DE2152754B2

DE2152754B2 - Verfahren zur Erzeugung eines Durchsichtshologramms

Info

Publication number: DE2152754B2
Application number: DE2152754A
Authority: DE
Inventors: Nicholas Keith Fairport N.Y. Sheridon (V.St.A.)
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1970-10-23
Filing date: 1971-10-22
Publication date: 1978-07-27
Also published as: CA972207A; DE2167075C2; JPS5310862B1; DE2152754C3; DE2152754A1; GB1371923A; DE2167075B1; GB1371922A; US3680945A

Description

■ COS θ₂)

(1

gentigen, worin θι den Beugungswinkel des Relief-Reflexions-Blaze-Hologramms und θ₂ den Beugungswinkel des Durchsichts-Blaze-Hologramms bedeutet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abguß oder Abdruck von dem Relief-Reflexions-Blaze-Hologramm auf einer Unterlage aus einem Material hergestellt wird, dessen Abmessungen isotrop änderbar sind, daß die Unterlage derart behandelt wird, daß die Abmessungen um einen Faktor M geändert werden und daß von der so behandelten Unterlage ein Abdruck oder Abguß auf einer weiteren Unterlage aus einem Material mit dem Brechungsindex μ₂ hergestellt wird, wobei zur Herstellung eines Durchsichts-Blaze-Hohogramms der Faktor Af, der Brechungsindex μ₂ und/oder die Reproduktionslichtwellenlänge A₂ für das Durchsichts-Blaze-Hologramm so gewählt sind, daß sie der Beziehung

II)

I)

21)

M(/i₂ - cos β₂) (1 + cos W₁)

genügen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn- v-> zeichnet, daß die Unterlage zur isotropen Änderung ihrer Abmessungen mit Dampf einer aktivierenden Flüssigkeit, mit einer aktivierenden Strahlung und/oder einer aktivierenden Flüssigkeit behandelt wird. V)

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Durchsichtshologramms.

Bei der Holografie wird durch ein besonderes Belichtungsverfahren auf einer lichtempfindlichen Schicht, beispielsweise auf einem fotografischen Film, ein Interferenzmuster aufgezeichnet. Bei erneuter <>o Beleuchtung des Interferenzmusters mit einer zu der Erzeugungslichtwellenlänge gleichen Lichtwellenlänge wird dem Betrachter ein dreidimensionales Bild reproduziert. Ein Hologramm kann beispielsweise durch Einwirkung der Strahlung eines Lasers oder einer monochromatischen Lichtquelle auf ein zu holografierendes Objekt und durch Erzeugung eines davon abgetrennten Teils der Strahlung, der als Bezugsstrahl bezeichnet wird, durch verschiedene Spiegel und/oder Linsenanordnungen gebildet werden. Als Bezugsstrahl kann jedoch auch ein separater Strahl vorgesehen sein, der mit dem Beleuchtungsstrahl des Objekts kohärent ist. Der Aufzeichnungsträger, normalerweise ein fotografischer Film, wird so angeordnet, daß er den vom Objekt modulierten Strahl und den Bezugsstrahl empfängt. Auf dem Aufzeichnungsträger wird sodann das stationäre Interferenzmuster zwischen den beiden Feldern der beiden Strahlen aufgezeichnet. Zur Rekonstruktion des Bildes des Objektes wird ein Strahl ähnlich dem Bezugsstrahl in geeigneter Weise auf das aufgezeichnete Interferenzmuster, das sogenannte Hologramm, gerichtet.

Die meisten bekannten Hologramme werden derart hergestellt, daß der Objektstrahl und der Bezugsstrahl von ein und derselben Seite her auf den Aufzeichnungsträger gerichtet werden. Ein Hologramm, das dadurch hergestellt wird, daß der mit dem Objekt modulierte Strahl und der Bezugsstrahl von den einander gegenüberliegenden Seiten des Aufzeichnungsträgers her eingestrahlt werden, wurde erstmals von D e η i s y uk in Soviet Physics-Doklady, Nr. 7, Seite 543, 1962 beschrieben. Ein auf diese Weise erzeugtes Hologramm besteht aus aufgezeichneten Interferenzmustern, die nahezu parallele Flächen sind und einen Abstand von ungefähr einer halben Lichtwellenlänge haben. Sie verlaufen nahezu parallel zu den Oberflächen der lichtempfindlichen Schicht. Die Wellenfronten, von denen ein Bild des holografierten Objektes erzeugt werden kann, werden rekonstruiert, indem ein Beleuchtungsstrahl ähnlich dem Bezugsstrahl durch das Hologramm geleitet wird. In der britischen Patentschrift 12 31938 ist ein verbessertes Verfahren dieser Art beschrieben, bei dem ein fotohärtbarer Aufzeichnungsträger verwendet wird und ein stehendes optisches Wellenfeld in und auf diesem Aufzeichnungsträger abgebildet wird. Die Entwicklung des bestrahlten Aufzeichnungsträgers erfolgt derart, daß entweder die bestrahlten oder die nicht bestrahlten Bereiche aufgelöst werden, was von der Art des jeweils verwendeten fotohärtbaren Materials abhängt, um auf diese Weise ein Relief-Blaze-Hologramm herzustellen.

Aus der DE-OS 19 24 695 ist auch bereits ein holografisches Abbildungsverfahren bekanntgeworden, bei dem bei der Herstellung des Hologramms der durch das Objekt modulierte Strahl und der Bezugsstrahl voneinander entgegengesetzten Seiten eines Aufzeichnungsträgers eingestrahlt werden. Das zu ierende Bild wird sodann dadurch erzeugt, daß der Reproduktionsstrahl unter demselben Winkel wie der Bezugsstrahl auf das Hologramm eingestrahlt wird und das Bild durch Reflexion des Reproduktionsstrahls an dem Hologramm erzeugt wird.

Sogenannte Reflexions-Blaze-Hologramme mit besonderer Konzentration der Lichtintensität auf eine bestimmte Beugungsordnung werden dann erhalten, wenn die Richtung des an dem Hologramm reflektierten Strahls mit der Richtung einer bestimmten Beugungsordnung, zumeist die erste Beugungsordnung, zusammenfällt. Zur Erhöhung der Reflexionseigenschaft eines Hologramms wird dieses meist mit zusätzlich einem stark reflektierenden Material beschichtet. Ein Reflexions-Blaze-Hologramm ergibt eine optimale Bildrekonstruktion, jedoch lediglich in der Reflexion. Vielfach ist es jedoch wünschenswert ein solches Hologramm auch in Durchsicht zu rekonstruieren. Bei einem Reflexions-Blaze-Hologramm, bei dem bei einer Repro-

duktion in Reflexion praktisch die gesamte Lichtenergie in eine bestimmte Beugungsordnung fällt, wenn es mit einer Strahlung vorbestimmter Wellenlänge rekonstruiert wird, wird jedoch die Lichtintensität bei Rekonstruktion des Hologramms in Durchsicht mit einem Reproduktionsstrahl derselben Länge r.ahezu symmetrisch auf verschiedene Beugungsordnungen aufgeteilt. Dadurch wird die Lichtintensität, die für ein einzelnes Bild einer bestimmten Beugungsordnung zur Verfügung steht, wesentlich durch die über der Lichtintensität herabgesetzt, die für das Bild einer vorbestimmten Beugungsordnung bei der Reproduktion in Reflexion erhalten wird. Weiterhin treten bei der Reproduktion eines Reflexions-Blaze-Hologramms in Durchsicht Verzerrungen auf. Das hat dazu geführt, daß Reflexions-Blaze-Hologramme bisher lediglich für eine Reproduktion in Reflexion geeignet angesehen wurden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein als Reflexions-Blaze-Hologramm hergestelltes Hologramm unter Wahrung der Blazebedingungen in Durchstrahlung wiedergegeben werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf einer ersten Unterlage in an sich bekannter Weise ein Relief-Reflexions-Blaze-Hologramm für eine Reproduktionslichtwellenlänge Ai ausgebildet wird und daß von diesem Relief-Reflexions-Blaze-Hologramm zur Erzeugung eines Durchsichts-Blaze-Hologramms ein Abguß oder Abdruck auf einer Unterlage aus einem Material mit einem Brechungsindex μ₂ hergestellt wird, wobei der Brechungsindex μ2 und/oder die Reproduktionslichtwellenlänge A₂ für das Durchsichts-Blaze-Hologramm so gewählt sind, daß sie der Beziehung

(ιι₂ — <-"^os (~h) (I + ^cos fy )

genügen, worin Θ· den Beugungswinkel des Relief-Reflexions-Blaze-Hologramms und Θ2 der Beugungswinkel des Durchsichts-Blaze-Hologramms bedeutet.

Unter »Durchsichts-Blaze-Hologramm« wird hierbei ein Hologramm verstanden, bei dem der Brechungswinkel des durch das Hologramm hindurchgehenden Reproduktionsstrahls gleich dem Beugungswinkel einer vorbestimmten Ordnung ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es möglich, vom Reflexions-Blaze-Hologramm optimale Bilder auch in Durchsicht zu reproduzieren.

Gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren derart abgewandelt, daß der Abguß oder Abdruck von dem Relief-Reflexions-Blaze-Hologramm auf einer Unterlage aus einem Material hergestellt wird, dessen Abmessungen isotrop änderbar sind, daß die Unterlage derart behandelt wird, daß die Abmessungen um einen Faktor M geändert werden und daß von der so behandelten Unterlage ein Abdruck oder Abguß auf einer weiteren Unterlage aus einem Material mit dem Brechungsindex μ₂ hergestellt wird, wobei zur Herstellung eines Durchsichts-Blaze-Hologramms der Faktor M, der Brechungsindex μ₂ und/oder die Reproduktionslichtwellenlänge A₂ für das Durchsichts-Blaze-Hologramm so gewählt sind, daß sie der Beziehung

M{/i₂ — cos <->₂) (1 + cos

Dadurch wird erreicht, daß Materialien mit einem Brechungsindex bzw. Reproduktionslichtwellenlängen verwandt werden können, die nicht wesentlich von dem Brechungsindex der ersten Unterlage des Relief-Reflexions-Blaze-Hologramms bzw. von der Reproduktionslichtwellenlänge des Relief-Reflexions-Blaze-Hologramms abweichen.

Im folgenden soll die Ertindung näher anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. In der Zeichnung zeigt

Fig. IA das Prinzip der Wiedergabe eines Reflexions-Hologramms und

F i g. 1B die Reproduktionsbedingungen eines nach der Erfindung hergestellten Durchsichts-Hologramms.

Wie vorstehend bereits beschrieben wurde, führte De η ι sy u k das Konzept eines Hologramms ein, welches durch Bestrahlung einer dicken fotografischen Emulsion mit einem stehenden optischen Wellenfeld gebildet wird. Das stehende Wellenfeld wurde erzeugt, indem das an einem Objekt reflektierte Licht zur Interferenz mit einem Bezugsstrahl gebracht wurde, der von der entgegengesetzten Seite des Aufzeichnungsträgers eingestrahlt wurde. Die fotografische Emulsion zeichnete die den Schwingungsbäuchen entsprechenden Flächen des Wellenfeldes als Silberablagerungen innerhalb der Emulsion auf. Diese Silberablagerungen dienten als Reflexionsflächen zur Rekonstruktion des Objektwellenfeldes.

In Applied Physics Letters, Vol. 12, Nr. 9.1. Mai 1968, Seiten 316 bis 318 ist ausgeführt, daß einander benachbarte stehende Wellenfronten einen Abstand von ungefähr einer halben Wellenlänge und nahezu identische Form haben. Durch die stehenden Wellenfronten wird in der dünnen Aufzeichnungsschicht des Aufzeichnungsträgers praktisch ein Reflexionsgitter geschaffen. Ein derartiges Hologramm ist in der Tat ein Blaze-Hologramm und reflektiert ähnlich wie ein Beugungsgitter, eine maximale Lichtmenge in eine einzige Beugungsordnung. Die Form seiner Oberflächenvertiefungen entspricht Schnitten der stehenden Wellenflächen, wie es schematisch in der britischen Patentschrift 12 31938 dargestellt ist. Dort ist auch ausgeführt, daß Blaze-Hologramme durch Bestrahlung einer dünnen Fotoresistschicht mit hoher Auflösung auf Glasunterlage hergestellt werden können. Der Entwicklungsvorgang für Fotoresistmaterialien erfolgt mit einer Entwicklungsflüssigkeit, die entweder die bestrahlten oder die nicht bestrahlten Bereiche auflöst, was von der Art des jeweils verwendeten Fotoresistmaterials abhängt. Folglich werden nur die stehenden Wellenflächen in der äußeren Schicht mit einer Dicke entsprechend einer halben Wellenlänge des Fotoresistmaterials herausgelöst. Das Herauslösen bis zu einer größeren Tiefe wird durch die Unlöslichkeit der bereits herausgelösten stehenden Wellenflächen verhindert.

In dieser Patentschrift ist ferner ausgeführt, daß die mit einem kollimierten Stahl reproduzierten Hologramme bei Beschichtung mit Aluminium oder einem anderen geeigneten reflexionsfähigen Metall ein ähnliches Verhalten wie gute Beugungsgitter haben. Bei Verwendung von Licht mit einer Wellenlänge von 4880 Angström-Einheiten (wie es bei der Belichtung verwendet vird) beugen diese Gitter zumindest 73% des reflektierten Lichtes in die + 1-te Ordnung, 26% in die O-te Ordnung und weniger als 1 % in die -1-te Ordnung. Da die Flächen einen Abstand von ungefähr einer halben Wellenlänge haben, erfährt eine an einer solchen Fläche reflektierten Wellenfront zwischen einander

benachbarten Wellenflächen abrupte Phasenänderungen von einer Wellenlänge zusätzlich zu der durch die Flächen selbst eingeführten Phasen. Auf diese Weise addieren sich die Wirkungen aller Flächensegmente der Aufzeichnungsschicht in Phase und erzeugen ein Bild.

Das durch ein unbeschichtetes, im Gegensatz zu einem z. B. mit Aluminium beschichteten, Hologramm hindurchgeleitete Licht kann eine Phasenänderung von einer Wellenlänge zwischen einander benachbarten Wellenflächen in der Aufzeichnungsschicht erfahren. Wenn dies der Fall ist, addieren sich die Lichtanteile von allen Wellenflächen in der Aufzeichnungsschicht in Phase und erzeugen ein Bild, wodurch ein Durchsichtshologramm erzeugt wird.

In Fig. IA fällt Licht einer kohärenten Lichtquelle mit einer Wellenlänge λ\ auf die transparente Unterlage 10 auf, auf der ein Relief-Hologramm 12 ausgebildet worden ist. Diese Unterlage hat einen Brechungsindex μι. Aufgrund der Eigenschaften des in Fig. IA gezeigten Hologramms tritt der größte Teil des gebeugten Lichtes in der +1-ten Ordnung auf. Zur Erzielung eines maximalen Wirkungsgrades mit einem derartigen Reflexions-Hologramm ist es vorteilhaft, den Beugungswinkel mit dem Reflexionswinkel an den Facetten der Hologrammfläche zusammenfallenzulassen. Man erhält in diesem Falle ein sogenanntes Reflexions-Blaze-Hologramm. Für den Fall einer Verwendung eines Reflexions-Blaze-Hologramms als Durchsichts-Hologramm werden jedoch die Phasenänderungen beachtlich verzerrt, wodurch unter anderem die Energie des durchgelassenen Lichtes ziemlich symmetrisch auf die Bilder aus verschiedenen Beugungsordnungen aufgeteilt wird.

Um bei einem Durchsichts-Hologramm eine optimale Wirkung zu erhalten, ist es vorteilhaft, den Beugungswinkel (gemessen in bezug auf die Hologrammebene) mit dem Brechungswinkel an den Facetten der Relief-Hologrammfläche zusammenfallen zu lassen. Man erhält in diesem Fall ein sogenanntes Durchsichts-Blaze-Hologramm. Um somit aus einem ursprünglichen Reflexions-Blazc-Hologramm ein Durchsichts-Blaze-Hologramm zu erhalten, wird deshalb die Reflexionsfläche auf die Oberfläche eines Materials mit einem höheren Brechungsindex durch Abguß oder Abdruck kopien und zur Rekonstruktion des so erhaltenen Durchsichts-Hologramms eine kürzere Lichtwellenlänge verwandt. Allgemein kann somit ein Reflexions-Blaze-Hologramm mit einer Blaze-Wellenlänge von Ai und einem Beugungswinkel von θι dadurch in ein Durchsichts-Blaze-Hologramm mit einer Blaze-Wellenlänge λ₂ und einem Beugungswinkel Θ2 umgewandelt werden, daß die Oberfläche des Reflexions-Blaze-Hologramms auf die Oberfläche eines Materials mit dem Brechungsindex μ2 kopien wird und die einzelnen Parameter nach der folgenden Beziehung gewählt werden:

/, - cos <■>■>

1 -t

angenommen, daß das Bild dadurch rekonstruiert wird daß Licht von der Luftseite her an der entwickelten Fläche reflektiert wird, wo der Brechungsindex 1 ist.

Fig. IB zeigt die Verhältnisse bei einem Durchsichts Blaze-Hologramm, welches aus einem Reflexions-Bla ze-Hologramm gebildet wurde. Um die Blazebedingung zu erfüllen, wird auf die Unterlage 10/4 und mit dem Brechungsindex μ2 kohärentes Licht einer zweiten Wellenlänge λ₂ eingestrahlt. Damit das von de Oberfläche 12/4 erzeugte Bild zum größten Teil in de + 1-ten Ordnung erscheint, muß der Winkel Θ zwischen der 0-ten Ordnung und der +Hen Ordnung mit dem Brechungswinkel des Lichtes der Wellenlänge X₂ in Bezug auf die Normale zur Hologrammfläche überein stimmen. Für eine gegebene Wellenlänge K₂ ist dies nu dann der Fall, wenn die Originalunterlage auf eim Unterlage mit einem ausreichend hohen Brechungsin dex μ2 kopiert worden ist.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eine Durchsichts-Blaze-Hologramms besteht darin, ein Re flcxions-Blaze-Hologramm der in Fig. IA gezeigtet Art auf die Oberfläche eines Materials zu kopieren welches eine iso'rope Änderung seiner Abmessunger ermöglicht. Eine solche isotrope Änderung ihre Abmessungen, d. h. eine Ausdehnung oder Schrump fung, zeigen zahlreiche Stoffe, wenn sie gewisset Dämpfen oder Strahlungen ausgesetzt oder in gewissi Flüssigkeiten eingetaucht werden. Wenn die gewünsch te Änderung der Abmessungen erreicht ist, kann sodanr die Oberfläche des Materials, dessen Abmessungei isotrop geändert wurden, nochmals auf die Oberfläch eines geeigneten transparenten Materials mit einen geeigneten Brechungsindex kopiert werden. Auf diesi Weise kann man Durchsichts-Blaze-Hologramme mi einer maximalen Lichtintensität für beliebige Wellen längen erhalten. Unter der Annahme eines senkrechtei Lichteinfalls kann ein Reflexions-Blaze-Hologramn z. B. mit einer Blaze-Wellenlänge λ\ und einen Beugungswinkel Θι auf die Oberfläche eines ausdeh nungsfähigen Materials kopiert werden. Dieses Materia kann sodann um einen Faktor M gedehnt ode geschrumpft werden, und diese Fläche kann sodani auch auf die Oberfläche eines Materials mit den Brechungsindex μ2 kopiert werden. Die Blaze-Wellen länge dieses Durchsichts-Blaze-Hologramms ist dann λ und der Beugungswinkel ist Θ2. Im einzelnen kam jeweils eine der Größen M, λ2, μ2 bei beliebiger Wahl de beiden übrigen Größen bestimmt werden aus de Gleichung:

Bilder von Reflexions-Blaze-Hologrammcn können dadurch rekonstruiert werden, daß entweder Lichl von der Luftseite oder von der Unterlagenseite reflektiert wird. Da die Wellenlänge in Luft langer als in dem Material der Unterlage ist, wird die maximale Intensität in den beiden Fällen für verschiedene Wellenlängen erzielt. Um das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip auf die einfachste Weise darzustellen, wird bei der obigen Gleichung und den folgenden Gleichungen MIu₂ ~ cos (-)₂)

- cos (-),

Man erhält also ein Durchsichts-Hologramm mi derselben Information wie das anfängliche Reflexions Hologramm. Das neue Hologramm kann jedoch mittel Durchleuchtung mit möglicherweise unterschiedliche! Wellenlänge rekonstruiert werden. Wie oben bereit ausgeführt wurde, ist die Rekonstruktion eines Refle xions-Hologramms für eine vorgegebene Rekonstruk tions-Wellenlänge nicht effektiv, wenn ein solche Reflexions-Hologramm in Durchsicht unter Ausnutzuni der Brechungseigenschaft des Hologramms rekonstru iert wird. Andererseits ist die Rekonstruktion eine Durchsichts-Hologramms unter Verwendung der Refle xions-Eigenschaft des Hologramms ungeeignet.

Das sich isotrop ausdehnende oder zusammenziehen de Material kann beispielsweise ein Kautschuk seir

Solche Stoffe werden mit Erfolg zum Kopieren von Relief-Hologrammen angewendet. Es hat sich gezeigt, daß diese Materialien sich isotrop ausdehnen und dabei eine hohe Wiedergabegenauigkeit zeigen, wenn sie in Flüssigkeiten wie Tetrachlorkohlenstoff eingetaucht werden. Ein derartiges Material kann beispielsweise ein Kautschuk sein. Solche Stoffe werden mit Erfolg zum Kopieren von Relief-Hologrammen angewendet. Es hat sich gezeigt, daß diese Materialien sich isotrop ausdehnen und dabei eine hohe Wiedergabegenauigkeit zeigen, wenn sie in Flüssigkeiten wie Tetrachlorkohlenstoff eingetaucht werden. Ein derartiges Material kann mithin mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens derart genutzt werden, daß zunächst ein Relief-Hologramm auf seine Oberfläche

kopiert wird, in dem der nicht ausgehärtete Kautschul· über die Hologrammoberfläche fließengelassen wird Der ausgehärtete Kautschuk wird sodann abgelöst unc in ein Lösungsmittel wie z. B. Tetrachlorkohlenstofl eingetaucht. Nach einer vorbestimmten Zeit, die zui Verwirklichung der gewünschten Ausdehnung ausreicht, wird die Hologrammoberfläche nochmals aul eine weitere Unterlage umkopiert. Zur Herstellung eines Durchsichts-Hologramms wird vorher der Bre chungsindex der neuen Unterlage bestimmt.

Die Möglichkeit der Herstellung von Durchsichts-Hologrammen von Reflexions-Hologrammen erweiten wesentlich den möglichen Anwendungsbereich derartiger Reflexions-Hologramme.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung eines Durchsichtshologramms, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer ersten Unterlage in an sich bekannter Weise ein Relief-Reflexions-Blaze-Halogramm für eine Reproduktionslichtwellenlänge Ai ausgebildet wird und daß von diesem Relief-Reflexions-Blaze-Hologramm zur Erzeugung eines Durchsichts-Blaze-Hologramms ein Abguß oder Abdruck auf einer Unterlage aus einem Material mit einem Brechungsindex μ₂ hergestellt wird, wobei der Brechungsindex μ₂ und/oder die Reproduktionslichtwellenlänge A₂ für das Durchsichts-Blaze-Hologramm so gewählt sind, daß sie der Beziehung