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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Beugungsgitter
und Hologramme.
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Ein Hologramm ist eine Aufzeichnung eines
Interferenzstreifenbildes zwischen zwei Lichtstrahlen. Einer dieser
Strahlen besteht üblicherweise aus Licht, welches von einem
wirklichen Gegenstand reflektiert wurde und als
"Objektstrahl" bezeichnet wird, während der andere Strahl
gewöhnlich ein reiner und unmodulierter Strahl ist, der als
"Bezugsstrahl" bezeichnet wird. Wenn der Objektstrahl
rein und unmoduliert wie der Referenzstrahl ist, dann wird
eine Gruppe regulärer Interferenzstreifen aufgezeichnet,
und das Hologramm wird als holographisches Beugungsgitter
bezeichnet. Wenn ein Hologramm nur mit dem Bezugsstrahl
beleuchtet wird, dann wird der Objektstrahl in Phase und
Amplitude exakt reproduziert.
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Es gibt zwei Typen holographischer
Aufzeichnungskonfigurationen, die gegenwärtig in der Benutzung vorherrschen.
Die erste Type wird als ein in der Achse versetztes, oder
als "Leith-Upatniaks"-Hologramm bezeichnet. Bei der
Herstellung dieser Art von Hologrammen treffen Objektstrahl
und Bezugsstrahl auf einem Aufzeichnungsmedium von der
gleichen Seite auf und aus Richtungen, die durch einen
kleinen Winkel getrennt sind. Wie in Fig. 1 dargestellt,
werden die den Winkel halbierenden Ebenen der
resultierenden Interferenzstreifen im wesentlichen senkrecht zur
Oberfläche des Aufzeichnungsmediums gebildet.
Holographische Beugungsgitter und erhabene Display-Hologramme, die
heutzutage in Benutzung sind, werden vorherrschend aus
dieser Type von Hologrammen gebildet.
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Dieses Hologramm wird als eine Verbesserung gegenüber den
ursprünglichen Hologrammen angesehen, die von Gabor
erfunden wurden, bevor der Laser mit seinem kohärenten Licht
verfügbar war, der eine achsversetzte Konfiguration möglich
machte. Bei dem Gabor-Hologramm oder dem Inline-Hologramm
fallen Objektstrahl und Bezugsstrahl in einer Linie auf der
gleichen Achse zusammen. Wegen der beträchtlichen
Schwierigkeiten, die sich beim Trennen dieser Strahlen ergeben,
hat diese Art von Hologrammen niemals eine weite
Verbreitung erfahren. Wie später gezeigt wird, benutzt jedoch
ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung diese
Konfiguration mit einem nützlichen Vorteil.
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Erhabene Display-Hologramme werden im typischen Falle aus
achsversetzten Hologrammen in einem mehrstufigen Prozeß
erzeugt. Die erste Stufe umfaßt gewöhnlich die Herstellung
eines primären achsversetzten Hologramms, wo das
tatsächliche Objekt in einer gewissen Entfernung von der
Oberfläche des Aufzeichnungsmaterials angeordnet wird und wo
der Bezugsstrahl ein kollimatisierter oder paralleler
Strahl ist. Der zweite Schritt umfaßt gewöhnlich die
Beleuchtung des primären achsversetzten Hologramms mit
einem parallelisierten Lichtstrahl, um ein reelles Bild des
Gegenstandes in den Raum zu projizieren. Dann wird ein
zweites Hologramm hergestellt, indem ein neues
Aufzeichnungsmaterial an der Stelle des projizierten reellen Bildes
angeordnet wird, indem ein neuer Bezugsstrahl unter einem
Winkel eingeführt wird. Nach der Entwicklung kann das
zweite Hologramm unter gewöhnlichem weißem Licht betrachtet
werden statt unter Laserlicht, weil die Farbverwischung bei
einem fokussierten Bild vermindert wird. Ein derartiges
Verfahren ist in einem Artikel beschrieben, der die
Überschrift trägt "The Newport Button: The Large Scale
Replication Of Combined Three- And Two-Dimensional Holographic
Images", von J. J. Cowan, Proc. of SPIE, Vol 462 Optics
in Entertainment II, 1984, S. 20-27.
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Bei dem zweiten oben beschriebenen Schritt ist das reelle
Bild heller und tiefer, wenn das Primärhologramm über einen
schmalen Schlitz mit Licht anstatt mit einem Strahl bei
voller Öffnung beleuchtet wird, aber das Bild zeigt nur in
Horizontalrichtung Parallaxen und in einer spektralen
Farbzusammensetzung von Farben von Blau bis Rot in
Vertikalrichtung. Das sich hieraus ergebende "Regenbogen"-
Hologramm ist eine spezielle Type eines achsversetzten
Hologramms, das heutzutage bei erhabenen Hologrammen am
weitesten verbreitet ist.
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Bei der Herstellung erhabener Hologramme wird das
Aufzeichnungsmaterial, das in dem beschriebenen zweiten
Schritt benutzt wird, im typischen Fall ein
lichtelektrischer Widerstand. Ein lichtelektrischer Widerstand ist ein
Material, welches nach der Entwicklung ein
Oberflächenprofil hat, dessen Tiefe proportional zur Intensität der
einfallenden Interferenzstreifen ist. Da die Intensität der
Interferenzstreifen der meisten Hologramme im wesentlichen
sinusförmig verläuft, nimmt das Ätztiefenprofil der
Oberfläche eines entwickelten Hologramms die Form einer
Sinuswelle an, wenn man eine Betrachtung vom Rand her vornimmt.
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Die dritte Stufe der Herstellung eines erhabenen Hologramms
besteht gewöhnlich darin, die Oberfläche des
lichtelektrischen Widerstands des Hologramms, das in der zweiten Stufe
hergestellt wurde, mit einem leitfähigen Material,
beispielsweise mit Silber, zu überziehen und das überzogene
Hologramm in einem Elektroplattierungsbad einzutauchen, um
eine Schicht, beispielsweise aus Nickel, darauf zu
plattieren. Die vierte Stufe umfaßt die Benutzung der
nickelplattierten Schicht als Hardmaster, um das
Interferenzmuster in dem Plastikmaterial einzuformen, das durch Hitze,
Druck, Lösungsmittel oder Kombinationen hiervon
kontinuierlich erweicht wurde. Schließlich wird in der letzten
Stufe nach der Einprägung das Plastikmaterial im typischen
Fall mit einem hochreflektierenden Metall, beispielsweise
Aluminium, überzogen, um den Beugungswirkungsgrad des
eingeprägten Hologramms zu verbessern.
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Die zweite Type von Hologrammen, die gegenwärtig in
Benutzung sind, ist ein Volumenphasenreflektions-Hologramm
(VPR) oder ein "Denisyuk"-Hologramm. Bei der Herstellung
dieser Art von Hologrammen treffen Objektstrahl und
Referenzstrahl auf das Aufzeichnungsmaterial von
entgegengesetzten Seiten und entgegengesetzten Richtungen auf. Wie
aus Fig. 2 ersichtlich, werden die resultierenden
Interferenzstreifen im wesentlichen parallel zur Oberfläche des
Aufzeichnungsmediums erzeugt. Diese Ebenen liegen innerhalb
des Aufzeichnungsmediums in einem Abstand zueinander, der
gleich ist einer halben Wellenlänge des
Aufzeichnungslichtes geteilt durch den Brechungsindex des
Aufzeichnungsmaterials. Typische Aufzeichnungsmaterialien, die beim
Stande der Technik benutzt werden, sind feinkörnige
Silberhalogenemulsionen - für die die
Interferenzstreifenebenen Bereiche hoher Dichte entwickelten Silbers
umfassen - oder Dichromatgelatine oder Photopolymere - für
die die Interferenzstreifenebenen Bereiche kleiner
Differenzen im Brechungsindex im Vergleich mit geringer
belichteten Bereichen umfassen. Wenn ein VPR-Hologramm mit
weißem Licht beleuchtet wird, dann wurde nur Licht mit der
gleichen Wellenlänge benutzt, die das Licht bei der
Aufzeichnung hatte, und es wird auf den Betrachter
zurückgeworfen. Dies geschieht, weil die
Interferenzstreifenebenen, die um eine halbe Wellenlänge gestaffelt sind,
kohärent nur Licht dieser Wellenlänge zurückwerfen, d. h.
sie ermöglichen eine konstruktive Interferenz. Alle
anderen Wellenlängen bewirken eine destruktive Störung, und
sie werden alle aus dem Betrachtungsfeld ausgeblendet, weil
sie nicht an den Abstand der Ebenen angepaßt sind.
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Ein VPR-Hologramm ermöglicht vorteilhafterweise eine
Betrachtung mit voller Parallaxe in einer einzigen Farbe
statt in dem gesamten Farbspektrum, was charakteristisch
ist für ein achsversetztes Hologramm. Ferner können hohe
Beugungswirksamkeiten erlangt werden, ohne daß ein
reflektierender metallischer Überzug erforderlich wäre. Außerdem
kann ein VPR unter fast jedem Beleuchtungswinkel betrachtet
werden, während ein achsverstztes Hologramm nur mit einer
Überkopfbeleuchtung betrachtet werden kann.
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Ungeachtet der oben erwähnten Vorteile des VPR-Hologramms
sind diese doch nach allgemeiner Ansicht nicht geeignet zur
Nachbildung der Struktur durch Einprägen, weil der
Beugungsstreifenaufbau eine Staffel paralleler Ebenen umfaßt,
die in dem Körper des Aufzeichnungsmediums angeordnet sind.
Dies geschieht, weil die Entwicklung eines
Photowiderstandsmaterials notwendigerweise in der ersten Schicht
aufhört. Infolgedessen werden heutzutage VPR-Hologramme
durch optische anstatt durch mechanische Mittel repliziert
und nur dann durch Benutzung eines Lasers. Das gegenwärtig
bekannte und herkömmliche Verfahren zur Nachbildung von
VPR-Hologrammen besteht in den folgenden Schritten: (1) Es
wird eine Masterhologramm-Aufzeichnungsplatte dadurch
hergestellt, daß ein Objektstrahl und ein Bezugsstrahl so
gerichtet werden, daß sie auf ein erstes
Aufzeichnungsmittel von entgegengesetzten Seiten auftreffen; und (2) es
wird eine zweite Aufzeichnungsplatte vor der entwickelten
Masterplatte angeordnet, und es wird ein zweiter
Bezugsstrahl hindurchgeschickt - das Objektlicht vorn Master wird
reflektiert und tritt in einer Richtung entgegengesetzt zur
Richtung des zweiten Bezugsstrahls in der zweiten
Aufzeichnungsplatte ein, und es wird ein neues VPR-Hologramm
in der neuen Aufzeichnungsplatte aufgezeichnet.
Herkömmliche VPR-Hologramme können durch Massenproduktion
wiedergegeben werden.
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Ein Artikel unter der Bezeichnung "Production of Blazed
Holograms" von N. K. Sheridon, Applied Physicx Letters,
Vol 12, Nr. 9, 1. Mai 1968, 5. 316-317, beschreibt
Oberflächenreliefreflexionshologramme, bei denen die
Oberflächenwellungen den Gitterstreifen eines
Volumenphasenhologramms entsprechen, das in dem Substrat aufgezeichnet
ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein optisches
Datenspeichermaterial ein Substrat, welches darin eine
Vielzahl terrassenförmiger Eindrücke aufweist, deren
Terrassen in der Tiefe des Substrats in Ebenen liegen, die
parallel zur Oberfläche des Substrats verlaufen und den
Beugungsgittern eines Volumenphasenreflexionshologramms
entsprechen, das in dem Substrat aufgezeichnet ist, so daß
die terrassenförmigen Eindrücke als
Volumenphasenreflexionshologramm wirken, das bei Beleuchtung vorbestimmte optische
Effekte liefert, wobei das Substrat auf vorbestimmte
äußere Anregungen anspricht, die örtlich die
Reflexionseigenschaften der Oberfläche des Substrats modifizieren, um
feststellbare Änderungen zu erzeugen, die als Mittel
wirken, um eine Information im Substrat zu kodieren.
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Vorzugsweise verlaufen die terrassenförmigen Eindrücke
kontinuierlich, beispielsweise in Form einer Spirale.
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Vorzugsweise umfassen die terrassenförmigen Eindrücke eine
Mehrzahl von gleichen terrassenförmigen Eindrücken, die als
periodisch beabstandete parallele Nuten ausgebildet sind.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel spricht das
Substrat auf die Anwendung von Hitze an, um die
Reflexionscharakteristiken der terrassenförmigen Eindrücke zu
ändern.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Medium
vorgesehen, bei welchem die terrassenförmigen Eindrücke mit
einer Schicht aus einem Material mit einem gegebenen
Brechungsindex überzogen sind, wodurch das Ansprechen auf
Anwendung eines Schreibstimulierungsmittels geändert wird,
so daß die Reflexionseigenschaften des optischen
Speichermittels örtlich geändert werden können, um die Information
in dem Substrat zu kodieren.
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Vorzugsweise ist das Substrat ausdehnbar und
zusammendrückbar gemäß der Anwendung von Hitze, um die optischen
Wirkungen zu ändern.
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Die Beschreibung umfaßt ein
Volumenphasenreflexionshologramm (VPR-Hologramm), das ohne Benutzung einer Online-
Laserbelichtung oder einer folgenden chemischen
Bearbeitungsstufe wiedergegeben werden kann. Außerdem ist das
resultierende wiedergegebene Hologramm dimensionsstabil und
kann nicht durch Feuchtigkeit, Hitze oder andere
Umgebungsfaktoren beeinträchtigt werden. Insbesondere umfassen
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung gestufte
Oberflächenreliefaufbauten, die im folgenden als offene
Hologramme oder Aztec-Hologramme bezeichnet werden. Der
Name Aztec-Hologramm wurde aus zwei Gründen gewählt: (1)
Aztec kann als Acronym für eine
Diazo-Photoresist-Technologie betrachtet werden, wobei Diazo ein photoempfindliches
Molekül beschreibt, das in einem veranschaulichten
positiven Photowiderstands-Aufzeichnungsmedium benutzt wird,
und, wie in den beiliegenden zeichnungen dargestellt, (2)
Aztec erinnert an einen speziellen pyramidenförmigen
gestuften Aufbau, der charakteristisch für
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist.
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Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen VPR-Hologramms
oder des Aztec-Hologramms können gemäß den folgenden
Schritten hergestellt werden: (1) Es wird ein
Volumenphasenreflexionshologramm (VPR-Hologramm) in einem
Aufzeichnungsmaterial, beispielsweise einem positiven
Photowiderstandsmaterial, erzeugt, und (2) es wird das VPR-
Hologramm durch Erzeugung eines zweiten Hologramms im
Aufzeichnungsmaterial geöffnet, wobei das zweite Hologramm
irgendeines aus einer Zahl von bekannten Hologrammen sein
kann, beispielsweise ein achsversetztes Hologramm. Außerdem
kann das zweite oder Öffnungshologramm hergestellt werden,
nachdem oder gleichzeitig mit dem anfänglichen
VPR-Hologramm.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen umfaßt der erste Schritt
des Verfahrens die Aufzeichnung einer Staffelung von im
wesentlichen parallelen Interferenzstreifenebenen in einem
Phasenaufzeichnungsmedium durch Belichtung des Mediums
durch einen Bezugsstrahl und einen Objektstrahl, die in das
Medium von entgegengesetzten Richtungen her eindringen.
Dann erlaubt der zweite Schritt oder der Öffnungsschritt
des Verfahrens eine Öffnung des Mediums für ein
Entwicklerätzmittel Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Hologramms besteht das
Aufzeichnungsmedium aus einer Schicht aus einem positiven
Photowiderstand, und die Öffnung oder das zweite Aufzeichnen umfaßt
vorzugsweise die Erzeugung eines holographischen
Beugungsgitters, dessen Interferenzstreifen senkrecht zur
Oberfläche des Aufzeichnungsmediums verlaufen. Außerdem ist das
zweite oder das Öffnungsgitter vorzugsweise ein hexagonales
honigwabenartiges, dicht gepacktes, parabolisches Feld oder
ein paralleles Liniengitter mit dreieckigen Nuten. Bei
weiteren Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer VPR-
Hologramme oder Aztec-Hologramme braucht die zweite oder
die Öffnungsaufzeichnung nicht auf eine Beugung beschränkt
zu werden. Beispielsweise kann die zweite oder die
Öffnungsaufzeichnung auch ein achsversetztes Hologramm eines
Gegenstandes sein.
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Infolge des oben beschriebenen Verfahrens umfaßt ein
erfindungsgemäßes VPR-Hologramm oder ein VPR-Gitter, das in
einem Photowiderstandsmaterial erzeugt ist, ein
Phasenrelief mit gestuftem oder terrassenförmigem Aufbau
innerhalb eines weiteren periodischen Aufbaus. Der Abstand
zwischen jeder Stufe ist gleich einer halben Wellenlänge
des Lichts innerhalb des benutzten Mediums in der ersten
Aufzeichnung, d. h. das Licht der Strahlen, das in das
Medium von entgegengesetzten Richtungen eintritt, um ein
VPR-Hologramm zu erzeugen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel,
wo das Aufzeichnungsmedium ein positiver Photowiderstand
ist und das zweite oder das Öffnungshologramm ein
achsversetztes Hologramm ist, öffnet das achsversetzte
Hologramm die Oberfläche des Aufzeichnungsmaterials für ein
Entwicklerätzmittel, so daß darunterliegende Ebenen des
Interferenzstreifenmusters zugänglich werden. Weil die
Entwicklung des Photowiderstands ein ablativer Ätzprozeß
ist, der nach unten von der Oberfläche des Mediums
fortschreitet, umfaßt eine Randbetrachtung des Profils eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Hologramms
eine Gruppe vertikaler Stufen, die innerhalb des Mediums im
Abstand einer halben Wellenlänge liegen. Die vertikalen
Stufen werden auf einer Sinuswelle überlagert. Als Ergebnis
nimmt das Profil die Form einer gestuften Pyramide ein.
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Die Stufenhöhe kann bei Ausführungsbeispielen vorliegender
Erfindung bei einer gegebenen Aufzeichnungswellenlänge
dadurch geändert werden, daß die Einfallswinkel von
Bezugsstrahl und Objektstrahl für die erste Aufzeichnung geändert
werden. Wenn die Winkel beider Strahlen gleich sind, dann
ist die Stufenhöhe gleich einer halben Wellenlänge
innerhalb des Mediums der Komponente von Licht, das senkrecht
auf die Oberfläche des Aufzeichnungsmediums auftrifft. Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
terrassenförmigen Aufbaus ist eines, bei welchem der
Gesamtoberflächenbereich jeder aufeinanderfolgenden Stufe
gleich ist. Ein solcher Aufbau mit hexagonalem
Honigwabenfeld wird als Mikrozonenplatte bezeichnet. Wie weiter unten
beschrieben, ist die Beugungswirksamkeit der verschiedenen
Ordnungen des Beugungsmusters eine Funktion der Stufenzahl
in dem Ausführungsbeispiel des Aufbaus. Außerdem hängt der
Beugungswirkungsgrad des Öffnungsgitters oder Hologramms
von der Ätztiefe ab. Demgemäß weist ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen VPR-Gitters und/oder
-Hologramms eine Ätztiefe auf, die so gewählt ist, daß die
Beugungswirksamkeit des Öffnungsgitters in der ersten
Ordnung minimal und in der Null-Ordnung maximal gehalten
wird. Weil der Informationsgehalt eines achsversetzten
Gitters hauptsächlich in der ersten Ordnung beruht,
gewährleistet dies, daß das Bild, welches von dem VPR-
Hologramm oder dem ersten aufgezeichneten Hologramm
herrührt, nicht durch ein Bild verzerrt wird, welches von dem
Öffnungshologramm oder dem zweiten aufgezeichneten
Hologramm herrührt.
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Weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen VPR-
Gitters und/oder VPR-Hologramms umfassen erfindungsgemäße
VPR-Gitter und/oder VPR-Hologramme, die mit einer Schicht
aus hochreflektierendem Metall überzogen sind, um die
Beugungswirksamkeit zu verbessern. Weitere
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen VPR-Gitters und/oder VPR-
Hologramms umfassen metallisch überzogene Gitter und/oder
Hologramme, die ihrerseits mit einem klaren dielektrischen
Material überzogen sind.
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Bei der Benutzung wird das erfindungsgemäße Gitter und/oder
Hologramm "wiederkonstruiert", indem der erfindungsgemäße
Terrassenaufbau mit einem Lichtstrahl beleuchtet wird. Es
wird eine konstruktive Interferenz durch Licht erzeugt,
welches kohärent von dem erfindungsgemäßen
terrassenförmigen Aufbau mit einer Wellenlänge, die doppelt so groß
ist wie die Stufenhöhe mal Brechungsindex der
Überzugsschicht, diffus reflektiert. Das "wiederkonstruierte"
diffus reflektierte Licht hat die gleiche Farbe wie der
Aufzeichnungsstrahl, wenn die Schicht, die den
erfindungsgemäßen terrassenförmigen Aufbau abdeckt, den gleichen
Brechungsindex besitzt wie das ursprüngliche aufgezeichnete
Medium, unter der Annahme eines normalen Einfalls der
Aufzeichnungsstrahlen. Das "wiederkonstruierte" Licht
besitzt eine längere Wellenlänge als der
Aufzeichnungsstrahl, wenn die Stufenhöhe während der Aufzeichnung größer
gemacht war als jene, die bei einem normalen Einfall
auftritt, und zwar in einer Art und Weise, wie dies weiter
unten im einzelnen beschrieben wird.
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Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen geöffneten VPR-
Hologramms oder Aztec-Hologramms können in Metall
wiedergegeben werden, und das Metall kann benutzt werden, um das
Interferenzmuster des erfindungsgemäßen geöffneten VPR-
Hologramms oder Aztec-Hologramms in lange Blätter aus
Plastikmaterial einzuprägen. Beispielsweise kann eine
Nickelschicht auf einen erfindungsgemäßen Aufbau, der in
einem Photowiderstand ausgebildet ist, durch
Elektroplattierung aufgebracht werden. Das Profil im Nickel ist
das Spiegelbild des Profils im Photowiderstand. Eine
Massenvervielfältigung des Nickelmusters kann in
Plastikmaterial durch eines von vielen Verfahren erfolgen,
beispielsweise durch Einprägen unter Benutzung von Wärme,
Druck, Lösungsmitteln oder Kombinationen hiervon.
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Weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen VPR-
Gitters und/oder VPR-Hologramms, die in Plastikmaterial
eingeprägt werden, umfassen Gitter und/oder Hologramme, die
metallisiert wurden, um die Beugungswirksamkeit zu
verbessern. Die Farbe des erfindungsgemäßen Hologramms, das
durch die Plastikbasis betrachtet wird, wird nach Blau hin
verschoben, wenn sein Brechungsindex niedriger ist als
jener des ursprünglichen Aufzeichnungsmediums, wobei die
Farbe nach Rot verschoben wird, wenn der Brechungsindex
höher ist als der des ursprünglichen Aufzeichnungsmediums.
Ein voller Farbbereich im sichtbaren Spektrum kann erlangt
werden, indem der geprägte Plastikaufbau mit einer Schicht
aus hochreflektierendem Metall überzogen wird und indem
dann das Metall mit einem geeigneten durchsichtigen
dielektrischen Material schichtweise überzogen wird.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Anordnungen können auch vorteilhaft als Mittel zur optischen
Datenspeicherung benutzt werden, indem ihre
Reflexionseigenschaften und Brechungseigenschaften ausgenutzt werden.
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Ein vollständiges Verständnis der vorliegenden Erfindung
kann durch die folgende Beschreibung in Verbindung mit der
beiliegenden Zeichnung erlangt werden, in der gleiche
Bezugszeichen benutzt werden, um gleiche Elemente zu
kennzeichnen, die in den verschiedenen Figuren auftreten.
In der Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 die Ausbildung eines achsversetzten Hologramms
gemäß dem Stand der Technik,
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Fig. 2 ein Volumenphasenreflexionshologramm gemäß dem
Stand der Technik,
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Fig. 3 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen
holographischen Aztec-Beugungsgitters,
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Fig. 4 ein Verfahren zur Herstellung des erfindungs
gemäßen holographischen Aztec-Diffraktionsgitters gemäß
Fig. 3,
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Fig. 5 das Verfahren zur Veränderung der vertikalen
Stufengröße eines VPR-Hologramms, welches durch eine erste
Belichtung des Aufzeichnungsmediums erzeugt wurde,
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Fig. 6 ein weiteres Verfahren zur Veränderung der
vertikalen Stufenhöhe eines VPR-Hologramms, welches in
einer ersten Belichtung des Aufzeichnungsmediums erzeugt
wurde,
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Fig. 7 einen Querschnitt eines Teils eines
erfindungsgemäßen holographischen Aztec-Gitters mit parabolförmigen
Einprägungen,
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Fig. 8 ein erfindungsgemäßes holographisches Aztec
Gitter mit langgestreckten dreieckigen Nuten,
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Fig. 9 eine erste Anordnung zur Erzeugung eines
Aztec-Hologramms,
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Fig. 10 eine zweite Anordnung zur Erzeugung eines
Aztec-Hologramms,
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Fig. 11 eine Inline-Konfiguration zur Aufzeichnung
eines erfindungsgemäßen Hologramms oder eines
holographischen Beugungsgitters,
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Fig. 12 eine Inline-Konfiguration zur Rekonstruktion
eines Hologramms oder holographischen Beugungsgitters,
welches wie in Fig. 11 hergestellt wurde,
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Fig. 13 eine weitere Anordnung zur Belichtung eines
erfindungsgemäßen Hologramms und/oder Gitters.
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Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines holographischen Aztec-
Beugungsgitters 10, welches gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt wurde. Optische Datenspeichermedien
benutzen die Reflexions- und Brechungseigenschaften von
Volumenphasenreflexions-Hologrammen, wie weiter unten
beschrieben. Das Aufzeichnungsmaterial 15 für den
erfindungsgemäßen gestuften Aufbau bei diesem
Ausführungsbeispiel besteht aus einem positiven Photowiderstand. Der
gestufte Aufbau 10 wird durch zweifache Belichtung des
Aufzeichnungsmediums 15 durch Interferenzlichtstrahlen
hergestellt, wobei jede Belichtung zwei unterschiedliche
Orientierungen der Lichtstrahlen gegenüber dem
Aufzeichnungsmaterial 15 umfaßt. Die erste Belichtung liefert
horizontal orientierte Schichten 20 bis 23, und die zweite
Belichtung öffnet die Oberfläche 30 des
Aufzeichnungsmaterials 15 für ein Ätzmittel, so daß die Stufen 35 bis 38
usw. des erfindungsgemäßen Gitters geformt werden. Wie
weiter unten im einzelnen beschrieben, können die beiden
Belichtungen nacheinander oder gleichzeitig hergestellt
werden.
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Fig. 4 veranschaulicht die erste Belichtung des Verfahrens.
Hier treffen Objektstrahl 40 und Bezugsstrahl 41 auf das
Aufzeichnungsmaterial 15 von gegenüberliegenden Seiten und
in entgegengesetzten Richtungen auf. Wenn das
erfindungsgemäße Aztec-Gitter 15 gemäß Fig. 3 hergestellt wird, dann
sind Objektstrahl 40 und Bezugsstrahl 41 identisch, d. h.
rein und unmoduliert. Als Folge dieser ersten Belichtung
werden Belichtungsebenen 20 bis 23 innerhalb des
Aufzeichnungsmaterials 15 parallel zu dessen Oberfläche
erzeugt, wobei der Abstand zwischen den Ebenen 20 bis 23
gleich ist einer halben Wellenlänge des Lichtes innerhalb
des Aufzeichnungsmaterials 15. Beispielsweise ist bei einer
Laserbelichtungswellenlänge von 458 nm und einem
Photowiderstand mit einem Brechungsindex von n = 1,6 der Abstand
zwischen den Ebenen 20 bis 23 d = 458/(2 x 1,6) = 143 nm.
Für den Fachmann ist es klar, daß auf der Rückseite 45 des
Photowiderstands-Aufzeichnungsmaterial 15 ein Reflektor
angeordnet werden kann, so daß die erste Belichtung unter
Benutzung eines einzigen einfallenden Strahls 41
durchgeführt werden kann. In diesem Fall durchläuft der
einfallende Strahl 41 die Photowiderstandsschicht 15, wird
dann reflektiert und bildet eine Interferenz in sich selbst.
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Der Abstand zwischen den Ebenen 20 bis 23 ist in den Fig. 3
und 4 dargestellt und wird als vertikale Stufe bezeichnet,
und dieser Abstand kann entweder unter Benutzung eines
einfallenden Lichtes mit einer unterschiedlichen
Wellenlänge geändert werden oder durch Änderung des
Einfallwinkels des einfallenden Lichtes gegenüber der Oberfläche
des Aufzeichnungsmaterials 15. Wenn man als
Aufzeichnungsmaterial einen Photowiderstand benutzt, um das
erfindungsgemäße Gitter herzustellen, ist man typischerweise
beschränkt auf die Änderung der Größe der Vertikalstufe durch
Veränderung des Einfallswinkels des einfallenden Lichtes,
weil der Photowiderstand zur Belichtung im wesentlichen
blaues Licht erfordert. In Fig. 5 trifft beispielsweise der
Bezugsstrahl 41 auf die Photowiderstandsschicht 15 unter
einem Winkel von 60 Grad auf und wird in die
Photowiderstandsschicht 15 unter einem Winkel von 32,8 Grad gebeugt.
Dies geschieht gemäß dem Snellschen Brechungsgesetz, wobei
sin 60º = 1,6 x sin 32,8 º. In diesem Fall wird die
vertikale Stufe zwischen den Ebenen 20 bis 23 durch die
Komponente des einfallenden Lichtes bestimmt, die senkrecht zur
Oberfläche 30 der Photowiderstandsschicht 15 verläuft.
Demgemäß beträgt d = 458/(2 x 1,6 x cos 32,8 º) 170 nm.
Der Einfallswinkel innerhalb der Photowiderstandsschicht 15
ist auf einen Wert begrenzt, der durch den kritischen
Winkel bestimmt wird, welcher durch sin(kritischer Winkel) =
=
1/1,6 gegeben ist, was zu 38,7 Grad führt.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen des Verfahrens kann die
vertikale Stufe zwischen den Ebenen 20 bis 23 innerhalb der
Photowiderstandsschicht 15 noch weiter erhöht werden, indem
spezielle optische Kopplungstechniken benutzt werden. Wie
in Fig. 6 dargestellt, können die Einfallswinkel
möglicherweise 90 Grad erreichen, wenn die Photowiderstandsschicht
auf einer Seite mit einem äquilateralen Prisma 50
überzogen ist und der Lichtstrahl in das äquilaterale
Prisma 50 von der Rückseite 51 eingeführt wird, so daß es
durch die Photowiderstandsschicht 15 total reflektiert
wird. In diesem Fall ist ein vernünftiger Einfallswinkel
für eine typische Photowiderstandsschicht 60 º. Ein solcher
Wert führt zu einer vertikalen Stufenhöhe zwischen den
Interferenzebenen von d = 458/(2 x 1,6 x cos 60 º) = 286 nm.
So kann man durch Benutzung verschiedener optischer
Techniken, wie diese oben beschrieben wurden, einen weiten
Bereich von vertikalen Stufenabständen zwischen den
Interferenzebenen bei den erfindungsgemäßen Aufbauten erreichen.
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Fig. 4 zeigt auch die zweite Belichtung. Hier werden
Objektstrahl 47 und Bezugsstrahl 48, die in diesem Fall
identisch sind und ein erfindungsgemäßes holographisches
Aztec-Beugungsgitter erzeugen, so gerichtet, daß sie beide
auf der oberen Oberfläche 30 der Photowiderstandsschicht 15
auftreffen. Außerdem sind Objektstrahl 47 und Bezugsstrahl
48 voneinander durch einen kleinen Winkel getrennt, dessen
Mittelsenkrechte im wesentlichen senkrecht auf der
Oberfläche 30 steht. Diese Geometrie ist eine, die in typischer
Weise benutzt wird, um ein achsversetztes holographisches
Gitter zu erzeugen, und als Ergebnis liegen die
Interferenzstreifen 60 bis 65 im wesentlichen senkrecht zur
Oberfläche 30 der Photowiderstandsschicht 15. Fig. 3 zeigt
ein erfindungsgemäßes holographisches Aztec-Beugungsgitter
10, welches durch die erste und zweite Belichtung erzeugt
wurde. Das erfindungsgemäße Gitter hat eine terrassenartige
Struktur, die einem linearen geöffneten Gitter oder einem
Stufenaufbau, der innerhalb eines andere periodischen
Aufbaus erzeugt wurde, überlagert ist.
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Wie oben beschrieben, liefert die erste Belichtung im
wesentlichen parallele Ebenen 20 bis 23 innerhalb der
Photowiderstandsschicht 15. Es ist jedoch klar, daß die
Entwicklung der Photowiderstandsschicht 15 nur die erste
Schicht 20 belichtet. Demgemäß erzeugt die zweite
Öffnungsbelichtung eine Öffnungsstruktur, die die Möglichkeit
schafft, wenigstens Teile der Schichten 20 bis 23 zu
belichten. Jedoch ist der spezielle Aufbau, der bei der
zweiten Belichtung für die Öffnungsschichten 20 bis 23
benutzt wurde, nicht kritisch. Tatsächlich kann die zweite
Öffnungsbelichtung eine Öffnungsstruktur haben, die als
Gitter ausgebildet ist, wie dies oben beschrieben wurde,
oder es kann sogar ein Hologramm sein. Insbesondere kann
das gesamte Grundmaterial unterschiedlicher Gitter oder
Hologramme als Öffnungsstruktur während der zweiten
Belichtung hergestellt werden. Beispielsweise ist ein geeigneter
Öffnungsaufbau ein hexagonales Honigwabengitter. Eine
solche Öffnungsstruktur wird während einer zweiten
Belichtung erzeugt, die die Anordnung dreier kohärenter Strahlen
umfaßt, die symmetrisch um die Oberfläche 30 gemäß einem
Verfahren verlaufen, welches in einem Artikel unter der
Bezeichnung "Holographic Honeycomb Microlens" von J. J.
Cowan, Optical Engr., Vol 24, Nr. 5, Sept.-Okt. 1985,
S. 796-802 (im folgenden als Cowan-Artikel bezeichnet), und
der US-A-4 496 216 beschrieben ist, auf welch beide hiermit
Bezug genommen wird. Die bevorzugte Periodizität der
Streifen liegt in einem Bereich zwischen einem und mehreren
Mikrometern und wird bestimmt durch den Winkel zwischen den
Strahlen. Die resultierenden Interferenzstreifen des
holographischen Öffnungsgitters, die gemäß dem Verfahren
nach dem Artikel erzeugt werden, verlaufen im wesentlichen
senkrecht zur Oberfläche 30.
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Durch sorgfältige Kontrolle der Ätzrate der entwickelten
Photowiderstandsschicht 15 des oben beschriebenen
hexagonalen
Honigwabengitters gemäß den Verfahren, die dem
Fachmann bekannt sind, umfaßt das resultierende
erfindungsgemäße Aztec-Gitter ein Feld von parabolförmig
gestalteten Einprägungen in der Oberfläche der
Photowiderstandsschicht 15. Insbesondere werden derartige
parabolförmige Einprägungen in einem positiven
Photowiderstandsmaterial erzeugt, wenn man ein Ätzmittel benutzt, das eine
nichtlineare Ätzrate aufweist. Weil reguläre vertikale
Stufen des VPR-Gitters, das als Ergebnis der ersten
Belichtung erzeugt wird, auf die parabolförmigen Einprägungen
gefügt werden, die als Ergebnis der zweiten Belichtung
hergestellt wurden, umfaßt der resultierende Aufbau eine
Gruppe von ringförmig gestalteten Stufen, wobei jede
Ringstufe die gleiche Fläche aufweist. Ein Querschnitt
einer Ausprägung in dem resultierenden Aufbau ist in Fig. 7
dargestellt und bildet eine Zonenplatte innerhalb eines
jeden hexagonalen Loches, d. h. eine Mikrozonenplatte.
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Weitere abgewandelte Ausführungsformen der Verfahren zur
Erzeugung einer Öffnungsstruktur sind geeignet zur
Benutzung bei der Herstellung erfindungsgemäßer Aztec-Gitter
oder Aztec-Hologramme. Die folgenden Ausführungsbeispiele
sollen nur illustrativ sein und nicht als beschränkend für
die Erfindung angesehen werden. Beispiele sind: (1) Eine
geeignete Öffnungsstruktur kann während einer zweiten
Belichtung hergestellt werden, die eine Belichtung des
Aufzeichnungsmediums durch vier kohärente Strahlen gemäß
dem Verfahren umfaßt, das in dem Cowan-Artikel beschrieben
ist; (2) eine geeignete Öffnungsstruktur kann während einer
zweiten Belichtung erzeugt werden, die die Belichtung des
Aufzeichnungsmaterials durch einen einzigen Strahl über
eine darübergefügte Maske umfaßt - ein Ausführungsbeispiel
einer solchen geeigneten Maske ist ein grobes Ronchi-
Gitter, das abwechselnd durchsichtige und opake Bereiche
umfaßt; (3) eine geeignete öffnungsstruktur kann während
einer zweiten Belichtung erzeugt werden, die eine
Belichtung des Aufzeichnungsmediums beispielsweise durch zufällig
gestreutes Licht umfaßt, wobei ein achsversetztes
Öffnungsgitter
durch Belichtung des Aufzeichnungsmediums durch
einen reinen unmodulierten Strahl und einen Strahl erzeugt
wird, der reflektiert wurde oder der durch eine diffus
streuende Platte, beispielsweise mattiertes Glas,
hindurchgetreten ist - wobei das zufällig gestreute Licht mit dem
reinen unmodulierten Strahl in Interferenz tritt, um eine
zufällige Phasenperturbation zu erzeugen; (4) ein
geeigneter Öffnungsaufbau kann in der Entwicklungsstufe erzeugt
werden, wenn bei der Vorbereitung der
Photowiderstandsoberfläche in der Vorstufe die obere Oberflächenschicht mit
einer Haut überzogen oder desensibilisiert wird. Eine
solche Desensibilisierung kann beispielsweise durch einen
Zwangsluftstrahl bewirkt werden, der die
Photowiderstandsoberfläche bei einer typischen Vorstufentemperatur zwischen
80 und 90 ºC trocknet. In diesem Fall können zu einer
gleichförmigen Belichtung gewisse Entwickler, vorzugsweise
Ätzmittel, in zufälliger Anordnung in gewissen Bereichen
über andere benachbarte Flächen ätzen, wodurch die
Oberfläche der darunterliegenden Pegel geöffnet wird. Dabei ist
zu berücksichtigen, daß die Funktion der zweiten oder der
Öffnungsbelichtung darin besteht, die Oberfläche des
Photowiderstands so zu belichten, daß der Stufenaufbau der
ersten Belichtung in gut definierten Terrassen geätzt
werden kann.
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Fig. 8 zeigt ein geradliniges Gitter 70 in Form dreieckiger
Nuten, welches durch Benutzung einer zweistrahligen
achsversetzten Öffnungsbelichtung hergestellt wurde. Es ist dem
Fachmann bekannt, wie eine derartige Dreiecknut unter
Benutzung einer geeigneten Kombination von linearen und
nichtlinearen Ätzratenentwicklern hergestellt werden kann
- bei Benutzung eines linearen Entwicklers, wo die Ätzrate
proportional zur Entwicklung ist, wird ein sinusförmiges
Profil erzeugt, während die Benutzung eines nichtlinearen
Entwicklers, der mehr Belichtung erfordert, um die gleiche
Ätzmenge zu liefern, ein Profil ergibt, das sich näher an
eine quadratische Wellenform annähert. In diesem Fall kann
das geradlinige Öffnungsgitter Stufen mit etwa gleichen
Flächen erzeugen.
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Im Licht der oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung
erfindungsgemäßer holographischer Aztec-Beugungsgitter gibt
es verschiedene grundlegende Unterschiede zwischen einem
herkömmlichen VPR-Beugungsgitter und/oder einem Hologramm
einerseits der bekannten Art und andererseits der
erfindungsgemäßen holographischen Aztec-Beugungsgitterbauart
und/oder des Aztec-Hologramms. Ein erster Unterschied
zwischen einem herkömmlichen VPR-Gitter und/oder einem
bekannten Hologramm und dem erfindungsgemäßen Aztec-Gitter
und/oder Aztec-Hologramm betrifft die Menge des
einfallenden Lichtes, das von jedem der Gitter reflektiert wird.
Aufeinanderfolgende Schichten, die in dem
Aufzeichnungsmaterial eines herkömmlichen VPR-Gitters und/oder
Hologramms gebildet wurden, sind im wesentlichen transparent.
Infolgedessen erfolgt nur eine geringe Reflexion von jeder
der drei Schichten. So trifft im wesentlichen das gesamte
einfallende Licht auf jede aufeinanderfolgende Schicht des
Gitters und/oder des Hologramms. Weil das
Aufzeichnungsmaterial im wesentlichen transparent ist, ist infolgedessen
die Oberfläche, die zur Reflexion auf jeder
aufeinanderfolgenden Schicht verfügbar ist, gleich der Fläche der
Aufzeichnungsoberfläche und demgemäß gleich für jede
aufeinanderfolgende Schicht. Infolgedessen wird das Licht,
welches durch ein herkömmliches VPR-Hologramm
hindurchtritt, mehrfach von mehreren Schichten reflektiert. Im
Gegensatz dazu ist bei dem erfindungsgemäßen Aztec-Gitter
und/oder Aztec-Hologramm nur ein kleiner Bruchteil des
gesamten Oberflächenbereichs jeder aufeinanderfolgenden
Schicht zur Reflexion verfügbar, und dies ist der Bereich
jeder aufeinanderfolgenden Stufe des terrassenförmigen
Aufbaus. Infolgedessen entspricht die wirksame Fläche für
die Reflexion im wesentlichen dem Oberflächenbereich des
Gitters oder Hologramms, d. h. jener Fläche einer der
Schichten eines herkömmlichen VPR-Gitters und/oder VPR-
Hologramms. Infolgedessen wird durch ein erfindungsgemäßes
Aztec-Gitter und/oder Aztec-Hologramm ein geringerer
Informationsgehalt geliefert als bei einem herkömmlichen
VPR-Gitter und/oder VPR-Hologramm.
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Ein zweiter Unterschied besteht darin, daß ein
holographisches Aztec-Beugungsgitter und/oder Aztec-Hologramm einen
zusätzlichen Öffnungsaufbau hat, beispielsweise ein
achsversetztes holographisches Gitter, welches über einen
gestuften Aufbau eines VPR-Beugungsgitters und/oder VPR-
Hologramms gefügt ist. Infolgedessen wird das Licht, das
auf einem erfindungsgemäßen Aztec-Gitter und/oder Aztec-
Hologramm auftrifft, durch das gestufte VPR-Gitter und/oder
das VPR-Hologramm oder durch das Öffnungsgitter und/oder
das Öffnungshologramm gebeugt. Wenn man demgemäß die
Beugungswirksamkeit des erfindungsgemäßen Aztec-Gitters
und/oder Aztec-Hologramms betrachtet, muß die Wirksamkeit
beider Aufbauten, d. h. das Gitter und/oder das Hologramm,
welches bei jeder Belichtung erzeugt wird, in Betracht
gezogen werden. Um die Brechungswirksamkeit des VPR-Gitters
und/oder VPR-Hologramms gegenüber der Brechungswirksamkeit
des Öffnungsaufbaus in Betracht zu ziehen, haben wir das
folgende angenäherte Modell betrachtet, um ein Verständnis
des erfindungsgemäßen Aufbaus zu liefern.
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Dazu soll ein relativ grobes, aber kontinuierliches,
periodisches Öffnungsgitter betrachtet werden, dessen
Interferenzstreifen vorherrschend senkrecht zur Oberfläche
des Aufzeichnungsmaterials verlaufen. Dann soll ein anderer
feinerer quantisierter Stufenaufbau betrachtet, der aus
Interferenzstreifen resultiert, die vorherrschend parallel
zur Oberfläche verlaufen, und dieser Aufbau soll über
diesen groben Aufbau gefügt werden. Dieser stufenförmige
oder terrassenförmige Aufbau kann auch als
Phasenquantisierung bezeichnet werden. Wir haben eine angenäherte
mathematische Analyse dieses Aufbaus durchgeführt, und
diese zeigt, daß hier ein beträchtlicher Unterschied in der
Brechungswirksamkeit des Aufbaus besteht, wenn quantisierte
Stufen vorhanden sind oder nicht vorhanden sind.
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Der Informationsgehalt eines konventionellen achsversetzten
Hologramms konzentriert sich auf das Brechungslicht erster
Ordnung. Infolgedessen versucht man im typischen Fall das
Brechungslicht erster Ordnung zu maximieren und das
reflektierte Licht der Null-Ordnung zu minimieren. Unsere
einfache Analyse der Brechungswirksamkeit eines
konventionellen Gitters zeigt, daß allgemein für normal
einfallendes Licht der größte Teil des gebeugten Lichtes
gleich in die erste Ordnung auf jeder Seite der
Gitternormalen aufgeteilt wird, und die Wirksamkeit der ersten
Ordnung liegt außer Phase mit der Wirksamkeit des Lichtes
der Null-Ordnung. Dies bedeutet, daß dann, wenn die
Wirksamkeit des gebeugten Lichtes der Null-Ordnung minimal ist,
die Wirksamkeit des gebeugten Lichtes der ersten Ordnung
maximal ist, und umgekehrt. In diesem Fall sind beide
Wirkungsweisen eine Funktion der Phase, die ihrerseits
direkt auf die Ätztiefe bezogen ist. Infolgedessen geht bei
sich erhöhender Ätztiefe mehr Licht in das gebeugte Licht
der ersten Ordnung über. Demgemäß wird bei der Entwicklung
eines herkömmlichen achsversetzten Hologramms in einer
Photowiderstandsschicht auf eine Tiefe geätzt, die
ausreicht, um einen Phasenwinkel zu erzeugen, der das
reflektierte Licht erster Ordnung maximiert. Gemäß den obigen
Ausführungen wird dadurch gleichzeitig das reflektierte
Licht der Null-Ordnung minimiert.
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Die Gestaltungslehre für ein erfindungsgemäßes Aztec-Gitter
und/oder Aztec-Hologramm steht im Gegensatz zu dem oben
erwähnten Prinzip eines achsversetzten Hologramms. Das
gebeugte Licht erster und höherer Ordnung des
achsversetzten Hologramms ist von geringem Interesse, und man
wünscht statt dessen das Licht zu maximieren, das vom
Aztec-Gitter und/oder Aztec-Hologramm gebrochen wurde. Von
diesem Licht kann man annehmen, daß es zu reflektiertem
Licht der Null-Ordnung führt.
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Hier wurde eine Unterscheidung getroffen zwischen dem
Informationsgehalt des Öffnungsgitters und jenem des Aztec-
Gitters und/oder des Aztec-Hologramms. Allgemein beruht der
Informationsgehalt eines jeden Hologramms auf dem gebeugten
Licht der ersten und höherer Ordnung, und die Null-Ordnung
bezieht sich nur auf das unmodulierte, ungebrochene Licht.
In diesem Fall jedoch gibt es zwei Brechungsstrukturen, d.
h. die grobe Öffnungsstruktur und die feine
Aztec-Stufenstruktur. Hier liefert die Öffnungsstruktur der Null-
Ordnung ein Lichtreservoir für den Aztec-Aufbau. Demgemäß
ist das gebeugte Licht erster Ordnung des Aztec-Aufbaus
äquivalent zu dem reflektierten Strahl der Null-Ordnung des
Öffnungsaufbaus. Diese Interpretation kann mit jener
verglichen werden, die von Kogelnik in einer gekoppelten
Wellenanalyse tiefer Hologramm-Wirksamkeiten beschrieben
ist (H. Kogelnik, "Coupled Wave Theory for Thick Hologram
Gratings", Bell Syst. Tech. J., 48, 2909 (1969)). Bei
dieser Analyse ist das Licht der Null-Ordnung der
einfallende Strahl, und seine Intensität wird ausgebeutet,
wenn der Strahl durch den Interferenzstreifenaufbau
hindurchtritt, wobei seine Energie mit dem Licht der ersten
Ordnung ausgetauscht wird. Bei einem VPR-Gitter bildet
dieses gebeugte Licht den reflektierten Strahl, was wir
hier als "reflektierter Strahl der Null-Ordnung"
bezeichnen. Bei einem VPR-Hologramm eines wirklichen
Gegenstandes wird der reflektierte Strahl sowohl in Intensität
als auch in Richtung moduliert. Infolgedessen sind die
Interpretationen der Koppelwellenanalyse und des hier
betrachteten Modells äquivalent.
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Unser Modell zeigt, daß die Wirksamkeit des Aztec-Gitters
in kritischer Weise davon abhängt, wie gut quantisiert die
Stufen sind. Dies rührt von der Tatsache her, daß die
Wirksamkeit des gebeugten Lichtes der Null-Ordnung für ein
"ungestuftes" Gitter bei etwa 100 % für die Null-Phase
beginnt und bei 2 π auf Null zurückgeht, und dann zwischen
dem niedrigen Wert und Null oszilliert, wobei die Null-
Werte bei der Phasendifferenz von 2 π auftreten. Im
Gegensatz dazu beginnt die Wirksamkeit des gebeugten Lichtes der
Null-Ordnung bei einem erfindungsgemäßen Stufengitter auch
bei 100 % für die Null-Phase, aber dann erfolgt eine
Schwingung zwischen 0 % und 100 %, und die Nullen
erscheinen bei Phasenwerten, die gleich ungeraden Vielfachen von π
sind, und die Werte von 100 % erscheinen bei Phasenwerten,
die gleich sind geradzahligen Vielfachen von π. Außerdem
ist dann, wenn das gebeugte Licht der Null-Ordnung minimal
ist, die erste Ordnung maximal, und umgekehrt. Wenn
demgemäß die Stufen eines erfindungsgemäßen Gitters nicht
genügend quantisiert sind, d. h. wenn die Stufen so schlecht
definiert sind, daß das Gitter wie ein herkömmliches
Gitter aussieht, dann wird das gebeugte Licht der Null-
Ordnung bei 2 π annähernd Null anstelle des gewünschten
Pegels von etwa 100 %. Dies führt zu zwei wichtigen
Auslegungserfordernissen für ein erfindungsgemäßes Aztec-
Gitter und/oder Aztec-Hologramm: (1) Die Stufen sollten mit
einer Tiefe ausgebildet sein, die ein Vielfaches der
Basisstufenhöhe ist, und jede zusätzliche Stufe sollte eine
Phasendifferenz von 2 π haben, und (2) es ist notwendig,
die Stufen sorgfältig so herzustellen, daß das gestufte
Profil gut definiert ist. Im Hinblick auf das Ätzen des
Photowiderstands-Aufzeichnungsmaterials bedeutet diese
zweite Auslegungsforderung, daß der erfindungsgemäße Aufbau
durch Benutzung eines nichtlinearen Ätzmittels hergestellt
werden sollte, damit gut quantisierte Stufen erzeugt
werden. Wie dem Fachmann bekannt, sind derartige
nichtlineare Ätzmittel schwache Entwickler, und sie erfordern
daher eine längere Zeit für die Entwicklung des Aufbaus als
im Falle der Verwendung eines linearen Entwicklers.
Infolgedessen sind die Stufen eines erfindungsgemäßen Aztec-
Gitters gut definierte parallele Aufbauten. Die Stufen
eines erfindungsgemäßen Aztec-Hologramms, für die das Bild
eines wirklichen Gegenstandes gebildet wird, werden jedoch
moduliert, d. h. sie sind nicht länger genau parallel, weil
ein Teil des von einem großen Gegenstand reflektierten
Lichtes auf das Aufzeichnungsmedium unter großen Winkeln
auftrifft und sich die Stufenhöhe etwas ändern kann.
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Diese Analyse des erfindungsgemäßen Aufbaus zeigt auch, daß
bei Vergrößerung der Zahl der vertikalen Stufen die
Bandbreite des gebrochenen Lichtes der Null-Ordnung schmaler
wird, selbst wenn die Intensität nicht ansteigt, wenn die
Bandbreite schmaler wird. Im Prinzip könnte man eine
willkürlich schmale Bandbreite einfach durch Erhöhung der
Zahl der Stufen erreichen. Praktische Erwägungen begrenzen
jedoch die Zahl der Stufen auf vielleicht nicht mehr als
zehn, wenn man die Periodizität und das Aspektverhältnis in
Rechnung stellt, wobei fünf oder sechs Stufen die übliche
Zahl sind. Dies steht im Gegensatz zu den typischen 20 bis
100 Schichten eines typischen herkömmlichen VPR-Hologramms.
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Bei den herkömmlichen VPR-Hologrammen kann eine hohe
Reflexionsfähigkeit erreicht werden, weil diese eine große
Zahl von Schichten besitzen und weil, wie oben beschrieben,
der gesamte Oberflächenbereich der Hologrammplatte für jede
der aufeinanderfolgenden Schichten benutzt werden kann. Bei
dem erfindungsgemäßen Aztec-Hologramm gibt es andererseits
nur eine einzige gestufte Schicht, so daß in der Nähe
dieser einen eine perfekte Reflexionsfähigkeit angenähert
werden kann, wobei der erfindungsgemäße Aztec-Aufbau mit
einer hochreflektierenden, gewöhnlich unter Vakuum
aufgedampften Metallschicht überzogen ist. Wenn dies geschieht,
dann wird die Reflexionsfähigkeit jeder Stufe angenähert
100 % - tatsächlich über 95 % für eine Silberschicht und
über 90 % für eine Aluminiumschicht. So ist der Prozentsatz
des von jeder folgenden Stufe reflektierten einfallenden
Gesamtlichtes fast gleich dem gebrochenen
Oberflächenbereich jener Stufe. Wenn beispielsweise 10 Stufen in einem
Mikrozonenplattenfeld vorhanden sind, dann hat jede Stufe
die gleiche Fläche und reflektiert 10 % des einfallenden
Lichtes zurück, wenn man eine perfekte Reflexionsfähigkeit
annimmt.
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Ein dritter Unterschied zwischen einem herkömmlichen VPR-
Hologramm und dem erfindungsgemäßen Aztec-Hologramm
geschieht als Folge der Betrachtung des Brechungsindex. Bei
einem herkömmlichen VPR-Hologramm ergibt sich eine relativ
kleine Änderung des Brechungsindex von einer Schicht zu der
nächsten über eine relativ große Zahl von Schichten. Dies
ergibt zunehmend eine schmale Bandbreite, da die Zahl der
Schichten ansteigt, aber nur bis zu einem gewissen Punkt.
Ein Ansteigen der Zahl der Schichten über jenen Punkt führt
zu einer breiteren Bandbreite. Bei einem erfindungsgemäßen
Aztec-Hologramm ändert sich andererseits der Brechungsindex
in hohem Maße, aber die Zahl der Stufen ist klein, und es
ist kein Sättigungspunkt in der Bandbreite vorhanden, der
als Folge der sich erhöhenden Zahl von Stufen auftritt.
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Wie oben beschrieben, hängt die Farbselektivität eines
VPR-Hologramms von der Aufzeichnungswellenlänge ab, und die
gleiche Farbe wird bei der Reflexion erhalten, die bei der
Konstruktion benutzt wurde. Ob man die gleiche Farbe
zurückerhält, hängt in der Praxis von dem Fehlen eines
Anschwellens oder Schrumpfens einer Stufenschicht ab. Da
ein Photowiderstand eine große strukturelle Stabilität
zeigt, ist dies kein Problem, wenn erfindungsgemäße Aztec-
Hologramme aus einem derartigen Aufzeichnungsmaterial
hergestellt werden.
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Die Farbänderung des reflektierten Lichtes kann bei einem
erfindungsgemäßen Aztec-Hologramm auf zwei verschiedene
Arten erreicht werden. Ein Verfahren der veränderung der
Farbe des von einem erfindungsgemäßen Aztec-Gitter und/oder
Aztec-Hologramm reflektierten Lichtes besteht bei dem oben
beschriebenen Verfahren darin, den Einfallswinkel der
Strahlen während der ersten Belichtung zu verändern, so daß
unterschiedliche Stufenabstände erlangt werden. Da die
Farbe des reflektierten Lichtes von diesem Abstand abhängt,
kann eine beträchtliche Steuerung in der Farbänderung auf
diese Weise erreicht werden. Dies ist in Fig. 6 erläutert,
die die Benutzung einer Prismenkopplung als Mittel zur
Veränderung des vertikalen Stufenabstandes zeigt.
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Ein weiteres Verfahren zur Veränderung der Farbe des von
dem erfindungsgemäßen Aztec-Gitter und/oder Aztec-Hologramm
reflektierten Lichtes ergibt sich infolge der Tatsache, daß
ein Aztec-Hologramm einen offenen Aufbau zeigt, der
normalerweise mit einer reflektierenden Metallschicht
überzogen wird, nachdem die vertikalen Stufen ausgebildet sind.
Dies zeigt deutlich einen vierten Unterschied zwischen
einem herkömmlichen VPR-Hologramm und einem
erfindungsgemäßen Aztec-Hologramm. Bei einem herkömmlichen VPR-
Hologramm ist der durchschnittliche Brechungsindex einer
lichtempfindlichen Schicht nach der Belichtung und
Behandlung im wesentlichen der gleiche wie vor der Belichtung. Im
Gegensatz dazu werden bei einem erfindungsgemäßen Aztec-
Hologramm die zwei Belichtungen in einer
Photowiderstandsschicht vorgenommen, die einen vergleichsweise hohen
Brechungsindex von beispielsweise n = 1,6 besitzt, aber
nach der Behandlung und nach Aufbringen des Metallüberzugs
nähert sich bei dem erfindungsgemäßen Stufenaufbau der
Brechungsindex bei dem einfallenden Licht jenem von Luft,
und Luft hat einen kleinen Brechungsindex von n = 1.
Infolgedessen streut der erfindungsgemäße Stufenaufbau das
Licht mit einer Wellenlänge, die doppelt so groß ist wie
die Stufenhöhe, kohärent zurück. Bei einer Stufenhöhe von
beispielsweise d = 143 nm für eine normale
Einfallsbelichtung bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Aufbaus wird
das reflektierte Licht eine Wellenlänge von 286 nm haben,
und dies liegt im Bereich von Ultraviolett. Um
zurückgestreutes Licht zu erhalten, welches die gleiche
Wellenlänge wie das belichtende Licht besitzt, muß der durch
Metall überzogene Stufenaufbau mit einer durchsichtigen
dielektrischen Schicht versehen werden, die einen
Brechungsindex von n = 1,6 besitzt. Auf diese Weise wird die
Wellenlänge des reflektierten Lichtes doppelt so groß wie
die Stufenhöhe, multipliziert mit dem Brechungsindex oder
286 x 1,6 = 458 nm, und diese Wellenlänge ist die gleiche
wie jene des blauen Lichtes, die bei der ursprünglichen
Belichtung während der Herstellung benutzt wurde.
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Als Folge der obigen Ausführungen knnen unterschiedliche
Farben dadurch erreicht werden, daß der erfindungsgemäße
Metallaufbau mit durchsichtigen dielektrischen Schichten
überzogen wird, die unterschiedliche Brechungsindizes
besitzen. Wenn der erfindungsgemäße Aufbau beispielsweise
mit einem klaren Dielektrikum überzogen wird, das einen
Brechungsindex von n = 2,0 besitzt, dann würde die
rekonstruierte reflektierte Wellenlänge 286 x 2,0 = 572 nm
betragen, und dies liegt im Bereich Gelb. Wenn andererseits
ein dielektrisches Material benutzt würde, das einen
Brechungsindex von n = 1,4 besitzt, dann würde die
rekonstruierte reflektierte Wellenlänge 286 x 1,4 = 400 nm
betragen, und dies ist Violett. Wenn der Einfallswinkel
während der Fabrikation von 0 º auf 60 º geändert würde und
ein vertikaler Stufenabstand von d = 170 nm besteht, dann
würde unter Benutzung einer Überzugsschicht mit einem
Brechungsindex von n = 2,0 die rekonstruierte reflektierte
Wellenlänge 170 x 2 x 2,0 = 680 nm betragen, und dies liegt
im Bereich Rot; bei n = 1,4 und d = 170 nm würde die Farbe
170 x 2 x 1,4 = 476 nm betragen, und dies ist Blaugrün. Es
ist für den Fachmann klar, daß es möglich ist, die
verschiedensten Farben dadurch zu erhalten, daß man entweder
eine oder die beiden beschriebenen
Farbverschiebungstechniken benutzt. In der Praxis ergeben sich jedoch einige
Beschränkungen hinsichtlich des Bereichs der
Brechungsindizes, die bei dielektrischen Überzugsmaterialien
verfügbar sind. Gegenwärtig vorhandene organische
Flüssigkeiten, die einen Brechungsindex bis zu 1,75 aufweisen,
gibt es zwar, aber es gibt sehr wenige durchsichtige
plastische Dielektrika, die Brechungsindizes über 1,6 oder
unter 1,4 aufweisen.
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All diese Grundbetrachtungen, die oben unter Bezugnahme auf
das erfindungsgemäße Aztec-Gitter beschrieben wurden,
führen genau zu dem erfindungsgemäßen Aztec-Hologramm, und
der einzige Unterschied besteht in dem Verfahren der
Aufzeichnung. Wie oben beschrieben, wird das Aztec-Gitter
durch Erzeugung von Interferenzen zwischen zwei reinen
unmodulierten Strahlen erreicht, die sich in
entgegengesetzten
Richtungen bewegen, und dann durch Ausbildung
einer Öffnungsstruktur. Bei der Herstellung eines Aztec-
Hologramms muß ein reiner unmodulierter Strahl, der sich in
einer Richtung bewegt, mit einem Strahl in Interferenz
treten, der sich in der Gegenrichtung bewegt und der von
einem wirklichen Gegenstand reflektiert wurde. Um das
Aztec-Hologramm zu erzeugen, ist es kritisch, daß eine
Stabilität über den gesamten Belichtungsprozeß
aufrechterhalten wird.
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Wenn außerdem die Öffnungsstruktur ein Gitter ist, speziell
ein hexagonales Honigwabengitter wie oben beschrieben, dann
muß das Ätzen oder die Entwicklung sorgfältig durchgeführt
werden, um zu gewährleisten, daß die Beugungswirksamkeit
des Öffnungsgitters dicht bei Null liegt. Andernfalls
werden die gebeugten Spektren vom Öffnungsgitter vom Bild
des Gegenstandes abgelenkt, das wir betrachten wollen.
Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, daß der
Öffnungsaufbau ein herkömmliches achsversetztes Hologramm des
Gegenstandes ist. Diese Geometrie schafft die Möglichkeit,
daß das Strukturhologramm stark in jenen Bereichen
entwickelt werden kann, wo die Intensitäten am höchsten waren,
und infolgedessen wird mehr des gestuften Aufbaus
belichtet. Gleichzeitig ist das vom achsversetzten Hologramm
gebeugte Licht ein Maximum in den gleichen Bereichen wie
die maximale Beugungswirksamkeit, die von dem gestuften
Aztec-Aufbau erwartet wurde. Außerdem ergeben sich die
gleichen Betrachtungen für die Beugungswirksamkeit für ein
erfindungsgemäßes Aztec-Hologramm, wie dies oben beschrieben
wurde, bei dem Aztec-Gitter, nämlich dann, wenn das
achsversetzte Hologramm dunkel und das Aztec-Hologramm hell
wird.
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Es ist auch möglich, den Öffnungsaufbau auf einem
Axenhologramm oder einem Gabor-Hologramm des Gegenstandes zu
machen. In diesem Fall wird ein Doppelbild des Gegenstandes
gebildet, wobei das eine Bild der +1-Beugungsordnung und
das andere der -1-Beugungsordnung entspricht, die
gleichzeitig
auf der gleichen Achse auftreten. Nach Entwicklung
verschwinden diese Bilder graduell, und ein einziges
VPR-artiges Bild erscheint an ihrer Stelle.
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Die Inline-Konfiguration kann wahrscheinlich am besten
unter Bezugnahme auf Fig. 11 realisiert werden. Diese Figur
zeigt einen Bezugsstrahl, der durch eine Schicht eines
Photowiderstandsmaterials hindurchtritt und auf der anderen
Seite auf einen Gegenstand auftrifft. Das reflektierte
Licht des Gegenstandes durchläuft dann in Gegenrichtung die
Photowiderstandsschicht. Die Wellenfronten des
Bezugsstrahls sind eben, aber jene des Objektlichtes sind
gekrümmt, da sie von einem punktartigen Objekt ausgehen.
Außerdem wird ein Teil des Bezugsstrahls in Gegenrichtung
von der Rückseite der Photowiderstandsschicht reflektiert.
Dieser reflektierte Bezugsstrahl schreitet nun in der
gleichen allgemeinen Richtung voran wie der Objektstrahl.
Es gibt daher eine Gruppe von
Reflexions-Interferenzstreifen, die zwischen dem Bezugsstrahl und dem
Objektstrahl erzeugt werden und die im wesentlichen parallel zu
der Oberfläche verlaufen, und es gibt eine weitere Gruppe
von Interferenzstreifen, die zwischen dem reflektierten
Bezugsstrahl und dem Objektstrahl verlaufen und im
wesentlichen senkrecht zur Oberfläche stehen. Diese letztgenannte
Gruppe von Interferenzstreifen bildet das
Öffnungshologramm. Fig. 12 zeigt die entwickelte Oberfläche der
Photowiderstandsschicht mit dem gestuften Aztec-Aufbau, der auf
den groben Öffnungsaufbau gefügt ist. Interferenzstreifen
zwischen den einfallenden und reflektierten Bezugsstrahlen
sind nicht bedeutend, da sie einen geringen Kontrast
infolge der beträchtlichen Intensitätsunterschiede jener
zwei Strahlen haben. Das allgemeine Prinzip, welches hier
dargestellt ist, wird nicht geändert, wenn der einfallende
Strahl in die Photowiderstandsschicht unter einem gewissen
Winkel eintritt, da die Komponenten des Lichtes, die für
den Interferenzstreifenaufbau verantwortlich sind, noch
senkrecht zur Oberfläche verlaufen und der reflektierte
Bezugsstrahl und der Objektstrahl noch in der gleichen
allgemeinen Richtung verlaufen.
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Die Fig. 9 und 10 zeigen zwei weitere
Aufzeichnungsmöglichkeiten zur Herstellung von erfindungsgemäßen
Aztec-Hologrammen. In Fig. 9 ist der aktuelle Gegenstand 100, der
abgebildet werden soll, in einem Indexanpaßmaterial 105
eingekapselt, das benachbart zu der Photowiderstands-
Aufzeichnungsschicht 115 liegt, die auf eine Glasoberfläche
110 aufgetragen ist. Der Aufzeichnungsstrahl 120, der auf
die Glasoberfläche 110 auffällt, tritt durch diese hindurch
und trifft auf den Gegenstand 100. Das Licht wird vom
Gegenstand 100 durch die Photowiderstandsschicht 115
reflektiert. Infolgedessen wird ein gestufter Aufbau
innerhalb der Photowiderstandsschicht 115 erzeugt.
Gleichzeitig wird ein kleiner Anteil des Lichtes vorn Bezugsstrahl
120 an der Zwischenfläche zwischen der Widerstandsschicht
115 und der Glasschicht 110 reflektiert. Dieses
reflektierte einfallende Licht 130 tritt nun mit dem Licht 125 in
Interferenz, welches vom Gegenstand 100 reflektiert wurde,
und wenn der Winkel zwischen dem reflektierten einfallenden
Licht 130 und dem Licht 125 etwas unterschiedlich ist, dann
wird ein achsversetztes Hologramm erzeugt. Wenn dieser
Winkel sehr klein oder im wesentlichen Null ist, dann wird
das Hologramm im wesentlichen auf der Achse erzeugt und
wird demgemäß ein Inline-Hologramm oder ein
Gabor-Hobgramm. Wenn die Intensitätspegel, die von dem
achsversetzten Hologramm geliefert werden, genügend groß sind im
Vergleich mit jenen des gestuften Aufbaus, dann werden nach
der Entwicklung die unten liegenden Stufen durch ein
Entwicklerätzmittel geöffnet, und es wird ein
Aztec-Hologramm geschaffen.
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Eine Alternative zu dieser Technik ist der Ersatz des
tatsächlichen Gegenstandes 100 durch ein Standard-VPR-
Hologramm des Gegenstandes. Dieses Hologramm kann unter
Benutzung bekannter Techniken und Materialien hergestellt
werden, aber mit einer solchen Kombination von
Aufzeichnungswinkeln, daß die Beugungswirksamkeit für den
jeweiligen
Einfallswinkel maximiert wird, der tatsächlich benutzt
wird, um das Aztec-Hologramm herzustellen.
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Bei einer zweiten Aufzeichnungskonfiguration zur
Herstellung von erfindungsgemäßen Aztec-Hologrammen wird ein
Master-Hologramm des Gegenstandes unter Benutzung eines
parallelisierten Bezugsstrahls hergestellt. Dann wird, wie
aus Fig. 10 ersichtlich, das Mater-Hologramm 150 wieder in
Position gebracht und umgekehrt und durch den Bezugsstrahl
160 beleuchtet. Infolgedessen wird ein projiziertes
wirkliches Bild 165 mit gleicher Größe wie der Gegenstand
erzeugt und dient als Objektstrahl, der auf einer Seite der
Oberfläche 170 der Aufzeichnungs-Photowiderstandsschicht
auftrifft. Ein Teil des Bezugsstrahls 180 trifft auf den
Spiegel 200 und wird so reflektiert, daß der Strahl in die
Aufzeichnungsplatte 170 aus einer Richtung eintritt und ein
anderer Teil des ankommenden Strahles 185 in die
Aufzeichnungsplatte 170 von der Gegenseite her eintritt. Der
gestufte Aufbau wird durch das reelle projizierte Bild 165
gebildet und durch den Teil des Bezugsstrahls 185, während
das achsversetzte Öffnungshologramm durch einen Teil des
Aufzeichnungsstrahls 180 und das projizierte wirkliche Bild
165 gebildet wird, die unter einem kleinen Winkel
zueinander auf der gleichen Seite der Aufzeichnungsplatte
auftreffen. Die in Fig. 10 dargestellte Konfiguration
erfordert eine elektronische Streifenblockierung, um eine
Stabilität für den Stufenaufbau während der Belichtungszeit
zu gewährleisten.
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Bei einem abgewandelten Ausführungsbeispiel dieser
Aufzeichnungsausbildung wird das Master-Hologramm 150 mit
einer im Vakuum verdampften Schicht aus Aluminium überzogen
und auf einer durchsichtigen Plastikscheibe, beispielsweise
aus Plexiglastm, aufgetragen. Die Platte hat eine solche
Dicke, daß das reflektierte projizierte Bild 165 auf der
gegenüberliegenden Seite fokussiert wird, wenn es durch
einen parallelisierten Bezugsstrahl beleuchtet wird, wie
dies in Fig. 13 dargestellt ist.
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Ein Teil des Bezugsstrahls beleuchtet die
Aufzeichnungsplatte 170 von der anderen Seite wie der Lichtstrahl des
reellen Bildes, und die beiden Strahlen bilden dann den
gestuften Aufbau. Es bestehen zwei Optionen, um das
Öffnungshologramm herzustellen. Bei der ersten Option wird ein
Teil des Bezugsstrahls durch Spiegel derart aufgespaltet,
daß das Licht in die Platte von der gleichen Seite wie das
Objektlicht eintritt, so daß ein achsversetztes Hologramm
erzeugt wird. Bei der zweiten Option wird ein Teil des
Bezugsstrahls von der Aufzeichnungsplatte 170, wie in Fig.
13 strichliert angedeutet, reflektiert. Wenn der
Einfallswinkel genügend groß ist, dann reicht die
Reflexionsfähigkeit der Platte 170 aus, um entweder ein
achsversetztes oder ein in der Achse liegendes Hologramm des
Gegenstandes zu erzeugen.
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Das hier beschriebene Verfahren hat den Vorteil, eine
bessere Stabilität bei der Erzeugung der gestuften
Interferenzstreifen zu bewirken als bei dem Verfahren nach
Fig. 10, so daß die Notwendigkeit elektronischer
Streifenverrastung entfallen kann. Die Anbringung des Master-
Hologramms 150 und der Aufzeichnungsplatte 170 kann
beispielsweise in Verbindung mit einem Indexanpassungszement,
beispielsweise einem durchsichtigen Epoxydharz, vorgenommen
werden.
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Wenn ein erfindungsgemäßes Aztec-Hologramm in einer
Photowiderstandsschicht erzeugt wurde, kann es unter Benutzung
herkömmlicher Techniken, wie sie aus dem Stande der Technik
bekannt sind, vervielfältigt werden. Beispielsweise wird
die Photowiderstandsplatte mit einem leitfähigen Metall,
beispielsweise aufgedampftem Silber, überzogen und in ein
Elektroplattierungsbad eingetaucht, und es wird eine
Nickelschicht auf die Oberfläche plattiert. Wenn die
Elektroplattierung vollendet ist, dann wird die
Widerstandsschicht abgezogen, und die Nickelplatte bildet ein
Spiegelbild des in der Photowiderstandsschicht erzeugten
Musters. Das Muster eines Aztec-Gitters in einer
Photowiderstandsschicht, beispielsweise unter Benutzung eines
Honigwaben-Öffnungsgitters, ergibt ein Feld invertierter
Pyramiden. Andererseits ist das Muster in der
Nickelnachbildung ein Feld aufrechtstehender Pyramiden.
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Die Nickelnachbildung kann nunmehr benutzt werden, um das
Muster in Plastikmaterial einzuprägen. Solange die Stufen
der Struktur genau definiert sind, ohne daß ein
Hinterschneiden erfolgt, kann das Prägen in herkömmlicher Weise
unter Benutzung von Wärme, Lösungsmitteln, Druck oder
Kombinationen hiervon durchgeführt werden, um anfänglich
das Plastikmaterial zu erweichen. Es muß Sorgfalt während
der Prägung angewandt werden, um Verzerrungen zu
vermeiden, insbesondere jene, die in Vertikalrichtung
auftreten könnten, weil, wie oben erwähnt, Veränderungen in
der Stufenhöhe die Beugungswirksamkeit vermindern.
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Wenn das eingeprägte Muster nunmehr mit Metall,
beispielsweise Aluminium, überzogen wird, kann das Hologramm oder
Gitter durch die Schutzplastikschicht hindurch betrachtet
werden. Wenn der Brechungsindex des Plastikmaterials der
gleiche ist wie jener der Photowiderstandsschicht, dann ist
die Farbe die gleiche wie die aufgezeichnete Farbe. Wenn
der Brechungsindex des Plastikmaterials kleiner ist als der
der Photowiderstandsschicht, und dies ist gewähnlich der
Fall, dann wird die Farbe nach Blau hin verschoben.
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Ein Abwandlung des oben beschriebenen Verfahrens umfaßt ein
Überziehen der aluminisierten Oberfläche des
Plastikmaterials mit einer unterschiedlichen Schicht aus Plastik,
und zwar einem, dessen Index in der oben beschriebenen
Weise auf eine gewünschte Farbe eingestellt wird. Wenn man
verschiedene unterschiedliche Arten von Plastik benutzt, um
verschiedene Teile des Hologramms zu überziehen, dann kann
ein Mehrfarbenbild erzeugt werden.
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Die erfindungsgemäße Aztec-Struktur, welche oben
beschrieben
wurde, kann als optischer Datenspeicher benutzt werden.
Im allgemeinen ist ein Aufzeichnungsmittel erwünscht, das
mit einer dünnen Schicht auf einer Scheibe derart überzogen
ist, daß die Information punktweise durch einen Laserstrahl
gespeichert werden kann, der auf der Oberfläche fokussiert
wird. Ein Beispiel eines solchen Speichers ist eine Reihe
von Vertiefungen oder Einprägungen, die längs einer
Führungsnut der Scheibe eingeprägt sind. Die Information wird
über einen weiteren fokussierten Laserstrahl wiedergegeben,
indem die Unterschiede der Reflexion von der vertieften
Oberfläche festgestellt werden. Wenn die mit Vertiefungen
versehene Oberfläche in der Weise präpariert wird, daß
keine Löschung erfolgen kann, dann wird ein solcher
Speicher als ROM oder Nur-Lesespeicher bezeichnet.
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Die Benutzung des erfindungsgemäßen Aztec-Aufbaus bei der
Herstellung von Datenspeichern beruht auf den Unterschieden
in der Reflexionsfähigkeit, die zwischen kontinuierlichen
Gittern und tiefgestuften Gittern oder tiefgestuften
Gittern mit Überzügen unterschiedlichen Brechungsmaterials
bestehen. Wie oben erwähnt, führt ein Gitter mit einer
tiefen dreieckigen fortlaufenden Nut zu einem
Beugungsgitter der Null-Ordnung, das sich Null annähert, wenn der
Phasenwinkel größer wird. Wenn die Nut gestuft ist,
erreichen diese Wirksamkeiten jedoch 100 %, wenn die
einfallende Wellenlänge gleich der zweifachen Stufenhöhe ist.
Demgemäß ergeben sich sehr große Differenzen in der
Reflexionsfähigkeit zwischen diesen beiden Fällen.
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Eine herkömmliche optische Datenspeicherdiskette enthält
eine Spiralspur mit einem Spurabstand von etwa 1,6 µm. Wenn
die Seiten der Spur mit einem gestuften reflektierenden
Aufbau geprägt sind und die Spur beispielsweise geprägtes
oder gespritztes Plastikmaterial ohne metallischen Überzug
ist, dann ist die Reflexionsfähigkeit im allgemeinen
niedrig, d. h. geringer als 5 %. Bei einem opaken
Aluminiumüberzug beträgt die Reflexionsfähigkeit jedoch mehr
als 90 %. Wenn der Überzug nun dünner gemacht wird, so daß
er teilweise transparent ist, dann kann die
Reflexionsfähigkeit immer noch relativ hoch, beispielsweise 50 %,
sein. Wenn das eingeprägte Plastikmaterial durch Einfärbung
oder andere Mittel für die Schreibwellenlänge absorbierend
gemacht wird, dann gelangt jener Teil des einfallenden
Lichtes, der nicht reflektiert wird, durch die
Metallschicht und wird durch das Plastikmaterial absorbiert. Die
Lichtintensität ist genügend hoch, um den feinen seitlich
gestuften Aufbau gerade anzuschmelzen, so daß er
zusammenfließt und eine kontinuierlich geneigte Oberfläche bildet.
Wenn dies geschieht, dann wird die Reflexionsfähigkeit von
der Nut charakteristisch für ein tiefes Dreieckprofil mit
seiner geringen Reflexionsfähigkeit statt mit der hohen
Reflexionsfähigkeit der gestuften Oberfläche. Demgemäß
hängt bei diesem Ausführungsbeispiel die Speicherung von
Daten von der örtlichen Destruktion des tiefen Aztec-Aufbaus
an gewissen Stellen längs der Spiralform ab, und es wird
ein Nur-Lesespeicher geschaffen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel benutzt die Unterschiede
in der Reflexionsfähigkeit, die durch Überziehen der
Spiralnut mit einem dielektrischen Überzugsmaterial erlangt
wird, und indem dann der Brechungsindex der Schicht
geändert wird. Wenn man beispielsweise eine Stufenhöhe
betrachtet, die auf Resonanz bei einer gewissen Leser-
Laser-Wellenlänge abgestimmt ist, wenn die Schicht mit
einem speziellen dielektrischen Material überzogen wird.
Der Schreib-Laser verursacht eine geringe Änderung des
Brechungsindex des Überzugsmaterials. Wenn dann der Lese-
Laserstrahl diesen Bereich der Spur ansteuert, ist er nicht
länger in Resonanz, und die Reflexionsfähigkeit wird
niedrig. Wenn die Änderung des Brechungsindex permanent
ist, würde dies zu einem Nur-Lesespeicher führen. Wenn der
Brechungsindex auf seinem vorherigen Wert gespeichert
werden kann, führt dies zu einem löschbaren Speicher.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel wird durch Expansion oder
Kontraktion der eingeprägten Seitenwände des Aztec-Aufbaus
realisiert, und zwar durch die Wärme des fokussierten
Schreib-Laserstrahls. Dies würde zu einem sogenannten
"Harmonika-Effekt" führen, wodurch die gesamte
Plastikseitenwand des Aztec-Aufbaus im Bereich beispielsweise
lokaler Erhitzung die vertikale Dimension ändern würde, so
daß der Stufenabstand gleichförmig in diesem Bereich
geändert würde. Eine solche gleichförmige Änderung des
Stufenabstandes würde eine entsprechende Änderung der
Lese-Wellenlänge bewirken, und demgemäß würde eine Anzeige
des Informationsspeichers in diesem Bereich geschaffen. Aus
den gleichen Gründen könnte ein löschbarer Speicher
geschaffen werden, wenn beispielsweise eine
Temperaturänderung einem Ausdehnungsbereich so angelegt würde, daß
der ausgedehnte Bereich auf die frühere Dimension
zusammengedrückt wird.
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Der tatsächliche gestufte Seitenwand-Datenspeicheraufbau
kann unter Benutzung von Kombinationsmasken hergestellt
werden, indem optische lithographische und/oder Laser-
Belichtungen in einer Photowiderstandsschicht auf einem
geeigneten Substrat durchgeführt werden. Die gewünschte
Spiralspur kann durch herkömmliche Techniken unter
Benutzung einer Ultraviolett-Belichtung durch eine
Chrommaske hergestellt werden. Wenn beispielsweise die
Periodizität der Maske 1,6 µm beträgt und ein flacher Bereich
zwischen den Spuren von 0,6 µm vorhanden ist, dann würde
die Maske eine Spirale aus opakem Chrom mit einer Breite
von 0,6 µm sein, die durch eine durchsichtige Spirale der
Breite von 1,0 µm getrennt ist. Die Maske würde in
Berührung mit der Photowiderstandsschicht aufgesetzt, und die
Belichtung erfolgt mit einer Ultraviolett-Lampe. Dies kann
entweder vor oder nach der Laser-Belichtung geschehen. Der
Stufenaufbau würde durch eine Laser-Belichtung durch die
Rückseite der Photowiderstandsschicht geschaffen, unter
Benutzung eines Prisma, das, wie in Fig. 6 beschrieben,
angekoppelt ist. Man nimmt an, daß die
Photowiderstandsschicht auf einem durchsichtigen Substrat aufgebracht ist.
Wenn man eine geeignete Kombination von Entwicklern und
Belichtungen wählt, kann man die Spiralspur derart ätzen,
daß der Anstieg nicht zu steil wird, und demgemäß würden
die Stufen in gut definierten Terrassen geätzt. Eine
Alternative zur Benutzung der Überzugsmaske für die
Spiralspur besteht darin, direkt eine Spirale unter Benutzung
eines fokussierten Laserstrahls aufzuzeichnen.
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Es ist für den Fachmann klar, daß weitere
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung benutzt werden können,
ohne von den Lehren der Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise braucht das Aufzeichnungsmaterial, welches zur
Herstellung des erfindungsgemäßen
Aztec-Hologramm-Beugungsgitters und/oder des Aztec-Hologramms benutzt wird, nicht
auf Photowiderstandsschichten beschränkt sein, und es gibt
eine große Anzahl anderer Materialien, die hier verwendbar
sind. Außerdem könnten die erfindungsgemäßen gestuften
Aufbauten anders als durch Laser-Interferenz hergestellt
werden. Insbesondere umfassen derartige abgewandelte
Technologien die Benutzung von Verfahren, beispielsweise
ein Elektronenstrahlschreiben und ein
Elektronenstrahlschleifen.