DE2127765B2 - Anordnung zum Herstellen von Hologrammen mit beschränkt kohärentem Licht - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Herstellen von Hologrammen mit Laserlicht, deren Kohärenzlänge in Bezug auf die Dimension des zu holographierenden Objektes so gering ist, daß sich bei Ausleuchtung des Objektes durch ein einziges Objekstrahlenbündel auf der Hologrammplatte zwischen dem Objekt und dem Referenzlicht Wegdifferenzen ergeben, die größer sind als die Kohärenzlänge des Laserlichtes, mit einem in mehrere Beleuchtungsbündel aufgeteilten Objektstrahlenbündel.

Es ist bekannt, daß holographische Aufnahmen von Objekten größerer räumlicher Tiefe nur mit hoch monofrequenten Lasern möglich sind. Werden Laser verwendet, die in mehreren longitudinalen Moden schwingen, deren Strahlung also nur beschränkt kohärent ist, beispielsweise Rubin- oder andere Pulslaser, so ergibt sich ein brauchbares Hologramm nur dann, wenn die Wegdifferenzen zwischen Objekt- und Referenzlicht auf der Hologrammplatte kleiner als die Kohärenzlänge des Lasers sind. Es ist zwar möglich, die Kohärenzlänge durch geeignete Ausbildung des optischen Resonators mittels Frequenzselektion auf mehrere Meter zu bringen, jedoch kann, beispielsweise infolge Wärmedehnung, der Resonator sich derart dejustieren, daß die Kohärenzlänge auf wenige Zentimeter sinkt.

Um brauchbare Hologramme mit in mehreren Moden schwingenden Lasern, also mittels beschränkt kohärenten Lichts, herstellen zu können, ist es bekannt (W. T s c h i e d e 1 et al. in Z. angew. Phys. 31 Heft 1 (1971) S. 15 bis 21), das Referenzlichtbündel in zwei Teilbündel aufzuteilen, die bis zur Hologrammplatte unterschiedliche Lichtwege durchlaufen, derart, daß die Wegdifferenz nicht gleich (2m + 1) · λ o/2 ist, wobei m eine positive ganze Zahl und λ ο die mittlere Wellenlänge des in mehreren Moden schwingenden Lasers ist Mit dieser Methode werden Objekte holografie«, bei welchen zwischen Objekt- und Referenzstrahl Wegdifferenzen bis zu 4 Metern auftreten. Statt die beiden bezüglich des durchlaufenen Lichtweges verschiedenen Teilbündel gemeinsam unter demselben Winkel auf die Hologrammplatte zu werfen, soll der genannte Vorteil auch dann erreichbar sein, wenn die beiden Teilbündel zueinander unter einem definierten Winkel geneigt auf die Hologrammplatte fallen.

Dadurch erhält man dann Zonen idealer Interferenz und Linien, in denen nach wie vor interferenzlose Stellen für bestimmte Wegdifferenzen auftreten.

Die bekannte Methode hat für die Praxis den Nachteil, daß im Falle der parallelen Teilbündel eine sehr genaue Justierung nötig ist und im Falle der geneigten Teilbündel definierte Neigungswinkel und eine ganz spezieile Anordnung zweier Detektoren am Orte des Hologramms - derart, daß immer einer der Detektoren in den durchgehend interferenzfähigen Bereich zu liegen kommt — für notwendig erachtet werden.

Aus der Zeitschrift »Applied Optics«, Vol. 6 (1967), S. 2005 i?t ebenfalls eine Anordnung bekannt, bei der das holographisch aufzunehmende Objekt durch mehrere Beleuchtungsbündel beleuchtet wird. Neben einem großen apparativen Aufwand (für jedes Beleuchtungsbündel ist ein eigener Strahlenteiler, ein Objektiv sowie ein diffus streuender Körper erforderlich) ist es bei dieser Anordnung notwendig, daß der Objekt- und der Referenzstrahl etwa die gleiche optische Weglänge (gemessen zwischen Laser und Hologrammplatte ) aufweisen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Herstellung guter Hologramme von Objekten größerer Tiefe mittels beschränkt kohärenten Lichts unter für die Praxis geeignetem Aufwand zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Objektstrahlenbündel derart geteilt ist, daß jeder abzubildende Objektpunkt von mindestens zwei zueinander geneigten Strahlen des Objektstrahlenbündels beaufschlagt wird, deren Wegdifferenz größer ist als die Kohärenzlänge des Laserlichtes.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das zur Beleuchtung des Objektes bestimmte Lichtbündel zunächst auf einen diffus streuenden Körper gerichtet, wobei dann das Objekt mit dem von diesem Körper stammenden Streulicht beleuchtet wird.

Der Erfindungsgegestand wird nachstehend in den Figuren an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert. Hierbei zeigt

F i g. 1 eine Anordnung, bei welcher das Objektlichtbündel in zwei Teilbündel aufgespalten wird und die beiden Teilbündel zueinander geneigt auf das Objekt geworfen werden, und

F i g. 2 eine Anordnung, bei welcher das Objektlichtbündel über einen Diffusor auf das Objekt gestreut wird.

In F i g. 1 ist ein Laser 1 dargestellt, dessen Lichtstrahl 2 mittels eines Strahlenteilers 3 in ein Objektlichtbündel 4 und ein Referenzlichtbündel 5 aufgespalten wird. Das Bündel 5 wird an einem Spiegel 6 umgelenkt und nach Aufweitung mittels einer Linse 7 auf die Hologrammplatte 8 geworfen. Das Bündel 4 wird mittels eines zweiten Strahlteilers 9 in zwei Teilbündel 10 und 11 aufgespalten und das Bündel 10 nach Umlenkung am Spiegel 12 und Aufweitung durch die Linse 13 geneigt zu dem durch die Linse 14 aufgeweiteten Bündel 11 auf das Objekt 15 geworfen. Die Hologramm-

platte 8 wird vom Streulicht des Objektes 15 beaufschlagt.

Die in der Praxis zu holografierenden Objekte sind überwiegend diffus streuende Körper. Solche Körper erscheinen unter Laserbeleuchtung gefleckt (z. B. JOSA 55 (1965) 247). Enhält die beleuchtende Laserstrahlung mehr als eine Frequenz, ist sie also nur beschränkt kohärent, und wird sie in Form zweier zueinander geneigter Teilbündel in der in F i g. 1 dargestellten Weise auf das Objekt geworfen, so weisen die Flecken üuf dem Objekt Kontrast-Maxima und -Minima auf (DT-AS 21 12 811). Diese Erscheinung kann dadurch erklärt werden, daß jede in dem Laserlicht enthaltene Frequenz des einen Teilbündels mit derselben Frequenz des anderen Ttilbündels auf dem Objekt ein Interferenzgitter einer bestimmten, von der Frequenz in bekannter Weise abhängigen Streifenbreite erzeugt, so daß für jede Frequenz örtliche Intensitätsfluktuationen entstehen. Durch die unterschiedlichen Streifenbreiten ergeben sich danr Gebiete, in denen die lntensitätsrnaxima der verschiedenen Frequenzen aufeinanderfallen und solche, in denen Intensitätsmaxima und -minima am gleichen Ort liegen. Die erstgenannten Gebiete sind Gebiete mit Recken hohen Kontrastes, die letztgenannten solche niederen Kontrastes. 2s

In F i g. 1 ist der Kontrastverlauf γ{\) über dem Objekt 15 in Form einer Kurve dargestellt. Gemäß der Erfindung sollen nun die zu jeder Frequenz gehörenden Intensitätsmaxima (des Interferenzgitters) überwiegend nicht mit den Intensitätsmaxima (des Interferenzgitters) einer anderen Frequenz zusammenfallen. Dies ist, wie oben erläutert, bei einem Minimum des Kontrastes γ(χ) der Fall, so daß in F i g. 1 das Objekt 15 an den Ort dieses Minimums gebracht ist.

Mit der dargestellten Anordnung können gute HoIogramme ausgedehnter Objekte bzw. von Objekten mit großer räumlicher Tiefe auch mittels sogenannter MuI-timodenlaser, also Lasern beschränkter Kohärenz, die in mehr als einem Mode schwingen, erzeugt werden, oder mittels Lasern, die zwar zunächst durch Frequenzselektion nur auf einer diskreten Frequenz emittieren, durch mechanische Veränderung des optischen Resonators sich dann aber verstimmen und dann auch nur noch beschränkte Kohärenz aufweisen. Die Einstellung der Anordnung ist relativ einfach, da das zu holografierende Objekt ohne besonderen Meßaufwand an den Ort minimalen Fleckenkontrastes gesetzt werden kann. Die Breite der Gebiete minimalen Fleckenkontrastes kann durch den Neigungswinkel der beiden Teilbündel 10, 11 zueinander in einfacher Weise variiert werden (DT-AS 21 12 811).

In F i g. 2 ist eine für die Praxis besondere wichtige Variante der Erfindung dargestellt. Hier wird das Objektlichtbündel 4 nicht wie in F i g. 1 in zwei Teilbündel aufgespalten, sondern nach Aufweitung auf einen diffus streuenden Körper 17, beispielsweise ein matt weiss gestrichenes Blech, eine Opal- oder Milchglasscheibe, geworfen. Das Objekt 15 wird dann mit dem von diesem Körper 17 reflektierten Streulicht 18 beleuchtet. Statt den Körper 17 reflektierend anzuordnen, kann — mit einer Opal- oder Milchglasscheibe — auch eine Durchlichtbeleuchtung des Objektes 15 gewählt werden.

Auch mit der in F i g. 2 dargestellten Anordnung bzw. deren angedeuteter Variante werden gute Hologramme ausgedehnter Körper bei Beleuchtung mit Laserlicht beschränkter Kohärenz erhalten. Die Erklärung hierfür ist darin zu sehen, daß der diffus streuende Körper 17 auf dem zu holografierenden Objekt 15 für jede in dem Laserlicht enthaltene Frequenz örtliche Intensitätsfluktuationen erzeugt (JOSA 61 (1971) 559), wobei die zu einer Frequenz gehörenden Intensitätsmaxima im statistischen Mittel überwiegend nicht mit den Intensitätsmaxima einer anderen im Laserlicht enthaltenen Frequenz zusammenfallen.

Der diffus streuende Körper 17 ist bezüglich seiner Ausdehnung d, seines Abstandes ζ vom Objekt 15 und seiner Lage zum beleuchtenden Strahlenbündel 4 nach dessen Aufweitung in der Linse 16 und zum Objekt 15 derart ausgebildet bzw. angeordnet, daß es unter den von dem diffus streuenden Körper 17 auf einen Punkt 19 des Objektes 15 fallenden Strahlen mindestens zwei, z. B. die Strahlen 20,21, gibt, deren Lichtwege zwischen dem Laser 1 und dem Objektpunkt 19 sich um mindestens eine Kohärenzlänge des Lasers unterscheiden. Alle Objektpunkte, für welche diese Voraussetzungen erfüllt sind, werden durch das Hologramm auch bei beschränkt kohärenter Beleuchtung gut abgebildet.

Der Erfolg der Erfindung kann dadurch erklärt werden, daß durch die örtliche Separierung der zu einer Frequenz gehörenden Intensitätsmaxima verschiedene diffus streuende Gebiete des Objektes beleuchtet werden, wodurch auf der Hologrammplatte 8 für jede Frequenz ein Hologramm aufgenommen wird, das mit denen der anderen Frequenzen inkohärent und daher nicht interferenzfähig ist. Bezüglich des Hologramms einer Frequenz erzeugen die anderen Frequenzen nur einen inkohärenten Untergrund, der den Wirkungsgrad zwar etwas reduziert, aber sonst nicht weiter stört. Die örtlichen Intensitätsfluktuationen, die zu einer Frequenz gehören, sind zweckmäßigerweise derart, daß die Ausdehnung eines Intensitätsmaximums bzw. minimums unterhalb der optischen Auflösung liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Herstellen von Hologrammen mit Laserlicht, dessen Kohärenzlänge in Bezug auf die Dimension des zu holographierenden Objekts so gering ist, daß sich bei Ausleuchtung des Objekts durch ein einziges ObJ2ktsstrahlenbündel auf der Hologrammplatte zwischen dem Objekt- und dem Referenzlicht Wegdifferenzen ergeben, die größer sind als die Kohärenzlänge des Laserlichtes mit einem in mehrere Beleuchtungsbündel aufgeteilten Objektsträfjtenbündel, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektstrahlenbündel (4) derart geteilt ist, daß jeder abzubildende Objektpunkt von mindestens zueinander geneigten Strahlen (10, 11, 20, 21) des Objektstrahlenbündels beaufschlagt wird, deren Wegdifferenz größer ist als die Kohärenzlänge des Laserlichtes; ,

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (15) derart in den Strahlengang der zueinander geneigten Teilbündel (10, 11) gesetzt ist, daß die Kontraste in dem unter der Beleuchtung auf dem Objekt erscheinenden Flekkenmuster minimal sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektstrahlenbündel (4) auf einen diffus streuenden Körper (17) trifft und daß das von dem diffus streuenden Körper (17) stammende Streulicht (18) das Objekt (15) beleuchtet.