DE69103983T2 - Verfahren zum Kopieren eines holographischen optischen Elements und Verwendung des hergestellten Elements. - Google Patents

Verfahren zum Kopieren eines holographischen optischen Elements und Verwendung des hergestellten Elements.

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    • G03HHOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische holographische Elemente im allgemeinen und betrifft insbesondere ein Verfahren für die Reproduktion eines optischen holographischen Elementes und eine Verwendung des erhaltenen optischen holographischen Elementes.
  • Ein Hologramm vom dünnen Typ, dessen Struktur eine Abfolge von Linien aufweist, kennzeichnet sich durch einen variablen räumlichen Transmissionskoeffizienten (Kx, Ky). Die Verfahren der Reproduktion eines Hologrammes ermöglichen, diese Linien in einem holographischen Aufzeichnungsträger zu registrieren. Das zu reproduzierende Hologramm wird als Herstellungshologramm bezeichnet. Der Aufzeichnungssupport wird als Systemhologramm bezeichnet.
  • Ein Hologramm kann charakterisiert werden durch seine Beugungswirksamkeit (siehe H.P. Herzig, Optics Communications, V 58 (1986), Nr. 3, S. 144, und H. Kogelnick, Bell. Syst. Techn., J. 48 (1969), S. 2909). Die minimale Beugungswirksamkeit wird erhalten, wenn die Bragg'sche Bedingung in allen Punkten des Hologramms erfüllt ist. Der Stand der Technik lehrt, daß die Hologramme vom dicken Typ die einzigen sind, die das Erzielen einer Beugewirksamkeit nahe bei 100% ermöglichen.
  • Die Reproduktion optischer holographischer Elemente kann nach zwei bekannten Haupttechniken ausgeführt werden, die von William T. Rhodes beschrieben sind in "Hologram Copying", Handbook of Optical Holography, Academic Press, S. 373 bis 378. Eine erste Technik ermöglicht die Erlangung einer Kopie eines Hologramms durch ein Verfahren der Rekonstruktion. Eine zweite Technik basiert auf einem Reproduktionsverfahren mittels Kontakt.
  • Bei dem ersten Verfahren erhält man ein Systemhologramm durch Aufzeichnen entweder eines virtuellen Bildes oder eines reellen Bildes eines Obiektes. Diese Bilder wurden zunächst in einem ersten Hologramm aufgezeichnet, das als Herstellungshologramm bezeichnet wird. Diese Bilder werden erzeugt durch Beugung einer Rekonstruktionswelle an dem Herstellungshologramm. Das Interferenzdiagramm, gebildet durch die gebeugte Rekonstruktionswelle und eine Referenzwelle, wird in einem holographischen Aufzeichnungsträger aufgezeichnet, um das Systemhologramm zu bilden.
  • Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß es die gleiche interferometrische Stabilität erfordert wie iene, die für die Aufzeichnung des Herstellungshologramms benötigt wurde. Die Beugewirksamkeit wird erhalten durch die Steuerung der Lichtintensitäten der gebeugten Rekonstruktionswelle und der Referenzwelle und insbesondere des Auftreffwinkels.
  • Das zweite Verfahren besteht darin, einen holographischen Aufzeichnungsträger direkt in Kontakt mit dem Herstellungshologramm zu bringen. Die Beleuchtung dieses Herstellungshologramms mittels einer ebenen Welle erzeugt ein Durchlaßbündel der Ordnung null und ein Beugebündel der ersten Ordnung.
  • Das Systemhologramm wird hier erhalten nach Aufzeichnung des Interferenzdiagramms, gebildet durch die Interferenz zwischen dem Bündel der Ordnung null und dem genannten gebeugten Bündel erster Ordnung.
  • Dieses zweite Verfahren hat den Nachteil, eine Rekonstruktionswelle zu erfordern, identisch mit der ursprünglichen Referenzwelle, die verwendet wurde für die Aufzeichnung des Herstellungshologramms. Im anderen Falle wäre die Auflösung des rekonstruierten Bildes, ausgehend von dem Systemhologramm, verringert relativ zu dem Bild, rekonstruiert ausgehend von dem Herstellungshologramm. Außerdem wäre das Feld des Systemhologramms verringert gegenüber ienem des Herstellungshologramms. Darüberhinaus führt eine Änderung der Wellenlänge der Rekonstruktionswelle zu einem aus dem Herstellungshologramm rekonstruierten Bild schlechter Qualität. Mit anderen Worten erfordert die identische Reproduktion des Herstellungshologramms die Verwendung einer Rekonstruktionswelle, welche dieselbe Krümmung, dasselbe Auftreffen und dieselbe Wellenlänge aufweist wie die ursprüngliche Referenzwelle.
  • Eine Hauptbeschränkung der Verfahren nach dem Stand der Technik besteht darin, daß sie nur den Erhalt eines Systemhologrammes ermöglichen, dessen aufeinanderfolgende Linien, aus denen es besteht, identisch sind mit ienen des Herstellungshologramms. Mit anderen Worten haben, beide, das Herstellungshologramm und das Systemhologramm, denselben räumlichen Transmissionskoeffizienten. Eine Konsequenz des Vorstehenden ist, daß man nicht gleichzeitig ein Systemhologramm identischer Struktur mit der Struktur des Herstellungshologramms, und ein Systemhologramm erhalten kann, das eine minimale Beugewirksamkeit an allen Punkten für eine gegebene auftreffende Welle aufweist. Die Beugewirksamkeit der holographischen Elemente nicht gleichförmiger Struktur, erhalten durch die bekannten Verfahren, ist nämlich nicht minimal an allen Punkten des holographischen Elementes.
  • Ein Gegenstand der Erfindung besteht in einem Reproduktionsverfahren eines optischen holographischen Elementes in einer holographischen Emulsion, die ein Hologramm aufzeichnen kann, mit einer minimalen Beugewirkung in allen Punkten, welches Verfahren nicht die vorstehend aufgezählten Beschränkungen aufweisen soll.
  • Ein anderer Gegenstand der Erfindung ist ein Reproduktionsverfahren eines optischen holographischen Elements, das eine Transformation der Wellenfront sicherstellt sowie eine vorbestimmte Beugewirksamkeit.
  • Mit anderen Worten ist ein Gegenstand der Erfindung ein Verfahren, das es ermöglicht, ein Systemhologramm mit einer nicht gleichförmigen Struktur und mit minimaler Beugewirksamkeit an allen Punkten der Ebene des Systemhologramms zu erlangen.
  • Die Merkmale der Erfindung sind in den Ansprüchen definiert.
  • Ein Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung für das Aufzeichnen eines optischen holographischen Elementes liegt in den geringen Kosten der Ausführung des Verfahrens wie auch darin, daß man Systemhologramme mit hoher Wirksamkeit erhält.
  • Ein weiterer Vorteil des Verfahrens der Erfindung ist das Erhalten einer kontinuierlichen Aufzeichnung und hohem Wirkungsgrad eines Systemhologramms mit nichtgleichförmiger Struktur. Andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung, die nur als illustrativ zu verstehen ist, und in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen
  • Fig. 1.a und 1.b zwei Techniken nach dem Stand der Technik zeigen, welche die Aufzeichnung eines Hologramms durch ein Rekonstruktionsverfahren (Fig. 1.a) bzw. durch ein Kontaktreproduktionsverfahren (Fig. 1.b) ermöglichen und die
  • Fig. 2 eine mögliche Konfiguration zeigt, eingesetzt für die Reproduktion eines optischen holographischen Elementes gemäß der Erfindung.
  • Die Figuren 1.a und 1.b illustrieren die beiden Techniken nach dem Stand der Technik, erwähnt in der Einleitung der vorliegenden Beschreibung.
  • Die nachstehende Tabelle 1 listet die Übereinstimmungen zwischen den Bezugszeichen auf, die in Fig. 1 auftauchen und den Elementen, welche sie bezeichnen. Tabelle 1 BEZUGSZElCHEN ELEMENTE reelles Bild virtuelles Bild Herstellungshologramm Rekonstruktionswelle gebeugte Rekonstruktionswelle Referenzwelle Systemhologramm Durchlaßbündel der Ordnung null gebeugtes Bündel erster Ordnung
  • Die Fig. 1.a zeigt ein Systemhologramm 16, erhalten durch Aufzeichnung entweder eines virtuellen Bildes 11 oder eines reellen Bildes 10 eines Obiektes, welche Bilder vorher in einem ersten Hologramm, als Herstellungshologramm 12 bezeichnet, aufgezeichnet worden waren. Diese Bilder werden erzeugt durch Beugung einer Rekonstruktionswelle 13 an dem Herstellungshologramm. Das Interferenzdiagramm, gebildet durch die gebeugte Rekonstruktionswelle 14 und eine Referenzwelle 15, wird in einem holographischen Aufzeichnungsträger aufgezeichnet, um das Systemhologramm zu bilden.
  • Die Fig. 1.b zeigt einen holographischen Aufzeichnungsträger vor dem Herstellen des optischen holographischen Systemelementes 16 in direktem Kontakt mit dem Herstellungshologramm 12. Die Beleuchtung dieses Herstellungshologramms mittels einer Rekonstruktionswelle 13 erzeugt ein Durchlaßbündel 17 der Ordnung null und ein gebeugtes Bündel 18 erster Ordnung. Das Systemhologramm wird hier erhalten nach Aufzeichnung des Interferenzdiagramms, gebildet durch Interferenz zwischen dem Bündel der Ordnung null und dem gebeugten Bündel erster Ordnung.
  • Eine mögliche Konfiguration, welche die Aufzeichnung eines Herstellungshologramms 1 entsprechend der Erfindung ermöglicht, ist in Fig. 2 dargestellt.
  • Das Herstellungshologramm 1 wird mittels eines bekannten Verfahrens realisiert, beispielsweise durch vorheriges Aufzeichnen auf einem holographischen Aufzeichnungsträger, getragen von einem Substrat des Interferenzdiagramms, gebildet in der genannten Schicht durch Interferenz zwischen einem Obiektbündel und einem Referenzbündel. Das holographische Material wird entwickelt, um schließlich das Herstellungshologramm 1 zu bilden. Dieses Herstellungshologramm ist beispielsweise ein dünnes Hologramm, dessen Struktur durch einen Vektor mit zwei Abmessungen (Kx- Ky) repräsentiert werden kann. Dieses erste Hologramm wird verwendet für die Erzeugung des optischen holographischen Systemelementes 2.
  • Der holographische Aufzeichnungsträger vor der Herstellung des holographischen optischen Systemelements wird in direkten Kontakt mit dem Herstellungshologramm gebracht.
  • Gemäß dem Verfahren der Erfindung durchläuft eine Anfangswelle 3 einen optischen Pfad, auf dem sich ein Hologramm 6 befindet, erzeugt beispielsweise von einem Computer. Dieses computerzeugte Hologramm ist beispielsweise ein dünnes Hologramm vom synthetischen Typ und von geringer Wirksamkeit. Die auf diese Weise gestörte Anfangswelle bildet eine Auftreffwelle 7. Diese Auftreffwelle beleuchtet das Herstellungshologramm unter Erzeugung eines Durchlaßbündels der Ordnung null 4 und eine Beugung des Bündel s der ersten Ordnung 5. Die Aufzeichnung des Interferenzdiagramms, gebildet durch Interferenz zwischen dem Durchlaßbündel der Ordnung null und dem gebeugten Bündels der ersten Ordnung, ermöglicht die Realisierung des optischen holographischen Systemelementes.
  • Das optische holographische Systemelement, das man erhalten möchte, hat eine Struktur, die repräsentiert wird durch einen Vektor K(x,y) mit drei Komponenten (Kx, Ky, Kz) Die Achsen X,Y,Z sind iene, die in Figur 2 definiert sind. Die Komponenten Kx und Ky charakterisieren die Transformation der Wellenfront der Auftreffwelle, während die Komponente in Richtung der Achse Z, Kz die nur eine Funktion von x und y ist, die Beugewirksamkeit bestimmt. Die minimale Beugewirksamkeit wird erhalten, wenn die Bragg sche Bedingung in allen Punkten des Herstellungshologramms erfüllt ist.
  • Indem man das optische holographische Systemelement durch Kontaktaufzeichnung erhalten hat, sind die Vektorkomponenten Kx und Ky in Richtung der Achsen X und Y des optischen holographischen Systemelements identisch mit den entsprechenden vektoriellen Komponenten des Herstellungshologramms.
  • Die vektorielle Komponente Kz in Richtung der Achse Z des optischen holographischen Systemelements wird definiert durch den Wert in iedem Punkt (x, y) des Auftreffwinkels θ R der Auftreffwelle. Die Definition des Auftreffwinkels wird erhalten durch die Einführung des computerzeugten Hologramms in die optische Bahn der Anfangswelle.
  • Mit anderen Worten stört die Einführung des computererzeugten Hologramms in die optische Bahn der Anfangswelle diese Anfangswelle und erzeugt die Auftreffwelle, deren Beleuchtungsrichtungen in iedem Punkt (x, y) des Herstellungshologramms derart definiert sind, daß die Beugewirkung in diesen Punkten (x, y) des optischen holographischen Systemelementes maximal wird.
  • Die Werte, in iedem Punkt (x, y) der Ebene des Systemhologramms, der Vektorkomponente Kz für die die Beugewirkung maximal in iedem dieser Punkte ist, erzwingen iede der lokalen Beleuchtungsrichtungen in der Ebene des Herstellungshologramms. Die Bestimmung der genannten Beleuchtungsrichtungen oder der Auftreffwinkel ermöglicht, die Form der Wellenfront abzuleiten, die der Auftreffwelle aufzuzwingen ist. Daraus resultiert, daß bei Kenntnis der erforderlichen Form der Auftreffwelle die Charakteristiken des computerzeugten Hologramms definiert sind in Abhängigkeit von der Wellenfront der Anfangswelle.
  • Eine bevorzugte Verwendung des optischen holographischen Elements mit hoher Wirksamkeit, erhalten gemäß dem Verfahren der Erfindung, ist ein Bündeltrenner mit variablem Verhältnis zwischen den Lichtintensitäten, die durchgelassen bzw. gebeugt werden.
  • Der optische Bündeltrenner benutzt ein optisches holographisches Element und verwendet ein Hologramm gleichförmiger Struktur. Das Funktionsprinzip basiert dabei auf einer Veränderung in der Zeit des Auftreffwinkels der auftreffenden Welle. Diese Veränderung des Auftreffwinkels wird prinzipiell von einer Veränderung des Beugewinkels der gebeugten Welle begleitet.
  • Gemäß der bevorzugten Anwendung umfaßt das Funktionsprinzip des optischen Bündeltrenners ein optisches holographisches nicht gleichförmiges Element hoher Wirksamkeit, erhalten gemäß dem Verfahren der Erfindung und basierend ausschließlich auf einer seitlichen Verlagerung des optischen Hologramms. Das optische holographische Element wird lokal beleuchtet. Das Verhältnis zwischen den Lichtintensitäten des Bündels der Ordnung null und eines der gebeugten Bündel ist eine Funktion der lokalen Charakteristiken der holographischen Struktur.
  • Der optische Bündeltrenner weist nicht die oben erwähnten Nachteile auf. Darüberhinaus ermöglicht ein solcher Bündeltrenner die Erzeugung einer kontinuierlichen Variation der Lichtintensität der durchgelassenen Welle und der gebeugten Welle.

Claims (1)

1. Verfahren zur Reproduktion eines optischen herstellungsholographischen Elementes (1), umfassend:
- die vorherige Realisierung des optischen herstellungsholographischen Elements, bestimmt zur Herstellung eines optischen systemholographischen Elements (2);
- die Positionierung eines holographischen Aufzeichnungsträgers, vor dem Konstituieren des optischen systemholographischen Elements, direkt auf dem optischen herstellungsholographischen Element;
- die Belichtung des optischen herstellungsholographischen Elements mittels einer anfänglichen Welle (3), die die Übertragung eines Bündels der Ordnung null (4) und die Diffraktion eines Diffraktionsbündels erster Ordnung (5) bewirkt, und
- die Aufzeichnung auf dem holographischen Aufzeichnungsträger der Interferenzlinien, gebildet durch die Interferenz zwischen dem übertragenen Bündel der Ordnung null und dem Diffraktionsbündel der ersten Ordnung zum Konstituieren des optischen systemholographischen Elements,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Hologramm (6) in die optische Bahn der anfänglichen Welle eingeführt wird und derart realisiert wird, daß die anfängliche Welle gestört wird zum Konstituieren einer auftreffenden Welle (7), deren Belichtungsrichtungen in iedem Punkt (x, y) der Ebene des Herstellungshologramms die Bragg'sche Beziehung erfüllen und die Effizienz der Diffraktion in diesen Punkten (x, y) des optischen systemholographischen Elements maximal wird.
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