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Verfahren zum Aufzeichnen von Hologrammen
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3 e s c h ; e i b u n g Photothermoplastische Materialien sind photoleitfähige
thermoplastische Medien, auf denen Hologramme als Oberflächendeformationen aufgezeichnet
werden. Die Materialien werden durch eine Koronaentladung zu einem positiven oder
negativen Potential sensibilisiert, einer sichtbaren Strahlung ausgesetzt und durch
Erhitzen auf die Fließtemperatur entwickelt.
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Elektrostatische Kräfte erzeugen Deformationen, die proportional der
Lichtintensität sind, welche beim Belichten angewendet wird. Ein stabiles Hologramm
bildet sich, wenn das photothermoplastische Material abgekühlt wird, bevor die Oberflächenspannung
der Kunststoffschicht die ursprüngliche glatte Oberfläche wieder herstellt. Das
Hologramm kann ausgelöscht werden, indem die thermoplastische Schicht über den Erweichungspunkt
hinaus erhitzt wird. Die ursprüngliche glatte Oberfläche wird wieder hergestellt
und die Materialien sind für einen neuen Aufzeichnungszyklus bereit.
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Die wesentlichen Merkmale von photothermoplastischen lEsterialien,
die sie für allgemeine holographische Anwendungszwecke sehr attraktiv machen, sind:
(1) Lesen-Schreiben-Löschen-Fähigkeiten; (2) eine in situ erfolgende Aufzeichnung,
Entwicklung und Auslesung und (3) ein praktisch Realzeit-Aufzeichnungszyklus (typischerweise
weniger als 3 sec). Weitere attraktive Merkmale sind z.B. relativ hohe Belichtungsempfindlichkeiten
und eine panchromatische Antwort.
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Bei der Aufzeichnung mit solchen photothermoplastischen Materialien
erfolgt die Bildung von Reif (Frost) auf der Oberfläche der thermoplastischen Schicht.
Bislang wurde dieser Reif als eigener Teil der Aufzeichnung angesehen und willkürlichen
Oberflächenfalten zugeschrieben, die spontan in Gegenden genügend hoher Ladungsdichte
auftreten. Bei der Aufzeichnung einer holographischen Information bewirken diese
willkürlichen
Oberflächenstörungen eine zu starke Lichtstreuung die zu relativ schlechten Geräuscheigenschaften
und zu einem Energieverlust führt. Bei einer anderen Aufzeichnungsanwendung, beispielsweise
der xerographischen Abbildung (vgl. R.W.
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Gundlack und C.J. Claus "A Cyclic Xerographic Methan Based on Frost
Deformation", Phot. Sci. Eng., 7, 14 (1963)), ist der Reif ein inhärenter Teil der
Abbildungstechnik. Bei einer solchen Abbildungsanwendung hängt die Menge bzw. das
Ausmaß des Reifs von der Ladungsdichte ab, die im allgemeinen relativ schwierig
und umständlich zu kontrollieren ist.
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Durch die Erfindung wird nun ein photothermoplastisches System für
holographische Realzeit-in situ- und Abbildungsanwendungen zur Verfügung gestellt,
bei dem das Reifphänomen leicht kontrolliert und ge£nschtenfalls im wesentlichen
eliminiert werden kann.
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Die Aufzeichnungsmechanismen von photothermoplastischen Vorrichtungen
sind in der Literatur schon in Einzelheiten beschrieben worden, z.B. in folgenden
Literaturstellen: 1. J.C. Urbach und R.W. Meier "Thermoplastic xerographic holography",
Appl. Opt. 5, 666 (1966); 2. J.H. Lin und M.L. Beauchamp "Write-read-erase in situ
optical memory using thermoplastic hologram", Appl.
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Opt. 9, 2088 (1970); 3. T.C. Lee Holographic recording on thermoplastic
films, Appl. Opt. 13, 888 (1974).
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Hierin werden daher nur die grundlegenden Merkmale solcher Vorrichtungen
und Verfahren beschrieben.
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Die Merkmale einer Vorrichtung, die für das erfindungsgemä-Be Verfahren
verwendet werden kann, werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen,
die nicht maßstabgerecht sind, erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Darstellung einer
photothermoplastischen Aufzeichnungsvorrichtung in teilweiser Querschnittsseitenansicht;
Fig. 2 (a) bis (d) in schematischer Weise das Verfahren der Aufzeichnung und des
Loschens der Information durch eine solche Vorrichtung.
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Figur 1 zeigt eine Struktur, die leicht hergestellt werden kann. Das
Substrat 11 kann ein optisches Glas oder ein anderes Material sein, auf dem ein
dünner Film eines transparenten Leiters 12 (im allgemeinen Zinnoxid oder Indiumoxid)
abgeschieden worden ist. Die leitfähige Schicht wird zum elektrischen Erhitzen und
auch als Erdungsplatte für die Ladungen verwendet, die auf der Oberfläche des thermoplastischen
Materials abgeschieden werden. Eine Schicht 13 eines organischen Photoleiters wird
sodann auf den transparenten Leiter aufgeschichtet. Die Spitzenschicht 14 besteht
aus einer deformierbaren thermoplastischen Schicht. Das photoleitfähige Material
13 in einer Vorrichtung gemäß der Erz in dung war Poly-n-vinylcarbazol (PVK), das
mit Trinitrofluorenon (TNF) sensibilisiert war. Die Dicke dieser Schicht betrug
etwa 2 pm. Die thermoplastische Schicht 14 bestand aus Polystyrol, wobei die Schichtdicke
etwa 0,5 P m betrug.
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Das Hologramm wird in dem photothermoplastischen Material in Form
von Oberflächendeformationen aufgezeichnet, welche den räumlichen Variationen des
Aussetzungs- bzw. Belichtungsmusters entsprechen. Nachstehend wird der Aufzeichnungsprozeß
anhand der Figuren 2 (a) bis (c) erläutert. Er besteht aus drei Grundstufen: 1)
Das Aufzeichnungsmedium wird (im Dunkeln) zu einem gleichförmigen Potential durch
eine Koronaentladungsvorrichtung aufgeladen; 2) das Medium wird Licht ausgesetzt,
wodurch eine Variierung des Ladungsmusters auf dem Photoleiter bewirkt wird, welche
der Variierung der Belichtung entspricht, und es wird in denjenigen Bereichen wieder
aufgeladen, wo das Belichten das elektrostatische Oberflächenpotential verändert
hat; 3) das Medium wird entwickelt, indem seine Temperatur auf nahe den Plastizitätspunkt
erhöht wird und indem sodann rasch die Temperatur auf Umgebungstemperatur vermindert
wird, wodurch Oberflächendeformationen entstehen, die der Lichtintensität proportional
sind; 4) gewünschtenfalls kann die Aufzeichnung gelöscht werden, indem die Temperatur
nahe an den Schmelzpunkt der Schicht 14 erhöht wird, um die Oberflächendeformationen
auszugleichen.
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Zusätzlich zu der gewünschten holographischen Oberflächendeformation
wird üblicherweise eine willkürliche Deformation erzeugt, die normalerweise als
"Reif" bzw. "Frost" bezeichnet wird. Diese willkürliche Deformation wird in der
Literatur
als inhärenter Teil des holographischen Prozesses in der photothermoplastischen
Vorrichtung beschrieben (vgl.
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Cressman "J. App. Phys.", 34, 2327 (1963)). Wie bereits oben ausgeführt
wurde, begrenzt dieser Reif bzw. dieser Frost das Signal-zu-Geräusch-Verhältnis
(SNR) der holographisch rekonstruierten Bilder in erheblicher Weise. Für einfache
holographische Raster bzw. Gitter wird der SNR-Wert als die Energie des Lichts definiert,
die in der ersten Ordnung gegenüber der Gesamtenergie des gestreuten Lichts von
dem Hologramm gestreut wird.
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Gemäß der Erfindung kann das sogenannte Reifphänomen fast vollständig
eliminiert werden. Andererseits kann es gewünschtenfalls innerhalb eines vorgewählten
Bereiches kontrolliert werden.
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Überraschenderweise wurde nämlich festgestellt, daß das Reifphänomen
vermieden werden kann, wenn man ein Monokomponentenpolymeres mit einer sehr scharf
definierten Molekulargewichtsverteilung für die thermoplastische Schicht verwendet.
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Um eine reiflose photothermoplastische holographische Aufzeichnung
zu gewährleisten, wurde festgestellt, daß die Molekulargewichtsverteilung niedriger
als 1,2 und vorzugsweise weniger als 1,08 sein muß.
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Darin bedeutet Mn das zahlendurchschnittliche Molekulargewicht und
Mw das gewichtsdurchschnittliche Molekulargewicht.
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Aus den nachstehenden Beispielen 5 und 6 wird ersichtlich, daß eine
genaue Kenntnis der Verteilung der Molekulargewichte in der thermoplastischen Schicht
von polydispersen Systemen einen Ansatz für eine exakte Kontrolle des Grads und
der charakteristischen Größe des Reifs ergibt. Die Erfindung bezieht sich daher
auch auf ein xerographisches Verfahren, wenn immer die Reifmethode als Abbildungsverfahren
verwendet wird (vgl. z.B. Claus et al "Xerography", The Focal Press, 1965, Kapitel
XIII, Seite 375).
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Beispiel 1 Polystyrol mit einem MG von 900 und % = 1,01 wurde in spek-Mn
troskopisch reinem Tetrachlorkohlenstoff aufgelöst (5 gew.-%ige Lösung). Diese Lösung
wurde sodann auf die Photoleiterschicht durch Tauchbeschichten aufgebracht, um als
thermoplastische Schicht der in Figur 1 gezeigten photothermoplastischen Vorrichtung
zu dienen (es können auch andere Beschichtungstechniken, z.B. ein Drehbeschichten,
Walzenbeschichten etc., mit vergleichbaren Ergebnissen verwendet werden). Die Dicke
der thermoplastischen Schicht betrug 0,5 P m. Das Tetrachlorkohlenstofflösungsmittel
wurde von der obigen Schicht abgedampft, indem die gesamte Vorrichtung 24 h lang
in einem evakuierten Ofen auf 700C erhitzt wurde. Ein einfaches holographisches
Gitter bzw. Raster wurde auf der Vorrichtung aufgezeichnet. Das gemessene gestreute
Geräusch betrug etwa 0,5S/o des einfallenden Strahls. Das gesamte Verfahren wurde
mit einem handelsüblichen, weichgemachten Polystyrol, z.B.
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Piccolastic (A75), wiederholt. Das gestreute Geräusch mit diesem Material
betrug huber 30% des einfallenden Bündels -d.h. war signifikant größer als bei dem
monodispergierten Polystyrol.
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Beispiel 2 Polystyrol mit einem 4G von 2200 und C 5 1,06 wurde in
spektroskopisch reinem Tetrachlorkohlenstoff aufgelöst (5 gew. -%ige Lösung). Diese
Lösung wurde sodann durch eine Tauchbeschichtungstechnik auf die Photoleiterschicht
aufgeschichtet, um als thermoplastische Schicht der in Figur 1 gezeigten photothermoplastischen
Vorrichtung zu dienen. Die Dicke der thermoplastischen Schicht betrug 0,4 pm, Das
Tetrachlorkohlenstofflösungsmittel wurde von der obigen Schicht abgedampft, indem
die ganze Vorrichtung 24 h lang in einem evakuierten Ofen bei 700C erhitzt wurde.
Ein einfaches holographisches Gitter bzw. Raster mit 800 Linienjmm wurde auf der
Vorrichtung aufgezeichnet.
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Die Beugungswirksamkeit, die als Energie, welche in der ersten Ordnung
gestreut wird, zu der einfallenden Energie definiert ist, des Gitters bzw. Rasters
betrug 12%. Das gemessene gestreute Geräusch betrug etwa 0,5% des einfallenden BUndels.
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Beispiel 3 Polystyrol mit einem MG von 9000 und Mw< 1,10 wurde
als Mn thermoplastische Schicht nach der Arbeitsweise der Beispiele 1 und 2 hergestellt.
Ein einfaches holographisches Gitter bzw. Raster mit 800 Llnien/mm wurde auf der
photothermoplastischen Vorrichtung aufgezeichnet, wobei eine Beugungsleistung von
10X gezeigt wurde. Das gemessene gestreute Geräusch betrug etwa 0,5X des einfallenden
BUndels.
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Beispiel 4 Polystyrol mit einem NG von 40000 und < 1,1 wurde als
thermoplastische Schicht nach der Verfahrensweise der Beispiele 1 und 2 hergestellt.
Ein einfaches holographisches Gitter bzw. Raster mit 800 Linien/mm wurde auf der
thermoplastischen Vorrichtung aufgezeichnet, wobei eine Beugungsleistung von 2%
und ein gemessenes gestreutes Geräusch von etwa 1% gezeigt wurde.
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Beispiel 5 3 Gewichtsteile Polystyrol mit einem MG von 9000 und Mw
<1,10 und 7 Gewichtsteile Polystyrol mit einem MG von Mn Mw 2200 und <1,06
wurden in spektroskopisch reinem Tetra-Mn chlorkohlenstoff zu einer 5 gew.-%igen
Lösung von Polystyrol in CCl4 aufgelöst. Diese Lösung wurde sodann nach einer Tauchbeschichtungstechnik
auf die Photoleiterschicht der photothermoplastischen Vorrichtung aufgeschichtet.
Die Dikke der thermoplastischen Schicht betrug 0,4 P m. Ein einziges holographisches
Gitter bzw. Raster mit 800 Linien/mm und einer Beugungsleistung von 10% wurde auf
der photothermoplastischen Vorrichtung aufgezeichnet. Das gemessene gestreute Geräusch
betrug etwa 30% des einfallenden Bündels.
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Beispiel 6 Es wurde wie im Beispiel 5 verfahren, wobei jedoch ein
Gewichtsverhältnis von:
Polystyrol mit einen MG von 9000 2 Polystyrol
mit einem MG von 2200 10 angewendet wurde. Die gemessene Beugungsleistung betrug
10% und das gestreute Geräusch ungefähr 5,'.
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Ende der Beschreibung.
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L e e r s e i t e