DE2229381A1

DE2229381A1 - Verfahren und vorrichtung zur aufzeichnung eines in einem hologramm gespeicherten objektwellenfeldes

Info

Publication number: DE2229381A1
Application number: DE2229381A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl Ph Bestenreiner; Reinhold Dipl Phys Dr Deml; Ulrich Dipl Phys Dr Greis; Josef Dipl Phys Dr Helmberger
Original assignee: Agfa Gevaert AG
Current assignee: Agfa Gevaert AG
Priority date: 1972-06-16
Filing date: 1972-06-16
Publication date: 1974-01-03
Also published as: NL7308146A; US3891975A; JPS4957849A; BE800657A

Description

AGi¹A-GEVAERT AKTIElTGESELLSCHAFT 15. Juni 1972

Leverkusen

O 9 J Q O O -1

PO 149/MO 198 LLLOOQ \

Verfahren "und Vorrichtung zur Aufzeichnung eines in einem Hologramm gespeicherten Ob,jektwellenfeld.es -

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufzeichnung der Phasenverteilung' eines in einem Hologramm gespeicherten Objektwellenfeldes. Die einzige bisher bekannte Möglichkeit Lichtwellenfelder sowohl nach Amplitude als auch nach Phase aufzuzeichnen besteht darin, Interferenzmuster, d.h. Hologramme, aufzuzeichnen. Diese haben den Nachteil, dass sie beugungsoptisch mit sehr schlechtem Wirkungsgrad rekonstruiert werden müssen und ausserdem für eine evtl. Übertragung hohe Bandbreiten benötigen.

Das niederfrequente Signal für die Amplitude lässt sich relativ leicht gewinnen und in einfacher Weise in einem Absorptionsmedium wiedergeben. Die vorliegende Erfindung zielt nun darauf ab, auch das niederfrequente Phasensignal aus dem Hologramm in eine Intensitätsverteilung umzuformen und in einem lichtempfindlichen, refraktiven Medium, z.B. einer gebleichten fotografischen Schicht, aufzuzeichnen.

— 2 — 309881/068A

- 2 PO 149/MO 198

Solch ein Medium ist geeignet, beliebige, beispielsweise von räumlichen Objekten herrührende Wellenfelder mit dem Wirkungsgrad Eins wiederzugeben.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass das Hologramm nach der Phase demoduliert wird. Dabei werden die Intensität smaxima und -minima des Hologrammes in ein Impulsgitter transformiert und diese Impulse aufsummiert und aufgezeichnet.■ Vorteilhafterweise wird zur Transformation des Hologrammes in ein Impulsgitter das Hologramm auf fotografischem Wege hart umkopiert und die Impulsbreite des so erhaltenen Gitters geändert. Dabei wird durch an sich bekannte fotografische Methoden, beispielsweise Ausnutzung des Nachbareffektes und/ oder Überexposition beim Kopieren und/oder teilweise Solarisation, ctur^ii ^T'^T?.-:v/£;r.dung einer unscharfen Maske oder von Äquidensitenfilm aus dem umkopierten Gitter ein Gitter mit verhältnismässig geringer Impulsbreite gewonnen. Es ist auch möglich, die Impulsbreite durch elektrofotografisches Umkopieren zu verringern.

Für den folgenden Schritt ist es vorteilhaft, wenn bei der Umwandlung des Hologrammes in ein Impulsgitter mittels bekanrter optischer Methoden die Fläche der Aufzeichnung vergrössert wird.

Erfindungsgemäss werden nunmehr die Impulse des Impulsgitters über den Ort aufsummiert und aufgezeichnet. Vorteilhaft ist

309881/0684 _?

PO 149/MO 198

es auch, wenn die Impulse des Impulsgitters durch Abtastung in eine Zeitmpulsfolge überführt werden, über die Zeit aufsummiert und aufgezeichnet werden. Dabei erfolgt die Abtastung mit konstanter Geschwindigkeit.

Zur Aufzeichnung werden in an sich bekannter Weise eine einem Bleichverfahren unterzogene fotografische Schicht, Chromgelatine, ein fotoplastischer Film, Thermoplaste, Kristalle aus Lithiumniobat oder eine Gelatineschicht verwendet .

Eine besonders vorteilhafte Aufzeichnungsmöglichkeit besteht darin, dass die Impulse in elektrische Signale verwandelt und zur Steuerung einer mechanischen Graviermaschine verwendet werden, mittels der ein dem Phasenhub entsprechendes Relief in einen festen Stoff eingraviert wird. Dieser Stoff kann ein metallischer oder ein lichtbrechender Stoff sein. Von einem metallischen Relief können Kopien abgeformt werden.

Bei der Aufsummierung der Impulse ist es, wie weiter unten dargelegt wird, vorteilhaft, wenn dem entstehenden stetig ansteigenden Intensitätsprofil ein gegenläufiger, unmodulierter Intensitätsanstieg überlagert wird und wenn bei der entstehenden Summe der Intensitäten der unmodulierte Gleichlichtanteil durch einen Schwellwertsprozess separiert wird.

- 4- 309881/0684

Es ist auch möglich, dass die Impulse in elektrische Signale umgewandelt werden und in einer elektronischen Einrichtung durch Addition einer Sägezahnspannung ein konstanter Gleichspannungsanteil erzeugt und separiert wird.

Anstelle der fotografischen Transformation ist es auch möglich, dass das Hologramm auf eine hochauflösende Bildaufnahmeröhre projiziert und das entstehende Ladungsbild elektronisch abgetastet wird. Dabei wird der Gleichstrommittelwert des Signals durch Kondensator- oder Transformatorkopplung abgetrennt und der Wechselstromanteil mit Hilfe eines Schmitt-Triggers in Rechteckimpulse überführt und aus diesen durch Differenzieren und Triggern einer nachgeschalteten monostabilen Kippstufe mit den entsprechenden positiven Impulsen die erwünschten schmalen Phasen-Signalimpulse gebildet. Die Phaseninformation wird mittels hochauflösender Punktlichtabtaströhren oder mittels eines in an sich bekannter Weise gesteuerten Laserstrahles oder Elektronenstrahles auf lichtempfindliches Material aufgezeichnet.

Das Phasenprofil kann auch mittels einer an sich bekannten Titus-Röhre oder mittels einer an sich bekannten Lumatron-Röhre aufgezeichnet werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung der Aufsummierung und Aufzeichnung der Impulse des Impulsgitters über den Ort

- 5 30988 1/068A

- 5 PO 14-9/MO 198

besteht erfindungsgemäss darin, dass das mittels eines Diffusors oder Zylinderlinsen ausgeleuchtete Impulsgitter von einer mit gleichförmiger Geschwindigkeit bewegten Abtastkante abfahrbar und dass das Aufzeichnungsmedium hinter einem parallel zur Abtastkante orientieren Spalt vorbeibewegbar ist. Die Abtastkante besteht aus einer aus einem festen, lichtundurchlässigen Werkstoff bestehenden Schneide.

"Vorteilhaft ist auch eine Anordnung, bei der das Beleuchtungssystem aus einer Lichtquelle und zwei gekreuzten Zylinderlinsen besteht und beider das Impulsgitter mittels einer gekreuzt zum Abtastspalt angeordneten Zylinderlinse auf das hinter dem Abtastspalt vorbeibewegbare Aufzeichnungsmedium abbildbar ist.

Zur zweidimensionalen Auswertung ist das Impulsgitter mittels einer Lochblende und einer senkrecht zur Abtastrichtung wirkenden, bekannten Verschiebeeinrichtung zeilenweise abtastbar.

Eine weitere erfindungsgemässe Anordnung zur Aufsummierung der Impulse über die Zeit besteht darin, dass zur Abtastung des Impulsgitters als Lichtquelle ein Laser, eine den Laserstrahl auf das Impulsgitter fokussierende Zylinderlinse, eine das Impulsgitter auf das Aufzeichnungsmedium abbildende, zur ersten gekreuzt angeordnete zweite Zylinderlinse und eine

6 309881/0684

- 6 PO 149/MO 198

vor dem Aufzeichnungsmedium in Abtastrichtung bewegliche Abtastkante verwendet wird. Dabei ist die Geschwindigkeit der Abtastkante von der Geschwindigkeit des abtastenden Laserstrahles verschieden.

E ist gemäss der Erfindung auch möglich, ein Hologramm ohne zwischengeschalteten Umkopierprozess zu verarbeiten. Eine Vorrichtung dazu ist beispielsweise so ausgebildet, dass zur seilenweisen Abtastung des Hologrammes als Lichtquelle ein Laser, zur Modulation des Strahles eine Kerrzelle, eine den Strahl auf das Hologramm fokussierende Linse, eine das Hologramm auf das Aufzeichnungsmedium abbildende zweite Linse und eine vor dem Aufzeichnungsmedium in Abtastrichtung mit gleichförmiger Geschwindigkeit bewegliche Abtastöffnung vorgesehen ist,. Trl-si ist die Kerrzelle mittels eines in einem ausgespiegelten Teil des Strahlenganges befindlichen Fotodetektors steuerbar.

Weitere Möglichkeiten zur direkter Au.jtfcrtung bestehen darin, dass sich bei der Abtastung eines Holcgiö.mr&es hinter dem Hologramm eine Schicht aus fotochromem Material oder eine Schicht flüssiger Kristalle in Verbindung mit einer JFotoleiterschicht oder eine Dye-Laser-Schicht befindet und in weiter unten beschriebener Weise zur Bildung des Phasensignals verwendet wird.

- 7 - . ■ 309881/0684

- 7 -PO 14-9/MO 198

Weitere Einzelheiten und Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens werden anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch die Amplituden- und Phasenmodulation eines holografischen Gitters,

Fig. 2 und 2a die Umwandlung des Phasensignals in eine Impulsfolge,

Fig. 3 eine Vorrichtung zur Transformation des Phasensignals in eine Intensitätsverteilung durch Integration über den Ort,

Fig. 4- und 4a schematisch das Auf summieren der Impulse

Fig. 5a bis 5c ein Beispiel zur Veranschaulichung des Verfahrens,

Fig. 6 eine Vorrichtung zur Transformation des Phasensignals in eine Intensitätsverteilung bzw. in eine optische Weglängenverteilung,

Fig. 7 eine schematische Anordnung zur Integration über die Zeit,

Fig. 8 eine andere Anordnung zur Integration über die Zeit,

Fig. 9 schematisch die Kompensation eines off-axis-Hologramms

Fig.10 ein Blockdiagramm für elektronische Integration

Nach der von D. Gabor entwickelten Theorie ist jedes optische Wellenfeld, also auch das räumlicher Objekte, durch Amplitude f(x»y) und Phase 0(x,y) in irgendeiner Ebene (X,Y), zwischen Objekt und Betrachter eindeutig festgelegt. Die einzige bekannte Möglichkeit f(x,y) und 0(x,y) aufzuzeichnen besteht darin, ein Interferenzmuster mittels eines Referenzstrahles zu erzeugen und fotografisch als Hologramm festzuhalten. Das ursprüngliche Objekt wird normalerweise aus dem Hologramm

309881/0684

- 8 PO 149/MO 198

auf beugungsoptischem Wege rekonstruiert; dies hat den Nachteil, dass eine ganze Reihe von BeugungsOrdnungen entstehen und der Beugungswirkungsgrad praktisch nur wenige Prozent beträgt. Zwar lassen sich theoretisch diese Nachteile mit "blazed" Hologrammmen oder "dicken" Aufzeichnungsmedien reduzieren, experimentell konnten jedoch bisher keine wirklich lichtstarken Rekonstruktionen von realen Objekten erreicht werden.

Um die verschiedenen Beugungsordnungen voneinander trennen zu können, ist ferner ein ausseraxialer Referenzstrahl notwendig; dies führt zu einem Trägergitter hoher Ortsfrequenz, dem die Signale f(x,y) und 0(x,y) aufmoduliert sind. Für manche Zwecke möchte man gerne ein Hologramm optisch oder elektronisch übertragen; dies scheitert vielfach einfach daran, dass die zur Verfügung stehende Bandbreite für diese hohe Trägerfrequenz um Grössenordnungen zu klein ist.

Sowohl für die optische Wiedergabe wie auch für eine elektrische Übertragung ist das Hologramm als ganzes nicht notwendig, Es genügt an sich, die beiden niederfrequenten Signale f(x,y) und 0(x,y) darzustellen; in erster Näherung bedeutet dies, dass die zur Verfügung stehende Bandbreite etwa das Doppelte der für ein normales Bild erforderlichen ist.

Die vorliegende Erfindung gibt einen Weg an, durch Demodulation die Funktionen f(x,y) und insbesondere $(x,y) aus dem

30 98 8 1/068 4 - 9 -

- 9 PO 149/MO 198

Hologramm optisch, herzuleiten und das Phasensignal 0 als brechendes Medium darzustellen. Für einen einzigen Objektpunkt bedeutet dies, dass die holografische Zonenlinse in eine konventionelle Linse bzw. eine Fresnelsche Stufenlinse transformiert wird. Eine ebene Objektwelle, die zu einem linearen holografischen Gitter führt, wird auf diese Weise durch ein Prisma oder Fresnel-Prisma dargestellt.

Die vom Hologramm festgehaltene Struktur H(x,y) ist ein moduliertes Gitter der Form

H(x,y) ■■= f(x,y) sin^cüx + 0(x,y)j + K, wobei f(x,y) als Amplitudenmodulation und 0(x,y) als Phasenmodulation in Erscheinung treten. Für den eindimensio nalen Fall ist dies in Fig. 1 anschaulich dargestellt. Je nach Art des Hologrammes ist dabei die Amplitudenmodulation verschieden stark ausgeprägt. Der eine Grenzfall ist im Fourier-Hologramm gegeben, wo wegen der grossen Dynamik von f(x,y) alle Modulationsgrade von Null bis Eins auftreten. Das andere Extrem ist ein mit Streuscheibe beleuchtetes Objekt, das als Fresnel-Hologramm aufgezeichnet wird; in diesem Fall ist die Amplitudenmodulation praktisch konstant; die ganze Information steckt im Phasenanteil

Die Demodulation des Hologrammes nach der Amplitude f(x,y) ist, soweit überhaupt notwendig, relativ einfach. Sie besteht aus einer Tiefpass-Abbildung, bei der das Trägergitter nicht

- 10 309881/068 4

- 10 PO 14-9/MO 198

mehr aufgelöst wird (konventionelle optische Abbildung). Bei geeigneter Charakteristik erhält man auf diese Weise eine fotografische Aufnahme mit einer Transparenz ^( so dass T.(x,y) ~ f(x,y) ist.

Komplizierter und wesentlich wichtiger ist die Demodulation nach der Phase 0(x,y), für die eine vom obengenannten Stand der Technik weitgehend abweichende Methode vorgeschlagen wird. Die Lösung liegt darin, auf optischem Wege die Maxima (oder Minima) des holografischen Gitters in Impulse zu transformieren, die dann von einem beliebigen, vorgegebenen Punkt aus gezählt und aufsummiert werden müssen.

Als erster Schritt wird zweckmässigerweise das Hologramm hart kopiert, um die Amplituienmodulation zu eliminieren (Fig* 2). Dieser Schritt entfällt bei Hologrammen, die mit Streuscheibe aufgenommen wurden.

Aus dem jetzt völlig durchmodulierten Gitter werden schmale Impulse gewonnen (Fig. 2a); dazu gibt es mehrere Möglichkeiten wie fotochemische Entwicklung, Nachbareffekt und/oder Überexposition beim Kopieren und/oder teilweise Solarisation, oder die Verwendung einer unscharfen Maske, die Anwendung eines Äquidensitenverfahrens, elektrografische Aufzeichnung oder Ortsfrequenzfilterung (Differentiation) mit kohärenter Abbildung. In dem nunmehr ggf. wesentlich vergrösserten

- 11 309881/0684

- 11 PO 149/MO 198

Bild des Hologrammes ist, wie Fig. 2a ausweist, nur mehr die Phaseninformation 0(x,y) als eine Folge von gleich, hellen, schmalen Impulsen D(x,y) enthalten, die unterschiedlichen gegenseitigen Abstand besitzen. D(x,y) soll definiert sein als:

D(x,y) = 1 für (x_M - |) 4 χ 4 (^ + |), (2)

wobei x_M bestimmt ist durchfv-S) = 0; (IMf "λ ^<0; D(x,y) = 0 an allen anderen Stellen. Wie Gleichung (2) ausweist, muss die Differentiation in der Abtastrichtung erfolgen. Aus den obengenannten Verfahren resultiert indes eine zweidimensionale Differentiation nach χ und y, die ggf. in y-Richtung bei der Weiterverarbeitung wieder rückgängig gemacht werden kann.

Bei der Originalaufnahme des Hologrammes lässt sich die beschriebene Impulsfolge auch unmittelbar erreichen, wenn man anstelle der konventionellen Methoden eine Art "Vielstrahlinterferenz anwendet. Wie. aus der Interferometrie bekannt ist, lassen sich durch Vielstrahlinterferenz die ursprünglich breiten Interferenzstreifen in schm.ale Maxima umwandeln. In der Holografie bedeutet dies eine Hinzunahme mehrerer Referenzstrahlen im gegenseitigen Winkelabstand der höheren Jourierkomponenten des in Kombination mit dem Objektlicht entstehenden Interferenzmusters. Diese Referenzstrahlen können entweder getrennt oder beispielsweise von einem gemeinsamen Beugungsgitter hergeleitet werden.

- 12 309881/0 6,84

- 12 PO 14-9/MO 198

Das Prinzip der Integration wird zunächst an einem eindimensionalen holografischen Gitter beschrieben. Wie in J¹Ig. 3 dargestellt, wird das modifizierte Hologramm 10 auf ein lichtempfindliches Medium 20 übertragen. Zu diesem Zweck müssen die Impulse, die ja jeweils einem bestimmten Phasenhub entsprechen (Höhenlinien im Phasengebirge) gezählt und aufsummiert werden. Das Impulsgitter 10 mit der Phaseninformation 0(x) wird so beleuchtet, dass von jedem Punkt aus Licht auf den Abtastspalt 11 fällt. Dies kann durch einen Diffusor 12 (wie in Fig. 3 gezeigt), eine Zylinderlinse Z 1 vor dem Gitter 10 oder eine Ulbricht'sche-Kugel vor dem Spalt 11 geschehen.

Das Gitter 10 wird von einer mit gleichförmiger Geschwindigkeit ν bewegten Abtastkante 13 abgetastet und in ein zeitabhängiges Intensitätssignal transformiert. Die Abtastkante 13 kann dabei sowohl als materielle Vorrichtung wie auch als Abbildung einer bewegten Kante (Drehspiegel) verstanden werden. Synchron mit dieser Abtastbewegung wird auch das Aufzeichnungsmedium 20 hinter dem Spalt 11 entlang geführt, wodurch aus der zeitlichen Intensitätsfunktion wieder eine örtliche Verteilung wird; d.h. die Vorrichtung zeichnet die !Funktion I(J ) auf:

I (M - / D (x)cbc (3)

^J ο

Aus der Folge von Pulsen (Fig. 4-a) wird eine Treppenfunktion (Fig. 4-b), die bei geeigneter Gradation des Aufzeichnungs-

- 13 309881/06 8A

- 13 PO 149/ΡΊΟ 198

materials dem Phasenhub proportional ist. Durch Wahl der Gradation kann dabei die Steigung beeinflusst werden. Durch das Material selbst bzw. durch Wahl einer geeigneten Modulationsübertragungsfunktion desselben können ferner die Stufen weitgehend geglättet werden.

Wird bei der Abtastung an einer Stelle die Phase 0 überstrichen, so erfolgt trotzdem ein weiteres Aufsummieren. In solchen "in-line" Fällen würde dann auch das virtuelle Bild mit aufgezeichnet. Dies sei kurz am Beispiel einer in-line Zylinder-Zonenlinse erläutert. Fig. 5a zeigt einen Querschnitt durch die Zonenlinse; in Pig. 5b, c sind Pulsfolge und resultierendes Phasenprofil aufgetragen, eine Kombination von Sammel- und Zerstreuungslinse, wie sie ja auch in der Zonenlinse vorliegt. Praktisch nutzbar ist daher in erster Linie auch hier die "off-axis" Anordnung. Im "in-line"-Fall dürfte man nur bis zur Achse aufsummieren und müsste sodann von der anderen Seite her mit der Abtastung beginnen. (Fig. 5c, gestrichelte Kurve). Hierbei ist aber als Randbedingung zu beachten, dass die Aufsummierung in jeder Zeile von einem Punkt gleicher absoluter Phase 0 ausgehen muss, eine Bedingung, die in der Praxis mit guter Annäherung realisiert werden kann.

Abgesehen vom Einfluss der Gradation, ist die Brennweite dieser Linse durch die Pulsfolge gegeben. Würde man die Zonenlinse durch unscharfe Maske oder kohärente Differentia-

309881/0684 - 14 -

PO 149/MO 198

tion in geeigneter Weise umkopieren, so ergäben sich entsprechend dem Grad des Differentialquotienten die weiteren Brennweiten der Zonenlinse, die zugleich den höheren Beugungsordnungen entsprechen.

Ganz allgemein lässt sich das beschriebene Verfahren auch auf zweidimensionale Hologrammstrukturen anwenden, wenn man zeilenweise abtastet (längs eines schmalen Schlitzes), den Abtastspalt 11 durch eine Lochblende ersetzt und entsprechend wiederum zeilenweise aufzeichnet.

Eine vorteilhafte Methode ist in Pig. 6 dargestellt. Darin wird das holografische (Impuls-) Gitter 10 über die Zylinderlinse Ti-? auf den Abtastspalt 11 abgebildet. Ein Beleuchtungsastigmat, bestehend aus zwei Zylinderlinsen Z^, Zo sorgt dafür, dass von jedem Punkt in einem Schnitt durch das Gitter alles Licht (oder von jedem Punkt gleichviel Licht) in den Abtastspalt 11 fällt. Die einzelnen Querschnitte d.h. Zeilen werden dabei durch Z, übereinander abgebildet. Das weitere Vorgehen entspricht dem eindimensionalen Fall. Am Spalt erscheint ein zeit- und ortsabhängiges Intensitätssignal !(^»y)» das durch Vorbeiziehen des Aufnahmematerials als zweidimensionale örtliche Verteilung I( \ ,y) festgehalten wird.

K f ,y) = / D(x,y)dx (4)

Besonders vorteilhaft ist eine andere Ausführungsform, bei

- 15 -309881 /0884

- 15 PO 14-9/MO 198

der die- einmal gewonnene Pulsfolge D(x,y) in eine Zeitfunktion übergeführt wird, die anschliessen über die Zeit integriert wird. Da mit konstanter Geschwindigkeit abgetastet wird, ist dieses Vorgehen in der Wirkung der Integration über den Ort äquivalent. Analog zu (4) ist

K? ,y) - /D(t,y) dt * - =

(5)

Anhand von Pig. 7 lässt sich erkennen, dass nunmehr Abtastspalt 11' und Abtastkante 13' vertauscht sind; sie werden zugleich mit konstanter Geschwindigkeit v.g bzw. v.g v,eweßt Das Aufnahmematerial 20 wird dabei an den verschiedenen Stellen verschieden lang exponiert.

Die Demodulation einer zweidimensionalen Hologrammstruktur geht nun analog zum anhand von Pig. 3 und 6 beschriebenen Verfahren vor sich. Dabei wird der Abtastspalt 11' durch einen mit einer Zylinderlinse Z^ fokussierten Laserstrahl 14 ersetzt. In Fig. 8a, b sind Auf- und Seitenansicht der Anordnung gezeichnet. Die Zylinderlinse Z^ bildet dabei wiederum das Hologramm zeilenweise ab. Die Gradation der Umwandlung der Intensitätsverteilung in eine optische Weglängenfunktion wird ausser durch das Aufzeichnungsmaterial durch die Abtastbewegung bestimmt.
Es ist

- 16 309881/0684

- 16 PO 14-9/MO 198

mit dem Spezialfall der linearen Abbildung

f(t) = const.
Dar allgemeine Fall

^VAS ^{= f}1 ^{(t) (7) und}

v_M = f₂ (t) (8)

bedeutet in der Abtastrichtung zusätzlich, eine eindimensionale Verzerrung z.B. eine Vergrösserung oder Verkleinerung.

Bei der zeitlichen Integration lässt sich darüberhinaus das Originalhologramm gleich direkt verarbeiten,wenn man das Licht des immateriellen Abtastspalt steuert.

Dies kann beispielsweise durch eine Kerrzelle (nur bei zeilen weiser Abtastung mit einem Lichtpunkt) geschehen, die mittels eines in einem ausgespiegeIten Teil des Strahlenganges befindlichen Fotodetektors so geschaltet wird, dass die beschriebene Pulsfolge D(x,y) entsteht.

Das gleiche lässt sich durch eine hinter dem Hologramm befindliche schnelle fotochrome Schicht bildmässig erreichen, wobei deren Zeitkonstanten dann die Pulsbreite bestimmen.

Den gleichen Effekt bewirkt eine Schicht flüssiger Kristalle in Kombination mit einer Fotoleiterschicht. Durch das auftretende Licht wird letztere leitend und bewirkt, dass die Kristalle an der betreffenden Stelle transparent (oder opak)

- 17 309881/0684

PO 149/MO 198

werden. Fähere Angaben zu dieser speziellen Anwendung flüssiger Kristalle finden sich in den Literaturstellen

T.D. Beard "Photoconductor Light-Gated Liquid Crystals used for Optical Data¹.' OSA Oct 1971 Annual Meeting und

S.P. Richard, A.S- Marathay "Cholesteric Liquid Crystals for Optical Processing, ebenda.

Als weitere Ausführungsform wird auf einen Dye-Laser-Bildverstärker hingewiesen, wie er in -

T.W. Hänschj F.Värsanyi, A.L. Schawlow "Image Amplification by Dye Lasers," 1971 Preprint submitted to Appl. Phys. Lett.

beschrieben ist. Eine geeignete Dye-Laser-Schicht hinter dem Hologramm wird dabei bis nahe an die Laselemission gepulst gepumpt; durch einen kleinen zusätzlichen Energiebetrag bei der Abtastung an der Stelle der Gittermaxima wird der Lasereffekt erreicht. Das Hologramm muss zu diesem Zweck bereits hart kopiert sein, also der Form Fig. 2 entsprechen. Der Dye-Laser bewirkt dann automatisch die Umwandlung in einzelne gleichbreite Impulse. Gegebenenfalls muss allerdings das auf einen schmalen Streifen fokussierte Pumplicht zusammen mit dem Abtastspalt mitgeführt werden.

Das Ziel des Verfahrens ist eine Aufzeichnung im Phasenmedium als eine Verteilung von optischen Weglängen -^i-(x,y). Da die bisher bekannten Phasenmedien sich nicht bis zum Phasenhub von Linsen oder Prismen modulieren lassen, ist es zweckmässig, nur bis zu wenigen Vielfachen der Wellenlänge Λ aufzusummieren und analog zu einer Fresnellinse

309881/0684

- 18 -

18 PO 149/MO 198

wieder bei der Phase KuIl neu zu beginnen. Experimentell wird dies in einfacher Weise dadurch erreicht, dass der Integrationsbereich nur bis zu einer bestimmten Grenze ausgedehnt wird. Dies kann z.B. durch einen Beleuchtungsspalt 11 mit der Breite des Integrationsbereiches geschehen, der immer sprungweise über einen Drehspiegel nachgeführt wird. Die Steuerung kann über einen Fotodetektor erfolgen, der die Helligkeit am Abtastspalt misst und beim Erreichen eines bestimmten Wertes umschaltet. Zugleich kann auf diese Weise über einen elektrooptischen Modulator die Beleuchtungsseite im Sinne einer ^-Korrektur beeinflusst werden.

Soweit bisher bekannt, kommen folgende Aufzeichnungsmedien in Frage:

Eine fotografische Schicht mit Bleichverfahren (Variation von Brecnungsindex η und Schichtdicke d) oder Chromgelatine oder fotoplastischer Film (siehe

J.E. Bigelow "A photoplastic Film Recording Terminal" SPSE, New York, Sept. 23, 19?1V

Ferner ist die "Verwendung von Fotoresistschichten, Thermoplasten, Kristallen wie LiITbO^ u.a. oder eines Gelatinereliefs nach dem Technicolor-Verfahren möglich.

Ferner ist es möglich, dass das durch eines der oben beschriebenen optischen Codierverfahren gewonnene Signal, welches der Höhe des Phasenhubs proportional ist, eine Graviermaschine steuert, die ein dem Phasenhub entsprechendes

- 19 309881 /0684

copy

PO 14-9/MO 198

Relief in einem lichtbrechenden Stoff eingraviert.

Weiterhin besteht dabei die Möglichkeit, ein einmal gewonnenes Relief in bekannter Weise auf Kunststoff abzuformen und zu vervielfältigen.

Die Umwandlung des in der Praxis üblichen off-axis-Hologramms führt naturgemäss zur Mitübertragung des Trägergitters in Gestalt eines ablenkungsgleichen Prismas mit überlagerter Objektstruktur. Da für die Betrachtung eine in-line-Bilderzeugung vorzuziehen ist, kann dieser Effekt nachträglich durch Kombination mit einem gegenläufugen Prisma kompensiert werden. Um die Phasenhübe im Aufzeichnungsmaterial möglichst klein zu halten ist es jedoch zweckmässiger, die Kompensation des Originalprofiles (Fig. 9a) bereits in den Transformationsprozess mit einzubeziehen. Dies kann z.B. durch Addition einer dem phasenproportionalen Intensisätsprofil nach Fig. 9a entgegengerichtet ansteigenden Intensitäts—_v verteilung nach Fig. 9b erfolgen. Es ergibt sich ein konstanter Gleichlichtanteil mit aufmodulierter Objektstruktur (Fig. 9c), die in bekannter Weise durch einen Schwellwertprozess (z.B. Fotografie) separiert werden kann (fig. 9d).

Die vorstehend beschriebenen Operationen lassen sich besonders vorteilhaft auch mit elektronischen Mitteln realisieren. Das Prinzip besteht auch in diesem Fall wieder

- 20 309881/0684

- 20 PO 14-9/MO 198

in der Kennzeichnung der Orte gleicher Phase durch Impulse und Aufsummieren derselben in der Vorzugsrichtung. Ein einfaches Blockdiagramm ist in Fig. 10 dargestellt.

Das durch die Abtastung 31 mittels eines Fotοempfängers 32 gewonnene Signal 33 wird in bekannter Weise amplitudenbegrenzt und mittels eines Impulsformers 34- in eine Impulsfolge umgewandelt, die in einem digitalen Zähler oder analog arbeitenden Integrator 35 aufsummiert wird. Die beschriebene in-line Transformation kann hier in einer Summierstufe 37 durch einfache Addition einer Sägezahnspannung, die mittels eines Sägezahngenerators 36 erzeugt wird, bewerkstelligt werden. Das auf diesem Wege gewonnene Phasenprofil wird mit Hilfe eines modulierten Laser- oder Elektronenstrahls in der Aufzeichnungsstufe 38 zeilenweise aufgezeichnet.

Die Abtastung kann optisch über eine Punktlichtabtaströhre oder einen richtungsgesteuerten Laserstrahl erfolgen, denen ein Fotoempfänger, (Fotomultiplier, Fotowiderstand, Fotodiode usw.) nachgeschaltet ist.

Das Hologramm kann aber auch auf eine hochauflösende Bildaufnahmeröhre, z.B. ein Return-Beam-Vidicon projiziert und das entstehende Ladungsbild elektronisch abgetastet werden.

Eastman F.H.Ill "A high-Resolution Image Sensor" JSMPTE 79 (1970),10-15

In beiden Fällen entsteht ein elektrisches Signal-, das dem

309881/0684 -21-

- 21 PO 14-9/MO 198

2223381

H(x) der Fig. 1 entspricht. Der Gleichstrommittelwert dieses Signals lässt sich einfach durch Kondensator- oder Transformatorkopplung abtrennen. "Der Wechselstromanteil kann in einer Begrenzer-Verstärker-Schaltung (Clipper-Schaltung) mit Hilfe eines Schmitt-Triggers oder mit ähnlichen Impulsschaltungen in das Signal Fig. 2b übergeführt werden^ aus dem durch Differentiation und Triggern einer nachgeschalteten monostabilen Kippstufe mit den entstehenden positiven Impulsen das Signal Fig. 2c entsteht. Mit regenerativen Impulsschaltungen kann das 'Signal Fig. 2c auch unmittelbar aus dem Signal Fig. 2a gewonnen werden.

Zum Aufzeichnen der Phaseninformation eignen sich hochauflösende Punktlichtabtaströhren oder Laser-Beam-Recording, wenn das Aufzeichnungsmaterial lichtempfindlich ist. Eine besonders günstige Auflösung liefern Aufζeichnungssysteme mit moduliertem Elektronenstrahl_(Electron Beam Recording).

Daneben sind auch Echtzeitmethoden möglich: In der TITUS-Röhre (siehe hierzu *) ' wird das Phasenprofil mit einem Elektronenstrahl auf elektrooptisch.es Material geschrieben. Ein an der Röhre reflektiertes kohärentes Lichtbündel durchläuft je nach der Aufladung der Reflexionsstelle verschieden lange' optische Wege.

Eine ähnliche auch hier verwendbare Steuerung der optischen

Weglänge durch einen Elektronenstrahl wird beim bekannten * Marie G-. "Grossprojektoren....¹¹ Philips techn.Rundschau 30 (1969/70), 302-309

309881/0684 - 22 -

- 22 PO 14-9/MO 198

Eidophor-Verfahren'benutzt.

Eine weitere Möglichkeit zur Wiedergabe ergibt sich durch Verwendung der Lumatron-Röhre, bei der durch den Elektronenstrahl auf einem thermoplastischen Schirm ein Echtzeit-Phasenbild aufgezeichnet wird. Siehe hierzu

W.E.Glenn, R.J. T>oyle "Lumatron " SPSE, New York

Sept. 23/24, 1971.

Zwar sind noch eine ganze Reihe weiterer Ausführungsformen denkbar; der Grundgedanke besteht aber in Jedem Fall darin, die Phaseninformation des Hologrammes in eine Folge gleicher Impulse zu transformieren und diese optisch über die Abtaststrecke oder über die Abtastzeit aufzusummieren. Die resultierende Intensitätsverteilung wird schliesslich auf ein Material aufgezeichnet, das direkt die Phasenverteilung des Objektwellenfeldes als Verteilung optischer Weglängen (Brechungsindex n, Dicke d des Mediums) wiedergibt. Wie eingangs erwähnt, spielt demgegenüber die Demodulation nach der Amplitude eine untergeordnete Rolle.

Die Funktion t".(x,y) . J{_ (x*y) ergibt dann das vollständige Obg ektwellenfeld.

Das beschriebene Verfahren betrifft zunächst nur ein monochromatisches Bild. Das Farbbild kann durch additives Zusammensetzen (Ineinanderschachtelung) dreier solcher Phasenbilder in Verbindung mit einer entsprechend gerasterten dreifarbigen Amplitudenmaske verifiziert werden.

309881/0684 -23-

Claims

Pat ent anspräche

./ Verfahren zur Aufzeichnung der Phasenverteilung eines in einem Hologramm gespeicherten Objektwe11enfeldes, dadurch gekennzeichnet, dass das Hologramm nach der Phase demoduliert und das niederfrequente Phasensignal aufgezeichnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsmaxima und -minima des Hologrammes in ein Impulsgitter transformiert und diese Impulse aufsummiert und gespeichert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2> dadurch gekennzeichnet, dass zur Transformation des Hologrammes in ein Impulsgitter das Hologramm auf fotografischem Wege hart umkopiert und die Impulsbreite des so erhaltenen Gitters geändert wird.
4-. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass

309881/Q684

- 24- -

- 24 PO 149/MO 198

durch an sich bekannte fotografische Methoden, beispielsweise Ausnutzung des Nachbareffektes und/oder Überexposition beim Kopieren und/oder teilweise Solarisation, durch Verwendung einer unscharfen Maske oder von Äquidensitenfilm aus dem umkopierten Gitter ein Gitter mit verhältnismässig geringer Impulsbreite gewonnen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsbreite durch elektrofotografxsches Umkopieren verringert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3 bis 5» dadurch gekennzeichnet, dass bei der Umwandlung des Hologrammes in ein Impulsgitter mittels bekannter optischer Methoden die Fläche der Aufzeichnung vergrössert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulse des Impulsgitters über den Ort aufsummiert und aufgezeichnet werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche Λ bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulse des Impulsgitters durch Abtastung in eine Zeitimpulsfolge überführt werden, über die Zeit aufsummiert und gespeichert werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass

- 25 309881/0684

- 25 PO 149/MO 198

die Abtastung mit konstanter Geschwindigkeit erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 7 bis 9» dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufzeichnung in an sich bekannter Weise eine einem Bleichverfahren zu unterziehende fotografische Schicht, Ghromgelatine, ein fotoplastischer JiIm, thermoplastischer Stoff, Kristalle aus Lithiumniobat oder eine Gelatineschicht dienen.
11. Verfahren nach Anspruch 7 bis 9» dadurch gekennzeichnet, dass die Impulse in elektrische Signale verwandelt und

. zur Steuerung einer mechanischen Graviermaschine verwendet werden, mittels der ein dem Phasenhub entsprechendes Relief in einen festen Stoff eingraviert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Relief in einen metallischen Stoff eingraviert wird.
13· Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Relief in einen lichtbrechenden Stoff eingraviert wird.

¹V
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass vom metallischen Relief Kopien aus lichtbrechendem Stoff abgeformt werden.

- 26 309881/0684

- 26 PO 14-9/MO 198
15· Verfahren nach'Anspruch 7 bis 9» dadurch gekennzeichnet, dass bei der Aufsummierung der Impulse dem entstehenden ansteigenden Intensitätsprofil ein gegenläufiger, unmodulierter Inteiisitätsanstieg überlagert wird und dass bei der entstehenden Summe der Intensitäten der unmodulierte Gleichlichtanteil durch einen Schwellwertsprozess separiert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulse in elektrische Signale umgewandelt und in einer elektronischen Einrichtung durch Addition einer Sägezahnspannung ein konstanter Gleichspannungsanteil erzeugt und separiert wird.
17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hologramm auf eine hochauflösende Bildaufnahmeröhre projiziert und das entstehende Ladungsbild elektronisch abgetastet wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16 und 17» dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrommittelwert des Signals durch Kondensator- oder Transformatorkopplung abgetrennt und der Wechselstromanteil mit Hilfe eines Schmitt-Triggers in Rechteckimpulse überführt wird und der aus diesen durch Differenzieren und Triggern einer nachgeschalteten monostabilen Kippstufe mit den entsprechenden positiven Impulsen die Phasen-Signalimpulse mit verhältnismässig geringer Impulsbreite gebildet werden.

309881/0684 -27-

- 27 PO 14-9/MO 198
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch -gekennzeichnet, dass die Ph.asen.inf or mat ionen mittels hochauflösender Punktlichtabtaströhren auf lichtempfindliches Material aufgezeichnet werden»
20. .Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Phaseninformation mittels eines in an sich bekannter Weise gesteuerten Laserstrahles auf lichtempfindliches Material aufgezeichnet werden.
21. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Phaseninformation mittels eines in an sich bekannter Weise gesteuerten Elektronenstrahles aufgezeichnet werden.
22. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenprofil mittels einer an sich bekannten Titus-Eöhre aufgezeichnet wird.
23. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenprofil mittels einer an sich bekannten Lumatron-Eöhre aufgezeichnet wird.
24-. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass das mittels eines Diffusors (12) oder von Zylinderlinsen (21, 22)

- 28 309881/0684

-2S-

PO 14-9/MO 198

ausgeleuchtete Impulsgitter (10) von einer mit gleichförmiger Geschwindigkeit (v) bewegten Atfcbastkante (13) abfahrbar und dass das Aufzeichnungsmedium (20) hinter einem parallel zur Abtastkante (13) orientierten Spalt (11) vorbei bewegbar ist.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastkante (13) eine aus einem festen, lichtundurchlässigen Werkstoff bestehende Schneide ist.
26. Vorrichtung nach Anspruch 24- oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem aus einer Lichtquelle (15) und zwei gekreuzten Zylinderlinsen (21, 22) besteht und dass das Impulsgitter (10) mittels einer gekreuzt zum Abtastspalt (11) angeordneten Zylinderlinse (23) auf das hinter dem Abtastspalt (11) vorbeibewegbare Aufzeichnungsmedium (20) abbildbar ist.
27. Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Impulsgitter (10) mittels einer Lochblende und einer senkrecht zur Abtastrichtung wirkenden, bekannten Verschiebeeinrichtung zeilenweise abtastbar ist.
28. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8 und 9» dadurch gekennzeichnet, dass zur

- 29 309881/0684

- 29 PO 149/MO 198

Abtastung des Impulsgitters (10) als Lichtquelle ein Laser, eine den Laserstrahl (14) auf das Impulsgitter (10) fokussierende Zylinderlinse (21 )j eine das Impulsgitter (10) auf das Aufzeichnungsmedium (20) abbildende, zur ersten gekreuzt angeordnete zweite Zylinderlinse (22) und eine vor dem Aufzeichnungsmedium (20) in Abtastrichtung bewegliche Abtastkante (13) vorgesehen ist.

/ i
29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit (v^g-) der Abtastkante (13¹) von der Geschwindigkeit (v^g) des abtastenden Laserstrahles (14) verschieden ist.
30. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur zeilenweisen Abtastung des Hologrammes als Lichtquelle ein Laser, zur Modulation des Strahles (14) eine Kerrzelle, eine den Strahl auf das Hologramm fokussierende Linse, eine das Hologramm auf das Aufzeichnungsmedium abbildende zweite Linse und eine vor dem Aufzeichnungsmedium in Abtastrichtung mit gleichförmiger Geschwindigkeit bewegliche Abtastöffnung vorgesehen ist.
31. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerrzelle mittels eines in einem ausgespiegel-

- 30 309881/0684

- 30 PO 149/MO 198

ten Teil des Strahlenganges befindlichen Fotodetektors steuerbar ist.
32. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei der Abtastung eines Hologrammes hinter dem Hologramm eine Schicht aus fotochromem Material befindet.
33. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich hinter einem abzutastenden Hologramm eine Schicht flüssiger Kristalle in Verbindung mit einer Fotoleiterschicht befindet.

34-. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich hinter dem abzutastenden Hologramm eine Dye-Laser-Schicht befindet.

Hierzu. 5 Blatt Zeichnungen

309881/0684