DE1811852C3 - Vorrichtung zur Aufnahme eines LJppmann-Bragg-Hologramms - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Lippmann-Bragg-Hologramms gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahrer gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 5.

Bei einer Reihe technischer Anwendungen dei Holografie tritt das Problem auf, reelle Bilder zun Belichten von fotoempfindlichen Schichten so zt erzeugen, daß das projizierte Bild des ursprünglicl aufgenommenen Objektes praktisch keine Verzerrun gen aufweist. Besondere Bedeutung hat hier di< linsenlose Projektion von Ätzmasken zur Fertigung vor

ίο Halbleiterbauteilen und integrierten Schaltkreisen er langt Die Ätzmasken haben hierbei die Aufgabe, au den mit einer fotoempfindlichen Schicht überzogener Halbleitergrundplättchen diejenigen Teile abzudecken die der Ätzung nach Belichten nicht anheimfallen soller Wegen der äußerst feinen Struktur kommt zunächst nui das Verfahren der Kontaktkopie zur Anwendung. Di< Diapositive darstellenden Ätzmasken müssen, un Beugungsverluste zu vermeiden, während der Beiich tungszeit mit der Seite ihrer fotografischen Emulsioi fest auf die fotoempfindliche Schicht gedrückt werden Dies hat den Nachteil, daß die Ätzmasken leich beschädigt werden.

Durch die Anwendung der Holografie ist es möglicr geworden, bei hohem Auflösungsvermögen die Beiich tung der fotoempfindlichen Schicht der Halbleiter grundplättchen durch Projektion des Bildes de Ätzmaske auf die von der Schicht gebildete Eben< kontaktfrei durchzuführen. Hierzu wird beispieisweist mittels einer Linsenanordnung das vergrößerte Model der Ätzmaske auf Originalgröße verkleinert und vor diesem Bild ein Hologramm hergestellt. Bei de Wiedergabe des Hologramms wird dann das rekonstru ierte Bild der Ätzmaske auf die fotoempfindlich< Schicht projiziert.

Abgesehen von der Forderung einer verzerrungsfrei en Projektion des rekonstruierten Bildes der Ätzmaski auf die fotoempfindliche Schicht bei vorgegebenen Maßstab, kommt es hier auch auf einen ausreichen hohen Kontrast der Wiedergabe an. Der Kontrast de:

rekonstruierten Bildes ist durch Streulicht der Wieder gabewelie beeinträchtigt, das seine Ursache in de körnigen Struktur der das Hologramm aufnehmender fotografischen Emulsion hat.

Eine weitere Schwierigkeit bei der Durchführunj linsenloser Projektionen irgendwelche.· flächenhafter Strukturen auf fotoempfindliche Schichten besteht bein derzeitigen Stand der Technik darin, daß Hologramm! zweckmäßig mit Laserlicht größerer Wellenlänge vorzugsweise rotem Licht, aufgenommen werden übliche fotoempfindliche Materialien jedoch ein» Belichtung mit Licht von kürzerer Wellenlänge, nämlicl blauem Licht, verlangen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eins holografische Vorrichtung und ein Verfahren dei einleitend genannten Art eine weitere einfache Lösung anzugeben, die hinsichtlich des störenden, unvermeidli chen Streulichtes optimale Verhältnisse schafft unc darüber hinaus auch die Möglichkeit gibt, bei dei Aufnahme und der Wiedergabe des Hologramms vor

ho Licht mit stark unterschiedliche! Wellenlänge Gebraucl· zu machen.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch I gekennzeichnete Vorrichtung und das in Anspruch ί gekennzeichnete Verfahren gelöst.

Besonders vorteilhaft ist es, das Wellenzentruin dei Bezugswelle bei der Aufnahme und der Wiedergabe welle bei der Wiedergabe ins Unendliche zu legen. An Hand der Zeichnung soll die Erfindung in¹

La.

folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Aufnahmeanordnung für ein Lippmann-Bragg-Hologramm.

Fig.2 eine die physikalische Wirkungsweise des Ljppmann-Bragg-Hologramms verdeutlichende Darstellung,

F i g. 3 eine Darstellung zur Erläuterung der Analyse, der bei der Rekonstruktion von Lippmann-BraggHologrammen gegebenen Bildunschärfe,

F i g.4 ein Ausführungsbeispiel für eine Hologrammaufnahmeanordnung,

F i g. 5 eine Hologrammwiedergabeanordnung,
F i g- 6 eine weitere Hologrammaufnahmeanordnung, Fig.7 eine weitere Hologrammwiedergabeanordnung.

Bei der Vorrichtung nach der Erfindung wird von einer Aufnahmetechnik Gebrauch gemacht, bei der, wie Fig. 1 zeigt,die Bezugswelle Bsund die Objektwelle Os des aufzunehmenden Objektes O von zwei verschiedenen Seiten auf den Hologrammträger Ht auftreffen. Bei der Überlagerung der beiden Wellen bilden sich, wie das in Fig-2 angedeutet ist, innerhalb der fotoempfindlichen Schicht Ebenen Se maximaler Schwärzung, die im wesentlichen parallel zur Hologrammebene verlaufen und deren Abstände etwa gleich der halben Lichtwellenlänge λ der Bezugswelle Bs betragen. Ihrer Geometrie nach sind diese Ebenen Se maximaler Schwärzung exakt Hyperboloide, die für eine auf sie auftreffende Welle reflektierende Eigenschaften aufweisen. Die an sich breitbandigen Reflexionseigenschaften der einzelnen Hyperboloidflächen werden durch ihre Staffelung in der Tiefe der fotografischen Emulsion im Abstand einer halben Lichtwellenlänge λ dadurch außerordentlich schmalbandig, daC ein fallendes Licht, dessen halbe Wellenlänge λ gleich dem Abstand zweier aufeinanderfolgender Ebenen m?ximaler Schwärzung Se ist, sich hinsichtlich der an den einzelnen Ebenen reflektierten Anteile phasenrichtig addieren, während einfallendes Licht mit einer Wellenlänge, die von der Wellenlänge λ merklich verschieden ist, hinsichtlich seiner Reflexionen an den verschiedenen Ebenen maximaler Schwärzung lediglich mit einer zur erstgenannten Reflexion kleinen Intensität wirksam werden kann und zur Rekonstruktion des aufgenommenen Bildes keinen Beitrag leistet. Die für die Rekonstruktion des aufgenommenen Bildes ausschließlich maßgebliche Reflexion der erstgenannten Art weist bei schmaler Bandbreite einen um so höheren Wert auf. je größer die Dicke der fotoempfindlichen Schicht im Vergleich zur Wellenlänge λ der Bezugswellc ßsist. Ein solches Volumenhologramm erzeugt sich also mit anderen Worten die nötige Monochromasie bei der Wiedergabe und damit die zeitliche Kohärenz des Lichtes notfalls selbst, wenn für seine Wiedergabe an Stelle einer monochromatischen Strahlung geeigneter Wellenlänge weißes Licht benutzt wird.

Wegen der Ähnlichkeit der Aufnahme mit der alten Lippmann-Farbfotografie und der Tatsache, daß die phasenrichtige Addition der Einzelreflexionen nichts anderes als der von der Röntgenknstallografie her bekannte Braggeffekt ist, haben derartige Hologramme die Bezeichnung Lippmann-Bragg-Hologramme erhalten. Systemtheoretisch lassen sie sich als periodische Kettenleiter mit einem schmalen Sperrbereich bei der Wellenlänge auffassen, mit der sie aufgenommen wurden. Im Sperrbereich tritt hohe, in den Durchlaßbe reichen eine sehr geringe Reflexion ein.
Durch die angegebene Anordnung von Objekt.

Bezugs- und Wiedergabewelle wird erreicht, daß das rekonstruierte Bild nicht nur verzerrungsfrei und im Maßstab 1:1 in Erscheinung tritt, sondern daß es auch einen ausgezeichneten Kontrast hat, weil bei dieser Art der Aufnahme und der Wiedergabe das vom Hologramm ausgehende Streulicht der Wiedergabewelle in Richtung auf das rekonstruierte Bild sein Intensitätsminimum besitzt.
Auch hat die Vorrichtung nach der Erfindung den

ίο Vorteil, daß sich Unterschiede in der Wellenlänge zwischen der Bezugswelle und der Wiedergabewelle, soweit sich dieser Unterschied auf den Bereich der phasenrichtigen Addition der einzelnen Reflexionen an den verschiedenen Ebenen maximaler Schwärzung beschränkt, praktisch keinen merklichen Einfluß auf die Schärfe des rekonstruierten Bildes hat.

Dieser Sachverhalt soll im folgenden an Hand einer die Farbunschärfe analysierenden Betrachtung noch näher erläutert werden.

In Fig.3 ist in schematischer Darstellung ein Hologrammträger Ht mit einem räumlichen Koordinatensystem XYZ dargestellt. Das Koordinatensystem steht mit seiner Z-Achse senkrecht auf der durch den Hologrammträger gebildeten Ebene, die dabei in der ΛΎ-Ebene liegt Ein Punkt G eines Gegenstandes mit den Koordinaten Xc Yc, und Zc wird vom Hologramm als Punkt B (Bildpunkt) mit den Koordinatenwerten Xn. Yb und Ze wiedergegeben. Es sei angenommen, daß die Bezugswelle aus dem Punkt R (Wellenzentrum) mit den

jo Koordinaten Xr, Yk und Z«entspringt. Zur Wiedergabe des Bildes des aufgenommenen Gegenstandes wird der Hologrammträger von einer im Punkt R' (Wellenzentrum) mit den Koordinaten X'«, Vr und Z'r lokalisierten Lichtquelle ausgeleuchtet. Die Abbildungsgleichungen für das Hologramm lauten dann

Darin sind λ und λ'die Wellenlänge der Lichtquellen bei Aufnahme und Wiedergabe und g, b. r und r' die Entfernungen der Punkte G. B, R und R' vom Ursprung des Koordinatensystems.

Die Verschiebung, die der Punkt B durch eine Änderung Δλ' der Wellenlänge λ' erleidet, ist ein Vektor, dessen Komponenten im dreidimensionalen Koordinatensystem AXf, AYi und AZi sind. Diese Komponenten lassen sich durch Differentiation der

to Komponenten des Bildpunktes Xb. Yb und Zn nach λ'. multipliziert mit der die Reflexionsbandbrcite des Hologramms darstellenden Änderung Δλ' berechnen Durch Differentiation der Gleichungen (1) bis (3) ergibt sich für die drei Komponenten dieses Verschiebungs-

6s vektors

I Y_F =

iz - ^h (^h -

μ'

-1

Durch die endliche Bandbreite dA'der Rekonstruktion wird also der Bildpunkt zu einer Strecke mit einer zu der Bandbreite der Änderung Δλ' proportionalen Länge auseinandergezogen.

Wie die Gleichungen (4) bis (6) erkennen lassen, verschwinden bei der Vorrichtung nach der Erfindung die X- und die V-Komponente des die Farbunschärfe beschreibenden Verschiebungsvektors. Dieser Sachverhalt ist bei endlichem Abstand des Wellenzentrums der Bezugs- und der Wiedergabewelle dadurch gegeben, daß die Komponente X'r des Wellenzentrums der Wiedergabewelle und die Komponente X_H des Mittelpunktes des erzeugten Bildes bei der Erfindung exakt gleich sind. Die maximal zulässige Farbunschärfe in der XV-Ebene bestimmt allerdings noch die maximalen Abmessungen des Bildes. Bei unendlichem Abstand des Wellenzentrums von Bezugs- und Wiedergabewelle und senkrechtem Einfall dieser Wellen ist die X- und Y- Komponente des Verschiebungsvektors unabhängig von der Lage der Biidpunkte in der XV-Ebene gleich Null, weil r' unendlich ist. Ein Unterschied zwischen der Wellenlänge bei Aufnahme und Wiedergabe hat also lediglich eine Verschiebung des gesamten rekonstruierten Bildes in Richtung der Z-Koordinate, also senkrecht zu der vom Hologrammträger gebildeten Ebene, zur Folge. Dieser Verschiebung kommt aber bei flächenhaften Objekten insbesondere dann keine Bedeutung zu. wenn sie mit ihrer Fläche bei der Aufnahme wenigstens annähernd parallel zur Ebene des Hologrammträgers ausgerichtet sind.

Besonders günstige Ergebnisse lassen sich mit der Vorrichtung nach der Erfindung dann erzielen, wenn das flächenhafte Objekt bei der Aufnahme auf die Mittelsenkrechte des Hologrammträgers zentriert ist.

Der Vorrichtung nach der Erfindung kommt besondere Bedeutung bei seiner Verwendung zur Projektion von Ätzmasken auf die fotoempfindliche Schicht von Halbleitergrundplättchen bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen und integrierten Schaltkreisen /u. Die bei hohem technischem Stand, aber niedrigem Preis zur Verfügung stehenden monochromatischen Lichtquellen (Laser) erzeugen meist ein Licht mit größerer Wellenlänge im roten Bereich. Wie bereits erwähnt wurde, benötigen gängige fotoempfindliche Schichten für ihre Belichtung im allgemeinen Licht mit einer kleineren Wellenlänge im blauen Bereich. Da lediglich für die Aufnahme des Hologramms Laserlicht erforderlich ist. besteht der Wunsch, die Aufnahme des Hologramms mit längerwelHgem Licht, insbesondere rotem Licht durchzuführen. Diese erwünschte Aufnahmetechnik ist mit Hilfe der Erfindung dadurch möglich, daß die belichtete fotoempfindliche Schicht auf dem Hologrammträger bei ihrer Entwicklung einem kontrollierten Schrumpfungsprozeß unterworfen wird, derart, daß bei der Wiedergabe des Hologramms mit Licht einer vorgegebenen kleineren Wellenlänge, vorzugsweise blauem Licht, ein lichtstarkes, verzerrungsfreies Bild entsteht. Wie einschlägige Untersuchungen haben erkennen lassen, gehen bei einer Schrumpfung die Hyperboloide darstellenden Flächen maximaler Schwärzung dann in neue Hyperboloide über, deren Flächen und deren Brennpunkte um den Schrumpfungsfaktor einander angenähert erscheinen, wenn bei der Aufnahme der Hologrammträger so orientiert ist, daß er mit seiner Ebene senkrecht zu der Verbindungsgeraden zwischen den Punkten R und G nach F i g. 3 ausgerichtet ist. Das geschrumpfte Hologramm verhält sich in diesem Falle also so, als wären bei der Aufnahme alle Abmessungen und die Wellenlänge linear um diesen Faktor verkleinert gewesen. Es wird somit bei dieser

ίο kürzeren Wellenlänge aberrationsfrei wiedergegeben.

Wie die Aufnahmeanordnung nach F i g. 4 erkennen läßt, ist die von einem Laser abgeleitete Bezugswelle Bs eine Kugelwelle, deren Wellenzentrum im Punkt R einen vorgegebenen Abstand von dem mit einer holografischen Emulsion versehenen Hologrammträger Ht aufweist. Der aufzunehmende Gegenstand C eine Ätzmaske in Form eines Diapositivs, ist mit seiner Fläche parallel zur Ebene des Hologrammträgers Ht ausgerichtet und auf das Lot L vom Erregerzentruni R

jo der Bezugswelle Bs auf den Hologrammträger zentriert Die Objektwelle ist mit Osbezeichnet.

Bei der Wiedergabe des mit der Aufnahmeanordnung nach Fig.4 gewonnenen Hologramms nach Fig. 5 ist die Wiedergabewelle wiederum eine Kugelwelle. Sie stimmt hinsichtlich der räumlichen Lage ihres Wellenzentrums im Punkt R' vom Hologrammträger Ht mit der Bezugswelle Bs bei der Aufnahme überein. Jedoch fällt sie im Gegensatz zur Bezugswelle Bs nach F i g. t> im Sinne einer zu dieser gegenläufigen Ausbreitungsrichtung von der entgegengesetzten Seite auf den Hologrammträger ein. Das Bild B'erscheint auf das Lot L zentriert im Maßstab 1:1 auf Seiten der einfallenden Wiedergabewelle Ws. Beim Ausführungsbeispiel nach den F i g. 4 und 5 ist angenommen, daß Bezugs- und Wiedergabewelle die gleiche Wellenlänge haben.

Das F i g. 4 und 5 entsprechende Ausführungsbeispiel für eine Aufnahme- und eine Wiedergabeanordnung nach F i g. 6 und 7 verwendet als Bezugs- und Wiedergabewelle eine ebene Welle, d. h. Kugelwellen.

deren Wellenzentrum in den Punkten R und R' im Unendlichen liegen. Wie Fig.6 erkennen läßt, fällt die ebene Bezugswelle Bs' senkrecht auf den Hologrammträger Ht von der einen Seite ein. Der aufzunehmende Gegenstand C befindet sich auf der anderen Seite des Hologrammträgers Ht und ist auf dessen Mittelsenkrechte Mzentriert.

Bei der Wiedergabeanordnung nach F i g. 7 ist die Wiedergabewelle Ws' wiederum eine ebene Welle, die der Bezugswelle Ss nach Fig.6 entgegenläuft. Das durch die rekonstruierte Objektwelle Or erzeugte Bild B" erscheint zentriert auf die Mtttelsenkrechte M im Maßstab 1:1. Das Bild B" entsteht wiederum auf seiter der Einstrahlung der Wiedergabewelle Ws'. Da dei Schirm, auf dem dieses Bild aufgefangen wird, einen Tei der Hologrammfläche abdeckt ist es, wie auch bei der Anordnungen nach F i g. 4 und 5, von Bedeutung, daf. seine Abmessungen bzw. die Abmessungen de: Gegenstandes G' bei der Aufnahme klein sint hinsichtlich der Abmessungen des Hologramms.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig.6 und 7 is angenommen, daß die Aufnahme des Hologramms mi größerer Wellenlänge durchgeführt wird als sein< Wiedergabe. Dies setzt nach der Entwicklung de Hologramms einen entsprechend kontrollierte Schrumpfungsprozeß voraus, der sich durch Behänd lung der fotografischen Emulsion in bestimmte Lösungen in einfacher Weise steuern läßt. B< unterbundener Schrumpfung und Wiedergabe mit de

Λ J

Aufnahmewellenlänge würde das Bild B" als Bild 3' (Fig. 7) erscheinen, dessen Abstand vom Hologrammträger Ht gleich dem entsprechenden Abstand des Gegenstandes G' vorn Hologrammträger Ht bei der Aufnahme ist. Durch den Schrumpfungsprozeß und

Übergang zur entsprechend kürzeren Wiederga lenlänge wird das Bild lediglich längs der Mittf rechten M in Richtung auf den Hologrammträ| verschoben. Seine Abmessungen senkrecht zur Z( ebene ändern sich dapcgcn, wie gewünscht, nicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Aufnahme eines Lippmann-Bragg-Hologramms von einem flächenhaften Objekt, mit einer Objektwelle und einer dazu kohärenten, von der entgegengesetzten Seite wie die Objektwelle auf den Hologrammträger auffallenden, von einem punktförmigen Wellenzentrum herkommenden Bezugswelle, und mit einer Wiedergabeweüe zur Wiedergabe eines Bildes des Objekts aus diesem Hologramm, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des Objekts (C) klein gegenüber den Abmessungen des Hologrammträgers (Ht)sind, daß das Objekt (C) auf dem Lot (L) vom Wellenzentrum (R) der Bezugswelle auf die Hologrammirägerebene zentriert ist, daß tür die Wiedergabe eines reellen Bildes aus dem Hologramm die Wiedergabewelle (Ws, Ws') ein punktförmiges Wellenzentrum (R) an der relativ zum Hologrammträger (Ht) gleichen Stelle wie die Bezugswelle (Bs. ßs')aufweist, und daß sie jedoch im Vergleich zur Bezugiwelle (Bs. Bs)die umgekehrte Ausbreitungsrichtung hat.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenzentrum der Bezugswelle (Bs, Bs') und das Wellenzentrum der Wiedergabewelle (Ws, Ws')\m Unendlichen liegen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (C) auf die Mittelsenkrechte (M) des Hologrammträgers (Ht) zentriert ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiedergabewelle (Ws. Ws) kurzwelliger als die Objektwelle und die Bezugswelle (Bs. Bs')\%\.

5. Verfahren zum Erzeugen einer für die Fertigung von Halbleiteranordnungen dienenden Maske, bei dem eine auf ein Werkstück aufgebrachte photoempfindliche Schicht entsprechend der Geometrie der zu erzeugenden Maske selektiv belichtet und dann entwickelt wird, bei dem ferner zur Belichtung der photoempfindlichen Schicht das von einem mit der in ihm gespeicherten Geometrie der zu erzeugenden Maske versehenen Hologramm mit Hilfe einer Wiedergabewelle erzeugte Bild der Maskengeometrie auf die photoempfindliche Schicht projiziert wird, gekennzeichnet durch die Anwendung einer Vorrichtung nach einem df Ansprüche 1 bis 4.

6. Verfahren nach Anspruch 5 unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß das mit einem langwelligeren Licht als Objektwelle und Bezugswelle erzeugte Hologramm zunächst einem definierten Schrumpfungsprozeß unterworfen und dann das geschrumpfte Hologramm für die selektive Belichtung der lichtempfindlichen Schicht mit kurzwelligerem Licht als Wiedergabewelle derart ausgeleuchtet wird, daß ein Bild der zu erzeugenden Maskengeometrie auf der photoempfindlichen Schicht entsteht.