DE2201180C3 - Optische Anordnung zur granulationsfreien Rekonstruktion von Hologrammen - Google Patents
Optische Anordnung zur granulationsfreien Rekonstruktion von HologrammenInfo
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Description
15
Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur granulationsfreieu Rekonstruktion von Hologrammen
diffus monochromatisch beleuchteter Objekte durch inkohärente Überlagerung mehrerer Bilder. Dies ist
besonders in der holographischen Mikroskopie von Bedeutung.
Hologramme von diffus strahlenden Objekten zeigen bei der Rekonstruktion immer ein von einer unregelmäßigen
Körnung überdecktes Bild. Diese Körnung oder Granulation tritt immer bei der Beleuchtung mit
kohärentem Licht auf, und sie ist ein räumlich statistischer Vorgang, dessen Kenngrößen bekannt sind.
Besonders wichtig ist eine granulationsfreie Wiedergabe eines Hologramms in der holographischen
Mikroskopie, z. B. in der modernen Halbleitertechnologie.
Granulationsfreie Wiedergabe ist nur durch inkohärente Überlagerung vieler Einzelrekonstruktionen desselben
Gegenstandes möglich. Auf dieser Tatsache aufbauend wurden von verschiedener Seite Methoden
zur granulationsfreien Rekonstruktion von Hologramm :p vorgeschlagen. Dabei werden viele Einzelhologramme
(oder Teilausschnitte eines Hologramms) mit verschiedener Granulationsverteilung zeitlich nacheinander
rekonstruiert.
Die erwähnten Verfahren bedingen einen großen technischen Aufwand bei der Wiedergabe, da die
optische Apparatur für die Rekonstruktion mechanisch bewegte Teile haben muß, was als besonderer Nachteil
zu werten ist. Außerdem erfolgen die Einzelrekonstruktionen zeitlich nacheinander, so daß für eine granuiationsfreie
Wiedergabe auch ein zeitlicher Aufwand erforderlich ist (DT-OS 19 02 585).
Die Versuche, die Granulation bereits bei der Aufnahme eines Hologramms zu vermeiden, führten
bisher nicht zum Erfolg, denn ein Hologramm speichert ein dreidimensionales Wcllenfeld mit dessen voller
Information. Dazu gehört auch die Granulation.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer zeitlich gesehen einzigen Rekonstruktion die Granulation
bei der holographischen Wiedergabe zu unterdrük- -Tzielten Vorteile bestehen
1 cliß I eine einzige Rekonstruktion
bereits frei von granulation ist, und daß 2. die Aufgabe
mi verhältnismäßig geringem technischen Aufwand
"elöst wird. Insbesondere enthält die Apparatur im
Vergleich zu anderen Verfahren kerne mechanisch beEien8erstei Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an
H-ind der Zeichnung im folgenden näher erläutert.
im in eresse einer praktischen Anwendung ist eine
mSichst einfache Anordnung zur Rekonstruktion
S-ebenswer^Wennemeeinz^W.erg^ran,
üb^rtel-ung viele' 'Retnstruktionen desselben Ob
iekJe mit verschiedener Granulationsverte.lung s.mulerfolgen.
Die einzige Eigenschaft von Inkoharenz, die dafür in Frage kommt, ist die Inkoharenz der
verschiedenen Wellenlängenkomponenten der rekoniti'uTerenden
Lichtquelle. Für eine möglichst vollstand.. Z Äusmittelung der Granulation muß d.e Rekonstruktion
mit einer großen Anzahl von Wellenlangen 11011 ...- j I1 man muß zu einer
u einer Weißlichtquelle 1
Es ist bekannt, daß die Wiedergabe eines Hologramms mit einer solchen Lichtquelle Dispersion zeigt,
was gleichbedeutend ist mit einer Zerlegung des Spektrums der Lichtquelle in eine bestimmte Anzahl
von Wellenlängenkomponenten. Eine dispersionsfreie, oder besser eine achromatische Wiedergabe von
Hologrammen ist aber auch bei Weißlichtrekonstruktion möglich, indem man ein Beugungsgitter 4 an eine
geeignete Stelle in den Rekonstruktionsstrahlengang stellt. Das Hologramm 2 erzeugt in Verbindung mit der
Lichtquelle eine dispergierte Rekonstruktion 3. Die Furchen des Beugungsgitters müssen senkrecht zu der
Verbindungslinie des Zentrums der Referenzwelle und des Zentrums des Objekts verlaufen. Dann hebt das
Beugungsgitter bei passender Wahl der Gitterkonstanten die durch das Hologramm verursachte Dispersion
wieder auf. Diese Achromatisierung bewirkt, daß die vielen nebeneinander liegenden Rekonstruktionen
durch das Beugungsgitter übereinander gebracht werden. Die Anzahl der unterscheidbaren Rekonstruktionen
entspricht der Anzahl von unterscheidbaren Wellenlängenbereichen, daher bedeutet die eben
beschriebene Achromatisierung eine inkohärente Überlagerung. Es entsteht eine dispersionsfreie, chromatisch
korrigierte Rekonstruktion 5. Dadurch wird die Granulation aber noch nicht beseitigt, sondern erscheint
mit der gleichen statistischen Verteilung wie bei der Rekonstruktion eines Hologramms mit einer monochromatischen
Lichtquelle, denn bei Weißlichi-Rekonstruküon
lassen sich alle Rekonstruktionen durch eine determinierte Transformation auf eine einzige Rekonstruktion
zurückführen. Sie alle zeigen die gleiche MikroStruktur der Granulation, die Achromatisierung
22 Ol
macht nur die determinierte Transformation wieder rückgängig.
Wellentheoretisch-optisch bedeutet dies folgendes: Bei räumlich kohärenter Beleuchtung des Hologramms
durch eine Weißlichtquelle ist auch eine zu ein^r bestimmten Wellenlänge gehörende Rekonstruktion
räumlich kohärent, zeigt also eine bestimmte, statistische Amplituden- und Phasenverteilung mit zeitlich
feststehenden Phasendifferenzen, und alle Rekonstruktionen zeigen die gleiche Verteilung bezüglich Amplilude
und Phase. Granulationsfrei ist die Wiedergabe erst dann, wenn alle Rekonstruktionen verschiedene Amplituden-
und Phasenverteilung haben. Dann muß die Wirkung der Dispersion, die als determinierte Transformation
zu verstehen ist, ebenfalls statistisch erfolgen. Dies geschieht am einfachsten durch Einfügen einer
Mattscheibe 6 an der Stelle, oder in der Nähe der Stelle, wo die durch das Hologramm dispergierte Rekonstruktion
entsteht, also in der Nähe von 3. Eine Mattscheibe verwandelt eine Wellenfront mit determinierter Amplitude
und Phase in eine solche mit statistisch bestimmten Kenngrößen. Jetzt führt eine inkohärente Überlagerung
der verschiedenen Rekonstruktionen durch das Beugungsgitter zu einer Ausmittelung der Granulation,
denn diese sind verschiedene Repräsentanten eines stochastischen Prozesses und daher statistisch unkorreliert.
Die holographische Wiedergabe gleicht nun dem im inkohärenten Licht betrachteten Original, eine
einheitlich diffuse Fläche erscheint hier wie dort strukturlos. Die chromatisch korrigierte Rekonstruktion
5 wird nach Einfügen der Mattscheibe 6 granulationsfrei. Für eine granulationsfreie Wiedergabe hat man also
folgenden Aufbau: Lichtquelle — Hologramm — Mattscheibe (etwa am Ort der Rekonstruktion) —
Beugungsgitter.
Dazu einige quantitative Angaben: die Anzahl der unterscheidbaren Wellenlängenkomponenten hängt
vom Hologramm und von der Bandbreite der für die Rekonstruktion verwendeten Lichtquelle ab. Jedem
Punkt auf dem Original entspricht ein bestimmtes Beugungsgitter auf dem Hologramm mit einer durch die
Aufnahmegeometrie bestimmten Anzahl von Furchen. Daher hat ein Hologramm das gleiche spektrale
Auflösungsvermögen wie ein Beugungsgitter mit der gleichen Anzahl von Furchen in der ersten Ordnung,
nämlich
Q =
(1)
(Q = Auflösungsvermögen oder »Güte«, ν =
Lichtfrequenz, Av = Frequenzunsicherheit, /V = Anzahl
der Furchen).
Bei N> 1 und einer spektralen Bandbreite ß der Lichtquelle läßt sich die mittlere Frequenzunsicherheit
Av un*er Verwendung von (1) näherungsweise zu
I" = "TT
Hf
(2)
Cm = Mittenfrequenz) angeben.
Demnach zerlegt das Hologramm das Strahlungsfeld
Demnach zerlegt das Hologramm das Strahlungsfeld
η =
(3) gäbe eines Hologramms Fluktuationen der Lichtintensität
/ in der Rekonstruktion um einen Mittelwert / mit dem relativen Schwankungsquadrat.
I1L
ν
Inkohärente Überlagerung von π Rekonstruktionen führt zu dem kleineren Schwankungsquadrat
unabhängige, inkohärente Wellenlängenkomponenten. Die Granulation verursacht bei kohärenter Wieder
I/2
~ητ = -
~ητ = -
und zwar unabhängig von der speziellen Art der inkohärenten Überlagerung.
Bei einer Weißlichtquelle ist BIvn, von der Größenordnung
Eins, also ist die Anzahl der Wellenlängenkomponenten n in diesem Fall etwa gleich dem Auflösungsvermögen des Hologramms. Bei Hologrammen mit
schräg einfallender Referenzwelle und mit Durchmesser von 1 bis 10 cm liegt Q im allgemeinen in der
Größenordnung von 104 bis 105 und damit ist nach (5) die
Granulation um den Faktor 10'4 bis 1O"5 reduziert, d. h.
bis auf einen praktisch unmeßbar kleinen Wert ausgemittelt.
Ausführungsbeispiel 2
Bekanntlich muß für die fehlerfreie Rekonstruktion eines Hologramms dessen Referenzwelle in der
Rekonstruktions-Anlage exakt reproduziert werden. Bei den in der Praxis wichtigen Hologrammen mit
sphärischer Referenzwelle muß man für die Rekonstruktion eine punktförmige Lichtquelle nehmen.
Hologramme mit sphärischer Referenzwelle werden mit folgender Anlage granulationsfrei rekonstruiert:
Die im Ausführungsbeispiel erwähnte Lichtquelle 1 ist folgendermaßen zu modifizieren: Es ist eine beliebige,
räumlich ausgedehnte Lichtquelle mit beliebiger, spektraler Energieverteilung zu verwenden. Mittels einer
Lochblende ist aus dieser Lichtquelle eine Punktlichtquelle zu machen, d. h. die Lichtquelle bestrahlt eine
Lochblende. Für maximale Schärfe bei der Rekonstruktion muß die Größe der Lochblende so bemessen sein,
daß sich räumlich kohärente Beleuchtung des Hologramms ergibt. Bei kleinerer Lochblende sinkt die
Helligkeit der Rekonstruktion, bei größerer Lochblende die Schärfe.
Ausführungsbeispiel 3
Hologramme mit beliebiger Referenzwelle werden folgendermaßen granulationsfrei rekonstruiert: Die im
Ausführungsbeispiel 1 erwähnte Lichtquelle 1 ist folgendermaßen zu modifizieren: Es ist eine beliebige,
räumlich ausgedehnte Lichtquelle mit beliebiger, spektraler Energieverteilung zu verwenden. Von dem
Strahlungsfeld dieser Lichtquelle wird ein räumlich kohärenter Teil isoliert.
Das so entstandene, räumlich kohärente Strahlungsfeld wird dahingehend modifiziert, daß es der Referenzwelle
des zu rekonstruierenden Hologramms gleicht. Bestand die Referenzwelle aus g Wellenzentren mit
lg(g-\) Phasendifferenzen der g Wellenzentren
gegeneinander, so muß man in dem räumlich kohärenten,
d. h. von nur einem Wellenzentrum ausgehenden Strahlungsfeld die g Wellenzentren mit ihren dazugehörigen
Phasendifferenzen entsprechend der Referenzwelle nachbilden. Im übrigen bleibt die Anlage
unverändert.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Optische Anordnung zur granulationsfreien Rekonstruktion von Hologrammen diffus monochromatisch
beleuchteter Objekte, durch inkohärente Überlagerung mehrerer Bilder, dadurch
gekennzeichnet, daß in Richtung des Lichtwegs hintereinander eine polychromatische Lichtquelle
(1), das Hologramm (2), eine Mattscheibe (6) am Ort oder in der Nähe des Ortes der
Rekonstruktion (3) des Objektbildes und ein Beugungsgitter (4) mit senkrecht zu der Verbindungslinie
Objektmittelpunkt —Zentrum der Referenzwelle orientierten Furchen angeordnet ist.
2. Optische Anordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Lichtquelle und
Hologramm eine Lochblende vorgesehen ist.
3. Optische Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Vorrichtung zur
Nachbildung der Referenzwelle vorgesehen ist.
Diese Aulgabe wird durch die in Patentanspruch 1
hnfie Erfindung gelöst. Hierbei ist die
gekennzeichnete brMnü g t schdbc .|n der
ÄsOrifdi Rekonstruktion so zu verstehen.^«
Si Abstand bei üblichen Laboraufbauten .m Zentimeterbereich
allenfalls einige Millimeter betragen kann, h*i festzuhalten ist, daß mit Vergrößerung des
Ms.and Mauscheibe - Rekonstruktion die BiIdhti>
abnimmt. Die Anordnung der Einzelteile ergibt "eh im fbrlgen eindeutig aus der Zeichnung und dem
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19722201180 DE2201180C3 (de) | 1972-01-12 | Optische Anordnung zur granulationsfreien Rekonstruktion von Hologrammen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19722201180 DE2201180C3 (de) | 1972-01-12 | Optische Anordnung zur granulationsfreien Rekonstruktion von Hologrammen |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2201180A1 DE2201180A1 (de) | 1973-07-26 |
DE2201180B2 DE2201180B2 (de) | 1977-01-27 |
DE2201180C3 true DE2201180C3 (de) | 1977-09-22 |
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