способ записи голограмм

Формула изобретения

Способ записи голограмм, основанный на формировании последовательно во времени из одного пучка света от лазера двумерного множества пучков с помощью быстродействующего дефлектора, например акустооптического, расщеплении указанного множества пучков на предметную и опорную волны, отличающийся тем, что эти волны по отдельности симметрично отражают относительно двух ортогональных плоскостей, затем оптически объединяют, обеспечивают параллельное направление их оптических осей, фокусируют с помощью общего объектива в плоскость регистрирующей среды, модулируют их по времени экспозиции, углу ориентации и (или) пространственной частоте голограмм в соответствии с содержанием записываемой мозаичной картины, последовательно во времени перемещают регистрирующую среду, формируя тем самым заданную мозаичную картину.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптической голографии и предназначено для получения "радужных" голограмм, применяющихся для защиты товаров и ценных бумаг от подделки, а также в качестве элементов украшений и иллюстраций в полиграфической продукции.

Простейшая "радужная" голограмма представляет собой сложную дифракционную решетку, отдельные участки которой имеют различную ориентацию и частоту штрихов и образуют в целом некоторое изображение. При освещении такой решетки пучком белого света благодаря дифракции наблюдается окрашивание указанного изображения во все цвета радуги, причем участки, отличающиеся ориентацией и частотой штрихов, имеют разные цвета [1, а также ссылки в этом источнике] . "Радужные" голограммы получили широкое практическое применение. Техника и технология изготовления таких голограмм непрерывно развиваются, в последнее время большое внимание уделяется разработке способов изготовления синтезированных или мозаичных "радужных" голограмм, состоящих из множества элементов (субголограмм), совокупность которых образует заданное изображение.

Известен способ записи "радужных" голограмм [2], в котором для формирования субголограмм с различными цветами изготавливают несколько негативных масок с прозрачными участками, соответствующими заданным элементам изображения, экспонируют эти участки двумя интерферирующими между собой пучками света от лазера, причем для различных элементов изображения угол схождения этих пучков и ориентацию интерференционных полос варьируют.

Принципиальными нерешенными вопросами данного способа являются: чрезвычайно большое время записи таких субголограмм из-за необходимости смены и позиционирования масок, перестройки угла схождения и ориентации интерферирующих пучков; невозможность оперативного формирования произвольных изображений из-за необходимости предварительного изготовления масок; сложность формирования изображений с высоким разрешением из-за трудоемкости изготовления и позиционирования масок с малыми прозрачными участками. Поскольку указанные маски имеют, как правило, простой вид, подобные радужные голограммы легко подделать.

Известен иной способ записи аналогичных голограмм [3], использующий вместо указанных в предыдущем случае масок управляемый пространственный модулятор света. Недостатком такого подхода является большое время экспозиции отдельного элемента синтезируемого изображения из-за необходимости параллельного освещения всех элементов модулятора света и снижения тем самым интенсивности излучения в плоскости записи субголограммы. Кроме того, нерешенными вопросами остаются оперативная перестройка в широких пределах ориентации и частоты интерференционных полос.

Другой известный способ записи мозаичных "радужных" голограмм [4], основан на том, что пучок лазера расщепляют на четыре пучка (один опорный и три предметных), которые фокусируют под различными, но фиксированными углами в одну точку регистрирующей среды, системой фотозатворов поочередно открывают предметные пучки, и в результате интерференции формируют три наложенные в одном и том же месте регистрирующей среды субголограммы с различной частотой интерференционных полос и различной длительностью экспозиции в соответствии с информацией о синтезируемом изображении, перемещают среду и записывают массив субголограмм, образующий заданное изображение.

Этот способ не решает ряд основополагающих вопросов, а именно: способ не позволяет оперативно менять ориентацию и частоту интерференционных полос; вектора решеток всех трех голограмм лежат в одной фиксированной плоскости, что резко сужает обзор наблюдаемого синтезированного изображения; в результате записи нескольких наложенных в одном и том же месте голограмм, дифракционная эффективность каждой из них будет значительно ниже максимально возможной, что снижает яркость результирующего изображения; для каждого элемента изображения требуется запись трех голограмм, что существенно увеличивает суммарное время записи.

Целью изобретения является высокоскоростная запись двумерного массива "радужных" субголограмм с увеличенным диапазоном ориентаций и пространственных частот интерференционных полос, что существенно повышает изобразительные качества таких голограмм, снижает общее время изготовления и крайне затрудняет их подделку.

Наиболее близким к названной цели по техническому решению является способ, представленный в [5]. Указанный способ записи голограмм основан на том, что последовательно во времени из одного пучка света от лазера формируют множество пучков с помощью быстродействующего, например акустооптического, дефлектора, далее расщепляют и преобразуют указанное множество пучков на центрально-симметричные между собой предметную и опорную волны, модулируют их по интенсивности, отклоняют под различными углами на одно и то же место фотоматериала и регистрируют совокупность наложенных друг на друга голограмм.

Вместе с тем применительно к записи мозаичных "радужных" голограмм данный способ не позволяет решить несколько важных вопросов: расширить диапазон ориентаций векторов решеток вследствие того, что в указанном техническом решении угловая апертура множества предметных (опорных) пучков по крайней мере в 2 раза меньше, чем в заявляемом способе; увеличить диапазон изменений пространственной частоты интерференционных полос, поскольку эта частота задается преимущественно углом схождения оптических осей предметного и опорного каналов [5]); из-за наличия двух раздельных каналов предметного и опорного пучков способ не обеспечивает высокой точности их совмещения в плоскости записи; кроме того, данный способ не предусматривает записи множества субголограмм путем перемещения регистрирующей среды.

Поставленная задача повышения диапазона ориентации, пространственной частоты интерференционных полос и одновременно высокой скорости записи двумерного массива субголограмм достигается в предлагаемом способе за счет того, последовательно во времени из одного пучка света от лазера с помощью быстродействующего акустооптического дефлектора формируют двумерное множество NxN пучков, эти пучки расщепляют и образуют предметную и опорную волны, которые по отдельности симметрично отражают относительно двух ортогональных плоскостей с помощью двух оборачивающих призм, далее предметную и опорную волны оптически объединяют, обеспечивают параллельное направление их оптических осей, фокусируют с помощью общего объектива в плоскость регистрирующей среды, модулируют по экспозиции, углу ориентации и (или) пространственной частоте голограмм в соответствии с содержанием записываемой мозаичной картины, последовательно во времени перемещают регистрирующую среду на МхМ позиций, где МхМ - количество элементов мозаичной картины. При этом количество возможных значений ориентации решетки составляет 2N в пределах угла 180^o, а количество возможных значений пространственной частоты N/2.

В предложенном решении новыми признаками по отношению к известным способам аналогичного назначения является то, что предметный и опорный пучки отражают симметрично в отдельных каналах, далее их объединяют и фокусируют с помощью общего объектива, ориентацию и частоту интерференционных полос субголограммы формируют оперативно, в широких пределах в соответствии с исходной информацией о заданной картине.

Предложенный способ иллюстрируется следующими графическими материалами.

На фиг. 1 приведена функциональная схема одного из возможных вариантов устройства, реализующего заявляемый способ записи голограмм.

На фиг. 2 изображен пример множества предметных пучков, получаемых последовательно во времени из одного пучка от лазера с помощью двухкоординатного дефлектора.

На фиг. 3 изображен пример множества опорных пучков, центрально-симметричных предметным пучкам.

На фиг. 4 показана одна из возможных пар предметных и опорных пучков, образующих субголограммы (дифракционные решетки) с различной ориентацией и пространственной частотой интерференционных полос.

На фиг. 5 - фиг. 8 показаны примеры увеличенных изображений интерференционных картин таких субголограмм, причем на фиг. 8 приведен случай наложенной записи двух решеток, что позволяет добиваться комбинации ориентаций или цветовой окраски субголограмм.

Сущность заявляемого способа и его реализации состоит в следующем. Пучок лазера 1 (фиг. 1) отклоняют с помощью быстродействующего двухкоординатного дефлектора 2, например акустооптического, относительно среднего положения на угол . Затем с помощью линзы 3 преобразуют угловое отклонение пучка в линейное смещение, параллельное самому себе. С помощью светоделительного кубика 4 световой пучок расщепляют на предметную S и опорную R волны. Предметную волну симметрично отражают с помощью оборачивающей призмы 5 (например, призмы Дове) относительно плоскости, параллельной оптической оси волны и перпендикулярной плоскости чертежа на фиг. 1, и отклоняют зеркалом 6. Опорную волну отклоняют с помощью зеркала 7 и симметрично отражают относительно плоскости, совпадающей с плоскостью чертежа на фиг. 1, второй оборачивающей призмой 8 (например, призмой Дове), которая ориентирована ортогонально к первой оборачивающей призме 5. Затем предметную и опорную волны объединяют с помощью второго светоделительного элемента 9, обеспечивают параллельное направление оптических осей предметной и опорной волны. С помощью Общего объектива 10 фокусируют предметную и опорную волны в плоскость регистрирующей среды 11, модулируют их по времени экспозиции, углу ориентации и (или) пространственной частоте интерференционных полос в соответствии с содержанием записываемой мозаичной картины, затем последовательно во времени перемещают регистрирующую среду 11. Модуляцию по углу ориентации, пространственной частоте, времени экспозиции, а также перемещение регистрирующей среды осуществляют с помощью компьютера 12.

Дефлектор 2 отклоняет световой пучок в пределах двумерного растра из NxN пучков, расположенных с постоянным шагом по координатам X, Y. На фиг. 2 показан примерный внешний вид растра отклоненных пучков для предметной волны, наблюдаемый в передней фокальной плоскости объектива 10 (фиг. 1). На фиг. 3 показан аналогичный растр отклоненных пучков в той же плоскости для опорной волны. Позиция светового пучка в растре характеризуется двумя индексами i, j, где i=1,2,3...N является номером позиции пучка по координате X, a j= 1,2,3, ...N - номером позиции пучка по координате Y. В результате объединения предметной и опорной волн с помощью светоделительного элемента 9 центральные пучки в растре предметной и опорной волны с индексами i=N/2 и j=N/2 распространяются коллинеарно вдоль оптической оси. В этом случае растры предметной и опорной волны являются по отношению друг к другу центрально - симметричными с центром симметрии при i=N/2, j=N/2. Для центральных пучков (i= N/2, j=N/2) угол между предметной и опорной волной после объектива 10 на фиг. 1 равен 0^o.

При отклонении светового пучка дефлектором 2 на угол по отношению к центральному пучку, лежащему на оптической оси, в плоскости регистрирующей среды между предметной и опорной волной образуется угол , равный

= 2arcsin(f₃/f₁₀),

где f₃, f₁₀ - фокусные расстояния объективов 3, 10 (фиг. 1). При этом в результате интерференции предметной и опорной волны в плоскости регистрирующей среды формируется синусоидальная интерференционная решетка с периодом d, равным

d = /(2sin(/2)),

где - длина волны света. Пространственная частота решеток , равная = 1/d, изменяется от нуля до максимального значения. При отклонении пучка дефлектором в пределах растра NxN пучков для каждого направления отклонения имеется примерно N/2 различных углов распространения светового пучка к оптической оси, поэтому формируют N/2 различных пространственных частот решеток.

На фиг. 4 показан случай записи решетки при адресации пучка дефлектором в позицию с некоторым индексом i, j. Световые пучки в предметной и опорной волне лежат на линии а-а, проходящей через центр симметрии О на оптической оси. Ориентация линии а-а относительно координатной оси X определяет ориентацию вектора записываемой решетки в плоскости записи. Как следует из фиг. 4, угол ориентации решетки по отношению к оси X равен

= arctg[(j-N/2)/(N/2-i)].

Изменяя координаты отклоненного пучка i,j, получают различные значения угла в пределах от 0^o до 180^o. Например, для всех позиций пучка с индексом j=N/2 угол = 0^o, для i = N/2 имеем = 90^o, для i=1 и j=N получаем = 45^o и т. д. Число возможных ориентаций решетки оценим для позиций дефлектора на краю растра, когда пространственная частота решеток максимальна.

Число таких позиций равно 2N, т.е. число возможных значений угла равно 2N.

Положительным эффектом изобретения является возможность получения произвольных ориентаций вектора решетки в диапазоне углов от 0 до 180^o и расширенный диапазон пространственных частот решетки от нуля до максимального значения. Данный эффект достигается в результате оптического объединения предметной и опорной волны с параллельным (коллинеарным) направлением их оптических осей. Широкий диапазон углов ориентации решеток позволяет формировать "радужные" голограммы, допускающие более широкий угол обзора.

Другим положительным эффектом является высокая разрешающая способность и качество "радужных" голограмм. Этот эффект является следствием того, что в процессе записи голограмм предметная и опорная волна подвергаются идентичным преобразованиям с помощью идентичных оптических элементов и фокусируются в плоскость регистрации с помощью общего объектива. При этом предметные и опорные пучки имеют одинаковые оптический путь, кривизну волнового фронта и диаметр сечения, в результате чего они хорошо совмещаются в задней фокальной плоскости общего объектива.

Модуляция предметной и опорной волны по времени экспозиции, углу ориентации и (или) пространственной частоте в соответствии с содержанием записываемой картины и перемещение регистрирующей среды позволяют формировать большое разнообразие записываемых "радужных" голограмм и повышают их защищенность от подделки.

Заявляемый способ был проверен экспериментально. В экспериментах были использованы: He-Ne лазер типа ЛГ-52-1 мощностью 10 мВт; двухкоординатный акустооптический дефлектор на кристаллах TeO₂, обеспечивающий формирование последовательно во времени растра 32 х 32 пучка со временем переключения порядка 10 мкс [6]; светоделительные кубики с коэффициентом деления 1:1; объектив с фокусным расстоянием 28 мм и относительным отверстием 1:1,2; самопроявляющаяся фотополимерная регистрирующая среда, чувствительная к излучению He-Ne лазера [7, 8]. Были записаны тестовые изображения, содержащие субголограммы диаметром 0.25 мм с ориентацией решеток 0^o, 20^o, 45^o, 90^o и периодами интерференционных полос от 0.75 мкм до 1.2 мкм. Дифракционная эффективность голограмм составила примерно 30%. При освещении такого изображения пучком белого света, направленным примерно под углом 45^o к плоскости регистрирующей среды, наблюдалось яркое мозаичное изображение с "радужной" окраской. При изменении в широких пределах направления наблюдения и угла освещения изображение по-прежнему можно было наблюдать, но с другим распределением "радужной" окраски.

Литература

1. C.P. Grover, R.A. Lessard, and R. Tremblay. Lensless one-step rainbow holography using a synthesized masking slit. Applied Optics, v.22, n.20 (15 Oct. 1983), p. 3300-3304.

2. Патент США N 4017158. April 12, 1977. МКИ G 02 B 027/38; G 03 H 001/02. Booth Bruce Lee. Spatial frequency carrier and process of preparing same.

3. Патент США N 5138471. July 20, 1990. G 03 H 001/26; G 03 H 001/30. McGrew Stephen P. Holocomposer.

4. Патент США N 5262879. November 16, 1993. МКИ G 03 H 001/10; G 03 H 001/26. Davis Frank S. Holographic image conversion method for making a controlled holographic grating.

5. Авт. свид. СССР N 696850, 19 ноября 1976. МКИ G 03 H 1/04, G 11 C 17/00. Вовк Ю.В. и Пен Е.Ф. Способ записи голограмм.

6. Е. Ф. Пен, П.Е. Твердохлеб, Ю.Н. Тищенко и А.В. Трубецкой. Акустооптический дефлектор голограммного запоминающего устройства. Оптика и спектроскопия, 1983, т. 55, вып. 1, с. 148 - 155.

7. Герасимова Т. Н. , Константинова А.В., Пен Е.Ф. и др. Исследование голографических характеристик при записи объемных фазовых голограмм в фотополимерном материале. Автометрия, 1993, N 4, с. 23 - 30.

8. Pen E.F., Sinyukov A.M., Shelkovnikov V.V., et al. Photopolymer material for the phase hologram recording. SPIE Proceedings, v. 2042, p. 285 - 300.