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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung holographischer optischer Elemente und einen holographischen Film mit einem holographischen optischen Element.
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Holographische optische Elemente finden beispielweise in Display- oder Sensorsystemen oder in Datenbrillen Einsatz. Eine Herstellung holographischer optischer Elemente ist beispielsweise in
DE 10 2017 218 545 A1 beschrieben. Für eine optimale Funktion und Genauigkeit von holographischen optischen Elementen ist eine Einhaltung geringster Toleranzen während der Herstellung erforderlich. Für eine Serienfertigung werden daher häufig komplexe, teure und störungsanfällige Sonderaufbauten eingesetzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bietet demgegenüber den Vorteil, dass holographische optische Elemente mit hoher Qualität bei hoher Prozessgeschwindigkeit hergestellt werden können. Insbesondere erlaubt das Verfahren ein kostengünstiges Verfahren zur Massenfertigung holographischer optischer Elemente. Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch ein Verfahren zur Herstellung holographischer optischer Elemente, wobei zumindest ein erstes Unterhologramm und ein zweites Unterhologramm nacheinander in einen holographischen Film einbelichtet werden. Insbesondere beruht das Verfahren dabei auf einem zeitsequentiellen Einbelichten einzelner Teilbereiche des gesamten holographischen Elements, wobei diese Teilbereiche als „Unterhologramme“ bezeichnet werden. Die beiden Unterhologramme überlappen sich dabei, insbesondere im holographischen Film. Das heißt, das erste Unterhologramm und das zweite Unterhologramm überdecken sich im holographischen Film teilweise. Insbesondere wird hierdurch der holographische Film im überlappenden Bereich doppelt belichtet. Das Einbelichten des zweiten Unterhologramms erfolgt innerhalb einer vordefinierten Zeitspanne nach dem Einbelichten des ersten Unterhologramms. Die vordefinierte Zeitspanne ist dabei so bemessen, dass eine Ausprägung des ersten Unterhologramms im überlappenden Bereich eingeschränkt wird. Vorzugsweise wird hierbei die vollständige Ausprägung des ersten Unterhologramms im überlappenden Bereich durch das nachfolgende Einbelichten des zweiten Unterhologramms teilweise oder vollständig gehemmt. Insbesondere beruht diese eingeschränkte Ausbildung des ersten Unterhologramms auf dem Effekt, dass die vollständige Ausbildung und Fixierung der holographischen Gitterstruktur im holographischen Film mit einer substantiellen Zeitverzögerung nach dem Einbelichten erfolgt. Wird das zweite Unterhologramm innerhalb dieser Zeitspanne zumindest teilweise im selben Volumen des holographischen Films einbelichtet, so wird hierdurch die Ausprägung des ersten Unterhologramms im überlappenden Bereich eingeschränkt. Insbesondere liegt somit nach der Herstellung im überlappenden Bereich ausschließlich eine Gitterstruktur des zweiten Unterhologramms vor.
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Hierdurch lässt sich ein gradueller Übergang zwischen den einzelnen Abschnitten des holographischen optischen Elements, das heißt, zwischen den Unterhologrammen, realisieren. Ein derart hergestelltes holographisches optisches Element weist ein besonders homogenes Erscheinungsbild und somit eine besonders hohe Qualität auf. Durch die Überlappung der beiden Unterhologramme kann ein besonders gleichmäßiger Übergang erreicht werden. Insbesondere können intermittierende Strukturen, welche bei einem Abspielen des fertiggestellten holographischen optischen Elements beispielsweise zu einem Ausfransen des Abbilds führen können, vermieden werden. Zudem können durch das Verfahren besonders zeiteffizient holographische optische Elemente, insbesondere in Massenfertigung, hergestellt werden. Ferner bietet das Verfahren durch die Zusammensetzung des holographischen optischen Elements aus mehreren Unterhologrammen den Vorteil, dass eine Vorrichtung zur Herstellung mit geringen Hardware-Anforderungen erforderlich ist. So können die Unterhologramme beispielsweise mit Wellen mit verhältnismäßig kleiner Ausdehnung im Vergleich zu einer Gesamtgröße eines herzustellenden großflächigen holographischen optischen Elements erzeugt werden. Dies führt insbesondere dazu, dass zum Einbelichten Lichtquellen, beispielsweise Laser, mit niedriger Leistung verwendet werden können, wodurch eine besonders kostengünstige Herstellung der holographischen optischen Elemente erzielt werden kann.
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Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Bevorzugt beträgt die vordefinierte Zeitspanne maximal 3s, besonders bevorzugt maximal 2s, vorzugsweise mindestens 0,1s, insbesondere 1s, um zuverlässig und gezielt optimale Ergebnisse zu erhalten.
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Besonders bevorzugt umfasst der holographische Film ein Photopolymer. Ein Photopolymer eignet sich besonders gut, um den Effekt der verzögerten Ausbildung des Unterhologramms auszunutzen. Beim Belichten des Photopolymers bildet sich die holographische Gitterstruktur in Form von sich vernetzenden Polymerketten aus. Diese Polymerisation basiert auf Diffusionsprozessen von Radikalen. Dabei erfolgt die vollständige Ausbildung und Fixierung der holographischen Gitterstruktur bei solchen Photopolymeren mit einer gewissen Zeitverzögerung gegenüber der Belichtung, wobei diese Ausprägung durch eine entsprechende zweite Belichtung im selben Materialvolumen des Photopolymers eingeschränkt, insbesondere verhindert, wird.
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Vorzugsweise beträgt eine Fläche des überlappenden Bereichs, innerhalb welchem sich die beiden Unterhologramme überlappen, mindestens 2% und maximal 50%, besonders bevorzugt mindestens 5% und maximal 10%, einer Fläche des ersten Unterhologramms oder des zweiten Unterhologramms. Insbesondere überlappen sich somit vor allem die Randbereiche der Unterhologramme, um graduelle Übergänge der Unterhologramme an den Randbereichen zu erhalten. Insbesondere erfolgt jeweils im verbleidenden, das heißt, im nicht überlappenden Bereich der Unterhologramme, nur eine einmalige Belichtung des holographischen Films.
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Weiter bevorzugt werden die beiden Unterhologramm jeweils mittels einzelner Lichtpulse in den holographischen Film einbelichtet. Das heißt, die beiden Unterhologramme werden vorzugsweise mittels einer gepulsten Lichtquelle einbelichtet. Ein einzelner solcher Lichtpuls kann beispielsweise eine Dauer im Bereich weniger Millisekunden oder Nanosekunden aufweisen. Mit anderen Worten ist vorzugsweise zwischen einem Ende einer ersten Belichtung des holographischen Films zur Erzeugung des ersten Unterhologramms und einem Start einer zweiten Belichtung des holographischen Films zur Erzeugung des zweiten Unterhologramms eine Pause für die vordefinierte Zeitspanne vorgesehen, während welcher keine Belichtung des holographischen Films erfolgt. Dadurch kann eine besonders gezielte und energiesparende Erzeugung der Unterhologramme erreicht werden.
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Vorzugsweise werden die beiden Unterhologramme mittels einer kontinuierlichen Belichtung des holographischen Films erzeugt. Das heißt, die beiden Unterhologramme werden mittels eines einzigen, ununterbrochenen Lichtstrahl erzeugt. Vorteilhafterweise erfolgt hierfür eine Bewegung eines für die Belichtung vorgesehenen Lichtstrahls relativ zum holographischen Film während des Einbelichtens. Insbesondere erfolgt in diesem Fall die Einschränkung der Ausbildung des ersten Unterhologramms dadurch, dass diese Relativbewegung so ausgelegt ist, dass ein Teilbereich des ersten Unterhologramms für eine längere Zeit als die für die Erzeugung des ersten Unterhologramms notwendige Zeit belichtet wird. Somit entspricht dieser länger belichtete Bereich dem überlappenden Bereich. Bevorzugt sind Prozessparameter des für das Einbelichten der Unterhologramme vorgesehenen Lichtstrahls entsprechend angepasst, um, insbesondere beim relativen Bewegen von Lichtstrahl und holographischem Film, die Ausprägung des ersten Unterhologramms einzuschränken. Somit kann eine besonders einfache Vorrichtung bereitgestellt werden, welche schnell und kostengünstig die holographischen optischen Elemente erzeugen kann.
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Besonders bevorzugt wird der holographische Film und eine zum Einbelichten der Unterhologramme vorgesehene Lichtquelle während des Einbelichtens der Unterhologramme relativ zueinander bewegt. Insbesondere erfolgt die Relativbewegung so, dass ein auf den holographischen Film eingestrahlter Lichtstrahl und der holographische Film sich relativ zueinander bewegen.
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Vorzugsweise erfolgt die Relativbewegung schrittweise, insbesondere so, dass der holographische Film und der Lichtstrahl jeweils für eine vorbestimme Haltedauer an einer relativen Position gehalten werden und anschließend weiterbewegt werden. Alternativ kann die Relativbewegung vorzugsweise eine kontinuierliche Relativbewegung, insbesondere mit konstanter Relativgeschwindigkeit, sein. Durch ein derartiges Abfahren des holographischen Films mit dem von der Lichtquelle erzeugten Lichtstrahl können besonders einfach und schnell großflächige holografische optische Elemente, welche insbesondere aus einer Vielzahl an Unterhologrammen zusammengesetzt werden, erzeugt werden.
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Vorteilhafterweise werden die Unterhologramme jeweils als Replikation zumindest eines Teils eines Masterhologramms erzeugt. Beispielsweise können die Unterhologramme als Kontaktkopie jeweils zumindest eines Teils des Masterhologramms erzeugt werden. Bei einer Kontaktkopie stehen das Masterhologramm und der holographische Film in unmittelbarem Kontakt miteinander. Alternativ kann das Masterhologramm durch geeignete Auslegung z.B. auch in einer geringen Distanz zum holographischen Film positioniert sein. Vorzugsweise werden die Unterhologramme hierbei erzeugt, indem das Masterhologramm mit Laserstrahlung bestrahlt wird, um eine Objektwelle zu erzeugen. Die Objektwelle wird in diesem Fall in den holographischen Film einbelichtet, um eines der Unterhologramme zu erzeugen. Hierdurch wird die auf dem Masterhologramm vorhandenen Information entsprechend in den holographischen Film kopiert. Dadurch kann eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung der holographischen optischen Elemente ermöglicht werden.
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Bevorzugt werden der holographische Film und das Masterhologramm während des Einbelichtens der Unterhologramme relativ zueinander bewegt, um sequentiell die einzelnen Ausschnitte des holographischen optischen Elements einbelichten zu können. Vorzugsweise können der holographische Film und das Masterhologramm schrittweise relativ zueinander bewegt werden, insbesondere so, dass der holographische Film und das Masterhologramm jeweils für eine vorbestimme Haltedauer an einer relativen Position gehalten werden und anschließend weiterbewegt werden. Alternativ können der holographische Film und das Masterhologramm kontinuierlich, insbesondere mit konstanter Relativgeschwindigkeit, relativ zueinander bewegt werden.
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Besonders bevorzugt erfolgt das Einbelichten der Unterhologramme mittels eines jeweils unterschiedlichen Lichteinfallswinkels. Dadurch können komplexe optische Funktionen des herzustellenden holographischen optischen Elements erzeugt werden, wie beispielsweise eine astigmatische Krümmung. Insbesondere können dadurch flexibel komplexe optische Funktionen bei Verwendung einfacher und kostengünstiger Masterhologramme erzeugt werden. Alternativ oder zusätzlich zu einer Änderung des Lichteinfallswinkels können auch andere Prozessparameter, wie beispielsweise ein Divergenzwinkel einer Wellenfront, für jedes der Unterhologramme separat angepasst werden, um besonders flexibel vielfältige optische Funktionen der herzustellenden holographischen optischen Elemente erzielen zu können.
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Vorzugsweise werden eine Mehrzahl an Unterhologrammen nacheinander, insbesondere entlang einer Längsrichtung, in den holographischen Film einbelichtet. Jedes Unterhologramm überlappt sich dabei mit zumindest einem zuvor einbelichteten Unterhologramm. Besonders bevorzugt kann ein Überlapp auch entlang mehrerer Richtungen vorgesehen sein, insbesondere zusätzlich zur Längsrichtung in einer dazu senkrechten Querrichtung. Insbesondere kann sich in diesem Fall ein Unterhologramm mit mehreren, vorzugsweise zwei, Unterhologrammen gleichzeitig überlappen. Das als Letztes einbelichtete Unterhologramm, das heißt, das in Längsrichtung an einem Rand des holographischen optischen Elements angeordnete Unterhologramm, wird dabei vollständig ausgebildet. Das heißt, über das als Letztes einbelichtete Unterhologramm wird anschließend kein dessen Ausprägung einschränkendes weiteres Unterhologramm überschrieben. Dadurch können großflächige holographische optische Elemente mittels Wellen mit verhältnismäßig kleiner Ausdehnung hergestellt werden, wodurch eine besonders effiziente und kostengünstige Herstellung der holographischen optischen Elemente erzielt werden kann.
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Weiterhin führt die Erfindung zu einem holographischen Film mit einem holographischen optischen Element. Das holographische optische Element ist vorzugsweise durch ein vorstehend beschriebenes Verfahren hergestellt. Das holographische optische Element umfasst zumindest ein erstes Unterholgramm und ein zweites Unterhologramm, wobei sich das erste Unterhologramm und das zweite Unterhologramm in einem überlappenden Bereich überlappen. Das erste Unterhologramm ist dabei im überlappenden Bereich zumindest teilweise durch das zweite Unterhologramm überschrieben. Vorzugsweise ist dabei erste Unterhologramm im überlappenden Bereich vollständig durch das zweite Unterhologramm überschrieben, das heißt, es liegen insbesondere ausschließlich holographische Gitterstrukturen des zweiten Unterhologramms im überlappenden Bereich vor. Alternativ bevorzugt kann das erste Unterhologramm im überlappenden Bereich nur teilweise durch das zweite Unterhologramm überschrieben sein, so dass insbesondere holographische Gitterstrukturen beider Unterhologramme im überlappenden Bereich vorliegen.
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Bevorzugt beträgt eine Fläche des überlappenden Bereichs, in welchem sich die beiden Unterhologramme überlappen, mindestens 2% und maximal 50%, besonders bevorzugt mindestens 5% und maximal 10%, einer Fläche des ersten Unterhologramms oder des zweiten Unterhologramms. Insbesondere überlappen sich somit vor allem die Randbereiche der Unterhologramme, sodass graduelle Übergänge der Unterhologramme vorliegen.
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Besonders bevorzugt umfasst der holographische Film eine Mehrzahl an Unterhologrammen, welche vorzugsweise das holographische optische Element bilden, und welche insbesondere nacheinander entlang einer Längsrichtung des holographischen optischen Elements angeordnet sind. Dabei überlappt sich jeweils ein Unterhologramm mit einem zuvor einbelichteten Unterhologramm in jeweils einem überlappenden Bereich. Das als Letztes einbelichtete Unterhologramm, das heißt, das in Längsrichtung an einem Rand des holographischen optischen Elements angeordnete Unterhologramm, ist dabei vollständig ausgebildet, das heißt, nicht durch an weiteres Unterhologramm überschrieben.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren beschrieben. In den Figuren sind funktional gleiche Bauteile jeweils mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Dabei zeigt:
- 1 eine vereinfachte schematische Ansicht eines Verfahrens zur Herstellung holographischer optischer Elemente gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 2 eine alternative Ansicht der 1.
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Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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Die 1 und 2 zeigen vereinfachte schematische Ansichten eines Verfahrens zur Herstellung holographischer optischer Elemente 10 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei dem Verfahren werden mehrere Unterhologramme 1, 2 in einen holographischen Film 3, welcher ein Photopolymer umfasst, einbelichtet, wobei die Herstellung nachfolgend beispielhaft anhand von zwei Unterhologrammen 1, 2 erläutert wird. Die Unterhologramme 1, 2 werden dabei als Replikation jeweils eines Teils 10a eines Masterhologramms 4 erzeugt. Hierfür belichtet eine Lichtquelle 7 das Masterhologramm 4, indem ein Lichtstrahl durch den holographischen Film 3 hindurch auf das Masterhologramm 4 gestrahlt wird. Hierdurch wird eine Objektwelle 8a erzeugt, welche eine im Masterhologramm 4 enthaltene Information in den holographischen Film 3 einbelichtet, um in diesem das Unterhologramm 1, 2 zu erzeugen.
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Der Lichtstrahl wird dabei für jedes Unterhologramm 1, 2 in Form eines einzelnen Lichtpulses 8 erzeugt.
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Durch einen ersten einzelnen Lichtpuls 8 wird der holographische Film 3 an einer bestimmten Stelle für eine Dauer von wenigen Millisekunden belichtet, um an dieser Stelle ein erstes Unterhologramm 1 zu erzeugen. Anschließend wird durch einen zweiten Lichtpuls 8' an einer anderen Stelle des holographischen Films 3 ein zweites Unterhologramm 2 erzeugt. Das zweite Unterhologramm 2 wird dabei so in den holographischen Film 3 einbelichtet, dass das erste Unterhologramm 1 und das zweite Unterhologramm 2 entlang einer Längsrichtung A des holographischen Films 3 überlappen.
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Eine Fläche des überlappenden Bereichs 5 entspricht dabei zwischen 5% und 10% einer Fläche des ersten Unterhologramms 1.
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Der für die Erzeugung des zweiten Unterhologramms 2 vorgesehene zweite Lichtpuls 8' wird dabei innerhalb einer vordefinierten Zeitspanne nach dem Ende des ersten Lichtpulses 8 in den holographischen Film 3 eingestrahlt. Diese vordefinierte Zeitspanne beträgt vorzugsweise 1s und ist so bemessen, dass in dem überlappenden Bereich 5 eine vollständige Ausprägung des ersten Unterhologramms 1 durch die zweite Belichtung verhindert wird. Dadurch liegen nach der Fertigstellung des holographischen optischen Elements 10 in dem überlappenden Bereich 5 vorzugsweise lediglich die dem zweiten Unterhologramm 2 entsprechenden Informationen vor.
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Dadurch wird ein gradueller Übergang zwischen den einzelnen Abschnitten, das heißt zwischen den Unterhologrammen 1, 2, des holographischen optischen Elements 10 realisiert. Das fertiggestellte holographische optische Element 10 weist hierdurch ein besonders homogenes Erscheinungsbild auf. Durch die Überlappung der beiden Unterhologramme 1, 2 kann ein besonders gleichmäßiger Übergang erreicht werden, um bei einem Abspielen des fertiggestellten holographischen optischen Elements 10 ein optimales kantenfreies Bild zu erhalten.
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Um die versetzte Anordnung der Unterhologramme 1, 2 zu erzielen, werden die Lichtquelle 7, der holographische Film 3 und das Masterhologramm 4 relativ zueinander bewegt, wie in der 2 angedeutet.
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Im Detail wird in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der holographische Film 3 an einer im Raum fixen Position gehalten. Die Lichtquelle 7 wird nach dem Einbelichten des ersten Unterholgramms 1 relativ zum holographischen Film 3 in einer durch den Pfeil B dargestellten Richtung bewegt. Hierdurch wird das zweite Unterhologramm 2 entsprechend an einer anderen Position aber mit dem ersten Unterhologramm 1 überlappend in den holographischen Film 3 einbelichtet.
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Zusätzlich zu der Verschiebung der Lichtquelle 7 wird ein Lichteinfallswinkel 9 der ausgesendeten Lichtpulse 8 verändert. Im dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein zweiter Lichteinfallswinkel 9' zum Einbelichten des zweiten Unterhologramms 2 gegenüber einer ersten Lichteinfallswinkel 9 zum Einbelichten des ersten Unterhologramms 1 verkleinert. Durch eine solche Änderung des Lichteinfallswinkels 9 können auf einfache Weise zusätzliche komplexe optische Funktionen des holographischen optischen Elements 10 erzeugt werden, insbesondere ohne dass derartige optische Funktionen bereits vorab in dem zu kopierenden Masterhologramm 4 vorgesehen sein müssen.
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Ferner kann das Masterhologramm 4 in einer durch den Pfeil C gekennzeichneten Richtung relativ zum holographischen Film 3 bewegt werden. Dadurch kann beispielsweise ein bestimmter Abschnitt des Masterhologramms 4 mehrfach in den holographischen Film 3 einbelichtet werden. Insbesondere kann hierdurch ein Masterhologramm 4 mit kleiner Größe im Vergleich zum herzustellenden holographischen optischen Element 10 verwendet werden, was sich weiter günstig auf eine einfache und kostengünstige Herstellung des holographischen optischen Elements 10 auswirkt.
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Es sei angemerkt, dass alternativ zu einer gepulsten Lichtquelle 7 auch eine kontinuierlich auf den holographischen Film 3 einstrahlende Lichtquelle 7 verwendet werden kann. In diesem Fall sind Prozessparameter der Lichtquelle 9 und die, insbesondere ebenfalls kontinuierliche, Relativbewegung vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, dass ein Teilbereich des holographischen Films 3 für eine längere Zeit als die für die Erzeugung des ersten Unterhologramms 1 notwendige Zeit belichtet wird, um auf diese Weise die Ausprägung des ersten Unterhologramms 1 teilweise einzuschränken. Somit entspricht dieser länger belichtete Bereich dem überlappenden Bereich 5.
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Ferner kann anstatt einer einzelnen Lichtquelle 7 vorzugsweise auch eine Mehrzahl an Lichtquellen zum Einbelichten des Unterhologramme 1, 2 verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017218545 A1 [0002]
