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Verfahren zur Beeinflussung eines Licht-Strahls und Anordnungen hierfür
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beeinflussung eines Lichtstrahls,
bei dem der Lichtstrahl entweder in eine Vielzahl von zueinander parallelen oder
sich im Raum fächerartig aufspreizenden Strahlen gleichzeitig aufgespalten oder
zeitlich nacheinander abgelenkt wird neben hierzu geeigneten Anordnungen.
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Unter der Beeinflussung eines Lichtstrahls soll in diesem Zusammenhang
ganz allgemein jede Anderung der Parameter des Lichtstrahls, wie seiner Richtung,
seiner Polarisation oder seines Divergenzgrades verstanden werden Durch die zunehmende
Verwendung von Lichtstrahlen zum Regeln und Steuern oder als Informationsträger
zur Übermittlung von Nachrichten haben die Verfahren zur Lichtablenkung stark an
Bedeutung gewonnen. Die Ablenkung eines l,ichtstrahls erfolgt dabei in der Regel
so, daß der einfallend Strahl in vorgegebener Weise geschwenkt oder parallel versetzt
wird Die dabei nach ihrer Lage bzw.
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Richtung unterscheidbaren Ausgangsstrahlen sind im allgemeinen so
gelagert, daß sie von einem gemeinsamen Zentrum, im Endlichen oder Unendlichen,
zu kommen scheinen. Je nach den an das Verfahren gestellten Anforderungen werden
mechanische oder elektrooptische Ablenkeinhetten benutzt.
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Derartige Ablenkeinheiten sind beispielsweise in der Literaturstelle
"Applied Opticsfl, Vol.5, Nur.10, Oktober 1966, Seiten 1675-1682, beschrieben.
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Vielfach besteht das Bedürfnis, einen Lichtstrahl aus zwei oder mehr
vorgegebenen Richtungen auf ein bestimmtes PLichenelement zu richten. Konventionelle
Verfahren zur IIchtablenkung bzw. Beeinflussung können diesem Bedürfnis in seiner
allgemeinen Art nicht entsprechen, da gewöhnlich einem vorgegebenen Flächenelement
im Bereich der durch die Ablenkeinheit abgelenkten Strahlung nur jeweils eine Strahlrichtung
zugeordnet ist.
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Beispielsweise besteht in der holographischen Datenspeicherung der
Wunsch nach einem Verfahren zur Lichtablenkung, weiches es gestattet, ein vorgegebenes
Flächenelement zeitlich nacheinander aus verschiedenen Richtungen auszuleuchten,
um in einem Hologrammträger gleichzeitig verschiedene Bilder einspeichern bzw. aus
dem so hergestellten Hologramm wieder reproduzieren zu können. Theoretisch kann
in Holobrammen eine Speicherdichte von 1012 bit/cm3 erzielt werden.
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Dieser Wert ist jedoch in der Praxis nur dann annähernd erreichbar,
wenn der Aufnahme- und Wiedergabestrahl beim Einspeichern bzw. Lesen der die Information
enthaltenden Bilder i seinen Parametern steuerbar ist. Aus der Literaturstelle "App1ied
Optics", Vol.2, Nr.4, April 1963, S. 393-400, insbesondere S.396, geht hervor, daß
eine Möglichkeit zur Annäherung dieses theoretischen Wertes der ';peicherdichte
darin besteht, den Hologrammträger bei der Aufnahme bzw. das die Information enthaltende
Hologramm bei der Wiederg>abe unter verschiedenen Winkeln auszuleuchten. Dadurch
kann eine Vielzahl von Bildern unter jeweils p;eänderten Aufnahmebedingungen in
dem Hologrammträger gespeichert werden. Mit herkömmlichen Verfahren zur Lichtablenkung
ist es jedoch, wenn überhaupt, dann nur in begrenztem Maß möglich, den Hologrammträger
bzw. das Hologramm unter verschiedenen Winkeln zu beleuchten, ohne die Ablenkvorrichtung
gegen das Hologramm bzw. den Hologrammtreiber zu verschieben.
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Der Erfindung liegt ganz allgemein die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
anzugeben, das es ermöglicht, einen Lichtstrahl so zu beeinflussen, daß er mit jeweils
vorgegebenen Parametern,-wie dem winkel im Raum, dem Divergenzgrad und der Polarisation
durch ein im'Raum vorgegebenes Flächenelement trl-tt. Dabei kann jedem der in begrenzter
Anzahl möglichen Ausgtngsstrahlen ein eigenes Flächenelement zugeordnet sein.
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Diese Aufgabe stellt sich in ihrer allgemeinen Art beispielsweise
auch beider holographischen Projektion von Ätzmasken zur Herstellung von Halbleiterschaltkreisen.
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I)ie auf den Halbleitergrundkörper aufzubringenden Strukturen werden
in der Regel auf photographischem Wege auf den mit Photolack beschichteten Grundkörper
projiziert und nsehließend eingeätzt. Dabei hat d-ie holographische Projektion wegen
derXmechanischen Unempfind-lich-keit des Hologramms gegenüber der Kontaktkopie besondere
Bedeutung erlangt. Im inne einer rationellen Fertigung derartiger Halbleiterschaltkreise
ist man bemüht, auf einen Halbleitergrundkörper gleichzeitig eine Vielzahl von räumlich
meist nicht sehr ausgedehnten Schaltungen zu projizieren und anschließend gleichzeitig
zu ätzen. Zu diesem Zweck wird gewöhnlich mit Hilfe eines "Repeaters" ein Bildraster
des verkleinerten Bildes der Ätzschablone hergestellt. Dabei verschiebt der "Repeater"
den Hologrammträger von Aufnahme zu Aufnahme im Sinne des gewünschten Rasters relativ
zum auf zunehmenden Bild. Dieses Verfahren ist wegen der zu fordernden Justiergenauigkeit
äußerst zeitraubend. Zur Uberwindung dieser Schwierigkeiten wurde bereits vorgeschlagen,
den bei der Belichtung des Hologrammträgers verwendeten Aufnahmestrahl in eine der
Anzahl der gewünschten Bilder entsprechende Zahl von Teilstrahlen aufzuteilen und
unter verschiedenen Winkeln auf das Hologramm zu richten.
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Durch diese Maßnahme wird es zwar ermöglicht, eine Vielzahl
von
nebeneinander angeordneten reellen Bildern aus einem in bekannter Weise hergestellten
Hologramm zu proJizieren, jedoch weisen diese Bilder je nach ihrer räumlichen Lage
eine auf die ;sphärische Aberration zurückzuführende Verzerrung auf. Zur Durchführung
einer derartigen Projektion bedarf es also eines Verfahrens, mit welchem ein Lichtstrc
auf eine bestimmte Fläche unter vorgegebenen verschiedenen Winkeln gleichzeitig
oder zeitlich nacheinander richtet und die jeder Strahlrichtung zukommende Verzerrung
durch eine entsprechende Formung der Wellenfronten der einzelnen Strahlen aufgehoben
werden kann.
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Ausgehend von einem Verfahren zur Beeinflussung eines IJichtstrahls,
bei dem der Lichtstrahl entweder in eine Vielzahl von zueinander parallelen oder
sich im Raum fhcherartig aufspreizenden Strahlen gleichzeitig aufgespalten oder
zeitlich nacheinander abgelenkt wird, wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe
dadurch gelöst, daß anschließend jeder der Strahlen einzeln an räumlich voneinander
getrennten Stellen einer weiteren trahlbeeinflussung unterworfen wird.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch den weiteren
Verfahrensschritt, durch welchen die in konventioneller Weise abgelenkten Strahlen
anschließend an rfiumlich voneinander getrennten Stellen einer weiteren ',trahlbeeinflussung
unterworfen werden, durch die Wahl des Ortes der weiteren Strahlbeeinflussung ein
in der Ausgangsstrahlung liegendes Flächenelement unter beliebigem Winkel, beliebiger
Wellenkonfiguration und gegebenenfalls beliebiger Polarisation bestrahlt werden
kann.
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Ein beispielsweise für die holographische Datenspeicherung oder die
holographische Ätzmaskenprojektion vorteilhaftes Verfahren besteht darin, daß die
weitere Strahlbeeinflussung
o erfolgt, daß alle Strahlen nach der
Strahlbeeinflussung durch ein gemeinsames vorgegebenes Flächenelement verlaufen.
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Sinne bevorzugte Anordnung zur Durchführung des Verfahrens besteht
darin, daß eine den einfallenden Lichtstrahl in verschiedene Richtungen gleichzeitig
oder zeitlich nacheinander ablenkende oder parallel versetzende Ablenkeinheit vorgesehen
ist,und daß im Bereich der Ausgangsstrahlung dieser Ablenkeinheit in vorgegebener
räumlicher Verpeilung eine Vielzahl von optischen Elementen angeordnet ist, die
jeweils eine vorgegebene Strahlbeeinflussung des sie durchsetzenden Strahls verursachen.
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Ein optisches Element besteht dabei vorteilhafterweise aus einem oder
mehr, im Strahlengang hintereinander in einer Baugruppe angeordneten optischen Grundelementen.
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Vorteilhafte optische Grundelemente sind Linsen, Prismen, Gitter oder
anisotrope Medien.
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Eine einfache und raumsparende Anordnung kann dadurch erzielt werden,
daß das optische Element durch ein Hologramm gebildet ist.
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Die Möglichkeit, Hologramme zu verwenden um optische Bauteile nachzubilden,
ist bekannt und beispielsweise in der biteraturstelle H.Kiemle, Dr.Röß, "Einführung
in die Technik der Holographie", Frankfurt/Main, 1969, S.273 ff. beschrieben.
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Eine dicht gedrangte-Anordnung wird dadurch erzielt, daß sich die
Flachen der einzelnen Hologramme überlappen, da durch diese Maßnahmen die Hologramme
sehr nahe an der Ablenkeinheit angeordnet werden können.
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Anhand der in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausffihrllngsbeispiele
soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. Es zeigen Fig. eine
schematische Darstellung einer ;ichtb-Lenkanordnung nach der Erfindung zum Lesen
von holographisch gespeicherter Informaticn, Fig.2 eine schematische Darstellung
der Lictablenkanordnung nach der Erfindung zur Vie1-fachprojektion von Atzmaskenbildern.
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Die in Pig.l dargesteilte Anordnung zur Lichtablenkung enthält die
Ablenkeinheit 1, die in einer Halterung 2 aneeordneten optischen Elemente 3, die
Speicherplatte 4 und den photoelektrischen Ausgabewandler 5.
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Zunächst sei das Prinzip des Lesens einer bestimmten, in einem Hologramm
6 der Speicherplatte 4 enthaltenen Information beschrieben. Der in die Ablenkeinheit
1 einfallende, in einem nicht naher dargestellten Lasergerät erzeugte kohärente
Lichtstrahl 7 wird beispielsweise über ein mechanisches Element in Richtung auf
ein vorgegebenes optisches Element 3 in der Halterung 2 abgelenkt. Das optische
Element 3 bewirkt, daß der aus der Ablenkeinheit kommende Lichtstrahl in Richtung
auf das im Punkt A befindliche Hologramm abgelenkt wird. Durch die unterschiedliche
räumliche Lage der optischen Elemente 3 in der HalteruIlg 2 wird es ermöglicht,
daß das im Punkt A befindliche Hologramm 6 aus verschiedenen Richtungen ausgeleuchtet
werden kann. Im Sinne einer übersichtlichen Darstellung ist die Halterung 2 nur
mit sechs optischen Elementen 3 versehen. Außer zur Richtungsänderung des einfallenden
Strahls können die optischen Elemente 3 auch noch zur Änderung anderer Parameter
des Lichtstrahls, beispielsweise des Divergenzgrades, ausgebildet sein. Es ist lediglich
darauf zu achten, daß der bei der Wiedergabe des
Hologramms 6 6-
verwendete Strahl nach Richtung und Wellenkonfiguration gleich dem bei der Aufnahme
verwendeten Rezugsstrahl ist. Diese Forderung ist aber von selbst erfüllt, wenn
die bezeichnet-e Anordnung sowohl bei der Aufnahme als auch bei der Wiedergabe verwendet-wird.
Durch die Ausleuchtung des Hologramms mit dem durch- das optische Element abgelenkten
Strahl wird hinter dem Ho-logramm das die Infolmation beinhaltende Punktraster rekonstruiert.
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Jeder Informationseinheit (Bit) ist ein Punkt im Raum des rekonstruierten
Bildes zugeordnet. Vorhandensein oder Fehlern der-Lichterregung-in einem solchen
Punkt entspricht den binären Werten "Null" oder "Eins".
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Jedem Bit der parallel auszulesenden Information ist ein eigener Photodetektor
5' in dem photoelektrischen Ausgabewandler 5 zugeordnet. Die Information wird durch
eine nicht näher d.lrgestellte elektronische Abtasteinheit aus den Photodetektoren
5' ausgelesen.
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Bei der Belichtung des Hologrammträgers, d.h. beim Einschreiben der
Information, wird jede Strahlrichtung mit einem ;inderen Muster an einzuspeichernder
Information versehen, welches beim Lesen durch eine entsprechende Beleuehtung des
Hologramms 6 auf den photoelektrischen Ausrabewandler 5 projiziert wird.
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Die Speicherplatte 4 besteht aus in Zeilen und Spalten antreordneten
einzelnen Hologrammen 6. Da das Einschreiben bzw. Lesen der Information nur in dem
mit A bezeichneten festen Raumpunkt erfolgt, ist die Speicherplatte 4 in der Plattenebene
verschiebbar, was durch die mit x und y bezeichneten Pfeile angedeutet ist.
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Die Anzahl der in einer solchen Speicherplatte 4 zu speichernden Bits
ist gleich dem Produkt aus der Anzahl der einzelnen Hologramme 6, der Anzahl der
möglichen ;trahlriehtungen bzw. der optischen Elemente 3 in der Halterung 2 und
der bei einer Aufnahme unterscheidbaren Punkte, nach denen die Zahl der im photoelektrischen
Auspabewandlei: 5 enthaltenen Photodetektoren 5' bemessen ist.
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Die der Strahlbeeinflussung dienenden optischen Elemente 3 können
in einfacher Weise, insbesondere in Anordnunzen, in denen ohnehin koharenteß Licht
verwendet wird, in ihrer Wirkung durch Hologramme nachgebildet werden. Hologramme
kennen zwar nicht allgemein die Funktion von Spiegeln und Prismen ausüben, jedoch
ist dies in diesem hier zugrunde gelegten speziellen Fall der Lichtablenkvorrichtung
bei starren optischen Einzelelementen, die nur von einem Lichtstrahl festgelegter
Richtung getroffen werden, ohne weiteres möglich.
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Bei der Verwendung von Lichtablenkvorrichtungen, mit deren Hilfe ich
facherartig aufspreizende Strahlen erzeugen lassen, ist es nicht erforderlich, daß
die die optischen Eternentt 3 nachbildenden Hologramme erst im Bereich der sich
nicht mehr iiberlappenden Strahlen der Ablenkeinheit 1 ringeordnet werden. Es besteht
die Möglichkeit, die Flächen der Einzelhologramme zu überlappen und diese entsprechend
nahe an der Ablenkeinheit 1 anzuordnen. Es muß in diesem P,dl lediglich dafür gesorgt
werden, daß der auf Grund der berjappung entstehende zusätzliche Strahl an einer
dafür geegneten Stelie auftrifft. Eine geeignete Stelle ist in dem geschilderten
Fall der Datenspeicherung beispielsweise die Flache zwischen den einzelnen Hologrammen
6 der Speicherplatte 4.
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Eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur bichtablenkung
ist in der in Pig.2 dargestellten Anordnung zur Vielfachprojektion von Ätzmaske'n
auf holor'iphis('hem Wege gezeigt. Die Anordnung enthält, wie das Ausführungsbeispiel
nach Fig.1, die Ablenkeinheit 1 und die in der Halterung 2 angeordneter, optischen
Elemente 3.
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In der Ausgangsstrahlung der optischen Elemente ist das Hologramm
6' angeordnet. In der Ebene des aus dem HologrXlmm 6' rekonstruierten reellen Bildes
8' der Ätzmaske befindet sich der zu belichtende Halbleitergrundkörper 8.
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Bei der Belichtung des Hologramms 6' entsteht je nach der Richtung
des auf das Hologramm fallenden Wiedergabestrahls ein reelles Bild 8' des in dem
Hologramm 6' festgehaltenen Ätzmusters.
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Ein mit dem in iblicher Weise mit dem Interferenzfeld aus Ob.lekt-
und Bezugewelle belichtetes Hologramm liefert bei gleicher Wellenkonfiguration von
Bezugswelle und Wiedergabewelle nur dann ein unverzerrtes Bild des Objektes, wenn
die Wiedergabewelle unter dem gleichen Winkel wie die Bezugswelle bei der Aufnahme
auf das Hologramm gerichtet wird. Würden nun die in der Halterung 2 befindlichen
optischen Elemente 3 lediglich eine Ablenkung des ein fallenden Strahls vornehmen,
so erhieiten die einzelnen, .us dem Hologramm 6' rekonstruierten reellen Bilder
8' mehr oder weniger starke Verzerrungen. Um diese Verzerrungen auszugleichen, ist
das Interferenzfeld aus der Bezugs-bzw. Objektwelle bei der Aufnahme des Hologramms
6' so gestartet, daß bei der Wiedergabe die genannte Verzerrung der rekonstruierten
reellen Bilder gerade aufgehoben wird.
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Auf diese Weise gelingt es, eine Vielzahl von identischen Ätzmustern
in vorgegebener Weise gleichzeitig oder zeitlich nacheinander auf den Halbleitergrundkörper
verzerrungsfrei abzubilden.
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8 Figuren 9 Patentansprüche