DE1772583A1

DE1772583A1 - Verfahren zur Herstellung eines holographischen Filters zur Vielfachabbildung eines Objektes und nach diesem Verfahren hergestelltes Filter

Info

Publication number: DE1772583A1
Application number: DE19681772583
Authority: DE
Inventors: Frye Gordon D; Traute Finck; Werner Dr Kulcke
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1968-06-06
Filing date: 1968-06-06
Publication date: 1971-05-13
Also published as: FR2010227A1; GB1266428A; JPS5014127B1

Description

IBM Deutschland internationaleMro-Musdtinen GettiUJuiJi mblI

Böblingen, 29. Mai 1068 pr-sr

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenz. der Anmelderin: Docket 968 045; GE 867 041

Verfahren zur Herstellung eines holographischen Filters zur Vielfachabbildung eines Objektes und nach diesem Verfahren hergestelltes Filter.

Bei vielen technischen Anwendungen photographischer Verfahren ist es erforderlich, ein einzelnes Objekt mehrmals nebeneinander abzubilden. Das kann beispielsweise durch wiederholtes Belichten und schrittweises Verschieben der lichtempfindlichen Schicht oder durch die Verwendung von Mehrfachobjektiven erfolgen.

So ergibt sich beispielsweise bei der Herstellung von miniaturisierten Halbleiterschaltkreisen die Aufgabe, einen Gegenstand, z.B. eine transparente Maske, in einer Vielzah. von Einzelabbildungen nebeneinander wiederzugeben. Zu diesem Zweck werden häufip .so unannte Fiiegenaugen-Linsen verwendet. Ein solches Linsensystem besteht aus c großen Zahl einzelner Teillinsen, die in einer Ebene nebeneinander angeordnet sind. Bei der Abbildung einer Maske durch ein derartiges System erzeugt jede Einzellinse ein verkleinertes Bild, wobei die Bilder entsprechend der Anordnung der Einzell jr. nebeneinander in der Bildebene liegen. Eine derartige Fliegenaugen-Linse weist .d.sätzlich eine Anzahl von Nachteilen auf. Ein Nachteil besteht im theoretisch

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geringen Auflösungsvermögen. Dieses wird durch das relative Öffnungsverhültnis Ό/t bestimmt, worin bei vorgegebener Brennweite f der wirksame Durchmesser D

jeder Einzellinse geometrisch auf deren Fläche begrenzt ist. Ein weiterer Nachteil ist durch das Herstellungsverfahren derartiger Linsensysteme bedingt, welches keine Korrekturen erlaubt. Schließlich ist die Güte der Abbildung durch die in einer Ebene liegende Anordnung der einander gleichartigen Einzellinsen begrenzt. Die von einer solchen Anordnung erzeugten Objektbilder liegen nicht, wie gewünscht, in einer Ebene.

Um diese Nachteile zu vermeiden, wird gemäß der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines holographischen Filters zwecks Vielfachabbildung eines Objekts und ein nach diesem Verfahren hergestelltes Filter angegeben,,.das dadurch gekennzeichnet is.., daß eine teildurchlässige Blende mit einer der Anzahl der gewünschten Einzel· abbildungen eines Objekts gleichen Anzahl von vorzugsweise kreisförmigen durchlässigen Bereichen versehen wird, wobei die Durchmesser gemäß dem gewünschten Auflösungüverhältnis bemessen sind und die Durchlässigkeiten der teildurchlässigen und dci· durchlässigen Bereiche so aufeinander abgestimmt werden, daß die durch die Gesamtheit beider Bereiche hindurchtretenden Lichtmengen annähernd gleich sind, daß diese mit kohärentem Licht bestrahlt wird und auf einer lichtempfindlichen Schicht ein Interferenzmuster erzeugt und daß schließlich die lichtempfindliche Schicht entwickelt und fixiert wird.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

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Fig. 1 die schematieche Darstellung des Herstellungsprozesses eines erflndungegemäßen holographischen Filters vereinfachter Form,

Fig. 2 das Aussehen eines holographischen Filters der gemäß Fig. 1 hergestellten vereinfachten Form,

Fig. 3 die optische Wirkung eines holographischen Filters gemäß Fig. 2 bei

der Abbildung eines sehr kleinen Lichtpunktes, ™

Fig. 4 die schematische Darstellung des Herstellungsprozesses eines erfindungsgemäßen holographischen Filters,

Fig. 5 die einer Fliegenaugenlinse entsprechende Wirkung des holographischen Filters nach Fig. 4 auf einen ausgedehnten kollinierten Lichtstrahl,

Fig. 6 die schematieche Darstellung einer Anordnung zur Unterdrückung der i

Untergrundaufhellung,

Fig. 7 die Darstellung einer konventionellen Fliegenaugenlinse, aus welcher die Gründe für die in den achsenfernen Projektionsbildern auftretenden Bild-. unscharfen ersichtlich werden,

Fig. 8 die schematische Darstellung eines holographischen Filters, welches die Abbildungsunschärfen in den achsenfernen Projektionen eliminiert.

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Die Fig. 1 dient zur Erläuterung des Verfahrens. Gemäß dieser Figur wird zur Heretollung eine· einer Einzellinse entsprechenden holographischen Filters eine Glasrnaske 1 verwendet, die in einer für Licht teildurchlässigen Schicht 3 ein volldurchlässiges kleines Loch 2 aufweist. Die Durchlässigkeit der Schicht ist derart bemessen, daß bei Bestrahlung mit Licht die integrierte über die teildurchlässige Fläche durchgelaesene Lichtintensität annähernd gleich der Intensität des durch das Loch durchtretenden Strahlungsanteils ist. Der Durchmesser des Loches sei kleiner als die Wellenlänge des Lichtes. Wird diese Glas maske mit einem parallelen Strahl 4 kohärentem Laser-Lichtes bestrahlt, so entstehen zwei Slralilungsanteile. Der eine Strahlungsanteil 4 f wird an der Lochblende gestreut und breitet sich von dort als Kugelwelle aus. Der andere Anteil der Strahlung 4 r durchsetzt in seiner Intensität stark reduziert den homogenen Untergrund 3. Beide Strahlungsanteile, die etwa die gleiche Intensität aufweisen, interferieren hinter der Glasmaske und ergeben als Interferenzbild das in Fig. 2 frontal dargestellte Fresnel-Zonenmuster. Dieses Interferenzbild wird auf einer im Abstand der gewünschten B rennweite der zu simulierenden Einzellinse angeordneten lichtempfindlichen Schicht 5 aufgezeichnet. Bei hinreichender Ausdehnung dee Parallelstrahles nimmt das Muster einen beträchtlichen Teil der lichtempfindlichen Schicht 3 ein. Wird dieses holographische Filter anschließend, wie in Fig. 3 dargestellt, mit parallem Licht bestrahlt, so fokussiert es das Licht in einen Brennpunkt F. Der Durchmesser des Brennpunktes ist endlich groß. Auf Grund von Beugungseffekten folgt, daß er desto kii/uicr ist, je größer der Durchmesser des ausgeleuchteten Teiles des Musters ist. Niemals ist der Durchmesser des Lichtpunktee jedoch kleiner als der des bei der Herstellung dee Filtere verwendeten Loches 2.

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So wie dieses holographische Filter eine Einzellinse simuliert, wenn es einen parallelen Strahl in einem Brennpunkt abbildet, so kann ea allgemein auch dazu verwendet werden, einen beliebigen Gegenstand in eine Bildebene abzubilden. Entsprechend gilt dabei dann, daß das Auflösungsvermögen des Bildes desto höher ist, je größer die ausgenutzte Fläche des Filters ist; im Grenzfall ist es jedoch durch die Größe des zur Herstellung des Filters verwendeten Loches 2 bestimmt.

Das Prinzip des gemäß Fig. 1 beschriebenen Verfahrens kann erfindungsgemäß zur Herstellung eines holographischen Filters verwendet werden, welches die Eigenschaften einer Fliegenaugenlinse aufweist. Dazu wird gemäß Fig. 4 eine Glasmaske 1 verwendet, die eine der Anzahl der gewünschten Einzelabbildungen gleiche Zahl von durchsichtigen Löchern 2 aufweist. Der Lochdurchmesser entspricht etwa in der Größenordnung dem Kehrwert des für die Abbildung geforderten Auflösungsvermögens. Die Löcher befinden sich in einer teildurehlässigen UntergrundsHchicht 3. Die Lichtdurchlässigkeit dieser Schicht ist derart bemessen, daß die integriert über die teildurchlässige Fläche durchgelassene Lichtintensität et- ™ wa gleich der Intensität des durch die Löcher durchgetretenen Strahlungsanteils ist. Wird diese Glasmaske mit einem parallelen Strahl 4 kohärenten Laser-Lichtes bestrahlt, so entstehen wiederum zwei miteinander interferierende Strahlungsanteile: der an den Lochblenden gestreute Anteil 4 f und der in der teildurehlässigen Schicht 3 in seiner Intensität stark reduzierte Anteil 4 r. Das Interferenzmustor kaiin auf einer im Abstand f von der Lochschicht 3 angeordneten photographischen Platte 5 festgehalten werden. Das Interferenzmuster ist die Überlagerung von Fresnel-Zonen-Mustern, deren jede einem der Löcher 2 zugeordnet ist. Dabei ist jedes

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Fresnel-Zonen-Muster über die gesamte Fläche der lichtempfindlichen Schicht 5 ausgedehnt, wie in Fig. 4 für das dem untersten Loch der Maske 1 entsprechende Fresnelzonen-Muster im Schnitt angedeutet. Die Wirkung des so erzeugten holographischen Filters auf einem parallen Lichtstrahl ist in der Fig. 5 dargestellt: Der Strahl wird in eine Anzahl von Brennpunkten Fy^fokussiert, welche nach Zahl und räumlicher Anordnung den Löchern in der zur Herstellung des Filters benutzten Glasmaske 1 entsprechen. Der Abstand f dieser Brennpunkte vom Filter entspricht dem Abstand zwischen Glasmaske und Photoplatte, in Fig. 4. Das holographische Filter wirkt auf den Strahl also wie eine bekannte Fliegenaugen-Linse. Im Gegensatz zu dieser wird jedoch wegen der Überlagerung der Fresnel-Zonen-Muster das in jeden Brennpunkt gerichtete Licht - wie in Fig. 5 angedeutet - in der gesamten Fläche jedes einzelnen Fresnel-Zonen-Musters· gesammelt. Daraus resultiert ein gegenüber der Einzellinse der Fliegenaugen-Linse stark vei-größorte« Öffnungsverhältnis mit entsprechend kleineremBrennpunktdurchmesser. Jedoch
ist der Brennpunktdurchmesser niemals kleiner als der Durchmesser der Löcher in der zur Herstellung benutzten Glasmaske 1. Das gegenüber der konventionellen P'liegenaugen-Linse stark vergrößerte Öffnungs verhältnis wirkt sich entsprechend auch bei der Vielfachabbildung von Gegenständen proportional auf das Auflösungsvermögen der Einzelbilder aus.

Ein Nachteil des erfindungsgemäßen holographischen Filters besteht im vorminderten Kontrast. Dieser Nachteil ist durch die holographische Abbildung bedingt, bei
der nur die in der positiv (oder negativ) ersten Ordnung gebeugten Strahlen zur

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Abbildung beitragen, währene die nullte Beugungsordnung eine erhöhte Untergrundaufhellung bewirkt. Diese Untergrundaufhellung kann jedoch mittels einer Linsenanordnung, wie in Fig. 6 dargestellt, weitgehend eliminiert werden. In dieser Darstellung werden die gewünschten, ausgezogen gezeichneten Strahlen 8 der ersten Beugungsordnung mittels einer Linse G auf der Bildebene 7 abgebildet, während die gestrichelt eingezeichneten Störstrahlen 9 der nullten Beugungsordnung auf der Blende 11 fokussiert und absorbiert werden. Die noch verbleibenden, ^ punktiert eingezeichneten Störstrahlen 10 der negativen ersten Ordnung haben in der Bildebene 7 eine wesentlich geringere Intensität. Sie werden von der abbildenden Linse nur teilweise erfaßt und darüberhinaus in einer anderen Ebene abgebildet als die Strahlen 8 der positiven ersten Ordnung.

In einer verbesserten Ausführungsform gemäß Fig. 8a, b weist das erfindungsgemäße holographische Filter gegenüber den bekannten Fliegenaugen-l.inscn als weiteren Vorteil auch eine scharfe Projektion der achsenfernen Einzelbilder auf. Zur Veranschaulichung des Problems ist in Fig. 7 der Grund für die Unscharfe ,..c*· achsenfernen Bilder bei Verwendung einer konventionellen Fliegenaugenlinse (bzw. eines holographischen Filters nach Fig. 4) dargestellt. Die vom Gegenstands· punkt 12 kommenden Strahlen fallen auf die achsenfernen Teillinsen 13 schief auf, wobei sich eine starke Bildfeldwölbung 14 ergibt. Achsenferne Bilder sind daher nicht in der gleichen Ebene 15 scharf abgebildet wie achsennahe. Zur Beseitigung dieser Bildfeldwölbung kann das holographische Filter gemäß Fig. 8a mittels konvergenter Strahlen hergestellt werden. Die Lochmaske 1, die der in dem Herstellungsverfahren mit parallelen Strahlen benutzten vollkommen entspricht, wird

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hier mil kohärentem Laserlicht bestrahlt, welches auf einen Punkt 17 hin konvergiert. Als Konvergenzpunkt 17 wird der Punkt gewählt, in welchem später bei der Violfachprojektion der Gegenstand angeordnet wird. An der teildurchlässigen Schicht 3 mit den Löchern 2 entstehen wieder durchgelassene (16 r) und gestreute (16 f) Strahlkomponenten. Das Interferenzmuster dieser Komponenten wird auf dei im Abstand f von der Maske angeordneten photographischen Schicht 5 aufgezeichnet und ergibt das neue holographische Filter.

In der Fig. 8b ist gezeigt, wie bei der Vielfachprojektion mittels des nach Fig. 8a hergestellten holographischen Filters 5 die von einem Gegenstandspunkt 17 ausgehenden Strahlen 18 in die Brennpunkte Fv- geleitet werden. Dabei liegen alle Brennpunkte F-y- in einer im Abstand f von dem Filter befindlichen Ebene. Was in der Fig. 8b für einen Gegenstandspunkt gezeigt wurde, gilt sinngemäß auch für im Punkt 17 angeordnete ausgedehnte Gegenstände. ·

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Claims

- 9 - Böblingen, 29. Mai pr-sr PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Ilorstellung eines holographischen Filters zur Vielfachabbil-.;ung eines Objekts und nach diesem Verfahren hergestelltes Filter, dadurch gekennzeichnet, daß eine teildurchlässige Blende (1) mit einer der Anzahl der gewünschten Einzelabbildungen eines Objekts gleichen Anzahl von Vorzugsweise kreisförmigen durchlässigen Bereichen (2) versehen wird, wobei die Durchmesser gemäß dem gewünschten Auflösungsvermögen bemessen sind und die Durchlässigkeiten der teildurchlässigen (3) und der durchlässigen (2) Bereiche so bemessen sind, daß die durch die Gesamtheit beider Bereiche hindurchtretenden Lichtmengen annähernd gleich sind, daß diese Lochblende mit kohärentem Licht bestrahlt wird und auf einer anschließend zu fixierenden und zu entwickelnden lichtempfindlichen Schicht ein eine Vielfachabbildung bewirkendes holographisches Filter darstellendes Interferenzmuster erzeugt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser der durchlässigen Bereiche (2) kleiner als die Wellenlänge des verwendeten .achtes sind.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung zur Erzeugung des die Vielfachabbildung bewirkenden Inturfei'enzmusters parallel zur optischen Achse auf die Lochblende (1) fällt.

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4. Vorführern nach den Ansprüchen 1 bin 3, dadurch gekennzeichnet, daß diu Su-nhlung zur Erzeugung des die Vielfachabbildung bewirkenden Interferenz musters in bezug auf die optische Achse konvergent auf die Lochblende (1) fällt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Wahl eines Konvergenz- ^ winkeis, bei dem die Abbildungs schärfe der achsenfernen Abbildungen gleich

der der achsennahen ist.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, gekennzeichnet durch einen Konvergenzwinkel bei dem das Licht in einem Punkt (17) konvergiert, dessen Abstand von der lichtempfindlichen Schicht (5) gleich dem Objektabstand bei der Verwendung des holographischen Filters als abbildendes Element ist.

7. Holographisches Filter zur Vielfachabbildung, hergestellt nach den Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis G, gekennzeichnet durch die Überlagerung einer Vielzahl von Fresnel-Interferenzmustern, die durch Beugung an einer entsprechenden Anzahl von vorzugsweise mit gleichen Abständen voneinander angeordneten Löchern entstehen, mit einer mit der zur Ausleuchtung· der Lücher verwendeten Strahlung kohärenten Strahlung..

8. .'.nordnung zur Vielfachabbildung eines Objekts mittels eines'hoLu^i';i:>;iisohon Filters nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß hinterdom :;ö:o:.;'i*aplus C-IuMi Filter (5,) eine Linse (G) mit den.Abständen 2 f + Abstand cU·.: reellen

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Uildortee vom Filter (β) und 2 f von der Bildebene (7) und dem Abstand t von einem abbildungsseitigen Schirm (11) angeordnet ist, derart, daß die vom reellem Bildort des holographischen Filters ausgehenden Strahlen der negaliven ersten Ordnung vorder Bildebene fokussiert, die Strahlen nullter Ord» nung durch den Schirm (11) ausgeblendet und nur die vom virtuellen Bildort ausgehenden Strahlen der positiven ersten Ordnung auf der Bildebene fokussiert werden.

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