DE1472067C - Anordnung zur Erzeugung eines HoIo grammes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung eines Hologramms, bei der das Bezugsstrahlenbündel als Kugelwelle von einer punktförmigen Lichtquelle erzeugt wird.

In dem Artikel von E. L e i t h und J. Upatnieks in der Zeitschrift »Journal of the Optical Society of America«, 1964, Bd. 54, S. 1296, F i g. Ic), wird eine derartige holographische Aufzeichnungsanordnung beschrieben, bei der ein lichtdurchlässiges Objekt von dem parallelgemachten Licht eines kohärenten monochromatischen Lichtstrahlenbündels bestrahlt wird. Von dem gleichen Lichtstrahlenbündel wird unter Anwendung einer Linse und eines Prismas ein Bezugsstrahlenbündel erzeugt, das, von seinem Brennpunkt als Quellpunkt einer Kugelwelle ausgehend, den Aufzeichnungsfilm ebenfalls bestrahlt, so daß auf dem Aufzeichnungsfilm die Aufzeichnung der Intensität des Interferenzstrahlungsfeldes erfolgt. Dabei liegt der die punktförmige Quelle des Bezugsstrahlenbündels bildende Brennpunkt des im Bezugsstrahlenbündel verwendeten Strahlenganges seitlich versetzt in etwa in der Mitte zwischen Objekt und Aufzeichnungsfilm.

Eine derartige Aufzeichnungsanordnung ist, wie nachstehend zur Erörterung gelangen wird, nicht optimal den Aufzeichnungseigenschaften (Übertragungsfunktion) eines Aufzeichnungsfilmes angepaßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bessere Anpassung an die Übertragungseigenschaften des Aufzeichnungsfilmes zu gewährleisten und daher eine bessere Auflösung der Einzelheiten eines Objektes in einem erzeugten Bild zu erzielen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die punktförmige Lichtquelle mit Hilfe optischer Elemente aus einem Strahlenbündel so abgeleitet ist, daß sie in der Nähe des Objektes liegt und daß ihr seitlicher Abstand zum Objekt sehr klein ist gegen die Entfernung vom Objekt zur Hologrammebene und daß das von ihr erzeugte Bezugsstrahlenbündel das Objekt selbst nicht durchsetzt.

Die Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren erläutert. Von den Figuren zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten holographischen Systems,

F i g. 2 die Wiedergabe eines Interferenzfeldes der von einem punktförmigen Objekt ausgestrahlten Kugelwellen mit dem ebenen Wellenfeld, wobei als Aufzeichnungsmittel ein der Wellenebene des letzteren paralleler Film vorausgesetzt ist, .

F i g. 3 das bei einer Anordnung gemäß F i g. 2 erhaltene Interferenzbild,

F i g. 4 die Übertragungsfunktion der Aufzeichnung eines periodischen Objektes auf einem Film in Abhängigkeit der Raumfrequenz,

F i g. 5 eine zur Erläuterung von F i g. 4 dienende Darstellung eines Teiles eines Objektes sinusförmiger Helligkeitsverteilung,

F i g. 6 die Wiedergabe eines Interferenzfeldes der von einem punktförmigen Objekt ausgestrahlten Kugel wellen mit dem ebenen Wellenfeld, wobei als Aufzeichnungsmittel, gemäß der vorgenannten Veröffentlichung von Leith/Upatnieks, ein Aufzeichniingsfilm verwendet ist, dessen Ebene unter einem Winkel zu der Wellenebene des ebenen Bezugsstrahlenbündels angeordnet ist,

F i g.' 7 eine zur Erläuterung der Erfindung dienende Darstellung, bei der die das Bezugsstrahlenbündel erzeugende Lichtquelle sich an einer Stelle des scheibenförmigen Objektes befindet, so daß die von dem Objekt ausgehende Kugelwelle und die des Bezugsstrahlenbündels zusammenfallen,

F i g. 8 die schematische Darstellung einer Ausführungsform gemäß der Erfindung, bei der eine den Bezugsstrahl bildende Kugelwelle von einer punktförmigen Lichtquelle in der Objektebene, jedoch im Abstand von dem scheibenförmigen Objekt ausgesendet wird.

ίο In F i g. 1 wird das kohärente Licht einer Lichtquelle in ein Objektstrahlenbündel 12 und ein Bezugsstrahlenbündel 14 durch Anwendung üblicher, nicht dargestellter Mittel aufgespalten. Das Bezugsstrahlenbündel wird um das scheibenförmige Objekt 16 herum-

t5 geleitet, und sowohl das Objektstrahlenbündel als auch das Bezugsstrahlenbündel treffen schließlich auf den Hologrammfilm 18, der ein fotografischer Film sehr hoher Auflösung ist und in üblicher fotografischer Weise entwickelt wird. Zur Erzeugung der beiden Strahlenbündel können auch zwei getrennte Lichtquellen verwendet werden, sofern sie gegenseitig . kohärent „sind. Das Objektstrahlenbündel 12 hat zunächst eine ebene Wellenfront 20. Nach Beugung an dem scheibenförmigen Objekt 16 ergeben sich aus den ebenen Wellenfronten Kugelwellenfronien 22. Das Bezugsstrahlenbündel 14 hat ebene Wellenfronten 24, die mit den sphärischen Wellenfronten 22 unter einem Winkel interferieren, wobei der Winkel angenähert gleich dem Winkel 0· zwischen der Fortpflanzungsrichtung des Objektstrahlenbündels und des Bezugsstrahlenbündels ist.

Bei einer solchen Anordnung ergeben sich gemäß F i g. 2 auf dem Aufzeichnungsfilm 18 Intensitätsmaxima, wenn der Phasenunterschied zwischen" der an der betreffenden Stelle auftreffenden Kugelwelle und dem ebenen Wellenfeld in der Ebene des Aufzeichnungsfilmes das Mehrfache einer vollen Wellenlänge beträgt. An den Zwischenstellen ergeben sich Intensitätsminima. F i g. 2 entspricht im Prinzip dem in der Optik bekannten Vorgang der Fresnel-Zonenkonstruktion. Da die Intensität der den Aufzeichnungsfilm 18 treffenden Kugelwellen mit dem Quadrat der Entfernung von dem punktförmigen Objekt 16 abnimmt, ergibt sich die in F i g. 2 veranschaulichte Intensitäts-Verteilung der zur Aufzeichnung gelangenden Interferenzringe.

Wie F i g. 2 ferner zeigt, ist der Abstand von einem Intensitätsmaximum! zu dem nächstfolgenden Intensitätsmaximum, das reziproke der Raumfrequenz, bei der optischen Achse am größten und nimmt nach den Rändern des Films hin ab.

F i g. 3 zeigt die Wiedergabe eines derartigen Interferenzbildes, wobei die innere sich ergebende Stelle höchster Intensität mit 26 und die aufeinanderfolgenden Interferenzringe mit 30, 32 und 34 bezeichnet sind. In F i g. 5 ist die als sinusförmig angenommene Helligkeitsverteilung eines Bildes dargestellt, deren Maximum mit α in bezug auf ein Grundniveau bezeichnet ist. Die auf das gleiche Niveau bezogene minimale

6o' Amplitude ist mit b bezeichnet. Der Kontrast des,

Bildes ist bestimmt durch das Verhältnis ——-r-.

a + b

Das Bild gemäß F i g. 5 kann auch zur Charakterisierung des Objektes, welches das Bild darstellt, verwendet werden, und der Kontrast des Objektes kann in gleicher Weise durch das Verhältnis
charakterisiert werden. Das Verhältnis des Bildkon-

trastes zu dem Objektkontrast ist im allgemeinen kleiner als 100 %. Dieses prozentuale Verhältnis wird im allgemeinen als Übertragungsfunktion T des Filmes bezeichnet, die in F i g. 4 in Abhängigkeit der Raumfrequenz / aufgezeichnet ist.

Unter der Raumfrequenz / ist hierbei das Reziproke des sich auf dem Film ergebenden Abstandes zweier aufeinanderfolgender aufgezeichneter Intensitätsmaxima zu verstehen. Die Übertragungsfunktion hat für die Raumfrequenz 0 und extrem niedrige Raumfrequenzen den Wert 100% und nimmt bei zunehmenden Raumfrequenzen ab. Bei extrem hohen Raumfrequenzen verschwimmt das wiedergegebene Bild, und die Ubertragungsfrequenz ist 0.

Parallel zu den Prinzipien der Fourier-Analyse werden auch hier negative Raumfrequenzen zugrunde gelegt, und unter diesen Umständen ist die in F i g. 4 dargestellte Übertragungsfunktion symmetrisch.

Verwendet man eine Anordnung nach L e i t h/ Upatnieks, bei der die Wellenebene des ebenen Wellenfeldes einen Winkel zu der Aufzeichnungsebene bildet, so ergeben sich die in F i g. 6 wiedergegebenen Verhältnisse. Es sind in F i g. 6 die in F i g. 2 veranschaulichten Geraden eingezeichnet, die den geometrischen Ort von einem ganzzahligen Mehrfachen der Wellenlänge entsprechenden Wegunterschiede darstellen. Der Schnittpunkt dieser Geraden mit der in F i g. 6 geneigt dargestellten Aufzeichnungsebene 18 ergibt wiederum die Intensitätsmaxima, wobei sich wiederum das höchste Intensitätsmaximum an der Stelle des geringsten Abstandes von dem punktförmigen Objekt 16 ergibt. Es ist hier aber zu beachten, daß in F i g. 6 die Stelle des stärksten Intensitätsmaximums nicht mehr an der Stelle liegt, bei der der Abstand zu den benachbarten Intensitätsmaxima maximal ist.

Dementsprechend wird der Aufzeichnungsfilm, der mit um so höherer Übertragungsfunktion arbeitet, je geringer die Raumfrequenz, d. h. je größer der Abstand von Maximum zu Maximum ist, bei diesem Aufzeichnungssystem nicht optimal ausgenutzt.

Daraus ergibt es sich, daß die Grenzfrequenz der Übertragungsfunktion 44, bei der die Übertragungsfunktion des Filmes verschwindet, in F i g. 6 bereits an Stellen des Übertragungsfilmes 18 liegen, die der Stelle 70 stärkster Intensität verhältnismäßig nahe liegen (Filmbereich oberhalb der Linie 16, 17 in F i g. 6). Andererseits erstreckt sich der Aufnahmefilm in F i g. 6 mit seinem anderen Rand in Gebiete, in denen infolge des verhältnismäßig weiten Abstandes von dem punktförmigen Objekt 16 die Intensität der sich ausbildenden Maxima gering ist, obwohl noch der Abstand von Maximum zu Maximum verhältnismäßig hoch ist.

Würde man nun den durch Fokusierung des parallelen Strahlenganges erzeugten punktförmigen Quellpunkt des Bezugsstrahlenbündels, im Unterschied zu der von Leith/Upatnieks gezeigten Anordnung, wie in F i g.7 dargestellt ist, unmittelbar in das punktförmige Objekt 56 hineinverlegen, so wurden die von der Stelle 54 des Objektes 56 ausgehenden

5 Objektstrahlen und die von der gleichen Stelle 54 erzeugten Bezugsstrahlen ein System konfokaler Kugelwellen bilden und keine Aufzeichnung eines Interferenzsystems auf dem Wiedergabefilm 18 hervorrufen. Außerhalb des Punktes 54 liegende Stellen

ίο des Objektes 56 dagegen bilden mit dem von Punkt 54 ausgehenden Kugelwellensystem des Bezugsstrahlenbündels kein konfokales Kugelwellensystem und liefern daher auf dem Wiedergabefilm ein Interferenzstreifensystem.

Dies ist in F i g. 8 veranschaulicht, wo die Punktquelle des Bezugsstrahlenbündels zwar nahe dem Objekt 56, jedoch seitlich außerhalb desselben liegend dargestellt ist. Ein solcher Punkt erzeugt ein System von Interferenzstreifen annähernd konstanter Raumfrequenz, wobei die Raumfrequenz um so niedriger ist, je näher Objektpunkt und Bezugsstrahlenpunkt zueinander liegen.

Auf dieser Erkenntnis baut die Erfindung auf, die vorsieht, daß die punktförmige Lichtquelle 54 mit— Hilfe optischer Elemente aus einem Strahlenbündel so abgeleitet wird, daß ihr seitlicher Abstand zum Objekt56 sehr klein gegen die Entfernung vom. Objekt zur Hologrammebene ist, wobei das Bezugs-' strahlenbündel, was im Interesse einfacher optischer Verhältnisse wünschenswert ist, das Objekt 56 selbst nicht durchsetzt. . .. ■

Es wird auf Grund der dargelegten Verhältnisse jeder Objektpunkt auf den Aufnahmefilm mit für den Punkt gleicher Übertragungsfunktion des Filmes aufgezeichnet, wobei die Übertragungsfunktion selbst um so besser ist, je näher der aufgezeichnete Punkt dem gewählten Bezugsstrahlenquellpunkt 54 liegt.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Erzeugung eines Hologramms, bei der das Bezugsstrahlenbündel als Kugelwelle von einer punktförmigen Lichtquelle erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die punktförmige Lichtquelle (54) mit Hilfe optischer Elemente aus einem Strahlenbündel so abgeleitet ist, daß sie in der Nähe des Objektes liegt und daß ihr seitlicher Abstand vom Objskt (56) sehr klein ist gegen die Entfernung vom Objekt (56) zur HoIogrammebene (70) und daß das von ihr erzeugte Bezugsstrahlenbündel (52) das Objekt (56) selbst nicht durchsetzt.

2. Anordnung zur Erzeugung eines Hologramms nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die punktförmige Lichtquells (54) mit Hilfe optischer Elemente so abgebildet ist, daß sie mit dem Objekt in einer Ebene liegt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen