DE1955199C - Verfahren und Vorrichtung zur Her stellung von Hologrammen - Google Patents

Description

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! Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Hologramms von einem Objekt, bei dem eine fotografische Platte gleichzeitig mit einem Objektstrahl kohärenten Lichtes, das von dem durch eine kohärente Lichtquelle beleuchteten Objekt reflektiert wird und mit einem Bezugsstrahl von der kohärenten Lichtquelle belichtet wird.

Die Kohärenzlänge des Lasers bezieht sich auf den maximalen Abstand längs des Laserstrahles, in dem C5 sich die Wellen in einer festgelegten begrenzten PhasiMibeziehung zueinander befinden.

Wenn Laserlicht zur Herstellung eines Hologramms verwendet wird, kann diese Koharenzlange ils ein Maß für die maximale Tiefe des raumlichen Feldes genommen werden, in dem eine holografische Abbildung erreicht werden kann. Wenn nämlich Licht von zwei Punkten reflektiert wird, deren Abstand größer als die Kohärenzlänge ist, so kann eine holografische Abbildung dieser Punkte nicht mit einem einigen Bezugsstrahl erreicht werden.

Es sind bereits Anordnungen vorgeschlagen worden um diese Begrenzung zu beseitigen. Keine dieser Anordnungen war jedoch erfolgreich. So hat man das Licht eines Lasers in zwei Bezugsstrahlen geteilt, U^ eine lichtempfindliche Schicht von getrennten Punkten aus beleuchten, wobei zwei verschiedene Weglängen zwischen dem Laser und der lichtempfindlichen Schicht auftreten. Die Hauptschwierigkeit, auf d,-man bei diesem Verfahren trifft, besteht dann, dab das entstehende Hologramm mit genau der gleicher-Lichtanordnung während der Wiedergabe beleuchu werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hr logramm eines Objekts mit Abmessungen herzush■; len, die die Kohärenzlänge eines Lasers überschreiten

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß de: Bezugsstrahl durch Aufspaltung des Strahls einer kohärenten Lichtquelle in zwei Teilstrahlen verschiedener Weglänge und anschließendes Zusammenfass.·η dieser Teilstrahlen durch eine Linse gebildet wird. Jeder beliebige Punkt in diesem zusammengesetzt«, ρ Strahl enthält dann Lichtwellen, die zu verschiedener. Zeitpunkten vom Laser ausgesandt wurden. Dieser Strahl wird auf die lichtelektrische Schicht projiziert, so daß alle Komponenten die gleiche Wellenfrontkrümmung haben. Die Komponenten des Strahls bildden eine kohärente Interferenz mit Licht, das von im großen Abstand liegenden Punkten des Objekts reflektiert wird, um gleichzeitig in wirkungsvoller Weise eine Vielzahl von Hologrammen auf einer einzigen Platte abzubilden. Die Rekonstruktion des optischen Bildes des Objektes nach der Entwicklung des entstandenen Hologramms kann dadurch erfolgen, daß man eine normale Quelle verwendet, da die Krümmungen der Wellenfronten der Komponenten des Bezugsstrahles, die das Hologramm bilden, identisch sind.

Die Projektion des zusammengesetzten Strahls auf die lichtelektrische Schicht erfolgt durch ein Linsensystem, das vorzugsweise einen Teil eines Raumfilters bildet, um sicherzustellen, daß die Wellenfronten der Teile des Bezugsstrahls die gleiche Krümmung an der Platte unabhängig von der Weglänge haben, die der Teil bei der Ankunft der Platte durchläuft. Das Hologramm, das nach Entwicklung der fotografischen Platte entsteht, kann beleuchtet werden, um das Bild des Objekts zu rekonstruieren, und zwar in der gleichen Weise wie ein normales Hologramm unter Verwendung einer einzigen Quelle kohärenten Lichts. Das ist die Folge der Tatsache, daß das Verhältnis des Krümmungsradius der Wellenfront des Bezugsstrahles und des Krümmungsradius der Krümmungen des rekonstruierenden Strahls für alle Teile des Bezugsstrahles konstant ist.

Die Erfindung kann auch unter Verwendung eines zusammengesetzten Objektstrahls und eines einzigen Bezugsstrahls eingesetzt werden, anstatt umgekehrt. Ein solcher zusammengesetzter Objektstrahl kann in genau der gleichen Weise wie der Bezugsstrahl in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ab-

geleitet werden, das im nachfolgenden m beschreiben sein wird.

Die Apparatur zur Herstellung des zusammengesetzten Strahls kann aus beliebigen einer Vielzahl von Interferometervorrichtungen bestehen. Sie können Strahlen mit jeder beliebigen Anzahl von Komponenten erzeugen, die unterschiedliche Wege durchlaufen Dabei muß man sich vergegenwärtigen, daß es eine obcc Grenze für die Anzahl der Strahlenkomponenten gibt, die eingesetzt werden können, da jede Kornponente den Geräuschpegel des gesamten Hologramms erhöht, während nur ein Interferenzmuster mi! dem Teil des reflektierten Lichtes gebildet wird, mit dem eine Kohärenz vorliegt.

Hie Erfindung ist im nachfolgenden an Hand von Ai^führungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zähnungen naher erläutert. In den Zeichnungen

: i g. I ein Schaubild eines bevorzugten Ausfiihru -iisbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus Fig. 1,

Fig. 3 die Darstellung des Objektes aus Fig. 1, & wc es in der Rekonstruktion erscheint, wenn zum Herstellen des Hologramms das bekannte holografische Verfahren angewendet wird,

Fig.4 eine Darstellung des Objektes aus Fig. 1, w,c es in der Rekonstruktion mit einem Hologramm erscheint, das gemäß der Vorrichtung aus F i g. I hergestellt wird,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Herstellung eines zusammengesetzten Strahls und

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Herstellung eines zusammengesetzten Bezugsstrahls.

Die in den Fig. I und 2 dargestellte Anordnung enthält eine Anordnung, die besonders geeignet ist, ein Hologramm eines Gegenstandes herzustellen. Als Gegenstand wird in der Zeichnung ein langgestreckter Stab 10 rechteckigen Querschnittes verwendet, der an einer seiner Flächen eine gleichmäßige Skalenteilung 12 besitzt. Ein Ende des Stabes liegt auf einem Tisch

14 aus Granit auf, der auch als Träger für die anderen Teile der Vorrichtung dient. Das andere Ende des Stabes liegt, oberhalb der Tischoberseite, auf der Oberseite eines Blockes 16 auf. Die Skalenseite des Stabes 10 liegt also schräg gegenüber der Tischplatte 14.

Für die holografische Aufnahme wird kohärentes Licht mit kontinuierlicher Wellenfronl von einem Laser 18 erzeugt, der auf dem Tisch 14, etwa parallel zum Stab 10, jedoch waagerecht, angeordnet ist. Der Laser besitzt eine Kohärenzlänge von etwa 15 cm. Es können demnach verhältnismäßig scharfe Interfercnzlinien in einem Interferometer beobachtet werden, indem man zwei Abschnitte des Strahls vergleicht, die Weglängen durchlaufen haben, die um nicht mehr als

15 cm voneinander abweichen.

Der vom Laser ausgesandtc Lichtstrahl 20 trifft zunächst auf einen halbdurchlässigen Spiegel 22 als Strahlenteiler, der unter einem Winkel von 45 zum Lichtstrahl aufgestellt ist. Dieser Strahlenteiler bewirkt, daß ein Teil 24 des Lichtstrahls in der ursprünglichen Richtung weiterläuft, während ein zweiter Teil 26 des Lichtstrahls rechtwinklig dazu abge lenkt wird.

Der Teil 24 des Lichtstrahls wird durch einen Spiegel 28 unter 90° abgelenkt und durchtritt dann ein Raumfilter 30, das aus einer Blende und einer Linse besteht. Der Strahl wird dann auf einen Spigel 32 gewerfen, der ihn auf die Skalenfläche 12 des Stabes 10 reflektiert.

Der Teil 26 des Lichtstrahls wird auf einen halbdurchlässigen Spiegel 34 geworfen und zum Teil unter einem rechten Winkel als Strahlenteil 36 abgelenkt, ίο während ein anderer Teil 38 des auf den Spiegel 34 auftreffenden Lichtstrahls 26 in der ursprünglichen Richtung weiterläuft. Die Teile 36 und 38 des Lichtstrahls werden durch gewöhnliche Spiegel 40 und 42 wieder auf den halbdurchlässigen Spiegel 34 zurückis geworfen. Der Spiegel 40 besitzt von dem als Strahlenteiler wirkenden halbdurchlässigen Spiegel 34 einen Abstand, der um 7,5 cm größer ist als der Abstand des Spiegels 42 vom Strahlenteiler 34. Der Teil 36 des Lichtstrahls durchläuft also einen Weg, der insgesamt um 15 cm länger als der Gesamtweg des Teiles 38 ist, bis sich beide Teile wieder am Strahlenteiler 34 treffen.

Aus dem Strahlenteiler 34 tritt jetzt ein zusammengesetzter Strahl 44 aus, der aus zwei Komponenten besteht, die sich in der Weglänge um etwa 15 cm voneinander unterscheiden, nämlich um die Kohärenzlänge des Lasers 18.

Der zusammengcse'zte Strahl 44 durchläuft jetzt ein zweites Raumfilter 46 und wird dann durch einen Spiegel 48 auf eine fotografische Platte 50 geworfen. Diese Platte 50 ist so angeordnet, daß sie auch Licht von der Skalenfläche des Stabes 10 erhält. Die beiden Lichtwellensysteme gelangen nun in Interferenz miteinander und erzeugen ein optisches Muster, das auf der fotografischen Platte aufgezeichnet wird.

Das Licht, das die fotografische Platte von dem ihr am nächsten liegenden Ende der Skala des Stabes 10 erhält, durchläuft einen wesentlich kleineren Weg vom Laser bis zur Platte als das Licht, das vom anderen, entfernteren Ende des Stabes reflektiert wird. Das von dem näheren Ende des Stabes reflektierte Licht hat die größte Kohärenz mit dem Teil des Bezugsstrahls, der die kürzere Weglänge hat, während das Licht, das vom entfernter liegenden Ende desStabcs reflektiert wird, die größte Kohärenz mit dem Teil des Strahles hat, der die größere Weglänge besitzt.

Würde man einen Bezugsstiahl verwenden, der nur eine einzige Komponente bcislzt, wie es bei dem bekannten holografischen Verfahren der Fall ist, dann würde nur ein Teil des von der Skala des Stabes reflektierten Lichtes in eine kohärente Interferenz mit dem Bezugsstrahl gelangen. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich jedoch eine größere Kohärenz, über einen erheblich größeren Teil der Skalenlänge des Stabes 10, erreichen.

Nach Belichtung der fotografischen Platte 50 kann uiese in bekannter Weise entwickelt und dann mit normalem kohärentem Licht beleuchtet werden, um das rekonstruierte Bild des Skalenabschnittes 62 zu produzieren, das in F i g. 4 dargestellt ist. Wenn der Abstand von der wirksamen Lichtquelle, die während der Rekonstruktion verwendet wird, zum Hologramm der gleiche wie der Abstund des Raumfilters 30 von der fotografischen Platte 50 bei der Herstellung des Hologramms ist, dann hat das scheinbare Bild des Stabes die gleiche Größe wie das Bild, das vom Stab auf die fotografische Platte 50 geworfen wird. Wenn die

Rekonstruktion- linrl AhhililiiMfisentfrrniinopn ip-

doch verschieden voneinander sind, dann wird der Stab eine andere Größen haben; in jedem Falle haben die Teile des Stabes, die Licht reflektiert haben, das in eine kohärente Interferenz mit den verschiedenen Komponenten des zusammengesetzten Bezugsstrahls gelangte, ordnungsgemäß in Beziehung zueinander stehende Proportionen, da alle Komponenten des Bezugsstrahls den gleichen effektiven Krümmungsradius an der fotografischen Platte 50 während des Abbildungsverfahrens haben.

Fig. 3 zeigt ein rekonstruiertes Bild 60 eines Slababschnittes, das man bei der üblichen Holografie unter Verwendung eines Bezugsstrahles mit nur einer einzigen Komponente erhält. Wie man aus F i g. 4 erkennt, wird unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein wesentlich größerer Abschnitt 62 der Skala des Stabes gebildet.

Während die in Hologrammen gespeicherten Bilder, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind, unter Verwendung eines Strahls mit einer einzigen Komponente rekonstruiert weiden können, wenn das Hologramm im Realzeit-Verfahren hergestellt werden soll, wobei Interferenzmuster zwischen der optischen Rekonstruktion des Objektes und dem Objekt selbst zu einem späteren Zeitpunkt erhallen werden, wurde festgestellt, daß es erforderlich ist, das Hologramm und das Objekt mit dem ursprünglichen zusammengesetzten Strahl während des Realzeit-Betrachtungsverfahrens zu beleuchten, um Interferenzlinien zu erhalten. Die Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2, die aus dem Strahlenteiler 34 und den Spiegeln 40 und 42 bestellt, stellt im wesentlichen ein Michelson-Interferometer dar. Bei anderen Ausgestaltungen der Vorrichtung können auch andere Interferometer-Anordnungen verwendet werden. Zum Beispiel zeigt F i g. 5 eine solche andersartige Ausbildung zur Herstellung eines aufgespalteten Lichtstrahles, die s im wesentlichen ein Mach-Zcnder-Inlerferomelcr darstellt. Ein Lichtstrahl 64 von einem Laser wird durch einen Strahlenteiler 70 in einen Objektstrahl 66 und einen Bezugsstrahl 68 aufgeteilt. Der Bezugsstrahl 68 passiert einen zweiten Strahlenteiler 72, der

lu ihn in einen ersten Strahlenteiler 74 und einen zweiten Strahlenteiler 76 aufteilt. Der Strahlenteil 76 wird durch Spiegel 78 und 80 reflektiert und dann mit dem Strahl 74 in einem halbdurchlässigen Spiegel 82 zu einem zusammengesetzten Bezugsstrahl 84 zusammengesetzt.

Entsprechend zeigt F i g. 6 in schematischcr Vereinfachung eine Anordnung von Spiegeln und Strahlenteilcrn zur Bildung eines aus vier Komponenten bestehenden Strahls, wobei alle vier Komponenten verschicdene Weglängen durchlaufen haben. Ein Strahl 90 von einem Laser wird durch einen halbdurchlässigen Spiegel 96 in einen Objektstrahl 92 und einen Bezugsstrahl 94 aufgespalten. Ein Strahlenteiler 98 teilt den Strahl 94 wieder in zwei Komponenten 100 und

»5 102. Jede dieser Komponenten passiert einen quer dazu angeordneten Strahlenteiler 104 bzw. 106, dei einen T eil des Strahls reflektiert und einen Teil hindurchläßt. Die Spiegel 108 und 110 reflektieren dk durchgelassenen Teile der Strahlen. Entsprechcnc wird ein Bezugsstrahl 112 gebildet, der aus vier Koni ponenten mit verschiedenen Weglängenunterschiedei besteht. Dieser Strahl gelangt durch ein Raumfiltc 114 und wird dann als Bezugsstrahl verwendet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines Hologramms von einem Objekt, bei dem eine fotografische Platte gleichzeitig mit einem Objektstrahl kohärenten Lichtes, das von dem durch eine kohärente Lichtquelle beleuchteten Objekt reflektiert wird, und mit einem Bezugsstrahl von der kohärenten Lichtquelle belichtet wird, dadurch ge- ι? kennzeichnet, daß der Bezugsstrahl durch Aufspaltung des Strahls von der kohärenten Lichtquelle in zwei Teilstrahlen verschiedener Weglänge und anschließendes Zusammenfassen dieser Teilstrahlen durch eine Linie gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugsstrahl zwei Komponenten hat, deren Weglängen von der kohärenten Lichtquelle bis zur fotografischen Platte sich um ein Maß voneinander unterscheidet, das kleiner oder gleich der Kohärenzlänge der kohärenten Lichtquelle ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Herstellung des Bezugsstrahls einen Strahl der kohärenten Lichtquelle in Teilstrahlen unterteilt, diese verschiedene Weglängen durchlaufen läßt und wieder zu einem Strahl zusammenfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zusammengesetzte Bezugsstrahl durch ein Raumfilter geleitet wird, das eine Blende und eine Linse umfaßt.

5. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine kohärente Lichtquelle, Strahlenteiler zum Aufteilen des von dieser Quelle ausgesandten Lichtstrahls, optische Leitmittel zum Projizieren des ersten Teiles dieses Strahls auf das Objekt, weitere optische Mittel zur Aufteilung des zweiten Teilstrahls in zwei Komponenten, die zunächst verschiedene Weglängen durchlaufen und dann wieder zu einem gemeinsamen Bezugsstrahl zusammengefaßt werden, und eine fotografische Platte, die sowohl das von dem Objekt reflektierte Licht als auch den zusammengesetzten Bezugsstrahl empfängt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Projektion des kombinierten Bezugsstrahls auf die fotografische Platte eine Linse verwendet wird.