EP4673719A1 - Messverfahren zur festlegung eines replikationsparameters und replikationsverfahren unter verwendung des festgelegten replikationsparameters - Google Patents

Messverfahren zur festlegung eines replikationsparameters und replikationsverfahren unter verwendung des festgelegten replikationsparameters

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EP4673719A1
EP4673719A1 EP24707768.8A EP24707768A EP4673719A1 EP 4673719 A1 EP4673719 A1 EP 4673719A1 EP 24707768 A EP24707768 A EP 24707768A EP 4673719 A1 EP4673719 A1 EP 4673719A1
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EP
European Patent Office
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exposure
replication
master
master element
light
Prior art date
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Pending
Application number
EP24707768.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Giehl
Christian BLECHSCHMIDT
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Jenoptik AG
Carl Zeiss Jena GmbH
Original Assignee
VEB Carl Zeiss Jena GmbH
Carl Zeiss Jena GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a measuring method for determining at least one replication parameter for a replication method using at least one master element.
  • the measuring method comprises providing a master element comprising a reflection hologram, a light source, a detector and a diffuser.
  • the diffuser is positioned between the master element and the detector.
  • the measuring method further comprises irradiating the master element with light using the light source, detecting an intensity distribution of the light emerging from the diffuser using the detector and determining at least one replication parameter based on the detected intensity distribution.
  • the invention further relates to a replication method for replicating a hologram from a master element into a light-sensitive material.
  • the replication method is carried out using at least one replication parameter which was determined by means of the measuring method according to the invention.
  • the invention relates to the field of hologram replication.
  • HOEs typically refer to optical components in which holographic properties are used to achieve a specific beam path of light, such as transmission, reflection, diffraction, scattering and/or deflection, etc. This allows desired optical functionalities to be implemented in a compact manner in any substrate.
  • the holographic properties preferably exploit the wave character of light, in particular coherence and interference effects. Both the intensity and the phase of the light are taken into account.
  • Such holographic elements are used in many areas, such as in transparent displays (e.g. in shop windows, refrigerated cabinets, vehicle windows), for lighting applications such as information or warning signals in glass surfaces, light-sensitive detection systems, for example for interior monitoring (eye tracking in vehicles or presence status tracking of people indoors).
  • transparent displays e.g. in shop windows, refrigerated cabinets, vehicle windows
  • light-sensitive detection systems for example for interior monitoring (eye tracking in vehicles or presence status tracking of people indoors).
  • Holograms are created by the interference of a reference beam with light reflected or diffracted from the surface of an object (object rays).
  • object rays Traditionally, three-dimensional objects have been used to create unique, customized holograms.
  • Commercially available HOEs are often mass-produced using duplication processes. Such duplication processes typically use a Master hologram containing the image to be copied. Although the reproduced image should normally correspond exactly to the image recorded in the master hologram, it may be desirable to introduce targeted deviations from the master hologram in the replication process. Such targeted deviations in the replicated image can be brought about in particular by adapting the exposure steps of the replication process.
  • the master holograms used are often stored in a substrate body that carries the master hologram.
  • the substrate body is preferably transparent and can have various shapes, for example a cuboid shape, a plate or a roller.
  • the combination of the master hologram with the substrate body forms a master element.
  • the master element is exposed to a coherent light source to replicate the image from the master hologram into a photosensitive composite.
  • the photosensitive composite may be provided in the form of a flowing web comprising a photosensitive material and one or more carrier or protective layers.
  • the photosensitive web is preferably transported through various work stations to produce the HOEs.
  • the composite sheet is placed on a surface of the master element.
  • the coherent light can traverse the composite sheet before reaching the master hologram and being reflected back into the composite sheet.
  • the object and reference beams interfere with each other in the photosensitive material to form the replicated hologram.
  • the replication process is sensitive to changes in exposure angle, intensity, wavelength, etc., which must be adjusted according to the optical function of the master hologram.
  • exposure for each master hologram is performed according to a set of pre-programmed parameters. These parameters are typically configured to produce a replicated hologram with exactly the same properties as the master hologram. If a deliberate deviation from the properties of the master hologram is desired in the replicated hologram, this is typically calculated based on the theoretical properties of the master hologram.
  • the polymerization of a photopolymer during the Creation of the master hologram may be accompanied by shrinkage in local areas.
  • Shrinkage of the light-sensitive material e.g. due to partial drying and an increase in its density as a result of polymerization, may reduce the wavelength required to produce an interference pattern recorded in it.
  • Further deviations in the properties of the master hologram may occur due to temperature fluctuations in the manufacturing process or during gluing or embedding of the master hologram in a master element.
  • degradation of the master element may occur over time, which also changes the optical function.
  • the use of an optical goniometer to analyse the actual optical function of the master element could be considered.
  • the optical function - and its deviation from a target value - can vary spatially across the master element, a large number of measurements would have to be taken to capture the change in the entire master hologram.
  • This laborious process would require the use of equipment that analyses the master hologram piece by piece over a long period of time and would take up a lot of space.
  • Such an approach is therefore only very limited in practical terms.
  • the necessary time expenditure becomes an even greater obstacle when it is taken into account that the function of a master element can also change over time.
  • the procedure may therefore have to be repeated at regular intervals to monitor and/or compensate for deviations in the optical function of the master element. In a continuous production process, this is particularly hindering, as it results in interruptions to production and a reduction in throughput.
  • the object of the invention is to provide a measuring method which enables the optical properties of a master element to be recorded quickly and reliably using simple means and which can in particular determine any deviations in the optical function of the master element from a target function.
  • a further object of the invention was to be able to use such a measuring method to determine replication parameters which increase the efficiency of a replication process using the master element, with the possibility of compensating for any deviations in the optical function of a master element from a target function in the replication process being particularly preferred.
  • the invention relates to a measuring method for determining at least one replication parameter for a replication method, wherein the replication method is carried out using a master element.
  • the measuring method comprises the following steps:
  • Providing a master element comprising a reflection hologram, a light source, a detector and a diffuser, wherein the diffuser is positioned between the master element and the detector,
  • the master hologram is placed in or on a substrate body to form a master element.
  • a master hologram is very thin and delicate, integrating it into a larger component can make it easier to handle and eliminate the need to touch the master hologram itself, which can lead to damage.
  • the process steps for producing the master hologram and integrating it into a master element can affect the desired optical function.
  • the process of producing the master hologram can lead to physical changes in the light-sensitive material in which it is written.
  • polymerization during the mastering process can lead to undesirable shrinkage of the light-sensitive material, thereby changing its optical properties.
  • uncontrolled light scattering can lead to additional exposed structures in the light-sensitive material and reduce the efficiency of the desired interference pattern.
  • Perfect control of the production conditions for a master hologram is usually not possible or can only be achieved with great effort.
  • the master hologram is therefore usually produced within certain manufacturing tolerances. In order to counteract the effects of unwanted shrinkage or unwanted interference patterns, it is advantageous to localize them and/or quantify their effect.
  • the process of integrating the master hologram into the substrate body to form the master element is prone to errors.
  • An uneven distribution of an adhesive between the master hologram and the substrate body or an uneven surface structure between the master hologram and the substrate body can lead to unevenly distributed optical losses across the master element. Due to the unpredictable nature of such losses and their variable spatial distribution, it is not readily possible to quantify, simulate or estimate them.
  • the process of integrating the master hologram into a master element is also carried out within specified manufacturing tolerances.
  • the present invention enables the definition of replication parameters that are suitable for the actual properties of the master element, which preferably lie within the mentioned manufacturing tolerances.
  • a replication method can thus be made more robust with respect to the mentioned tolerances.
  • the replication of the master hologram into a photosensitive material can be best performed by guiding the exposure light beam (or exposure point) along a predetermined path that is tailored to the optical function of the master hologram.
  • an efficiency of the master element for a replication process can depend on various parameters, such as an angle of incidence or a wavelength.
  • an exposure beam is preferably almost completely diffracted into a 1st order.
  • the exposure light beam (reference beam) can interfere with the reflected light beam (object beam) in an intermediate light-sensitive material in order to copy the hologram.
  • the portion of the exposure beam diffracted into the 1st order therefore corresponds to a desired useful wave, which can be used to replicate a hologram.
  • the portion of the exposure beam that is not reflected or diffracted passes through the master hologram and the carrier substrate.
  • the portion of the transmitted 0th diffraction order would be zero and the entire portion of the exposure beam would be reflected.
  • no light at all should be transmitted through the master element to an opposite side.
  • the theoretical exposure point optimized with respect to the ideal master element may not allow for high efficiency across all areas of the master hologram.
  • shrinkage, uneven adhesive layers or delamination effects may mean that certain areas of the master hologram would have to be irradiated at different exposure points or angles in order to generate a sufficient useful wave.
  • an efficiency of the master hologram for replication can be quantified and/or mapped by detecting light emerging through a side of the master element facing the detector.
  • a diffuser is provided between the master element and the detector.
  • the master element preferably comprises a side that faces the detector. This can be referred to here as "the first side of the master element” or “the side of the master element facing the detector”. This is preferably a side of the master element that is not exposed, but through which portions of the exposure light beam (in particular of a 0th diffraction order) can emerge.
  • a side of the master element onto which a reference beam strikes in order to expose the master hologram is preferably referred to herein as "the second side of the master element" or "the side of the master element facing away from the detector”. This is preferably substantially parallel and opposite the first side of the master element. For example, an upper side of the master element is the first side and a lower side of the master element is the second side (or vice versa).
  • a “diffuser” in the sense of the invention is preferably a transparent plate or film which is configured to scatter and/or expand a light beam as it passes through the plate or film.
  • the scattering preferably takes place with the aid of a roughened surface of the diffuser, pigments in the diffuser, a crystal structure of the diffuser and/or due to opalescent properties of the diffuser.
  • the diffuser functions approximately like a Lambertian diffuser.
  • the diffuser can also be a surface-structured diffuser which has been produced holographically.
  • the selected diffuser is not a volume holographic diffuser in order to avoid angle selectivity.
  • the diffuser can be applied directly to a first side of the master element so that it is in direct contact with it.
  • direct contact is not required.
  • the contact can be mediated by a further layer such as an optical liquid or an optical coupling element.
  • a holding device for positioning the diffuser between the master element and the detector wherein the holding device defines, for example, a distance between a first (upper) side of the master element and a lower side of the diffuser.
  • the diffuser is preferably always located between the master element and the detector, wherein the diffuser, in particular in the embodiment of a scattering plate, is preferably aligned parallel to the master element.
  • the detectability of the emerging light can be increased, making the measurement method more reliable.
  • the diffuser preferably ensures that the emerging light reaches the detector regardless of an exit angle. Since the surface roughness of the diffuser causes scattered light from surfaces pointing in different directions to pass through, the emerging light can preferably be detected from virtually any angle within a hemisphere. This is particularly useful when the detector is held stationary but the measurement method is applied to different master elements or different exposure paths with different illumination angles. This eliminates the need for overly precise positioning of the detector.
  • the intensity (and optionally the wavelength) of the transmitted light can be quantified.
  • the measurement process therefore does not need to rely on subjective assessment of the master element, and the amount of trial and error required to compensate for deviations from a desired optical function or changes in the efficiency of the master element can be reduced and/or eliminated.
  • the regions affected by the deviation of the optical function of the master element or the reduction in efficiency can be objectively identified.
  • the measured deviation or reduced efficiency of the master hologram in relation to a replication can thus be used to mathematically adjust a replication parameter.
  • the intensity of the exposure can be increased in those regions that have a high intensity of the transmitted light.
  • the increase in intensity during replication can preferably be adjusted in such a way that the optical loss is exactly compensated. This can be done quickly and automatically by a processor, so that repeated adjustment or a subjective evaluation of the result is not necessary.
  • the exposure light intensity can also be adjusted spatially. For example, the intensity values of different spatially distributed points on an exposure curve can be adjusted independently of one another.
  • Adjusting the exposure point preferably means changing the position of the exposure point from which the reference beam is directed onto the master element.
  • the entire master element can be exposed over a large area from a single exposure point.
  • the measuring method can preferably facilitate the selection of the optimal position of the exposure point.
  • the master element can also be exposed from several exposure points, in particular from a series of spatially distributed exposure points on an exposure curve. Each of these spatially distributed exposure points can be assigned an area from several spatially distributed areas of the master element. In such a case, recording the light intensity as a spatially resolved distribution can enable statements to be made about the efficiency of the respective areas of the master element and ensure that the exposure points are adjusted depending on their assignment to the areas of the master element.
  • the exposure angle can also be adjusted for individual areas of the master element.
  • the measurement method can therefore enable a replication process that is precisely tailored to the actual (and not just theoretical) properties of a master element.
  • the resulting holograms are of higher quality and can be produced very reproducibly.
  • the device for the measuring process can be made very compact.
  • a diffuser which comprises a plate or foil, for example, takes up very little space in an exposure chamber. The diffuser can easily be moved using rollers, vacuum robots, manually or in any other way. Since the holograms that are replicated based on the results from the measurement process are reflection holograms, the diffuser has no influence on the placement of the photosensitive material on the master element. The reason for this is that the photosensitive material is placed on the opposite (second) side of the master element. Rollers for laminating or applying photosensitive material to the master element can remain unchanged in their position, as can devices for applying optical fluids, coupling elements and the like. In addition, a detector aimed at the diffuser does not have to interfere with the devices used for exposure, such as light sources, lenses, mirrors, etc., since these can also be aimed at the opposite side of the master element to replicate a reflection hologram.
  • the device required for the measurement process can thus be easily integrated into a device for the continuous and/or automated replication of a reflection hologram.
  • the measurement process can be easily carried out at intervals or between runs of the replication process without having to dismantle or rearrange the replication devices. In this way, wear or degradation of a master element can be monitored and/or replication parameters can be continuously adjusted to compensate for changes in the master element.
  • a "replication parameter" in the sense of the invention is preferably a physical parameter that can be variably set between the runs or between individual repetitions of a hologram replication process.
  • the replication parameter is a physical parameter that relates to the exposure step of the replication process.
  • the replication parameter is a physical property or a physical parameter that relates to the exposure light beam (which functions as a reference beam). It can be advantageous for a replication parameter to relate to the exposure of the entire master element. This is particularly the case with replication processes in which the master element is exposed over a large area from a single exposure point. It can also be advantageous for the replication parameter to be specific to a spatial region of the master element.
  • a replication parameter can be adapted with respect to an intensity of the exposure for different light points on the master element.
  • the term “light point” preferably refers to a point on the master element at which the light beam strikes the surface of the master element, while the exposure point is preferably located outside the master element and refers to a point from which a Light beam for exposing the master element hits a surface of the master element without significant deflection.
  • the replication parameter can also be specific to a temporal portion of the exposure step.
  • the replication parameter can be, for example, a light intensity, a wavelength, a range or a selection of wavelengths, a coherence, a movement speed of the exposure point, a dwell time of the light point, an angle of the incident exposure light beam, an absolute, relative and/or angular position of the light source, an absolute, relative and/or angular position of a light deflection component such as a mirror, prism, lens or optical fiber.
  • the replication parameter can also relate to a sequence of exposure points, which is to be used in the form of an exposure curve for exposing the master element.
  • a combination of the aforementioned replication parameters is of course also conceivable and preferred, in which, for example, replication parameters are defined for several anchor points of an exposure curve, with different intensity values being defined for each anchor point for the exposure of different areas of the master element.
  • a "determination of a replication parameter" in the sense of the invention preferably comprises an estimation, calculation, selection or determination of a replication parameter at which a higher efficiency of the master hologram results or is expected.
  • the determination of the replication parameter preferably involves the determination of an optimal radiation dose (in particular radiation intensity and/or dwell time) which achieves the best possible exposure of a master hologram or an area thereof in a light-sensitive material.
  • the estimation, calculation, selection or determination can preferably be carried out by a data processing unit.
  • the results of the estimation, calculation, selection or determination can preferably be stored in a storage unit.
  • the stored, defined replication parameters can preferably be used for a further process step.
  • the storage unit can preferably be accessed by a control unit for controlling a replication process in order to read out the defined replication parameter and/or to send a signal to an actuator in order to expose the master element with the defined replication parameter.
  • a “detector” in the sense of the invention is preferably one or more devices for measuring and/or recording data.
  • the detector is preferably designed to convert an analog and/or non-electrical input signal into an electrical and/or digital output signal.
  • the detector can represent other physical quantities (e.g. wavelength) as an electrical voltage, pulse and/or current.
  • the output signals preferably include information about an absolute or relative spatial distribution of the physical quantities.
  • the detector can be used for example, the detector may comprise a camera, a scanner or an array of photodiodes.
  • the detector forwards the output signals to a processor, memory and/or a communication unit.
  • a “light source” in the sense of the invention is preferably a device that is configured to emit electromagnetic radiation with a wavelength between 200 nm - 25 pm, in particular between 400 - 780 nm.
  • the electromagnetic radiation can preferably comprise infrared, visible and/or ultraviolet radiation, with visible radiation being particularly preferred.
  • UV radiation preferably means electromagnetic radiation in the range from 200 pm to 400 pm, particularly preferably 300 pm to 400 pm.
  • Visible radiation means in particular electromagnetic radiation in the range from 400 - 780 nm and infrared radiation from 780 nm to 25 pm, preferably in the near infrared range, i.e. preferably from 780 nm to 3000 nm, in particular from 780 nm to 1400 nm.
  • the light source may comprise or be associated with light-directing devices such as lenses.
  • the light source may preferably emit a collimated beam, in particular with a specific width and direction. It may also be preferred that a beam emitted by the light source has a desired divergence at an exposure point.
  • the light source is also configured to emit coherent light.
  • the light source may be a laser, for example.
  • an "exposure point” is preferably a point from which a light beam for exposing the master hologram strikes a surface of the master element without significant deflection.
  • the exposure point can be the light source itself or can be located on an element that directs the light from the light source, such as a mirror.
  • the exposure point could correspond to a focus point along the beam path, i.e. the light can have a smaller beam cross-section at the focus point than downstream or upstream along the beam path.
  • the exposure point could be coincident with the arrangement of a lens or a mirror that implements a final beam deflection before the light strikes the master element.
  • a change in the exposure point preferably includes a change in the position of this exposure point.
  • a "master element” is preferably a three-dimensional unit which comprises at least one master hologram in a form which ensures that a movement of the master element immediately leads to a corresponding movement of the master hologram.
  • a master element can also comprise a plurality of master holograms, for example 2, 3, 5, or more.
  • the master element has a length and a width which correspond at least to the length and width of the master hologram.
  • the master element is at least twice, preferably five times and particularly preferably at least twenty times as high as the master hologram.
  • the master element preferably comprises a substrate body which either encloses or carries the at least one master hologram.
  • the master element may, for example, comprise a transparent top cover for protecting a master hologram present between the cover and the substrate body.
  • the top cover is also transparent.
  • the top cover may, for example, be a transparent film or a glass layer.
  • the master element can preferably have the shape of a cuboid block, a plate, a pyramid, or a prism.
  • the substrate body can be shaped accordingly.
  • both the substrate body and any cover of the master element have a refractive index between 1.4 and 1.6.
  • the choice of material for the substrate body may depend on the desired exposure angle or refractive index. It may also be preferred that a substrate body is colored, for example to filter light wavelength-selectively in order to produce a hologram with a specific wavelength. In this way, a broadband light source can be used to expose different master holograms.
  • the surface or cover of the master element comprises glass, PC, TAC or PMMA.
  • the material of the surface can be in the form of a film or plate to protect the master hologram.
  • the material of the surface or cover can also be the material of the substrate body itself and can have, for example, a cuboid or cylindrical shape.
  • a "substrate body" in the sense of the invention is preferably a three-dimensional block of material that carries or encloses the master hologram.
  • the substrate body is preferably transparent.
  • the substrate body has several surfaces, including a flat surface that can be aligned horizontally.
  • the substrate body is prismatic, i.e. it has a constant cross-section of any shape, e.g. square, polygonal.
  • the term "transparent” or “transparency” preferably refers to a property of a material whereby it is substantially permeable to light.
  • a transparent material in the sense of the invention is transmissive for at least part of the electromagnetic spectrum, preferably with a wavelength between 200 nm - 25 pm, particularly preferably between 400 nm - 780 nm.
  • a transparent material for example a transparent substrate body, is permeable to light of a wavelength range with which the master hologram is exposed.
  • a transparent material can also be colored in such a way that it selects the light radiation of one or more specific wavelengths.
  • a "master hologram" in the sense of the invention is preferably a holographic-optical element comprising at least one hologram to be replicated.
  • the master hologram is designed for an optical function (e.g. diffraction, reflection, transmission and/or refraction) for one or a plurality of wavelengths.
  • the master hologram can be, for example, a diffractive optical element (DOE).
  • DOEs diffractive optical elements
  • DOEs use a surface relief profile with a microstructure for their optical function.
  • the microstructure can also be present in the volume of the element, e.g. in the form of a local difference in the refractive index.
  • Such a master hologram is considered a so-called "volume hologram”.
  • the light transmitted by a DOE can be converted into almost any desired distribution by diffraction and subsequent propagation. This can be an image, a logo, text, an interference pattern or the like.
  • the process for producing the master hologram may preferably be referred to as "hologram origination" or “hologram mastering".
  • the master hologram may be created using an analog or digital process.
  • a first coherent beam, the object beam is reflected from an object and onto a recording material that is simultaneously exposed to a second coherent beam, the reference beam.
  • the object beam and the reference beam interfere and create an interference pattern on or in the recording material.
  • This interference pattern is recorded by light-sensitive material so that after processing the shape of a surface relief pattern on a surface of the material or a spatially varying refractive index is created in the material, which is usually only a few micrometers thick.
  • the master hologram can be illuminated with light diffracted by the recorded surface relief pattern or refractive index pattern. This diffracted beam contains the image of the original object. The master hologram can then be used as a new object when creating further copies with the same image.
  • the master hologram can preferably also be computer generated.
  • the microscopic gratings which produce the diffraction effects can be produced, for example, by laser interference lithography.
  • two or more coherent light beams are configured to interfere on the surface of a recording material.
  • the positions of the light beams in relation to the recording material can be controlled by a computer
  • the recording material can be made of almost any material.
  • Other techniques such as electron beam lithography can also be used to digitally produce the master hologram.
  • the master hologram can preferably comprise glass, silicon, quartz, UV varnish, a photopolymer composite and/or a metal such as nickel.
  • higher values of the intensity distribution indicate a lower efficiency of the master element in a replication process.
  • the light scattered by the diffuser preferably corresponds to a zeroth (0th) diffraction order of an exposure beam, which is transmitted through the master hologram and cannot be used for replication.
  • the higher the proportion of the (undesired) 0th diffraction order the lower the proportion of the 1st diffraction order that is used as an object beam for replication.
  • Higher values of the intensity distribution at the detector thus indicate a higher proportion of a 0th diffraction order and thus lower efficiency of the master element.
  • the light detected at the detector preferably corresponds to the light that is transmitted by the interference pattern of the master hologram without being diffracted by the interference pattern of the master hologram. Since the angle and position of the exposure beam are chosen such that it is directed into a 1st order of diffraction by the theoretical interference pattern in the master hologram, in an ideal master hologram all the incident light should be reflected and thus form an object beam. This is especially true for an ideal master hologram, which is designed to completely reflect the incident light. In an ideal case for such a master hologram, the proportion of a 0th order of diffraction would be zero and the detector would not detect any light exiting the diffuser.
  • reflection master holograms can also be configured to reflect only a portion of the incident light even in the best possible case. In this case, the portion of a 0th diffraction order is not zero even in the best possible case, but corresponds to a known theoretical target intensity not equal to 0. If the detected intensity exceeds such a target intensity, this also preferably indicates a lower efficiency of the master hologram at the point at which the target intensity of the transmitted 0th diffraction order is exceeded.
  • an "efficiency" of a point or an area of a master hologram (the local efficiency) is preferably the ability of the master hologram at this point or area to perform a desired light-guiding function without losses.
  • the local efficiency of the master hologram can, for example, be a measure of the intensity of the real object beam (or the useful wave) compared to the intensity of an ideal object beam (or the useful wave).
  • the intensity of the ideal object beam preferably corresponds to the intensity of the reference beam, taking into account the Beer-Lambert law.
  • the reflection hologram can be designed to reflect only a portion of the incident light.
  • the intensity of an ideal object beam corresponds only to a portion of the intensity of the reference beam.
  • a target intensity of a theoretical first-order diffracted beam can thus correspond to an intensity of the reference beam taking into account the Beer-Lambert law or merely correspond to a proportion (factor less than 1).
  • the local efficiency of the master hologram can preferably be calculated by dividing the intensity of the first-order diffracted beam by the target intensity of a theoretical first-order diffracted beam.
  • the intensity of the actually diffracted first-order beam can be calculated by subtracting the intensity of the detected zero-order beam emerging from the diffuser from the intensity of the reference beam.
  • the local efficiency can be given as a percentage, for example. This efficiency can vary spatially across the master hologram and can also depend on the physical properties of the reference beam. In particular, the efficiency of the master hologram can depend on the value of a replication parameter.
  • the "efficiency" of the entire master hologram is preferably an assessment of its ability to produce a replicated hologram with the desired quality.
  • the efficiency of the master hologram as a whole may be a function of the local efficiencies across the entire master hologram. However, it may also depend on the intensity distribution and/or the spatial distribution of the local efficiencies. For example, the position and area size of inefficient regions may play a role in determining the efficiency of the master hologram. Such a determination may be performed by a program on a data processing unit, for example an image processing algorithm, as is known from the field of quality control.
  • the relationship between the detected light intensity and the efficiency of the master element can be used to select the optimal replication parameter, for example a light intensity of the exposure.
  • a computer program can be used to calculate optimized exposure parameters from the efficiency values of the master element.
  • the calculation is carried out by a data processing unit.
  • a data processing unit can be part of a control unit for controlling a replication process.
  • the replication parameter is set with a view to maximizing the efficiency of the master element in a replication process or with a view to reducing the deviation of the efficiency from a target value.
  • the result of the measurement process can be used to optimize the replication and ensure a high quality of the replicated holograms.
  • master elements can be used for significantly longer without significant losses in quality despite any deterioration. This increases the cost-effectiveness of the process.
  • the master element is irradiated with light using at least two different exposure parameters.
  • the intensity distribution of the light emerging from the diffuser is recorded for each of the at least two exposure parameters.
  • the at least one replication parameter is determined on the basis of at least two intensity distributions which were recorded for the at least two different exposure parameters.
  • the multiple recording of intensity distributions for different exposure parameters can, for example, support the conclusion that a shift of the exposure light beam in a certain direction, an adjustment of the angle of the exposure light beam in a certain direction or an increase/decrease in the wavelength of the exposure light beam increases the efficiency of the master element in a subsequent replication process.
  • This information can be used to adjust a replication parameter accordingly (for example in the direction identified as more favorable) in order to achieve optimal replication.
  • an intensity distribution (or its underlying exposure parameters) that indicates the highest efficiency of the master element in the replication process.
  • This may, for example, be an intensity distribution that has the largest total dark area, an intensity distribution with the lowest total illuminance, or the intensity distribution where bright areas (i.e. areas with a lower efficiency) correspond to regions of the master hologram that are classified as least critical (e.g. decorative regions in a hologram that includes text and decorative elements).
  • the replication parameter or combination of replication parameters that achieves the most efficient intensity distribution can be identified as more favorable for replication.
  • These replication parameters can be selected for use in a replication process or used for interpolation or extrapolation to a more favorable replication parameter.
  • the quality of the replicated holograms can be further improved and a useful life of the master element can be extended without any loss of quality.
  • the proposed measurement method advantageously provides a significantly faster and more reliable technique to improve replication efficiency and compensate for defects in the master element than methods known from the state of the art.
  • it is more reliable to measure the influence of several possible exposure parameters on the efficiency of replication in this way than to rely on the simulation of the optical function of the master element.
  • the measurement method also eliminates the time-consuming analysis of a large number of points on the master elements with a goniometer.
  • the at least one replication parameter corresponds to an exposure intensity, a wavelength, an exposure point, an angle of the beam path of the light in the exposure point and/or an exposure curve of the exposure point.
  • one, several or all of the aforementioned parameters can preferably be optimized for replication of the master element.
  • any optical losses or efficiency reductions of the master hologram can be compensated for in a simple and precise manner in the replication process.
  • the exposure intensity can be increased or decreased locally depending on the local efficiency of the master element. If the measurement method has determined a reduced efficiency for certain areas on the master element, this can be compensated for by a preferably proportional increase in the intensity of the exposure during replication for those areas. Deviations from an ideal master hologram are advantageously compensated and an error-reduced, homogeneous replication of the master hologram is achieved.
  • the measuring method can advantageously define a wavelength as a replication parameter for a subsequent replication process. It is known that shrinking master holograms can lead to a reduction in the wavelength of the interference pattern written in them, for which an efficient reflection by the master hologram takes place. In such a case, a reference beam with a theoretical target wavelength can only be diffracted with reduced efficiency. The proportion of transmitted radiation that cannot be used for the replication process is increased. This is taken into account in the measuring method. detected by an increased intensity at the detector, which detects the light scattered by the diffuser.
  • an optimal wavelength can be defined (selected or interpolated) as a replication parameter for a subsequent replication.
  • the definition of an optimal replication parameter can be carried out, for example, by minimizing the intensity detected at the detector in relation to the wavelength.
  • an optimized wavelength can be defined for the entire area of the master hologram or different wavelengths for different areas.
  • the wavelength of the reference beam can be brought closer to the wavelength for which the interference pattern in the master hologram is optimally designed. Additionally or alternatively, the master hologram can be exposed several times at the target wavelength or at one or more improved wavelengths in order to increase the efficiency of the replication. The result is replicated holograms of significantly higher quality.
  • the measurement method can be used to identify a multidimensional parameter space within which an ideal parameter combination is to be selected as a compromise.
  • a parameter space can, for example, concern correlations between wavelength, angle and efficiency.
  • the efficiency of reflective master holograms in particular can depend on the angle of incidence of a replication beam.
  • the proposed measuring method can also advantageously be used to determine an angle of the beam path of the light at the exposure point for replication.
  • the angle of the beam path of the light at the exposure point preferably determines the angle at which the master hologram is illuminated during replication.
  • With knowledge of the optical function of the master hologram it would in principle be possible to simulate an angle distribution for the replication of a master hologram with optimized efficiency. On the one hand, however, this is complex and, on the other hand, any manufacturing tolerances are difficult to capture.
  • the measuring method according to the invention allows an efficiency angle map to be created quickly using simple means, which map records the efficiency of the master element as a function of different angles of incidence.
  • This makes it particularly advantageous to set an angle of the beam path of the light for exposure during replication in such a way that the reference beam hits the master hologram in all areas at a required angle during replication.
  • Even any deformations of the master hologram can be reliably recorded using the measuring method and taken into account for subsequent replication. For example, shrinking or swelling of the master hologram can lead to locally different requirements for an exposure angle.
  • the reduced efficiency is recorded as an increase in intensity at the detector depending on the irradiation angle. The angle can therefore be optimized for replication, for example, with a view to minimizing the intensity of the scattered light recorded at the detector.
  • the efficiency of the replication process can also be improved by determining a more efficient exposure point based on the measurement method.
  • the at least one exposure parameter is an exposure point.
  • an intensity distribution of the light emerging from the diffuser is recorded for at least two different exposure points.
  • the measurement method can experimentally determine which of the at least two exposure points delivers the better results. In particular, it can be determined which of the tested exposure points leads to a lower illuminance of the diffuser.
  • a preferred exposure point can be selected for a replication process.
  • the exposure point can be the position of a point for a large-area or a region-specific exposure of a master element. Another exposure point can also be selected on the basis of the measured intensity distributions, for example by interpolation between two tested exposure points.
  • a detection of an intensity distribution of the light emerging from the diffuser is repeated for at least three exposure points.
  • the third and further exposure points are selected by a converging function, in particular by an iterative process based on the intensity distributions already detected, in order to preferably converge to an exposure point at which maximum efficiency of the master element for a replication process is to be expected.
  • the third and/or further exposure points can be selected by a recursive process.
  • the replication parameter can be selected based on a larger number of experimental results, thus approaching an exposure point with the highest possible efficiency for a given master element. It may be preferred that at least four, at least five, at least ten, at least twenty or more intensity distributions are recorded at a corresponding number of exposure points. The accuracy with which the replication parameters are determined can thereby be further increased.
  • the measurement procedure can be optimized so that the measurements taken are limited to the positions of the exposure points that are likely to produce the best results.
  • An optimal exposure point can be selected more quickly and reliably than with a measurement procedure in which all tested exposure points are determined in advance or are not selected using a converging function.
  • a "converging function" for selecting a parameter value is preferably a mathematical or algorithmic process based on a refinement of an estimated value until it is sufficiently accurate according to defined limits or converges to an optimum.
  • the converging function can be based, for example, on an iterative or recursive algorithm.
  • a converging function can be used to optimize a replication parameter other than an exposure point, such as a wavelength or radiation intensity.
  • the converging function is used analogously to determine the value of the replication parameter at which maximum efficiency of the master element for a replication process is expected.
  • a first and/or a second replication parameter value may be selected, for example, in light of the target replication parameters.
  • the first and second replication parameters may also be selected randomly, based on maximum/minimum values from the manufacturing tolerances, or according to another formula.
  • An efficiency trend may be derived from the intensity distributions acquired for the first and second replication parameters and used to select a third replication parameter.
  • the selection of further replication parameters and the acquisition of corresponding intensity distributions may be repeated until a certain number of parameter values have been tested, until the difference between the efficiencies of consecutive tested parameter values is smaller than a predetermined value, or when no further increase in efficiency is detected.
  • the replication parameter is an exposure point. It may also be preferred that the replication parameter is a wavelength, an angle, a distance, or an intensity.
  • a master hologram can be configured to expose different locations with different replication parameters. For example, some areas of the master hologram may require exposure to a higher or lower intensity, a predetermined angle of the reference beam, or a predetermined wavelength. This can be achieved by scanning the master element with an exposure beam. During scanning, a point of light is moved, preferably along straight lines. In addition, the exposure point may also be moved, preferably along a non-linear path, e.g. a curve, to achieve regional variations in the replication parameters. Variations in intensity can be achieved by adjusting the intensity of the light source. Variations in angle can be achieved by tilting a light source or an intermediate optical component to produce a reference beam with the desired angle. A wavelength can be adjusted, for example, by switching on one or more lasers or by applying filters.
  • the path of the exposure point and the variable parameters can be provided as instructions in a memory.
  • the master element is designed for exposure via an exposure curve.
  • the exposure curve defines the path of the exposure point for the replication of the master element.
  • Other replication parameters besides the position can vary at different points or sections of the exposure curve.
  • the exposure angle varies over the exposure curve,
  • the master element When exposing a master element with an exposure curve, the master element is preferably exposed in sections.
  • the master element can, for example, be divided into columns, with each column being assigned a section of the exposure curve - in particular an anchor point.
  • the master element can also be divided into a grid, with each cell of the grid being assigned a section of the exposure curve - in particular an anchor point.
  • Other configurations, such as freeform curves, can also be advantageous.
  • a variable angle of incidence of the reference beam on the master element can preferably be enabled during exposure.
  • the angle of incidence of the light can be varied as a function of the location of a corresponding light point of the light on the master element.
  • This can be made possible by a suitable curvature of the exposure curve.
  • This can compensate for a curvature of the master element during the measurement or replication process, which is predetermined due to its manufacturing process and deviates from the desired surface shape of a replicated hologram.
  • a curved exposure curve can compensate for a curvature of the substrate or the cover of the master hologram during the exposure process (where this curvature is defined, for example, in relation to a reference coordinate system which is defined by the shape of the substrate).
  • the exposure curve may comprise multiple anchor points.
  • the measurement method may be used to set a replication parameter at one or more anchor points.
  • the exposure curve and/or the program for calculating it may be configured to take into account a two- or three-dimensional space around the anchor point within which its position may be set.
  • the two- or three-dimensional space may preferably be a square or a cuboid and may be referred to herein as an exposure volume.
  • the measurement method may preferably be used to determine the optimal position (or "exposure point") of an anchor point within the exposure volume. In this way, the exposure curve may be adjusted without having to recalculate a completely new curve.
  • An "exposure curve" in the sense of the invention is preferably a path along which an exposure point is moved in order to expose a master element.
  • the path can be linear, it is preferably curved in at least one plane.
  • the exposure curve preferably connects a limited number of spatially distributed anchor points whose absolute positions or relative positions to the master element are predetermined.
  • each anchor point is assigned a sub-area of the master element.
  • the exposure curve is preferably based on a mathematical function, in particular a non-linear function, which runs through these anchor points.
  • One or more exposure curves can be provided for a master element.
  • the positions of the anchor points and/or the mathematical function of the curve that connects them are provided in a memory that a control unit can access.
  • the exposure curve can provide a smooth transition to the other anchor points whose replication parameters may not have been adjusted or may have been adjusted in a different way.
  • the efficiency of the master element or of a subsequent replication can be increased.
  • the replicated holograms can have an overall high quality, with a seamless transition between regions exposed with different parameters.
  • a determination of the at least one replication parameter relates to a shift of the exposure curve and/or a variation of the anchor points.
  • the intensity distributions may indicate that the master element has a uniformly distributed inefficiency, requiring a uniform increase in the exposure intensity. This may be the case if the total illuminances of all recorded intensity distributions are approximately equal. For example, the recorded intensity distributions may differ by less than a predetermined amount.
  • a replication parameter may be uniformly adjusted for the exposure curve, such as a uniform increase in the exposure intensity.
  • the exposure curve may also be uniformly adjusted to the actual optical function of the master element, for example by bringing it closer to the master element. This increases the intensity of the exposure and - depending on the design - adjusts an exposure angle.
  • the entire exposure curve may also be shifted in the plane parallel to the master hologram (horizontally) to bring the replication parameters closer to the actual optical function of the master element.
  • the intensity distributions can also indicate an overall shift of the wavelength written in the master hologram (e.g. due to shrinkage or swelling of the entire master hologram), a tilting of the master hologram or a deviation of another parameter, whereby the deviation extends evenly over the entire master hologram. It may be preferable to change the corresponding replication parameter evenly over the entire exposure curve, e.g. to increase/decrease the wavelength by a corresponding value or to tilt the entire exposure curve over a certain angle.
  • the fine-tuning made when creating the exposure curve in particular the positions of the anchor points to each other and the relative values of their replication parameters, can be reused.
  • the overall efficiency of a subsequent replication can be easily improved without having to recalculate the entire exposure curve.
  • the intensity distributions at the different anchor points for which they were measured may indicate different efficiencies. This may lead to the setting of a replication parameter for one anchor point independently of the others in order to improve the efficiency of the master hologram when exposed from the anchor point.
  • the position of the anchor point may be changed and the exposure curve adjusted accordingly to create a smooth transition to the neighboring anchor points.
  • a new position of the anchor point is selected from an exposure volume.
  • a different replication parameter may also be set for the anchor point. Instead of the position, this can be, for example, an intensity, an exposure angle or a wavelength.
  • the irradiation of the master element is controlled by means of a control unit.
  • the control unit can determine and/or monitor the parameters with which the measurement method or replication method is carried out.
  • the control unit can be configured to determine the intensity, wavelength or angle of a light beam and/or the exposure point used to carry out the measurement method or replication method.
  • the control unit has access to a storage unit on which these and other relevant parameters are recorded.
  • the control unit is configured to link the determined intensity distribution to one or more exposure parameters with which the measurement method was carried out.
  • a recorded intensity distribution can be linked to a specific position of the exposure point, for example an x-y-z coordinate position.
  • the stored data can be retrieved via an output unit and/or used to set the replication parameters.
  • the measurement method can provide intensity distributions specific to a certain exposure parameter or combination of exposure parameters. This allows the influence of the exposure parameter on the efficiency of the master element to be investigated.
  • an optimized replication parameter can be determined based on the exposure parameters at which the best intensity distribution was recorded.
  • control unit calculates or retrieves information on the exposure curve for the exposure of the master hologram from a memory.
  • the control unit can calculate or retrieve the positions of a plurality of anchor points on the exposure curve and/or a mathematical function that connects the anchor points.
  • the control unit can also be configured to give a signal to one or more actuators so that the exposure point is moved along the exposure curve.
  • the actuators can preferably comprise one or more motors, in particular one or more adjustment tables and/or one or more rotary drives.
  • the actuators can preferably be part of a positioning module.
  • the speed of movement of the exposure point may be pre-programmed, with the control unit preferably being configured to move the exposure point along the exposure curve at the pre-programmed speed.
  • the control unit may also calculate or retrieve the replication parameters to be used at each anchor point.
  • the control unit may also calculate or retrieve the replication parameters to be used between the anchor points. Calculate or retrieve replication parameters, which can be determined according to a mathematical function, for example by interpolation.
  • control unit preferably refers to any computing unit with a processor, a processor chip, a microprocessor or a microcontroller that enables automatic control of the components of the method, such as the intensity of the light source, the position of the exposure point, the exposure angle and/or possible actuators for setting the exposure parameters.
  • the components of the control unit can be configured conventionally or individually for the respective implementation.
  • the control unit preferably comprises a processor, a memory and a computer code (software/firmware) for controlling the components of the device.
  • the control unit may also comprise a programmable circuit board, a microcontroller, a programmable logic controller (PLC) or other device for receiving and processing data signals from the components of the device, e.g. from sensors relating to the exposure parameters currently used.
  • PLC programmable logic controller
  • the control unit preferably comprises a computer-usable or computer-readable medium, such as a hard disk, random access memory (RAM), read-only memory (ROM), flash memory, etc., on which computer software or code is installed.
  • the computer code or software for controlling the components of the device may be written in any programming language or model-based development environment, such as, but not limited to, C/C++, C#, Objective-C, Java, Basic/VisualBasic, MATLAB, Python, Simulink, StateFlow, Lab View, or Assembler.
  • control unit configured to may include custom or standard software installed on the control unit that initiates and regulates these operational steps.
  • the control unit is preferably configured to adjust one or more exposure parameters during the measurement process.
  • the control unit may be configured to switch a light source on or off.
  • the control unit may also be configured to adjust a brightness value, wavelength, position, inclination, direction and/or speed of movement of the light source.
  • the control unit can also be configured to adjust an exposure parameter by moving the positioning module.
  • the positioning module may preferably comprise or carry one or more light directing components such as a lens, a prism, a fiber or a mirror.
  • the control unit may control the position, inclination and/or speed of movement of one or more light directing components.
  • the control unit may control the coordinate position and/or three-dimensional inclination of a scanning mirror. In this way, the orientation of the light from the light source may also be controlled, thereby determining the angle of incidence of the exposure beam on the master element.
  • the control unit may also be configured to control the speed of movement of any of the above components. A change in speed may compensate for inefficiencies of the master element.
  • the control unit may be configured to control the operation of the detector, e.g. the focus or the shutter speed.
  • the control unit may be configured to process the data of the detector using a data processing unit, e.g. to compensate for an inclination of the detector relative to the first side of the master element.
  • the control unit can further be configured to evaluate the data from the detector, e.g. to evaluate the efficiency of a master element as acceptable or unacceptable, to select a parameter for a further measurement procedure or to determine an optimized replication parameter.
  • a control pattern for the intensity distribution is provided.
  • an intensity distribution for an isolated diffuser - without a master element - is preferably recorded. This preferably means that the effect of the diffuser itself on the intensity distribution is recorded.
  • the control pattern is preferably taken into account.
  • an isolated diffuser is preferably a diffuser that is not used in combination with a master element.
  • the diffuser is the only component between the diffuser and the detector when a control pattern is detected.
  • the intensity distribution recorded with the master element can be compared with the intensity distribution of the diffuser itself. Any loss of intensity caused by the diffuser can be taken into account so that the measurement method determines an optimal replication parameter based on the actual properties of the master element.
  • the material of the diffuser may absorb light of a certain wavelength and thus influence the wavelength range recorded by the detector.
  • the replication parameters can thus be determined more precisely in order to improve the efficiency of the replication process. Locally different scattering angles or transmission properties can also occur in the diffuser, which influence the measured intensity distribution at the detector. By recording a control pattern, such influences of the diffuser on the measured intensity distribution can be advantageously taken into account.
  • the diffuser is a transmissive diffuser, which preferably behaves essentially like a Lambertian radiator.
  • a “Lambertian radiator” (or “Lambert radiator”) is preferably a light-emitting body in which the radiation intensity of the light scattered in the direction of an observer (or a detector) is independent of the direction of observation.
  • a Lambertian diffuser preferably appears equally bright from all directions in the hemisphere from which the irradiation light emerges.
  • the diffuser functions approximately like a Lambertian radiator.
  • a maximum difference between the radiation intensity detectable from a certain point on the diffuser from any two angles of a hemisphere is preferably not more than 50%, more preferably not more than 30%, even more preferably not more than 10%.
  • a deviation of the diffuser from a Lambertian target function is determined by recording one or more control patterns.
  • the influence of the recording angle on the intensity distribution can be quantified. For example, if only a single, centrally positioned camera is used to record the intensity distribution of a master element, peripheral regions of the master element may appear darker due to their non-orthogonal angle to the camera lens. This effect is preferably quantified and taken into account when evaluating the recorded light intensities.
  • the diffuser has a rough surface which faces the detector.
  • the surface of the diffuser facing the detector has a surface roughness Ra of 0.1 - 100 pm, particularly preferably 1 - 10 pm. It It was found that the diffuser essentially acts like a Lambertian radiator at these roughnesses and at the same time provides a sufficiently precise intensity distribution.
  • the surface roughness Ra in the sense of the invention is preferably the average of the profile height deviations from a center line of the height of a surface.
  • the width and length of the diffuser are preferably at least as large as the width and length of the master element.
  • the diffuser preferably has a thickness that is significantly less than its width and length.
  • the thickness of the diffuser is preferably no more than 50 mm, more preferably no more than 20 mm, no more than 10 mm, no more than 5 mm or no more than 2 mm.
  • the diffuser preferably has the shape of a film.
  • the detector is a camera, which preferably captures the intensity distribution as a two-dimensional image of the surface of the diffuser.
  • a camera can quickly translate the intensity distribution into a digital image that can be stored and/or fed into a processor to calculate an optimized replication parameter.
  • cameras with high resolution, small dimensions and low weight are available.
  • a compact, low-weight camera can be moved synchronously with a scanning exposure point to generate images of the intensity distributions of diffusers/master elements of any size. Small actuators can be used and the energy consumption of the process can be kept low.
  • partial areas of the diffuser can be illuminated one after the other so that the camera records the intensity distribution of the individual partial areas.
  • a processor can then combine the intensity distributions to reconstruct the intensity distribution over the entire diffuser.
  • This embodiment can be used, for example, to record intensity distributions for different anchor points of an exposure curve.
  • the camera can be advantageous for the camera to have a wide-angle lens. Such a camera can advantageously capture the intensity distribution emerging from a large-area diffuser without having to move the camera or merge multiple images. The measurement process can be carried out particularly quickly and reliably with low energy consumption.
  • the camera lens can be positioned centrally and plane-parallel to the diffuser.
  • the captured image of the intensity distribution can directly match that of the master element.
  • the camera is a black and white camera.
  • the recorded intensity distribution can be processed quickly to determine an optimized replication parameter. If the efficiency of the master element when exposed to different wavelengths is to be investigated, the black and white camera can be used by exposing the master element to the different wavelengths one after the other and not simultaneously. The black and white camera is therefore a particularly flexible type of detector.
  • the camera is a full-color camera, preferably an RGB camera.
  • a camera can be used to capture the intensities of the different wavelengths transmitted by the master element or the diffuser.
  • an RGB camera can be used to extract the intensity distribution of the different wavelengths from a single image when the master element is simultaneously exposed to light rays of different wavelengths.
  • the different color channels of a recorded full-color image can be isolated from each other by a processor. If the measurement method with an RGB camera is used to examine the efficiency of the master element at different wavelengths, it is preferred that the different wavelengths are sufficiently far apart from each other. For example, there can be at least 50 nm, in particular at least 100 nm, between two wavelengths examined.
  • the color channels of an RGB camera are usually represented by overlapping sensitivity curves of the camera sensors for each wavelength range, which corresponds to the red, green and blue parts of the spectrum. In the area of overlap, such cameras may be less effective in detecting the wavelength of light. By changing the wavelengths at which the Master element being tested are selected to be far enough apart, they can fall into the high sensitivity areas of the RGB camera's color curves, improving the accuracy of the resulting analysis.
  • the replication parameters determined by the measurement method can be specific to a certain wavelength, e.g. by increasing the intensity of the respective light beam or shifting its wavelength.
  • the replication parameter determined can also apply generally to all wavelengths examined, e.g. by increasing the intensity of all exposure beams.
  • the invention in a second aspect, relates to a replication method for replicating a hologram from a master element into a light-sensitive material.
  • the replication method is carried out using at least one replication parameter which was determined by means of a measuring method as described above.
  • the replication can be optimized for the actual optical function of the master element.
  • the production of the master element within certain manufacturing tolerances and the resulting deviations of the optical function from a target function can be compensated on the basis of the data experimentally recorded in the measuring method. This has proven to be significantly more precise and reliable than the use of simulation methods to estimate the efficiency of a master hologram with certain replication parameters.
  • the replication method can be carried out much more efficiently and with a higher degree of repeatability.
  • the replicated holograms produced are of higher quality. Since the replication parameters can be determined quickly and efficiently by the measuring method, the replication method can be updated regularly so that it is always adapted to the current state of the master element.
  • the change can be carried out quickly.
  • the measuring method can therefore be carried out without a long production stoppage or on a regular basis.
  • the replication method can be carried out over a long period of time without the ageing master hologram having to be replaced. In this way, a high replication efficiency is achieved over a long period of time.
  • a "photosensitive material” is preferably a material that reacts to exposure to a sufficiently coherent light source in such a way that an interference pattern is formed in the volume of the material.
  • materials are silver halides, dichromatic gelatin, photopolymers, photochromic materials and photothermoplastics.
  • the photosensitive material can be provided with a carrier film on at least one side in order to to facilitate its handling.
  • the light-sensitive material can also be enclosed in carrier films.
  • the carrier films are preferably transparent to the reference and object rays used to expose the light-sensitive material.
  • the photosensitive material is in the form of a photosensitive composite sheet comprising a photopolymer layer.
  • the photopolymer layer is enclosed between two transparent carrier films.
  • the photosensitive composite sheet may be supplied as a roll so that the photosensitive composite sheet is laminated to the master element in portions, exposed and removed. This allows the replication process to be carried out continuously.
  • a “composite” in the sense of the invention is preferably a multilayer material consisting of two or more different components with different physical properties that are bonded together at an interface.
  • the bond between the individual components is such that it cannot be separated by the influence of a slight force and is therefore considered permanent.
  • the composite can consist, for example, of a light-sensitive liquid, a solid or a resin enclosed between two transparent carrier films.
  • the composite web can comprise a stack of layers, each of which is light-sensitive to different spectral ranges.
  • a “photosensitive composite web” in the sense of the invention is preferably a composite material with a length that is at least twice, preferably at least five times and even more preferably at least twenty times its width.
  • the thickness of the composite web is preferably set so that it has a certain flexibility so that it can, for example, be partially wound around a roller.
  • the composite web preferably has a thickness of up to 300 pm.
  • the composite web comprises a photosensitive material.
  • the composite web preferably encloses the photosensitive material between two transparent carrier films that have a similar refractive index to the photosensitive material.
  • the refractive index of the carrier films and the photosensitive material is preferably between 1.4 and 1.6.
  • the photosensitive material can be, for example, a photosensitive photopolymer or a dichromatic gelatin.
  • the photosensitive material can be photosensitive or wavelength-selective for the entire visible spectrum.
  • Coherence preferably refers to the property of optical waves according to which there is a fixed phase relationship between two wave trains. As a result of the fixed phase relationship between the two wave trains, spatially stable interference patterns can arise. With regard to coherence, a distinction can be made between temporal and spatial coherence. Spatial coherence preferably represents a measure of a fixed phase relationship between wave trains perpendicular to the Propagation and is given, for example, for parallel light rays. Temporal coherence preferably represents a fixed phase relationship between wave trains along the propagation direction and is given in particular for narrow-band, preferably monochromatic light rays.
  • the coherence length preferably refers to a maximum path length or travel time difference that two light beams have from a starting point so that when they overlap, a (spatially and temporally) stable interference pattern is created.
  • the coherence time preferably refers to the time that the light needs to travel a coherence length.
  • the light source is a laser.
  • the light source is particularly preferably a narrowband, preferably monochromatic laser with a preferred wavelength in the infrared, visible and/or UV range (preferably 200 nm - 25 pm, even more preferably 400 nm to 780 nm).
  • Lasers preferably refer to light sources that emit laser radiation. Non-exhaustive examples include solid-state lasers, preferably semiconductor lasers or laser diodes, gas lasers or dye lasers. Lasers can be selected to emit light of a specific wavelength or wavelength range. This can be achieved by selecting a laser made of a suitable material.
  • ruby lasers He-Ne lasers, Ar + lasers, Kr + lasers, He-Cd lasers and/or Nd 3+ :YAG lasers can be used.
  • These or other types of lasers can be combined with an optical parametric oscillator to produce coherent beams of different wavelengths.
  • Lasers with different wavelengths can also be combined, e.g. to produce an RGB laser.
  • the optical parametric oscillator preferably comprises an optical resonator and at least one non-linear optical crystal.
  • laser wavelengths can be generated in a very wide wavelength range. This includes in particular the entire visible range and the infrared range of the electromagnetic spectrum.
  • Narrowband light sources are preferred, preferably monochromatic light sources, which include, for example, light-emitting diodes (LEDs), optionally in combination with monochromators.
  • LEDs light-emitting diodes
  • volume holograms For the generation of relief holograms, the coherence of the light rays is of lesser relevance. However, especially for the replication of volume holograms, it is preferred that the light source used for replication is sufficiently coherent.
  • a volume hologram is written into the composite path by replicating the master hologram.
  • a sequence of Bragg planes is preferably created by interference of object and reference beams within the hologram volume.
  • a volume hologram therefore preferably has a non-negligible extension in the direction of propagation of the light beams, with the Bragg condition applying to the reconstruction of a volume hologram. For this reason, volume holograms advantageously have wavelength and/or angle selectivity.
  • the coherence length of the light source is preferably at least 150 pm, more preferably at least 500 pm and even more preferably at least 2 mm.
  • the coherence length is preferably at least twice the distance between the light-sensitive material and the master hologram.
  • the coherence length is preferably not so long that parasitic microstructures, such as interference grids, appear in the hologram.
  • the maximum preferred coherence depends on the hologram type and the geometric dimensions of the exposure module. In preferred embodiments, the coherence length of the light source is less than 1 m.
  • the light source may comprise a plurality of light sources. These may preferably be configured to scan a line or region of the photopolymer composite in optical contact with the master element.
  • the exposed photosensitive composite sheet may be cured with a UV light emitter. This may be done in a separate chamber from the exposure.
  • the exposed and cured composite sheet may then be cut into individual holograms, rolled up or otherwise processed.
  • the at least one replication parameter relates to an exposure intensity with which the master element is exposed during replication. Since local or general efficiency losses occur due to the manufacturing process and/or the aging of the master element, the use of the exposure intensity determined during the measurement process for replication can compensate for this efficiency loss. In this way, the master element can continue to be used for replication, while maintaining a replication quality that would be achieved with an ideal master element.
  • the intensity for different positions on the master element is determined based on the recorded intensity distribution.
  • the at least one replication parameter relates to an exposure point from which the master element is exposed, preferably in order to maximize the efficiency of the master element during replication.
  • the manufacturing process of the master element can change the function of its interference pattern compared to a theoretical function.
  • the master element is exposed with parameters that are precisely tailored to the theoretical function. Since the real master element has a different optical function than the theoretical function, it is sensible to also adapt the exposure parameters. This can include in particular the position of an exposure point.
  • the efficiency of replication can be improved.
  • the exposure point selected by the measurement method may result in a larger proportion of the reference beam being diffracted in the first order to form the object beam.
  • This may be an optimized exposure point for exposing the entire master element, as explained above.
  • the exposure point may be a point on an exposure curve that can be adjusted based on the results of the measurement method to adapt the exposure curve to the actual properties of the master element.
  • the at least one replication parameter relates to a wavelength, wherein in the measuring method intensity distributions for two or more wavelengths are detected and the wavelength used in the replication is preferably selected in order to maximize an efficiency of the master element in the replication.
  • the influence of wavelength on the efficiency of the master element can be determined experimentally. This can be particularly useful when shrinkage or swelling changes the wavelength of the interference pattern stored in the volume of the master hologram. If the wavelength for exposure is selected based on a large number of wavelengths examined, the replication process can be carried out, for example, with a preferred wavelength previously tested in the measurement process or with a wavelength calculated by interpolation or extrapolation from tested wavelengths. The replication process can thus be carried out with greater efficiency, ensuring holograms of the highest quality.
  • a single optimized wavelength may be selected for the exposure of the entire master element. However, it may be preferred that several wavelengths determined by the measurement method are used for several corresponding points or regions of an exposure curve, eg by means of a tunable laser.
  • the replication method comprises exposing the photosensitive material and the master element by moving an exposure point along an exposure curve, wherein the exposure curve preferably comprises a plurality of anchor points, and for each individual anchor point and/or for the entire exposure curve, a replication parameter determined by the measurement method is applied during the exposure in order to preferably maximize an efficiency of the master element during replication.
  • a replication parameter determined by the measurement method is used for only one anchor point.
  • the remaining anchor points can continue to be replicated with target parameters and the rest of the exposure curve can be recalculated.
  • a replication parameter determined by the measurement method is used for only some of the anchor points, while other anchor points are replicated with target parameters. The exposure curve can be recalculated accordingly.
  • different areas of the replicated hologram can have different optical properties. These can be closely matched to the properties of the master hologram. For example, different areas of the replicated hologram can have different reconstruction angles. This can be useful, for example, for holograms that are incorporated into curved surfaces such as car interiors.
  • the replication parameters for one or more individual anchor points of the exposure curve By adjusting the replication parameters for one or more individual anchor points of the exposure curve, regional inefficiencies in the master element can be compensated.
  • the transition to the parameters of neighboring anchor points can be seamless, so that the regional adjustment is not noticeable in the replication hologram.
  • the resulting holograms can be produced in high quality and the same master element can be reused for longer without replacement.
  • the wavelength of all anchor points may be changed to a new wavelength determined by the measurement procedure.
  • the replication parameter is a wavelength. It may also be advantageous to shift or tilt the entire exposure curve to maintain the same relative distances between the anchor points. This may be preferred when the replication parameter is an intensity or an exposure angle. It is also possible to combine these approaches, e.g. by changing the wavelength of all anchor points and shifting the exposure curve. Further examples of such adjustments are set out in relation to the measurement procedure and may also be used in the replication procedure.
  • the movement of the exposure point comprises a change in its position and/or an angle of its beam path, wherein the exposure point is preferably moved by means of a controlled positioning module.
  • the positioning module preferably comprises one or more actuators to move an exposure point at least in a plane parallel to the master hologram.
  • the positioning module preferably also comprises one or more actuators to move the exposure point in a plane that passes through the master hologram, i.e. to bring the exposure point closer to the master hologram or further away from it.
  • the light source e.g. the laser
  • the positioning module preferably comprises a robot arm with one or more adjustable axes and with one or more actuators.
  • the positioning module could comprise a multi-axis optical linear adjustment table.
  • the adjustment table preferably also has at least one rotational degree of freedom.
  • the positioning module preferably also comprises an optical component which can cause beam deflection.
  • the optical component is arranged to be tiltable so that an inclination of the optical component can change an angle of the beam path.
  • the optical component can be configured to be tiltable in a single plane, in two planes or in all three planes.
  • the optical component preferably comprises a lens, a mirror and/or a prism.
  • the optical component can be, for example, a mirror.
  • the mirror can be tilted step by step using a motorized joint. This can lead to a corresponding tilt of the reference beam reaching the master element.
  • the exposure point can be a point on the mirror.
  • the movement of the positioning module and/or the optical components can be controlled by a control unit.
  • the light-sensitive material and a second side of the master element are exposed to light in several steps, while a first side of the master element opposite the second side faces a detector and the detector detects the intensity distribution of the light emerging from the first side of the master element during the exposure.
  • the replication parameter defined in the measuring method is adjusted on the basis of the intensity distribution detected in an earlier step of the exposure.
  • an earlier step and a later step of exposure may each be steps for replicating a single copy, multiple consecutive or multiple non-consecutive copies of a master hologram.
  • Such an embodiment of the invention leads to particularly good results in the replication process, since any changes in the master hologram can be reliably detected and taken into account during the replication.
  • the method also advantageously does not require an interruption of a continuous replication process. Since the exposure of the master element and the detection of an intensity distribution take place on different sides of the master element, they can be carried out simultaneously and do not have to conflict with each other. Since the master hologram is a reflection hologram, the object beam is reflected by the interference pattern of the master hologram without exiting the first side of the master element. The detector can therefore remain in the same position on the first side of the master element during the replication process as during the measurement process.
  • a reference beam can instead be partially scattered by the photosensitive material (e.g. in the photosensitive composite).
  • the photosensitive material itself can act as the diffuser for the measurement process described above.
  • the detector can However, to determine the efficiency of the master hologram, it is advantageous to detect scattered light that results from the first order of diffraction that is reflected into the material to be exposed. A type of phosphorescence can occur here.
  • the light that is reflected from the master element (1st order) can be at least partially scattered into areas of the light-sensitive material that have not yet been exposed. This scattered light advantageously emerges from the light-sensitive material over a wide angular range and can therefore be reliably detected by a detector, such as a camera, in order to record a light intensity distribution.
  • bright areas of the light intensity distribution preferably indicate a high efficiency of the master hologram, since the scattered light correlates positively with the light reflected by the master element in the first order.
  • Darker areas preferably indicate a lower proportion of first order reflection and therefore a lower efficiency of the master hologram.
  • the relationship between brightness and efficiency is thus the opposite when detecting first order scattering in the replication method compared to the embodiments of the measurement method in which a diffuser is used to scatter 0th order diffracted light and detect it by a detector.
  • the master element can be exposed over a large area or step by step using an exposure curve. If the master element is to be exposed over a large area, an intensity distribution for the entire master element can be taken in an earlier exposure step. On this basis, a replication parameter for the entire master element can be adjusted. This replication parameter can be used, for example, when producing a subsequent copy of the master hologram in a continuous process.
  • an intensity distribution can be recorded for at least one anchor point. This could be used to draw conclusions about the state of the entire master element and the entire exposure curve can be adjusted accordingly.
  • an intensity distribution is recorded for one or more, preferably all, anchor points of the exposure curve.
  • a replication parameter for the respective anchor points can be adjusted during the subsequent exposure run of the master hologram.
  • the exposure process can thus be continuously calibrated and adapted to the optical properties of the master element. This makes the replication process efficient over a long period of time.
  • Terms such as substantially, approximately, about, approximately, nearly, etc. preferably describe a tolerance range of less than ⁇ 20%, preferably less than ⁇ 10%, more preferably less than ⁇ 5% and especially less than ⁇ 1% and include the exact value.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an ideal planar reflection master hologram exposed from one exposure point.
  • Fig. 2 is a schematic representation of an actual (non-ideal) reflection master hologram in a master element. The exposure from a nominal exposure point and from an exposure point determined by the measurement method is shown schematically.
  • Fig. 3 is a schematic representation of a measuring method according to a preferred embodiment of the invention, wherein a diffuser and a detector are arranged on a first side of the master element.
  • Fig. 4 is a schematic representation of a measuring method according to a preferred embodiment of the invention, wherein an intensity distribution is detected at a first exposure point and a second exposure point.
  • Fig. 5 is a schematic representation of an intensity distribution upon exposure of the
  • Fig. 6 is a schematic representation of an intensity distribution upon exposure of the
  • Fig. 7 is a schematic representation of a measuring method according to another preferred embodiment of the invention, wherein an intensity distribution for several anchor points of an exposure point is recorded and a shift of the exposure curve occurs.
  • Fig. 8 is a schematic representation of a positioning module for moving an exposure point along an exposure curve.
  • Fig. 9 is a schematic representation of a positioning module according to an alternative embodiment for moving an exposure point along an exposure curve, the positioning module comprising a robotic arm.
  • Fig. 10 is a schematic representation of a replication method according to another preferred embodiment of the invention, wherein a light-sensitive material scatters the reference beam and the scattered light is detected as an intensity distribution. Based on the intensity distribution, a replication parameter is adjusted in-line.
  • Fig. 1 shows an ideal reflection master hologram 4 as a horizontal dashed line.
  • the master hologram 4 has an optical function that corresponds exactly to its theoretical (or target) optical function. This means that the master hologram 4 preferably has a uniform thickness and has an interference pattern in its volume that exactly corresponds to the interference pattern recorded in a computer-implemented program for hologram mastering.
  • Fig. 1 shows the master hologram 4 exposed by a reference beam 16 emanating from a target exposure point 14.
  • the reference beam 16 can have a predetermined wavelength.
  • a point light source can be provided at the target exposure point 14 so that the master element is illuminated over a large area. From the target exposure point 14, the reference beam 16 approaches the master hologram 4 at a predetermined angle.
  • the reference beam 16 is completely reflected by the master hologram 4 to generate the object beam 18 which has a predetermined angle to the master hologram 4.
  • the position of the target exposure point 14 relative to the master hologram 4, the predetermined wavelength and/or the approach angle of the target reference beam 16 to the master hologram 4 can be pre-stored as standard replication parameters for copying the master hologram 4.
  • the pre-stored standard replication parameters can serve as instructions for exposing the master hologram 4 during a replication process.
  • the standard replication parameters only lead to the highest possible replication efficiency if the optical properties of the master hologram 4 actually correspond to its theoretical optical properties. If the optical properties of the master hologram 4 begin to deviate from the target properties, it can be advantageous to expose the master hologram with appropriately adjusted replication parameters.
  • Fig. 2 shows a master hologram 4 embedded in a transparent substrate body 6. Together, the master hologram 4 and the substrate body 6 form a master element 2. Such a master element 2 is many times thicker than the master hologram 4 and is therefore significantly more robust and much easier to handle in practice.
  • the target exposure point 14, the target reference beam 16 and the target object beam 18 are shown as dashed lines in Fig. 2. Since the assumptions underlying the determination of these target exposure parameters do not take into account the current properties of the master element 2, the target reference beam 16 may not be completely reflected by the master hologram 4. The intensity of the object beam generated may therefore be too low to generate the desired interference in the light-sensitive material. A high-quality copy of the master hologram cannot be created with these replication parameters.
  • the light source used can also have a different wavelength to the target wavelength.
  • An optimized reference beam 8 can fall on the master element 2 at a different angle and/or with a different wavelength, which leads to a better match with the requirements of the interference pattern of the master hologram 4 integrated in the master element.
  • the reference beam 8 can be reflected with a higher efficiency to form the object beam 10. This is shown schematically with solid lines.
  • the sufficiently intense object beam 10 can then interfere with the reference beam 8 in the light-sensitive material to form the desired interference pattern. The quality of the copied master hologram can thus be improved and the master hologram can be reused.
  • FIG. 3 schematically shows a measuring method according to a preferred embodiment of the invention.
  • a master element 2 is provided between a first exposure point 14 and a detector 26, in this case a camera.
  • the top of the master element 2 is referred to as the first side and the bottom of the master element 2 as the second side.
  • a diffuser 24 Between the master element 2 and the detector 26 there is a diffuser 24. Although direct contact is not required for the implementation of the invention, in this embodiment the diffuser is in direct contact with the first side of the master element 2.
  • a first reference beam 16 strikes the second surface of the master element 2 at a predetermined angle. Since the master hologram 4 has undergone changes due to its manufacture, integration into a master element, use or storage, the first reference beam 16 is only partially reflected by the master hologram 4 and forms the first object beam 18. Part of the light of the first reference beam 16 is reflected by the master hologram 4, by the substrate body 6 and then into the diffuser 24. The diffuser 24 scatters the light of the reference beam to form the scattered radiation 22, which preferably radiates in all directions of a hemisphere on the top of the diffuser 24.
  • the detector 26 can measure the intensity of the light emitted from all areas of the diffuser with a sufficient objective angle. That is, the scattered light 22 seen on the left and right in the schematic drawing can be equally detected by the detector 26, even though these areas are at different angles to the detector 26.
  • Fig. 3 also shows a theoretical exposure volume 36 within which an exposure point can be selected, in particular for the whole or an area of the master hologram.
  • Fig. 4 schematically shows a change in the regional efficiency of the master hologram 4 when a different second exposure point 12 is selected within the theoretical exposure volume 36 in order to expose the master element 2 over a large area.
  • the first reference beam 16 and the resulting first object beam 18 are shown in solid lines for comparison.
  • the new second reference beam 8 and the resulting scattered light 22 transmitted by the diffuser 24 are shown by dashed lines.
  • the second exposure point 12 leads to a higher intensity of the light for this area of the diffuser. This indicates a poorer efficiency of the exposure in the corresponding region of the master hologram.
  • the scattered light 22 emitted from the right area of the diffuser 24 has a lower intensity, which is indicated by the thinner dashed lines.
  • the second exposure point 12 may result in an angle of incidence of the second reference beam 8 that is better matched to the actual properties of the master hologram 4.
  • This information may be used in selecting the exposure point or beam angle for the entire master hologram or for specific regions or points thereof. In particular, this information is provided in the form of an intensity distribution for each exposure point 14, 12 tested, before one or more replication parameters are derived from the results. 5 and 6 schematically show the intensity distributions 28 recorded for the same master hologram 4 when exposed from two different exposure points (for example from the first exposure point 14 and second exposure point 12).
  • the intensity distributions vary, with the intensity distribution in Fig. 6 having a larger dark area overall. Since the dark areas indicate a high efficiency, the exposure point of Fig. 6 may be considered more suitable.
  • the same exposure point may be selected for a replication process.
  • a third exposure point may be selected based on a trend apparent from the results for the two exposure points tested. Based on the recorded intensity distributions, further exposure points may also be selected and tested, preferably by an iterative process that converges to a maximum exposure efficiency.
  • Fig. 7 shows an embodiment of a measuring method in which the master hologram 4 is to be replicated using an exposure curve 32.
  • the entire master hologram 4 is not exposed over a large area using a single exposure point, but rather the master hologram 4 is exposed in sections.
  • Each section of the master hologram 4 is assigned a section of an exposure curve for exposure. Several exposure point positions are therefore used for a master hologram 4.
  • the exposure curve 32 is preferably configured to pass through a discrete number of anchor points 34, each having predetermined target replication parameters.
  • the exposure curve 32 preferably provides a smooth spatial transition between the anchor points 34.
  • the exposure curve 32 also provides a smooth transition between the exposure parameters of the anchor points 34, such as wavelength or intensity.
  • Fig. 7 further shows the target reference beams and the resulting object beams from the fifth 42 and seventh anchor point 44 (from left to right) using solid lines.
  • part of the light in front of the seventh anchor point 44 is not completely reflected by the master hologram 4 and is instead transmitted and scattered by the diffuser 24.
  • the replication parameters of at least this anchor point 44 are therefore not optimally adapted to the actual properties of the master hologram 4.
  • the intensity distribution and therefore the efficiency of the master hologram can be examined at an alternative seventh anchor point 46.
  • the position of the alternative seventh anchor point 46 can differ from the target position.
  • the reference beams originating from the alternative seventh anchor point 46 are shown by dashed lines.
  • the dashed lines show schematically that the angles of incidence of the new reference rays on the master element 2 are different from the target angles. If it turns out that the alternative seventh anchor point 46 enables a more efficient exposure of the master hologram, the entire exposure curve can be shifted accordingly. This is shown schematically by the dashed curve 48 in Fig. 7. Alternatively, the exposure curve can also be recalculated so that it runs through the new seventh anchor point 46 instead of the original seventh anchor point 44.
  • each anchor point 34 is checked by the measuring method and a new replication parameter (in particular a relative position to the master element 2) is determined for each point. A new exposure curve 48 can then be calculated.
  • Fig. 8 schematically shows a master element 2 arranged above a positioning module 58.
  • the positioning module 58 is configured to move an exposure point 84 along the exposure curve 32 for the measurement process and/or for the replication process.
  • the exposure point 84 in this example is a point on a tiltable scanning mirror 56 from which a reference beam 8 is directed onto the master element 2.
  • a light source 50 in this case a laser, emits a light beam that is guided through a series of optical elements (in this case a periscope arrangement) to the exposure point 84.
  • the light source 50 is preferably stationary.
  • the light source 50 can be configured to scan along a single linear path in a single horizontal plane.
  • the positioning module 58 comprises a horizontal adjustment table 52 and a vertical adjustment table 54.
  • the horizontal adjustment table 52 causes a horizontal component of movement of the exposure point 84
  • the vertical adjustment table 54 causes a vertical component thereof.
  • the angle of the reference beam 8 is preferably adjusted by tilting the scanning mirror 56, preferably by means of a motor.
  • the sequence of vertical, horizontal and tilting movements required to move the exposure point 84 over the exposure curve 32 are preferably stored in advance and/or calculated by a processor.
  • the exposure curve 32 can, however, be continuously evaluated and recalculated.
  • Fig. 9 shows an alternative embodiment of the positioning module 58, wherein an exposure point 84 is moved along an exposure curve 32 using a robotic arm 60.
  • a fiber optic delivers coherent light from the light source 50 to a scanning mirror 56.
  • Actuators in the robotic arm 60 move the scanning mirror 56 along the exposure curve 32 and simultaneously tilt it to direct light rays from different angles onto the master element 2.
  • Such a robotic arm can precisely expose the master element 2 with a variety of different exposure curves, including linear, curved and free-form exposure curves.
  • Fig. 10 schematically shows a preferred embodiment of the replication process in which the exposure parameters are adjusted inline. In this case, the diffuser is removed to avoid unwanted interference with the replication process.
  • the scattering properties of the light-sensitive material 30 into which the hologram is replicated are utilized.
  • the master hologram 4 is exposed from a predetermined exposure point 12.
  • the reference beams 8 emanating from the exposure point 12 fall at predetermined angles onto the light-sensitive material 30 and the master element 2.
  • the reference beam 8 is partially reflected by the interference patterns in the master hologram 4 to generate the object beam 10.
  • the object beam 10 interferes with the reference beam 8 and forms a corresponding interference pattern in the light-sensitive material 30.
  • a detector 26 can detect scattered light from a superposition of the reference beam 8 and the diffracted light of the first order 38.
  • the detection of the intensity distribution is made easier by the fact that unexposed light-sensitive material scatters more than exposed material.
  • the intensity of the light scattered in the light-sensitive material correlates with the proportion of the diffracted first order, which can vary depending on the efficiency of the master.
  • bright areas of the light intensity distribution preferably indicate a high efficiency of the master hologram 4, since the scattered light correlates positively with the light reflected by the master hologram 4 into the first order.
  • Darker areas indicate a smaller proportion of reflection into the first order and therefore a lower efficiency of the master hologram.
  • the detected light intensities can therefore be used to evaluate the local efficiencies of the master hologram 4. This information can be incorporated into later steps and/or subsequent runs of the replication process to improve efficiency by adjusting replication parameters.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messverfahren zur Festlegung mindestens eines Replikationsparameters für ein Replikationsverfahren unter Verwendung mindestens eines Masterelements. Das Messverfahren umfasst die Bereitstellung eines Masterelements umfassend ein Reflexionshologramm, eine Lichtquelle, einen Detektor sowie einen Diffusor. Der Diffusor liegt zwischen dem Masterelement und dem Detektor positioniert vor. Das Messverfahren umfasst weiterhin eine Bestrahlung des Masterelementes mit Licht mittels der Lichtquelle, eine Erfassung einer Intensitätsverteilung des aus dem Diffusor austretenden Lichtes mittels des Detektors und eine Festlegung mindestens eines Replikationsparameters auf Basis der erfassten Intensitätsverteilung.

Description

MESSVERFAHREN ZUR FESTLEGUNG EINES REPLIKATIONSPARAMETERS UND REPLIKATIONSVERFAHREN UNTER VERWENDUNG DES FESTGELEGTEN REPLIKATIONSPARAMETERS
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Messverfahren zur Festlegung mindestens eines Replikationsparameters für ein Replikationsverfahren unter Verwendung mindestens eines Masterelements. Das Messverfahren umfasst die Bereitstellung eines Masterelements umfassend ein Reflexionshologramm, eine Lichtquelle, einen Detektor sowie einen Diffusor. Der Diffusor liegt zwischen dem Masterelement und dem Detektor positioniert vor. Das Messverfahren umfasst weiterhin eine Bestrahlung des Masterelementes mit Licht mittels der Lichtquelle, eine Erfassung einer Intensitätsverteilung des aus dem Diffusor austretenden Lichtes mittels des Detektors und eine Festlegung mindestens eines Replikationsparameters auf Basis der erfassten Intensitätsverteilung.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Replikationsverfahren für die Replikation eines Hologramms von einem Masterelement in ein lichtempfindliches Material. Das Replikationsverfahren erfolgt unter Anwendung mindestens eines Replikationsparameters, welcher mittels des erfindungsgemäßen Messverfahrens festgelegt wurde.
Hintergrund und Stand der Technik
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Replikation von Hologrammen.
HOEs (Holographie Optical Elements) bezeichnen typischerweise optische Bauelemente, bei denen holografische Eigenschaften dazu verwendet werden, einen bestimmten Strahlengang des Lichts, wie z.B. Transmission, Reflexion, Beugung, Streuung und/oder Ablenkung etc. zu erreichen. Dadurch können gewünschte optische Funktionalitäten in kompakter Weise in beliebigen Substraten implementiert werden. Die holografischen Eigenschaften nutzen vorzugsweise den Wellencharakter des Lichts aus, insbesondere Kohärenz- und Interferenzeffekte. Dabei wird sowohl die Intensität als auch die Phase des Lichts berücksichtigt.
Solche holografischen Elemente finden in vielen Bereichen Anwendung, wie z. B. in transparenten Displays (z.B. in Schaufenstern, Kühlmöbeln, Fahrzeugscheiben), für Beleuchtungsanwendungen, wie Hinweis- oder Warnsignale in Glasflächen, lichtempfindliche Detektionssystemen beispielsweise zur Innenraumüberwachung (Eyetracking in Fahrzeugen oder Anwesenheitsstatus- Tracking von Personen in Innenräumen).
Hologramme werden durch die Interferenz eines Referenzstrahls mit dem von der Oberfläche eines Objekts reflektierten oder gebeugten Licht (Objektstrahlen) erzeugt. Traditionell wurden dreidimensionale Objekte verwendet, um einzigartige, maßgeschneiderte Hologramme herzustellen. Kommerziell erhältliche HOEs werden hingegen oft durch Vervielfältigungsverfahren in Massenproduktion hergestellt. Derartige Vervielfältigungsverfahren verwenden in der Regel ein Masterhologramm, welches das zu kopierende Bild aufweist. Obwohl das reproduzierte Bild in der Regel genau dem im Masterhologramm aufgezeichneten Bild entsprechen soll, kann es erwünscht sein, dass im Replikationsverfahren gezielte Abweichungen von dem Masterhologramm eingeführt werden. Solche gezielten Abweichungen im replizierten Bild können insbesondere durch die Anpassung der Belichtungsschritte des Replikationsverfahrens hervorgerufen werden. Die verwendeten Masterhologramme werden häufig in einem Substratkörper gespeichert, der das Masterhologramm trägt. Der Substratkörper ist bevorzugt transparent und kann verschiedene Formen aufweisen, beispielsweise eine Quaderform, eine Platte oder eine Walze. Die Kombination des Masterhologramms mit dem Substratkörper bildet ein Masterelement.
Das Masterelement wird mit einer kohärenten Lichtquelle belichtet, um das Bild aus dem Masterhologramm in einen lichtempfindlichen Verbund zu replizieren. Für eine Massenproduktion kann der lichtempfindliche Verbund in Form einer fließenden Bahn bereitgestellt werden, welche ein lichtempfindliches Material und eine oder mehrere Träger- oder Schutzschichten umfasst. Die lichtempfindliche Bahn wird zu diesem Zweck vorzugsweise durch verschiedene Arbeitsstationen transportiert, um die HOEs herzustellen.
Während der Belichtung wird die Verbundbahn auf eine Oberfläche des Masterelements gelegt. Um ein Reflexionshologramm zu erzeugen, kann das kohärente Licht die Verbundbahn durchqueren, bevor es das Masterhologramm erreicht und von diesem zurück in die Verbundbahn reflektiert wird. Die Objekt- und Referenzstrahlen interferieren miteinander in dem lichtempfindlichen Material und bilden das replizierte Hologramm. Der Replikationsprozess reagiert empfindlich auf Änderungen des Belichtungswinkels, der Intensität, der Wellenlänge usw., welche entsprechend der optischen Funktion des Masterhologramms angepasst werden müssen. Üblicherweise wird die Belichtung für jedes Masterhologramm nach einer Reihe von vorprogrammierten Parametern durchgeführt. Diese Parameter sind in der Regel so konfiguriert, dass sie ein repliziertes Hologramm mit genau denselben Eigenschaften wie das Masterhologramm erzeugen. Falls eine gezielte Abweichung von den Eigenschaften des Masterhologramms im replizierten Hologramm erwünscht ist, wird diese in der Regel auf der Grundlage der theoretischen Eigenschaften des Masterhologramms berechnet.
Um eine fehlerfreie Replikation zu gewährleisten, ist es erforderlich, dass die tatsächlichen optischen Eigenschaften des Masterhologramms mit den theoretischen Eigenschaften übereinstimmen, die zur Berechnung der Replikationsparameter verwendet werden. In der Praxis können die Masterhologramme jedoch von ihren Solleigenschaften abweichen. Dies kann zu einer Fehlanpassung zwischen den Belichtungsparametern und dem Masterhologramm führen, was zu Reproduktionsfehlern in dem lichtempfindlichen Material führt.
Bei der Fertigung des Masterhologramms bis hin zu dessen Replikation liegen eine Reihe von Prozessschritten vor, welche die optische Funktion des ursprünglich hergestellten Masters verändern können. Zum Beispiel kann die Polymerisation eines Fotopolymers während der Erstellung des Masterhologramms in lokalen Bereichen mit einer Schrumpfung einhergehen. Die Schrumpfung des lichtempfindlichen Materials, z.B. durch teilweises Trocknen und einer Zunahme seiner Dichte infolge der Polymerisation, kann die erforderliche Wellenlänge zur Erzeugung eines darin aufgezeichneten Interferenzmusters verringern. Weitere Abweichungen der Eigenschaften des Masterhologramms können aufgrund von Temperaturschwankungen im Fertigungsverfahren oder während des Aufklebens oder Einbettens des Masterhologramms in ein Masterelement auftreten. Ebenso kann im Verlauf der Zeit eine Degradierung des Masterelements auftreten, welche ebenfalls die optische Funktion verändert.
Derartige Änderungen der Eigenschaften des Masterhologramms können nicht zuverlässig durch eine Simulation vorhergesagt werden. Zudem mangelt es an praktikablen Verfahren, um messtechnisch die Abweichung der optischen Funktion des Masterhologramms von einer theoretischen optischen Funktion zu erfassen.
Beispielsweise könnte die Verwendung eines optischen Goniometers zur Analyse der tatsächlichen optischen Funktion des Masterelements in Betracht gezogen werden. Da die optische Funktion - und ihre Abweichung von einem Sollwert - jedoch räumlich über das Masterelement hinweg variieren kann, müsste eine Vielzahl von Messungen durchgeführt werden, um die Änderung des gesamten Masterhologramms zu erfassen. Dieser aufwendige Prozess würde den Einsatz von Geräten erfordern, die über einen langen Zeitraum hinweg das Masterhologramm stückweise analysieren und viel Platz beanspruchen. Ein solcher Ansatz ist daher nur sehr begrenzt praktikabel. Der notwendige Zeitaufwand wird zu einem noch größeren Hindernis, wenn berücksichtigt wird, dass sich die Funktion eines Masterelements auch im Laufe der Zeit ändern kann. Das Verfahren muss daher möglicherweise in regelmäßigen Zeitabständen wiederholt werden, um Abweichungen in der optischen Funktion des Masterelements zu überwachen und/oder auszugleichen. In einem kontinuierlichen Produktionsprozess ist dies besonders hinderlich, da Unterbrechungen der Produktion und eine Verringerung des Durchsatzes resultieren.
Es besteht daher ein Bedarf an einem Verfahren zur Analyse der optischen Funktion eines Masterelements, insbesondere zur Erkennung von Abweichungen von einer Soll-Funktion, welches in kurzer Zeit durchgeführt werden kann und für die Anwendung in einer kontinuierlichen Produktionsanlage geeignet ist. Darüber hinaus besteht ein Bedarf an einem Replikationsverfahren, bei welchem etwaige Fehler in einem Masterelement zuverlässig berücksichtigt bzw. kompensiert werden können. Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Messverfahren bereitzustellen, welches mit einfachen Mitteln, zügig und zuverlässig eine Erfassung optischer Eigenschaften eines Masterelements ermöglicht und insbesondere etwaige Abweichungen der optischen Funktion des Masterelements von einer Sollfunktion feststellen kann. Weiterhin war es eine Aufgabe der Erfindung, mittels eines derartigen Messverfahrens Replikationsparameter festzulegen zu können, welche die Effizienz eines Replikationsverfahrens unter Verwendung des Masterelementes erhöhen, wobei besonders bevorzugt zudem die Möglichkeit geschaffen werden sollte, etwaige Abweichungen der optischen Funktion eines Masterelements von einer Sollfunktion im Replikationsverfahren zu kompensieren.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Messverfahren zur Festlegung mindestens eines Replikationsparameters für ein Replikationsverfahren, wobei das Replikationsverfahren unter Verwendung eines Masterelementes erfolgt. Das Messverfahren umfasst die folgenden Schritte:
Bereitstellung eines Masterelements umfassend ein Reflexionshologramm, einer Lichtquelle, eines Detektors sowie eines Diffusors, wobei der Diffusor zwischen dem Masterelement und dem Detektor positioniert vorliegt,
Bestrahlung des Masterelementes mit Licht mittels der Lichtquelle,
Erfassung einer Intensitätsverteilung des aus dem Diffusor austretenden Lichtes mittels des Detektors und
Festlegung mindestens eines Replikationsparameters auf Basis der erfassten Intensitätsverteilung.
Vorzugsweise wird das Masterhologramm in oder auf einem Substratkörper platziert, um ein Masterelement zu bilden. Durch die Integration eines Masterhologramms in ein Masterelement wird eine hohe Robustheit gewährleistet. Da das Masterhologramm sehr dünn und empfindlich ist, kann die Integration in ein größeres Bauteil die Handhabung erleichtern und die Notwendigkeit beseitigen, das Masterhologramm selbst zu berühren, was zu Beschädigungen führen kann. Die Prozessschritte zur Herstellung des Masterhologramms und dessen Integration in ein Masterelement können jedoch die gewünschte optische Funktion beeinflussen.
Zum einen kann das Verfahren der Herstellung des Masterhologramms zu physikalischen Veränderungen des lichtempfindlichen Materials führen, in welches es geschrieben ist. Zum Beispiel kann die Polymerisation während des Mastering-Prozesses zu einer unerwünschten Schrumpfung des lichtempfindlichen Materials führen, wodurch sich seine optischen Eigenschaften ungewollt verändern. Weiterhin kann eine unkontrollierte Lichtstreuung zu zusätzlichen einbelichteten Strukturen im lichtempfindlichen Material führen und die Effizienz des gewünschten Interferenzmusters verringern. Eine perfekte Regelung der Produktionsbedingungen für ein Masterhologramm ist üblicherweise nicht oder nur mit hohem Aufwand realisierbar. Die Herstellung des Masterhologramms erfolgt daher in der Regel im Rahmen bestimmter Fertigungstoleranzen. Um den Auswirkungen von unerwünschter Schrumpfung oder unerwünschten Interferenzmustern entgegenzuwirken, ist es von Vorteil, diese zu lokalisieren und/oder ihre Wirkung zu quantifizieren.
Außerdem ist der Prozess der Integration des Masterhologramms in den Substratkörper, um das Masterelement zu bilden, fehleranfällig. Eine ungleichmäßige Verteilung eines Klebstoffs zwischen dem Masterhologramm und dem Substratkörper oder eine ungleichmäßige Oberflächenstruktur zwischen dem Masterhologramm und dem Substratkörper kann zu ungleichmäßig verteilten optischen Verlusten über das Masterelement führen. Aufgrund der unvorhersehbaren Natur solcher Verluste und ihrer variablen räumlichen Verteilung ist es nicht ohne Weiteres möglich, diese zu quantifizieren, zu simulieren oder abzuschätzen. Aus Gründen der wirtschaftlichen Realisierbarkeit erfolgt der Prozess der Integration des Masterhologramms in ein Masterelement ebenfalls innerhalb von festgelegten Fertigungstoleranzen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Festlegung von Replikationsparametern, die für die tatsächlichen Eigenschaften des Masterelements geeignet sind, welche vorzugsweise innerhalb der genannten Fertigungstoleranzen liegen. Ein Replikationsverfahren kann somit in Bezug auf die genannten Toleranzen robuster gestaltet werden.
Weiterhin kann die Replikation des Masterhologramms in ein lichtempfindliches Material am besten durchgeführt werden, indem der Belichtungslichtstrahl (oder der Belichtungspunkt) über einen vorbestimmten Pfad geleitet wird, welcher auf die optische Funktion des Masterhologramms abgestimmt ist. So kann eine Effizienz des Masterelements für einen Replikationsprozess von verschiedenen Parametern, wie einem Einfallwinkel oder einer Wellenlänge abhängen.
In einem idealen Masterelement mit einem reflektierenden Masterhologramm, welches von einem optimalen Belichtungspunkt bzw. Belichtungspfad aus bestrahlt wird, wird ein Belichtungsstrahl vorzugsweise nahezu vollständig in eine 1. Ordnung gebeugt. Der Belichtungslichtstrahl (Referenzstrahl) kann mit dem reflektierten Lichtstrahl (Objektstrahl) in einem dazwischen liegenden lichtempfindlichen Material interferieren, um das Hologramm zu kopieren. Der in die 1. Ordnung gebeugte Anteil des Belichtungsstrahles entspricht mithin einer gewünschten Nutzwelle, welche zur Replikation eines Holograms dienen kann. Der Anteil des Belichtungsstrahls, welcher nicht reflektiert bzw. gebeugt wird, passiert das Masterhologramm und das Trägersubstrat. Im Falle eines idealen Masterelement, wäre der Anteil der transmittierten 0. Beugungsordnung gleich null und der gesamte Anteil des Belichtungsstrahles würde reflektiert. Bei einem idealen Masterelement sollte mithin überhaupt kein Licht durch das Masterelement auf eine gegenüberliegende Seite transmittiert werden.
Wenn sich das Masterhologramm jedoch bei der Integration in ein Masterelement verformt hat, z.
B. aufgrund des Gewichts des Substratkörpers, einer ungleichmäßigen Klebeschicht oder Delaminierungseffekten, erlaubt der in Bezug auf das ideale Masterelement optimierte, theoretische Belichtungspunkt möglicherweise keine hohe Effizienz über sämtliche Bereiche des Masterhologramms. Beispielsweise können Schrumpfungen, ungleichmäßige Klebeschichten oder Delaminierungseffekte dazu führen, dass bestimmte Bereiche des Masterhologramms unter abweichende Belichtungspunkte- oder -winkeln bestrahlt werden müssten, um eine ausreichende Nutzwelle zu erzeugen.
Es ist ein Verdienst der Erfinder, erkannt zu haben, dass eine Effizienz des Masterholograms für eine Replikation quantifiziert und/oder kartiert werden kann, indem Licht erfasst wird, welche durch eine dem Detektor zugewandten Seite des Masterelements austritt. Zu diesem Zweck liegt zwischen dem Masterelement und dem Detektor ein Diffusor vor.
Das Masterelement umfasst vorzugsweise eine Seite, die dem Detektor zugewandt ist. Dies kann hier als "die erste Seite des Masterelements" oder "die dem Detektor zugewandte Seite des Masterelements" bezeichnet werden. Dies ist vorzugsweise eine Seite des Masterelements, die nicht belichtet wird, durch die aber Anteile des Belichtungslichtstrahls (insbesondere einer 0. Beugungsordnung) austreten können.
Eine Seite des Masterelements, auf die ein Referenzstrahl trifft, um das Masterhologramm zu belichten, wird vorliegend vorzugsweise als "die zweite Seite des Masterelements" oder "die dem Detektor abgewandte Seite des Masterelements" bezeichnet. Diese liegt vorzugsweise im Wesentlichen parallel und gegenüber der ersten Seite des Masterelements. Beispielsweise ist eine obere Seite des Masterelements die erste Seite und eine untere Seite des Masterelements die zweite Seite (oder umgekehrt).
Ein „Diffusor“ (oder auch „Streuplatte“) im Sinne der Erfindung ist vorzugsweise eine transparente Platte oder Folie, welche dafür konfiguriert ist, einen Lichtstrahl beim Durchgang durch die Platte oder die Folie zu streuen und/oder aufzuweiten. Die Streuung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe einer angerauten Oberfläche des Diffusors, Pigmentstoffe im Diffusor, einer Kristallstruktur des Diffusors und/oder auf Grund von opalisierenden Eigenschaften des Diffusors. Vorzugsweise funktioniert der Diffusor annähernd wie ein lambertscher Diffusor. Der Diffusor kann in Vorzugsformen auch ein oberflächenstrukturierter Diffusor sein, welcher holographisch hergestellt wurde. Vorzugsweise ist der ausgewählte Diffusor kein volumenholographischer Diffusor, um eine Winkelselektivität zu vermeiden.
In bevorzugten Ausführungsformen kann der Diffusor unmittelbar auf einer ersten Seite des Masterelements aufgebracht sein, so dass er in direktem Kontakt mit diesem steht. Ein direkter Kontakt ist jedoch nicht erforderlich. Der Kontakt kann durch eine weitere Schicht wie eine optische Flüssigkeit oder ein optisches Einkoppelelement vermittelt werden. Ebenso kann es auch keinen Kontakt zwischen dem Diffusor und dem Masterelement geben, sodass der Diffusor sich mit einem Abstand auf der ersten Seite des Masterelementes befindet. In einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann eine Haltevorrichtung zur Positionierung des Diffusors zwischen dem Masterelement und dem Detektor vorgesehen werden, wobei durch die Haltevorrichtung beispielsweise ein Abstand zwischen einer ersten (oberen) Seite des Masterelement und einer unteren Seite des Diffusors definiert wird. In den verschiedenen Ausführungsformen befindet sich der Diffusor jedoch vorzugsweise stets zwischen dem Masterelement und dem Detektor, wobei der Diffusor, insbesondere in der Ausführungsform einer Streuplatte, vorzugsweise parallel zum Masterelement ausgerichtet vorliegt.
Durch die Positionierung eines Diffusors zwischen dem Detektor und dem Masterelement kann die Erfassbarkeit des austretenden Lichts erhöht werden, wodurch das Messverfahren zuverlässiger wird. Insbesondere sorgt der Diffusor vorzugsweise dafür, dass das austretende Licht den Detektor unabhängig von einem Austrittswinkel erreicht. Da die Oberflächenrauhigkeit des Diffusors bewirkt, dass gestreutes Licht von Oberflächen, die in unterschiedliche Richtungen zeigen, durchgelassen wird, kann das austretende Licht vorzugsweise praktisch aus jedem Winkel innerhalb einer Halbkugel erfasst werden. Dies ist besonders nützlich, wenn der Detektor stationär gehalten wird, das Messverfahren aber auf verschiedene Masterelemente oder verschiedene Belichtungswege mit unterschiedlichen Beleuchtungswinkeln angewendet wird. Eine allzu genaue Positionierung des Detektors wird dadurch überflüssig.
Indem das vom Diffusor durchgelassene Licht mit einem Detektor erfasst wird, kann die Intensität (und optional die Wellenlänge) des durchgelassenen Lichts quantifiziert werden. Das Messverfahren muss sich daher nicht auf die subjektive Beurteilung des Masterelements verlassen, und der Aufwand für Versuch und Irrtum, um Abweichungen von einer gewünschten optischen Funktion bzw. Änderungen der Effizienz des Masterelements auszugleichen, kann reduziert und/oder eliminiert werden. Außerdem muss nicht subjektiv entschieden werden, ob ein Masterelement so stark beschädigt ist, dass es ersetzt werden muss. Diese Entscheidungen können stattdessen objektiv auf der Grundlage wiederholbarer quantitativer Messungen getroffen werden.
Durch die Erfassung einer Intensitätsverteilung des vom Diffusor durchgelassenen Lichts können die von der Abweichung der optischen Funktion des Masterelements bzw. Reduzierung der Effizienz betroffenen Regionen objektiv identifiziert werden. Die gemessene Abweichung bzw. verringerte Effizienz des Masterhologramms in Bezug auf eine Replikation kann somit zur mathematischen Anpassung eines Replikationsparameters verwandt werden. So kann zum Beispiel die Intensität der Belichtung in jenen Regionen erhöht werden, welche eine hohe Intensität des durchgelassenen Lichts aufweisen.
Die Erhöhung der Intensität bei der Replikation kann vorzugsweise derart angepasst werden, dass der optische Verlust exakt ausgeglichen wird. Dies kann schnell und automatisch von einem Prozessor erledigt werden, so dass eine wiederholte Anpassung oder eine subjektive Bewertung des Ergebnisses nicht notwendig sind. Insbesondere durch die Erfassung der aus der ersten Seite des Masterelements austretenden Lichtintensität als zweidimensionale räumliche Verteilung kann die Anpassung der Belichtungslichtintensität auch in räumlicher Abhängigkeit erfolgen. Zum Beispiel können die Intensitätswerte verschiedener räumlich verteilter Punkte auf einer Belichtungskurve unabhängig voneinander angepasst werden.
Indem die Ineffizienz des Masterelements durch Messung der Intensität des austretenden Lichts quantifiziert wird, kann auch objektiv bewertet werden, ob ein Belichtungspunkt nicht optimal ist und angepasst werden muss. Eine Anpassung des Belichtungspunktes bedeutet vorzugsweise eine Veränderung der Position des Belichtungspunktes, von dem aus der Referenzstrahl auf das Masterelement gerichtet ist. Das gesamte Masterelement kann von einem einzigen Belichtungspunkt aus großflächig belichtet werden. In diesem Fall kann das Messverfahren vorzugsweise die Auswahl der optimalen Position des Belichtungspunktes vermitteln. Ebenfalls kann das Masterelement auch von mehreren Belichtungspunkten aus belichtet werden, insbesondere von einer Reihe räumlich verteilter Belichtungspunkte auf einer Belichtungskurve. Jedem dieser räumlich verteilten Belichtungspunkte kann jeweils ein Bereich aus mehreren räumlich verteilten Bereichen des Masterelements zugeordnet werden. In einem solchen Fall kann die Erfassung der Lichtintensität als räumlich aufgelöste Verteilung Aussagen zur Effizienz der jeweiligen Bereiche des Masterelements ermöglichen und eine Anpassung der Belichtungspunkte in Abhängigkeit ihrer Zuordnung zu den Bereichen des Masterelementes gewährleisten.
Durch Auswerten der Ineffizienz des Masterelements anhand der Intensität des austretenden Lichts lässt sich auch feststellen, ob der Belichtungswinkel nicht optimal ist und angepasst werden muss. Dies kann bedeuten, dass der Winkel, in dem der Referenzstrahl auf das Masterelement trifft, durch eine mathematische Anpassung für das gesamte Masterelement geändert wird. Da jedoch nicht nur ein einzelner Intensitätswert, sondern eine Intensitätsverteilung erfasst wird, kann der Belichtungswinkel auch für einzelne Bereiche des Masterelements angepasst werden.
Ebenso ist es vorteilhaft möglich, das Messverfahren für unterschiedliche Belichtungspfade durchzuführen, um einen optimalen Belichtungspfad (auch „Belichtungskurve“ im Sinne der Erfindung) zu identifizieren, für den die Effizienz des Masterhologramms maximal ist. Ein späterer Replikationsprozess kann mit einem entsprechend optimierten Belichtungspfad durchgeführt werden, wobei optional durch eine entsprechende Regulation der Intensität etwaige Effizienzeinbußen präzise ausgeglichen werden können.
Das Messverfahren kann also einen Replikationsprozess ermöglichen, der genau auf die tatsächlichen (und nicht nur theoretischen) Eigenschaften eines Masterelements abgestimmt ist. Die resultierenden Hologramme haben eine höhere Qualität und können sehr reproduzierbar hergestellt werden.
Durch die Anordnung eines Diffusors zwischen Masterelement und einem Detektor, der das aus dem Diffusor austretende Licht erfasst, kann die Vorrichtung für das Messverfahren sehr kompakt gestaltet werden. Ein Diffusor, der beispielsweise eine Platte oder Folie umfasst, nimmt in einer Belichtungskammer nur wenig Platz ein. Der Diffusor kann leicht mit Hilfe von Walzen, Saugrobotern, manuell oder auf andere Weise eingebracht und entfernt werden. Da es sich bei den Hologrammen, die auf der Grundlage der Ergebnisse aus dem Messverfahren repliziert werden, um Reflexionshologramme handelt, hat der Diffusor keinen Einfluss auf die Platzierung des lichtempfindlichen Materials auf dem Masterelement. Der Grund dafür ist, dass das lichtempfindliche Material auf der gegenüberliegenden (zweiten) Seite des Masterelements platziert wird. Walzen zum Laminieren oder Aufbringen von lichtempfindlichem Material auf das Masterelement können unverändert in ihrer Position bleiben, ebenso wie Vorrichtungen zum Aufträgen von optischen Flüssigkeiten, Einkoppelelementen und dergleichen. Außerdem muss ein auf den Diffusor gerichteter Detektor nicht mit den für die Belichtung verwendeten Vorrichtungen wie Lichtquellen, Linsen, Spiegeln usw. in Konflikt geraten, da diese auch auf die gegenüberliegende Seite des Masterelements gerichtet werden können, um ein Reflexionshologramm zu replizieren.
Die für das Messverfahren benötigte Vorrichtung kann somit leicht in eine Vorrichtung zur kontinuierlichen und/oder automatisierten Replikation eines Reflexionshologramms integriert werden. Das Messverfahren kann auf einfache Weise in Intervallen oder zwischen den Durchläufen des Replikationsprozesses durchgeführt werden, ohne dass die Replikationsvorrichtungen abgebaut oder umgeordnet werden müssen. So kann ein Verschleiß oder Degradation eines Masterelements überwacht und/oder Replikationsparameter kontinuierlich angepasst werden, um Veränderungen des Masterelements auszugleichen.
Ein „Replikationsparameter“ im Sinne der Erfindung ist vorzugsweise ein physikalischer Parameter, der zwischen den Durchläufen oder zwischen einzelnen Wiederholungen eines Replikationsverfahrens von Hologrammen variabel eingestellt werden kann. Vorzugsweise ist der Replikationsparameter ein physikalischer Parameter, der sich auf den Belichtungsschritt des Replikationsverfahrens bezieht. Insbesondere ist der Replikationsparameter eine physikalische Eigenschaft oder ein physikalischer Parameter, der sich auf den Belichtungslichtstrahl (welcher als Referenzstrahl fungiert) bezieht. Es kann vorteilhaft sein, dass ein Replikationsparameter die Belichtung des gesamten Masterelements betrifft. Dies ist insbesondere bei Replikationsverfahren der Fall, bei denen das Masterelement großflächig von einem einzigen Belichtungspunkt aus belichtet wird. Ebenso kann es auch vorteilhaft sein, dass der Replikationsparameter spezifisch für einen räumlichen Bereich des Masterelements ist. Dies ist insbesondere für Replikationsverfahren relevant, bei denen das Masterelement vorzugsweise nach und nach mittels Bewegung eines Lichtpunkts auf dem Masterelement schrittweise über einen Scanvorgang belichtet wird. In einem solchen Fall kann beispielsweise ein Replikationsparameter bezüglich einer Intensität der Belichtung für unterschiedliche Lichtpunkte auf dem Masterelement angepasst werden.
Der Begriff „Lichtpunkt“ bezeichnet vorzugsweise einen Punkt auf dem Masterelement auf dem der Lichtstrahl auf die Oberfläche des Masterelementes trifft, während der Belichtungspunkt vorzugsweise außerhalb des Masterelements liegt und einen Punkt bezeichnet, von dem aus ein Lichtstrahl zur Belichtung des Masterelementes ohne wesentliche Umlenkung auf eine Oberfläche des Masterelements trifft.
Der Replikationsparameter kann auch für einen zeitlichen Abschnitt des Belichtungsschritts spezifisch sein.
Der Replikationsparameter kann beispielsweise eine Lichtintensität, eine Wellenlänge, ein Bereich oder eine Auswahl von Wellenlängen, eine Kohärenz, eine Bewegungsgeschwindigkeit des Belichtungspunkts, eine Verweilzeit des Lichtpunkts, ein Winkel des einfallenden Belichtungslichtstrahls, eine absolute, relative und/oder angulare Position der Lichtquelle, eine absolute, relative und/oder angulare Position einer Lichtumlenkungskomponente wie eines Spiegels, Prismas, einer Linse oder einer optischen Faser sein. In Vorzugsformen kann der Replikationsparameter auch eine Sequenz von Belichtungspunkten betreffen, welcher in Form einer Belichtungskurve zur Belichtung des Masterelementes zu verwenden ist. Ebenso sind selbstverständlich eine Kombination der vorgenannten Replikationsparameter denkbar und bevorzugt, bei der beispielsweise Replikationsparameter für mehrere Ankerpunkte einer Belichtungskurve festgelegt werden, wobei für jeden Ankerpunkt unterschiedliche Intensitätswerte für die Belichtung verschiedener Bereiche des Masterelementes festgelegt werden.
Eine „Festlegung eines Replikationsparameters“ im Sinne der Erfindung umfasst vorzugsweise ein Schätzen, Berechnen, eine Auswahl oder eine Ermittlung eines Replikationsparameters, bei dem sich eine höhere Effizienz des Masterhologramms ergibt oder erwartet wird. Vorzugsweise handelt es sich bei der Festlegung des Replikationsparameters um die Ermittlung einer optimalen Strahlungsdosis (insbesondere Strahlungsintensität und/oder Verweilzeit), welche eine bestmögliche Belichtung eines Masterhologramms oder eines Bereichs davon in ein lichtempfindliches Material erzielt. Die Schätzung, Berechnung, Auswahl oder Ermittlung kann vorzugsweise von einer Datenverarbeitungseinheit durchgeführt werden. Die Ergebnisse der Schätzung, Berechnung, Auswahl oder Ermittlung können vorzugsweise in einer Speichereinheit gespeichert werden. Die gespeicherten, festgelegten Replikationsparameter können vorzugsweise für einen weiteren Prozessschritt verwendet werden. Auf die Speichereinheit kann vorzugsweise von einer Steuereinheit zur Steuerung eines Replikationsverfahrens zugegriffen werden, um den festgelegten Replikationsparameter auszulesen und/oder ein Signal an einen Aktuator zu senden, um das Masterelement mit dem festgelegten Replikationsparameter zu belichten.
Ein „Detektor“ im Sinne der Erfindung ist vorzugsweise eine oder mehrere Vorrichtungen zum Messen und/oder Aufnehmen von Daten. Vorzugsweise ist der Detektor dazu eingerichtet, ein analoges und/oder nicht-elektrisches Eingangssignal in ein elektrisches und/oder digitales Ausgangssignal umzuwandeln. Hierbei kann der Detektor neben der Lichtintensität weitere physikalischen Größen (z.B. Wellenlänge) als eine elektrische Spannung, Puls und/oder Stromstärke darstellen. Die Ausgangssignale umfassen vorzugsweise Informationen über eine absolute oder relative räumliche Verteilung der physikalischen Größen. Der Detektor kann zum Beispiel eine Kamera, ein Scanner oder ein Array von Photodioden umfassen. Vorzugsweise leitet der Detektor die Ausgangssignale an einen Prozessor, Speicher und/oder eine Kommunikationseinheit weiter.
Eine „Lichtquelle“ im Sinne der Erfindung ist vorzugsweise eine Vorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 200 nm - 25 pm, insbesondere zwischen 400 - 780 nm, ausstrahlt. Die elektromagnetische Strahlung kann vorzugsweise infrarote, sichtbare und/oder ultraviolette Strahlung umfassen, wobei sichtbare Strahlung besonders bevorzugt ist. UV-Strahlung meint im erfindungsgemäßen Kontext bevorzugt eine elektromagnetische Strahlung im Bereich von 200 pm bis 400 pm, besonders bevorzugt 300 pm bis 400 pm. Sichtbare Strahlung meint insbesondere elektromagnetische Strahlung im Bereich von 400 - 780 nm und Infrarotstrahlungstrahlung von 780 nm bis 25 pm, vorzugsweise im nahen Infrarotbereich, d.h. vorzugsweise von 780 nm bis 3000 nm, insbesondere von 780 nm bis 1400 nm.
Die Lichtquelle kann lichtumlenkende Vorrichtungen wie Linsen umfassen oder mit diesen in Zusammenhang stehen. Die Lichtquelle kann vorzugsweise einen kollimierten Strahl, insbesondere mit einer bestimmten Breite und Richtung emittieren. Ebenso kann es bevorzugt sein, dass ein von der Lichtquelle emittierter Strahl gezielt eine erwünschte Divergenz an einem Belichtungspunkt aufweist. Vorzugsweise ist die Lichtquelle auch so konfiguriert, dass sie kohärentes Licht abgibt. Die Lichtquelle kann zum Beispiel ein Laser sein.
Im Sinne der Erfindung ist ein „Belichtungspunkt“ vorzugsweise ein Punkt, von dem aus ein Lichtstrahl zur Belichtung des Masterhologramms ohne wesentliche Umlenkung auf eine Oberfläche des Masterelements trifft. Der Belichtungspunkt kann die Lichtquelle selbst sein oder sich auf einem Element befinden, das das Licht von der Lichtquelle lenkt, wie z.B. ein Spiegel. Beispielsweise könnte der Belichtungspunkt einem Fokuspunkt entlang des Strahlenganges entsprechen, das heißt das Licht kann beim Fokuspunkt einen geringen Strahlquerschnitt aufweisen als stromabwärts oder stromaufwärts entlang des Strahlenganges. Alternativ oder zusätzlich könnte der Belichtungspunkt koinzident mit der Anordnung einer Linse oder eines Spiegels sein, welche eine letzte Strahlablenkung vor Auftreffen des Lichts auf das Masterelement implementiert. Eine Änderung des Belichtungspunkts umfasst vorzugsweise eine Änderung der Position dieses Belichtungspunkts.
Ein „Masterelement“ ist vorzugsweise eine dreidimensionale Einheit, welche mindestens ein Masterhologramm in einer Form umfasst, welche sicherstellt, dass eine Bewegung des Masterelements unmittelbar zu einer entsprechenden Bewegung des Masterhologramms führt. Ein Masterelement kann auch eine Mehrzahl an Masterhologrammen beispielsweise 2, 3, 5, oder mehr umfassen. Vorzugsweise hat das Masterelement eine Länge und eine Breite, die mindestens der Länge und Breite des Masterhologramms entsprechen. Vorzugsweise ist das Masterelement mindestens doppelt, bevorzugt fünfmal und besonders bevorzugt mindestens zwanzigmal so hoch wie das Masterhologramm.
Das Masterelement umfasst vorzugsweise einen Substratkörper, der das mindestens eine Masterhologramm entweder umschließt oder trägt. In Ausführungsformen kann das Masterelement beispielsweise eine transparente obere Abdeckung zum Schutz eines Masterhologramms umfassen, das zwischen der Abdeckung und dem Substratkörper vorliegt. Vorzugsweise ist die obere Abdeckung ebenfalls transparent. Die obere Abdeckung kann zum Beispiel eine transparente Folie oder eine Glasschicht sein.
Das Masterelement kann vorzugsweise die Form eines quaderförmigen Blocks, einer Platte, einer Pyramide, oder eines Prismas haben. Der Substratkörper kann entsprechend geformt sein.
Bevorzugt kann der Substratkörper der Masterelemente aus einem Material gebildet sein, welches ein optischer Kunststoff ist, vorzugweise ausgewählt aus der Gruppe: Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Cycloolefin-Polymere (COP) und Cycloolefin-Copolymere (COC) und/oder ein optisches Glas ist, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe: Borosilikatglas, Quarzglas, B270, N-BK7, N-SF2, P-SF68, P-SK57Q1 , P-SK58A und P-BK7.
Vorzugsweise haben sowohl der Substratkörper als auch eine etwaige Abdeckung des Masterelements einen Brechungsindex zwischen 1 ,4 und 1 ,6.
Die Auswahl des Materials für den Substratkörper kann von dem gewünschten Belichtungswinkel oder Brechungsindex abhängen. Es kann zudem bevorzugt sein, dass ein Substratkörper eingefärbt ist, um beispielsweise Licht wellenlängenselektiv zu filtern, um ein Hologramm mit einer bestimmten Wellenlänge zu erzeugen. Auf diese Weise kann eine breitbandige Lichtquelle zur Belichtung verschiedener Masterhologramme verwendet werden.
Es ist bevorzugt, dass die Oberfläche oder Abdeckung des Masterelements Glas, PC, TAC oder PMMA umfasst. Das Material der Oberfläche kann in Form einer Folie oder Platte zum Schutz des Masterhologramms vorliegen. Das Material der Oberfläche oder der Abdeckung kann aber auch das Material des Substratkörpers selbst sein und beispielsweise eine Quaderform oder zylindrische Form aulweisen.
Ein „Substratkörper“ im Sinne der Erfindung ist vorzugsweise ein dreidimensionaler Materialblock, der das Masterhologramm trägt oder umschließt. Vorzugsweise ist der Substratkörper transparent. In einigen Ausführungsformen hat der Substratkörper mehrere Flächen, darunter eine ebene Oberfläche, die horizontal ausgerichtet sein kann. In einigen Ausführungsformen ist der Substratkörper prismatisch, d.h. er weist einen konstanten Querschnitt beliebiger Form auf, z.B. quadratisch, polygonal.
Im Sinne der Erfindung bezieht sich der Begriff "transparent" oder „Transparenz“ vorzugsweise auf eine Eigenschaft eines Materials, wodurch es im Wesentlichen durchlässig für Licht ist. Vorzugsweise ist ein transparentes Material im Sinne der Erfindung zumindest für einen Teil des elektromagnetischen Spektrums transmittierend, vorzugsweise mit einer Wellenlänge zwischen 200 nm - 25 pm, besonders bevorzugt zwischen 400 nm - 780 nm. Besonders bevorzugt ist ein transparentes Material, beispielsweise ein transparenter Substratkörper, durchlässig für Licht eines Wellenlängenbereichs mit welchem eine Belichtung des Masterhologramms erfolgt. Ein transparentes Material kann auch so eingefärbt sein, dass es die Lichtstrahlung einer oder mehrerer bestimmten Wellenlänge(n) selektiert.
Ein „Masterhologramm“ im Sinne der Erfindung ist vorzugsweise ein holographisch-optisches Element umfassend mindestens ein zu replizierendes Hologramm. Das Masterhologramm ist für eine optische Funktion (z.B. Beugung, Reflexion, Transmission und/oder Brechung) für eine oder eine Mehrzahl an Wellenlängen ausgelegt. Bei dem Masterhologramm kann es sich beispielsweise um ein diffraktives optisches Element (DOE) handeln. Diffraktive optische Elemente (DOEs) nutzen ein Oberflächenreliefprofil mit einer Mikrostruktur für ihre optische Funktion. Alternativ kann die Mikrostruktur auch im Volumen des Elements z. B. in Form eines lokalen Unterschieds im Brechungsindex vorliegen. Ein solches Masterhologramm gilt als ein sogenanntes „Volumenhologramm“. Das von einem DOE durchgelassene Licht kann durch Beugung und anschließende Ausbreitung in fast jede gewünschte Verteilung umgewandelt werden. Dabei kann es sich um ein Bild, ein Logo, einen Text, ein Interferenzmuster oder ähnliches handeln.
Der Prozess zur Herstellung des Masterhologramms kann vorzugsweise als „Hologramm- Origination“ oder „Hologramm-Mastering“ bezeichnet werden. Das Masterhologramm kann mit einem analogen oder digitalen Verfahren erstellt werden. In einem beispielhaften analogen Verfahren wird ein erster kohärenter Strahl, der Objektstrahl, von einem Objekt und auf ein Aufzeichnungsmaterial reflektiert, das gleichzeitig einem zweiten kohärenten Strahl, dem Referenzstrahl, ausgesetzt ist. Der Objektstrahl und der Referenzstrahl interferieren und erzeugen ein Interferenzmuster auf bzw. in dem Aufzeichnungsmaterial. Dieses Interferenzmuster wird von lichtempfindlichem Material aufgezeichnet, so dass nach der Verarbeitung die Form eines Oberflächenreliefmusters auf einer Oberfläche des Materials oder ein räumlich variierender Brechungsindex im meist nur wenige Mikrometer dicken Material entsteht. Um ein Bild des ursprünglichen Objekts zu betrachten, kann das Masterhologramm mit Licht beleuchtet werden, das von dem aufgezeichneten Oberflächenreliefmuster oder Brechungsindexmuster gebeugt wird. Dieser gebeugte Strahl enthält das Bild des ursprünglichen Objekts. Das Masterhologramm kann anschließend bei der Erstellung weiterer Kopien mit demselben Bild als neues Objekt verwendet werden.
Das Masterhologramm kann vorzugsweise auch computergeneriert sein. Die mikroskopischen Gitter, welche die Beugungseffekte erzeugen, können z. B. durch Laserinterferenzlithographie hergestellt werden. Bei dieser Technik werden zwei oder mehr kohärente Lichtstrahlen so konfiguriert, dass sie an der Oberfläche eines Aufzeichnungsmaterials interferieren. Die Positionen der Lichtstrahlen in Bezug auf das Aufzeichnungsmaterial können von einem Computer gesteuert werden. Je nach Stärke des Lasers kann das Aufzeichnungsmaterial aus nahezu jedem Material bestehen. Andere Techniken wie die Elektronenstrahllithographie können ebenfalls zur digitalen Herstellung des Masterhologramms verwendet werden. Das Masterhologramm kann vorzugsweise Glas, Silizium, Quarz, UV-Lack, ein Fotopolymerverbund und/oder ein Metall wie Nickel umfassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen höhere Werte der Intensitätsverteilung auf eine geringere Effizienz des Masterelementes bei einem Replikationsverfahren hin. Vorzugsweise entspricht das durch den Diffusor gestreute Licht einer nullten (0.) Beugungsordnung eines Belichtungsstrahles, welches durch das Masterhologram transmittiert und nicht zur Replikation genutzt werden kann. Je höher der Anteil der (unerwünschten) 0. Beugungsordnung ist, desto geringer ist der Anteil der 1. Beugungsordnung, welcher als Objektstrahl zur Replikation verwandt wird. Höhere Werte der Intensitätsverteilung am Detektor weisen somit auf einen höheren Anteil einer 0. Beugungsordnung und mithin geringeren Effizienz des Masterelementes hin.
Mit anderen Worten entspricht das am Detektor detektierte Licht vorzugsweise jenem Licht, welches vom Interferenzmuster des Masterhologramms durchgelassen wird, ohne durch das Interferenzmuster des Masterhologramms gebeugt zu werden. Da der Winkel und die Position des Belichtungsstrahls so gewählt sind, dass dieser vom theoretischen Interferenzmuster im Masterhologramm in eine 1. Beugungsordnung gelenkt wird, sollte bei einem idealen Masterhologramm das gesamte einfallende Licht reflektiert werden und so einen Objektstrahl bilden. Dies gilt insbesondere für ein ideales Masterhologramm, welches dazu ausgelegt ist, das einfallende Licht vollständig zu reflektieren. In einem idealen Fall für ein solches Masterhologramm wäre der Anteil einer 0. Beugungsordnung gleich null und der Detektor würde keinen Lichtaustritt aus dem Diffusor erfassen. Sofern jedoch ein Lichtaustritt aus dem Diffusor erkannt wird, deutet dies darauf hin, dass die Effizienz des Masterelements an dem Punkt, an dem das Licht das Masterelement verlässt, vermindert ist. Reflexionsmasterhologramme können jedoch ebenso aufgrund praktischer Limitierungen oder im Hinblick auf bestimmte Anwendungen dafür konfiguriert sein, dass diese auch im bestmöglichen Fall nur einen Anteil des einfallenden Lichts reflektieren. In diesem Fall ist der Anteil einer 0. Beugungsordnung auch im bestmöglichen Fall nicht null, sondern entspricht einer bekannten theoretischen Soll-Intensität ungleich 0. Sofern die detektierte Intensität eine solche Soll-Intensität übersteigt, deutet dies ebenso vorzugsweise auf eine geringere Effizienz des Masterhologramms an dem Punkt hin, an dem die Soll-Intensität der durchgelassenen 0. Beugungsordnung überschritten wird.
Je größer die erfasste Lichtintensität ist, desto geringer ist die lokale Effizienz des Masterelements. Es kann zum Beispiel sein, dass das Masterelement an dieser Stelle geschrumpft ist, wodurch sich die Dicke des Masterhologramms verringert hat. Dies kann die Reflexionseffizienz verringern. Es ist vorzugsweise das Ausmaß und die Verteilung dieser Verringerung der Reflexionseffizienz, welche indirekt durch die Intensitätsverteilung erfasst wird. Im Sinne der Erfindung ist eine "Effizienz" eines Punkts oder eines Bereichs eines Masterhologramms (die lokale Effizienz) vorzugsweise die Fähigkeit des Masterhologramms an diesem Punkt oder Bereich, eine gewünschte Lichtlenkungsfunktion ohne Verluste auszuführen. Die lokale Effizienz des Masterhologramms kann zum Beispiel ein Maß für die Intensität des realen Objektstrahls (oder der Nutzwelle) im Vergleich zur Intensität eines idealen Objektstrahls (oder der Nutzwelle) sein. Im Falle eines idealen Masterhologramms, welches für die vollständige Reflektion des Referenzstrahls ausgelegt ist, entspricht die Intensität des idealen Objektstrahls vorzugsweise der Intensität des Referenzstrahls, unter Berücksichtigung des Beer-Lambert-Gesetzes. Ebenso kann wie obig erläutert, auch im bestmöglichen Fall das Reflexionshologramm dafür ausgelegt sein nur einen Anteil des einfallenden Lichts zu reflektieren. In diesem Fall entspricht die Intensität eines idealen Objektstrahls lediglich einem Anteil der Intensität des Referenzstrahls. Eine Soll-Intensität eines theoretischen gebeugten Strahls der 1. Ordnung kann somit einer Intensität des Referenzstrahls unter Berücksichtigung des Beer-Lambert-Gesetzes entsprechen oder lediglich einem Anteil (Faktor kleiner 1 ) entsprechen. Die lokale Effizienz des Masterhologramms kann vorzugsweise berechnet werden, indem die Intensität des gebeugten Strahls der 1 . Ordnung durch die Soll-Intensität eines theoretischen gebeugten Strahls der 1 . Ordnung geteilt wird. Die Intensität des tatsächlich gebeugten Strahls der 1. Ordnung kann berechnet werden, indem die Intensität des detektierten Strahls der nullten Ordnung, der aus dem Diffusor austritt, von der Intensität des Referenzstrahls subtrahiert wird.
Bei diesen Berechnungen können die von den Strahlen durchlaufenen Entfernungen unter Verwendung des Beer-Lambert-Gesetzes berücksichtigt werden. Die lokale Effizienz kann zum Beispiel als Prozentsatz angegeben werden. Diese Effizienz kann räumlich über das Masterhologramm variieren und kann auch von den physikalischen Eigenschaften des Referenzstrahls abhängen. Insbesondere kann die Effizienz des Masterhologramms vom Wert eines Replikationsparameters abhängen.
Im Sinne der Erfindung ist die “Effizienz“ des gesamten Masterhologramms vorzugsweise eine Bewertung seiner Fähigkeit, ein repliziertes Hologramm mit der erwünschten Qualität herzustellen. Die Effizienz des Masterhologramms als Ganzes kann eine Funktion der lokalen Effizienzen über das gesamte Masterhologramm sein. Sie kann aber auch von der Intensitätsverteilung und/oder der räumlichen Verteilung der lokalen Effizienzen abhängen. So können z.B. die Position und die Flächengröße ineffizienter Bereiche eine Rolle bei der Bestimmung der Effizienz des Masterhologramms spielen. Eine solche Bestimmung kann von einem Programm auf einer Datenverarbeitungseinheit durchgeführt werden, zum Beispiel einem Bildverarbeitungsalgorithmus, wie aus dem Bereich der Qualitätskontrolle bekannt.
Die Beziehung zwischen der erfassten Lichtintensität und der Effizienz des Masterelements kann verwendet werden, um den optimalen Replikationsparameter auszuwählen, zum Beispiel eine Lichtintensität der Belichtung. Ein Computerprogramm kann verwendet werden, um aus den Effizienzwerten des Masterelements optimierte Belichtungsparameter zu berechnen. Vorzugsweise wird die Berechnung von einer Datenverarbeitungseinheit durchgeführt. Eine solche Datenverarbeitungseinheit kann Teil einer Steuereinheit zur Steuerung eines Replikationsverfahrens sein.
Vorzugsweise erfolgt eine Festlegung des Replikationsparameters im Hinblick auf eine Maximierung der Effizienz des Masterelementes bei einem Replikationsverfahren oder im Hinblick auf eine Verringerung der Abweichung der Effizienz von einem Sollwert. Auf diese Weise kann das Ergebnis des Messverfahrens verwendet werden, um die Replikation zu optimieren und eine hohe Qualität der replizierten Hologramme zu gewährleisten. Zudem kann durch eine Anpassung der Replikationsparameter zur Optimierung der Effizienz vorteilhaft Masterelemente trotz etwaiger Verschlechterung deutlich länger ohne starke Qualitätseinbußen weiterverwendet werden. Dies erhöht die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Bestrahlung des Masterelements mit Licht unter Verwendung von mindestens zwei verschiedenen Belichtungsparametern vorgenommen. Vorzugsweise wird die Intensitätsverteilung des aus dem Diffusor austretenden Lichts für jeden der mindestens zwei Belichtungsparameter erfasst. Indem das Messverfahren für mindestens zwei verschiedene Replikationsparameter durchgeführt wird, kann die Auswirkung der Variierung des Replikationsparameters auf die Effizienz des Masterelements untersucht werden. So kann bestimmt werden, in welche Richtung (z.B. Erhöhung, Reduzierung) ein Replikationsparameter korrigiert werden kann, um die Effizienz der Replikation zu verbessern.
Vorzugsweise erfolgt eine Festlegung des mindestens eines Replikationsparameters auf Basis mindestens zweier Intensitätsverteilungen, welche für die mindestens zwei verschiedene Belichtungsparameter erfasst wurden. Die mehrfache Erfassung von Intensitätsverteilungen für verschiedene Belichtungsparameter kann zum Beispiel die Schlussfolgerung unterstützen, dass eine Verschiebung des Belichtungslichtstrahls in eine bestimmte Richtung, eine Anpassung des Winkels des Belichtungslichtstrahls in eine bestimmte Richtung oder eine Erhöhung/Verringerung der Wellenlänge des Belichtungslichtstrahls eine Effizienz des Masterelements in einem anschließenden Replikationsprozess erhöht. Diese Informationen können genutzt werden, um einen Replikationsparameter entsprechend anzupassen (beispielsweise in die als günstiger identifizierte Richtung), um eine optimale Replikation zu erreichen.
Durch die Aufzeichnung mehrerer Intensitätsverteilungen kann es zudem möglich sein, diese zu vergleichen, um eine Intensitätsverteilung (bzw. deren zu Grunde liegenden Belichtungsparameter) zu ermitteln, welche auf eine höchste Effizienz des Masterelements im Replikationsprozess hinweist. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Intensitätsverteilung handeln, welche die größte dunkle Gesamtfläche aufweist, um eine Intensitätsverteilung mit der geringsten Gesamtbeleuchtungsstärke oder um die Intensitätsverteilung, bei welcher helle Bereiche (d.h. Bereiche mit einer geringeren Effizienz) mit Regionen des Masterhologramms übereinstimmen, die als am wenigsten kritisch eingestuft werden (z.B. dekorative Regionen in einem Hologramm, das Text und dekorative Elemente umfasst). Auf dieser Grundlage kann der Replikationsparameter oder eine Kombination von Replikationsparametern, mit welcher die effizienteste Intensitätsverteilung erreicht wird, als günstiger für die Replikation identifiziert werden. Diese Replikationsparameter können für die Verwendung in einem Replikationsverfahren ausgewählt oder zur Interpolation oder Extrapolation auf einen günstigeren Replikationsparameter verwendet werden. Die Qualität der replizierten Hologramme kann weiter verbessert und eine Nutzungsdauer des Masterelements ohne Qualitätseinbußen verlängert werden.
Das vorgeschlagene Messverfahren stellt vorteilhaft eine deutlich schnellere und zuverlässigere Technik bereit, um eine Replikationseffizienz zu verbessern und Defekte im Masterelement zu kompensieren, als aus dem Stand der Technik bekannten Methoden. Insbesondere ist es zuverlässiger, den Einfluss mehrere mögliche Belichtungsparameter auf die Effizienz der Replikation auf diese Weise zu messen, als sich auf die Simulation der optischen Funktion des Masterelements zu verlassen. Das Messverfahren macht auch die zeitaufwendige Analyse einer Vielzahl von Punkten auf den Masterelementen mit einem Goniometer überflüssig.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entspricht der mindestens eine Replikationsparameter einer Belichtungsintensität, einer Wellenlänge, einem Belichtungspunkt, einem Winkel des Strahlenganges des Lichtes im Belichtungspunkt und/oder einer Belichtungskurve des Belichtungspunktes.
Auf Basis des vorgeschlagenen Messverfahrens können bevorzugt einer, mehrerer oder sämtliche der vorgenannten Parameter zur Replikation des Masterelementes optimiert werden.
Beispielsweise kann durch die Festlegung einer Belichtungsintensität als Replikationsparameter etwaige optischen Verluste bzw. Effizienzverminderungen des Masterhologramms auf einfache und präzise Weise im Replikationsprozess kompensiert werden. So kann beispielsweise die Belichtungsintensität lokal in Abhängigkeit einer lokalen Effizienz des Masterelementes erhöht oder erniedrigt werden. Hat das Messverfahren für bestimmte Bereiche auf dem Masterelement eine verminderte Effizienz festgestellt, kann diese durch eine vorzugsweise proportionale Steigerung der Intensität der Belichtung bei einer Replikation für jene Bereiche kompensiert werden. Vorteilhaft werden Abweichungen von einem idealen Masterhologramm ausgeglichen und eine fehlerreduzierte, homogene Replikation des Masterhologramms erreicht.
Weiterhin kann das Messverfahren vorteilhaft eine Wellenlänge als ein Replikationsparameter für ein anschließendes Replikationsverfahren festlegen. So ist bekannt, dass eine Schrumpfung von Masterhologrammen zu einer Verringerung der Wellenlänge des darin geschriebenen Interferenzmusters führen kann, für welches eine effiziente Reflektion durch das Masterhologramm erfolgt. In einem solchen Fall kann ein Referenzstrahl mit einer theoretischen Soll-Wellenlänge nur noch mit verminderter Effizienz gebeugt werden. Der Anteil an transmittierter Strahlung, welche nicht für den Replikationsprozess genutzt werden kann, ist erhöht. Im Messverfahren wird dies durch eine erhöhte Intensität am Detektor festgestellt, welcher das Licht erfasst, das vom Diffusor gestreut wird.
Wird das Messverfahren beispielsweise mit unterschiedlichen Wellenlängen als Belichtungsparameter durchgeführt, kann eine optimale Wellenlänge als Replikationsparameter für eine anschließende Replikation festgelegt (ausgewählt bzw. interpoliert) werden. Wie obig erläutert, kann die Festlegung eines optimalen Replikationsparameter beispielsweise anhand einer Minimierung der am Detektor erfassten Intensität in Bezug auf die Wellenlänge erfolgen. In bevorzugten Ausführungsformen kann eine optimierte Wellenlänge für den gesamten Bereich des Masterhologramms oder verschiedene Wellenlängen für verschiedene Bereiche festgelegt werden.
Wenn der durch das Messverfahren identifizierte Replikationsparameter eine Wellenlänge des Belichtungslichts ist, kann die Wellenlänge des Referenzstrahls mithin näher an jene Wellenlänge gebracht werden, für die das Interferenzmuster im Masterhologramm optimal ausgelegt ist. Zusätzlich oder alternativ kann die Belichtung des Masterhologramms mehrmals mit der Soll- Wellenlänge oder mit einer oder mehreren verbesserten Wellenlängen erfolgen, um die Effizienz der Replikation zu steigern. Im Ergebnis resultieren replizierte Hologramme einer deutlich höheren Qualität.
Durch das Messverfahren kann ein mehrdimensionaler Parameterraum identifiziert werden, innerhalb dessen eine ideale Parameterkombination als Kompromiss ausgewählt werden soll. Ein solcher Parameterraum kann zum Beispiel Korrelationen zwischen Wellenlänge, Winkel und Effizienz betreffen.
Weiterhin ist bekannt, dass die Effizienz insbesondere von reflektiven Masterhologrammen vom Einfallswinkel eines Replikationsstrahles abhängen kann. Vorteilhaft kann mithilfe des vorgeschlagenen Messverfahrens zudem ein Winkel des Strahlenganges des Lichtes im Belichtungspunkt für eine Replikation festgelegt werden. Der Winkel im Strahlengang des Lichtes im Belichtungspunktes bestimmt vorzugsweise den Winkel, unter welchem das Masterhologramm während der Replikation beleuchtet wird. In Abhängigkeit der Ausgestaltung eines Masterhologramms kann es auch für unterschiedliche Bereiche unterschiedliche Winkel geben, welche eine erhöhte Effizienz aufweisen. Unter Kenntnis der optischen Funktion des Masterhologramms wäre es grundsätzlich möglich, eine Winkelverteilung für die Replikation eines Masterholograms mit optimierter Effizienz zu simulieren. Zum einen ist dies jedoch aufwendig und zum anderen können etwaige Fertigungstoleranzen nur schwer erfasst werden.
Vorteilhaft erlaubt es das erfindungsgemäße Messverfahren mit einfachen Mitteln auf zügige Weise eine Effizienz-Winkel-Karte zu erstellen, welche die Effizienz des Masterelementes in Abhängigkeit verschiedener Einfallswinkel erfasst. Hierdurch kann insbesondere vorteilhaft ein Winkel des Strahlenganges des Lichtes für eine Belichtung während der Replikation derart eingestellt werden, dass der Referenzstrahl bei der Replikation das Masterhologramm in sämtlichen Bereichen unter einem erforderlichen Winkel trifft. Selbst etwaige Verformungen des Masterhologramms können zuverlässig mittels des Messverfahrens erfasst und für eine anschließende Replikation berücksichtigt werden. Beispielsweise kann ein Schrumpfen oder Quellen des Masterhologramms zu lokal unterschiedlichen Anforderungen an einen Belichtungswinkel führen. In dem Messverfahren wird die verminderte Effizienz in Abhängigkeit des Bestrahlungswinkels als Intensitätserhöhung am Detektor erfasst. Eine Optimierung des Winkels für eine Replikation kann mithin beispielsweise im Hinblick auf eine Minimierung der am Detektor erfassten Intensität des Streulichtes hin erfolgen.
Die Effizienz des Replikationsverfahrens kann zudem dadurch verbessert werden, dass ein effizienterer Belichtungspunkt auf der Grundlage des Messverfahrens ermittelt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Belichtungsparameter ein Belichtungspunkt. Vorzugsweise erfolgt eine Erfassung einer Intensitätsverteilung des aus dem Diffusor austretenden Lichtes für mindestens zwei verschiedene Belichtungspunkte.
Durch die Erfassung von mindestens zwei Intensitätsverteilungen an mindestens zwei Belichtungspunkten kann das Messverfahren experimentell ermitteln, welcher der mindestens zwei Belichtungspunkte die besseren Ergebnisse liefert. Insbesondere kann festgestellt werden, welcher der getesteten Belichtungspunkte zu einer geringeren Beleuchtungsstärke des Diffusors führt. Auf dieser Grundlage kann ein bevorzugter Belichtungspunkt für ein Replikationsverfahren ausgewählt werden. Bei dem Belichtungspunkt kann es sich um die Position eines Punkts für eine großflächige oder eine bereichsweise Belichtung eines Masterelements handeln. Ein weiterer Belichtungspunkt kann auch auf der Grundlage der gemessenen Intensitätsverteilungen ausgewählt werden, zum Beispiel durch Interpolation zwischen zwei getesteten Belichtungspunkten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Erfassung einer Intensitätsverteilung des aus dem Diffusor austretenden Lichtes für mindestens drei Belichtungspunkte wiederholt. Vorzugsweise werden der dritte und weitere Belichtungspunkte durch eine konvergierende Funktion ausgewählt, insbesondere durch einen iterativen Prozess auf Grundlage der bereits erfassten Intensitätsverteilungen, um bevorzugt zu einem Belichtungspunkt zu konvergieren bei welchem eine maximale Effizienz des Masterelementes für ein Replikationsverfahren zu erwarten ist. Alternativ oder zusätzlich können die dritte und/oder weitere Belichtungspunkte durch einen rekursiven Prozess ausgewählt werden.
Indem die Intensitätsverteilung für mindestens drei Belichtungspunkte erfasst wird, kann der Replikationsparameter auf der Grundlage einer größeren Anzahl von Versuchsergebnissen ausgewählt werden und sich somit einem Belichtungspunkt mit der höchstmöglichen Effizienz für ein bestimmtes Masterelement nähern. Es kann bevorzugt sein, dass mindestens vier, mindestens fünf, mindestens zehn, mindestens zwanzig oder mehr Intensitätsverteilungen bei einer entsprechenden Anzahl von Belichtungspunkten erfasst werden. Die Genauigkeit, mit der die Replikationsparameter ermittelt werden, kann hierdurch weiter erhöht werden.
Durch die Auswahl der Belichtungspunkte mittels einer konvergierenden Funktion kann das Messverfahren so optimiert werden, dass die durchgeführten Messungen auf die Positionen der Belichtungspunkte beschränkt werden, die wahrscheinlich die besten Ergebnisse liefern. Ein optimaler Belichtungspunkt kann schneller und zuverlässiger ausgewählt werden als bei einem Messverfahren, bei dem alle getesteten Belichtungspunkte im Voraus festgelegt oder nicht mittels einer konvergierenden Funktion ausgewählt werden.
Im Sinne der Erfindung ist eine „konvergierende Funktion“ zur Auswahl eines Parameterwerts vorzugsweise ein mathematischer oder algorithmischer Prozess, der auf einer Verfeinerung einer geschätzten Größe basiert, bis diese gemäß definierten Grenzen hinreichend genau ist bzw. zu einem Optimum konvergiert. Die konvergierende Funktion kann beispielsweise auf einem iterativen oder rekursiven Algorithmus basieren.
In ähnlicher Weise kann eine konvergierende Funktion verwendet werden, um einen anderen Replikationsparameter als einen Belichtungspunkt zu optimieren, wie z.B. eine Wellenlänge oder Strahlungsintensität. Vorzugsweise wird die konvergierende Funktion analog eingesetzt, um den Wert des Replikationsparameters zu ermitteln, bei dem eine maximale Effizienz des Masterelementes für ein Replikationsverfahren zu erwarten ist.
Ein erster und/oder ein zweiter Replikationsparameterwert können beispielsweise im Lichte der Soll-Replikationsparameter ausgewählt werden. Die ersten und zweiten Replikationsparameter können auch nach dem Zufallsprinzip, anhand von Maximal-/Minimalwerten aus den Fertigungstoleranzen oder nach einer anderen Formel ausgewählt werden. Aus den für den ersten und zweiten Replikationsparameter erfassten Intensitätsverteilungen kann ein Effizienztrend abgeleitet und zur Auswahl eines dritten Replikationsparameters verwendet werden. Der Auswahl weiterer Replikationsparameter und das Erfassen entsprechender Intensitätsverteilungen kann so lange wiederholt werden, bis eine bestimmte Anzahl von Parameterwerten getestet wurde, bis der Unterschied zwischen den Effizienzen aufeinanderfolgender getesteter Parameterwerte kleiner als ein vorgegebener Wert oder wenn keine weitere Erhöhung der Effizienz erfasst wird. Vorzugsweise ist der Replikationsparameter ein Belichtungspunkt. Es kann auch bevorzugt sein, dass der Replikationsparameter eine Wellenlänge, ein Winkel, ein Abstand oder eine Intensität ist.
Ein Masterhologramm kann so konfiguriert sein, dass verschiedene Stellen mit unterschiedlichen Replikationsparametern zu belichten sind. Zum Beispiel kann es erforderlich sein, dass einige Bereiche des Masterhologramms mit einer höheren oder niedrigeren Intensität, einem vorbestimmten Winkel des Referenzstrahls oder einer vorbestimmten Wellenlänge belichtet werden. Dies kann durch Scannen des Masterelements mit einem Belichtungsstrahl erreicht werden. Beim Scannen wird ein Lichtpunkt vorzugsweise entlang gerader Linien bewegt. Sodass regionale Variationen der Replikationsparameter erreicht werden, kann zudem auch der Belichtungspunkt vorzugsweise über einen nicht-linearen Weg, z.B. eine Kurve, bewegt werden. Dabei können Variationen in der Intensität erreicht werden, indem die Intensität der Lichtquelle eingestellt wird. Variationen des Winkels können durch Kippen einer Lichtquelle oder einer optischen Zwischenkomponente erreicht werden, um einen Referenzstrahl mit dem gewünschten Winkel zu erzeugen. Eine Wellenlänge kann beispielsweise durch das Einschalten eines oder mehrerer Laser oder durch die Anwendung von Filtern angepasst werden. Der Weg des Belichtungspunktes und die variablen Parameter können als Anweisungen in einem Speicher bereitgestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Masterelement für eine Belichtung über eine Belichtungskurve ausgelegt. Vorzugsweise definiert die Belichtungskurve den Pfad des Belichtungspunkts für die Replikation des Masterelements. Weitere Replikationsparameter neben der Position können an verschiedenen Punkten oder Abschnitten der Belichtungskurve variieren. Vorzugsweise variiert der Belichtungswinkel über die Belichtungskurve,
Bei Belichtung eines Masterelements mit einer Belichtungskurve wird das Masterelement vorzugsweise bereichsweise belichtet. Das Masterelement kann zum Beispiel in Spalten gegliedert sein, wobei jeder Spalte ein Abschnitt der Belichtungskurve - insbesondere ein Ankerpunkt - zugeordnet ist. Ebenso kann das Masterelement in einem Gitter gegliedert sein, wobei jeder Zelle des Gitters ein Abschnitt der Belichtungskurve - insbesondere ein Ankerpunkt - zugewiesen ist. Andere Konfigurationen, wie z.B. Freiformkurven, können ebenfalls vorteilhaft sein.
Durch Verwendung einer Belichtungskurve kann vorzugsweise ein variabler Einfallswinkel des Referenzstrahl auf das Masterelement während einer Belichtung ermöglicht werden. Insbesondere kann der Einfallswinkel des Lichts als Funktion des Orts eines entsprechenden Lichtpunkts des Lichts auf das Masterelement variiert werden. Dies kann durch eine geeignete Krümmung der Belichtungskurve ermöglicht werden. Hierdurch kann erreicht werden, dass eine Krümmung des Masterelements während des Mess- oder Replikationsverfahrens, die aufgrund seines Herstellungsprozesses vorgegeben ist und von der gewünschten Oberflächenform eines replizierten Hologramms abweicht, kompensiert werden. Anders formuliert kann also durch eine gekrümmte Belichtungskurve eine Krümmung des Substrats oder der Abdeckung des Masterholograms während des Belichtungsprozesses kompensiert werden (wobei diese Krümmung z.B. in Bezug auf ein Referenz-Koordinatensystem definiert ist, welches durch die Form des Substrats definiert ist).
Eine solche Belichtungskurve ist besonders vorteilhaft, wenn das replizierte Hologramm selbst gekrümmt ist oder in eine gekrümmte Oberfläche integriert werden soll. Ein Beispiel ist ein Hologramm mit einer optischen Funktion, die so konfiguriert ist, dass sie Lichtstrahlen auf einen bestimmten Punkt konvergiert. Ein weiteres Beispiel ist ein Hologramm, das in einen gekrümmten transparenten Bildschirm, eine Windschutzscheibe oder eine andere nicht ebene Oberfläche integriert werden soll.
Es kann vorteilhaft sein, dass die Belichtungskurve mehrere Ankerpunkte umfasst. Das Messverfahren kann zum Festlegen eines Replikationsparameters an einem oder mehreren Ankerpunkten verwendet werden. Die Belichtungskurve und/oder das Programm zu ihrer Berechnung können so konfiguriert sein, dass sie einen zwei- oder dreidimensionalen Raum um den Ankerpunkt herum berücksichtigen, innerhalb dessen seine Position festgelegt werden kann. Der zwei- oder dreidimensionale Raum kann vorzugsweise ein Quadrat oder ein Quader sein und kann hier als Belichtungsvolumen bezeichnet werden. Das Messverfahren kann vorzugsweise verwendet werden, um die optimale Position (oder auch „Belichtungspunkt“) eines Ankerpunktes innerhalb des Belichtungsvolumens zu bestimmen. Auf diese Weise kann die Belichtungskurve angepasst werden, ohne dass eine völlig neue Kurve neu berechnet werden muss.
Eine „Belichtungskurve“ im Sinne der Erfindung ist vorzugsweise eine Bahn, entlang der ein Belichtungspunkt bewegt wird, um ein Masterelement zu belichten. Obwohl die Bahn linear sein kann, ist sie vorzugsweise gekrümmt in mindestens einer Ebene. Vorzugsweise verbindet die Belichtungskurve eine begrenzte Anzahl von räumlich verteilten Ankerpunkten, deren absolute Positionen oder relative Positionen zum Masterelement vorher festgelegt sind. Vorzugsweise ist jedem Ankerpunkt ein Teilbereich des Masterelements zugeordnet. Die Belichtungskurve basiert sich vorzugsweise auf eine mathematische Funktion, insbesondere einer nicht-lineare Funktion, die durch diese Ankerpunkte verläuft. Für ein Masterelement können eine oder mehrere Belichtungskurven vorgesehen sein. Vorzugsweise werden die Positionen der Ankerpunkte und/oder die mathematische Funktion der Kurve, die sie verbindet, in einem Speicher bereitgestellt, auf den eine Steuereinheit zugreifen kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Messverfahrens erfolgt eine Erfassung einer Intensitätsverteilung für eine Vielzahl von räumlich verteilten Ankerpunkten einer Belichtungskurve, wobei eine Festlegung des mindestens einen Replikationsparameters eine Verschiebung der Belichtungskurve und/oder eine Variation der Ankerpunkte betrifft.
Indem die Intensitätsverteilung des aus dem Diffusor austretenden Lichts an verschiedenen Ankerpunkten der Belichtungskurve erfasst wird, können lokale Ineffizienzen des Masterelements unabhängig voneinander kompensiert werden. Werden die Replikationsparameter eines Ankerpunktes der Belichtungskurve angepasst, kann die Belichtungskurve einen sanften Übergang zu den weiteren Ankerpunkten bieten, deren Replikationsparameter möglicherweise nicht oder auf andere Weise angepasst wurden. Die Effizienz des Masterelements bzw. einer anschließenden Replikation kann erhöht werden. Gleichzeitig können die replizierten Hologramme eine insgesamt hohe Qualität aufweisen, mit einem nahtlosen Übergang zwischen Regionen, die mit unterschiedlichen Parametern belichtet wurden. Vorzugsweise betrifft in dieser Ausführungsform eine Festlegung des mindestens einen Replikationsparameter eine Verschiebung der Belichtungskurve und/oder eine Variation der Ankerpunkte.
Die Intensitätsverteilungen können darauf hinweisen, dass das Masterelement eine gleichmäßig verteilte Ineffizienz aufweist, was eine gleichmäßige Erhöhung der Belichtungsintensität erfordert. Dies kann der Fall sein, wenn die Gesamtbeleuchtungsstärken aller aufgezeichneten Intensitätsverteilungen annähernd gleich sind. Beispielsweise können sich die aufgezeichneten Intensitätsverteilungen um weniger als einen vorgegebenen Betrag unterscheiden. Ein Replikationsparameter kann für die Belichtungskurve gleichmäßig angepasst werden, wie beispielsweise eine gleichmäßig Erhöhung der Belichtungsintensität. Die Belichtungskurve kann auch gleichmäßig an die tatsächliche optische Funktion des Masterelements angepasst werden, beispielsweise indem sie näher an das Masterelement gebracht wird. Hierdurch wird die Intensität der Belichtung erhöht und - je nach Ausführung - ein Belichtungswinkel angepasst. Die gesamte Belichtungskurve kann auch in der Ebene parallel zum Masterhologramm (horizontal) verschoben werden, um die Replikationsparameter näher an die tatsächliche optische Funktion des Masterelements zu bringen.
Die Intensitätsverteilungen können auch eine Gesamtverschiebung der im Masterhologramm geschriebenen Wellenlänge (z.B. durch Schrumpfung oder Schwellung des ganzen Masterhologramms), eine Kippung des Masterhologramms oder eine Abweichung eines weiteren Parameters anzeigen, wobei die Abweichung sich gleichmäßig über das ganze Masterhologramm erstreckt. Es kann bevorzugt sein, den entsprechenden Replikationsparameter über die gesamte Belichtungskurve gleichmäßig zu verändern, z.B. die Wellenlänge um einen entsprechenden Wert zu vergrößern/verkleinern oder die gesamte Belichtungskurve über einen bestimmten Winkel zu kippen.
Durch das Verschieben eines Replikationsparameters für die gesamte Belichtungskurve kann die Feinabstimmung bei der Erstellung der Belichtungskurve, insbesondere die Positionen der Ankerpunkte zueinander und die relativen Werte ihrer Replikationsparameter, weiterverwendet werden. Die Gesamteffizienz einer anschließenden Replikation kann auf einfache Weise verbessert werden, ohne dass die gesamte Belichtungskurve neu berechnet werden muss.
Alternativ können die Intensitätsverteilungen an den verschiedenen Ankerpunkten, für die sie gemessen wurden, unterschiedliche Effizienzen anzeigen. Dies kann zur Festlegung eines Replikationsparameters für einen Ankerpunkt unabhängig von den anderen führen, um die Effizienz des Masterhologramms bei Belichtung aus dem Ankerpunkt zu verbessern. Zum Beispiel kann die Position des Ankerpunkts geändert und die Belichtungskurve entsprechend angepasst werden, um einen sanften Übergang zu den benachbarten Ankerpunkten zu schaffen. Vorzugsweise wird eine neue Position des Ankerpunkts aus einem Belichtungsvolumen ausgewählt. Zusätzlich oder alternativ kann auch ein unterschiedlicher Replikationsparameter für den Ankerpunkt festgelegt werden. Statt der Position kann dies zum Beispiel eine Intensität, ein Belichtungswinkel oder eine Wellenlänge sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Bestrahlung des Masterelements mithilfe einer Steuereinheit gesteuert. Die Steuereinheit kann die Parameter, mit denen das Messverfahren bzw. Replikationsverfahren durchgeführt wird, bestimmen und/oder überwachen. Beispielsweise kann die Steuereinheit so konfiguriert sein, dass sie die Intensität, die Wellenlänge oder den Winkel eines Lichtstrahls und/oder den Belichtungspunkt bestimmt, der zur Durchführung des Messverfahrens bzw. Replikationsverfahrens verwendet wird. Vorzugsweise hat die Steuereinheit Zugriff auf eine Speichereinheit, auf der diese und andere relevante Parameter aufgezeichnet werden. Vorzugsweise ist die Steuereinheit so konfiguriert, dass sie die ermittelte Intensitätsverteilung mit einem oder mehreren Belichtungsparametern verknüpft, mit denen das Messverfahren durchgeführt wurde. Zum Beispiel kann eine aufgezeichnete Intensitätsverteilung mit einer bestimmten Position des Belichtungspunktes, zum Beispiel einer x-y-z- Koordinatenposition, verknüpft werden. Vorzugsweise können die gespeicherten Daten über eine Ausgabeeinheit abgerufen und/oder für die Festsetzung der Replikationsparameter verwendet werden.
In diesem Sinne kann das Messverfahren Intensitätsverteilungen liefern, die für einen bestimmten Belichtungsparameter oder eine bestimmte Kombination von Belichtungsparametern spezifisch sind. Dadurch kann der Einfluss des Belichtungsparameters auf die Effizienz des Masterelements untersucht werden. Außerdem kann ein optimierter Replikationsparameter auf der Grundlage der Belichtungsparameter festgelegt werden, bei denen die beste Intensitätsverteilung aufgezeichnet wurde.
Es kann auch bevorzugt sein, dass die Steuereinheit Angaben zur Belichtungskurve für die Belichtung des Masterhologramms berechnet oder aus einem Speicher abruft. Zum Beispiel kann die Steuereinheit die Positionen einer Vielzahl von Ankerpunkten auf der Belichtungskurve und/oder eine mathematische Funktion, die die Ankerpunkte verbindet, berechnen oder abrufen. Die Steuereinheit kann auch so konfiguriert sein, dass sie einem oder mehreren Aktuatoren ein Signal gibt, so dass der Belichtungspunkt entlang der Belichtungskurve bewegt wird. Die Aktuatoren können vorzugsweise einen oder mehrere Motoren umfassen, insbesondere einen oder mehrere Verstelltische und/oder einen oder mehrere Drehantriebe. Die Aktuatoren können vorzugsweise Teil eines Positionierungsmoduls sein.
Die Geschwindigkeit der Bewegung des Belichtungspunkts kann vorprogrammiert sein, wobei die Steuereinheit vorzugsweise dafür konfiguriert ist, den Belichtungspunkt mit der vorprogrammierten Geschwindigkeit entlang der Belichtungskurve zu bewegen. Vorzugsweise kann die Steuereinheit auch die Replikationsparameter berechnen oder abrufen, die an jedem Ankerpunkt verwendet werden sollen. Die Steuereinheit kann auch die zwischen den Ankerpunkten zu verwendenden Replikationsparameter berechnen oder abrufen, wobei diese gemäß einer mathematischen Funktion, beispielsweise durch Interpolation, bestimmt werden können.
Im Sinne der Erfindung bezeichnet der Begriff „Steuereinheit“ vorzugsweise eine beliebige Recheneinheit mit einem Prozessor, einem Prozessorchip, einem Mikroprozessor oder einem Mikrocontroller, die eine automatische Steuerung der Komponenten des Verfahrens ermöglicht, wie z.B. die Intensität der Lichtquelle, die Position des Belichtungspunkts, der Belichtungswinkel und/oder möglicher Aktuatoren zur Einstellung der Belichtungsparameter. Die Komponenten der Steuereinheit können konventionell oder individuell für die jeweilige Implementierung konfiguriert sein. Vorzugsweise umfasst die Steuereinheit einen Prozessor, einen Speicher und einen Computercode (Software/Firmware) zur Steuerung der Komponenten der Vorrichtung.
Die Steuereinheit kann auch eine programmierbare Leiterplatte, einen Mikrocontroller, eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) oder eine andere Vorrichtung zum Empfangen und Verarbeiten von Datensignalen von den Komponenten der Vorrichtung umfassen, z.B. von Sensoren in Bezug auf die aktuell verwendeten Belichtungsparameter.
Die Steuereinheit umfasst vorzugsweise ein computerverwendbares oder computerlesbares Medium, wie eine Festplatte, einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen Festwertspeicher (ROM), einen Flash-Speicher usw., auf dem eine Computersoftware oder ein Code installiert ist. Der Computercode oder die Software zur Steuerung der Komponenten der Vorrichtung kann in einer beliebigen Programmiersprache oder einer modellbasierten Entwicklungsumgebung geschrieben sein, wie z.B. C/C++, C#, Objective-C, Java, Basic/VisualBasic, MATLAB, Python, Simulink, StateFlow, Lab View oder Assembler, ohne darauf beschränkt zu sein.
Die Software und alle funktionalen Beschreibungen der Software durch die Beschreibung der Steuerung bestimmter Komponenten oder Aspekte der hierin beschriebenen Verfahren werden aufgrund einer direkten physischen Ausgabe auf die verwendeten Vorrichtungen als technische Merkmale betrachtet. Funktionsbeschreibungen von Software können daher als bevorzugte und definierende Ausführungsformen der Erfindung angesehen werden.
Der Begriff „Steuereinheit ist konfiguriert, um“ einen bestimmten Arbeitsschritt auszuführen, wie z.B. die Position des Belichtungspunkts zu bestimmen, kann eine maßgeschneiderte oder standardmäßige Software umfassen, die auf der Steuereinheit installiert ist und diese Betriebsschritte initiiert und reguliert.
Die Steuereinheit ist vorzugsweise so konfiguriert, dass sie einen oder mehrere Belichtungsparameter während des Messverfahrens anpasst. Zum Beispiel kann die Steuereinheit so konfiguriert sein, dass sie eine Lichtquelle ein- oder ausschaltet. Die Steuereinheit kann außerdem so konfiguriert sein, dass sie einen Helligkeitswert, die Wellenlänge, die Position, die Neigung, die Richtung und/oder die Geschwindigkeit der Bewegung der Lichtquelle einstellt. Die Steuereinheit kann außerdem so konfiguriert sein, dass sie einen Belichtungsparameter durch Bewegen des Positionierungsmoduls einstellt.
Das Positionierungsmodul kann vorzugsweise eine oder mehrere lichtlenkende Komponenten wie eine Linse, ein Prisma, eine Faser oder einen Spiegel umfassen oder tragen. Die Steuereinheit kann die Position, die Neigung und/oder die Geschwindigkeit der Bewegung einer oder mehrerer lichtlenkender Komponenten steuern. Die Steuereinheit kann zum Beispiel die Koordinatenposition und/oder die dreidimensionale Neigung eines Scanspiegels steuern. Auf diese Weise kann auch die Ausrichtung des Lichts von der Lichtquelle gesteuert werden, wodurch der Auftreffwinkel des Belichtungsstrahls auf das Masterelement bestimmt wird. Die Steuereinheit kann außerdem so konfiguriert sein, dass sie die Geschwindigkeit der Bewegung einer der oben genannten Komponenten steuert. Eine Änderung der Geschwindigkeit kann Ineffizienzen des Masterelements kompensieren. Außerdem kann die Steuereinheit so konfiguriert sein, dass sie den Betrieb des Detektors steuert, z.B. den Fokus oder die Verschlusszeit. Die Steuereinheit kann so konfiguriert sein, dass sie die Daten des Detektors mithilfe einer Datenverarbeitungseinheit verarbeitet, zum Beispiel um eine Neigung des Detektors gegenüber der ersten Seite des Masterelements zu kompensieren. Die Steuereinheit kann ferner so konfiguriert sein, dass sie die Daten des Detektors auswertet, z.B. um die Effizienz eines Masterelements als akzeptabel oder inakzeptabel zu bewerten, um einen Parameter für ein weiteres Messverfahren auszuwählen oder um einen optimierten Replikationsparameter festzulegen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Kontrollmuster für die Intensitätsverteilung bereitgestellt. Hierbei wird vorzugsweise eine Intensitätsverteilung für einen isolierten Diffusor - ohne ein Masterelement - erfasst. Das bedeutet vorzugsweise, dass die Wirkung des Diffusors selbst auf die Intensitätsverteilung erfasst wird. Bei der Ermittlung des mindestens einen Replikationsparameters auf Basis der erfassten Intensitätsverteilung wird das Kontrollmuster vorzugsweise berücksichtigt.
Im Sinne der Erfindung ist ein isolierter Diffusor vorzugsweise ein Diffusor, der nicht in Kombination mit einem Masterelement verwendet wird. Vorzugsweise ist der Diffusor die einzige Komponente zwischen dem Diffusor und dem Detektor, wenn ein Kontrollmuster erfasst wird.
Durch Erfassen der Intensitätsverteilung des Diffusors selbst, wenn dieser mit einer Lichtquelle belichtet wird, ergibt sich ein Kontrollwert der Intensität bei jedem Punkt und/oder Bereich des Masterelements. Die mit dem Masterelement erfasste Intensitätsverteilung kann mit der Intensitätsverteilung des Diffusors selbst verglichen werden. Etwaige durch den Diffusor verursachte Intensitätsverluste können hierbei berücksichtigt werden, so dass das Messverfahren auf der Grundlage der tatsächlichen Eigenschaften des Masterelements ein optimales Replikationsparameter ermittelt. So kann es beispielsweise sein, dass das Material des Diffusors Licht einer bestimmten Wellenlänge absorbiert und damit den vom Detektor erfassten Wellenlängenbereich beeinflusst. Durch die Quantifizierung des Einflusses des Diffusors kann die irrige Schlussfolgerung, dass das Masterelement das durch den Diffusor absorbierte Licht erfolgreich reflektiert hat, vermieden werden. Die Ermittlung der Replikationsparameter kann somit genauer erfolgen, um die Effizienz des Replikationsverfahrens zu verbessern. Ebenso können im Diffusor lokale unterschiedliche Streuungswinkel oder Transmissionseigenschaften auftreten, welche die gemessene Intensitätsverteilung am Detektor beeinflussen. Durch Aufnahme eines Kontrollmusters können derartige Einflüsse des Diffusors auf die gemessene Intensitätsverteilung vorteilhaft berücksichtigt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Diffusor ein transmissiver Diffusor, welcher sich vorzugsweise im Wesentlichen wie ein lambertscher Strahler verhält.
Ein „lambertscher Strahler“ (oder „Lambert-Strahler“) ist vorzugsweise ein lichtemittierender Körper, bei dem die Strahlungsintensität des in Richtung eines Beobachters (oder eines Detektors) gestreuten Lichts unabhängig von der Beobachtungsrichtung ist. Ein lambertscher Diffusor erscheint vorzugsweise in der Hemisphäre, aus der das Bestrahlungslicht austritt, aus allen Richtungen gleich hell.
Es kann bevorzugt sein, dass der Diffusor ungefähr wie ein lambertscher Strahler fungiert. Ein maximaler Unterschied zwischen der von einem bestimmten Punkt auf dem Diffusor aus zwei beliebigen Winkeln einer Hemisphäre feststellbaren Strahlungsintensität beträgt vorzugsweise nicht mehr als 50 %, noch bevorzugter nicht mehr als 30 %, noch bevorzugter nicht mehr als 10 %. Durch die Bereitstellung eines Diffusors, der im Wesentlichen oder annähernd wie ein lambertscher Strahler fungiert, kann die Empfindlichkeit des Messverfahrens gegenüber einer Position des Detektors reduziert werden. Es ist besonders vorteilhaft, dass der Detektor nahezu mit der gleichen Empfindlichkeit die aus dem Diffusor austretende Lichtintensität erfasst, unabhängig von seinem Winkel zu verschiedenen Stellen des Diffusors. So kann ein einziger Detektor mit großen Diffusoren und/oder Masterelementen verwendet werden. Die Zuverlässigkeit des Messverfahrens wird erhöht.
Vorzugsweise wird eine Abweichung des Diffusors von einer lambertschen Soll-Funktion durch die Erfassung einer oder mehrerer Kontrollmuster ermittelt. Auf diese Weise lässt sich insbesondere der Einfluss des Aufnahmewinkels auf die Intensitätsverteilung quantifizieren. Es kann zum Beispiel sein, dass, wenn nur eine einzige, zentral positionierte Kamera verwendet wird, um die Intensitätsverteilung eines Masterelements zu erfassen, periphere Regionen des Masterelements aufgrund ihres nicht orthogonalen Winkels zum Kameraobjektiv dunkler erscheinen. Dieser Effekt wird vorzugsweise quantifiziert und bei der Auswertung der aufgezeichneten Lichtintensitäten berücksichtigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der Diffusor eine raue Oberfläche, welche dem Detektor zugewandt ist. Vorzugsweise hat die dem Detektor zugewandte Oberfläche des Diffusors eine Oberflächenrauhigkeit Ra von 0,1 - 100 pm, besonders bevorzugt 1 - 10 pm. Es wurde festgestellt, dass der Diffusor bei diesen Rauhigkeiten im Wesentlichen wie ein Lambertscher Strahlerwirkt und gleichzeitig eine ausreichend präzise Intensitätsverteilung liefert.
Die Oberflächenrauheit Ra im Sinne der Erfindung ist vorzugsweise der Durchschnitt der Profilhöhenabweichungen von einer Mittellinie der Höhe einer Oberfläche.
Der Diffusor ist vorzugsweise für alle Wellenlängen zwischen 400 - 780 nm, insbesondere zwischen 200 nm - 25 pm, transparent. Vorzugsweise werden alle Wellenlängen im sichtbaren Spektrum, insbesondere zwischen 400 - 780 nm, gleichermaßen vom Diffusor transmittiert. Sollten bestimmte Wellenlängen durch das Material des Diffusors absorbiert werden, so werden diese vorzugsweise bei der Interpretation, Weiterverarbeitung oder Verwendung der erfassten Intensitätsverteilungen berücksichtigt. Dies kann mithilfe eines Kontrollmusters geschehen, das eine Intensitätsverteilung des Diffusors ohne das Masterelement darstellt.
Die Breite und Länge des Diffusors sind vorzugsweise mindestens so groß wie die Breite und Länge des Masterelements. Der Diffusor hat vorzugsweise eine Dicke, die deutlich geringer ist als seine Breite und Länge. Die Dicke des Diffusors beträgt vorzugsweise nicht mehr als 50 mm, mehr bevorzugt nicht mehr als 20 mm, nicht mehr als 10 mm, nicht mehr als 5 mm oder nicht mehr als 2 mm. Vorzugsweise hat der Diffusor die Form einer Folie. Durch die Bereitstellung eines Diffusors mit einer der bevorzugten Dicken kann der Diffusor so dünn gehalten werden, dass eine Intensitätsverteilung deutlich zu erkennen ist und präzise Rückschlüsse auf die entsprechenden Bereiche des Masterelements möglich sind, die das erfasste Licht transmittieren. Eine homogenisierende Wirkung des Diffusors kann geringgehalten werden, so dass aussagekräftige Intensitätsverteilungsmuster erfasst werden können.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Detektor eine Kamera, welche bevorzugt die Intensitätsverteilung als zweidimensionales Abbild der Oberfläche des Diffusors erfasst. Vorteilhafterweise kann eine Kamera die Intensitätsverteilung schnell in ein digitales Bild übersetzen, das gespeichert und/oder in einen Prozessor eingegeben werden kann, um einen optimierten Replikationsparameter zu berechnen. Zudem sind Kameras mit hoher Auflösung, kleinen Abmessungen und geringem Gewicht verfügbar. Eine kompakte Kamera mit geringem Gewicht kann synchron mit einem scannenden Belichtungspunkt bewegt werden, um Bilder der Intensitätsverteilungen von Diffusoren/Masterelementen beliebiger Größe zu erzeugen. Hierbei können kleine Aktuatoren verwendet und der Energieverbrauch des Verfahrens niedrig gehalten werden.
Alternativ können auch Teilbereiche des Diffusors nacheinander beleuchtet werden, so dass die Kamera die Intensitätsverteilung der einzelnen Teilbereiche erfasst. Ein Prozessor kann dann die Intensitätsverteilungen zusammenführen, um die Intensitätsverteilung über den gesamten Diffusor zu rekonstruieren. Diese Ausführungsform kann zum Beispiel verwendet werden, um Intensitätsverteilungen für verschiedene Ankerpunkte einer Belichtungskurve zu erfassen. Es kann vorteilhaft sein, dass die Kamera ein Weitwinkelobjektiv umfasst. Vorteilhafterweise kann eine solche Kamera die Intensitätsverteilung erfassen, die aus einem großflächigen Diffusor austritt, ohne dass die Kamera bewegt werden muss oder mehrere Bilder zusammengeführt werden müssen. Das Messverfahren kann besonders schnell und zuverlässig bei geringem Energieverbrauch durchgeführt werden.
Vorzugsweise kann das Kameraobjektiv zentral und planparallel zum Diffusor positioniert werden. Auf diese Weise kann das aufgenommene Bild der Intensitätsverteilung direkt mit dem des Masterelements übereinstimmen. Es kann jedoch auch bevorzugt sein - zum Beispiel aus platzbedingten Gründen in einer Belichtungskammer -, dass die Kamera außermittig und/oder in Bezug auf den Diffusor gekippt ist. In solchen Fällen kann es vorteilhaft sein, die direkt erfasste Intensitätsverteilung in einen Prozessor einzugeben, der für eine Bildkorrektur konfiguriert ist, um eine Intensitätsverteilung so zu rekonstruieren, als ob sie von einer zentralen und planparallelen Position aus betrachtet würde.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann es bevorzugt sein, dass die Kamera eine Schwarz-Weiß-Kamera ist. So lässt sich ein Bild der Intensitätsverteilung, die aus einem Diffusor austritt, schnell und mit geringem Datenverbrauch erstellen. Dies könnte es ermöglichen, die Auflösung der erfassten Intensitätsverteilung zu erhöhen. Die erfasste Intensitätsverteilung kann schnell verarbeitet werden, um einen optimierten Replikationsparameter zu ermitteln. Wenn die Effizienz des Masterelements bei der Belichtung mit verschiedenen Wellenlängen untersucht werden soll, kann die Schwarz-Weiß-Kamera eingesetzt werden, indem das Masterelement nacheinander und nicht gleichzeitig mit den verschiedenen Wellenlängen belichtet wird. Die Schwarz-Weiß-Kamera ist also ein besonders flexibel einsetzbarer Detektortyp.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann es bevorzugt sein, dass die Kamera eine Vollfarbkamera ist, vorzugsweise eine RGB-Kamera. Eine solche Kamera kann verwendet werden, um die Intensitäten der verschiedenen Wellenlängen zu erfassen, die vom Masterelement bzw. dem Diffusor übertragen werden. Insbesondere kann eine RGB-Kamera verwendet werden, um aus einem einzigen Bild die Intensitätsverteilung der verschiedenen Wellenlängen zu extrahieren, wenn das Masterelement gleichzeitig mit Lichtstrahlen verschiedener Wellenlängen belichtet wird. Insbesondere können die verschiedenen Farbkanäle eines aufgenommenen Vollfarbbildes durch einen Prozessor voneinander isoliert werden. Sollte das Messverfahren mit einer RGB-Kamera verwendet werden, um die Effizienz des Masterelements bei verschiedenen Wellenlängen zu untersuchen, ist es bevorzugt, dass die verschiedenen Wellenlängen ausreichend weit voneinander entfernt sind. Zum Beispiel können zwischen zwei untersuchten Wellenlängen mindestens 50 nm, insbesondere mindestens 100 nm liegen. Die Farbkanäle einer RGB-Kamera werden in der Regel durch sich überlappende Empfindlichkeitskurven der Kamerasensoren für jeden Wellenlängenbereich dargestellt, der jeweils dem roten, grünen und blauen Teil des Spektrums entspricht. Im Bereich der Überlappung sind solche Kameras bei der Erkennung der Wellenlänge des Lichts möglicherweise weniger effektiv. Indem die Wellenlängen, mit denen das Masterelement getestet wird, so ausgewählt werden, dass sie weit genug voneinander entfernt sind, können sie in die Bereiche mit hoher Empfindlichkeit der Farbkurven der RGB-Kamera fallen, wodurch die Genauigkeit der resultierenden Analyse verbessert wird.
Die durch das Messverfahren ermittelten Replikationsparameter können spezifisch für eine bestimmte Wellenlänge sein, z.B. indem die Intensität des jeweiligen Lichtstrahls erhöht oder seine Wellenlänge verschoben wird. Der ermittelte Replikationsparameter kann auch allgemein für alle untersuchten Wellenlängen gelten, z.B. die Erhöhung der Intensität aller Belichtungsstrahlen.
In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Replikationsverfahren für die Replikation eines Hologramms von einem Masterelement in ein lichtempfindliches Material. Das Replikationsverfahren erfolgt unter Anwendung mindestens eines Replikationsparameters, welcher mittels eines Messverfahrens wie oben beschrieben festgelegt wurde.
Durch die Ermittlung eines Replikationsparameters für ein bestimmtes Masterelement unter Verwendung des erfindungsgemäßen Messverfahrens und die Verwendung dieses Replikationsparameters bei der Durchführung eines Replikationsverfahrens kann die Replikation auf die tatsächliche optische Funktion des Masterelements optimiert werden. Die Herstellung des Masterelements innerhalb von gewissen Fertigungstoleranzen und die resultierenden Abweichungen der optischen Funktion von einer Soll-Funktion können auf der Grundlage der im Messverfahren experimentell erfassten Daten kompensiert werden. Dies hat sich als wesentlich präziser und zuverlässiger erwiesen als die Verwendung simulativer Methoden zur Abschätzung der Effizienz eines Masterhologramms bei bestimmten Replikationsparametern. Das Replikationsverfahren kann deutlich effizienter und mit einem höheren Grad an Wiederholbarkeit durchgeführt werden. Die produzierten replizierten Hologramme weisen eine höhere Qualität auf. Da die Replikationsparameter durch das Messverfahren schnell und effizient ermittelt werden können, kann das Replikationsverfahren regelmäßig aktualisiert werden, so dass es immer an einen aktuellen Zustand des Masterelements angepasst ist.
Da beim Wechsel vom Messverfahren zum Replikationsverfahren vorzugsweise nur ein lichtempfindliches Material auf die zweite Seite des Masterelements gebracht und der Diffusor von der ersten Seite des Masterelements entfernt wird, kann der Wechsel schnell vollzogen werden. Das Messverfahren kann also ohne einen langen Produktionsstopp bzw. regelmäßig durchgeführt werden. Das Replikationsverfahren kann über einen langen Zeitraum hinweg durchgeführt werden, ohne dass das alternde Masterhologramm ausgetauscht werden muss. So wird über einen langen Zeitraum eine hohe Replikationseffizienz erreicht.
Im Sinne der Erfindung ist ein „lichtempfindliches Material“ vorzugsweise ein Material, das auf die Belichtung mit einer ausreichend kohärenten Lichtquelle so reagiert, dass ein Interferenzmuster im Volumen des Materials entsteht. Beispiele für solche Materialien sind Silberhalogenide, dichromatische Gelatine, Fotopolymere, fotochromische Materialien und Fotothermoplastik. Das lichtempfindliche Material kann auf mindestens einer Seite mit einer Trägerfolie versehen sein, um seine Handhabung zu erleichtern. Das lichtempfindliche Material kann auch in Trägerfolien eingeschlossen vorliegen. Die Trägerfolien sind vorzugsweise transparent für die Referenz- und Objektstrahlen, welche zur Belichtung des lichtempfindlichen Materials verwendet werden.
Es kann bevorzugt sein, dass das lichtempfindliche Material in der Form einer lichtempfindlichen Verbundbahn vorliegt, welche eine Fotopolymerschicht umfasst. Vorzugsweise ist die Fotopolymerschicht zwischen zwei transparenten Trägerfolien eingeschlossen. Die lichtempfindliche Verbundbahn kann als Rolle geliefert werden, so dass die lichtempfindliche Verbundbahn portionsweise auf das Masterelement auflaminiert, belichtet und entfernt wird. Hiermit kann das Replikationsverfahren kontinuierlich durchgeführt werden.
Ein „Verbund“ im Sinne der Erfindung ist vorzugsweise ein mehrschichtiges Material, das aus zwei oder mehr verschiedenen Komponenten mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften besteht, die an einer Grenzfläche miteinander verbunden sind. Vorzugsweise ist die Bindung zwischen den einzelnen Komponenten derart beschaffen, dass sie nicht durch geringfügigen Krafteinfluss trennbar ist und daher als dauerhaft gilt. Der Verbund kann zum Beispiel aus einer lichtempfindlichen Flüssigkeit, einem Feststoff oder einem Harz bestehen, die zwischen zwei transparenten Trägerfolien eingeschlossen sind. Alternativ oder zusätzlich kann die Verbundbahn einen Stapel von Schichten umfassen, die jeweils für verschiedene Spektralbereiche lichtempfindlich sind.
Eine „lichtempfindliche Verbundbahn“ im Sinne der Erfindung ist vorzugsweise ein Verbundmaterial mit einer Länge, die mindestens das Doppelte, vorzugsweise mindestens das Fünffache und noch bevorzugter mindestens das Zwanzigfache seiner Breite beträgt. Die Dicke der Verbundbahn ist vorzugsweise so eingestellt, dass sie eine gewisse Flexibilität aufweist, so dass sie zum Beispiel teilweise um eine Walze gewickelt werden kann. Vorzugsweise weist die Verbundbahn eine Dicke von bis zu 300 pm auf. Die Verbundbahn umfasst ein lichtempfindliches Material. Vorzugsweise schließt die Verbundbahn das lichtempfindliche Material zwischen zwei transparenten Trägerfolien ein, die einen ähnlichen Brechungsindex wie das lichtempfindliche Material haben. Vorzugsweise liegt der Brechungsindex der Trägerfolien und des lichtempfindlichen Materials zwischen 1 ,4 und 1 ,6. Das lichtempfindliche Material kann zum Beispiel ein lichtempfindliches Photopolymer oder eine dichromatische Gelatine sein. Das lichtempfindliche Material kann für das gesamte sichtbare Spektrum lichtempfindlich oder wellenlängenselektiv sein.
Die Belichtung kann vorzugsweise mit einer kohärenten Lichtquelle erfolgen. Kohärenz bezeichnet bevorzugt die Eigenschaft von optischen Wellen, wonach es zwischen zwei Wellenzügen eine feste Phasenbeziehung gibt. Als Folge der festen Phasenbeziehung zwischen den beiden Wellenzügen können räumlich stabile Interferenzmuster entstehen. Hinsichtlich der Kohärenz kann zwischen einer zeitlichen und räumlichen Kohärenz unterschieden werden. Eine räumliche Kohärenz stellt bevorzugt ein Maß für eine feste Phasenbeziehung zwischen Wellenzügen senkrecht zur Ausbreitung dar und ist beispielsweise für parallele Lichtstrahlen gegeben. Eine zeitliche Kohärenz stellt bevorzugt eine feste Phasenbeziehung zwischen Wellenzügen entlang der Ausbreitungsrichtung dar und ist insbesondere für schmalbändige, vorzugsweise monochromatische Lichtstrahlen gegeben.
Die Kohärenzlänge bezeichnet bevorzugt einen maximalen Weglängen- oder Laufzeitunterschied, den zwei Lichtstrahlen von einem Ausgangspunkt aufweisen, damit bei ihrer Überlagerung noch ein (räumlich und zeitlich) stabiles Interferenzmuster entsteht. Die Kohärenzzeit bezeichnet bevorzugt die Zeit, die das Licht benötigt, um eine Kohärenzlänge zurückzulegen.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die Lichtquelle ein Laser. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Lichtquelle um einen schmalbändigen, vorzugsweise monochromatischen Laser mit einer bevorzugten Wellenlänge im infraroten, sichtbaren und/oder UV-Bereich (vorzugsweise 200 nm - 25 pm, noch bevorzugter 400 nm bis 780 nm). Laser bezeichnen bevorzugt Lichtquellen, welche Laserstrahlung aussenden. Nicht abschließende Beispiele umfassen Festkörperlaser, vorzugsweise Halbleiterlaser bzw. Laserdioden, Gaslaser oder Farbstofflaser. Laser können so ausgewählt werden, dass sie Licht einer bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten Wellenlängenbereichs emittieren. Dies kann durch die Auswahl eines Lasers aus einem geeigneten Material erreicht werden. Es können zum Beispiel Rubinlaser, He-Ne-Laser, Ar+-Laser, Kr+-Laser, He-Cd-Laser und/oder Nd3+:YAG-Laser verwendet werden. Diese oder andere Lasertypen können mit einem optischen parametrischen Oszillator kombiniert werden, um kohärente Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen zu erzeugen. Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen können auch kombiniert werden, z.B. um einen RGB-Laser zu erzeugen.
Verschiedene Lasertypen, insbesondere Feststofflaser, können mit einem optischen parametrischen Oszillator kombiniert werden, um als durchstimmbares System kohärente Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen zu erzeugen. Der optisch parametrische Oszillator umfasst vorzugsweise einen optischen Resonator und mindestens einen nichtlinearen optischen Kristall. Vorzugsweise können insbesondere Systeme mit einer Vielzahl von Konverterkristallen genutzt werden, wobei eine Dreiwellenmischung (f_pumpe= f_signal + fjdler) zum Einsatz kommt. Durch Veränderung der Frequenz f_signal und/oder fjdler können Laserwellenlängen in einem sehr breiten Wellenlängenbereich erzeugt werden. Dies umfasst insbesondere den gesamten sichtbaren Bereich und den infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums.
Auch andere Lichtquellen, vorzugsweise kohärente Lichtquellen, können Verwendung finden. Bevorzugt sind schmalbändige Lichtquellen, vorzugsweise monochromatische Lichtquellen, wozu beispielsweise Leuchtdioden (LEDs), optional in Kombination mit Monochromatoren gehören.
Für die Erzeugung von Reliefhologrammen ist die Kohärenz der Lichtstrahlen von geringerer Relevanz. Insbesondere für die Replikation von Volumenhologrammen hingegen ist es bevorzugt, dass die zur Replikation eingesetzte Lichtquelle ausreichend kohärent ist. Vorzugsweise wird durch Replikation des Masterhologramms ein Volumenhologramm in die Verbundbahn eingeschrieben. Durch Interferenz von Objekt- und Referenzstrahlen innerhalb des Hologrammvolumens entsteht vorzugsweise eine Folge von Braggebenen. Ein Volumenhologramm weist mithin bevorzugt eine nicht zu vernachlässigende Ausdehnung in der Ausbreitungsrichtung der Lichtstrahlen auf, wobei bei der Rekonstruktion an einem Volumenhologramm die Bragg-Bedingung gilt. Aus diesem Grunde weisen Volumenhologramme vorteilhaft eine Wellenlängen- und/oder Winkelselektivität auf.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beträgt die Kohärenzlänge der Lichtquelle vorzugsweise mindestens 150 pm, bevorzugter mindestens 500 pm und noch bevorzugter mindestens 2 mm. Bevorzugt ist die Kohärenzlänge mindestens zweimal der Abstand zwischen dem lichtempfindlichen Material und dem Masterhologramm. Die Kohärenzlänge ist aber vorzugsweise auch nicht so lang, dass parasitäre Mikrostrukturen, wie z.B. Störgitter, in das Hologramm auftreten. Die maximale bevorzugte Kohärenz hängt von dem Hologrammtypen und den geometrischen Abmessungen des Belichtungsmoduls ab. In bevorzugten Ausführungsformen beträgt die Kohärenzlänge der Lichtquelle weniger als 1 m.
Die Lichtquelle kann mehrere Lichtquellen umfassen. Diese können vorzugsweise so konfiguriert sein, dass sie eine Linie oder einen Bereich des Fotopolymerverbunds in optischem Kontakt mit dem Masterelement scannen.
Die Schritte der Hologrammherstellung, die auf die Belichtung folgen, können wie bekannt sein. Zum Beispiel kann die belichtete lichtempfindliche Verbundbahn mit einem UV-Licht-Strahler gehärtet werden. Dies kann in einer von der Belichtung getrennten Kammer geschehen. Die belichtete und gehärtete Verbundbahn kann dann in einzelne Hologramme geschnitten, aufgerollt oder anderweitig weiterverarbeitet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung betrifft der mindestens eine Replikationsparameter eine Belichtungsintensität, mit der das Masterelement während der Replikation belichtet wird. Da die aufgrund des Fertigungsverfahrens und/oder der Alterung des Masterelements, lokale oder allgemeine Effizienzverluste auftreten, kann die Verwendung der beim Messverfahren festgelegten Belichtungsintensität für die Replikation diesen Effizienzverlust ausgleichen. Auf diese Weise kann das Masterelement weiterhin für die Replikation verwendet werden, wobei nahezu eine Replikationsqualität erhalten bleibt, welche mit einem idealen Masterelement erreicht würde.
Vorzugsweise wird die Intensität für unterschiedliche Positionen auf dem Masterelement anhand der erfassten Intensitätsverteilung festgelegt. Auf diese Weise kann nicht nur eine allgemeine, sondern auch eine lokalisierte Abweichung des Masterelements von einer Soll-Funktion kompensiert werden. Das Replikationsverfahren kann somit auch bei ungleichmäßig verformten Masterelementen in hoher Qualität durchgeführt werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung betrifft der mindestens eine Replikationsparameter einen Belichtungspunkt, aus dem das Masterelement belichtet wird, vorzugsweise um eine Effizienz des Masterelements bei der Replikation zu maximieren. Wie obig erläutert, kann der Fertigungsprozess des Masterelements die Funktion seines Interferenzmusters gegenüber einer theoretischen Funktion verändern. Standardmäßig wird das Masterelement mit Parametern belichtet, die genau auf die theoretische Funktion abgestimmt sind. Da das reale Masterelement eine andere optische Funktion aufweist, als die theoretische Funktion, ist es sinnvoll, auch die Belichtungsparameter anzupassen. Dazu kann insbesondere die Position eines Belichtungspunkts gehören.
Indem die Replikation mit einem durch das Messverfahren ermittelten Belichtungspunkt durchgeführt wird, kann die Effizienz der Replikation verbessert werden. Zum Beispiel kann der durch das Messverfahren gewählte Belichtungspunkt dazu führen, dass ein größerer Anteil des Referenzstrahls in der ersten Ordnung gebeugt wird, um den Objektstrahl zu bilden. Hierbei kann es sich wie obig erläutert um einen optimierten Belichtungspunkt für die Belichtung des gesamten Masterelements handeln. Ebenso kann der Belichtungspunkt ein Punkt auf einer Belichtungskurve sein, der anhand der Ergebnisse des Messverfahrens eingestellt werden kann, um die Belichtungskurve an die tatsächlichen Eigenschaften des Masterelements anzupassen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung betrifft der mindestens eine Replikationsparameter eine Wellenlänge, wobei bei dem Messverfahren Intensitätsverteilungen für zwei oder mehr Wellenlängen erfasst werden und die bei der Replikation verwendete Wellenlänge vorzugsweise ausgewählt ist, um eine Effizienz des Masterelements bei der Replikation zu maximieren.
Durch die Erfassung von Intensitätsverteilungen bei mindestens zwei verschiedenen Wellenlängen kann der Einfluss der Wellenlänge auf die Effizienz des Masterelements experimentell bestimmt werden. Dies kann besonders nützlich sein, wenn Schrumpfung oder Schwellung die Wellenlänge des im Volumen des Masterhologramms gespeicherten Interferenzmusters ändert. Wenn die Wellenlänge für die Belichtung auf der Grundlage einer Vielzahl von untersuchten Wellenlängen ausgewählt wird, kann das Replikationsverfahren beispielsweise mit einer bevorzugt, zuvor im Messverfahren getesteten Wellenlänge oder mit einer Wellenlänge durchgeführt werden, die durch Interpolation oder Extrapolation aus getesteten Wellenlängen berechnet wurde. Das Replikationsverfahren kann so mit höherer Effizienz durchgeführt werden, und Hologramme höchster Qualität gewährleisten.
Für die Belichtung des gesamten Masterelements kann eine einzige optimierte Wellenlänge ausgewählt werden. Es kann jedoch bevorzugt sein, dass mehrere durch das Messverfahren festgelegten Wellenlängen für mehrere entsprechende Punkte oder Bereiche einer Belichtungskurve verwendet werden, z.B. mit Hilfe eines abstimmbaren Lasers. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Replikationsverfahren die Belichtung des lichtempfindlichen Materials und des Masterelements durch Bewegen eines Belichtungspunktes entlang einer Belichtungskurve, wobei die Belichtungskurve vorzugsweise mehrere Ankerpunkte umfasst, und für jeden einzelnen Ankerpunkt und/oder für die gesamte Belichtungskurve ein durch das Messverfahren festgelegte Replikationsparameter während der Belichtung angewandt wird, um vorzugsweise eine Effizienz des Masterelements bei der Replikation zu maximieren.
Es kann auch vorteilhaft sein, dass für nur einen Ankerpunkt ein durch das Messverfahren bestimmter Replikationsparameter verwendet wird. Die übrigen Ankerpunkte können weiterhin mit Soll-Parametern repliziert und der Rest der Belichtungskurve neu berechnet werden. Es kann auch bevorzugt sein, dass nur für einige der Ankerpunkte ein durch das Messverfahren bestimmter Replikationsparameter verwendet wird, während andere Ankerpunkte mit Soll-Parametern repliziert werden. Die Belichtungskurve kann entsprechend neu berechnet werden.
Durch die Replikation eines Masterhologramms mit einer Belichtungskurve können verschiedene Bereiche des replizierten Hologramms unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisen. Diese können eng an die Eigenschaften des Masterhologramms angeglichen werden. Zum Beispiel können verschiedene Bereiche des replizierten Hologramms unterschiedliche Rekonstruktionswinkel aufweisen. Dies kann zum Beispiel für Hologramme nützlich sein, die in gekrümmte Oberflächen wie z.B. Autoinnenräume eingearbeitet werden.
Durch die Anpassung der Replikationsparameter für einen oder mehrere einzelne Ankerpunkte der Belichtungskurve können regionale Ineffizienzen im Masterelement ausgeglichen werden. Der Übergang zu den Parametern benachbarter Ankerpunkte kann nahtlos erfolgen, so dass die regionale Anpassung im Replikationshologramm nicht auffällt. Die resultierenden Hologramme können in hoher Qualität hergestellt werden und dasselbe Masterelement kann länger ohne Austausch wiederverwendet werden.
Die Anwendung eines einzigen Replikationsparameters oder einer einzigen mathematischen Anpassungsfunktion auf alle Punkte der Belichtungskurve kann von Vorteil sein, wenn die im Messverfahren erfassten Intensitätsverteilungen auf eine Ineffizienz hinweisen, die alle Regionen des Masterelements gleichermaßen betrifft. Zum Beispiel kann die Wellenlänge aller Ankerpunkte auf eine neue, durch das Messverfahren ermittelte Wellenlänge geändert werden. In diesem Fall ist der Replikationsparameter eine Wellenlänge. Es kann auch von Vorteil sein, die gesamte Belichtungskurve zu verschieben oder zu kippen, um die gleichen relativen Abstände zwischen den Ankerpunkten beizubehalten. Dies kann bevorzugt sein, wenn der Replikationsparameter eine Intensität oder ein Belichtungswinkel ist. Es ist auch möglich, diese Ansätze zu kombinieren, z.B. indem man die Wellenlänge aller Ankerpunkte ändert und die Belichtungskurve verschiebt. Weitere Beispiele solcher Anpassungen sind in Bezug auf das Messverfahren dargelegt und können auch bei dem Replikationsverfahren zum Einsatz kommen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Bewegen des Belichtungspunkts eine Änderung seiner Position und/oder eines Winkels seines Strahlenganges, wobei der Belichtungspunkt vorzugsweise mittels eines angesteuerten Positionierungsmoduls bewegt wird.
Vorzugsweise umfasst das Positionierungsmodul einen oder mehrere Aktuatoren, um einen Belichtungspunkt zumindest in einer Ebene parallel zum Masterhologramm zu bewegen. Vorzugsweise umfasst das Positionierungsmodul auch einen oder mehrere Aktuatoren, um den Belichtungspunkt in einer Ebene zu bewegen, die das Masterhologramm durchquert, d.h. um den Belichtungspunkt näher an das Masterhologramm heranzubringen oder von ihm zu entfernen. Die Lichtquelle (z.B. der Laser) kann dabei auch durch das Positionierungsmodul bewegt werden oder von diesem getrennt angeordnet sein. Vorzugsweise umfasst das Positionierungsmodul einen Roboterarm mit einem oder mehreren verstellbaren Achsen und mit einem oder mehreren Aktuatoren. Alternativ könnte das Positionierungsmodul einen mehrachsigen optischen Linearverstelltisch umfassen. Vorzugsweise weist der Verstelltisch auch mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad.
Das Positionierungsmodul umfasst vorzugsweise auch eine optische Komponente, welche eine Strahlablenkung bewirken kann. Vorzugsweise ist die optische Komponente verkippbar angeordnet, sodass eine Neigung der optischen Komponente einen Winkel des Strahlengangs ändern kann. Die optische Komponente kann so konfiguriert sein, dass sie in einer einzigen Ebene, in zwei oder in allen drei Ebenen gekippt werden kann. Die optische Komponente umfasst vorzugsweise eine Linse, einen Spiegel und/oder ein Prisma.
Die optische Komponente kann zum Beispiel ein Spiegel sein. Der Spiegel kann mit Hilfe eines motorisierten Gelenks schrittweise gekippt werden. Dies kann zu einer entsprechenden Kippung des Referenzstrahls führen, der das Masterelement erreicht. In diesem Fall kann der Belichtungspunkt ein Punkt auf dem Spiegel sein.
Die Bewegung des Positionierungsmoduls und/oder der optischen Komponenten kann durch eine Steuereinheit gesteuert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden das lichtempfindliche Material und eine zweite Seite des Masterelements mit Licht in mehreren Schritten belichtet, während eine der zweiten Seite gegenüberliegende erste Seite des Masterelements einem Detektor zugewandt ist und der Detektor die Intensitätsverteilung des von der ersten Seite des Masterelements austretenden Lichts während der Belichtung erfasst. Vorzugsweise wird in einem späteren Schritt der Belichtung der im Messverfahren festgelegte Replikationsparameter auf Basis der in einem früheren Schritt der Belichtung erfassten Intensitätsverteilung angepasst. Im Sinne der Erfindung können ein früherer Schritt und ein späterer Schritt der Belichtung jeweils Schritte zur Replikation einer einzelnen Kopie, mehrerer aufeinanderfolgenden oder mehrerer nicht aufeinanderfolgenden Kopien eines Masterhologramms sein.
Eine solche Ausführungsform der Erfindung führt zu besonderes guten Ergebnissen beim Replikationsprozess, da etwaige Veränderungen des Masterholograms während der Replikation zuverlässig erfasst und berücksichtigt werden können. Das Verfahren erfordert zudem vorteilhaft keine Unterbrechung eines kontinuierlichen Replikationsverfahrens. Da die Belichtung des Masterelements und die Erfassung einer Intensitätsverteilung auf verschiedenen Seiten des Masterelements erfolgen, können sie gleichzeitig durchgeführt werden und müssen nicht miteinander in Konflikt geraten. Da es sich bei dem Masterhologramm um ein Reflexionshologramm handelt, wird der Objektstrahl vom Interferenzmuster des Masterhologramms reflektiert, ohne aus der ersten Seite des Masterelements auszutreten. Der Detektor kann also während des Replikationsverfahrens in derselben Position auf der ersten Seite des Masterelements bleiben, wie bei dem Messverfahren.
Anstatt von einem Diffusor gestreut zu werden, welcher vorzugsweise von der ersten Seite des Masterelements während des Replikationsvorgangs entfernt wird, kann ein Referenzstrahl stattdessen teilweise von dem lichtempfindlichen Material (beispielsweise im lichtempfindlichen Verbund) gestreut werden. In dieser Ausführungsform kann das lichtempfindliche Material selbst als der oben beschriebene Diffusor für das Messverfahren fungieren. Bei der Replikation eines Masterholgramms unter Verwendung eines Ergebnisses des Messverfahrens, das wie oben beschrieben mit dem Diffusor ermittelt wurde, ermöglicht diese Ausführungsform eine weitere Feinabstimmung der Replikationsparameter, insbesondere im kontinuierlichen Replikationsverfahren.
Hierbei kann ausgenutzt werden, dass unbelichtetes Material stärker streut als belichtetes Material. Damit kann durch einen Detektor Streulicht aus der Überlagerung aus der 1. Ordnung und einem Referenzstrahl erfasst werden. Die Intensität des im lichtempfindlichen Material gestreuten Lichtes korreliert dabei mit dem Anteil der 1. Ordnung, welche in Abhängigkeit der Effizienz des Masters unterschiedlich groß ausfallen kann. Das aus der ersten Seite des Masterelements austretende Licht wird vorzugsweise vom Detektor erfasst, um Rückschlüsse über den Zustand, insbesondere der Effizienz des Masterelements zu geben. Auf diese Weise kann der durch das Messverfahren ermittelte Replikationsparameter während des Replikationsverfahrens zusätzlich nachgesteuert werden. Hierdurch kann eine sehr fein abgestimmte Anpassung der Replikationsparameter an die tatsächlichen Eigenschaften des Masterelements erreicht werden.
Ohne einen separaten Diffusor kann nicht zuverlässig gewährleistet werden, dass das austretende Licht der nullten, ungebeugten Ordnung aus einer Vielzahl von Winkeln von dem Detektor erfasst werden kann. Je nach Austrittswinkel kann das austretende Licht der nullten, ungebeugten Ordnung stattdessen an dem Detektor vorbeigehen. Statt der nullten Ordnung kann der Detektor zur Feststellung der Effizienz des Masterhologramms jedoch vorteilhaft gestreutes Licht erfassen, welches aus der ersten Beugungsordnung resultiert, welche in das zu belichtende Material reflektiert wird. Hier kann es eine Art Phosphoreszenz geben. So kann das Licht, welches vom Masterelement reflektiert wird (1. Ordnung) zumindest teilweise in noch nicht belichtete Bereiche des lichtempfindlichen Materials gestreut werden. Dieses gestreute Licht tritt vorteilhaft aus dem lichtempfindlichen Material in einem weiten Winkelbereich aus und kann daher von einem Detektor, wie z.B. einer Kamera, zuverlässig erfasst werden, um eine Lichtintensitätsverteilung aufzuzeichnen.
In dieser Ausführungsform weisen helle Bereiche der Lichtintensitätsverteilung (hohe Lichtintensität) vorzugsweise auf eine hohe Effizienz des Masterhologramms hin, da das Streulicht positiv mit dem durch das Masterelement in die erste Ordnung reflektierten Licht korreliert.
Dunklere Bereiche weisen vorzugsweise auf einen geringeren Anteil einer Reflexion in die erste Ordnung und mithin eine geringere Effizienz des Masterhologramms hin. Das Verhältnis zwischen Helligkeit und Effizienz ist somit bei Erfassung der Streuung der ersten Ordnung im Replikationsverfahren umgekehrt zu den Ausführungsformen des Messverfahrens, bei denen ein Diffusor verwendet wird, um gebeugtes Licht der 0. Ordnung zu streuen und durch einen Detektor zu erfassen.
Bei dieser Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, dass das Masterelement großflächig oder schrittweise mit einer Belichtungskurve belichtet wird. Sollte das Masterelement großflächig belichtet werden, kann bei einer früheren Belichtungsschritt eine Intensitätsverteilung für das gesamte Masterelement genommen werden. Auf dieser Grundlage kann ein Replikationsparameter für das gesamte Masterelement nachgesteuert werden. Dieser Replikationsparameter kann z.B. bei der Herstellung einer nachfolgenden Kopie des Masterhologramms in einem kontinuierlichen Verfahren angewendet werden.
Wird das Masterelement hingegen schrittweise mit einer Belichtungskurve belichtet, kann eine Intensitätsverteilung für mindestens einen Ankerpunkt erfasst werden. Daraus könnten sich Rückschlüsse auf den Zustand des gesamten Masterelements ziehen lassen und die gesamte Belichtungskurve kann entsprechend angepasst werden.
Es kann jedoch bevorzugt sein, dass jeweils eine Intensitätsverteilung für einen oder mehrere, vorzugsweise alle, Ankerpunkte der Belichtungskurve erfasst wird. Auf dieser Grundlage kann beim nachfolgenden Durchlauf der Belichtung des Masterhologramms ein Replikationsparameter für die jeweiligen Ankerpunkte nachgesteuert werden. Der Belichtungsprozess kann so kontinuierlich kalibriert und an die optischen Eigenschaften des Masterelements angepasst werden. So ist das Replikationsverfahren über einen langen Zeitraum effizient.
Begriffe wie im Wesentlichen, ungefähr, etwa, ca., annähernd, nahezu usw. beschreiben vorzugsweise einen Toleranzbereich von weniger als ± 20 %, vorzugsweise weniger als ± 10 %, besonders bevorzugt weniger als ± 5 % und insbesondere weniger als ± 1 % und schließen den genauen Wert ein.
Der durchschnittliche Fachmann erkennt, dass technische Merkmale, Definitionen und Vorteile bevorzugter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Messverfahren auch für das erfindungsgemäße Replikationsverfahren gelten, und umgekehrt.
Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Beispielen und Abbildungen näher erläutert werden, ohne auf diese beschränkt zu sein.
Kurzbeschreibung der Abbildungen
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines idealen planen Reflexionsmasterhologramms, das aus einem Belichtungspunkt belichtet wird.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines tatsächlichen (nicht-idealen) Reflexionsmasterhologramms in einem Masterelement. Die Belichtung aus einem Soll- Belichtungspunkt und aus einem durch das Messverfahren ermittelten Belichtungspunkt wird schematisch gezeigt.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Messverfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Diffusor und ein Detektor auf einer ersten Seite des Masterelements angeordnet vorliegen.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines Messverfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei eine Intensitätsverteilung jeweils bei einem ersten Belichtungspunkt und einem zweiten Belichtungspunkt erfasst wird.
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer Intensitätsverteilung bei Belichtung des
Masterelements aus einem ersten Belichtungspunkt.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung einer Intensitätsverteilung bei Belichtung des
Masterelements aus dem zweiten Belichtungspunkt.
Fig. 7 ist eine schematische Darstellung eines Messverfahrens gemäß einerweiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei eine Intensitätsverteilung für mehrere Ankerpunkte einer Belichtungspunkte erfasst wird und eine Verschiebung der Belichtungskurve erfolgt.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung eines Positionierungsmoduls für die Bewegung eines Belichtungspunkts über eine Belichtungskurve.
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung eines Positionierungsmoduls nach einer alternativen Ausführungsform für die Bewegung eines Belichtungspunkts über eine Belichtungskurve, wobei das Positionierungsmodul einen Roboterarm umfasst. Fig. 10 ist eine schematische Darstellung eines Replikationsverfahrens gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei ein lichtempfindliches Material den Referenzstrahl streut und das gestreute Licht als eine Intensitätsverteilung erfasst wird. Auf Basis der Intensitätsverteilung wird ein Replikationsparameter in-line nachgesteuert.
Detaillierte Beschreibung der Abbildungen
Fig. 1 zeigt ein ideales Reflexions-Masterhologramm 4 als horizontale gestrichelte Linie. Das Masterhologramm 4 hat eine optische Funktion, die genau seiner theoretischen (oder soll-) optischen Funktion entspricht. Das heißt, das Masterhologramm 4 hat vorzugsweise eine gleichmäßige Dicke und weist in seinem Volumen ein Interferenzmuster auf, das genau dem Interferenzmuster entspricht, das in einem computerimplementierten Programm für das Hologramm-Mastering aufgezeichnet wurde. Fig. 1 zeigt das Masterhologramm 4, das von einem Referenzstrahl 16 belichtet wird, welcher von einem Soll-Belichtungspunkt 14 ausgeht. Der Referenzstrahl 16 kann eine vorbestimmte Wellenlänge aulweisen. Am Soll-Belichtungspunkt 14 kann eine Punktlichtquelle vorgesehen sein, so dass das Masterelement großflächig beleuchtet wird. Vom Soll-Belichtungspunkt 14 aus nähert sich der Referenzstrahl 16 dem Masterhologramm 4 unter einem vorgegebenen Winkel. Da das Masterhologramm 4 nicht durch seine Herstellung oder durch Prozessschritte einer Integration in ein Masterelement eine Verformung oder Degradierung erfahren hat und einen maximalen Wirkungsgrad aufweist, wird der Referenzstrahl 16 vollständig vom Masterhologramm 4 reflektiert, um den Objektstrahl 18 zu erzeugen, der einen vorgegebenen Winkel zum Masterhologramm 4 hat.
Die Position des Soll-Belichtungspunkts 14 relativ zum Masterhologramm 4, die vorgegebene Wellenlänge und/oder der Annäherungswinkel des Soll-Referenzstrahls 16 an das Masterhologramm 4 können als Standard-Replikationsparameter für das Kopieren des Masterhologramms 4 vorgespeichert werden. Die vorgespeicherten Standard- Replikationsparameter können als Anweisungen für die Belichtung des Masterhologramms 4 während eines Replikationsverfahrens dienen. Wie jedoch im Folgenden erläutert wird, führen die Standard-Replikationsparameter nur dann zu einer möglichst hohen Replikationseffizienz, wenn die optischen Eigenschaften des Masterhologramms 4 tatsächlich seinen theoretischen optischen Eigenschaften entsprechen. Sofern die optischen Eigenschaften des Masterhologramms 4 beginnen, von den Soll-Eigenschaften abzuweichen, kann es vorteilhaft sein, das Masterhologramm mit entsprechend angepassten Replikationsparametern zu belichten.
Fig. 2 zeigt ein Masterhologramm 4, das in einen transparenten Substratkörper 6 eingebettet ist. Zusammen bilden das Masterhologramm 4 und der Substratkörper 6 ein Masterelement 2. Ein solches Masterelement 2 ist um ein Vielfaches dicker als das Masterhologramm 4 und ist daher deutlich robuster und in der Praxis viel einfacher zu handhaben. Der Prozess der Erstellung des Masterhologramms 4, seine Integration in das Masterelement 2 und seine Lagerung oder Verwendung im Laufe der Zeit können jedoch zu Veränderungen seiner optischen Eigenschaften führen.
Diese Änderungen können dazu führen, dass die Soll-Belichtungsparameter für die Belichtung des Masterhologramms 4 nicht mehr die am wirksamsten Belichtungsparameter sind. Der Soll- Belichtungspunkt 14, der Soll-Referenzstrahl 16 und der Soll-Objektstrahl 18 sind in Fig. 2 als gestrichelte Linien dargestellt. Da die Annahmen, welche der Bestimmung dieser Soll- Belichtungsparameter zugrunde liegen, die aktuellen Eigenschaften des Masterelements 2 nicht berücksichtigen, wird der Soll-Referenzstrahl 16 möglicherweise nicht vollständig vom Masterhologramm 4 reflektiert. Die Intensität des erzeugten Objektstrahls kann deshalb zu gering sein, um die gewünschte Interferenz in dem lichtempfindlichen Material zu erzeugen. Eine qualitativ hochwertige Kopie des Masterhologramms kann mit diesen Replikationsparametern nicht erstellt werden.
Stattdessen ist es zu dem Zweck erforderlich das Masterhologramm 4 mit einem unterschiedlichen, optimierten Belichtungspunkt 12 belichtet werden, der in Bezug auf den Soll-Belichtungspunkt 14 in seiner Position verschoben ist. Die verwendete Lichtquelle kann auch eine unterschiedliche Wellenlänge zu der Soll-Wellenlänge aufweisen. Ein optimierter Referenzstrahl 8 kann in einem unterschiedlichen Winkel und/oder mit einer unterschiedlichen Wellenlänge auf das Masterelement 2 fallen, was zu einer besseren Übereinstimmung mit den Erfordernissen des Interferenzmuster des in das Masterelement integrierten Masterhologramms 4 führt. Der Referenzstrahl 8 kann mit einer höheren Effizienz reflektiert werden, um den Objektstrahl 10 zu bilden. Dies ist schematisch mit durchgezogenen Linien dargestellt. Der ausreichend intensive Objektstrahl 10 kann dann mit dem Referenzstrahl 8 in dem lichtempfindlichen Material interferieren, um das gewünschte Interferenzmuster zu bilden. Die Qualität des kopierten Masterhologramms kann so verbessert werden und das Masterhologramm weiterverwendet werden.
Fig. 3 zeigt schematisch ein Messverfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Ein Masterelement 2 ist zwischen einem ersten Belichtungspunkt 14 und einem Detektor 26, in diesem Fall einer Kamera, bereitgestellt. Die Oberseite des Masterelements 2 wird als die erste Seite und die Unterseite des Masterelements 2 als die zweite Seite bezeichnet. Zwischen dem Masterelement 2 und dem Detektor 26 befindet sich ein Diffusor 24. Obwohl für die Durchführung der Erfindung ein unmittelbarer Kontakt nicht erforderlich ist, steht der Diffusor in dieser Ausführungsform in direktem Kontakt mit der ersten Seite des Masterelements 2.
Wenn das Masterelement 2 vom ersten Belichtungspunkt 14 aus belichtet wird, trifft ein erster Referenzstrahl 16 in einem vorgegebenen Winkel auf die zweite Oberfläche des Masterelements 2. Da das Masterhologramm 4 Veränderungen durch seine Herstellung, Integrierung in ein Masterelement, Verwendung oder Lagerung erfahren hat, wird der erster Referenzstrahl 16 nur teilweise vom Masterhologramm 4 reflektiert und bildet den ersten Objektstrahl 18. Ein Teil des Lichts des ersten Referenzstrahls 16 wird durch das Masterhologramm 4, durch den Substratkörper 6 und dann in den Diffusor 24 geleitet. Der Diffusor 24 streut das Licht des Referenzstrahls, um die Streustrahlung 22 zu bilden, die vorzugsweise in alle Richtungen einer Halbkugel auf der Oberseite des Diffusors 24 abstrahlt.
Aufgrund der Streuung des von der Oberseite des Diffusors 24 abgestrahlten Lichts kann der Detektor 26 mit einem ausreichenden Objektivwinkel die Intensität des von allen Bereichen des Diffusors abgestrahlten Lichts messen. Das heißt, das gestreute Licht 22, das in der schematischen Zeichnung links und rechts zu sehen ist, kann vom Detektor 26 gleichermaßen erfasst werden, obwohl sich diese Bereiche in unterschiedlichen Winkeln zum Detektor 26 befinden.
Durch die Erfassung der Intensitätsverteilung bei der Belichtung des Masterelements 2 mit den ersten Belichtungsparametern lässt sich feststellen, ob die ersten Belichtungsparametern zu der tatsächlichen optischen Funktion des Masterhologramms 4 passen und wenn nicht, in welchen Bereichen und in welchem Ausmaß die Belichtungsparameter verbesserungsbedürftig sind. Bei einem idealen Masterhologramm 4, welches für die vollständige Reflexion des Referenzstrahls ausgelegt ist, würde kein Licht aus dem Diffusor austreten und der Detektor würde ein schwarzes Bild registrieren. Auf der Grundlage der erfassten Intensitätsverteilung kann eine Belichtung mit den ersten Belichtungsparametern oder mit allgemein oder lokal optimierten neuen Belichtungsparametern durchgeführt werden. Zur besseren Veranschaulichung zeigt Fig. 3 auch einen theoretischen Belichtungsvolumen 36, innerhalb dessen ein Belichtungspunkt, insbesondere für das ganze oder einen Bereich des Masterhologramms, ausgewählt werden kann.
Fig. 4 zeigt schematisch eine Änderung der regionalen Effizienz des Masterhologramms 4, wenn ein unterschiedlicherzweiter Belichtungspunkt 12 innerhalb des theoretischen Belichtungsvolumen 36 ausgewählt wird, um das Masterelement 2 großflächig zu belichten. Der erste Referenzstrahl 16 und der sich daraus ergebende erste Objektstrahl 18 sind zum Vergleich in durchgezogenen Linien dargestellt. Der neue zweite Referenzstrahl 8 und das resultierende Streulicht 22, das vom Diffusor 24 transmittiert wird, sind durch gestrichelte Linien dargestellt. Wie durch die dickeren gestrichelten Linien im Bereich des vom linken Teil des Diffusors 24 abgestrahlten Streulichts angedeutet, führt der zweite Belichtungspunkt 12 zu einer höheren Intensität des Lichts für diesen Bereich des Diffusors. Dies deutet auf eine schlechtere Effizienz der Belichtung in der entsprechenden Region des Masterhologramms hin. Andererseits hat das vom rechten Bereich des Diffusors 24 ausgestrahlte Streulicht 22 eine geringere Intensität, die durch die dünneren gestrichelten Linien angezeigt wird. Für diesen Bereich kann der zweite Belichtungspunkt 12 zu einem Einfallswinkel des zweiten Referenzstrahls 8 führen, der besser auf die tatsächlichen Eigenschaften des Masterhologramms 4 abgestimmt ist. Diese Information kann bei der Auswahl des Belichtungspunkts oder Strahlungswinkels für das gesamte Masterhologramm oder für bestimmte Regionen oder Punkte davon verwendet werden. Diese Information wird insbesondere in Form einer Intensitätsverteilung für jeden getesteten Belichtungspunkt 14, 12 geliefert, bevor einer oder mehrere Replikationsparameter aus den Ergebnissen abgeleitet wird. Fig. 5 und 6 zeigen schematisch die Intensitätsverteilungen 28, die für dasselbe Masterhologramm 4 aufgenommen werden, wenn es von zwei verschiedenen Belichtungspunkten aus (beispielsweise von dem ersten Belichtungspunkt 14 und zweiten Belichtungspunkt 12) belichtet wird. Wie zu erkennen ist, variieren die Intensitätsverteilungen, wobei die Intensitätsverteilung in Fig. 6 insgesamt einen größeren dunklen Bereich autweist. Da die dunklen Bereiche auf eine hohe Effizienz hindeuten, kann der Belichtungspunkt von Fig. 6 als geeigneter gelten. Derselbe Belichtungspunkt kann für ein Replikationsverfahren ausgewählt werden. Alternativ kann ein dritter Belichtungspunkt auf der Grundlage eines aus den Ergebnissen für die beiden getesteten Belichtungspunkte ersichtlichen Tendenz ausgewählt werden. Auf der Grundlage der erfassten Intensitätsverteilungen können auch weitere Belichtungspunkte ausgewählt und getestet werden, vorzugsweise durch einen iterativen Prozess, der zu einer maximalen Belichtungseffizienz konvergiert.
Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform eines Messverfahrens, bei dem das Masterhologramm 4 mithilfe einer Belichtungskurve 32 repliziert werden soll. In dieser Ausführungsform wird nicht das gesamte Masterhologramm 4 großflächig durch einen einzigen Belichtungspunkt belichtet, sondern das Masterhologramm 4 wird in Abschnitten belichtet. Jedem Abschnitt des Masterhologramms 4 ist ein Abschnitt einer Belichtungskurve zur Belichtung zugeordnet. Für ein Masterhologramm 4 werden also mehrere Belichtungspunktpositionen verwendet.
Dies kann zum Beispiel erreicht werden, indem mindestens ein Belichtungspunkt (z.B. ein Punkt auf einem Spiegel) entlang einer Belichtungskurve 32 bewegt wird. Die Belichtungskurve 32 ist vorzugsweise so konfiguriert, dass sie eine diskrete Anzahl von Ankerpunkten 34 durchläuft, die jeweils vorbestimmte Soll-Replikationsparameter aufweisen. Die Belichtungskurve 32 bietet vorzugsweise einen sanften räumlichen Übergang zwischen den Ankerpunkten 34. Vorzugsweise sorgt die Belichtungskurve 32 auch für einen fließenden Übergang zwischen den Belichtungsparametern der Ankerpunkte 34, wie z.B. Wellenlänge oder Intensität.
Fig. 7 zeigt ferner die Soll-Referenzstrahlen und die resultierenden Objektstrahlen aus dem fünften 42 und siebten Ankerpunkt 44 (von links nach rechts) mit Hilfe von durchgezogenen Linien. Wie durch die gestrichelten Pfeile 22 dargestellt, wird ein Teil des Lichts vor dem siebten Ankerpunkt 44 nicht vollständig vom Masterhologramm 4 reflektiert und stattdessen vom Diffusor 24 durchgelassen und gestreut. Die Replikationsparameter zumindest dieses Ankerpunkts 44 sind daher nicht optimal an die tatsächlichen Eigenschaften des Masterhologramms 4 angepasst. Hier kann die Intensitätsverteilung und daher die Effizienz des Masterhologramms bei einem alternativen siebten Ankerpunkt 46 untersucht werden. Die Position des alternativen siebten Ankerpunkts 46 kann sich von der Soll-Position unterscheiden. Die Referenzstrahlen, die aus dem alternativen siebten Ankerpunkt 46 stammen, sind durch gestrichelte Linien dargestellt. Die gestrichelten Linien zeigen schematisch, dass die Einfallswinkel der neuen Referenzstrahlen auf das Masterelement 2 unterschiedlich zu den Sollwinkeln sind. Sollte sich herausstellen, dass der alternative siebte Ankerpunkt 46 eine effizientere Belichtung des Masterhologramms ermöglicht, kann die gesamte Belichtungskurve entsprechend verschoben werden. Dies ist schematisch durch die gestrichelte Kurve 48 in Fig. 7 dargestellt. Alternativ kann die Belichtungskurve auch so neu berechnet werden, dass sie durch den neuen siebten Ankerpunkt 46 anstelle des ursprünglichen siebten Ankerpunkts 44 verläuft. Vorzugsweise wird jeder Ankerpunkt 34 durch das Messverfahren geprüft und für jeden Punkt ein neuer Replikationsparameter (insbesondere eine relative Position zum Masterelement 2) ermittelt. Anschließend kann eine neue Belichtungskurve 48 berechnet werden.
Die Ausführung und Einstellung der Belichtungskurve 32 wird anhand von Fig. 8 näher erläutert. Fig. 8 zeigt schematisch ein Masterelement 2, das oberhalb eines Positionierungsmoduls 58 angeordnet ist. Das Positionierungsmodul 58 ist so konfiguriert, dass es einen Belichtungspunkt 84 entlang der Belichtungskurve 32 für das Messverfahren und/oder für das Replikationsverfahren bewegt. Der Belichtungspunkt 84 ist in diesem Beispiel ein Punkt auf einem kippbaren Scanspiegel 56, von dem aus ein Referenzstrahl 8 auf das Masterelement 2 gerichtet wird. Eine Lichtquelle 50, in diesem Fall ein Laser, sendet einen Lichtstrahl aus, der durch eine Reihe optischer Elemente (in diesem Fall eine Periskopanordnung) zum Belichtungspunkt 84 geleitet wird. Die Lichtquelle 50 ist vorzugsweise ortsfest. Optional kann die Lichtquelle 50 so konfiguriert sein, dass sie entlang einer einzigen linearen Strecke in einer einzigen horizontalen Ebene scannt.
Um den Belichtungspunkt 84 entlang der Belichtungskurve 32 zu bewegen, wird der Scanspiegel 56 auf dem Positionierungsmodul 58 positioniert. Das Positionierungsmodul 58 umfasst einen horizontalen Verstelltisch 52 und einen vertikalen Verstelltisch 54. Der horizontale Verstelltisch 52 bewirkt eine horizontale Komponente einer Bewegung des Belichtungspunktes 84, während der vertikale Verstelltisch 54 eine vertikale Komponente davon bewirkt. Zusätzlich wird der Winkel des Referenzstrahls 8 vorzugsweise durch Kippen des Scanspiegels 56 eingestellt, vorzugsweise mit Hilfe eines Motors. Die Abfolge der vertikalen, horizontalen und kippenden Bewegungen, die erforderlich sind, um den Belichtungspunkt 84 über die Belichtungskurve 32 zu bewegen, werden vorzugsweise vorab gespeichert und/oder von einem Prozessor berechnet. Die Belichtungskurve 32 kann jedoch kontinuierlich ausgewertet und neu berechnet werden.
Die Fig. 9 zeigt eine alternative Ausführungsform des Positionierungsmoduls 58, wobei ein Belichtungspunkt 84 mithilfe eines Roboterarms 60 entlang einer Belichtungskurve 32 bewegt wird. In dieser Ausführungsform liefert eine Glasfaser kohärentes Licht von der Lichtquelle 50 an einen Scanspiegel 56. Aktuatoren im Roboterarm 60 bewegen den Scanspiegel 56 entlang der Belichtungskurve 32 und kippen ihn gleichzeitig, um Lichtstrahlen aus verschiedenen Winkeln auf das Masterelement 2 zu richten. Ein solcher Roboterarm kann das Masterelement 2 mit einer Vielzahl verschiedener Belichtungskurven, einschließlich linearer, gekrümmter und freiförmiger Belichtungskurven, präzise belichten. Fig. 10 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform des Replikationsverfahrens, bei dem die Belichtungsparameter inline nachgesteuert werden. In diesem Fall wird der Diffusor entfernt, um unerwünschte Interferenzen mit dem Replikationsverfahren zu vermeiden. Stattdessen werden die Streuungseigenschaften des lichtempfindlichen Materials 30, in das das Hologramm repliziert wird, ausgenutzt. Das Masterhologramm 4 wird von einem vorbestimmten Belichtungspunkt 12 aus belichtet. Die vom Belichtungspunkt 12 ausgehenden Referenzstrahlen 8 fallen in vorgegebenen Winkeln auf das lichtempfindliche Material 30 und das Masterelement 2. Der Referenzstrahl 8 wird teilweise von den Interferenzmustern im Masterhologramm 4 reflektiert, um den Objektstrahl 10 zu erzeugen. Der Objektstrahl 10 interferiert mit dem Referenzstrahl 8 und bildet ein entsprechendes Interferenzmuster im lichtempfindlichen Material 30.
Gleichzeitig kann ein Detektor 26 Streulicht aus einer Überlagerung von dem Referenzstrahl 8 und dem gebeugten Licht der ersten Ordnung 38 erfassen. Die Erfassung der Intensitätsverteilung wird durch die Tatsache erleichtert, dass nicht belichtetes lichtempfindliches Material stärker streut als belichtetes Material. Die Intensität des im lichtempfindlichen Material gestreuten Lichtes korreliert dabei mit dem Anteil der gebeugten 1 . Ordnung, welche in Abhängigkeit der Effizienz des Masters unterschiedlich groß ausfallen kann. In dieser Ausführungsform weisen helle Bereiche der Lichtintensitätsverteilung vorzugsweise auf eine hohe Effizienz des Masterhologramms 4 hin, da das Streulicht positiv mit dem durch das Masterhologramms 4 in die erste Ordnung reflektierten Lichtes korreliert. Dunklere Bereiche weisen hingegen auf einen geringeren Anteil einer Reflexion in die erste Ordnung und mithin eine geringere Effizienz des Masterhologramms hin. Die erfassten Lichtintensitäten können mithin verwendet werden, um die lokalen Effizienzen des Masterhologramms 4 zu bewerten. Diese Informationen können in spätere Schritte und/oder spätere Durchläufe des Replikationsverfahrens einfließen, um die Effizienz durch Anpassung der Replikationsparameter zu verbessern.
Bezugszeichenliste
2 Masterelement
4 Masterhologramm
6 Substratkörper
8 Referenzstrahl
10 Objektstrahl
12 Belichtungspunkt
14 Soll-Belichtungspunkt / erster Belichtungspunkt
16 Soll-Referenzstrahl / erster Referenzstrahl
18 Soll-Objektstrahl / erster Objektstrahl
20 gebeugter Referenzstrahl der 0. Ordnung
22 gestreuter Referenzstrahl der 0. Ordnung
24 Diffusor
26 Detektor
28 Intensitätsverteilung
30 lichtempfindliches Material
32 Belichtungskurve
34 Ankerpunkt
36 Belichtungsvolumen um Belichtungspunkt oder Ankerpunkt der Belichtungskurve
38 durch das lichtempfindliche Material gestreuter Referenzstrahl der ersten Ordnung
42 fünfter Ankerpunkt in Fig. 7
44 siebter Ankerpunkt in Fig. 7
46 alternativer siebter Ankerpunkt in Fig. 7
48 alternative Belichtungskurve
50 Lichtquelle, insbesondere Laser
52 horizontale Verstelltisch
54 vertikale Verstelltisch 56 Scanspiegel
58 Positionierungsmodul
60 Roboterarm
62 Glasfaser 84 Belichtungspunkt auf Scanspiegel

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Messverfahren zur Festlegung mindestens eines Replikationsparameters für ein Replikationsverfahren unter Verwendung eines Masterelementes (2) umfassend die folgenden Schritte:
Bereitstellung eines Masterelements (2) umfassend ein Reflexionshologramm (4), einer Lichtquelle (50), eines Detektors (26) sowie eines Diffusors (24), wobei der Diffusor (24) zwischen dem Masterelement (2) und dem Detektor (26) positioniert vorliegt,
Bestrahlung des Masterelementes (2) mit Licht mittels der Lichtquelle (50), Erfassung einer Intensitätsverteilung (28) des aus dem Diffusor (24) austretenden Lichtes (22) mittels des Detektors und
Festlegung mindestens eines Replikationsparameters auf Basis der erfassten Intensitätsverteilung (28).
2. Messverfahren gemäß dem vorherigen Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass höhere Werte der Intensitätsverteilung (28) auf eine geringere Effizienz des Masterelementes (2) bei einem Replikationsverfahren hinweisen und eine Festlegung des Replikationsparameters im Hinblick auf eine Maximierung der Effizienz des Masterelementes (2) bei einem Replikationsverfahren und/oder eine Verringerung der Abweichung der Effizienz von einem Sollwert erfolgt.
3. Messverfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestrahlung des Masterelements (2) mit Licht unter Verwendung von mindestens zwei verschiedenen Belichtungsparametern vorgenommen wird und eine Festlegung des mindestens eines Replikationsparameters auf Basis mindestens zweier Intensitätsverteilungen (28) erfolgt, welche für die mindestens zwei verschiedenen Belichtungsparameter erfasst wurden.
4. Messverfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Replikationsparameter einer Belichtungsintensität, einer Wellenlänge, einem Belichtungspunkt (12) und/oder einem Winkel des Strahlenganges des Lichtes (8) im Belichtungspunkt (12) entspricht.
5. Messverfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Belichtungsparameter ein Belichtungspunkt ist, wobei eine Erfassung einer Intensitätsverteilung (28) des aus dem Diffusor (24) austretenden Lichtes (22) für mindestens zwei verschiedene Belichtungspunkte (12) erfolgt.
6. Messverfahren gemäß dem vorherigen Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass eine Erfassung einer Intensitätsverteilung (28) des aus dem Diffusor (24) austretenden Lichtes (22) für mindestens drei Belichtungspunkte (12) wiederholt wird, wobei der dritte und weitere Belichtungspunkte (12) durch einen iterativen Prozess auf Grundlage der bereits erfassten Intensitätsverteilungen (28) ausgewählt werden, um bevorzugt zu einem Belichtungspunkt (12) zu konvergieren bei welchem eine maximale Effizienz des Masterelementes (2) für ein Replikationsverfahren zu erwarten ist.
7. Messverfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Erfassung einer Intensitätsverteilung (28) für eine Vielzahl von räumlich verteilten Ankerpunkten (34) einer Belichtungskurve (32) erfolgt, wobei eine Festlegung des mindestens einen Replikationsparameter eine Verschiebung der Belichtungskurve (32) und/oder eine Variation der Ankerpunkte (34) betrifft.
8. Messverfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontrollmuster für die Intensitätsverteilung (28) bereitgestellt wird, indem eine Intensitätsverteilung (28) für einen isolierten Diffusor (24) erfasst wird, wobei bei der Ermittlung des mindestens einen Replikationsparameters auf Basis der erfassten Intensitätsverteilung (28) das Kontrollmuster berücksichtigt wird.
9. Messverfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (24) ein transmissiver Diffusor ist und vorzugsweise sich im Wesentlichen wie ein Lambert-Strahler verhält.
10. Messverfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (26) eine Kamera ist, welche bevorzugt die Intensitätsverteilung (28) als zweidimensionales Abbild der Oberfläche des Diffusors (24) erfasst.
11 . Replikationsverfahren für die Replikation eines Hologramms von einem Masterelement (2) in ein lichtempfindliches Material (30), dadurch gekennzeichnet, dass das Replikationsverfahren unter Anwendung mindestens eines Replikationsparameters erfolgt, welcher mittels eines Messverfahrens gemäß einem der vorherigen Ansprüche festgelegt wurde.
12. Replikationsverfahren gemäß dem vorherigen Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Replikationsparameter eine Belichtungsintensität betrifft, mit der das Masterelement (2) während der Replikation belichtet wird, wobei die Intensität für unterschiedliche Positionen auf dem Masterelement (2) anhand der erfassten Intensitätsverteilung (28) festgelegt wird.
13. Replikationsverfahren gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12 dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Replikationsparameter einen Belichtungspunkt (12) betrifft, aus dem das Masterelement (2) belichtet wird, vorzugsweise um eine Effizienz des Masterelements (2) bei der Replikation zu maximieren.
14. Replikationsverfahren gemäß einem der Ansprüche 11 - 13 dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Replikationsparameter eine Wellenlänge betrifft, wobei bei dem Messverfahren Intensitätsverteilungen (28) für zwei oder mehr Wellenlängen erfasst werden und die bei der Replikation verwendete Wellenlänge vorzugsweise ausgewählt ist, um eine Effizienz des Masterelements (2) bei der Replikation zu maximieren.
15. Replikationsverfahren gemäß einem der Ansprüche 11 - 14 dadurch gekennzeichnet, dass das Replikationsverfahren die Belichtung des lichtempfindlichen Materials (30) und des Masterelements (2) durch Bewegen eines Belichtungspunktes (12) entlang einer Belichtungskurve (32) umfasst, wobei die Belichtungskurve (32) vorzugsweise mehrere Ankerpunkte (34) umfasst, und für jeden einzelnen Ankerpunkt (34) oder für die gesamte Belichtungskurve (32) ein durch das Messverfahren festgelegte Replikationsparameter während der Belichtung angewandt wird, um vorzugsweise eine Effizienz des Masterelements (2) bei der Replikation zu maximieren.
16. Replikationsverfahren gemäß dem vorherigen Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegen des Belichtungspunkts (12) eine Änderung seiner Position und/oder eines Winkels seines Strahlenganges (8) umfasst, wobei der Belichtungspunkt (12) vorzugsweise mittels eines angesteuerten Positionierungsmoduls bewegt wird.
17. Replikationsverfahren gemäß einem der Ansprüche 11 - 16 dadurch gekennzeichnet, dass das lichtempfindliche Material (30) und eine zweite Seite des Masterelements (2) mit Licht in mehreren Schritten belichtet werden, während eine der zweiten Seite gegenüberliegende erste Seite des Masterelements einem Detektor zugewandt ist und der Detektor die Intensitätsverteilung (28) des von der ersten Seite des Masterelements
(2) austretenden Lichts während der Belichtung erfasst, wobei vorzugsweise in einem späteren Schritt der Belichtung der im Messverfahren festgelegte Replikationsparameter auf Basis der in einem früheren Schritt der Belichtung erfassten Intensitätsverteilung (28) angepasst wird.
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