IT9019809A1 - Metodo di produzione di ologrammi ed ologramma ottenuto con detto metodo - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione fa riferimento ad un metodo di produzione di ologrammi a partire da una matrice di fase ottenuta con mezzi computerizzati e definente una pluralità di variazioni di fase di un fascio di luce monocromatica.

L'invenzione fa riferimento altresì ad un ologramma ottenuto con il suddetto metodo.

I principi fondamentali su cui si basa la tecnica olografica sono noti da tempo; tuttavia solo 1'avvento del laser ha consentito di ottenere ologrammi definenti immagini molto fedeli agli oggetti tridimensionali .

Per comprendere appieno gli scopi che l'invenzione si prefigge. è opportuno illustrare brevemente- gli aspetti salienti della tecnica olografica .

Come è ben noto ad un tecnico del ramo, per realizzare un ologramma si ricorre generalmente ad un fascio di luce laser monocromatica, o coerente, nel quale cioè tutti i fronti d'onda sono in fase tra loro.

Tale fascio viene sdoppiato durante il percorso in un primo fascio indirizzato ad illuminare un oggetto e in un secondo fascio cosiddetto di riferimento .

Il fascio contenente l'informazione dell'oggetto ed il fascio di riferimento sono portati ad interferire in corrispondenza di una lastra fotosensibile sulla quale resta impresso un insieme di figure di interferenza che costituisce l’ologramma.

In sostanza, la tecnica olografica si basa sulla registrazione dell'insieme delle onde luminose provenienti dall'oggetto, le quali possono essere successivamente ricostruite per riprodurre ad esempio l'immagine dell'oggetto originale anche in sua assenza.

L’ologramma in sè e per sè non mostra alcuna somiglianza con l'oggetto; tuttavia, ne contiene in "codice ottico" tutte le informazioni al punto tale che illuminando nuovamente l'ologramma con un fascio di riferimento i fronti d'onda si ricompongono ed offrono un immagine dell'oggetto che può essere osservata a occhio nudo o con strumenti ottici.

L'avvento dell'era informatica ha dato nuovo sviluppo all'olografia proponendo nuove tecniche che si avvalgono di mezzi computerizzati per la generazione dell'ologramma.

Più in particolare, la possibilità di generare tramite computer fronti d'onda simulati e di forma arbitraria, basati cioè su formule e modelli matematici, consente di realizzare ologrammi per così dire "sintetici" che possono corrispondere anche a configurazioni spaziali, inesistenti nella realtà. Tale tecnica va sotto il nome di Computer-Generater-Holograms (CGH).

Gli ologrammi così generati trovano vari campi di applicazione che vanno dal testing ottico di superfici alla riconfigurazione di alterazioni in fasci laser (bean shaping); dalla interconnessione ottica di circuiti integrati alla- ricostruzione di traiettorie. Altre applicazioni riguardano l'impiego degli ologrammi come filtri spaziali nei processori di Fourier .

La tecnica CGH consente sostanzialmente di ottenere una cosiddetta matrice di fase, ad esempio come quella descritta nel brevetto USA N. 4,037,918, la quale è una sorta di maschera tabellare in cui ciascuna casella corrisponde ad una variazione di fase di una frangia del fronte d'ond.a luminoso.

L'impiego di una tale matrice di fase consente dì ottenere ologrammi sintetici nei quali sono registrate in codice ottico solo le informazioni relative al ritardo di fase del fronte d'onda incidente .

Gli ologrammi così ottenuti, pur rispondendo sostanzialmente allo scopo. hanno dimostrato di avere una scarsa efficenza di diffrazione, intesa come rapporto tra l'intensità della luce incidente e l'intensità della luce riflessa di primo ordine.

Inoltre, essi si sono dimostrati di complessa e difficoltosa realizzazione e riproduzione.

il problema tecnico che sta alla base della presente invenzione è quello di escogitare un metodo di produzione di ologrammi, a partire da una matrice di fase ottenuta con mezzi computerizzati e definente una pluralità di variazioni di fase di un fascio di luce monocromatica, avente caratteristiche funzionali tali da consentire una facile riproduzione e ripetibilità del metodo stesso ottenendo nel contempo ologrammi aventi una elevata efficenza di diffrazione.

Questo problema è risolto da un metodo del tipo indicato, il quale è caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di:

- predisporre un substrato solido ricoperto da uno strato di materiale fotosensibile,

definire su detto strato una topografia corrispondente a detta matrice di fase, tramite un processo fotolitografico,

- deporre sul substrato, avendo come maschera detta topografia, un film di materiale solido con caratteristica antirifletente l'onda elettromagnetica;

- rimuovere detta topografia ottenendo sul substrato una configurazione di ologramma costituita da detto film solido.

Il problema tecnico è risolto altresì da un ologramma caratterizzato dal fatto di comprendere un substrato solido di supporto sul quale è deposto fotolitograf icamente un film solido con caratteristica antiriflettente per l'onda elettromagnetica.

Le caratteristiche ed i vantaggi del metodo secondo l'invenzione risulteranno dalla descrizione, fatta qui di seguito, di un suo esempio di attuazione dato a titolo indicativo e non limitativo con riferimento ai disegni allegati.

In tali disegni:

- la figura 1 mostra una vista schematica di un raggio di luce monocromatica attraversante un materiale (film) trasparente di prefissato spessore;

le figure da 2 a 5 mostrano rispettive viste schematiche in sezione verticale di un ologramma ottenuto attraverso le varie fasi del metodo secondo 1'invenzione .

Con -riferimento a tali figure, con 1 è globalmente e schematicamente indicato un ologramma ottenuto tramite il metodo secondo la presente invenzione.

A tale scopo viene generata dapprima una cosiddetta matrice di fase, non rappresentata in quanto convenzionale. Tale matrice può essere ad esempio generata tramite mezzi computerizzati come descritto nella pubblicazione: D.Psaltis et al. Optic.al Engineering N. 23/84 pagina 693.

In tale matrice sono definiti una pluralità di punti di campionamenco corrispondenti ciascuno ad un cambiamento di fase di · un fronte di onde elettromagnetiche.

un cambiamento di fase di un'onda elettromagnetica può essere prodotto ad esempio facendo attraversare all’onda un materiale trasparente di prefissato spessore (d) ed avente un prestabilito indice di rifrazione (n).

Facendo riferimento allo schema di figura 1, il cambiamento di fase di un onda può essere calcolato con precisione in base alla formula seguente:

tl x t2 x exp (-i x 6)

x = -1 ri x r2 exp(-i x 2 x 6)

dove : 6 è un parametro dipendente da ni e di secondo la seguente espressione:

6 = (2 x TI / 1 ) x ni x di x cos (fi)

ni è l'indice di rifrazione del film,

di è lo spesore del film,

fi è l'angolo di rifrazione,

r,t sono i coefficienti di Fresnel associati al materiale ,

1 è la lunghezza d'onda del fascio incidente.

Questa formula mette in evidenza che il cambiamento di fase è direttamente legato al prodotto dell'indice di rifrazione (n) per lo spessore (di) del film attraversato dall'onda elettromagnetica. .

La formula si semplifica molto nel caso in cui il fascio incida normalmente il film e si voglia ottenere una variazione di fase di 180°.

Pertanto, ad ogni diverso indice di rifrazione (materiale), ad ogni diverso spessore, corrisponde un differente ritardo dì fase.

Per prestabiliti valori dello spessore (di) è possibile fare in modo che il valore del parametro 6 sia un multiplo intero di TI ; cioè a dire che il ritardo di fase dell'onda che attraversa il materiale trasmittente sia multiplo di TI rispetto alla fase del fascio propagantesi senza incidere il film.

Sulla base delle precedenti considerazioni,il metodo secondo l'invenzione prevede l'impressione su uno strato 3 di materiale fotosensibile, ad esempio fotoresist, della matrice di fase ottenuta tramite simulazione al computer.

A tale proposito viene predisposto un substrato 2 di un materiale solido preferibilmente vetroso il quale è completamente ricoperto da uno strato 3 di materiale fotosensibile, come mostrato in figura 2.

Attraverso una tecnica fotolitografica, di per se convenzionale, lo strato 3 è investito da un fascio di luce coerente (monocromatica) corrispondenre alla matrice di fase detta in precedenza.

Di conseguenza, nello strato 3 fotosensibile viene impressa una prestabilita topografia 4 corrispondente a detta matrice di fase.

Successivamente, avendo come maschera tale topografia 4, sul substrato 2 è deposro un film 5, di appropriato spessore, di un materiale avente caratteristiche antiriflettenti l'onda elettromagnetica .

In particolare, controllando la fase di deposizione, lo spessore del film 5 viene regolato in modo da ottenere un ritardo di fase di 180°, pari alla metà della lunghezza d'onda della luce incidente monocromatica.

In particolare nel caso in cui il fascio incida normalmente la superficie dell'ologramma 1, lo spessore del film 5 viene determinato dalla relazione:

1 / 2n

1 è la lunghezza d'onda del fascio incidente,'

n è l'indice di rifrazione del materiale.

Presso la richiedente sono state effettuate prove con biossido di titanio (TÌ02), ossido di silicio (SiO) e fluoruro di magnesio (MgF2) operando la fase di deposizione tramite un trattamento termico di evaporizzazione alla pressione di IO-5 Torr.

Prove sperimentali effettuate con lo spettrofotometro su un ologramma ottenuto depositando sul substrato del biossido di titanio hanno rilevato come a 633 nanometri si ottenga un ritardo di fase di = 0,993 x n .

E ' importante notare che per valori di 6 =K*TT il fronte d'onda riflesso dalla superficie del substrato dipende solo dalle costanti ottiche del substrato e dell'aria. Pertanto la trasmissione della luce dell'ologramma corrisponde sostanzialmente a quella del substrato vetroso 2 manifestando la caratteristica di antiriflesso dell'ologramma.

Un grande vantaggio della tecnica or ora descritta è dato dal fatto·che i materiali utilizzati., con caratteristica antiriflettente l'onda elettromagnetica, sono particolarmente adatti al processo fotolitografico.

Il metodo secondo l'invenzione si è dimostrato facilmente riproducibile consentendo inoltre di ottenere ologrammi aventi una efficenza di diffrazione particolarmente elevata,

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per la produzione di ologrammi con possibilità di miniaturizzazione spinta a partire da una matrice di fase ottenuta con mezzi computerizzati e definente una pluralità di variazioni di fase di un fascio di luce monocromatica, caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di: predisporre un substrato (2) solido ricoperto da uno strato (3) di materiale fotosensibile, definire su detto strato (2) una topografia (4) corrispondente a detta matrice di fase, tramite un processo fotolitografico, deporre sul substrato, avendo come maschera detta topografia, un film di materiale solido con caratteristica antiriflettente l'onda elettromagnetica, - rimuovere detta topografia ottenendo sul substrato (2) una configurazione di ologramma costituita da detto film solido .
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto film solido ha spessore predeterminato.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto spessore è suscettibile di produrre nel fronte d'onda incidente un ritardo di fase di 180°.
4. 4 . Ologramma caratterizzato dal fatto di comprendere un substrato solido di supporto sul quale è deposto un film di materiale solido con caratteristica antiriflettente per l'onda elettromagnetica in grado di manipolare la forma spaziale di fasci di luce monocromatica.
5. 5. Ologramma secondo la rivendicazione 4 caratterizzato dal fatto che detto film solido ha spessore predeterminato.
6. 6. Ologramma secondo la rivendicazione 5 caratterizzato dal fatto che detto spessore è suscettibile di produrre nel fronte d’onda incidente un ritardo di fase di 180°.