DE2164086C3

DE2164086C3 - Miniaturisierte Linsenmatrix

Info

Publication number: DE2164086C3
Application number: DE19712164086
Authority: DE
Inventors: Erhard Ing.(Grad.) Klotz; Hermann Dipl.-Phys. Dr. Weiss
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1971-12-23
Filing date: 1971-12-23
Publication date: 1980-11-13
Also published as: DE2164086A1; DE2164086B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine miniaturisierte Linsenmatrix, bestehend aus einer Vielzahl von gleich großen, in wenigstens einer Ebene rasterförmig angeordneten und optisch transparenten Linsenstrukturen, die mittels einer starren Tragplatte positioniert sind.

Derartige Linsenmacrizen werden z. B. zur Aufnahme von Punkthologrammen und zur Ausleuchtung von Multiplex-Systemen in optischen Datenspeichern (Hologrammspeicher) gebraucht.

Es ist aus der DE-PS 18 03 131 bekannt, zur Aufnahme von Punkthologrammen identische, phasen- oder amplitudenstrukturierte Lochblenden relativ großen Durchmessers, z. B. Mattglasscheiben, Glaskugeln etc. zu verwenden. Die wesentliche Bedingung, eine gute Autokorrelation zu haben (siehe DE-PS 18 08 131), wird

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65 von den bereits bekannten Strukturen erfüllt Andere, sehr wichtige Nebenbedingungen werden dagegen nur unvollkommen erreicht Die Mattglasscheiben (Granulation) haben ein zu geringes Öffnungsverhältnis. Bei den Glaskugeln, die nur in größeren Abmessungen (ca. 3 mm 0) erhältlich sind, kann die gewünschte Pakkungsdichte (einige tausend auf einem Feld von 50 χ 50 mm²) nicht erreicht werden. Die Glaskugeln selbst und auch die Befestigung der Kugeln zu einer Matrix verursachen außerdem hohe Herstellungskosten.

Bei Hologrammspeichern werden z. B. Linsenraster (Fliegenaugenlinsen) mit etwa 10⁵ Einzelelementen auf einer Fläche von 100 χ 100 mm² gebraucht Derartige Linsenraster, die z. B. aus »Applied Optics«, August 1968, Vol. 7, No. 8, Seiten 1643-1644 und »IBM Technical Disclosure Bulletin«, 1967, Vol. 10, No. 3, Seiten 267 — 268 bekannt sind und die aus aneinandergereihten einzelnen Linsenelementen bestehen, kann man zwar im Handel kaufen, die Einzellinsen haben aber relativ schlechte optische Eigenschaften (z. B. Zentrierfehler, Kratzer).

Aus der DE-OS 20 32 066 ist weiterhin eine Linsenmatrix bekannt, die aus einzelnen kalottenförmigen Linsenelementen besteht, die nach Erfordernis abgestumpft und mit ihrer abgestumpften Fläche aneinanderliegend auf ein ebenes, transparentes Substrat aufgebracht sind. Ebenfalls ist hieraus bekannt, daß Lin-enmatrizen durch aneinandergereihte zylinderförmige und kartenförmige Linsenelemente erzeugbar sind.

Ferner ist aus der US-PS 32 79 313 eine Linsenmatrix bekannt, die aus kugelförmigen und rasterartig angeordneten Linsen besteht, die in einer starren, lichtundurchlässigen Tragplatte angeordnet sind. Diese Linsenmatrix dient lediglich zur Reflexion von Strahlung, die auf die Vorderseite der Linsenmatrix auftrifft. Eine Transmission durch die Linsenmatrix hindurch findet nicht statt. Punkthologramme können mit ihr somit nicht aufgenommen werden.

Auch die aus der US-PS 33 57 772 bekannte Linsenmatrix dient dazu, die auf sie auftreffende Strahlung zu reflektieren, wobei bestimmte Lichteffekte erzeugt werden. Die Reflexion erfolgt dabei entweder durch Totalreflexion an der Unterseite der Linsenstrukturen oder an einer an der Unterseite der Linsenstrukturen angebrachten metallischen Bedeckung. Auch diese Linsenmatrix eignet sich nicht zur Aufnahme der gewünschten Punkthologramme.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine miniaturisierte Linsenmatrix zur Aufnahme von z. B. Punkthologrammen zu schaffen, deren Linsenstrukturen neben einem großen Auflösungsvermögen und einem großen Öffnungswinkel eine hohe Packungsdichte bei möglichst geringen Zentrierfehlern besitzen und die möglichst einfach herstellbar ist.

Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß die Tragplatte aus einem optisch transparenten Material besteht, in deren eine Seite Linsenstrukturen darstellende konkave Vertiefungen eingeprägt sind.

Die einzelnen Linsenstrukturen können in hoher Packungsdichte mit allen geforderten Eigenschaften wie hohe Präzision und gute optische Oberfläche in Matrixform hergestellt werden, indem handelsübliche Miniatur-Bauteile verwendet werden. Das Abdrückverfahren eignet sich besonders gut zur Massenproduktion.

Die vorliegende Erfindung läßt sich in verschiedene Ausführungsformen realisieren. Die Anforderungen, die

man an die Phasenstrukturen zur Aufnahme von Punkthologranunen stellt, werden optimal erfüllt Zusätzlich zeichnen sich die Einzelelemente der Linsenmatrix durch ein hohes Auflösungsvermögen, d.h. eine gute Autokorrelation im μίτι-ΒεΓεΐοη, einen großen Öffnungswinkel und eine natürliche Strahlenbegrenzung durch Totalreflexion aus. Die Linsenmatrizen lassen sich in guter Reproduzierbarkeit, kleinen Abstandstoleranzen von Element zu Element und großer Packungsdichte herstellen. ι ο

Durch die Verwendung von billigen Bauteilen (wie z. B. Stahlkugeln bei der Prägung) können die Herstellungskosten wesentlich gesenkt werden. Diese Bauteile sind außerdem in solchen Abmessungen erhältlich, da3 eine Packungsdichte von ca. 10⁴ Elementen auf einem Feld von 50 χ 50 mm² erreichbar ist Durch die geringen Toleranzen (z. B. bei Stahlkugeln 40=0,1 μπι) wird die hohe Reproduzierbarkeit der Linsenstnikturen erreicht, die für eine gleichbleibende Autokorrelation notwendig ist. Außerdem haben diese Linsenstrukturen einen sehr großen Öffnungswinkel, so daß die volle Apertur des Hologramms ausgeleuchtet werden kann und deshalb das Auflösungsvermögen bei der Büdvervielfachung nicht verschlechtert wird.

Das mit den Linsenmatrizen (Matrizen) erreichbare Auflösungsvermögen ist vergleichbar bzw. besser als das der bereits bekannten Strukturen. Die einzelnen Linsenstrukturen sind so gearbeitet, daß die durch sie hindurchlaufenden Lichtstrahlen sehr große optische Weglängenunterschiede erleiden. Die Wellenfronten, welche zur Korrelation gelangen, haben dann kuf sehr kurze Distanzen (im Bereich von μπι) Phasenunterschiede (von π) und löschen sich bei der Interferenz gegenseitig aus. Die Halbwertsbreite der Autokorrelation liegt somit in der Größenordnung dieser Distanz. Bei fast allen Linsenstrukturen findet durch Totalreflexion eine natürliche, scharfe Begrenzung des Strahlenbündels statl. Dadurch wird das Streulicht wirkungsvoll ausgeblendet und eine gleichbleibende Autokorrelation garantiert

Eine Kugel-Kalotten-Matrix mit Plan-Konkav-Elementen wird durch Abdrücken von z. B. Stahlkugeln in optisch transparente Werkstoffe (z. B. Plexiglas, Glas) hergestellt

Fig. 1 zeigt eine solche Kugel-Kalotten-Matrix 1 in einem Aufbau zur Aufnahme von Punkthologrammen 2 mittels Laserlichtes L Um das Störlicht auszublenden, werden die Stege 3 zwischen den Kalotten 4 lichtundurchlässig abgedeckt.

F i g. 2 zeigt den Strahlenverlauf durch eine Kugel-Kalotte. Die ebene Welle L wird durch die in das Medium 1 mit dem Brechungsindex n>\ eingedrückte Kugel-Kalotte 4 in ein stark divergentes Lichtbündel 5 aufgeweitet Unter dem Winkel λ findet Totalreflexion statt, so daß das Lichtbündel 5 eine scharfe natürliche Begrenzung erfährt. Jede der Kalotten erzeugt ein derartiges Lichtbündel, welches dann jeweils mit der Referenzwelle, weiche durch eine einzige separat von der Matrix angebrachte Kugel-Kalotte gleicher Gestalt erzeugt wird, interferiert. Die Autokorrelation einer jeden dieser Interferenzen ; . timmt das Auflösungsvermögen bei der späteren Vervielfachung.

Für die Kugel-Kalotten wurde in einem Medium 1 von /7=1,5 (Plexiglas) und bei der Wellenlänge des Lichtes νοηλ=632,8 nm eine Halbwertsbreite //von ca. 0,8 μπι berechnet Dieser Wert ist unabhängig vom Kalottenradius. Durch Verwendung von Licht kürzerer Wellenlänge oder eines Mediums höheren Brechungsindexes kann die Halbwerisbreite der Autokorrelation verkleinert und damit das Auflösungsvermögen noch vergrößert werden. Man nähert sich dann dem prinzipiellen Auflösungsvermögen in der Licht-Optik. Bei der IC-Herstellung, bei der Punkthologramme zur Büdvervielfachung verwendet werden können, braucht man in naher Zukunft ein derartiges Auflösungsvermögen von ca. 500 Linienpaare/mm.

In F i g. 3 werden die Kugel-Kalotten 4 zusätzlich mit einem niedrig- bzw. höher brechenden Medium 6 gefüllt und mit einer planparallelen Platte 7 nach außen abgeschlossen. Durch die Wahl des Brechungsindex kann die Strahldivergenz verändert werden.

Bei kohärenter Beleuchtung verursachen bereits kleinste Staubteilchen störende Interferenzen. Wegen der leicht zu reinigenden ebenen Außenflächen eignet sich diese Komponente besonders gut zur Ausleuchtung von optischen Datenspeichern (Hologramm-Speicher). Hier müssen Bildstörungen unbedingt verhindert werden, da sich diese Fehler stellenweise durch konstruktive Interferenz zu Helligkeitswerten aufsummieren können, die dem eigentlichen Bildsignal entsprechen und dann eine Unterscheidung durch Amplitudendiskriminierung nicht mehr möglich ist

Die zur Herstellung verwendeten Stahlkugeln (Präzisionsstahlkugeln) werden in Abmessungen geliefert, die eine Packungsdichte von ca. 10⁴ Elementen auf einem Feld von 50 χ 50 mm² möglich machen. (Bei 0,5 mm Kugel-Durchmesser 10⁴ Elemente.) Die geringen Toleranzen bei Stahlkugeln (Rundheit 0,10 μίτι, 40±Ο,1Ομΐη) gewährleisten die sehr hohe Reproduzierbarkeit, die notwendig ist, um eine gleichbleibende Autokorrelation (Auflösungsvermögen, Helligkeit) und um genaue Bildabstände zu erreichen. Letzteres ist sehr wichtig, z. B. bei Silikon-Vidikonmasken, bei denen auf einem Feld von ca. 25 mm χ 25 mm etwa 10⁶ kreisrunde Löcher mit einer Abstandstoleranz kleiner als 0,25 μπι angeordnet werden müssen. Dies kann man unter Verwendung dieser Matrizen mit der holographischen Büdvervielfachung erreichen. Die Oberflächenbeschaffenheit der gepreßten Kugel-Kalotten ist meistens ausreichend. Für spezielle Anwendungen z. B. für Matrizen für Hologrammspeicher, können die handelsüblichen Stahlkugeln nachpoliert und sortiert werden. Die Herstellungskosten werden dadurch nur unwesentlich verteuert. Wenn keine großen Anforderungen an den Kalottenabstand gestellt werden, können Einzelmatrizen zu größeren Einheiten zusammengebaut werden. Dadurch können die Herstellungskosten wesentlich verringert werden. Außerdem haben die Kugel-Kalotten einen sehr großen öffnungswinkel, so daß die volle Apertur des Hologramms ausgeleuchtet werden kann und deshalb das Auflösungsvermögen speziell bei der holographischen Büdvervielfachung nicht verschlechtert wird.

Zur Herstellung einer Kugel-Kalotten-Matrix werden gehärtete Stahlkugeln zwischen 0,5 und 3 mm 0 verwendet. Die Art der Anordnung der Kugeln ist abhängig von der Bildanordnung bei der späteren holographischen Bildvervieifachung. Um die hohe Meßgenauigkeit der Stahlkugeln auszunutzen, werden die Kugeln 8 in einer Vorrichtung Kugel an Kugel aufgereiht (für die IC-Bildvervielfachung) bzw. in dichtester Kugelpackung (z. B. für die Silikon-Vidikonmaske) einsortiert und anschließend auf einem Prägestempel 9 nach F i g. 4 befestigt, z. B. weichgelötet. Wenn größere Toleranzen im Bildabstand (z. B. IC-Herstellung) zulässig sind, werden die Kugeln 8

besser nach Fig.5 in einem Käfigblech 10 mit Paßbohrungen gegen eine Andruckplatte 11 eingedrückt. Diese Befestigungsmöglichkeit ist auch bei kleineren Kugeln unter 1 mm 0 besonders vorteilhaft. (Keine Verschmutzung der Kugeloberfläche z. B. durch Lötzinn.)

Die Kunststoffplatte 1 (z. B. Plexiglas schlieren- und blasenfrei) und der Kugel-Prägestempel 9 werden in einer Vorrichtung gleichmäßig erwärmt. Für eine plastische Verformung ist bei den meisten Kunststoffen eine Temperatur von ca. 120°C ausreichend. Wenn die Temperatur erreicht ist, wird der Prägestempel 9 in den erweichten Kunststoff eingedrückt. Wegen der vorhandenen Totalreflexion an den Kugel-Kalotten ist bei einem Brechungsindex von i?=l,5 nur eine max. Eindrücktiefe von 0,3 mal Kugeldurchmesser notwendig (F ig· 2).

Nach dem Preßvorgang werden die entstehenden Materialaufwerfungen an den Kalotten abgeschliffen und die Stege 3 zwischen den Kalotten 4 nach F i g. 1 lichtundurchlässig abgedeckt, z. B. wird Farbe durch Walzen aufgetragen.

Bei einem abgewandelten Verfahren können statt der Stahlkugeln polierte Rundstahlstäbe, Lagernadeln oder Meßdorne (Δ0 = ±0,2 μΐη) verwendet werden, so daß Plankonlcav-Zylinderlinsen entstehen. Die Genauigkeit und die Oberflächenqualität kann durch nachträgliches Nachschleifen und Aussortieren weiter verbessert werden. In F i g. 6 ist ein Ausschnitt aus einer gepreßten Zylinder-Rillen-Matrix gezeigt. Zwei derartige Matrizen 4' werden kreuzweise zu einer Matrix zusammengebaut, wodurch einzeln abgegrenzte Linsenelemente entstehen. Diese Matrix-Anordnung hat gegenüber der Kugel-Kalotten-Matrix zusätzlich den Vorteil, daß sie

ίο sehr billig ist, da die Herstellung des Prägestempels sehr einfach ist. Demzufolge können auch sehr große Matrizen (100 χ 100 mm²) hergestellt werden, wie sie für optische Datenspeicher gebraucht werden.

Zur Herstellung der Zylinder-Rillen-Matrix werden die Rundstäbe lückenlos aneinander gereiht und auf einem Prägestempel befestigt, z. B. geklemmt. Das Pressen der Matrix (z. B. Plexiglas) erfolgt wie bei den Kugel-Kalotten. Die Eindrücktiefe ist so groß wie bei den Kugeln. Das beim Pressen aufgeworfene Material wird abgeschliffen, und die Stege werden zwischen den Rillen 4' lichtundurchlässig abgedeckt

Die Kugel-Kalotten-Matrix sowie die Zylinder-Rillen-Matrix können auch im Abguß- bzw. Spritzgußverfahren hergestellt werden. Die Herstellung der Form unterscheidet sich nur wenig von der des Prägestempels.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Miniaturisierte Linsenmatrix, bestehend aus einer Vielzahl von gleich großen, in wenigstens einer Ebene rasterförmig angeordneten und optisch transparenten Linsenstrukturen, die mittels einer starren Tragplatte positioniert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragplatte (1) aus einem optisch transparenten Material besteht, in deren eine Seite Linsenstrukturen darstellende konkave Vertiefungen eingeprägt sind.

2. Miniaturisierte Linsenmatrix nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen kalottenartig sind.

3. Miniaturisierte Linsenmatrix nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die k,*lottenartigen Einprägungen (4) mit einem optisch geeigneten Medium (6) gefüllt sind, dessen Berechnungsindex größer bzw. kleiner ist als der der Tragplatte (1), und daß die kalottenartigen Einprägungen zusätzlich mit einer planparallelen Platte (7) abgedeckt sind.

4. Miniaturisierte Linsenmatrix nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Tragplatte (1) eingeprägten konkaven Vertiefungen zylinderartige Rillen (4') sind.

5. Miniaturisierte Linsenmatrix nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Tragplatten (1) mit sich kreuzenden zylinderartigen Rillen (4') aufeinander liegen.

6. Miniaturisierte Linsenmatrix nach Anspruch 1, oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen zwischen den Linsenstrukturen lichtundurchlässig abgedeckt sind.

7. Verfahren zur Herstellung miniaturisierter Linsenmatrizen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß gehärtete Stahlkugeln (8) Kugel an Kugel aufgereiht oder einsortiert und auf einem Prägestempel (9) befestigt werden, der in eine optisch transparente Tragplatte (1) bei gleichmäßiger Erwärmung von Prägestempel und Platte gedrückt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlkugeln (8) in einem Käfigblech (10) mit Paßbohrungen eingesetzt und gegen eine Andruckplatte (11) eingedrückt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß Rundstahlstäbe auf dem Prägestempel (9) befestigt werden.

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