DE69732042T2

DE69732042T2 - Vorrichtung und verfahren zur erzeugung eines diffraktiven elements unter verwendung einer flüssigkristallanzeige

Info

Publication number: DE69732042T2
Application number: DE69732042T
Authority: DE
Inventors: D. Michael LONG
Original assignee: Pacific Holographics Inc Santa Cruz; Pacific Holographics Inc
Current assignee: Pacific Holographics Inc Santa Cruz; Pacific Holographics Inc
Priority date: 1996-10-28
Filing date: 1997-10-01
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2017-10-02
Also published as: WO1998014805A1; ATE285589T1; US20010013959A1; US20030161042A1; CA2267316C; EP1515166A2; EP0934540B1; US6222650B1; CA2267316A1; US6806983B2; EP0934540A1; EP1515166A3; US6552830B2; DE69732042D1; EP0934540A4; US5986781A

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet optischer Beugungsverfahren und -vorrichtungen und genauer auf das Gebiet der Vorrichtungen und Verfahren zum Erzeugen hoch auflösender Beugungselemente und holographischer Bilder.
HINTERGRUND
Vorrichtungen und Verfahren zum Erzeugen und Abfragen von Hologrammen und andere optische Beugungsvorrichtungen sind seit den frühen 1960-er Jahren bekannt, wobei diese Vorrichtungen aber zum größten Teil hoch entwickelte Laborforschungshilfsmittel waren. Das Erscheinen des hoch auflösenden Farbphotokopierens, des digitalen Scannens und der Bildverarbeitung hat das Fälschen von Dokumenten, die lediglich zweidimensionale Informationen enthalten, unlängst viel einfacher gemacht. Um das Fälschen zu verhindern und die Authentizität von Dokumenten und von an diesen Dokumenten angebrachten Gegenständen sicherzustellen, erlangen zunehmend Hologramme und andere Medien, die dreidimensionale Informationen speichern können, an Bedeutung. Zum Beispiel ist es für Visa- und MasterCard-Kreditkarten üblich, auf der Vorderseite der Karte ein geprägtes "Regenbogen"-Hologramm aufzunehmen. Computersoftwareentwickler einschließlich der Lotus Development Corporation, der Microsoft Corporation und anderen nehmen in ihre Produktverpackung ein holographisches Etikett auf, das hilft, ihr Produkt von einer potenziell nicht authorisierten Wiedergabe ihres Produkts zu unterscheiden. Außerdem ist zu erwarten, dass Handelsinstrumente einschließlich Aktienzertifikaten, Devisen und weiteren übertragbaren Finanzinstrumenten eines Tages die Aufnahme holographischer Indizien auf dem Instrument selbst nutzen können.
Die Aufnahme holographischer Sicherheitsvorrichtungen wie etwa der Hologramme, die in Kreditkarten eingebaut und auf übertragbare Instrumente geschweißt sind, sowie die Anwendungen auf die Währung erhöhen einen Bedarf an hochwertigen Hologrammen, die nicht leicht zu fälschen sind und schnell und preiswert in einer Menge zu erzeugen sind, die die Kosten pro Hologramm oder Beugungsgitter senkt. Hoch auflösende holographische Gittermatrixmaster werden zurzeit unter Verwendung von Elektronenstrahltechniken herstellt und sind somit verhältnismäßig teuer und langsam zu fertigen. Andere Verfahren der Herstellung von Gittermatrizen mit niedrigerer Auflösung werden alltäglich genug, so dass sie ihre potenzielle Nützlichkeit auf dem Gebiet der Sicherheit bedrohen. Somit besteht ein Bedarf an hoch aufgelösten, aber preiswerten Gittern, die nicht leicht durch Fälschung hergestellt werden können.
Holographische Beugungsgittermatrizen werden bereits seit 1980 gefertigt. In den wenigen letzten Jahren finden hoch auflösende Gittermatrizen eine neue Verwendung als Fälschungsschutzvorrichtungen auf dem Gebiet der Sicherheit. Die bei der Fertigung dieser Matrizen verwendeten Technologien umfassen die holographische Aufzeichnung von Punktbeugungsgittern sowie das Elektronenstrahlätzen der holographischen Gitterstreifenstruktur selbst.
Die zu dieser Zeit vorhandenen herkömmlichen holographischen Systeme scheinen auf Punktgrößen und somit Merkmalsgrößen in der Größenordnung von 1/400 Zoll (etwa 60 Mikrometer) begrenzt zu sein. Da jedes Bildpixel typisch die einzelne Bewegung der Filmandruckplatte und die nachfolgende Belichtung erfordert, kann die Aufzeichnung großer Matrixflächen mit herkömmlichen Techniken selbst bei dieser verhältnismäßig großen Merkmalsgröße ungeheuer langsam (und somit teuer) sein. Diese herkömmlichen Systeme sind außerdem allgemein auf feste räumliche Frequenzen oder bestenfalls auf eine vorgegebene Menge fester räumlicher Frequenzen beschränkt, was den Typ der Bild- oder Graphikinformationen, die sie aufzeichnen können, beschränkt. Außerdem sind zurzeit eine ganze Anzahl solcher Systeme in Betrieb, eine Situation, die ihre Glaubwürdigkeit und Nützlichkeit auf dem Gebiet der Sicherheit ernsthaft beschränkt.
Das Elektronenstrahlschreiben von Gittermatrizen, das zu einer hohen Auflösung fähig ist, ist ein so ungeheuer teurer Prozess und erfordert eine so große Kapitalinvestition, dass seine Nützlichkeit bei der Fälschungsverhinderung sicher ist. Da jeder Streifen irgendeiner gewünschten Gittermatrix einzeln geschrieben werden kann, ist es in Bezug auf die Merkmalsgröße nicht ernsthaft beschränkt. Leider erfordert die Herstellung verhältnismäßig kleiner Gittermatrizen eine beträchtliche Zeitdauer an äußerst teurer Ausrüstung. Wie bei der hier beschriebenen Erfindung ist außerdem eine kluge Programmierung erforderlich, um ein solches System vollständig zu nutzen. Außerdem erfordern die Elektronenstrahlaufzeichnungstechniken verhältnismäßig hoch entwickelte Ausrüstungssteuerungs- und Computersteuerungstechniken, um die gewünschte Ausgabe zu erreichen.
Bis heute scheint es kein System zu geben, das preiswerte, großflächige, hoch auflösende Gittermatrizen erzeugen kann. Somit ist klar, dass ein Bedarf an einem System, an einer Vorrichtung und an einem Verfahren besteht, die Lösungen für diese Beschränkungen im Stand der Technik schaffen.
In einem Aspekt schafft die Vorrichtung Mittel, um die Form der Belichtungsfläche auf sehr genaue und präzise Weise zu steuern und Endbilder zu erzeugen, die mikroskopische zweidimensionale Bilddaten wie etwa Text oder andere Graphikkunst enthalten, wobei diese Daten für jede Belichtungsfläche eindeutig sein können.
In einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung Mittel, um Merkmale in größerer Einzelheit anzugeben, als sie in herkömmlichen Systemen geliefert wird.
In einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung Mittel, um die Form jeder Ausgangsbelichtungs-Ausleuchtzone zu steuern.
In einem abermals weiteren Aspekt verringert die Erfindung die Pixelung, die Quantisierung oder den Treppeneffekt und die groben Kanten, die sich aus der Pixelquantisierung in dem Endausgangsbild ergeben, so dass das Ausgangsbild den tatsächlichen Umrissen in dem makroskopischen Bild folgt.
In einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung Mittel zum beliebigen Einstellen der räumlichen Frequenzen des Ausgangsgitters und der räumlichen Orientierungen einschließlich der stufenlosen Angabe oder Änderung der Frequenzen und Orientierungen in Echtzeit während des Betriebs der Vorrichtung.
In einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung Mittel, um während des Betriebs die räumlichen Frequenzen zu modifizieren oder zu steuern, ohne die optische Konfiguration zu ändern.
In einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung Mittel zum schnellen Erzeugen mehrerer Beugungsmuster mit dem Potenzial, die Beugungsmuster in Echtzeit zu erzeugen.
In einem weiteren Aspekt beseitigt die Erfindung bewegte Teile in dem optischen System und erhöht dadurch die Geschwindigkeit und schafft dadurch eine höhere Stabilität.
In einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung Mittel zum leichteren Auf rechterhalten der Systemausrichtung, als sie in herkömmlichen Zweistrahlkonfigurationen oder in Konfigurationen mit Spiegeln oder Prismen bereitgestellt wird.
In einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung Mittel zum Erzeugen von Beugungsflächen, die kleiner sind, als sie mit herkömmlichen Systemen realisiert werden.
In einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung Mittel zum Erzeugen von Mehrrichtungsgittern in einer einzigen Belichtung.
In einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung Mittel zum genauen und präzisen Steuern der Beugungseffizienz durch Modifizieren des Kontrasts des auf der Bildanzeigevorrichtung angezeigten Bildes.
In einem abermals weiteren Aspekt schafft die Erfindung Mittel, um die Rauscheigenschaften des Systems (einschließlich des durch das optische System und durch Unvollkommenheiten der Bildanzeigevorrichtung eingeführten Rauschens) als ein Sicherheitsmerkmal zum Überprüfen der Authentizität des Hologramms oder Gitters dazu zu verwenden, eindeutig das System zu identifizieren, von dem ein besonderes Hologramm oder Gitter erzeugt wurde.
In einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung durch Bereitstellen eines gefilterten und erweiterten Strahls zum Beleuchten der Bildanzeigevorrichtung Mittel zum Erzeugen von Hologrammen mit einer gleichmäßigen Belichtungsdichte über das gesamte Hologramm und zum Beseitigen der Gaußschen Vertiefungen, die in herkömmlichen Systemen, die einen fokussierten schmalen Strahl verwenden, typisch vorhanden sind.
In einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung durch Verringern der Ausregelzeiten, die in herkömmlichen Systemen mit bewegten Optikkomponenten und somit mit einer Schwingung typisch erforderlich sind, und durch Bereitstellung einer großen Belichtungsausleuchtzone selbst für kleine Pixelabmessungen und zur Bereitstellung von Mitteln zum gleichzeitigen Beleuchten mehrerer Winkel in der gleichen Belichtungsausleuchtzone ein System, das eine schnelle Photobelichtung zulässt.
Wie im Licht der beigefügten Zeichnung und der ausführlichen Beschreibung leicht hervorgeht, werden durch die vorliegende Erfindung diese und weitere Merkmale und Vorteile geschaffen. Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen definiert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine etwas schematische graphische Darstellung einer ersten beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
2 ist eine etwas schematische graphische Darstellung, die einige der Komponenten der Ausführungsform in 1, jedoch in einem größeren Maßstab, zeigt, so dass Einzelheiten der gebeugten Wellen und die Beziehung zwischen dem durch die LCD angezeigten Bild und der Ausgabe leichter hervorgehen.
3 ist eine etwas schematische graphische Darstellung, die eine ebene Darstellung der LCD und darauf angezeigter beispielhafter Daten zeigt.
4 ist eine etwas schematische graphische Darstellung, die ein beispielhaftes Graustufenstreifenmuster (abwechselnde helle und dunkle Bänder) auf der LCD-Anzeige zeigt.
5 ist eine etwas schematische graphische Darstellung, die den Mechanismus zeigt, mit dem die auf der LCD angezeigten gebeugten Strahlen ±1-ter Ordnung aus bestimmten Bereichen wiedervereinigt werden, um in der Brennebene neue Interferenzstreifen zu erzeugen.
6 ist eine etwas schematische graphische Darstellung, die die Art und Weise zeigt, in der aus Komponententeilen ein allgemeiner zusammengesetzter Ausgangsgraphikentwurf aufgebaut wird.
7 ist eine etwas schematische graphische Darstellung, die eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzeugen eines Hologramms zeigt.
8 ist eine etwas schematische Darstellung, die einen Bildabschnitt zeigt, der sich auf eine Prozedur des Standes der Technik zum Erzeugen eines Hologramms bezieht.
9 ist eine etwas schematische graphische Darstellung, die zusätzliche Merkmale der erfindungsgemäßen Konstruktion und des erfindungsgemäßen Verfahrens einschließlich eines aus mehreren Bereichen gebildeten Überbereichs, der adressierbaren Abschnittsteilen einer vollen LCD-Anzeige entspricht, zeigt.
10 ist eine etwas schematische graphische Darstellung, die eine alternative zweite Ausführungsform der bereits anhand der 1–4 gezeigten und beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt, in der Licht, das das lichtempfindliche Material erreicht, durch Beiträge von dem nicht gebeugten Strahl nullter (0-ter) Ordnung und einem der gebeugten Strahlen 1-ter Ordnung gebildet wird.
11 ist eine etwas schematische graphische Darstellung, die eine alternative dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt, die analoge Eigenschaften zu der in 1 gezeigten Ausführungsform besitzt, jedoch eine Kineform oder eine Gaborsche Zonenplatte besitzt, die innerhalb der LCD erzeugt wurde, um den sich erweiternden Strahl, der in Abwesenheit einer getrennten Kondensorlinse aus der räumlichen Filteranordnung hervorgeht, wirksam neu zu fokussieren.
12 ist eine etwas schematische graphische Darstellung, die eine vierte Ausführungsform zeigt, die einen Rotationsservomotor mit angebrachtem Gitter und Mittel zum Erweitern des Strahls zum Abdecken einer großen Fläche auf dem Gitter besitzt.
13 ist eine etwas schematische graphische Darstellung, die eine fünfte Ausführungsform der Erfindung zeigt, die abgesehen davon, dass die Eigenschaften einiger optischer Komponenten und ihre Anordnung in dem optischen Weg geändert wurden, um besondere alternative Vorteile zu erhalten, ähnlich der bereits anhand der Ausführungsform in 11 gezeigten und beschriebenen Ausführungsform ist.
14 ist eine etwas schematische graphische Darstellung, die eine Simulation eines eingebetteten Mikrotexts oder eine eingebettete Mikrographik mit Beugungsstreifen innerhalb des Mikrotexts in einem Abschnitt einer gedruckten Währung zeigt, die in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorbereitet wurde.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung ist auf eine Vorrichtung, auf ein Verfahren und auf ein System zum Aufzeichnen sehr hoch aufgelöster Text-, Bild- und/oder anderer Graphikinformationen auf einem Aufzeichnungsmedium gerichtet. Sie ist besonders geeignet zum Aufzeichnen von Informationen, die durch typische Fälschungsverfahren, die nicht die Auflösung der vorliegenden Erfindung erreichen, schwer wiederzugeben sind, so dass einige der aufgezeichneten Informationen verwendet werden können, um den aufgezeichneten Gegenstand oder indirekt den Gegenstand, an dem der aufgezeichnete Gegenstand angebracht ist, zu authentifizieren. Solche Gegenstände können Devisen, offizielle Dokumente, Rechts-, Finanz- und Wirtschaftsinstrumente, Kreditkarten und Verpackung für solche Gegenstände wie Software, Kunst- und andere Gegenstände, bei denen Fälschung zu befürchten ist, umfassen, ohne auf sie beschränkt zu sein.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird elektromagnetische Strahlung wie etwa durch eine Strahlungsquelle (wie etwa einen Laser) erzeugtes sichtbares Licht durch einen Verschluss oder durch eine andere Steuervorrichtung zum wahlweisen Durchlassen oder Blockieren des Durchgangs des empfangenen Lichts empfangen. Ein räumliches Filter reinigt den Strahl, um unerwünschte Frequenzkomponenten allgemein zu entfernen, und erzeugt einen divergierenden Strahl mit dem gewünschten räumlichen Frequenzinhalt. Eine Anzeige, vorzugsweise eine Flüssigkristallanzeige (LCD), empfängt dynamisch einen Datenstrom, wie er etwa, entweder in Echtzeit oder im Voraus gespeichert und heruntergeladen oder auf andere Weise bei Bedarf an die Anzeige übermittelt, in einem Computer erzeugt werden kann. Die Daten enthalten mehrere Datenwerte und für jeden der Datenwerte entsprechende mehrere räumliche Ortswerte, um die Datenwerte an den entsprechenden räumlichen Orten in einer zweidimensionalen Datenmatrix der Bildelemente in der LCD anzugeben. Jeder der angezeigten Datenwerte gibt eine optische Eigenschaft an, die sich auf den entsprechenden Datenwert in dem Weg des empfangenen konvergierenden Beleuchtungsstrahls bezieht. Die optische Eigenschaft ist typisch entweder eine optische Dichte, die die Amplitude des durch ein besonderes Pixel der LCD übertragenen Lichts ändert, oder eine optische Polarisationsänderung, wie sie sich aus einer Doppelbrechung in dem LCD-Pixel ergeben kann. Die Anwesenheit der zweidimensionalen Matrix der optischen Dichte oder Polarisation veranlasst die Beugung der auftreffenden Strahlung in mehrere gebeugte Strahlen, wobei jeder Strahl einen besonderen Beugungswinkel in Bezug auf eine Ebene der Anzeige und besondere räumliche Frequenzkomponenten besitzt. Eine Maske empfängt die mehreren gebeugten Strahlen und lässt wahlweise erste vorgegebene der Strahlen durch, während sie wahlweise zweite der Strahlen, die von den ersten verschieden sind, blockiert, so dass lediglich die gewünschten Frequenzkomponenten, die die optischen Interferenzstreifen erzeugen, zu einer Ausgangsebene durchgelassen werden. Zusätzliche Optikkomponenten empfangen die ersten Strahlen und leiten sie zur Überlappung in die Ausgangsebene um, wobei die Überlappung zur Bildung von Interferenzstreifen mit Bezug auf die relative Phasendifferenz zwischen den sich überlappenden Strahlen führt. Diese Interferenzstreifen können eine sehr hohe räumliche Frequenz haben, so dass äußerst feine Linien oder kleine Objekte einschließlich Text und Graphik aufgezeichnet werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufzeichnen eines Beugungselements wie etwa eines Beugungsgitters oder Hologramms umfasst das Erzeugen eines ersten Datensatzes, der ein zweidimensionales Beugungsgitter mit besonderen Beugungseigenschaften repräsentiert, das Übermitteln des gespeicherten ersten Datensatzes an eine LCD-Anzeige, das Auffallenlassen eines Strahls wie etwa von Licht auf vorgegebene Weise während einer vorgegebenen Zeitdauer auf die LCD, so dass der auffallende Strahl durch das LCD-Beugungsmuster gebeugt wird, das optische Sammeln und Umleiten ausgewählter Komponenten der gebeugten Strahlung, so dass sie sich in einer vorgegebenen Ausgangsbrennebene überlappen und dadurch interferieren und Interferenzstreifen erzeugen; und das Aufzeichnen oder anderweitige Erfassen der Interferenzstreifen in der Ausgangsbrennebene. Außerdem kann das Verfahren das Wiederholen des Prozesses für mehrere Datensatzdarstellungen; und das räumliche Kombinieren jeder der Streifendarstellungen zu einem Endhologramm umfassen. Außerdem umfasst die Erfindung Vorrichtungen oder Konstruktionen, die gemäß den hier offenbarten Verfahren gefertigt oder aufgezeichnet worden sind.
Es werden verschiedene Ausführungsformen der Vorrichtung, der Konstruktion und des Verfahrens beschrieben, die besondere Vorteile besitzen, die in der ausführlichen Beschreibung der Erfindung behandelt werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, das erfindungsgemäße System und das erfindungsgemäße Verfahren schaffen eine Konstruktion und eine Prozedur zum schnellen Erzeugen hoch aufgelöster Beugungsgittermatrizen, die Hologramme mit Streifenstrukturen von etwa einem Mikrometer oder kleiner und unterscheidbare Bildmerkmale in der Größenordnung von etwa sechs Mikrometern oder kleiner enthalten.
Diese Matrizen können in einem lichtempfindlichen, ätzbeständigen Material oder in anderen hoch auflösenden lichtempfindlichen Materialien wie etwa in den feinkörnigen Silberhalogenidemulsionen oder anderen herkömmlichen Photosensormaterialien, die momentan in der Holographie und Mikrolithographie verwendet werden, hergestellt werden. Die Ausgangsbilder können für viele Zwecke einschließlich Fälschungsschutz, Produktüberprüfung, Sicherheitsplaketten, Dekoration, binäre Optik sowie andere Optik-, Sicherheits- und Dekorationsanwendungen verwendet werden. Die Erfindung wird nun anhand der dazugehörenden Zeichnungen ausführlich beschrieben.
In 1 ist eine beispielhafte erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. In dieser Ausführungsform emittiert ein Laser 50 aus einer Laseraustrittsöffnung einen Laserstrahl 51. Der Laser 50 kann ein Laser irgendeines häufig für die Holographie verwendeten herkömmlichen Typs sein, der eine Wellenlänge des Lichts (oder einer anderen elektromagnetischen Strahlung) emittiert, für die das empfindliche Material in der gewählten Emulsion empfindlich ist. Da die Weglängendifferenz der zwei Aufzeichnungsstrahlen typisch kleiner als 100 Mikrometer ist, kann anstelle eines kohärenten Lasers ebenfalls eine gefilterte inkohärente oder quasikohärente Lichtquelle verwendet werden, wobei eine kohärente Quelle aber allgemein bevorzugt ist.
Der Laserstrahl 51 wird vom Verschluss 52 unterbrochen, der Steuersignale empfängt, die ihn in Reaktion auf vom Computer 20 empfangene Signale 21 öffnen und schließen. Der Computer 20 kann irgendein herkömmlicher Computer wie etwa ein Personal Computer sein, der einen Intel-, AMD-, Cyrix- oder Motorola-Mikroprozessor enthält, um Peripheriegeräte wie etwa die Verschlussbaueinheit 52 und die XY-Bühnen-Positionierungssteuermittel wie etwa die Schrittmotoren 82 und 83 zu steuern und Daten an die LCD-Anzeige 68 zu liefern, die die Anzeigesteuereinheit 68b enthält. Die Anzeigesteuereinheit 68b kann eine getrennte Vorrichtung und Leistungsversorgung sein oder entweder als ein integraler Bestandteil des Prozessors oder als eine Erweiterungsleiterplatte (Erweiterungs-PC-Platte) oder dergleichen in den Computer 20 integriert sein. Es sind herkömmliche Anzeigesteuereinheitsplatinen wie etwa z. B. die von QAI gefertigte LCD-Anzeigesteuereinheit geeignet. Selbstverständlich stellt die LCD-Anzeige 68 Mittel zum Anzeigen der Daten in einer zweidimensionalen Matrix bereit. Anstelle der LCD können als die Datenanzeigemittel alternativ andere Vorrichtungen wie etwa ein räumlicher Lichtmodulator, ein reflektierender Mikrospiegel und Vorrichtungen mit einer geeigneten Echtzeit- oder Nahezu-Echtzeit-Datenschaltung und optischen Eigenschaften verwendet werden.
Wenn der Verschluss 52 offen ist, wird der Strahl 51 durch die Öffnung der Verschlussbaueinheit 52 zur räumlichen Filterbaueinheit 54 durchgelassen. Die räumliche Filterbaueinheit 54 enthält ein optisches System, das typisch durch ein Mikroskopobjektiv 54a oder eine herkömmliche Konstruktion sowie durch eine Lochöffnung 54b ebenfalls der herkömmlichen Art implementiert ist. Das Mikroskopobjektiv 54a empfängt von dem Laser den unaufbereiteten Laserstrahl 51 und fokussiert ihn auf einen Punkt, der mit der Ebene des Lochs 54b zusammenfällt. Das Loch 54b ist eine runde Öffnung, die so bemessen ist, dass sie in dieser Ebene eine räumliche Filterung des Strahls ausführt. Alternativ können andere im Gebiet bekannte räumliche Filtermittel verwendet werden.
In der in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform besitzt das Mikroskopobjektiv 54a eine Vergrößerung (wie etwa, wie sie für normale Mikroskopanwendungen verwendet wird) von etwa 10 ×. Das Loch 54b wird in Verbindung mit dem Mikroskopobjektiv 54a ausgewählt und besitzt typisch eine runde Öffnung von zwischen etwa 10 Mikrometern und etwa 25 Mikrometern; allerdings kann dort, wo die Homogenität des gefilterten Strahls nicht so kritisch ist und ein größerer optischer Durchsatz erwünscht ist, eine größere Öffnung wie etwa eine Öffnung von 50–100 Mikrometern oder größer verwendet werden.
Während der Ausgangsstrahl 55 das Loch 54b verlässt, divergiert er und wird erweitert, so dass er teilweise eine erste Linse 56 füllt, die die Lochöffnung 54b des räumlichen Filters auf eine Zwischenbrennebene 75 abbildet. Die erste Linse 56 unterbricht den sich erweiternden Strahl 55, um einen konvergierenden Strahl 57 zu erzeugen, und refokussiert den konvergierenden Strahl durch die volle Öffnung der Flüssigkristallanzeige (LCD) 68. Obgleich insbesondere die Brennweite der Linse und allgemein die Abmessungen der Vorrichtung von einer besonderen Implementierung der Vorrichtung abhängen, besitzt die erste Linse 56 in einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung einen Durchmesser von etwa 60 mm und eine Brennweite von etwa 250 Millimetern. Selbstverständlich muss das optische System je nach der Wahl der Abmessungen des LCD-Moduls 68 und der ersten Sammellinse 56 so skaliert sein, dass es die besonderen gewünschten Abbildungsziele erreicht.
Die LCD 68 kann allgemein herkömmlicher Konstruktion sein, sollte aber die Kontrast- und Auflösungseigenschaften besitzen, die geeignet sind, die gewünschten Beugungseigenschaften einschließlich der Winkelablenkung und des Wirkungsgrads bereitzustellen. Das LCD-Modul 68 umfasst allgemein eine elektronische Treiber- und Steuereinrichtungskomponente 68b mit einer einteiligen oder getrennten Leistungsversorgung und eine im Wesentlichen durchsichtige Anzeigekomponente mit einer Anzeigefläche oder -öffnung 68a, die durch den Treiberabschnitt 69b in Verbindung mit dem Computer 20 in der Weise gesteuert wird, dass sie in Abhängigkeit von den über Leitungen vom Computer 20 empfangenen Informationsdatensignalen 23 eine gewünschte Durchlässigkeitseigenschaft (durchsichtig) und Undurchlässigkeitseigenschaft (schwarz oder Mehrstufen-Graustufen) erzeugt.
Obgleich so genannte "passive" LCD-Anzeigen mit einem möglichen resultierenden Kontrastverlust verwendet werden können, wird eine "Aktivmatrix"-LCD-Anzeige wegen des hohen Kontrasts und den hohen Datenschaltgeschwindigkeiten bevorzugt. Im Allgemeinen können passive Anzeigen längere Belichtungszeiten oder eine leistungsfähigere Lichtquelle 50 als Aktivmatrixanzeigen erfordern. Aktivmatrix-LCDs der herkömmlichen Art erreichen typisch Kontrastverhältnisse in der Größenordnung zwischen etwa 100 : 1 und 200 : 1 oder mehr, während so genannte "passive" Anzeigen Kontrastverhältnisse in der Größenordnung zwischen etwa 10 : 1 und etwa 40 : 1, typischer etwa 20 : 1, erreichen. Herkömmliche LCDs können Polarisationsfolien enthalten, die auf jeder Seite der Anzeige angehaftet sind. Es können Farb-LCDs verwendet werden, die aber nicht bevorzugt sind, da sie typisch Farbfilter verwenden, die hier vorteilhaft nicht verwendet werden.
Für Anwendungen dieser LCDs als Beugungselemente werden irgendwelche derartigen Polarisationsmaterialien vorteilhaft entfernt, um das durchgelassene Licht zu erhöhen und das Rauschen oder andere optische Verschlechterungen zu verringern. Dies ermöglicht, die LCD eher als ein Phasendurchlasshologramm als ein Absorptionsdurchlasshologramm zu verwenden, und erhöht das Licht auf der Endplatte 80.
Die Flüssigkristallanzeige 68 gibt Daten in einem zweidimensionalen Bild oder Bildelement oder in einer Bildelementmatrix (Pixelmatrix) an oder zeigt sie in diesen an. Die angezeigten Informationen erzeugen eine Beugungsmatrix, die veranlasst, dass verschiedene Flächen in dem (von der Linse 56 ausgehenden) auftreffenden Laserstrahl 57 in einen oder mehrere gebeugte Strahlen 59 gebeugt werden, deren Anzahl und Eigenschaften von den Eigenschaften der angezeigten Daten abhängen. Im Allgemeinen enthalten die gebeugten Strahlen 59 einen nicht gebeugten Strahl oder Strahl nullter Ordnung (0-ter Ordnung) 70, ein Paar gebeugter Strahlen erster Ordnung (±1-ter Ordnung) 72a und 72b, ein Paar gebeugter Strahlen zweiter Ordnung (±2-ter Ordnung) 74a und 74b und typisch gebeugte Strahlen höherer Ordnung (nicht gezeigt), die allgemein eine niedrigere Amplitude und Intensität als die Strahlen niedrigerer Ordnung besitzen. Die Strahlen höherer Ordnung können in den bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden, werden typisch in diesen aber nicht verwendet. Für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet ist klar, dass das Vorhandensein und die Eigenschaften der Strahlen nullter, erster, zweiter und höherer Ordnung durch die räumlichen Informationen bestimmt sind, die auf der LCD-Anzeige 68 dargestellt sind. Wo durch die LCD 68 konstante Daten (z. B. eine durchsichtige Öffnung oder eine feste Graustufenöffnung) lediglich mit einer so genannten Gleichstromkomponente angegeben sind, gibt es lediglich einen einzigen (nicht gebeugten) Strahl, der als der Strahl nullter Ordnung (0-ter Ordnung) bezeichnet wird. Zum Beispiel werden Daten, die eine Sinusfunktions-Beugungsstruktur simulieren, in jeder Richtung in mehrere Ordnungen gebeugt, während eine Kineform hauptsächlich in die Ordnungen beugt, für deren Erzeugung sie konstruiert ist. Außerdem können Daten geliefert werden, die Blaze-Gitter, Rechteckschwingungsgitter und andere Gitterstrukturen bilden oder simulieren.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist eine Maske in Form einer Ringöffnung 76 mit durchsichtigen (durchlässigen) und undurchlässigen Bereichen vorgesehen, die den Strahl nullter Ordnung (0-ter Ordnung) 70, das Paar der Strahlen 74a und 74b zweiter Ordnung (±2-ter Ordnung) und, obgleich es nicht gezeigt ist, ebenfalls die Strahlen ±3-ter Ordnung, ±4-ter und höherer Ordnung maskiert oder blockiert. In dieser besonderen Ausführungsform wird lediglich zugelassen, dass die gebeugten Strahlen 72a und 74b erster Ordnung (±1-ter Ordnung) durch die Maske 76 gehen, so dass sie nachfolgend auf die Brennebene 80 fallen. Der radiale Abstand der ±1-ten gebeugten Strahlen von der mittigen optischen Achse ist durch die räumliche Frequenz der angezeigten LCD-Daten und durch den Abstand zu der Linse 56 und durch deren Brennweite bestimmt. Als ein Beispiel sind für eine Linse 56 mit einer Brennweite von 35 Millimetern und für eine 20 mm × 15 mm-LCD-Anzeige mit 640 × 480 Pixeln in jeder Richtung der Innenradius (r1) und der Außenradius (r2) der Öffnung in der Maske 76 etwa 3 mm bzw. 15 mm, wenn der Abstand zu der Linse so eingestellt ist, dass er eine Belichtungsausleuchtzone (unter Verwendung einer Fläche von 480 × 480 Pixeln der LCD) von etwa 0,127 mm (1/200 Zoll auf jeder Seite) liefert. Im Folgenden werden Ausführungsformen, in denen verschiedene Strahlen blockiert oder durchgelassen werden, beschrieben, die verschiedene Eigenschaften besitzen, wobei selbstverständlich Mittel zum Ändern des optischen Systems zum wahlweisen Blockieren oder Durchlassen eines oder mehrerer Strahlen vorgesehen sein können.
Diese gebeugten Strahlen 72a, 72b erster Ordnung werden durch eine zweite Linse oder LCD-Neuabbildungslinse 78 unterbrochen, die die gebeugten Strahlen erster Ordnung zurück zu der optischen Achse richtet und die LCD-Anzeige auf eine vorgegebene Bildbrennebene 80, die Brennebene, in der ein lichtempfindliches Material oder ein Photofilm oder ein ätzbeständiges lichtempfindliches Resistmaterial 81 montiert oder aufgetragen ist, neu abbildet, um das gewünschte Endhologramm oder Beugungsgitter zu erzeugen. Die LCD-Neuabbildungslinse 78 kann entweder eine herkömmliche hochwertige Photo- oder Mikrophotolinse, ein holographisches optisches Element oder irgendein Linsensystem, das die LCD mit guter Wiedergabetreue abbilden kann, sein. Das Fokussieren der Linse auf die Filmebene veranlasst die Überlappung der auf die Linse 78 auftreffenden gebeugten Strahlen +1 und –1, wodurch in der Brennebene 80 Interferenzstreifen erzeugt werden, die die Gitterstruktur in dem lichtempfindlichen Material 81 werden.
Der Photorezeptor 81 kann ein Photofilm, ein Photoresistmaterial, wie es in der Halbleiterherstellungsindustrie verwendet wird, oder dergleichen Materialien sein und ist auf der Bildausgabe-Brennebene 80 auf einer XY-Transportbaueinheit 24 angebracht, die funktional ist, um den zweidimensionalen Photorezeptor 81 in Reaktion auf von der Schrittmotor-Steuereinheit 22 empfangene Schrittmotor-Transportsteuersignale 84, 85 in im Wesentlichen orthogonaler X- und Y-Richtung zu transportieren, so dass auf Wunsch aus einem Mosaik getrennter Belichtungen ein zusammengesetztes Bild konstruiert werden kann. Solange der Photorezeptor 81 während der Bewegung in der Brennebene gehalten wird, können zum Bewegen des Photorezeptors 81 irgendwelche herkömmlichen Mittel wie etwa z. B. Motoren, piezoelektrische Wandler, eine Antriebsspindel oder Ultraschallmotoren verwendet werden. Optional können außerdem Mittel zum Abtasten des tatsächlichen Brennpunkts in der Brennebene 80 wie etwa des Kontrasts oder alternativ Parallelerfassungsmittel, die üblicherweise bei der Autofokuserfassung und bei Einstellungssystemen wie etwa Kameras verwendet werden, vorgesehen sein. In diesem Fall können für die Positionseinstellung des Photorezeptors 81 ebenfalls z-Achsen-Bewegungsmittel vorgesehen sein.
Im Gebiet sind verschiedene Linearbewegungsmittel bekannt, die für die gewünschte XY-Positionseinstellung verwendet werden können. Die Drehbewegungsfähigkeit kann ebenfalls auf herkömmliche Weise vorgesehen sein. In der bevorzugten Ausführungsform empfangen die Schrittmotoren 82 und 83 auf den Steuerleitungen 84 bzw. 85 Steuersignale in Form von Impulsen von der Schrittmotorsteuerung 22. Die Schrittmotor-Steuereinheit 22 empfängt auf herkömmliche Weise Eingangssignale 86 vom Computer 20. Es ist klar, dass der Betrieb des Verschlusses 52, der LCD-Anzeige 68 und der Schrittmotor-Steuereinheit 22 über die Signale 21, 23 und 86 auf funktionale Weise koordiniert wird, um den gewünschten Betrieb der Vorrichtung zu liefern. Außerdem ist klar, dass diese Funktionen durch einen Computer 20, durch getrennte Computer oder durch eine mit dem Computer integrierte Steuereinheit wie etwa durch einen Mikrocomputer ausgeführt werden können, um die geforderte Vorrichtungsschnittstelle und -steuerung auszuführen.
Zahlreiche optische, elektrische und wissenschaftliche Erzeugnisse einschließlich Linsen, Verschlüssen, Beugungsgittern, räumlichen Filtern, mehrdimensionalen Translationsbühnen und anderen Transportbaueinheiten, Drehbühnen und Lasern sind erhältlich von der Newport Corporation, 1791 Deere Avenue, Irvine, California, 92714, USA, und können in Verbindung mit der Herstellung und Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung genutzt werden.
Um die Reinheit der optischen und mechanischen Komponenten zu erhalten und um zu verhindern, dass Umgebungsstreulicht die lichtempfindlichen Materialien belichtet, kann das gesamte in 1 veranschaulichte Optikuntersystem der erfindungsgemäßen Konstruktion 15 in einem (nicht gezeigten) Gehäuse gekapselt sein. Um irgendwelches äußeres Licht oder reflektiertes/gestreutes Licht in dem Gehäuse weiter zu unterdrücken, können außerdem Lichtschutzschirme enthalten sein.
Nachdem die Konstruktion einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben worden ist, wird die Aufmerksamkeit nun auf eine schematische perspektivische Teilzeichnung in 2 gerichtet, die einige der Komponenten in 1, jedoch in einem größeren Maßstab, zeigt, so dass Einzelheiten der gebeugten Wellen und die Beziehung zwischen dem auf der LCD 68a angezeigten Bild und dem Ausgangsbild in der Brennebene 80 leichter sichtbar sind.
Es ist die LCD 68a gezeigt, die das zusammengesetzte Bild des Umrisses eines Buchstabens A (als einer beispielhaften Graphik) angibt oder anzeigt, in dem auf einem Hintergrund vertikaler Streifen 202 diagonale Streifen 201 in dem A (mit einer Neigung von etwa 45 Grad entgegen der Uhrzeigerrichtung von der Vertikalen) angezeigt werden. (Die LCD-Treiber, die zugeordnete Elektronik und die Signalleitungen sind nicht gezeigt.) Der Abstand der Streifen in der Zeichnung dient lediglich zur Veranschaulichung. In einer typischen Implementierung der erfindungsgemäßen Konstruktion und des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine 20 mm × 15 mm-Anzeige mit 640 × 480 Pixeln haben die Streifen einen Abstand von Mitte zu Mitte von etwa 220 Mikrometern, wobei die resultierenden Strahlen ±1-ter Ordnung in der Weise gebeugt werden, dass sie nach dem Durchgang durch die LCD unter einem Winkel von etwa ±0,1 Grad divergieren. Eine ebene Darstellung der LCD 68a und der darauf angezeigten Daten ist in 3 getrennt gezeigt.
Die beispielhafte LCD 68 besitzt in einer Dimension (z. B. in der x- oder horizontalen Richtung) 640 adressierbare Abtastwerte und in der orthogonalen Richtung (z. B. in der y- oder vertikalen Richtung) 480 adressierbare Leitungen und misst etwa 20 mm mal etwa 15 mm. Die Pixelabmessungen sind auf einer Seite etwa 30 Mikrometer. Die Dicke des LCD-Moduls in der z-Dimension (Z_LCD) ist etwa 1,1 mm. Vorzugsweise ist die LCD eine Aktivmatrix, die einen kleinen Pixelabstand, einen guten Kontrast und eine verhältnismäßig große aktive Fläche pro Pixel besitzt. Zum Beispiel kann das von Hitachi hergestellte LCD-Modell Hitachi MTM25V01 verwendet werden. Außerdem wird erwartet, dass LCD-Anzeigen mit kleineren adressierbaren Pixeln (z. B. 15 Mikrometer oder kleiner) und größeren Pixelmatrizen (z. B. Pixelmatrizen von 3000 × 3000 oder größer) verfügbar sind oder verfügbar werden und dass diese größeren LCD-Anzeigen und/oder LCD-Anzeigen mit höherer Auflösung in der Erfindung ebenfalls vorteilhaft verwendet werden können.
Durch die Linse 78, die so positioniert ist, dass das Verhältnis des dritten zum vierten konjugierten Linsenabstand d₃/d₄ in der veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform etwa 200 : 1 ist, wird die LCD 68a in einem stark verkleinerten Maßstab neu auf die Bildbrennebene 80 abgebildet. In dieser Konfiguration wird die LCD in einem Vergrößerungsverhältnis von 200 : 1 neu abgebildet, so dass ein Einzoll-LCD-Abschnitt als ein optisches 1/200-Zoll-Bild der LCD in der Bildebene 80 neu abgebildet wird.
Verschiedene Teile des LCD-Bildes, d. h. die vertikalen Hintergrundstreifen 202 und die diagonalen "A"-Streifen 201, veranlassen die Beugung des auffallenden Lichts mit verschiedenen Winkelorientierungen und/oder mit verschiede nen radialen Abständen von der optischen Achse. Selbst die physikalische Konstruktion der LCD (z. B. die Anordnung gleich beabstandeter Pixel) selbst beugt Licht. Nicht gebeugtes Licht bleibt entlang der mittigen optischen Achse, während höhere räumliche Frequenzen, die Licht enthalten, das durch die LCD-Pixelmatrix selbst gebeugt wird, zu höherer Winkelabweichung führt. Die physikalische Trennung der gebeugten Strahlen hängt gemäß der im Bragg-Gesetz definierten Beziehung, d. h. Lambda = 2D × Sin(Theta), wobei λ die Wellenlänge des Lichts, D der Abstand und Theta der Beugungswinkel ist, von der Belichtungswellenlänge, von der räumlichen Frequenz der angezeigten Daten und von dem Abstand von der LCD zur Linse 78 ab. Es wird ein Abstand gewählt, der in der Endbildebene die gewünschte räumliche Frequenz erzeugt, wobei dieser bei erneuter Anwendung des Bragg-Gesetzes von der Brennweite der Linse 78 abhängt. Es wird angemerkt, dass die Begriffe Beugung, Gitter, Hologramm und dergleichen in dieser Offenbarung synonym verwendet werden.
Obgleich die Daten zur Erzeugung einer Streifenstruktur (z. B. 201, 202) durch den Computer 20 erzeugt werden oder in ihm gespeichert sind und auf der LCD 68 angezeigt werden, wird die Streifenstruktur in der LCD, die durch einzelne auflösbare Pixel oder Gruppen von Pixeln in der LCD erzeugt wird, typisch nicht neu in die Brennebene 80 abgebildet. Tatsächlich liegt die Streifenstruktur, die in der Brennebene 80 erforderlich ist, um das Hologramm zu erzeugen, allgemein jenseits der Auflösungs- und/oder Kontrastleistung der vorangehenden Komponenten des optischen Systems. Da die in der LCD 68 vorhandene Streifenstruktur nicht optisch von der LCD-Ebene in die Brennebene 80 übertragen wird, wird sie nicht tatsächlich durch die Linsen abgebildet. Stattdessen beugt die in der LCD angezeigte Streifenstruktur den auftreffenden Laserstrahl 57, wobei sie die gebeugten Ordnungen erzeugt, so dass sie sich wie in der Ebene der Maske 76 in 2 veranschaulicht von der optischen Achse trennen. Die Linse 56 veranlasst, dass die divergierenden Strahlen (0-ter, ±1-ter, ±2-ter, ±3-ter usw.) in der Ebene der Linse 78 zu getrennten Brennpunkten gelangen. Die von den Hintergrundstreifen mit konstanter Frequenz f₁ gebeugte Energie wird in den Bereichen 210 und 211 in der Linse 78 konzentriert, während die Energie von den A-Streifen mit der konstanten Frequenz f₂ in den Bereichen 212 und 213 in der Linse 78 konzentriert wird.
4 zeigt eine graphische Darstellung beispielhafter Streifen (abwechselnder heller und dunkler Bänder) auf der Mehrgraustufen-LCD-Anzeige. Die Streifen können mit sinusförmigen, Rechteckschwingungs-, Sägezahn-, binären oder anderen mathematischen Eigenschaften erzeugt werden. Dass das Beugungsmuster in der LCD auf diese Weise unter Verwendung einer Mehrstufenanzeige (z. B. 256-Graustufen-Anzeige) erzeugt wird, schafft wegen dieser Flexibilität Vorteile gegenüber einer binären Anzeige mit nur zwei Stufen. Die weiße Fläche 105 in 4 repräsentiert durchlässige Bereiche niedriger Dichte der LCD, während die schwarzen Flächen Bereiche hoher Dichte repräsentieren. Die "gefleckten" Bereiche 107 repräsentieren Zwischengraustufenflächen der LCD mit einer Zwischendichte, wobei die Dichte innerhalb irgendeines adressierbaren LCD-Pixels konstant ist. (Die Fleckung wird lediglich in der Zeichnung verwendet, um das Erscheinen einer Vielzahl von Graustufen zu liefern.)
In der in den 1 und 2 veranschaulichten Ausführungsform wird lediglich zugelassen, dass die Strahlen 72a, 72b ±1-ter Ordnung von jedem der Hintergrund-LCD-Streifenmuster 202 (die in der Ebene der Maske 76 als die Bereiche 210, 211 gezeigt sind) und von dem aus dem A-Bereich 201 gebeugten Strahl (der in der Ebene der Maske 76 als die Bereiche 213, 214 gezeigt ist) durch die Maske 76 gehen. (Aus Klarheitsgründen sind lediglich für die Hintergrund-LCD-Streifen näherungsweise Strahlspuren für die auftreffenden und gebeugten Ordnungen gezeigt). Bei vorhandener Maske 76 leitet die zweite Linse 78, die sich im Brennpunkt der ersten Linse 56 befindet, den Hintergrund ±1 und die gebeugten A-Strahlen (und in anderen Ausführungsformen andere gebeugte Ordnungen) von jedem Bereich der Maske 210, 211, 212, 213 um, um alle von dem LCD-Bild an ihre jeweiligen Positionen in der Brennebene 80 gebeugten Strahlen wieder zu vereinigen oder zu überlappen. (Der Bereich 203 besitzt eine konstante Graustufe ohne Streifen und beugt keine erhebliche Energie außerhalb der Gleichstromkomponente oder der Frequenzkomponente 0-ter Ordnung.) Diese sich schneidenden Strahlen veranlassen eine Interferenz, wobei die Anzahl der Interferenzstreifen, da die Strahlen ±1-ter Ordnung verwendet werden, gegenüber jenen, die sich aus der Interferenz zwischen den Strahlen 0-ter Ordnung und jenen entweder +1-ter oder –1-ter Ordnung ergeben würden, effektiv verdoppelt ist. Im Allgemeinen kann die LCD einen praktisch unbeschränkten Graphikinhalt anzeigen, wobei dieser Inhalt nicht auf die spezifisch in dieser Beschreibung beschriebenen Beispiele beschränkt ist. Für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet ist die Art und Weise, in der die inhaltsabhängige Beugung als Folge der Beugung durch die auf der LCD 68 angezeigten Daten auftritt, sowie die Art und Weise, in der die Fre quenzkomponenten dieser Beugung in der Fouriertransformationsebene der Maske 76 getrennt werden, im Licht dieser Beschreibung klar.
Die Beziehung zwischen dem Bilddaten-Streifenabstand auf der LCD und den auf der Ausgangsbrennebene 80 erzeugten Interferenzstreifen ist linear und durch die Abstände zwischen den Optikkomponenten und durch die Brennweite der Linse 78 bestimmt. Falls der LCD-Bereich, der den Buchstaben A darstellt, z. B. 15 Streifen über die Länge des "A" besitzt, enthält das Endhologramm über die Fläche, die das fokussierte "A" enthält, 30 Streifen, wobei diese Streifen die 400-fache räumliche Frequenz des Originals haben, obgleich das Bild des "A" lediglich um das 200-fache verkleinert worden ist.
Somit erzeugen die erfindungsgemäße Konstruktion und das erfindungsgemäße Verfahren trotz der verhältnismäßig niedrigen Auflösung der LCD selbst in der Brennebene 80 Gitterstrukturen und Hologramme mit äußerst hoher räumlicher Frequenz. Natürlich wird das Bild transponiert, d. h. um die Vertikale und/oder Horizontale gekippt oder gespiegelt, wobei diese Wirkungen aber herkömmlich sind und entweder durch Neuorientieren des lichtempfindlichen Materials 81 oder durch geometrisches Manipulieren der an die LCD 68 gesendeten Daten, so dass die Endausgabe auf dem Photosensor die richtige geometrische Orientierung besitzt, berücksichtigt werden. Die Lichtverteilung in der Linsenebene 78 ist eine Frequenzbereichsdarstellung (z. B. eine Fouriertransformationsdarstellung) der Informationen in der LCD-Ebene.
Der Mechanismus, durch den die gebeugten Strahlen 1-ter Ordnung aus den Hintergrundbereichen 210, 211 wiedervereinigt werden, um in der Brennebene 80 neue Interferenzstreifen 221 zu erzeugen, ist weiter in 5 veranschaulicht. Die Strahlspurlinien geben allgemein an, wie das Licht aus den Bereichen 210, 211, 212, 213 in der Ebene der Maske 76 von den Punkten in der Ebene der Linse 78 abgelenkt wird, so dass es sich in der Ausgangsbrennebene 80 überlappt. Obgleich die Strahlspurlinien für den A-Bereich 231 oder für den schwarzen Bereich 232 in 5 nicht veranschaulicht sind, können aus dem A-Bereich auf ähnliche Weise ebenfalls neue Streifen erzeugt werden. Da von den LCD-Daten im Bereich 203 kein Licht gebeugt wurde und da die nicht gebeugten Komponenten durch die mittige Blende der Maske 76 blockiert werden, bleibt der Bereich 232 in der Ausgangsebene 80 unbelichtet.
Im Allgemeinen zeigt die LCD 68 ein Bild mit einer oder mit mehreren Frequenzkomponenten, die ein Bild oder einen Teil eines Bildes definieren, an. Diese Komponenten beugen das Laserlicht A, was die Trennung der räumlichen Frequenzkomponenten in der Fouriertransformationsebene der Linse 78 und die nachfolgende Wiedervereinigung in der Brennebene durch die Linse 78 bewirkt.
Anhand von 6 wird nun die Art und Weise beschrieben, in der ein zusammengesetzter Ausgangsgraphikentwurf 601 aufgebaut wird. In 6, d. h. in den 6a(1), 6a(2), 6b(1), 6b(2) und 6c(1), 6c(2), sind jeweils vergrößerte Abschnitte mehrerer beispielhafter Abschnitte jeder Belichtungsfläche 602a, 602b und 602c der zusammengesetzten Brennebenengraphik und die entsprechenden LCD-Eingaben veranschaulicht. In diesem Beispiel besitzt die LCD 480 × 640 adressierbare Elemente, wobei aber lediglich ein Quadrat von 480 × 480 zur Anzeige von Daten verwendet wird, das in der verkleinerten Ausleuchtzone erscheint. Jedes der kleinsten Rechtecke 601 repräsentiert eine LCD-Ausleuchtzone. Das zusammengesetzte Ausgangsbild kann irgendeine Größe haben und z. B. von der Größe einer einzelnen LCD-Ausleuchtzone (in diesem Fall 1/200 Zoll × 1/200 Zoll) bis zu den mehreren hundert oder mehr Ausleuchtzonen auf jeder Seite des zusammengesetzten Bildes variieren. Ein zusammengesetztes Bild, das aus einer 400-mal-400-Matrix von LCD-Ausleuchtzonen (160.000 Belichtungen) mit einer LCD-Verkleinerung von 1 : 200 aufgebaut ist, ist etwa 2 Quadratzoll.
Jeder Bereich 602a, 602b und 602c in 6a repräsentiert eine Belichtungs-"Ausleuchtzone" der vollen LCD-Anzeige 68, wie sie auf das lichtempfindliche Endplattenmaterial 81 in der Brennebene 80 neu abgebildet wird. In dieser Ausführungsform wird das zusammengesetzte Bild immer nur zu einer "Ausleuchtzone" aufgebaut. Im Allgemeinen könnte der belichtete Bereich der Platte 81 dem gesamten LCD-Schirm (z. B. 640 × 480 Pixel) oder einem Unterabschnitt der LCD-Schirmfläche, z. B. einem quadratischen Bereich von 480 × 480-Pixeln oder 1/16 der LCD-Fläche (z. B. 160 × 120 Pixel) oder irgendeinem anderen Abschnitt, entsprechen.
Da der dunkle Rand in den Ausgangsdaten nicht tatsächlich vorhanden ist, identifiziert die rechteckige Fläche in dem kreisförmigen Bereich lediglich die Pixel in der LCD. Die einzelnen LCD-Ausleuchtzonen sind präzise ausgerichtet, so dass jede Ausleuchtzone ohne Überlappung oder Zwischenraum angrenzt. Außerdem repräsentiert der Bereich in dem vergrößerten Kreis und in dem dunkleren rechteckigen Rand selbstverständlich LCD-Daten, die während dieser besonderen Belichtung in der Zusammensetzung erscheinen und keine Komponente der LCD selbst sind.
Vom Standpunkt der Abbildung und Software ist es zweckmäßig, einen quadratischen Bereich der LCD zu nutzen, der der Belichtungsausleuchtzone entspricht. Eine Belichtungsausleuchtzone entspricht hier einem 480 × 480-Pixelabschnitt der Anzeige, der im Maßstab 1/200 neu abgebildet wird. Das zusammengesetzte Bild wird aus einer Reihe von Belichtungen wie etwa z. B.: (i) aus der in 6a(1) veranschaulichten Belichtungsausleuchtzone zum Zeitpunkt T_a aus den LCD-Daten in 6a(2); (ii) aus der Belichtung in 6b(1) zum Zeitpunkt T_b aus den LCD-Daten in 6b(2); (iii) aus der Belichtung in 6c(1) zum Zeitpunkt T_c aus den LCD-Daten in 6c(2); und (iv) aus weiteren Belichtungen (nicht gezeigt); aufgebaut, um das gesamte Bild aufzubauen, das wie in 6a gezeigt die Bereiche 602a, ..., 602b, ..., 602c, ... usw. umfasst. Es ist allgemein zweckmäßig, die x- und y-Bewegung der Schrittmotoren 82 und 83 in der Weise zu steuern, dass das lichtempfindliche Material in der x- und daraufhin in der y-Dimension aufeinander folgend weitergeschaltet wird, bis das gesamte Bild als eine latente Belichtung gebildet worden ist.
In weiteren Ausführungsformen kann es außerdem erwünscht sein, Laser mit anderer Wellenlänge zu verwenden, um andere oder sich überlappende Bereiche zu belichten, so dass jede Belichtung sowohl an einem anderen Ort als auch mit einer anderen Wellenlänge erfolgt. Außerdem können weitere Ausführungsformen andere Maßstäbe als 1/200 enthalten. In weiteren Ausführungen können mehrere LCD-Matrizen physikalisch oder optisch angrenzen, so dass die Belichtung parallel ausgeführt wird.
Der große dicke dunkle (schwarze) Bereich 610 in den in 6b(2) gezeigten LCD-Daten und der Bereich 612 in 6c(2) sind Datenbereiche, die in dem Endbild Bereiche mit schwarzen Linien bilden. Die dunklen, schwarzen Bereiche 610, 612 in der LCD beugen die auftreffende Laserstrahlung nicht, so dass kein Licht in die entsprechenden Bereiche in der Endausgabebrennebene 80 neu abgebildet wird. Die LCD-Bereiche, die Streifen zeigen, wie etwa der Bereich 615 in 6a(2) (hier der gesamte 480 × 480-Bereich der LCD-Anzeige) beugen Licht in die Strahlen ±1-ter Ordnung, die abgebildet werden, um über die Ausleuchtzone 616 in 6a(1) neue Interferenzstreifen zu bilden. Da jede der Ausleuchtzonen 602a, ..., 602n eine Darstellung der LCD-Anzeige ist, sieht das Bild, das durch Beugung der Brennebene 80 erzeugt wird, mit Ausnahme der optischen Spiegelung, Kippung oder anderen Inversionen, die nach dem Durchgang durch die mitt leren Optikkomponenten notwendig auftreten, im Wesentlichen wie das Bild aus, das auf der LCD angezeigt wird. Mit anderen Worten, einige der Ausleuchtzonen sind vollständig mit Streifen gefüllt, die in der gleichen Richtung orientiert sind, einige der Ausleuchtzonen besitzen außerdem schwarze oder nicht belichtete Bereiche und einige Ausleuchtzonen besitzen mehrere Beugungsmuster in verschiedenen räumlichen Frequenzen oder Winkeln.
Im einfachsten Fall wird jeder Bereich 602a, ..., 602b, ..., 602c, ..., 602n in der Bildebene 80 aus 6a durch eine Datenanzeige auf der LCD erzeugt, d. h. aus dem gesamten auf der LCD 68 angezeigten Bild gebildet. Eine im Folgenden beschriebene Schritt- und Wiederholungsprozedur schaltet jede Belichtung sowohl in der x- als auch in der y-Koordinate weiter. Die auf der LCD angezeigten Daten (das dort angezeigte Bild) werden für jeden Schritt geändert oder können für jeden Schritt geändert werden.
Weiter anhand von 6 ist 6A eine schematische Darstellung der Art und Weise, in der das Bild auf der Platte 80 aus einer Folge getrennter Belichtungen aufgebaut oder integriert wird. Die Belichtung 1 (Bereich 602a) wird zum Zeitpunkt t₁ gebildet, indem Daten an die LCD 68 gesendet werden, die lediglich ein Streifenmuster mit einer Frequenz von etwa 7 Pixeln und mit einem Winkel von etwa 135 Grad in Uhrzeigerrichtung gegenüber der Vertikalen besitzen. Die Belichtung 2 (Bereich 602b) wird zum Zeitpunkt t₂ gebildet, indem die Platte 80 um die Entfernung von etwa 0,005 Zoll, die der Größe der LCD-Anzeigefläche mal dem Vergrößerungsfaktor (in diesem Beispiel tatsächlich ein Verkleinerungsfaktor von 1/200) entspricht, längs der x- oder horizontalen Achse weitergeschaltet wird. Falls die LCD zum Beispiel eine 1-Zoll-Anzeigefläche besitzt und die Vergrößerung 1/200 ist, ist das Schrittinkrement in x- und y-Richtung 1/200 Zoll, so dass die aufeinander folgenden Belichtungen ohne Überlappung angrenzen. Die Belichtung 5 (Bereich 602c) wird zum Zeitpunkt t₅ gebildet, indem eine wie in 6b(2) gezeigte LCD-Anzeige angezeigt wird, in der lediglich die Pixel im linken unteren und im rechten oberen Seitenbereich 621, 622 Streifen enthalten, während die Pixel im Bereich 610 einen gebogenen Weg von links oben nach rechts unten bilden, wobei sie entweder schwarz oder durchsichtig (hier als schwarz gezeigt) sind, um die Beugung aus dieser Fläche zu vermeiden.
Es wird angemerkt, dass die durch digitale Daten erzeugten Streifen in der LCD 68 vom Computer 20 erzeugt werden, während die Streifen auf der Ausgangsplatte 80 durch physikalische Welleninterferenz der wiedervereinigten ge beugten Ordnungen, hier der gebeugten Ordnungen +1 und –1, erzeugt werden. Außerdem besitzen die in der Ausgangsebene gebildeten LCD-Anzeigestreifen und Interferenzstreifen einen anderen physikalischen Abstand und eine andere entsprechende räumliche Frequenz, jedoch (mit Ausnahme der optischen Umkehrung) die gleiche relative Orientierung wie die auf der LCD angezeigten Streifen.
Die auf die schwarzen Flächen 610, 612 der LCD auftreffenden Strahlen werden nicht gebeugt, da diese Bereiche keine Streifen anzeigen. Gleich, ob diese Bereiche in den an die LCD gesendeten Daten als schwarz oder durchsichtig dargestellt werden, und gleich, ob die Polarisationsfilter auf der LCD gelassen werden, geht das auf diese Bereiche auftreffende Licht in dem Strahl nullter Ordnung als nicht gebeugte Energie durch und wird in dieser besonderen Ausführungsform durch die Maske 76 blockiert, so dass kein Licht aus dieser Fläche die Platte 80 von den Flächen 610 und 612 erreicht.
Anhand von 7 wird nun eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens 600 beschrieben. Das Verfahren beginnt (Schritt 602) mit der Wahl der Endgröße der Datenelemente in dem Hologramm aus einer digitalen Bilddatei (Schritt 604), d. h. mit der Wahl, wie viele Datenelemente pro Belichtung auf der LCD angezeigt werden. Die digitale Bilddatei definiert die in jedem Unterbereich oder Überbereich (falls die Elemente Flächen definieren, die größer als die Ausleuchtzone des Systems sind) der LCD 68 anzuzeigenden Daten. Nachfolgend werden die Anzahl der horizontalen Datenelemente (Bildabtastwerte) und die Anzahl der vertikalen Datenelemente (Bildlinien) pro Belichtung berechnet (Schritt 606). Wenn die Größen der horizontalen und der vertikalen Datenelemente bekannt sind, wird die Gesamtzahl horizontaler Belichtungen oder Ausleuchtzonen in x-Richtung berechnet (Schritt 608) und wird die Gesamtzahl der vertikalen Belichtungen in y-Richtung berechnet (Schritt 610). Diese Berechnungen definieren in Verbindung mit der Größe der Datenanzeige (z. B. der LCD 68) und der optischen Vergrößerung (Verkleinerung) die Endgröße des zusammengesetzten Ausgangsbilds. Es wird angemerkt, dass die Kennzeichnung als horizontal oder vertikal oder als X-, Y- oder Z-Koordinate lediglich zur Zweckmäßigkeit der Beschreibung dient, wobei für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet im Licht der hier gegebenen Beschreibung klar ist, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren in irgendeiner Orientierung orientiert oder implementiert werden können und nicht auf die horizontale oder vertikale Orientierung beschränkt sind und dass die Bewegung der lichtempfindlichen Materialien in Be zug auf den Ausgangsstrahl bzw. die Ausgangsstrahlen des optischen Systems unter Verwendung nicht orthogonaler Bewegungen ausgeführt werden kann.
Vor Belichten der ersten Ausleuchtzone werden die X- und Y-Positionen der Bühne 24 für den Ort der ersten Belichtung eingestellt (Schritte 612, 614). Normalerweise beginnt die Belichtung in einer Ecke und schreitet in beiden Richtungen in einem Rastermuster fort, wobei aber irgendein anderes Belichtungsort-Adressierungsschema verwendet werden kann, solange eine genaue Positionierung aufrechterhalten wird.
Die Daten werden erzeugt oder vorzugsweise aus der mit dem Computer 20 gekoppelten Speicherablage 18 ausgelesen (Schritte 616, 618) und über die Anzeigesteuereinheit 68b an die LCD-Anzeige 68 gesendet (Schritt 620). Die Daten können periodische oder nichtperiodische Gitterlinien (Streifen) sowie Text- und Graphikdaten und dergleichen enthalten. Die Gitterdaten können lineare Beugungsstreifendaten enthalten, sind aber nicht auf lineare Formen beschränkt, wobei betrachtet wird, dass irgendeine Form einschließlich Kreisen, Ellipsen, Polygonen und irgendeiner anderen Form einschließlich Darstellungen komplizierterer Beugungsdaten wie etwa holographischer Streifenmuster angezeigt werden kann. Die Daten können in Raster-, Vektor- oder irgendeiner anderen herkömmlichen Form erzeugt und/oder gespeichert werden und komprimiert oder unkomprimiert sein, werden aber schließlich als eine zweidimensionale Matrix von Pixeln angezeigt, die wie bereits beschrieben Beugungsstrukturen oder konstante Flächen definieren. Vorzugsweise zeigt die Anzeige die Daten in einem Mehrgraustufen-Monochrom-Format an, das vorzugsweise wenigstens 256 Graustufen besitzt. Anzeigen mit mehr als 256 Graustufen können mit einer gewissen Zunahme an Qualität und Kosten verwendet werden, während Anzeigen mit weniger Graustufen mit einer gewissen möglichen Verschlechterung verwendet werden können. Für bestimmte beschränkte Anwendungen können Binäranzeigen (z. B. ist das Pixel entweder EIN oder AUS) verwendet werden.
Wenn die Daten angezeigt werden, weist der Computer den Verschluss 52 an, für eine geeignete Belichtungszeit, die auf herkömmliche Weise von dem Durchlassgrad (der Dichte) der LCD, dem optischen Durchsatz des Systems und der Empfindlichkeit des lichtempfindlichen Materials 81 abhängt, zu öffnen, wodurch die LCD-Anzeige auf das Photoresistmaterial belichtet wird, um das Hologramm zu erzeugen (Schritt 624). Nachdem alle Bereiche belichtet worden sind, wird das latente Bild auf herkömmliche Weise entwickelt oder auf andere Weise verarbeitet, um das Beugungsgitter oder die holographische Struktur bzw. die holographischen Strukturen zu bilden.
Der Computer 20 berechnet durch Weiterschalten in Richtung der Abtastlinie (horizontal) (Schritt 626), Auslesen oder Erzeugen geeigneter Daten für die zweite Belichtung, Anzeigen der Daten und Belichten der neuen Daten wie zuvor die neue Position für die zweite Belichtung. Dieser Prozess wird fortgesetzt, bis die vollständige Abtastlinie belichtet worden ist. Der gesamte Prozess wird für die nächste y-Koordinatenposition wiederholt, bis das gesamte Bild belichtet worden ist (Schritt 628, 630). Es wird angemerkt, dass das Belichtungsmuster, obgleich eine rechteckige Matrix von Ausleuchtzonen veranschaulicht ist, nicht rechteckig zu sein braucht und dass die Ausleuchtzonen nicht rechteckig und/oder nicht zusammenhängend miteinander sein können, falls die Anwendung diese Eigenschaften erfordert. Diesbezüglich sind die Struktur und das Verfahren der Erfindung sehr flexibel.
Die für die LCD 68 erzeugten Daten sind typisch eine Rasterbilddatei. Beispielsweise ist ein Beispiel der Daten, die ein Beugungsgitter auf der Oberfläche des Endhologramms erzeugen, eine graphische Darstellung der Streifenstruktur eines Beugungsgitters, die als eine Windows-BMP-Datei (Windows-Bitmapdatei) oder als irgendein anderes Dateiformat, gleich ob genormt oder nicht, gesichert worden ist, solange sie auf der LCD angezeigt werden kann.
8 veranschaulicht einen Bildabschnitt für eine Prozedur des Standes der Technik zum Erzeugen eines Hologramms. Aus diesem Diagramm ist klar, dass die erfindungsgemäße Struktur und das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zu anderen möglichen Strukturen und Verfahren einen grundlegend anderen Zugang schaffen. 8 zeigt eine Ausgabe mit einer makroskopischen Gesamterscheinung, die ähnlich der Ausgabe ist, die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung in 6a erzeugt wird, wobei sie sich aber sowohl auf mikroskopischer als auch auf makroskopischer Ebene tatsächlich auf erhebliche Weise unterscheiden.
In den herkömmlichen Verfahren und Vorrichtungen wird jeder Bereich der holographischen Ausgabe durch die Belichtung eines Bereichs 801 auf dem Photorezeptor wie etwa einem wie in den 8a und 8b veranschaulichten Photoresistmaterial gebildet. Das Laserlicht und die Datenmuster für die Belichtung werden auf dem Photorezeptor dadurch gebildet, dass zwei schmale Laserstrahlen mit Gaußschem Intensitätsprofil auf die Oberfläche fokussiert werden. Das Interfe renzstreifenmuster wird durch Interferenz der zwei überlappenden Strahlen gebildet. Da es keinen Mechanismus gibt, um irgendetwas Komplizierteres als den Punkt abzubilden, der als ein Gaußscher Strahl belichtet wird, können mit Ausnahme des Streifenmusters selbst keine mikroskopischen Daten aufgezeichnet werden. Zum Vergleich schaffen die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren Mittel, um zu jedem Belichtungsbereich mikroskopische oder andere Graphiken hinzuzufügen und irgendeine Anzahl von Gittern unter beliebigen Winkeln und mit räumlichen Frequenzen in der gleichen Fläche oder in verschiedenen Flächen der Belichtungsausleuchtzone gleichzeitig zu belichten und so den Inhalt jedes belichteten Bereichs auf sehr gesteuerte und flexible Weise zu steuern.
In der vorhandenen herkömmlichen Vorrichtung und in den vorhandenen herkömmlichen Verfahren ist der Anwender auf einen einzigen Gitterabstand oder auf eine feste Anzahl von Gitterabständen beschränkt. Unter ihren zahlreichen Vorteilen schaffen die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren einen stufenlos änderbaren Gitterabstand.
Obgleich einige Verfahren des Standes die Verwendung eines Drehturms vorsehen, der mehrere verschiedene Beugungsgitter hält, ist die Anzahl der Gitter durch den physikalischen Platz beschränkt, wobei die Fähigkeit zum Aufrechterhalten der optischen Ausrichtung gefährdet wird, während die physikalische Größe des Turms erhöht wird, um eine größere Anzahl von Gittern unterzubringen. Somit ist die Anzahl der Gitter, die unter Verwendung herkömmlicher Techniken implementiert werden könnten, erfahrungsgemäß stark beschränkt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine fast unendliche Anzahl von LCD-Bildern zur Verwendung als Gitter (die lediglich durch die LCD-Quantisierung und durch die Gesamtgröße der LCD und der Linsen beschränkt ist), so dass nicht wie in herkömmlichen Systemen angehalten zu werden braucht, um den Turm zu drehen, um verschiedene Gitter zu erhalten.
In diesen herkömmlichen Systemen sind die Orientierung und die Frequenz der Interferenzstreifen, die in jedem Belichtungsbereich 801 vorhanden sind (siehe 8), durch die Phasendifferenz der interferierenden Strahlen bestimmt und nicht leicht zu steuern. Diese Vorrichtungen des Standes der Technik stützen sich entweder auf ein festes Streifenmuster oder auf physikalische Änderungen (z. B. mechanische Modifizierungen) an dem optischen System, um den Abstand oder die Orientierung des Ausgangsinterferenzmusters zu ändern. Diese Vorrich tung des Standes der Technik kann bestenfalls Mittel zum Drehen des Strahlteilers, der für das Erzeugen des Referenz- und des Datenstrahls verantwortlich ist, und/oder zum Ändern der Weg/Phasen-Differenz zwischen den Strahlen bereitstellen, um den Streifenabstand und die Winkelorientierung zu beeinflussen. Herkömmliche Systeme stellen keine Mittel bereit, um die Punktgröße zu ändern, so dass die Ausleuchtzone in der Ausgangsbrennebene geändert werden kann. Schließlich ist nicht bekannt, dass herkömmliche Vorrichtungen irgendwelche Mittel zur Formung des Ausgangspunkts in der Ausgangsbrennebene bereitstellen, wobei die Ausgangsausleuchtzone lediglich auf kreisförmige Punkte mit Durchmessern so klein wie etwa 1/400 Zoll (etwa 0,0025 Zoll) begrenzt ist, wie sie in 8d veranschaulicht sind.
Selbst wenn herkömmliche Systeme modifiziert wurden, um die Fähigkeit hinzuzufügen, das optische System mechanisch zu ändern, um die Streifenorientierung, den Streifenabstand, die Punktgröße und die Punktform (falls mit herkömmlicher Gaußscher Strahlform möglich) zu ändern, verlangsamen diese Hinzufügungen während der mechanischen Änderung notwendig den Belichtungszyklus und verringern die Systemstabilität, da die Komponenten nicht fest in einer stabilen Konfiguration angebracht werden können. Außerdem sind sie anfällig für mechanische Schwingung und/oder Fehlausrichtung.
Selbst wenn kreisförmige Belichtungsbereiche (z. B. 804, 806, 808) in der Weise gerichtet werden, dass sie an ihren Tangentenpunkten angrenzen, füllen sie außerdem den Raum nicht vollständig, sondern lassen Bereiche wie etwa die Bereiche 810 (siehe 8d) ohne Belichtung. Da einzelne Belichtungsbereiche möglicherweise keine eindeutigen Umrisse haben, besitzt das Endbild gezackte oder gepixelte Ränder 811. Die schwarzen Flächen in 8 enthalten die großen Belichtungen von Schwarz, die die allgemein kreisförmige Fläche umgeben, wobei die schwarzen sternförmigen Flächen zwischen den Belichtungskreisen nicht belichtet zu werden brauchen.
In diesen herkömmlichen Systemen muss der Belichtungsprozess angehalten werden, wenn eine Änderung der optischen Eigenschaften (z. B. eine Änderung der Streifenfrequenz) erforderlich ist, wodurch der Belichtungsprozess verlangsamt wird, oder müssen alle Bereiche mit den gleichen Streifeneigenschaften belichtet werden (wobei verschiedene Bereiche übersprungen werden), woraufhin der Prozess für Bereiche, die verschiedene Eigenschaften erfordern, wiederholt wird. Die vorliegende Erfindung löst das Problem in diesen herkömmli chen Systemen eindeutig.
Obgleich mehrere Ausführungsformen beschrieben worden sind, die zur Anzeige der Daten eine Flüssigkristallanzeige (LCD) verwenden, die das Licht wie beschrieben beugt, ist für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet im Licht der Beschreibung klar, dass die LCD eine von mehreren Vorrichtungen ist, die Mittel zum Angeben oder Anzeigen von Informationen mit einer hohen Auflösung und in einem kleinen Format bereitstellen und die ferner Mittel zum schnellen Ändern des Informationsinhalts dieser Anzeige ohne physikalische Bewegung der Vorrichtung, anderer Komponenten des optischen Systems zum Erreichen der Bewegung oder der Informationen, die die Medien selbst enthalten, bereitstellen. Es können andere Typen von Datenanzeigen wie etwa Mikrospiegelvorrichtungen, die bei geeigneter Faltung des Optiksystems in einer Reflexionsbetriebsart arbeiten, und andere räumliche Lichtmodulatoren wie etwa der von der General Electric Corporation hergestellte räumliche Lichtventil-Lichtmodulator verwendet werden.
Außerdem könnten mehrere LCD-Anzeigen verwendet und optisch in der Brennebene 80 kombiniert werden, um das gesamte Bild eher gleichzeitig als aufeinander folgend oder in Abschnitten aufzubauen. Beispielsweise könnten vier LCDs gleichzeitig aufgestellt und verwendet werden. Sie könnten entweder eingestellt werden, um angrenzende Bereiche abzubilden, oder versetzt sein; der Schritt und die Wiederholung würden dementsprechend eingestellt.
Anhand von 9 werden nun weitere Merkmale der erfindungsgemäßen Struktur und des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Der aus mehreren Bereichen gebildete Überbereich entspricht einem Teil einer vollen LCD-Anzeige, während jeder getrennte Bereich (z. B. der Bereich 920) 1/4 der linearen Abmessung oder 1/16 der Fläche oder der Gesamtzahl der Pixel der gesamten LCD-Anzeige entspricht. Dies demonstriert die hohe Flexibilität der Erfindung, in der in einer einzigen Belichtung Bereiche des Endbilds erzeugt werden können, die eine Vielzahl an räumlichen Frequenzen, Gesamtformen, Mehrrichtungsstreifen und mikroskopischen Graphik- oder Textstrukturen enthalten. Auf ähnliche Weise können andere beliebige Anzahlen von Bereichen gemeinsam abgebildet und gleichzeitig belichtet werden.
Zum Beispiel ist in 9 im linken oberen Bereich der LCD 68 ein großer Textbuchstabe T veranschaulicht. Der Schirm ist in 16 Bereiche unterteilt, die jeweils verschiedene Daten einschließlich verschiedener Streifen anzeigen. Das T ist vier Bereichen 920, 921, 922, 923 überlagert. Das T ist mit einer räumlichen Frequenz angezeigt, die verschieden von den räumlichen Frequenzen der anderen Bereiche 920, 921, 922, 923 ist, über denen es liegt oder in denen es enthalten ist. Das T ist mit einer anderen räumlichen Frequenz und in einem anderen räumlichen Winkelbereich als der umgebende Bereich gebildet und wird somit in einen anderen Winkel und/oder in eine andere radiale Achsenentfernung als die anderen Bereiche 920, 921, 922, 923 gebeugt.
Die gesamte Ausleuchtzone für die aus 9 erzeugte Belichtung beträgt in dem beispielhaften System 1/200 Zoll, was eine Fülle von Bildinformationen mit einer wesentlich feineren effektiven Auflösung liefert, die durch herkömmliche holographische Systeme, bei denen jeder Belichtungsbereich ein undifferenzierter Punkt ähnlicher Größe ist, eindeutig unerreichbar ist. Obgleich denkbar ist, dass ähnliche Bilder unter Verwendung von Elektronenstrahlsystemen oder durch andere Systeme erzeugt werden könnten, falls die Ausrichtung genau genug gehalten werden könnte, um wesentlich kleinere Brennpunkte zu ermöglichen, wäre das Erstere auf die einzelne Abtastung jedes Streifens in der Endbildfläche beschränkt, während das Letztere Hunderte von Punkten belichten müsste, um eine Belichtung zusammenzusetzen, die ähnlich der ist, die in dem beispielhaften System in einem Sekundenbruchteil erzeugt wird.
In Bezug auf die Dreieckflächen 927, 928, 929 sind die Bildelemente nicht auf irgendeine besondere geometrische Form beschränkt und z. B. nicht auf quadratische oder rechteckige Bereiche beschränkt. Die Bereiche können rechteckig, sechseckig, dreieckig, kreisförmig sein oder eine vollständig beliebige Form haben, solange die Fläche durch die Verteilung von Pixelniveaus, die auf der LCD-Pixelmatrix angezeigt werden können, definiert werden kann.
Der LCD-Schirm kann entweder unterteilt sein oder alternativ als Unterteilung einer größeren Bildfläche verwendet werden, die größer als die Ausleuchtzone des Systems ist. Der Begriff Ausleuchtzone bezieht sich auf die gesamte Belichtungsfläche auf der Photorezeptorplatte 81 für jede Belichtung und ist verschieden von dem Begriff "Pixel", der sich auf ein adressierbares Element der LCD bezieht. Die Ausleuchtzone ist die gesamte genutzte LCD-Fläche, wie sie auf das Photoresistmaterial 81 neu abgebildet und verkleinert worden ist.
Obgleich die in 1 veranschaulichte Ausführungsform der Erfindung ausführlich beschrieben worden ist, können zur Verwirklichung der erfindungsgemäßen Struktur und des erfindungsgemäßen Verfahrens außerdem verschiedene alternative Ausführungsformen implementiert werden.
Zum Beispiel ist in 10 eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, die abgesehen davon, dass die Belichtungen auf dem lichtempfindlichen Material 81 durch Beiträge von dem nicht gebeugten Strahl 70 nullter Ordnung (0-ter Ordnung) und von einem der gebeugten Strahlen 72a, 72b erfolgen, ähnlich der bereits beschriebenen Ausführungsform ist. Die anderen gebeugten Strahlen werden durch eine etwas andere Öffnung oder Maske 76b blockiert, die alle Frequenzen mit Ausnahme von 70 und 72a (oder 72b) blockiert.
Diese zweite alternative Ausführungsform unterscheidet sich von der in Bezug auf die Ausführungsform in 1 beschriebenen, da die in der Photorezeptorebene 80 erzeugten Interferenzstreifen durch Interferenz zwischen dem 0-ten (nicht gebeugten) Strahl und einem anderen gebeugten Strahl 72a erzeugt werden. Da die Winkeldifferenz zwischen dem 0-ten und dem +1-ten oder dem –1-ten Strahl 1/2 des Winkels zwischen dem Strahl +1 und dem Strahl –1 ist, ist die Spektralfrequenz der Finger 1/2 der Frequenz, die durch die Ausführungsform in 1 geliefert wird.
11 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit ähnlichen Eigenschaften wie die in 1 gezeigte Ausführungsform, die aber keine getrennte Kondensorlinse 56 besitzt, die zwischen der räumlichen Filterbaueinheit 54 und der Flüssigkristallanzeige 68 liegt. In dieser Konfiguration ist innerhalb der LCD-Struktur 68 eine Struktur erzeugt, die analog einer Kineform oder einer Gaborschen Zonenplatte ist, die effektiv eine Kondensorlinse bildet, die den sich erweiternden Strahl 55 von der räumlichen Filterbaueinheit refokussiert, so dass die zwei Strahlen zu einem Brennpunkt bei der Linse 78 divergieren. Die in der LCD angezeigte Kineform beugt und fokussiert den Strahl gleichzeitig auf die gleiche Weise wie die getrennte Kondensorlinse 56 und die LCD 68 in der ersten Ausführungsform. Herkömmliche Kineformen sind häufig binär, wobei die Mehrstufen-LCD aber nicht auf eine binäre Kineform beschränkt ist und irgendeines einer Anzahl von Beugungsmustern anzeigen kann. Um das Licht als ein reales Bild von dem gleichen Ort auf der LCD zu zwei verschiedenen Punkten in der Kameralinse 78 zu fokussieren, müssen in der LCD zwei Gitterstrukturen, die das Licht jeweils zu zwei verschiedenen Punkten fokussieren, überlagert sein.
Die Kineform in der LCD 68 kann das Licht auch ohne Verwendung einer zusätzlichen Linse 78 unter dem richtigen Winkel direkt zu der Endplatte fokussieren. Leider sind die in dieser Konfiguration auf der Platte aufgezeichneten räumli chen Frequenzen des Gitters die gleichen oder ein niedriges Vielfaches jener, die in der LCD angezeigt wird, wobei sie bei derzeit verfügbaren LCDs allgemein zu niedrig sind, um als dekorative Gitter verwendet zu werden. Allerdings nimmt die Nützlichkeit dieser Konfiguration zu, während solche LCDs mit höherer Auflösung verfügbar werden.
Für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet ist im Licht der hier dargestellten Offenbarung klar, dass die längs der Signalleitung 23 vom Computer 20 gelieferten Daten je nach den Eigenschaften der Vorrichtung wie etwa den in den 1, 10, 11, 12 und 13 veranschaulichten und beschriebenen Ausführungsformen je nach den Eigenschaften des Optiksystems und der gewünschten Ausgabe verschieden sind. Insbesondere ist klar, dass die an die LCD-Anzeige 68 übermittelten Daten für die in 11 gezeigte Ausführungsform Komponenten zur Erzeugung der gewünschten Kineform-Fokussierungswirkung enthalten, die andernfalls, z. B. in der in 1 veranschaulichten Ausführungsform, bei der bereits eine getrennte Kondensorlinse 56 vorgesehen ist, nicht erforderlich sind. Abgesehen davon, dass die Streifen in den verschiedenen Bereichen des Bildes gekrümmt sind, um das ankommende Licht auf die Linse 78 zu fokussieren, und allgemein zwei Sätze von gekrümmten Streifen enthalten, die überlagert sind, um die zwei Strahlen zu erzeugen, die zum Erzeugen der Endbeugungsstruktur erforderlich sind, sind die auf der LCD angezeigten Daten ähnlich denen, die in dem in 1 veranschaulichten System angezeigt werden.
Wie bereits erwähnt worden ist, hängen die an die LCD gesendeten Daten von der Ausführungsform und von der gewünschten Wirkung ab, wobei die Programmierung für irgendeine der beschriebenen Ausführungsformen aber nicht kompliziert zu sein braucht, um wirksam zu sein. Aus einer festen Menge gewählter Beugungswinkel können einfache, aber visuell dynamische Bilder erzeugt werden. Es wird angemerkt, dass, da das Endbild sowohl in eine Plus- als auch in eine Minus-Beugungsordnung gebeugt wird, 180 diskrete Winkel mit Ein-Grad-Trennungen z. B. in einen Bereich von 360 Grad beugen. Die makroskopische Erscheinung dieser Bilder kann in irgendeinem von mehreren kommerziell verfügbaren Graphikprogrammen wie etwa z. B. Adobe Photo Shop konstruiert werden. Andere Arbeiter auf dem Gebiet haben die Nützlichkeit festgestellt, diese Daten als Entwürfe in einem Palettenbitmapformat zu entwerfen und zu sichern, das die Beugungswinkel als Farben in der Bilddatei codiert. Daraufhin können Standardpalettenersatz- und Drehtechniken verwendet werden, um die kinetische Wirkung des Kippens des Endbeugungsbilds in verschiedene Winkel auf dem Computerbildschirm in der Vorschau anzusehen. Für Ausführungsformen, bei denen zu jeder Belichtungsausleuchtzone mikroskopischer Text oder andere Graphik hinzugefügt werden, können getrennte Dateien, die diese Daten enthalten, erzeugt werden, die ideal kombiniert werden und die Deckung mit den Bilddaten während des Aufzeichnungsprozesses aufrechterhalten.
Außerdem sind Bitmapdateiformate in der bevorzugten Ausführungsform zweckmäßig, um die an die LCD gesendeten Beugungsbilddaten zu speichern. Die Dateien sollten entweder groß genug gemacht werden, um die gesamte Anzeigefläche der LCD abzudecken, während in Bildern, in denen lediglich lineare Gitter gebildet werden, kleinere Abschnitte der Beugungsbilddaten gekachelt werden können, um größere Flächen auf der Anzeige zu bilden, solange die Streifen in Ausrichtung gehalten werden können. Je nach Entwurf werden daraufhin alle Bilddaten oder einige Teile dieser Bilddaten verwendet, um die an die LCD gesendeten Enddaten zusammenzusetzen. Die LCD-Bilddaten können in einer einfachen Basic-Routine oder in Routinen in irgendeiner anderen Programmiersprache, die für jedes Pixel den Sinus des Versatzes zu der Abtastlinie berechnet, erzeugt werden, wobei für den Neigungswinkel für die Streifen in jeder Datei Einstellungen vorgenommen werden.
Die Computer, die entweder für die Programmierung oder für die Datenerzeugung und als Schnittstelle mit der LCD-Anzeige, die die LCD-Anzeigesteuereinheit enthält, verwendet werden, können irgendwelche üblicherweise verfügbare mikroprozessorgestützte Computer wie etwa jene, die von IBM, Apple, Sun, der Digital Equipment Corporation und dergleichen hergestellt werden, sein. Sie enthalten typisch einen 386, 486, 586, Pentium, PentiumPro oder gleichwertige oder höhere Mikroprozessoren.
Die in 12 veranschaulichte vierte Ausführungsform besitzt einen Drehservo 58 mit einem angebrachten Gitter 60, wobei das erfindungsgemäße System Mittel zum Erweitern des Strahls enthält, um eine große Fläche auf dem Gitter 60 abzudecken, so dass er durch eine Maske 76 geht, und um den Strahl zu der Kameralinse 78 zu fokussieren. Herkömmliche Systeme nehmen lediglich einen unaufbereiteten Strahl von dem Laser, richten ihn durch ein Beugungsgitter und drehen oder rotieren das Beugungsgitter daraufhin, um zu veranlassen, dass sich die Strahlen auf der Kameralinse 78 hin und her bewegen. Die Linse 78 wird als eine Kameralinse bezeichnet, da für diesen Zweck eine herkömmliche Kamera linse geeignet ist, obgleich ein holographisches optisches Element oder viele andere herkömmliche Linsenanordnungen für diese Aufgabe ebenso geeignet sind. Die Linse 56 wird wegen ihres Funktionszwecks in dem System als eine Kondensorlinse bezeichnet, braucht aber keine herkömmliche Kondensorlinse zu sein.
Die erfindungsgemäße Struktur schafft Mittel, um die in der Öffnung der LCD 68 gelieferten Informationen zu variieren, und schafft die Fähigkeit, den Endstreifenwinkel typisch gemäß Computervertrag über den Servo beliebig abzuändern, und schafft zusätzliche Merkmale wie etwa das Aufzeichnen von Text- und Graphikelementen in jeder Belichtung. Außerdem schafft die erfindungsgemäße Vorrichtung Mittel, um Abschnitte jeder Ausleuchtzone zu maskieren und bei Bedarf die Form jeder Ausleuchtzone einzeln zu ändern. Die Vorteile dieser Struktur und dieses Verfahrens umfassen die verhältnismäßige Leichtigkeit der Programmierung der an das LCD-System gesendeten Daten, die lediglich Gesamtmerkmale des Endbilds in Bezug auf die Streifenstruktur enthalten, da durch die LCD, die in dieser Ausführungsform lediglich als eine Maske wirkt, keine Streifen erzeugt oder angezeigt zu werden brauchen.
In 13 ist eine fünfte Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Diese Vorrichtung repräsentiert eine Modifikation der bereits in 11 veranschaulichten und beschriebenen Ausführungsform; allerdings sind die Eigenschaften einiger Optikkomponenten und ihre Anordnung in dem optischen Weg geändert worden, um die nun beschriebenen besonderen Vorteile zu erreichen.
In dieser fünften Ausführungsform gibt es eine eineindeutige Entsprechung zwischen den Pixeln der LCD und den in dem Endhologramm belichteten Pixeln. Insbesondere ist die Kondensorlinse 56 so ausgewählt, dass sie den sich erweiternden Laserstrahl von der räumlichen Filterbaueinheit 54 unterbricht und diesen unterbrochenen Strahl in einem konvergierenden Weg zu einem drehend angebrachten Beugungsgitter 60 umleitet. Das Beugungsgitter 60 ist drehbar, um besondere Beugungswinkel in dem Endbild auszuwählen. Diese Auswahl wird dadurch ausgeführt, dass durch "Öffnen" (d. h. durchsichtig machen) aller Pixel in dem Ausleuchtzonenabschnitt des Endbilds, die gemäß Entwurf erforderlich sind, um in eine erste Orientierung zu beugen, und durch Ausrichten des Beugungsgitters 68, um es an diese erste Orientierung anzupassen, eine Bildstruktur innerhalb der LCD 68 erzeugt wird. Auf diese Weise wird das lichtempfindliche Material 81 in der Brennebene 80 (oder der Ausleuchtzonenbereich) belichtet, so dass alle Informationen in einem besonderen Beugungsgitterwinkel gleichzeitig belichtet wer den, woraufhin durch Drehen des Beugungsgitters 60 in diese anderen Orientierungen, Öffnen der Bereiche der LCD, für die die Belichtung in die anderen Bereiche gewünscht ist, und Belichten dieser anderen Orientierungen während nachfolgender Belichtungen andere Orientierungen ausgewählt werden. Falls gemäß dem Entwurf des Endhologramms ein größeres Bild als die fokussierte Größe der LCD auf der Endplatte gefordert ist, wird die Platte daraufhin unter Verwendung eines XY-Transports zu dem nächsten Belichtungsbereich bewegt und der Prozess wiederholt, bis das gesamte Bild belichtet worden ist.
Außerdem besitzt der Betrieb dieser fünften Ausführungsform einige andere Eigenschaften als der Betrieb der bereits beschriebenen anderen Ausführungsformen. Die Vergrößerung der Linse 78 bestimmt die Belichtungsfläche, die je nach der in dem Endbild gewünschten Schrittweite so groß wie oder größer als die LCD selbst sein kann, auf der Endplatte. Im Betrieb werden alle Pixel, die unter einem Beugungsgitterwinkel belichtet werden sollen, durchsichtig gemacht, wird der Verschluss 52 geöffnet, wird eine Belichtung vorgenommen, wird der Verschluss geschlossen, wird die Winkelorientierung für das Drehgitter geändert und werden die gleichen oder andere Pixel, bei denen die Belichtung unter einem anderen Gitterwinkel gewünscht ist, durchsichtig gemacht und wird eine nachfolgende Belichtung vorgenommen. Falls in dem Endbild 180 verschiedene Winkel gewünscht sind, belichtet die Prozedur in 180 getrennten, sich räumlich überlappenden oder diskreten Belichtungen das gesamte 640 × 480-LCD-Anzeigemuster (oder irgendeinen Abschnitt davon). Mit Ausnahme der auf dem Schirm angezeigten Gesamtpixelmuster sind keine mikroskopischen Graphik- oder Textdaten in dem Endbild möglich, wobei aber Belichtungen großer Flächen undifferenzierter (bis auf den Winkel) Pixel leicht erzeugt werden können. Beispielsweise benötigen herkömmliche Systeme in dem vorangehenden Beispiel für den gleichen Bereich, den diese Ausführungsform in 180 Belichtungen belichten kann, 640 × 480 oder 307.200 Belichtungen.
In den 14A–14E ist eine Computersimulation einer repräsentativen Sicherungsvorrichtung oder Sicherheitskennzeichnung gezeigt, die in Übereinstimmung mit der Erfindung hergestellt wurde. 14 veranschaulicht einen Abschnitt einer gedruckten Währung 501. Die 14B–14E veranschaulichen zunehmend kleinere Abschnitte des Abschnitts 501 in größerer Vergrößerung, so dass in besonderen Bereichen der Währung eine größere Einzelheit zu sehen ist. In 14D ist ein kleiner Abschnitt 504 der Währung 501 veranschaulicht, der einen Hintergrundbereich 506 zeigt, auf dem ein Mikrotext 507 aufgezeichnet ist. Es können weitere Graphik- oder Bildinformationen entweder allein oder zusammen mit Text verwendet werden. Natürlich kann der Test dort, wo er vorgesehen ist, irgendein Alphabet, irgendeine Symbolmenge oder dergleichen sein.
In 14E ist ein vergrößerter Teil 511 der Währung in 14D gezeigt, der zusätzliche Einzelheiten des Mikrodrucktexts (oder einer anderen Graphik) veranschaulicht, die vorzugsweise, aber optional, vorgesehen sind. Jeder der rechteckigen Bereiche (oder der rechteckigen Teilbereiche) 512–520 repräsentiert einen Bereich, der einer LCD-Ausleuchtzone entspricht.
Wie in 14E veranschaulicht ist, kann jede Ausleuchtzone einen oder mehrere Bereiche bereitstellen, die entweder (wie etwa der Bereich 513) keine Streifen besitzen oder eine Kombination von Bereichen mit Streifen unter verschiedenen Winkelorientierungen und/oder verschiedenen Streifenabständen besitzen können. Zum Beispiel sind die Hintergrundstreifen in einem Bereich 516 unter einem ersten Winkel (etwa 135 Grad in der Zeichnung) mit einem Abstand 1/f_B1 orientiert, wobei f_B1 die räumliche Frequenz der Hintergrundstreifen ist. Außerdem ist ein zweiter Textbereich 522 mit Streifen in einer zweiten Orientierung in Bezug auf die erste Menge der Hintergrundstreifen und mit einem Streifenabstand 1/f_T1, wobei f_T1 die räumliche Frequenz der Textstreifen in dem Buchstaben "E" ist, veranschaulicht. Diese Streifen besitzen allgemein abwechselnde helle und dunkle Bänder mit einem Kontinuum von Graustufen des bereits in 4 veranschaulichten Buchstabens, d. h., im Allgemeinen sind sie nicht die in 14E veranschaulichten durchgezogenen schwarzen und weißen Linien. Für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet sind die von dem Interferenzstreifen gezeigten Eigenschaften im Licht dieser Beschreibung klar.
Außerdem ist aus der vergrößerten Ansicht in 14E klar, dass die rechteckigen Bereiche 512–520 ideal als ein Kontinuum in der tatsächlichen Ausgabe (hier der Währungsnote) erscheinen und dass das Aufzeichnen der getrennten Bereiche hier lediglich zur Beschreibung dient. In diesem Licht ist das "E", das in jedem der Bereiche 516 und 518 erscheint, durch die Grenze zwischen diesen zwei Bereichen nicht geteilt. In dem Umfang, dass eine gewisse Fehlausrichtung zwischen den LCD-Belichtungsausleuchtzonen toleriert werden kann, ist die Erfindung nicht so zu verstehen, dass sie lediglich Ausführungsformen erfasst, in denen eine ideale Ausleuchtzonenangrenzung realisiert ist.
Die Streifen in der Währung führen zur Beugung von Licht, wobei der Winkel, unter dem die Beugung auftritt, von dem Streifenabstand, von der Orientierung der Streifen in Bezug auf die Platte in der Ausgangsebene und von der Wellenlänge des auftreffenden Lichts, das durch die Streifen gebeugt wird, abhängt. Somit ist für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet selbstverständlich, dass die Streifen eine Regenbogenwirkung erzeugen, so dass für eine mehrfarbige Beleuchtung (z. B. normales weißes Licht) von den mehreren verschiedenen räumlichen Frequenzen verschiedene Farben ins Auge eines Beobachters (oder in den Sensor eines Instruments) geleitet werden, wobei der Regenbogen der Farben weiterhin dazu neigt, sich zu verschieben, während die Währungsnote am Auge des Beobachters vorbei bewegt oder gedreht wird. Diese Beugungselemente liefern die charakteristische Beugungsregenbogenwirkung.
Die Verwendung dieser Beugungselemente, von eingebettetem Mikrotext oder von Mikrographik sowie von weiteren hier beschriebenen Merkmalen schließt die Aufnahme anderer charakteristischer Merkmale wie etwa speziell formulierter und/oder gefärbter Tinten oder Farben, einer Magnetcodierung, von Papieren oder anderen Substraten, Wasserzeichen, auf die Oberfläche der Währungsnote aufgetragener Beugungsfolien oder Kombinationen dieser und anderer Merkmale nicht aus. Selbstverständlich dient das Beispiel einer Währungsnote lediglich zur Veranschaulichung der Merkmale, die in ein Dokument oder in einen anderen Gegenstand aufgenommen werden können. Das hier offenbarte Verfahren und die hier offenbarte Vorrichtung sind allgemeiner auf das Aufzeichnen kleiner Merkmale auf einem Substrat anwendbar, wobei die kleinen Merkmale Informationen mit hoher räumlicher Frequenz erfordern oder nutzen, wie sie etwa durch elektromagnetische Interferenzstreifen an vorgegebenen Orten im Raum erreicht werden kann.
Obgleich die vorliegende erfindungsgemäße Struktur und das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren in Bezug auf einige wenige spezifische Ausführungsformen beschrieben worden sind, dient die Beschreibung zur Veranschaulichung der Erfindung und ist nicht so zu verstehen, dass sie die Erfindung beschränkt. Dem Fachmann auf dem Gebiet können verschiedene Modifizierungen einfallen, ohne von dem wahren Erfindungsgedanken und Umfang der Erfindung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind, abzuweichen. Alle hier zitierten Literaturhinweise sind hiermit durch Literaturhinweis eingefügt.

Claims

Vorrichtung (15) zum Erzeugen einer Aufzeichnung, die umfasst: ein Beugungselement (68), das gleichzeitig mehrere Lichtstrahlen (59) erzeugt, wenn es durch einen auftreffenden Lichtstrahl (57) beleuchtet wird, wobei die mehreren Lichtstrahlen (59) wenigstens einen gebeugten Lichtstrahl (72a) und einen zweiten Lichtstrahl, der entweder ein anderer gebeugter Lichtstrahl (72b) oder ein nicht gebeugter Lichtstrahl (70) ist, umfassen; und ein optisches System (76, 78), das den wenigstens einen gebeugten Lichtstrahl (72a) und den zweiten Lichtstrahl empfängt, wenigstens einen Teil des einen gebeugten Lichtstrahls (72a) so lenkt, dass er mit wenigstens einem Teil des zweiten Strahls in einer Aufzeichnungsebene (80) räumlich überlappt, wobei ein reales Bild wenigstens eines Bereichs des Beugungselements (68) an der Aufzeichnungsebene (80) gebildet wird und Interferenzstreifen als Folge einer physikalischen Welleninterferenz der räumlich überlappenden Strahlen (72a, 72b) in dem realen Bild wenigstens eines Bereichs des Beugungselements (68) an der Aufzeichnungsebene (80) erzeugt werden; dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungselement (68) eine Anzeigevorrichtung aufweist, die mehrere Datenwerte in einer zweidimensionalen räumlichen Matrix angibt, wobei jeder Datenwert eine optische Eigenschaft der Anzeigevorrichtung an einem Matrixort innerhalb der zweidimensionalen räumlichen Matrix definiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner umfasst: ein Maskenfilter, das die mehreren Lichtstrahlen, die durch das Beugungselement erzeugt werden, empfängt und ein erstes Vorgegebenes oder erste Vorgegebene der mehreren Lichtstrahlen wahlweise durchlässt und ein zweites Vorgegebenes oder zweite Vorgegebene der mehreren Lichtstrahlen wahlweise blockiert.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Maskenfilter einen nicht gebeugten Strahl nullter Ordnung und einen gebeugten Strahl erster Ordnung wahlweise durchlässt und bei der die Interferenzstreifen durch Überlappen des nicht gebeugten Strahls nullter Ordnung und des gebeugten Strahls erster Ordnung erzeugt werden, wobei eine räumliche Frequenz der Interferenzstreifen mit einer relativen Phasendifferenz zwischen den überlappenden Strahlen nullter Ordnung und erster Ordnung in Beziehung stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der das Maskenfilter einen gebeugten Strahl positiver erster Ordnung und einen gebeugten Strahl negativer erster Ordnung wahlweise durchlässt und bei der die Interferenzstreifen durch Überlappen des gebeugten Strahls negativer erster Ordnung und des gebeugten Strahls positiver erster Ordnung erzeugt werden, wobei eine räumliche Frequenz der Interferenzstreifen mit einer relativen Phasendifferenz zwischen den überlappenden Strahlen des gebeugten Strahls negativer erster Ordnung und des gebeugten Strahls positiver erster Ordnung in Beziehung steht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Beugungselement ferner umfasst: ein Beugungsgitter, das eine räumliche Gitterfrequenz besitzt, wobei das Beugungsgitter die mehreren gebeugten Strahlen erzeugt, wenn es durch den auftreffenden Lichtstrahl beleuchtet wird, wobei die mehreren gebeugten Strahlen wenigstens den gebeugten Lichtstrahl und den zweiten Lichtstrahl enthalten; und wobei die Anzeigevorrichtung die mehreren Datenwerte in der zweidimensionalen räumlichen Matrix darstellt, um einen maskierten ersten Bereich, der im Wesentlichen für das auf ihn auftreffende Licht undurchlässig ist, und einen nicht maskierten zweiten Bereich, der für das auf ihn auftreffende Licht im Wesentlichen durchlässig ist, zu definieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Anzeigevorrichtung eine Flüssigkristallanzeige umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Anzeigevorrichtung einen räumlichen Lichtmodulator umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Anzeigevorrichtung einen reflektierenden Mikrospiegel umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Beugungselement ferner umfasst: eine Flüssigkristallanzeige, die gleichzeitig die mehreren Lichtstrahlen erzeugt, wenn sie durch den auftreffenden Lichtstrahl beleuchtet wird, wobei die mehreren Lichtstrahlen den wenigstens einen gebeugten Lichtstrahl und den zweiten Lichtstrahl, der entweder der andere gebeugte Lichtstrahl oder der nicht gebeugte Lichtstrahl ist, umfassen, wobei die Flüssigkristallanzeige die mehreren Datenwerte in der zweidimensionalen räumlichen Matrix angibt, wobei jeder Datenwert die optische Eigenschaft der Flüssigkristallanzeige an dem Matrixort innerhalb der zweidimensionalen räumlichen Matrix definiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Beu gungselement ferner umfasst: einen räumlichen Lichtmodulator, der gleichzeitig die mehreren Lichtstrahlen erzeugt, wenn er durch den auftreffenden Lichtstrahl beleuchtet wird, wobei die mehreren Lichtstrahlen den wenigstens einen gebeugten Lichtstrahl und den zweiten Lichtstrahl, der entweder der andere gebeugte Lichtstrahl oder der nicht gebeugte Lichtstrahl ist, umfassen, wobei der räumliche Lichtmodulator die mehreren Datenwerte in der zweidimensionalen räumlichen Matrix angibt, wobei jeder Datenwert die optische Eigenschaft des räumlichen Lichtmodulators an dem Matrixort innerhalb der zweidimensionalen räumlichen Matrix definiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Beugungselement ferner umfasst: eine Matrix aus reflektierenden Mikrospiegeln, die gleichzeitig die mehreren Lichtstrahlen erzeugt, wenn sie durch den auftreffenden Lichtstrahl beleuchtet wird, wobei die mehreren Lichtstrahlen den wenigstens einen gebeugten Lichtstrahl und den zweiten Lichtstrahl, der entweder der andere gebeugte Lichtstrahl oder der nicht gebeugte Lichtstrahl ist, umfassen, wobei die Matrix aus reflektierenden Mikrospiegeln die mehreren Datenwerte in der zweidimensionalen räumlichen Matrix angibt, wobei jeder Datenwert die optische Eigenschaft der Matrix aus reflektierenden Mikrospiegeln an dem Matrixort innerhalb der zweidimensionalen räumlichen Matrix definiert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die optische Eigenschaft der Anzeigevorrichtung aus der Gruppe gewählt ist, die aus einer optischen Dichte, einer optischen Phase, einer optischen Polarisationsänderung und Kombinationen hiervon besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Licht polarisiertes Licht ist und bei der die optische Eigenschaft eine Drehung der optischen Polarisation umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner umfaßt: eine Translationsbühne, die in zwei Achsen beweglich ist und eine Ebene besitzt, die parallel zu der Aufzeichnungsebene ausgerichtet ist; Mittel zum Bewegen längs der ersten Achse, die mit der Bühne gekoppelt sind, um die Bühne in einer ersten Richtung anzutreiben; Mittel zum Bewegen längs einer zweiten Achse, die mit der Bühne gekoppelt sind, um die Bühne in einer zweiten Richtung anzutreiben; und einen Computer zum Steuern der ersten und der zweiten Bewegungsmittel in Übereinstimmung mit vorgegebenen Kriterien.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner umfaßt: Aufzeichnungsmittel zum Aufzeichnen des realen Bildes und der Interferenzstreifen über dem Bereich; und Mittel zum Erzeugen eines zusammengesetzten Bildes, die ein Mosaik aus mehreren aufgezeichneten Interferenzstreifen erzeugen, wobei die Mittel zum Erzeugen eines zusammengesetzten Bildes Zusammensetzungssteuermittel, die die Datenwerte, die an die Anzeigevorrichtung übermittelt werden, dynamisch ändern, und Positionierungsmittel, die den Ort, an dem die Interferenzstreifen aufgezeichnet werden, für verschiedene Mengen der Datenwerte ändern, umfassen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Datenwerte Daten umfassen, die aus der Menge gewählt sind, die aus Daten, die ein Beugungselement angeben, das, wenn es angezeigt wird, eine Winkelabweichung des Lichts zur Folge hat, aus Datenwerten, die ein makroskopisches Bild angeben, aus Datenwerten, die eingebettete Graphiken angeben, aus Datenwerten, die eingebetteten Mikrotext angeben, und aus Kombinationen hiervon besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Anzeigevorrichtung eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung umfasst und die Flüssigkristallanzeigevorrichtung Mittel enthält, die die Datenwerte von einem externen Computer dynamisch empfangen und die angegebenen optischen Eigenschaften in Reaktion auf den Computer in Echtzeit dynamisch ändern, ohne eine physikalische Konfiguration der Vorrichtung zu ändern.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner ein lichtempfindliches Material umfasst, das sich in der Aufzeichnungsebene befindet und für das Licht empfindlich ist, um die Erzeugung eines Bildes zu bewirken, das dem Muster aus hellen und aus dunklen Bereichen entspricht, die durch das Interferenzmuster und das reale Bild erzeugt werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die zweidimensionale Anzeigevorrichtung so konfiguriert ist, dass sie ein mikrographisches Bild anzeigt, das einen nicht beugenden Abschnitt und einen beugenden Abschnitt, der den wenigstens einen gebeugten Strahl erzeugt, besitzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 19, bei der das Beu gungsgitter mit einer räumlichen Gitterfrequenz um eine Drehachse drehbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, bei der die Anzeigevorrichtung so konfiguriert ist, dass sie wenigstens eines von mehreren zweidimensionalen Auswahlbildern als zweidimensionale Matrix anzeigt, wobei die Vorrichtung ferner umfaßt: erste Rotationssteuermittel, die das drehbare Gitter an eine ausgewählte Winkelposition antreiben, die aus mehreren adressierbaren Winkelpositionen ausgewählt ist; zweite Steuermittel, die die Winkelposition des drehbaren Beugungsgitters mit einem Bestimmten der Auswahlbilder koppeln und steuern, so dass das Auswahlbild eine Maske für den selektiven Durchgang und die selektive Belichtung ausgewählter Orientierungen des Beugungsgitters durch die nicht maskierten Bereiche des Auswahlbildes, die auf der Anzeigevorrichtung bei der Ausgangsebene angezeigt werden, bereitstellt; und wobei die Rotationsmittel mit der Flüssigkristallanzeige funktional gekoppelt sind, so dass durch Drehen des Beugungsgitters über mehrere Winkelorientierungen, die den Bestimmten der Auswahlbilder entsprechen, über mehrere Belichtungen hinweg ein zusammengesetztes Ausgangsbild aufgebaut wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Aufzeichnung eine Dokumentauthentifizierungsmerkmal-Aufzeichnung umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der: die Aufzeichnung wenigstens ein holographisches Element, das auf ein Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet wurde, umfasst; die mehreren Lichtstrahlen mehrere kohärente Strahlen von wenigstens einer Strahlungsquelle umfassen; die Vorrichtung ferner eine Steuereinheit umfasst, die die Belichtung des Aufzeichnungsmediums steuert; das Beugungselement mehrere gebeugte Strahlen aus der Strahlung erzeugt; die Anzeigevorrichtung eine Flüssigkristallanzeige (LCD) umfasst, die in einer zweidimensionalen Matrix aus Pixeln einen ersten Bereich, der ein Beugungsunterelement erzeugt, und einen zweiten Bereich, der ein weiteres Unterelement erzeugt und von dem ersten Bereich verschieden ist, gleichzeitig anzeigt; wenigstens zwei der kohärenten Strahlen von der Strahlungsquelle in Richtung auf die LCD gelenkt werden, um den ersten und den zweiten Bereich gleichzeitig räumlich zu überlappen und zu schneiden, wobei der erste Bereich des Beugungsunterelements den Anteil der darauf auftreffenden Strahlung durch Beugung in wenigstens zwei Ausgangsstrahlen unterteilt; wobei das optische System ein optisches Element enthält, das den wenigstens einen Anteil des einen gebeugten kohärenten Strahls so lenkt, dass er als ein reales Bild des Beugungselements mit wenigstens einem Anteil des zweiten Strahls an der Aufzeichnungsebene räumlich überlappt.
Vorrichtung nach Anspruch 23, bei der: der zweite Bereich ein Unterelement erzeugt, das ein alphanumerisches Zeichen umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 23, bei der: der zweite Bereich ein Unterelement erzeugt, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus einem alphabetischen Zeichen, einem numerischen Zeichen, einem geometrischen Symbol, einem graphischen Symbol, einem Warenzeichen und Kombinationen hiervon besteht.
Verfahren zum Erzeugen eines realen Bildes eines Beugungselements (68) mit überlagerten Interferenzstreifen, die durch das Beugungselement (68) erzeugt werden, wobei das Verfahren umfasst: Beleuchten eines Beugungselements (68) mit einem auftreffenden Lichtstrahl (57), um mehrere Ausgangslichtstrahlen (59) zu erzeugen, wobei die mehreren Ausgangslichtstrahlen (59) wenigstens einen gebeugten Lichtstrahl (72a) und einen zweiten Lichtstrahl umfassen, der entweder ein anderer gebeugter Lichtstrahl (72a) oder ein nicht gebeugter Lichtstrahl (70) ist, Lenken wenigstens eines Anteils des wenigstens einen gebeugten Lichtstrahls (72a), so dass er mit wenigstens einem Anteil des zweiten Strahls in einer Aufzeichnungsebene (80) räumlich überlappt, und gleichzeitig Erzeugen eines realen Bildes wenigstens eines Bereichs des Beugungselements (68) an der Aufzeichnungsebene (80), wobei die räumliche Überlappung der Strahlen als Folge einer physikalischen Welleninterferenz in dem realen Bild wenigstens des Bereichs des Beugungselements (68) an der Aufzeichnungsebene (80) Interferenzstreifen erzeugt, gekennzeichnet durch Vorsehen eines Beugungselements (68), das eine Anzeigevorrichtung enthält, die mehrere Datenwerte in einer zweidimensionalen räumlichen Matrix angibt, wobei jeder Datenwert eine optische Eigenschaft der Anzeigevorrichtung an einem Matrixort innerhalb der zweidimensionalen räumlichen Matrix definiert.
Verfahren nach Anspruch 26, das ferner umfasst: Vorsehen mehrerer Datenwerte für eine zweidimensionale Matrixanzeigevorrichtung in dem Beugungselement, wobei jeder Datenwert eine optische Eigenschaft an einem Matrixort innerhalb der zweidimensionalen Matrixanzeigevorrichtung definiert, wenn die mehreren Datenwerte auf der Anzeigevorrichtung angezeigt werden.
Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, bei der die mehreren Datenwerte einer zweidimensionalen Matrixanzeigevorrichtung des Typs räumlicher Lichtmodulator bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 26 oder Anspruch 27, bei dem die mehreren Datenwerte einer zweidimensionalen Matrixanzeigevorrichtung des Typs reflektierender Mikrospiegel bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, bei dem die mehreren Datenwerte einer zweidimensionalen Matrixanzeigevorrichtung des Flüssigkristalltyps bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 30, das ferner umfasst: Aufzeichnen von Interferenzstreifen auf ein Aufzeichnungsmedium; und mehrfaches Wiederholen der vorangehenden Schritte, um ein Mosaik der Interferenzstreifen auf unterschiedlichen Bereichen des Aufzeichnungsmediums aufzuzeichnen, um darauf ein holographisches Beugungsmuster zu definieren.