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Verfahren zur Herstellung eines optisch transformierende Eigenschaften
aufweisenden Volumenhologramms Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Herstellung eines optisch transformierende Eigenschaften aufweisenden Volumenhologramms.
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Bei der Herstellung von Hologrammen wird eine lchtempfindliche Schicht
dem Interferenzfeld zweier kohärenter, im allgemeinen monochromatischer Wellen ausgesetzt5
von denen die eine Welle, und zwar die sogenannte Objektwelle, vom aufzunehmenden
Objekt herrührt, und die andere Welle die sogenannte Bezugswelle ist. Je nachdem,
6b'd-ie Dicke' der lichtempfindlichen Schicht in der Größenordnung einiger Wellenlängen
der kohärenten Strahlung oder aber eine groBe Anzahl von Wellenlängen groß ist,
wird von einem Flächenhologramm oder aber von einem Volumenhologramm gesprochen.
Bei der Herstellung von Volumenhologrammen bilden sich in der Tiefe der eine Vielzahl
von Wellenlängen starken lichtempfindlichen Schicht Flächen maximaler Schwärzung
aus, die identisch sind mit den Flächen maximaler Intensität des Interferenzfeldes,
das die beiden kohärenten Wellen miteinander bilden. Wird zur Wiedergabe eine der
beiden zur Aufnahme verwendeten Wellen auf das Hologramm eingestrahlt, dann Wird
durch Reflexion an den Flächen maximaler Schwärzung die andere Welle rekonstruiert.
Die von den einzelnen Flächen reflektierten Teil-welien überlagern sich nur dann
phasenrichtig, wenn -die eingestrahlte Welle die gleiche Wellenlänge und die gleiche
räumliche Geometrie aufweist,
wie die entsprechende, zur Aufnahme
verwendete Welle.
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Zur Wiedergabe eines Volumenhologramms muß mit anderen Worten die
sogenannte Bragg-Reflexionsbedingung erfüllt sein.
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Die Frequenz- und Phasenempfindlichkeit von Volumenhologrammen gibt
die Möglichkeit ihrer Anwendung für optisch eindeutige Transformationen optischer
Informationen. Es ist bereits vorgeschlagen worden, diese Eigensonaft von Volumenhologrammen
unter Anwendung elektrooptischer Wandler zur codierten tJ'bertragung von elektrischen
Signalen, wie Sprache und Ilusik, zur räumlich ähnlichen Abbildung von Objekten
sowie zur Selektion vorgegebener Baumteile eines Objektraumes zu verwenden. Dabei
wird bei der Herstellung derartiger Hologramme so vorgegangen, daß die lichtempfindliche
Schicht eines aufzunehmenden Volumenhologramms der kohärenten monochromatischen
Strahlung einerseits einer ersten und andererseits einer zweiten endlichen Anzahl
von räumlich und zeitlich voneinander unterscheidbaren Lichtpunkten so ausgesetzt
wird, daß jeder diskrete Lichtpunkt der ersten endlichen Anzahl eindeutig je einem
diskreten Lichtpunkt der anderen endlichen Anzahl zugeordnet wird.
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Die von einem solchen Volumenholograrnin durchführbare optische Transformation
weist im Gegensatz zur 2ransformation durch Aufnahme und Wiedergabe von Hologrammen,
die nach üblicher Aufnahmetechnik hergestellt werden, keine Redundanz mehr auf.
Das hat den Vorteil, daß der Informationsinhalt des Bildes des optisch transformierten
Objektes nicht größer als der des Objektes selbst ist, so daß seine Übertragung
auf elektrischem Wege ermöglicht
wird, ohne daß an einen solchen
Übertragungsweg besonders hohe Anforderungen gestellt werden müssen. Entsprechendes
gilt für klordnungen, in denen gegebenenfalls das Bild des optisch transformierten
Objektes gespeichert werden soll.
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So störend für die Anwendung von Hologrammen in der elektischen Nachrichten-
und Datenverarbeitungstechnik manchmal ihre sehr hohe redundanz ist, so kann es
auch mitunter als nachteilig angesehen werden, wenn die Redundanz einer mittels
eines Volumenhologramms d-lrchgeführten optischen Transformation gleich Null ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Herstellung eines
optisch transformierende Eigenscnaften aufweisenden Volumenhologramms der geschilderten
Art eine Möglichkeit aufzuzeigen, die es gestattet, die Redundanz der optischen
Transformation solcher Hologramme im Zuge ihrer Herstellung festzulegen.
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Ausgehend von einem Verfahren zur Herstellung eines optisch transformierende
Eigenschaften aufweisenden Volumenhologramms wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung
dadurch gelöst, daß eine lichtempfindliche Schicht der kohärenten monochromatischen
Strahlung einerseits einer ersten und andererseits einer zweiten endlichen Anzahl
von räumlich und wenigstens gruppenweise auch zeitlich voneinander unterscheidbaren
Lichtpunkten bzw Lichtlinien so ausgesetzt ist, daß jeweils eine unterschiedliche
Zahl von Lichtpunkten bzw. Lichtlinien der ersten und der zweiten endlichen Anzahl
gleichzeitig auftritt und damit eindeutige Zuordnungen zwischen Lichtpunkten
bzw.
Lichtlinien der ersten und der zweiten Anzahl herbeigeführt werden.
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Besonders einfach gestalten sich die Verhältnisse, wenn die Zahl der
einander eindeutig zugeordneten Lichtpunkte bzw. Lichtlinien einerseits der ersten
und andererseits der zweiten endlichen Anzahl für sämtliche zeitlich aufeinanderfolgenden
Teilbelichtungsvorgänge gleich ist.
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Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird Jeweils ein
Lichtpunkt bzw. eine Lichtlinie der ersten endlichen Anzahl zwei und mehr Lichtpunkten
bzw. Lichtlinien der zweiten endlichen Anzahl eindeutig zugeordnet.
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Die durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren frei wählbare
Redundanz läßt sich auch vorteilhaft in der Weise festlegen, daß die erste und die
zweite endliche Anzahl von Lichtpunkten bzw. Lichtlinien jeweils ein zwei- oder
dreidimensionales Raster, oder aber jeweils zwei oder mehr Raster mit zwei oder
drei Dimensionen bilden. Diese Mehrfachraster können dabei räumlich gegeneinander
abgegrenzt sein.
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Dieser Art der Festlegung der Redundanz kommt besondere Bedeutung
bei der Anwendung eines auf diese Weise hergestellten Volumenhologramms zur ähnlichen
räumlchen Abbildung räumlicher Objekte zu.
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Ein nach dem Verfahren nach der Erfindung hergestelltes Volumenhologramm
kann auch besonders vorteilhaft zur codierten Übertragung elektrischer Signale,
insbesondere Fernsehsignale, verwendet werden.
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An Hand der in der Zeichnung dargestellten Figuren soll die Erfindung
im folgenden noch näher erläutert werden.
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In der Zeichnung bedeuten Fig. 1 bis 4 Prinzipdarstellungen der vier
Möglichkeiten der Aufnahme und Wiedergabe von Volumenhologrammen, Fig. 5 Prinzipdarstellung
der Aufnahme und Wiedergabe von Volumenhologrammen mit vorgegebener Redundanz ihrer
optisch transformierenden Eigenschaften, Fig. 6 ein erstes Anwendungsbeispiel eines
nach dem Verfahren nach der Erfindung hergestellten Volumenhologramms zur codierten
Übertragung elektrischer Signale, Fig. 7 ein zweites Mnwendungsbeipiel eines nach
dem Verfahren nach der Erfindung hergestellten Volumenhologramms zur räumlich ähnlichen
Abbildung räumlicher Objekte.
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In den Fig. 1 bis 4 sind zunächst die für die Herstellung von Volumenhologrammen
gegebenen vier Möglichkeiten dargestellt. Hierbei bedeuten Fig. 1a, 2a, 3a und 4a
eweils eine Aufnahmeanordnung eines Volumenhologramms und Fig. 1b, 2b, 3b und 4b
jeweils die zugehörige Wiedergabeanordnung eines Volumenhologramms. Bei den Fig.
@ bis 4 wird davon ausgegangen, daß bei der Aufnahme die lichtempfindliche Schicht
LS von zwei zueinander kohärenten monochromatischen Kugelwellen Kp und Kq ausgeleuchtet
wird, die in den Punkten P und Q ihren Ursprung haben oder in diesen Punkten konvergieren.
Bei der holografischen
Aufnahme und Wiedergabe nach den Fig. 1
uni 2 handelt es sich um Volumenhologramme vom sogenannten Lippmann-Bragg-Typ und
bei den die weiteren beiden Möglichkeiten der Aufnahme und Wiedergabe yon Volumenhologrammen
beschreibenden Fig. 3 und z um sogenannte Transmissionsaologramme.
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Bei der in den Fig. 1a und 1b dargestellten ersten Möglichkeit der
Aufnahme und Wiedergabe eines Volumenhologramms divergiert die Kugelwelle Kp vom
Punkt P, während die Kugelwelle Kq zum Punkt konvergiert. Die von den beiden Kugelwellen
belichtete lichtempfindliche Schicht LS zeigt nach ihrer Entwicklung und Fixierung
die bereits geschilderten, in der Schichttiefe im bestand einer halben ellenltnge
aufeinanderfolgenden Flächen maximaler Schwärzung. Bei der wiedergabe des auf diese
Weise hergestellten Volumenhologramms H nach Fig. Ib läßt sich die im Punkt Q konvergierende
Kugelwelle Kq dann rekonstruieren, wenn das Volumenhologramm H entsprechend Fig.
1a mit einer vom Punkt P ausgehenden divergierenden Kugelwelle Kp angestrahlt wird.
Der rekonstruierte Punkt Q bei der Wiedergabe ist ein reelles 3ild des Punktes Q
bei der Aufnahme.
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3ei der in den Fig. 2a und 2b gezeigten zweiten Möglichkeit der Aufnahme
und Wiedergabe eines Lippmann-3ragg-Hologramms liegen bei der Aufnahme der lichtempfindlichen
Schicht LS beide Punkte auf einander gegenüberliegenden Seiten. Der vom Punkt P
ausgehenden divergenten Kugelwelle Kp ist hier eine vom Punkt Q ausgehende divergente
Kugelwelle Kq zugeordnet. Bei der Wiesergabe des Volumenhologramms
H
nach Fig. 2b mit hilfe der vom Punkt P ausgehenden divergenten Kugelwelle Kp wird
der Punkt Q durch die Kugelwelle Kq rekonstruiert, die vom Punkt Q divergiert, d.h.
der rekonstruierte Punkt Q bei der Wiedergabe ist hier ein virtuelles Bild des Punktes
Q jei der Aufnahme.
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Bei der in den Fig. 3a und 3b dargestellten drit-len Möglichkeit der
Aufnahme und Wiedergabe eines Volumenhologramms, und zwar eines Transmissionshologramms,
sind die Punkte P und Q bei der Aufnahme entsprechend Fig. 2a auf einander gegenüberliegenden
Seiten der lichtempfindlichen Schicht LS angeordnet, jedoch konvergiert hier die
Kugelwelle Kq im Punkt Q. In diesem Falle ergibt sich bei der Wiedergabe des Hologramms
H mit Hilfe der vom Punkt P ausgehenden divergenten Kugelwelle Kp, im Gegensatz
zur Fig. 2b, ein reelles Bild des Punktes Q, weil die rekonstruierte Kugelwelle
Kq ebenfalls im Punkt Q konvergiert. Bei der vierten Nöglichkeit nach den Fig. 4a-und
4b schließlich sind die Punkte P und Q wiederum entsprechend Fig. la auf einer Seite
angeordnet, jedoch ist hier die Kugelwelle Kq eine vom Punkt Q ausT gehende divergente
Kugelwelle. Die Wiedergabe des Volumenhologramms H nach Fig. 4b mit Hilfe der vom
Punkt P ausgehenden divergenten Kugelwelle Kp führt hier zu einem virtuellen Bild
des Punktes Q, was wiederum daran erkennbar ist, daß die rekonstruierte Kugelwelle
Kq vom Punkt Q divergiert, Bei dem Aufnahme und Wiedergabeverfahren nach den Fig.
2 und 4 steht das rekonstruierte Bild des'Punktes Q aufgrund
seines
virtuellen Charakters nicht unmittelbar zur Verfügung, Mit Hilfe einer Optik kann
der virtuelle Punkt Q jedoch in einfacher Weise in ein reelles Bild umgewandelt
werden.
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Bei den Fig. Ib, 2b, 3b und 4b ist jeweils davon ausgegangen worden,
daß bei der Wiedergabe des Hologramms H das Hologramm von einer vom Punkt P ausgehenden
divergenten Kugelwelle Kp angestrahlt wird. Es ist festzustellen, daß die Strahlengänge
auch umkehrbar sind, und zwar in der Weise, daß beispielsweise im Hinblick auf Fig.
Ib zur Rekonstruktion des Punktes P das Hologramm von einer vom Punkt @ ausgehenden
divergenten Kugelwelle angestrahlt wird. Der Punkt P wird dann durch eine im Punkt
P konvergierende rekonstruierte Kugelwelle erzeugt. Mit anderen Worten kann bei
der Wiedergabe eines der Volumenhologramme einer der beiden Punkte durch eine vom
anderen Punkt ausgehenden, das Volumenhologramm ausleuchtende Kugelwelle als Bild
rekonstruiert werden. Zur Darstellung dieses Sachverhalts brauchen in den Fig. Ib,
2b, 3b und 4b lediglich die Pfeile der divergierenden und Konvergierenden Kugelwellen
um 180° gedreht zu werden.
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Ferner ist festzustellen, daü sich Volumenhologramme sowohl als Amplituden-
als auch als Phasenholograiuie ausführen lassen. Sie unterscheiden sich voneinander
lediglich durch die Art der Speicherung des aufgenommenen Interferenzfeldes.
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Hat die Kugelwelle Kp bei der Wiedergabe des Volumenhologramms H eine
andere Wellenlanae oder aber wird ihre räumliche Geometrie verändert, z.i3. durch
Verschieben
des Punktes P'nach P' entsprechend Fig. Ib, dann entsteht
kein Bildpunkt Q. Das Volumenhologramm kann mit anderen Worten Punkte mit unterschiedlicher
Lage im Raum voneinander unterscheiden, Diese wichtige Eigenschaft gibt die Möglichkeit,
durch zeitlich aufeinanderfolgende Aufnahmen von einander zugehörigenPunkten Pi
und Qi einen vorgegebenen, von den Punkten Pi bzw. Qi in ihrer Gesamtheit eingenommenen
Raumbereich (Objektraum) auf einen von den Punkten Qi bzw. Pi in ihrer Gesamtheit
eingenommenen anderen Raumbereich (Bildraum) abzubilden bzw. zu transformieren.
Die Transformation ist umso vollkommener, je kleiner der Punktabstand zwischen den
Punkten Pi einerseits und den Punkten Qi andererseits unter Wahrung ihrer Alleinstellung
im Raum gewählt wird. Die Punkte Pl einerseits und die Punkte Qi andererseits können
beispielsweise in Form einesPunktrasters angeordnet werder, wobei die paarweise
Zuordnung der Punkte Pi und Qi entsprecend der mit einem solchen Volumenhologramm
durchzuführenden gewünschten optischen Transformation festgelegt wird. Da bei der
Wiedergabe eines solchen Volumenhologramms jede von einem Punkten bzw. u ausgeherde
Kugelwelle Kp bzw. Kq über das Volumenhologramm H eine Kugelwelle Kp bzw. Kq rekonstruiert,
die in diesem Punkt P bzw. Q eindeutig zugeordneten Punkt Q bzw. P fokussiert is-t,
ist auch die Helligkeit in einem Punkt ) der Helligkeit des zugehörigen Punktes
P proportional bzw. umgekehrt.
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Der Mindestabstand einander benachbarter Punkte Pi und Qi ist durch
folgende drei Bedingungen bestimmt:
a) Die Beugungsunschärfe zufolge
der endlichen Volumenhologrammabmessungen muß kleiner sein als der Punktabstand.
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b) Die räumliche Ausdehnung der zur Herstellung des Volumenhologramms
verwendeten punktförmigen Lichtquelle muß ebenfalls kleiner sein als der Punktabstand.
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c) Das die lichtempfindliche Schicht darstellerde Speicliermedium
muß genügend dick sein, damit be der Rekonstruktion der Wellenfronten eine ausreichende
Winkelselektivität zufolge der Bragg-Reflexionsbedingung auftritt.
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Die Bedingungen a, b, c bestimmen mit anderen Worten die Grenzwerte
für die mit einen in dieser Weise heigestellten Volumenhologramm aurcnführbaren
optischen ''ranformation.
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Das hinsichtlich der Punkte P und Q bzw. Pi und Qi Gesagte gilt entsprechend
für den Fall, in dem anstelle von punktförmigen Lichtquellen linienförmige Lichtqueller.
zur Anwendung gelangen. Die linienförmigen Lichtquellen können hierbei jeweils als
eine Ansammlung von im Abstand Null aneinandergrenzenden punktförmigen Lichtquellen
aufgefaßt werden.
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Die Fig. 5a und 5b entsprechen den Fig. 3a und b für die Aufnahme
und wiedergabe eines Transmissionshologramms, mit dem Unterschied, daß hier dem
Punkt P drei Punkte G1, Q2, Q3 eindeutig zugeordnet sind. Bei der Wiedergabe nach
Fig. 5b werden durch die divergente Kugelwelle Kp vom Punkt P aus die konvergenten
Kugelwellen Kq@, Kq2, Kq3 und damit die Punkte Q1, Q2, Q3 rekonstruiert. Die Zuordnung
des
Punktes P zu den Punkten Ql, Q2, und Q3 ist hier wie bei den Fig. 1 bis 4 eindeutig,
jedoch nicht mehr ein-eindeutig, d.h. bei der Umkehr des Strahlenganges'bei der
Wiedergabe erzeugt jede von einem Punkte Q1, Q2 und Q3 ausgehende divergente Kugelwelle
eine im Punkt P konvergierende Kugelwelle. Der Punkt P wird also mit anderen Worten
auch dann rekonstruiert, wenn nur in einem der drei Punkte Ql, Q2 und Q3 eine Punkt
förmige Lichtquelle mit der-bei der Aufnahme venzendetenkohärenten monochromatischen
Strahlung angeordnet wird.
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Die optische Transformation in Richtung Q nach P ist somit redundant,
und zwar hat die Redundanz hier den Wert drei.
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Einer auf diese Weise gewonnenen Redundanz der optischen Transformation
eines Volumenhologramms kommt u.a. bei dem in Fig. 6 dargestellten Anwendungsbeispiel
eine nicht unerhebliche Bedeutung zu. Bei der Anordnung nach Fig. 6 sei angenommen,
daß eine optisch vorliegende Information, beispielsweise ein Fernsehbild in der
Objektebene OE auf elektrischem Wege über größere Entfernungen zu einem Empfanger
übertragen werden soll, und zwar soll das Fernsehsignal in der elektrischen Ebene
in einer Form übertragen werden, die eine optimale Aus steuerung. des systems ermöglicht.
Dies ist dann gegeben, wenn der zu übertragende Bildinhalt in elektrischer Form
als eine statistisch verteilte Folge von Amplitudenwerten vornanden ist. Fire solche
Codierung kann mittels eines Volumenhologramms nach den Brfindung unter Gewährleistung
einer vorgegebenen Redundanz der optischen Transformation herbeigeführt werden.
Bei der Anordnung nach Fig. 6 ist angenommen, daß die Redundanz der optischen Transformation
des
Volumenhologramms den Faktor 2 hat, d.h. daß bei der Aufnahme jedem Bildpunkt F>i
in der Objektebene OE zwei Punkte Qil und Qi2 in der Transformationsebene TT eindeutig
zugeordnet sind. Das über das Volumenhologramm H transformierte bild in der Objektebene
OW in die Transformationsebene ET wird mit Hilfe eines optoelektronischen Wandlers
OEw abgetastet, in elektrische Signale vmgesetzt, über den Sendeverstärker Vs verstarkt
und zur Empfangseinrichtung hin übertragen. Die Empfangseinrichttng sieht eingangsseitig
einen Empfangsverstärker Ve vor, der ausgangsseitig auf den Eingang eines elektrooptischen
Wandlers EOW arbeitet, der das transformierte Bild optisch darstellt, und zwar wiederum
in der Transformationsebene TE' eines der Sendeseite entsprechenden Volumenhologramms
H', das dieses Bild in seiner ursprünglichen Gestalt in seiner Objektebene OE' rekonstruiert.
Wesentlich fr diese Art der Ubertragung von optisch dargestellten Bildinhalten ist,
daß das für die optische Darstellung des Bildinheltes in der sendeseitigen Objektebene
EO einerseits und in der empfangsseitigen Transformationsebene TE' zur Anwendung
gelangende Licht kohärent und ironochromatisch ist und den bei der Aufnahme des
verwendeten Volumenhologramms benutzten kohärenten monochromatischen Licht, entspricht.
Infolge der Redundanz des auf elektrischem Wege übertragenen Signals wird das ursprüngliche
Bild empfangsseitig in der Objektebene OE' auch dann fehlerfrei erzeugt, wenn bei
der Übertragung einer der beiden Punkte Qil oder Qi2 verlorengeht.
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Wie bereits einleitend darauf hingewiesen worden ist, lassen sich
mit Volumenhologrammen nach der Erfindung räumliche Objekte räumlich ähnlich abbilden,
also auch in
ihrer Tiefendimension verzerrungsfrei wiedergeben.
Die Redundanz des verwendeten Volumenhologramms H kann, wie das Fig. 7 schematisch
zum Ausdruck bringt, hier in der Weise zum Tragen gebracht werden, daß ein räumliches
Objekt über das Volumenhologramm zwei- und mehrfach ähnlich-abgebildet wird, und
zwar beispielsweise so, da'ß die ähnlichen Abbildungen unterschiedliche-Abmessungen
aufweisen und räumlich voneinander getrennt in Erscheinung treten. Die in Fig. 7
dargestellte, von einem solchen Volumenhologramm Gebrauch machende Anordnung sieht
eine solche Redundanz der optischen Transformation eines Volumenhologramms vor.
Die Anordnung nach Fig. 7 verdeutlicht sowohl die Aufnahme des Volumenhologramms
als auch seine Wiedergabe. Die erste und die zweite endliche Anzahl von Lichtpunkten
sind hier in Form von quaderförmige Räume einnehmenden Punktrastern vorhanden, bei
denen jeweils ein Punkt Pi der ersten endlichen Anzahl von Lichtpunkten jeweils'
zwei Punkten Qi1 und Qi2 zweier weiterer- zum erstgenannten räumlichen Lichtpunktraster
ähnlichen Lichtpunktrastern eindeutig zugeordnet ist. Wird daher bei der Wiedergabe
eines solchen; Volumenhologramms im Raum des von den Punkten Pi eingenommenen Lichtpunktrasters
ein Objekt angeordnet, das maximal die Apmessungen dieses Lichtpunktrasters aufweist,
und mit Hilfe des kohärenten monochromatischen Strahls S eines Lasers L angeleuchtetj
dann transformiert das Volumenhologramm H iiber die durch Reflexion an diesem Objekt
erzeugte Objektwelle zwei ähnliche Abbildungen in den Räumen der von den Punkten
Qi1 und Qi2 bei der aufnahme eingeno:nmenen Lichtpunktraster. Die jeweils verzerrungsfreie
ähnliche Abbildung ist dabei durch die eindeutige Zuordnung der Punkte Pi zu' den'
Punkten Qil und Qi2 gewährleistet.
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6 Patentansprüche 7 Figuren