專(zhuān)利名稱(chēng)：制作反射全息圖的方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制作反射全息圖的方法與系統(tǒng)，特別是從具有圓柱形表面的模版(master)制作反射全息圖的方法和系統(tǒng)。
全息攝影術(shù)是一種光學(xué)信息存貯方式。其一般原理在許多參考文獻(xiàn)中均有敘述，諸如E.N.Leith與J.Upatniaks在“科學(xué)美國(guó)人”雜誌212，第6期，24-35頁(yè)(1965年6月)上發(fā)表的“激光攝影術(shù)”一文就有介紹。位于佛羅里達(dá)州奧蘭多的科學(xué)院出版社1987年出版的由R.A。邁耶編輯的物理科學(xué)與技術(shù)百科全書(shū)的第6卷507-519頁(yè)上發(fā)表的由C.C.蓋斯特撰寫(xiě)的“全息攝影術(shù)”一文對(duì)全息攝影術(shù)進(jìn)行了有益的討論。
簡(jiǎn)言之，被攝影或成象的物體由相干光(例如激光器發(fā)出的光)照明，光敏記錄介質(zhì)(例如攝影底片)置于能接收到從該物體上反射的光的位置上。此反射光束被稱(chēng)之為物光束。與此同時(shí)，該相干光的一部分從該物體旁路通過(guò)并投向記錄介質(zhì)，這束光被稱(chēng)為參考光束。照射到記錄介質(zhì)上的參考光束與物光束相互作用產(chǎn)生的干涉圖樣記錄在記錄介質(zhì)上。隨后，當(dāng)對(duì)經(jīng)過(guò)這種處理的記錄介質(zhì)適當(dāng)?shù)卣彰鞑倪m當(dāng)?shù)慕嵌冗M(jìn)行觀察時(shí)，則來(lái)自照明光源的光線被全息圖衍射，并對(duì)從物體發(fā)來(lái)最初到達(dá)記錄介質(zhì)的波前加以再現(xiàn)。這樣，全息圖就象一個(gè)窗口，通過(guò)它可以觀察到物體的三維實(shí)象或虛象。
通過(guò)讓參考光束與物光束從同一側(cè)進(jìn)入記錄介質(zhì)而形成的全息圖，被稱(chēng)為透射全息圖。在記錄介質(zhì)上物光束與參考光束的相互作用形成具有變化折射率的材料的條紋，而這些條紋與記錄介質(zhì)平面近乎垂直。當(dāng)這種全息圖通過(guò)使用透射光觀看而被重現(xiàn)時(shí)，這些條紋就對(duì)該透射光折射以產(chǎn)生實(shí)象或虛象。這樣的透射全息圖可以用技術(shù)上眾所周知的方法來(lái)產(chǎn)生，例如頒發(fā)給Leith和Upatnieks的美國(guó)專(zhuān)利3，506，327，3，838，903，及3，894，784就公開(kāi)了這種技術(shù)。
美國(guó)專(zhuān)利4，209，250公開(kāi)了從靜止的平面透射模版全息圖來(lái)制作多個(gè)復(fù)制件的系統(tǒng)。復(fù)制介質(zhì)的傳輸方式為保證一部分復(fù)制介質(zhì)能與模版耦合。然后讓一束光通過(guò)模版投射到復(fù)制介質(zhì)上以使該復(fù)制介質(zhì)部分曝光。曝光以后，這部分已曝光的復(fù)制介質(zhì)被傳輸而離開(kāi)模版。這一過(guò)程被重復(fù)就可制作多個(gè)透射全息圖復(fù)制品，并被認(rèn)為是步進(jìn)和重復(fù)過(guò)程。
通過(guò)讓參考光束與物光束從兩側(cè)進(jìn)入記錄介質(zhì)而形成的全息圖，被稱(chēng)作反射全息圖。物光束與參考光束在記錄介質(zhì)上相互作用而形成具有變化折射率的材料的條紋，這些條紋幾乎處在與記錄介質(zhì)平面平行的平面內(nèi)。當(dāng)該全息圖被重現(xiàn)時(shí)，這些條紋起到部分反射鏡的作用，將入射光反射回觀察者方向。因此，這種全息圖以反射方式而不是以透射方式被觀看。
反射全息圖可以用同軸或離軸方法產(chǎn)生。當(dāng)采用同軸方法產(chǎn)生反射全息圖時(shí)，相干輻射光束通過(guò)記錄介質(zhì)投射到后面的物體上，在這種情況下，從物體反射回來(lái)的光束與投射光束在記錄介質(zhì)中相交，從而產(chǎn)生大致與該介質(zhì)平行的條紋。這種產(chǎn)生反射全息圖的同軸方法在YuN.Denisyuk所寫(xiě)的文章中作了敘述，其文章題名為“物體的光學(xué)性質(zhì)在其自己的散射輻射場(chǎng)中的攝影重視”，發(fā)表在蘇聯(lián)物理通報(bào)1962年7期543-5頁(yè)上。也可以參看ClarkN.Kurtz寫(xiě)的篇名為“復(fù)制反射全息圖”的文章，它發(fā)表于“美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)雜誌(JOSC)1968年58期856-857頁(yè)上。當(dāng)反射全息圖是用離軸方法產(chǎn)生時(shí)，參考光束從記錄介質(zhì)的一側(cè)投射而物光束從記錄介質(zhì)的相反一側(cè)投射。在這種情況下，物光束借助不通過(guò)記錄介質(zhì)的相干輻射對(duì)物體照明來(lái)產(chǎn)生。例如初始的相干輻射光束可分成兩部分，一部分投射到記錄介質(zhì)上，另一部分通過(guò)巧妙的控制投射到記錄介質(zhì)背面的物體上。采用離軸方法產(chǎn)生反射全息圖，已在美國(guó)專(zhuān)利3，532，406中公開(kāi)。
形成反射全息圖的大致水平的條紋要比形成透射全息圖的垂直條紋難以記錄得多。這有兩個(gè)原因，一是它需要較高的分解率，即在每單位長(zhǎng)度上要求記錄更多的條紋，因此需要如實(shí)地記錄更密的條紋。與透射全息圖相比，水平的反射全息圖需要的單位長(zhǎng)度內(nèi)的條紋數(shù)是其3倍到6倍。第二個(gè)原因與光聚合物有關(guān)，即在曝光期間水平條紋對(duì)記錄介質(zhì)收縮的敏感度。記錄介質(zhì)在曝光期間的收縮將會(huì)洗掉條紋，如果這種效應(yīng)嚴(yán)重，則將影響全息圖的形成。這一點(diǎn)與透射全息圖的情況形成對(duì)照，在透射全息圖情況下，當(dāng)條紋大致或完全與記錄介質(zhì)平面垂直時(shí)，幾乎沒(méi)有收縮，既使有也不影響條紋的形成;如果透射條紋與記錄介質(zhì)平面的傾斜角超過(guò)45°，則只產(chǎn)生比較小的象畸變。
本發(fā)明的目的之一是提供一種系統(tǒng)，它能利用同軸方法從圓柱形模版上制作反射全息圖。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一個(gè)系統(tǒng)，除了步進(jìn)與重復(fù)方式外，它還能以連續(xù)方式制作反射全息圖。
本發(fā)明涉及一個(gè)用于制作反射全息圖的系統(tǒng)，它由以下部分組成一個(gè)具有軸對(duì)稱(chēng)的圓柱形表面的模版;
一種全息攝影記錄介質(zhì)，當(dāng)它被輻射曝光并與模版的圓柱形表面耦合時(shí)，能產(chǎn)生變化;
用來(lái)將實(shí)質(zhì)上相干的輻射通過(guò)記錄介質(zhì)投射到模版的圓柱形表面上的裝置，該投射裝置包括用于將該輻射聚焦從而使其在模版上的入射角大致恒定的裝置。
本發(fā)明還涉及一種制作反射全息圖的方法，該方法包括以下幾個(gè)步驟將全息攝影記錄介質(zhì)耦合到模版的圓柱形表面上;
將實(shí)質(zhì)上為相干輻射的參考光束通過(guò)全息攝影記錄介質(zhì)投射到模版的圓柱形表面上，以使該輻射在模版上的入射角大致恒定，從而使參考光束和物光束對(duì)記錄介質(zhì)曝光，而物光束就是由參考光束經(jīng)模版反射或衍射后形成的。
本發(fā)明從下面結(jié)合構(gòu)成本申請(qǐng)一部分的附圖所作的詳細(xì)描述中可以得到更充分的理解，其中

圖1是制作反射全息圖的系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)包括本發(fā)明的第一個(gè)聚焦裝置實(shí)施例;
圖2是部分全息攝影記錄臺(tái)及用于識(shí)別各種變量的聚焦裝置的側(cè)視圖;
圖3是圖2視圖的局部放大;
圖4是能用于圖1所示系統(tǒng)中的全息攝影記錄臺(tái)的詳細(xì)示意圖;
圖5a是用于制作反射全息圖的第二個(gè)系統(tǒng)的俯視示意圖，這個(gè)系統(tǒng)包括本發(fā)明的第二個(gè)聚焦裝置實(shí)施例;
圖5b是圖5a所示系統(tǒng)的側(cè)視示意圖;
在以下整個(gè)的詳細(xì)敘述中，所有插圖中同樣的編號(hào)代表同樣的另件。
請(qǐng)參見(jiàn)圖1，該圖提供了按照本發(fā)明制作反射全息圖的系統(tǒng)的示意圖。該系統(tǒng)包括一個(gè)具有圓柱形表面4的模版2;一個(gè)當(dāng)曝露于實(shí)質(zhì)上相干的輻射(例如光化學(xué)的，電磁的，聲波的等)時(shí)能產(chǎn)生化學(xué)或物理變化的全息攝影記錄介質(zhì)6，該介質(zhì)6與模版2的圓柱形表面4相耦合;一個(gè)能發(fā)出實(shí)質(zhì)上是相干輻射束10的輻射源8;以及一個(gè)將輻射束10通過(guò)記錄介質(zhì)6聚焦到模版2上的聚焦裝置12，它使光束在模版2上的入射角大致恒定。就本發(fā)明而言，“大致上恒定”這個(gè)詞的含意中包括光束入射在模版上的角度完全恒定的情況。
模版2至少必須是部分反射和/或衍射的，作為實(shí)際物品來(lái)說(shuō)，意味著它實(shí)際上可以用任何材料制造。模版2必須有圓柱形表面4，例如它可以是圓柱體14的圓柱形表面、在圓柱體14的圓柱形表面上的鍍層或?qū)?、一塊反射鏡或全息圖。適用的模版的一個(gè)例子是鍍金屬的薄膜，例如鍍鋁的聚酯(例如聚酯密拉)薄膜。鍍金屬的薄膜可以是在薄膜內(nèi)或薄膜上包含的浮雕或隆起式的浮雕全息圖。
這里所用的記錄介質(zhì)6，可以用各種材料制作。其中最重要的是鹵化銀乳劑、重鉻酸鹽明膠、熱塑性材料、鐵電晶體、光聚合物、光色材料，光致抗蝕劑和光二向色性材料。這些材料的特點(diǎn)在科學(xué)院出版社(紐約)1981年出版的“體積全息攝影術(shù)和體積光柵”(由L.Solymar和D.J.Cook撰寫(xiě))一書(shū)的第10章254-304頁(yè)中給出。記錄介質(zhì)6最好是鹵化銀乳劑或由能光致固化的合成物制作的薄膜，當(dāng)對(duì)光化學(xué)輻射曝光時(shí)，它能形成具有較高分子量的交聯(lián)鍵或聚合物，從而改變?cè)摵铣晌锏恼凵渎屎土髯兲卣?。最好的光致固化合成物是可以光致聚合的合成物，諸如美國(guó)專(zhuān)利3，658，526所公開(kāi)的材料，而且更好的材料在共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)系列號(hào)07/144，155和07/144，840中有介紹，兩者都是在1988年1月15日提交的，而且還有系列號(hào)為07/288，916的專(zhuān)利申請(qǐng)，是在1988年12月23日提交的，所有這些文獻(xiàn)均列在本文中作為參考。光致固化薄膜的一側(cè)或兩側(cè)可以有一個(gè)保護(hù)膜，諸如聚酯片(例如聚酯密拉)。此外，光致固化薄膜還可以鍍到或者層壓到一個(gè)膜的金屬涂層上。正如前面提到的那樣，該金屬涂層可以是在薄膜上或薄膜內(nèi)包含的浮雕或隆起式的浮雕全息圖。然后模版2和記錄介質(zhì)6可以同時(shí)繞圓柱體14纏繞和旋轉(zhuǎn)。參見(jiàn)圖5b。
用于發(fā)出實(shí)質(zhì)上是相干輻射束10的輻射源8可以是一臺(tái)激光器。該激光器最好能發(fā)出具有圓形截面的光束，該光束基本上準(zhǔn)直的、相干的、單色的和偏振的光束。激光器的選擇取決于記錄介質(zhì)6的敏感波長(zhǎng)。例如，光源8可以是氬離子激光器，如由位于加里福尼亞州的PaloAlto的相干輻射公司制造的I-100-20型氬離子激光器，當(dāng)記錄介質(zhì)對(duì)這種激光器發(fā)出的蘭綠光曝光時(shí)，它就被會(huì)感光產(chǎn)生化學(xué)變化。然而，具有其他形狀截面的光束也可以使用，諸如具有大致上被準(zhǔn)直的橢圓形或拉長(zhǎng)的矩形截面的光束。
聚焦裝置12將光束10通過(guò)記錄介質(zhì)6投射到模版2上，以使該光束的光線在模版2上的入射角保持大致上為恒定，如前所述它包括該光束光線的入射角完全恒定的情況。
光源8和聚焦裝置12的作用是作為將實(shí)質(zhì)上相干的輻射通過(guò)記錄介質(zhì)6投射到模版的圓柱形表面4上的裝置。
最好是使光束10的與模版2的圓柱形表面4相交的所有光線的入射角都是恒定的。這一條件使所形成的反射全息圖最接近于模版原型的狀態(tài)。
一般說(shuō)來(lái)，為了聚焦光束10的光線，以使其所有光線在模版2的圓柱形表面4上是恒定的，該聚焦裝置12可以包括(1)一個(gè)非圓柱形或非球面圓柱形透鏡，(2)一個(gè)非圓柱形或非球面圓柱形反射鏡，(3)一個(gè)起(1)或(2)作用的全息攝影元件，或者(4)其它等效裝置。此外，一個(gè)圓柱形消色差透鏡或其等效裝置可以將光束10的光線聚焦到圓柱體14的旋轉(zhuǎn)軸上，從而使所有的光線以恒定的角度與圓柱表面4相交。每個(gè)這種聚焦裝置12僅能提供某一特定角度的一個(gè)恒定入射角。換言之，對(duì)每個(gè)所需要的入射角均要求這些透鏡、元件或裝置12中的不同的一種。如果這些特定的聚焦裝置12不能相對(duì)于模版2正確地放置，那么此光束的光線在模版2上的入射角將會(huì)改變。在這種情況下，此光束的光線在模版2上的入射角仍能保持大致上的恒定。本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員都可以在給出一定的因素后制作這種透鏡，諸如透鏡的口徑，要用的光束的直徑或者最大光束直徑，對(duì)透鏡所要求的功能(即將光束10通過(guò)記錄介質(zhì)6聚焦到模版2上，使其光束的光線在模版2上的入射角恒定)以及光線在模版上要求的入射角。這種類(lèi)型的典型透鏡12必定要定做，這使其費(fèi)用提高。
其他透鏡或裝置也可以用作聚焦裝置12，它們不必以保證所有光線在模版2的圓柱表面4上的入射角恒定的方式來(lái)使光束的光線聚焦，但仍要以使光束10的光線在模版2上的入射角大致恒定的方式將其聚焦。這些其它透鏡或裝置12的說(shuō)明性例子包括(1)圓柱形的平凸透鏡，(2)消色差圓柱形透鏡，(3)最好形式的圓柱形透鏡，(4)全息攝影元件，它被設(shè)計(jì)成起到與圓柱形平凸透鏡、消色差圓柱形透鏡或最好形式的圓柱形透鏡功能相似的形式，(5)圓柱形反射鏡或(6)其它等效裝置。這些特定的聚焦裝置12能將光束10聚焦或大體聚焦到模版的圓柱表面4內(nèi)的焦線上。與能將光束以準(zhǔn)確恒定的入射角聚焦到模版2上的那些透鏡相比，這些透鏡12要便宜得多，并且容易制造。
聚焦裝置12的直徑應(yīng)該大于或等于所要求的成象區(qū)域的寬度。該寬度平行于模版的圓柱表面的旋轉(zhuǎn)軸。
如果光束10的光線對(duì)模版表面4上的入射角φ不是或不能保持恒定，那么最好是使從所要求的入射角
得出的均方根偏差△φ為最小，或者至少將這個(gè)偏差△φ減少到低于某一可接受的水平。只要偏差△φ低于或等于5°左右，那么就可得到可以接受的反射全息圖。進(jìn)一步說(shuō)，最好是使從所要求的入射角求得的均方根偏差△φ小于或等于1°左右。因此，作為本發(fā)明的目的，將大約5°或更小，而且最好是大約1°或更小的偏差△φ定義為基本恒定。
如上所述，聚焦裝置12并不是把光束10的光線聚焦成使其所有光線在模版2的圓柱形表面4上的入射角都恒定，但是仍要將這些光線聚焦使光束10的光線在模版2上的入射角基本恒定，大致將光束聚焦到一條焦線上。涉及到這條焦線的最佳定位的某些通則也可以定出來(lái)。首先，該焦線應(yīng)該處于模版的圓柱形表面之下，并與模版的圓柱形表面4平行或重合。
圖2和圖3表示全息攝影記錄臺(tái)34相對(duì)聚焦裝置12的一種可能性定向的側(cè)視示意圖，它有助于說(shuō)明與焦線最好定向有關(guān)的其他通則，解釋是什么因素影響偏差△φ，以及怎樣將偏差△φ化成最小或如何將偏差△φ減小到某一可接受的水平以下。以下的討論可以參照?qǐng)D2和圖3的兩維結(jié)構(gòu)，但是應(yīng)當(dāng)理解，這個(gè)結(jié)構(gòu)是沿與紙面垂直的方向擴(kuò)展的三維結(jié)構(gòu)。為了易于理解，假定聚焦裝置12將準(zhǔn)直光束10聚焦到一條線上。實(shí)際工作中，這可以用一消色差球面透鏡作為準(zhǔn)直裝置28和用一消色差柱面透鏡作為聚焦裝置12來(lái)完成。
參照?qǐng)D2，模版的圓柱外表面4的直徑為R。此表面4的中心在X、Y、Z座標(biāo)系中定在O點(diǎn)，而X、Y、Z座標(biāo)是互相垂直的，X、Y軸位于圖面內(nèi)，而且Z軸與圖面垂直。還建立了一個(gè)極座標(biāo)系，其極點(diǎn)在X與Y軸的交點(diǎn)上，沿X軸的正方向取為0°，Y軸的正方向取為90°。光束10由聚焦裝置12聚焦到通過(guò)焦點(diǎn)P(Xp，Yp)的與圖面垂直的一條線上，透鏡12具有與X軸平行并與焦點(diǎn)P(Xp，Yp)相交且與模版的圓柱形表面4交于B點(diǎn)的光軸OA。光束10的極端光線即圖2中所示的最高和最低光線部分，分別用邊緣光線MR1和MR2表示。最高部分的邊緣光線MR1與模版的圓柱形表面4交于A點(diǎn)。最低部分的邊緣光線MR2與模版的圓柱形表面4交于C點(diǎn)。光線的每一部分在模版的表面4上的入射角標(biāo)記為φ，這個(gè)角度就是入射光線(例如MR1)和通過(guò)點(diǎn)O及在模版的圓柱形表面4上與該入射光線相交的點(diǎn)(例如點(diǎn)A)的連線之間的夾角。如前所述，最好是使φ對(duì)于光束10中的每一條光線都是相同的，但是對(duì)于光束10中的每條光線的φ角大致相同也屬于本發(fā)明的范圍。
邊緣光線MR1和MR2的交角定為α，它與反映透鏡特性的焦比(f1)有關(guān)，其關(guān)系式為α/2＝arctan〔 1/(2f1) 〕 方程式(1)圖3是圖2的局部放大視圖，它表示了模版2的表面4上的一點(diǎn)Q，Q被定義在點(diǎn)A和C之間包括點(diǎn)A和C。通過(guò)Q點(diǎn)的光線入射角記為φQ，它等于角γ和角β之和，而且γ是X軸和通過(guò)Q點(diǎn)和O點(diǎn)的直線之間的夾角，而β是光線
和
之間的夾角。
為了確定焦線應(yīng)該置于何處，必須把從所需要的入射角
求得的均方根偏差△φ減到最小。均方根偏差△φ和所需要的入射角
均被定義為γ角的函數(shù)，其關(guān)系式為
其中，I(γ)表示光束10的強(qiáng)度，它是γ角的函數(shù)。
還有，φQ可以表示成γ角的函數(shù)如下φQ=r +arc tan 〔Yp-Rsin(γ )Rcos(γ )-XP〕 方程式(4)]]>方程式(4)在以下條件下是正確的γ最小≤γ≤γ最大方程式(5)其中r 最小＝arcsin 〔YCR〕 方程式(6)]]>
而且r 最大＝arcsin 〔YAR〕 方程式(7)]]>將△φ化為最小的完成步驟為(A)將由方程式4，6和7求得的φQ代入方程式2，(B)將偏差△φ分別相對(duì)于Xp和Yp求導(dǎo)數(shù)，(C)然后令這些導(dǎo)數(shù)為零。這導(dǎo)出了下述方程式8和9
同時(shí)從方程式8和9聯(lián)立解出Xp和Yp，就給出了焦線P(Xp，Yp)的最佳位置。
實(shí)際上，一旦選定了特定的圓柱體和透鏡，圓柱體14和透鏡12的特征也就確定了。也就是固定了R和f1。換句話說(shuō)，一種個(gè)體存在狀態(tài)一般將只有一個(gè)圓柱體14和一個(gè)透鏡12，或者有有限數(shù)量的圓柱體14和透鏡12，而此個(gè)體存在狀態(tài)將需要使用不同的模版從它們中制作反射全息圖。每個(gè)模版可以要求參考光束10的光線有幾個(gè)最好的或所要求的不同的入射角，如25°，33°等。
在I(γ)為恒定的情況下，Xp為零，它對(duì)所有要求的入射角
均給出最小的偏差△φ。表Ⅰ給出了恒定的I(γ)情況下的幾個(gè)最佳結(jié)果，其中R和f1的固定值分別假定為2吋(0.051米)和6。
表Ⅰ
XpYp△φ 范圍(度)(度) (吋) (吋) (度) φQ最大-φQ最小0000022.500.770.030.084501.420.060.206001.730.110.347001.880.180.548001.970.401.11表1中所列情況的數(shù)字說(shuō)明，對(duì)所有要求的入射角
來(lái)說(shuō)，偏差△φ都小于1°。這個(gè)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)光軸OA與X軸平行或重合時(shí)，最適合于將焦線定向成與Y軸相交即X＝0。換一種方式說(shuō)，最好是使焦線位于包含模版的圓柱表面4的軸線又與聚焦裝置12的光軸垂直的平面內(nèi)。
當(dāng)光強(qiáng)I(γ)不恒定時(shí)，Xp和Yp的解不同于上面給出的解。對(duì)于模版圓柱表面上的光強(qiáng)I(γ)來(lái)說(shuō)，在入射角φQmax到φQmin｛即I(γ)＝Cos〔φQ(γ)〕｝范圍內(nèi)入射光束在模版圓柱表上的投影而產(chǎn)生的小的強(qiáng)度變化以及入射光束截面上的束分布G(γ)的不均勻性(例如高斯分布)｛如I(γ)＝Cos〔φQ(γ)〕G(γ)｝都包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
圖5a和5b涉及制作反射全息圖的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括按照本發(fā)明提供的聚焦裝置120的第二個(gè)實(shí)施例。圖5a是該系統(tǒng)的俯視原理示意圖。圖5b是該系統(tǒng)的側(cè)視原理示意圖。
除了其聚焦裝置120由第一柱面透鏡122和第二柱面透鏡124組成外，該第二系統(tǒng)可與第一系統(tǒng)相同。第一柱面透鏡122的作用是用來(lái)接收從激光器8發(fā)出的錐形光束102并將該光束102沿一維方向擴(kuò)束使其形成發(fā)散的扇形光束104。第二個(gè)柱面透鏡124的作用是接收從第一柱面透鏡122來(lái)的擴(kuò)束或發(fā)散的扇形光束104，并將此擴(kuò)束的扇形光束104準(zhǔn)直而形成準(zhǔn)直的幕簾狀光束106。這個(gè)準(zhǔn)直的幕簾式光束106通常通過(guò)記錄介質(zhì)6被投射到模版的圓柱形表面4上，光軸OA大致垂直于模版的圓柱形表面4的旋轉(zhuǎn)軸A。光軸OA可以與模版的圓柱形表面4的旋轉(zhuǎn)軸A相交或者離開(kāi)一定距離。此外，該光束在模版的圓柱形表面4上的入射角φ，可以通過(guò)改變光軸OA與模版的圓柱形表面4的旋轉(zhuǎn)軸A之間的距離加以改變。在圖5a和5b所示的這種第二系統(tǒng)中，準(zhǔn)直的幕簾式光束106的光軸OA可垂直于也可以不垂直于模版的圓柱形表面4的旋轉(zhuǎn)軸A。
激光器8發(fā)出的錐形光束102的截面是直徑為d的圓形。從擴(kuò)束或發(fā)散的扇形光束104及準(zhǔn)直的幕簾式光束106的上表面108到其下表面110的厚度或距離也為d。
在圖5a和5b所示的實(shí)施例中，只要厚度或距離d足夠薄或短，則聚焦裝置120就將把光束106通過(guò)記錄介質(zhì)6聚焦到模版2上，這樣此光束的光線在模版2上的入射角就大致恒定。正如對(duì)圖1所示的實(shí)施例所解釋的那樣，就圖5a和5b所示的實(shí)施例而言，只要偏差△φ小于或等于大約5°，那么就可以制作出可以接受的反射全息圖。進(jìn)一步說(shuō)來(lái)，最好是使從需要的入射角得到的均方根偏差△φ小于或等于1°左右。
再參見(jiàn)圖1，如果光源8發(fā)出的是偏振光，則系統(tǒng)中最好包括一個(gè)偏振旋轉(zhuǎn)器16，它可以沿光束10的光路隨意放置。在圖1中，偏振旋轉(zhuǎn)器16畫(huà)在靠近光源8的地方。該偏振旋轉(zhuǎn)器16可用來(lái)將光線調(diào)節(jié)到最佳偏振取向。
為了符合空間要求，控制光束10方向的裝置18可以加進(jìn)來(lái)用以對(duì)光束10改變方向。此控制方向的裝置18可以包括全息反射鏡在內(nèi)的反射鏡、棱鏡或分束鏡等。
該系統(tǒng)也可以包括用于從光束10中空間濾除無(wú)用光的裝置20。此濾光裝置20可以包括透鏡系統(tǒng)22，諸如顯微鏡的物鏡系統(tǒng)，它將光束聚焦到一點(diǎn)，然后使其通過(guò)針孔24，以阻擋散射光使其不能通過(guò)該空間濾波器。濾光裝置20還可以包括一個(gè)可變光欄26，它具有可變孔徑以便允許被空間濾波器24所發(fā)散的光束的有用部分通過(guò)它。
如果該系統(tǒng)所包括的濾光裝置20中包含球面透鏡22，該透鏡22用來(lái)將光束10聚焦到一點(diǎn)，那么該系統(tǒng)將需要準(zhǔn)直裝置28，將從該點(diǎn)發(fā)出的發(fā)散光束10加以準(zhǔn)直。準(zhǔn)直裝置28的直徑應(yīng)比所要求的成象區(qū)域的寬度大些或與其相等，這個(gè)寬度應(yīng)與模版的圓柱表面的旋轉(zhuǎn)軸平行。圖示的準(zhǔn)直裝置包括球面透鏡、非球面透鏡、球面反射鏡或拋物面反射鏡。
準(zhǔn)直裝置28可以將準(zhǔn)直光束10投射到聚焦裝置12上去。
記錄介質(zhì)6可以被卷在模版的圓柱表面4上或通過(guò)某種裝置朝向或離開(kāi)模版的圓柱表面4輸運(yùn)。圖1表明，未曝光的記錄介質(zhì)6可以繞在送料輥30上，被傳輸?shù)脚c模版的圓柱表面4接觸，曝光后的記錄介質(zhì)6可以繞在收卷輥32上。圖5b表示壓覆在模版2上的未曝光記錄介質(zhì)6，2是在-膠片上包含有金屬鍍層5，這種記錄介質(zhì)6可以被纏到送料輥30上，并能傳輸?shù)脚c園柱體14接觸，形成模版2的園柱形表面4，而曝光后的記錄介質(zhì)6隨模版2的運(yùn)動(dòng)纏到收卷輥32上。
參見(jiàn)圖4，該圖給出用于本發(fā)明的全息攝影記錄臺(tái)34的最佳實(shí)施例的詳細(xì)原理示意圖。
此全息攝影記錄臺(tái)34包括圓柱體14、送料輥30和收卷輥32，其配置要求是，當(dāng)記錄介質(zhì)6被提出送料輥30而送往收卷輥32時(shí)，一部分記錄介質(zhì)6被包在部分圓柱表面4上。
此全息攝影記錄臺(tái)34還可包括一個(gè)裝置36，用來(lái)提供折射率匹配的耦合液體，諸如二甲苯的，使在曝光前，記錄介質(zhì)6與模版2之間的光學(xué)耦合并使其反射最小。供液裝置36可以是一個(gè)放在圓柱體14下面的容器40，當(dāng)容器40內(nèi)裝有液體時(shí)，圓柱體14、模版2和記錄介質(zhì)6的一部分能浸入液體37，使液體37能在模版2和記錄介質(zhì)6之間流動(dòng)。在這種情況下，當(dāng)圓柱體14沿圖4中的箭頭A方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)運(yùn)送模版2和記錄介質(zhì)6，使液體37的一層38被封閉在模版2與記錄介質(zhì)6之間，并在曝光期間起到將模版2與記錄介質(zhì)6光學(xué)耦合起來(lái)的作用。
除去記錄介質(zhì)6的外表面的液體37的裝置42應(yīng)設(shè)置在曝光之前。此除液裝置42可以是任何裝置，諸如刮水器或壓輥。這個(gè)系統(tǒng)可以包括去除液體37的裝置43，在曝光后且在記錄介質(zhì)6纏到收卷輥32以前從記錄介質(zhì)6的一側(cè)或兩側(cè)將液體37除去。除液裝置43也可以是諸如刮水器或壓輥一類(lèi)的任何裝置。
此外，在模版2與記錄介質(zhì)6互相接觸地方的附近，可以通過(guò)滴下，噴灑，滾動(dòng)或其他方式將液體從某一裝置提供給模版2和/或記錄介質(zhì)6。
某些記錄介質(zhì)6具有與模版2光學(xué)耦合的固有能力，不需要耦合液體。例如粘性的記錄介質(zhì)6就顯示出與模版有足夠的耦合能力，諸如敷以金屬的聚酯薄膜，因此不需要耦合液體。
定位壓輥44和45可以直接置于記錄介質(zhì)的通路上以確保記錄介質(zhì)6與模版2在曝光區(qū)域的妥當(dāng)耦合。如果使用如上所述盛液體37的容器40，則定位壓輥之一44可以浸在容器40γ的液體37中，以便曝光期間附加計(jì)量模版2與記錄介質(zhì)6之間的液體層38的厚度。
可控驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)48用于把記錄介質(zhì)6從送料輥30繞圓柱體14輸送到收卷輥32。最好，該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在可變速度和可變時(shí)間內(nèi)工作。該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以由電機(jī)構(gòu)成，該電機(jī)通過(guò)電機(jī)軸或其延伸部分直接與收卷輥連接。此外，這個(gè)電機(jī)也可以通過(guò)齒輪、齒輪與鏈條、皮帶或其他等效裝置與收卷輥和/或曝光后的記錄介質(zhì)6連接。
拉緊機(jī)構(gòu)50可以有選擇地連接到諸如送料輥30或記錄介質(zhì)6上，以便控制記錄介質(zhì)6的拉力和避免過(guò)量的記錄介質(zhì)6從送料輥30上松開(kāi)。
操作時(shí)，是利用所述的系統(tǒng)制作反射全息圖的過(guò)程如下。
首先，將全息攝影記錄介質(zhì)6耦合到模版2的圓柱表面4上。然后，將參考光束10通過(guò)全息攝影記錄介質(zhì)6投射到模版2的圓柱形表面4上，這樣，在模版2上即與之相交的參考光束10的光線的入射角大致上是恒定的，因而使記錄介質(zhì)6被參考光束10和物光束曝光，而此物光束也就是經(jīng)過(guò)模版2反射或折射后回來(lái)的參考光束。
全息攝影記錄介質(zhì)6和模版2可以繞軸旋轉(zhuǎn)，①與參考光束10通過(guò)記錄介質(zhì)6進(jìn)行投射的同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，或者②投射參考光束和旋轉(zhuǎn)步驟交替進(jìn)行。
參考光束最好以下列方式聚焦，即它要大致聚焦到一條焦線上，該焦線與模版的圓柱表面的軸線大致平行或復(fù)合。最好是使該焦線大致處于包含模版的圓柱表面4的軸線且與光束聚焦裝置12的光軸OA垂直的平面內(nèi)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員，從上述本發(fā)明的說(shuō)明中收益，可能做出許多改進(jìn)。這些改進(jìn)均應(yīng)算作本發(fā)明所附權(quán)利要求所提出的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制作反射全息圖的系統(tǒng)，它包括一個(gè)具有繞其軸線對(duì)稱(chēng)分布的圓柱形表面的模版；一種全息攝影記錄介質(zhì)，當(dāng)它被基本相干的輻射曝光并與模版的圓柱形表面耦合時(shí)，能夠產(chǎn)生變化；將基本相干輻射通過(guò)記錄介質(zhì)投射到模版的圓柱形表面上的裝置，該投射裝置包括一個(gè)能將該輻射聚焦從而使其在模版上的入射角大致恒定的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該模版由帶有金屬化鍍層的聚酯薄膜構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，記錄介質(zhì)是由鍍?cè)诮饘倩儗踊驂焊苍诮饘倩儗由系墓庵鹿袒∧?gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，記錄介質(zhì)由鹵化銀乳膠或光致固化合成物制成的薄膜構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，它進(jìn)一步還包括一個(gè)用來(lái)使模版的圓柱形表面繞其軸旋轉(zhuǎn)的裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，它進(jìn)一步還包括用來(lái)存貯記錄介質(zhì)的未曝光部分的裝置;以及用來(lái)接收記錄介質(zhì)的已曝光部分的裝置;因此，該旋轉(zhuǎn)裝置將未曝光的記錄介質(zhì)從存貯裝置運(yùn)送到圓柱表面面供投射裝置曝光，然后再將已曝光的記錄介質(zhì)運(yùn)送到接收裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)記錄介質(zhì)由投射裝置對(duì)其曝光時(shí)，該旋轉(zhuǎn)裝置是對(duì)模版的圓柱表面進(jìn)行連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，該旋轉(zhuǎn)裝置用來(lái)將模版的圓柱表面旋轉(zhuǎn)到使記錄介質(zhì)曝光的位置，而在記錄介質(zhì)被曝光時(shí)模版的圓柱表面是不旋轉(zhuǎn)的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括將記錄介質(zhì)與模版進(jìn)行光學(xué)耦合的裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，該耦合裝置包括用來(lái)在曝光前提供具有匹配折射率液體的裝置，使記錄介質(zhì)和模版光學(xué)耦合;用于在曝光前從模版與記錄介質(zhì)之間除去過(guò)剩的液體，及在曝光前從距離模版最遠(yuǎn)處的記錄介質(zhì)表面上除去液體的裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該聚焦裝置用來(lái)將輻射大致聚焦成一條線，這條線與模版的圓柱表面的軸線大致平行或與其重合。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該聚焦裝置將輻射聚焦到與模版的圓柱表面的軸線大致平行或重合的一條線上，這條線大致處于與光束聚焦裝置的光軸相垂直的平面內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該聚焦裝置將輻射聚焦到與模版的圓柱表面的軸線大致平行或重合的一條線上，這條線大致處在一個(gè)與光束聚焦裝置的光軸垂直并且包含模版的圓柱表面的軸線的平面內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該聚焦裝置包括有用來(lái)將輻射光束沿一維方向擴(kuò)束，使其成為發(fā)散的扇形光束的裝置;以及用來(lái)接收來(lái)自擴(kuò)束裝置的發(fā)散扇形光束，將其準(zhǔn)直形成準(zhǔn)直的幕簾光束及通過(guò)記錄介質(zhì)將其投射到模版的圓柱形表面的裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該聚焦裝置對(duì)輻射聚焦，以使該輻射在模版上的最大入射角與最小入射角之間的差值小于或等于5°左右。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該光束投射裝置還包括一臺(tái)激光器，它發(fā)出的光輻射至少是大致準(zhǔn)直的、相干的、單色的和偏振的光;一個(gè)可變起偏器，用來(lái)選擇光的最佳偏振狀態(tài);用于對(duì)光進(jìn)行擴(kuò)束的第一個(gè)球面透鏡;用來(lái)對(duì)被擴(kuò)束的光進(jìn)行準(zhǔn)直并將這個(gè)準(zhǔn)直的擴(kuò)束光線投射到聚焦裝置上去的第二個(gè)球面透鏡。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于該光束投射裝置還包括用于控制光的裝置;以及用于減少光線不均勻性的空間濾波器。
18.一種制作反射全息圖的方法，它包括以下步驟將全息攝影記錄介質(zhì)耦合到模版的圓柱形表面上;將基本為相干輻射的參考光束通過(guò)全息攝影記錄介質(zhì)投射到模版的圓柱形表面上，以使該輻射在模版上的入射角大致恒定，從而使參考光束和物光束對(duì)記錄介質(zhì)曝光，而物光束就是由參考光束經(jīng)模版反射或衍射后形成的。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步還包括以下步驟將耦合到模版的圓柱形表面上的全息攝影記錄介質(zhì)繞其軸旋轉(zhuǎn)。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，投射參考光束與使全息記錄介質(zhì)和模版旋轉(zhuǎn)的步驟是同時(shí)發(fā)生的。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，投射參考光束與使全息記錄介質(zhì)的模版旋轉(zhuǎn)的步驟是交替發(fā)生的。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，它進(jìn)一步還包括以下步驟將參考光束大致聚焦成一條線，這條線大致平行或重合于模版的圓柱形表面的軸線。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，它進(jìn)一步還包括以下步驟將參考光束大致聚焦成一條線，該線大致平行于或重合于模版的圓柱形表面的軸線，并大致處于與光束聚焦裝置的光軸垂直的平面內(nèi)。
24.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，它進(jìn)一步還包括以下步驟將參考光束大致聚焦成一條線，這條線與模版的圓柱形表面的軸線大致平行或重合，并大致處于與光束聚焦裝置的光軸垂直并包含該模版的圓柱形表面的軸線的平面內(nèi)。
25.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，它進(jìn)一步還包括以下步驟在一維方向?qū)⑤椛涔馐鴶U(kuò)展成發(fā)散的扇形光束;以及將該發(fā)散的扇形光束加以準(zhǔn)直，以形成準(zhǔn)直的幕簾式光束作為參考光束。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制作反射全息圖的方法和系統(tǒng)，特別是從模版的圓柱形表面制作反射全息圖的方法和系統(tǒng)。它設(shè)置了一些裝置，以便把大致為單色的光化學(xué)輻射投射使之通過(guò)對(duì)該輻射敏感而且被耦合到模版圓柱表面上的記錄介質(zhì)，以使該輻射在模版上的入射角大致恒定。
文檔編號(hào)G03H1/04GK1047402SQ9010352
公開(kāi)日1990年11月28日 申請(qǐng)日期1990年5月16日 優(yōu)先權(quán)日1989年5月16日
發(fā)明者馬克·利曼·阿姆斯特朗, 丹尼爾·詹姆斯·米基什 申請(qǐng)人:納幕爾杜邦公司