NO138677B - Fremgangsmaate til fremstilling av syntetisk hologram, og middel for utfoerelse av fremgangsmaaten - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte til fremstilling av syntetiske hologrammer. Videre angår oppfinnelsen et middel for utførelse av denne fremgangsmåten. Med syntetisk hologram menes her et hologram som er fremstilt uten frembringelse av fysisk interferens mellom en objektbølgefront og en referansebølgefront. Således omfatter begrepet syntetisk hologram i denne sammenheng ethvert optisk element som bærer et interf erensmønster. fremstilt etter en numerisk beskrivelse av en bølgefront og som kan brukes til fysisk rekonstruksjon av bølgefronten. Begrepet optisk er ment også å omfatte elektromagnetiske bølger utenfor det synlige området. Med adressering menes plassering på riktig sted i planet eller rommet.

Som kjent omfatter fremstilling av et syntetisk hologram dels en besværlig matematisk basert prosess, og dels en omstendelig prosess for eksponering av den bærer for interferensmønsteret som skal utgjøre hologrammet. Ikke minst eksponeringsprosessen fører til at syntetiske hologrammer er kostbare. I tillegg er eksponeringsprosessen vanskelig å gjennomføre på en tilfredsstillende måte med de hjelpemidler som vanligvis brukes.

Bruk av scanning elektronmikroskop som hjelpemiddel i eksponeringsprosessen har riktignok ført til tilfredsstillende hologrammer i motsetning til bruk av for eksempel katodestrålerør. Imidlertid kan ikke elektronmikroskopet gjøre hologramfrem-stillingen mindre omstendelig og kostbar enn andre brukte midler. På bred front har det i lengre tid vært arbeidet med å forenkle fremstillingen av syntetiske hologrammer. Dette arbeidet har hovedsakelig vært konsentrert om forenkling av den matematisk baserte prosessen, selv om denne prosessen ikke lenger innebærer et kapasitetsproblem. Sveipende elektronstråler, laser-stråler og lignende er hittil blitt betraktet som uunnværlige i eksponeringsprosessen.

Et formål med foreliggende oppfinnelse er å forenkle fremstillingen av syntetiske hologrammer ved å forenkle eksponeringsprosessen.

Dette er oppnådd ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, som

er karakterisert ved at det på lokale steder ved hjelp av adresserbare elektriske ledere frembringes adresserte elektriske felt lokalisert i umiddelbar nærhet av en bærer for interferensmønsteret, og at feltenes feltstyrker bringes til å overstige en terskelverdi for lokale permanente forandringer i bærerens materielle egenskaper og således generere det permanente holografiske interferens-mønster i bæreren. De nevnte materielle egenskapene kan enten være av fysisk art, for eksempel slik at polarisasjonsretningen forandres, geometrisk, for eksempel slik at topografien forandres, eller av kjemisk art, for eksempel slik at svertninger i film fremtrer etter fremkalling. Fortrinnsvis frembringes feltstyrkene i selve interferensmønsterbæreren. De elektriske lederne kan adresseres som tidligere kjent prinsipielt fra diodematriser, og magnetiske ringkjerner for eksempel. Dette adresseringsprinsippet har også vært beskrevet tidligere i forbindelse med fasemodulasjon av lys ved fremstilling av fysiske interferensmønstre, men er ikke tidligere brukt til generering av interferensmønstre.

Denne fremgangsmåten fører til en radikal forenkling i fremstillingen av syntetiske hologrammer, og innebærer dessuten den be-tydelige fordel at fremstillingen nå kan foretas "on line". Data-maskinprogram eller lagrede date for adressering og generering av hologrampunktene er som for konvensjonelt eksponeringsutstyr.

Tidligere brukte hologrammer bevirker som kjent enten fase- eller amplitudemodulasjon av rekonstruksjonsbølgen, noe som resulterer i det samtidige til dels sjenerende konjugerte bildet. Ved foreliggende fremgangsmåte kan man eventuelt fremstille interferens-mønster i en bærer som samtidig bevirker både fase- og amplitude-modulas jon uavhengig av hverandre, noe som kan brukes til å fjerne den konjugerte rekonstruksjonen. Dette kan oppnås ved å frembringe de adresserte feltstyrkene i en bærer som omfatter to legemer for generering av hologrampunkter i hvert legeme. Denne problemløsning løser samtidig problemet med generelt å generere hologrampunktene i en tredimensjonal bærer, idet bæreren ved bruk av foreliggende fremgangsmåte naturligvis kan omfatte flere enn to legemer, hvilke legemer kan være av lik eller forskjellig beskaffenhet. Således kan ønsket om å oppnå syntetiske volumhologrammer endelig realiseres. Rekonstruksjon av syntetiske objekter kan derved foretas med flerfrekvent bølge, for eksempel dagslys. En praktisk konsekvens av dette er visualisering i farger av slike objekter. Dessuten er det mulig å foreta rekonstruksjon av flere uavhengige syntetiske objekter med ett og samme hologram.

Midlet for utførelse av fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse, er karakterisert ved at det omfatter en interferens-mønsterbærer som er anordnet nær ved i det minste to motstående sett adskilte og adresserbare elektriske ledere med innbyrdes avstand i hvert sett som er bestemt ved den anvendte bølgelengde og som ved adressert spenningstilslutning danner lokalt definerte elektriske feltstyrker mellom settene, og lokalt forandrer bærerens materielle egenskaper permanent hvis feltstyrken lokalt når en terskelverdi. Således kan det hittil anvendte, kostbare eks-poneringsutstyret overraskende nok utelates, til fordel for et enkelt arrangement av elektriske ledere.

Bæreren for interferensmønsteret kan bestå av en rekke forskjellige materialer, forutsatt at det valgte materialets fysiske og/eller geometriske og/eller kjemiske egenskaper forandres lokalt hvis en spenningsforskjell fører til at en lokal elektrisk feltstyrke når en terskelverdi for egenskapsforandringer. Blant disse materialene finnes også materialer hvis egenskaper kan forandres som påpekt, for deretter å bli reversert ved å snu feltene, alternativt forandre disse til andre verdier for materialer med flere terskelverdier, hvoretter andre hologrampunkter kan genereres. Som nærmere omtalt nedenfor blir alle disse forandringer i denne forbindelse betegnet som "permanente". Ethvert sådant bærermateriale kan anvendes i forbindelse med en hvilken som helst utførelse av nevnte sett ledere, forutsatt at det lokalt mellom settene kan frembringes adresserte elektriske feltstyrker.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere ved hjelp av utførelses-eksempler. Det vises til tegningene, hvor:

Figur 1 i snitt illustrerer frembringelse av elektriske felt-

styrker i en bærer for interferensmønstre,

figur 2 viser en modifikasjon av eksemplet på figur 1,

figur 3a og 3b viser et foretrukket utførelseseksempel for hologrampunktgenerering i en interferensmønsterbærer som består av ett legeme,

figur 4 illustrerer hologrampunktgenerering ved sekundærvirkning av feltstyrkene,

figur 5 viser et eksempel på fremstilling av et hologram som blant annet modulerer både fase,og amplitude, .og hvor

figur 6 er et eksempel på fremstilling av volumhologrammer.

Eksemplet på figur 1 viser et arrangement av to sett stasjonært monterte elektriske ledere 11 og 12 som peker mot hverandre fra hver sin side av en interferensmønsterbærer , vist i snitt over tykkelsen. Lederne 11 er tilsluttet en spenning -V, mens valgte ledere 12 tilsluttes spenning +V som antydet. Adressering av elektriske ledere 11 og 12 innebærer valgt eller programmert spenningstilslutning av ledere 12 slik at spenningsforskjeller 2V oppstår på lokale steder i interferensmønsterbærerens (M^) flateutstrekning, idet det vil forstås at arrangementet av ledere er i form av to sett pigger som rager mot hverandre fra hver sin sideflate av bæreren M^. Spenningsforskjellen på 2V fører til frembringelse av adresserte elektriske feltstyrker lokalt i bæreren M^, over en terskelverdi som for vedkommende bærermateriale bevirker lokale forandringer i denne, mens spenningsforskjellene V på sine steder opprettholder uendret tilstand. Med tilstrekkelig mange og tynne ledere 11 og 12 oppnås et mønster av hologrampunkter tilsvarende det beregnede interferensmønster som den programmerte prosedyre frembringer ved bruk av eksempelvis sveipende elektronstråle- Således kan man ved hjelp av elektriske ledere fremstille både refleksjons- og transmisjonshologrammer.

Generelt stilles som nevnt det krav til de materialene som kan brukes som interferensmønsterbærer i foreliggende oppfinnelse, at deres fysiske og/eller geometriske og/eller kjemiske egenskaper forandres lokalt når en lokal elektrisk feltstyrke i materialene når en terskelverdi. Som eksempler på slike materialer kan her nevnes.

A. Dielektrika, for eksempel kvarts, hvori feltstyrken fører

til et elektrisk overslag når terskelverdien nås.

B. Halvledere, for eksempel på silisiumbasis, også amorfe halvledere, hvor det går en elektrisk strøm når terskelverdien nås. C. Materialer hvis optiske polarisasjonsretning forandres når terskelverdien nås, eller hvor molekyler blir polarisert,

dvs. elektreter, for eksempel carnaubavoks.

D. Materialer hvis transmisjons- eller refleksjonskoeffisient forandres når terskelverdien nås, for eksempel fotografisk film.

E. Materialer hvis farge forandres når terskelverdien nås, for

eksempel flytende krystaller.

Alle forandringene må som nevnt skje lokalt. Nøyaktigheten av de lokale plasseringene avhenger av bølgelengden av rekonstruksjons-bølgen, idet jnøyaktighetskravet naturligvis blir forskjellig ved rekonstruksjon med lys, infrarødt lys etc. For en rekke anven-delser er forandringene av varig karakter etter at feltstyrkene er fjernet, dog kan forandringene i noen materialer viskes ut. I materialer som nevnt under C kan forandringene reverseres for eksempel ved at polarisasjonen snus 180° ved å snu feltretningen. De lokale forandringer som det her er tale om, kan således betegnes permanente i den forstand at de forblir i samme tilstand i ubegrenset tid, men kan i visse tilfeller slettes eller reverseres og eventuelt ved ny adressering av elektriske felt, erstattes med andre permanente forandringer om så ønskes. I alle tilfellene A-E finnes materialer som kan brukes uten videre fremkalling av hologrampunktene, .eller som må etterbehandles fysisk og/eller kjemisk på kjent måte for fremkalling eller herding av inter-ferensmønsterbæreren. Slik etterbehandling kan i henhold til oppfinnelsen inkludere fjerning av elektriske ledere, påføring av speilende belegg for refleksjonshologrammer etc.

I tillegg kan man mellom de elektriske lederne bruke materialer som ved sekundærvirkning bevirker egenskapsforandringer i en interferensmønsterbærer. Som eksempel på slike materialer Jean nevnes elektro-luminescente materialer, fotodiodematerialer etc.

På figur 2 er vist to sett langsgående og cdskilte elektriske ledere 21 og 22 anordnet i kryss, og hvor hver leder er bøyd for å danne ekstensjoner 21a og 22a som parvis vender mot hverandre og tilsvarer de motragende lederne 11 og 12 på figur 1. Mellom settene er anbragt en skive M_ av dopet silisium som tjener som interferensmønsterbærer. Adresseringen foretas ved å koble valgte kryssende ledere til spenning +V og -V, idet lederne på i og for seg kjent måte er lagt parallelt i hvert sett og danner en.vinkel innbyrdes på 90°. Der hvor spenningsforskjellen mellom motragende ekstensjoner i henhold til pro-grammet er 2V, frembringes feltstyrker i interferensmønster-bæreren som overskrider en terskelverdi slik at det på kon-trollert måte går en strøm i bæreren M2, hvorved dets materiale smelter lokalt og åpninger dannes. For øvrig forblir materialet uendret. Etterbehandling overflødiggjøres. Ved hjelp av dette arrangementet av ledere kan man ved adressering av 2 n ledere generere n 2 hologrampunkter, mens man med arrangementet på figur 1 må adressere like mange .ledere som antall hologrampunkter. Elementet av bærer og elektriske ledere er vist i overdrevet stor skala, og er dessuten brutt ved to av dets fire kanter.

På figur 3a er vist et foretrukket middel for utførelse av fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse. Dette midlet er i form av et holografisk element som omfatter ett sett av et antall langsgående og adskilte elektriske ledere 31 i ett plan, og et tilsvarende og motstående sett ledere 32 i et annet plan. Lederne er på i og for seg kjent måte arrangert slik innbyrdes at lederne 31 krysser lederne 32 uten at de er i kontakt med hverandre, og slik at lederne 32 ligger i x-retningen og lederne 31 i y-retningen i forhold til et kartesisk koordinatsystem. Videre omfatter elementet en interferens-mønsterbærer M^ anordnet mellom settene.

Figur 3b viser elementet i snitt A-A.

Elementet er også her vist i overdrevet stor skala. Bare et fåtall av de elektriske lederne er vist. I virkeligheten kan elementet omfatte 1000 eller flere ledere 31 anbragt på et underlag av glass (ikke vist), hvorpå er dampet en silisium-oksydbasert film som interferensmønsterbærer M^. På denne filmen er anbragt 1000 eller flere andre ledere 32 i kryss med lederne 31. Ledere av gull og aluminium har vist seg egnet. Innbyrdes avstand mellom lederne i hvert sett kan være 0,5 ym, og arrangementet av kryssende ledere er 1 mm 2i utstrekning. Elementet er ca 0,5 ym tykt. Utragende ledere er i virkeligheten spredd i vifteform og forbundet med ledninger (ikke vist), av mer håndterlige dimensjoner. Ledningene er forsynt med kontakter for tilslutning til spenning.

Adresseringen og genereringen av hologrampunkter foretas ved å koble bestemte ledere i hvert sett til spenning som forklart ovenfor. I et rektangulært mønster av ledere som vist, adresseres koordinatene m, n gitt av leder nr. m i settet 32 og leder nr. n i settet 31, henholdsvis. Spenningsforskjellen mellom adresserte ledere er 80 V og fører til elektriske overslag i de adresserte krysspunktene, mens øvrige ledere blir holdt elektrisk inaktive. Adresseringen påbegynnes i et hjørne av interferensmønsterbæreren og fortsettes utover dennes flate i retning av det motstående hjørnet. Overslagene eller kortslutningene, danner ekstremt små hull i bæreren M^. Hvert hull representerer et hologrampunkt. Elementet som vist gir plass til minst 10^ hologrampunkter.

På figur 4 er vist et arrangement av kryssende ledere 41 og 42 i likhet med arrangementet på figur 3a og 3b. Utenpå et av settene er anbragt en interferensmønsterbærer M4 av fotografisk film. Ved adressering av lederne 41 og 42 frembringes også her adresserte elektriske feltstyrker mellom lederne som fører til kortslutninger i de ved adresseringen bestemte krysspunkter. De små lysglimtene ved kortslutningene bevirker lokale forandringer i bærermaterialet ved sekundærvirkning av feltstyrkene. Forandringene fremkommer som svertninger etter fremkalling av filmen. Mellom lederne 41 og 42 kan plasseres et elektro-luminescert materiale som vil gi tilsvarende lysemisjon som funksjon av felt og frekvens.

På figur 5 er vist tre sett elektriske ledere 51, 52 og 53,

og en interferensmønsterbærer som består av to mellom settene anbragte legemer M[-, og M 52 av fotoresistive materialer. De to legemene har forskjellige terskelverdier for frembringelse av materielle egenskapsforandringer. I virkeligheten rager lederne 51, 52 og 53 utenfor legemene M51 og M52 for kontaktering. Ved adressering oppnås geometrisk definerte hu.M i legemet M,^ og tilsvarende definerte endringer i legemet M-, i flukt med

hullene. De sistnevnte endringene fremtrer som svertninger etter fremkalling. Hologrampunktene i legemet'M,. ^ modulerer rekonstruksjonsbølgeis fase, og i legemet M^2 moduleres dens amplitude. Ved hjelp av dette hologrammet kan man unngå det konjugerte bildet.

På figur 6 er vist ..en interf erensmønsterbærer som består av seks forskjellige legemer Mgl til Mgg, samt to sett elektriske ledere 61 og 62. Legemene i de forskjeligge lag har forskjellige terskelverdier for lagvis generering av hologrampunkter etter stigende terskelverdier. Som forklart ovenfor tilsvarer lederne x- og y-retningene, mens plasseringen av hvert legeme etter sin terskelverdi tilsvarer en z-akseverdi. Således genereres hologrampunktene i hele volumet etter et program for fremstilling av et syntetisk volumhologram. Etter hver eksponering herdes vedkommende lag. Rekonstruksjon kan skje med flerfrekvent bølge. Når denne bølge er en lysbølge, oppnås rekonstruksjon i farger.

Eksemplene kan forfleres innenfor rammen av foreliggende oppfinnelse. I de her omtalte eksemplene er interferensmønster-bæreren vist med plane sider, mens disse naturligvis kan ha en hvilken som helst geometrisk form bare denne er kjent. Geometrien av elektriske ledere kan også ha andre former enn vist, dessuten kan lederne danne andre vinkler med hverandre enn 90°. Blant slike former nevnes bølgeform enten i horisontal-eller vertikalplanet. Istedenfor å legges på interferensmønster-bærerens sider, kan lederne innbakes i denne. Innbakte ledere, og også ledere som blant annet er vist på figur 4, kan med fordel lages av gjennomsiktige, elektrisk ledende materialer, såsom dopet indium - eller tinnoksyd. I forbindelse med figur 4 kan videre nevnes at det mellom settene av ledere kan brukes et legeme som lokalt oppfører seg som fotodioder og tjener som hjelpemiddel for sverting av filmen. Syntetiske hologrammer som modulerer både fase og amplitude/ kan som alternativ til elementet på figur 5 omfatte elementet på figur 3 samt en fotografisk film på dets ene side. Som ytterligere alternativ til det nevnte syntetiske volumhologramelementet på figur 6 kan brukes et flertall av elementene vist på f:.gur 3 eller 5, anbragt ovenpå hverandre. Bærerlegemene kan da ha samme terskelverdi. Adresseringen av hologrampunkter i slike volumhologrammer kan hensiktsmessig foretas ved hjelp av fotodioder og sett av adresserbare ledere som vist på figur 3 eller 4, men i større målestokk. De to sett av ledere som rager ut fra inter-' ferensmønsterbæreren, kobles til hvert sitt arrangement av fotodioder i stedet for til spenning, hver leder til hver sin fotodiode, og to sett adresserbare ledere plasseres ved hvert fotodiodearrangement slik at hver fotodiode står overfor et krysspunkt av ledere. Adresseringen foretas ved spenningstilslutning av ledere i de adresserbare settene. Kortslutninger i settenes krysspunkter trigger da riktige fotodioder slik at de ledere som er koblet til triggede fotodioder, blir spennings-førende og bevirker egenskapsforandringer i interferensmønster-bærerens volum.

Det vil forstås at foreliggende oppfinnelse karakteriseres som epokegjørende hva angår fremstilling av syntetiske hologrammer. Slike hologrammer kan naturligvis anvendes på alle områder hvor fysiske hologrammer anvendes, herunder som holografisk informa-sjonsbærer i forbindelse med optisk utlesning i en datamaskin. Pakketettheten for informasjon er ekstremt høy. Elementet av interferensmønsterbærer og adresserbare ledere kan i de fleste utførelser serieproduseres for adressering hos brukeren. Et fremstilt hologram kan enkelt mangfoldiggjøres ved kopiering. Stykkprisen for syntetiske hologrammer ifølge oppfinnelser kan følgelig bringes drastisk ned.

Claims (13)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av syntetisk hologram, karakterisert ved at det på lokale steder ved hjelp av adresserbare elektriske ledere frembringes adresserte elektriske felt lokalisert i .umiddelbar nærhet av en bærer for interferensmønsteret, og at feltenes feltstyrker bringes til å overstige en terskelverdi for lokale permanente forandringer i bærerens materielle egenskaper og således generere det permanente holografiske interferensmønster i bæreren.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at feltstyrkene frembringes direkte i interferensmønster-bæreren.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved at feltstyrkene frembringes i en interferensmønsterbærer som omfatter flere enn ett legeme (M5^'M52 0<3 M6i~ M66^ ^or 9ene~ rering av hologrampunkter i hvert legeme.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert ved at frembragte feltstyrker forandres trinnvis for generering av hologrampunkter i de respektive legemer.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at interferensmønsterbæreren underkastes en avsluttende etterbehandling, f.eks. fremkalling, fiksering, herding.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 5, karakterisert ved at etterbehandlingen omfatter fjerning av elektriske ledere.

7. Middel for utførelse av fremgangsmåten ifølge kravene 1 til 4, karakterisert ved at det omfatter en interferensmønsterbærer (M^ og M^) som er anordnet nær ved i det minste to motstående sett adskilte og adresserbare elektriske ledere (31, 32 og 41, 42) med innbyrdes avstand i hvert sett som er bestemt ved den anvendte bølgelengde og som ved adressert spennings-tilslutning danner lokalt definerte elektriske feltstyrker mellom settene, og lokalt forandrer bærerens (M^ og M^) materielle egenskaper permanent hvis feltstyrken lokalt når en terskelverdi.

8. Middel som angitt i krav 7, karakterisert ved at det direkte på interferensmønsterbæreren (M^) er fast anbragt i det minste ett sett av langsgående ledere (31).

9. Middel som angitt i krav 7 eller 8, karakterisert ved at interferensmønsterbæreren består av i det minste to legemer (<M>51, M^, M61_M66) .

10. Middel som angitt i krav 9, karakterisert ved at bærerlegemene (<M>51, M52, Mg^-Mgg) består av forskjellige materialer .

11. Middel som angitt i krav 9 eller 10, karakterisert ved at det i tillegg til sett av adresserbare elektriske ledere (51, 53) anbragt utenpå interferensmønsterbæreren også er anbragt sett av elektriske ledere (52) mellom legemene (Mqi i M ). -■i- 52

12. Middel som angitt i krav 7, karakterisert ved at i det minste en del av interferensmønsterbæreren (M^) er anbragt utenfor to sett av ledere (41, 42).

13. Middel som angitt i krav 7-11, karakterisert ved at de elektriske ledere er gjennomsiktige.