СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ГОЛОГРАММ
METHOD AND DEVICE FOR OBTAINING POLARISATION HOLOGRAMS

Настоящее изобретение относится к способу получения поляризационных голограмм, устройству для получения поляризационных голограмм и применению поляризационных голограмм согласно изобретению в качестве хранилищ данных, признаков защиты или дифракционных оптических элементов для выполнения обычных оптических функций.
Синтезированная на компьютере голограмма (CGH) является цифровой голограммой. Структуры CGH вычисляются с использованием специальных алгоритмов, которые моделируют на компьютере процесс голографической записи на виртуальной дифракционной решетке. Эти структуры затем переносятся на материальный носитель, например, методами литографии.
В отличие от CGH, в способах классической, аналоговой записи изготовления голографические структуры получают посредством интерференции, то есть суперпозиция лазерных лучей с постоянной фазой.
Преимущество CGH заключается в возможности получать голограммы нереальных, компьютерных объектов или изображений объектов, которые существуют в виде математического описания. Таким образом, применение CGH повышает гибкость при изготовлении дифракционных структур по сравнению с аналоговым подходом. Кроме того, конструкция записывающего устройства для цифровых голограмм более надежна, чем для аналоговых голограмм, поскольку нет необходимости принимать в расчет постоянную во времени фазовую связь по меньшей мере двух лазерных лучей.
Синтезированные на компьютере голограммы широко используются, например, для интерферометрической проверки формы деталей, для изготовления защитных элементов для защиты от подделок и в качестве дифракционных оптических элементов (ДОЭ) для выполнения обычных оптических функций (линз, призм).
Способы получения CGH и их применение в качестве защитных элементов известны из уровня техники и описаны, например, в немецкой патентной заявке DE 19926698 A1. Такие голограммы бывают фазовыми и амплитудными.
Поляризационные голограммы - это особый вид голограмм, которые до настоящего времени производились аналоговым способом, то есть посредством интерференции лазерных лучей. Суперпозиция лазерных лучей создает узор из направлений поляризации, который фиксируется на оптически анизотропном материале.
В частности, в защитных элементах поляризационные голограммы обладают рядом преимуществ над традиционными голограммами с установившейся фазой или амплитудой. Например, поляризационная голограмма чувствительна к направлению вращения считывающего луча с круговой поляризацией; поляризационная голограмма отклоняет свет с правой и левой круговой поляризацией в различных направлениях (Р.Rochon, V.Dronyan, A.Natansohn: Polarization Holographic Gratings in Azopolymers for Detecting and Producing Circularly Polarized Light, submitted for publication in International Conference on Applications of Photonics Technology (SPIE), Technical Report No. 48, Office of Naval Research, Grant: N00014-93-1-0615, R&T Code: 3132081). Следовательно, поляризационная голограмма обеспечивает лучшую защиту от подделки.
Для переноса GCH на носитель для получения поляризационной голограммы требуется материал, который может сохранять направление поляризации записывающего луча. С обычными материалами, на которые обычно переносят CGH, это невозможно. Кроме того, при обычном литографическом переносе CGH на материал-носитель получается постоянная дифракционная структура, которая не может быть изменена. Перенос CGH на перезаписываемый носитель обеспечивает существенно большую гибкость.
Оба аспекта реализуются при помощи так называемых фотомодифицируемых полимеров. Фотомодифицируемые полимеры известны (Polymers as Electrooptical and Photooptical Active Media, V.P.Shibaev (editor). Springer Verlag, New York J 995). Эти вещества характеризуются способностью формировать двулучепреломление при воздействии поляризованного света. Записанные узоры двулучепреломления можно сделать видимыми в поляризованном свете. Примерами этого типа служат полимеры боковых групп согласно патенту США 5173381, которые содержат азобензольные группы.
Кроме того, известно, что локализованное двулучепреломление можно записать в слоях этих полимеров в любой требуемой точке при помощи поляризованного света, причем предпочтительная ось этого двулучепреломления перемещается при вращении направления поляризации (K.Anderle, R.Birenheide, M.Eich, J.H.Wendorff, Makromol. Chem., Rapid Commun. 10, 477-483 (1989)).
В Европейской патентной заявке ЕР 0622789 А1 описано, как в целом можно осуществить запись фотомодифицируемых полимеров: под влиянием актиничного света в слое полимера создаются упорядоченные состояния. Предпочтительно использовать свет с линейной или круговой поляризацией, длина волны которого находится в области полосы поглощения боковых групп, изменяющих конфигурацию под действием света. При падении поляризованного света перпендикулярно поверхности пленки создается предпочтительная ориентация, лежащая в плоскости пленки, которая одинакова по всей пленке в случае линейного поляризованного света, тогда как при использовании света с круговой поляризацией предпочтительное направление периодически изменяется в соответствии с вектором напряженности электрического поля возбуждающего света, падающего перпендикулярно поверхности. Воздействие неполяризованного света создает предпочтительную ориентацию перпендикулярно плоскости пленки.
Кроме того, в ЕР 0622789 А1 утверждается, что фотомодифицируемые полимеры особенно подходят для обработки изображений и для обработки информации посредством голограмм, воспроизведение которых может быть осуществлено посредством освещения опорной волной. В этой выложенной заявке голограмма получается в результате суперпозиции двух источников света с постоянной фазой в материале для хранения данных.
В ней также утверждается, что в случае аналогового сохранения значения шкалы серого можно регулировать непрерывно и с высокой точностью позиционирования.
Описание получения поляризационных голограмм посредством записи оцифрованного узора направлений поляризации отсутствует.
Поляризационные голограммы, которые записывают аналоговым методом записи на фотомодифицируемые полимеры, известны из уровня техники. Устройство, при помощи которого можно записать поляризационные голограммы на фотомодифицируемые полимеры посредством суперпозиции двух лазерных лучей с круговой поляризацией, описано в заявке WO 99/57719 А1 (с.10, строка - с.14, строка 16). Однако при помощи этого устройства невозможно записать синтезируемые компьютером голограммы непосредственно на фотомодифицируемые полимеры.
В немецкой патентной заявке DE 19620588 А1 описан способ, отличающийся от вышеупомянутых способов и предназначенный для записи на фотомодифицируемые полимеры.
В первом процессе генерации всю поверхность слоя фотомодифицируемого полимера освещают источником поляризованного света и таким образом получают анизотропное двулучепреломление. На втором этапе таким образом подготовленный материал освещают короткими световыми импульсами, и созданная по всей поверхности анизотропия меняется в локализованных областях. Описание записи синтезированной компьютером поляризационной голограммы отсутствует.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является разработка способа, посредством которого можно рассчитать поляризационные голограммы и затем перенести при помощи записывающей системы на материал-носитель.
Неожиданно было обнаружено, что эта задача решается описанным ниже способом согласно изобретению и устройством согласно изобретению для получения поляризационных голограмм.
В первую очередь изобретение относится к способу получения поляризационных голограмм.
Способ согласно изобретению для получения поляризационных голограмм содержит, на первом этапе, расчет поляризационной голограммы, которая имеет по меньшей мере две поляризационных стадии, и, на втором этапе, перенос рассчитанной поляризационной голограммы на материал-носитель, содержащий вещество, в котором при помощи света может быть локально получено ориентированное двулучепреломление.
Расчет поляризационных голограмм
Объект описывается в трехмерном пространстве комплексной величиной, составленной из амплитуды и фазы. Амплитуда объекта - это распределение значений яркости (амплитудное распределение), фаза объекта может быть выбрана произвольно. Предпочтительно выбрать случайное распределение.
Объект, предназначенный для сохранения в топографическом виде, представлен в цифровой форме, то есть имеется матрица дискретных значений амплитуды и фазы.
Поляризационные голограммы - это особая форма фазовой голограммы, поэтому для объекта рассчитывается фазовая голограмма. Для этой цели необходимо найти фазовую голограмму, которая воссоздает объект при освещении ее считывающим лучом. Фазовая голограмма модулирует фазу считывающего луча. Это означает, что необходимо найти фазовую голограмму, которая модулирует фазу считывающего луча таким образом, чтобы восстановить амплитудное распределение объекта.
В литературе описан ряд походов к решению; в качестве примера можно привести итерационный алгоритм преобразования Фурье (IFTA), описанный Gerchberg & Saxton (R.W.Gerberg, W.O.Saxton; A Practical Algorithm for the Detection of Phase from Image and Diffraction Plane Pictures; Optik 35 (1972), page 237). Цель алгоритма - найти представление объекта в частотном пространстве, которое содержит минимальное количество ошибок.
Определения:
А(O) - амплитуда объекта
Р(O) - фаза объекта
А(С) - амплитуда CGH
Р(С) - фаза CGH
A(L) - амплитуда считывающего луча, предоставленного для процесса считывания
В случае фурье-голограмм преобразование Фурье позволяет восстановить требуемый объект. Для получения фурье-CGH комплексное распределение амплитуды/фазы в плоскости голограммы вычисляется посредством преобразования Фурье из объекта (А(O), Р(O)), имеющегося в цифровом виде.
В результате вновь получается комплексное распределение амплитуды/фазы (А(С), Р(С)). Для амплитудного распределения А(С) используется амплитудное распределение считывающего луча A(L), предоставленного для процесса считывания, и выполняется обратное преобразование Фурье для (A(L), P(C)).
Результатом является амплитудное и фазовое распределение в пространстве объекта (А'(O), Р'(O)). Оно больше не соответствует первоначальному распределению (А(O), Р(O)), поскольку А(С) было заменено A(L). Фазовое распределение Р'(O) сохраняется, А'(O) заменяется А(O) и выполняется еще одно преобразование Фурье.
Так продолжается до тех пор, пока комплексное распределение амплитуды/фазы не приведет к комплексному распределению амплитуды/фазы в плоскости объекта, которое согласуется с первоначальным распределением А(O), Р(O) с достаточной точностью.
Результатом является цифровая фазовая голограмма, комплексное распределение амплитуды/фазы А(С), Р(С) которой при освещении считывающим лучом воссоздает объект (А(O), Р(O)) с достаточной точностью.
Существенной особенностью этого способа расчета является изменение алгоритма таким образом, что фазовое распределение в плоскости голограммы подвергается дискретизации (так сказать "округляется") на каждом шаге итерации так, что рассчитанная поляризационная голограмма имеет по меньшей мере две поляризационных стадии. Причина дискретизации связана с тем, что по техническим причинам невозможно установить для фазы любое произвольное значение при переносе рассчитанной поляризационной голограммы на материал-носитель. Дискретизация Р(С) выполняется в зависимости от того, сколько и какие дискретные значения могут быть установлены в материале при помощи используемого способа. В предпочтительном варианте выполнения дискретизация выполняется таким образом, чтобы рассчитанная поляризационная голограмма имела четыре стадии поляризации.
На последнем этапе расчета рассчитываемых поляризационных голограмм значения для фазового распределения Р(С) заменяются направлениями поляризации. Фазовое распределение предполагает значения в интервале от 0 до 2 π. Эти значения отображаются на распределения направлений поляризации в интервале между 0° и 180°. В простейшем случае выполняется линейное отображение, то есть значения между 0 и 2π в фазовом распределении заменяются линейным образом значениями между 0° и 180°. Возможны также отображения, отличные от линейных. Предпочтительно экспериментально определить характеристику материала, которая указывает, какое направление поляризации к какому фазовому сдвигу приводит.
Одна итерация измененного алгоритма обратного преобразования Фурье содержит следующие этапы:
Этап 1: Расчет А(С) и Р(С) из А(O) и Р(O) посредством преобразования Фурье
Этап 2: Замена А(С) на A(L)
q
Этап 3: Дискретизация Р(С) дает P(C)
q
Этап 4: Расчет А'(О) и Р'(O) из A(L) и P(C) при помощи обратного преобразования Фурье
Этап 5: Замена А'(O) на А(O) и переход к этапу 1 с новыми значениями А(O) и Р(O); (А(O), Р'(O))
Способ завершается, когда преобразование Фурье комплексного распределения амплитуды/фазы в плоскости голограммы приводит к комплексному распределению амплитуды/фазы в плоскости объекта, которое соответствует с достаточной точностью первоначальному распределению А(O), Р(O). Результатом является рассчитанная фазовая голограмма. Точность соответствия определяется областью применения. Например, если в виде голограммы записывают двоичные, двумерные коды данных (матричные коды, такие как, например, матричный код данных), восстановление должно быть достаточно хорошим, чтобы обеспечить надлежащую коррекцию ошибок, содержащихся в матричном коде, для восстановления данных. В случае топографического хранения изображения восстановление должно быть достаточно хорошим, чтобы человеческий глаз не мог заметить отличия между оригиналом и восстановленным изображением. Обычно этапы итерации выполняются многократно таким образом, чтобы результат расчета перестал изменяться на следующем шаге итерации или изменялся на величину среднего отклонения на каждом последующем шаге итерации.
Расчет рассчитанной фазовой голограммы осуществляется предпочтительно с использованием компьютера.
После расчета фазовой голограммы производится вышеописанная замена значений для фазового распределения Р(С) направлениями поляризации. В результате получается поляризационная голограмма.
После расчета поляризационная голограмма на втором этапе переносится на материал-носитель.
Перенос рассчитанной поляризационной голограммы на материал-носитель
Если фазовая голограмма переносится на материал-носитель, он модулирует фазу считывающего луча. На фазу считывающего луча может влиять оптический путь в материале. Оптический путь (ОР) - это произведение толщины слоя d и коэффициента преломления материала n:
OP=n·d
В случае обычных фазовых голограмм, описанных, например, в DE 19926698 А1, толщина слоя материала изменяется для создания фазовой модуляции считывающего луча. В случае настоящего изобретения коэффициент преломления материала изменяется для создания фазовой модуляции считывающего луча.
Материал-носитель
В качестве материала-носителя можно использовать все вещества, в которых при помощи света может быть локально создано ориентированное двулучепреломление (Polymers as Electrooptical and Photooptical Active Media, V.P.Shibaev (editor). Springer Verlag, New York 1995; Natansohn et al, Chem. Mater. 1993, 403-511). Особенно подходящими полимерами являются полимеры, в которых при помощи света может быть локально создано ориентированное двулучепреломление. Такие полимеры называются фотомодифицируемыми полимерами. Таковыми являются, в частности, полимеры с боковыми группами, которые можно использовать для настоящего изобретения и которые описаны в следующих публикациях: ЕР 0622789 В1 (с.3-5), DE 4434966 A1 (с.2-5), DE 19631864 А1 (с.2-16), DE 19620588 А1 (с.3-4), DE 19720288 А1 (с.2-8), DE 4208328 А1 (с.3, строки 3-4, 9-11, 34-40, 56-60), DE 10027153 А1 (с.2-е. 8, строка 61), DE 10027152 А1 (с.2-8), WO 196038410 А1, US 5496670 (столбец 1 строки 42-67, столбец 6 строка 22 - столбец 12 строка 20), US 5543267 (столбец 2 строка 48 - столбец 5 строка 3), ЕР 0622789 В1 (с.3, строка 17 - с.5, строка 31), WO 9202930 А1 (с.6, строки 26-35, с.7 строка 25 - с.14 строка 20), WO 1992002930 А1.
При освещении поляризационных голограмм поляризованным светом отдельные направления волны испытывают фазовый сдвиг. Он зависит от уровня локального двулучепреломления в сохраняющем материале. Если в качестве сохраняющего материала используется так называемый фотомодифицируемый полимер, то свет может вызвать двулучепреломление (R.Hagen, Т.Bieringer. Photoaddressable Polymers for Optical Data Storage. In: Advanced Materials, WILEY-VCH Verlag GmbH (2001), No. 13/23, pages 1805-1810).
Если объяснять простыми словами, в результате падения линейно поляризованнго света хромофоры ориентируются перпендикулярно направлению поляризации.
Для записи рассчитанной голограммы на чувствительный к поляризации материал используется линейно поляризованный свет, предпочтительно с длиной волны в интервале от 380 нм до 580 нм. Особенно предпочтительно осуществлять запись при помощи света с длиной волны 400-420 нм или 500-550 нм.
Существует две возможности переноса рассчитанной поляризационной голограммы на материал-носитель: последовательная и параллельная запись.
Последовательная запись
Для последовательной записи голограммы, то есть точка за точкой, записывающий луч должен быть способен распространяться в двух направлениях. Такое распространение обеспечивается системой с быстрым отклонением зеркала. Она состоит из зеркала, которое может отклоняться на два угла двумя пьезоприводами. В альтернативном варианте возможно также использование двух зеркал, каждое из которых может отклоняться только на один угол.
В одном варианте выполнения настоящего изобретения лазерный луч неподвижен, а среда хранения перемещается в двух направлениях относительно лазерного луча. Это можно осуществить, например, посредством смещаемого стола. Возможно также сочетание зеркал для перемещения лазерного луча и смещения среды хранения относительно лазерного луча.
Направление поляризации должно быть непрерывно или дискретно регулируемым в интервале от 0 до 180°, на котором имеется по меньшей мере две поляризационных стадии. Предпочтительно осуществляется запись по меньшей мере четырех поляризационных стадий, равномерно распределенных в интервале от 0 до 180°.
Для достижения достаточно высокой скорости записи необходимо уметь очень быстро изменять направление поляризации. В одном варианте выполнения настоящего изобретения используется конструкция, содержащая четыре лазера, которая приведена схематически на фиг.2. Достоинство такой конструкции заключается в отсутствии механических компонентов для записи поляризационных направлений. Каждый лазер создает свет с различным направлением поляризации. Предпочтительные направления поляризации - 0°, 45°, 90° и 135°.
В процессе записи лазеры попеременно включаются и выключаются, так чтобы в коллимированном выходном луче имелось требуемое направление поляризации (см. фиг.2). Тем самым на материал с высокой скоростью можно записать четыре стадии поляризации. При помощи дополнительного фазовращателя, поворачивающего поляризацию на π/2 (см. фиг.3), можно установить дополнительную поляризацию, при помощи которой среда хранения может быть "отформатирована". На первом этапе по всей площади голограммы записывается направление поляризации. Затем удаляется дополнительный фазовращатель, сдвигающий фазу на π/2, и на втором этапе записываются остальные направления поляризации в режиме дифракционной решетки при помощи лазеров, которые можно попеременно включать и выключать. Таким образом, посредством вышеописанного устройства можно записать голограммы, имеющие пять поляризационных стадий.
В другой реализации изобретения используется только один лазер, в котором направление поляризации можно непрерывно регулировать. Например, для этой цели можно использовать волоконно-оптический регулятор поляризации. Он действует аналогично плоскости, преломляющей плоскую волну, в классической оптике. Оптическое волокно свернуто в катушки. В результате искривления оптического волокна его поперечное сечение деформируется, и оно становится эллиптическим и, следовательно, двулучепреломляющим. Посредством вращения катушек относительно непрерывного оптического волокна можно изменять состояние поляризации и вращать плоскость поляризации во всем интервале.
Можно также установить поляризатор с возможностью вращения и тем самым непрерывно поворачивать плоскость поляризации.
Помимо поляризационных голограмм при помощи лазера на материал-носитель можно записывать и другие структуры, например особые позиционные метки для поиска голограмм.
Параллельная запись
При параллельной записи все точки рассчитанной поляризационной голограммы, имеющие ту же поляризацию, записываются на материал-носитель одновременно. Это можно обеспечить, например, при помощи технологии DLP (цифровой обработки света). Технология DLP основана на микроскопически маленьких зеркалах, которые установлены на чипе DMD (цифрового микрозеркального устройства).
Зеркала имеют два устойчивых конечных состояния, между которыми они могут переходить за короткий промежуток времени. Зеркала приводятся в движение извне при помощи компьютера. В результате отклонения отдельных микрозеркал на чипе DMD свет либо непосредственно отражается оптической системой, либо направляется на поглотитель.
Для параллельной записи поляризационных голограмм на чип DMD направляется расходящийся линейно поляризованный луч света с регулируемым направлением поляризации.
Зеркала чипа DMD представляют пикселы поляризационной голограммы. Все зеркала, которые относятся к заданному поляризационному направлению, отклоняются в направлении оптической системы. Все остальные зеркала отклоняются в направлении поглотителя.
Затем выбирается новое направление поляризации и процесс продолжается аналогичным образом до тех пор, пока не будут записаны все направления поляризации.
В альтернативном варианте параллельная запись может быть также осуществлена при помощи устройства из элементов, посредством которых можно управляемым образом устанавливать направления поляризации. В данном случае отдельные имеющиеся направления поляризации не требуется записывать одно за другим, но все имеющиеся направления поляризации могут быть записаны одновременно одно рядом с другим. В качестве такого устройства из элементов можно использовать жидкокристаллический дисплей.
Изобретение также относится к устройству для изготовления поляризационных голограмм, которое содержит (см. фиг.1) вычислительный блок (1), посредством которого могут выполняться математические расчеты. Оно также содержит источник света (2), посредством которого можно получить поляризованный свет (3), имеющий регулируемое направление поляризации. Кроме того, оно содержит блок (4), посредством которого поляризованный свет может быть направлен на материал (5), в частности, таким образом, чтобы можно было осветить различные точки в и (или) на материале светом с различным направлением поляризации.
В возможном варианте выполнения устройства используется записывающий лазер, в котором направление поляризации может быть установлено по меньшей мере в двух стадиях.
В другом возможном варианте выполнения устройства используется множество лазеров, каждый из которых имеет по меньшей мере одно отличающееся направление поляризации, то есть различные лазеры используются для записи различных направлений поляризации. Один лазер для каждого записываемого направления поляризации. Используя фазовращатели на угол π/2, которые могут быть введены в траекторию луча лазера и вновь выведены, можно даже записать больше направлений поляризации, чем имеющееся количество лазеров.
Номера позиций
(1)
Вычислительный блок
(2)
Источник света, имеющий регулируемое направление поляризации
(3)
Луч света, имеющий определенное направление поляризации
(4)
Блок для направления луча света на материал-носитель
(5)
Материал-носитель
(6)
Куб расщепления луча
(7)
Пластина расщепления луча
(8)
Фазовращатель на угол π/2
Настоящее изобретение относится также к поляризационным голограммам, получаемым способом согласно изобретению, и к применению этих поляризационных голограмм в качестве хранилищ данных, признаков защиты и дифракционных оптических элементов для выполнения обычных оптических функций, например, линз или призм.