Спосіб запису райдужних рельєфно-фазових голограм

1. Спосіб запису райдужних рельєфно-фазових голограм, в якому здійснюється запис об'єкта на допоміжну голограму по неосьовій схемі, відновлення дійсного зображення записаного об'єкту в області розміщення пластини з неорганічним фоторезистом, обмеження спектру просторових частот об'єктного хвильового поля щілинною діафрагмою, спрямування на пластину з неорганічним 37749 довища, яке реєструє (неорганічний фоторезист), обмежують спектр просторових частот об'єктного хвильового поля щілинною діафрагмою, направляють когерентне об'єктному опорне хвильове поле з розбіжним хвильовим фронтом на середовище, яке реєструє, та здійснюють запис рельєфно-фазової райдужної голограми. Відновлюють голограму з допомогою джерела білого світла з розбіжним хвильовим фронтом. Така голограма придатна для виготовлення нікелевої матриці-копії з наступним тиражуванням з допомогою тиснення чи фотополімеризації. Недолік цього способу полягає у використанні на двох етапах запису райдужної рельєфнофазової голограми різних середовищ, які реєструють, та різних джерел когерентного випромінювання. Запис допоміжної голограми проводять на галоїдносрібній пластинці ПФГ-03 з допомогою випромінювання гелій-неонового лазера ЛГН-222 з довжиною хвилі 632,8 нм, а запис рельєфнофазової голограми здійснюють на неорганічному фоторезисті As 2Se3 і використовують для цього випромінювання аргонового лазера ЛГН-503 з довжиною хвилі 514,5 чи 488 нм. При такому способі запису практично неможливо зберегти незмінним хвильове поле при переході від опорного до відновлюваного пучків для допоміжної голограми, тобто уникнути спотворень голографічного зображення. Крім того, використання двох типів середовищ, які реєструють, з різними процесами післяекспозиційної обробки призводить до ускладнення способу виготовлення рельєфно-фазових райдужних голограм. Під час експонування та післяекспозиційної обробки галоїдносрібних фотопластинок можлива їх усадка, що викликає спотворення голографічного зображення. Спосіб запису рельєфно-фазових райдужних голограм, який пропонується, полягає в тому, що об'єкт записують по неосьовій схемі на допоміжну голограму, відновлюють дійсне зображення записаного об'єкта в області середовища, яке реєструє, обмежують спектр просторових частот об'єктного хвильового поля щілинною діафрагмою, направляють когерентне об'єктному опорне хвильове поле з розбіжним хвильовим фронтом на середовище, яке реєструє, та здійснюють запис рельєфно-фазової райдужної голограми. Відновлюють голограму з допомогою джерела білого світла з розбіжним хвильовим фронтом. В основу винаходу поставлено задачу вдосконалити спосіб запису рельєфно-фазових райдужних голограм шляхом використання на обох етапах запису одного і того ж середовища, яке реєструє, наприклад, неорганічного фоторезиста. Це дозволяє за рахунок використання одного джерела когерентного випромінювання та побудови універсальної схеми запису як допоміжної, так і райдужної голограм, використати одне й те ж саме хвильове поле як опорне - при запису допоміжної голограми і як відновлююче - при запису райдужної голограми. Така умова є необхідною для формування зображення без аберацій, спотворень, та змін розмірів [5]. Необхідне хвильове поле може бути одержане при використанні на обох етапах запису когерентного випромінювання з одною довжиною хвилі та при збереженні форми хвильового фронту опорного та відновлюваного світлових пучків. При цьому перехід від запису допоміжної голограми до запису райдужної голограми супроводжується незначними змінами в універсальній оптичній схемі. Крім усунення спотворень голографічного зображення, пов'язаних з формуванням хвильового поля, використання на обох етапах запису одного і того ж неорганічного фоторезисту на основі халькогенідних стекол дозволяє позбутися спотворень голографічного зображення, пов'язаних з усадками середовища, яке реєструє, при експонуванні та обробці, характерних для галоїдно-срібних фотопластинок. При цьому те хнологічний процес виготовлення голограм спрощується, внаслідок спрощення післяекспозиційної обробки матеріалу, який реєструє. Для обробки неорганічного резисту використовується один розчин (селективний розчинник), що складається з двох компонентів [4, 68], в той час як процес обробки галоїдносрібних фотопластинок є багатоступеневим процесом з використанням не менш як трьох розчинів і 14 реактивів [4]. Як неорганічний фоторезист для запису як проміжної, так і райдужної голограми пропонується використати нанесені на підкладку з допомогою термічного осадження в вакуумі світлочутливі шари, які містять елементи As, Ge, S, Se. Відновлення дійсного зображення об'єкта, записаного на допоміжній голограмі, може здійснюватись як в пропущеному, так і у відбитому хвильовому полі. Винахід може бути використано при виготовленні різних типів райдужних голограм, які слугують як елементами маркетингу, сприяючи підвищенню конкурентноздатності товарів та послуг, так і для захисту від підробок товарів, цінних паперів та документів. Масове поширення на світовому ринку голографічної продукції (на сум у близько 1 млрд. дол. США на рік) надає цьому винаходові промислового значення. Спосіб ілюструється оптичними схемами, які використовуються для запису голограм. Фіг. 1. С хема запису допоміжної голограми прозорого об'єкту для відновлення в пропущеному хвилевому полі. Фіг. 2. Схема запису допоміжної голограми непрозорого об'єкту, що ди фузно розсіює, для відновлення в пропущеному хвилевому полі. Фіг. 3. С хема запису райдужної голограми при відновленні допоміжної голограми в пропущеному хвилевому полі. Фіг. 4. С хема запису допоміжної голограми прозорого об'єкту для відновлення у відбитому хвилевому полі. Фіг. .5. Схема запису райдужної голограми при відновленні допоміжної голограми у відбитому хвилевому полі. На схемах використано наступні позначення: 1 - лазер, 2-12 - плоскі дзеркала, 13 - сферичне дзеркало, 14-16 - подільники променя, 17-19 - просторові фільтри, 20-25 - пристрої переміщення, 26 дифузне скло, 27 - об'єкт запису, 28 - щілинна діафрагма, 29 – середовище, яке реєструє (фоторезист), для запису допоміжної голограми, 30 - фоторезист для запису райдужної голограми, 31 – утримувач. 2 37749 Спосіб здійснюється наступним чином. На віброзахищеному столі збирається оптична схема, показана на фіг. 1. Положення елементів схеми на цьому малюнку відповідає режиму запису допоміжної голограми прозорого об'єкта, тобто транспаранта. Промінь лазера 1 спрямовується дзеркалом 2 на подільник 15, де розділяється за потужністю у співвідношенні близько 1:20. З менш інтенсивної частини променя з допомогою просторового фільтра 17 та сферичного дзеркала 13 формується хвильове поле опорного променя. Більш потужна частина променя з допомогою дзеркала 4 та просторового фільтра 18 подається для освітлення транспаранта 27 через скло 26, що дифузно розсіює (об'єктне хвильове поле). Дифракційна картина від опорного та об'єктного променів записується на шарі фоторезисту 29, обмеженому по площі щілинною діафрагмою 28. В результаті наступної післяекспозиційної обробки на цій ділянці фоторезисту утворюється рельєфно-фазова голограма. Для запису голограми непрозорого об'єкта хід об'єктного променя змінюється, як показано на фіг. 2. З допомогою пристроїв переміщення 20 та 21 на шляху об'єктного променя встановлюється система дзеркал 5-8, 14, 11, 12, в результаті чого освітлюється непрозорий тривимірний об'єкт 27, та записується його допоміжна голограма на ділянці фоторезисту, обмеженій щілинною діафрагмою. При записі багаточастотної голограми кожний її фрагмент записується на окремій ділянці фоторезисту у вигляді вузької смужки, розміри якої та положення на поверхні фоторезисту задаються окремою щілинною діафрагмою. Положенням смужки на поверхні фоторезисту визначається просторова частота фрагмента голограми. Після виготовлення допоміжної голограми здійснюється запис рельєфно-фазової райдужної голограми. Для цього використовується оптична схема, показана на фіг. 3, яка одержується шляхом невеликої трансформації схем, показаних на фіг. 1 чи 2. На шля ху лазерного променя з допомогою пристрою переміщення встановлюється подільник 16, а замість подільника 15 встановлюється дзеркало 3. Менш інтенсивна частина променя з допомогою дзеркал 9 і 10 та просторового фільтра 19 формує опорне хвильове поле, спрямоване на середовище, яке реєструє 30. Більш інтенсивна частина променя відновлює допоміжну голограму 31, дійсне зображення якої також фокусується в області середовища, яке реєструє 30. При цьому утворюється голографічна дифракційна картина, яка записується на фоторезисті 30. З допомогою наступної післяекспозиційної обробки фоторезисту в селективному травнику формується рельєфнофазова райдужна голограма. Співставляючи оптичні схеми, подані на фіг. 1 чи фіг. 2, з оптичною схемою фіг. 3, можна зробити висновок, що хвильове поле, утворене елементами 17 та 13, в результаті перебудови схеми залишається незмінним, тому відновлення записаного на допоміжній голограмі зображення відбувається без спотворень. Оптичні схеми 1-3 описують спосіб запису райдужних голограм, при якому відновлення допоміжної голограми здійснюється в пропущеному хвильовому полі. Але в деяких випадках шар неор ганічного резисту суттєво поглинає лазерне випромінювання, що призводить до значного зменшення яскравості дійсного зображення, відновленого з допоміжної голограми. Це значно ускладнює або ж навіть робить неможливим другу стадію запис райдужної голограми. Підвищити дифракційну ефективність допоміжної голограми в цьому випадку можна шляхом використання схем запису і відновлення голограм у відбитому хвильовому полі. На фіг. 4 надана оптична схема запису допоміжної відбиваючої голограми. Позначення ті ж, що і на попередніх схемах. Голограма транспаранту 27 утворюється в результаті інтерференції опорного та об'єктного хвильових полів, які формуються елементами 15, 17, 13 та 15, 4, 18, 25, 27, відповідно, і записується на ділянці фоторезисту 29, обмеженій щілинною діафрагмою 28. Схема запису райдужної голограми з використанням допоміжної голограми, відновленої у відбитому хвильовому полі, зображена на фіг. 5. Вона одержана внаслідок перебудови схеми фіг. 4 шляхом встановлення подільника 16 та заміни подільника 15 на дзеркало 3. Частина променя меншої інтенсивності з допомогою дзеркала 9 та просторового фільтра 19 формує опорне хвильове поле, спрямоване на середовище, яке реєструє 30, а частина променя більшої інтенсивності складає відновлюване хвильове поле для допоміжної голограми 31. Відновлене дійсне голографічне зображення локалізується в області фоторезисту 30, де і відбувається запис райдужної голограми. Як середовища, які реєструють, використовуються неорганічні резисти на основі тонких шарів халькогенідних скловидних сполук, в склад яких входять елементи: миш'як (As), германій (Ge), сірка (S), селен (Se). Шари одержують шляхом термічного осадження у вакуумі на скляні, кварцові чи інші підкладки сполук As-Se |4, 9], As-S-Se (7, 8), As-Se-Ge [6], As-S [7, 8]. Основою для запропонованого технічного рішення є наступні факти, виявлені в процесі досліджень. При запису багаточастотної допоміжної голограми на фотопластинку типу ПФГ-03, сенсибілізовану на довжину хвилі гелій-неонового лазеру (632,8 нм), та відновленні голографічного зображення випромінюванням аргонового лазеру (514,5 чи 488 нм), що необхідно для запису рельєфно-фазової райдужної голограми на фоторезисті, спостерігаються спотворення, обумовлені порушеннями умов збереження хвильового поля [5]. Крім того, багатоступенева обробка галоїдносрібних середовищ достатньо складна і потребує використання багатьох реактивів. З іншого боку, дослідження неорганічних фоторезистів на основі халькогенідних сполук показали, що чутливість деяких з них до випромінювання аргонового лазеру дозволяє здійснювати запис високоякісної допоміжної голограми за час експонування 4-6 хв, що співпадає з часом експонування при використанні фотопластинок типу ПФГ-03. При цьому для обробки халькогенідних резистів використовується, як правило, один двокомпонентний розчин. Застосування одного середовища, яке реєструє, на обох стадіях виготовлення рельєфно-фазової райдужної голограми дозволяє легко виконати умову збе 3 37749 реження хвильового поля та забезпечити високу якість голографічного зображення. Нижче наведені приклади реалізації запропонованого способу. Приклад 1. На поліровану скляну пластинку розмірами 90х120х2 мм 3 з допомогою термічного випаровування у вакуумі 2,5-10-3 Па послідовно наносять адгезивний шар хрому товщиною 10 нм та шар триселеніду миш'яку (As 2Se3) то вщиною 400 нм. Потім пластинку розміщують в оптичній схемі для запису допоміжної пропускаючої голограми прозорого об'єкту (фіг. 1) і записують голограму транспаранта, використовуючи випромінювання аргонового лазеру з довжиною хвилі 514,5 нм. При енергетичній освітленості 10-3 Вт/см 2 час експонування складає 5 хв. Після експонування та післяекспозиційної обробки одержують допоміжну пропускаючу голограму. Потім схему фіг. 1 перебудовують для запису райдужної голограми (фіг. 3). Для запису використовують аналогічну пластину з шаром As 2Se3 та щілинну діафрагму шириною 7 мм. Після екпонування тим же лазерним випромінюванням на протязі 6 хв і тієї ж післяекспозиційної обробки одержана рельєфнофазова райдужна голограма без дефектів та спотворень з високою дифракційною ефективністю, яка досягає ~40% після покриття відбиваючим шаром алюмінію. Приклад 2. Оптичну схему перебудовують для запису допоміжної голограми непрозорого дифузно відбиваючого об'єкта (фіг. 2). Середовище, яке реєструє, та джерело випромінювання ті ж, що і в прикладі 1, час експонування - 6 хв. Одержану проміжну голограму використовують для запису райдужної рельєфно-фазової голограми аналогічно способу, описаному в прикладі 1 (схема фіг. 3). В результаті одержана райдужна голограма без дефектів та спотворень з параметрами, аналогічними прикладу 1. Приклад 3. Використовується схема для запису допоміжної голограми, яка відновлюється у відбитому хвильовому полі (фіг. 4). Записується голограма прозорого об'єкту (транспаранту). Середовище, яке реєструє, - шар As 2Se3 то вщиною 800 нм, нанесений на адгезивний шар хрому товщиною 80 нм. Час експонування Аr лазером з довжиною хвилі 514,5 нм складає 6 хв. Одержана рельєфно-фазова допоміжна голограма з дифракційною ефективністю у відбитому хвильовому полі біля 15% без покриття відбиваючим шаром. Потім схему фіг. 4 перебудовують для запису райдужної голограми (фіг. 5). Змінюючи подільник 15 на дзеркало З, збільшують інтенсивність відновлюваного хвильового поля (без зміни його структури), а з допомогою подільника 16, дзеркала 9 та просторового фільтра 19 формують розбіжне опорне хвильове поле. Допоміжну голограму встановлюють в утримувач 31. Середовище, яке реєструє, при запису райдужної голограми те ж саме, що і при запису проміжної, час експонування - 5 хв. В результаті експонування та обробки одержана рельєфно-фазова райдужна голограма без дефектів та спотворень з дифракційною ефективністю 45% після покриття відбиваючим шаром алюмінію. Приклад 4. Для запису голограм використовувався потрійний халькогенідний резист As 40S20Se40 . Допоміжна голограма записувалась за схемою фіг. 4, тобто для відновлення у відбитому хвильовому полі. Виготовлено шар термічним осадженням у вакуумі 2,5-10-3 Па, товщина – 800 нм. Для запису використовувалось випромінювання аргонового лазера з довжиною хвилі 514,5 нм, час експонування - 8 хв. Одержана допоміжна голограма з дифракційною ефективністю 12% без покриття відбиваючим шаром. Запис райдужної голограми здійснювався за схемою фіг. 5, з тим же джерелом випромінювання і середовищем, яке реєструє, час експонування складав 8 хв. В результаті експонування та обробки одержана рельєфно-фазова райдужна голограма без дефектів та спотворень з дифракційною ефективністю до 40% після покриття відбиваючим шаром алюмінію. Приклад 5. Для запису голограм використовувався шар трисульфіду миш'яку (As 2S3) то вщиною 800 нм. Експонування здійснювалось випромінюванням аргонового лазера з довжиною хвилі 488 нм. Запис допоміжної голограми здійснювався за схемою фіг. 4, а райдужної голограми - за схемою фіг. 5. Час експонування складав 10 хв при запису допоміжної голограми та 12 хв - при запису райдужної голограми. Одержана рельєфно-фазова райдужна голограма без дефектів та спотворень з дифракційною ефективністю 36% після покриття відбиваючим шаром алюмінію. Приклад 6. Для запису голограм використовувався потрійний халькогенідний резист As 10Se67.5 Ge22.5. Допоміжна голограма записувалась за схемою фіг. 4 для відновлення у відбитому хвильовому полі. Експонування проводилось випромінюванням аргонового лазера з довжиною хвилі 488 нм, час експонування складав 20 хв. Товщина шар у, що реєстр ує, - 800 нм. Дифракційна ефективність допоміжної голограми становила 10% без відбиваючого шару. Райдужна голограма записувалась за схемою фіг. 5. Товщина шару фоторезисту така ж, як і при запису допоміжної голограми, час екпонування 25 хв. Одержана рельєфно-фазова райдужна голограма з дифракційною ефективністю 38% після покриття відбиваючим шаром алюмінію. Джерела інформації: 1. Патент США № 3633989 кл. G 026 27/22, 1972. 2. Stephen A. Benton, Hologram reconstructions with extended incoherent sources.- J. Opt. Soc. Am. – 1969. - V. 59, N 11/ - P. 1545-1546. 3. Патент РФ № 2040031 С1 кл. 6 G 03Н 1/20, 1/24, G 09F 19/12, 19/20, 1995. 4. Патент України № 9725A кл. G 02В 5/18, G 03С 5/00 G 03H 1/00, В 44F 1/02, 1996. 5. Оптическая голография / Под ред. Колфилда/ М.: Мир, 1982. - т.1. - C. 243. 6. Tomoaki Sakai. Hologram copy using amorphous films as a master. - Opt. Commun. – 1978. - V. 24, N 1. - P. 47-50. 7. Губа Б.С. и др. Импульсная запись голограм на аморфних фоторезистивных халькогенидных слоях. - Опт. журн. – 1997. - Т. 64, № 9. - С. 29-34. 8. Патент РФ № 2008285 С1 кл. 5СОЗС 15/00, 1991. 9. Патент України № 9132 кл. 5G03H1/18, G02B5/32, 1996. 4 37749 Фіг. 1 5 37749 Фіг. 2 6 37749 Фіг. 3 7 37749 Фіг. 4 8 37749 Фіг. 5 9 37749 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 10