WO2019076572A1 - Belichtungsvorrichtung zum aufnehmen eines hologramms, verfahren zum aufnehmen eines hologramms und verfahren zum steuern einer belichtungsvorrichtung zum aufnehmen eines hologramms - Google Patents

Belichtungsvorrichtung zum aufnehmen eines hologramms, verfahren zum aufnehmen eines hologramms und verfahren zum steuern einer belichtungsvorrichtung zum aufnehmen eines hologramms Download PDF

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hologram
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Definitions

  • An exposure apparatus for picking up a hologram a method for picking up a hologram, and a method for controlling a hologram
  • the invention relates to a device or a method according to the preamble of the independent claims.
  • a hologram for example, two mutually coherent laser sources (reference and object wave) are brought into interference on a photosensitive, holographic layer.
  • the resulting hologram for example, two mutually coherent laser sources (reference and object wave) are brought into interference on a photosensitive, holographic layer.
  • Interference pattern is then written to the holographic layer.
  • the object wave By illuminating this interference structure with the reference wave, the object wave can be reconstructed.
  • the optical function of a volume hologram for example, with two different recording method in the
  • the two laser beams can be widened so much that the entire holographic layer is in one
  • Holograms typically require significantly lower laser powers. When recording large holograms provides the available
  • Holographic printers currently available on the market can produce holograms with a minimum hog size of between about 200 and 500 ⁇ .
  • the optical function of the individual hogel is defined, for example, by a spatial modulator for light, also called a spatial light modulator or SLM for short.
  • These holographic printers are usually used to create image holograms without holographing a real three-dimensional object. Usually, therefore, a so-called holographic stereogram printer is used.
  • the holograms made with such a printer use the stereoscopic effect to achieve a three-dimensional representation of the printed content.
  • a classic hologram that can reconstruct the original wavefront of the holographed object usually can not be created with such a holographic stereogram printer. For this are so-called holographic
  • Wavefront printers are required, which, in contrast to stereogram printers, are also suitable for printing holographic-optical elements.
  • Hitherto known well-front printers can, for example, print hogs with a minimum size of approximately 400 ⁇ m at maximum image angles of + / "40 °.
  • An exposure apparatus for picking up a hologram a method for picking up a hologram, a method for controlling a hologram Exposure device for recording a hologram and a
  • An exposure device for recording a hologram having the following features: at least one modulation unit which is designed to impart a modulation beam representing a reference beam and / or an object beam to a laser beam by impressing a modulation representing at least one holographic element of the hologram to create; at least one reduction unit configured to generate a modified modulation beam using the modulation beam, the modified modulation beam having a smaller beam diameter than the modulation beam; and at least one lens unit configured to change the one
  • a spatial modulation modulator may be used for a modulation unit
  • Spatial Light also referred to as Spatial Light Modulator
  • an LCoS display which is designed to encode information regarding at least one optical function represented by the holographic element into the laser beam.
  • a holographic element can be understood as meaning a three-dimensional grating element of the hologram, also called voxel or hogel, with a specific optical function.
  • the modulation unit may be formed, for example, to the
  • the modulation unit may be electronically or optically controllable.
  • the hologram may comprise a plurality of holographic elements, which may be arranged, for example, lattice-shaped or overlapping each other and may fulfill different optical functions depending on the embodiment.
  • the modulation unit can be designed to generate a modulation beam representing a rectangular or Gaussian holographic element by appropriate modulation of the laser beam.
  • a hologram for example, a reflection or transmission hologram or a waveguide can be understood.
  • a reference beam can be understood as meaning a wave field which represents an unscattered portion of the same laser beam.
  • the modulation unit can be designed, for example, to generate the reference beam and the object beam independently of each other by appropriate modulation of the laser beam.
  • a reduction unit can be understood to mean an optical system of one or more lenses for reducing a beam diameter of the modulation beam, such as a reduction factor of 30 to 100.
  • An objective unit can be understood as meaning an immersion objective directly preceding the recording material or a support for holding the recording material.
  • the objective unit can be optically coupled or coupled to the recording material via the immersion medium, which may be, for example, a liquid or a gel.
  • Recording material can be understood in general a photosensitive layer, which can be particularly suitable for producing a holographic-optical element.
  • the exposure device can be designed to move the hologram by sequential, in particular overlapping, exposure of the recording material to the changed one
  • Phase shifter for spatial light modulation a high-quality
  • Reduction optics such as with a magnification of about 1 to 60
  • an immersion objective such as with a numerical aperture of greater than 1.1 and a working distance of greater than 600 ⁇ , which has an immersion solution with a holographic material adapted refractive index can be realized
  • the immersion solution can, for example, fill a gap between the immersion objective and a glass plate, which serves as a carrier material for the holographic material.
  • Phase shifter may be formed, for example, to generate reference or object wave or both reference and object wave with diffraction angles greater than 2.5 °.
  • the three points mentioned hogel can be printed in the range between 100 and 200 ⁇ , the entrance and exit angle of about + / ⁇ 90 °, ie above the total reflection angle, allow.
  • phase-shifting modulator unit with a large diffraction angle in the reference and object beam path makes it possible, for example, to generate holographic-optical elements composed of sub-holograms with variously definable optical functions.
  • Waveguide structures are produced - in contrast to previous holographic wavefront printers, in which the input and output angles are usually very limited and the reference beam is usually a plane wave at which the maximum angle of incidence can be varied.
  • a further advantage of an exposure device is that, instead of a rectangular hogel, Gaussian-shaped hogs can optionally be exposed and superimposed on one another. Due to the softer transitions between the individual hogs, a lattice structure of the hologram, which may impair the image quality, can be used, as is the case with the use of rectangular apertures
  • Hogel forming can occur, avoided or at least greatly mitigated. By overlapping the Gaussian Hogel, the image quality can thus be improved. This effect can be further optimized by an optional copying process afterwards.
  • the modulation unit may be configured to impart the modulation by shifting a phase of the laser beam.
  • the hologram can be generated with the largest possible input or output angles.
  • the modulation unit can be designed as LCoS display. Thereby, a propagation direction and a divergence of the modulation beam can be changed very accurately over a large adjustment range.
  • the modulation unit may have a pixel structure of pixels with a size of less than 4 ⁇ m. Additionally or alternatively, the modulation unit may be designed to accommodate the
  • the lens unit has a numerical aperture of greater than 1.1 or, additionally or alternatively, a working distance of greater than 600 ⁇ m to the recording material.
  • the hologram with very small hogs, in particular with a size of less than 400 ⁇ , are recorded.
  • the reduction unit is designed to generate the modified modulation beam with a beam diameter between 100 and 200 ⁇ m. Also by this embodiment, the size of the hogel can be significantly reduced.
  • the reduction unit may comprise at least one first one representing a first Kepler telescope
  • Imaging unit and a second Kepler telescope representing second imaging unit.
  • the first imaging unit and the second imaging unit can be optically connected in series.
  • a Kepler telescope can generally be understood to mean imaging optics comprising a large, slightly curved collecting lens as the objective and a relatively small, more curved collecting lens as an eyepiece.
  • collection lenses may be placed opposite each other.
  • the beam diameter can be precisely reduced with little technical effort.
  • this can be a strong magnification generated by the modulation unit deflection angles can be achieved.
  • the exposure device may optionally have at least one adjusting unit for adjusting the modulation beam and / or the changed modulation beam.
  • the adjustment unit can be designed as a CMOS element. As a result, exposure errors can be avoided.
  • the exposure device may comprise a moving part which may be configured to move around
  • the exposure device is a further modulation unit, a further reduction unit and another
  • Recording material can be assigned and the further modulation unit, the further reduction unit and the further lens unit can be assigned to a second beam path for exposing the recording material.
  • the further modulation unit can be designed to generate a further modulation beam by impressing a further modulation representing the holographic element on a further laser beam.
  • a further laser beam can be understood to mean a partial beam of the laser beam generated by beam splitting.
  • the modulation beam can represent the reference beam and the further modulation beam the
  • the further reduction unit can be designed to generate a further modified modulation beam using the further modulation beam.
  • Modulation beam may have a smaller beam diameter than the other modulation beam.
  • the further lens unit can be designed by the further modified modulation beam by another
  • Reflection holograms are generated by means of the exposure device.
  • the objective unit may be configured to apply the changed modulation beam to a first side of the
  • the further objective unit can be designed to direct the further modified modulation beam to a second side of the recording material opposite the first side. As a result, the recording material can be exposed on both sides at the same time.
  • the approach presented here also provides a method of picking up a hologram by means of an exposure apparatus according to any one of the preceding
  • Embodiments the method comprising the steps of:
  • the approach presented here provides a method for controlling an exposure apparatus according to one of the preceding embodiments, wherein the method comprises at least the following step:
  • This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control unit.
  • the approach presented here also provides a control unit which is designed to implement the steps of a variant of a method presented here
  • control unit can have at least one arithmetic unit for processing signals or data, at least one memory unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading sensor signals from the sensor or for outputting control signals to the actuator and / or or at least one
  • the arithmetic unit may be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, wherein the memory unit is a flash memory, an EPROM or a
  • the magnetic storage unit can be.
  • the communication interface can be designed to read or output data wirelessly and / or by line, wherein a communication interface that can read or output line-bound data, for example, electrically or optically read this data from a corresponding data transmission line or output in a corresponding data transmission line.
  • a control device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon.
  • the control unit may have an interface, which may be formed in hardware and / or software. In a hardware training, the interfaces may for example be part of a so-called system ASICs, the various functions of the
  • Control unit includes.
  • the interfaces are separate, integrated circuits or at least partially discrete Consist of components.
  • the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
  • Figure 1 is a schematic representation of a large-scale recording of a holographic lens by two point light sources.
  • Figure 2 is a schematic representation of a sequential recording of a holographic lens by two point light sources.
  • FIG. 3 is a schematic representation of an exposure apparatus according to an exemplary embodiment
  • Fig. 4 is a schematic representation of a waveguide structure with two
  • Exposure device according to an embodiment
  • Fig. 5 is a schematic representation of a reduction unit according to
  • FIG. 6 is a schematic representation of an exposure apparatus according to an embodiment
  • Exposure device according to an embodiment
  • FIG. 9 is a schematic representation of a control device according to a
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a large-area image of a holographic lens 100 by two point light sources 102, 104.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a sequential recording of a holographic lens 200 by two point light sources 202, 204.
  • the principle of recording a hologram shown in FIG. 2 by sequential recording of a plurality of sub-holograms 1, 2 Below-described exposure device can be realized.
  • Figures 1 and 2 show a comparison of the large area analog
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an exposure device 300 according to one exemplary embodiment. Shown is a possible construction of a total optical system comprising the exposure device 300 for producing a hologram by exposing a photosensitive,
  • the exposure device 300 comprises a modulation unit 304, also referred to as a spatial light modulator or SLM for short, which is designed to be incident on a laser beam 308 generated by a laser source 306 or else by beam splitting of the laser beam 308
  • Laser beam 308 generated partial beam of the laser beam 308 to impose a spatial modulation such that a generated by the spatial modulation modulation beam 310 either a reference beam or an object beam for exposing the recording material 302 represents.
  • the modulation unit 304 is designed to generate the modulation beam 310 by shifting a phase of the laser beam 308 or of the partial beam of the laser beam 308.
  • the modulation unit 304 radiates the modulation beam 310 into a
  • the objective unit 320 is designed as an immersion objective in order to use the modified modulation beam 318 using a suitable modulation beam 318
  • Immersion media such as an immersion liquid or an immersion gel to optically couple with the recording material 302.
  • the modified modulation beam 318 is thus directed through the immersion medium onto the recording material 302, into which, depending on the modulation of the changed modulation beam 318, a corresponding sub-hologram, also called holographic element, voxel or hogel, is printed.
  • the laser source 306 comprises a first laser generation unit 322 for generating a red
  • a highly reflective mirror 328 directs the red laser beam to a dichroic beam combiner 330, which is configured to combine the red laser beam with the green laser beam and the blue laser beam to the laser beam 308 , In the respective beam paths of different colored
  • Laser beams or the laser beam 308 arranged ⁇ / 2 plates are each marked with the reference numeral 332.
  • the laser beam 308 passes via an acousto-optical filter 334 on to a beam splitter 336, in this case a polarizing beam splitter, which is designed to divide the laser beam 308 into a first sub-beam 338 and a second sub-beam 340, the first sub-beam 338 into a modulation unit 304 guiding the first optical path and directing the second sub-beam 340 into a second optical path leading to another modulation unit 342.
  • the modulation unit 304 is configured to be under
  • a further modulation beam 344 representing the reference beam by imparting a corresponding spatial modulation on the second sub-beam 340.
  • Recording material 302 is analogous to the first optical path, a further reduction unit 346 for generating a further modified
  • Modulation beam 348 arranged with a respect to the other modulation beam 344 by a corresponding reduction factor significantly reduced beam diameter.
  • the further reduction unit 346 is followed by a further lens unit 350, which is similar or identical to the one
  • Lens unit 320 is designed as an immersion objective for coupling the further modified modulation beam 348 via a further immersion medium into the recording material 302. The two changed
  • Modulation beams 318, 348 are applied to the recording material 302
  • the hologram is recorded by sequentially exposing the recording material 302 for, for example, overlapping recording of a plurality of sub-holograms by means of a trajectory unit 351, for example an XY translation stage, which is only schematically indicated by a double arrow.
  • the exposure apparatus 300 shown in FIG. 3 comprises further high-reflection mirrors 352, focusing elements 354, for example in the form of lenses, optical spatial filters 356 and one in an optical path between the two
  • Reduction unit 312 and the lens unit 320 arranged first adjusting unit 358 for adjusting the modified modulation beam 318 and arranged in a beam path between the further reduction unit 346 and the further lens unit 350 second adjusting unit 360 for adjusting the further modified modulation beam 348.
  • first adjusting unit 358 for adjusting the modified modulation beam 318 and arranged in a beam path between the further reduction unit 346 and the further lens unit 350 second adjusting unit 360 for adjusting the further modified modulation beam 348.
  • at least one of the two adjusting units 358, 360 is designed as a CMOS camera.
  • a control unit 370 is designed to control the two modulation units 304, 342 by outputting a corresponding drive signal 371 such that the
  • control unit 370 is designed to control the moving part 351 or also the acousto-optical filter 334 depending on the driving of the two modulation units 304, 342, for example around the
  • the exposure apparatus 300 shown in FIG. 3 is a holographic wavefront printer for sequentially exposing the exposure apparatus
  • Recording material 302 such as a holographic layer executed.
  • Modulation units 304, 342 re-adjusted depending on the desired optical function and superimposed on the recording material 302.
  • the optical system including the objective units 320, 350, makes it possible, for example, to reduce the beam diameter by a factor of 60.
  • Beam path are introduced.
  • diffraction effects can occur at the edges of the panels, which can have a negative effect on the exposure of the hogel.
  • hard transitions between the individual rectangular chickens form a kind of lattice structure, which can be disturbing when looking at the hologram, especially in larger hogs.
  • a bird size of more than 400 ⁇ is usually sufficient for image holograms to sufficiently suppress disturbing effects. This is mainly because the image holograms are usually viewed from a greater distance.
  • the object beam is formed by the modulation unit 304, for example by a spatial light modulator in the form of an LCD or LCoS display.
  • a spatial light modulator in the form of an LCD or LCoS display.
  • amplitude modulating LCoS displays with Full HD resolution and a pixel size of approximately 8 ⁇ m can be used for this purpose.
  • Modulation unit 304 is defined, when printing holographic-optical elements using the modulation unit 304 generates a suitable wavefront.
  • the exposure device 300 may also be referred to as holographic in this sense
  • Wavefront printers are called. Due to the pixel size of the
  • Modulation unit 304 and thus by the maximum diffraction angle in the order of use and by the reduction scale with which the
  • Modulation unit 304 is imaged on the recording material 302, the maximum angle of view of the holographic-optical element is determined.
  • a continuous wave or pulsed laser beam 308 monochromatically or composed of up to four wavelengths, divided by the beam splitter 336 on two optical paths, an object beam path and a reference beam path. Both optical paths can be constructed identically.
  • phase-shifting SLMs for example LCoS displays with a sufficiently small pixel structure of less than 4 ⁇ m, are inserted as modulation units 304, 342 in both beam paths.
  • propagation direction and divergence of the partial beams 338, 340 can be adapted.
  • Both partial beams 338, 340 are then guided through an optical system, which is each composed of two Kepler telescopes, also called Kepler telescope, composed and, for example, has a reduction factor of 60. This is the one of the
  • Beam diameter of the two partial beams each reduced to about 100 to 200 ⁇ ; on the other hand, those generated by the modulation units 304, 342 Deflection angle greatly increased.
  • An illustration of this imaging optics is shown in FIG.
  • the last optics in front of the recording material 302 in each of the optical paths for example, each as a high-quality immersion objective with a small numerical
  • Aperture for example, greater than 1.1 at a relatively large working distance for such lenses, for example greater than 600 ⁇ running.
  • an immersion liquid between the lens units 320, 350 and a glass substrate on which the recording material 302 is laminated for example, and by greatly increasing the deflection angle and the numerical aperture of greater than 1.1, angles can be written in the recording material 302, which are greater than the total internal reflection angle in the reconstruction of the holographic-optical element in air.
  • any optics with very large input and output angles as well as coupling-in and coupling-out holograms for waveguide structures can be realized, as shown for example in FIG. 4.
  • reflection holograms can be defined. If only one of the two optical paths is used, as shown in FIG. 6, by applying suitable diffraction patterns on the modulation unit 304, both the object wave and the reference wave can be generated. The fact that both beam paths from the same side meet the recording material 302, transmission holograms can be generated.
  • the adjustment can be very expensive when recording reflection holograms.
  • the two adjustment units 358, 360 such as CMOS cameras, in the respective
  • an exposure time can be optimized by recording hogs with different exposure times and then reconstructing them by the object beam.
  • This procedure is used in addition to the fine adjustment, since with a perfect superposition of the two beam paths in the recording material 302, the efficiency of the hog increases.
  • the recording material 302 is moved, for example, after exposure of a hogle by a high-precision XY displacement table as a moving unit 351 so that the next hound can be exposed. Care should be taken here that the hogs overlap so that the most homogeneous possible exposure of the recording material 302 is ensured. As a result, the visible lattice structure, which normally results from the sequential exposure of equidistantly spaced rectangular hoggels, can be avoided.
  • the XY displacement table is mounted on a massive granite base.
  • the granite base stands on a vibration-damped optical table.
  • the maximum diffraction angles of the order of use at the modulation units can be described by the following formula, where ⁇ is the diffraction angle, ⁇ is the wavelength and g is the lattice constant. ⁇
  • Angle in relation to the optical axis can be achieved.
  • the maximum diffraction angle is achieved with minimal lattice constant. Due to the pixelated structure of the modulation units, this is the case when a black and white pattern is applied.
  • the lattice constant is then twice the pixel structure. To reduce disturbing effects, too small
  • Lattice constants occur, however, should not be used when operating the modulation units lattice constants less than three times the pixel structure.
  • Immersion liquid for example, has a refractive index of n "1.51. According to Sellius' law of refraction, the angle ⁇ in the
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a waveguide structure 400 with two holographic-optical elements 302, recorded using an exposure device according to an embodiment, such as FIG
  • the waveguide structure 400 is made of glass, for example, and surrounded by air.
  • An optical path through the waveguide structure 400 is indicated by a plurality of arrows.
  • input and output elements for waveguide structures can be generated by means of the exposure device. This is due to a particularly small pixel structure of the
  • Lens unit in conjunction with a suitable immersion solution between the lens unit and the recording material or between the
  • Lens unit and a (glass) carrier for holding the recording material possible are possible.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a reduction unit 312 according to an exemplary embodiment, for example a reduction unit described above with reference to FIG. 3.
  • the reduction unit 312 includes the first condenser lens 314, the second condenser lens 316, and a third one
  • the four converging lenses 314, 316, 500, 502 are arranged serially one behind the other.
  • Incidence angle on the recording material 302 greatly increased.
  • a spatial filtering higher diffraction orders can be made in addition.
  • the zeroth and higher orders are filtered so that only the payload order, i. H. the first
  • the filter passes.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of an exposure device 300 according to one exemplary embodiment.
  • the exposure apparatus shown in FIG. 6 is not limited to one exemplary embodiment.
  • Exposure device 300 only the first optical path with the modulation unit 304, the reduction unit 312 and the lens unit 320 has. Also indicated is a
  • a beam path of a 0th order is marked with the reference numeral 602
  • a beam path of a -1st order is marked with the reference numeral 604.
  • the modulation beams 310 generated independently of one another by means of the modulation unit 304 serve as holograms when recording
  • the exposure apparatus 300 can be used as a holographic wavefront printer for generating
  • FIG. 7 shows a flow chart of a method 700 for recording a hologram by means of an exposure apparatus according to FIG.
  • Embodiment such as an above with reference to Figures 3 to 6 described exposure device.
  • the spatial modulation representing the holographic element is impressed on the laser beam in order to generate the modulation beam, either in the form of a reference wave or an object wave.
  • the beam diameter of the modulation beam is significantly reduced.
  • the modified modulation beam produced in a third step 730 is passed through the immersion medium of the objective unit to the holographic
  • FIG. 8 shows a flow chart of a method 800 for controlling an exposure apparatus according to an embodiment, such as an exposure apparatus previously described with reference to FIGS. 3 to 7.
  • the method 800 includes an optional step 810 of activating the laser source.
  • the drive signal is generated in response to the activation and to a
  • Output interface to the modulation unit of the exposure device to the laser beam for example by adjusting a corresponding
  • Pixel structure of the modulation unit in a suitable manner to modulate.
  • control unit 370 shows a schematic representation of a control device 370 according to an exemplary embodiment, for example a control device described above with reference to FIG. 3.
  • the control unit 370 comprises an output unit 910 for outputting the activation signal 371 for activating the modulation unit or a plurality of modulation units or else other elements of the exposure apparatus which are controllable in connection with the generation of the hologram.
  • an exemplary embodiment comprises an "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Belichtungsvorrichtung (300) zum Aufnehmen eines Hologramms. Die Belichtungsvorrichtung (300) umfasst zumindest eine Modulationseinheit (304), die ausgebildet ist, um durch Aufprägen einer zumindest ein holografisches Element des Hologramms repräsentierenden Modulation auf einen Laserstrahl (308, 338) einen einen Referenzstrahl und/oder einen Objektstrahl repräsentierenden Modulationsstrahl (310) zu erzeugen. Des Weiteren umfasst die Belichtungsvorrichtung (300) zumindest eine Verkleinerungseinheit (312), die ausgebildet ist, um unter Verwendung des Modulationsstrahls (310) einen geänderten Modulationsstrahl (318) zu erzeugen, wobei der geänderte Modulationsstrahl (318) einen kleineren Strahldurchmesser als der Modulationsstrahl (310) aufweist. Ferner umfasst die Belichtungsvorrichtung (300) zumindest eine Objektiveinheit (320), die ausgebildet ist, um den geänderten Modulationsstrahl (318) durch ein Immersionsmedium hindurch auf ein Aufnahmematerial (302) zu lenken, um das Hologramm durch Belichten des Aufnahmematerials (302) mit dem geänderten Modulationsstrahl (318) aufzunehmen.

Description

Beschreibung Titel
Belichtungsvorrichtung zum Aufnehmen eines Hologramms, Verfahren zum Aufnehmen eines Hologramms und Verfahren zum Steuern einer
Belichtungsvorrichtung zum Aufnehmen eines Hologramms
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Durch neu am Markt verfügbare holografische Materialien und die
Miniaturisierung der Laserquellen erschließen sich zunehmend neue Märkte und Einsatzgebiete für holografisch-optische Elemente, kurz HOE. Mögliche
Anwendungsgebiete wie Datenbrillen oder Head-up-Displays werden immer interessanter und könnten durch den Einsatz holografisch-optischer Elemente realisiert oder verbessert werden.
Zum Aufnehmen eines Hologramms werden beispielsweise zwei zueinander kohärente Laserquellen (Referenz- und Objektwelle) auf einer fotosensitiven, holografischen Schicht zur Interferenz gebracht. Das dabei entstehende
Interferenzmuster wird dann in die holografische Schicht geschrieben. Durch Beleuchten dieser Interferenzstruktur mit der Referenzwelle kann die Objektwelle rekonstruiert werden. Die optische Funktion eines Volumenhologramms kann beispielsweise mit zwei unterschiedlichen Aufnahmeverfahren in die
holografische Schicht geschrieben werden. Zum einen können in einer großflächigen oder analogen Aufnahme die beiden Laserstrahlen so stark aufgeweitet werden, dass die gesamte holografische Schicht in einem
Arbeitsschritt beleuchtet werden kann. Das dabei entstehende Interferenzmuster wird so sofort auf die gesamte Fläche des Hologramms geschrieben. Ein alternatives Abnahmeverfahren basiert darauf, dass Laserstrahlen mit sehr kleinen Strahldurchmessern zur Interferenz gebracht werden und so sequenziell Unterhologramme, auch Hogel oder Voxel genannt, in die fotosensitive Schicht geschrieben werden, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Sequenziell belichtete oder gedruckte (digitale) Hologramme haben den Vorteil, dass jedem Hogel eine andere optische Funktion zugeordnet werden kann. So können völlig neuartige Optiken hergestellt werden. Des Weiteren sind zur Herstellung sequenziell gedruckter Hologramme im Vergleich zu großflächig aufgenommenen
Hologrammen in der Regel deutlich geringere Laserleistungen erforderlich. Bei der Aufnahme großflächiger Hologramme stellt die zur Verfügung stehende
Leistung häufig einen für die Größe des Hologramms limitierenden Faktor dar.
Aktuell am Markt verfügbare holografische Drucker können Hologramme mit einer minimalen Hogelgröße zwischen ca. 200 und 500 μηη erstellen. Die optische Funktion der einzelnen Hogel wird dabei beispielsweise über einen räumlichen Modulator für Licht, auch Spatial Light Modulator oder kurz SLM genannt, definiert. Verwendet werden diese holografischen Drucker meistens dazu, Bildhologramme zu erstellen, ohne ein reales dreidimensionales Objekt holografieren zu müssen. Meistens wird deshalb ein sogenannter holografischer Stereogrammdrucker verwendet. Die mit einem solchen Drucker hergestellten Hologramme verwenden den stereoskopischen Effekt, um eine dreidimensionale Darstellung des gedruckten Inhalts zu erreichen. Ein klassisches Hologramm, das die ursprüngliche Wellenfront des holografierten Objektes rekonstruieren kann, kann mit einem solchen holografischen Stereogrammdrucker für gewöhnlich nicht erzeugt werden. Dafür sind sogenannte holografische
Wellenfrontdrucker erforderlich, die sich im Gegensatz zu Stereogrammdruckern auch dazu eignen, holografisch-optische Elemente zu drucken. Bisher bekannte Wellfrontdrucker können beispielsweise Hogel mit einer Mindestgröße von ca. 400 μηη bei maximalen Bildwinkeln von +/" 40° drucken.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine
Belichtungsvorrichtung zum Aufnehmen eines Hologramms, ein Verfahren zum Aufnehmen eines Hologramms, ein Verfahren zum Steuern einer Belichtungsvorrichtung zum Aufnehmen eines Hologramms sowie ein
Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet, gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Es wird eine Belichtungsvorrichtung zum Aufnehmen eines Hologramms vorgestellt, wobei die Belichtungsvorrichtung folgende Merkmale aufweist: zumindest eine Modulationseinheit, die ausgebildet ist, um durch Aufprägen einer zumindest ein holografisches Element des Hologramms repräsentierenden Modulation auf einen Laserstrahl einen einen Referenzstrahl und/oder einen Objektstrahl repräsentierenden Modulationsstrahl zu erzeugen; zumindest eine Verkleinerungseinheit, die ausgebildet ist, um unter Verwendung des Modulationsstrahls einen geänderten Modulationsstrahl zu erzeugen, wobei der geänderte Modulationsstrahl einen kleineren Strahldurchmesser als der Modulationsstrahl aufweist; und zumindest eine Objektiveinheit, die ausgebildet ist, um den geänderten
Modulationsstrahl durch ein Immersionsmedium hindurch auf ein
Aufnahmematerial zu lenken, um das Hologramm durch Belichten des
Aufnahmematerials mit dem geänderten Modulationsstrahl aufzunehmen. Unter einer Modulationseinheit kann beispielsweise ein räumlicher Modulator für
Licht, auch Spatial Light Modulator genannt, wie etwa ein LCoS-Display verstanden werden, der ausgebildet ist, um Informationen bezüglich zumindest einer durch das holografische Element repräsentierten optischen Funktion in den Laserstrahl zu codieren. Unter einem holografischen Element kann ein dreidimensionales Gitterelement des Hologramms, auch Voxel oder Hogel genannt, mit einer bestimmten optischen Funktion verstanden werden. Die Modulationseinheit kann beispielsweise ausgebildet sein, um den
Modulationsstrahl durch Modulation einer Amplitude oder Phase einer
Wellenfront des Laserstrahls zu erzeugen. Je nach Ausführungsform kann die Modulationseinheit elektronisch oder optisch ansteuerbar sein. Das Hologramm kann eine Mehrzahl holografischer Elemente aufweisen, die beispielsweise gitterförmig oder einander überlappend angeordnet sein können und je nach Ausführungsform unterschiedliche optische Funktionen erfüllen können.
Beispielsweise kann die Modulationseinheit ausgebildet sein, um durch entsprechende Modulation des Laserstrahls einen ein rechteckiges oder gaußförmiges holografisches Element repräsentierenden Modulationsstrahl zu erzeugen. Unter einem Hologramm kann beispielsweise ein Reflexions- oder Transmissionshologramm oder ein Wellenleiter verstanden werden.
Unter einem Referenzstrahl kann ein Wellenfeld verstanden werden, das einen durch ein Objekt reflektierten und gestreuten Anteil eines Laserstrahls
repräsentiert. Unter einem Referenzstrahl kann ein Wellenfeld verstanden werden, das einen ungestreuten Anteil desselben Laserstrahls repräsentiert. Die Modulationseinheit kann beispielsweise ausgebildet sein, um den Referenzstrahl und den Objektstrahl voneinander unabhängig durch entsprechende Modulation des Laserstrahls zu erzeugen.
Unter einer Verkleinerungseinheit kann beispielsweise ein optisches System aus einer oder mehreren Linsen zum Verringern eines Strahldurchmessers des Modulationsstrahls verstanden werden, etwa um einen Verkleinerungsfaktor von 30 bis 100.
Unter einer Objektiveinheit kann ein dem Aufnahmematerial oder einem Träger zum Halten des Aufnahmematerials direkt vorgeschaltetes Immersionsobjektiv verstanden werden. Dabei kann die Objektiveinheit über das Immersionsmedium, bei dem es sich etwa um eine Flüssigkeit oder ein Gel handeln kann, mit dem Aufnahmematerial optisch gekoppelt oder koppelbar sein. Bei dem
Aufnahmematerial kann im Allgemeinen eine fotosensitive Schicht verstanden werden, die sich insbesondere zur Herstellung eines holografisch-optischen Elements eignen kann. Beispielsweise kann die Belichtungsvorrichtung ausgebildet sein, um das Hologramm durch sequenzielles, insbesondere überlappendes Belichten des Aufnahmematerials mit dem geänderten
Modulationsstrahl aufzunehmen. Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass ein holografischer Wellenfrontbelichter für holografisch-optische Elemente mit einem
Phasenschieber zur räumlichen Lichtmodulation, einer hochwertigen
Verkleinerungsoptik, etwa mit einem Abbildungsmaßstab von ca. 1 zu 60, und einem Immersionsobjektiv, etwa mit einer numerischen Apertur von größer 1,1 und einem Arbeitsabstand von größer 600 μηη, das eine Immersionslösung mit einem an ein holografisches Material angepassten Brechungsindex aufweist, realisiert werden kann. Die Immersionslösung kann dabei beispielsweise einen Zwischenraum zwischen dem Immersionsobjektiv und einer Glasplatte, die als Trägermaterial für das holografische Material dient, ausfüllen. Der
Phasenschieber kann beispielsweise ausgebildet sein, um Referenz- oder Objektwelle oder sowohl Referenz- als auch Objektwelle mit Beugungswinkeln von größer 2,5° zu erzeugen.
Vorteilhafterweise können durch die drei genannten Punkte Hogel im Bereich zwischen 100 und 200 μηη gedruckt werden, die Ein- und Ausfallswinkel von über +/■ 90°, also über dem Totalreflexionswinkel, erlauben.
Insbesondere können durch eine derartige Belichtungsvorrichtung Referenz- und Objektwelle unabhängig voneinander manipuliert werden.
Durch die optionale Verwendung einer phasenschiebenden Modulatoreinheit mit großem Beugungswinkel in Referenz- und Objektstrahlengang können beispielsweise aus Unterhologrammen zusammengesetzte holografisch-optische Elemente mit vielfältig definierbaren optischen Funktionen erzeugt werden.
Ferner können in Kombination mit der Verkleinerungsoptik holografisch-optische Elemente mit sehr großen Ein- oder Ausfallswinkeln bis hin zu
Wellenleiterstrukturen hergestellt werden - im Gegensatz zu bisherigen holografischen Wellenfrontdruckern, bei denen Ein- und Ausfallswinkel in der Regel stark limitiert sind und der Referenzstrahl meistens eine ebene Welle ist, bei der maximal der Einfallswinkel variiert werden kann.
Ein weiterer Vorteil einer Belichtungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes besteht darin, dass statt rechteckiger Hogel optional gaußförmige Hogel belichtet und miteinander überlagert werden können. Durch die weicheren Übergänge zwischen den einzelnen Hogeln kann eine unter Umständen die Bildqualität beeinträchtigende Gitterstruktur des Hologramms, wie sie insbesondere bei der Verwendung von Rechteckblenden zur
Hogelformung entstehen kann, vermieden oder zumindest stark abgemildert werden. Durch Überlappen der gaußförmigen Hogel kann somit die Bildqualität verbessert werden. Dieser Effekt kann durch einen optionalen Kopierprozess im Nachgang noch weiter optimiert werden.
Zudem ermöglicht eine optionale Ausführungsform des hier vorgestellten
Ansatzes die Aufnahme von Reflexionshologrammen, sofern zwei getrennte Strahlengänge mit je einer Modulationseinheit zur Belichtung verwendet werden. Wird nur ein Strahlengang verwendet, so können Objekt- und Referenzwelle auch nur durch eine Modulationseinheit erzeugt werden. Somit können auch Transmissionshologramme gedruckt werden.
Zusammenfassend bestehen die Vorteile des hier vorgestellten Ansatzes in den sehr großen optischen Winkeln oder Winkelbereichen in Ein- und
Abstrahlrichtung bis über den Totalreflexionswinkel hinaus, in der wählbaren Referenz- und Objektwelle in jedem Hogel durch die mögliche Verwendung eines Phasenmodulators in beiden Teilstrahlen, in der verbesserten Bildqualität durch gaußförmige, überlappende Hogel sowie in der Möglichkeit zur Erzeugung von Reflexions- wie auch Transmissionshologrammen und von holografisch- optischen Elementen mit vielfältig definierbaren optischen Funktionen bis hin zu Ein- und Auskoppelhologrammen für Wellenleiterstrukturen.
Durch den optionalen Einbau zweier CMOS-Kameras in die je einem Teilstrahl eines Laserstrahls zugeordneten Strahlengänge der Belichtungsvorrichtung kann zudem eine genaue und einfache Justage der beiden Teilstrahlen bei gleichzeitiger Optimierung der Belichtungszeit gewährleistet werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Modulationseinheit ausgebildet sein, um die Modulation durch Verschieben einer Phase des Laserstrahls aufzuprägen. Dadurch kann das Hologramm mit möglichst großen Ein- oder Ausfallswinkeln erzeugt werden. Dabei kann die Modulationseinheit als LCoS-Display ausgeführt sein. Dadurch können eine Ausbreitungsrichtung und eine Divergenz des Modulationsstrahls über einen großen Einstellbereich sehr genau geändert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Modulationseinheit eine Pixelstruktur aus Pixeln mit einer Größe von kleiner 4 μηη aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann die Modulationseinheit ausgebildet sein, um den
Modulationsstrahl mit einem Beugungswinkel von größer 2,5 Grad in einen Strahlengang zur Verkleinerungseinheit auszustrahlen. Auch durch diese Ausführungsform können optische Funktionen des Hologramms flexibel definiert und einfach umgesetzt werden.
Es ist vorteilhaft, wenn die Objektiveinheit eine numerische Apertur von größer 1,1 oder, zusätzlich oder alternativ, einen Arbeitsabstand von größer 600 μηη zum Aufnahmematerial aufweist. Dadurch kann das Hologramm mit sehr kleinen Hogeln, insbesondere mit einer Größe von kleiner 400 μηη, aufgenommen werden.
Ebenfalls von Vorteil ist, wenn die Verkleinerungseinheit ausgebildet ist, um den geänderten Modulationsstrahl mit einem Strahldurchmesser zwischen 100 und 200 μηη zu erzeugen. Auch durch diese Ausführungsform kann die Größe der Hogel deutlich reduziert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Verkleinerungseinheit zumindest eine ein erstes Kepler- Fernrohr repräsentierende erste
Abbildungseinheit und eine ein zweites Kepler- Fernrohr repräsentierende zweite Abbildungseinheit aufweisen. Dabei können die erste Abbildungseinheit und die zweite Abbildungseinheit optisch in Reihe geschaltet sein. Unter einem Kepler- Fernrohr kann im Allgemeinen eine Abbildungsoptik aus einer großen, schwach gekrümmten Sammellinse als Objektiv und einer verhältnismäßig kleinen, stärker gekrümmten Sammellinse als Okular verstanden werden. Die beiden
Sammellinsen können beispielsweise einander gegenüberliegend platziert sein. Durch diese Ausführungsform kann der Strahldurchmesser mit geringem technischem Aufwand präzise verkleinert werden. Zudem kann dadurch eine starke Vergrößerung von durch die Modulationseinheit erzeugten Ablenkwinkeln erreicht werden.
Die Belichtungsvorrichtung kann optional zumindest eine Justiereinheit zum Justieren des Modulationsstrahls und/oder des geänderten Modulationsstrahls aufweisen. Insbesondere kann die Justiereinheit als CMOS-Element ausgeführt sein. Dadurch können Belichtungsfehler vermieden werden.
Ferner kann die Belichtungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform eine Verfahreinheit aufweisen, die ausgebildet sein kann, um das
Aufnahmematerial relativ zur Objektiveinheit zu verfahren, um ein sequenzielles Belichten des Aufnahmematerials mit dem geänderten Modulationsstrahl zu ermöglichen. Unter einer Verfahreinheit kann beispielsweise ein verfahrbarer Tisch oder Ähnliches verstanden werden. Dadurch können Hologramme mit in ihren optischen Funktionen voneinander abweichenden Unterhologrammen aufgenommen werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Belichtungsvorrichtung eine weitere Modulationseinheit, eine weitere Verkleinerungseinheit und eine weitere
Objektiveinheit aufweist, wobei die Modulationseinheit, die Verkleinerungseinheit und die Objektiveinheit einem ersten Strahlengang zum Belichten des
Aufnahmematerials zugeordnet sein können und die weitere Modulationseinheit, die weitere Verkleinerungseinheit und die weitere Objektiveinheit einem zweiten Strahlengang zum Belichten des Aufnahmematerials zugeordnet sein können. Die weitere Modulationseinheit kann ausgebildet sein, um durch Aufprägen einer das holografische Element repräsentierenden weiteren Modulation auf einen weiteren Laserstrahl einen weiteren Modulationsstrahl zu erzeugen. Unter einem weiteren Laserstrahl kann beispielsweise ein durch Strahlteilung erzeugter Teilstrahl des Laserstrahls verstanden werden. Dabei kann der Modulationsstrahl den Referenzstrahl repräsentieren und der weitere Modulationsstrahl den
Objektstrahl repräsentieren. Die weitere Verkleinerungseinheit kann ausgebildet sein, um unter Verwendung des weiteren Modulationsstrahls einen weiteren geänderten Modulationsstrahl zu erzeugen. Der weitere geänderte
Modulationsstrahl kann einen kleineren Strahldurchmesser als der weitere Modulationsstrahl aufweisen. Die weitere Objektiveinheit kann ausgebildet sein, um den weiteren geänderten Modulationsstrahl durch ein weiteres
Immersionsmedium hindurch auf das Aufnahmematerial zu lenken und an dem Aufnahmematerial mit dem geänderten Modulationsstrahl zur Interferenz zu bringen, um das Hologramm aufzunehmen. Dadurch können
Reflexionshologramme mittels der Belichtungsvorrichtung erzeugt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Objektiveinheit ausgebildet sein, um den geänderten Modulationsstrahl auf eine erste Seite des
Aufnahmematerials zu lenken. Die weitere Objektiveinheit kann ausgebildet sein, um den weiteren geänderten Modulationsstrahl auf eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite des Aufnahmematerials zu lenken. Dadurch kann das Aufnahmematerial gleichzeitig beidseitig belichtet werden.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft zudem ein Verfahren zum Aufnehmen eines Hologramms mittels einer Belichtungsvorrichtung gemäß einer der vorstehenden
Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Aufprägen der das holografische Element repräsentierenden Modulation auf den Laserstrahl, um den Modulationsstrahl zu erzeugen;
Verringern eines Strahldurchmessers des Modulationsstrahls, um den geänderten Modulationsstrahl zu erzeugen; und
Lenken des geänderten Modulationsstrahls durch das Immersionsmedium hindurch auf das Aufnahmematerial, um das Hologramm aufzunehmen.
Ferner schafft der hier vorgestellte Ansatz ein Verfahren zum Steuern einer Belichtungsvorrichtung gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren zumindest den folgenden Schritt umfasst:
Ausgeben eines Ansteuersignais an eine Schnittstelle zu der Modulationseinheit, um die das holografische Element repräsentierende Modulation auf den
Laserstrahl aufzuprägen. Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware, beispielsweise in einem Steuergerät, implementiert sein. Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in
entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Hierzu kann das Steuergerät zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine
Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine
magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des
Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer großflächigen Aufnahme einer holografischen Linse durch zwei Punktlichtquellen;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer sequenziellen Aufnahme einer holografischen Linse durch zwei Punktlichtquellen;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Belichtungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Wellenleiterstruktur mit zwei
holografisch-optischen Elementen, aufgenommen durch eine
Belichtungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Verkleinerungseinheit gemäß
einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Belichtungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Aufnehmen eines
Hologramms mittels einer Belichtungsvorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
Fig. 8 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern einer
Belichtungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
Fig. 9 einen schematische Darstellung eines Steuergeräts gemäß einem
Ausführungsbeispiel.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren
dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer großflächigen Aufnahme einer holografischen Linse 100 durch zwei Punktlichtquellen 102, 104.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer sequenziellen Aufnahme einer holografischen Linse 200 durch zwei Punktlichtquellen 202, 204. Das in Fig. 2 gezeigte Prinzip der Aufnahme eines Hologramms durch sequenzielle Aufnahme einer Mehrzahl von Unterhologrammen 1, 2 ... n kann beispielsweise durch eine nachfolgend näher beschriebene Belichtungsvorrichtung realisiert werden.
Die Figuren 1 und 2 zeigen einen Vergleich der großflächigen analogen
Aufnahme bei holografisch abbildenden Elementen und der sequenziellen (digitalen) Aufnahme am Beispiel eines holografischen Off- Axis- Parabolspiegels.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Belichtungsvorrichtung 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt ist ein möglicher Aufbau eines die Belichtungsvorrichtung 300 umfassenden optischen Gesamtsystems zur Herstellung eines Hologramms durch Belichten eines fotosensitiven,
holografischen Aufnahmematerials 302, hier eines holografisch-optischen Elements, wobei durchgehende Linien optische Pfade und gepunktete Linien elektrisch leitende Verbindungen repräsentieren. Die Belichtungsvorrichtung 300 umfasst eine Modulationseinheit 304, auch Spatial Light Modulator oder kurz SLM genannt, die ausgebildet ist, um auf einen von einer Laserquelle 306 erzeugten Laserstrahl 308 oder auch auf einen durch Strahlteilung des
Laserstrahls 308 erzeugten Teilstrahl des Laserstrahls 308 eine räumliche Modulation derart aufzuprägen, dass ein durch die räumliche Modulation erzeugter Modulationsstrahl 310 entweder einen Referenzstrahl oder einen Objektstrahl zum Belichten des Aufnahmematerials 302 repräsentiert. Gemäß einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die Modulationseinheit 304 ausgebildet, um den Modulationsstrahl 310 durch Verschieben einer Phase des Laserstrahls 308 bzw. des Teilstrahls des Laserstrahls 308 zu erzeugen.
Die Modulationseinheit 304 strahlt den Modulationsstrahl 310 in einen
Strahlengang zu einer Verkleinerungseinheit 312 aus, die ausgebildet ist, um einen Strahldurchmesser des Modulationsstrahls 310, beispielsweise über zumindest zwei in Reihe geschaltete Sammellinsen 314, 316 oder sonstige geeignete optische Elemente, um einen bestimmten Verkleinerungsfaktor zu verkleinern und einen entsprechend geänderten Modulationsstrahl 318 mit einem im Vergleich zum Modulationsstrahl 310 deutlich verringerten Strahldurchmesser in einen Strahlengang zu einer nachgeschalteten Objektiveinheit 320
auszustrahlen.
Die Objektiveinheit 320 ist als Immersionsobjektiv ausgebildet, um den geänderten Modulationsstrahl 318 unter Verwendung eines geeigneten
Immersionsmediums wie beispielsweise einer Immersionsflüssigkeit oder einem Immersionsgel optisch mit dem Aufnahmematerial 302 zu koppeln. Der geänderte Modulationsstrahl 318 wird somit durch das Immersionsmedium hindurch auf das Aufnahmematerial 302 gelenkt, in das je nach Modulation des geänderten Modulationsstrahls 318 ein entsprechendes Unterhologramm, auch holografisches Element, Voxel oder Hogel genannt, gedruckt wird.
Gemäß dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Laserquelle 306 eine erste Lasererzeugungseinheit 322 zum Erzeugen eines roten
Laserstrahls mit einer Wellenlänge λ = 640 nm, eine zweite
Lasererzeugungseinheit 324 zum Erzeugen eines grünen Laserstrahls mit einer Wellenlänge λ = 515 nm und eine dritte Lasererzeugungseinheit 326 zum
Erzeugen eines blauen Laserstrahls mit einer Wellenlänge λ = 457 nm. Ein hoch reflektiver Spiegel 328 lenkt den roten Laserstrahl zu einem dichroitischen Strahlvereiniger 330, der ausgebildet ist, um den roten Laserstrahl zusammen mit dem grünen Laserstrahl und dem blauen Laserstrahl zu dem Laserstrahl 308 zu kombinieren. In den jeweiligen Strahlengängen der unterschiedlich farbigen
Laserstrahlen bzw. des Laserstrahls 308 angeordnete λ/2-Plättchen sind je mit dem Bezugszeichen 332 gekennzeichnet.
Der Laserstrahl 308 gelangt über einen akustooptischen Filter 334 weiter zu einem Strahlteiler 336, hier einem polarisierenden Strahlteiler, der ausgebildet ist, um den Laserstrahl 308 in einen ersten Teilstrahl 338 und einen zweiten Teilstrahl 340 zu teilen, den ersten Teilstrahl 338 in einen zur Modulationseinheit 304 führenden ersten optischen Pfad zu lenken und den zweiten Teilstrahl 340 in einen zu einer weiteren Modulationseinheit 342 führenden zweiten optischen Pfad zu lenken. Dementsprechend ist die Modulationseinheit 304 ausgebildet, um unter
Verwendung des ersten Teilstrahls 338 den Objektstrahl als den
Modulationsstrahl 310 zu erzeugen, während die weitere Modulationseinheit 342 analog zur Modulationseinheit 304 ausgebildet ist, um unter Verwendung des zweiten Teilstrahls 340 einen den Referenzstrahl repräsentierenden weiteren Modulationsstrahl 344 durch Aufprägen einer entsprechenden räumlichen Modulation auf den zweiten Teilstrahl 340 zu erzeugen. In einem Strahlengang zwischen der weiteren Modulationseinheit 342 und dem
Aufnahmematerial 302 ist analog zum ersten optischen Pfad eine weitere Verkleinerungseinheit 346 zum Erzeugen eines weiteren geänderten
Modulationsstrahls 348 mit einem gegenüber dem weiteren Modulationsstrahl 344 um einen entsprechenden Verkleinerungsfaktor deutlich verringerten Strahldurchmesser angeordnet. Der weiteren Verkleinerungseinheit 346 ist eine weitere Objektiveinheit 350 nachgeschaltet, die ähnlich oder gleich der
Objektiveinheit 320 als Immersionsobjektiv zum Einkoppeln des weiteren geänderten Modulationsstrahls 348 über ein weiteres Immersionsmedium in das Aufnahmematerial 302 ausgeführt ist. Die beiden geänderten
Modulationsstrahlen 318, 348 werden an dem Aufnahmematerial 302 zur
Interferenz gebracht und erzeugen so beispielsweise ein Reflexionshologramm. Insbesondere erfolgt die Aufnahme des Hologramms durch sequenzielles Belichten des Aufnahmematerials 302 zur beispielsweise überlappenden Aufnahme einer Mehrzahl von Unterhologrammen mittels einer hier lediglich schematisch durch einen Doppelpfeil angedeuteten Verfahreinheit 351, etwa eines XY-Verschiebetisches.
Beispielhaft umfasst die in Fig. 3 gezeigte Belichtungsvorrichtung 300 weitere hoch reflektive Spiegel 352, fokussierende Elemente 354, etwa in Form von Linsen, optische Raumfilter 356 sowie eine in einem Strahlengang zwischen der
Verkleinerungseinheit 312 und der Objektiveinheit 320 angeordnete erste Justiereinheit 358 zum Justieren des geänderten Modulationsstrahls 318 und eine in einem Strahlengang zwischen der weiteren Verkleinerungseinheit 346 und der weiteren Objektiveinheit 350 angeordnete zweite Justiereinheit 360 zum Justieren des weiteren geänderten Modulationsstrahls 348. Besonders vorteilhaft ist es, wenn zumindest eine der beiden Justiereinheiten 358, 360 als CMOS- Kamera ausgeführt ist.
Gemäß dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Steuergerät 370 ausgebildet, um die beiden Modulationseinheiten 304, 342 durch Ausgeben eines entsprechenden Ansteuersignais 371 so anzusteuern, dass das
Aufnahmematerial 302 in geeigneter Weise beidseitig belichtet wird. Optional ist das Steuergerät 370 ausgebildet, um abhängig vom Ansteuern der beiden Modulationseinheiten 304, 342 die Verfahreinheit 351 oder auch den akustooptischen Filter 334 anzusteuern, beispielsweise um das
Aufnahmematerial 302 sequenziell zu belichten.
Die in Fig. 3 gezeigte Belichtungsvorrichtung 300 ist beispielsweise als holografischer Wellenfrontdrucker zum sequenziellen Belichten des
Aufnahmematerials 302, etwa einer holografischen Schicht, ausgeführt. Dabei werden die Wellenfronten von Referenz- und Objektwelle durch die
Modulationseinheiten 304, 342 je nach gewünschter optischer Funktion neu angepasst und auf dem Aufnahmematerial 302 überlagert. Durch das optische System einschließlich der Objektiveinheiten 320, 350 sind beispielsweise Verkleinerungen der Strahldurchmesser um den Faktor 60 erreichbar.
Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes anhand von Fig. 3 nochmals mit anderen Worten beschrieben. Die Form von Hogeln wird üblicherweise durch Blenden definiert, die in den
Strahlengang eingebracht sind. Dadurch kann es an den Kanten der Blenden zu Beugungseffekten kommen, die sich bei der Belichtung der Hogel negativ bemerkbar machen können. Zusätzlich bilden harte Übergänge zwischen den einzelnen Rechteckhogeln eine Art Gitterstruktur aus, die beim Betrachten des Hologramms, vor allem bei größeren Hogeln, störend auffallen kann.
Eine Hogelgröße von über 400 μηη ist für Bildhologramme meist ausreichend, um störende Effekte ausreichend zu unterdrücken. Dies liegt vor allem daran, dass Bildhologramme meistens aus einer größeren Distanz betrachtet werden.
Werden solche Hogelgrößen jedoch zur Herstellung holografisch-optischer Elemente für abbildende Anwendungen wie Head-up-Displays oder Datenbrillen verwendet, so können Hogel dieser Größe in Form einer Gitterstruktur als störend wahrgenommen werden. Um die optische Funktion für die einzelnen Hogel zu definieren, wird zumindest der Objektstrahl durch die Modulationseinheit 304 ausgeformt, etwa durch einen Spatial Light Modulator in Form eines LCD- oder LCoS-Displays. Beispielsweise können dazu amplitudenmodulierende LCoS-Displays mit Full-HD- Auflösung und einer Pixelgröße von ca. 8 μηη verwendet werden. Mithilfe der Modulationseinheit 304 wird dann durch Auflegen unterschiedlicher Beugungsmuster der
Objektstrahl manipuliert. Während zur Erzeugung von Stereogrammen die Bildinformation zusammen mit der Abstrahlcharakteristik durch die
Modulationseinheit 304 definiert wird, wird beim Drucken holografisch-optischer Elemente mithilfe der Modulationseinheit 304 eine passende Wellenfront erzeugt. Die Belichtungsvorrichtung 300 kann in diesem Sinn auch als holografischer
Wellenfrontdrucker bezeichnet werden. Durch die Pixelgröße der
Modulationseinheit 304 und damit durch den maximalen Beugungswinkel in die Nutzordnung sowie durch den Verkleinerungsmaßstab, mit dem die
Modulationseinheit 304 auf das Aufnahmematerial 302 abgebildet wird, ist der maximale Bildwinkel des holografisch-optischen Elements bestimmt.
Dazu wird beispielsweise ein Dauerstrich- oder gepulster Laserstrahl 308, monochromatisch oder aus bis zu vier Wellenlängen zusammengesetzt, durch den Strahlteiler 336 auf zwei optische Pfade, einem Objektstrahlpfad und einem Referenzstrahlpfad, aufgeteilt. Beide optischen Pfade können identisch aufgebaut sein. Zur Wellenfrontmodulation sind in beiden Strahlengängen phasenschiebende SLMs, beispielsweise LCoS-Displays mit einer genügend kleinen Pixelstruktur von kleiner 4 μηη, als Modulationseinheiten 304, 342 eingefügt. So können beispielsweise Propagationsrichtung und Divergenz der Teilstrahlen 338, 340 angepasst werden. Beide Teilstrahlen 338, 340 werden dann durch ein optisches System geführt, das je aus zwei Kepler- Teleskopen, auch Kepler- Fernrohr genannt, zusammengesetzt ist und beispielsweise einen Verkleinerungsfaktor von 60 aufweist. Dadurch wird zum einen der
Strahldurchmesser der beiden Teilstrahlen je auf ca. 100 bis 200 μηη reduziert; zum anderen werden die durch die Modulationseinheiten 304, 342 erzeugten Ablenkwinkel stark vergrößert. Eine Veranschaulichung dieser abbildenden Optik ist in Fig. 5 gezeigt.
Die letzte Optik vor dem Aufnahmematerial 302 ist in beiden optischen Pfaden beispielsweise je als hochwertiges Immersionsobjektiv mit kleiner numerischer
Apertur von beispielsweise größer 1,1 bei einem für solche Objektive relativ großen Arbeitsabstand von beispielsweise größer 600 μηη ausgeführt. Durch die Verwendung einer Immersionsflüssigkeit zwischen den Objektiveinheiten 320, 350 und einem Glasträger, auf den das Aufnahmematerial 302 beispielsweise auflaminiert ist, sowie durch die starke Vergrößerung der Ablenkwinkel und durch die numerische Apertur von größer 1,1 können Winkel in das Aufnahmematerial 302 geschrieben werden, die größer als der interne Totalreflexionswinkel bei der Rekonstruktion des holografisch-optischen Elements in Luft sind. Dadurch können beliebige Optiken mit sehr großen Ein- und Ausfallswinkeln sowie Einkoppel- und Auskoppelhologramme für Wellenleiterstrukturen realisiert werden, wie beispielsweise in Fig. 4 gezeigt.
Durch Verwendung beider optischen Pfade können Reflexionshologramme definiert werden. Wird nur einer der beiden optischen Pfade verwendet, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, so können durch Auflegen geeigneter Beugungsmuster auf der Modulationseinheit 304 sowohl die Objektwelle als auch die Referenzwelle erzeugt werden. Dadurch, dass beide Strahlengänge von der gleichen Seite auf das Aufnahmematerial 302 treffen, können Transmissionshologramme erzeugt werden.
Zum Belichten der Hogel werden die beiden Teilstrahlen 338, 340 im
Aufnahmematerial 302 zur Interferenz gebracht. Da die Hogel einen
Durchmesser zwischen 100 und 200 μηη haben, kann bei der Aufnahme von Reflexionshologrammen die Justage sehr aufwendig sein. Durch Einfügen der zwei Justiereinheiten 358, 360, etwa von CMOS-Kameras, in die jeweiligen
Strahlengänge kann die Justage vereinfacht werden. Voraussetzung hierfür ist, dass beide optischen Systeme oder Pfade zueinander identisch sind. Durch einen Strahlteiler werden zum einen Rückreflexe des einen Strahlengangs am Objektiv gelenkt, zum anderen aber auch der durch die beiden identischen optischen Systeme hindurch propagierte Strahl auf eine Justiereinheit gelenkt. Wird auf beiden Modulationseinheiten 304, 342 das gleiche Beugungsmuster angelegt, so sollten sich diese beiden Teilstrahlen auf der Justiereinheit überlagern, um eine gute Überlagerung der beiden Teilstrahlen im
Aufnahmematerial 302 zu erreichen.
Des Weiteren kann beim Aufnehmen der Hologramme eine Belichtungszeit optimiert werden, indem Hogel mit unterschiedlichen Belichtungszeiten aufgenommen werden und anschließend durch den Objektstrahl rekonstruiert werden. Je höher die Beugungseffizienz des Hogels ist, desto mehr Licht erreicht die Justiereinheit beim Rekonstruktionsvorgang. Dieses Vorgehen wird zusätzlich zur Feinjustage verwendet, da bei einem perfekten Überlagern der beiden Strahlengänge im Aufnahmematerial 302 die Effizienz des Hogels zunimmt.
Das Aufnahmematerial 302 wird beispielsweise nach dem Belichten eines Hogels durch einen hochpräzisen XY- Verschiebetisch als Verfahreinheit 351 so verfahren, dass das nächste Hogel belichtet werden kann. Hierbei sollte darauf geachtet werden, dass die Hogel so überlappen, dass eine möglichst homogene Belichtung des Aufnahmematerials 302 gewährleistet ist. Dadurch kann die sichtbare Gitterstruktur, die normalerweise durch das sequenzielle Belichten von äquidistant zueinander verschobenen rechteckigen Hogeln entsteht, vermieden werden.
Da die Hogel sehr klein sind und somit sehr hohe Intensitäten erreicht werden können, ist die Belichtungszeit für ein einzelnes Hogel sehr gering,
beispielsweise maximal 100 ms. Um Vibrationen zu unterdrücken, die das
Interferenzmuster auch während dieser kurzen Belichtungszeit beeinflussen können, ist der XY- Verschiebetisch auf einem massiven Granitunterbau befestigt. Der Granitunterbau steht auf einem vibrationsgedämpften optischen Tisch. Die maximalen Beugungswinkel der Nutzordnung an den Modulationseinheiten lassen sich durch folgende Formel beschreiben, wobei α der Beugungswinkel, λ die Wellenlänge und g die Gitterkonstante ist. λ
sma = ±—
2g Der Faktor 2 im Nenner ergibt sich, da, wie in Fig. 6 zu sehen, die
1. Beugungsordnung so verwendet wird, dass sowohl positive als auch negative
Winkel im Bezug zur optischen Achse erreicht werden können. Der maximale Beugungswinkel wird bei minimaler Gitterkonstante erreicht. Durch die pixelierte Struktur der Modulationseinheiten ist dies dann gegeben, wenn ein Schwarz- Weiß- Muster aufgelegt wird. Die Gitterkonstante ist dann das Doppelte der Pixelstruktur. Um störende Effekte zu reduzieren, die bei zu kleinen
Gitterkonstanten auftreten, sollte man beim Betreiben der Modulationseinheiten jedoch nicht Gitterkonstanten kleiner dem Dreifachen der Pixelstruktur verwenden.
Durch die aplanate Abbildung der Modulationseinheiten auf das
Aufnahmematerial mit dem Abbildungsmaßstab M gilt die Abbe'sche
Sinusbedingung, wobei mit ß der vergrößerte Winkel nach der abbildenden Optik bezeichnet wird: sina = M - sin 3 Für die verkleinernden Abbildungen gilt M < 1, also beispielsweise M = 1/60.
Da ein Immersionsobjektiv mit Immersionsflüssigkeit als Objektiveinheit verwendet wird, sollten die Winkel entsprechend angepasst werden. Die
Immersionsflüssigkeit hat beispielsweise einen Brechungsindex von n « 1,51. Nach dem Sellius'schen Brechungsgesetz gilt also für den Winkel γ in der
Immersionsflüssigkeit bzw. im holografischen Material: sin 3 = « - sin/ Zusammengesetzt bedeutet dies:
_λ_
sm y = ±— 2g—
n -M
Für n « 1,51, M = 1/60, λ = 457 nm und g = 12 μηη ergibt sich: γ = 49,2° > 42° = TI R Luft/Glas (TI R = Total Internal Reflection)
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Wellenleiterstruktur 400 mit zwei holografisch-optischen Elementen 302, aufgenommen unter Verwendung einer Belichtungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa der
vorangehend anhand von Fig. 3 beschriebenen Belichtungsvorrichtung. Die Wellenleiterstruktur 400 ist beispielsweise aus Glas gefertigt und von Luft umgeben. Ein Strahlengang durch die Wellenleiterstruktur 400 ist mit einer Mehrzahl von Pfeilen angedeutet. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, können durch Definition der holografisch-optischen Elemente 302 mit einem Winkel oberhalb eines Winkels der internen Totalreflexion Ein- und Auskoppelelemente für Wellenleiterstrukturen mittels der Belichtungsvorrichtung erzeugt werden. Dies ist beispielsweise aufgrund einer besonders kleinen Pixelstruktur der
Modulationseinheit und einer numerischen Apertur von größer 1,1 der
Objektiveinheit in Verbindung mit einer geeigneten Immersionslösung zwischen der Objektiveinheit und dem Aufnahmematerial bzw. zwischen der
Objektiveinheit und einem (Glas-)Träger zum Halten des Aufnahmematerials möglich.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Verkleinerungseinheit 312 gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa einer vorangehend anhand von Fig. 3 beschriebenen Verkleinerungseinheit. Die Verkleinerungseinheit 312 umfasst die erste Sammellinse 314, die zweite Sammellinse 316 sowie eine dritte
Sammellinse 500 und eine vierte Sammellinse 502, wobei die erste Sammellinse 314 und die zweite Sammellinse 316 als ein erstes Kepler- Fernrohr 504 fungieren und die dritte Sammellinse 500 und die vierte Sammellinse 502 als ein zweites Kepler- Fernrohr 506 fungieren. Beispielhaft sind die vier Sammellinsen 314, 316, 500, 502 seriell hintereinander angeordnet.
Gezeigt sind ebene Wellen mit unterschiedlichen Ablenkwinkeln, eingestellt an der Modulationseinheit 304. Über die zwei Kepler-Fernrohre 504, 506 wird der Strahldurchmesser der ebenen Welle verringert und gleichzeitig ein
Einfallswinkel auf das Aufnahmematerial 302 stark vergrößert. In der Fourierebene des ersten Kepler- Fernrohrs 504 kann zusätzlich eine räumliche Filterung höherer Beugungsordnungen vorgenommen werden.
Beispielsweise werden in der Fourierebene des ersten Kepler- Fernrohrs 504, das beispielsweise einen Verkleinerungsfaktor von 2 bis 4 besitzt, die nullte und höhere Ordnungen gefiltert, sodass nur die Nutzordnung, d. h. die erste
Beugungsordnung der Modulationseinheit 304, den Filter passiert.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Belichtungsvorrichtung 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die in Fig. 6 gezeigte Belichtungsvorrichtung
300 entspricht im Wesentlichen der vorangehend anhand von Fig. 3
beschriebenen Belichtungsvorrichtung, mit dem Unterschied, dass die
Belichtungsvorrichtung 300 gemäß diesem Ausführungsbeispiel lediglich den ersten optischen Pfad mit der Modulationseinheit 304, der Verkleinerungseinheit 312 und der Objektiveinheit 320 aufweist. Angedeutet ist ferner eine
Fourierebene 600. Dabei sind mittels der Modulationseinheit 304 zwei unabhängig voneinander programmierbare Nutzordnungen in einem
Winkelbereich +/" α erzeugbar, auch Beam Splitting genannt. Ein Strahlengang einer 0. Ordnung ist mit dem Bezugszeichen 602 markiert, ein Strahlengang einer -1. Ordnung ist mit dem Bezugszeichen 604 markiert.
Die mithilfe der Modulationseinheit 304 voneinander unabhängig erzeugten Modulationsstrahlen 310 dienen bei der Aufnahme des Hologramms als
Referenz- oder Objektwelle. Somit kann die Belichtungsvorrichtung 300 als holografischer Wellenfrontdrucker zur Erzeugung von
Transmissionshologrammen realisiert werden.
Fig. 7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zum Aufnehmen eines Hologramms mittels einer Belichtungsvorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel, etwa einer vorangehend anhand der Figuren 3 bis 6 beschriebenen Belichtungsvorrichtung. Dabei wird in einem ersten Schritt 710 die das holografische Element repräsentierende räumliche Modulation auf den Laserstrahl aufgeprägt, um den Modulationsstrahl zu erzeugen, entweder in Form einer Referenzwelle oder einer Objektwelle. In einem zweiten Schritt 720 wird der Strahldurchmesser des Modulationsstrahls deutlich verringert. Der dabei erzeugte geänderte Modulationsstrahl wird in einem dritten Schritt 730 durch das Immersionsmedium der Objektiveinheit hindurch auf das holografische
Aufnahmematerial gelenkt, um dieses zur Erzeugung des Hologramms oder zumindest eines Unterhologramms des Hologramms in entsprechender Weise zu belichten.
Fig. 8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 800 zum Steuern einer Belichtungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa einer vorangehend anhand der Figuren 3 bis 7 beschriebenen Belichtungsvorrichtung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 800 einen optionalen Schritt 810 des Aktivierens der Laserquelle. In einem weiteren Schritt 820 wird ansprechend auf das Aktivieren das Ansteuersignal erzeugt und an eine
Schnittstelle zur Modulationseinheit der Belichtungsvorrichtung ausgegeben, um den Laserstrahl beispielsweise durch entsprechendes Einstellen einer
Pixelstruktur der Modulationseinheit in geeigneter Weise zu modulieren.
Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung eines Steuergeräts 370 gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa eines vorangehend anhand von Fig. 3 beschriebenen Steuergeräts. Das Steuergerät 370 umfasst eine Ausgabeeinheit 910 zum Ausgeben des Ansteuersignais 371 zum Ansteuern der Modulationseinheit oder mehrerer Modulationseinheiten oder auch sonstiger im Zusammenhang mit der Erzeugung des Hologramms steuerbarer Elemente der Belichtungsvorrichtung.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder"- Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Ansprüche
1. Belichtungsvorrichtung (300) zum Aufnehmen eines Hologramms, wobei die Belichtungsvorrichtung (300) folgende Merkmale aufweist: zumindest eine Modulationseinheit (304), die ausgebildet ist, um durch Aufprägen einer zumindest ein holografisches Element des Hologramms repräsentierenden Modulation auf einen Laserstrahl (308, 338) einen einen Referenzstrahl und/oder einen Objektstrahl repräsentierenden Modulationsstrahl (310) zu erzeugen; zumindest eine Verkleinerungseinheit (312), die ausgebildet ist, um unter Verwendung des Modulationsstrahls (310) einen geänderten Modulationsstrahl (318) zu erzeugen, wobei der geänderte
Modulationsstrahl (318) einen kleineren Strahldurchmesser als der Modulationsstrahl (310) aufweist; und zumindest eine Objektiveinheit (320), die ausgebildet ist, um den geänderten Modulationsstrahl (318) durch ein Immersionsmedium hindurch auf ein Aufnahmematerial (302) zu lenken, um das Hologramm durch Belichten des Aufnahmematerials (302) mit dem geänderten Modulationsstrahl (318) aufzunehmen.
2. Belichtungsvorrichtung (300) gemäß Anspruch 1, bei der die
Modulationseinheit (304) ausgebildet ist, um die Modulation durch Verschieben einer Phase des Laserstrahls (308, 338) aufzuprägen.
3. Belichtungsvorrichtung (300) gemäß einem der vorangegangenen
Ansprüche, bei der die Modulationseinheit (304) als LCoS-Display ausgeführt ist. Belichtungsvorrichtung (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Modulationseinheit (304) eine Pixelstruktur aus Pixeln mit einer Größe von kleiner 4 μηη aufweist und/oder ausgebildet ist, um den Modulationsstrahl (310) mit einem Beugungswinkel von größer 2,5 Grad in einen Strahlengang zur Verkleinerungseinheit (312) auszustrahlen.
Belichtungsvorrichtung (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Objektiveinheit (320) eine numerische Apertur von größer 1,1 und/oder einen Arbeitsabstand von größer 600 μηη zum Aufnahmematerial (302) aufweist.
Belichtungsvorrichtung (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Verkleinerungseinheit (312) ausgebildet ist, um einen Strahl mit einem Strahldurchmesser zwischen 100 und 200 μηη als den geänderten Modulationsstrahl (318) zu erzeugen.
Belichtungsvorrichtung (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Verkleinerungseinheit (312) zumindest eine ein erstes Kepler- Fernrohr (504) repräsentierende erste
Abbildungseinheit (314, 316) und eine ein zweites Kepler- Fernrohr (506) repräsentierende zweite Abbildungseinheit (500, 502) aufweist, wobei die erste Abbildungseinheit (314, 316) und die zweite
Abbildungseinheit (500, 502) optisch in Reihe geschaltet sind.
Belichtungsvorrichtung (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit zumindest einer Justiereinheit (358) zum Justieren des Modulationsstrahls (310) und/oder des geänderten
Modulationsstrahls (318), insbesondere wobei die Justiereinheit (358) als CMOS- Element ausgeführt ist.
Belichtungsvorrichtung (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer Verfahreinheit (351), die ausgebildet ist, um das Aufnahmematerial (302) relativ zur Objektiveinheit (320) zu verfahren, um ein sequenzielles Belichten des Aufnahmematerials (302) mit dem geänderten Modulationsstrahl (318) zu ermöglichen.
Belichtungsvorrichtung (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer weiteren Modulationseinheit (342), einer weiteren Verkleinerungseinheit (346) und einer weiteren Objektiveinheit (350), wobei die weitere Modulationseinheit (342) ausgebildet ist, um durch Aufprägen einer das holografische Element repräsentierenden weiteren Modulation auf einen weiteren Laserstrahl (340) einen weiteren
Modulationsstrahl (344) zu erzeugen, wobei der Modulationsstrahl (310) den Referenzstrahl repräsentiert und der weitere Modulationsstrahl (344) den Objektstrahl repräsentiert, wobei die weitere
Verkleinerungseinheit (346) ausgebildet ist, um unter Verwendung des weiteren Modulationsstrahls (344) einen weiteren geänderten
Modulationsstrahl (348) zu erzeugen, wobei der weitere geänderte Modulationsstrahl (348) einen kleineren Strahldurchmesser als der weitere Modulationsstrahl (344) aufweist, wobei die weitere
Objektiveinheit (350) ausgebildet ist, um den weiteren geänderten Modulationsstrahl (348) durch ein weiteres Immersionsmedium hindurch auf das Aufnahmematerial (302) zu lenken und an dem
Aufnahmematerial (302) mit dem geänderten Modulationsstrahl (318) zur Interferenz zu bringen, um das Hologramm aufzunehmen.
Belichtungsvorrichtung (300) gemäß Anspruch 10, bei der die
Objektiveinheit (320) ausgebildet ist, um den geänderten
Modulationsstrahl (318) auf eine erste Seite des
Aufnahmematerials (302) zu lenken, und die weitere
Objektiveinheit (350) ausgebildet ist, um den weiteren geänderten Modulationsstrahl (348) auf eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite des Aufnahmematerials (302) zu lenken.
Verfahren (700) zum Aufnehmen eines Hologramms mittels einer Belichtungsvorrichtung (300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Verfahren (700) folgende Schritte umfasst: Aufprägen (710) der das holografische Element repräsentierenden Modulation auf den Laserstrahl (308, 338), um den
Modulationsstrahl (310) zu erzeugen;
Verringern (720) eines Strahldurchmessers des
Modulationsstrahls (310), um den geänderten Modulationsstrahl (318) zu erzeugen; und
Lenken (730) des geänderten Modulationsstrahls (318) durch das Immersionsmedium hindurch auf das Aufnahmematerial (302), um das Hologramm aufzunehmen.
Verfahren (800) zum Steuern einer Belichtungsvorrichtung (300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Verfahren (800) zumindest den folgenden Schritt umfasst:
Ausgeben (820) eines Ansteuersignais (371) an eine Schnittstelle zu der Modulationseinheit (304), um die das holografische Element
repräsentierende Modulation auf den Laserstrahl (308, 338)
aufzuprägen.
Steuergerät (370) mit einer Einheit (910), die ausgebildet ist, um das Verfahren (800) gemäß Anspruch 13 auszuführen und/oder
anzusteuern.
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