DE2162415A1 - Vorrichtung zur Herstellung von Hologrammen - Google Patents

Description

Böblingen, den 14. Dezember 1971 pr-bue -

Anmelderin: International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: Docket EN 970 054

Vorrichtung zur Herstellung von Hologrammen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Hologrammen mit hohem Auslösungsvermögen und Wirkungsgrad.

Bei vielen Anwendungen der Holographie, insbesondere bei der Verwendung der Holographie zur Belichtung der Photolackschicht bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen hat es sich gezeigt, daß der Wirkungsgrad, das Auflösungsvermögen und insbesondere die numerische Apertur der zur Aufnahme der Hologramme benützten Vorrichtungen zu klein sind. Zwar ist es möglich, einen Teil der obengenannten Nachteile durch Verwendung intensiverer Lichtquellen zu beseitigen, es hat sich aber gezeigt, daß die als Lichtquellen allein in Frage kommenden Laser ihre höchste Lichtausbeute in Wellenlängenbereichen haben, in denen die Empfindlichkeit der heute zur Verfügung stehenden- Photolackschichten besonders schlecht ist.

Ein weiterer Nachteil der bisher zur Belichtung von mit einer Photolackschicht überzogenen Halbleiterplättchen bei der Herstellung von integrierten Schaltungen verwendeten Verfahren ist durch die sogenannte Körnigkeit des Laserlichtes bedingt, die eine einwand-

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freie Wiedergabe von Schaltungselementen in der Größenordnung von 1 ym unmöglich macht.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, eine Vorrichtung zur Herstellung und Wiedergabe von Hologrammen anzugeben, bei denen das Auflösungsvermögen, die nunerische Apertur und der Wirkungsgrad mit einfachen Mitteln wesentlich verbessert werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Vorrichtung zur Herstellung von Hologrammen mit hohem Auflösungsvermögen und Wirkungsgrad sowie großer numerischer Apertur gelöst, die gekennzeichnet ist durch im Verlaufe des Objektstrahls angeordnete, reflektierende und/oder beugende Elemente, die einen möglichst großen Teil der vom Objekt in einer anderen als zum Aufzeichnungsträger verlaufenden Richtung ausgehenden Objektstrahlen zu diesem zurückführen.

Eine besondere vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist gekennzeichnet durch einen zwischen Objekt und Aufzeichnungsträger angeordneten, mit reflektierenden oder totalreflektierenden Innenflächen versehenen Körper mit rechteckigem, quadratischem, kreisförmigem oder ellipsenförmigem Querschnitt.

Eine andere besonders vorteilhafte Ausfuhrungsform des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Innenflächen senkrecht oder annähernd senkrecht zur Richtung des Objektstrahls verlaufende Krümmungsradien haben.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig, 1; die schematische Darstellung einer besonders einfachen erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aufnahme von Hologrammen;

Fig. 2: eine schematische Darstellung eines besodners einfachen Ausführungsbeispiels nach der Erfindung zur

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Wiedergabe von mit der in Fig. 1 dargestellten Anordnung aufgenommenen Hologrammen;

Fig. 3a + 3b: Darstellungen der durch zum Stande der Technik

gehörenden bzw. durch erfindungsgemäße Anordnungen aufgezeichneten Hologramme.

Fig. 4+5: schematische Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung fällt eine vorzugsweise von einem nicht dargestellten Laser ausgehende parallele kohärente Strahlung 15 auf einen beispielsweise als Mattscheibe 11 ausgebildeten Diffusor und in den Randbereichen auf einen Aufzeichnungsträger 13. Hinter der Mattscheibe 11 ist ein durchsichtiges Objekt 11 angeordnet, das durch die an der Mattscheibe gestreute Strahlung beleuchtet wird. Der ganze Strahlenverlauf wird von einem quadratischen oder zylinderförmigen Reflektor 12 umgeben. Das Objekt IO kann beispielsweise eine durchsichtige photographische Platte sein, auf der integrierte Schaltungen wiedergegeben werden. Die am Objekt 10 gestreute Strahlung fällt entweder, wie durch die mit 17 bezeichnete gestrichelte Linie angedeutet, unmittelbar auf die lichtempfindliche Emulsion 19 des Aufzeichnungsträgers 13 oder wird, wie beispielsweise durch die mit 16 bezeichneten gestrichelten Linien angedeutet, an Flächen des Reflektors 12 in Richtung auf die fichtempfindliche Emulsion abgelenkt. Der nicht auf die Mattscheibe 11 fallende Anteil der Strahlung 15 fällt als Bezugsstrahl auf die äußeren Bereiche des Aufzeichnungsträgers 13. Das an der als Diffusor dienenden Mattscheibe gestreute Licht fällt in allen möglichen Richtungen auf das Objekt, so daß jeder Objektpunkt durch das ihn durchsetzende Licht ein Interferenzmuster erzeugen kann. Die Phasenbeziehungen des Objektstrahles sind zufällig aber konstant. Wie aus Fig. 1 weiter zu ersehen, bildet der durch die Randbereiche der Strahlung 15 dargestellte Bezugsstrahl einen Hohlkörper, da nur die am Objekt gestreuten Strahlen im Bereich des geometrischen Objektschattens

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verlaufen. Auf diese Welse wird ein einziger Laserstrahl sowohl in Bezugs- als auch in Objektstrahlen aufgespalten um die erforderlichen Interferenzstreifen im Bereich des Aufzeichnungsträgers zu erzeugen. Die holographische Aufzeichnung entsteht somit nur außerhalb des Umfanges des Objektschattens und erstreckt sich bis zu den Randbereichen des Aufzeichnungsträgers 13.

Da die Objektstrahlen, wie aus den Figuren ersichtlich/ das durchsichtige Objekt 10 in allen beliebigen Richtungen verlassen/ wird/ wie schon oben beschrieben, ein Teil der Strahlen nicht unmittelbar auf den Aufzeichnungsträger fallen. Durch den zwischen Objekt und Aufzeichnungsträger angeordneten Reflektor 12 wird ein großer " Teil dieser Strahlen so umgelenkt, daß er auf den Aufzeichnungsträger 13 fällt. Die auf diese Weise zum Aufzeichnungsträger zurückreflektierten Strahlen bilden zusätzliche Interferenzstreifen, wodurch das Auflösungsvermögen des erzeugten Hologramms verbessert wird.

Der Reflektor 12 kann beispielsweise durch mehrere Spiegel gebildet werden, die an ihren Längsseiten miteinander verbunden sind und so einen tunnelförmigen Kanal bilden. Es wird darauf hingewiesen, daß der reflektierende Belag dieser Spiegel möglichst wenig Licht absorbieren soll. Die Form des Kanals oder Tunnels ist eine Funktion des gewünschten Auflösungsvermögens und der gefc wünschten Bildfläche. Der Reflektor kann die verschiedensten Formen/ beispielsweise rechteckig, quadratisch, rund, dreieckig, elliptisch usw. haben. Es ist leicht einzusehen, daß die bei der Herstellung des Hologramms verwendete Reflektorform auch bei der Wiedergabe dieses Hologramms verwendet werden muß.

D&z Aufzeichnungsträger 13 kann beispielsweise aus einer Glasplatte 18 bestehen/ die mit einer auf die Wellenlänge der Strahlung 15 abgestimmten lichtempfindlichen Emulsion 19 überzogen ist. Soll das Hologramm zur Belichtung von Photolackschichten verwendet werden/ so wird vorzugsweise eine im kurzen UV-Bereich liegende Wellenlänge gewählt.

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Die mit der oben beschriebenen Vorrichtung aufgezeichneten Hologramme können mit der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung wiedergegeben werden. Zur Wiedergabe des Hologramms wird eine Strahlung 15 von rechts auf den nunmehr entwickelten Aufzeichnungsträger 13 gerichtet, so daß sie in entgegengesetzter Richtung wird die in Fig. 1 dargestellte Strahlung verläuft. Vor dem Aufzeichnungsträger 13 liegt jetzt eine Blende 20, durch die die Streustrahlung Nullter Ordnung von dem Teil des Hologramms ferngehalten wird, das ursprünglich im geometrischen Objektschatten gelegen ist. Mit einem in geeigneter Weise entwickelten Hologramm 13 und einem gut ausgerichteten Reflektor 12 wird ein reelles Bild im ursprünglichen Objektbereich erzeugt.

Der erfindungsgemäße Reflektor verursacht eine beträchtliche Verbesserung des Auflösungsvermögens und der Intensität der erzeugten Abbildungen im Vergleich mit den durch bekannte Vorrichtungen erzielbaren Ergebnissen. Zum Vergleich wird auf die Fign. 3a und 3b hingewiesen, von denen die Fig. 3a die Photographie einer vergrößerten Abbildung ohne Reflektor und Fig. 3b die Photographie einer unter Verwendung eines Reflektors hergestellte Abbildung ist. Es fällt besonders auf, daß die Größe der Körnung in Fig. 3b kleiner als in Fig. 3a ist, was zu einer Verbesserung der Kantenwiedergabe führt. Die Intensitätsverbesserung ist aus der Tatsache zu entnehmen, daß die Belichtungszeit für die Fig. 3b halb so groß war wie für Fig. 3a.

Für eine Verbesserung der Rückführung der von Objekt 10 ausgehenden Strahlung kann der Reflektor beispielsweise die in Fig. 4 dargestellte Form annehmen. Der mit 21 bezeichnete Reflektor hat reflektierende Flächen 22, die so ausgebildet sind, daß ein Maximum an Strahlen auf den Aufzeichnungsträger gelangt und das Auflösungsvermögen und der Wirkungsgrad verbessert wird. Der Reflektor 21 kann aus jedem geeigneten Material bestehen, das mit einer auf die Wellenlänge der zu verwendenden Strahlung abgestimmten Schicht überzogen ist. Die Verwendung von in geeigneter Weise gekrümmten Flächen 22 erlaubt es, den Winkel zwischen den interferierenden

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Objekt- und Bezugsstrahlen zu verkleinern und führt zu einem Hologramm mit niedrigeren Raumfrequenzen, das jedoch die Projektion von hohen Raumfrequenzen gestattet. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß billigere und empfindlichere Emulsionen zur Aufzeichnung des Hologramms verwendet werden können.

Anstelle eines den Strahlenweg umgebenden Reflektors kann auch ein Körper mit einem relativ hohen Brechungsindex zwischen dem durchsichtigen Objekt 10 und dem Aufzeichnungsträger 13, wie in Fig. 5 dargestellt, angeordnet werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Reflektor 21 durch einen Glasblock 25 ersetzt, der nahezu die gleiche Wirkung hat. Die vom durchsichtigen Objekt 10 ausgehenden Objektstrahlen treten in den Block 25 unter verschiedenen Winkeln ein und werden aufgrund der Beugungsgesetze in Richtung der Normalen, beispielsweise in Richtung der durch 26 gekennzeichneten gestrichelten Linien, abgelenkt. Die Abstände vom durchsichtigen Objekt und vom Aufzeichnungsträger.zum Glasblock betragen etwa 2 bis 3 Zehntel Millimeter.

Diese Zurückführung von Strahlen vergrößert die Intensität der auf den Aufzeichnungsträger fallenden Strahlung, was zu einer Verbesserung des Auflösungsvermögens und der Intensität führt. Wie bei den oben beschriebenen Vorrichtungen wird der Aufzeichnungsträger 13 vorzugsweise im Bereich des geometrischen Objektschattens angeordnet. Selbstverständlich ist es auch möglich, die lichtempfindliche Schicht unmittelbar auf eine Fläche des Glasblockes 25 aufzubringen, so daß ein besonderer Träger für diese Schicht unnötig wird.

Liegt der Glasblock 25 innerhalb einer Substanz mit einem kleineren Brechungsindex, beispielsweise Luft, so werden zusätzlich zu den gebeugten Strahlen noch weitere Strahlen an seinem äußeren Flächen totalreflektiert. Derartige an der inneren Seite der Außenflächen des Glaskörpers 25 totalreflektierte Strahlen sind in Fig. 5 mit 27 bezeichnet. Wie auch im Zusammenhang mit der Bechreibung der Fign. 1, 2 und 4 angegeben, kann die Form des Glas-

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blockes 25 so gewählt werden, daß optimale Ergebenisse eintreten.

Die Wiedergabe des aufgezeichneten Bildes erfolgt in der gleichen Heise wie im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. 2 angegeben. Eine kohärente Strahlung fällt von der anderen Seite auf die nunmehr ein Hologramm darstellende entwickelte lichtempfindliche Emulsion 19 und erzeugt im ursprünglichen Bereich des Objektes eine reelle Abbildung. Bei Verwendung der in Fig. 5 dargestellten Vorrichtung sind kleine Störungen innerhalb des Glasblockes ohne Bedeutung, da die vom Hologramm ausgehenden Strahlen auf den gleichen Wegen verlaufen wie sie bei der Aufnahme des Hologramms von dem vom Objekt ausgehenden Strahlen durchlaufen wurden. Dadurch werden etwaige auftretende Störungen oder Aberrationen rückgängig gemacht.

Bei Verwendung eines mit reflektierenden Innenflächen versehenen Tunnels oder eines Glasblockes ist es vorteilhaft, daß die Strahleneintrittsfläche und die Hologrammfläche Durchmesser haben, die einige Male größer als der Durchmesser des durchsichtigen Objekts ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß der Bezugsstrahl den Obektstrahl vollständig umgibt und Interferenzstreifen entstehen, die von einem größeren Anteil der Objektstrahlung gebildet werden. Die mit der Ausrichtung des Aufzeichnungsträgers auf den Tunnel oder den Glasblock verbundenen Schwierigkeiten können dadurch verkleinert oder vermieden werden, daß der Träger der photographischen Emulsion mit dem Tunnel oder dem Glasblock an einigen Stellen mit Hilfe eines Klebenmittels verbunden wird, so daß der Träger für die lichtempfindliche Emulsion und die Mittel zur Zurückführungder Strahlen auf denselben während der Belichtung, der Entwicklung und der Wiedergabe eine einzige Einheit bilden. Da der Abstand zwischen dem Aufzeichnungsträger und den das Licht umlenkenden Mitteln einige ym betragen soll, kann die auf einem Träger angeordnete lichtempfindliche Emulsion auf einer beliebigen Seite dieses Trägers angeordnet werden. Liegt die lichtempfindliche Emulsion an der Seite des Glasblockes, so wird der Entwicklungsvorgang wegen der Schwierigkeit, die Entwicklerflüs-

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sigkeit an alle Stellen des belichteten Hologramms gelangen zu lassen, verlangsamt.

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Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Vorrichtung zur Herstellung von Hologrammen mit hohem Auflösungsvermögen und Wirkungsgrad, gekennzeichnet durch im Verlauf eines Objektstrahls (16, 17, 26, 27) angeordnete reflektierende und/oder beugende Elemente (12, 21, 22, 25) die einen möglichst großen Teil der von einem Objekt (10) in einer anderen Richtung als zu einem Aufzeichnungsträger

   (13) verlaufenden Richtung ausgehenden Objektstrahlen zu diesem zurückführen.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch l, gekennzeichnet durch einen zwischen Objekt (1O) und Aufzeichnungsträger angeordneten, mit reflektierenden oder totalreflektierenden Innenflächen (22) versehenen Hohlkörper (12, 21) mit rechteckigem, quadratischem, kreisförmigem oder elliptischem Querschnitt.
3. 3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden oder totalreflektierenden Innenflächen (22, 25) senkrecht oder annähernd senkrecht zur Richtung des Objektstrahles ve!raufende Krümmungsradien haben.
4. 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das holographisch aufzunehmende Objekt (10) in der Mitte der Strahleneintrittsfläche so angeordnet ist, daß der durch das Objekt modulierte Objektstrahl von allen Seiten von dem durch das Objekt nicht modulierten Bezugsstrahl umgeben wird.
5. 5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Aufnahme vor dem Objektstrahl (10) ein etwa die gleiche Größe aufweisendes Diffusor (11) angeordnet und bei der Wiedergabe eine den Mittelbereich des

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   Hologramms gegen den Wiedergabestrahl abschirmende Blende (20) vorgesehen ist.

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