DE1772218C3

DE1772218C3 - Holographisches Verfahren zur Herstellung von Farbbildern

Info

Publication number: DE1772218C3
Application number: DE19651772218
Authority: DE
Inventors: Emmet Norman Plymouth Leith; Juris Ann Arbor Upatnieks
Original assignee: Battelle Development Corp
Current assignee: Battelle Development Corp
Priority date: 1964-04-23
Filing date: 1965-04-22
Publication date: 1975-01-16
Also published as: DE1772214B2; DE1772217A1; DE1772218B2; DE1772214A1; DE1772214C3; DE1772216B2; DE1772216A1; DE1772213A1; DE1772218A1; DE1772216C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein holographisches Verfahren zur Herstellung von Farbbildern.

Obgleich Holographie eine recht junge Wissenschaft ist, und auf Untersuchungen von Dr. D. Gabor (z. B. Zeitschrift »Nature« l5-Mai-48, Seiten 777/778; USA.-Patentschriften 2 770 166 und 108 383) zurückgeht, war die Weiterentwicklung l.ingcrc Zeit aus Gründen von zunächst unüberwindlich erscheinenden Hincrnissen der Entwicklung praktisch brauchbarer Ergebnisse, Verfahren und Hinrichtungen nahezu zum Stillstand gekommen.

I. c i l h und U ρ a t η i e k s gaben in der Zeitschrift '»Journal of the Optical Society of America« 53 (1963) S. 1377 bis 1381 ein Verfahren an, Hologramme durch Interferenz des vom Objekt kommenden Lichtes mit einem im Winkel dazu verlaufenden Bezugsstrahl /.ti erzeugen.

Die vorliegende Erfindung löst nun die Aufgabe der Hr/eugung von mehrfarbigen Wiedergaben oder Rekonstruktionen von Hologrammen und der Erzeugung von für solche mehrfarbige Wiedergabe geeigneten Hologrammen.

Die soeben dargelegte Aufgabe wird erfindungsge-

mäß gelost durch folgende Verfnhrensschriltc:

a) Zur Erzeugung eines Gegenslandsstrahles wird ein wenigstens zwei-dimensionaler Gegenstand mit dem kohärenten Licht von mindestens zwei

Lichtquellen beleuchtet, von denen jede eine andere Farbe aussendet;

b) ein Detektor, der fiir jede der Farben des kohärenten Lichtes empfindlich ist, wird im Weg des Gegenstandsstrahles angeordnet;

ίο c) zusätzlich zum Gegenstandsstrahl wird ein Teil jedes der von den Lichtquellen ausgehenden kohärenten Lichtbündel unterschiedlicher Farbe als Bezugsstrahl auf den Detektor gerichtet, und zwar für jede der Farben unter einem anderen Winkel;

d) zur Bildwiedergabe wird das auf dem Detektor

aufgezeichnete Inlerferenzmuster mit jeder der

Farben des kohärenten Lichtes unter jeweils dem gleichen Winkel beleuchtet, wie ihn der entspre-

chende Be/ugsstrahl bei der Aufzeichnung hatte.

Der Erfindungsgegenstand wird in den Zeichnungen näher erläutert.

In den Zeichnungen ist

Fig. 1 ein Diagramm zur Veranschaulichiing eines Verfahrens /ur Herstellung von Farbbildern ausgehend von photoempfindlichem Schwarz-Weiß-Material,

Fig. 2 ein Diagramm /ur Veranschaulichung der Rekonstruktion des Farbbildes, und

Fig. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der verschiedenen Bilder, die mit dem Verfahren der Fig. 1 hergestellt werden können.

Dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel liegt ein zunächst fur monochromatisches Licht entwickeltes Holographie-Verfahren zugrunde, bei demein auf den abzubildenden Gegenstand gerichteter und von ihm reflektierter odtr ihn durchdringender Strahl kohärenter Strahlung, der Gegenstandsstrahl, und ein zweiter Strahl mit zu dem ersten Strahl kohärenter Strahlung, der Bezugsstrahl, sich am Detektor überlagern und dadurch ein Interferenzmuster erzeugen, und bei dem durch geeignete Beleuchtung oder Bestrahlung das auf fotographischem, dann den Detektor bildendem Material aufgezeichnete Interferenzmuster zu einem sichtbaren Bild des Gegenstandes rekonstruiert wird.

Fig. I zeigt ein Verfahren zur Herstellung von Farbbildern mit fotoempfindlichem Schwarz-Weiß-Material, z.B. einem einfachen Schwarz-Weiß-Film. Mehrere kohärente Lichtquellen verschiedener Farben, z.B. ein roter Laser 101 (d.h. ein Laser, der Strahlungen im roten Bereich des sichtbaren Spektrums erzeugt), ein gelber Laser 103 und ein blauer Laser 105, sind so angeordnet, daß sie einen Gegenstand 107 beleuchten können. Das rote Licht 109 (als ausgezogene Linie gezeigt) trifft auf den Gegenstand 107 auf, und bei diesem Beispiel wird ein erstes Prisma 111 seitlich des Gegenstandes 107 angeordnet. Hierbei kann nur das rote Licht 109 durch das erste Prisma 111 hindurchgehen. Das gelbe Licht 113 (in gestrichelten Linien dargestellt) beleuchtet den Gegenstand 107, wobei ein zweites Prisma 115, in diesem Fall unter einem Winkel von 45° zur waagerechten Achse des Gegenstandes angeordnet ist. Das blaue Licht 117 (gestrichelt mit kürzeren Strichen dargestellt) beleuchtet den Gegenstand 107, wobei ein drittes Prisma 119 unter dem Gegenstand angeordnet ist. Nur das

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oclbe Licht triff! auf «Jus zweite Prisma 115 ιιικΙ nur j_llS blaue Licht auf das dritte Prisma 119 auf. Der Gegenstand 107 und die Prismen Ul, 115 und .119 befinden sieh in einer Ebene, die in einem Abstand j von den Lichtquellen 101, 103 und 105 verlauft. Eine Kombination von drei Lichlinterferenznuistern wird auf das fotographische Schwarz-Weiß-fvlaterial (Platte 121) übertragen, das in einem Abstand d-, vom Gegenstand 107 angeordnet ist. Die sechs Lichtstrahlenbündcl sind: (1.) ein rotes, gegenstandtragendes Strahlenbündel 123, (2.) ein rotes Bezugsstrahlenbünde! 125, (3.) ein gelbes gegenstandtragendes Strahlenbündel 127, (4.) ein gelbes Bezugsstrahlenbiindel 129, (5.) ein blaues gegenstandtragendes Strahlenbündel 131 und (n.) ein blaues Bezugsstrah lenbünckl 133. Jedes Paar von Strahlenbündeln, das rote (123, 125), das gelbe (127, 129) und das blaue (131,133) erzeugt ein Muster von Interferenzsir\.ifc!i auf der fotographischen Platte 121. wobei jedes Muster in einer anderen Weise ausgerichtet ist. In der vorliegenden Beschreibung werden die Muster als roles bzw. gelbes bzw. blaues Hologramm bezeichne!, obgleich die Hologramme in Wirklichkeit schwarzweiß und diejenigen Hologramme sind, die von dem roten, gelben oder blauen Licht erzeugt wurden.

Die Platte 121 wird schließlich entfernt, entwickelt und dann wieder an der gleichen Stelle wie in Fin. I angeordnet, nämlich im Abstand </, vom Gegenstand 107. Die Prismen 111, 115 und 119 bleiben im gU-chcn Winkel und im gleichen Abstand r/, zu den Laser-Lichtquellen 101 bzw. 103 bzw. 105 angeordnet. Gewünschtenfalls kann selbstverständlich die Anordnung jedes Teiles auch aufgezeichnet oder bei der Ro konstruktionsstufe erneut festgelegt werden.

Der einzige Unterschied in den Lichtanordnungen zwischen der Herstellungsstufe des Hologramms und seiner RcKonstruktionsstufe besteht darin, daß bei der Rekonstruktionsstufe ein lichtunclurchliissiger Schirm an der Stelle angeordnet wird, an der sich vorher der Gegenstand befand, so daß nur von den Prismen 111. 115 und 119 Lichtstrahlen (die ehemaligen Bezugsstrahlenbündel) auf das komplexe Hologramm auftreffcn können. Das Ergebnis Lt ein auf der Achse liegendes, dreidimensionales, mehrfarbiges Bild (vorausgesetzt, der Gegenstand war dreidimensional). Ein virtuelles, mehrfarbiges Bild liegt auf einer Achse zwischen dem Hologramm und dem lichtundurchlässigen Schirm und laßt sich auf der der Lichtquelle entgegengesetzteir Seite der Platte betrachten. Das reelif Farbbild wird auf der Achse auf der dem virtuellen Bild entgegengesetzten Seite der Platte fokussiert.

Das im Vorangehenden beschriebene Verfahren kann in erfolgreicher Weise auch bei einem !ichtinidurchlässigen Gegenstand angewendet werden, wenn Spiegel statt der Prismen vorgesehen sind und das vom Gegenstand reflektierte Licht auf dem Hologramm aufgefangen wird. Das Bild erscheint so lange mehrfarbig, wie man die zur Rekonstruktion verwendeten Strahlenbündel in das komplexe Hologramm fallen läßt unter dem gleichen Winkel, wie der Winkel, unter dem die (reflektierten) Bezugsstrahlenbiindel bei der Herstellung des Hologramms verlaufen.

Eine interessante Wirkung des zur Herstellung von Farbbildern, d.h. mehrfarbigen Bildern, beschriebenen Verfahrens besteht darin, daß, wie in Fig. 2 gezeigt, beim Betrachten des virtuellen Farbbildes noch weitere virtuelle Bilder an versetz! zur Achse liegenden Stellen erscheinen können. Wenn man das Farbbild 137 betrachtet, liegen sechs weitere virtuell,; Bilder auf drei verschiedene Achsen: auf einer roten Hologrammachse 139, einer gelben Hologrammachse 141 und einer blauen Hologrammachse 143. Diese

Bezeichnung ist wiederum willkürlich, indem sie lediglieh darauf hindeuten soll, daß die auf jeder Achse liegenden Bilder von den roten, gelben oder blauen Sirahlen erzeugten Hologrammen abgeleitet wurden. Auf der roten Hologrammachse 139 liegt ein gelbes

ίο Bild 145 und ein blaues Bild 147, die durch das gelbe bzw. blaue Licht erzeugt werden, das auf das Beugungsgitter des roten Hologramms auftrifft. Auf der gelben Hologrammachse 141 liegt ein rotes Bild 149 und ein blaues Bild 151, die durch das rote bzw. das

is blaue Licht gebildet werden, das auf das gelbe Hologramm auftriifft. Auf derblauen Hologrammachse 143 liegt ein gelbes Bild 153 und ein rotes Bild 155, die durch das gelbe bzw. das rot·.· Licht entstehen, das auf das blaue Hologramm auf.. ;fft.

ao Die Erklärungen für die sechs »zusätzlichen« Bilder 145,147,149,151,153 und 155 sind in F i g. 3 veranschaulicht. Wenn Licht von allen drei Lasern 101, 103 und 105 (ohne die Prismen) direkt zugeführt und das komplexe Hologramm von der den drei Lascr-Strah-

a5 lenbündcln entgegengesetzten Seite betrachtet wird, erscheinen insgesamt 18 Bilder, neun virtuelle Bilder und neun reelle Bilder. Zu Vergleichszwecken werden die Bezugsziffern der Fig. 2 auf die gleichen Teile in ihrer veränderten Lage in Fig. 3 übertragen. Das Farbbild 137 ist offensichtlich zerstört, kann aber wieder rekonstruiert werden. Wenn ein komplexes I Kilogramm nachdem Farbverfahren der Fi g. 1 hergestellt wurde, erzeugt jedes Hologramm, das von der einen Farbe hervorgerufen wurde, ein reelles und ein virtuelles Bild fiir jede Farbe, die fur die Rekonstruktion verwendet wurde. In Fig. 3 wurde jedes BHd mit zwei Buchstaben bezeichnet. Die reellen Bilder werden vor dem Hologramm fokussiert (wobei als Vorderseile die unbeleuchtete Seite und als Rückseite oder Hinterseile die beleuchtete Seite des Hologramms bezeichnet wird) und die virtuellen Bilder werden hinter dem Hologramm fokussiert. Jedoch werden die virtuellen Bilder betrachtet, indem man die Augen in der in Fig. 3 gezeigten Lage (oben rechts) hält, und zwar im Abstand (Z₂ vordem komplexen Hologramm, während eine Kopie eines reellen Bildes in der Ebene der reellen Bilder hergestellt wird, die sich in der Lage (unten links) und in einem Abstand U₂ vor dem Hologramm befinden, wie in Fig. 3 gezeigt ist.

,;o Im Zusammenhang mit Fig. 3 ist zu bemerken, daß, wenn man die Spitze eines Zirkels auf den Schnittpunkt der drei Achsen 139. 141 und 143 aufsetzt, ein Kreis geschlagen werden kömite, der alle Bilder schneidet, die als ersten Buchstaben ein /f (Blau) haben. DassHbe gilt für alle Bilder mit einem Y(Yellow = Gelb) alserstcn Buchstaben und ebenso auch fur alle Bilder mit einem R (Rot) als ersten Buchstaben. Der erste Buchstabe jedes Bildes bezeichnet seine Farbe und die Farbe des einfallenden Strahlenbündels bei der Bildrekonstruktion und der zweite Buchstabe gibt das Hologramm, d. h. das von dem roten, gelben bzw. blauen Licht in Fig. 1 erzeugte Hologramm an, von dem das Bild abgeleitet ist. Die virtuellen Bilder der Fig. 3 liegen anders als diejenigen der Fig. 2, da F i g. 2 die Lage der Bilder zeigt, wie diese erscheinen, wenn das komplexe Hologramm mit dem Licht der Laser 101,103 und 105 rekonstruiert wird, das durch die Prismen 111 bzw. 115 bzw. 119 hindurchgeht, wo-

hei die Prismen 111, 115 und 119 ihre ursprüngliche Lage wie in Fig. I einnehmen. Fig. 3 ist ein Muster der virtuellen Bilder (im oberen rechten Teil des Diagramms), wenn das Licht von den drei Lasern 101, 103 und 105 das komplexe Hologramm direkt beleuchte!. Wenn das einfallende rote Licht das komplexe Hologramm erreicht, erzeugt es drei virtuelle Bilder: ein Bild entsteht von dem roten Hologramm, das ein rotes Bild 157 ist und in Fig. 3 mit RR bezeichnet ist (in diesem Bild 157 wird alles, was auf dem Gegenstand 107 rot war, rot erscheinen). Kin weiteres Bild entsteht durch das einfallende rote Licht und das gelbe Hologramm, das ebenfalls ein rotes Bild (149) ist und in Fig. Ui mit RY bezeichnet ist (alles, was auf dem Gegenstand 107 gelb war, erscheint im Bild 149 rot) und ein drittes Bild 155 entsteht durch das rote Licht und das blaue Hologramm und ist in Fig. 16 mit RH bzeichnet (alles, was auf dem Gegenstand 107 blau war, erscheint im Bild 155 rot). Ebenso entstehen drei Bilder 145,153 und 159, wenn das einfallende gelbe Lieht das komplexe Hologramm beleuchtet. Das Bild 159 aus dem einfallenden gelben Licht und dem gelben Hologramm ist in Fig. 16 mit YY bezeichnet. Die anderen zwei Bilder 145 [YR) und 153 (YB) entstehen aus dem einfallenden gelben Licht, welches das rote bzw. blaue Hologramm beleuchtet. Im Bild 145 erscheint alles Rot des Gegenstandes 107 gelb, und im Bild 153 erscheint alles Blau des Gegenstandes 107 gelb. Schließlich erzeugt das einfallende blaue Licht die Bilder 147, 151 und 161. wenn das einfallende blaue Licht das komplexe Hologramm beleuchtet. Das Bild 161 (IiH) entsteht aus dem einfallenden bläuen Licht und dem blauen Hologramm (alles, was auf dem Gegenstand 107 blau war. erscheint im Bild 161 blau). In dem Bild 147 wird alles Rot des Gegenstandes 107 blau und im Bild 151 alles Gelb des Gegenstandes 107 blau. Die rot crscheinenden Bilder 149, 155 und 157 liegen weiter vom Schnittpunkt der drei Achsen 139, 141 und 143 entfernt, da die Wellenlänge des roten Lichtes größer ist und von dem Beugungsgitter aller Hologramme, die das komplexe Hologramm bilden, stärker weggebeugt wird. Die Wellenlänge des blauen Lichtes ist kurzer, und die blauen Bilder 147,151 und 161 liegen dem Schnittpunkt der Achsen 139, 141 und 143 am nächsten. Der Kreis 163 im Mittelpunkt des Diagramms der Fig. 3 bezeichnet Streu- oder Störglic-

ao der.

Wenn die Prismen 111, 115 und 119 bei der Wie dcrgabe in der ursprünglichen, in Fig. I gezeigten Stellung angeordnet werden, sind die Bilder jedes der Hologramme längs ihrer zugehörigen Achsen verschoben und nehmen die in Fig. 2 gezeigte Lage ein. wobei das RR-BiId 157, das VV-BiId 159 und das ßß-Bild 161 einander überlagert sind und das Farbbild 137 ergeben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Holographisches Verfahren zur Herstellung von Farbbildern, gekenn zeichne: durch folgende Verfahrensschritte:

a) Zur Erzeugung eines Gegenstandssirahls (123; 127; 131) wird ein wenigstens zwei-dimensionaler Gegenstand (107) mit dem kohärenten Licht von mindestens zwei Lichtquellen (101; 103; 105) beleuchtet, von denen jede eine andere Farbe aussendet;

b) ein Detektor (121), der für jede der Farben des kohärenten Lichtes empfindlich ist, wird im Weg des Gegenstandsstrahles angeordnet;

c) zusätzlich zum Gegenstandsstrahl wird ein Teil jedes der von den Lichtquellen nusgehendeci kohärenten Lichthündel unterschiedlicher Farbe als Bezugsstrahl (125; 129; 133) auf den Detektor gerichtet, und zwar fur jede der Farben unter einem anderen Winkel;

d) zur Bildwiedergabe wird das auf dem Detektor aufgezeichnete Interfcrenzmuster mit jeder der Farben des kohärenten Lichtes unter jeweils dem gleichen Winkel beleuchtet wie ihn der entsprechende Bczugsstrah! bei der Aufzeichnung hatte.

2. Holographisches Verfahren zur Herstellung von Farbbildern nach Ansp-jch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand vom kohärenten Licht mindestens dreier verschiedenfarbiger Lichtquellen beleuchtet wird, wobei die Farber, so abgestimmt sind, daß ihre Kombination Weiß ergibt.

3. Holographisches Verfahren zur Herstellung von Farbbildern nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor ein photoempfindliches Schwarz-Weiß-Material ist.