СПОСОБ ЗАПИСИ МАССИВА ТОЧЕЧНЫХ РАДУЖНЫХ ГОЛОГРАММ Российский патент 2002 года по МПК G03H1/26 

Изобретение относится к оптической голографии и предназначено для получения радужных голограмм (создающих радужную окраску при освещении белым светом), применяющихся для защиты товаров и ценных бумаг от подделки, а также в качестве элементов украшений и иллюстраций в полиграфической продукции.

Радужные голограммы получили широкое практическое применение. Техника и технология изготовления таких голограмм непрерывно развиваются, в последнее время большое внимание уделяется разработке способов изготовления синтезированных радужных голограмм, состоящих из множества элементарных (точечных) голограмм, совокупность которых образует заданное изображение (см. [1], а также ссылки в этом источнике). Поскольку обычно количество точечных голограмм велико, предпочтительны способы, обеспечивающие большую скорость записи таких голограмм.

Известны традиционные способы записи радужных голограмм [2, 3], в которых для формирования фрагментов радужных голограмм с различными цветами изготавливают несколько негативных масок с прозрачными участками, соответствующими заданным фрагментам изображения, экспонируют эти участки двумя интерферирующими между собой пучками света от лазера, причем для различных фрагментов изображения угол схождения этих пучков и ориентацию интерференционных полос варьируют, а для увеличения угла обзора восстановленного изображения в двухступенчатом методе на второй ступени процесса формируют опорное волновое поле с определенным радиусом кривизны.

Принципиальными недостатками данных способов являются: большое время записи голограмм из-за двухступенчатого процесса, необходимости смены и позиционирования масок, перестройки угла схождения, ориентации и радиуса кривизны волнового фронта интерферирующих пучков; невозможность оперативного формирования произвольных изображений вследствие необходимости предварительного изготовления масок; сложность формирования изображений с высоким разрешением из-за трудоемкости изготовления и позиционирования масок с малыми прозрачными участками. Кроме того, указанные маски имеют, как правило, простой вид, поэтому подобные радужные голограммы легко подделать.

Известен другой способ записи точечных радужных голограмм [4], когда пучок лазера расщепляют на четыре пучка (один опорный и три предметных), которые фокусируют под различными, но фиксированными углами в одну точку регистрирующей среды, предметные пучки поочередно открывают системой фотозатворов, формируют за счет интерференции три наложенные в одном и том же месте регистрирующей среды точечные голограммы с различной частотой интерференционных полос и различной длительностью экспозиции в соответствии с информацией о синтезируемом изображении, перемещают среду и записывают массив точечных голограмм, образующий заданное изображение.

Этому способу присущи следующие недостатки: способ не позволяет оперативно менять ориентацию и частоту интерференционных полос; вектора решеток всех трех голограмм направлены одинаково, что резко сужает обзор наблюдаемого синтезированного изображения; дифракционная эффективность каждой из нескольких наложенных в одном и том же месте голограмм будет значительно ниже максимально возможной, что снижает яркость результирующего изображения, существенно увеличивается суммарное время записи, так как для каждого элемента изображения требуется запись трех голограмм.

Предлагаемым изобретением решается задача дополнительного повышения скорости записи двумерного массива точечных радужных голограмм.

Для достижения этого технического результата формируют с помощью быстродействующего дефлектора, например акустооптического, последовательно во времени из одного пучка света от лазера двумерное множество пучков, расщепляют каждый из этих пучков на пару пучков - предметный и опорный, ориентируют их в пространстве определенным образом, фокусируют и объединяют с помощью общего объектива, получая таким образом в плоскости регистрирующей среды интерференционную картину с определенной ориентацией и пространственной частотой, перемещают регистрирующую среду, варьируют ориентацию и пространственную частоту интерференционной картины путем изменения пар предметных и опорных пучков, и дополнительно оптическую ось общего объектива ориентируют ортогонально первоначальному направлению распространения предметного и опорного пучков, отклоняют эти пучки под углом 90^o с помощью зеркала и направляют на вход общего объектива, далее объектив с зеркалом, образующие малогабаритную подвижную головку, и регистрирующую среду перемещают независимо друг от друга, в частности, по ортогональным направлениям, включая круговое, причем оптическую головку перемещают непрерывно, а излучение лазера модулируют короткими импульсами, в течение которых отпечаток интерференционной картины в плоскости регистрирующей среды остается практически неподвижным.

Варианты кругового перемещения подразумевают размещение регистрирующей среды либо в виде вращающегося диска, в этом случае оптическая головка движется по радиусу, либо в виде вращающегося цилиндра, тогда оптическая головка должна двигаться вдоль образующей цилиндра.

В предложенном решении новыми признаками являются: 1) ориентирование оптической оси общего объектива ортогонально первоначальному направлению распространения предметного и опорного пучков; 2) отклонение этих пучков под углом 90^o с помощью зеркала и направление на вход общего объектива; 3) перемещение оптической головки (общий объектив с зеркалом) и регистрирующей среды осуществляют независимо друг от друга; 4) перемещение оптической головки осуществляют непрерывно, а излучение лазера модулируют короткими импульсами, благодаря чему устройства, реализующие данные перемещения, можно сделать малогабаритными и малоинерционными, что позволит в конечном итоге повысить скорость записи массива точечных радужных голограмм.

Предложенный способ иллюстрируется следующими графическими материалами.

На фиг. 1 приведена функциональная схема одного из возможных вариантов устройства, реализующего предлагаемый способ записи массива точечных радужных голограмм. Пучок лазера 1 направляют в быстродействующий акустооптический дефлектор 2, который изменяет направление лазерного пучка в зависимости от необходимой ориентации и пространственной частоты точечной радужной голограммы, далее в оптическом блоке 3 этот пучок расщепляют на предметный S и опорный R пучки, эти пучки отклоняют с помощью зеркала 4 в общий объектив 5, оптическую ось которого ориентируют ортогонально первоначальному направлению предметного и опорного пучков, отклоненные пучки фокусируют и объединяют в плоскости регистрирующей среды RM, получают интерференционную картину, излучение лазера модулируют короткими интервалами времени экспозиции, обеспечивая неподвижность упомянутой выше интерференционной картины, зеркало 4 вместе с объективом 5, образующие подвижную головку записи, перемещают непрерывно относительно регистрирующей среды RM, последнюю в свою очередь перемещают в ортогональном направлении, и в результате всех указанных операций формируют массив точечных радужных голограмм DMH, показанный на фиг.2.

Возможность реализации предлагаемого способа обоснована экспериментами авторов по записи точечных радужных голограмм с помощью акустооптического дефлектора, а также следующими оценками требований по записи голограмм на непрерывно движущуюся регистрирующую среду при модуляции излучения лазера короткими интервалами экспозиции.

Пусть предполагаемая скорость записи точечных радужных голограмм составляет 100 гол. /с, что в 4 раза выше скорости записи в известном устройстве [5]. Если диаметр и расстояние между голограммами равны 0,025 мм (т.е. площадь голограммы 5•10^-4 мм²), а средний период интерференционной картины при записи голограммы - 0,5 мкм (параметры лучших в настоящее время образцов радужных голограмм), то скорость непрерывного перемещения регистрирующей среды V должна быть порядка V=2,5 мм/с, а время экспозиции t_э, при котором смаз интерференционной картины из-за перемещения среды не превысит допустимой величины порядка 10% от величины среднего периода, т.е. 0,05 мкм, должно быть не более 20 мкс. При чувствительности регистрирующей среды Е=5 мДж/см² (фоторезисты, фотополимерные материалы), скорости записи 100 г/с и времени экспозиции t_э=20 мкс необходимая энергия записи для одной голограммы составит Е_г=25•10^-9 Дж, а мощность лазерного пучка Р в плоскости голограммы составит Р=Е_г/t_э=1,25 мВт, что соответствует типичной мощности коммерческих газовых лазеров и некоторых образцов полупроводниковых лазеров в соответствующем спектральном диапазоне. Все указанные оценки чувствительности регистрирующей среды, мощности лазера, длительности экспозиции, параметров радужных голограмм являются физически непротиворечивыми и экспериментально реализуемыми.

Источники информации
1. Chin-Kung Lee, Jeremy Wen-Jong Wu, Sheng-Lie Yeh et al. Optical configuration and color-representation range of variable pitch dot matrix holographic printer. Applied Optics, v.39, no.1, 1 January 2000, pp. 40-53.

2. Патент США 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 RU 2040031, МКИ G 03 H 1/20, дата публикации 20.07.1995. Власов Н.Г., Иванова С.Д. Способ записи радужных голограмм.

4. Патент США 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. Ultra High Security Diffractive Pixel Printer "Lightgate 1270" Рекламный листок фирмы Westmead Technology Ltd (США), адрес в Интернете http: //www. westmead-technology. com/lightgat. htm.

Изобретение относится к оптической голографии и предназначено для получения массива точечных радужных голограмм. В предложенном решении оптическую ось общего объектива ориентируют ортогонально первоначальному направлению распространения предметного и опорного пучков, отклоняют эти пучки под углом 90^o с помощью зеркала и направляют на вход общего объектива, перемещают оптическую головку (общий объектив с зеркалом) и регистрирующую среду независимо друг от друга, причем оптическую головку перемещают непрерывно, а излучение лазера модулируют короткими импульсами, благодаря чему устройства, реализующие данные перемещения, можно сделать малогабаритными и малоинерционными. Технический результат - повышение скорости записи массива точечных радужных голограмм. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ записи массива точечных радужных голограмм, основанный на формировании с помощью быстродействующего дефлектора, например акустооптического, последовательно во времени из одного пучка света от лазера двумерного множества пучков, расщеплении каждого из этих пучков на пару пучков - предметный и опорный, ориентации их в пространстве определенным образом и объединении с помощью общего объектива, получении таким образом в плоскости регистрирующей среды интерференционной картины с определенной ориентацией и пространственной частотой, перемещении регистрирующей среды, вариации ориентации и пространственной частоты интерференционной картины путем изменения пар предметных и опорных пучков, отличающийся тем, что оптическую ось общего объектива ориентируют ортогонально первоначальному направлению распространения предметного и опорного пучков, отклоняют эти пучки под углом 90^o с помощью зеркала и направляют на вход общего объектива, далее объектив вместе с зеркалом, образующие подвижную оптическую головку записи, и регистрирующую среду перемещают независимо друг от друга, в частности, по ортогональным направлениям, причем оптическую головку перемещают непрерывно, а излучение лазера модулируют короткими импульсами, в течение которых отпечаток интерференционной картины в плоскости регистрирующей среды остается практически неподвижным. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что оптическую головку, состоящую из объектива и зеркала, перемещают по линейному направлению, а регистрирующую среду по ортогональному круговому.