DE1945789C3

DE1945789C3 - Verfahren zur Aufnahme von Phasenhologrammen mit Blaze

Info

Publication number: DE1945789C3
Application number: DE1945789A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Phys. Dr. 2081 Tangstedt Dammann
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1968-09-17
Filing date: 1969-09-10
Publication date: 1974-12-19
Also published as: DE1945789A1; FR2061242A5; FR2018274A1; CA943798A; US3609591A; NL7013166A; NL6813243A; DE1945780A1; DE1945789B2; GB1329005A; GB1266375A; SE362300B

Description

Es ist bekannt, bei der Rekonstruktion aus synthetischen Phasenhologrammen störende Nebenbilder weitgehend zu unterdrücken und den größten Teil des Lichtstroms in das gewünschte Bild zu lenken. (L. B. Lesern, P. M. Hirsch, J. A. Jordan, Jr: The Kinoform: A New Wavefront Reconstruction Device, IBM J. Res. Dev., March 1969; H. Dammann: Computer Generated Phase Holograms, Physics Letters 29 A, 1969.) Das wird dadurch erreicht, daß die Hologrammstruktur von vornherein nach diesen Gesichtspunkten errechnet wird. Dieses Phasenrelief ist dann — innerhalb der durch den Synthetisierungsprozeß gezogenen Grenzen — dem gewünschten Bild optimal angepaßt.

Ein von Sheridon (Appl. Phys. Letters, 12 [1968], S. 316 bis 318) angegebenes direktes Aufnahmeverfahren hat zum Ziel, dünne Phasenhologramme mit sogenannten »blaze« aufzunehmen und so den Wirkungsgrad bei der Rekonstruktion zu erhöhen, indem durch eine gegenläufige Referenzwelle stehende Wellen in der Hologrammebene erzeugt werden, deren Phasenflächen den Phasenflächen ψ (χ; y) der Objektwelle entsprechen. Durch eine spezielle Photolacktechnik werden diese Phasenflächen stückweise an der Oberfläche des Hologramms wiedergewonnen und mit einer dünnen reflektierenden Schicht bedampft. Bei der Rekonstruktion im reflektierten Lichi erhält so die Referenzwelle eine Phasenvtrzögerung 2 · ψ (χ, ν). Dieses Verfahren liefert also bei der Rekonstruktion eine verzerrte Wellenfront und somit ein verzerrtes Bild.

Eine weitere Möglichkeit, bei der holographischen Rekonstruktion unerwünschte Beugungsordnungen zu

ίο unterdrücken, besteht in der Verwendung sogenannter dicker (oder Volumen-) Hologramme. Dabei wird bei der Aufnahme ein räumliches Gitter erzeugt, das nach der Bragg-Bedingung vorzugsweise nur Wellen einer bestimmten Fortpflanzungsrichtung durchläßt.

Als Aufnahmematerial kann man photographische Schichten oder gewisse Kristalle (z. B. LiNbO₁) verwenden. Diese Verfahren mit dicken Hologrammen liefern einen wesentlichen Effekt, d. h. wesentliche Unterdrückung der unerwünschten Beugungsordnung, nur bei großen Raumfrequenzen im Hologramm, d. h. großen Winkeln zwischen Objektwelle und Referenzwelle (E. N. Leith, A. Kozma, J. Upatnieks, J.Marks, N. Massey: Holographie Data Storage in Three-Dimensional Media,

Appl. Optics, 5 [1^661, S. 1303).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Aufnahme von Phasenhologrammen mit Blaze anzugeben, das auch für kleinere Raumfrequenzen geeignet ist und das unverzerrte Bilder liefert. Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß in der Hologrammebene dem Interferenzmuster aus Objekt-Wellenfront und planer Refercnzwelle ein Interferenzmuster intensitätsmäßig überlagert wird, das durch Überlagerung einer zweiten Wellenfront mit einer planen Referenzwelle doppelter Neigung entsteht, wobei die der zweiten Wellenfront entsprechende Phasenverteilung des Lichts in der Hologrammebene sich von der der Objekt-Wellenfront entsprechenden Phasenverteilung ledig-Hch durch eine Verdopplung des Betrages der Phasenunterschiede zwischen den verschiedenen Orten unterscheidet.

Das Aufnahmeverfahren nach der Erfindung liefert Phasenhologramme mit »Blaze« und somit erhöhtem Wirkungsgrad, wobei die ursprüngliche Wellenfront unverzerrt rekonstruiert wird, d. h. die Nebenbilder, die den unerwünschten Ordnungen bei einem Gitter entsprechen, werden durch die spezielle Formgebung des Phasenreliefs, die dem sogenannten »Blaze« bei Gittern entspricht, unterdrückt, wobei genau wie beim »Blaze« die Intensität im gewünschten Bild — in der gewünschten Ordnung — entsprechend gesteigert wird.

Das Verfahren ist besonders, aber nicht ausschließlieh gut geeignet für niedrige Raumfrequenzen im Hologramm, d. h. für kleine Winkel zwischen Objektwelle und Referenzwelle.

Am Beispiel eines Punkthologramms wird ein Ausführungsbeispiel des neuen Verfahrens zunächst näher erläutert und anschließend auf Hologramme allgemeinerer Objekte angewendet werden. Dazu ist in F i g. 1 veranschaulicht, wie die von der Punktlichtquelle (Objekt) bei / ausgehende Kugelwelle auf die Hologrammebene r, r fällt. Bei der Aufnahme des Punkthologramms werden neben der ursprünglichen Punktlichtquelle Nebenpunktlichtquellen N benutzt, die auf der optischen Achse in Abständen f/2, //3, //4 usw. von der Hologrammebene liegen und geeig-

nete Stärken haben. Die von diesen Punkten ausgehenden Kugelwellen werden mit der ursprünglichen Kugelwelle und — der in F i g. 1 nicht gezeichneten — Referenzwelle in der Hologrammebene überlagert. Die dort entstehende Intensitätsvirteilung wird in der S Hologrammplatte, also z. B. iu einer photographischen Schicht gespeichert. Durch einen physikalischen Prozeß, z. B. durch Ausbleichen der Photoplatte, wird dann aus dieser Intensitätsverteilung eine Phasen-Struktur gemacht. ">

F}g. 2 veranschaulicht die Entstehung dieser Phasenstruktur für einen speziellen Prozeß, bei dem die resultierende Phasenstruktur proportional zur auftreffenden Intensität ist. In F i g. 2 a ist zunächst — in relativen Einheiten — gezeichnet, wie die Amplitudenverteilung (1 +sinx) und die Intensitätsverteilung (1 -t- sinx)² in der Hologrammebene bei einer Aufnahme mch Fig. 1 aussehen würden, wenn — außer der Referenzwelle — nur rte Punktlichtquelle bei / verwendet würde. Die Abzisse χ steht für r-(Fig. 1; r -- Radius in der Hologrammebene) in willkürlichen Einheiten. Bei dem angenommenen linearen Umwandlungsprozeß der Intensitätsverteilung in eine Phasenstruktur würde also die Phasenstruktur ebenfalls die Form (1 +sin Jt)* haben.

In Fig. 2b ist der Amplitudenverteilung nach Fig. 2a eine Amplitude überlagert, die von der Punktlichtquelle bei //2 herrührt und also mit sin (2x) variiert (in hinreichender Nähe des Zentrums). Die Intensitätsverteilung und somit die Phasenstruktür hat etwa die Form

(a₀ -t- sin χ + a, sin 2 x)¹,

wobei a₀ (Referenzwelle) und a.₂ relative reelle Amplituden angeben. In Fig. 2 b ist a_i = 's, und a_a ist so gewählt, daß die Kurven nicht unter der Abzisse verlaufen.

Man sieht, wie durch Überlagerung der Kugelwelle von der Nebenpunktlichtquelle N mit dem Abstand i/l ein unsymmetrisches Phasenprofil entsteht. Durch diese Unsymmetrie, die dem bekannten »Blaze« bei Gittern entspricht, werden die Nebenbilder in den entsprechenden Nebenordnungen unterdrückt, und die Intensität im gewünschten Punktbild erhöht sich entsprechend (theoretisch von 34 auf 55 ⁰Zo).

Durch Verwendung weiterer Punktlichtquellen läßt sich der »Blaze« der Fig. 2 noch bedeutend verbessern.

Die Übertiagung des Prinzips auf allgemeinere Objekt-Wellenfronten geht aus von der Lage der Phasenflächen der einzelnen Kugelwellen in der Hologrammebene nach Fig. 1. Die entsprechenden Werte der Phasendifferenz zwischen zwei gegebenen Punkten in der Hologrammebene sind — in paraxialer Näherung — 2ψ,3ψ, 4ψ usw., wenn ψ die Phasendifferenz der ursprünglichen Objekt-Kugelwelle ist.

Bei allgemeineren Objekt-Wellenfronten ψ, die keine Kugelwellen sind, kann man die notwendigen Wellenfronten 2 ψ, 3 ψ usw. selbst in paraxialer Näherung nicht mehr einfach durch Verschieben des Objekts in die Abstände //2, //3 usw. erzeugen.

Folgendes hier vorgeschlagenes Verfahren liefert diese Wellenfronten 2 y>, 3 ψ usw.

Man stellt zunächst in bekannter Weise ein Hologramm von der zu rekonstruierenden Objektwelle her, indem man diese Welle mit einer planen Referenzwelle, die unter dem Winkel \ zur Richtung der Objektwelle einfällt, zur Interferenz bringt und das entstehende Wellenfeld intensitätsmäßig aufzeichnet. (Man kann prinzipiell auch nicht plane Referenzwel-Jen verwenden.) Als Reaktion des holographischen Aufnahmematerials soll — direkt oder nach geeigneter physikalischer Behandlung — ein Phasenrelief entstehen (Beispiel: Ausbleichen einer photographischen Emulsion), dessen funktionale Abhängigkeit von der auftreffenden Intensitätsverteilung bekannt ist.

Bei der Rekonstruktion aus diesem Phasenhologramm entsteht dann das ursprüngliche Wellenfeld >,·, wenn das Hologramm unter dem Winkel \ mit der Referenzwelle beleuchtet wird (F i g. 3 a). Beleuchtet man nun das Hologramm mit der Referenzwelle unter dem Winkel 2», so entsteht das Wellenfeld 2 ψ (Fig. 3b). Allgemein entsteht bei Beleuchtung unter dem Winkel n* das Wellenfeld ny, wobei dessen Stärke und relative Phase durch Stärke und relative Phase der jeweiligen Referenrwelle eingestellt werden kann.

Bei der Herstellung des endgültigen Phasenhologramms mit »Blaze« werden nacheinander die Wellenfronten v'i 2 ψ, 3 ψ usw. mit der Referenzwelle, die unter dem entsprechenden Winkel *, 2 -v, 3 » usw. auf das neue Hologramm einfällt und geeignete Stärke und relative Phase hat, zur Interferenz gebracht. Das entstehende Interferenzmuster wird intensitätsmäßig aufgezeichnet und in ein Phasenmuster umgewandelt. Dieses Phasenrelief hat einen »Blaze« und liefert bei der Rekonstruktion, d. h. Beleuchtung mit der Referenzwelle unter dem Winkel *, das Wellenfeld ψ mit verstärkter und die übrigen Wellenfronten

nxp{n = 0, -1, ±2. ±3.. )
mit entsprechend geschwächten Amplituden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Paten tansprüche:

1. Verfahren zur Aufnahme von Phasenhologrammen mit Blaze, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hologrammebene dem Interferenzmuster aus Objekt-Wellenfront und planer Referenzwelle ein Interferenzmuster intensitätsmäßig überlagert wird, das durch Überlagerung einer zweiten Wellenfront mit einer planen Referenzwelle doppelter Neigung entsteht, wobei die der zweiten Wellenfront entsprechende Phasenverteilung des Lichts in der Hologrammebene sich von der der Objekt-Wellenfront entsprechenden Phasenverteilung lediglich durch eine Verdoppelung des Betrages der Phasenunterschiede zwischen den verschiedenen Orten unterscheidet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als ein zusätzliches Interferenzmuster überlagert wird, wobei die Phasenunterschiede bei den zusätzlichen Wellenfronten ganzzahlige Vielfache der Phasenunterschiede bei der Objekt-Welle betragen und die Neigungen der zusätzlichen Referenzwellen die gleichen ganzzahligen Vielfachen der Neigung der ursprünglichen Referenzwelle sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der planen nicht plane Referenzwellen verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Wellenfronten durch Rekonstruktion aus einem Phasenhologramm gewonnen werden, in dem nur das Interferenzmuster aus Objekt-Wellenfront und einer geneigten Referenzwelle intensitätsmäßig nichtlinear aufgezeichnet ist, wobei dieses Hologramm nacheinander mit der Referenzwelle seibst und mit Referenzwellen ganzzahlig-vielfacher Neigung beleuchtet wird.