DE2152754C3 - Verfahren zur Erzeugung eines Durchsichtshologramms - Google Patents

Description

— cos

(1 + cos

genügen, »dn Θι den Beugungswinkel des Relief-Rcfiexions-Blaze-Hologramms und Θ; den Beugungswinkel des Durchsichts-Blaze-Hologramms bedeuteL

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abguß oder Abdruck von dem Relief-Reflexions-BIaze-Hologramm auf einer Unterlage aus einem Material hergestellt wird, dessen Abmessungen isotrop änderbar sind, daß die Unterlage derart behandelt wird, daß die Abmessungen um einen Faktor M geändert werden und daß von der so brh&ndelten Unterlage ein Abdruck oder Abguß auf einer weiteren Unterlage aus einem Material mit dem Brechungoindex μ₂ hergestellt wird, wobei zur Herstellung eines Durchsichts-BIaze-Hohogramms der Faktor M, .-er Brechungsindex μ₂ und/oder die Reproduktionslichtwellenlänge I₁ für das Durchsichts-BIaze-Hologramm so gewählt sind, daß sie der Beziehung

M{n₂ - cos (-I₁) (I +cos H₁)

genügen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage zur isotropen Änderung ihrer Abmessungen mit Dampf einer aktivierenden Flüssigkeit, mit einer aktivierenden Strahlung und/oder einer aktivierenden Flüssigkeit behandelt wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Durchsichtshologramms.

Bei der Holografie wird durch ein besonderes Belichtungsverfahren auf einer lichtempfindlichen Schicht, beispielsweise auf einem fotografischen Film, ein Interferenzmuster aufgezeichnet. Bei erneuter Beleuchtung des Interferenzmusters mit einer zu der Erzeugungslichtwellenlänge gleichen Lichtweilenlänge wird dem Betrachter ein dreidimensionales Bild reproduziert. Ein Hologramm kann beispielsweise durch Einwirkung der Strahlung eines Lasers oder eitier monochromatischen Lichtquelle auf ein zu holografierendes Objekt und durch Erzeugung eines davon abgetrennten Teils der Strahlung, der als Bezügsstrahl bezeichnet wird, durch verschiedene Spiegel und/oder Linsenanordnungen gebildet werden. Als Bezugsstrahl kann jedoch auch ein separater Strahl vorgesehen sein, der mit dem Beleuchtungsstrahl des Objekts kohärent ist. Der Aufzeichnungsträger, normalerweise ein fotografischer Film, wird so angeordnet, daß er den vom Objekt modulierten Strahl und den Etezugsstrah! empfängt. Auf dem Aufzeichnungsträger wird sodann das stationäre Interferenzmuster zwischen den beiden

ίο Feldern der beiden Strahlen aufgezeichnet. Zur Rekonstruktion des Bildes des Objektes wird ein Strahl ähnlich dem Bezugsstrahl in geeigneter Weise auf das aufgezeichnete Interferenzmuster, das sogenannte Hologramm, gerichtet

Die meisten bekannten Hologramme werden derart Hergestellt, daß der Objektstrahl und der Bezugsstrahl von ein und derselben Seite her auf cien Aufzeichnungsträger gelichtet werden. Ein Hologramm, das dadurch hergestellt wird, daß der mit dem Objekt modulierte

la Strahl und der Bezugsstrahl von den einander gegenüberliegenden Seiten des Aufzeichnungsträgers her eingestrahlt werden, wurde erstmals von D e η i s y uk in Soviet Physics-Doklady, Nr. 7, Seite 543, 1962 beschrieben. Ein auf diese Weise erzeugtes Hologramm besteht aus aufgezeichneten Interferenzmustern, die nahezu parallele Flächen sind und einen Abstand von ungefähr einer halben Lichtwellenlänge haben. Sie verlaufen nahezu parallel zu den Oberflächen der lichtempfindlichen Schicht. Die Wellenfronten, von

jo denen ein Bild des holografierten Objektes erzeugt werden kann, werden rekonstruiert, indem ein Beleuchtungsstrahl ähnlich dem Bezugsstrahl durch das Hologramm geleitet wird. In der britischen Patentschrift 12 31938 ist ein verbessertes Verfahren dieser Art

i") beschrieben, bei dem ein fotohärtbarer Aufzeichnungsträger verwendet wird und ein stehendes optisches Wellenfeld in und auf diesem Aufzeichnungsträger abgebildet wird. Die Entwicklung des bestrahlten Aufzeichnungsträgers erfolgt derart, daß entweder die bestrahlten oder die nicht bestrahl,· -n Bereiche aufgelöst werden, was von der Art des jeweils verwendeten fotohärtbaren Materials abhängt, um auf diese Weise ein Relief-Blaze-Hologramm herzustellen.

Aus der DE-OS 19 24 695 ist auch bereits ein

■r> holografisches Abbildungsverfahren bekanntgeworden, bei dem bei der Herstellung des Hologramms der durch das Objekt modulierte Strahl und der Bezugsstrahl voneinander entgegengesetzten Seiten eines Aufzeichnungsträgers eingestrahlt werden. Das zu ierende Bild

jo wird sodann dadurch erzeugt, daß der Reproduktionsstrahl unter demselben Winkel wie der Bezugsstrahl auf das Hologramm eingestrahlt wird und das Bild durch Reflexon des Reproduktionsstrahls an dem Hologramm erzeugt wird.

'» Sogenannte Reflexions-Blaze-Hologramme mit besonderer Konzentration der Lichtintensität auf eine bestimmte Beugungsordnung werden dann erhalten, wenn die Richtung des an dem Hologramm reflektierten Strahl? mit der Richtung einer bestimmten Beugungs-

bo Ordnung, zumeist die erste Beugiingsordnung. zusammenfällt. Zur Erhöhung der Reflexionseigenschaft eines Hologramms wird dieses meist mit zusätzlich einem stark reflektierenden Material beschichtet. Ein Reflexions-Blaze^Hologramm ergibt eine Optimale Bildre* konstruktion, jedoch lediglich in der Reflexion, Vielfach ist es jedoch wünschenswert ein solches Hologramm auch in Durchsicht zu rekonstruieren, Bei einem Reflexions-Blaze-Hologramm, bei dem bei einer Repro-

duktion in Reflexion praktisch die gesamte Lichtenergie in eine bestimmte Beugungsordnung fällt, wenn es mit einer Strahlung vorbestimmter Wellenlänge rekonstruiert wird, wird jedoch die Lichtintensität bei Rekonstruktion des Hologramms in Durchsicht mit einem Reproduktionsstrahl derselben Länge nahezu symmetrisch auf verschiedene Beugungsordnungen aufgeteilt. Dadurch wird die Lichtintensität, die für ein einzelnes Bild einer bestimmten Beugiingsordnung zur Verfügung steht, wesentlich durch die über der Lichtintensität herabgesetzt, die für das Bild einer vorbestimmten Beugungsordnung bei der Reproduktion in Reflexion erhalten wird. Weiterhin treten bei der Reproduktion eines Reflexions- Blaze-Hologramms in Durchsicht Verzerrungen auf. Das hai dazu geführt, daß Reflexions-Blaze-Hologramme bisher lediglich für eine Reproduktion in Reflexion geeignet angesehen wurden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein als Reflexions-Blaze-Hologramm hergestelltes HoIo gramm unter Wahrung der Blazebedingungen in Durchstrahlung wiedergegeben werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dad'-rch gelöst, daß auf einer ersten Unterlage in an sich bekannter Weise ein Relief-Reflexions-Blaze-Hologramm für eine Reproduktionslichtwellenlänge Ai ausgebildet wird und daß von diesem Relief-Reflexions-Blaze-Hologramm zur Erzeugung eines Durchsichts-Blaze-Hologramms ein Abguß oder Abdruck auf einer Unterlage aus einem Material mit einem Brechungsindex μ₂ hergestellt wird, wobei der Brechungsindex μ2 und/oder die Reproduktionslichtwellenlänge λ₂ für das Durchsichts-Blaze-Hologramm so gewählt sind, daß sie der Beziehung

/ι - COS ι

(I + cos w,)

genügen, worin Θι den Beugungswinkel des Relief-Refiexions-BIaze-Hologramms und 02 der Beugungswinkel des Durchsichts-Blaze-Hologramms bedeutet.

Unter »Purchsichts-Blaze-Hologramm« wird hierbei ein Hologramm verstanden, bei dem der Brechungswinkel des durch das Hologramm hindurchgehenden Reproduktionsstrahls gleich dem Beugungswinkel einer vorbestimmten Ordnung ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es möglich. SOm Reflexions-Blaze-Hv. logramm optimale Bilder auch in Durchsicht zu reproduzieren.

Gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren derart abgewandelt, daß der Abguß oder Abdrurk von dem Relief-Reflexions-Blaze-Ilologramm auf einer Unterlage aus einem Material f ergestellt wird, dessen Abmessungen isotrop änderbar sind, daß die Unterlage derart behandelt wird, daß die Abmessungen um einen Faktor M geändert werden und daß von der so behandelten Unterlage ein Abdruck oder Abguß auf einer weiteren Unterlage aus einem Mater:,,1 mit dem Brechungsindex μ_; hergestellt wird, wobei zur Herstellung eines Durchsichts-Blaze Hologramms der Faktor M, der Brechungsindex \ι₂ und/oder die Reproduktionslichtwellenlänge λ; für das Durchsichts-BIaze-Hologramm so gewählt sind, daß sie der Beziehung

— ^cos

(I + cos W,)

genügen.

Dadurch wird erreicht, daß Materialien mit einem Brechungsindex bzw. Reproduktionslichtwellenlängen verwandt werden können, die nicht wesentlich von dem Brechungsindex der ersten Unterlage des Relief-Reflexions-Blaze-Hulogramms bzw. von der Reproduktionslichtwellenlänge des Relief-Reflexions-BIaze-Hologramms abweichen.

Im folgenden soll die Erfindung näher anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. In der Zeichnung zeigt

Fig. IA das Prinzip der Wiedergabe eines Reflexions-Hologramms und

F i g. 1B die Reproduktionsbedingungen eines nach der Erfindung hergestellten Durchsichts-Hologramms.

Wie vorstehend bereits beschrieben wurde, führte D e η i s y u k das Konzept eines Hologramms ein, welches durch Bestrahlung einer dicken fotografischen Emulsion mit einem stehenden optischen Wellenfeld gebildet wird. Das stehende Wellenfeld wurde erzeugt, indem das an einem Objekt reflektierte Licht zur Interferenz mit einem Bezugsstrahl ^bracht wurde, der von der entgegengesetzten Seite des Aufzeichnungsträgers eingestrahlt wurde. Die fotografische Emulsion zeichnete die den Schwingungsbäuchen entsprechenden Flächen des Wellenfeldes als Silberablage.singen innerhalb der Emulsion auf. Diese Silbeiablagerungen dienteii als Reflexionsflächen zur Rekonstruktion des Objektwellenfeldes.

In Applied Physics Letters. Vol. 12. Nr. 9, 1. Mai 1968. Seiten 31b bis 318 ist ausgeführt daß einander benachbarte stehende Wellenfronten einen Abstand von ungefähr einer halben Wellenlänge und nahezu identische Form haben. Durch die stehenden Wellenfronten wird in der dünnen Aufzeichnungsschicht des Aufzeichnungsträgers praktisch ein Reflexionsgitter geschaffen. Ein derartiges Hologramm ist in der Tat ein Blaze-Hologramm und reflektiert ähnlich wie ein Beugungsgitter, eine maximale Lichtmenge in eine einzige Beugungsordnung. Die Form seiner Oberflächenvertiefungen entspricht Schnitten der stehenden Wellenflächen, wie es schematisch in der britischen Patentschrift 12 31938 dargestellt ist. Dort ist auch ausgeführt, daß Blaze-Hologramme durch Bestrahlung einer dünnen Fotoresistschicht mit hoher Auflösung auf Glasunterlage hergestellt werden können. Der Entwicklungsvorgang für Fotoresistmaterialien .-rfolgt nvit einer Entwicklungsflüssigkeit, die entweder die bestrahlten oder die nicht bestrahlten Bereiche auflöst, was von der Art des jeweils verwendeten Fotoresistmaterials abhängt. Folglich werden nur die stehenden Wellenflächen in der äußeren Schicht mit einer Dicke entsprechend einer halben Wellenlänge des Fotoresistmaterials herausgelöst. Das Herauslösen bis zu einer größertn Tiefe wird durch die Unlöslichkeit der bereits licrausgelösten stehenden Wellenflächen verhindert.

In dieser Patentschrift ist ferner ausgeführt, daß die mit einem kollimierten Stall! reproduzierten Hologramme bei Beschichtung mit Aluminium oder einem anderen geeigneten reflexionsfähigen Metall ein ähnliches Verhalten -'ie gute Beugungsgitter haben. Bei Verwendung von Licht mit einer Wellenlänge von 4880 Angström-Einheken (wie es bei der Belichtung verwendet wird) beugen diese Gitter zumindest 73% des reflektierten Lichtes in die +I-te Ordnung, 26% in die O-te Ordnung und weniger als 1% in die -1-te Ordnung. Da die Flächen eir.en Abstand von ungefähr einer halben Wellenlänge haben, erfährt eine an einer solchen Fläche reflektierten Wellenfront Zwischen einander

benachbarten Wellenflächen abrupte Phasehänderungen von einer Wellenlänge zusätzlich zu der durch die Flächen selbst eingeführten Phasen, Auf diese Weise addieren sich die Wirkungen aller Flächensegmente der Aufzeichnungsschicht in Phase und erzeugen ein Bild.

Das durch ein unbeschichtetes, im Gegensatz zu einem z. B. mit Aluminium beschichteten, Hologramm hindurchgeleitete Licht kann eine Phasenänderung von einer Wellenlänge zwischen einander benachbarten Wellenflächen in der Aufzeichnungsschicht erfahren. Wenn dies der Fall ist, addieren sich die Lichtanteile von allen Wellenflächen in der Aufzeichnungsschicht in Phase und erzeugen ein Bild, wodurch ein Durchsichtshologramm erzeugt wird.

In Fig. IA fällt Licht einer kohärenten Lichtquelle mit einer Wellenlänge λι auf die transparente Unterlage 10 auf, auf der ein Relief-Hologramm 12 ausgebildet worden ist. Diese Unterlage hat einen Brechungsindex

A ftnr—ttr*r

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gezeigten Hologramms tritt der größte Teil des gebeugten Lichtes in der +1-ten Ordnung auf. Zur Erzielung eines maximalen Wirkungsgrades mit einem derartigen Reflexions-Hologramm ist es vorteilhaft, den Beugungswinkel mit dem Reflexionswinkel an den Facetten der Hologrammfläche zusammenfallenzulassen. Man erhält in diesem Falle ein sogenanntes Reflexions-Blaze-Hologramm. Für den Fall einer Verwendung eines Reflexions-Blaze-Hologramms als Durchsichts-Hologramm werden jedoch die Phasenänderungen beachtlich verzerrt, wodurch unter anderem die Energie des durchgelassenen Lichtes ziemlich symmetrisch auf die Bilder aus verschiedenen Beugungsordnungen aufgeteilt wird.

Um bei einem Durchsichts-Hologramm eine optimale Wirkung zu erhalten, ist es vorteilhaft, den Beugungswinkel (gemessen in bezug auf die Hologrammebene) mit dem Brechungswinkel an den Facetten der Relief-Hologrammfläche zusammenfallen zu lassen. Man erhält in diesem Fall ein sogenanntes Durchsichts-Blaze-Hologramm. Um somit aus einem ursprünglichen Reflexions-Blaze-Hologramm ein Durchsichts-Blaze-Hologramm zu erhalten, wird deshalb die Reflexionsfläche auf die Oberfläche eines Materials mit einem höheren Brechungsindex durch Abguß oder Abdruck kopien und zur Rekonstruktion des so erhaltenen Durchsichts-Hologramms eine kürzere Lichtwellenlänge verwandt. Allgemein kann somit ein Reflexions-Blaze-Hologramm mit einer Blaze-Wellenlänge von λ\ und einem Beugungswinkel von Θι dadurch in ein Durchsichts-Blaze-Hologramm mit einer Blaze-Wellenlänge λι und einem Be»gungswinkel Θ₂ umgewandelt werden, daß die Oberfläche des Reflexions-Blaze-Hologramms auf die Oberfläche eines Materials mit dem Brechungsindex μ₂ kopien wird und die einzelnen Parameter nach der folgenden Beziehung gewählt werden:

H₂ — COS f-)₂

/ι

1 + cos

Bilder von Reflexions-Blaze-Hologrammen können dadurch rekonstruiert werden, daß entweder Licht von der Luftseite oder von der Unterlagenseite reflektiert wird. Da die Wellenlänge in Luft langer als in dem Material der Unterlage ist, wird die maximale Intensität in den beiden Fällen für verschiedene Wellenlängen erzielt Um das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip auf die einfachste Weise darzustellen, wird bei der obigen Gleichung und den folgenden Gleichungen angenommen, daß das Bild dadurch rekonstruiert wird, daß Licht von der Luftseite her an der entwickelten Fläche reflektiert wird, wo der Brechungsindex 1 ist.

Fig. IB zeigt die Verhältnisse bei einem Durchsichts-ϊ Blaze-Hologramm, welches aus einem Reflexions-Blaze-Hologramm gebildet wurde. Um die Blazebedingung zu erfüllen, wird auf die Unterlage iOA und mit dem Brechungsindex μ2 kohärentes Licht einer zweiten Wellenlänge A₂ eingestrahlt. Damit das von der

1» Oberfläche 12/4 erzeugte Bild zum größten Teil in der + 1-ten Ordnung erscheint, muß der Winkel Θ zwischen der 0-ten Ordnung und der + Ilen Ordnung mit dem Brechungswinkel des Lichtes der Wellenlänge A₂ in Bezug auf die Normale zur Hologrammfläche iiberein-

i) stimmen. Für eine gegebene Wellenlänge A₂ ist dies nur dann der Fall, wenn die Originalunterlage auf eine Unterlage mit einem ausreichend hohen Brechungsindex μ₂ kopiert worden ist.

Pjr> ,„_e|;_e:-_ss Verfahren /ur Hcrsleüur," eine Durchsichts-Blaze-Hologramms besteht darin, ein Reflexions-Blaze-Hologramm der in Fig. IA gezeigten Art auf die Oberfläche eines Materials zu kopieren, welches eine isotrope Änderung seiner Abmessungen ermöglicht. Eine solche isotrope Änderung ihrer Abmessungen, d. h. eine Ausdehnung oder Schrumpfung, zeigen zahlreiche Stoffe, wenn sie gewissen Dämpfen oder Strahlungen ausgesetzt oder in gewisse Flüssigkeiten eingetaucht werden. Wenn die gewünschte Änderung der Abmessungen erreicht ist, kann sodann

jo die Oberfläche des Materials, dessen Abmessungen isotrop geändert wurden, nochmals auf die Oberfläche eines geeigneten transparentem Materials mit einem geeigneten Brechungsindex kopiert werden. Auf diese Weise kann man Durchsichts-Blaze-Hologramme mit

j5 einer maximalen Lichtintensität für beliebige Wellenlängen erhalten. Unter der Annahme eines senkrechten Lichteinfalls kann ein Reflexions-Blaze-Hologramm z. B. mit einer Blaze-Wellenlänge Ai und einem Beugungswinkel Θι auf die Oberfläche eines ausdeh-

Ai) nungsfähigen Materials kopiert werden. Dieses Material kann sodann um einen Faktor M gedehnt oder geschrumpft werden, und diese Fläche kann sodann auch auf die Oberfläche eines Materials mit dem Brechungsindex μ₂ kopiert werden. Die Blaze-Wellenlänge dieses Durchsichts-Blaze-Hologramms ist dann A₂ und der Beugungswinkel ist Θ₂. Im einzelnen kann jeweils eine der Größen M, A₂, μ₂ bei beliebiger Wahl der beiden übrigen Größen bestimmt werden aus der Gleichung:

/J
- cos f-)₂)

'■I

1 + cos (-)_t

Man erhält also ein Durchsichts-Hologramm mit derselben Information wie das anfängliche Reflexions-Hologramm. Das neue Hologramm kann jedoch mittels Durchleuchtung mit möglicherweise unterschiedlichen Wellenlänge rekonstruiert werden. Wie oben bereits ausgeführt wurde, ist die Rekonstruktion eines Reflebo xions-Hologramms für eine vorgegebene Rekonstruktions-Wellenlänge nicht effektiv, wenn ein solches Ketlexions-Hologramm in Durchsicht unter Ausnutzung der Brechungseigenschaft des Hologramms rekonstruiert wird. Andererseits ist die Rekonstruktion eines Durchsichts-Hologramms unter Verwendung der Reflexions-Eigenschaft des Hologramms ungeeignet

Das sich isotrop ausdehnende oder zusammenziehende Material kann beispielsweise ein Kautschuk sein.

Solche Stoffe werden mit Erfolg zum Kopieren von Relief^Hologrammen angewendet. Es hat sich gezeigt, daß diese Materialien sich isotrop ausdehnen und dabei eine höhe Wiedergabegenauigkeit zeigen, wenn sie in Flüssigkeiten wie Tetrachlorkohlenstoff eingetaucht werden. Ein derartiges Material kann beispielsweise ein Kautschuk sein. Solche Stoffe werden mit Erfolg zum Kopieren von Relief-Hologrammen angewendet. Es hat sich gezeigt, daß diese Materialien sich isotrop ausdehnen und dabei eine hohe Wiedergabegenauigkeit zeigen, wenn sie in Flüssigkeiten wie Tetrachlorkohlenstoff eingetaucht werden. Ein derartiges Material kann mithin mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens derart genutzt werden', daß zunächst ein Relief-Hoibgramm auf seine Oberfläche

IO kopiert wird, in dem der nicht ausgehärtete Kautschuk über die Hofogrammoberfiäche fließengelassen wird. Der ausgehärtete Kautschuk wird sodann abgelöst und in ein Lösungsmittel wie z. B, Tetrachlorkohlenstoff eingetaucht. Nach einer Vorbestimmten Zeit, die Zur Verwirklichung der gewünschten Ausdehnung aus' reicht, wird die Hologrammoberfläche nochmals auf eine weitere Unterlage umkopiert. Zur Herstellung eines Durchsichts-Hologramms wird vorher der Brechungsindex der neuen Unterlage bestimmt.

Die Möglichkeit der Herstellung von Durchsichts-Hologrammen von Reflexiöns-Holögrammen erweitert wesentlich den möglichen Anwendungsbereich derartiger Reflexions-Hologramme.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.

909 613/146

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   I, Verfahren zur Erzeugung eines Durchsichtshologramms, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer ersten Unterlage in art sich bekannter Weise ein ReHef-Reflexions-BIaze-Halogramm für eine Reproduktionslichtwellenlänge λ\ ausgebildet wird und daß von diesem Relief-Reflexions-Blaze-Hologramm zur Erzeugung eines Durchsichts-BIaze-Hologramms ein Abguß oder Abdruck auf einer Unterlage aus einem Material mit einem Brechungsindex μ₂ hergestellt wird, wobei der Brechungsindex μ₂ und/oder die Reproduktionslichtwellenlänge I₁ für das Durchsichts-BIaze-Hologramm so gewählt sind, daß sie der Beziehung