УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАДУЖНЫХ ГОЛОГРАММ Российский патент 2003 года по МПК G03H1/08 G03H1/10 G03H1/26 

Изобретение относится к записи и получению радужных голограмм и может быть использовано для создания автоматизированного комплекса для изготовления радужных голограмм по технологии Dot-matrix.

Известно устройство для изготовления радужных голограмм по технологии Dot-matrix, описанное в Frank S. Davis, "Holographic image conversion method for making a controlled holographic grating" U.S. patent 5262879 (16 nov. 1993), G 03 H 1/10; 359/10 [1].

Устройство содержит последовательно установленные вдоль оптической оси гелий-кадмиевый лазер, электромеханический затвор, полупрозрачное зеркало, которое делит схему на две ветви - первую ветвь с отраженным излучением и вторую ветвь с прошедшим излучением. Первая ветвь с отраженным излучением содержит полупрозрачное зеркало, которое также делит данную ветвь еще на две - третью ветвь с отраженным излучением и четвертую ветвь с прошедшим излучением. Четвертая ветвь содержит зеркало. Третья ветвь содержит электромеханический затвор и зеркало. Вторая ветвь содержит полупрозрачное зеркало, которое, в свою очередь, делит данную ветвь на две, пятую ветвь с отраженным излучением и шестую ветвь с прошедшим излучением. Пятая ветвь содержит электромеханический затвор и зеркало. Шестая ветвь содержит зеркало, электромеханический затвор, а также пластинку фоторезиста, двухкоординатное устройство перемещения пластинки с фоторезистом и управляющий компьютер.

Устройство работает следующим образом. Излучение от лазера проходит электромеханический затвор, а далее с помощью системы полупрозрачных зеркал делится на шесть ветвей, из которых рабочими являются четыре ветви (с третьей по шестую), которые при помощи зеркал собираются в одной точке на пластинке с фоторезистом. Три из ветвей содержат электромеханические затворы - это объектные ветви, а четвертая не содержит электромеханического затвора - это опорная ветвь. Одновременно могут быть открыты только опорная и одна из предметных ветви. На пластинке фоторезиста они интерферируют, создавая голографическую дифракционную решетку, пространственная частота которой определяется углом, под которым сходятся пучки. Размер точки на пластинке фоторезиста определяется диаметром лазерного пучка. Таким образом, наличие трех предметных ветвей определяет три голографические дифракционные решетки фиксированных пространственных частот. Двухкоординатное устройство перемещения передвигает пластинку с фоторезистом от точки к точке, создавая требуемую картину.

Недостатками этого устройства являются: 1) низкое разрешение получаемого изображения из-за достаточно большого диаметра луча лазера, не сфокусированного оптикой; 2) невозможность использования угловой ориентации голографической дифракционной решетки при формировании изображения.

Известно устройство для изготовления радужных голограмм по технологии Dot-matrix, описанное в Frank S. Davis, "System for making a hologram of an image by manipulating object beam characteristics to reflect image data" U. S. patent 5822092 (13 oct 1998), G 03 H 1/10; 350/10, [2].

Устройство содержит последовательно установленные вдоль оптической оси гелий-кадмиевый лазер, зеркало, электромеханический затвор, фокусирующую систему, светоделительное устройство, которое делит схему на четыре ветви: одну опорную (прошедшая) и три предметные (отраженные), каждая из которых содержит зеркало и электромеханический затвор; пластинку с фоторезистом и двухкоординатное устройство перемещения пластинки с фоторезистом, а также шаговый двигатель, устройство сопряжения и компьютер.

Устройство работает следующим образом. Луч от гелий-кадмиевого лазера проходит электромеханический затвор и фокусируется фокусирующей системой на пластинке с фоторезистом. Далее светоделительное устройство разделяет схему на четыре ветви. Объектные ветви зеркалами направляются в общую точку на пластинке с фоторезистом, где они интерферируют с опорной ветвью, создавая голографическую дифракционную решетку определенной пространственной частоты, определяемой углом между опорным лучом и одним из объектных, для которого открыт электромеханический затвор в ветви. Светоделительное устройство может поворачиваться вокруг оптической оси при помощи шагового двигателя, тем самым позволяя изменять угловую ориентацию голографической дифракционной решетки. Двухкоординатное устройство перемещения передвигает пластинку с фоторезистом от точки к точке, создавая требуемую картину.

Недостатками этого устройства являются: 1) обусловленное наличием вращающихся оптических деталей появление вибраций и разъюстировки; 2) увеличение времени, затрачиваемого на изготовление голограммы, из-за присутствия в схеме вращающихся оптических деталей при экспонировании каждого пикселя изображения.

Известно устройство для изготовления радужных голограмм по технологии Dot-matrix, описанное в Ying-Tsung Lu, Pai-Ping Huang, "Apparatus for producing dot matrix hologram" U. S. patent 6043913 (28 march 2000), G 03 H 1/30; 359/25, [3].

Устройство содержит последовательно установленные вдоль оптической оси гелий-кадмиевый лазер, электромеханический затвор, фокусирующую систему, зеркало, светоделительный кубик, который делит схему на две ветви. Отраженная ветвь содержит зеркало. Далее расположена пластинка с фоторезистом и двухкоординатное устройство перемещения пластинки с фоторезистом, а также поворотное устройство, шаговый двигатель и управляющий компьютер.

Устройство работает следующим образом. Луч от гелий-кадмиевого лазера проходит электромеханический затвор и фокусируется фокусирующей системой на пластинке с фоторезистом. Далее установлено зеркало, изламывающее ось оптической системы. В поворотном устройстве закреплен светоделительный кубик и зеркало, которое направляет отраженную ветвь так, чтобы она проинтерферировала с прошедшей через светоделительный кубик ветвью в точке на пластинке с фоторезистом, образуя голографическую дифракционную решетку, пространственная частота которой определяется углом, под которым интерферируют пучки. Шаговый двигатель через ременную передачу вращает поворотное устройство, тем самым позволяя изменять угловую ориентацию голографической дифракционной решетки. Двухкоординатное устройство перемещения передвигает пластинку с фоторезистом от точки к точке, создавая требуемую картину.

Недостатками этого устройства являются: 1) наличие вращающихся оптических деталей, что приводит к появлению вибрации и разъюстировке; 2) увеличение времени, затрачиваемого на изготовление голограммы, из-за присутствия в схеме вращающихся оптических деталей при экспонировании каждого пикселя изображения; 3) наличие двух фиксированных ветвей позволяет получать голографическуто дифракционную решетку только одной пространственной частоты.

Известно устройство для изготовления радужных голограмм по технологии Dot-matrix, описанное в Chin-Kung Lee, Jeremy Wen-Jong Wu, "Optical configuration and color-representation range of a variable-pitch dot matrix holographic printer", Applied Optics, Vol. 39, 1 (1 January 2000), стр. 40-53, фиг. 12 [4].

Устройство содержит последовательно установленные вдоль оптической оси гелий-кадмиевый лазер, электромеханический затвор, линзу 1, линзу 2, четвертьволновую пластинку, зеркало, четвертьволновую пластинку, светоделительный кубик, который делит схему на две ветви. Отраженная ветвь содержит два зеркала, изламывающие оптическую ось, и зеркало, которое может перемещаться в вертикальном направлении. Прошедшая ветвь содержит три зеркала, изламывающие оптическую ось, и зеркало, которое может перемещаться в вертикальном направлении. Далее расположен фокусирующий объектив, пластинка с фоторезистом и двухкоординатное устройство перемещения пластинки с фоторезистом. Элементы от второй четвертьволновой пластинки до зеркал, которые могут перемещаться в вертикальном направлении, составляют оптическую головку.

Устройство работает следующим образом. Луч от гелий-кадмиевого лазера проходит электромеханический затвор и линзами 1 и 2 трансформируется в слабо сходящийся пучок. Четвертьволновая пластинка меняет поляризацию излучения из линейной в круговую. Зеркало изламывает оптическую ось системы и направляет пучок в оптическую головку, которая может вращаться для изменения угловой ориентации голографической дифракционной решетки. Четвертьволновая пластинка, расположенная в оптической головке, меняет поляризацию излучения из круговой в линейную. Светоделительным кубиком схема делится на две ветви, каждая из которых имеет несколько направляющих зеркал и по одному зеркалу, которые, смещаясь в вертикальном направлении, изменяют расстояние между пучками, падающими на фокусирующий объектив, что приводит к плавному изменению угла, под которым пучки интерферируют, образуя голографическую дифракционную решетку в точке на пластинке с фоторезистом, а также пространственной частоты получаемой решетки. Двухкоординатное устройство перемещения передвигает пластинку с фоторезистом от точки к точке, создавая требуемую картину.

Недостатками этого устройства являются: 1) наличие вращающихся и перемещающихся оптических деталей и узлов, что приводит к появлению вибрации и разъюстировке; 2) увеличение времени, затрачиваемого на изготовление голограммы, из-за присутствия в схеме вращающихся оптических деталей при экспонировании каждого пикселя изображения; 3) схема содержит большое количество точных деталей, что ведет к ее удорожанию, а также сложности юстировки.

Наиболее близкое из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранное в качестве прототипа устройство для изготовления радужных голограмм по технологии Dot-matrix, описанное в Craig Newswanger, "Holographic diffraction grating patterns and methods for creating the same", U. S. patent 5291317 (1 march 1994), фиг. 3, G 02 В 5/18; 359/15 [5].

Устройство содержит последовательно установленные вдоль оптической оси гелий-кадмиевый лазер, электромеханический затвор, дифракционную решетку, закрепленную в поворотном устройстве, пространственный фильтр, проецирующий объектив, диафрагму, пластинку с фоторезистом и двухкоординатное устройство перемещения пластинки с фоторезистом, а также двигатель, устройство сопряжения для управления двухкоординатным устройством перемещения пластинки с фоторезистом и электромеханическим затвором и компьютер.

Устройство работает следующим образом. Луч от гелий-кадмиевого лазера проходит электромеханический затвор и раскладывается дифракционной решеткой в дифракционные порядки. Пространственный фильтр диафрагмирует все порядки кроме "+1" и "-1", которые проекционным объективом фокусируются на пластинке с фоторезистом, где интерферируя, образуют голографическую дифракционную решетку фиксированной пространственной частоты. Диафрагма, расположенная перед пластинкой с фоторезистом, определяет размер и форму пикселя в конечном изображении. Двухкоординатное устройство перемещения передвигает пластинку с фоторезистом от точки к точке, создавая требуемую картину. Шаговый двигатель вращает поворотное устройство с дифракционной решеткой, тем самым изменяя ориентацию голографической дифракционной решетки в конечном изображении.

Недостатками этого устройства являются: 1) наличие вращающейся дифракционной решетки, что приводит к появлению вибрации и разъюстировке; 2) увеличению времени, затрачиваемого на изготовление всей голограммы в связи с поворотом дифракционной решетки, при экспонировании каждого пикселя; 3) наличие одной дифракционной решетки позволяет получать голографическую дифракционную решетку только одной пространственной частоты.

Функциональная схема заявляемого устройства для изготовления радужных голограмм по технологии dot matrix представлена на фиг.1. Вариант выводимого на жидкокристаллический пространственный модулятор света изображения представлен на фиг. 2.

Устройство (фиг. 1) содержит последовательно установленные вдоль оптической оси гелий-кадмиевый лазер 1, электромеханический затвор 2, микрообъектив 3, точечную диафрагму 4, объектив 5 жидкокристаллический пространственный модулятор света (ЖКПМС) 6, поляризатор 7, проекционный объектив 8, пластинку с фоторезистом 9 и двухкоординатное устройство перемещения пластинки с фоторезистом 10, а также устройство управления ЖКПМС и компьютер 11.

Устройство работает следующим образом. Излучение от гелий-кадмиевого лазера 1 проходит электромеханический затвор 2, который под управлением компьютера 11 отрабатывает соответствующие времена экспонирования. В фокусе микрообъектива 3 расположена точечная диафрагма 4, которая очищает пучок, далее попадающий на объектив 5.

Объектив 5 формирует слабо сходящийся пучок, который подсвечивает ЖКПМС 6. Слабо сходящийся пучок нужен для уменьшения потерь излучения, связанного с дифракцией падающего света на структуре ЖКПМС и ограниченной апертурой проекционного объектива 8.

На ЖКПМС 6 под управлением компьютера и устройства управления ЖКПМС выводится определенная картина, показанная на фиг. 2, получаемая путем программной обработки входного изображения, которая проецируется проекционным объективом 8 в плоскость пластинки с фоторезистом 9, формируя тем самым массив пикселей в результирующем изображении. Поляризатор 7 требуется для визуализации информации, выводимой на ЖКПМС 6.

Двухкоординатное устройство перемещения пластинки с фоторезистом 10 под управлением компьютера 11 может перемещаться по двум взаимно перпендикулярным направлениям в перерывах между экспозициями. Компьютер 11 выдает команды на электромеханический затвор 2, ЖКПМС 6 и на двухкоординатное устройство 10 в зависимости от требуемого изображения.

В отличие от прототипа в заявляемом устройстве вместо вращающейся дифракционной решетки применен ЖКПМС 6. Благодаря этому стало возможным создание голографических дифракционных решеток, пространственная частота которых может иметь различные значения, а ориентация может плавно меняться в соответствии с требуемым изображением на пластинке с фоторезистом, изменяя картину, которая выводится на ЖКПМС.

Таким образом, в заявляемом устройстве нет необходимости во вращении дифракционной решетки, а максимальная пространственная частота голографических дифракционных решеток на пластинке с фоторезистом определяется параметрами ЖКПМС и проекционного объектива.

Элемент ЖКПМС имеет размеры 33х33 мкм [6], что дает максимальную пространственную частоту около ν_{макс_ЖКПМС} = 30 мм^-1. Если в качестве проекционного объектива применить микрообъектив микроскопа 40^xx0.65 (установленный в обратном ходе, т. е. работает с уменьшением), то максимальная пространственная частота от перепроецированного ЖКПМС будет составлять
ν_{макс_фр_ЖКПМС} = ν_{макс_ЖКПМС}•40^x = 1200 мм^-1.
Линейный предел разрешения микрообъектива на пластинке с фоторезистом определяется по формуле
δ=λ/2A,
где λ - длина волны лазерного излученя - 0.4416•10^-3 мм;
А - числовая апертура микрообъектива, в данном случае составляет 0.65.

Тогда δ=0.4416•10^-3/2•0.65=0.34•10³ мм и
ν_{макс_микрообъектива}= 2941 мм^-1.

В заявляемом устройстве в отличие от прототипа вследствие отсутствия вращающейся дифракционной решетки и наличия ЖКПМС, на который одновременно выводится увеличенное изображение нескольких пикселей (nхn, в рассматриваемом примере nхn= 8х8) с различными дифракционными решетками (фиг. 2) уменьшается время, требуемое для изготовления радужной голограммы по технологии Dot-matrix. Рассчитаем коэффициент ускорения изготовления голограммы для случая картины 1000х1000 точек. Требуемое время на изготовление определяется по формуле
t_Σ = N•[t_экс+t_пер],
где N - количество экспозиции;
t_экс - время одной экспозиции;
t_пep - время - затрачиваемое на перемещение двухкоординатного устройства перемещения и дифракционной решетки.

t_экс является постоянной величиной как в прототипе, так и в заявляемом устройстве и составляет порядка 20 мс. t_пep в прототипе и в заявляемом устройстве различны и рассчитываются по формулам:
t_{пер_прототипа} = t_вр + t_пост
t_{пер_заявл} = t_пост
t_пocт включает в себя время, требуемое на перемещение двухкоординатного устройства перемещения и составляет порядка 80 мс.

t_вр зависит от требуемого угла поворота и рассчитывается по формуле
t_вр = α•t1°вр

Количество экспозиций в прототипе определяется как N = 1000х1000, тогда для худшего варианта для α = 180^o получается:

t_{Σ_прототипа} = 3028 ч.
В заявляемом устройстве количество экспозиций сокращается в nхn раз, т. е. N = 1000х1000/(nхn)

t_{Σ_заявл} = 1,73 ч
тогда коэффициент ускорения изготовления голограммы получается
K_у = t_{Σ_прототипа}/t_{Σ_заявл} = 1750.
Литература
1. Frank S. Davis, "Holographic image conversion method for making a controlled holographic grating" U.S. patent 5262879 (16 nov. 1993).

2. Frank S. Davis, "System for making a hologram of an image by manipulating object beam characteristics to reflect image data" U.S. patent 5822092 (13 oct. 1998).

3. Ying-Tsung Lu, Pai-Ping Huang, "Apparatus for producing dot matrix hologram" U.S. patent 6043913 (28 march 2000).

4. Chin-Kung Lee, Jeremy Wen-Jong Wu,"0ptical configuration and color-representation range of a variable-pitch dot matrix holographic printer". Applied Optics, Vol. 39, 1 (1 January 2000).

5. Craig Newswanger, "Holographic diffraction grating patterns and methods for creating the same", U.S. patent 5291317 (1 march 1994).

6. Прайс-лист фирмы CRL (Великобритания), 2000 год.

Устройство для изготовления радужных голограмм по технологии Dot-matrix содержит последовательно установленные вдоль оптической оси лазер, электромеханический затвор, микрообъектив, точечную диафрагму, жидкокристаллический пространственный модулятор света, поляризатор, проекционный объектив и пластинку с фоторезистом, а также содержит двухкоординатное устройство перемещения пластинки с фоторезистом, устройство сопряжения для управления двухкоординатным устройством перемещения пластинки с фоторезистом и электромеханическим затвором, устройство управления жидкокристаллическим пространственным модулятором света и компьютер. Устройство обеспечивает уменьшение времени изготовления радужной голограммы, а также создание голографических дифракционных решеток, пространственная частота которых может иметь различные значения, а ориентация может плавно меняться. 2 ил.

Устройство для изготовления радужных голограмм по технологии Dot-matrix, содержащее последовательно установленные вдоль оптической оси лазер, электромеханический затвор, проекционный объектив, пластинку с фоторезистом, двухкоординатное устройство перемещения пластинки с фоторезистом, устройство сопряжения для управления двухкоординатным устройством перемещения пластинки с фоторезистом и электромеханическим затвором и компьютер, отличающееся тем, что между электромеханическим затвором и проекционным объективом последовательно вдоль оптической оси установлены микрообъектив, точечная диафрагма, жидкокристаллический пространственный модулятор света и поляризатор, а также устройство управления жидкокристаллическим пространственным модулятором света.