DE1772011B1

DE1772011B1 - Vorrichtung zur gleichzeitigen herstellung und wiedergabe eines hologrammes

Info

Publication number: DE1772011B1
Application number: DE19681772011
Authority: DE
Inventors: Gerritsen Hendrik Jurjen; Sommers Jun Henry Stern
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1967-03-20
Filing date: 1968-03-20
Publication date: 1971-08-26
Also published as: FR1568997A; US3542452A; GB1196356A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur gleich- ist als die der zur Herstellung des Hologramms zeitigen Herstellung und Wiedergabe eines vergäng- benutzten Schwingungen, eine unmittelbare Verliehen Hologrammes mittels eines Objekt- und größerung erhalten. Drittens kann man eine Licht-Bezugsbündels, verstärkung erreichen, indem man entweder ein Be-

Unter einem Hologramm versteht man bekanntlich 5 zugsbündel und/oder ein Wiedergabebündel verhältein Interferenzmuster, das auf einem Aufzeichnungs- nismäßig hoher Energie und zur Beleuchtung des träger, z. B. einem photographischen Film aufge- Objektes selbst ein Bündel relativ geringer Energie

zeichnet wurde und durch Interferenz zwischen verwendet, wobei dann das rekonstruierte Bild heller

einem Bezugsbündel elektromagnetischer Schwingun- erscheint als das nur mit einem Bündel relativ kleiner

gen, ζ. B. Licht, das direkt von einer Quelle räumlich io Energie bleuchtete Objekt. Dies ist besonders

kohärenter monochromatischer Schwingungen erhal- wünschenswert, wenn das wiederzugebende Objekt

ten wurde, und einem Objektbündel, das von einem empfindlich ist und z. B. aus einem Zelluloidfilm,

Objekt stammt, das gleichzeitig durch Schwingungen Papierblatt oder dem Gesicht eines Menschen besteht,

aus derselben Quelle beleuchtet wurde, entstanden ist. Bei solchen Objekten können nämlich Schäden auf-

Um ein solches Interferenzmuster zu erhalten, muß 15 treten, wenn man sie mit hochintensiver Strahlung

das Bezugsbündel in den verschiedenen Punkten des beleuchtet, z. B. einem Lichtimpuls, der mittels eines

Aufzeichnungsträgers unter Winkeln einfallen, die Lasers erzeugt wurde. Die Lichtverstärkung ist

jeweils von den Winkeln verschieden sind, unter außerdem möglich, ohne die dreidimensionalen Eigen-

denen das Objektbündel eintritt. schäften des Objektes zu beeinträchtigen. Bei Ver-

Nach der Aufzeichnung des Hologramms auf dem 20 wendung von Schwingungen verschiedener Wellen-Aufzeichnungsträger, z. B. dem photographischen länge bei der Herstellung bzw. Wiedergabe des ver-FiIm, muß dieser im allgemeinen entwickelt und/oder gänglichen Hologramms sind Vergrößerungen bzw. fixiert werden, bevor das aufgezeichnete Hologramm Verkleinerungen möglich. Weiterhin können Szenen, wiedergegeben werden kann. Zur Rekonstruktion der die mit Infrarotstrahlung oder sogar Mikrowellen beholographisch aufgezeichneten Information wird das 25 strahlt wurden, z. B. Radarechos mit sichtbarem Hologramm dann gewöhnlich mit räumlich kohären- Licht wiedergegeben und visuell betrachtet werden, ten monochromatischen Schwingungen, z. B. Licht, Fünftens, da das vergängliche Hologramm während beleuchtet. Die auffallende Strahlung wird durch das der Belichtung dauernd neu gebildet wird, sind die Hologramm gestreut, wobei zwei Inferenzbündel Anforderungen an die Zeitdauer, während das erster Ordnung entstehen, die jeweils ein Abbild der 30 Objekt- und Bezugsbündel kohärent zueinander sein vom Original ausgehenden Schwingungen darstellen. müssen, weniger streng, so daß vergängliche HoIo-Das eine Bündel liefert bei Rückprojektion in Rich- gramme auch mit Licht schlechterer Kohärenz tung auf die Strahlungsquelle ein virtuelles Bild des qualitativ hochwertig rekonstruiert werden können. Originals, während das andere Bündel ohne Hilfe Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend einer Linse ein reelles Bild des Originals ergibt. 35 die Aufgabe zugrunde, bei Hologrammen gleichzeitig

Die bei der Wiedergabe eines Hologramms ver- mit der Erzeugung eine Wiedergabe zu erreichen,

wendete Strahlung kann die gleiche Wellenlänge und zwar bei laufender Veränderung des HoIo-

haben wie die zur Erzeugung des Hologrammes ver- gramms.

wendete Strahlung, und in diesem Falle haben dann Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese das virtuelle und das reelle Bild die gleiche Größe 40 Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Hologrammträger wie das Original. Man kann andererseits bei der vorgesehen ist, der für elektromagnetische Wellen in Wiedergabe auch Schwingungen anderer Wellenlänge, einem die Strahlung des Objekt- und Bezugsbündels als sie zur Herstellung der holographischen Auf- enthaltenden Wellenlängebereich eine Durchlaßzeichnung benutzt wurde, verwenden, wobei dann die charakteristik hat, die eine nichtlineare Funktion mit Bilder in einem anderen Maßstab wiedergegeben 45 kurzer Abklinkdauer der Intensität der auftreffenden werden. Wenn man bei der Wiedergabe mit größeren elektromagnetischen Schwingungen ist.
Wellenlängen als bei der Herstellung der holo- Die Erfindung wird im folgenden an Hand der graphischen Aufzeichnung arbeitet, ist das wiederge- Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
gebene Bild größer als das Original, während umge- Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten kehrt bei Verwendung von Strahlung kleinerer 50 Ausführungsbeispieles der Erfindung, bei dem bei der Wellenlänge bei der Wiedergabe eine Verkleinerung Herstellung und Rekonstruktion eines vergänglichen des rekonstruierten Bildes eintritt. Hologrammes eines Objektes Schwingungen gleicher

Bisher hat man also Hologramme zuerst aufge- Wellenlänge verwendet werden,

zeichnet und dann zu einem anderen, späteren Zeit- F i g. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten

punkt wiedergegeben. Die vorliegende Erfindung be- 55 Ausführungsbeispieles der Erfindung, bei dem bei der

faßt sich dagegen mit der Herstellung von vergäng- Herstellung und Rekonstruktion eines vergänglichen

liehen, also nur relativ kurze Zeit beständigen Holo- Hologrammes eines Objektes Strahlungsbündel ver-

grammen, die gleichzeitig aufgezeichnet und schiedener Wellenlänge verwendet werden, und

wiedergegeben werden können. F i g. 3 eine schematische Darstellung eines dritten

Die Herstellung vergänglicher Hologramme, die 60 Ausführungsbeispieles der Erfindung, bei dem ein

gleichzeitig erzeugt und rekonstruiert werden können, Bezugsbündel aus Strahlung einer ersten Wellenlänge

hat viele Vorteile. Erstens kann das Hologramm zur und ein Objekt- sowie Wiedergabebündel einer oder

gleichen Zeit wie es hergestellt wird auch betrachtet mehrerer anderer Wellenlängen verwendet werden,

werden, und man kann dabei dann das Originalobjekt Die in F i g. 1 dargestellte Einrichtung enthält eine

bewegen oder auf andere Weise nach Wunsch ent- 6g Lichtquelle 100, z. B. einen Laser, der räumlich

sprechend der bei der Betrachtung gewonnenen In- kohärentes Licht bestimmter Frequenz liefert. Das

formation manipulieren. Zweitens kann bei Verwen- vom Laser 100 emittierte Lichtbündel 102 wird durch

dung von Schwingungen, deren Wellenlänge größer einen teildurchlässigen Spiegel 107 in zwei Teilbündel

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104,106 aufgeteilt. Das erste Teilbündel 104 wird Intensität ändert sich also in der Praxis von Punkt durch Linsen 110,112 in ein Bezugsbündel 108 grö- zu Punkt, wobei sich ein Interferenzmuster ergibt, ßeren Querschnitts umgewandelt. Aus dem zweiten das die im Objektbündel 124 enthaltene Information Teilbündel 106 wird nach Reflexion 114 durch einen über das Objekt 122 enthält. Da das Medium 126 möglichst vollständig reflektierenden Spiegel 114 5 nichtlinear ist, manifestiert sich das Interferenzmuster durch Linsen 118,120 ein Bündel 116 größeren im Medium 126, so daß das durchgelassene Licht Querschnitts erzeugt. gestreut wird und zwei gestreute Bündel 128,130

Mit dem Bündel 116 wird ein Objekt 122 unter auftreten.

Erzeugung eines Objektbündels 124 belichtet. Das Wie dargestellt, konvergiert das gestreute Bündel

Objekt 122 kann das auffallende Licht streuen, io 128 in einem reellen Bild 132, das jeweils augenreflektieren und/oder durchlassen. blicklich in einer zur Lage des Objektes 122 konju-

Im Weg des Bezugsbündels 108 ist ein Medium 126 gierten Lage erscheint. Das gestreute Bündel 130 angeordnet, dessen Durchlässigkeit eine nichtlineare divergiert dagegen, und seine Strahlen gehen von Funktion der Intensität der einfallenden Strahlung einem virtuellen Bild aus, dessen Lage mit der des ist. Mindestens ein Teil des Objektbündels 124 fällt 15 ursprünglichen Objektes 122 zusammenfällt und das ebenfalls auf das Medium 126. Wie aus F i g. 1 er- gleichzeitig mit der Erzeugung des Hologrammes in sichtlich ist, treffen das Bezugsbündel 108 und das dem nichtlinearen Medium 126 durch das Bezugs-Objektbündel 124 an den jeweiligen Punkten des bündel 108 und das Informationsbündel 124 auftritt. Mediums 126 unter verschiedenen Winkeln in Bezug Das Medium 126 mit nichtlinearer Durchlässigkeit aufeinander ein. 20 liefert also in der Praxis ein vergängliches HoIo-

Das Medium 126 besteht aus einem Material, gramm.

dessen Durchlässigkeit für Strahlung der Wellenlänge Das in F i g. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel

des vom Laser 100 emittierten Lichtes von der Inten- enthält einen ersten Laser 200, der Strahlung einer sität des durchgelassenen Lichtes abhängt. Unter ersten Frequenz Z₁ liefert, und einen zweiten Laser »Durchlässigkeit« soll hier das Verhältnis zwischen 25 202, der Strahlung einer zweiten Frequenz Z₂ liefert, der Gesamtintensität des auf die verschiedenen Die Frequenzen Z₁ und Z₂ sind verschieden. Punkte der Oberfläche des Mediums 126 fallenden Der Laser 200 liefert zusammen mit einem teil-

Lichtes und der Intensität des vom Medium 126 tat- durchlässigen Spiegel 202, Linsen 204,206, einem sächlich durchgelassenen Lichtes verstanden werden. vollständig reflektierenden Spiegel 208, Linsen 210, Die Durchlässigkeit des Mediums 126 ist also eine 30 212 und einem Objekt 214 ein Bezugsbündel 216 Funktion der Absorption, des Brechungsindex und sowie ein Objektbündel 218, die auf die Oberfläche der Reflexion, die von der Intensität der auffallenden eines Mediums 220 mit nichtlinearer Durchlässigkeit Strahlung abhängen. auftreffen, welches dem Medium 126 in F i g. 1 ent-

Die Begriffe »Realzeit« oder »in jedem Augenblick« spricht, so daß wie bei dem in F i g. 1 dargestellten bedeuten bezüglich der Durchlässigkeit des Materials, 35 Ausführungsbeispiel ein Interferenzmuster entsteht, aus dem das Medium 126 besteht, daß dieses Material Bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbei-

eine kurze Ansprech- und Abklingdauer bezüglich spiel hat das Medium 220 eine nichtlineare Durchder durch die einfallende Strahlung verursachten lässigkeit für Strahlung der Frequenz/,, während Änderungen der Durchlässigkeit hat. Ansprech- und seine Durchlässigkeit für Strahlung der Frequenz Z₂ Abklingdauer sollen also insbesondere kurz im Ver- 40 eine wenigstens annähernd lineare Funktion der gleich zu denen von Aufzeichnungsmaterialien sein, Intensität ist. Das Interferenzmuster, welches durch wie sie üblicherweise zur Herstellung von HoIo- das Bezugsbündel 226 und das Objektbündel 218 der grammen verwendet werden, z. B. photographischen Frequenz Z₁ erzeugt wird, wird dementsprechend Emulsionen, strahlungsempfindlichen Farbstoffen durch die Intensität des Wiedergabebündels 222, das oder thermoplastischen Werkstoffen. Die rasche Ver- 45 durch den Laser 202 und Linsen 224,226 erzeugt gänglichkeit der nichtlinearen Effekte der hier ver- wird, nicht ernstlich beeinträchtigt, wendeten Materialien ist es, die die Erzeugung ver- Das Wiedergabebündel 222 wird jedoch durch das

gänglicher Hologramme ermöglicht. Interferenzmuster beeinflußt, das in jedem Augen-

Ein Beispiel eines Mediums mit nichtlinearer blick durch das Bezugsbündel 216 und das Objekt-Durchlässigkeit und kurzer Zeitkonstante ist ein 5° bündel 218 in dem nichtlinearen Medium 220 erzeugt Glimmerblatt, das mit Cryptocyanin gefüllt ist, wird. Es entstehen dementsprechend zwei gestreute welches zwischen die Glimmerflocken des Blattes Bündel erster Ordnung auf der vom Laser 212 ereingeführt wurde. Andere geeignete Medien sind zeugten Strahlung der Frequenz Z₂. Das eine gestreute Selenschichten, Materialien mit ausgeprägten elektro- Bündel 228 konvergiert, wie dargestellt, in einem optischen Effekten, wie Nitrobenzol, Kristalle wie 55 reellen Bild 230 während das andere Bündel 232 von KDP, ADP (Adenosindiphosphorsäure), LiNbO_;j, einem virtuellen Bild 234 aus divergiert, und Materialien, bei denen in starken Strahlungs- Wenn wie bei F i g. 2 die Frequenz Z₂ größer als

feldern große Verschiebungen der Bandlücke auf- die Frequenz Z₁ ist, tritt eine Aufwärtskonversion ein, treten, wie GaAs und SbSJ. Für den vorliegenden während wenn Z₂ kleiner als Z₁ ist, eine Abwärts-Zweck können außerdem Materialien verwendet 60 konversion eintritt. Es findet also eine Frequenzwerden, deren Brechungsindex oder Absorption sich umsetzung zwischen der Erzeugung und der Wiederbei örtlicher Erhitzung durch die einfallende Strah- gäbe des Hologrammes statt, wenn Z₂ kleiner als Z₁ ist lung reversibel und mit kurzer Zeitkonstante ändern. und außerdem bekanntlich die Größe des reellen

Die Intensität des auf die verschiedenen Punkte Bildes 230 und des virtuellen Bildes 234 größer als des Mediums 126 auffallenden Lichtes hängt von den 65 die des Objektes 214 ist. Wenn man die Intensität jeweiligen Amplituden und den relativen Phasenlagen des Wiedergabebündels 232 im Vergleich zur Intender an den einzelnen Punkten vom Bezugsbündel 108 sität des Bündels 218, mit dem das Objekt 214 be- und Objektbündel 124 auffallenden Strahlung ab. Die leuchtet wird, verhältnismäßig groß macht, erscheinen

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sowohl das reelle Bild 230 als auch das virtuelle Bild 234 heller als das direkt betrachtete Objekt 214. Die in Fig. 2 dargestellte, mit einem vergänglichen Hologramm arbeitende Einrichtung kann also zur Lichtverstärkung verwendet werden.

Das in F i g. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält einen Laser 300, der Licht mit der Frequenz/ liefert, und eine Lichtquelle302, die ein Lichtbündel 304 liefert. Das von der Lichtquelle 302 erzeugte Lichtbündel 304 kann aus monochromatischem Licht bestehen, das eine andere Frequenz in einem die Frequenz / enthaltenden Frequenzband hat oder das eine Anzahl anderer Frequenzen in diesem Frequenzband enthält. Das Licht des Bündels 304 kann mit der vom Laser 300 erzeugten Strahlung synchronisiert sein oder in anderer Weise mit dieser in Beziehung stehen, oder das Licht kann auch unsynchron sein und in keiner Beziehung zu der vom Laser 300 erzeugten Strahlung stehen.

Aus der vom Laser 300 erzeugten Strahlung wird durch Linsen 306, 308 ein Lichtbündel 310 erzeugt, das bei der in F i g. 3 dargestellten Einrichtung sowohl als Bezugsbündel als auch als Wiedergabebündel dient. Wie dargestellt, fällt das Bündel 310 unmittelbar auf ein Medium 312 mit m'chtlinearer Durchlässigkeit. Auf das Medium 312 fällt ferner ein Objektbündel 314, das durch die Beleuchtung des Objektes mittels des Lichtbündels 304 erzeugt wird. Das Medium 312 entspricht dem Medium 126 (F i g. 1) und hat nichtlineare Durchlässigkeitseigenschäften für Strahlung in dem Frequenzband, das die Frequenz/ und die Frequenz oder Frequenzen im Bündel 304 hält.

Obgleich die Bündel 310 und 314 bei Fig. 3 im wesentlichen nichtkohärent sein können, entsteht auf Grund der Tatsache, daß das Bündel 310 gleichzeitig als Bezugsbündel und Wiedergabebündel verwendet wird, ein vergängliches holographisches Interferenzmuster, das in jedem Augenblick durch die Interferenz des Objektbündels 314 und des Bündels 310 erzeugt und genau wiedergegeben wird, auch wenn sich das Interferenzmuster ununterbrochen ändert und neu gebildet wird. Das divergierende gestreute Bündel 318 und das konvergierende gestreute Bündel 320 werden also in jedem Augenblick ein virtuelles Bild bzw. ein reelles Bild des Objektes 316 erzeugen.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur gleichzeitigen Herstellung und Wiedergabe eines vergänglichen Hologramms mittels eines Objekt- und Bezugsbündels gekennzeichnet durch einen Hologrammträger (126,220, 312), der für elektromagnetische Wellen in einem die Strahlung des Objekt- und Bezugsbündels enthaltenden Wellenlängenbereich eine Durchlaßcharakteristik hat, die eine nichtlineare Funktion mit kurzer Abklingdauer der Intensität der auftreffenden elektromagnetischen Schwingungen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Anordnung (202, 224,226) zum Erzeugen eines dritten Bündels (222) aus elektromagnetischen Schwingungen, das gleichzeitig mit dem Objekt- und Bezugsbündel (216,218) auf das im Hologrammträger (220) erzeugte Interferenzmuster fällt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt- und Bezugsbündel (216, 218) aus Strahlung der gleichen Wellenlänge bestehen und daß das dritte Bündel (222) aus Strahlung besteht, deren Wellenlänge außerhalb des erwähnten Wellenlängenbereiches liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des dritten Bündels (222) groß im Vergleich zur Intensität des Objektbündels (218) ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, gekennzeichnet durch zwei Strahlungsquellen (200, 202), insbesondere Laser, von denen die eine sowohl das Objektbündel (218) als auch das Bezugsbündel (216) liefert und die zweite das dritte Bündel (222) liefert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des Bezugsbündels (108, 216) groß im Vergleich zur Intensität des Objektbündels (116, 218) ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei Strahlungsquellen (300, 302), von denen die eine (300) das monochromatische Bezugsbündel (310) und die zweite (302) ein sowohl als Objektbündel als auch als Wiedergabebündel dienendes Strahlungsbündel (314) liefert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Strahlungsquelle (302) elektromagnetische Schwingungen mit einer Anzahl verschiedener Wellenlängen, die in dem erwähnten Bereich liegen, emittiert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen