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Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Hologrammen Die Erfindung
befaßt sich mit einem Verfahren und einer Vor richtung zum Erzeugen von Hologrammen,
insbesondere aber mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Erzeugung "künstlicher"
Hologramme, d. h. von Hologrammen, die aus Daten erzeugt werden können, welche kennzeichnend
für bestimmte Eigenschaften des Gegenstandes sind, und nicht aus vom Gegenstand
unmittelbar empfangener Energie.
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Im folgenden wird unter "Gegenstand" sowohl irgendein greifpaares
Objekt oder eine Mehrzahl solcher Objekte verstanden, welche auf einem Hologramm
gespeichert werden sollen, oder nicht körperlich existierende Gegenstände, von dem
Daten angenommen werden, die ihrerseits auf einem Hologramm erscheinen bzw. dort
gespeichert werden sollen.
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Zunächst soll zur Erleichterung des Verständnisses der Hrfindung ein
bekanntes System zur Erzeugung optischer Hologramme erläutert werden. Eins optisches
Hologramm ist eine photographische
Aufzeichnung, z. B. in Form
eines photographischen Transparentbildes, des Wellenfrontbildes desjenigen sichtbaren
Lichtes , welches von dem beleuchteten Gegenstand reflektiert wird. Im Gegensatz
zu den Diapositiven, die auf herkömmliche photographische Weise erzeugt werden und
die eine Speicherung des Bildes darstellen, welches durch Fokussierung des reflektierten
Lichten mittels einer Linse erzeugt wird, ist ein Hologramm eine Aufzeichnung all
derjenigen reflektierten Lichtwellen, die sich in einer einzigen Ebene, d. h. in
einer Wellenfront befinden. Da beim Herstellen von Hologrammen keine Mittel zum
Fokussieren der Lichtbündel verwendet werden, erscheint zunächst keine erkennbare
Abbildung im Hologramm. Dem unbewaffneten Auge stellt sich ein Hologramm als eine
Darstellung ungeordneter Wirbel, Linien, Punkte und dgl. dar, die keinerlei Ähnlichkeit
mit dem Gegenstand haben, von dem das Licht reflektiert wurde.
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Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellen optischer Hologramme
wird der darzustellende Gegenstand von einer Quelle kohärenten Lichtes, z. B. von
einem Laser beleuchtet. Ein Wellenbild des vom Gegenstand reflektierten Lichtes
weist also als kennzeichnende Eigenschaften sowohl Amplituden- als auch Phasenveränderungen
auf. Da aber photographische Platten nur Intensitätsvariationen aufzeichnen können,
muß dafür gesorgt werden, daß die Phasenvariationen in Amplitudenvariationen umgesetzt
werden, die dann aufgezeichnet werden können. Dies wird dadurch erreicht, daß ein
Bezugsstrahl aus kohärentem sichtbaren Licht aus derselben Quelle, welche zur Beleuchtung
des Gegenstandes dient, hergeleitet und in solcher Weise verwendet wird, daß die
beiden Strahlen miteinander in Interferenz treten, so daß also Intensitätsverstärkungen
und Abschwächungen
auftreten. Der Bezugsstrahl wird dabei auf dan
photographischen Film gerichtet, der sich in der Hologrammebene befindet. Das reflektierte
Licht und das Licht des Bezugsstrahls treten miteinander in Interferenz und bilden
ein Interferenmmuster auf dem Film. Dieses Interferenzmuster stellt Intensitätsvariationen
dar, welche den Phasen- und amplitudenvariationen in der reflektierten Lichtwelle
entsprechen. Aus einem weiter unten zu erläuternden Grunde wird der Bezugsztrahl
unter einem Winkel zu demjenigen Pfad auf die Filmebene gerichtet, aur welchem das
reflektierte Licht sich auf den Film zu bewegt.
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Wenn ein transparentes Hologramm nach Entwicklung des belichteten
Films mit kohärentem sichtbaren Licht beleuchtet wird, gehen eine Anzahl von Brechungsmustern
oder Wellenfronten von diesem Bild aus und eine dieser Wellenfronten konvergiert
zur Bildung eines reellen Abbildes des Gegenstandes, wobei ein eines Bild vom virtuellen
Bild des Gegenstandes auszugehen scheint. Das virtuelle Bild kann unmittelbar mit
dem Auge wahrgenommen werden. Ein solches rekonstruiertes Bild ist nicht mit einem
zweidimensionalen Bild vergleichbar, welches man auf einem herkömmlichen Photodiapositiv
findet. Im Gegensatz zu dieser bekannten Technologie kann das mit dem Auge wahrnehmbare
virtuelle Bild nicht von dem ursprünglichen dreidimensionalen Gegenstand unterschieden
werden. Insbesondere kann man bei dem rekonstruierten virtuellen Bild durch Paralaxe
zwischen näher und weiter gelegenen Teilen des Gegenstandes unterscheiden. Bei Relativbewegung
zwischen dem Hologramm und dem Beobachter können Teile des Gegenstandes gesehen
werden, die von anderen Teilen vorher abgedeckt waren. Weiterhin -aß der Beobachter
seine Augen auf die nahen Teile des virtuellen Bildes des Gegenstandes adaptieren,
nachdem er zuvor seinen Blick auf weiterweg gelegene Teile des in virtuellen Bild
dargestellten
Gegenstandes gerichtet hatte.
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Die Erzeugung optischer Hologramme durch Beleuchtung der aegenstünde
mit kohärentem sichtbaren Licht in der obenbeschriebenen Weise ist bekannt. FUr
ein solches Vorgehen zur Erzeugung optischer Hologramme ist es otfensichtlich erforderlich,
daß ein darzustellender Gegenstand vorhanden ist und unmittelbar im Bereich des
Beleuchtungsstrahles angeordnet ist..
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Die Erfindung richtet sioh auf die Schaffung eines Verfahrens und
einer Vorrichtung zur Erzeugung von Hologrammen aus Daten, welche bestimmte Eigenschaften
des Gegenstandes darstellen, also nicht Hologramme des Gegenstandes selbst.
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Weiter richtet sich die Erfindung auf die Schaffung eines Verfahrens
und einer Vorrichtung zur Erzeugung von Hologrammen ausschließlich aus Informationen,
welche die Amplitude und die relative Lage mehrerer Punkte auf des zu speichernden
Körper darstellen.
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Weiterhin richtet sich die Erfindung auf die Schaffung eines derartigen
Verfahrens und einer entsprechenden Vorrichtung, wonach das Hologran dadurch erzeugt
wird daß einzeln die Intensität eines jeden von mehreren Punkten einer imaginären
Hologrammebene bestimmt wird, die sich mit Abstand vom Gegenstand befindet, wobei
die sichtbaren Darstellungen der Punkte auf eine. einzigen Speicherträger kombiniert
werden, um das vollständige Hologramm herzustellen.
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Zu diesem Zweck werden zunächst einmal Daten gewonnen, die sich auf
die Position und die Amplitude einer Vielzahl von Punkten auf einem dreidimensionalen
Gegenstand beziehen. Diese Daten
können z. B. von Röntgen-Bildern
( .X-ray tomograms) Sohallbildern (sonograms), Radardaten, Aufzeichnungen radioaktiver
Spuren, Konturenkarten oder ähnlichen Daten gewonnen werden, die die Amplitude und
die Position bestimmter Punkte auf einem Gegenstand darstellen. Die Daten können
auch in numerischer Fonn oder binär vorliegen, und also von bekannten Merkmalen
eines Gegenstandes hergeleitet werden0 Bs kam sich auch um angenommene Daten handeln,
die einen nicht existierenden Gegenstand beschreiben.
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Auf der Grundlage dieser Daten werden mehrere Signale erzeugt, von
denen Jedes einem Punkt auf dem Gegenstand zugeordnet ist Dabei läßt man die Amplitude
eines jeden Gegenstandssignales der Amplitude des zugeordneten Punkte auf dem Gegenstand
entsprechen und weiter läßt man die Phase eines jeden Signales einer Phaseneigenschaft
des entsprechenden Punktes auf dein Gegenstand entsprechen. Jedes Gegenstandssignal
wird gedämpft und phasenverschoben und zwar um einen Betrag, der. der Entfernung
zwischen seinem entsprechenden Punkt auf dem Gegenstand und einer imaginären Hologrammebene
entspricht, die mit Abstand vom Gegenstand liegt. Die Gegenstandssignale werden
zueinander und zu einem Beugssignal vektoriell addiert, worauf weiter unten im einzelnen
eingegangen wird, um ein Signal zu erzeugen, dessen Größe die Intensität eines Punktes
in der imaginären ¼ Hologrammebene darstellt. Eine getrennte vektorielle Addition
wird dann zur Erzeugung einzelner Signale durchgeführt, deren Größe die Intensität
eines jeden Punktes in der imaginären Hologrammebene darstellt, bis eine ausreichend
große Anzahl von Punkten bestimmt wurde, um das vollständige Hologramm zu erzeugen.
Die den Punkten entsprechenden Signale werden dann auf einen Träger gespeichert,
der sichtbares Licht modulieren kann, z. B. einem photographischen Diapositiv, wobei
der Grad
der Durchlässigkeit bzw. das dortige Muster das Hologramm
des Gegenstandes ist.
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Die Gegenstandssignale kennen elektrische Signale sein, deren anfängliche
Amplitude und Ph derart eingestellt werden, daß sie der Amplitude und Phase der
entsprechenden Punkte aur dem Gegenstand entsprechen. Zur Erzeugung eines Punktsignales,
dessen Größe der Intensität eines Punktes in der imaginären Hologrammebene entspricht,
wird jedes Gegenstandssignal um einen Betrag gedämpft, der proportional der Entfernung
zwischen de. zugeordneten Punkt aut dem Gegenstand und dem Punkt in der zu bestimmenden
imaginären Hologrammebene ist und jödes Gegenstandssignal wird um einen Betrag phasenverschoben,
der proportional dieser Entfernung ist. In das Bezugssignal wird ebenfalls eine
Phasenverschiebung eingeführt, und zwar in Abhängigkeit von der Position des zu
bestimmenden Punktes. Die Gegenstandssignale und das Bezugasignal werden' dann vektoriell
zur Erzeugung des Punktsignales addiert. Wenn das nächste Punktsignal erzeugt werden
soll, muß der Betrag der Betrag und der Betrag der Phasenverschiebung der Gegenstandssignaleverändert
werden, weil die Entfernung zwischen den Punkten auf dem Gegenstand und dem nächsten
Punkt in der imaginären Hologrammebene sich ändert.
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Wahlweise können die Gegenstandssignale auch Signale sein, die in
einem von einem elektrischen Leiter unterschiedlichen Medium geleitet werden es
kann sich z. B. ul Mikrowellen-Signale handeln, Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung wird eine Vielzahl oder Reihe von Signalleitern vorgesehen,
wobei die einzelnen Signalleiter eine räumliche Zuordnung Zueinander haben, welche
der räumlichen Zuordnung der Punkte auf dem Gegenstand zueinander entspricht. Die
Anzahl oder Reihe von Signalleitern kann eine dreidimensionale Anordnung
sein
und einer dreidimensionalen Anordnung von Punkten auf dem Gegenstand entsprechen,
oder auch eine zweidimensionale Anordnung oder Ebene sein, wobei die Anordnung einer
Reihe von Punkten in einer einzigen Ebene des Gegenstandes entspricht.
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Das aus jedem Signal leiter dann austretende Signal wird so moduliert,
daß sein Größe und Phase der Größe und Phase des zugeordneten Punktes auf dem Gegenstand
entspricht. Die Signalleiter können aktive Quellen, wie z. B. Mikrowellen-Sender
sein oder passive Reflektoren, wie 8. B. Mikrowellen-Reflektorantennen. Im letzteren
Falle werden alle Reflektoren von einer einzigen quelle beleuchtet und ihre Reflektivität
wird in Abhängigkeit der über den Gegenstand verfügbaren Daten variiert.
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Ferner ist ein Empfänger vorgesehen. der eine Bb abtastet, die mit
Abstand von der Anordnung aus Signalleitern angeordnet ist, wobei die Abtastebene
die imaginäre Hologrammebene darstellt.
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Bei einer solchen Anordnung worden keine zusätzlichen Dämpfer oder
Phasenschieber benötigt, da die Gegenstandssignale notwendigerweise gedämpft sind,
und ihre Phase sich ändert, während sie von den Signal leitern in die Abtastebene
gelangen. Wenn eine dreidimensionale Anordnung von Signalleitern verwendet wird,
dann ist das Punktsignal, welches vom Empfänger aufgenommen wird, während er Uber
jeden Punkt in der Abtastebene streicht, die vektorielle Summe aller Gegenstandssignale
und eines Bezugssignales, welch letzteres von einer Bezugssignalquelle außerhalb
der Anordnung von Signalleitern geliefert wird. Die zweidimensionale Anordnung nimmt
jedoch eine andere entsprechende Stellung für jede Ebene an, durch welche der Gegenstand
dargestellt werden 8011 und die Anordnung entwickelt deiäß ein unterschiedliches
Punktsignal für jede Ebenen-Stellung.
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Für jede solche Stellung der Signalleiteranordnung MLß das dann vom
Empfänger aufgenommene Signal, wenn dieser eine Einzelabtastung Uber den entsprechenden
Punkt in der Abtastebene
macht, als Vektorgröße gespeichert werden
und dann vektoriell zu denjenigen Punktsignalen addiert werden, die für jede der
anderen Stellungen der Leiteranordnung entwickelt wurden, und ferner zu einem Bezugssignal,
damit auf diese Weise das vollständige Punktsignal entstehen kann. Das Speichern
kann £. R, auf Magnetband vorgenommen werden und dievektorielle Summierung kann
elektrisch durchgeführt werden. Die Punktsignale können z. B. dadurch in sichtbare
Signale umgewandelt werden, baß sie an einen Oszillographen gelegt werden und dann
der Bildschirm des Oszillographen zur Erzeugung eines Hologramm-Diapositivs photographitert
wird. Man kann auch zum Umsetzen der Punktsigiiale in sichtbare Form naoh dem im
US-Patent 3 400 363 beschriebenen Verfahren vorgehen.
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Es soll darauf hingewiesen werden, daß man beim Verfahren nach der
vorliegenden Erfindung auch chne Verwendung wahrnehmbarer Gegenstandssignale arbeiten
kann. Wenn einmal die die Amplitude und die Relativstellung darstellenden Daten
der Punkte auf einen Gegenstand bekannt sind, kann man eine Entfernung zwischen
dem Gegenstand und einer imaginären Hologrammebene annehmen, und weiter kann die
Stellung einer Bezugssignalquelle angeommen werden. Die Intensität eines jeden Punktes
in der imaginären Hologrammebene kann dann - z. B. mit einem Rechner - errechnet
werden. Diese Rechnlrngen umfassen einmal das Dämpfen der Amplitude eines Jeden
Gegenstandspunktes dadurch, daß man die Amplitude durch die Entfernung zwischen
dem Gegenstandspunkt und dem Funkt in der zu bestimmenden imaginären Hologrammebene
teilt, sowie das Phasenverschieben der Amplitude eines jeden Gegenstandspunktes
durch Annahme eines Signals einer willkUrlichen Wellenlänge, welches von jedem Gegenstandspunkt
ausgeht, und Errechnen der Anzahl der vollen und Teil-Zyklen, die zwischen dem Gegenatandspunkt
und
dem Punkt in der imaginären Hologrammebene auftreten, um die Phasenlage des angenommenen
Signals zu be.
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stimen, wenn dieses die imaginäre Hologrammebene erreicht.
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Dann wird ferner ein Bezugssignal angenommen und dieses wird vektoriell
während dieser Rechnungen zu dem angenommenen Gegenstandssignal addiert. Nachdem
die Größe , d. h. der Wert der Punkte in der imaginären Hologrammebene berechnet
wurde, kann man einen Oszillographen so einstellen, daß er Punkte entsprechender
Intensität darstellt, und dann kann Man zur Erzeugung eines Hologramms des Gegenstandes
den Oszillographenschirm photogrsphieren, Weitere Merkmalen, Vorteile und einzelheiten
sowie zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen
sowie aus der nun folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Hinweis
auf die Zelohnung. In dieser zeigen: Fig. 1 schematisch eine Anzahl von Punkten
aut eine. aufzuzeichnenden Gegenstand und eine imaginäre oder angenommene Hologrammebene;
Fig. 2 schematisch im Blockdiagramm eine Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung
zur Erzeugung eines"künstlichen" Hologramms; Fig. 3 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit einer Vielzahl von Signalleitern zur Erzeugung von Gegenstandssignalen,
welche vektoriell summiert werden; und Fig. 4 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel
dervorliegenden Erfindung, bei welchem eine ebene Anordnung vonr Signalleitern verwendet
wird.
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In der folgenden Beschreibung wird gesagt, daß die Punkte auf dem
aufzuzeichnenden oder zu speichernden Gegenstand jeweils eine Amplitude haben. Dieser
Ausdruck "Amplitude" bezeichnet eine VektorgröBe, die an jedem solohen Gegenstandspunkt
vorliegt und vektoriell ZU den Amplituden von anderen Gegenstandspunkten addiert
werden kann, tun einen resultierenden Vektor zu ergeben, oder die von einz Vektorsignal
dargestellt werden kann. Der Ausdruck "Intensität" bezeichnet die Helligkeit oder
Durchlässigkeit (Transmissivität) der Punkte in der imaginären Hologrammebene und
auf dem tatsächlich dann mit Hilfe der Erfindung hergestellten Hologramm.
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Ein typisches Vorgehen nsch der vorliegenden Brtlndung ist in Fig.
1 dargestellt, in welcher zunächst ein dreidimensionaler Gegenstand 10 dargestellt
ist. Der Gegenstand wird durch m Punkte Oi, O2 ... Om dargestellt. Bei dem gezählten
Beispiel bestimmen die Gegenstandspunkte den äußeren Umriß eines Flugzeuges. Wenn
der Gegenstand mit irgendwelcher Energie bestrahlt wird, dann kann man alle Gegenstandspunkte
als punktförmige Energiequellen betrachten. Also hat jeder Gegenstandspunkt O1 O2
- Om eine bestimmte Amplitude, z. B. eine bestimmte Helligkeit. Es wird eine entsprechend
große Anzahl von Gegenstandspunkten O1 - Om verwendet, um eine geeignete Darstellung
des dreidimensionalen Gegenstandes 10 zu erhalten.
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Die punktförmigen Quellen können die Lage und Amplitude von Punkten
auf einem tatsächlichen Gegenstand darstellen oder angenommene Stellungen bzw. Lagen
und angenommene Informationen von Punkten auf einem imaginären, d. h. nur in der
Vorstellung existierenden Gegenstand. In jedem dieser beiden PälU enthalten die
Gegebstandspunkte Informationen Uber die Lage und die Amplitude (der,, Punkte) so
daß diese Punktquellen in einrauher Weise von einem Analogsignal oder von numerischen
oder.
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digitalen Signalen dargestellt bzw. wiedergegeben werden können.
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Zur I3eleuchtung des Gegenstandes zum Zweeke der Erzielung von Daten
hinsichtlich Amplitude und Position der Gegenstandspunkte O1 - Om können Radarstrahlen,
Sonarstrahlen, Röntgen-Strahlen oder jede andere Energieart verwendet werden, wenn
man nur die erforderlichen Daten kennt.So können . B. die erforderlichen Daten aus
Laser- oder Lichtechos, künstlichen geophysikalischen Echos oder seismischen Wellen
erhalten werden.
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Weiter ist es nicht unhedingt notwendig, den G@genstand zu beleuchten,
da man auch selbstleuchtende Quellen, z. B. radioaktive Spurenelemente dazu verwenden
kann, Informationen über die Punkte auf dem zu erfassenden Gegenstand zu erhalten.
Weiterhin ist es auch möglich, die erforderlichen Daten über den Gegenstand anzunehmen.
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Aus den Daten betreffend die Amplitude und die Stellung der Gegenstandspunkte
O1 - Om wird die Intensität eines jeden der Vielzahl n der Punkte in einer imaginären
oder gedachten Hologrammebene 12 bestimmt. Die Punkte in der angenommenen Hologrammebene
werden mit den Symbolen H1 - Hn bezeichnet. Die Bestimmung der Intensität der Punkte
H1 - Hn kann in verschiedenen Weisen vorgenommen werden, was weiter unten noch erläutert
wird. Es gilt aber im ganzen, daß die Intensität eines jeden Punktes H, z. B. des
Funktes H1 das Ergehnis der vektoriellen Summierung der Signale von allen Punkten
O1 bis Om auf dem Gegenstand ist Die Addition des Bezugssignales zu den Signalen
von den Gegenstandspjnkten bewirkt, daß das resultierende Signal, welches die Intensität
aes Punktes H1 definiert, ein Interferenzsignal ist, welches nicht nur eine Amplitudeninformation
hinsichtlich der Gegenstandspunkte sondern
auch Phaseninformation
darstellt.
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Fig. 2 erläutert eine flöglichkeit des vektoriellen Addierens der
Signale von den Gegenstandspunkten mit einem Bezugssignal zur Bestimmung der Intensitäten
der Punkte H1 - Hn und zum anschließenden Umsetzen der resultierenden Intensitätsinformationen
hinsichtlich der Punkte H1 - Hn in ein optisches Hologramm.
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Es sind m Spannungsquellen V1, V2, ... Vm für die Gegenstandssignale
vorgesehen, wobei jeweils eine Spannungsquelle einem der Punkte Oi - Om des Gegenstandes
zugeordnet ist. Zweckmäßig haben die von den Spannungsquellen erzeugten Signale
Sinusform.
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Mit nicht gezeigten Mitteln wird die Anfangsamplitude und -Phase der
aus jeder Quelle kommenden Spannung so eingestellt, daß sie der Amplitude und Phase
des zugehörigen Gegenstandspunktes entspricht. Damit entspricht also Amplitude und
Phase der Spannung aus der Quelle V1 der, Amplitude und Phase des Gegenstandspunktes
C1. Das Ausgangssignal aus jeder Signalquelle V1 - Vm wird an eine Signalverarbeitungsanlage
einschließlich einer Dämpfungseinrichtung und einem Phasenschieber eingegeben.
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Das Ausgangssignal aus der Quelle V2 wird also einem Dämpfer A2 und
einem Phazenschieber F2 ein, gegeben.
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Die Einstellung der Dämpfer A1 - Am und der Phasenschieber F1 F1 hängt
ab vom angenommenen Abstand zwischen de Gegenstand 10 und der imaginären oder angenommenen
Hologrammebene 12. Dieser Abstand kann willkUrlich gewählt werden, nach einmal getroffener
Wahl muß er aber für alle Rechnungen, die zur Bestimmung der Intenzitäten der Punkte
H1 - Hn führen, gleich bleiben. Nachdem die Entfernung zwischen dem Gegenstandspunkt
°l und dem Hologrammpunkt H1 durch eine Annahme festgelegt wurde, wird der
Dämpfer
A1 so eingestellt, daß daa Signal aus der quelle V1 uin einen Betrag gedämpft wird,
der der tatsächlichen Dämpfung äquivalent ist, die dann auftrsten würde, wenn ein
Signal über die angenommene Entfernung zwischen den Punkten O1 und laufen würde.
Bekanntlich wird die Amplitude jedes Signales uun den Wert 1/d gedämpft, worin "d"
der Abstand Zwischen der Signalquelle und dem Auftreffpunkt des Signals ist. Jeder
der anderen Dämpfer AS - Am wird ebenfalls nach Maßgabe der Bntfernung zwischen
den entsprechenden Gegenstandspunkten O2 - Om und dem Punkt H1 in der imaginären
Hologrammebene 12 eingestellt, dessen Intensität zu bestimmen ist.
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Der Betrag der Phasenverschiebung', welche in jedes Signal aus .den
quellen V1 Vm durch die Phasenschieber F1 " Fm eingeführt wird, hängt nicht nur
von der angenommenen Entfernung zwischen dem Gegenstand 10 und der Hologrammebene
12 ab, sondern auch von einer angenommenen Wellenlänge der von den Gegenstandspunkten
O1 - Om ausgehenden Signalen. Es kann eine beliebige Wellenlänge gewählt werden,
solange sie nur kleiner ist als die Entfernung zwischen zwei benachbarten Gegenstandspunkten
O1 - Om, um eine gute Definition im optischen Hologramm sichtsicherzustellen. Weiter
muß diese einzige, einmal gewählte Wellenlänge in allen denjenigen Rochnungen verwendet
werden, die zur Bestimmung der Intensitäten der Punkte H1 - Hn führen.
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Nach einmaliger Wahl der Entfernung zwischen dem Gegenstandspunkt
O1 und dem Hologrammpunkt H1 und nach vorgenommener Wahl der Wellenlänge, die vom
Gegenstandspunkt O1 ausgeht, wird der Phasenschieber F derart eingestellt, daß die
Phase des Signals aus der Quelle V1 äquivalent der Phase eines tatsächlichen Signals
der gewählten Wellenlänge zu dem Zeitpunkt ist, an welchem das Signal den Punkt
H1 auf der imaginären Hologrammebene trifft. Die Phasenlags eines solchen echten
elektromagnetischen Signales kann dadurch bestimmt werden, daß man die
Entfernung
zwischen den Punkten °1 und H1 durch die Wellenlänge teilt, wobei der Bruchteil
des Quotienten diejenige Stelle im Zyklus des Signales anzeigt;, an welcher es den
Punkt H1 erreicht, wodurch also die Phasenlage des Signale zum zeitpunkt des Auftreffens
angezeigt wird. Jeder der anderen' Phasenschieber F2 - Fm wird ebenfalls in Abhängikeit
der Entfernung zwischen den entsprechenden Gegenstandspunkten O2 - Om und dem Punkt
H1 eingestellt.
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Die Einstellung' der Dämpfer und Phasenschieber kann nach Durchführung
entsprechender Rechnungen von Hand durchgeführt werden.
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Man kann auch einen Rechner derart einrichten, daß er diese Rechnungen
durchführt und dann auch die Dämpfer und Phasenschieber dementsprechend einstellt
Die Ausgänge aller Phasenschieber F1 - Fm werden an eine Schaltung 19 angelegt,
welche die Ausgangsgrößen vektoriell summiert. An diese Schaltung 19 wird ferner
ein Bezugssignal aus einer Bezugssignalquelle 18 gelegt, welches zuvor durch einen
Phasenschieber 17 läuft. Um ein Interferenzmuster zu simulieren, welches analog
einem solchen Interteren-uster ist, bei dessen Erzeugung der Bezugsstrahl des optischen
Hologrammsystems unter einem Winkel zu den vom Gegenstand reflektierten Lichtwellen
einfällt, wird eine Phasenverschiebung mittels des Phasenschiebers 17 in das Bezugseignal
gebracht Hier ist folgendes zu erläutern@ Wenn ein Bezugsstrahl mit sinusförmiger
Wellenform tatsächlich mit einem Winkel zur imaginären Hologrammebene 12 auf diese
Ebene gerichtet würde, dann ändert sich die Phase des Bezugsstrahls@während der
auf die verschiedenen Pepel oder Linien der gedachten Hologrammebene fällt.
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a. B. der positive Ausschlag der Bezugswelle die Oberseite der gedachten
Hologrammebene trifft, wird offensichtlich irgendeine
negative
Halbwelle der Welle irgendeinen Punkt unternalb der obersten Seite der Hologrammebene
treffen. Also wird dei Phasenschieber 17 eine beliebige Einstellung gegeben, wenn
die Punkte H1 ..., welche entlang der obersten waagrechten Linie von Punkten in
der Ebene 12 bestimmt werden. Wenn die Punkte in der darunterliegenden horizontalen
Linie der Ebene 12 bestimmt werden, wird der Phasenschieber 17 in der Weise verstellt,
daß er das Bezugssignal aus der Quelle 18 um den Betrag verschiebt, welcher der
Phasenverschiebung in einem Bezugsstrahl entsprechen würde, den ein Betrachter als
in der Betrachtungsebene sich abwärts bewegend schen würde.
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Die Art und Weise, in welcher die Intensität des Punktes H1 bestimmt
wird, wurde bereits beschrieben. Nach der Bestimmung des Punktes H1 kann die beschriebene
Vorrichtung dazu verwendet werden, die Intensität des Punktes H2 zu bestimmen, indem
einfach die Phasenschieber F1 - Fm und die D@mpfer A1 - Am neu eingestellt werden.
Auf diese Weise können alle Punkte H1 - Hn nacheinanader mittels eines Satzes von
Spannungsquellen V1 - Vm, die Signalverarbeitungskreise, die Summierschaltung und
die Bezugsquelle bestimmt werden. Wahlweise kann nan auch n solche Sätze von Scháltmitteln
vorsehen, wobei alzo ein Satz dazu verwendet wird, die Beztimmung der Intensität
eines Punktes in der angenommenen Hologrammebene vorzunehmen. In einer solchen Anordnung
würden alle diese Punkte gleichzeitig bestimmt. In Fig. 2 ist ein solcher zweiter
Satz im ganzen mit dem Bezugszeichen 15 angedeutet und der n-te Satz ist itt dem
Bezugszeichen 16 angedeutet.
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Zum Umsetzen des Ausgangssignales der Summierschaltung 19, welches
die Größe der Intensität des Punktes auf dem zu bestimmenden imaginären Hologramm
darstellt, in die sichtbare Form
wird daß Signal als Modulation
an den Z-Achsen-Eingang eines Oszillographen 20 gelegt. Das Oszilloskop wird dabei
in solcher Weise getriggert bzw. gesteuert, daß das sichtbare Signal auf dem Oszillographenschirm
21 an einer Stelle erscheint, die der Stelle des Punktes auf der angenommenen Hologrammebene
entspricht. Damit entspricht der sichtbare Punkt 81 dem Punkt H1 und der Punkt Sn
entspricht dem Punkt Hn (der angenommenen Hologrammebene). Der Oszillographenschirm
kann dan von einer Kamera 20 abphotographiert werden, woraus sich ein transparentes
Hologramm ergibt. Das Hologramm ist dann eine Aufzeichnung bzw. Wiedergabe des tatsächlichen
oder gedachten angenstandes 10, der seinerseits durch die Vielzahl der Gegenstandspunkte
O1 - Om dargestellt wird. Die Art und Weise der Betrachtung des Diapositiv-Bildes
kann z. B. dieselbe sein, die in der US-Patentanmeldung 533 522 vom 10. März 1966
beschrieben ist.
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Im obenbeschriebenen Beispiel werden von entsprechenden Leitern fortgeleitete
elektrische Signale verwendet. Selbstverständlich kann man in einer ähnlichen Anordndng
auch elektromagnetische Wellen anstelle der elektrischen Signale und entsprechende
Wellenleiter anstelle der elektrischen Leiter verwenden. Eine andere Möglichkeit
ist die Verwendung von Lichtwellen, die durch optische Faserbündel geleitet werden;
man kann auch akustische Wellen in flüssigkeit- oder gasgefüllten Rohren oder in
festen Leitern verwenden. In jedem Fall werden geeignete Dämpfer und Phasenschieber
verwendet, die etwa den des obenbeschriebenen Beispiels hinsichtlich der Funktion
entsprechen.
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In Fig. 3 ist eine weitere Anordnung zum vektoriellen Summieren der
Signale von Gegenstandspunkten O1-Om mit einem Bezugssignal dargestellt. Bei dieser
Anordnung ist eine räumlich kubische Anordnung 30 aus Signalleitern vorgesehen.
Die Signal leiter
können aktive Signalquellen, z. B. Audio-Oszillatoren
oder Mikrowellen-Sender sein, oder auch passive, duroh Reflexion wirkende Quellen,
z. 13. Mikrowellen-Dipol- Antennen. Hier soll angenommen werden» daß die Signalleiter
Mikrowellen-Sender sind, von denen jeder ein Signal mit der gleichen frequenz wie
alle anderen Sender erzeugt und außerdem in Phasenkohärenz mit den Signalen der
anderen sender steht.
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Da die Anordnung der Sender eine dreidimensionale ist, kann offensichtlich
eine Anzahl m Sender gewählt werden, welche dieselben Lagen haben, wie die Punkte
O1-Om auf dem aegenstand. Diese auzgewählten Sender P1 - Pm sind in Fig. 3 ausgefüllt
dargestellt (auf der den Beschauer zugewandten Ecke des Kubus 30). Mit Abstand von
der Anordnung 30 ist eine Empfangseinrichtung, z. B. ein Mikrowellen-Empfänger 31
auf einer Abtasteinrichtung 32 angeordnet, wobei diese Abtasteinrichtung dazu dient,
den Empfänger 31 über eine Empfangsebene 33 zu verfahren, welche ihrerseits die
gedachte oder imaginäre Hologrammebene darstellt. Außerhalb der Anordnung t ist
an einer mehr oder minder beliebigen Stelle ein weiterer Mikrowellen-Sender 34 aufgestellt,
der ein Bezugssignal erzeugt, dessen Frequenz gleich ist der Frequenz der Signale
von den Sendern in der Anordnung und dessen Strahlung kohärent mit der Strahlung
der Sender ist. Die Anordnung 30, die Bezugsquelle 34 und der Empfänger 91 sind
in einem solchen Medium oder Träger angeordnet, daß die von den Sendern ausgehenden
Wellen in diesem Medium auch fortgeleitet werden. Das Medium kann z. B. luft oder
Wasser sein.
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Im Betrieb werden die Sender P1 Pm aktiviert und es wird durch nicht
gezeigte Mittel die Amplitude des aus jedem Sender kornmenden Signals so eingestellt,
daß sie der Amplitude des Gegenstandspunktes O1 -Om entspricht, welchen der jeweilige
Sender
darstellt.
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Der Empfänger 31 wird zunächst in eine Ausgangsstellung, 2. B. auf
den Punkt H1 in der Abtast- oder Holograrrebene gebracht. Das vom Empfänger 31 empfangene
Signal ist offensichtlich die Vektorsumme aller Signale, die aus den Sendern P1-Pm
kommen, und des Bezugssignales von der Quelle 34. Weiterhin werden die Signale aus
den Sendern P1 - P~ notwendigerweise ipft, wenn sie auf die Abtastebene 33 zulaufen,
und die Phase der Signale ändert sich bei diesem Weg, wobei der Betrag der Dämpfung
der Signale und deren Phase bei Eintreffen am Empfänger 31 abhängen von der Entfernung
zwischen jedem Sender und der Stelle H1 des Empfängers. Das vom Empfänger 31 empfangene
Signal kann mathematisch wie folgt ausgedrückt werden: Es wird angenommen, daß Pm
eine bestimmte Quelle ist; Hn ist ein einzelner Punkt in der Abtastebene; Rn ist
das am Punkt Hn auftreffende Bezugssignal und rmn ist die Entfernung zwischen P
und W dann ist die Intensität am Punkt Hn durch folgende Vektorsummierung darstellbar:
Intensität von
Ersichtlich leistet die Anordnung nach Fig. 3 automatisch die Punktion der Dämpfer
A1 Am der Fig. 2 sowie die Funktion der Phasenschieber F1 - Fm der Fig. 2. Offensichtlich
muß auch kein dem Phasenschieber 17 nach Fig. 2 entsprechender Phasenschieber der
Bezugsquelle 34 zugeordnet werden.
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Der Empfänger 31 wird von Punkt zu Punkt in der Abtastebene weitergefahren
bis er ein Signal an jedem der Punkte H1 - Hn empfangen hat, Die Art und Weise,in
welcher die vcmr Empfänger
31 empfangenen Signale in sichtbare
Form überführt und dann zur Erzeugung eines Hologramms aufgezeichnet worden, kann
der unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläuterten Weise entsprechen oder es kann nach
dem in der obengenannten US-Patontanmeldung erläuterten Verfahren vorgegangen werden.
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Bei dem unter Hinweis auf Fig. 3 erläuterten Ausführungsbeispiel wurden
die Signalleiter P1 - Pm als aktive Quellen beschriehen. Es können aber vorzugsweise
auch passive Reflektoren, z. B. Dipol-Antennen als Signalleiter oder Signalquellen
vorwendet werden. In einem solchen Falle wird eine Quelle kohärenter Energie, z.
B. ein Mikrowellen-Sender 35 zur @@@@@chtung der Anordnung 30 verwendet. Wie oben
erwühnt wurde, entsprechen einige Leiter der Anordnung 30 Punkten O1 - Om auf dem
Gegenstand und jode dieser Antennen hat eine derart eingestellte Reflektivität,
daß die Größe und Phase des von dem Einzelreflektor reflektierten Signales den entsprechenden
Daten desjenigen Punktes auf dem Gegenstand entspricht, für den der entsprechende
Reflektor steht. Die Refloktivität der Dipol-Antennen kann z. B. dadurch eingestellt
werden, daß man die Impedanz im Zentrum des Dipols verändert. Diejenigen Antennen
in der Anordnung, welche nicht irgendeinem Punkt des Gegenstandes entsprechen, läßt
man keine Energie reflektieren. Die Bezugsquelle 34 kann durch einen Reflektor ersetzt
werden, oder es kann eine aktive Bezugssignalequelle verwendet werden, solange deren
Frequenz nur dieselbe ist, wie die Frequenz der Beleuchtungsquelle 35 und mit dieser
kohärent strahlt.
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Die Anordnung von Signalleitern muß nicht notwendigerweise dreidimensional
sein, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Wahlweise kann auch eine zweidimensionale Anordnung
von Signalleitern verwendet werden. Eine solche Anordnung ist in Fig. 4 gezeigt.
In Fig. 4
ist eine Anzahl von Tomogrammen 50 dargestellt. Selbstverständlich
können auch Ebenen-Daten verwendet werden, welche aus dreidimensionalen Daten eines
Gegenstandes gewonnen wurden.
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Unter "Tomogrammen" versteht man Röntgen-Photographien in verschiedenen
Ebenen eines Objekts, z. B. eines Organs des menschlichen Körpers. Damit enthält
jedes der Tomogramme 50a, 50b usw.
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Informationen tiber Punkte des Gegenstandes, die in der jeweiligen
Ebene liegen. Wenn jedes Tomogramm einzeln von hinten beleuchtet wird, z. B. mit
einer Lichtquelle 52, erhält man Amplituden-Informationen über jede gewünschte Anzahl
von Gegenstandspunkten in der Ebene, welche dem beleuchteten Tomogramm entspricht.
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Es soll angenommen werden, daß zunächst das Tomogramm 50a von der
lichtquelle 52 beleuchtet wird. Eine entsprechend große Anzahl von in einer Fläche
oder in einer Rahmen 54 angeordneten Photozellen kann dazu verwendet werden, die
Helligkeit einer diskreten Anzahl von Punkten des Tomogrammes zu bestimmen. Diese
Helligkeitsinformation wird dazu verwendet, die Signalleiter 58 ia der Ebenen-Anordnung
56 einzustellen, d. h. praktisch zu modulieren, so daß jeder Signalleiter, der eine.
Punkt auf dem Tomogramm entspricht, ein Signal erzeugt, dessen Größe der Helligkeit
desjenigen Punktes im Tomogramm entspricht, welcher von dem jeweiligen Signalleiter
dargestellt wird. Die kohärenten Signale von den Signalleitern 58 werden zusa-en
mit einem kohärenten Bezugssignal aus einer Quelle 60 auf einen nicht gezeigten
Empfänger geleitet, der die Abtast- oder Aufzeichnungsebene 62 abtastet, wie oben
unter Bezugnahme auf den Empfänger 31 erläutert wurde. Alle vom Empfänger beim Abtasten
über die Punkte H1 - Hn in der Abtastebene aufgenommenen Signale werden dann in
solcher Weise aufgezeichnet bzw. gespeichert, daß Phasen- und Amplitudeninformationen
erhalten bleiben; hierzu kann man ein Magnetband als Speicher verwenden.
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Dann wird das nächste Eomogramn 90b beleuchtet und die Photozellen-Anordnung
54 wird entsprechend erregt. Davor wurde jedoch die Anordnung 56 bezüglich der Ebene
62 um eine Strecke verschoben, welche dem Abstand zwischen den Tomogrammen 50a und
50b entspricht. Dann werden wieder die Wellenleiter 58 so eingestellt bzw. moduliert,
daß die Amplitude des Signals aus jede Wellenleiter der Helligkeit desjenigen Punktes
auf des Tomogramm entspricht, der von einem bestimmten Wellenleiter dargestellt
wird. Die vom Empfänger in der Abtastebene 62 aufgefangenen Signale werden aufgezeichnet.
Nach Beleuchtung aller Tomogramme und Aufzeichnung bzw. Speicherung der entsprechenden
Signale in der Abtastebene mUssen die Aufzeichnungen, die jedem Punkt in der Abtastebene
entsprechen vektoriell addiert werden.
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Diese vektorielle Summierung kann elektrisch errolgen, um ein zusammengesetztes
Signal für jeden Punkt Zu erhalten.
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Aus diesen zusammengesetzten Signalen wird dann ein photographisches
Diapositiv, d. h. eine transparente Darstellung hergestellt, die dann ein Hologramm
des Gegenstandes ist, der auf den Tcm0-grammen 50 aufgezeichnet ist.
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Es ist noch darauf hinzuweisen, daß bei den Ausführungsbeispielen
nach den Figuren 3 und 4 das Bezugssignal nicht notwendierweise von einer Quelle
34 bzw. 60 geliefert werden muß, welche das Bezugssignal auf die Abtastebene richtet.
Das Besugssignal kann auch ein elektrisches Signal sein, welches an einem Punkte
zwischen dem Empfänger 31 und dem Oszillographen eingeführt wird.
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In einem solchen Falle wird ein Phasenschieber vorgesehen, um die
Phase des Bezugssignals zu verschieben, wodurch ein Interferenzmuster simuliert
wird, wie dies oben unter Bezug auf den Phasonschieber 17 in Fig. 2 beschrieben
ist. Die Anordnung kann dabei wieder z. B. so sein, wie dies in der obengenannten
amerikanischen Patentanmeldung beschrieben ist.
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Die vorliegende Erfindung schafft mithin ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Erzeugung eines optischen "künstlichen" Hologramms aus Daten, die nicht unmittelbar
aus reflektierter Energie vom aufzuzeichneneden Gegenstand stammen. Mit Hilfe der
Erfindung ist es möglich, Überhaupt Keinen Gegenstand zu verwenden, sondern, vielmehr
statt dessen eine Anzahl angenommener oder gerechneter Signals, welche den Gegenstand
darstellen. Hs werden zur Herstellung eines solchen "kunstlichen" Hologramm@ nur
Daten benötigt, welche die Intensität und die relative Lage einer ausreichenden
Anzahl von Punkten auf dem Gegenstand darstellen.
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Patentansprüche