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Verfahren und Anordnung zur Aufzeichnung und Rekonstruktion von Hologrammen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Auf zeichnung und Rekonstruktion
von Hologrammen mittels im Strahlengang des Objektstrahles angeordneten abbildenden
Systemen.
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Bei vielen Anwendungen der Holographie sollen reelle Bilder eines
Gegenstandes mit hoher Auf lösung unverzerrt und ohne Abbildungsfehler rekonstruiert
werden. Zur Herstellung eines Hologramms wird der vom aufzuzeichnenden Objekt ausgehende
Objektstrahl mit einem Bezugsstrahl zur Interferenz gebracht und das entstehende
Interferenzmuster beispielsweise mit Hilfe einer lichtempfindlichen Schicht aufgezeichnet.
Dabei fällt der Bezugsstrahl im Falle der sogenannten Gabor-Holographie von der
gleichen Seite wie der Objektstrahl auf dem Aufzeichnungsträger, während im Falle
der sogenannten Lippman-Holographie der Objektstrahl und der Bezugsstrahl von entgegengesetzten
Seiten auf den Aufzeichnungsträger fallen. Bei der Rekonstruktion eines Hologrammes
entstehen zwei Abbildungen, von denen die eine als direkte und die zweite als konjujugierte
Abbildung
bezeichnet wird. Beide Abbildungen können reell oder virtuell sein. Die konjugierte
Abbildung und die direkte Abbildung haben jedoch verschiedene Eigenschaften. Die
konjugierte Abbildung ist pseudoskopisch, d. h. Vorder- und Hintergrund sind gegenüber
dem aufgezeichneten Objekt vertauscht. Außerdem ist diese Abbildung in den meisten
Fällen verzerrt und mit Abbildungsfehlern behaftet. Für die Erzeugung von Abbildungen
mit hoher Auflösung und geringen Abbildungsfehlern ist daher nur die direkte Abbildung
verwendbar, die orthoskopisch, unverzerrt und ohne Abbildungsfehler wiedergegeben
werden kann. Fällt der Objektstrahl und der Bezugsstrahl von der gleichen Seite
auf den Aufzeichnungsträger, so sind die bei der Rekonstruktion des so aufgezeichneten
Hologramms entstehenden direkten Abbildungen virtuell.
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Es sind zwei Verfahren bekannt, um die bei der Rekonstruktion von
Hologrammen allein verwendbaren reellen Bilder des aufgezeichneten Gegenstandes
zu erzeugen: 1. das virtuelle direkte Bild wird mit einer Linse in ein reelles direktes
Bild überführt, 2. die Rekonstruktion erfolgt mit einem sogenannten konjugierten
Wiedergabestrahl, dessen Richtung entgegengesetzt der Richtung des bei der Aufnahme
verwendeten Referenzstrahles verläuft. Dabei entsteht ein reelles direktes Bild
am ursprünglichen Ort des Gegenstandes.
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Bei beiden Verfahren wird das Auf lösungsvermögen durch eine Reihe
von Faktoren nachteilig beeinflußt: 1. Bei der Verwenflur.g einer abbildenden Linse
hängt die A fl?sung des reellen Bildes von der Lage und der ou£tierung der verwendeten
Linse in bezug auf die virtuelle AbZldug und von der Lage des Hologramms
in
bezug auf die Richtung des Wiedergabestrahls ab.
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2. bei der Verwendung eines sogenannten konjugierten Wiedergabestrahls
ist das Auflösungsvermögen der reellen Abbildung eine Funktion der Genauigkeit,
mit der der konjugierte Wiedergabestrahl hergestellt werden kann und der Genauigkeit
mit der das Hologramm an seinen ursprünglichen Ort gebracht wird.
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Durch die oben beschriebenen Nachteile der Bilder von Hologrammen
wird die Anwendbarkeit holographischer Verfahren stark eingeschränkt. Besonders
störend haben sich die oben genannten Nachteile bei holographischen Datenspeichern,
bei holographischen Codewandlern, bei holographischen Anordnungen zur Zeichenerkennung
und vor allem bei der holographischen Belichtung der Photolackschicht bei der Herstellung
von integrierten Schaltungen oder der dabei verwendeten Masken rwe4t.
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Diese Nachteile werden gemäß der Erfindung durch ein Verfahren zur
Aufzeichnung und Rekonstruktion von Hologrammen mittels eines im Strahlengang des
Objektstrahles angeordneten abbildenden Systems vermieden, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß das Element zur Aufzeichnung des Hologramms zwischen einem abbildenden
System und dessen Bildebene, vorzugsweise im halben Abstand der Bildebene vom abbildenden
System angeordnet wird, und daß die Rekonstruktion eines so aufgenommenen Hologramms
durch einen Wiedergabestrahl erfolgt, der von der gleichen Seite und unter dem gleichen
Winkel wie der bei der Aufzeichnung verwendete Referenzstrahl auf das Hologramm
fällt.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, daß das aufzuzeichnende Objekt durch eine konvergente
Strahlung beleuchtet und daß das abbildende System im Konvergenzbereich, vorzugsweise
im Konvergenzpunkt dieser Strahlung angeordnet wird. Auf diese Weise wird eine gleichförmige
Helligkeitsverteilung in der
Aufnahmeebene erreicht, die gegenüber
der bei Aufnahmen mit durch parallele Strahlung beleuchteten Objekten auftretenden
starken Energiekonzentration im Zentrum eine Reihe von Vorteilen aufweist. So tritt
beispielsweise bei Aufnahmen mit durch parallele Strahlung beleuchteten Objekten
eine Differenziation des rekonstruierten Bildes auf, die auf die Überbelichtung
des Mittelbereichs des Hologramms zurückzuführen ist.
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Eine besonders vorteilhafte Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine erste sammelnde Linse hinter der das aufzuzeichnende
Objekt angeordnet ist, eine zweite, im Konvergenzpunkt der von der ersten Linse
ausgehenden Strahlung angeordnete Linse, und einem zwischen der zuletzt genannten
Linse und ihrer Bildebene, vorzugsweise in der Mitte angeordnete lichtempfindliche
Schicht.
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Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine bekannte Anordnung zur Aufnahme eines Hologramms mit seitlich
einfallender Bezugswelle.
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Fign. 2a u. 2b Anordnungen zur Erzeugung direkter reeller Bilder.
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des Fig. 3 die Konstruktion der bei der Wiedergabe mit einer Anordnung
nach Fig. 1 aufgenommenen Hologrammr entstehenden direkten virtuellen und konjugierten
virtuellen Bilder.
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Fig. 4 die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung
zur Erzeugung eines Hologramms.
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Fig. 5 den Strahlenverlauf bei der Wiedergabe eines mit der in Fig.
4 dargestellten Anordnung hergestellten Hologramms.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung wird der Querschnitt eines
von einem Laser 4 ausgehenden Strahles 5 durch eine aus Linsen 6 und 7 bestehende
Anordnung vergrößert und in einen Strahlenteiler 8 in zwei Teilstrahlen So und 5b
aufgespalten.
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Der Teilstrahl So beleuchtet ein Objekt 0, dessen drei Ecken mit 1,
2 und 3 bezeichnet sind, der Teilstrahl 5b durchsetzt eine Linse 9 und wird im Bereich
eines Spiegels 10 fokussiert, von dem er in Richtung einer Linse 11 und einer Lochblende
12 reflektiert wird. Die Lochblende 12 ist im Konvergenzpunkt der die Linse 11 verlassenden
Strahlung angeordneten und wikt als punktförmige Lichtquelle von der der Bezugsstrahl
5b ausgeht.
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Die am Objekt 0 gestreute Strahlung 50 stellt den Objektstrahl dar
und interferiert im Bereich eines Aufzeichnungsträgers 13 mit dem Bezugsstrahl 5b.
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Wird ein durch Entwickeln und Fixieren des auf diese Weise belichteten
lichtempfindlichen Aufzeichnungsträgers 13 erzeugtes Hologramm H durch eine kohärente
Strahlung beleuchtet, die von einem Punkt R ausgeht, der die gleiche Lage in bezug
auf das Hologramm wie die Lochblende der Maske 12 in bezug auf den Aufzeichnungsträger
13 hat, so entstehen zwei Bilder, das direkte Bild B und das konjugierte Bild B',
die im vorliegenden Fall beide virtuell sind. Das direkte Bild B stimmt mit dem
abgebildeten Objekt O überein während das konjugierte Bild B' pseudoskopisch ist,
d. h., daß Vorder- und Hintergrund des Bildes vertauscht sind. Außerdem ist es in
den meisten Fällen verzerrt und mit Abbildungsfehlern behaftet. Die von Neumann
angegebene Konstruktion der direkten und konjugierten Bilder B bzw. B' ist aus Fig.
3 ersichtlich. Liegt die zur Rekonstruktion des durch das Hologramm aufgezeichneten
Objekts verwendete Lichtquelle in Punkt R und stimmt die Lage des direkten Bildes
B mit der Lage des Objektes O bei der Aufnahme überein, so
erfolgt
die Konstruktion des konjugierten Bildes B' in folgender Weise. Die Punkte 1, 2
und 3 des direkten Bildes B werden durch je eine Gerade mit dem Schnittpunkt der
z-Achse mit dem Hologramm H verbunden. Durch den gleichen Schnittpunkt werden dann
drei Geraden gezogen, die mit der z-Achse die gleichen Winkel a, ß und y wie die
ersten drei Geraden einschließen.
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Durch die mit R bezeichnete gedachte Quelle des Wiedergabestrahls
wird ein Kreis mit dem Mittelpunkt im Schnittpunkt der z-khse mit dem Hologramm
H geschlagen, dessen Schnittpunkte mit je zwei die gleichen Winkel mit der z-Achse
einschließenden Geraden durch je eine Gerade verbunden werden. Die Schnittpunkte
dieser Geraden mit der z-Achse bilden die Symmetriepunkte für die Punkte 1', 2'
und 3' des konjugierten Bildes B' und der Punkte 1, 2 und 3 des direkten Bildes
B. Die Punkte 1', 2' und 3' sind die Schnittpunkte der von den Punkten 1, 2 und
3 durch die genannten Symmetriepunkte gezogenen Geraden mit den
durcn den Scflnittpunict der z-Achse mit der Hologrammevene~~anderev Geraden, die
mit der z-Achse die Winkel a, ß bzw. y einschließen.
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Wie aus der Figur ersichtlich, ist das konjugierte Bild B' pseudoskopisch,
d. h. Vorder- und Hintergrund sind vertauscht.
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Eine derartige Bildumkehr ist nur durch holograpische Abbildung möglich
und kann durch keine bekannten optischen Elementen, wie Linsen, Prismen oder dergleichen
rückgängig gemacht werden. Außerdem ist das konjugierte Bild in den meisten Fällen
verzerrt und mit Abbildungsfehlern behaftet. Für die Erzeugung von Bildern mit hoher
Auflösung ist nur das direkte Bild B geeignet, das orthoskopisch, unverzerrt und
ohne Abbildungsfehler wiedergegeben werden kann.
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Es sind zwei Verfahren bekannt, um ein virtuelles direktes Bild in
ein reelles direktes Bild umzuwandeln. Diese beiden Verfahren sind in den Fign.
2a und 2b dargestellt: 1. durch Beleuchtung des Hologramms H mit einer vom
Punkt
R ausgehenden divergenten Strahlung entsteht in bekannter Weise das virtuelle direkte
Bild B.
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Dieses Bild wird mittels einer hinter dem Hologramm angeordneten
Linse 14 in ein direktes reelles Bild 15 verwandelt.
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2. einevon oben nach unten verlaufende parallele Strahlung wird durch
eine Linse 16 in einem Punkt R fokussiert, dessen Lage mit der Lage des bei der
Aufnahme des Hologramms verwendeten Punktlichtquelle übereinstimmt. Das dabei entstehende
direkte reelle Bild 18 befindet sich an der gleichen Stelle wie das bei der Aufnahme
des Hologramms verwendete Objekt.
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Im ersten Fall muß das Hologramm H sehr genau auf die Lage R der Punktlichtquelle
ausgerichtet sein, da sich sonst Verzerrungen und Unschärfen des direkten reellen
Bildes 15 ergeben.
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Darüber hinaus ist die Qualität des Bildes 15 in hohem Maße von der
Güte der Linse 14 abhängig.
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Im zweiten Falle liegen die Verhältnisse ähnlich. Das Hologramm H
muß mit höchster Genauigkeit in bezug auf die Linse und die Strahlung 17 ausgerichtet
sein, so daß der Konvergenzpunkt R sehr genau mit der Lage der bei der Aufnahme
des Hologramms verwendeten Punktlichtquelle übereinstimmt. In beiden Fällen sind
die erforderlichen Justagen sehr schwer durchzuführen und sehr zeitraubend, so daß
die Verwendung holograpischer Verfahren in vielen Fällen in Frage gestellt wird.
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In Fig. 4 wird eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens dargestellt. Ein paralleler kohärenter Lichtstrahl 25 wird durch eine
Linse 26 in der Brennebene 29 dieser Linse fokussiert. Hinter der Linse 26 ist ein
holographisch aufzunehmendes Objekt 27 in unmittelbarer Nachbarschaft
angeordnet.
In der Brennebene 29 der Linse 26 ist eine Linse 30 angeordnet, deren Brennweite
kleiner als ihr Abstand zum Objekt 27 ist, so daß dieses auf einer Bildebene 32
abgebildet werden kann. In der Mitte zwischen der Linse 30 und der Bildebene 32
wird ein lichtempfindlicher Aufzeichnungsträger 31 angeordnet, der gleichzeitig
von einem schräg auffallenden parallelen Lichtstrahl 33 beleuchtet wird. Wird das
durch Entwickeln und Fixieren des auf diese Weise belichteten Aufzeichnungsträgers
31 erzeugte Hologramm durch einen aus der gleichen Richtung wie der bei der Aufnahme
verwendete Bezugsstrahl einfallenden Wiedergabestrahl beleuchtet, so entsteht hinter
dem Hologramm H ein reelles direktes Bild 34. Dieses Bild liegt in einer Ebene,
deren Abstand vom Hologramm gleich dem Abstand der Bildebene der Linse 30 vom Aufzeichnungsträger
31 bei der Aufnahme des Hologramms ist. Das auf diese Weise erzeugte direkte reelle
Bild ist frei von Verzerrungen und Unschärfen. Eine Linse oder sonstige optische
Elemente sind bei der Wiedergabe des Hologramms nicht erforderlich.
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Ist der Aufzeichnungsträger 31 so befestigt, daß er nach seiner Entnahme
ohne Justage zwangsläufig in die gleiche Lage gebracht werden kann oder wird er
während dem Entwickeln und Fixieren nicht aus seiner Befestigung entfernt, so kann
die Wiedergabe des Bildes 34 ohne irgendwelche Einstellungen oder Justagen mit größter
Genauigkeit erfolgen, wenn der Wiedergabestrahl von der gleichen, in bezug auf die
Befestigung des Aufzeichnungsträgers 13 unverrückbar angeordneten Lichtquelle erzeugt
wird, die auch den Bezugsstrahl während der Aufnahme des Hologramms erzeugt hat.
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Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Anordnung
besteht aus einem Laser 24, einer aus den Linsen 36 und 37 bestehenden Anordnung
zur Vergrößerung des Querschnittes des vom Laser erzeugten Strahles, einen Strahlenteiler
38 in dem ein vom Laser erzeugter Strahl 25 in zwei Teilstrahlen 450 und 45b aufgespalten
wird und den Linsen 26 und
30 zur Erzeugung des Objektstrahls und
den Linsen 39, 41 und 43 sowie dem Spiegel 40 und der Lochblende 42 zur Erzeugung
des Bezugsstrahls.
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Der Querschnitt des vom Laser 24 ausgehenden parallelen Kohärentenstrahles
25 wird in der aus den Linsen 36 und 37 bestehenden Anordnung vergrößert und im
Strahlenteiler 38 in zwei Teilstrahlen 450 und 45b aufgeteilt. Der Teilstrahl 45a
wird durch die Linse 26 in der Mittelebene der Linse 48 fokussiert nachdem er das
unmittelbar hinter der Linse 26 angeordnete Objekt 27 durchsetzt hat. Die von den
einzelnen Punkten des Objekts 27 ausgehenden Strahlen, beispielsweise die Strahlen
51, werden durch die Linse 30 fokussiert und bilden das Objekt in der Bildebene
32 ab. Vorher durchsetzen sie -jedoch den in der Mitte zwischen der Linse 30 und
der Bildebene 32 angeordneten lichtempfindlichen Aufzeichnungsträger 31.
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Der Teilstrahl 45b durchsetzt die Linse 39, wird auf dem Spiegel 40
fokussiert und in Richtung auf den Aufzeichnungsträger 31 reflektiert. Dabei durchsetzt
er die Linse 41, konvergiert im Bereich der Öffnung der Lochblende 42, die er als
divergenter Strahl verläßt und wird durch die Linse 43 als paralleler Lichtstrahl
auf den Aufzeichnungsträger 31 gerichtet. Die durch die Teilstrahlen 450 und 45b
erzeugten Objekt- und Bezugsstrahlen interferieren im Bereich des lichtempfindlichen
Aufzeichnungsträgers 31 in dem ihr Interferenzbild aufgezeichnet wird.
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Wird das durch anschließendes Entwickeln und Fixieren erzeugte Hologramm
in der gleichen Relativlage in bezug auf die durch die Blende 42 dargestellte Punktlichtquelle
durch diese oder durch ein anderes aus der gleichen Richtung einfallendes Paralle-Lichtbündel
belichtet, so entsteht in der Bildebene 32 ein reelles direktes Bild 34 des Objektes
27. Die Lage dieses Bildes stimmt mit der Lage des bei der Aufnahme des Hologramms
in der Bildebene 32 erzeugten Bildes vollständig überein. Eine derartige Anordnung
ist in Fig. 5 dargestellt.