的光学系统使得可以将射束直径缩小因子60。
以下将根据图3按其他说法再一次描述在此提出的方案的不同实施例。
Hogel的形状通常由被引入光学路径的光阑(Blende)定义。由此可能导致在光阑边缘产生衍射效应，所述衍射效应可能会在对Hogel的曝光中产生明显负面的影响。附加地，在各个矩形Hogel之间的硬过渡形成了晶格结构的形式，所述晶格结构可能会在观察全息图时——尤其在较大Hogel的情况下——造成明显干扰。
大于400μm的Hogel尺寸通常足以使图像全息图充分抑制干扰影响。这主要基于如下事实：通常从较远的距离观察图像全息图。然而，如果将这样的Hogel尺寸用于制造用于诸如平视显示器或数据眼镜之类的成像应用的全息光学元件，则以网格结构形式的这种尺寸可以察觉为Hogel干扰。
为了对于单个Hogel定义光学功能，至少通过调制单元304(例如通过LCD或LCoS显示器形式的空间光调制器)对对象射束进行成形。例如可以使用具有全高清分辨率和约8μm的像素尺寸的对此进行幅度调制的LCoS显示器。然后，借助调制单元304通过施加不同的衍射图样来操纵对象射束。虽然为了产生立体图而将图像信息与发射特性通过调制单元304一起定义，但是在打印全息光学元件时，借助调制单元304产生匹配的波前。在这个意义上，曝光设备300也可以称为全息波前打印机。通过调制单元304的像素尺寸并且因此通过使用阶(Nutzordnung)中的最大衍射角以及通过调制单元304成像到记录材料302上的缩小比例来确定全息光学元件的最大像角。
为此，例如通过分束器336将单色的或由多至四个波长组成的连续波或脉冲式的激光束308划分成两个光学路径——对象射束路径和参考射束路径。两个光学路径可以相同地构造。为了进行波前调制，将相移SLM(例如具有小于4μm的足够小的像素结构的LCoS显示器)作为调制单元304、342插入到两个射束路径中。因此，例如可以匹配子射束338、340的传播方向和散度。然后，将两个子射束338、340引导通过由两个开普勒天文望远镜(也称为开普勒望远镜)组成的光学系统，该光学系统例如具有为60的缩小因子。由此，一方面将两个子射束的射束直径分别缩小到约100至200μm；另一方面，通过调制单元304、342产生的偏转角大幅扩大。该成像光学器件的图示在图5中示出。
在记录材料302前的最后一个光学元件在两个光学路径中均实施为例如高值的浸没物镜，所述浸没物镜在对于这样的物镜相对较大的工作距离(例如大于600μm)下具有例如大于1.1的较小数值孔径。通过在物镜单元320、350和例如层压有记录材料302的玻璃支架之间使用浸没液体，并且通过偏转角的大幅扩大以及大于1.1的数值孔径，可以将如下角度记录到记录材料302中：当在空气中重建全息光学元件时，所述角度大于内部全反射角。由此可以实现具有非常大的入射角和出射角的任何光学器件以及关于波导结构的耦合输入和耦合输出全息图——例如如图4所示。
通过使用两个光学路径，可以定义反射全息图。如果仅使用两个光学路径之一(如图6中所示)，则可以通过将合适的衍射图样施加在调制单元304上来不仅产生对象波、而且产生参考波。通过如下方式可以产生透射全息图：两个射束路径从相同的侧照射到记录材料302上。
为了对Hogel进行曝光，使两个子射束338、340在记录材料302中发生干涉。由于Hogel具有在100到200μm之间的直径，因此在记录反射全息图时调整可能开销非常大。通过将两个调整单元358、360(例如CMOS摄像机)添加到相应的射束路径中，可以简化调整。对此的前提是两个光学系统或路径彼此相同。通过分束器一方面将射束路径的反向反射引导到物镜上，另一方面也将穿过两个相同的光学系统地传播的射束引导到调整单元上。
如果将相同的衍射图样施加到两个调制单元304、342上，则两个子射束应在调整单元上重叠，以便在记录材料302中实现对两个子射束的良好的叠加。
此外，在记录全息图时可以通过如下方式优化曝光时间：记录具有不同曝光时间的Hogel并接着通过对象射束对Hogel进行重建。Hogel的衍射效率越高，在重建过程中到达调整单元的光就越多。此过程附加地用于微调整，因为当两个射束路径在接收材料302中完美地重叠时，Hogel的效率提高。
例如在曝光Hogel之后通过作为移动单元351的高精度XY移位台如此移动记录材料302，使得可以曝光下一个Hogel。在此应当注意，Hogel如此重叠，使得确保对记录材料302的尽可能均匀的曝光。由此可以避免通常通过彼此等距离地移位的矩形Hogel的顺序曝光产生的可见晶格结构。
由于Hogel非常小并且因此可以实现非常高的强度，因此对于单个Hogel的曝光时间非常短——例如最长为100ms。为了抑制即使在短的曝光时间期间也可能影响干涉图样的振动，XY移位台固定在坚固的花岗岩底座上。花岗岩底座位于减震光学台上。
调制单元处使用阶的最大衍射角可以通过以下公式描述，其中，α为衍射角，λ为波长，g为晶格常数。
Figure BDA0002454847560000121
分母中的因子2由以下原因得出：如图6中所示，如此使用第一衍射阶，使得可以实现关于光轴的正角度和负角度。
在最小的晶格常数下获得最大的衍射角。这一点在应用黑白图样的情况下通过调制单元的像素结构得出。然后，晶格常数是像素结构的两倍。为了减少当晶格常数太小时发生的干扰影响，在运行调制单元时不应使用小于像素结构三倍的晶格常数。
由于调制单元以成像比例M消球差地成像到记录材料上，因此适用阿贝正弦条件，其中，以β标记在成像光学器件之后的放大角：
sinα＝M·sinβ
对于缩小成像适用M<1，例如M＝1/60。
由于将具有浸没液体的浸没物镜用作物镜单元，因此应相应地匹配角度。浸没液体的折射率例如为n≈1.51。根据Sellius折射定律，对于浸没液体或全息材料中的角度γ适用以下：
sinβ＝n·sinγ
这结合到一起意味着：
Figure BDA0002454847560000131
对于n≈1.51、M＝1/60、λ＝457nm并且g＝12μm得出：
γ＝49.2°>42°＝TIR空气/玻璃(TIR＝内部全反射)
图4示出根据一种实施例的通过使用曝光设备(例如以上根据图3描述的曝光设备)记录的具有两个全息光学元件302的波导结构400的示意图。波导结构400例如由玻璃制成并且被空气包围。通过波导结构400的射束路径由多个箭头指示。如从图4中可以看出，通过以大于内部全反射角的角度定义全息光学元件302，可以借助曝光设备来产生用于波导结构的耦合输入和耦合输出元件。例如，这能够通过以下实现：调制单元的特别小的像素结构和物镜单元的大于1.1的数值孔径结合物镜单元与记录材料之间或物镜单元与用于保持记录材料的(玻璃)载体之间的合适的浸没溶液。
图5示出根据一种实施例的缩小单元312(例如先前根据图3描述的缩小单元)的示意图。缩小单元312包括第一会聚透镜314、第二会聚透镜316以及第三会聚透镜500和第四会聚透镜502，其中，第一会聚透镜314和第二会聚透镜316充当第一开普勒望远镜504，第三会聚透镜500和第四会聚透镜502充当第二开普勒望远镜506。四个会聚透镜314、316、500、502例如串联地彼此相继布置。
示出设置在调制单元304上的具有不同偏转角的平面波。通过两个开普勒望远镜504、506缩小平面波的射束直径，同时大幅增大到记录材料302上的入射角。在第一开普勒望远镜504的傅立叶平面中，附加地可以进行更高衍射阶的空间滤波。
例如，在例如具有2至4的缩小因子的第一开普勒望远镜504的傅立叶平面中，对零阶和更高阶进行滤波，使得仅使用阶(即调制单元304的第一衍射阶)通过滤波器。
图6示出根据一种实施例的曝光设备300的示意图。图6中示出的曝光设备300基本上相应于以上根据图3描述的曝光设备，不同之处在于，根据本实施例的曝光设备300仅具有第一光学路径，该第一光学路径具有调制单元304、缩小单元312和透镜单元320。此外，示出傅里叶平面600。在此，借助调制单元304可以产生在角度范围+/-α内的可彼此独立地编程的两个使用阶(也称为分束)。0阶的射束路径以附图标记602标识，-1阶的射束路径以附图标记604标识。
在记录全息图时，借助调制单元304彼此独立地产生的调制光束310用作参考波或对象波。因此，曝光设备300可以实现为用于产生透射全息图的全息波前打印机。
图7示出根据一种实施例的借助曝光设备(例如以上根据图3至图6描述的曝光设备之一)来记录全息图的方法700的流程图。在此，在第一步骤710中，将代表全息元件的空间调制施加到激光束上，以便产生要么以参考波的形式的调制射束、要么以对象波的形式的调制射束。在第二步骤720中，将调制射束的射束直径显著缩小。在第三步骤730中，将在此产生的改变的调制射束穿过物镜单元的浸没介质引导到全息记录材料上，以便以相应的方式曝光该全息记录材料来产生全息图或全息图的至少一个子全息图。
图8示出根据一种实施例的用于控制曝光设备(例如以上根据图3至图7描述的曝光设备之一)的方法800的流程图。根据该实施例，方法800包括激活激光源的可选步骤810。在另一步骤820中，响应于该激活地产生操控信号并将其输出到至曝光设备的调制单元的接口，以便例如通过对调制单元的像素结构的相应的调节来以适当的方式调制激光束。
图9示出根据一种实施例的控制设备370(例如以上根据图3描述的控制设备)的示意图。控制设备370包括用于输出操控信号371的输出单元910，该控制信号用于操控一个调制单元或多个调制单元或曝光设备的可以与全息图的产生相结合地控制的其他元件。
如果实施例在第一特征和第二特征之间包括“和/或”关联，则如此解读：该实施方式根据一种实施例不仅具有第一特征、而且具有第二特征，而根据另一实施例要么仅具有第一特征、要么仅具有第二特征。

Claims (14)

1.一种用于记录全息图的曝光设备(300)，其中，所述曝光设备(300)具有以下特征：
至少一个调制单元(304)，所述至少一个调制单元构造用于通过将代表所述全息图的至少一个全息元件的调制施加到激光束(308，338)上来产生代表参考射束和/或对象射束的调制射束(310)；
至少一个缩小单元(312)，所述至少一个缩小单元构造用于在使用所述调制射束(310)的情况下产生改变的调制射束(318)，其中，相比于所述调制射束(310)，所述改变的调制射束(318)具有更小的射束直径；
至少一个物镜单元(320)，所述至少一个物镜单元构造用于将所述改变的调制射束(318)引导穿过浸没介质到记录材料(302)上，以便通过借助所述改变的调制射束(318)对所述记录材料(302)的曝光来记录所述全息图。
2.根据权利要求1所述的曝光设备(300)，在所述曝光设备中，所述调制单元(304)构造成通过所述激光束(308，338)的相位的移位来施加所述调制。
3.根据以上权利要求中任一项所述的曝光设备(300)，在所述曝光设备中，所述调制单元(304)实施为LCoS显示器。
4.根据以上权利要求中任一项所述的曝光设备(300)，在所述曝光设备中，所述调制单元(304)具有由尺寸小于4μm的像素组成的像素结构和/或构造成将所述调制射束(310)以大于2.5度的衍射角发射到至所述缩小单元(312)的射束路径中。
5.根据以上权利要求中任一项所述的曝光设备(300)，在所述曝光设备中，所述物镜单元(320)具有大于1.1的数值孔径和/或具有距所述记录材料(302)的大于600μm的工作距离。
6.根据以上权利要求中任一项所述的曝光设备(300)，在所述曝光设备中，所述缩小单元(312)构造用于产生具有在100和200μm之间的射束直径的射束作为所述改变的调制射束(318)。
7.根据以上权利要求中任一项所述的曝光设备(300)，在所述曝光设备中，所述缩小单元(312)具有代表第一开普勒望远镜(504)的至少一个第一成像单元(314，316)和代表第二开普勒望远镜(506)的第二成像单元(500，502)，其中，所述第一成像单元(314，316)和所述第二成像单元(500，502)光学地串联连接。
8.根据以上权利要求中任一项所述的曝光设备(300)，所述曝光设备具有至少一个调整单元(358)，所述至少一个调整单元用于调整所述调制射束(310)和/或所述改变的调制射束(318)，其中，所述调整单元(358)尤其实施为CMOS元件。
9.根据以上权利要求中任一项所述的曝光设备(300)，所述曝光设备具有移动单元(351)，所述移动单元构造用于相对于所述物镜单元(320)地移动所述记录材料(302)，以便使得能够借助所述改变的调制射束(318)对所述记录材料(302)进行顺序的曝光。
10.根据以上权利要求中任一项所述的曝光设备(300)，所述曝光设备具有另外的调制单元(342)、另外的缩小单元(346)和另外的物镜单元(350)，其中，所述另外的调制单元(342)构造用于通过将代表所述全息元件的另外的调制施加到另外的激光束(340)上来产生另外的调制射束(344)，其中，所述调制射束(310)代表所述参考射束，而所述另外的调制射束(344)代表所述对象射束，其中，所述另外的缩小单元(346)构造用于使用所述另外的调制射束(344)来产生另外的改变的调制射束(348)，其中，相比于所述另外的调制射束(344)，所述另外的改变的调制射束(348)具有更小的射束直径，其中，所述另外的物镜单元(350)构造用于将所述另外的改变的调制射束(348)引导穿过另外的浸没介质到所述记录材料(302)上，并使所述另外的改变的调制射束与所述改变的调制射束(318)在所述记录材料(302)处发生干涉，以便记录所述全息图。
11.根据权利要求10所述的曝光设备(300)，在所述曝光设备中，所述物镜单元(320)构造用于将所述改变的调制射束(318)引导到所述记录材料(302)的第一侧上，并且所述另外的物镜单元(350)构造用于将所述另外的改变的调制射束(348)引导到所述记录材料(302)的与所述第一侧相对置的第二侧上。
12.一种用于借助根据权利要求1至11中任一项所述的曝光设备(300)来记录全息图的方法(700)，其中，所述方法(700)包括以下步骤：
将代表所述全息元件的调制施加(710)到所述激光束(308，338)上，以便产生所述调制射束(310)；
缩小(720)所述调制射束(310)的射束直径，以便产生所述改变的调制射束(318)；
将所述改变的调制射束(318)引导(730)穿过所述浸没介质到所述记录材料(302)上，以便记录所述全息图。
13.一种用于控制根据权利要求1至11中任一项所述的曝光设备(300)的方法(800)，其中，所述方法(800)至少包括以下步骤：
将操控信号(371)输出(820)到至所述调制单元(304)的接口，以便将代表所述全息元件的调制施加到所述激光束(308，338)上。
14.一种控制设备(370)，所述控制设备具有单元(910)，所述单元构造用于实施和/或操控根据权利要求13所述的方法(800)。
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