DE1572767A1 - Vorrichtung zum Betrachten eines Hologramms mit weissem Licht und Beugungsgitter zur Verwendung in dieser Vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Betrachten eines Hologramms mit einer polychromatischen Strahlungsquelle, die das Hologramm mit einem polychromatischen Strahlungsbündel beleuchtet.

Holographie ist die Technik der Aufzeichnung eines Bildes und der Wiedergabe dieses Bildes in drei Dimensionen. Für eine Beschreibung der Prinzipien der üblichen Holographie sei auf das Buch "An introduction to coherent optics and holography", von G.W. Stroke, Academic Press, 1966 verwiesen. Das Bild wird bekanntlich im allgemeinen mit Hilfe zweier monochromatischer kohärenter Lichtbündel, z.B. Laserbündel, auf einem Diapositiv registriert. Üblicherweise wird das Bild mit Hilfe eines entsprechenden Lasers wiederhergestellt.

Seit kurzem ist man bemüht, solche Bilder mit weißem Licht wiederherzustellen, so dass solche Hologramme wiederhergestellt werden können, ohne dass eine teuere Quelle von monochromatischem kohärentem Licht erforderlich ist. In der einschlägigen Literatur wurden bereits mehrere Verfahren zu diesem Zweck beschrieben, siehe z.B. "Proceedings of the IEEE - Proceedings Letters", April 1966, Seiten 690 - 691; "Physics Letters", 20, 1. März 1966, Seiten 368 - 370; "Applied Physics Letters", 2, 1. September 1966, Seiten 215 - 217. Das Problem, um das es sich bei der Wiederherstellung mit weißem Licht handelt und für das in diesen Artikeln eine Teillösung gegeben wird, besteht darin, dass das Hologramm im Grunde eine komplizierte Form eines Interferenzmusters ist, das während der Wiederherstellung der ursprünglichen Wellenfront als Beugungselement benutzt wird. Infolgedessen ist es naturgemäß stark zerstreuend. Mit anderen Worten, jede Wellenlänge der Strahlung, mit der das Hologramm beleuchtet wird, steht mit dem Hologrammuster in Wechselwirkung und erzeugt dadurch ein Bild, aber all diese Bilder, die durch die verschiedenen Wellenlängen erzeugt werden, befinden sich an verschiedenen Stellen im Raum. Infolgedessen sieht das Gesamtbild verwischt und farbig aus. Die erwähnten Veröffentlichungen, die von der bekannten Technik ausgehen, lösen das Problem dadurch, dass sie in Wirklichkeit mit Hilfe eines im beleuchtenden Bündel angeordneten Filters die Strahlung monochromatisch machen. Beim in der IEEE - Proceedings beschriebenen Verfahren wurde ein sogenanntes Wratten-Filter im weißen Lichtbündel angeordnet, wodurch der größere Teil der Bündelintensität beseitigt wird mit Ausnahme derjenigen, die im Durchlassband des Filters liegt. Wie vom Verfasser angedeutet wurde, ist die Bildhelligkeit höher aber das Auflösungsvermögen geringer, je breiter das Durchlassband des Filters ist. Wurde das Durchlassband enger gemacht, so verbesserte sich die Bildgüte, aber die Helligkeit sank erheblich ab, so dass das Hologramm nur in einem verdunkelten Raum betrachtet werden konnte. Die in den "Applied Physics Letters" und "Physics

Letters" beschriebenen Verfahren arbeiten mit einem eingebauten Interferenzfilter im Hologramm selbst und haben somit der vorstehenden beschriebenen Technik gemeinsam, dass der größere Teil des beleuchtenden Bündels unterdrückt wird, so dass das Bild eine geringe Helligkeit hat.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Hologramm in Wechselwirkung mit dem polychromatischen Bündel mindestens ein zerstreutes gebeugtes Bündel liefert, das Information über das im Hologramm aufgezeichnete Bild enthält, während im Weg des Bündels Mittel vorgesehen sind, um die durch das Hologramm herbeigeführte Dispersion umzukehren, so dass das im Hologramm aufgezeichnete Bild in achromatisierter Form wiederhergestellt werden kann. Sie beruht auf der Erkenntnis, dass die Verwischung beim Betrachten des Hologramms mit weißem Licht die Folge der vom Hologramm herbeigeführten starken Dispersion ist und dass es möglich ist, all diese zerstreuten Bilder wieder zu fokussieren oder wieder zu vereinigen mittels eines Zerstreuungselements, das im optischen Weg angebracht ist und das Licht um nahezu den gleichen Betrag wie das Hologramm selbst, jedoch in entgegengesetzter Richtung, "entstreuen" kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung findet als das die Dispersion ausgleichende optische Element ein Beugungsgitter Verwendung. Dieses Gitter hat eine Gitterkonstante, die von der gleichen Größenordnung ist wie der mittlere Streifenabstand im Hologramm. Es ist jedoch mit entgegengesetzter Ordnungszahl und entgegengesetztem Winkel angeordnet, so dass es nahezu die gleiche, jedoch in bezug auf das Hologramm umgekehrte Winkeldispersion ergibt, wodurch sich eine Korrektur der ersten Ordnung der Dispersion ergibt. Die Erfindung schafft gemäß einem weiteren Merkmal ein neues, billiges, ausreichend gutes, in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbares

Beugungsgitter dadurch, dass mehrere dünnere verhältnismäßig billige Transmissionsgitter dicht aufeinander derart angeordnet werden, dass ihre Furchen parallel verlaufen. Es wurde gefunden, dass innerhalb bestimmter Grenzen eine Erhöhung der Zahl der aufeinandergeschichteten Transmissionsgitter die Intensität der Strahlung in den gewünschten Beugungsordnungen erhöht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, Fig. 2 eine Variante der Vorrichtung nach Fig. 1, Fig. 3 eine Ausführungsform des verwendeten Beugungsgitters.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Betrachten von Hologrammen mit weißem Licht. Ein Hologramm 10 ist schematisch als Seitenansicht des Diapositivs dargestellt, wobei die Ebene des Diapositivs vertikal und senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Das Hologramm wird durch eine konzentrierte Quelle 11 von weißem Licht, z.B. eine punktförmige Zirkonbogenlampe von 100 Watt, beleuchtet. Es können auch andere konzentrierte Quellen von weißem Licht, wie Glühlampen und Blitzlichtlampen, benutzt werden. Beim zu beschreibenden Beispiel war das Hologramm eine Kodak - 649 F-Platte, die mit Hilfe des Lichtes eines Lasers mit einer Wellenlänge von 6328 A und einem Aufzeichnungswinkel von 29° in einer horizontalen Ebene aufgezeichnet worden war. Im vom Hologramm ausgehenden optischen Weg werden die virtuellen und reellen Bilder der positiven und der negativen Ordnung erzeugt, die in Fig. 1 beide für eine einzige Wellenlänge angegeben sind. Die Bildinformation ist selbstverständlich nur in den abgebeugten Bündeln der ersten Ordnung vorhanden, während im Primärbündel der nullten Ordnung keine brauchbare Information enthalten ist; diese gebeugten Bündel sind jedoch stark zerstreut.

Im Weg des Bündels des virtuellen Bildes der +1. Ordnung ist ein flaches Transmissionbeugungsgitter 15 angebracht. Als solches können eine bis vier aufeinandergeschichtete billige Kunststoffgitterkopien mit 13400 Furchen/Inch benutzt werden. Die Gitterkonstante ist etwa gleich dem mittleren Streifenabstand im Hologramm (dem Mehrwert der Frequenz der räumlichen "Trägerwelle") zur Erzielung der gleichen Winkeldispersion, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen. Um eine Winkeldispersion gleicher Größe beizubehalten, ist die Ebene des Gitters angenähert parallel zur Hologrammebene orientiert, wobei die Gitterfurchen senkrecht zur Ebene des Aufzeichnungswinkels im Hologramm verlaufen.

Wie die Figur zeigt, liefert das Gitter 15 selbst verschiedene durchgelassene Bündel, die den unterschiedlichen Beugungsordnungen entsprechen. Die durch diese Gitter 15 gelieferte gebeugte Welle der ersten Ordnung mit einem demjenigen der Welle der ersten Ordnung des Hologramms entgegengesetzten Vorzeichen (virtuelles Bild) ist die kompensierte (doppelte gebeugte) Welle zum Betrachten des virtuellen Bildes. Selbstverständlich kann eine ähnliche Kompensation für das vom Hologramm herrührende reelle Bild erzielt werden. Für manche Hologramme, die ein nicht allzu großes Gesichtsfeld enthalten, ist das kompensierte Bild fast völlig schwarzweiß, obgleich längs der vier Ränder eine geringe Färbung auftreten kann, was zeigt, dass eine vertikale Korrektur im allgemeinen nicht erforderlich ist und dass die horizontale Korrektur der ersten Ordnung ausreicht. Durch Einstellung des Winkels und der Stelle des Gitters 15 lässt sich das Farbgleichgewicht nach beiden Seiten verschieben.

Wenn das Hologramm ein großes Gesichtsfeld beansprucht, ist es möglich, dass die Zerstreuungskorrektur der ersten Ordnung über den ganzen sichtbaren Bereich mittels eines einfachen Gegenzerstreuungselements nicht ausreicht. In diesem Falle ist jedoch eine erhebliche Verbesserung dadurch erzielbar, dass die Spektralbandbreite, über die eine Korrektur erforderlich ist, verringert wird. Dies ist einfach dadurch erzielbar, dass im optischen Weg, z.B. vor dem Hologramm, gegebenenfalls jedoch hinter ihm, ein breitbandiges Filter angeordnet wird. Es hat sich herausgestellt, dass mit gutem Erfolg ein Filter mit einem Durchlassband von 250 A benutzt werden kann, das, wenn es allein, ohne das Gitter 15, benutzt wäre, Bilder mit sehr schlechtem Auflösungsvermögen liefern würde. Selbstverständlich hat das kombinierte Korrektursystem eine gewisse Herabsetzung der Helligkeit des Bildes zur Folge und es ergibt sich ein farbiges Bild statt eines Schwarzweißbildes.

Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel fand ein Transmissionsgitter Verwendung. Selbstverständlich können entsprechend Reflexionsgitter benutzt werden. Vorzugsweise wird das Reflexionsgitter so angeordnet, dass es das stark zerstreute gebeugte Bündel der +1. Ordnung vom Hologramm auffängt, während das Bündel der -1. Ordnung des Gitters, das die entgegengesetzte Winkelzerstreuung aufweist, betrachtet wird, wobei der Wert dieser Zerstreuung so gewählt wird, dass sich die gewünschte Korrektur ergibt. Dies kann mit Hilfe eines Reflexionsgitters nachgewiesen werden, das mit 600 Strichen/mm versehen ist, die besonders ausgebildet sind, wodurch sich bei einer Wellenlänge von 5500 A ein Maximum der ersten Ordnung ergibt, um ein übliches, mittels einer Quelle weißen Lichtes hergestelltes Doppelbündelhologramm zu betrachten. Es dürfte einleuchten, dass eine derartige einfache Kompensation möglich ist, weil der größere Teil der durch ein Doppelbündelhologramm herbeigeführte Dispersion in einer einzigen Ebene erfolgt, nämlich der durch die Signal- und Bezugsbündel bestimmten Ebene. Auch ist es verständlich, dass das Entstreuungselement dadurch als ein Vorzerstreuungselement benutzt werden kann, dass es zwischen der Quelle und dem Hologramm angeordnet wird, so dass das Hologramm mit einem Linienspektrum der Quelle beleuchtet wird, dessen Dispersion nahezu gleich und entgegengesetzt der durch das Hologramm herbeigeführten Dispersion ist. Es ist weiter klar, dass jedes Entstreuungselement, das imstande ist, eine umgekehrte Dispersion mit nahezu dem gleichen Wert wie die Dispersion des Hologramms zu liefern, es ermöglicht, die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.

Fig. 2 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform, bei der zwei Prismen 16 und 17 als das korrigierende optische Element benutzt werden, wobei die Prismen in der Ebene des Aufzeichnungswinkels des Doppelbündelhologramms und mit ihrem Scheitelwinkel senkrecht zu dieser Ebene angeordnet sind. Weil die Prismen eine geringere Dispersion aufweisen als die Beugungsgitter, ist im allgemeinen mehr als ein Prisma erforderlich. Bei der dargestellten Ausführungsform verläuft der optische Weg, z.B. mittels Spiegel 18 und 19, derart, dass das Bündel auf seinem Weg zurückläuft, so dass es zweimal durch jedes Prisma hindurchgeht, wodurch die Prismenzahl auf ein Minimum beschränkt wird. Gute Ergebnisse wurden erhalten durch Verwendung dreier 45°-Prismen mit niedriger Brechzahl, die in der Art der beiden Prismen 16 und 17 nach Fig. 2 in Reihe angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Prismen so angeordnet, dass der Ablenkwinkel möglichst klein ist, weil das vom Hologramm ausgehende Bündel 1. Ordnung des virtuellen Bildes nicht parallel gemacht worden ist. Die Zahl der Spiegel, durch die man das Bündel auf dem gleichen Weg zurücklaufen lässt, muss gerade sein, um eine Farbumkehrung zu vermeiden.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 findet ein Transmissionsbeugungsgitter

Verwendung. Lichtstarke Bilder ergeben sich durch Verwendung von Transmissionsgittern mit hohem Wirkungsgrad, d.h., dass das auffallende Licht im wesentlichen in einer vorher gewählten Beugungsordnung gebeugt wird. Dies wird üblicherweise mittels eines sogenannten "blazed" Gitters (eines Gitters mit einer bestimmten Furchenform) erreicht, aber diese Gitter sind schwer herstellbar und somit teuer, insbesondere für den sichtbaren Bereich. Es hat sich herausgestellt, dass es möglich ist, ein Transmissionsgitter mit angemessenem Wirkungsgrad billig dadurch herzustellen, dass dünne billige Gitterkopien benutzt werden, die im Handel preiswert in Form großer Kunststofffolien erhältlich sind. Diese haben keine besonders gestaltete Furchen, so dass ihr Wirkungsgrad gering ist. Es hat sich jetzt herausgestellt, dass dadurch, dass mehrere derartige dünne Transmissionsgitter mit geringem Wirkungsgrad, die alle die gleiche Furchendichte aufweisen, aufeinander geschichtet werden und zwar derart, dass ihre Furchen parallel sind, eine erhebliche Erhöhung der Intensität des Lichtes sämtlicher Ordnungen erhalten wird.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform dieser Vorrichtung, die der Einfachheit halber aus vier aufeinander geschichteten Gittern 20, 21, 22 und 23 besteht. Das auffallende Bündel ist mit 24 bezeichnet. Wie ersichtlich wird ein Teil des Bündels in den verschiedenen Ordnungen gebeugt, wobei nur die ersten Ordnungen dargestellt sind, aber infolge des geringen Wirkungsgrades verfolgt der größere Teil des Bündels seinen geraden ungebeugten Weg, nachdem das Bündel durch die erste Schicht 20 hindurchgegangen ist. Das gleiche ist der Fall bei jeder nachfolgenden Schicht. Eine Erste-Ordnung-Analyse der Vorrichtung nach Fig. 3 zeigt, dass das Verhältnis zwischen der Gesamtintensität bei einem Bündel der ersten Ordnung infolge der Wirkung einer Anzahl n derartiger Schichten und der Intensität im gleichen Bündel infolge eines einzigen Gitters gegeben wird durch: n (1 - r - 2f tief1)hoch n-1, wobei r der Verlust je Schicht ist und f tief1 der Teil der auffallenden Energie, der von jedem Gitter zu einer Welle der ersten Ordnung gebeugt wird. Hieraus ist klar, dass, wenn die Größe (1 - r - 2 f tief1) größer als 0,5 ist, was für die billigen Transmissionsgitterkopien meistens zutrifft, eine Erhöhung der Schichtzahl eine Erhöhung der Intensität nach Beugung im Vergleich zu einer einzigen Schicht in sämtlichen Beugungsordnungen zur Folge hat. Mittels dieser Analyse kann auch nachgewiesen werden, dass die Lichtstärke in jeder Beugungsordnung (i) in Abhängigkeit von der benutzten Schichtzahl einen Höchstwert erreicht, wenn n log (1 - r - 2f tief1) = -1 ist, wonach eine Zunahme der Schichtzahl eine Abnahme der Lichtstärke zur Folge hat. Wenn z.B. der Faktor (1 - r - 2f tief1) gleich 0,9 ist, was einem Gitter mit verhältnismäßig geringem Wirkungsgrad (bei dem f tief1 höchstens 5% beträgt) entspricht, so erhöht ein Stapel aus neun derartigen Schichten die Lichtstärke in dieser ersten Ordnung um einen Faktor von etwa 3,5. Ein Vorteil eines Gitters dieser Art im Vergleich zu einem "blazed" Gitter ist der, dass bei letzterem die Form der Furchen für eine bestimmte Wellenlänge berechnet ist, während der Stapel aus nicht "blazed" Gittern für alle Wellenlängen nahezu den gleichen Effekt hat. Dies ist besonders wichtig für die vorstehend beschriebene Vorrichtung zum Betrachten von Hologrammen mit weißem Licht.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Betrachten eines Hologramms mit einer polychromatischen Strahlungsquelle, die das Hologramm mit einem polychromatischen Strahlungsbündel beleuchtet, dadurch gekennzeichnet, dass das Hologramm in Wechselwirkung mit dem polychromatischen Bündel mindestens ein zerstreutes gebeugtes Bündel liefert, das Information über das im Hologramm aufgezeichnete Bild enthält, während im Weg des Bündels Mittel vorgesehen sind, um die durch das Hologramm herbeigeführte Dispersion umzukehren, so dass das im Hologramm aufgezeichnete Bild in achromatisierter Form wiederhergestellt werden kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Umkehren der Dispersion aus einem Planbeugungsgitter mit einer Gitterkonstanten bestehen, die etwa gleich dem mittleren Streifenabstand im Hologramm ist, welches Gitter etwa parallel zur Ebene des Hologramms orientiert ist, während die Furchen des Gitters nahezu senkrecht zur Ebene des Aufzeichnungswinkels im Hologramm verlaufen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersionsumkehrmittel aus einem Reflexions- oder Transmissionsgitter mit besonders ausgebildeten Furchen bestehen, wodurch die Intensität einer bestimmten Ordnung stark erhöht wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter aus einem Stapel dünner Gitter besteht, die so aufeinander geschichtet sind, dass die Furchen sämtlicher Gitter parallel sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im optischen Weg des Bündels ein breitbandiges Filter angebracht ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Dispersion umkehrende Mittel aus mehreren Prismen bestehen.

7. Transmissionsgitter zur Verwendung in einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Stapel aufeinander geschichteter dünner Transmissionsbeugungsgitter besteht, wobei diese Gitter die gleiche Gitterkonstante haben und so angeordnet sind, dass die Furchen sämtlicher Gitter parallel sind.

8. Gitter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes einzelne, eine Schicht des Stapels bildende Gitter eine dünne Gitterkopie aus Kunststoff ist.