СПОСОБ ЗАПИСИ ГОЛОГРАММ Российский патент 2001 года по МПК G03H1/26 

Изобретение относится к оптической голографии и предназначено для получения "радужных" голограмм, применяющихся для защиты товаров и ценных бумаг от подделки, а также в качестве элементов украшений и иллюстраций в полиграфической продукции.

Простейшая "радужная" голограмма представляет собой сложную дифракционную решетку, отдельные участки которой имеют различную ориентацию и частоту штрихов и образуют в целом некоторое изображение. При освещении такой решетки пучком белого света благодаря дифракции наблюдается окрашивание указанного изображения во все цвета радуги, причем участки, отличающиеся ориентацией и частотой штрихов, имеют разные цвета [1, а также ссылки в этом источнике] . "Радужные" голограммы получили широкое практическое применение. Техника и технология изготовления таких голограмм непрерывно развиваются, в последнее время большое внимание уделяется разработке способов изготовления синтезированных или мозаичных "радужных" голограмм, состоящих из множества элементов (субголограмм), совокупность которых образует заданное изображение.

Известен способ записи "радужных" голограмм [2], в котором для формирования субголограмм с различными цветами изготавливают несколько негативных масок с прозрачными участками, соответствующими заданным элементам изображения, экспонируют эти участки двумя интерферирующими между собой пучками света от лазера, причем для различных элементов изображения угол схождения этих пучков и ориентацию интерференционных полос варьируют.

Принципиальными нерешенными вопросами данного способа являются: чрезвычайно большое время записи таких субголограмм из-за необходимости смены и позиционирования масок, перестройки угла схождения и ориентации интерферирующих пучков; невозможность оперативного формирования произвольных изображений из-за необходимости предварительного изготовления масок; сложность формирования изображений с высоким разрешением из-за трудоемкости изготовления и позиционирования масок с малыми прозрачными участками. Поскольку указанные маски имеют, как правило, простой вид, подобные радужные голограммы легко подделать.

Известен иной способ записи аналогичных голограмм [3], использующий вместо указанных в предыдущем случае масок управляемый пространственный модулятор света. Недостатком такого подхода является большое время экспозиции отдельного элемента синтезируемого изображения из-за необходимости параллельного освещения всех элементов модулятора света и снижения тем самым интенсивности излучения в плоскости записи субголограммы. Кроме того, нерешенными вопросами остаются оперативная перестройка в широких пределах ориентации и частоты интерференционных полос.

Другой известный способ записи мозаичных "радужных" голограмм [4], основан на том, что пучок лазера расщепляют на четыре пучка (один опорный и три предметных), которые фокусируют под различными, но фиксированными углами в одну точку регистрирующей среды, системой фотозатворов поочередно открывают предметные пучки, и в результате интерференции формируют три наложенные в одном и том же месте регистрирующей среды субголограммы с различной частотой интерференционных полос и различной длительностью экспозиции в соответствии с информацией о синтезируемом изображении, перемещают среду и записывают массив субголограмм, образующий заданное изображение.

Этот способ не решает ряд основополагающих вопросов, а именно: способ не позволяет оперативно менять ориентацию и частоту интерференционных полос; вектора решеток всех трех голограмм лежат в одной фиксированной плоскости, что резко сужает обзор наблюдаемого синтезированного изображения; в результате записи нескольких наложенных в одном и том же месте голограмм, дифракционная эффективность каждой из них будет значительно ниже максимально возможной, что снижает яркость результирующего изображения; для каждого элемента изображения требуется запись трех голограмм, что существенно увеличивает суммарное время записи.

Целью изобретения является высокоскоростная запись двумерного массива "радужных" субголограмм с увеличенным диапазоном ориентаций и пространственных частот интерференционных полос, что существенно повышает изобразительные качества таких голограмм, снижает общее время изготовления и крайне затрудняет их подделку.

Наиболее близким к названной цели по техническому решению является способ, представленный в [5]. Указанный способ записи голограмм основан на том, что последовательно во времени из одного пучка света от лазера формируют множество пучков с помощью быстродействующего, например акустооптического, дефлектора, далее расщепляют и преобразуют указанное множество пучков на центрально-симметричные между собой предметную и опорную волны, модулируют их по интенсивности, отклоняют под различными углами на одно и то же место фотоматериала и регистрируют совокупность наложенных друг на друга голограмм.

Вместе с тем применительно к записи мозаичных "радужных" голограмм данный способ не позволяет решить несколько важных вопросов: расширить диапазон ориентаций векторов решеток вследствие того, что в указанном техническом решении угловая апертура множества предметных (опорных) пучков по крайней мере в 2 раза меньше, чем в заявляемом способе; увеличить диапазон изменений пространственной частоты интерференционных полос, поскольку эта частота задается преимущественно углом схождения оптических осей предметного и опорного каналов [5]); из-за наличия двух раздельных каналов предметного и опорного пучков способ не обеспечивает высокой точности их совмещения в плоскости записи; кроме того, данный способ не предусматривает записи множества субголограмм путем перемещения регистрирующей среды.

Поставленная задача повышения диапазона ориентации, пространственной частоты интерференционных полос и одновременно высокой скорости записи двумерного массива субголограмм достигается в предлагаемом способе за счет того, последовательно во времени из одного пучка света от лазера с помощью быстродействующего акустооптического дефлектора формируют двумерное множество NxN пучков, эти пучки расщепляют и образуют предметную и опорную волны, которые по отдельности симметрично отражают относительно двух ортогональных плоскостей с помощью двух оборачивающих призм, далее предметную и опорную волны оптически объединяют, обеспечивают параллельное направление их оптических осей, фокусируют с помощью общего объектива в плоскость регистрирующей среды, модулируют по экспозиции, углу ориентации и (или) пространственной частоте голограмм в соответствии с содержанием записываемой мозаичной картины, последовательно во времени перемещают регистрирующую среду на МхМ позиций, где МхМ - количество элементов мозаичной картины. При этом количество возможных значений ориентации решетки составляет 2N в пределах угла 180^o, а количество возможных значений пространственной частоты N/2.

В предложенном решении новыми признаками по отношению к известным способам аналогичного назначения является то, что предметный и опорный пучки отражают симметрично в отдельных каналах, далее их объединяют и фокусируют с помощью общего объектива, ориентацию и частоту интерференционных полос субголограммы формируют оперативно, в широких пределах в соответствии с исходной информацией о заданной картине.

Предложенный способ иллюстрируется следующими графическими материалами.

На фиг. 1 приведена функциональная схема одного из возможных вариантов устройства, реализующего заявляемый способ записи голограмм.

На фиг. 2 изображен пример множества предметных пучков, получаемых последовательно во времени из одного пучка от лазера с помощью двухкоординатного дефлектора.

На фиг. 3 изображен пример множества опорных пучков, центрально-симметричных предметным пучкам.

На фиг. 4 показана одна из возможных пар предметных и опорных пучков, образующих субголограммы (дифракционные решетки) с различной ориентацией и пространственной частотой интерференционных полос.

На фиг. 5 - фиг. 8 показаны примеры увеличенных изображений интерференционных картин таких субголограмм, причем на фиг. 8 приведен случай наложенной записи двух решеток, что позволяет добиваться комбинации ориентаций или цветовой окраски субголограмм.

Сущность заявляемого способа и его реализации состоит в следующем. Пучок лазера 1 (фиг. 1) отклоняют с помощью быстродействующего двухкоординатного дефлектора 2, например акустооптического, относительно среднего положения на угол α. Затем с помощью линзы 3 преобразуют угловое отклонение пучка в линейное смещение, параллельное самому себе. С помощью светоделительного кубика 4 световой пучок расщепляют на предметную S и опорную R волны. Предметную волну симметрично отражают с помощью оборачивающей призмы 5 (например, призмы Дове) относительно плоскости, параллельной оптической оси волны и перпендикулярной плоскости чертежа на фиг. 1, и отклоняют зеркалом 6. Опорную волну отклоняют с помощью зеркала 7 и симметрично отражают относительно плоскости, совпадающей с плоскостью чертежа на фиг. 1, второй оборачивающей призмой 8 (например, призмой Дове), которая ориентирована ортогонально к первой оборачивающей призме 5. Затем предметную и опорную волны объединяют с помощью второго светоделительного элемента 9, обеспечивают параллельное направление оптических осей предметной и опорной волны. С помощью Общего объектива 10 фокусируют предметную и опорную волны в плоскость регистрирующей среды 11, модулируют их по времени экспозиции, углу ориентации и (или) пространственной частоте интерференционных полос в соответствии с содержанием записываемой мозаичной картины, затем последовательно во времени перемещают регистрирующую среду 11. Модуляцию по углу ориентации, пространственной частоте, времени экспозиции, а также перемещение регистрирующей среды осуществляют с помощью компьютера 12.

Дефлектор 2 отклоняет световой пучок в пределах двумерного растра из NxN пучков, расположенных с постоянным шагом по координатам X, Y. На фиг. 2 показан примерный внешний вид растра отклоненных пучков для предметной волны, наблюдаемый в передней фокальной плоскости объектива 10 (фиг. 1). На фиг. 3 показан аналогичный растр отклоненных пучков в той же плоскости для опорной волны. Позиция светового пучка в растре характеризуется двумя индексами i, j, где i=1,2,3...N является номером позиции пучка по координате X, a j= 1,2,3, ...N - номером позиции пучка по координате Y. В результате объединения предметной и опорной волн с помощью светоделительного элемента 9 центральные пучки в растре предметной и опорной волны с индексами i=N/2 и j=N/2 распространяются коллинеарно вдоль оптической оси. В этом случае растры предметной и опорной волны являются по отношению друг к другу центрально - симметричными с центром симметрии при i=N/2, j=N/2. Для центральных пучков (i= N/2, j=N/2) угол между предметной и опорной волной после объектива 10 на фиг. 1 равен 0^o.

При отклонении светового пучка дефлектором 2 на угол α по отношению к центральному пучку, лежащему на оптической оси, в плоскости регистрирующей среды между предметной и опорной волной образуется угол θ, равный
θ = 2arcsin(αf₃/f₁₀),
где f₃, f₁₀ - фокусные расстояния объективов 3, 10 (фиг. 1). При этом в результате интерференции предметной и опорной волны в плоскости регистрирующей среды формируется синусоидальная интерференционная решетка с периодом d, равным
d = λ/(2sin(θ/2)),
где λ - длина волны света. Пространственная частота решеток ν, равная ν = 1/d, изменяется от нуля до максимального значения. При отклонении пучка дефлектором в пределах растра NxN пучков для каждого направления отклонения имеется примерно N/2 различных углов распространения светового пучка к оптической оси, поэтому формируют N/2 различных пространственных частот решеток.

На фиг. 4 показан случай записи решетки при адресации пучка дефлектором в позицию с некоторым индексом i, j. Световые пучки в предметной и опорной волне лежат на линии а-а, проходящей через центр симметрии О на оптической оси. Ориентация линии а-а относительно координатной оси X определяет ориентацию вектора записываемой решетки в плоскости записи. Как следует из фиг. 4, угол Φ ориентации решетки по отношению к оси X равен
Φ = arctg[(j-N/2)/(N/2-i)].

Изменяя координаты отклоненного пучка i,j, получают различные значения угла Φ в пределах от 0^o до 180^o. Например, для всех позиций пучка с индексом j=N/2 угол Φ = 0^o, для i = N/2 имеем Φ = 90^o, для i=1 и j=N получаем Φ = 45^o и т. д. Число возможных ориентаций решетки оценим для позиций дефлектора на краю растра, когда пространственная частота решеток максимальна.

Число таких позиций равно 2N, т.е. число возможных значений угла Φ равно 2N.

Положительным эффектом изобретения является возможность получения произвольных ориентаций вектора решетки в диапазоне углов от 0 до 180^o и расширенный диапазон пространственных частот решетки от нуля до максимального значения. Данный эффект достигается в результате оптического объединения предметной и опорной волны с параллельным (коллинеарным) направлением их оптических осей. Широкий диапазон углов ориентации решеток позволяет формировать "радужные" голограммы, допускающие более широкий угол обзора.

Другим положительным эффектом является высокая разрешающая способность и качество "радужных" голограмм. Этот эффект является следствием того, что в процессе записи голограмм предметная и опорная волна подвергаются идентичным преобразованиям с помощью идентичных оптических элементов и фокусируются в плоскость регистрации с помощью общего объектива. При этом предметные и опорные пучки имеют одинаковые оптический путь, кривизну волнового фронта и диаметр сечения, в результате чего они хорошо совмещаются в задней фокальной плоскости общего объектива.

Модуляция предметной и опорной волны по времени экспозиции, углу ориентации и (или) пространственной частоте в соответствии с содержанием записываемой картины и перемещение регистрирующей среды позволяют формировать большое разнообразие записываемых "радужных" голограмм и повышают их защищенность от подделки.

Заявляемый способ был проверен экспериментально. В экспериментах были использованы: He-Ne лазер типа ЛГ-52-1 мощностью 10 мВт; двухкоординатный акустооптический дефлектор на кристаллах TeO₂, обеспечивающий формирование последовательно во времени растра 32 х 32 пучка со временем переключения порядка 10 мкс [6]; светоделительные кубики с коэффициентом деления 1:1; объектив с фокусным расстоянием 28 мм и относительным отверстием 1:1,2; самопроявляющаяся фотополимерная регистрирующая среда, чувствительная к излучению He-Ne лазера [7, 8]. Были записаны тестовые изображения, содержащие субголограммы диаметром 0.25 мм с ориентацией решеток 0^o, ±20^o, ±45^o, ±90^o и периодами интерференционных полос от 0.75 мкм до 1.2 мкм. Дифракционная эффективность голограмм составила примерно 30%. При освещении такого изображения пучком белого света, направленным примерно под углом 45^o к плоскости регистрирующей среды, наблюдалось яркое мозаичное изображение с "радужной" окраской. При изменении в широких пределах направления наблюдения и угла освещения изображение по-прежнему можно было наблюдать, но с другим распределением "радужной" окраски.

Литература
1. C.P. Grover, R.A. Lessard, and R. Tremblay. Lensless one-step rainbow holography using a synthesized masking slit. Applied Optics, v.22, n.20 (15 Oct. 1983), p. 3300-3304.

2. Патент США N 4017158. April 12, 1977. МКИ G 02 B 027/38; G 03 H 001/02. Booth Bruce Lee. Spatial frequency carrier and process of preparing same.

3. Патент США N 5138471. July 20, 1990. G 03 H 001/26; G 03 H 001/30. McGrew Stephen P. Holocomposer.

4. Патент США N 5262879. November 16, 1993. МКИ G 03 H 001/10; G 03 H 001/26. Davis Frank S. Holographic image conversion method for making a controlled holographic grating.

5. Авт. свид. СССР N 696850, 19 ноября 1976. МКИ G 03 H 1/04, G 11 C 17/00. Вовк Ю.В. и Пен Е.Ф. Способ записи голограмм.

6. Е. Ф. Пен, П.Е. Твердохлеб, Ю.Н. Тищенко и А.В. Трубецкой. Акустооптический дефлектор голограммного запоминающего устройства. Оптика и спектроскопия, 1983, т. 55, вып. 1, с. 148 - 155.

7. Герасимова Т. Н. , Константинова А.В., Пен Е.Ф. и др. Исследование голографических характеристик при записи объемных фазовых голограмм в фотополимерном материале. Автометрия, 1993, N 4, с. 23 - 30.

8. Pen E.F., Sinyukov A.M., Shelkovnikov V.V., et al. Photopolymer material for the phase hologram recording. SPIE Proceedings, v. 2042, p. 285 - 300.

Изобретение относится к оптической голографии и предназначено для получения "радужных" голограмм. С помощью быстродействующего дефлектора из одного пучка света от лазера формируют двумерное множество пучков, расщепляют эти пучки на предметную и опорную волны, которые по отдельности симметрично отражают относительно двух ортогональных плоскостей, затем оптически объединяют, обеспечивают параллельное направление их оптических осей, фокусируют с помощью общего объектива в плоскость регистрирующей среды, модулируют по экспозиции, углу ориентации и(или) пространственной частоте голограмм, последовательно во времени перемещают регистрирующую среду, формируя тем самым заданную мозаичную картину. Технический результат: предложенный способ повышает скорость записи "радужных" субголограмм, увеличивает диапазон ориентации и пространственных частот интерференционных полос, что повышает изобразительные качества таких голограмм и затрудняет их подделку. 8 ил.

Способ записи голограмм, основанный на формировании последовательно во времени из одного пучка света от лазера двумерного множества пучков с помощью быстродействующего дефлектора, например акустооптического, расщеплении указанного множества пучков на предметную и опорную волны, отличающийся тем, что эти волны по отдельности симметрично отражают относительно двух ортогональных плоскостей, затем оптически объединяют, обеспечивают параллельное направление их оптических осей, фокусируют с помощью общего объектива в плоскость регистрирующей среды, модулируют их по времени экспозиции, углу ориентации и (или) пространственной частоте голограмм в соответствии с содержанием записываемой мозаичной картины, последовательно во времени перемещают регистрирующую среду, формируя тем самым заданную мозаичную картину.