DE2053625C3 - Method and arrangement for optical multiplication with the aid of multiple phase holograms - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur optischen Vervielfachung mit Hilfe von Vielfachhologrammen. The invention relates to a method for optical multiplication with the aid of multiple holograms.

Aufgabe der Erfindung ist es, regelmäßig ein- oder zweidimensionale Anordnungen von untereinander gleichen Phasenhologrammen (Vielfach-Phasenhologramme, im folgenden kurz Vielfachhologramme genannt) herzustellen, die als optische Komponenten dazu dienen können, Bilder zu vervielfachen. Die Anzahl und räumliche Lage der vervielfachten Bilder sollen dabei unabhängig von der Bildvorlage und nur durch die Parameter des Vielfachhologramms gegeben sein.The object of the invention is to regularly create one- or two-dimensional arrangements of one another same phase holograms (multiple phase holograms, hereinafter referred to as multiple holograms), which are used as optical components can serve to multiply images. The number and spatial location of the multiplied images should be independent of the original image and only through the parameters of the multiple hologram be given.

In zahlreichen optischen Anordnungen hat man es mit der Aufgabe zu tun', optische Wellenfelder zu vervielfachen. Zwei Grenzfälle sind dabei besonders interessant: die Vervielfachung von Fourier-Spektren optischer Strukturen in optischen Multiplex-Filtersystemen und die Vervielfachung gewöhnlicher zweidimensionaler Bilder. Als Beispiel für den letzten Fall sei hier genannt die Vervielfachung von Schaltkreismustern bei der Herstellung integrierter Schaltkreise. In der gegenwärtigen Technik wird diese Aufgabe mit Hilfe von Repetierkameras gelöst, d. h. sehr komplizierten, aufwendigen und teuren Maschinen.In numerous optical arrangements one has to do with the task of producing optical wave fields multiply. Two borderline cases are particularly interesting: the multiplication of Fourier spectra optical structures in optical multiplex filter systems and the multiplication of ordinary two-dimensional Photos. An example of the latter case is the multiplication of circuit patterns in the manufacture of integrated circuits. In the current technology, this task becomes solved with the help of repeating cameras, d. H. very complicated, complex and expensive machines.

Zur direkten optischen Vervielfachung sind bereits verschiedene holographische Verfahren vorgeschlaoen worden (Sun Lu, Proc. IEEE 56 [1968] 116; G. Groh, Appl. Optics 7 [1968] 1643; S. Lowenthal, A. Werts, .M. Rembault, C. R. Acad. Sei., Paris, B 267 [1968] 120). Ältere Methoden, z. B. mit Hilfe einer Fliegenaugenlinse, haben entscheidende Nachteile gegenüber diesen holographischen Verfahren und brauchen deshalb hier nicht mehr erörtert zu werden.Various holographic methods have already been proposed for direct optical multiplication (Sun Lu, Proc. IEEE 56 [1968] 116; G. Groh, Appl. Optics 7 [1968] 1643; S. Lowenthal, A. Werts, .M. Rembault, CR Acad. Sci., Paris, B 267 [1968] 120). Older methods, e.g. B. with the help of a fly's eye lens, have significant disadvantages compared to these holographic methods and therefore need not be discussed here.

Die holographischen Verfahren sind hauptsächlich durch folgende zwei Faktoren begrenzt:The holographic processes are mainly limited by the following two factors:

1. Der Wirkungsgrad bei der holographischen Rekonstruktion ist relativ klein, so daß der weitaus überwiegende Teil der zur Verfügung stehenden Lichtleistung verlorengeht.1. The efficiency in the holographic reconstruction is relatively small, so that the the vast majority of the available light output is lost.

2. Bei den Verfahren mit geneigter Referenzwelle liegen die vervielfachten Bilder einseitig versetzt vollständig neben der optischen Achse des Strahlenganges. Dies ist für verschiedene Anwendungen recht unpraktisch. Außerdem sind die Abbildungsfehler, die mit der Größe dieser Versetzung stark anwachsen, für die jeweils äußersten vervielfachten Bilder besonders groß.2. In the method with an inclined reference wave, the multiplied images are offset on one side completely next to the optical axis of the beam path. This is for various uses quite impractical. In addition, the aberrations, which increase sharply with the size of this dislocation, are for each extreme multiplied images especially large.

Die vorgeschlagene Vervielfachung mit Hilfe von Vielfachhologrammen beseitigt beide Nachteile, und die Erfindung besteht darin, daß eine regelmäßige Anordnung von gleichen Phasenhologrammen benutzt wird, deren Einzelstruktur z. B. aus symmetrischen Polygonen, wie Quadraten und Rechtecken besteht und so aufgebaut ist, daß eine vorgegebene Verteilung der Intensitäten unter den vervielfachten Bildern entsteht.The proposed multiplication with the aid of multiple holograms eliminates both disadvantages, and the invention consists in that a regular arrangement of identical phase holograms is used is whose single structure z. B. from symmetrical polygons, such as squares and rectangles exists and is so constructed that a predetermined distribution of intensities among the multiplied Images.

E>ie Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel dar Es zeigtThe drawing shows an exemplary embodiment It shows

F i g. 1 eine schematische Anordnung,F i g. 1 a schematic arrangement,

F i g. 2 und 3 Strukturen der hergestellten Phasenhologramme. F i g. 2 and 3 structures of the phase holograms produced.

Ohne ein Vielfachhologramm würde eine gewöhnliche Abbildung des Musters M durch Linse L in seinem Bild M_b erfolgen. Bringt man nun das Vielfachhologramm V in den Strahlengang und beleuchte! man hinreichend kohärent (z. B. mit einem Laser), so entstehen neben dem zentralen Bild M_b weitere Bilder M_n deren Intensitäten relativ zu M_b je nach den Erfordernissen in weiten Grenzen vorgegeben werden können.Without a multiple hologram, an ordinary imaging of the pattern M would take place through lens L in its image M _b . Now bring the multiple hologram V into the beam path and illuminate! if it is sufficiently coherent (e.g. with a laser), in addition to the central image M _b, further images M _{n are created,} the intensities of which can be specified within wide limits relative to M _{b, depending on the requirements.}

Diese Intensitätsverteilung unter den Bildern M_b und M_v wird durch dw Struktur des Einzelhologramms im Vielfachhologramm bestimmt. Diese Struktur kann insbesondere so gewählt werden, daß man innerhalb eines zentralen Blocks um die optische Achse eine Gleichverteilung der Intensität hat und in diesen untereinander gleich intensiven Bildern der überwiegende Teil der benutzten Lichtleistung vorhanden ist.This intensity distribution among the images M _b and M _v is determined by the structure of the individual hologram in the multiple hologram. This structure can in particular be chosen in such a way that the intensity is uniformly distributed within a central block around the optical axis and the predominant part of the light power used is present in these images of equal intensity among one another.

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Es gibt verschiedene Wege, Einzelhologramme herzustellen bzw. deren Struktur zu bestimmen. Im Prinzip ist es möglich, mit den bekannten holographischen Aufnahmeverfahren geeignete Einzelhologramme herzustellen, aus denen dann, z. B. durch Abdruckverfahren, die Vielfachhologramme aufgebaut werden können.There are different ways of making single holograms to produce or to determine their structure. In principle it is possible with the known holographic Recording process to produce suitable individual holograms, from which then, for. B. by Impression processes that can be built up with multiple holograms.

Ein anderer interessanter Weg besteht darin, das Vielfachhologramm synthetisch herzustellen. Dazu muß die Struktur des Einzelhologramms bekannt sein, d. h. im allgemeinen auf einer elektronischen Rechenanlage zunächst berechnet werden. Zu dieser Berechnung haben sich verschiedene Verfahren bereits als geeignet erwiesen. Diese Verfahren bauen im Prinzip auf bekannten Verfahren (z. B. A. W. Lohmann und D. P. Paris, Appl. Opt. 6 [1967] 1739; L. B. Lesern. P. M. Hirsch, und J. A. Jordan. IBM J. Res. Develop. 13 [1969] 150) auf, unterscheiden sich aber wesentlich von diesem, indem nicht hinreichende, sondern besonders optimale Phasenstrukturen bestimmt werden.Another interesting way is to make the multiple hologram synthetically. In addition the structure of the individual hologram must be known, d. H. generally on an electronic Computing system must first be calculated. Various methods have already been used for this calculation proved suitable. In principle, these processes are based on known processes (e.g. A. W. Lohmann and D. P. Paris, Appl. Opt. 6 [1967] 1739; L. B. readers. P. M. Hirsch, and J. A. Jordan. IBM J. Res. Develop. 13 [1969] 150), but differ significantly from this in that not sufficient, but rather particularly optimal phase structures are determined.

Besonders einfach wird die Berechnung und Realisierung der Einzelhologramme und der synthetischen Vielfachhologramme, wenn die Hologrammstruktur binär ist. Fig. 2 zeigt die Struktur eines besonders einfachen binären Einzelhologramms mit Phasenbelegungen q, und ψ₂. Die Struktur ist symmetrisch und in beiden Raumrichtungen gleich.The calculation and implementation of the individual holograms and the synthetic multiple holograms is particularly simple when the hologram structure is binary. 2 shows the structure of a particularly simple binary individual hologram with phase assignments q ₁ and ψ 2. The structure is symmetrical and the same in both spatial directions.

Im speziellen Fall des binären Phasenhologramms kann man mit großem Vorteil ein besonders geeignetes, relativ einfaches Rechenverfahren verwenden, das direkt von der binären Struktur nach Fig. 2 ausgeht. Diese Struktur ist durch die beiden Größen a_t und a₂ (relativ zu a) vollständig bestimmt (bei fester Phasendifferenz ?, —^₂). Allgemein hat man η geordnete Größen a_v a,... a„, die dazu benutzt werden können, die Intensitäten von η vervielfachten BildernM₁, (s. Fig. 1) relativ zur Intensität von M₆ einzustellen. Im allgemeinen bekommt man für eine Einstellung dieser relativen Intensitäten zahlreiche Lösungen für die a_v a₂ ... a„, die sich durch die Summe der Intensitäten in allen benutzten Bildern (M₆ und M_v in Fig. 1) unterscheiden. Der Anteil dieser Summe der gesamten Intensität, d. h. der Wirkungsgrad des Vielfachhologramms liegt dabei in den besten Fällen um 70 %>.In the special case of the binary phase hologram, a particularly suitable, relatively simple calculation method can be used with great advantage, which starts directly from the binary structure according to FIG. This structure is completely determined by the two quantities a _t and a ₂ (relative to a) (with a fixed phase difference?, - ^ ₂ ). In general, one has η ordered quantities a _v a, ... a ", which can be used to adjust the intensities of η multiplied images _{M 1} , (see FIG. 1) relative to the intensity of M _6. In general, this gets relative intensities numerous solutions for a _v a ₂ ... a ", which differ by the sum of the intensities in all images used (M ₆ and M _v in Fig. 1) for a setting. The proportion of this sum of the total intensity, ie the efficiency of the multiple hologram, is around 70% in the best cases.

Im Fall eines symmetrischen Musters wie in F i g. 2 bekommt man (2η -f I)² Bilder M₆ und M_x,. In the case of a symmetrical pattern as in FIG. 2 we get (2η -f I) ² images M ₆ and M _x,.

Von besonderem praktischen Interesse sind solche Strukturen des Einzelhologramms, die eine vollständige quadratische oder rechteckige Matrix von vervielfachten Bildern gleicher Intensität liefern. Für eine quadratische Matrix von 11x11 Bildern gleicher Intensität mit einer Summenintensität von ca. 45⁰O ergeben sich aus der oben angeführten Rccuenverfahren für die a_v a₂. .. a_sz. B. die folgenden Werte:Structures of the individual hologram which provide a complete square or rectangular matrix of multiplied images of the same intensity are of particular practical interest. For a square matrix of 11 × 11 images of the same intensity with a total intensity of approx. 45 ⁰ O, the above-mentioned calculation method for the a _v a ₂ results. .. a _s z. B. the following values:

O₁ = 0,072; a₂ = 0,352; a₃ = 0,748;
a₄ = 0,786; a. = 0,938; a = 1. O ₁ = 0.072; a ₂ = 0.352; a ₃ = 0.748;
a ₄ = 0.786; a. = 0.938; a = 1.

Die absolute Differenz der beiden Phasenbelegungcn φ₁ und <p₂ (vgl. F i g. 2) des binären Phasenhologramms ist dabei π. Die Phasenbelegungen sind hierbei Quadrate und Rechtecke. Es sind jedoch auch andere symmetrische Polygone bzw. Polyeder verwendbar. The absolute difference between the two phase occupancies n φ ₁ and <p ₂ (see FIG. 2) of the binary phase hologram is π. The phase assignments are squares and rectangles. However, other symmetrical polygons or polyhedra can also be used.

Gegebenenfalls können auch rotationssymmetrische Strukturen in Frage kommen.If necessary, rotationally symmetrical structures can also come into question.

Die Aufteilung nach F i g. 2 wird in entsprechendes Schwarz-Weiß-Muster umgesetzt, wobei die Bezirke mit der Belegung φ_χ schwarz, die mit φ., weiß sind (oder umgekehrt). Dieses Schwan:-Weiß-Muster kann dann mit einer Repetierkamera vervielfacht werden, so daß ein Vielfachmuster entsteht, aus dem F i g. 3 einen Ausschnitt zeigt. Die Repetierkamera wird hierThe division according to FIG. 2 is implemented in a corresponding black-and-white pattern, with the areas with the occupancy φ _χ black, those with φ., White (or vice versa). This swan: white pattern can then be multiplied with a repeating camera, so that a multiple pattern is created from which FIG. 3 shows a section. The repeating camera is here

ίο nur einmal benötigt. Mit dem fertigen Vielfachhologramm können dann beliebig oft Vervielfachungen aller anfallenden Bildvorlagen gemacht werden.ίο only needed once. With the finished multiple hologram You can then multiply all the originals as often as you want.

Mit Hilfe der bekannten Photolacktechnik läßt sich das Vielfachmuster in das entsprechende Phasenmuster umwandeln. Dazu wird zunächst eine Glasplatte hinreichender optischer Qualität mit Photolack beschichtet und im Kontakt mit dem Vielfachmuster belichtet. Anschließend werden, je nach Art des Photolacks, entweder die belichteten oder die unbelichteten Bezirke durch ein geeignetes Lösungsmittel abgelöst und entfernt (Entwicklung des Photolacks). Das so entstandene Phasenmuster kann direkt zur optischen Vervielfachung z. B. nach F i g. 1 verwendet werden, wenn die Photolackschicht eine optische Dicke entsprechend einer Phasenverzögerung von 71 hat. Dies läßt sich ohne große Schwierigkeiten erreichen. Man kann aber auch nach der Entwicklung des Photolacks die vom Lack freien Bezirke mit einer dielektrischen Schicht entsprechend einer Phasenverzögerung von η bedampfen und die mit Photolack bedeckten Bezirke anschließend von Lack und Dielektrikum befreien.With the help of the known photoresist technology, the multiple pattern can be converted into the corresponding phase pattern. For this purpose, a glass plate of sufficient optical quality is first coated with photoresist and exposed in contact with the multiple pattern. Then, depending on the type of photoresist, either the exposed or the unexposed areas are detached and removed using a suitable solvent (development of the photoresist). The resulting phase pattern can be used directly for optical multiplication z. B. according to FIG. 1 can be used if the photoresist layer has an optical thickness corresponding to a phase delay of 71 . This can be achieved without great difficulty. However, after the development of the photoresist, the areas free of the resist can also be vaporized with a dielectric layer corresponding to a phase delay of η and the areas covered with the photoresist can then be freed from the resist and dielectric.

Die Wirkungsweise des Vielfachhologramms kann so erklärt werden, daß zunächst wegen der Netz- bzw. Gitterwirkung des Vielfachmusters bestimmte Punkte der Bildebene dadurch ausgezeichnet sind, daß sich in ihnen die Amplituden der von den Einzelhologrammen rekonstruierten Wellenfelder konstruktiv überlagern und addieren (entsprechend den Orten der Beugungsordnungen eines gewöhnlichen Gitters). Die Verteilung der Lichtintensität auf diese ausgezeichneten Punkte wird also durch das Einzelhologramm bestimmt und gesteuert. Bei Verwendung von geeigneten Phasenhologrammen läßt sich dabei erreichen, daß die zentralen, ausgezeichneten Punkte in und unmittelbar um die optische Achse in diese Steuerung der Intensität einbezogen werden können (in-Iine-Rekonstruktion).The mode of operation of the multiple hologram can be explained in such a way that initially because of the network or lattice effect of the multiple pattern, certain points of the image plane are characterized by that in them the amplitudes of the wave fields reconstructed by the individual holograms are constructive superimpose and add (corresponding to the locations of the diffraction orders of an ordinary grating). The distribution of the light intensity on these marked points is thus determined by the individual hologram determined and controlled. When using suitable phase holograms it can be achieved that the central, distinguished points in and immediately around the optical axis in this Control of the intensity can be included (in-line reconstruction).

Eine solche Lichtpunktverteilung entsteht, falls in F i g. 1 statt des Musters M eine Punktlichtquelle verwendet wird. Beleuchtet man hinreichend kohärent mit einer Lichtverteilung (Objekt), wie z. B. in F i g. 1 mit der durch M gegebenen Verteilung, so entstehen an den Stellen der Lichtpunkte vervielfachte Bilder des Objekts, deren Intensitäten durch die Struktur des Einzelhologramms eingestellt werden.Such a light point distribution arises if in FIG. 1 uses a point light source instead of the pattern M. will. If one illuminates sufficiently coherently with a light distribution (object), such as z. B. in Fig. 1 with the distribution given by M, multiplied images arise at the points of light of the object, the intensities of which are set by the structure of the individual hologram.

Eine besonders interessante Möglichkeit besteht darin, das Vielfachhologramm direkt auf eine Linsenoberfläche, bevorzugt die Austrittsfläche der LinseA particularly interesting option is to apply the multiple hologram directly to a lens surface, preferably the exit surface of the lens

z. B. in F i g. 1 aufzubringen. Dadurch vermeidet man Störungen des Strahlenganges, die durch den Hologrammträger verursacht werden.z. B. in Fig. 1 to apply. This avoids disturbances in the beam path caused by the hologram carrier caused.

Außerdem kann man natürlich in allen Fällen einen gewissen Absorptionsanteil in der Hologrammstruktur zulassen, um z. B. die Bildqualität noch zu verbessern.In addition, one can of course in all cases have a certain amount of absorption in the hologram structure allow to z. B. to improve the image quality.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (8)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Verfahren zur optischen Vervielfachung niit Hilfe von Vielfachhologrammen, dadurch gekennzeichnet, daß eine regelmäßige periodische Anordnung von gleichen Phasenhologrammen benutzt wird, deren Einzelstruktur aus z. B. symmetrischen Polygonen, wie Quadraten und Rechtecken, besteht und deren Anordnung so gewählt ist, daß eine vorgegebene Verteilung der Intensitäten unter den vervielfachten Bildern entsprechend der.physikalisch-optischen Beziehung zwischen Einzelhologramm und Bildintensitätsverteilung entsteht.1. Method for optical multiplication not applicable Using multiple holograms, characterized in that a regular periodic arrangement of the same phase holograms is used, their individual structure from z. B. symmetrical polygons, such as squares and rectangles, and their arrangement is chosen so that a predetermined distribution of intensities among the multiplied Images according to the physical-optical relationship between individual holograms and image intensity distribution arises. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vervielfachten Bilder in das Gebiet der optischen Achse des Strahlenganges fallen (»in-line«-Vervielfachung).2. The method according to claim 1, characterized in that the multiplied images in the Area of the optical axis of the beam path ("in-line" multiplication). 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein vollständiger Block vervielfachter Bilder gleicher oder annähernd gleicher Intensität erzeugt wird.3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that a complete block is multiplied Images of the same or approximately the same intensity is generated. 4. Verfahren nach Anspruch 3 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Vielfachhologramm direkt auf eine Linsenoberfiäche aufgebracht wird.4. The method according to claim 3 to 3, characterized in that the multiple hologram is applied directly to a lens surface. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Vervielfachungen zusammen in einer Reihenanordnung benutzt werden.5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that several multipliers can be used together in a row. 6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch Einzelhologramme mit Apsorptionsanteilen.6. Arrangement for performing the method according to claim 1 or one of the following, characterized by individual holograms with absorption components. 7. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch Einzelhologramme mit einer treppenförmigen Struktur aus wenigen vorgegebenen Stufenhöhen, z. B. in binärer Form.7. Arrangement according to claim 1 or one of the following, characterized by individual holograms with a stepped structure made up of a few predetermined step heights, e.g. Am binary form. 8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Einzelhologramm aus einer mit Photolack beschichteten und im Kontakt mit dem Vielfachmuster belichteten Glasplatte besteht, bei der entweder die belichteten oder unbelichteten Bezirke durch ein geeignetes Lösungsmittel abgelöst oder entfernt sind, und die Photolackschicht eine optische Dicke einer Phasenverzögerung von .-r hat.8. Arrangement according to claim 7, characterized in that the individual hologram consists of a consists of a glass plate coated with photoresist and exposed in contact with the multiple pattern, in which either the exposed or unexposed areas by a suitable one Solvents are peeled off or removed, and the photoresist layer has an optical thickness of a Phase delay of.-R has. 5050