10.2.3. Типы голограмм, используемых в дисплеях

10.2.3.1. Классификация

Голограммы можно классифицировать в соответствии со структурой их интерференционных полос, а именно по внутренней морфологии среды для записи голограмм и по конфигурации полос,

созданных оптической системой записи. Классификация по внутренней морфологии среды связана с влиянием ее параметров и приводит к обширным обобщенным категориям поверхностных, объемных, поглощающих (или амплитудных) и фазовых голограмм. Классификация по конфигурации интерференционных полос определяется очертаниями дифракционной картины, а также ее расположением в плоскости записи.

а. Форма полос дифракции в двух измерениях. Голограммы Френеля. Эти голограммы получаются в результате интерференции между опорным пучком и дифракционной картиной ближнего поля объекта (преобразование Френеля). Из каждой точки объекта на голограмму направляется волновой фронт, радиус кривизны которого определяется расстоянием голограммы до объекта. Полученная суперпозиция интерференционных картин напоминает картину, наблюдаемую на зонной пластинке Френеля. Поскольку в каждой точке картины полос наблюдается градиент частоты, разрешение среды для записи голограммы используется не полностью, а из-за искривления полос их нельзя использовать для цветокодирования. При восстановлении приходится применять монохроматические источники света.

Голограммы Фраунгофера. Эти голограммы получаются при интерференции плоского опорного пучка с дифракционными картинами дальнего поля объекта. (Голограммы Фурье представляют собой частный случай голограмм Фраунгофера, когда плоскость записи находится в задней фокальной плоскости записывающей линзы, так что постоянная составляющая находится в начале координат.) Поскольку интерферирующие волновые фронты плоские, полосы представляют собой прямые линии. Это свойство позволяет полностью использовать разрешение среды, а также, как будет показано в разд. 10.2.4, представляет интерес для цветокодирования. Восстанавливающий источник должен быть монохроматическим.

Голограммы сфокусированного изображения. Эти голограммы в зависимости от схемы устройства записи могут быть записаны с прямыми или кривыми фоновыми полосами. Изображение объекта формируется на поверхности голограммы с помощью линзы или другой голограммы; если опорный волновой фронт плоский, то полосы будут искривлены, но если опорный волновой фронт имеет ту же кривизну, что и фоновая составляющая объекта, полосы будут прямыми. Восстанавливающий источник не обязательно должен быть монохроматическим; возможно цветокодирование. В данном случае плотность хранения в среде для записи используется оптимальным образом.

б. Форма полос в трех измерениях. Дальнейшая классификация приводит к тому, что все приведенные выше категории помещаются в группу либо тонких (двумерных), либо толстых (трехмерных, или объемных) голограмм. Это отличие соответствует тому, осуществляется ли модуляция на большое или малое расстояние по сравнению с пространственным периодом решетки. Голограммы Брэгга относятся ко второй категории. Структура полос здесь такова, что они действуют как встроенный узкополосный фильтр и их можно считывать в белом свете. Эффективность на определенной длине волны может быть очень высокой, но яркость цветного изображения, полученная от источника белого света, мала из-за узости полосы пропускания решетки, играющей роль фильтра.

в. Влияние свойств среды для записи голограмм.

ПОГЛОЩАЮЩИЕ СРЕДЫ. Модуляция в голограммах, записанных на поглощающих средах (таких, как фотографические эмульсии), осуществляется за счет поглощения света, причем максимальная дифракционная эффективность таких голограмм менее 10%.

Рис. 3. Дифракционная эффективность в первом порядке для поглощагельной синусоидальной решетки.

На рис. 3 приведена зависимость дифракционной эффективности поглощательной голограммы от глубины модуляции решетки. Поскольку процесс поглощения преобразует свет в тепло, интенсивность падающего света неизбежно ограничивается ростом температуры среды для записи. Поэтому яркость восстановленного изображения ограничена

эффективностью решетки и интенсивностью падающего света, которая зависит от ухудшения качества среды, вызванного повышением температуры.

ФАЗОВЫЕ СРЕДЫ. Фазовые голограммы в принципе прозрачны; модуляция падающего света происходит на локальных разностях фаз. Процесс этот по своей природе более эффективный, чем модуляция поглощением. На рис. 4 показана зависимость дифракционной эффективности в первом порядке от глубины модуляции.

Рис. 4. Дифракционная эффективность синусоидальной фазовой решетки в первом и нулевом порядках.

Поскольку интенсивность восстанавливающего пучка не ограничена преобразованием света в тепло внутри среды, использование фазовых голограмм позволяет добиться при одном и том же увеличении более ярких восстановленных изображений по сравнению с обычной фотопленкой, слайдами или поглощательными голограммами.

Дифракция света на синусоидальной фазовой решетке, обусловленная периодическими изменениями длины оптического пути, может быть связана либо с местными изменениями показателя преломления, либо непосредственно с изменениями длины оптического пути, либо с тем и другим одновременно.

Модуляция показателя преломления. Максимальная теоретическая эффективность как для толстых пропускающих голограмм, так и для толстых отражательных голограмм (Брэгга) равна 100%. Однако в действительности добиться эффективности 100% довольно трудно. Если среда для записи голограмм представляет собой галогенидосеребряный материал (отбеленный), то зернистая структура модулирующих участков рассеивает свет из-за своей дискретности, что влечет за собой некоторое снижение дифракционной эффективности.

Этот эффект можно свести к минимуму, используя тонкие эмульсии типа Eastman Kodak 649F и Agfa - Gevaert 10Е75. Значения экспозиции при длине волны света для первой пленки составляют около а для второй — Максимальное разрешение этих материалов, равное примерно делает их удобными для очень многих голографических применений. После проявления, фиксации и отбеливания в этих материалах возникает не только модуляция показателя преломления, но и небольшой рельеф поверхности. Однако преобладающим модуляционным эффектом остается изменение показателя преломления.

Другим материалом с модуляцией показателя преломления является бихромированная желатина. С помощью специальной обработки на ней можно получить также и поверхностную модуляцию [11].

Для записи трехмерных голограмм обычно используют пять видов материалов: отбеленный галогенид серебра, бихромированную желатину, фотополимеры, фотохромные материалы и сегнетоэлектрики. Голограммы, записанные на любом из этих материалов, имеют ограничения по применению в практических системах отображения. Эти ограничения зависят от чувствительности, длительности хранения изображения [14] и возможности получения копий или от комбинаций этих факторов.

Трехмерные голограммы не приспособлены для копирования: для получения тиража необходимо в достаточном количестве изготовить отдельные голограммы. Это стоит дорого. В зависимости от используемых материалов трехмерные голограммы могут иметь ограниченное время хранения.

Модуляция поверхности. Необходимость получения копий записанных голограмм обычно легко удовлетворяется выбором среды, модуляция в которой главным образом или полностью является свойством поверхности.

Копия рельефа поверхности может быть выполнена гальваническим нанесением никеля (после создания проводящего покрытия на поверхности) толщиной в несколько тысячных долей дюйма (примерно на поверхностную голограмму с последующим отделением голограммы от никеля и использованием никелевой пластины для тиражирования рельефа на кусках пластмассы. Этот процесс

аналогичен процессу производства грампластинок, где модуляция осуществляется канавками, нарезанными на лакированной поверхности. Этот лакированный диск покрывается проводящим покрытием, например серебром из раствора, а затем на него гальваническим путем наносится слой никеля необходимой толщины. Полученная матрица используется для прессовки множества поливиниловых дисков. Копии голограмм, сделанные таким способом, имеют превосходное качество [4].

Существует несколько материалов для записи голограмм с модуляцией поверхности — это галогенидосеребряные эмульсии, бихромированная желатина, фоторезисты, а также многослойные структуры фотопроводник — термопластик. В галогенидосеребряных эмульсиях можно получать модуляцию как в объеме, так и на поверхности; однако поверхностный эффект оказывается более слабым и малопригоден для тиражирования. Голограммы же на бихромированной желатине являются обычно трехмерными; Мейерхофер [11] получил голограммы, использующие поверхностный рельеф с глубиной, пригодной для копирования. При низких частотах профиль решетки близок к прямоугольному. При частоте и экспозиции в случае, когда формируется решетка с дифракционной эффективностью, равной однако с ростом частоты чувствительность в среднем падает и дифракционная эффективность оказывается меньше; например, для получения требуется причем дифракционная эффективность равна всего лишь 2,4%.

Рис. 5. Изменение относительной чувствительности фоторезистора с длиной волны.

Голограммы на структурах термопластик — фотопроводник проявляют поверхностную модуляцию, однако они малопригодны для копирования, и поэтому мы их больше рассматривать не будем.

Очень удобным регистрирующим материалом для копирования голограмм является фоторезист. В частности, позитивный материал имеет низкий уровень шумов, высокое разрешение, хорошую чувствительность и с химической точки зрения пригоден для гальванического нанесения никеля. Шум зернистости и фоторезиста отсутствует, поскольку фоточувствительная реакция

основана на взаимодействии молекулярных доменов (а не на нанесении кристаллов серебра). По той же причине фоторезисты имеют более высокое разрешение, чем галогенидосеребряные эмульсии.

Максимум чувствительности фоторезистов соответствует синему участку спектра (рис. 5). В качестве источника света удобно использовать линию излучения -лазера с длиной волны На этой длине волны чувствительность оказывается равной примерно Можно также использовать линию излучения аргонового лазера с длиной волны но при этом требуется удвоенная экспозиция.

Экспонирование светом приводит к тому, что материал становится более растворимым в проявителе по сравнению с неэкспонированным.

Фоторезисты обычно разрабатываются с целью использования их для селективного маскирования поверхности с последующим травлением. Наклон экспозиционной характеристики при этом должен быть очень большим (аналогично высокому коэффициенту у в случае галогенидосеребряных эмульсий).

Однако в большинстве голографических применений требуется значительно маньший наклон. В конкретных случаях наклон можно регулировать, меняя состав проявителя и подбирая соответствующую экспозицию.

10.2.3.2. Выбор типа голограммы

Согласно критериям, сформулированным в разд. 10.2.2, тип голограммы, выбираемый для дисплея, должен удовлетворять следующим условиям:

1. Источник белого света при эффективной широкополосной фильтрации должен давать яркое изображение в полном цвете. Такому условию удовлетворяют голограммы сфокусированного изображения, позволяющие получать интерференционную картину с прямыми полосами [см. пп. Выбранная голограмма может быть либо позитивной, т. е. использующей для формирования изображения первый дифракционный порядок, либо негативной, или использующей нулевой дифракционный порядок.

2. Изготовление копий длительного пользования должно быть экономически выгодным. Записанные методом модуляции поверхности голограммы сфокусированного изображения позволяют изготовлять копии с помощью прессовки.

3. Плотность хранения информации должна быть высокой. Применение высокоразрешающего фоторезиста позволяет записать дифракционную картину с очень высокой пространственной частотой полос — порядка и выше.

4. Стоимость копий должна быть невысокой. Дешевые копии (примерно в 100 раз дешевле копий цветных фильмов) получаются благодаря невысокой стоимости процессов прессовки и обработки,

чего не скажешь о галогенидосеребряных материалах. Химическая обработка галогенидосеребряных материалов состоит из пяти этапов и по крайней мере из четырех влажных процессов: проявление, мойка, фиксация, снова мойка и нейтрализация, а также сушка (при отбеливании требуется большее количество процедур). Простой является обработка фоторезистов; здесь используются три процесса, два из которых относятся к влажным процессам: проявление, мойка и сушка. Полное время обработки фоторезиста незначительно. Время проявления составляет примерно 30 с, время мойки — 2 с, а сушка сжатым воздухом длится около 1 с.

Более короткое время обработки фоторезиста частично связано с тем, что желатиновая основа галогенидосеребряного материала и лаковая основа фоторезиста по-разному поглощают воду; первая из них гидрофильна, а вторая — нет.

Материалы, предназначенные для получения отпечатков голограмм прессовкой, должны становиться мягкими при нагревании уже задолго до температуры, при которой происходит их разложение, чтобы избежать необходимости специального контроля за материалом во время производства копий. При температурах и давлениях ниже критических хорошо проявляют себя в роли основ фотопленок прозрачный поливинилкарбазол (ПВК) и поликарбонат.

Полиэфирные фотопленки (такие, как ) практически невозможно использовать для штамповки голограмм, поскольку их температура текучести почти равна температуре разложения материала.

Хотя эти материалы имеют хорошие оптические свойства, необходимо проверить, каковы их прочность, водопоглощение, термостабильность и устойчивость к механическим воздействиям.

Поликарбонатная пленка является очень прочной, весьма незначительно поглощает воду, устойчива к механическим воздействиям и, стало быть, пригодна для прессовки оттисков. Кроме того, по сравнению с ПВК она имеет более широкий температурный диапазон хранения информации.