專利名稱：用于生成偏振全息圖的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于生成偏振全息圖的方法、用于生成偏振全息 圖的裝置以及根據(jù)本發(fā)明的偏振全息圖作為數(shù)據(jù)存儲、安全特征或用 于執(zhí)行常規(guī)光學功能的衍射光學元件的使用。
背景技術：
計算產(chǎn)生的全息圖(CGH)是數(shù)字全息圖。CGH的結構使用特定 算法計算，該算法模擬了關于虛擬取樣光柵的計算機中的全息記錄處 理。這些結構然后例如通過平版印刷方法被轉(zhuǎn)移到物質(zhì)栽體。
與CGH對照，在經(jīng)典的模擬記錄方法中，通過干涉，即激光束的 相位恒定的迭加生成全息結構。
CGH的優(yōu)點在于，它可以制造非實際的計算機計算的對象或作為 數(shù)學描述存在的對象圖像的全息圖。因而，和模擬方法相比，CGH的 使用增強了衍射結構的制造中的靈活性。而且，用于數(shù)字全息圖的寫 入設備的設計比用于模擬全息圖的寫入設備的設計更為魯棒，因為它 不必考慮至少兩個激光束的時間恒定的相位耦合。
計算產(chǎn)生的全息圖被廣泛地使用，例如用于工件的干涉形狀測試， 用于防欺騙的安全元件的制造以及作為用于執(zhí)行常規(guī)光學功能(透鏡、 棱鏡)的衍射光學元件(DOE)。
制造CGH的方法及其作為安全元件的使用是現(xiàn)有技術的一部分， 且例如，在DE 19 926 698A1中描述。存在相位或幅值全息圖。
偏振全息圖是通過模擬技術，即通過激光束的干涉而制造的一種 特定形式的全息圖。偏振方向的圖樣通過激光束的交迭生成，且固定 在光學各向異性材料中。
特別是在安全元件中，偏振全息圖具有優(yōu)于通常建立的相位或幅 值全息圖的某些優(yōu)點。例如，偏振全息圖對于圓偏振讀取束的旋轉(zhuǎn)方 向敏感；偏振全息圖在不同的方向衍射右和左圓偏振光(E及oc/^w, K200780004862.X
<image>image see original document page 4</image>偏振全息圖
由此提供了防欺騙的較大保護。
需要能夠存儲寫入束的偏振方向的材料以用于將GCH轉(zhuǎn)移到用 于生成偏振全息圖的介質(zhì)。使用CGH通常轉(zhuǎn)移到的慣用材料是不可 能的。而且，在CGH到物質(zhì)載體的通常的平版印刷轉(zhuǎn)移中，產(chǎn)生不能 被修改的永久的衍射結構。CGH向可重寫介質(zhì)的轉(zhuǎn)移本質(zhì)上更加靈活。
兩個方面都被所謂的光尋址(photoaddressable)聚合物滿足。光 尋址聚合物是已知的(尸o/，附e,51 as J57e"r卯/ ,/cfl/ flnrf尸/to,oo/^/cfl/ j"/ve 3/erf/fl， K 5"/f/6flev (W/,or人iS戸Viger W/7flg， A^rv K rA: "95 )。這 些物質(zhì)的特征在于，當暴露于偏振光時形成定向雙折射的能力。寫入 的雙折射圖樣能夠在偏振光中可見。這種類型的示例是根據(jù)US專利5 173 381的包含偶氮苯基的側(cè)基聚合物。
還知道，使用偏振光，能夠在任意所需的點向這些聚合物層寫入 局域雙折射，該雙折射的優(yōu)選軸關于偏振方向的旋轉(zhuǎn)而移動(JL j"rfer/e，
O 附附ii汰70,477-M3(7卵力)。
EP0622789 Al描述了 一般可以怎樣實現(xiàn)光尋址聚合物的寫入通 過光化性光的影響在聚合物層中產(chǎn)生有序狀態(tài)。優(yōu)選使用的光是線性 或圓偏振光，其波長處于光致引發(fā)配置改變側(cè)基的吸收帶的區(qū)域內(nèi)， 當沿著膜的表面法線入射偏振光時，結果是膜的平面中的優(yōu)先取向， 在線性偏振光的情況下，該取向貫穿膜是均勻的，而使用圓偏振光， 優(yōu)選方向根據(jù)沿著表面法線的激勵光的電矢量周期地調(diào)整。暴露于非 偏振光產(chǎn)生垂直于膜平面的優(yōu)先取向。
EP0622789 Al還聲明，光尋址聚合物尤其適用于圖像的處理以及 通過全息圖的信息處理，通過使用參考波照射能夠?qū)崿F(xiàn)所述全息圖的 再現(xiàn)。在該公開的申請中，通過在存儲材料中交迭兩個相位恒定的光 源生成全息圖。
還進一步聲明，在模擬存儲的情況下，灰度值能夠被連續(xù)地且具 有位置分辨率地調(diào)節(jié)。
沒有描述通過寫入偏振方向的數(shù)字化圖樣的偏振全息圖的產(chǎn)生。 通過模擬寫入技術寫入到光尋址聚合物的偏振全息圖是現(xiàn)有技術 的一部分 能夠用來通過兩個圓偏振激光束的交疊將偏振全息圖寫入
到光尋址聚合物的裝置在申請WO 99/57719 Al中描述(第10頁第1 行到第14頁第16行)。然而，使用這種裝置，不可能直接將計算機產(chǎn) 生的偏振全息圖寫入到光尋址聚合物。
DE 19 620 588 Al描述了 一種與上述方法不同的方法，且旨在用于 對光尋址聚合物的寫入。
在生成的第一步驟中，使用偏振光的光源在整個面積上照射光尋 址聚合物層，且因而產(chǎn)生各向異性雙折射。在第二步驟中，準備的材 料因而使用較短光脈沖照射且在整個面積上生成的各向異性在局部區(qū) 域中變化。沒有描述計算產(chǎn)生的偏振全息圖的寫入。
因此，目標是開發(fā)一種方法，通過該方法，偏振全息圖能夠被計 算且能夠使用寫入系統(tǒng)而被轉(zhuǎn)移到物質(zhì)栽體.
令人驚訝的是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過下述用于生成偏振全息圖的根據(jù)本 發(fā)明的方法以及根據(jù)本發(fā)明的裝置實現(xiàn)該目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明首先涉及一種用于生成偏振全息圖的方法。 根據(jù)本發(fā)明的用于生成偏振全息圖的方法包括在第 一步驟中， 計算至少具有兩個偏振態(tài)的偏振全息圖，以及在第二步驟中，將計算 的偏振全息圖轉(zhuǎn)移到物質(zhì)載體，該物質(zhì)栽體包括能夠通過光局部產(chǎn)生 定向雙折射的物質(zhì)。
具體實施方式
偏振全息圖的計算
通過由幅值和相位組成的復數(shù)在三維空間中描述對象。該對象的 幅值是亮度值的分布(幅值分布)，該對象的相位可以任意選擇。優(yōu)選 地，選擇隨機分布。
需要被全息存儲的對象以數(shù)字化的形式存在，即存在用于幅值和 相位的離散值矩陣。
偏振全息圖是一種特定形式的相位全息圖；因此為該對象計算相
位全息圖。對于該目的，必須發(fā)現(xiàn)當使用讀取束照射時重新構建該對 象的相位全息圖。相位全息圖調(diào)制讀取束的相位。這意味著有必要找 到以如下方式調(diào)制讀取束的相位的相位全息圖，即對象的幅值分布被 重新構建。
文獻描述了^艮多解決方法；Gerchberg和Saxton描述的迷/fc'謬ji (IFTA )被i人為是一個示例(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 )。該算法的目標是 在盡可能無錯的頻率空間中發(fā)現(xiàn)對象的表達，
定義
A(O) 對象的幅值 P(O) 對象的相位 A(C) CGH的幅值 P(C) CGH的相位
A(L) 為讀取處理i殳置的讀取束的幅值
在傅立葉全息圖的情況下，傅立葉變換允許所需對象的重新構建。 為了生成傅立葉CGH,通過傅立葉變換，從以數(shù)字形式存在的對象 (A(O)，P(O))計算全息圖的平面中的合成幅值/相位分布。
結果同樣是復的幅值/相位分布(A(C)，P(C))。對于幅值分布A(C), 使用為讀取處理設置的讀取束的幅值分布A(L)且實施(A(L)，P(C))的 逆傅立葉變換。
結果是對象空間(A，(O)，P，(O))中的幅值和相位分布。這不再對 應于原始分布(A(O)，P(O))，因為A(C)被A(L)代替。相位分布P，(O) 保留，A，(O)被A(O)代替，且實施另一傅立葉變換。
該過程一直繼續(xù)，直到全息圖的平面中的復幅值/相位分布導致對 象的平面中的復幅值/相位分布，此分布足夠精確地與原始分布 A(O ),P(O)—致。
結果是具有復幅值/相位分布A(C)，P(C)的數(shù)字相位全息圖，當使用 讀取束照射時，該全息圖重新構建具有足夠精確度的對象(A(O)，P(O))。
該計算方法的關鍵在于以如下方式調(diào)整算法，即，使得在每次迭 代步驟，全息圖的平面內(nèi)的相位分布以如下方式量化(稱為"迂回，，)，
即，計算的偏振全息圖至少具有兩個偏振態(tài)(polarization stage)。量 化的原因在于，當將計算的偏振全息圖轉(zhuǎn)移到物質(zhì)載體時，由于技術 原因，不可能為相位設置任意值。依賴于使用的技術能夠在材料中設 置多少個離散值且使用哪些離散值，實現(xiàn)P(C)的量化。在優(yōu)選實施例 中，量化以如下方式實現(xiàn)，即，計算的偏振全息圖具有四個偏振態(tài)。 在計算計算的偏振全息圖的最后步驟中，用于相位分布P(O)的值
被偏振方向代替。相位分布假設值在0至27T之間。這些值被映射到0。
至180。的偏振方向的分布。在最筒單的情況，實施線性映射，即，0 至2ti之間的值被0。至180°之間的值線性代替。還可以實施不同于線性 映射的映射。優(yōu)選地，實驗上判斷指示哪個偏振方向?qū)е履膫€相位偏 移的材料特性，
修正的IFTA的迭代如下
步驟1:通過傅立葉變換從A(O)和P(O)計算A(C)和P(C) 步驟2: A(L)代替A(C) 步躁3: P(C)的量化給出Pq(C)
步驟4:通過逆傅立葉變換從A(L)和Pq(C)計算A，(O)和P， (O) 步驟5: A(O)代替A，(O)，且使用新的值A(O)和P(O);( A(O)，P，(O)) 從l開始
當全息圖的平面內(nèi)的復幅值/相位分布的傅立葉變換導致對象平面 內(nèi)的復幅值/相位分布時，該方法終止，所迷對象平面內(nèi)的幅值/相位分 布足夠精確地對應于原始分布A(O)和P(O)。結果是計算的相位全息
才艮據(jù)應用判斷相符(agreement)的精確度。例如，如果二元、二 維數(shù)據(jù)代碼(矩陣代碼，諸如，例如數(shù)據(jù)矩陣代碼)被作為全息圖寫 入，重構必須足夠好，以用于被包含在適用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復的矩陣代 碼中的誤差校正。在全息存儲圖像的情況下，重構必須足夠好，以使 得對于人眼而言，原始和重構之間沒有可檢測差異。通常，迭代步驟 實施一定次數(shù)，使得在進一步的迭代步驟計算的結果不再改變或者在 每個進一步的迭代步驟中的平均偏差不再改變。
優(yōu)選地，使用計算機實施計算的相位全息圖的計算。 在計算相位全息圖之后，實現(xiàn)上述使用偏振分布代替相位分布P(O) 值。得出偏振全息圖。
在已經(jīng)計算出偏振全息圖之后，它在第二步驟轉(zhuǎn)移到物質(zhì)載體。
計算的偏振全息圖向物質(zhì)栽體的轉(zhuǎn)移
如果相位全息圖被轉(zhuǎn)移到物質(zhì)栽體，它調(diào)制讀取束的相位。讀取
束的相位可能受材料中光路的影響。光路(OP)是材料的層厚度d和 折射率n的乘積。 OP = n.d
在常規(guī)相位全息圖的情況下，例如，在DE19926698 Al中，材料 的層厚改變，以致使讀取束的相位調(diào)制。
在本發(fā)明的情況下，材料的折射率改變以致使讀取束的相位調(diào)制。
物質(zhì)載體
能夠通過光局部產(chǎn)生定位雙折射的所有物質(zhì)可以用作該物質(zhì)栽體 的材料(似J57ec加o/7".cfl/flm/尸/jo似o/^/cfl/J"/ve Aferf/fl， K 57r/6flev 必7勿，5^/"ger K/7吸jV， 7995,. 7Va似wsv/rw " a/" C/ie肌 Ma&r. /9W,^ 3-57i義尤其合適的聚合物是能通過光局部產(chǎn)生定位雙 折射的物質(zhì)。這些物質(zhì)在這里被稱為光尋址聚合物。這些物質(zhì)具體而 言是側(cè)基聚合物，它們可用于本發(fā)明且在下面的出版物中描述EP 0 622 789 Bl ( pages 3國5 ) , DE 4 434 966 Al(pages 2-5)，DE 19 631 864 Al(pages 2-16)， DE 19 620 588 Al(pages 3-4)，DE 19 720 288 Al(pages 2-8)， DE 4,208 328 Al(pages 3，line 3-4，9-ll，34-60，56國60)，DE 10 027 153 Al(page 2-page 8，line 61)，DE 10 027 152 Al(pages 2國8)，WO 196038 410 Al， US 5 496 670 (section 1 lines 42-67，section 6 line 22 to section 12 line 20)， US5 543 267 ( section 2 line 48 to section 5 line 3 ) ， EP 0 622 789 Bl(page3，line 17 to page 5，line 31)， WO 9202930 Al(page 6，line 26 to 35，page 7，line 25 to page 14 line 20)，WO 1992002930 Al。
當使用偏振光照射偏振全息圖時，單獨的波趨向于經(jīng)歷相位偏移。 這依賴于存儲材料中局部雙折射的水平。如果所謂的光尋址聚合物用 作存儲材料，雙4斤射可以通過光引起(R. Hagen, T. Bieringer: Photoaddressable Polymers for Optical Data Storage. In: Advanced Materials, WILEY - VCH Veiiag GmbH(2001)， No. 13/23， pages 1805-1810)。
以簡單的術語表達，作為線性偏振光入射的結果，載色體
(ehromophores )是垂直于偏振方向取向的。
對于將計算的全息圖寫入到偏振敏感的材料，使用優(yōu)選地具有 380nm到580nm范圍的波長的線性偏振光。尤其優(yōu)選地，使用具有400 至420nm或500至550nm的波長的光執(zhí)行寫入。
對于將計算的偏振全息圖轉(zhuǎn)移到物質(zhì)載體，具有兩種可能性串 行和并行寫入.
聲存萃入
為了串行即逐點寫入全息圖，寫入束必須能夠雙向傳輸。這種傳 輸被快速反射鏡傾斜系統(tǒng)允許。快速反射鏡傾斜系統(tǒng)包括能夠通過壓 電制動器在兩個角度傾斜的反射鏡。備選地，快速反射鏡傾斜系統(tǒng)還 可以使用在每種情況下僅在一個角度傾斜的兩個反射鏡。
在本發(fā)明的實施例中，激光束是固定的且存儲介質(zhì)相對于激光束 在兩個方向中移動。例如，這可以通過可制動位移臺實現(xiàn)。用于移動 激光束的反射鏡以及存儲介質(zhì)相對于激光束的位移的組合也是可以考 慮的。
使用至少兩個偏振態(tài)，偏振的方向在0至180。的范圍可連續(xù)或離 散地調(diào)節(jié)。優(yōu)選地，0至180。的范圍內(nèi)均勻分布的至少四個偏振態(tài)被寫 入。
為了實現(xiàn)足夠高的寫入速度，必須能夠極快地改變偏振方向。在 本發(fā)明的實施例中，使用包括四個激光器的設計，這在圖2中示出。 這種設計的優(yōu)點在于避免了用于寫入偏振方向的機械部件。每個激光 器產(chǎn)生具有不同偏振方向的光。偏振方向優(yōu)選地為0°、45°、90°和135°。
在寫處理中，激光器交替地在開和關之間切換，使得在準直出射 束中存在所需的偏振方向(參考圖2)。這樣，四個偏振態(tài)能夠高速地 被寫入到材料中。在附加的偏振旋轉(zhuǎn)；r/2移相器(參考圖3)的幫助下， 可以設置其他偏振，通過該其他偏振，存儲介質(zhì)能夠被"格式化"。在 第一步驟中，偏振方向被寫入到全息圖的整個區(qū)域上。此后，附加的tt/2 移相器被移除，且在第二步驟中，在可以交替地開和關的激光器的幫 助下，剩余的偏振方向以光柵模式被寫入。這樣，通過上述裝置，具 有五個偏振態(tài)的全息圖被寫入。
本發(fā)明的另一執(zhí)行僅使用其中偏振方向連續(xù)可調(diào)的一個激光器。 例如，光纖偏振調(diào)節(jié)器可用于該目的。它以等效于經(jīng)典光學的折射平 面波板的方式操作。該光纖纏繞成線團。作為光纖彎曲的結果，其剖 面變形且變成橢圓，且由此雙折射。通過線圏相對于連續(xù)光纖的旋轉(zhuǎn)， 可以改變偏振態(tài)且在整個范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)偏振平面。
還可以以可旋轉(zhuǎn)的方式安裝偏振器且由此連續(xù)地旋轉(zhuǎn)偏振平面。 除了偏振全息圖，使用例如用于發(fā)現(xiàn)全息圖的特定位置標記的激 光，其他結構可以被寫入到物質(zhì)載體中。
#專入
在并行寫入中，具有該偏振的計算的偏振全息圖的所有點被同時
寫入到物質(zhì)栽體。例如，這能夠通過DLP (數(shù)字光處理)技術實現(xiàn)。 DLP技術基于安裝在DMD(數(shù)字微鏡器件)芯片上的精微的小反射鏡。
所述反射鏡具有兩個穩(wěn)定的末端狀態(tài)，它們可以在極短的時間內(nèi) 在這兩個末端狀態(tài)之間變化，在計算機輔助下，反射鏡從外部制動。 作為DMD芯片上的單獨微鏡傾斜的結果，光要么直接反射到光學系 統(tǒng)，要么導入到吸收體中。
對于偏振全息圖的并行寫入，具有可調(diào)節(jié)偏振方向的發(fā)散的、線 性的偏振光束被引導到DMD芯片。
DMD芯片的反射鏡代表了偏振全息圖的像素。屬于該組偏振方向 的所有反射鏡在光學系統(tǒng)的方向中傾斜。所有其他反射鏡朝向吸收體 傾斜。
此后，選擇新的偏振方向，且以類似的方式繼續(xù)處理，直到存在 的所有偏振方向都被寫入為止。
備選地，并行寫入還可以使用元件布置實行，通過該元件布置， 偏振的方向可以以可控的方式設置。在這種情況下，存在的單獨偏振 方向不需要被接連地寫入，而是存在的所有偏振方向#>同時并排寫入。 液晶顯示器可以用作這種元件布置。
本發(fā)明還涉及用于制造偏振全息圖的裝置，該裝置包括(參考

圖1 ) 計算單元(l)，通過該計算單元可以執(zhí)行數(shù)學計算。該裝置還包括光 源(2)，通過該光源可以產(chǎn)生具有可調(diào)節(jié)偏振方向的偏振光(3)。該 裝置還包括單元(4)，通過該單元，具體而言，以材料中和/或材料上
的各個點能被不同偏振方向的光照射的方式，偏振光可以被引導到材
料(5)上.
該裝置的可能實施例使用能夠在至少兩個偏振態(tài)設置偏振方向的 寫入激光。
該裝置的另一可能的實施例使用多個激光，每個激光至少具有一 個不同的偏振方向，即不同的激光用于待寫入的不同的偏振方向。為 待寫入的每個偏振方向使用一個激光。通過使用可以引入到激光光路
中且再次移除的7T/2移相器，甚至可以具有比現(xiàn)有激光更多的將被寫入 的偏振方向。
附圖標記
計算單元
具有可調(diào)節(jié)偏振方向的光源
(3)具有指定的偏振方向的光束
(4)用于引導光束到物質(zhì)載體上的單元
(5)物質(zhì)載體
(6)分束器立方體
(7)分束板
(8)Tl/2移相器
本發(fā)明還涉及通過根據(jù)本發(fā)明的方法可獲得的偏振全息圖以及這 些偏振全息圖作為數(shù)據(jù)存儲、安全特性或用于執(zhí)行常規(guī)光學功能的衍 射光學元件，例如透鏡或棱鏡的使用。
權利要求
1. 用于生成偏振全息圖的方法，其特征在于，在第一步驟中，計算至少具有兩個偏振態(tài)的偏振全息圖，且在第二步驟中，將計算的偏振全息圖轉(zhuǎn)移到物質(zhì)載體，該物質(zhì)載體包括其中能夠通過光局部地產(chǎn)生定向雙折射的物質(zhì)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，光尋址聚合物用作 所述物質(zhì)栽體.
3. 根據(jù)權利要求1和2所述的方法，其特征在于，除了偏振全息 圖，甚至其他結構被寫入到所述物質(zhì)載體。
4. 根據(jù)權利要求1至3任意一項所述的方法，其特征在于，通過 迭代傅立葉變換實現(xiàn)計算偏振全息圖的計算，所述全息圖平面中的計 算相位分布在每次迭代循環(huán)中以這樣的方式量化，即計算的偏振全息 圖至少具有兩個偏振態(tài).
5. 根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，所述全息圖的平面 中的計算相位分布在每次迭代循環(huán)中以這樣的方式量化，即計算的偏 振全息圖具有四個偏振態(tài)。
6. 用于生成偏振全息圖的裝置，包括計算單元(l)，通過該計 算單元可以實施數(shù)學計算；光源(2)，通過該光源可以產(chǎn)生具有可調(diào) 節(jié)偏振方向的偏振光(3);單元(4)，通過該單元，具體而言，以材 料中和/或材料上的各個點能被不同偏振方向的光照射的方式，偏振光 可以被引導到材料(5)上。
7. 根據(jù)權利要求6所述的裝置，其特征在于，使用至少能夠在兩 個態(tài)設置偏振方向的寫激光。
8. 根據(jù)權利要求6所述的裝置，其特征在于，使用多個激光，每 個激光至少具有一個不同的偏振方向。
9. 偏振全息圖，其特征在于，它通過根據(jù)權利要求1至5其中任 一項的方法生成。
10. 根據(jù)權利要求9所述的偏振全息圖作為數(shù)據(jù)存儲的使用。
11. 根據(jù)權利要求9所述的偏振全息圖作為安全元件的使用。
12. 根據(jù)權利要求9所述的偏振全息圖作為用于產(chǎn)生特定波前的 衍射光學元件的使用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于生成偏振全息圖的方法，其中，在第一步驟中，計算相位全息圖(1)，且其中，在第二步驟，計算的相位全息圖被轉(zhuǎn)移到物質(zhì)載體(5)，該物質(zhì)載體包括其中能夠通過光暴露局部產(chǎn)生定向雙折射的物質(zhì)。本發(fā)明還涉及用于生成偏振全息圖的裝置以及根據(jù)本發(fā)明的偏振全息圖作為數(shù)據(jù)存儲、安全特征或用于執(zhí)行常規(guī)光學功能的衍射光學元件的使用。
文檔編號G03H1/08GK101379444SQ200780004862
公開日2009年3月4日 申請日期2007年1月31日 優(yōu)先權日2006年2月9日
發(fā)明者D·吉爾, D·埃伯哈德, H·瓊格曼, J·-M·阿斯富爾, S·施奈德, S·沃爾克寧, W·里德爾 申請人:拜爾創(chuàng)新有限責任公司