DE2759957C2

DE2759957C2 - Aufzeichnungsträger mit einer Phasenbeugungsgitterstruktur zum Projizieren eines Grauwerte enthaltenden monochromen Bildes

Info

Publication number: DE2759957C2
Application number: DE2759957A
Authority: DE
Inventors: Michael Thomas 8135 Gattikon Gale
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1976-01-19
Filing date: 1977-01-19
Publication date: 1984-05-24
Also published as: CH618795A5; SE7700243L; GB1538342A; SE8300616L; BE850500A; AU504976B2; NL175763C; FR2338503B1; SE442681B; US4062628A; NL175763B; NL8301985A; FR2338503A1; SE8300616D0; CH614054A5; NL7700486A; JPS5530607B2; JPS5290959A; AU2133477A; CA1071447A

Description

ferner einen solchen Strichabstand, daß durch die io zeichnungslräger mit der beugenden Struktur mit wei-

Apertur eines Projektionsobjektivs eine Trennung des gebeugten Lichts nullter Ordnung vom gebeugten Licht aller höheren Ordnungen erfolgt und eine von Spitze zu Spitze gerechnete optische Amplitude solchen Wertes, daß ein Minimum des spektralen Transmissionsgrades in der nullten Ordnung im sichtbaren Spektralbereich auftritt, aufweist, und wobei jede Weiß darstellende Teilfläche eine im wesentlichen nichtbeugende Struktur hat, dadurch Bern Licht beleuchtet und nur das Ausgangslicht nullter Ordnung auf einem Bildschirm abgebildet wird. Der größte Teil des beleuchtenden Lichtes, der auf die schwarzen Punkten entsprechenden Bereiche des Auf- > zeichnungslrägers fällt, wird nämlich in höhere Ordnungen gebeugt, so daß ein kleiner Teil des den schwarzen Punkten entsprechenden beleuchtenden Lichtes in dem auf den Bildschirm abgebildeten Licht nullter Ordnung vorhanden ist Daher weisen diese »schwarzes.« Punkte

gekennzeichnet, daß Bereiche, die einen 20 eine geringe Helligkeit auf und erscheinen im Bild prak-Grauwer darstellen, jeweils eine Mischung aus tisch schwarz. Das beleuchtende Licht, d3s auf weißen Schwarz darstellenden Teilfiächen und Weiß dar- Punkten entsprechende Bereiche des Aufzeichnungsträstellenden Teilfiächen enthalten und eine Helligkeit gers fällt, die keine beugende Struktur enthalten, durchaufweisen, die durch das Verhältnis der von den setzt den Aufzeichnungsträger dagegen ungebeugt und Schwarz darstellenden Teilflächen zu den von den 25 verbleibt daher praktisch vollständig in der nullten Ord-Weiß darstellenden Teilflächen des betreffenden Be- nung. Daher weisen diese Punkte eine hohe Helligkeit

auf und erscheinen im Bild weiß. Von anderen Bereichen der beugenden Struktur, in denen die Gitteramplitude irgendwelche Zwischenwerte entsprechend zugehöri-

reiches eingenommenen Flächen bestimmt ist, und daß die jeweiligen Ausdehnungen der Schwarz darstellenden Teilfiächen der Graubereiche einerseits

groß gegenüber dem Gitterlinien abstand, aber an- 30 gen Grauwerten hat, werden mehr oder weniger große

dererseits so klein sind, daß sie in einem aus dem Licht der nullten Beugungsordnung erzeugten Bild praktisch nicht auflösbar sind

2. Aufzeichnungsträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tnasenbeugungsgitterstruktur ein Reliefmuster in dem aus einem im wesentlichen transparenten Medium bestehenden Aufzeichnungsträger bildet.

Beträge des beleuchtenden Lichtes, die größer sind als bei den weißen Punkten, aber niedriger als bei den schwarzen Punkten, durch Beugung von der nullten Ordnung subtrahiert und in höhere Ordnungen gebeugt.

Die Helligkeit solcher Punkte hat daher Zwischenwerte und die betreffenden Punkte erscheinen im Bild grau.

Der Kontrast eines Schwarz-Weiß-Bildes, welches man mit einer beugenden Struktur des in der US-PS 37 32 363 beschriebenen Typs bei Verwendung eines optischen Projektors erzielen kam,, hängt vom Verhältnis zwischen der relativ niedrigen Helligkeit eines »schwarzen« Bildpunktes und der relativ hohen Helligkeit eines »weißen« Bildpunktes ab. Mit einem einzigen amplitudenmodulierten Beugungsgitter mit sinusförmigern Profil, wie es in der obenerwähnten US-Patentschrift beschrieben ist, läßt sich jedoch kein besonders hoher Kontrast erreichen. In der Veröffentlichung von C. S. lh »Transmission Characteristics of Sinusoidal Phase Gratings« 1973, Annual Meeting of the Optical

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aufzeichnungsträger gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der US-PS 29 85 866 ist ein Aufzeichnungsträger zum Projizieren eines Bildes bekannt, welcher eine thermoplastische Schicht enthält, deren Oberfläche bei der Aufzeichnung der Information verformt wird, so daß sie

ein Beugungsgitter in Form eines Reliefmusters bildet. 50 Society of America. Rochester, New York, ist es be-Die Wiedergabe eines auf einem solchen Aufzeich- kannt, daß der Kontrast in der nullten Beugungsordnungsträger aufgezeichneten Bildes erfolgt mittels eines nung bei der Rekonstruktion eines Bildes mittels eines Phasenkontrastobjektivs. optischen Projektors verbessert werden kann, wenn

Aus der US-PS 37 32 363 ist eine Einrichtung zur Auf- man mehrere Beugungsgitter mit sinusförmigem Lizeichnung und Wiedergabe von Informationen bekannt, 55 nienprofil einander überlagert.

die eine Lichtpunktabtaster-Kathodenstrahlröhre, eine In der DE-PS 26 02 790 ist ein Verfahren zur subtrak-

Photozelle. eine Optik zur Abbildung eines auf dem tiven Farbfiltcrung durch Ausnutzung von Beugungser-Bildschirm der Kathodenstrahlröhre erzeugten Licht- scheinungen vorgeschlagen worden, bei dem der von

einer beugenden Struktur ir· höhere Ordnungen gebO beugte Anteil von einfallendem Licht eine allein von der speziellen Gestalt des Profils, der Bcugungsstruktur und von der optischen, von Spitze zu Spitze gerechneten Amplitude des Profils der Beugungsstruktur abhangige Funktion ist. (Die von Spitze zu Spitze gerechnete Amh¹"» plitude des Gilterprofils ist die körperliche Amplitude multipliziert mit der Differenz zwischen dem Bre-

punktes auf die Photozelle und einen im Strahlengang

zwischen der Kathodenstrahlröhre und der Photozelle angeordneten Aufzeichnungsträger enthält, der aus einem einzigen, transparenten Phasenbeugungsgittcr mit vorgegebenem Linienabstand und sinusförmigem, amplitudenmodiilicricm Linienprofil besteht, welches als Reliefmuster in die Oberfläche einer transparenten thermoplastischen Folie eingeprägt sein kann. Die Amplitude des sinusförmigen Beugungsgitters ändert sich von Punkt zu Punkt entsprechend der aufgezeichneten chuiifTsindex der Bcugungsstruktur und dem Brechungsindex des umgebenden Mediums).

In dem oben erwähnten Vorschlag werden u. a. sinusförmige Gitterprofile diskutiert, und es wird nachgewiesen, daß ein sinusförmiges Gitterprofil im Vergleich zu einem rechteckwellenförmigen Profil eine relativ kleine Wellenlängenselektivität hat. Mit einem Sinusprofil ist es daher möglich, eine solche optische Amplitude zu wählen, daß im wesentlichen das gesamte einfallende Licht irgendeiner gegebenen Wellenlänge in der Mitte des sichtbaren Spektrums (d. h. irgendwo im Grün-Bereich) in die höheren Beugungsordnungen gebeugt und gleichzeitig auch noch eine beträchtliche, aber relativ kleine Menge des einfallenden Lichtes aus den beiden entgegengesetzten Enden des sichtbaren Spektrums (d. h. aus dem roten und /iem blauen Spektralbereich) in die höheren Ordnungen gebeugt wird. Daher ist die Farbe des in der nullten Beugungsordnung verbleibenden Lichts, selbst wenn seine Helligkeit ein relatives Minimum hat, nicht ein neutrales Schwarzes oder ein neutrales dunkles Grau, sondern in Wirlichkeit ein dunkel getöntes Magenta. Der Grund hierfür liegt darin, daß die relative intensität des noch in der abgebildeten nullten Beugungsordnung verbleibenden Lichts sowohl in den roten als auch in den blauen Teilen des sichtbaren Spektrums wesentlich größer ist als im grünen Teil des sichtbaren Spektrums.

Außerdem ist in der Grauskala, die man mit dem Verfahren gemäß der US-PS 37 32 363 erhält, der Farbton des Lichts der nullten Beugungsordnung nicht konstant, sondern unterschiedlich, weil sich die Wellenlängenbzw, die Farbselektierungseigenschaften eines sinusförmigen Beugungsgitters als Funktion der Amplitude ändern. Wenn also Schwarz in Wirklichkeit als dunkel getöntes Magenta erscheint, erscheint »Hellgrau« als relativ heller Ton irgendeiner anderen Farbe. Mit der beugenden Struktur gemäß der US-PS 37 32 363 ist es daher nicht möglich, bei der Bildwiedergabe mittels eines optischen Projektors ein praktisch neutrales Schwarz-Weiß-Bild zu erzeugen. Bei der Wiedergabeeinrichtung, die eine Lichtpunktabtaster-Kathodenstrahlröhre und eine Phou :elle enthält, ist dies auch nicht nötig, da das Licht der nullten Ordnung durch die nichtfarbselektive Photozelle in ein Schwarz-Weiß-Fernsehsignal oder in ein schwarzweißcodiertes Farbfernsehsignal umgesetzt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es. einen Aufzeichnungsträger de' eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß er eine Darstellung von Schwarz-Wciß-Bildern mit einer von der Helligkeit im wesentlichen unabhängigen neutralen Graiiskala ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch einen Aufzeichnungsträger der eingangs genannten Art mit den kennzeichnen den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung dieses Aufzeichnungsträgers ist Gegenstand des Unteranspruchs.

Bei dem vorliegenden Aufzeichnungsträger kann die Helligkeit der Grau-Bereiche entsprechend den Grauwerten der zugehörigen Bildbereiche unabhängig von der Helligkeit jeder Teilfläche gewählt werden, und man kann einen Grauwert zwischen den Tonwerten der Weiß darstellenden und der Schwarz darstellenden Teilflächen ohne Rücksicht auf die von den jeweiligen Schwarz darstellenden Teilflächen erzeugte spezifische Helligkeit einstellen.

Im folgenden werden Ausfiihrungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schemr.i sch einen Projektor, der bei Verwendung mit dem vorliegenden Aufzeichnungsträger nur das Licht auf einen Bildschirm projiziert, welches von einer Oberflächenrelief-Bcugungsstruklur des transparenten Aufzeichnungsträgers in der nullten Ordnung durchgelassen wird;

Fig.2 zeigt in einer graphischen Darstellung den Transmissionsgrad (Durchlaßgrad) der 0. Beugungsordnung für sichtbares Licht als Funktion der Wellenlänge bei einem einzigen sinuswellcnförmigen Gitter, welches eine derartige optische Spitzc-Spitze-Amplitude hat, ίο daß der Transmissionsgrad der 0. Beugungsordnung für Licht einer nahe der Mitte des sichtbaren Spektrums liegenden Wellenlänge sein Minimum hat;

F i g. 3a, 3b, 3c und 3d zeigen die Ausbildung von Bereichen einer Phasenbeugungsgitterstruktur zur Darstellung von Weiß, bzw. Hellgrau bzw. Dunkelgrau bzw. Schwarz;

Fig.4zeigt in einer CIE-Farbtafel die farbmetrischen Werte des Lichts, welches von zwei sinusförmigen Gittern, die zueinander um 90" winkelversetzt sind und beide diestlbe optische Spitze-Spitze-Amplitude haben, in die nullte Ordnung durchgelassen vird;

F i g. 5a zeigt den Transmissionsgrad rls Funktion der Wellenlänge über das sichtbare Spektrum für zwei Sinusgitter mit zwei unterschiedlichen vorbestimmten optischen Spitze-Spitze-Amplituden;

F i g 5b zeigt die Kurve des Durchlaßgrades einer Phasenbeugungsgitterstruktur. welche aus zwei einander überlagerten Sinusgittern besteht, die zueinander um 90° winkelversetzt sind und vorbestimmte unterjo schiedliche optische Spitze-Spitze-Ainplituden gemäß Fig. 5aaufweisen;

F i g. 6 zeigt in einer graphischen Darstellung das Maß der Abtragung eines Photoresists (Photolack) als Funktion der Belichtung für zwei unterschiedliche Arten der Entwicklung des Photoresists.

Die beim vorliegenden Aufzeichnungsträger verwendeten beugenden Strukturen sind vom Typ der sogenannten Phasengitter (d. h. sie bewirken eine räumlich periodische Änderung der Phase des einfallenden Lichts) im Unterschied zu den sogenannten Absorptions- oder Amplitudengittern (bei denen die Amplitude der einfallenden Strahlung eine räumliche periodische Änderung durch mehr oder weniger starke Absorption erfährt). Im Prinzip können die notwendigen Phasenunterschiede zur Bildung von beugende" Phasengittern erreicht werden durch:

I. eine gemäß dem gewünschten Giltermuster reflektierende Struktur oder

2. eine dem gewünschten Giltermustcr entsprechende Änderung im Brechungsindex eines lichtdurchlässigen Mediums oder

3. ein dem gewünschten Giltermuster entsprechendes Reliefmuster in der Oberfläche eines lichtdurchlässigen Mediums, welches einen im wesentlichen gleichmäßigen, sich von der Umgebung unterschiedenden Brechungsindex hat, oder

4. irgend eine Kombination mancher oder aller der vorstehend/enannten phasenbeeinflussenden Beugungvstrukturen.

Für den vorliegenden Zweck eignet sich jedoch jene Ausführungsform eines Phasengitters am besten, bei der sich ein Reliefmuster in der Oberfläche eines strahlungsdurchlässigen Meo;>ims mit im wesentlichen gleichmäßigen Brechungsindex befindet, der sich vom Brechungsindex des umgebenden Mediums unterscheidet. Diese Ausfünrungsform hat nämlich den Vorteil, daß sie

auf billige Weise durch Warmpressen eines im wesentlichen transparenten plastischen Materials reproduziert bzw. vervielfältigt werden kann und daß die Wiedergabe der darin enthaltenen Information mit Hilfe normaler Projektoren und Betrachtungsgeräte erfolgen kann. Daher wird bei der nachstehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung davon ausgegangen, daß die beugende Struktur ein in die Oberfläche eines strahlungsdurchlässigen Mediums eingeprägtes Reliefmuster ist, wobei dieses Medium einen im wesentlichen gleichmäßigen Brechungsindex hat, der größer ist als der Brechungsindex der umgebenden Luft. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Prinzipien der vorliegenden Erfindung genausogut für andere Typen von Phasengittern gelten, wie sie oben beschrieben wurden.

Die F i g. 1 zeigt schematisch ein typisches Beispiel für einen Projektor, der nur das in die 0. Ordnung durchgelassene Ausgangslicht einer als beugendes subtruktivcs Kilter wirkenden beugenden Struktur eines Aufzeichnungsträgers 100 auf einen Schirm projiziert. Der Aufzeichnungsträger 100 besteht vorzugsweise aus einem Blatt transparenten Materials (z. B. geprägter Kunststoff) mit einem im wesentlichen gleichmäßigen vorbestimmten Brechungsindex, der sich vom Brechungsindex der Umgebung (z. B. Luft) unterscheidet. Das Blatt hat auf seiner Oberfläche ein Reliefmuster aus räumlich verteilten Beugungselementen. Jedes Beugungselement hat eine bestimmte Profilgestalt und eine bestimmte optische Spitze-Spiize-Amplitude. wie es weiter unten ausführlicher erläutert werden wird.

Der Aufzeichnungsträger 100 wird mit vielfarbigem Licht aus einer Quelle beleuchtet, die vorzugsweise einen Glühfaden 102 aufweist, der breitbandiges weißes Licht aussendet. Die Breite (d. h. der Durchmesser oder die größte Querschnittsausdehnung) des Glühfadens 102 sei gleich D. wie es in F i g. 1 gezeigt ist. Zwei Sammellinsen iO4 und 106 mit jeweils der Brennweite /s:r.d gemäß der F i g. 1 so angeordnet, daß der Glühfaden 102 in der »vorderen« Brennebene der Sammellinse 104 liegt. Das divergierende Lichtbündel 108 wird somit durch die Sammellinse 104 zu einem parallelen Lichtbundel HO kollimiert. Die Sammellinse 106 formt das parallele Lichthündel 110 in ein konvergierendes Lichtbündcl 112 um.

Der Aufzeichnungsträger 100. welcher in der gezeigten Weise relativ dicht an der Sammellinse 106 und im Weg des konvergierenden l.ichibiindels 112 liegt, wird vom konvergierenden Lichtbündel 112 beleuchtet. Das Ausgangslicht des Aufzeichnungsträgers 100 besteht aus Licht 114 der 0. Ordnung und aus Beugungslicht höherer Ordnungen. z.B. dem Beugungslicht 116 der Ordnungszahl -1 und dem Beugungslicht 118 der Ordnungszahl + 1. Eine Projektionslinse 120. die nur im Weg des Beugungsiichts 114 der 0. Ordnung liegt, projiziert allein das Ausgangsücht 14 nullter Ordnung auf einen Schirm. Eine solche selektive Projektion ist möglich, weil das Ausgangsücht aller höheren Beugungsordnungen, wie das Beugungslicht 116 der Ordnungszahl — 1 und das Beugungslicht 118 der Ordnungszahl +1 über die Apertur der Projektionslinse 120 hinaus abgelenkt wird, wie es in Fi g. 1 gezeigt ist. Der in F i g. 1 schematisch dargestellte Projektor ist kompatibel mit herkömmlichen Projektions und Betrachtungsgeräten wie z. B. Diaprojektoren und -betrachiern und Kinoproickioren

Beim Projizieren eines Bildes aus Licht der 0. Ordnung mittels eines herkömmlichen Projektors des in Fig. 1 dargestellten Typs übertragen diejenigen Bereiche des Aufzeichnungsträgers 100, die keinerlei Beugungsgitter enthalten, das einfallende Licht ohne Beeinflussung, so daß diese Bereiche im Bild als weiße Zonen wiedergegeben werden. Diejenigen Bereiche, in denen ein Beugungsgitter vorhanden ist, beugen zumindest einen Teil des einfallenden Lichts in die erste und die höheren Beugungsordnungen, die außerhalb der Apertur der Linse 120 fallen. Daher wird dieses gebeugte Licht von dem abgebildeten Licht der 0. Ordnung subtrahiert, so daß die letztgenannten Bereiche relativ dunkel erscheinen.

Bekanntlich steht der Richtungswinkel λ des gebeugten Bündels I.Ordnung in solcher Beziehung zur räumli-

is chen Pcriodenlänge d des Gitters (Gitterperiode oder »Gitterkonstante«), daß sin cc annähernd gleich ist dem Verhältnis der Wellenlänge λ zur Gitterperiode d. Um sicherzustellen, daß kein Beugungslicht der 1. Ordnung das Licht der 0. Ordnung in der Ebene der Projektions-

■M imse !20 überlapp:, muli der Richtungswinkel λ Am- ersten Beugungsordnung genügend groß sein, und zwar über das gesamte sichtbare Spektrum zwischen 400 nm und 700 nm. Bei den meisten der derzeit handelsüblichen Projektoren beträgt die Apertur der Projektionslinse etwa F/2,8. so daß man mit einer Gitterperiode d von ungefähr 1,4 μιη volle Kompatibilität erreicht (hierbei ändert sich -v von etwa 17° am blauen Ende des Spektrums bis etwa 30" am roten Ende des Spektrums). Bei Vergabe dieser Gitterperiode sind im Prinzip viele

jo verschiedene Reliefprofiie zur Realisierung des Gitters möglich. Es ist jedoch wichtig, daß sich das gewählte Profil in der Praxis leicht aufzeichnen läßt. Diese Forderung wird am besten durch ein üinuswellenförmiges Reliefprofil erfüllt, welches als eine Interferenz zweier ebener kohärenter Wellenfronten (die von einem Laserstrahl abgeleitet werden) unter Verwendung eines Photoresist-Aufzeichnungsmediums aufgezeichnet werden kann. A.ndere Profilgestalten wie etwa Sägezahn- oder Dreieckprofile lassen sich nicht gut mit Gitterperioden c/von etwa 1,4 μιη aufzeichnen.

Der Transmissionsgrad T für die 0. Ordnung eines Phasengitters mit sinusweilcnförmigem Rcliefprofil ist durch folgende Gleichung gegeben:

T = Jl

Hierin ist ]» die Besselfunktion 0. Ordnung erster Art. a ist die optische Tiefe (Spitze-Spitze) eines Sinuswellenprofils, a'ist die physikalische oder körperliche Tiefe (Spitze-Spitze) eines Reliefs mit sinuswellenförmigen Profil in der Oberfläche eines lichtdurchlässigen Mediums. Δ η ist die Differenz zwischen dem Brechungsindex dieses Mediums und dem Brechungsindex der Umgebung (gewöhnlich Luft), und λ ist die Wellenlänge irgend einer einfallenden Lichtkomponente im freien Raum.

Durch geeignete Wahl eines einzelnen sinusförmigen Profils mit einem passenden Wert für die körperliche

bo Tiefe z' erhält man einen Transmissionsgrad, der bei Grün ein Minimum hat und eine relativ niedrige Helligkeit über den gesamten sichtbaren Bereich bringt. In F i g. 2 ist als Beispiel der Transmissionsgrad für die 0. Ordnung über das sichtbare Spektrum für der. Fall eines einzelnen Gitters dargestellt, welches durch ein sinuswcllcnförmiges Profil einer körperlichen Tiefe a'gleich 0.87 μιη in der Oberfläche eines transparenten Kunststoffs wie z. B. Polyvinylchlorid gebildet ist, dessen Bre-

chungsindex den Nennwert /; = 1,5 hat. Man erkennt, daß der Tiansmissionsgrad am blauen linde des Spektrums (400 nrr) oberhalb 10% liegt, im grünen Mittelteil des Spektrums (500 bis 600 nm) auf praktisch 0 absinkt und dann am roten Ende des Spektrums (700 nm) wieder auf etwas mehr als 10% ansteigt. Um ein neutrales Schwarz zu erreichen, sollte die Kurve des Transmissionsgi—'jes für die 0. Ordnung über den größten Teil des sichtbaren Spektrums (400 bis 700 nm) im wesentlichen flach verlaufen. Wie man in F i g. 2 erkennen kann, verläuft die Kurve des Transmissionsgrades für die 0. Ordnung bei einem sinusförmigen Gitter jedoch nicht praktisch flach über das sichtbare Spektrum sondern bringt eine beträchtliche Wellenlängen-Selektivität mit sich. Genauer gesagt wird eine Beleuchtung des in F i g. 2 gezeigten sinusförmigen Outers mit weißem Licht dazu führen, daß das durchgelassenc Licht der 0. Ordnung einen dunklen Magenta-Farbton hat. weil es im blauen und im roten Teil des Spektrums stärkere Komponenten als im grünen Teil des Spektrums enthält.

Das beste Medium für eine Originalaufzeichnung eines sinusförmigen Reliefmusters ist ein positives Photoresist wie (Photolack). Durch geeignete Entwicklung dieses Photolacks (die ausführlich weiter unten beschrieben ist) läßt sich ein sinuswellenförmiges Reliefmuster mit hoher Auflösung und ziemlich guter Linearität aufzeichnen. Da jedoch eine vollständige Linearität nicht erreichbar ist, wird sich eine gewisse Verzerrung der Sinuswellenform des Profils ergeben. Wenn man eine solche phoiolithographische Originalaufzeichnung verw ndet. um daraus am Ende in an sich bekannter Weise geprägte Kunststoffkopien zu gewinnen, dann werden mit dem am Ende stehenden Präge- oder Preßvorgang zusätzliche Verzerrungen im Sinuswellenprofil eingebracht werden. Die Folge dieser Verzerrungen ist, daß die vorausgesagte theoretische Leuchtdichte der Beugung 0. Ordnung an den geprägten thermoplastischen Kopien in der Praxis nicht erreicht wird. Bei einem einzelnen sinuswellcnförmigen Gitter mit einer optischen Tiefe a von 450 nm beispielsweise errechnet sich die theoretische Dichte der 0. Beugungsordnung für das Filter zu 2,05. Wegen der erwähnten Verzerrungen bringt jedoch ein geprägtes einzelnes Sinuswcllengitter eine Dichte von typischerweisc nur etwa 1,3. Das heißt, in der Praxis bringt ein geprägtes beugendes subtraktives Schwarzweiß-Filter, welches aus einem einzelnen sinuswellenförmigen Gitter besteht, einen relativ schlechten Kontrast.

Der von einer beugenden Struktur in der 0. Beugungsordnung erzielbare Kontrast läßt sich verbessern, indem man mindestens zwei zueinander winkelversetzte Sinuswellengitter überlagert. Beispielsweise bringen zwei gekreuzte Sinuswellengitter mit einer optischen Tiefe a von 450 mn eine Dichte von theoretisch 3,59 in der 0. Beugungsordnung (statt 2,05 bei einem einzigen Sinuswellengitter), in der Praxis erhält man jedoch bei einer geprägten Kopie zweier gekreuzter Sinusweliengitter für die 0. Beugungsordnung eine typische Dichte von nur etwa 1,8 (statt 13 bei einem einzelnen Sinuswellengitter). In der Praxis ist es also zur Erzielung eines guten Kontrasts notwendig, mindestens zwei überlagerte Gitter zu verwenden, obwohl theoretisch ein einzelnes Gitter genügen würde. Die oben in Verbindung mit F i g. 2 beschriebene unerwünschte Wellenlängen-Selektivität (Farbselektivität) eines einzelnen Sinuswellengitters wird jedoch wesentlich verstärkt, wenn man zwei gekreuzte Sinuswellengitter mit derselben optischen Amplitude a verwendet, so daß man ein »unreines« Schwarz mil erkennbarer Färbung und nicht das gewünschte neutrale »Schwarz« erhält. Außerdem ist die unerwünschte Farbe in der 0. Beugungsordnung nicht konstant, sondern sie ändert sich mit dem Wert der

5 optischen Tiefe ;) der Cutter, was in einer Grjuskala höchst unerwünscht ist. Bei typischen Projektions- und Bctrachlungsanlagcn ist diese Färbung derO. Beugung*- Ordnung bei Leuchtdichten von etwa 1,8. wie man sie mit geprägten Kopien zweier gekreuzter Sinuswellengitter erhält, leicht wahrnehmbar. Die beobachtete Farbe folgt der allgemeinen Farbenreihe als Funktion der optischen Gitteramplituden a, wie es weiter unten in F i g. 4 ausführlicher beschrieben werden wird.

Die F i g. 3a, 3b, 3c und 3d zeigen schematisch einen

r> Aufzeichnungsträger, welchen zwei gekreuzte Sinuswellengitter enthält und eine Grauskala praktisch ohne Wellcnlängenselektivitäi liefert. Im einzelnen zeigt die F i g. Ja schematisch einen »weiß« darstellenden Bereich 300, in dem keinerlei Beugungsstrukturen vorhan-

2i) den sind. Daher bleibt im wesentlichen alles auf den weißen Bereich 300 fallende Licht ungebeugt, d. h. es bleibt im Bild der Beugung 0. Ordnung. Ein in der F i g. 3b gezeigter »hellgrau« darstellender Bereich 302 und ein in F i g. 3c gezeigter »dunkelgrau« darstellender Bereich 304 eines beugenden subiraktiven Filters sind beide jeweils in Teilflächen unterteilt, von denen die einen beugende Strukturen tragen (z. B. die mit den Beugungsstrukturen bedeckten Teilflächen 302a in Fi g. 3b und die mit den Beugungsstrukturen 304a be-

jo deckten Teilflächen in F i g. 3c), und von denen die anderen frei von solchen Beugungsstrukturen sind (z. B. die Teilflächen 3026 in F i g. 3b und 3046 in F i g. 3c). Der ein/ige wesentliche strukturelle Unterschied zwischen dem »hellgrauen« Bereich 302 und dem »dunkelgrauen« Bereich 304 besteht darin, daß die von den beugenden Strukturen bedeckten Teilflächen 304a einen größeren Anteil an der Gesamtfläche des »dunkelgrauen« Bereichs 304 ausmachen als die von Beugungssirukturen bedeckten Teilflächen 3O2.i auf der Gesamtfläche des »hellgrauen« Bereichs 302. Ein »ganz schwarz« darstellender Bereich 306 eines Aufzeichnungsträgers, der in F i g. 3d gezeigt ist. ist auf seiner gesamten Oberfläche mit einer Beugungsstruktur 306a versehen. Abgesehen von ihrer jeweiligen Ausdehnung sind alle beugenden Slrukturen 302a, 304a und 306a im wesentlichen einander gleich.

Im einzelnen besteht jede der beugenden Strukturen 302a, 304a und 306a aus zwei überlagerten gekreuzten Sinuswellengittern, die um 90° zueinander winkelversetzt sind. Obwohl die optischen Tiefen a\ und a; und die entsprechenden körperlichen Tiefen a\ und a% der beiden gekreuzten Sinusgitter einander im Grunde gleich sein können, werden sie vorzugsweise unterschiedlich bemessen, um ein neutrales »Schwarz« zu erreichen, wie es weiter unten beschrieben wird. In jedem Fall werden die optischen Tiefen der beiden Sinusgitter so gewählt, daß für jede Teilfläche, die von einer beugenden Struktur 302a oder 304a oder 306a bedeckt ist, die Helligkeit der Beugung 0. Ordnung praktisch ein Minimum ist. Die Größe jeder einzelnen beugenden Teilfläche 302a und 304a und die Größe jeder einzelnen nichtbeugenden Teilfläche 3026 und 3046 sowohl der hellergrauen Bereiche 302 als auch der dunklergrauen Bereiche 304 sollten außerdem genügend klein sein, damit sie im Beugungsbild der 0. Ordnung praktisch nicht mehr einzeln auflösbar sind. Jede einzelne der beugenden Teilflächen sollte andererseits aber noch groß gegenüber dem Linienabstand c/der sie bildenden Sinusgitter

Die Fig.4 zeigt in einer CIE-Farbtafel eine Ortskurve 400. welche die Wellenlängen-Selektivität (Farbselekiivität) des Beugungslichts der 0. Ordnung von zwei überlagerten gekreuzten sinuswellenförmigen Gittern mit gleicher optischer Tiefe (;i\ = <i2l aufzeigt, und zwar als Funktion de:. Werts dieser optischen Tiefe. In F i g. 4 ist für die effektive weiße Farbe W der die beugende Struktur beleuchtenden Lichtquelle der Wert 3200 K angenommen. Die Ortskurve 400 in F i g. 4 zeigt nur die Farbwerte der Beugung 0. Ordnung. Zur Erzielung einer praktisch neutralen Grauskala über den gesamten Helligkeitsbereich von Weiß bis Schwarz müßten die Farbwerte für alle im Bereich von 0 bis etwa 450 nni liegenden optischen Tiefen der beiden gekreuzten Sinusgittcr in der Nähe des Punkts IVblciben, wie es beispielsweise für den Punkt Z gilt. Die Ortskurve 400 zeigt jedoch, daß sich der Farbwert bei zwei gekreuzten Sinusgittern gleicher optischer Tiefe in weitem Bereich als Funktion des Wei is uci Optischen Tiefe ändert Und Über den gröutcn Teil seiner Ortskurve »Farbeindruck«-Punkte (in der untenstehenden Tabelle I angegeben) überstreicht, die fern von den Punkten W und Z liegen. Daher ist die von gekreuzten Sinuswellengittern derselben optischen Tiefe erzeugte Grauskala nicht neutral sondern bei jedem Grauwert merklich gefärbt. Außerdem ist diese wahrnehmbare Farbe über den Grauskalenbereich von Schwarz nach Weiß nicht konstant, sondern sie ändert sich mit dem Wert der optischen Tiefe, wie es die Gestalt und Lage der Ortskurve 400 innerhalb der CIE-Farbtafel der F i g. 4 zeigt. Die nachstehende Tabelle I gibt einige Beispiele hierzu:

Tabelle I

optische Tiefe
(a. =;'.·)

Farbeindruck

350 nm	rotbraun
410 nm	magenta
450 nm	blau

Der Transmissionsgrad 7" des Beugungslichts der 0. Ordnung bei zwei gekreuzten Sinuswellengittern als Funktion der Wellenlänge ist

it bei einer Wellenlänge von etwa 450 nm, während beim Sinusgittcr der optischen Tiefe a> von 450 nm der Durchlaßgrad fur das Licht der 0. Beugungsordnung eine Nullsiellc bei einer Wellenlänge von ungefähr 600 nm hat.

Die Fig. 5b ist eine graphische Darstellung der obigen Gleichung (2) für den Fall zweier gekreuzter Sinuswcllengittcr. deren eines eine optische Tiefe a\ von 790 nm und deren anderes eine optische Tiefe von <-ii von 450 nm hat. Der mit der Kurve 504 in F i g. 5b gezeigte Transmissionsgrad der 0. Beugungsordnung ist das Produkt der Tansmissionsgrade der 0. Beugungsordnung der einzelnen Sinuswellengitter bei jeder Wellenlänge im sichtbaren Spektrum. Wie die Kurve 504 π offenbart, ist der Transmissionsgrad der 0. Beugungsordnung bei zwei gekreuzten Sinuswellcngitiern mit unterschiedlichen optischen Tiefen im Vergleich zu den mit den Kurven 500 und 502 gezeigten Transmissior.sgraden der 0. Beugungsordnung bei den einzelnen Si nüSn'cücngiticrrs relativ klein und über den. größten Teil des sichtbaren Spektrums relativ unabhängig von der Wellenlänge. Daher hat das beugende subtraktive Filter mit dem durch die Kurve 504 dargestellten Verlauf seines Transmissionsgrades der 0. Beuguiigsordnung eine Übertragungsfunktion, die 7ii einem relativ dichten und neutralen Schwarz führt, dessen effektiver «Farbwert« beim Punkt ZinderCIE-Tafel der F ig.4 liegt.

Der spezielle Wert von 790 nm für die optische Tiefe a\ des einen der beiden gekreuzten Sinusgitter und der jo spezielle Wert von 450 nm für die optische Tiefe ai des anderen der beiden gekreuzten Sinuswellengitter sind lediglich als Beispiel anzusehen. Um ein neutraleres »Schwarz« als bei den bisher bekannten Fällen zu erzielen, muß nur dafür gesorgt werden, daß die vcrschiede-J5 nen Werte der optischen Tiefen wie äi und ü2 von mindestens zwei überlagerten winkelvcrsetzten Sinusgittern derart gewählt sind, daß in jedem einzelnen Fall der Transmissionsgrad der 0. Beugungsordnung ähnlich wie die Kurven 500 und 502 innerhalb des sichtbaren Spektrums ein Minimum durchläuft und daß die jeweiligen Minima des Transmissionsgrades der 0. Beugungsordnung für jede gewählte optische Tiefe bei gesonderten und jeweils verschiedenen Wellenlängen im sichtbaren Spektrum liegen. Vorzugsweise sollten sich die optisehen Tiefen zweier Sinuswellengitter um mindestens 100 nm voneinander unterscheiden, um einen mehr oder weniger optimalen Verlauf des resultierenden Transmissionsgrades der 0. Beugungsordnung (ähnlich wie die Kurve 504) zu erhalten, der einen im wesentlichen neu-

Durchgeeignete unterschiedliche Bemessung der op- ₅₀ j~len FaVbwertpunkt inder Nähe der Punkte Wund Z

tischen Tiefen a\ und a? für die beiden gekreuzten Sinuswellengitter kann man ein wenig helles und im wesentlichen neutrales Schwarz erzielen. Unter Zugrundelegung der obigen Gleichung (1) zeigt die F i g. 5a in einer graphischen Darstellung zwei Kurven 500 und 502, welche den Transmissionsgrad der 0. Beugungsordnung als Funktion der Wellenlänge über das sichtbare Spektrum bei Sinuswellengittern zweier verschiedener optischer Tiefen darstellen. Die Kurve 500 gilt für eine optische Tiefe 3] von 790 nm, und die Kurve 502 gilt für eine optische Tiefe ;/.· von 450 nm. Wie die beiden Kurven 500 und 502 zeigen, schwankt der Transmissionsgrad der 0. Beugungsordnung als Funktion der Wellenlänge sowohl beim Sinusgitter mit der optischen Tiefe a\ von 790 nm als auch beim Sinusgiller mit der optischen Tiefe _fe5 32 von 450 nm zwischen 0 und etwa 15%. Beim Sinusgit ter der optischen Tiefe 790 nm hat der T-ansmissionsgrad des Lichts der 0. Beugungsordnung eine Nullstelle

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60 in der Farbtafel nach F i g. 4 bringt.

Obwohl der vorliegende Aufzeichnungsträger auch eine Beugungsstruktur enthalten kann, die aus mehr als zwei gekreuzten Sinuswellengittern mit jeweils unterschiedlichen optischen Tiefen besteht, bringt ein solches Vorgehen wenig Vorteil. Dies liegt daran, daß die gemischten höheren Beugungsordnungen enger neben der 0. Beugungsordnung austreten können, so daß unter Umständen auch sie von der Projektionslinse gesammelt werden, was die Dichte und den Kontrast weiter reduziert. Wenn man beispielsweise drei Gitter verwendet, die zueinander um 120" winkelversctzt sind und alle die gleiche Gitterperiode d haben, dann tritt das Licht der (l,l.l)-Beugungsordnung parallel zur Richtung der 0. Beugungsordnung aus. Dies kann nur vermieden werden, indem man eine oder mehrere der Gitterperioden um einen Faktor von 2 oder mehr vermindert und außerdem optimale Orientierungen wählt. Eine solche

Verminderung der Gitlerperiodc ist jedoch vom Standpunkt der Aufzeichnungstechniff her gesehen unerwünscht. Ähnliche Überlegungen gellen für Kombinationen von riehr als drei Gittern. Obwohl man also im Grunde mehr als zwei überlagerte winkelvcrseizte Gitter verwenden kann, sind zwei gekreuzte Sinus-vcliengitier mit um 90" zueinander versetzten Orientierungen zu bevorzugen.

Nachstehend sei ein Verfahren zum Aufzeichnen einer Beugungsstruktur beschrieben, die als Originalaufzeichnung zur Herstellung von Aufzeichnungsträgern der vorliegenden Art verwendet werden kann. Als Aufzeichnungsmedium dient ein positives Photoresist, welches sich bei Behandlung mit verschiedenen Entwicklern unterschiedlich verhält. Die gemessenen Einflüsse dieser Entwickler für eine Belichtungswellenlänge A = 436 nm sind in Fig. 6 dargestellt. Wie die Kurve 600 zeigt, führt eine 6 Sekunden lange Entwicklung des Positivresists in einer um 1 :4 verdünnten wäßrigen Lo- ~^~ QJp₁Cs " ersten Entwicklers zu einer ännühcrnrl Ii- 2* nearen »Entwicklungskennlinie«, d. h. die jeweils entfernte Resis>~. ,Menge ist eine annähernd lineare Funktion der bei der vorhergehenden Belichtung auf das Photoresist gefallenen Lichtmenge. Demgegenüber zeigt die Kurve 602 den Fall einer 30 Sekunden dauernden Entwicklung des Positivresists in einer Lösung, die Entwickler und Wasser im Verhältnis 1 : 1 enthält. Dies führt zu einer steileren, nicht-linearen Entwicklungskennlinie, bei der man höhere Belichtungswerte benötigt, während andererseits aber das Photoresist an unbelichteten Be- -eichen nicht angegriffen wird. Die genaue Form dieser Kurven hängt von der Wellenlänge beim Aufzeichnen und von der Entwicklungszeit ab, ihre allgemeinen Merkmale bleiben jedoch gleich. Ähnliche Ergebnisse zeigen sich auch bei anderen positiven Photoresists mit geeigneten Entwicklern.

Zur Herstellung eines Originals für einen Aufzeichnungsträger wird zunächst ein Photoresistfilm unter Schleuderung auf ein geeignetes Substrat etwa aus Glas reicht ist (falls man diesen Transmissionsgrid bei trokkener Resisischicht in Luft mißt) oder wenn der Rot-Transmissionsgrad der 0. Beugungsordnung auf etwa 27% fällt (falls man die Messung mit der Resistschichi im Wasser durchführt). Das resultierende Resistgitter ist ein noch lichtempfindliches Rohstück und muß daher im Dunkeln oder unter einer gelben oder roten Sichirhcits-Farblampc gelagert und behandelt weiden.

Das insoweit beschriebene resultierende Reäistgitter-Rohstück kann gewünschtenfalls in dieser Form als Mutteraufzeichnung verwendet werden, um daraus Duplikate in ein thermoplastisches Material wie z. B. Polyvinylchlorid zu prägen. Ein solches Duplikat (»Sohn«), welches ein im wesentlichen gleichförmiges neutrales »vollschwarzcs« Bild ähnlich wie der Gegenstand der Fig. 3d ergeben würde, kann bereits für sich nützlich sein. Beispielsweise kann ein solches geprägtes »vollschwarzes« Duplikat als Beugungsgittersubstrat zur Herstellung von Aufzeichnungsträger· Rohlingen verwendet werden, wie sie in den US-PS 36 99 673 und 37 43 507 beschrieben sind.

In den meisten Fällen wird jedoch der resultierende Photorcsist-Gitterrohling, der aus zwei gekreuzten Sinuswellengittern mit jeweils unterschiedlicher körperlieher und optischer Tiefe besteht, nicht direkt in dieser Form sur Gewinnung von beugenden subiraktiven Filterduplikaten verwendet. Der resultierende Photoresist-Gitterrohling wird statt dessen mit einem Bild belichtet, welches Objektinformationen enthält und von jo einem positiven Transparentbild abgeleitet wird. Im einzelnen kann das positive Transparentbild entweder über ein Abbildungssystem oder im Kontakt auf den Photoresist-Gitterrohling übertragen werden, wobei entweder Licht von einem HeCd-Laser oder inkohärentes Licht von einer Ultraviolett-Lampe verwendet wird. Vorzugsweise nimmt man ein positives Transparent, in dem die Objektinformation bereits in gerasterter Form vorliegt. In diesem Fall wird die Grauskala des in den F i g. 3a. 3b. 3c und 3d gezeigten Typs von sich aus mit

oder Plexiglas bis auf eine Filmdicke von mindestens 40 der Bildbelichtung geschaffen, ohne eine zusätzliche Ra-

2.5 μπι aufgetragen, damit sich ein tiefes Wellenprofil bilden läßt. Das Photoresist wird mit einem Sinusgitterbild belichtet, welches den passerden Linienabstand c/ hat und in herkömmlicher Weise durch Interferon/ zweier Lichtstrahlen aus einem HeCd-Laser geschaffen werden kann. Die Belichtungsmenge wird gemäß der Kurve 600 so gewählt, daß sich nach Entwicklung eine vorbestimmte körperliche Tiefe a'i (die das zin-fache der optischen Tiefe a\ ist) für das erste der beiden Sinuswellengitter ergibt. Das mit dem Photoresist beschichtete Substrat wird dann um 90° gedreht und dann ein zweites Mal zur Bildung des zweiten Sinuswellengitters belichtet. Diese beiden Belichtungen können in einem Verhältnis von 16 :9 erfolgen, um die jeweiligen Gittertiefen zu erreichen, die zu einem optimalen neutralen Schwarz in der 0. Beugungsordnung führen, wie es weiter oben beschrieben wurde. Anschließend wird das sterung vornehmen zu müssen. Diese Lösung führt zu den besten Ergebnissen. Wenn jedoch die Objektinformation im positiven Transparentbild nicht in gerasterter Form vorliegt, kann das vom positiven Transparent kommende Objektinformationslicht vor dem Antreffen auf den Photo<T.sist-GitteiTohling durch einen geeigneten Raster geleitet werden, der ähnlich den in der Drucktechnik verwendeten Rastern ist. Die gerasterte Form des Bildes wird dann bei der nachfolgenden Entwicklung geschaffen.

Der mit dem Bild belichtete Photoresist-Gitterrohling wird anschließend mit einem kontrastreich arbeitenden Entwickler z. B. Typ AZ 1350 kontrastreich entwickelt, wie es in Verbindung mit F i g. 6 beschrieben wurde, um während des Entwicklungsvorgangs alle diejenigen Flächen und Teilflächen des Photoresist-Gitterrohlings vollständig zu entfernen, die während der Bildbelichtung irgendwelchem Licht ausgesetzt worden sind. Alle jene Flächen und Teilflächen des Photoresist-Rohlings.

Photoresist etwa 6 Sekunden lang in einer 1 :4-Verdünnung des Entwicklers entwickelt, um eine Struktur aus gekreuzten Sinuswellengittern zu erhalten, worin jedes t>o die während der Bildbelichtung unbelichtet geblieben der beiden Sinuswellengitter eine andere, jeweils geeig- sind, bleiben jedoch während des Entwicklungsvornete Gittertiefe hat Der Entwicklungsvorgang läßt sich überwachen, indem man den Transmissionsgrad der 0. Beugungsordnung im Rotbereich mißt (z. B. unter Verwendung eines HeNe-Lasers). Die optimale Tiefe für 65 das Original zur Herstellung von Polyvinylchlorid-Du

plikaten ist erreicht, kurz nachdem ein Minimum im Rot-Transmissionsgrad der 0. Beugungsordnung ergangs durch den Entwickler praktisch unbeeinflußt. Dies ist deswegen so, weil gemäß F i g. 6 bei Verwendung des Entwicklers AZ 1350 wesentlich höhere Belichtungswerte erforderlich sind als bei Verwendung des Entwicklers AZ 303. Daher kann die vorangegangene Belichtung mit allein dem Gitterbild nicht dazu führen, daß während der späteren Entwicklung des Objektin-

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formationsbildes mit dem Entwickler AZ 1350 wesentliche Photoresistmengen entfernt werde:;. Diese Tatsache wurde experimentell nachgewiesen, indem man Gitter, die in der oben beschriebenen Weise in einem Photoresist aufgezeichnet worden waren, für 30 Sekunden in eine 1 :1-Löstng des Entwicklers AZ 1350 tauchte. In diesem Fall war keine Änderung in der Dichte oder der Farbe des Beugungslichts der 0. Ordnung beobachtbar.

Da alle diejenigen Flächen oder Teilflächen des Photoresist-Gitterrohlings, die während der zweiten Beiichtung mit dem Objektinformationsbild irgendwelchem Licht ausgesetzt waren, während der Behandlung mit dem Entwickler AZ !350 vollständig entfernt werden, wird die gesamte gekreuzte Sinusgitterstruktur aus diesen speziellen belichteten Flächen und Teilflächen entferrit, so daß an diesen Stellen freigelegte ebene Substratflächen übrigbleiben. Diese ebenen Flächen und Teilflächen des Substrats bilden die weißen Bereiche im wiederaufgebauten Bild, während die anderen Flächen und Teilflächen die schwarzen Bereiche im wiederaufgebauten Bild schaffen. Der letzte Schritt besteht darin, aus der resultierenden Original-Photoresisiaufzcichnung eine Metalimatrize herzustellen, mit der Kopien durch Warmpressen in thermoplastische Folien geprägt werden können. Mit diesem Verfahren konnten Aufzeichnungsträger hergestellt werden, die hochwertige Bilder in der 0. Beugungsordnung mit voller neutraler Grauskala und einer Schwarzdichte von etwa 1,8 liefern.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen JO

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Claims

Patentansprüche:

1. Aufzeichnungsträger zum Projizieren eines Grauwerte enthaltenden monochromen Bildes, der Schwarz darstellende und Weiß darstellende Teilflächen enthält, wobei jede Schwarz darstellende Teilfläche eine Phasenbeugungsgitterstruktur enthält, die ein im wesentlichen sinuswellenförmiges Profil,

bildmäßigen oder alphanumerischen Information.

Genauer gesagt hat das sinusförmige Gitter eine vorbestimmte Amplitudentiefe für alle »schwarzen« Punkte der aufgezeichneten Information, während den weißen Punkten der Information die Amplitude Null entspricht Graustufen der aufgezeichneten information werden durch Zwischenwert der Amplitude dargestellt Die Wiedergabe der Information kann auch mittels eines optischen Projektors erfolgen, bei dem der Auf