DE3017491A1

DE3017491A1 - Verfahren zur herstellung eines inline hologramms und verwendung eines solchen hologramms in einem optischen wiedergabekopf

Info

Publication number: DE3017491A1
Application number: DE19803017491
Authority: DE
Inventors: Kayoko Hasegawa; Chiaki Kojima; Hiroshi Ohki
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1979-05-07
Filing date: 1980-05-07
Publication date: 1980-11-20
Also published as: US4312559A; NL8002589A; AU535350B2; CA1127886A; GB2049986A; AU5804980A; FR2456343B1; FR2456343A1; GB2049986B

Description

Verfahren zur Herstellung eines Inline Hologramms und Verwendung eines solchen Hologramms in einem optischen Wiedergabekopf

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Hologramms wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben und auf einen optischen Wiedergabekopf wie im Patentanspruch 5 angegeben.

Die vorliegende Erfindung ist mit der Herstellung eines Hologramms befaßt, und zwar insbesondere mit der eines Inline Hologramms. Des weiteren umfaßt die Erfindung einen neuen optischen Wiedergabekopf, in dem ein solches Inline Hologramm als Linse verwendet ist.

Aus dem Stand der Technik ist kein Verfahren bekannt, mit dem man ein Inline Hologramm mit großer numerischer Apertur in einfacher Weise herstellen kann.

Aus dem Stand der Technik sind zwar viele Wiedergabeeinrichtungen bzw. Wiedergabeköpfe zur Wiedergabe optischer Signale bekannt, die jedoch eine Anzahl von Nachteilen auf-, weisen und insbesondere schwer, kostspielig und groß sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfach durchzuführendes Verfahren zur Herstellung eines Inline Hologramms bzw. einer Inline Hologrammlinse anzugeben, das frei von Nachteilen des Standes der Technik ist. Eine andere Aufgabe der Erfindung ist, einen optischen Wiedergabekopf mit geringem Gewicht und geringer Größe anzugeben.

Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 mit den Merkmalen des Kennzeichens dieses Patentanspruches sowie mit einem Wiedergabekopf nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 5 mit den Merkmalen des Kennzeichen dieses Patentanspruches gelöst.

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Ein wie erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Inline Hologramms sieht eine Anzahl von Verfahrensschritten vor. Auf eine erste photoempfindliche Schicht wird das holographische Interferenzmuster aufgezeichnet, das sich aus gleichzeitiger Bestrahlung dieser Schicht mit einer Referenzwelle und einer Objektwelle ergibt, wobei die beiden Wellen zueinander off-line bzw. außeraxial sind und die Objektwelle senkrecht zur der Schicht ist. Durch Entwicklung dieser ersten photoempfindlichen Schicht wird ein Offline bzw. außeraxiales Hologramm hergestellt. Diesem Offline Hologramm wird eine zweite photoempfindliche Schicht gegenübergestellt. Dieses Hologramm wird mit einer rekonstruierenden Referenzwelle bestrahlt, wobei gleichzeitig die zweite photoempfindliche Schicht in senkrechter Richtung von einer rekonstruierten Objektwelle, die ein Objekt des Offline Hologramms ist, und von einer Referenzwelle durch das Offline Hologramm hindurch bestrahlt. Diese zweite photoempfindliche Schicht wird dann entwickelt.

Der erfindungsgemäße optische Wiedergabekopf, durch den ein von einem Laser ausgehender Laserstrahl auf ein optisches Aufzeichnungsmittel einstrahlt und durch den hindurch ein von diesem Aufzeichnungsmittel reflektierter Strahl auf einen Photodetektor gelangt, hat die folgenden Merkmale: Einen Strahlungsteiler, eine Viertelwellenlängen-Platte, ein nach dem voranstehend beschriebenen Verfahren hergestelltes Inline Hologramm als Fokussierungslinse und Mittel mit denen mit Hilfe eines transparenten Klebstoffes der Strahlungsteiler, die Viertellängenwellen-Platte und das Inline Hologramm zusammengehalten werden.

Weitere Erläuterungen zur Erfindung werden anhand der Figuren gegeben. Es zeigen:

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Fig. 1 bis 4 schematische Darstellungen zur Erläuterung der Verfahren zur Aufzeichnung und Rekonstruktion von Hologrammen;

Fig. 5 eine schematische Ansicht zur Erläuterung der Aufzeichnung eines bekannten Inline Hologramms;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zur Herstellung eines Inline Hologramms;

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels Her Erfindung;

Fig. 8 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Verfahrens der Herstellung eines außeraxialen bzw. Offline Hologramms, wie es in den Figuren 6 und 7 gezeigt ist;

Fig. 9 eine Querschnittsansicht eines als Linse verwendeten Hologramms, hergestellt nach Verfahren der Figuren 6, 7 oder 8;

Fig. 10 und 11 entsprechende schematische Ansichten von Rekonstruktionsverfahren zur Herstellung eines Inline Hologramms als Linse;

Fig. 12 eine schematische Ansicht eines Wiedergabekopfes für optische Signale, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist;

Fig. 13 eine Querschnittsansicht eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Wiedergabekopfes mit einer Inline Hologrammlinse und

Fig. 14 eine Querschnittsansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wiedergabekopfes mit Hologrammlinse.

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Bevor die Erfindung beschrieben wird, soll eine Beschreibung eines Hologramms erfolgen. Es gibt Inline Hologramme (inline hologram lens) und Offline oder Off-axis Hologramme (off-axis hologram lens). Die Aufzeichnung und Wiedergabe solcher Hologramme wird nachfolgend kurz erläutert.

Zunächst wird das Offline Hologramm beschrieben. Wie aus Fig. 1 zu ersehen, läßt man eine Objekt- bzw. Gegenstandswelle A (mit sphärischer" Wellenfront) und eine Aufzeichnungs-Referenzwelle B (mit ebener oder sphärischer Wellenfront) auf eine (photoempfindliche) Aufzeichnungsoberfläche r eines Hologramm-Aufzeichnungsmittels HR auftreffen. Die Wellen A und B fallen beide mit einem Winkel von ungefährt 45° zur Normalen der Oberfläche r und somit außeraxial ein. Es ergibt sich ein Offline Hologramm HL¹ mit beispielsweise Scheibenform, das aus einem aufgezeichneten Interferenzbild bzw. -muster besteht. Die Maßnahmen zur Entwicklung des Interferenzbildes der Aufzeichnungsoberfläche r werden hier nicht weiter beschrieben. In dem vorliegenden Falle wird die Objektwelle A unter Verwendung einer optischen Linse erzeugt und ist derart, daß sie in einem Punkt P konvergiert bzw. fokussiert ist. Sie divergiert hinter dem Punkt P, Die beiden Wellen bzw. Strahlungen A und B entstammen einem Laserstrahl, der von ein und demselben Laser kommt. Damit ergibt sich ein außeraxiales bzw. Offline Hologramm OX-L, das auch als entsprechende Hologrammlinse bezeichnet wird. Wenn man die Wiedergabe eines Offline Hologramms OX-L durchführt, wie dies Fig. 2 zeigt, läßt man eine (Wiedergabe-)Referenzwelle B¹ entsprechend der (Aufnahme-)Referenzwelle B nach Fig. 1 auf das Offline Hologramm HL¹ von derjenigen Seite her auffallen, die der Aufzeichnungsoberfläche r entgegengesetzt ist. Man läßt diese Welle entlang der Verlängerung der (Strahlung der) Referenzwelle B nach Fig. 1 auftreffen. Es tritt dann eine rekonstruierte (Wiedergabe-)Objektwelle A' auf der Seite der Aufzeichnungsfläche r auf und diese

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Objektwelle A¹ konvergiert bzw. ist fokussiert im Punkt P". Wenn man dagegen die (Wiedergabe-)Referenzwelle ebenso wie die (Aufzeichnungs-)Referenzwelle B auf die Aufzeichnungsoberfläche r des Aufzeichnungsmittels HR (also anders als in Fig. 2) auffallen läßt, ergibt sich eine rekonstruierte Objektwelle von der Oberfläche des Aufzeichnungsmittels HR her, die entgegengesetzt der'AufZeichnungsoberfläche r ist, wobei diese Welle in Richtung der Verlängerung der (Aufzeichnungs-)Objektwelle A nach Fig. 1 divergiert (also ein virtuelles Bild liefert-) .

Nachfolgend wird jetzt das Inline Hologramm beschrieben. Wie Fig. 3 zeigt, werden die (Aufzeichnungs-)Objektwelle A (eine Welle mit sphärischer Wellenfront) und die (Aufzeichnungs-)Referenzwelle B (eine ebene oder sphärische Welle) auf die Aufzeichnungsoberfläche r des Hologrammaufzeichnungsmittels HR geworfen. Hier sind die optischen Achsen der Wellen A und B zusammen und liegen in Richtung der Normalen (der Oberfläche r), d. h. sie sind zueinander "inline". Sie bilden das Inline Hologramm HL, das aus einem Interferenzbild bzw. -muster besteht. Andere Einzelheiten des Inline Hologramms sind im wesentlichen gleich denjenigen der Fig. 1. Es ergibt sich somit ein Inline Hologramm IN-L.

Wenn ein Inline Hologramm IN-L,wie in Fig. 4 gezeigt, wiedergegeben bzw. rekonstruiert wird, wird eine (Wiedergabe-) Referenzwelle B¹ entsprechend der (Aufzeichnungs-)Referenzwelle B nach Fig. 3 auf das Inline Hologramm HL von derjenigen Seite auf das Aufzeichnungsmittel HR geworfen, die der Aufzeichnungsoberfläche r entgegengesetzt ist. Die Welle B¹ wird entlang der Verlängerung der Welle B eingestrahlt. Es wird damit eine rekonstruierte Objektwelle A¹ von der Aufzeichnungsoberfläche r her erzeugt, die in . dem Punkt P¹ fokussiert ist. Auch hier kann die (Wiedergabe-) Referenzwelle auch auf die Aufzeichnungsoberfläche

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r des Hologrammaufzeichnungsmittels HR geworfen werden, womit dann eine divergierende rekonstruierte Objektwelle auftritt. Übrige Einzelheiten der Fig. 4 entsprechen denjenigen der Fig. 2.

Ein solches Hologramm bzw. eine solche Hologrammlinse hat geringes Gewicht und geringe Größe. Außerdem läßt sich durch gewünschte Wahl eines Mutter-Hologramms bzw. einer Mutter-Hologrammlinse, die eine Objektwelle erzeugt, eine Linse mit gewünschter vorgegebener numerischer Apertur und gewünschtem Arbeitsabstand herstellen. Diese kann in Massen durch Vervielfältigung hergestellt werden.

Eine Objektivlinse wie sie z. B. in einem Kopf für Wiedergabe optischer Signale in einer Wiedergabeeinrichtung für optische Signale Verwendung findet, hat eine große numerische Apertur. Gemäß dem Stand der Technik werden optische Linsen verwendet, die aus einer Anzahl von Linsensätzen bestehen, ähnlich einem Objektiv eines Mikroskops. Ein solches Objektiv kann jedoch nicht mit geringer Größe und geringem Gewicht hergestellt werden, so daß eine Servofokuseinrichtung, die die Objektivlinse herauf- und herabbewegt, erhebliche mechanische Energie aufzuwenden hat. Außerdem ist eine solche Servofokuseinrichtung relativ groß.

Es wird daher angestrebt, ein wie oben beschriebenes Hologramm als Objektivlinse in einem Wiedergabekopf für optische Signale zu verwenden. Jedoch ist ein Offline Hologramm für eine Objektivlinse eines solchen Wiedergabekopfes nicht anzustreben, und zwar aus folgenden Gründen.

Einer der Gründe ist, - weil die Objektivlinse der Servofokuseinrichtung auf und ab zu bewegen ist -, daß es erforderlich ist, daß die (Wiedergabe-)Referenzwelle gleichzeitig parallel auf und ab zu bewegen wäre, damit diese stets richtig auf das die Linse bildende Offline Hologramm

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auftrifft. Im Falle eines Inline Hologramms als Linse ist es nicht notwendig, die (Wiedergabe-)Referenzwelle gleichzeitig mit zu bewegen, da die Bewegungsrichtung der Linse mit der Richtung der rekonstruierenden Referenzwelle zusammenfällt.

Ein anderer Grund ist der folgende. Es ist notwendig, da-ß ein Offline Hologramm als Linse für die rekonstruierende (Wiedergabe-)Referenzwelle um drei zueinander senkrechte Achsen zu drehen und zu justieren ist, um den Fokuspunkt bzw. den Konvergenzpunkt der rekonstruierten Objektwelle in die vorgegebene Position zu bringen. Diese Justierung ist sehr schwierig und praktisch unmöglich wenn die numerische Apertur der (Hologramm-)Linse groß ist. Die Inline Hologrammlinse ist dagegen frei von solchen Justierungsproblemen.

Aus dem Vorangehenden ist zu ersehen, daß ein Inline Hologramm als Hologrammlinse für eine Objektivlinse .eines Wiedergabekopfes für optische Signale zu bevorzugen ist.

Obgleich das Aufzeichnungsverfahren eines Inline Hologramms bereits kurz im Zusammenhang mit der Eig. 3 beschrieben worden ist, wird dies nachfolgend im Zusammenhang mit der Fig. 5 noch eingehender erörtert. Die (Aufzeichnungs-)Objektwelle A und die (Aufzeichnungs-)Referenzwelle B, die mit ihren optischen Achsen zusammenfallen und in Normalen-Richtung der Aufzeichnungsoberfläche r des Hologrammaufzeichnungsmittels HR sind, treffen dort in einer kreisförmigen Fläche auf der (photoempfindlichen) Aufzeichnungsoberfläche r des Mittels HR auf. Beide Strahlen bilden das Inline Hologramm HL, das ein Interferenzmuster bzw. -bild ist. In diesem Falle kommen die Wellen A und B aus dem Laserstrahl, der in einem Laser LS erzeugt ist.

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Die (Aufzeichnungs-)Objektwelle A erhält man wie folgt: Ein Anteil des Laserstrahls (mit ebener Wellenfront) des Lasers LS wird durch zwei Strahlungsteiler BS1 und BS2 und eine Mutterlinse (eine optische Konvexlinse) L1 hindurchgeschickt und im Punkt P fokussiert. Dieser Punkt P entspricht dem rückwärtigen (bildseitigen) Brennpunkt der Linse L1. Von diesem Punkt P ab liegt Divergenz vor, womit eine Welle mit sphärischer Wellenfront gebildet ist. Dies ist die Aufzeichnungs-Objektwelle A. Die (Aufzeichnungs-)Referenzwelle B wird in der folgenden Weise gebildet. Ein Anteil des Laserstrahls des Lasers LS wird am Strahlungsteiler BS1 reflektiert. Außerdem wird dieser Anteil von zwei Spiegeln M1 und M2 reflektiert und geht durch eine (optische Konvex-) Hilfslinse L2. Die von der Linse L2 ausgehende Welle wird mit dem Mittelpunkt Q des Strahlungsteilers BS2 fokussiert. Der Punkt Q ist der rückwärtige Brennpunkt der Linse L2. Die Welle wird dann an dem Strahlungsteiler BS2 reflektiert und geht durch die Mutterlinse L1 und ist damit die (Aufzeichnungs-)Referenzwelle B, die somit eine Welle mit paralleler ebener Wellenfront ist.

In diesem Falle hängt die numerische Apertur des so gebildeten Inline Hologramms bzw. der so gebildeten Inline Hologrammlinse IN-L von der numerischen Apertur der Mutterlinse L1 ab, so daß dann, wenn dieses Inline Hologramm IN-L als Objektivlinse für einen Wiedergabekopf für optische Signale verwendet werden soll, es notwendig ist, die numerische Apertur des Inline Hologramms IN-L relativ groß zu wählen. Dementsprechend sind in diesem Falle für die Linsen L1 und L2 Linsen mit großer numerischer Apertur zu verwenden.

Wenn eine gewöhnliche optische Linse für die Linse L1 und für die Linse L2 jeweils verwendet wird, muß eine Linse verwendet werden, die aus einer Anzahl von Linsensätzen besteht, wie bei einer Objektivlinse eines Mikroskops. Da die numerische Apertur groß wird, liegen bzw. sind

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die Brennpunkte der Linsen L1 und L2 in den Spiegelzylinder zu legen, mit dem Ergebnis, daß die Aufzeichnung des Inline Hologramms nach Fig. 5 unmöglich wird.

Um dieses Problem zu vermeiden, ist das folgende Aufzeichnungsverfahren für ein Inline Hologramm mit großer numerischer Apertur vorgeschlagen worden. Dieses sieht einen Strahlungsteiler vor, der in entgegengesetzter Beziehung zu dem Hologramm-Aufzeichnungsmittel vorgesehen ist. Eine optische Linse bestehend aus einer Anzahl von Linsen befindet sich auf der entgegengesetzten, gegenüberliegenden Seite des Strahlungsteilers in der Funktion als Objektivlinse. Der Laserstrahl des Lasers trifft auf die Objektivlinse und die von dieser ausgehende divergierende Welle fällt als (Aufzeichnungs-)Objektwelle durch den Strahlungsteiler auf das Hologramm-Aufzeichnungsmittel. Der Laserstrahl fällt außerdem auf eine Hilfslinse, womit die (Aufzeichnungs-)Referenzwelle entsteht. Diese Referenzwelle wird an dem obengenannten Strahlungsteiler reflektiert und die reflektierte Welle läßt man dann auf das Hologramm-AufZeichnungsmittel auffallen. Die voranstehend beschriebene Aufzeichnungsmethode leidet unter Aberrations-Fehlern, da die Objektwelle (mit sphärischer Wellenfront) von der Objektivlinse her durch den Strahlungsteiler fällt. Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist es notwendig, eine spezielle Objektivlinse zu verwenden, mit der die Aberration der Objektwelle zu korrigieren ist. Andernfalls ist ein gleicher Strahlungsteiler bei der Rekonstruktion zu verwenden. Dies ist jedoch für die praktische Verwendung nachteilig.

Im nachfolgenden wird nunmehr das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Inline Hologramms bzw. einer Inline Hologrammlinse beschrieben, das bzw. die eine große numerische Apertur hat. Dieses erfindungsgemäße Hologramm ist frei von den voranstehend beschriebenen Nachteilen und kann in einfacher Weise hergestellt werden bzw. in einfacher Weise eine Inline Hologrammlinse bilden.

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Ein Beispiel zur vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die Fig. 6 beschrieben. Bei diesem Beispiel wird ein außeraxiales bzw. Offline Hologramm OX-L, verwendet als Mutterlinse (Objektivlinse), beschrieben. Dieses Hologramm OX-L ist dadurch erzeugt, daß eine (Aufzeichnungs-)Objektwelle und eine (Aufzeichnungs-)Referenzwelle nicht axial zueinander sind. Es hat ein Beugungsvermögen von weniger als 100 %. Die Herstellung dieses Offline Hologramms OX-L, insbesondere dessen Auf zeichnungsver-fahren, wird noch nachfolgend im Zusammenhang mit der Fig. 8 beschrieben. Das Offline Hologramm OX-L ist auf einem Hologramm-AufZeichnungsmittel HR2 gebildet, das aus einem Glassubstrat GS und einer photoempfindlichen Schicht (Aufzeichnungsschicht) K besteht, die auf dem Glassubstrat GS aufgebracht ist. Im mittleren Teil der photoempfindlichen Schicht K ist ein scheibenförmiges Offline Hologramm HL¹ aufgezeichnet, das dann, wie später noch beschrieben, entwickelt wird. In diesem Falle ist das Offline Hologramm OX-L derart gebildet, daß dann wenn eine (Wiedergabe-) Referenzwelle B¹ in das Hologramm HL¹ der photoempfindlichen Schicht K durch das Glassubstrat GS im Winkel von ungefähr 45 zur Normalen des Hologramms HL¹ eingestrahlt wird, eine Objektwelle A¹ rekonstruiert und von der photoempfindlichen Schicht K wiedergegeben wird. Die Achse der rekonstruierten Objektwelle A¹ ist die Achse der Normalen und diese Welle ist in einem Punkt P fokussiert. Die zur Rekonstruktion verwendete obengenannte Referenzwelle kann eine solche mit ebener oder sphärischer Wellenfront sein und bei diesem Beispiel ist es eine mit ebener Wellenfront.

In Fig. 6 ist mit HR1 ein Hologramm-Aufzeichnungsmittel bezeichnet, auf dem ein Inline Hologramm IN-L gebildet wird. Dieses Aufzeichnungsmittel besteht aus einem Glassubstrat GS und einer photoempfindlichen Schicht K.

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Das Offline Hologramm OX-L dient als Mutterlinse und ist dem Hologramm-Aufzeichnungsmittel HR1 zugewandt. In diesem Falle ist das Offline Hologramm OX-L derart in Bezug auf das Hologramm-AufZeichnungsmittel HR1 angeordnet, daß die photoempfindliche Schicht K des ersteren parallel zur photoempfindlichen Schicht K des letzteren ist, wobei dazwischen ein vorgegebener Abstand vorliegt.

Der Laserstrahl (mit planparalleler Wellenfront) des Lasers LS wird von dem Strahlungsteiler BS zu einem Anteil auf einen Spiegel M reflektiert. Der reflektierte Strahl mit planparalleler Wellenfront, d. h. die ihm entsprechende Welle, wird auf die photoempfindliche Schicht K geworfen, und zwar durch das Glassubstrat GS der Offline Hologrammlinse OX-L. Es ist dies die (Wiedergabe-) Referenzwelle B-¹. Von dem Offline Hologramm bzw. der Linse OX-L ausgehend, wird die rekonstruierte Objektwelle A¹ erzeugt, die im Punkt P fokussiert ist und von dort dann divergiert. Diese rekonstruierte Welle A¹ fällt auf die photoempfindliche Schicht K des Hologramm-AufZeichnungsmittels HR1 als Aufzeichnungs-Objektwelle A.

Der Laserstrahl des Lasers LS tritt zu einem Anteil durch den Strahlungsteiler BS und dann durch das Offline Hologramm OX-L hindurch. Dieser Anteil trifft dann auf die photoempfindliche Schicht K des Hologramm-Aufzeichnungsmittels HR1, und zwar als Aufzeichnungs-Referenzwelle B. Diese ist inline, d. h. parallel zur Aufzeichnungs-Objektwelle A (die optischen Achsen der Wellen A und B fallen zusammen). Damit wird ein scheibenförmiges Inline Hologramm bzw. eine solche Linse HL im mittleren Teil der photoempfindlichen Schicht K des Aufzeichnungsmittels HR1 gebildet. Dieses Aufzeichnungsmittel HR1 wird dann entwickelt, wie dies noch später beschrieben wird. Es ergibt sich damit eine Inline Hologrammlinse IN-L.

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Ein anderes Beispiel der Erfindung wird im Zusammenhang mit der Fig. 7 beschrieben. Bei diesem Beispiel dient das Offline Hologramm OX-L als Mutterlinse und ist so in Bezug zum Aufzeichnungsmittel HR1 angeordnet, daß das Glassubstrat GS des ersteren in Kontakt mit der photoempfindlichen Schicht K des letzteren ist. Diese sind so angeordnet wie in Fig. 6. Dann ist die Aufzeichnung als Inline Hologrammlinse IN-L ausgeführt. In diesem Falle sind Rekonstruktions- und Aufzeichnungs-Objektwelle A¹ und A beide eine solche Welle mit sphärischer Wellenfront, die von einem virtuellen Punkt P ab divergieren.

Im Nachfolgenden wird nunmehr die Art und Weise der Herstellung des Offline Hologramms OX-L beschrieben, das als Mutterlinse verwendet wird. Die Beschreibung bezieht sich auf die Fig. 8. Man läßt eine Aufzeichnungs-Objektwelle A mit sphärischer Wellenfront auf die photoempfindliche Schicht K des Hologramm-Aufzeichnungsmittels HR2 auffallen. Dieses Mittel hat außerdem das Glassubstrat GS. Das Auftreffen erfolgt in der Weise, daß die optische Achse der Welle A mit der Normalen der photoempfindlichen Schicht K zusammenfällt. Außerdem läßt man eine Aufzeichnungs-Referenzwelle D mit planparalleler Wellenfront auf die photoempfindliche Schicht K in der Weise auffallen, daß deren optische Achse die Normale im Winkel von ungefähr 45 schneidet. Auf diese Weise wird ein scheibenförmiges Offline Hologramm HL¹ im mittleren Teil der photoempfindlichen Schicht K aufgezeichnet. Daraufhin wird die photoempfindliche Schicht K entwickelt, um das Offline Hologramm OX-L zu erhalten. In diesem Falle wird die Aufzeichnungs-Objektwelle A in der nachfolgend beschriebenen Weise erzeugt. Von dem Laser LS wird ein Laserstrahl mit planparalleler Wellenfront ausgesandt. Er tritt zu einem Anteil durch einen Strahlungsteiler BS und dann durch eine Hilfslinse (eine optische Linse) L2 hindurch und wird im Punkt Q, dem rückwärtigen Brennpunkt der Linse L2, fokussiert. Die Welle mit sphärischer Wellenfront, die von dem Punkt Q divergiert,

fällt auf eine Mutterlinse L1 (die ein Objektiv aus mehreren Linsen ist). Diese Linse L1 fokussiert die Wellen vom Punkt Q in den Punkt P. Die sphärische Welle die vom Punkt P divergiert, wird als Aufzeichnungs-Objektwelle A verwendet.

Die Aufzeichnungs-Referenzwelle B wird in der folgenden Weise erzeugt. Der Laserstrahl des Lasers LS wird zu einem Anteil an dem Strahlungsteiler BS reflektiert und dann weiter von einem Spiegel M reflektiert. Der vom Spiegel M reflektierte Strahl wird als Aufzeichnungs-Referenzwelle B verwendet.

Als Mutterlinse L1 wird ein Mikroskop-Objektiv mit einer numerischen Apertur von z. B. 0,4 oder 0,5 verwendet. Die Apertur der Offline Hologrammlinse HL¹ ist wählbar und hat z. B. 2 mm Durchmesser. Der Arbeitsabstand derselben beträgt z. B. 2,3 mm. Dementsprechend hat der Inline Hologrammlinsen-Anteil HL des Inline Hologramms IN-L nach Fig. 6 die 2 mrii große Apertur und den Arbeitsabstand von 2,3 mm.

Als Laserstrahl-Quelle bzw. Laser LS für die Beispiele der Figuren 6, 7 und 8 können ζ. B. folgende Laser verwendet werden:

Argonlaser ( λ. = 488 nm) ,

Kryptonlaser ( X_ = 647,1 nm) ,

Farbstofflaser (V = 633 nm) und HeIium-Neon-Laser (K= 632,8 nm) .

Die Art der photoempfindlichen Schichten K der Hologramm-Aufzeichnungsmittel HR1 und HR2 der Figuren 6, 7 und 8 wird entsprechend dem jeweiligen Laser ausgewählt.

Als nächstes wird ein Beispiel zur Herstellung eines Hologramm-Aufzeichnungsmittels HR1 und HR2 und der Hologramme IN-L und OX-L beschrieben.

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Dieses Herstellungsverfahren besteht darin, eine passende Menge eines eine Schicht härtenden Mittels, wie z. B. eine wässrige Lösung von Gelatine mit Zugabe von Formaldehydglyoxal, auf einer Temperatur von ungefähr 4O°C zu halten, während ein Glassubstrat mit einer Dicke von 1 mm und ein Verteiler auf ungefähr 40 C gehalten werden. Dann wird die wässrige Lösung aus Gelatine mit Hilfe des Verteilers auf das Glassubstrat aufgebracht. In diesem Falle ist die Beschichtungsdicke der wässrigen Gelatine-Lösung auf dem Glassubstrat derart gewählt, daß die getrocknete Schicht für das Hologramm-Aufzeichnungsmittel des Offline Hologramms 5 mm und für das Hologramm-Aufzeichnungsmittel für das Inline Hologramm 15 mm dick ist. Die Gelatine-Wasser-Lösung auf dem Glassubstrat wird getrocknet, so daß eine Gelatineschicht entsteht, die das Mutter- bzw. Grundmaterial der photoempfindlichen Schicht ist.

Weiter wird das Verfahren beschrieben, mit dem die Gelatineschicht photoempfindlich gemacht wird. Die Photoempfindlichkeit für Blau oder Grün wird in der folgenden Weise erreicht.σ Die Gelatineschicht wird in eine wässrige Lösung mit 2 bis 10 Gew.-% Ammoniumbichromat ungefähr 10 min eingetaucht. Sie wird dann schrittweise herausgenommen, vertikal gehalten und in der Dunkelkammer getrocknet. Photoempfindlichkeit für Rot erhält die Gelatineschicht dadurch, daß man diese in eine wässrige Lösung aus 2 Gew.-% Ammoniumbichromat und 1 χ io" Mol/l Methylenblau-Farbstoff hält, wobei diese Lösung mit Hilfe von Ammoniak einen pH-Wert von ungefähr 10 hat. Die Gelatineschicht wird ungefähr 10 min lang in diese Lösung eingetaucht und dann in einer strömenden Atmosphäre getrocknet, die Ammoniak und getrockneten Stickstoff enthält.

Mit Hilfe der voranstehend beschriebenen Maßnahmen erhält man ein Hologramm-Aufzeichnungsmittel, das aus einem Glassubstrat und einer darauf hergestellten photoempfindlichen Schicht K besteht.

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Das Belichten der photoempfindlichen Schicht K des Hologramm-Auf Zeichnungsmittels wird wie im Zusammenhang mit den Figuren 6, 7 und 8 beschrieben durchgeführt. In diesem Falle beträgt die Strahlungsenergie des Laserstrahls ungefähr 100 bis 1000 mJ/cm .

Das Hologramm-Aufzeichnungsmittel, dessen photoempfindliche Schicht belichtet ist, wird in Wasser eingetaucht. Bei blau- oder grünempfindlicher- photoempfindlicher Schicht wird es in strömendes Wasser mit ungefähr 20 C etwa eine Stunde lang eingetaucht. Bei rotempfindlicher Schicht wird diese in Wasser mit ungefähr 40 C 30 min lang eingetaucht. Das Hologramm-Aufzeichnungsmittel wird dann in eine wässrige Lösung von 50 % Isopropanol ungefähr 10 min lang eingetaucht, dann in wässrige Lösung mit 90 % Isopropanol einige Sekunden lang eingetunkt (dripped) und dann ungefähr 10 min lang in 100%-iges Isopropanol eingetaucht. Daraufhin wird das Mittel rasch in heißer Luft getrocknet. Damit ist die Entwicklung der photoempfindlichen Schicht beendet.

Die photoempfindliche Schicht, deren Grundmaterial Gelatine ist, hat die Eigenschaft, Feuchtigkeit zu absorbieren. Das bedeutet, daß dann, wenn man das Schichtmaterial· so beläßt, das Hologramm (wieder) verschwinden kann. Um dies zu vermeiden erhält das Mittel eine wie in Fig. 9 gezeigte Glasabdeckung CG mit einer Dicke von ungefähr 150 μια. Diese ist auf die photoempfindliche Schicht K aufgebondet, und zwar mit Hilfe eines Kunstharzes, das in Ultraviolettstrahlung aushärtet. Auf diese Weise werden die Hologramme bzw. Hologrammlinsen OX-L und IN-L hergestellt. In den übrigen Figuren, d. h. mit Ausnahme der Figur 9, ist diese Glasabdeckung CG weggelassen.

Nunmehr wird das Herstellungsverfahren eines Slave-Inline Hologramms bzw. einer Hologramm-Kopie IN-L¹ beschrieben, zu der das Inline Hologramm IN-L verwendet wird, das als Mutterlinse hergestellt ist.

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Wie in Fig. 10 gezeigt, sind die Hologramm-Aufzeichnungsmittel HR1 und HR1' so angeordnet, daß die photoempfindliche Schicht K des letzteren der photoempfindlichen Schicht K des ersteren zugewandt ist, wobei dieses eine Beugungswirkung von 50 % hat. Sie befinden sich in einem vorgegebenen Abstand. Das Hologramm des Mittels HR1' ist das Slave-Inline Hologramm IN-L" bzw. die Kopie. Man läßt dann den Strahl des Lasers LS auf das Glassubstrat GS des Hologramm-Aufzeichnungsmittels HR1 auffallen. In diesem Falle tritt ein Anteil von z„ B. 50 % der Strahlung als Wiedergabe-Referenzwelle B¹ hindurch. Die restliche Strahlleistung von 50 % wird als Aufzeichnungs-Referenzwelle B für das Hologramm-Aufzeichnungsmittel HR1' benutzt. Auf diese Weise wird von dem Mutter-Inline Hologramm IN-L eine Wiedergabe-Objektwelle A' rekonstruiert, die im Punkt P fokussiert ist. Diese Welle wird wiederum auf das Hologramm-AufZeichnungsmittel HR1' als Aufzeichnungs-Objektwelle A gestrahlt, womit das Hologramm HL auf der photoempfindlichen Schicht K des Mittels HR1' erzeugt wird.

Das Slave-Inline Hologramm IN-L' kann auch in der wie im Zusammenhang mit der Fig. 11 beschriebenen Weise hergestellt werden. In diesem Falle ist die photoempfindliche Schicht K des Hologramm-Aufzeichnungsmittels HR1' in direktem Kontakt mit dem Glassubstrat GS des Mutter-Inline Hologramms IN-L. Beide Hologramm-Aufzeichnungsmittel HR1 und HR1' sind in der gleichen Weise wie in Fig. 10 angeordnet. In diesem Falle sind die Wiedergabe- und die Aufzeichnungs-Objektwelle A¹ und A beide Wellen mit sphärischer Wellenfront, die von dem imaginären, virtuellen Punkt P divergieren.

Entsprechend dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wie sie oben beschrieben ist, lassen sich Inline Hologramme bzw. Linsen mit großer numerischer Apertur in einfacher Weise herstellen.

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Im nachfolgenden wird nunmehr ein Wiedergabekopf für optische Signale beschrieben, in dem eine geneigte Hologrammlinse, hergestellt nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, verwendet ist.

Zunächst wird jedoch ein Wiedergabekopf des Standes der Technik anhand der Fig. 12 beschrieben. In dieser Figur ist mit 1 ein Laser bezeichnet, der z. B. ein Helium-Neon-Laser ist. Dieser erzeugt und emittiert z. B-. ein P-polarisiertes (linear polarisiertes)-Licht des Laserstrahls. Dieser Laserstrahl des Lasers 1 wird an einem Spiegel 2 um 90° in der Richtung reflektiert und fällt durch einen Strahlurigsteiler

3 auf eine Viertelwellenlängen- oder λ./4-Platte 4. In dieser Viertelwellenlänge-Platte 4 wird der P-polarisierte Laserstrahl von linear polarisiertem Licht in zirkulär polarisiertes Licht umgewandelt, das mit Hilfe der Objektivlinse 5 auf der Aufzeichnungsfläche eines scheibenförmigen optischen Aufzeichnungsmittels 6 fokussiert ist. Die auf das Aufzeichnungsmittel 6 aufgezeichneten Signale können Tonsignale, Videosignale usw. sein, die puls-codemoduliert sind. Sie sind in einer spiralförmigen Spur aufgezeichnet, die Vertiefungen hat. Das von dem Aufzeichnungsmittel 6 reflektierte und wieder in das Viertelwellenlängen-Plättchen

4 eintretende Licht geht durch die Objektivlinse 5 hindurch. In dem λ./4-Plättchen 4 wird das zirkulär polarisierte Licht in ein S-polarisiertes (linear polarisiertes) Laserlicht umgewandelt, das dann auf den Strahlungsteiler 3 auffällt, der das einfallende Laserlicht in die in Fig. 12 seitliche Richtung ablenkt. Dieses Licht fällt auf eine Photodiode 7, die der Empfänger für diese Lichtstrahlung ist. Die Photodiode 7 liefert das elektrische Ausgangssignal.

Bei diesem bekannten Wiedergabekopf wird ein optisches :

Linsensystem, das aus einer Anzahl von Linsen besteht, wie z. B. bei einem Mikroskop, als Objektivlinse 5 verwendet.

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Diese Objektivlinse 5 ist in Richtung der optischen Achse mittels einer elektromagnetischen Einrichtung oder mit Hilfe eines Linearmotors (in Fig. 12 nicht dargestellt) auf und ab zu bewegen, um die Servofokussierung durchzuführen. Des weiteren wird als Spiegel 2 ein galvanisierter Spiegel verwendet, der entsprechend der Verschiebung bzw. Verlagerung der Spiralspur rotiert, um die Servo-Spurhaltung zu erreichen.

Eine wie oben zum Stand der Technik beschriebene Objektivlinse 5 hat relativ hohes Gewicht. Um diese Objektivlinse 5 in Richtung der optischen Achse auf und ab zu bewegen, nämlich zur Servofokussierung, ist der Aufwand relativ großer mechanischer Energie erforderlich.'Außerdem ist eine solche Linse relativ teuer. Auch besteht begründete Sorge, daß die relative Lage der optischen Elemente sich im Lauf der Zeit ändern kann, da dieses optische System in einem Raum bzw. über einen Raum verteilt angeordnet ist. Es ist nicht zu vermeiden, daß bei einem System nach dem Stand der Technik relativ viel Platz benötigt wird.

Diese voranstehend beschriebenen Nachteile sind vermieden, wenn anstelle der beschriebenen Objektivlinse 5 des bekannten optischen Systems eine Inline-Hologrammlinse nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Ein Ausführungsbeispiel für einen Wiedergabekopf für optische Signale, in dem eine Inline-Hologrammlinse nach der Erfindung verwendet ist, wird nunmehr im Zusammenhang mit der Fig. 13 beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel der Fig. 13 hat eine Hologrammlinse als Objektivlinse 5 des oben beschriebenen bekannten Wiedergabekopfes. Der Strahlungsteiler 3, das Viertelwellenlängenplättchen 4 und die Hologrammlinse 5 sind mit Hilfe eines lichtdurchlässigen Klebstoffes miteinander verbunden bzw. zusammengebondet.

Beim Beispiel der Fig. 13 ist der Strahlungsteiler 3, der ein Teiler für polarisiertes Licht ist, beispielsweise in der folgenden Weise hergestellt. Auf einer jeden der geneigten

300

Oberflächen der 45°-Prismen 3a und 3b befindet sich ein Vielschichtfilm 3c, der als Bindemittel für die Verbindung der beiden Prismen 3a und 3b miteinander dient. Dieser Teiler 3 ist ein würfelförmiger Körper mit ungefähr 5 mm Kantenlänge und 300 mg Gewicht. Das Viertelwellenlängen-Plättchen 4 besteht aus einem Dehnungsfilm eines Polymers, z. B. aus Polypropylen. Es hat eine Dicke von z. B. 15 μπι, die an die Wellenlänge 632,8 nm des Helium-Neon-Lasers angepaßt ist. Sein Gewicht ist vernachlässigbar gering vergleichsweise zum Teiler 3.

Die Hologramm-Objektivlinse 5 ist ein Inline Hologramm, das nach einem Verfahren der Erfindung hergestellt ist. Zum Beispiel ist auf die Oberfläche einer quadratischen Glasplatte 5b mit einer Kantenlänge von 5 mm und einer Dicke von 1 mm eine photoempfindliche Schicht 5a und ein bzw. mit einem scheibenförmigen Linsenanteil· 5a¹ aufgebracht, der sich im mittleren Anteil der photoempfindlichen Schicht 5a befindet. In diesem Falle hat der Linsenanteil 5a' eine numerische Apertur von ungefähr 0,4, einen Arbeitsabstand von ungefähr 2,3 mm und eine Apertur von ungefähr 2 mm.

Das Viertelwellenlängen-Plättchen 4 ist auf die untere Oberfläche des Prismas 3b des Strahlungsteilers 3 mit Hilfe einer lichtdurchlässigen Klebstoffschicht 8 angebracht. Die Glasplatte 5b der Inline-Hologrammlinse 5 ist an der unteren Oberfläche des Viertelwe^enlängen-Plättchens 4 mit einer weiteren lichtdurchlässigen Klebstoffschicht 4 angebracht. Eine Abdeckglasplatte 9 ist auf die untere Oberfläche der photoempfindlichen Schicht 5a der Hologrammlinse 5 aufgebracht, und zwar mit einer weiteren durchlässigen Klebstoff schicht 8.

Als lichtdurchlässige Klebstoffschicht 8 wird ein im Ultraviolettlicht aushärtender Klebstoff verwendet (der z. B. den Handelsnamen Photobond hat). Dieser Klebstoff hat einen

030(H7/078X

Brechungsindex, der im wesentlichen gleich groß wie der des Glases ist.

Die Abdeckglasplatte 9 ist eine quadratische Platte mit einer Kantenlänge von 5 mm und einer Dicke von 0,15 mm. Das Gesamtgewicht der Hologrammlinse 5 und der Abdeckglasplatte 9 beträgt ungefähr 70 mg. Das Gesamtgewicht des Strahlungsteilers 3, des Viertelwellenlängen-Plättchens 4, der Hologrammlinse 5 und der Abdeckglasplatte 9, die wie in Fig. 13 gezeigt miteinander fest verbunden sind, kann kleiner als 400 mg gehalten werden.

Als Lichtempfänger 7 wird eine Photodiode verwendet, die z.B. an der seitlichen Oberfläche des Prismas 3b des Strahlungs— teilers 3 angebracht sein kann. In diesem Falle kann ebenfalls lichtdurchlässiger Klebstoff verwendet werden, um den Lichtempfänger 7 an dem Prisma 3b des Teilers 3 fest anzubringen.

Der im Zusammenhang mit Fig. 13 beschriebene Wiedergabekopf, dessen Hologrammlinse ein Glassubstrat und auch ein Abdeckglas hat, wenn die photoempfindliche Schicht im wesentlichen aus Gelatine besteht, womit ein Verschwinden der Hologrammlinse infolge in der Gelatine absorbierter Feuchtigkeit vermeiden ist, hat einen etwas komplizierteren Aufbau und erfordert einen gewissen Aufwand für seine Herstellung. Ein anderes Beispiel für einen leichten Wiedergabekopf der zudem einfachen Aufbau hat und in einfacher Weise herzustellen ist, wird im Nachfolgenden beschrieben. Bei diesem Beispiel ist eine Hologrammlinse wie die Objektivlinse 5 des Wiedergabekopfes nach Fig. 12 verwendet und das Viertelwellenlängen-Plättchen dient (auch) als Substrat oder Schutzplättchen für die Hologrammlinse. Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend im Zusammenhang mit Fig. 14 beschrieben. Solche mit Teilen der Fig. 13 übereinstimmende Teile haben in Fig. 14 dieselben Bezugszeichen und deren Beschreibung ist damit entbehrlich.

03 0CH 7/0 78U

Beim Beispiel der Fig. 14 ist als Objektivlinse 5 eine Hologrammlinse verwendet und als transparentes Substrat dieser Hologrammlinse ist das Viertelwellenlängen-Plättchen 4 benutzt. Die photoempfindliche Schicht 5^a,in der die Hologrammlinse 5a¹ ausgebildet ist, ist an der unteren Oberfläche des Prismas 3b des Strahlungsteilers 3 mit Hilfe einer lichtdurchlässigen Klebstoffschicht 8 als integraler Körper angebracht. Wie beim Beispiel der Fig. 13 ist des weiteren das lichtempfindliche Element 7 an einer Seitenfläche des Prismas 3b des Teilers J3 mit Hilfe von lichtdurchlässigem Klebstoff befestigt.

Bei der Hologrammlinse 5 als einzelnes bzw. selbständiges Bauelement kann das Viertelwellenlängen-Plättchen anstelle der Glasabdeckung 9 des Beispiels der Fig. 13 verwendet werden.

Aus der vorangehenden Beschreibung erhält der Fachmann zahlreiche Anregungen für weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung, die sich im Rahmen des Erfindungsgedankens halten.

tanwalt

UTQ (14 7/ U 7~8X

-15°

Leerseite

Claims

Dipl.-ing. η. MiTscHERLicH d-sooo Mönchen 22

Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN Steinsdorfstraße 10

Dr. rer. nat. W. KÖRBER 'S* »89J '29 66 84

Dipl.-Ing. J. SCHMIDT-EVERS
PATENTANWÄLTE

7. Mai 19 30

SONY CORPORATION

7-35, Kitashinagawa 6-chome,

Shinagawa-ku

Tokyo / Japan

Verfahren zur Herstellung eines Inline Hologramms und Verwendung eines solchen Hologramms in einem optischen Wiedergabekopf

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung eines Inline Hologramms
als Hologrammlinse, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

a) Aufzeichnung eines holographischen Interferenzmusters (OX-L) auf einer ersten photoempfindlichen Schicht (K), das sich aus der gleichzeitigen Einstrahlung einer Referenzwelle (B) und einer Objektwelle (A) in diese Schicht

(K) ergibt, wobei diese beiden Wellen (A,B) nicht axial
zueinander sind und die Objektwelle (A) senkrecht in diese Schicht (K) einfällt;

b) Bildung eines Offline bzw. außeraxialen Hologramms
(OX-L) durch Entwickeln der ersten photoempfindlichen
Schicht (K);

c) Anordnen einer zweiten photoempfindlichen Schicht (K) gegenüber dem Offline Hologramm (OX-L);

d) Bestrahlung des Offline Hologramms (OX-L) mit einer Referenzwelle (B¹) für die Rekonstruktion desselben;

e) gleichzeitiges Bestrahlen der zweiten photoempfindlichen Schicht (K) mit einer senkrecht einfallenden rekonstruierten Objektwelle (A¹) als Objektwelle (A) von dem
Offline Hologramm (OX-L) und mit einer Referenzwelle (B),
die durch das Offline Hologramm (OX-L) hindurchgetreten ist und

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f) Entwickeln dieser zweiten photoempfindlichen Schicht (K),

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß alle Referenzwellen und alle Objektwellen (Α,Β,Α',Β¹) kohärente Wellen sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch,, daß die Objektwelle dadurch gebildet ist, daß man den kohärenten Strahl bzw. die kohärente Welle durch eine Objektivlinse ( ) mit groß-er numerischer Apertur hat hindurchgehen lassen.

4. Verwendung eines Inline Hologramms nach einem der Ansprüche 1 bis 3 als optische Linse.

5. Wiedergabekopf für optische Signale in dem ein Laserstrahl auf ein optisches Aufzeichnungsmedium geworfen wird und von diesem zurückreflektiert wird und auf einen Photodetektor gelangt, wobei dieser Aufzeichnungskopf einen Strahlungsteiler, eine Viertelwellenlängen-Platte und eine Fokussierungslinse hat, gekennzeichnet dadurch, daß als Fokussierungslinse eine Inline-Hologrammlinse (5a') verwendet ist, die nach einem Verfahren eines der Patentansprüche 1 bis 3 hergestellt ist, wobei der Strahlungsteiler (3) das Viertelwellenlängen-Plättchen (4) und die Inline-Hologrammlinse (5a) mittels transparenten Klebstoffes (8)miteinander fest verbunden sind.

6. Wiedergabekopf nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Inline-Holograirtmlinse (5a) außerdem eine Substrat-Platte (5b) und eine Schutz-Platte (9) hat.

7. Wiedergabekopf nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß das Viertelwellenlängen-Plättchen (4) auch als Substrat-Platte verwendet ist.

Ü301H7/Ö7TT

8. Wiedergabekopf nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß das Viertelwellenlängen-Plättchen (4) auch als Schutz-Platte verwendet ist.

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