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

Изобретение относится к области записи и получения 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 голографических дифракционных 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 Н 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 голографическую 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, "0ptical configuration and color-representation range of a variable-pitch dot matrix holographic printer", Applied Optics, Vol. 39, 1 (1 January 2000), с. 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 простраственной 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 исполнения дифракционной решетки, выполненной в виде акустооптического модулятора, представлен на фиг. 2. Оптическая схема для расчета пространственной частоты голографической дифракционной решетки представлена на фиг.3. Оптическая схема электрооптического вращателя плоскости поляризации линейно поляризованного света представлена на фиг.4.

Устройство (фиг.1) содержит последовательно установленные вдоль оптической оси гелий-кадмиевый лазер 1, электромеханический затвор 2, электрооптический вращатель плоскости поляризации линейно поляризованного света 3, микрообъектив 4, точечную диафрагму 5, объектив 6, дифракционную решетку 7, выполненную в виде акустооптического модулятора, полевую диафрагму 8, пространственный фильтр 9, проекционный объектив 10, пластинку с фоторезистом 11 и двухкоординатное устройство перемещения пластинки с фоторезистом 12, а также коммутатор, ультразвуковой генератор (УЗГ), устройство управления и компьютер 13.

Устройство работает следующим образом. Излучение от гелий-кадмиевого лазера 1 проходит электромеханический затвор 2, который под управлением компьютера 13 отрабатывает соответствующие времена экспонирования. Электрооптический вращатель плоскости поляризации 3 поворачивает линейно поляризованный свет в соответствии с ориентацией дифракционной решетки 7. В фокусе микрообъектива 4 расположена точечная диафрагма 5, которая очищает пучок, далее попадающий на объектив 6.

Объектив 6 формирует слабо сходящийся пучок, который фокусируется в передней фокальной плоскости проекционного объектива 10. Дифракционная решетка 7, выполненная в виде акустооптического модулятора, раскладывает падающий на нее пучок в дифракционные порядки.

Полевая диафрагма 6, которая может иметь любую геометрическую форму и размеры, расположена после дифракционной решетки 7 и проецируется проекционным объективом 10 в плоскость пластинки с фоторезистом 11, определяя тем самым размер и форму пикселя в результирующем изображении.

Пространственный фильтр 9, расположенный в фокальной плоскости проекционного объектива 10, удаляет все дифракционные порядки кроме "+1" и "-1". Эти пучки проходят проекционный объектив 10 и, интерферируя друг с другом, создают голографическую дифракционную решетку на пластинке с фоторезистом 11 в области, ограниченной изображением диафрагмы 8, через проекционный объектив 10. Пространственная частота голографической дифракционной решетки определяется управляющим сигналом от устройства управления, поступающим на ультразвуковой генератор (УЗГ), а именно длиной стоячей звуковой волны, создаваемой в звукопроводе акустооптического модулятора.

Двухкоординатное устройство перемещения пластинки с фоторезистом 12 под управлением компьютера 13 может перемещаться по двум взаимно перпендикулярным направлениям в перерывах между экспозициями от пиксела к пикселу. Компьютер 13 выдает команды на электромеханический затвор 2, электрооптический вращатель плоскости поляризации 3, акустооптический модулятор 7 через устройство управления, а также на координатное устройство 12 в зависимости от требуемого изображения.

В отличие от прототипа в заявляемом устройстве в качестве дифракционной решетки применен акустооптический модулятор (принцип работы и характеристики акустооптических модуляторов рассмотрены в [6]). Представленный на фиг. 2 вариант исполнения акустооптического модулятора (АОМ) представляет собой восьмигранную призму 1 с четырьмя пьезопреобразователями 2, подключенными через коммутатор 3 к УЗГ 4 и устройству управления 5. В зависимости от того, на какой из пьезопреобразователей подается звуковое колебание от УЗГ, разложение в дифракционные порядки происходит в различных плоскостях, тем самым формируя в плоскости пластинки с фоторезистом голографические дифракционные решетки различной ориентации.

Таким образом, в заявляемом устройстве нет необходимости во вращении дифракционной решетки - АОМ - за счет особенности его формы. Для изготовления качественных радужных голограмм по технологии Dot-matrix необходимый шаг изменения угловой ориентации голографической дифракционной рещетки должен составлять 10^o. Для этого необходимо, чтобы количество пьезопреобразователей было
n/2=180^o/10^o=18,
тогда количество граней призмы АОМ составит n=36.

В заявляемом устройстве в отличие от прототипа вследствие отсутствия вращающейся дифракционной решетки 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=(1000•1000)•[t_экс+t_пер],
где t_экс - время экспонированя одного пикселя;
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_про тотипа}=t_вр+t_пост
t_{пер_задвл}=t_пост
t_пост 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

где α - требуемый угол поворота дифракционной решетки;
- время, требуемое на поворот дифракционной решетки на один градус, составляющее порядка 60 мс,
тогда для худшего варианта для α=180^o получается
t_{Σ_прототипа}=(1000•1000)•[20 + (180^o•60 + 80)]=1,09•10¹⁰ мс;
t_{Σ_прототипа}=3028 часов;
t_{Σ_заявл}=(1000•1000)•[20+80]=10⁵ мс;
t_{Σ_заявл}=28 часов,
тогда коэффициент ускорения изготовления голограммы получается
K_у = t_{Σ_прототипа}/t_{Σ_заявл} = 108.
В заявляемом устройстве благодаря наличию АОМ, работающего в режиме дифракции Рамана-Ната, можно плавно изменять шаг дифракционной решетки в звукопроводе, изменяя частоту управляющего воздействия. Это дает возможность плавного изменения пространственной частоты голографической дифракционной решетки на пластинке с фоторезистом. Для определения связи между частотой управляющего воздействия и пространственной частотой голографической дифракционной решетки рассмотрим пример, схема которого приведена на фиг.3, где -а= 36 мм, а'=180 мм, -а1=176,8 мм, а1'=8,84 мм, -f=8,4 мм. Материалом звукопровода выберем плавленный кварц, для которого скорость распространения звука V_зв=5,96•10⁶ мм/с. Для АОМ, сделанного из плавленного кварца, верхний предел рабочих частот не превышает 100 МГц. Тогда длина звуковой волны, а также шаг дифракционной решетки в звукопроводе определяется по формуле
Λ_зв зв=V_зв/f_зв.

По формуле определяем углы дифракции для ±1 порядка
sinθ = λ/Λ_зв,
где λ - длина волны лазерного излученя - 0,4416•10^-3 мм.

В фокальной плоскости проекционного объектива 9 сфокусированные изображения ±1 порядков будут разнесены на расстояние
d=2•(-al+f)•tgθ.
Пространственная частота голографической дифракционной решетки v_фр определяется по формуле
v_фр = 2•sinβ/λ,
где 2•β - угол интерференции лазерных пучков, который определяется как
β = arctg(d/(2•|f|)).
Таким образом, для заданных условий максимальная пространственная частота голографической дифракционной решетки составляет
v_фр=665 мм^-1.

Электрооптический вращатель плоскости поляризации (фиг.4) описан в [7]. Он содержит электрооптический кристалл 1, установленный так, что поляризация падающего излучения составляет угол 45^o с осями кристалла. Четвертьволновая пластинка 2 играет роль компенсатора. Поворот осуществляется за счет подачи пилообразного напряжения на управляющие электроды электрооптического кристалла 1. Угол поворота определяется по формуле
tgγ = tg([π/2]•[U/U_λ/2]),
где γ - угол поворота плоскости поляризации;
U - напряжение, подаваемое на управляющие электроды электрооптического кристалла;
U_λ/2 - полуволновое напряжение.

Новизна предлагаемого устройства усматривается в том, что между электромеханическим затвором 2 и дифракционной решеткой 7 последовательно вдоль оптической оси установлены микрообъектив 4, точечная диафрагма 5 и объектив 6, а после дифракционной решетки полевая диафрагма, которая может иметь различную геометрическую форму и размеры; дифракционная решетка выполнена в виде акустооптического модулятора, работающего через коммутатор от УЗГ, и устройства управления; акустооптический модулятор выполнен в виде n-гранной призмы с числом пьезопреобразователей равным n/2.

Источники информации
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 besm 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, "Optical 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 forcreating the same", U.S. patent 5291317 (1 march 1994).

6. Бондаренко В. С., Зоренко В.П., Чкалова В.В. Акустооптические модуляторы света. - М.: Радио и связь, 1988.

7. Карасик В.Е. Методы и устройства управления лазерным излучением. Часть 1. - М., МГТУ.

Изобретение относится к области записи и получения радужных голограмм. Сущность изобретения: между электромеханическим затвором и дифракционной решеткой последовательно вдоль оптической оси установлены электрооптический вращатель плоскости поляризации, микрообъектив, точечная диафрагма и объектив, а после дифракционной решетки - полевая диафрагма, а также звуковой генератор и устройство управления. Дифракционная решетка выполнена в виде акустооптического модулятора света, управляемого от звукового генератора и устройства управления. Полевая диафрагма может иметь любую геометрическую форму, причем проецирующий объектив формирует изображение полевой диафрагмы в плоскости пластинки с фоторезистом. Акустооптический модулятор света выполнен в виде n-гранной призмы с количеством пьезопреобразователей, равным n/2, где n может иметь значение до 36. Технический результат - уменьшение времени, затрачиваемого на изготовление голограммы. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для изготовления радужных голограмм, содержащее последовательно установленные вдоль оптической оси лазер, электромеханический затвор, дифракционную решетку, пространственный фильтр, 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 дифракционной решеткой последовательно вдоль оптической оси установлены электрооптический вращатель плоскости поляризации, микрообъектив, точечная диафрагма и объектив, а после дифракционной решетки - полевая диафрагма, причем дифракционная решетка выполнена в виде акустооптического модулятора света, управляемого от ультразвукового генератора и устройства управления. 2. Устройство для изготовления радужных голограмм по п. 1, отличающееся тем, что проецирующий объектив формирует изображение полевой диафрагмы в плоскости пластинки с фоторезистом. 3. Устройство для изготовления радужных голограмм по п. 1, отличающееся тем, что акустооптический модулятор света выполнен в виде n-гранной призмы с количеством пьезопреобразователей, равным n/2, где n может иметь значение до 36.