DE1797574C3 - Verfahren zur Herstellung eines Volumenhologramms - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Volumenhologramms, das als optisches Element Bildinformation aus wenigstens einer Tiefenschicht des Raums optisch abbildet, wobei zur Hologrammaufnahme in der Aufzeichnungsschicht das kohärente Licht zweier Punktlichtquellem zur Interferenz gebracht wird. Solche Volumenhologramme sind durch die Literaturstelle »Journal Optical Society of America« 57 (1967), S. 562 bekannt.

Zur Übertragung und Darstellung räumlicher Bildinformationen kann von der Überlegung ausgegangen werden, daß sich der dem Betrachter eines räumlichen Objekts anbietende Gesamteindruck nicht nur, wie beim zweidimensionalen flächenhaften Kino oder Fernsehen, in einer einzigen Bildebene betrachten läßt, sondern daß auch eine Information über die räumliche Tiefe vorliegt, die sich sozusagen durch Quantisieren in bestimmte Tiefenbereiche als zusätzliche Information verwerten läßt. Zu diesem Zweck ist es erforderlich,, den Objektraum tiefenmäßig entsprechend in einzelne Schichten endlicher räumlicher Tiefe aufzuteilen., diese einzelnen Schichten hinsichtlich ihres Informationsgehaltes zur Übertragung einzeln zu erfassen und <>5 empfangsseitig in der richtigen räumlichen Zuordnung wiederum darzustellen.

Der technische Aufwand für Übertragung und Darstellung räumlicher Bildinformationen auf diesem Wege läßt sich erheblich reduzieren, wenn für die Erfassung der einzelnen Schichten endlicher räumlicher Tiefe holografische Mittel angewendet werden, d. h. Volumenhologramme, denen eine solche Schicht endlicher räumlicher Tiefe zugehörig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zur Herstellung eines Hologramms aufzuzeigen, das die Eigenschaft hat, die gesamte Bildinformation aus einer räumlichen Tiefenschicht selektiv in einen vorgebbaren Teilbereich einer bestimmten Fläche abzubilden und umgekehrt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in jeweils zwischen den Belichtungen erfolgenden Schritten die erste Punktlichtquelle über einen gesamten vorgegebenen Teilbereich einer Fläche und die zweite Punktlichtquelle gleichzeitig über die gesamte flächenhafte Ausdehnung der dieser Fläche zuzuordnenden Tiefenschicht des Raums bewegt wird, so daß das auf diese Weise erzeugte Volumenhologramm die Eigenschaft erhält, Bildinformation aus der räumlichen Tiefenschicht selektiv in den bei der Aufnahme vorgegebenen Teilbereich der Fläche abzubilden und umgekehrt.

In Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung läßt sich zur gleichzeitigen Erfassung des in der Tiefe in einzelne Schichten unterteilten Objektraumes auch ein Summen-Volumenhologramm dadurch herstellen, daß die Summe der Volumenhologramme, die sämtliche Tiefenschichten des vorgegebenen Bildraumes und damit auch sämtliche Teilbereiche der Fläche erfassen, in ein und derselben holografischen Schicht (Summenvolumenholog;ramm) gespeichert werden.

Für die Aufnahme eines solchen Volumen- bzw. Summen-Volumenhologramms ist es zweckmäßig, daß die Bewegung der einzelnen Lichtquellen jeweils nach Art der Fernsehbildabtastung punkt- und zeilenweise erfolgt.

An Hand der Figuren der Zeichnung soll im folgenden die Erfindung näher erläutert werden und hierbei zum besseren Verständnis zunächst auf einige Grundlagen der Holografie eingegangen werden.

Wird, wie in F i g. 1 schematisch dargestellt, mit monochromatischem Licht, das von einer punktförmigen Lichtquelle, beispielsweise einem Laser 3 ausgeht, ein Objekt 1 angestrahlt, so können auf einer Bildwand 2 die am Objekt reflektierten Wellenanteile — gestrichelt gezeichnet — aufgenommen werden. Überlagert man diesen reflektierten Wellenanteilen beispielsweise mittels eines teildurchlässigen Spiegels 4 einen unmittelbar von der Lichtquelle abgeleiteten Wellenanteil — strichpunktiert gezeichnet —, so sind auf der Bildwand 2 Interferenzbilder nachweisbar, die auf der kohärenten Überlagerung dieser beiden Wellenanteile beruhen. Nimmt man als Bildwand eine fotografische Schicht von im Idealfall gegenüber der Wellenlänge des Laserlichts vernachlässigbar geringer Dicke, so kann dieses Interferenzbild als Flächenhologramm nach Entwicklung und Fixierung der fotografischen Schicht unmittelbar sichtbar gemacht werden. Wird ein solches Flächenhologramm zur Wiedergabe vorgesehen, so wird eine monochromatische Lichtquelle gleicher Wellenlänge wie bei der Aufnahme benötigt Mit dem von dieser Lichtquelle abgegebenen Licht wird das Hologramm durchstrahlt, und zwar in der gleichen Richtung wie von dem bei der Aufnahme verwendeten — in der F i g. 1 strichpunktiert gezeichneten — Bezugslicht.. An dem Interferenzbild erfährt das

durchtretende Licht eine derartige Beugung, daß für den das durchtretende Licht Betrachtenden ein Raumbildeindruck entsteht, der dem des Objektraums gleichkommt. Dadurch, daß der Betrachter weitgehend räumlich ungebunden ist, wird sogar der Eindruck erhalten, als könne der Betrachter wenigstens teilweise durch Veränderung seines Betrachtungsortes etwas in den Raum hinier dem betrachteten Objekt sehen.

Wird die Dicke d der holografischen Schicht wesentlich größer gewählt als die Wellenlänge λ des zur Aufnahme verwendeten Lichts, dann entsteht ein _enanntes Volumenhologramm. Dieses VolumenhoioBramm hat die Eigenschaft, daß bei wie in Fig.2 angedeuteter Beleuchtung der holografischen Schicht einerseits vom Punkt Paus und andererseits nach Punkt /"konvergierend bei Verwendung monochromatischen kohärenten Lichts ein ganz bestimmtes über das Volumen der Schicht verteiltes Interferenzbild entsteht. Die Punkte P und P" können auf der gleichen oder auf verschiedenen Seiten der holografischen Schicht liegen. w> Konvergiert das Licht der einen Strahlung in P', so erhält man bei der Wiedergabe einen reellen Bildpunkt. Geht das entsprechende Licht von P' aus (Umkehrung der gezeichneten Lichtausbreitungsrichtung), so erhält man bei der Wiedergabe einen virtuellen Bildpunkt, der *5 allerdings in bekannter Weise, z.B. mittels einer Sammellinse in einen reellen Bildpunkt transformiert werden kann. Wird ein nach Fig.2 aufgenommenes Volumenhologramm beispielsweise nur vom Punkt P aus mit monochromatischem Licht gleicher Wellenlänee wie bei der Aufnahme beleuchtet - Erfüllung der bekannten Braggschen Reflexionsbedingung -, so erscheint im Punkt fein leuchtender Punkt, wenn eine Bildwand mit diesem Punkt P' zur Deckung gebracht wird Bei jeder von einem anderen Punkt ausgehenden Beleuchtung tritt kein derartiger leuchtender Punkt auf. Für ein derartiges Volumenhologramm ist es nun im Hinblick auf die Erfindung von Bedeutung, daß bei einem zweiten Aufnahmevorgang, wie in Fig.3 angedeutet nicht nur ein Punkt P in solch eindeutiger Weise einem Punkt F zugeordnet werden kann, sondern daß in demselben Volumenhologramm eine eanze Folge Pl bis Pn von Einzelpunkten, die beispielsweise in einer ebenen Fläche liegen, einer entsprechenden Folge von Lichtpunkten Pl' bis Pn eindeutig zugeordnet werden kann. Wesentlich ist hierbei weiterhin,daß Pl bis Pn ebenso wie Pl' bis Pn' an sich auf beliebigen Flächen Fund Fliegen können, beispielsweise auf Kugelflächen oder sonstigen, außerhalb "iner Ebene gelegenen Flächen. Weiterhin ist auch 5< > wesentlich, daß dieses Volumenhologramm wie eine Art Transformationsglied wirkt, d. h. beispielsweise können P1 bis Pn auf einer Kugelfläche liegen, während P1 bis Pif in einer anders geformten Fläche, wie einer Ebene

^iefn F i g 4 ist beispielsweise der Extremfall gezeigt, bei dem zwei Bildpunkte PArI und Pk 2 auf einem Lot zur Hologrammfläche liegen, während Pk 1' und PkV auf einer zum Hologramm geneigt verlaufenden Flache angeordnet sind. Das Volumenhologramm hat also die Eisenschaft, daß eine ungestörte Superposition von an sich beliebig vielen einzelnen Volumenhologrammen möglich ist, ohne daß die eindeutige Zuordnung jeweils zwischen P und P⁷ verlorengeht. Dieser Sachverhalt wird bei der Erfindung zur Herstellung des gewünschten «5 Volumenhologramms ausgenutzt Nach dem gleichen Prinzip kann durch Superposition von einzelnen Volumenhologrammen ein Summen-Volumenhologramm erzeugt werden, bei dem, wie aus der F i g. 5 erkennbar, einzelnen, hier beispielsweise parallel zueinander verlaufenden räumlichen Tiefenschichten Fk jeweils in einer F'-Ebene ein zweidimensionaler Flächenbereich F'k zugeordnet wird, in der Weise, daß jedem Punkt PAr; in FJt in dem Flächenbild der F'-Ebene ein ganz bestimmter Punkt P"ki zugeordnet ist. Die Flächenbilder in der F'-Ebene können unmittelbar aneinander anschließen oder auch mit etwas Zwischenraum. Die räumliche Trennung der Flächenbilder Fk in der F'-Ebene ist sinnvoll, um diese Flächenbilder bei der Wiedergabe besser aufschlüsseln zu können.

Es ist auch möglich, die Flächenbilder F'k aufeinanderzuschreiben und jedes der Flächenbilder in der F'-Ebene mit einer für das einzelne Flächenbild charakteristischen Kennung zu versehen. In diesem Fall sind die Flächenbilder auf Grund dieser Kennung für eine Wiedergabe wieder aufschlüsselbar. Eine solche Kennung könnte beispielsweise dadurch erreicht werden, daß bei der Aufnahme der räumlichen Tiefenschicht Fk das von der monochromatischen kohärenten Lichtquelle abgegebene Licht mit einer ganz bestimmten, relativ hoch gelegenen Frequenz getastet wird, und die Tastfrequenz für jede räumliche Schicht Fk anders gewählt wird. Dann kann bei der Wiedergabe über das Kriterium der Tastfrequenz jedes Flächenbild aus dem Gesamtbild gesondert herausgehoben werden, beispielsweise durch einen mit der Tastfrequenz synchron betätigten elektronischen Schalter für jedes Flächenbild.

Als monochromatische kohärente Lichtquellen empfehlen sich nach dem derzeitigen Stand der Technik zumindest für die Herstellung der Summen-Volumenhologramme Laser. Bei ihrer Anwendung in einer Einrichtung zur Aufnahme, Übertragung und Darstellung von räumlichen Bildern als optische Transformatoren auf der Sende- und der Empfangsseite dieser Einrichtung können dann übliche Lichtquellen, denen gegebenenfalls entsprechende Farbfilter zugeordnet sind, verwendet werden. Da auf der Sende- und der Empfangsseite identische Volumen- bzw. Summen-Volumenholograrnme erforderlich sind, ist es zweckmäßig, diese identischen Hologramme dadurch zu gewinnen, daß zunächst ein Volumen- oder Summen-Volumenhologramm hergestellt wird, und daß dieses Hologramm nach einem Hologrammkopierverfahren vervielfältigt wird. Die Verwendung von nicht exakt monochromatischem Licht hat lediglich zur Folge, daß, wenn nur das Summen-Volumenhologramm mit exakt monochromatischem Licht aufgenommen ist, der einzelne Bildpunkt in einen relativ kleinen räumlichen Bildbereich aufgeweitet wird.

Dieser Effekt läßt sich dadurch noch steigern, daß die Dicke ddes Hologramms H so vermindert wird, daß die Bedingung d> λ nur mehr gerade noch erfüllt ist und eigentlich in d > λ übergeht. Beim Summen-Volumenhologramm ist weiterhin noch zu beachten, daß der abzubildende Punkt im Regelfall im Objektraum nicht exakt ein Bildpunkt, sondern ein in Richtung auf das Hologramm weisender, etwa zylindrischer Bereich ist, also aufnahmeseitig jeweils nicht exakt ein Punkt, sondern ein gewisser Tiefenbereich erfaßt wird. Vor allem im Nahbereich des Betrachters kann deshalb die Tiefenstaffelung der Flächenbereiche endlicher > aui...icher Tiefe so erfolgen, daß sie jeweils dieser Auflösungsgrenze des Summen-Volumenhologramms, bezogen auf die jeweilige räumliche Tiefe, entspricht. Das Volumen- bzw. Summen-Volumenhologramm

läßt sich gemäß der Erfindung auch mittels in der Farbe zueinander komplementärer monochromatischer Lichtquellen (z. B. rotes, grünes, blaues Licht) herstellen. Die Herstellung eines Farben-Summcn-Volumenhologramms ist deshalb möglich, weil das Hologramm farbselektiv ist und somit eine Superposition auch hinsichtlich der Farbe erlaubt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Volumenhologramms, das als optisches Element Bildinformation aus wenigstens einer Tiefenschicht des Raums optisch abbildet, wobei zur Hologrammaufnahme in der Aufzeichnungsschicht das kohärente Licht zweier Punktlichtquellen zur Interferenz gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß in jeweils zwischen den Belichtungen erfolgenden Schritten die erste Punktlichtquelle über einen gesamten vorgegebenen Teilbereich einer Fläche und die zweite Punktlichtquelle gleichzeitig über die gesamte flächenhafte Ausdehnung der dieser Fläche zuzuordnenden Tiefenschicht des Raums bewegt wird, so daß das auf diese Weise erzeugte Volumenhologramm die Eigenschaft erhält, Bildinformation aus der räumlichen Tiefenschicht selektiv in den bei der Aufnahme vorgegebenen Teilbereich *> der Fläche abzubilden und umgekehrt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Volumenhologramme, die sämtliche Tiefenschichten des vorgegebenen Bildraumes und damit auch sämtliche Teilbereiche »5 der Fläche erfassen, in ein und derselben holografischen Schicht (Summenvolumenhologramm) gespeichert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bev/egung der einzelnen Lichtquellen jeweils nach Art der Fernsehbildabtastung punkt- und zeilenweise erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von dem erzeugten Volumen- bzw. Summenvolumenhologramm nach einem Hologrammkopierverfahren weitere Hologramme hergestellt werden.